Нобелівка з хімії за органокаталіз. До чого тут українці? Пояснюємо простою мовою

6 жовтня Нобелівську премію з хімії вручили Бенджаміну Лісту та Девіду В.К. Макміллану "за розвиток асиметричного органокаталізу".

І це чи не вперше за довгий час, коли премію з хімії вручили саме за хімічні дослідження, а не за ті, які тісно пов'язані з біологією або фізикою.

Наприклад, минулорічну Нобелівську премію з хімії отримали Емманюель Шарпантьє з Франції та Дженніфер Дудна зі США за дослідження методу редагування генів людей і тварин, які назвали "ножиці ДНК", а у 2019 році – за розробку літій-іонних батарей було нагороджено Джона Гуденафа, Стенлі Уіттінгема та Акіре Йошино – науковців з Великої Британії, США та Японії.

Ви могли пропустити: Моделі, перевірені часом та кліматом. Українські вчені пояснюють Нобелівку з фізики 

І ось нагорода 2021 року відкрила світові органокаталіз. Зокрема, в обговоренні лунають і прізвища українських науковців.

Що таке органокаталіз, чому увесь світ може радіти цьому і який внесок все ж зробили українці, LIGA.Life розбиралася з:

• Сергієм Колотіловим – професором, заступником директора Інституту фізичної хімії ім. Л.В.Писаржевського НАН України;
• Ігорем Комаровим – професором, директором Інституту високих технологій (ІВТ) КНУ імені Тараса Шевченка;
• Олександром Григоренком – доктором наук, професором хімічного факультету КНУ імені Тараса Шевченка, науковим консультантом ТОВ НВП "Єнамін".

Останні якраз мають стосунок до цього дослідження. Пояснюємо який.

Що революційного зробили Ліст та Макміллан

Наприклад, розкладання перекису. Цей процес дуже повільно відбувається і без каталізатора, але якщо в перекис потрапляє крапля крові, де є природний каталізатор – фермент пероксидаза, то реакція розкладу прискорюється в тисячі разів. Шляхом добору каталізатора можна спрямувати реакцію у бажаному напрямку серед декількох можливих.

Дослідники до 2000 року вважали, що синтез асиметричних органічних сполук може відбуватися за участі лише двох видів каталізаторів: сполуки металів та ферменти. А от Бенджамін Ліст та Девід Макміллан розробили третій тип – органічні каталізатори  асиметричних органічних реакцій. Таке явище здобуло назву органокаталізу.

Що таке органокаталіз і чому він асиметричний

В органокаталізі використовуються каталізатори з простих органічних сполук, на зразок якоїсь природної амінокислоти, наприклад, проліну.

"У природі дуже багато сполук, молекули яких не співпадають у просторі зі своїми дзеркальним відображеннями. Така властивість називається хіральністю (термін походить від слова "рука" давньогрецькою мовою). Дві молекули хіральної речовини можуть мати геть однаковий склад і послідовність зв'язків між атомами, але відрізнятися, так само як права і ліва рука. Ми не можемо сумістити точка до точки одну руку до іншої – руки виглядають так, ніби вони є дзеркальними відображеннями одна одної", – пояснює Ігор Комаров.

Професор пояснює, такі молекули називають "енантіомерами" та додає:

Асиметричний каталіз дозволяє виробляти хіральні сполуки саме так, як робить це природа – отримати лише один, потрібний "правильний" енантіомер.

Що шукали вчені

Молекули хіральних амінокислот, які є дзеркальними відображеннями одна одної, називають L – "ліві" та D – "праві".

Уявіть собі, наше тіло складається з "однобоких" L-амінокислот. А в ліках спрацюють або лише "праві", або лише "ліві" молекули.

Вони допоможуть, але під час синтезу таких препаратів треба пам'ятати, що є ж і "віддзеркалення", той "близнюк" лікарського препарату, який може завдати шкоди.

Наприклад, один препарат від туберкульозу містить лише правильний енантіомер, який лікує хворобу, але його "віддзеркалення", інший енантіомер, негативно впливає на зір.

Під час синтезу діючої речовини дуже важливо уникнути утворення вмісту такого "віддзеркалення", інакше в ліки попаде отрута.

Завданням дослідників, які працюють в цій галузі – не лише пришвидшити реакції, але й виокремлювати саме ті "правильні" енантіомери хіральних сполук, які необхідні, без "близнюків", які можуть нашкодити.

Дослідили одну тему, але окремо. Як з цим впоралися лауреати

За словами експертів, таке трапляється часто: є проблема і її намагаються вирішити десятки чи сотні науковців. Хтось працює колективом, хтось перебуває в різних країнах і навіть не здогадується, що на іншому материку цю тему також вивчають, поки робота не опублікована.

Тим більше, що Ліст і Макміллан – не перші, хто почав досліджувати тему каталізаторів.

На початку 70-х років було виявлено, що одна з амінокислот – пролін – може бути каталізатором. Проте активного розвитку цього напряму не було.

