Катализируй это: за что дали Нобелевку по химии в 2021 году
В этом году Нобелевскую премию по химии присудили двум ученым из Германии и США, которые независимо друг от друга открыли новый тип катализаторов — веществ, запускающих химические реакции. С их помощью можно синтезировать различные вещества, которые будут дешевле сделанных другими способами. Сейчас это направление органической химии активно развивается, позволяя разрабатывать новые лекарства и диагностические системы, пояснили опрошенные «Известиями» эксперты.
Сам себе катализатор
Нобелевскую премию по химии за 2021 год присудили ученому из Германии Бенджамину Листу и американцу Дэвиду Макмиллану «за развитие асимметрического органокатализа». Катализаторы — важнейшие инструменты для химиков, на которых построена вся современная химическая промышленность.
Бенджамин Лист
Бенджамин Лист, который сейчас трудится в Институте исследований углерода Макса Планка (Германия), в свое время работал в Исследовательском институте Скриппс в США — одной из крупнейших частных научных организаций, специализирующихся на химии.
Дэвид Макмиллан — шотландско-британский химик, но сейчас работает в США. Этот ученый — заслуженный профессор Принстонского университета и член Национальной академии наук США. Макмиллан использовал небольшие органические молекулы и заменил атом металла в катализаторе на ионы органического происхождения со связью между атомом азота и атомом углерода.
Понятие о катализе было сформулировано в 1835 году шведским химиком Якобом Берцелиусом на основе наблюдений за тем, что природные ферменты способны ускорять протекание процессов в живых организмах. Сегодня известно множество типов катализаторов: металлы и их комплексы, ферменты, оксиды и другие.
Дэвид Макмиллан
— Листом и Макмиланом создана серия катализаторов для различных химических реакций. Важным в их многочисленных работах является определение механизма реакции, что позволяет конструировать сам катализатор, — отметил в беседе с «Известиями» доцент Института живых систем Балтийского федерального университета им. И. Канта Евгений Чупахин. — Представьте, что вы собираете модель из «Лего» и у вас есть схема сборки, но кубики столь малы, что вы не можете их точно соединить друг с другом, и они соединяются случайно, не повторяя симметрию. Вам нужен макетный стенд, который будет правильно ориентировать кубики в пространстве. Катализатор и работает как этот стенд, и Макмиллан с Листом нашли способ его направленного конструирования, что эффективнее, чем систематически проверять сотни вариантов.
Химия и жизнь
Бенджамин Лист и Давид Макмиллан в своих работах сфокусировались на органокатализаторах — то есть катализаторах, представляющих собой небольшие (по сравнению с природными ферментами) органические молекулы.
— Органокатализаторы могут рассматриваться как некие синтетические аналоги природных катализаторов-ферментов, катализирующих химические процессы в живой природе, — отметил заведующий отделом Института катализа СО РАН, профессор РАН Константин Брыляков. — То есть Лист и Макмиллан в своих работах, фактически, попытались моделировать происходящие в природе биохимические процессы на более низком химическом уровне. Все-таки ферменты — это объекты сложные, а большинство органокатализаторов имеют невысокий молекулярный вес, это достаточно маленькие (и недорогие) объекты, специально синтезированные для катализа какого-то одного процесса, нужного исследователю. Подход, избранный ими, называют биомиметическим (биомоделирующим).
Бенджамин Лист во многом отталкивался от природных соединений, подчеркнул Константин Брыляков.
— К примеру, он брал природный алкалоид хинин, модифицировал его для придания необходимой каталитической активности и использовал в качестве катализатора. Такой подход в итоге дал очень яркие результаты в области синтетической органической химии, — рассказал эксперт.
Заслуга номинантов этого года именно в том, что они независимо друг от друга сумели перенести реакции, происходящие в природе, в лаборатории, подчеркнул в беседе с «Известиями» заведующий лабораторией в Институте элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова, грантополучатель РНФ Дмитрий Перекалин.
Процесс брожения вина
— Нельзя сказать, что до них человечество этим не пользовалось: тот же процесс брожения и производства спирта — это такой же органокаталитический процесс, когда бактерии добавляются в виноградный сок и делают за вас всю работу. Но это всё равно достаточно сложный процесс. Выяснилось, что необязательно использовать такие системы, а даже самые простые природные «кирпичики» — аминокислоты — могут выступать катализатором и помочь сделать другие органические молекулы, — отметил химик.
Перспективное направление
Как подчеркивают эксперты, несомненный плюс метода, за разработку которого присуждена премия этого года, — в том, что он позволяет уйти от использования металлов (которые могут быть токсичными), а значит, сделать производство тех же лекарств более безопасным. Также технология позволяет химикам не зависеть от рынка ценных металлов — это удешевляет процесс производства и делает синтез новых веществ более доступным.
Сейчас это направление органической химии активно развивается во всем мире, в том числе и в России. Катализаторы, созданные по новому принципу, применяют для синтеза лекарств, получения полимеров, создания новых молекулярных органических проводников для электроники и других целей. Сами нобелевские лауреаты активно работают с учеными со всего мира, в том числе и из России.
— Мы работали с Бенджамином Листом над несколькими проектами, — сообщил «Известиям» руководитель группы эффективного катализа Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН Денис Чусов. — В первом мы разрабатывали новый тип асимметрической кислоты, которую можно использовать так же, как и ту кислоту, которая содержится в желудке человека, только производить процессы с большей избирательностью. Это нужно для превращения одних органических веществ в другие.
Второй проект посвящен экологии, и ученые продолжают им заниматься, добавил специалист.
Выбросы одного из металлургических комбинатов
— Он не относится к области асимметрического катализа. Одним из основных отходов при производстве стали является угарный газ. Выбрасывать его в атмосферу нельзя, потому что он ядовит. Его сжигают с использованием кислорода и уже после этого выбрасывают в атмосферу. Но можно поступить по-другому и использовать его на благо человечества. Мы показали, что у него есть уникальные восстановительные свойства, которые можно использовать в органической химии для реакций восстановления и получать продукты, которые раньше получить было, в принципе, невозможно, — рассказал Денис Чусов.
И Лист, и Макмиллан продолжают совершенствовать направление асимметрического катализа. Помимо работы в лабораториях, они занимаются преподавательской деятельностью.
— Я слушал доклад Дэвида Макмиллана в Институте органической химии в 2014 году, — рассказал профессор кафедры органической химии химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, заведующий лабораторией супрамолекулярной химии ИОХ РАН Сергей Вацадзе.
По его словам, несмотря на ранее утро воскресенья, аудитория была полной.
