Tegoroczną Nagroda Nobla z dziedziny chemii przyznano Benjaminowi Listowi i Davidowi W.C. MacMillanowi za opracowanie niezwykłego narzędzia do budowy cząsteczek, czyli organokatalizy. O komentarz w kwestii tegorocznej decyzji Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk poprosiliśmy badaczy z Wydziału Chemii UJ.

Dr Szymon Buda - Zakład Chemii Organicznej UJ

Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie chemii została przyznana dwóm chemikom, których specjalnością jest nowoczesna, asymetryczna synteza organiczna. Prof. Benjamin List (Max-Planck-Institut) oraz prof. David MacMillan (Princeton University) otrzymali złoty medal Szwedzkiej Akademii Nauk za przełomowe prace badawcze oraz ogromny wkład w rozwój asymetrycznej katalizy organicznej. Asymetryczna kataliza organiczna lub inaczej organokataliza, to termin opisujący przyspieszenie reakcji chemicznych poprzez dodanie katalitycznej ilości związku organicznego, z jednoczesną kontrolą struktury trójwymiarowej cząsteczki (stereochemii). Historyczne korzenie organokatalizy sięgają roku 1928, gdy prof. Langenbeck opublikował pracę, w której starał się zrozumieć, a jednocześnie naśladować, aktywność i selektywność katalityczną enzymów za pomocą cząsteczek organicznych o niewielkich rozmiarach. W odróżnieniu od biokatalizy, gdzie głównym narzędziem umożliwiającym zachodzenie reakcji są enzymy, organokataliza opiera się na prostych związkach organicznych, takich jak: aminokwasy, monosacharydy czy proste organiczne kwasy i zasady Lewisa lub Brønsteda. Dzięki intensywnym badaniom prowadzonym w grupach prof. Lista i prof. MacMillana wykazano, że małe cząsteczki organiczne mogą działać równie wydajnie i selektywnie, jak powszechnie stosowane katalizatory metaliczne, co doprowadziło do lawinowego wzrostu zainteresowania i zastosowania organokatalizy w wielu procesach syntetycznych. Spektakularny wzrost popularności wynika zarówno ze względu na nowość koncepcji, jak i, co ważniejsze, fakt, że wydajność i selektywność wielu reakcji organokatalitycznych spełnia standardy procesów technologicznych. Reakcje organokatalityczne stają się potężnymi i użytecznymi narzędziami w budowie coraz bardziej złożonych szkieletów molekularnych.

Dzięki intensywnym badaniom prowadzonym w grupach prof. Lista i prof. MacMillana wykazano, że małe cząsteczki organiczne mogą działać równie wydajnie i selektywnie, jak powszechnie stosowane katalizatory metaliczne.

Badania profesora Benjamina Lista skupiają się na wynalezieniu nowych strategii rozwoju „doskonałych reakcji chemicznych”. Pod tym pojęciem kryją się reakcje, które łączą w sobie zarówno wysoką wydajność – otrzymujemy tylko jeden główny i oczekiwany produkt, doskonałą selektywność oraz wysoką efektywność atomową – ilość powstających „odpadów” chemicznych jest zredukowana do minimum.

Prace prowadzone w grupie profesora MacMillana koncentrują się obecnie nad opracowaniem nowych bardziej efektywnych atomowo metod syntezy leków oraz innych ważnych związków naturalnych z wykorzystaniem organokatalizy indukowanej światłem.

Dr hab. Miłosz Pawlicki, prof. UJ - Zakład Chemii Organicznej UJ

Tworzenie nowych połączeń jest kwintesencją aktywności chemików, szczególnie w zakresie chemii organicznej. Jednak czasy przypadkowego tworzenia połączeń pomiędzy atomami węgla to dosyć zamierzchła przeszłość i współcześnie istotne jest łączenie molekuł poprzez powstające nowe wiązania w ściśle zaplanowany sposób dzięki czemu możliwe jest tworzenie szerokiej gamy związków organicznych znajdujących zastosowanie w życiu codziennym. Precyzyjnie planowane i efektywnie otrzymywane pochodne konieczne są w badaniach nad np. nowymi lekami, których szereg aspektów strukturalnych musi być uwzględniany w optymalizacji i tworzeniu efektywnych farmaceutyków. Absolutnie kluczowe w odniesieniu do kontrolowanej syntezy nowych motywów istotnych z punktu widzenia potencjalnych zastosowań jest tworzenie połączeń asymetrycznych.

