Twee wetenschappers hebben woensdag de Nobelprijs voor scheikunde gewonnen voor het vinden van een ingenieuze en milieuvriendelijkere manier om moleculen te bouwen - een benadering die nu wordt gebruikt om een ​​verscheidenheid aan verbindingen te maken, inclusief medicijnen en pesticiden.

Het werk van Benjamin List en David W.C. MacMillan heeft wetenschappers in staat gesteld die moleculen goedkoper te produceren, efficiënt, veilig en met aanzienlijk minder gevaarlijk afval.

"Het levert de mensheid al veel op, " zei Pernilla Wittung-Stafshede, lid van het Nobelpanel.

Het was de tweede dag op rij dat een Nobelprijs voor werk beloonde met gevolgen voor het milieu. De natuurkundeprijs eerde ontwikkelingen die ons begrip van klimaatverandering hebben vergroot, slechts enkele weken voor de start van de wereldwijde klimaatonderhandelingen in Schotland.

De scheikundeprijs was gericht op het maken van moleculen. Dat vereist het aan elkaar koppelen van atomen in specifieke arrangementen, een vaak moeilijke en langzame taak. Tot het begin van het millennium, scheikundigen hadden slechts twee methoden - of katalysatoren - om het proces te versnellen, met behulp van gecompliceerde enzymen of metaalkatalysatoren.

Dat veranderde allemaal toen List, van het Max Planck Instituut in Duitsland, en MacMillan, van Princeton University in New Jersey, onafhankelijk gerapporteerd dat kleine organische moleculen kunnen worden gebruikt om het werk te doen. De nieuwe instrumenten zijn belangrijk geweest voor het ontwikkelen van medicijnen en het minimaliseren van problemen bij de productie van geneesmiddelen, inclusief problemen die schadelijke bijwerkingen kunnen veroorzaken.

Johan Åqvist, voorzitter van het Nobelpanel, noemde de methode "simpel als geniaal".

"Feit is dat veel mensen zich hebben afgevraagd waarom we er niet eerder aan hebben gedacht, " hij voegde toe.

MacMillan zei dat het winnen van de prijs hem "verbluft, geschokt, vrolijk, erg trots."

"Ik ben opgegroeid in Schotland, een arbeiderskind. Mijn vader is staalbewerker. Mijn moeder was huishoudhulp. … Ik had het geluk om de kans te krijgen om naar Amerika te komen, om mijn doctoraat te doen, " hij zei.

In feite, zei hij op een persconferentie in Princeton, hij was van plan zijn oudere broer te volgen in de natuurkunde, maar de natuurkundelessen op de universiteit waren om 8 uur in een koud en lekkend klaslokaal in het regenachtige Schotland, terwijl de scheikundecursussen twee uur later warmer waren, drogere ruimtes. Toen hij dat verhaal vertelde, hij zei dat hij zijn vrouw kon horen smeken om het niet te delen.

• 
• 

Hij zei dat de inspiratie voor zijn Nobelprijswinnende werk kwam toen hij dacht aan het vuile proces van het maken van chemicaliën - een proces dat voorzorgsmaatregelen vereist die hij vergeleek met die bij kerncentrales.

Als hij een manier zou kunnen bedenken om medicijnen sneller te maken met totaal andere middelen waarvoor geen vaten met metaalkatalysatoren nodig waren, het proces zou veiliger zijn voor zowel de werknemers als de planeet, redeneerde hij.

List zei dat hij aanvankelijk niet wist dat MacMillan aan hetzelfde onderwerp werkte en dacht dat zijn eigen voorgevoel misschien een "dom idee" was - totdat het werkte. Op dat eureka-moment, "Ik voelde wel dat dit iets groots zou kunnen zijn, ', zegt de 53-jarige.

HN Cheng, voorzitter van de American Chemical Society, zeiden dat de laureaten 'nieuwe toverstokken' ontwikkelden.

