Denník N

Vyvinuli metódu, pomocou ktorej sa pripravujú zložité molekuly vrátane liečiv. Udelili Nobelovu cenu za chémiu

Nobelovu cenu za chémiu udelili Benjaminovi Listovi a Davidovi MacMillanovi za vývoj metód asymetrickej organokatalýzy. Zdroj - Nobelprize.org
Nobelovu cenu za chémiu udelili Benjaminovi Listovi a Davidovi MacMillanovi za vývoj metód asymetrickej organokatalýzy. Zdroj – Nobelprize.org

Nobelov výbor dnes ocenil „vynaliezavý nástroj na budovanie molekúl“.

Poobzerajte sa okolo seba. Čo vidíte a vnímate? Možno pred vami stojí čerstvá káva, vnímate okolo seba vôňu kolínskej, držíte v ruke mobilný telefón.

Ste obklopení zlúčeninami, ktoré sú rôzne komplexné. Niektoré z nich, napríklad polyméry v kolesách vášho auta či látky zachytávajúce svetlo v solárnych paneloch, sú nadizajnované tak, aby plnili konkrétnu funkciu.

Aby vedci dokázali vyrobiť tieto zlúčeniny, potrebujú pospájať jednotlivé stavebné zložky dohromady – prostredníctvom väzieb medzi atómami. Tento proces nie je jednoduchý, chemické reakcie potrebné na vytvorenie týchto väzieb sú často veľmi pomalé, prípadne by pri bežných podmienkach neprebehli vôbec.

Na ich priebeh teda potrebujú pomoc. Občas postačí teplo alebo chlad, no často je potrebný katalyzátor – ide o chemickú zlúčeninu, ktorá urýchľuje priebeh chemickej reakcie, no po reakcii ostáva nezmenená.

Živé organizmy si na urýchlenie a riadenie chemických reakcii vytvorili enzýmy. Do prelomu milénia poznala chémia iba jeden dodatočný typ katalyzátorov – kovové komplexy.

Rok 2000 priniesol veľkú zmenu. Benjamin List, vedúci nemeckého Inštitútu Maxa Plancka pre výskum uhlíka so zameraním na homogénnu katalýzu, a David MacMillan, profesor chémie na americkom Princetone, nezávisle od seba vyvinuli tretí typ katalyzátorov, ktoré na svoju funkciu nepotrebujú žiadne atómy kovu.

Ide o takzvané organokatalyzátory. Od prvých štúdií opisujúcich ich syntézu a funkciu sa začali aplikovať v priemysle či v procese výroby liečiv. V stredu bol tento výskum ocenený Nobelovou cenou za chémiu za rok 2021.

Svet okolo nás je chirálny

Látky, ktoré obsahujú štvorväzbový uhlík, sa môžu v prírode vyskytovať v dvoch formách. Sú chemicky a fyzikálne takmer totožné, no majú iné biologické funkcie. Navzájom tvoria svoje zrkadlové obrazy a podobne ako naše vlastné ruky či točité schodisko, aj ony sú si zrkadlovo podobné, no nezlučiteľné. Tento jav sa nazýva chiralita.

Životne dôležité molekuly, ako napríklad cukry, aminokyseliny alebo aj samotná DNA, sa v prírode vyskytujú iba v jednej forme, sú teda chirálne. Aby tieto chirálne molekuly vedeli spolu zreagovať, musia byť k sebe správne natočené.

Katalyzátor, ktorý napomáha tvorbe chirálnych produktov, sa nazýva asymetrický (alebo enantioselektívny).

Aminokyseliny, základné stavebné jednotky bielkovín, sú ľavotočivé. Cukry zas pravotočivé. Svet okolo nás je chirálny. Foto – TASR

Preč od kovov

Dvojica ocenených chemikov sa pri vývoji asymetrických organokatalyzátorov inšpirovala štruktúrou bielkovín a citlivosťou kovových katalyzátorov na vlhkosť. List sa v roku 2000 rozhodol vyskúšať, či na katalýzu postačí namiesto celého enzýmu jediná aminokyselina. Tento krok sa ukázal ako kľúčový pre vývoj asymetrickej organokatalýzy; testovaný prolín, jednoduchá aminokyselina, úspešne katalyzovala aldolovú reakciu.

