Золотая каталитическая лихорадка

Лауреатами Нобелевской премии по химии в 2021 году стали Беньямин Лист из Института исследования угля Общества Макса Планка (Германия) и Дэвид Макмиллан из Принстонского университета (США) — за развитие асимметрического органокатализа.

Как сказано в решении Нобелевского комитета, «многие области исследований и отрасли промышленности зависят от способности химиков создавать молекулы, которые могут образовывать эластичные и прочные материалы, накапливать энергию в батареях или препятствовать прогрессированию заболеваний. Для этой работы требуются катализаторы, которые представляют собой вещества, контролирующие и ускоряющие химические реакции, не становясь частью конечного продукта. Например, катализаторы в автомобилях преобразуют токсичные вещества в выхлопных газах в безвредные молекулы. Наши тела также содержат тысячи катализаторов в форме ферментов, которые выделяют молекулы, необходимые для жизни».

Таким образом, катализаторы являются фундаментальными инструментами для химиков и химической промышленности, но исследователи долгое время считали, что в принципе доступны только два типа катализаторов: металлы и ферменты. Беньямин Лист и Дэвид Макмиллан удостоены Нобелевской премии за то, что в 2000 году они независимо друг от друга разработали третий тип катализа. Он называется асимметрическим органокатализом и основан на небольших органических молекулах.

Это открытие особенно важно для фармацевтической промышленности. Дело в том, что, как пояснил нам профессор кафедры органической химии химического факультета МГУ, заведующий лабораторией супрамолекулярной химии Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН Сергей Вацадзе, «сложные органические молекулы, которые используются в лекарственных средствах, существуют в виде двух зеркальных стереоизомеров — L и D, левых и правых. Это свойство называется “хиральность”, то есть несовместимость объекта со своим зеркальным отображением. Как левая и правая рука — самая простая аналогия. И если перенести это на органические молекулы, в частности на фармацевтически важные субстанции, на лекарства, то если такое свойство есть у молекулы, то зачастую два разных изомера, две разные формы, обладают совершенно разными свойствами. Одна может быть лекарством, другая — просто балластом либо даже вредить, то есть быть токсичной для организма». Иногда такие молекулы отличаются даже запахами — например, одна версия молекулы лимонена имеет запах лимона, а ее зеркальное отражение пахнет апельсином.

При традиционном химическом синтезе всегда получается именно смесь таких изомеров. Как напомнила заведующая лабораторией химфака МГУ, профессор, академик РАН Ирина Белецкая, в истории фармакологической промышленности были случаи, когда применение таких средств из смеси изомеров приводило к трагедии. «В 1960-е годы в США у женщин, получавших транквилизаторы, родились тысячи детей — слава богу, у нас их не было — с колоссальными пороками: без ног, без рук, без глаз. Это оказалось следствием того, что один из изомеров этого транквилизатора оказался чрезвычайно вредным для организма. И тогда все фармацевтические фирмы мира поняли, что если у лекарства есть хиральные изомеры, то производить его надо только в той форме, которая является лекарством. А делать это при тех технологиях, которые тогда существовали, было очень сложно, это очень дорогая история». Работа нобелевских лауреатов позволяет создать технологию, обеспечивающую производство только нужного изомера.

Председатель Нобелевского комитета по химии Йохан Оквист в своем выступлении отметил, что концепция катализа, предложенная лауреатами, «столь же проста, сколь и гениальна, и многие люди задавались вопросом, почему мы не подумали об этом раньше».

Как говорится в статье Their tools revolutionised the construction of molecules, размещенной на сайте Нобелевского комитета, «с 2000 года развитие в этой области можно сравнить с золотой лихорадкой, в которой Лист и Макмиллан сохраняют лидирующие позиции. Они разработали множество дешевых и стабильных органокатализаторов (название, которое придумал для них Макмиллан), которые можно использовать для запуска множества химических реакций». Кроме способности создавать только необходимые изомеры органокатализаторы обладают и другими полезными для производства свойствами. Например, раньше в процессах химического производства необходимо было изолировать и очищать каждый промежуточный продукт, полученный в ходе катализа, иначе объем побочных продуктов был бы слишком большим. Это приводило к потере части вещества на каждом этапе химического строительства.

Органокатализаторы гораздо более щадящие, поскольку относительно часто несколько этапов производственного процесса могут выполнять в непрерывной последовательности. Это называется каскадной реакцией, которая может значительно сократить отходы химического производства. То есть разработка Листа и Макмиллана — это не только фундаментальный результат, но и выдающаяся инновация, которая преобразует лицо нескольких отраслей химической промышленности.

В статье, которую мы уже цитировали, авторы задаются вопросом: почему никто раньше не придумал эту простую, экологичную и дешевую концепцию асимметричного катализа? На этот вопрос они отвечают так: «Во-первых, простые идеи часто бывает труднее всего представить. Нашу точку зрения затмевают сильные предубеждения относительно того, как должен работать мир, например идея, что только металлы или ферменты могут управлять химическими реакциями. Беньямин Лист и Дэвид Макмиллан преуспели в преодолении этих предубеждений и в поиске гениального решения проблемы, с которой химики боролись десятилетиями. Таким образом, органокатализаторы прямо сейчас приносят огромную пользу человечеству».