Катализируй это

За что дали Нобелевку по химии в 2021 году
07.10.2021
Мария Недюк, Ольга Коленцова, Денис Гриценко

В этом году Нобелевскую премию по химии присудили двум учёным 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.


Фото: REUTERS/TT News Agency/Claudio Bresciani

Сам себе катализатор

Нобелевскую премию по химии за 2021 год присудили учёному 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, который сейчас трудится в Институте исследований углерода Макса Планка (Германия), в своё время работал в Исследовательском институте Скриппса в США - одной из крупнейших частных научных организаций, специализирующихся на химии.

Дэвид Макмиллан - шотландско-британский химик, но сейчас работает в США. Этот учёный - 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.

- Листом и Макмилланом 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 Дэвид Макмил-лан 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 Брыля-ков. - То есть Лист и Макмиллан в своих работах фактически попытались моделировать происходящие в природе биохимические процессы на более низком химическом уровне. Всё-таки ферменты - это объекты сложные, а большинство органокатализаторов имеет невысокий молекулярный вес, это достаточно маленькие (и недорогие) объекты, специально синтезированные для катализа какого-то одного процесса, нужного исследователю. Подход, избранный ими, называют биомиметическим (биомоделирую-щим).

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" старший научный сотрудник Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН Дмитрий Перекалин.

- 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 подчёркивают 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 всём 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 учёными 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 посвящён экологии, и учёные продолжают им заниматься, добавил специалист.

- 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 раннее утро воскресенья, аудитория была полной.

Источник: Известия

Читайте другие наши материалы