Voorafgaand aan hun werk, "de standaardkatalysatoren die vaak werden gebruikt, waren metalen, die vaak nadelen hebben voor het milieu, " zei Cheng. "Ze stapelen zich op, zij logen uit, ze kunnen gevaarlijk zijn."

De katalysatoren die MacMillan en List pionierden "zijn organisch, zodat ze sneller vergaan, en ze zijn ook nog eens goedkoper " hij zei.

Het Nobel-panel merkte op dat hun bijdragen de productie van belangrijke medicijnen gemakkelijker maakten, waaronder een antiviraal en een anti-angst medicatie.

"Een manier om naar hun werk te kijken is als moleculair timmerwerk, " zei John Lorsch, directeur van het National Institute of General Medical Sciences van de Amerikaanse National Institutes of Health.

"Ze hebben manieren gevonden om niet alleen de chemische verbinding te versnellen, " hij zei, "maar om ervoor te zorgen dat het alleen in de rechtshandige of linkshandige richting gaat."

Het vermogen om de oriëntatie te regelen waarin nieuwe atomen aan moleculen worden toegevoegd, is belangrijk. Als u dit niet doet, kan dit leiden tot bijwerkingen van medicijnen, legde het Nobel-panel uit, verwijzend naar het catastrofale voorbeeld van thalidomide, die ernstige geboorteafwijkingen bij kinderen veroorzaakten.

• 
• 
• 
• 
• 
• 

Sinds de ontdekking van de wetenschappers, de tool is verder verfijnd, waardoor het vele malen efficiënter is.

Peter Somfai, een ander lid van de commissie, benadrukte het belang van de ontdekking voor de wereldeconomie.

"Naar schatting is katalyse verantwoordelijk voor ongeveer 35% van het BBP van de wereld, wat een behoorlijk indrukwekkend cijfer is, " zei hij. "Als we een milieuvriendelijker alternatief hebben, de verwachting is dat dat een verschil zal maken."

De NIH ondersteunde het onderzoek van List in 2002 met een beurs. MacMillans werk wordt sinds 2000 gefinancierd door de NIH, voor een totaal van ongeveer $ 14,5 miljoen tot nu toe.

"Het is een geweldig voorbeeld van het ondersteunen van basiswetenschap waarvan je niet per se weet waar het naartoe gaat", maar het kan een grote impact hebben, zei Francis Collins, directeur NIH.

De Nobel wordt geleverd met een gouden medaille en 10 miljoen Zweedse kronen, , of meer dan $ 1,14 miljoen. Het geld komt van een legaat dat is achtergelaten door de maker van de prijs, Zweedse uitvinder Alfred Nobel, die in 1895 stierf.

De komende dagen, Nobels zullen worden toegekend in de literatuur, vrede en economie.

******

Persbericht Nobelcomité:De Nobelprijs voor Scheikunde 2021

De Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen heeft besloten om de Nobelprijs voor Scheikunde 2021 toe te kennen aan:

Benjamin Lijst
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr, Duitsland

David W.C. MacMillan
Princeton Universiteit, VS

"voor de ontwikkeling van asymmetrische organokatalyse"

Een ingenieus hulpmiddel om moleculen te bouwen

Moleculen bouwen is een moeilijke kunst. Benjamin List en David MacMillan krijgen de Nobelprijs voor Scheikunde 2021 voor hun ontwikkeling van een nauwkeurig nieuw hulpmiddel voor moleculaire constructie:organokatalyse. Dit heeft een grote impact gehad op het farmaceutisch onderzoek, en heeft de chemie groener gemaakt.

Veel onderzoeksgebieden en industrieën zijn afhankelijk van het vermogen van scheikundigen om moleculen te construeren die elastische en duurzame materialen kunnen vormen, energie op te slaan in batterijen of de progressie van ziekten te remmen. Dit werk vereist katalysatoren, dat zijn stoffen die chemische reacties beheersen en versnellen, zonder onderdeel te worden van het eindproduct. Bijvoorbeeld, katalysatoren in auto's zetten giftige stoffen in uitlaatgassen om in onschadelijke moleculen. Ons lichaam bevat ook duizenden katalysatoren in de vorm van enzymen, die de moleculen uitsnijden die nodig zijn voor het leven.

