Научная
деятельность
Университет ИТМО

Сложное искусство — строить молекулы. О Нобелевской премии по химии 2021 года в пяти карточках

Нобелевскую премию по химии в этом году вручат биохимику Беньямину Листу (Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Германия) и химику-органику Дэвиду Макмиллану (Princeton University, США) за «развитие асимметричного органокатализа». Кратко объясняем, в чем суть открытия и к чему оно приведет медицину.

По порядку:

  1. Строить молекулы… Это как?
  2. Как работают катализаторы?
  3. Если уже есть катализаторы, зачем нужен какой-то органокатализ?
  4. И в чем уникальность органокатализа?
  5. Почему разработка Листа и Макмиллана достойна Нобелевской премии?

Строить молекулы… Это как?

 

Синтез органических веществ — сложный процесс. Количество целевого продукта и его чистота зависят от множества условий: соотношения реагентов, температуры на каждом этапе синтеза, давления и прочего. Главная проблема — часто у органического вещества есть оптический изомер. Они представляют собой «зеркальные отражения» друг друга, как правая и левая ладони. Обычно полученная простым синтезом смесь продуктов содержит оба изомера (само вещество и его «близнец»), но в большинстве случаев нам нужен только один из них. Для «отсеивания» лишней формы в производстве органических веществ используют катализаторы.

 

Как работают катализаторы?

 

Катализатор — это вещество, которое ускоряет и направляет реакции синтеза, но при этом само в них не участвует. Комплекс физических, геометрических и химических свойств катализатора делает его стереоспецифичным: используя это вещество, мы на выходе получим почти чистую смесь лишь одного «зеркального двойника».

 

Если уже есть катализаторы, зачем нужен какой-то органокатализ?

 

Долгое время ученые считали, что катализаторами могут быть только металлы и ферменты (их используют живые организмы). Металлы почти не применяются для стереоселективного (асимметричного) синтеза, а ферменты очень «капризны»: они привыкли жить в клетке и их сложно воспроизводить в нужном количестве. К тому же не все используемые человеком органические вещества существуют в природе — не для всех из них эволюция «разработала» ферменты.

 

И в чем уникальность органокатализа?

 

Ферменты — очень крупные молекулы, а стереоспецифичные еще и асимметричны. Однако в момент реакции с субстратом взаимодействует только малая часть катализатора — активный центр. Именно этот факт сподвиг Листа на эксперименты с L-пролином (активный центр альдолазы), а Макмиллана — с циклическим вторичным амином. Так исследователи независимо друг от друга в 2000-х годах доказали, что для стереоселективного синтеза можно использовать органическую молекулу с той же конфигурацией, которую мы хотим получить. Это и получило название «органокатализа».

 

Почему разработка Листа и Макмиллана достойна Нобелевской премии?

 

Во-первых, теоретическая ценность: ученым далеко не всегда удается объяснить феномен, открытый во время эксперимента. Кстати, понятием «органокатализ» Макмиллан подчеркнул, что не так важно, какой именно катализатор он открыл, главное — сам принцип процесса. Во-вторых, за 20 лет с момента выхода статей Листа и Макмиллана органокатализ в производство внедрили многие фармкомпании. Благодаря этому им удалось удешевить процесс и даже разработать новые лекарственные средства, например, против вирусного гепатита, гипертонии и депрессии.