V tom istom roku sa MacMillan rozhodol vyvinúť malé organické molekuly bez obsahu kovov, ktoré by sa dali využiť ako katalyzátory. Dôvod bol jednoduchý. Katalyzátory obsahujúce kov sú často náročné na použitie, pretože sú extrémne citlivé na vzdušný kyslík a vlhkosť, čo limituje ich použitie na veľkej priemyselnej škále.

Výsledný výskum, v ktorom MacMillan študoval chirálne amíny ako katalyzátory Dielsovej-Alderovej reakcie, po prvý raz zadefinoval pojem organokatalýzy a pomohol upevniť asymetrickú organokatalýzu v povedomí chemikov po celom svete.

Podľa Radovana Šebestu, profesora organickej chémie z UK v Bratislave, bola „cena za asymetrickú organokatalýzu očakávaná v komunite organických chemikov už niekoľko rokov“.

„Prvé prolínom katalyzované reakcie sú známe už od sedemdesiatych rokov, no na tento výskum sa viac-menej zabudlo. List, MacMillan a Barbas to znovu objavili v roku 2000,“ priblížil Šebesta. „Na našej katedre organickej chémie pracujeme v oblasti asymetrickej katalýzy od roku 2002.“

Zelenšia alternatíva

Organokatalyzátory vo svojej štruktúre neobsahujú žiadne atómy kovu. Preto predstavujú environmentálne prijateľnejšiu a lacnejšiu alternatívu oproti komplexom kovov, čo je kľúčové pre priemysel a ochranu životného prostredia.

Veľkým pozitívom asymetrických katalyzátorov je aj ich efektivita, najmä ak sa používajú pri syntéze komplexných molekúl vyžadujúcich niekoľko reakčných krokov. Počas oznamovania tohtoročných laureátov ceny za chémiu dal Peter Somfai, člen Nobelovej komisie pre chémiu, za príklad syntézu oseltamiviru, antivirotika používaného na liečbu chrípky.

Dnešné procesy výroby oseltamiviru vyžadujú 12-stupňovú syntézu vychádzajúcu z kyseliny šikimovej. Použitie organokatalyzátorov dokáže tento proces skrátiť na päť syntetických krokov, čím sa výrazne znížia náklady, potrebný čas, ale aj zaťaženie životného prostredia, či už ide o vyradenie toxických kovov z procesu alebo zníženie množstva potrebných rozpúšťadiel. Syntéza strychnínu je dokonca 7000-krát efektívnejšia, ak sa v reakciách použijú organokatalyzátory.

„Okrem toho, že organokatalyzátory neobsahujú atómy kovu, je ich environmentálna príťažlivosť daná aj tým, že pri ich použití nehrozí kontaminácia produktov. Azda najsilnejší argument je, že tieto katalyzátory sú menej škodlivé a nepotrebujú žiadne špeciálne reakčné podmienky, netreba ich chrániť pred kyslíkom či vodou,“ vysvetlil Šebesta.

Prínos pre chemickú syntézu a farmaceutický priemysel

Farmaceutický výskum, ale aj syntéza nových funkčných solárnych materiálov si často vyžadujú asymetrickú katalýzu. V týchto oblastiach je využitie organokatalýzy kľúčové, umožnila totiž vyvinúť nové a udržateľné metódy prípravy dôležitých produktov.

Organokatalýza sa za posledných 20 rokov vypracovala na pilier organickej syntézy, o ktorý sa opiera množstvo výskumu aj industriálnych procesov. Repertoár reakcií, ktoré je možné katalyzovať organokatalyzátormi, rastie takmer každý mesiac.

„Tento výskum má obrovský potenciál vyvinúť sa ďalej. Za posledných pár rokov sme videli rozmach organokatalýzy ku katalýze vodíkovými väzbami či ich prepojenie s metódami zelenej chémie. Dnešná nobelovka za chémiu podľa mňa naštartuje nový výskum v tejto oblasti,“ dodal Šebesta.

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na pripomienky@dennikn.sk.

Nobelove ceny

Svet, Veda

Teraz najčítanejšie