Але у 2000 році Бенджамін Ліст опублікував результати свого дослідження. Науковець виявив, що пролін – це не просто каталізатор, який пришвидшує реакцію, він також сприяє утворенню лише одного із двох дзеркальних різновидів молекул. Тобто він вже допомагає направлено синтезувати саме ту сполуку, той енантіомер, що має бажану біологічну активність.

Ви могли пропустити: Чому так боляче та гаряче? Пояснюємо Нобелівську премію з фізіології з експертами

До публікації Ліста Девід Макміллан зміг незалежно отримати подібний результат. Спочатку він працював з металовмісними каталізаторами. Але вони надто швидко руйнувалися під впливом вологи. З часом Макміллан зміг знайти каталізатор серед органічних молекул. Саме цей вчений і запропонував термін "органокаталіз".

Особлива риса цих досліджень – запропоновані каталізатори не містять металу взагалі, вони складаються лише з органічних сполук.  

Ну, добре! Органокаталіз знайшли. Що це дає?

Раніше як каталізатори утворення асиметричних, тобто хіральних, органічних сполук, зазвичай, використовували сполуки металів – платини, паладію, іридію, родію. Але тут є дві проблеми: це дорого і токсично.

Як це? Запитаєте ви. Адже з тієї ж платини у вас можуть бути каблучки чи ланцюжки, ви їх носите, і з вами все добре.

"Існує стереотип, що платина інертна і безпечна. Але цей метал безпечний лише у виді, наприклад, коштовностей. Тобто на людині.

Платинові метали, якщо вони попадають в організм у вигляді сполук, дуже отруйні", –  каже Сергій Колотілов.

Причому отруйні як для людей, так і для довкілля. Метали, як "відпрацьовані" каталізатори, забруднюють планету.

Адже після реакцій їхні відходи не можна на 100% використати повторно.

Метали, що втрачаються на етапі регенерації або очищення, потрапляють, простою мовою, в каналізацію.

У разі з органокаталізом – відходи ніяк не впливатимуть на довкілля, оскільки органічні сполуки швидко розкладуться.

А крім екології?

Як пояснювали експерти, важливий фактор у цьому дослідженні – це висока ефективність під час створення лікарських препаратів.

Як було зазначено вище, для синтезу ліків важливо, щоб продукт містив саме "правильні молекули".

"Це можна зробити двома способами: розробити метод, який допоможе отримати цю молекулу одразу асиметричною, а інший – зробити суміш двох енантіомерів, а потім їх поділити та забрати "правильний". І перший, і другий варіанти використовуються, але якщо зробити відразу чистий енантіомер – це простіше та, часто, дешевше", – пояснює Сергій Колотілов.

Зауважте – невелика кількість каталізатора дає змогу отримати великі кількості бажаного продукту каталітичного реакції. Це може значно зекономити ресурси.

Який стосунок мають українські науковці до цієї Нобелівської премії

"Професор хімічного факультету КНУ імені Тараса Шевченка доктор наук Олександр Григоренко, директор Інституту високих технологій (ІВТ) КНУ імені Тараса Шевченка професор Ігор Комаров, колишній аспірант ІВТ Андрій Тимцуник — перші та наразі єдині в Україні співавтори Нобелівського лауреата з хімії 2021 року Бенджаміна Ліста", – пишуть українські ЗМІ.

На початку 2000-х команда науковців під керівництвом Ігоря Комарова працювала над розробкою своїх каталізаторів. 

Українські вчені кажуть, була амбіційна мрія – знайти новий каталізатор, назвати його своїм, оригінальним іменем. І вони це зробили – є каталізатор RockyPhos.

Phos – від фосфора, який туди входить, а Rocky – перші букви двох міст, де вони працювали – Росток (Німеччина) та Київ (та ще, можливо, від рок-музики,  яку вчені любили слухати під час роботи).

Цей каталізатор наразі використовують деякі компанії в Києві, наприклад, "Єнамін". RockyPhos містив метал, родій, але українські вчені також замислювалися і над створенням безметальних, органічних каталізаторів. 

"Ліст використовував пролін для своїх досліджень, а ми робили аналоги. Бенджамін Ліст нас просто попросив надіслати одну з наших сполук. Ми запропонували цілу низку. Його студенти використовували наші аналоги як каталізатори.

І це вилилося у нашу спільну статтю в престижному науковому журналі "Angewandte Chemie", – пояснює Олександр Григоренко.

Що далі?

За словами науковців, це не остаточне розв'язання проблеми створення асиметричних сполук і тема "не закрита". Навпаки, відзначення Нобелівською премією такої теми, як каталіз, – це стимулювання науковців до нових відкриттів.

"Це відкриття у галузі науки, де багатьом хімікам знайдеться робота – створювати нові каталізатори для нових процесів з отримання нових корисних сполук. Є дуже багато лікарських засобів, які є хіральними. І їх треба отримувати чистими. І зрозуміло, що ті каталізатори, які отримали Ліст та Макміллан, не будуть єдиними", – пояснює Комаров.

Підписуйтесь на LIGA.Life в Facebook: тільки корисна інформація для українських родин