Drukčiji katalizatori. Krenuli su riskantnim i nesigurnim putem i omogućili nam ‘povoljniju kemiju’

Riječ katalizator danas je već ušla u prenesenom značenju u mnoga izvankemijska područja, čak i u politiku, što samo po sebi govori koliko je kemija prisutna u svakidašnjem životu. No, dok se taj prodor događao kemičari nisu stajali u mjestu. Fundamentalnim su istraživanjima u području 'asimetrične organokatalize' omogućili razvoj jeftinih i stabilnih katalizatora za veliki broj raznovrsnih kemijskih reakcija

• Autor je docent na PMF-u u Zagrebu, gdje predaje biokemiju te genomiku i bioinformatiku

Današnja civilizacija nezamisliva je bez sintetskih materijala i organskih spojeva razvijenih tijekom 20. i 21. stoljeća, napretkom sintetske organske kemije. Prisutni su u svakom aspektu našeg života: polimeri i umjetni materijali koriste se u proizvodnji predmeta u svakodnevnoj upotrebi, odjeće, obuće, tekući kristali nalaze se u zaslonima televizora, pametnih telefona i svakakvih gadgeta koji su nam prozor u svijet i sučelje prema digitalnim i informacijskim tehnologijama koje transformiraju modernu civilizaciju, do lijekova, umjetnih aroma, sladila ili pesticida kojima održavamo zdravlje, liječimo bolesti, oplemenjujemo hranu ili se borimo protiv štetnika. Raznolikost organskih molekula u pozadini spojeva i materijala kojima se koristimo je nevjerojatna. Trajni izazov kemičarima i kemijskim inženjerima je pronalazak molekula novih svojstava i funkcionalnosti na tehnološki, ekonomski i okolišno prihvatljiv način.

Takve molekule kemičari sintetiziraju iz jednostavnih i dostupnih organskih spojeva koje spajaju, kombiniraju i preuređuju u nove, drugačije, složenije strukture. Pri tome mnoge od kemijskih reakcija neće se odvijati dovoljno brzo ili u željenom smjeru bez upotrebe katalizatora: tvari ili spojeva koje ubrzavaju kemijske reakcije, ali same iz njih izlaze nepromijenjene. Katalizator će potaknuti smjesu vodika i kisika na eksplozivnu reakciju nastajanja vode, ili energični raspad vodikovog peroksida na vodik i kisik. I metabolizam živih bića možemo promatrati kao niz povezanih i isprepletenih kemijskih reakcija kataliziranih posebnim biokatalizatorima – enzimima. Stalan protok i kemijska transformacija tvari – metabolizam osigurava građevne tvari i energiju potrebne za rast, izgradnju, održavanje, reagiranje i kretanje organizma, za život kao takav. Kemičari također u kreiranju novih molekula posežu za katalizatorima da bi ubrzali njihovo nastajanje, ili postigli što veće iskorištenje uz što manje sporednih ili neželjenih produkata.

U organskoj kemiji dodatni izazov je sinteza kiralnih ili asimetričnih molekula. Takve molekule razlikuju se od svoje zrcalne slike: posjeduju isti broj atoma, istu vrstu i raspored kemijskih veza, ali se razlikuju po njihovoj orijentaciji u prostoru. Njihova zrcalna slika (enantiomer) posjedovat će ista fizikalna i kemijska svojstva, no mogu imati drugačije efekte na žive organizme: tako npr. terpenoid karvon ima osvježavajući miris mente ili aromatičan miris kima, ovisno o kojem obliku (enantioneru) se radi (slika 1). Aspartam je umjetno sladilo 200 puta slađe od šećera, dok je njegov zrcalni oblik bez okusa.

Slika 1: Enantiomeri karvona. R-(−)-karvon ima miris po menti, a S-(+)-karvon daje miris kimu. Izvor: Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Carvone.svg)

Kod lijekova pak jedan oblik asimetrične molekule može biti farmaceutski aktivan, dok drugi oblik može biti škodljiv ili izazivati neželjene nuspojave. Zbog razlika u farmaceutskim i fiziološkim svojstvima, postoji velik interes za selektivnom sintezom asimetričnih molekula.

Tri su načina kako kemičar može sintetizirati takve asimetrične molekule. Prvi način je trivijalan: “posudi” polazni materijal iz prirodnih izvora koji je već asimetričan, pa ga dalje modificira čuvajući njegovu prirodnu asimetriju (aminokiseline, šećeri, ostali metaboliti). Drugi način je upotrebom enzima, biokatalizatora, koji u pravilu daju samo jedan od dva moguća asimetrična produkta. Treći način je upotrebom konvencionalnih katalizatora koji vrlo često sadrže metale u svojoj strukturi. Enzimi su fantastični prirodni katalizatori koji usmjeravaju kemijske reakcije u živim organizmima, i to rade na asimetričan način. Stoga ih ljudi koriste i u laboratoriju i industriji, te pokušavaju poboljšati, izmisliti ili oponašati enzime u svom radu. Jedan od načina poboljšanja enzima ili dobivanja nove enzimske funkcionalnosti je usmjerena evolucija za koju je Frances H. Arnold 2018. godine nagrađena Nobelovom nagradom za kemiju (Oponašanje evolucije? Ja sam inženjerka, nisam gospodin i nisam imala problema s istraživanjem na rubu znanosti, rekla je Arnold).

