Spiegazione: un'idea semplice che ha catalizzato reazioni di cambiamento del gioco

La semplice idea che hanno avuto List e MacMillan, lavorando in modo indipendente, è stata quella di cercare nuovi catalizzatori, le sostanze utilizzate per accelerare le reazioni chimiche, quando la maggior parte credeva di essere bloccati con un set esistente, in qualche modo inefficiente.

I vincitori del 2021 Benjamin List (a sinistra) e David Macmillan. (sito web del Premio Nobel)

Le idee semplici sono spesso le più difficili da immaginare, ha affermato il comitato per il Premio Nobel mentre onorava Benjamin List e David MacMillan con il Nobel per la chimica di quest'anno.

La semplice idea che hanno avuto List e MacMillan, lavorando in modo indipendente, è stata quella di cercare nuovi catalizzatori, le sostanze utilizzate per accelerare le reazioni chimiche, quando la maggior parte credeva di essere bloccati con un set esistente, in qualche modo inefficiente.

I nuovi catalizzatori, derivati ​​da sostanze chimiche presenti in natura, erano più ecologici ed economici e garantivano che il prodotto finale della reazione chimica fosse di una varietà specifica e non fosse necessario passare attraverso un processo di purificazione per ottenere il tipo di composto desiderato.

La scoperta insignita del Premio Nobel per la Chimica 2021 ha portato la costruzione molecolare a un livello completamente nuovo, ha affermato il comitato Nobel. I suoi usi includono la ricerca su nuovi prodotti farmaceutici e ha anche contribuito a rendere la chimica più verde.

catalizzatori

Quando due o più composti reagiscono per formare nuovi composti, il processo è spesso aiutato da altre sostanze chimiche che non si modificano, ma aiutano ad accelerare la reazione. Questi catalizzatori sono noti almeno dalla metà del XIX secolo e sono utilizzati praticamente in ogni processo chimico di questi tempi.

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Fino al 2000 circa, si sapeva che solo due tipi di sostanze chimiche agivano come catalizzatori efficaci: i metalli, principalmente i metalli più pesanti; ed enzimi, molecole pesanti presenti in natura che facilitano tutti i processi biochimici che supportano la vita. Entrambi questi set di catalizzatori avevano dei limiti.

I metalli più pesanti sono costosi, difficili da estrarre e tossici per l'uomo e l'ambiente. Nonostante le migliori lavorazioni, nel prodotto finale sono rimaste tracce; ciò poneva problemi in situazioni in cui erano richiesti composti di purezza molto elevata, come nella produzione di medicinali. Inoltre, i metalli richiedevano un ambiente privo di acqua e ossigeno, difficile da garantire su scala industriale.

Gli enzimi, d'altra parte, funzionano meglio quando l'acqua viene utilizzata come mezzo per la reazione chimica. Ma quello non è un ambiente adatto a tutti i tipi di reazioni chimiche.

Organo-catalisi

List e MacMillan, entrambi di 53 anni, hanno iniziato a sperimentare con semplici composti organici. I composti organici sono per lo più sostanze naturali, costruite attorno a una struttura di atomi di carbonio e solitamente contenenti idrogeno, ossigeno, azoto, zolfo o fosforo. Le sostanze chimiche vitali come le proteine, che sono lunghe catene di amminoacidi (composti di carbonio contenenti azoto e ossigeno), sono organiche. Gli enzimi sono anche proteine ​​e quindi composti organici.

List e MacMillan erano a conoscenza di precedenti ricerche degli anni '70, in cui un amminoacido chiamato prolina veniva utilizzato come catalizzatore in alcune reazioni specifiche. Ma il suo ruolo non è stato completamente esplorato. Hanno iniziato a lavorare con singoli amminoacidi negli enzimi e hanno trovato l'oro.

Catalisi asimmetrica

I singoli amminoacidi avevano un ulteriore vantaggio: garantivano che nella reazione fosse ottenuta una sola varietà del prodotto finale.

Le sostanze possono avere esattamente la stessa composizione chimica e formula molecolare; tuttavia differiscono ampiamente nelle loro proprietà. Sono conosciuti come isomeri. Un tipo di isomeri sono quelli che differiscono nel modo in cui i singoli atomi sono orientati nello spazio tridimensionale. Due molecole potrebbero essere esattamente uguali, tranne per il fatto che sono immagini speculari l'una dell'altra, come le nostre mani. Per semplicità, gli scienziati spesso si riferiscono a queste molecole come levogiri o destrorsi. Questa semplice differenza a volte può avere conseguenze enormi, perché consente alle molecole di legarsi in luoghi diversi quando interagiscono con altre molecole.

Il prodotto finale in una reazione chimica è solitamente una miscela di molecole levogire e destrorse. Le normali reazioni chimiche effettuate nei laboratori non sono selettive al riguardo. Ma la natura lo è. Poiché le immagini speculari possono avere proprietà molto diverse, i processi naturali sono estremamente selettivi e precisi. Producono una molecola levogira o destrorsa.

List e MacMillan hanno scoperto che utilizzando un composto naturale come un amminoacido come catalizzatore, stavano ottenendo solo un'immagine speculare specifica del prodotto finale. Questo è stato poi chiamato catalisi asimmetrica.

List e MacMillan hanno inventato un punto di svolta assoluto. Il campo degli organo-catalizzatori, un nome che MacMillan utilizzò in seguito per descrivere questi nuovi set di catalizzatori, è esploso negli ultimi due decenni. Hanno scoperto uno strumento semplice e ingegnoso, ma il suo impatto è stato enorme, principalmente nell'industria farmaceutica, ma anche in molti altri luoghi, ha affermato il professor RG Bhat dell'Indian Institute of Science Education and Research di Pune, che lavora con gli organo-catalizzatori. .

Il dottor S Chandrashekhar, direttore dell'Indian Institute of Chemical Technology con sede a Hyderabad, ha affermato che il grande significato del lavoro è che ha reso i processi molto più sicuri e sostenibili rispetto a prima.

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Sono anche molto felice di notare che questa volta il comitato del Nobel ha selezionato una svolta nella chimica pura. In passato, il Nobel per la chimica ha spesso riconosciuto lavori che appartenevano essenzialmente al regno della biologia, ha affermato.

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