Katalysatoren zijn dus fundamentele instrumenten voor chemici, maar onderzoekers geloofden lang dat er, in principe, slechts twee soorten katalysatoren beschikbaar:metalen en enzymen. Benjamin List en David MacMillan krijgen de Nobelprijs voor Scheikunde 2021 omdat ze in 2000, onafhankelijk van elkaar, ontwikkelde een derde type katalyse. Het wordt asymmetrische organokatalyse genoemd en bouwt voort op kleine organische moleculen.

"Dit concept voor katalyse is even eenvoudig als ingenieus, en het feit is dat veel mensen zich hebben afgevraagd waarom we er niet eerder aan hebben gedacht, " zegt Johan Åqvist, die voorzitter is van het Nobelcomité voor Scheikunde.

Organische katalysatoren hebben een stabiel raamwerk van koolstofatomen, waaraan meer actieve chemische groepen kunnen hechten. Deze bevatten vaak gemeenschappelijke elementen zoals zuurstof, stikstof, zwavel of fosfor. Dit betekent dat deze katalysatoren zowel milieuvriendelijk als goedkoop te produceren zijn.

De snelle expansie in het gebruik van organische katalysatoren is voornamelijk te danken aan hun vermogen om asymmetrische katalyse aan te sturen. Wanneer moleculen worden gebouwd, situaties komen vaak voor waarin twee verschillende moleculen kunnen worden gevormd, die – net als onze handen – elkaars spiegelbeeld zijn. Chemici zullen er vaak maar één van willen, vooral bij de productie van geneesmiddelen.

Organokatalyse heeft zich sinds 2000 met een verbazingwekkende snelheid ontwikkeld. Benjamin List en David MacMillan blijven leiders in het veld, en hebben aangetoond dat organische katalysatoren kunnen worden gebruikt om massa's chemische reacties aan te sturen. Met behulp van deze reacties, onderzoekers kunnen nu alles efficiënter construeren, van nieuwe geneesmiddelen tot moleculen die licht in zonnecellen kunnen vangen. Op deze manier, organokatalysatoren brengen het grootste voordeel voor de mensheid.

Populaire informatie

Hun gereedschappen brachten een revolutie teweeg in de constructie van moleculen

Chemici kunnen nieuwe moleculen maken door kleine chemische bouwstenen aan elkaar te koppelen, maar het beheersen van onzichtbare stoffen zodat ze zich op de gewenste manier hechten, is moeilijk. Benjamin List en David MacMillan krijgen de Nobelprijs voor Scheikunde 2021 voor hun ontwikkeling van een nieuwe en ingenieuze tool voor het bouwen van moleculen:organokatalyse. Het wordt onder meer gebruikt voor onderzoek naar nieuwe geneesmiddelen en het heeft ook geholpen om de chemie groener te maken.

Veel industrieën en onderzoeksgebieden zijn afhankelijk van het vermogen van scheikundigen om nieuwe en functionele moleculen te bouwen. Dit kan van alles zijn, van stoffen die licht opvangen in zonnecellen of energie opslaan in batterijen, tot moleculen die lichtgewicht hardloopschoenen kunnen maken of de voortgang van ziekte in het lichaam kunnen remmen.

Echter, als we het vermogen van de natuur om chemische creaties te bouwen vergelijken met die van onszelf, we zaten lang vast in het stenen tijdperk. Evolution heeft ongelooflijk specifieke tools geproduceerd, enzymen, voor het construeren van de moleculaire complexen die het leven zijn vormen geven, kleuren en functies. aanvankelijk, toen chemici deze chemische meesterwerken isoleerden, ze keken er alleen maar vol bewondering naar. De hamers en beitels in hun eigen gereedschapskisten voor moleculaire constructie waren bot en onbetrouwbaar, dus eindigden ze vaak met veel ongewenste bijproducten als ze de producten van de natuur kopieerden.