Oponašanjem enzima bavio se ovogodišnji laureat Benjamin List. On je istraživao katalitička antitijela. Antitijela inače brane organizam od stranih patogena, tako da prepoznaju i vežu nepoznate molekule, ali mogu se dobiti antitijela koja posjeduju katalitička svojstva jer svojim vezanjem molekula oponašaju enzime. No, enzimi i proteini imaju svojih nedostataka: to su velike biološke molekule građene od stotina aminokiselina s kojima je ponekad teško raditi, ali direktno u katalizi sudjeluje često svega nekoliko aminokiselina (slika 2). Benjaminu List se zapitao: mogu li slobodne aminokiseline ili slični jednostavni organski spojevi biti efikasni katalizatori? Njemu su bila su poznata istraživanja iz ’70-tih godina u kojima je jednostavna aminokiselina – prolin bio upotrebljen kao katalizator. Benjamin List je odlučio testirati prolin kao katalizator aldolne kondenzacije dvije molekule i 2000. godine pokazao ne samo da je prolin učinkovit katalizator za taj tip reakcije, već da katalizira reakciju na asimetričan način, tako da preferentno nastaje jedna od dvije moguće asimetrične (zrcalne) molekule. Za razliku od svojih prethodnika, Benjamin List je uvidio ogromni potencijal koji prolin i slične organske molekule posjeduju: u usporedbi s enzimima i metalnim katalizatorima, prolin je jednostavna, jeftina i za okoliš neškodljiva molekula, katalizator iz snova, te je nastavio razvoj takvih malih organskih molekula kao asimetričnih katalizatora.

Slika 2: Prolin kao asimetrični organokatalizator. Izvor: https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2021/press-release/

No, u tome nije bio jedini. Na sličnu ideju došao je i David MacMillan, drugi ovogodišnji laureat, koji je i smislio naziv “organokataliza” za novi koncept katalize gdje se kao katalizatori koriste male organske molekule. On je krenuo s drugog polazišta od B. Lista: David MacMillan bavio se asimetričnom katalizom pomoću metala i organometalnih spojeva. Metali (platina, nikal…) i metalni ioni odavno se koriste u organskoj kemiji kao katalizatori, pa čak i mnogi enzimi posjeduju metalne centre koji sudjeluju u katalizi biokemijskih reakcija. Metali sami za sebe nemaju svojstvo asimetrične katalize, već se za asimetričnu katalizu koriste u obliku organometalnih spojeva. Ali, svoj potencijal organometalni katalizatori nikad nisu u potpunosti ostvarili izvan laboratorija ili nisu našli široku industrijsku primjenu: takvi katalizatori često se oslanjaju na skupe metale (platina, paladij, rutenij), i često su osjetljivi na vlagu ili zrak što je problem na industrijskoj skali upotrebe. Kad bi barem takvi katalizatori radili bez atoma metala…. Što je D. MacMillan pokazao da je moguće (slika 3)! Atomi metala imaju jedinstveno svojstvo da tijekom katalize mogu privremeno ili pohraniti, ili posuditi elektrone reaktantima, ili na osobite načine mogu reagirati sa reaktantima, čime “olabave” kemijske veze reaktanata i pomažu (ubrzavaju) njihovu reakciju. David MacMillan je razmatrajući način djelovanja organometalnih katalizatora dizajnirao organske molekule u kojima je atom dušika u obliku iminijevog iona preuzeo takvu ulogu. On je svoje otkriće asimetrične katalize pomoću organskih molekula također objavio 2000. godine, u istom časopisu, neovisno o Benjaminu Listu.

Slika 3: Od organometalnih katalizatora do asimetrične organikatalize. Izvor: https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2021/press-release/

Zahvaljujući ovogodišnjim dobitnicima Nobelove nagrade koji su 2000. godine otkrili i prepoznali sasvim novi koncept katalize, u narednih 10 godina desila se svojevrsna renesansa na području razvoja novih katalizatora, tijekom koje su razvijeni brojni jeftini i stabilni organokatalizatori za velik broj raznovrsnih kemijskih reakcija. D. MacMillan i B. List ostali su predvodnici novog područja organokatalize. Njihov znanstveni doprinos i proboj je što su prepoznali potencijal malih organskih molekula kao asimetričnih katalizatora, tako što su svaki iz svog područja ekspertize krenuli nekonvencionalnim i riskantnim novim putem razvoja katalizatora. Obojica su dobro razumijela postojeće koncepte i mehanizme djelovanja postojećih katalizatora i udarili temelje novog područja. Danas organokataliza predstavlja treći, jednako važan (pri)stup u katalizi i kemijskoj sintezi zajedno s metalnim katalizatorima i biokatalizatorima (enzimima).