В Стокгольме объявили имена лауреатов Нобелевской премии по химии 2021 года. Ими стали немецкий химик Беньямин Лист (Benjamin List) и американский химик Дэвид Макмиллан (David MacMillan).
Научные работы этих учёных позволили значительно ускорить создание очень многих веществ, от фармацевтических до промышленных, сделать химический синтез более безопасным для природы, а ещё получать только одну из "зеркальных" молекул. В чём состоит этот химический фокус и почему один из лауреатов не сразу ответил на звонок из Швеции, рассказываем в нашем материале.
Официальная формулировка Нобелевского комитета: "за развитие ассиметрического органокатализа".
Сразу поясним, что органокатализ ‒ это способ ускорения химических реакций с помощью органических веществ. Использование органических катализаторов (тех самых ускорителей реакций) позволяет получить нужный продукт на порядок быстрее, эффективнее и безопаснее. Но как учёные додумались использовать в своих целях именно эти вещества?
Природные катализаторы
До 2000 года все известные катализаторы либо относились к ферментам, либо имели в своём составе металлы.
Металлы, как известно, содержат много электронов и легко ими делятся. Это важно для химических реакций, так как электроны позволяют разорвать одну химическую связь и дать начало другим. То есть электроны облегчают процесс перестройки молекул.
Однако загвоздка в том, что металлы очень уж любят воду и кислород. В их присутствии они выберут дружбу с этими веществами, а вовсе не с молекулами, которые хотят изменить химики. Получается, что катализаторы с металлами готовы ускорять реакции только в отсутствии воды и кислорода. Кто хоть раз бывал на крупномасштабном производстве, понимает, насколько сложно предотвратить доступ воздуха и влаги в промышленных процессах.
Кроме того, многие процессы требовали использования так называемых тяжёлых металлов. А это делало любое производство "грязным".
Хорошо. А что там на счёт ферментов? Эти вещества были придуманы природой для ускорения многих биологических реакций. Все живые организмы содержат в себе тысячи ферментов, или энзимов. Когда один фермент закончил свою работу, к ней приступает второй, затем третий и так далее. Эффективный природный конвейер.
Благодаря энзимам природа производит столь сложные и важные молекулы как холестерин (мы помним, что он бывает не только "плохим"), хлорофилл (отвечает за фотосинтез и получение энергии растениями) и… стрихнин (мощнейший яд и молекула с очень сложным пространственным строением).
В 1990-х годах многие исследователи пробовали создать новые варианты ферментов, которые бы выполняли нужную химикам работу. Был среди них и Бенджамин Лист.
В ходе своей работы Лист изучал, как работают ферменты. Обычно это огромные молекулы, состоящие из сотен аминокислот. Помимо этих аминокислот, значительная часть ферментов также содержит металлы. Но многие ферменты ускоряли реакции и без помощи металлов.
Постепенно учёные разобрались, что для запуска реакции достаточно одной или нескольких отдельных аминокислот фермента.
Правильный вопрос, который задал себе Бенджамин Лист, звучал так: должны ли аминокислоты обязательно быть частью фермента, чтобы катализировать химическую реакцию? Или возможно, что одна аминокислота или другие подобные простые молекулы отлично справятся с этой работой и без Большого Брата?
Хороший учёный начинает с того, что изучает, какие работы проводились до его прихода в науку. Лист вспомнил, что в 70-х годах учёные изучали каталитический потенциал аминокислоты под названием пролин. Однако что-то тогда пошло не так, и исследования в этой области не были продолжены.
Лист решил провести собственные опыты. И это отлично сработало! Более того, пролин давал интересный результат: в продуктах такой реакции преобладали молекулы с необычным пространственным строением. К тому же пролин был очень доступным и безопасным для природы веществом.
Лист опубликовал свои результаты в феврале 2000 года. Он, по его собственному признанию, тогда был уверен, что один работает над этой темой (интернет-сообщество учёных тогда ещё было не очень развито). Однако схожие цели ставил себе и работающий в Калифорнии Дэвид Макмиллан.
Братья-близнецы, или Получить только то, что надо
Тут мы можем ненадолго прерваться и вспомнить (или узнать) , что в природе существуют молекулы, которые выглядят как зеркальное отражение друг друга. Кстати, химики называют таких "братьев-близнецов" энантиомерами.
Правда, энантиомеры не являются точной копией друг друга. Они похожи на левую и правую руку. Как их ни крути, они не совпадут в пространстве. Так и молекулы энантиомеров: хоть они и являются "отражением" друг друга, а обладают разными свойствами.
Учёные выяснили, что в определённых случаях почему-то именно "правая", а не "левая" молекула делает нужную химикам работу.
К слову, когда Листу на пресс-конференции задали вопрос, почему работает одна молекула, но не работает её "отражение", он честно признался, что химики до сих пор этого не знают.
Это особенно важно с точки зрения биологии и, как следствие, в фармацевтике. Там, где больному поможет "левая" молекула, "правая" окажется совершенно бесполезной.
Однако определённые молекулы могут "работать" и "не работать" и в промышленности: в аккумуляторах или в солнечных батареях, на производстве пищевых продуктов или при создании лёгкой и "дышащей" обуви, при производстве парфюмерии и лекарств, и так далее.
Как же получить только один энантиомер из такой "пары"? Тут поможет ассиметрический синтез.
Мы помним, что в опытах Листа преобладали молекулы определённого пространственного строения. То есть пролин ускорял реакцию, продуктом которой была либо "левая", либо "правая" молекула.
В работах Макмиллана, который экспериментировал с органическими молекулами и так называемым иминиевым ионом (тоже является хорошим поставщиком электронов), наблюдался тот же выгодный для многих сфер промышленности результат.
Макмиллан понимал, что другие исследователи, скорее всего, обнаружат нечто подобное и предложил данному явлению название "органокатализ". В январе 2000 года он представил свою статью на рассмотрение в один из научных журналов.
Так независимо друг от друга Бенджамин Лист и Дэвид Макмиллан открыли совершенно новую концепцию катализа.
Прогресс не стоит на месте
С 2000 года развитие прогресса в этой области шло семимильным шагами, а Лист и Макмиллан сохраняют лидирующие позиции в отрасли. Они разработали множество дешёвых и стабильных органокатализаторов, которые можно использовать для запуска множества химических реакций.
Создание многих веществ стало значительно более простым. Для сравнения: раньше сложную молекулу стрихнина получали в 29 этапов, органокатализ сократил необходимое количество шагов до 12, а также сделал производство в 7000 раз эффективнее.
Если раньше определённые активные вещества можно было выделить в небольших количествах из редко встречающихся растений и глубоководных организмов, то теперь их можно создавать в лаборатории в нужном объёме.
Также ассиметрический органокатализ открыл дорогу "зелёной" химии. Органические катализаторы позволили отказаться от металлов (порой вредных для природы) и сделать производство более простым (теперь не надо было бояться доступа влаги и воздуха, меньше очищать продукты на разных этапах).
И напоследок один забавный факт. Нобелевский комитет во время пресс-конференции дозвонился Бенджамину Листу. Сейчас он отдыхает вместе со своей семьёй (американский лауреат, очевидно, ещё спал).
Когда жена сказала Листу, что ему звонят из Швеции, он поначалу решил, что она его разыгрывает и не стал подходить к телефону. Каково же было его удивление, когда он всё же поднял трубку!
"Вы сделали мой день!" – радостным голосом заявил Лист.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".
