Zbivanja - osvrt

Odjel za prirodoslovlje i matematiku Matice hrvatske

Dvije Nobelova nagrade za kemiju: Cornforth i Prelog (1975.) – List i MacMillan (2021.)

Osvrt dr. sc. Nenada Raosa

Ovogodišnja Nobelova nagrada za kemiju dodijeljena je njemačkom kemičaru Benjaminu Listu i Amerikancu britanskog porijekla Davidu MacMillanu za istraživanje „asimetrične organokatalize“ (slika 1). Prije 46 godina ista je nagrada dodijeljena Britancu iz Australije Johnu Warcupu Cornforthu „za njegov rad na stereokemiji enzimski kataliziranih reakcije“ te hrvatskom kemičaru Vladimiru Prelogu „za njegovo istraživanje stereokemije organskih molekula i reakcija“. Što povezuje ove dvije Nobelove nagrade odijeljene vremenskim razmakom od gotovo pola stoljeća? (I što mi je dalo povod za pisanje ovoga članka.)

Povezuje ga jedna jedina riječ, a to je riječ asimetrija ili, bolje i točnije, kiralnost. Dakako, ne kiralnost (asimetrija) bilo čega, nego kiralnost onih tjelešaca kojima se kemija bavi, a to su molekule.

Kiralni predmeti su, najjednostavnije rečeno, predmeti koji se ne mogu poklopiti sa svojom slikom u zrcalu. Najjednostavniji i najočitiji primjer je ruka (šaka), po kojoj je riječ „kiralnost“ i dobila ime (od grč. cheir = ruka). Ima mnogo takvih predmeta, jer takve su sve stvari te dijelovi biljaka i životinja (npr. puževe kućice) za koje možemo reći da su „lijeve“ ili „desne“; kiralne su cipele, rukavice, vijki, matice, navoji, spirale, knjige... Svi takvi, kiralni objekti imaju istu simetriju, naime, nemaju simetriju. Kiralni objekti, osim rijetkih iznimaka, nemaju nijedan element simetrije, osi su asimetrični.

Ima mnogo uzroka zašto molekula može biti kiralna (asimetrična), a najčešći i najprije otkriveni je da ima ugljikov atom sa četiri različita supstituenta. Zato molekule CH4 i CH2Cl2 imaju samo jednu prostornu formu, dok se za molekulu CHFClBr mogu razlikovati dvije forme, dva prostorna izomera (stereoizomera) – lijevi i desni enantiomer. Isto vrijedi i za molekulu 1-kloretanola, CH3CH(OH)Cl, slika 2.

Najpoznatiji Prelogov doprinos „istraživanju stereokemije organskih molekula“ jesu pravila za određivanje apsolutne konfiguracije. Po tim pravilima, poznatim kao CIP (Cahn-Ingold-Prelog), molekula može biti lijeva, (S), ili desna, (R). Pravila su „apsolutna“, jer vrijede za svaku molekulu, za razliku od do tada važećih pravila (oznake L- i D-) koja su se temeljila na usporedbi konfiguracije molekule s konfiguracijom standardne molekule u svojoj klasi spojeva.

Još je važniji Prelogov doprinos istraživanju reakcija za sintezu samo lijevih ili samo desnih molekula, enantiomerno čistih spojeva. Time se približio području drugog nobelovca iz 1975. godine, Confortha, koji je istraživao „stereokemiju enzimski kataliziranih reakcija“.  Enzimi su katalizatori, ali ne bilo kakvi. Njih odlikuje visoka selekivnost, a prije svega stereoselektivnost. To između ostalog znači da enzimi kataliziraju reakcije samo molekula određene kiralnosti. To je razumljivo, jer je većina biomolekula kiralno. Tako su sve aminokiseline – osim one najjednostavnije, glicina – lijeve (L-alanin, L-leucin), dok su pak svi šećeri desni (D-glukoza, D-riboza, D-deoksiriboza).

I tako smo eto došli do ovogodišnje Nobelove nagrade koja je dodijeljena za „asimetričnu organokatalizu“. To znači da su nobelovci pronašli umjetne enzime, naime takve organske molekule koje poput enzima kataliziraju reakcije kiralnih molekula. To ima dalekosežne posljedice.

Prva je posljedica da su napravili pristupačne katalizatore za priređivanje enantimerno čistih spojeva. Takvi su spojevi naročito važni u farmaceutskoj industriji jer se većina ljekovitih tvari sastoji od kiralnih molekula. Obično je jedan enantiomer (eutomer) aktivniji od drugog, distomera. No ne mora biti. Razlike može i ne biti ili razlika može biti vrlo mala. S druge pak strane razlika u djelovanju dvaju enantiomera može biti drastična. Distomer može biti toksičan. Primjer? Kada se na kraju rasvjetlila afera s talidomidom, lijekom koje su trudnice uzimale radi umirenja, otkrilo se da sedativno djelovanje ima samo jedan enantiomer, dok je drugi enantiomer teratogen – izaziva nakaznost ploda. To je bila dobra pouka farmaceutskim tvrtkama da ubuduće proizvode samo enantiomerno čiste lijekove. Kako? Stereoselektivnim sintezama, kojih je začetnik Prelog, ili pak uz upotrebu stereoselektivnih katalizatora, između ostalih i onih za koje su koje je ove godine dodijeljena Nobelova nagrada.

Ima još jedna prednost „asimetrične organokatalize“. Za razliku od većine katalizatora u kemijskoj industriji u čiji sastav ulaze skupi i toksični teški metali (nikal, platina, rodij, rutenij), asimetrični organokatalizatori su posve organski spojevi, pa se stoga nakon upotrebe mogu lako zbrinuti – treba ih samo sagorijeti, oksidirati do CO2, H2O i N2.

dr. sc. Nenad Raos

Preporučujem za čitanje:
K. Molčanov, Stereokemija na drugi način: puževi, zrcala, koordinatni sustavi, Kemija u industriji 68 (1-2) (2019) 41-47, doi: http//doi.org/10.15255/KUI.2018.040

         


❌

◀

▶

Pregled