Selgitatud: lihtne idee, mis katalüüsis mänge muutvaid reaktsioone

Lihtne idee, mille List ja MacMillan iseseisvalt töötades välja mõtlesid, oli otsida uusi katalüsaatoreid, aineid, mida kasutatakse keemiliste reaktsioonide kiirendamiseks, kui enamik uskus, et need on kinni olemasoleva, mõnevõrra ebatõhusa komplektiga.

2021. aasta laureaadid Benjamin List (vasakul) ja David Macmillan. (Nobeli preemia veebisait)

Lihtsaid ideid on sageli kõige raskem ette kujutada, ütles Nobeli preemia komisjon, austades Benjamin Listi ja David MacMillani tänavuse keemia-Nobeli auhinnaga.

Lihtne idee, mille List ja MacMillan iseseisvalt töötades välja mõtlesid, oli otsida uusi katalüsaatoreid, aineid, mida kasutatakse keemiliste reaktsioonide kiirendamiseks, kui enamik uskus, et need on kinni olemasoleva, mõnevõrra ebatõhusa komplektiga.

Uued looduslikult esinevatest kemikaalidest saadud katalüsaatorid olid keskkonnasõbralikumad ja odavamad ning tagasid, et keemilise reaktsiooni lõppsaadus oli kindlat sorti – ja ei pidanud soovitud tüüpi ühendi saamiseks läbima puhastusprotsessi.

2021. aasta Nobeli keemiaauhinna saanud avastus on viinud molekulaarse ehituse täiesti uuele tasemele, teatas Nobeli komitee. Selle kasutusalad hõlmavad uute ravimite uurimist ja see on aidanud muuta keemia rohelisemaks.

Katalüsaatorid

Kui kaks või enam ühendit reageerivad, moodustades uusi ühendeid, aitavad protsessi sageli kaasa muud kemikaalid, mis ise ei muutu, kuid aitavad reaktsiooni kiirendada. Need katalüsaatorid on tuntud vähemalt 19. sajandi keskpaigast ja neid kasutatakse tänapäeval peaaegu kõigis keemilistes protsessides.

Kuni umbes 2000. aastani oli teadaolevalt ainult kahte tüüpi kemikaale, mis toimisid tõhusate katalüsaatoritena: metallid, peamiselt raskemad metallid; ja ensüümid, looduslikult esinevad rasked molekulid, mis hõlbustavad kõiki elutähtsaid biokeemilisi protsesse. Mõlemal katalüsaatorikomplektil olid piirangud.

Raskemad metallid on kallid, neid on raske kaevandada ning need on inimestele ja keskkonnale mürgised. Vaatamata parimatele protsessidele jäid lõpptootesse jäljed; see tekitas probleeme olukordades, kus nõuti väga kõrge puhtusastmega ühendeid, näiteks ravimite valmistamisel. Samuti nõudsid metallid vee- ja hapnikuvaba keskkonda, mida oli tööstuslikus mastaabis raske tagada.

Ensüümid aga toimivad kõige paremini siis, kui keemilise reaktsiooni keskkonnana kasutatakse vett. Kuid see ei ole igasuguste keemiliste reaktsioonide jaoks sobiv keskkond.

Organokatalüüs

List ja MacMillan, mõlemad 53-aastased, alustasid katsetamist lihtsate orgaaniliste ühenditega. Orgaanilised ühendid on enamasti looduslikult esinevad ained, mis on üles ehitatud süsinikuaatomite raamistikule ja sisaldavad tavaliselt vesinikku, hapnikku, lämmastikku, väävlit või fosforit. Elu toetavad kemikaalid, nagu valgud, mis on pikad aminohapete ahelad (lämmastikku ja hapnikku sisaldavad süsinikuühendid), on orgaanilised. Ensüümid on ka valgud ja seega orgaanilised ühendid.

List ja MacMillan olid teadlikud varasematest uuringutest 1970. aastatel, kus aminohapet nimega proliini kasutati katalüsaatorina teatud reaktsioonides. Kuid selle rolli ei uuritud täielikult. Nad hakkasid ensüümides töötama üksikute aminohapetega – ja saavutasid kulla.

Asümmeetriline katalüüs

Üksikutel aminohapetel oli täiendav eelis: need tagasid, et reaktsioonis saadi ainult üks sorti lõppsaadust.

Ainetel võib olla täpselt sama keemiline koostis ja molekulvalem; kuid erinevad suuresti oma omaduste poolest. Neid tuntakse isomeeridena. Üks isomeeride tüüp on need, mis erinevad üksikute aatomite orientatsiooni poolest kolmemõõtmelises ruumis. Kaks molekuli võivad olla täpselt samad, välja arvatud see, et need on üksteise peegelpildid, nagu meie käed. Lihtsuse huvides nimetavad teadlased neid molekule sageli vasaku- või paremakäelisteks. Sellel lihtsal erinevusel võivad mõnikord olla tohutud tagajärjed, sest see võimaldab molekulidel seostuda erinevates kohtades, kui nad suhtlevad teiste molekulidega.

Keemilise reaktsiooni lõppsaadus on tavaliselt vasaku- ja paremakäeliste molekulide segu. Tavalised laborites läbiviidavad keemilised reaktsioonid ei ole selles osas selektiivsed. Aga loodus on. Kuna peegelpiltidel võivad olla väga erinevad omadused, on looduslikud protsessid äärmiselt selektiivsed ja täpsed. Nad toodavad kas vasaku- või paremakäelise molekuli.

List ja MacMillan avastasid, et kasutades katalüsaatorina looduslikku ühendit, näiteks aminohapet, said nad lõpptootest ainult ühe konkreetse peegelpildi. Seda nimetati hiljem asümmeetriliseks katalüüsiks.

List ja MacMillan leidsid absoluutse mängumuutuse. Organokatalüsaatorite valdkond, nime, mida MacMillan hiljem nende uute katalüsaatorite komplektide kirjeldamiseks kasutas, on viimase kahe aastakümne jooksul plahvatuslikult kasvanud. Nad avastasid lihtsa ja geniaalse tööriista, kuid selle mõju on olnud tohutu, peamiselt farmaatsiatööstuses, aga ka mitmes teises kohas, ütles Pune'i India teadushariduse ja uurimise instituudi professor RG Bhat, kes ise töötab organokatalüsaatoritega. .

Hyderabadis asuva India Keemiatehnoloogia Instituudi direktor dr S Chandrashekhar ütles, et töö suur tähtsus seisnes selles, et see muutis protsessid palju turvalisemaks ja säästvamaks kui varem.

Mul on ka väga hea meel tõdeda, et Nobeli komitee valis seekord läbimurde puhtas keemias. Ta ütles, et varem on keemia-Nobel sageli tunnustanud tööd, mis kuulus sisuliselt bioloogia valdkonda.

Infoleht| Klõpsake, et saada oma postkasti päeva parimad selgitused

Jagage Oma Sõpradega: