Nobelova nagrada za kemijo 2021

Kraljeva švedska akademija znanosti je danes razglasila letošnja prejemnika Nobelove nagrade za kemijo. Za prelomno delo na razvoju asimetrične organokatalize bosta decembra v Stockholm potovala nemški kemik Benjamin List in britanski kemik David W.C. MacMillan. Približno milijon evrov nagrade si bosta razdelila za odkritja, ki so tlakovala pot novi vrsti sinteze molekul.

Ob današnjem razvoju kemije smo skorajda pozabili, da današnja samoumevnost sinteze kakršnihkoli molekul predstavlja izjemno orodje, ki ga v zgodovini še nismo imeli. Narava pa je bila problem rešila že pred milijoni let, ko je izumila encime. To so zelo velike molekule v živih bitjih, ki katalizirajo kemijske reakcije. V vsakem živem bitju mora nastati na milijone točno določenih molekul, zato so potrebni encimi. Ti poskrbijo, da se reaktanti hitro in selektivno pretvorijo v želene spojine. Ko so raziskovalci prvikrat odkrili encime, so se njihovi kompleksnosti in učinkovitosti lahko le čudili. V našem arzenalu ni bilo nič niti približno enako učinkovitega.

Druga vrsta katalize, ki obstaja že dve stoletji, je kataliza s kovinami. Vodikov peroksid termodinamično ni stabilna spojina, a jo lahko kupimo v lekarni, ker razpada zelo počasi. Če pa vanj nasujemo malo srebra, hitro razpade na vodo in kisik, ne da bi se srebro kakorkoli spremenilo. Pravimo, da srebro katalizira reakcijo, torej jo pospeši. Leta 1835 je švedski kemik Jacob Berzelius snovi, ki poženejo kemijsko reakcijo, poimenoval katalizatorji. Odtlej so odkrili na tisoče kovinskih katalizatorjev, ki se v industriji uporabljajo množično za proizvodnjo različnih kemikalij. Od amonijaka, ki je človeštvo odrešil večne lakote, do kompleksnih platformnih kemikalij, so vse rezultati katalitičnih postopkov, ki so odgovorni za tretjino svetovnega bruto družbenega proizvoda. Katalizatorji so spojine, ki bistveno pospešijo kemijsko reakcijo do želenih produktov, sami pa v reakciji ne izginevajo. Seveda se katalizatorji sčasoma starajo in izgubljajo učinkovitost, a ne gre za klasično porabljanje v kemijski reakciji.

In tako je bilo do leta 2000. Katalizatorji so bili s kovinami ali encimi iz živih bitij. Te molekule so tako učinkovite pri katalizi, da so kemiki želeli izdelati nove umetne katalizatorje, ki bi jih posnemali. Benjamin List se je že na podoktorskem izpolnjevanju ukvarjal z vprašanjem, ali bi lahko posamezne majhne molekule katalizirale kakšne reakcije. Navsezadnje encimi niso nič drugega kot izjemno dolgo zaporedje aminokislin - nekateri imajo tudi kovinske ione, ne pa vsi - kjer le majhen del encima aktivno sodeluje. Benjamin List je najprej pokazal, da je majhna aminokislina prolin samo po sebi sposobna katalizirati aldolno kondenzacijo. Prvi je pokazal, da je prolin sposoben asimetrične katalize, in prvi je razumel, kako zelo pomembne implikacije ima to za razvoj katalize.

Velika večina večjih molekul je namreč kiralnih. To pomeni, da obstajajo v dveh zrcalnih oblikah, kar je posledica povezljivosti atomov v trirazsežnem prostoru. Predstavljamo si jih lahko podobno kot rokavice. Leva in desna rokavica sta narejeni enako, a nista enaki, ker sta zrcalni sliki. Enako je z molekulami. V človeškem telesu so na primer vsi sladkorji in vse aminokisline prisotne strogo samo v eni zrcalni obliki, medtem ko druga sploh nima fiziološke aktivnosti. L-glukoza je na primer kemično enaka običajni glukozi in ima celo enak okus, a je človeško telo ne more uporabiti kot vir energije, ker je encimi v telesu ne morejo fosforilirati. Zlasti v farmacevtski industriji je pogosto le en izomer aktiven, drugi pa v najboljšem primeru, lahko pa je celo škodljiv. Cisplatin je zdravilo proti raku, transplatin pa ne.

Vrnimo se h katalizi. David MacMillan je na Berkeleyju raziskoval asimetrično katalizo z uporabo kovin. Medtem ko pri običajnih, nekataliziranih kemijskih reakcijah nastajata obe zrcalni sliki molekule v enakem razmerju, ker ni nobenega razloga, da ne bi, je pri kataliziranih reakcijah lahko drugače. Če so katalizatorji oziroma skupki katalizator-reaktant asimetrični, lahko tudi kataliza poteka selektivno samo do enega izomera. In MacMillan se je namenil poiskati organske spojine - torej sestavljene iz ogljika, kisika, vodika in dušika, ki bi bile sposobne katalize brez kovinskih ionov. Z vztrajnim in potrpežljivim poizkušanjem potencialnih kandidatov je odkril, kakšna molekula katalizira Diels-Alderjevo reakcijo. MacMillan je bil tako prepričan, da gre le za eno izmed več organskih molekul, ki lahko katalizirajo najrazličnejše reakcije, da je za to novo vrsto katalize skoval ime organokataliza.

Do danes so raziskovalci odkrili na tisoče organokatalizatorjev, ki so pocenili, poenostavili številne kemijske reakcije, ki so sedaj tudi okoljsko bolj sprejemljive, saj ne potrebujejo visokih temperatur, tlakov ali toksičnih topil. In pri vsej zgodbi je najbolj nenavadno, da je koncept organokatalize tako preprost, da so se po letu 2000 vsi spraševali, kako da se ga ni nihče domislil prej.

Kataliza ostaja ena izmed najpomembnejših vej kemije in kemijskega inženirstva, o čemer pričajo tudi številne predhodne Nobelove nagrade. Ostwald je že leta 1909 prejel nagrado za odkritje katalize, kasneje pa so bili za specifične katalizirane reakcije nagrajeni še Sabatier (1912), Ziegler in Natta (1963), Cornforth (1975), Knowles, Noyori in Sharpless (2001, asimetrična kataliza), Chauvin, Grubbs in Schrock (2005, metateza olefinov) in Heck, Negishi in Suzuki (2010).