Nieuwe tools voor fijnere chemie

Elk nieuw gereedschap dat scheikundigen aan hun gereedschapskist hebben toegevoegd, heeft de precisie van hun moleculaire constructies vergroot. Traag maar zeker, chemie is geëvolueerd van beitelen in steen tot iets meer als fijn vakmanschap. Dit is van groot nut geweest voor de mensheid en verschillende van deze instrumenten zijn beloond met de Nobelprijs voor de Scheikunde.

De ontdekking die de Nobelprijs voor Scheikunde 2021 krijgt, heeft de moleculaire constructie naar een geheel nieuw niveau getild. Het heeft niet alleen de chemie groener gemaakt, maar maakte het ook veel gemakkelijker om asymmetrische moleculen te produceren. Tijdens chemische constructie ontstaat vaak een situatie waarin twee moleculen kunnen worden gevormd, die – net als onze handen – elkaars spiegelbeeld zijn. Chemici willen vaak gewoon een van deze spiegelbeelden, vooral bij de productie van geneesmiddelen, but it has been difficult to find efficient methods for doing this. The concept developed by Benjamin List and David MacMillan – asymmetric organocatalysis – is as simple as it is brilliant. The fact is that many people have wondered why we didn't think of it earlier.

Why indeed? This is no easy question to answer, but before we even try we need to take a quick look back at history. We will define the terms catalysis and catalyst, and set the stage for the Nobel Prize in Chemistry 2021.

Catalysts accelerate chemical reactions

In the nineteenth century, when chemists began exploring the ways that different chemicals react with each other, they made some strange discoveries. Bijvoorbeeld, if they put silver in a beaker with hydrogen peroxide (H2O2), the hydrogen peroxide suddenly began to break down into water (H2O) and oxygen (O2). But the silver – which started the process – did not seem affected by the reaction at all. evenzo, a substance obtained from sprouting grains could break down starch into glucose.

In 1835, the renowned Swedish chemist Jacob Berzelius started to see a pattern in this. In the Royal Swedish Academy of Sciences' annual report, describing the latest progress in physics and chemistry, he writes about a new "force" that can "generate chemical activity". He listed several examples in which just the presence of a substance started a chemical reaction, stating how this phenomenon appeared to be considerably more common than was previously thought. He believed that the substance had a catalytic force and called the phenomenon itself catalysis.

Catalysts produce plastic, perfume and flavoursome food

A great deal of water has run through chemists' pipettes since Berzelius' time. They have discovered a multitude of catalysts that can break down molecules or join them together. Thanks to these, they can now carve out the thousands of different substances we use in our everyday lives, such as pharmaceuticals, plastics, perfumes and food flavourings. The fact is, it is estimated that 35 per cent of the world's total GDP in some way involves chemical catalysis.

In principle, all catalysts discovered before the year 2000 belonged to one of two groups:they were either metals or enzymes. Metals are often excellent catalysts because they have a special ability to temporarily accommodate electrons or to provide them to other molecules during a chemical process. This helps loosen the bonds between the atoms in a molecule, so bonds that are otherwise strong can be broken and new ones can form.

Echter, one problem with some metal catalysts is that they are very sensitive to oxygen and water so, for these to work, they need an environment free of oxygen and moisture. This is difficult to achieve in large-scale industries. Ook, many metal catalysts are heavy metals, which can be harmful to the environment.

Life's catalysts work with astounding precision

The second form of catalyst is comprised of the proteins known as enzymes. All living things have thousands of different enzymes that drive the chemical reactions necessary for life. Many enzymes are specialists in asymmetric catalysis and, in principe, always form one mirror image out of the two that are possible. They also work side by side; when one enzyme is finished with a reaction, another one takes over. Op deze manier, they can build complicated molecules with amazing precision, such as cholesterol, chlorophyll or the toxin called strychnine, which is one of the most complex molecules we know of (we will return to this).