Osobiście bardzo się cieszę z tegorocznej Nagrody Nobla przyznanej (...) za czysto chemiczne prace dwóch grup badawczych nad zagadnieniami, które otworzyły zupełnie nowe pole do działania w ramach szeroko pojętej syntezy organicznej zwłaszcza w aspekcie asymetrycznym.

Asymetryczność w związkach organicznych stanowi istotny aspekt ze względu na drastycznie różne właściwości, które może przypisać dwóm różnym izomerom przestrzennym konstruowanych z tych samych atomów np. dwa izomery karwonu, różniące się jedynie przestrzennym rozmieszczeniem identycznych podstawników w kontakcie z ludzkim nosem dają zupełnie różne wrażenia zapachowe: jeden z nich odbierany jest jako zapach kminku, drugi zaś jest zapachem mięty. To pokazuje jak tak pozornie niewielka zmiana w strukturze sieci planowanych połączeń miedzy atomami może wpłynąć na końcowe zachowanie otrzymywanego związku. To pokazuje jak kluczowym jest bardzo precyzyjne tworzenie połączeń, które pozwolą na tworzenie tylko jednego z możliwych izomerów.

Oczywiście przyroda znalazła ścieżkę do selektywnego tworzenia określonych połączeń zaprzęgając w ten proces kieszenie enzymatyczne – odpowiednie białka znajdujące się w organizmach żywych, wyspecjalizowane w określonej przemianie chemicznej. Takie centra nazywane są miejscami katalitycznymi, które umożliwiają określoną przemianę ale same nie ulegają zmianie. W warunkach laboratoryjnych i codziennej pracy istotna jest możliwość tworzenia określonych połączeń w sposób efektywny.

Do roku 2000 w zasadzie cała synteza opierała się na wykorzystaniu niezwykle drogich i coraz trudniej dostępnych metali przejściowych, która zresztą została kilkukrotnie wyróżniona Nagroda Nobla (2005 Chauvin, Grubbs, Schrock; 2010 Suzuki, Heck, Negishi). To właśnie w 2000 roku tegorocznie Laureaci opublikowali swoje pionierskie prace poświęcone procesom asymetrycznej katalizy bazującej nie na metalach przejściowych, ale na niewielkich związkach organicznych - L-prolinie (jednym z naturalnie występujących chiralnych aminokwasów) lub odpowiednio przygotowanej chiralnej pochodnej imidazolu. Obaj Laureaci, zarówno prof. Benjamin List, jak i prof. David MacMillan wykazali, że zastosowane przez nich pochodne są w stanie bardzo selektywnie katalizować tworzeni odpowiednich połączeń chemicznych niezwykle precyzyjnie kontrolując też asymetryczność powstających związków wprowadzając pojęcie ‘organokatalizy asymetrycznej’. Od tamtej pory prace nad nowymi układami w grupie ‘organokatalizy asymetrycznej’ pozwoliły na stworzenie szerokiej gamy katalizatorów organicznych, których zastosowanie umożliwia w sposób selektywny tworzyć asymetryczne połączenia intensywnie wykorzystywane w badaniach właśnie nad nowymi lekami czy też dodatkami spożywczymi.

Organokataliza pokazała, że możliwe jest kontrolowane tworzenie związków asymetrycznych w sposób selektywny bez konieczności np. czasochłonnego i kosztochłonnego rozdziału powstającej mieszaniny racemicznej dodatkowo bez konieczności wykorzystywania niezwykle kosztownych, szczególnie w przypadku potencjalnych zastosowań przemysłowych, katalizatorów bazujących np. na atomie palladu. Osobiście bardzo się cieszę z tegorocznej Nagrody Nobla przyznanej, po kilku nagrodach biochemicznych, za czysto chemiczne prace dwóch grup badawczych nad zagadnieniami, które otworzyły zupełnie nowe pole do działania w ramach szeroko pojętej syntezy organicznej zwłaszcza w aspekcie asymetrycznym. Te odkrycia i to, w jaki sposób zostały rozwinięte już nie tylko przez obie macierzyste grupy badawcze, ale przez całą społeczność naukową pokazują jak istotne były one dla chemii. Należy podkreślić, że przejście od katalizy metalami przejściowymi do katalizy organicznej z cała pewnością otworzyło zupełnie nowe ścieżki rozwoju pokazując jednocześnie, że synteza organiczna to absolutnie kluczowa dziedzina tworząca fundament do dalszych prac nad cała gamą zastosowań, które nie byłby możliwe bez opracowania odpowiednich ścieżek syntetycznych i samego otrzymania właściwych związków.

Agata Błaszczyk-Pasteczka - Centrum Transferu Technologii CITTRU