Förklarat: Enkel idé som katalyserade spelföränderliga reaktioner

Den enkla idén som List och MacMillan kom på, när de arbetade oberoende, var att leta efter nya katalysatorer, de ämnen som används för att påskynda kemiska reaktioner, när de flesta trodde att de hade fastnat i en befintlig, något ineffektiv, uppsättning.

Pristagare 2021 Benjamin List (till vänster) och David Macmillan. (Nobelprisets hemsida)

Enkla idéer är ofta de svåraste att föreställa sig, sa Nobelpriskommittén samtidigt som de hedrade Benjamin List och David MacMillan med årets Kemi Nobel.

Den enkla idén som List och MacMillan kom på, när de arbetade oberoende, var att leta efter nya katalysatorer, de ämnen som används för att påskynda kemiska reaktioner, när de flesta trodde att de hade fastnat i en befintlig, något ineffektiv, uppsättning.

De nya katalysatorerna, som härrörde från naturligt förekommande kemikalier, var grönare och billigare och säkerställde att slutprodukten av den kemiska reaktionen var av en specifik sort - och behövde inte gå igenom en reningsprocess för att ge den önskade typen av förening.

Upptäckten som tilldelas Nobelpriset i kemi 2021 har tagit molekylär konstruktion till en helt ny nivå, sa Nobelkommittén. Dess användningsområden inkluderar forskning om nya läkemedel och det har också bidragit till att göra kemin grönare.

Katalysatorer

När två eller flera föreningar reagerar för att bilda nya föreningar, underlättas processen ofta av andra kemikalier som inte förändrar sig själva, men som hjälper till att påskynda reaktionen. Dessa katalysatorer har varit kända åtminstone sedan mitten av 1800-talet och används i praktiskt taget alla kemiska processer nuförtiden.

jeffree star house calabasas

Fram till omkring 2000 var endast två typer av kemikalier kända för att fungera som effektiva katalysatorer: metaller, främst tyngre metaller; och enzymer, naturligt förekommande tunga molekyler som underlättar alla livsuppehållande biokemiska processer. Båda dessa uppsättningar av katalysatorer hade begränsningar.

Tyngre metaller är dyra, svåra att bryta och giftiga för människor och miljö. Trots de bästa processerna fanns spår kvar i slutprodukten; detta ställde till problem i situationer där föreningar av mycket hög renhet krävdes, som vid tillverkning av läkemedel. Dessutom krävde metaller en miljö fri från vatten och syre, vilket var svårt att säkerställa i industriell skala.

Enzymer å andra sidan fungerar bäst när vatten används som medium för den kemiska reaktionen. Men det är inte en miljö som lämpar sig för alla typer av kemiska reaktioner.

Organisk katalys

List och MacMillan, båda 53, började experimentera med enkla organiska föreningar. Organiska föreningar är oftast naturligt förekommande ämnen, byggda kring ett ramverk av kolatomer och innehåller vanligtvis väte, syre, kväve, svavel eller fosfor. Livsuppehållande kemikalier som proteiner, som är långa kedjor av aminosyror (kolföreningar som innehåller kväve och syre) är organiska. Enzymer är också proteiner och därför organiska föreningar.

List och MacMillan var medvetna om tidigare forskning från 1970-talet, där en aminosyra som kallas prolin användes som katalysator i vissa specifika reaktioner. Men dess roll var inte helt utforskad. De började arbeta med individuella aminosyror i enzymer - och slog guld.

Asymmetrisk katalys

De individuella aminosyrorna hade en ytterligare fördel: de säkerställde att endast en variant av slutprodukten gavs i reaktionen.

Ämnen kan ha exakt samma kemiska sammansättning och molekylformel; skiljer sig ändå mycket åt i sina egenskaper. De är kända som isomerer. En typ av isomerer är de som skiljer sig åt i hur enskilda atomer är orienterade i det tredimensionella rummet. Två molekyler kan vara exakt likadana, förutom att de är spegelbilder av varandra, som våra händer. För enkelhetens skull hänvisar forskare ofta till dessa molekyler som vänsterhänta eller högerhänta. Denna enkla skillnad kan ibland få enorma konsekvenser, eftersom den gör att molekylerna kan binda på olika platser när de interagerar med andra molekyler.

Slutprodukten i en kemisk reaktion är vanligtvis en blandning av vänsterhänta och högerhänta molekyler. De normala kemiska reaktionerna som utförs i laboratorier är inte selektiva i detta avseende. Men naturen är det. Eftersom spegelbilderna kan ha väldigt olika egenskaper är naturliga processer extremt selektiva och exakta. De producerar antingen en vänsterhänt eller en högerhänt molekyl.

List och MacMillan upptäckte att genom att använda en naturlig förening som en aminosyra som katalysator, fick de bara en specifik spegelbild av slutprodukten. Detta kallades senare asymmetrisk katalys.

List och MacMillan kom med en absolut spelförändring. Området för organiska katalysatorer, ett namn som MacMillan senare använde för att beskriva dessa nya uppsättningar av katalysatorer, har exploderat under de senaste två decennierna. De upptäckte ett enkelt, genialt verktyg men dess inverkan har varit enorm, främst inom läkemedelsindustrin, men också på flera andra ställen, säger professor RG Bhat vid Indian Institute of Science Education and Research i Pune, som själv arbetar med organokatalysatorer. .

Dr S Chandrashekhar, chef för Hyderabad-baserade Indian Institute of Chemical Technology, sa att den stora betydelsen av arbetet var att det gjorde processerna mycket säkrare och mer hållbara än tidigare.

jony ive nettovärde

Jag är också mycket glad över att notera att Nobelkommittén valde ett genombrott inom ren kemi den här gången. Tidigare har Kemi Nobel ofta erkänt arbete som i huvudsak hörde hemma inom biologin, sa han.

Nyhetsbrev| Klicka för att få dagens bästa förklaringar i din inkorg

Dela Med Dina Vänner: