Завдяки Бенджаміну Лісту і Девіду Макміллану ми дізналися про новий спосіб синтезу сучасних ліків та інших складних хімічних молекул.
Як кажуть хіміки, якщо у вас не йде якась хімічна реакція, значить у вас просто поки немає для неї відповідного каталізатора. І Нобелівської премії теж, швидше за все, немає, тому що її нерідко дають за все, що пов'язано з каталізаторами. Як, наприклад, цього року лауреатами стали Бенджамін Ліст (Benjamin List) і Девід Макміллан (David MacMillan) - за розвиток асиметричного органокаталізу. З óрганами або церковними музичними інструментами це ніяк не пов'язано, а ось з органічною хімією і сучасними ліками - дуже навіть!
У хімії каталізаторами називають такі речовини, які прискорюють реакцію, але при цьому самі не витрачаються. Щоб зрозуміти цей принцип, уявімо, що вам потрібно попиляти велике колоду на багато маленьких шматочків. Якщо у вас під рукою немає абсолютно ніяких інструментів, то нічого не вийде, на щастя або на жаль, ви не бобер. Але якщо ви візьмете в руки пилку - справа відразу піде. При цьому пила залишиться пилкою, з нею від пиляння колоди нічого не трапиться, а от колода перетвориться на акуратні дрова.
Каталізатори в хімії працюють приблизно так само. Вони роблять «неможливі» реакції можливими, виконуючи роль хімічної «чарівної палички». Так що ж вони собою являють? У ролі каталізатора можуть виступати різні молекули або речовини. Наприклад, це може бути поверхня якогось металу: молекули-реагенти «сідають» на його поверхню, реагують один з одним, а потім задоволені і прореагували відлітають з неї. Але атоми металу можна упакувати і в органічний «скафандр», відправивши, наприклад, у вільне плавання в розчині, тоді ми отримаємо так званий металокомплексний каталізатор. Але справжнісінький каталітичний король - це сама природа. Все незліченне безліч біохімічних процесів, без яких неможливо уявити собі життя, протікає завдяки біологічним каталізаторам - ферментам - великим білковим молекулам, що складаються з сотень і тисяч амінокислот.
Природно, що хімікам, дивлячись на природу, теж хочеться синтезувати різні корисні молекули, наприклад, ліки. Часи простих речовин, на кшталт аспірину або парацетамолу, які може синтезувати будь-який хімік-першокурсник, вже давно минули. Сучасне розуміння медициною різних хвороб вимагає сучасних лікарських препаратів, які здебільшого являють собою складні молекули, а їх синтез в лабораторії може протікати в десятки стадій.
До цього додається ще й той факт, що біологічно активна молекула повинна мати певну конфігурацію. Як якщо нам потрібна рукавичка на праву руку, то ліва рукавичка нам зовсім не підійде. Так і в біохімії існують «ліві» і «праві» молекули з однією і тією ж формулою, але володіють різними властивостями. Наприклад, «правий» варіант молекули лимонену пахне апельсином, а «лівий» - лимоном. Але такі молекули можуть відрізнятися не тільки запахом, а й впливом на організм. Сумний приклад тому - препарат від безсоння талідомід. Діюча речовина цього препарату являла собою суміш дзеркальних форм молекул, і одна з них була відповідальна за серйозні порушення розвитку плоду у вагітних.
Сьогоднішні нобелівські лауреати стояли біля витоків такого напрямку сучасної хімії, як асиметричний органокаталіз. Його суть полягає в тому, що невеликі (набагато менше, ніж ферменти) органічні молекули, як виявилося, можуть виступати в ролі ефективних каталізаторів для синтезу «лівих» або «правих» молекул. На відміну від металокомплексних каталізаторів, органічні каталізатори не забруднюють продукти токсичними металами, і порівняно з білками, їх набагато простіше синтезувати і використовувати.
У 2000 році Бенджамін Ліст опублікував результати роботи, в яких описав використання молекула пролину - однієї з амінокислот - як перспективного асиметричного каталізатора. Спочатку він працював над вивченням властивостей так званих абзимів - каталітичних антитіл. Ці білкові молекули здатні виступати в ролі каталізаторів певних хімічних реакцій. Але що буде, якщо від такого великого ферменту за стародавнім рецептом «відсікти все зайве» і подивитися, чи не вийде з цього щось корисне? Виявилося, що якщо від білка залишити тільки одну-єдину амінокислоту, то навіть вона зможе працювати як каталізатор.
Паралельно Бенджаміну Лісту інший майбутній нобелівський лауреат Девід Макміллан працював над підвищенням стабільності металокомплексних каталізаторів. І дійшов висновку, що один із способів зробити їх стійкішими - це зовсім відмовитися від атомів металу в їх структурі.
Обидва дослідники практично в один і той же час незалежно опублікували статті з описом концепції асиметричного органокаталізу, чим і підстебнули подальший вибуховий ріст досліджень в цій області. Як це іноді буває, відкриття лежало майже на поверхні, але побачити його заважала усталена думка в хімії, що каталізатор може бути або на основі комплексів металів, або це обов'язково повинен бути великий і складний фермент, а все інше - неефективно. Але, виявилося, що це не так, а Нобелівська премія 2021 року служить кращим тому підтвердженням.