Because enzymes are such efficient catalysts, researchers in the 1990s tried to develop new enzyme variants to drive the chemical reactions needed by humanity. One research group working on this was based at the Scripps Research Institute in southern California and was led by the late Carlos F. Barbas III. Benjamin List had a postdoctoral position in Barbas' research group when the brilliant idea that led to one of the discoveries behind this year's Nobel Prize in Chemistry was born.

Benjamin List thinks outside the box…

Benjamin List worked with catalytic antibodies. Normally, antibodies attach to foreign viruses or bacteria in our bodies, but the researchers at Scripps redesigned them so they could drive chemical reactions instead.

During his work with catalytic antibodies, Benjamin List started to think about how enzymes actually work. They are usually huge molecules that are built from hundreds of amino acids. In addition to these amino acids, a significant proportion of enzymes also have metals that help drive chemical processes. But – and this is the point – many enzymes catalyse chemical reactions without the help of metals. In plaats daarvan, the reactions are driven by one or a few individual amino acids in the enzyme. Benjamin List's out-of-the-box question was:do amino acids have to be part of an enzyme in order to catalyse a chemical reaction? Or could a single amino acid, or other similar simple molecules, do the same job?

…with a revolutionary result

He knew that there was research from the early 1970s where an amino acid called proline had been used as a catalyst – but that was more than 25 years ago. Surely, if proline really had been an effective catalyst, someone would have continued working on it?

This is more or less what Benjamin List thought; he assumed that the reason why no one had continued studying the phenomenon was that it had not worked particularly well. Without any real expectations, he tested whether proline could catalyse an aldol reaction, in which carbon atoms from two different molecules are bonded together. It was a simple attempt that, amazingly, worked straight away.

Benjamin List staked out his future

With his experiments, Benjamin List not only demonstrated that proline is an efficient catalyst, but also that this amino acid can drive asymmetric catalysis. Of the two possible mirror images, it was much more common for one of them to form than the other.

Unlike the researchers who had previously tested proline as a catalyst, Benjamin List understood the enormous potential it could have. Compared to both metals and enzymes, proline is a dream tool for chemists. It is a very simple, cheap and environmentally-friendly molecule. When he published his discovery in February 2000, List described asymmetric catalysis with organic molecules as a new concept with many opportunities:"The design and screening of these catalysts is one of our future aims".

Echter, he was not alone in this. In a laboratory further north in California, David MacMillan was also working towards the same goal.

David MacMillan leaves sensitive metals behind…

Two years previously, David MacMillan had moved from Harvard to UC Berkeley. At Harvard he had worked on improving asymmetric catalysis using metals. This was an area which was attracting a lot of attention from researchers, but David MacMillan noted how the catalysts that were developed were rarely used in industry. He started to think about why, and assumed that the sensitive metals were quite simply too difficult and expensive to use. Achieving the oxygen-free and moisturefree conditions demanded by some metal catalysts is relatively simple in a laboratory, but conducting large-scale industrial manufacturing in such conditions is complicated.

His conclusion was that if the chemical tools he was developing were to be useful, he needed a rethink. Dus, when he moved to Berkeley, he left the metals behind.

…and develops a simpler form of catalyst

In plaats daarvan, David MacMillan started to design simple organic molecules which – just like metals – could temporarily provide or accommodate electrons. Hier, we need to define what organic molecules are – in brief, these are the molecules that build all living things. They have a stable framework of carbon atoms. Active chemical groups are attached to this carbon framework, and they often contain oxygen, nitrogen, sulphur or phosphorus.

Organic molecules thus consist of simple and common elements but, depending on how they are put together, they can have complex properties. David MacMillan's knowledge of chemistry told him that for an organic molecule to catalyse the reaction he was interested in, it needed to be able to form an iminium ion. This contains a nitrogen atom, which has an inherent affinity for electrons.

He selected several organic molecules with the right properties, and then tested their ability to drive a Diels–Alder reaction, which chemists use to build rings of carbon atoms. Just as he had hoped and believed, it worked brilliantly. Some of the organic molecules were also excellent at asymmetric catalysis. Of two possible mirror images, one of them comprised more than 90 per cent of the product.

David MacMillan coins the term organocatalysis

When David MacMillan was ready to publish his results, he realised that the concept for catalysis he had discovered needed a name. The fact was that researchers had previously succeeded in catalysing chemical reactions using small organic molecules, but these were isolated examples and no one had realised that the method could be generalised.

David MacMillan wanted to find a term to describe the method so other researchers would understand that there were more organic catalysts to discover. His choice was organocatalysis.

In January 2000, just before Benjamin List published his discovery, David MacMillan submitted his manuscript for publication in a scientific journal. The introduction states:"Herein, we introduce a new strategy for organocatalysis that we expect will be amenable to a range of asymmetric transformations".

The use of organocatalysis has boomed

Independently of each other, Benjamin List and David MacMillan had discovered an entirely new concept for catalysis. Since 2000, developments in this area can almost be likened to a gold rush, in which List and MacMillan maintain leading positions. They have designed multitudes of cheap and stable organocatalysts, which can be used to drive a huge variety of chemical reactions.

Not only do organocatalysts often consist of simple molecules, in some cases – just like nature's enzymes – they can work on a conveyor belt. Eerder, in chemical production processes it was necessary to isolate and purify each intermediate product, otherwise the volume of byproducts would be too great. This led to some of the substance being lost at every step of a chemical construction.

Organocatalysts are much more forgiving as, relatively often, several steps in a production process can be performed in an unbroken sequence. This is called a cascade reaction, which can considerably reduce waste in chemical manufacturing.

Strychnine synthesis now 7, 000 times more efficient

One example of how organocatalysis has led to more efficient molecular constructions is the synthesis of the natural, and astoundingly complex, strychnine molecule. Many people will recognise strychnine from books by Agatha Christie, queen of the murder mystery. Echter, for chemists, strychnine is like a Rubik's Cube:a challenge that you want to solve in as few steps as possible.

When strychnine was first synthesised, in 1952, it required 29 different chemical reactions and only 0.0009 per cent of the initial material formed strychnine. The rest was wasted.

In 2011, researchers were able to use organocatalysis and a cascade reaction to build strychnine in just 12 steps, and the production process was 7, 000 times more efficient.

Organocatalysis is most important in pharmaceutical production

Organocatalysis has had a significant impact on pharmaceutical research, which frequently requires asymmetric catalysis. Until chemists could conduct asymmetric catalysis, many pharmaceuticals contained both mirror images of a molecule; one of these was active, while the other could sometimes have unwanted effects. A catastrophic example of this was the thalidomide scandal in the 1960s, in which one mirror image of the thalidomide pharmaceutical caused serious deformities in thousands of developing human embryos.

Using organocatalysis, researchers can now make large volumes of different asymmetric molecules relatively simply. Bijvoorbeeld, they can artificially produce potentially curative substances that can otherwise only be isolated in small amounts from rare plants or deep-sea organisms.

At pharmaceutical companies, the method is also used to streamline the production of existing pharmaceuticals. Examples of this include paroxetine, which is used to treat anxiety and depression, and the antiviral medication oseltamivir, which is used to treat respiratory infections.

Simple ideas are often the most difficult to imagine

It is possible to list thousands of examples of how organocatalysis is used – but why did no one come up with this simple, green and cheap concept for asymmetric catalysis earlier? This question has many answers. One is that the simple ideas are often the most difficult to imagine. Our view is obscured by strong preconceptions about how the world should work, such as the idea that only metals or enzymes can drive chemical reactions. Benjamin List and David MacMillan succeeded in seeing past these preconceptions to find an ingenious solution to a problem with which chemists had struggled for decades. Organocatalysts are thus bringing – right now – the greatest benefit to humankind.

© 2021 The Associated Press. All rights reserved. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, herschreven of gedistribueerd zonder toestemming.