Benjamin List และ David MacMillan ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2021 จาก การพัฒนาเครื่องมือใหม่ที่ชาญฉลาดสำหรับการสร้างโมเลกุล:ออร์กาโนคาตาไลซิส การใช้งานรวมถึงการวิจัยยาใหม่ๆ และยังช่วยให้เคมีเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น
Table of Contents
คำถาม
ในกระบวนการสร้างสารเคมี สถานการณ์มักเกิดขึ้นโดยที่โมเลกุลสองโมเลกุลที่มีสูตรทางเคมีเหมือนกันสามารถก่อตัวได้ เช่นเดียวกับมือทั้งสองข้างของเรา แต่เป็นภาพสะท้อนของกันและกัน สิ่งนี้เรียกว่าออปติคัลไอโซเมอร์
นักเคมีมักต้องการเพียงภาพเดียวในกระจกเหล่านี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพูดถึงเภสัชภัณฑ์ แต่เป็นการยากที่จะหาวิธีที่มีประสิทธิภาพในการทำเช่นนี้
แนวคิดที่พัฒนาโดย Benjamin List และ David MacMillan ซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์แบบอสมมาตร นั้นเรียบง่าย แต่น่าทึ่ง อันที่จริง หลายคนสงสัยว่าทำไมเราไม่คิดให้เร็วกว่านี้
ทำไม? นี่ไม่ใช่คำถามที่ตอบง่าย แต่ก่อนที่เราจะตอบ เราต้องพิจารณาประวัติคร่าวๆ ก่อน เราจะกำหนดเงื่อนไขตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยา และกำหนดเวทีสำหรับ รางวัลโนเบลสาขา เคมีปี 2021
ประวัติเล็กน้อย
ตัวเร่งปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาเคมี
ในรายงานประจำปีของ Royal Swedish Academy of Sciences ซึ่งอธิบายถึงความก้าวหน้าล่าสุดในด้านฟิสิกส์และเคมี เขาเขียนถึง “แรง” แบบใหม่ที่สามารถ “สร้างกิจกรรมทางเคมี” ได้
เขายกตัวอย่างหลายตัวอย่างที่การมีอยู่ของสารเพียงอย่างเดียวทำให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมี โดยกล่าวว่าปรากฏการณ์นี้ดูเหมือนจะเกิดขึ้นบ่อยกว่าที่เคยคิดไว้มาก เขาเชื่อว่าสสารนั้นมีแรงเร่งปฏิกิริยาและเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาของมันเอง
ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการผลิตพลาสติก น้ำหอม และอาหาร
ด้วยเหตุนี้ พวกมันจึงสามารถสร้างสารต่างๆ หลายพันชนิดที่เราใช้ในชีวิตประจำวันของเรา เช่น ยา พลาสติก น้ำหอม และรสอาหาร
ในความเป็นจริง ประมาณว่า 35% ของ GDP ทั้งหมดของโลกเกี่ยวข้องกับตัวเร่งปฏิกิริยาทางเคมี โดยหลักการแล้ว ตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งหมดที่ค้นพบก่อนปี 2000 จะจัดเป็นหนึ่งในสองกลุ่ม: พวกมันคือโลหะหรือเอนไซม์
โลหะมักเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีเยี่ยมเนื่องจากมีความสามารถพิเศษในการเก็บอิเล็กตรอนไว้ชั่วคราวหรือบริจาคให้กับโมเลกุลอื่นในกระบวนการทางเคมี
สิ่งนี้จะคลายพันธะระหว่างอะตอมในโมเลกุล เพื่อให้สามารถแตกพันธะที่แข็งแรงและเกิดพันธะใหม่ได้
อย่างไรก็ตาม ปัญหาอย่างหนึ่งของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะบางชนิดก็คือพวกมันไวต่อออกซิเจนและน้ำมาก ดังนั้นสำหรับการทำงาน พวกเขาต้องการสภาพแวดล้อมที่ปราศจากออกซิเจนและความชื้น
ซึ่งเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุได้ในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ นอกจากนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะหลายชนิดยังเป็นโลหะหนัก ซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม
Life’s Catalyst ทำงานได้อย่างแม่นยำอย่างไม่น่าเชื่อ
รูปแบบที่สองของตัวเร่งปฏิกิริยาประกอบด้วยโปรตีนที่เรียกว่าเอนไซม์ สิ่งมีชีวิตทั้งหมดมีเอ็นไซม์ต่างๆ นับพันชนิดที่ควบคุมปฏิกิริยาเคมีที่จำเป็นต่อชีวิต
เอนไซม์จำนวนมากเป็นผู้เชี่ยวชาญในการเร่งปฏิกิริยาแบบอสมมาตร และโดยหลักการแล้ว จะสร้างภาพสะท้อนในกระจกจากภาพที่เป็นไปได้สองภาพเสมอ พวกเขายังทำงานควบคู่กัน เมื่อเอนไซม์ตัวหนึ่งสิ้นสุดด้วยปฏิกิริยา เอนไซม์อีกตัวหนึ่งเข้ามาแทนที่
ผลงานที่ก้าวล้ำ
รายการเบนจามิน
Benjamin List ทำงานร่วมกับตัวเร่งปฏิกิริยาแอนติบอดี โดยปกติ แอนติบอดีจะเกาะติดกับไวรัสหรือแบคทีเรียแปลกปลอมในร่างกายของเรา แต่นักวิจัยจาก Scripps ได้ออกแบบใหม่เพื่อให้สามารถกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีแทนได้
ในกระบวนการทำงานกับตัวเร่งปฏิกิริยาแอนติบอดี เบนจามิน ลิสต์เริ่มคิดถึงการทำงานของเอนไซม์ พวกมันมักจะเป็นโมเลกุลขนาดยักษ์ที่สร้างขึ้นจากกรดอะมิโนหลายร้อยชนิด
นอกจากกรดอะมิโนเหล่านี้แล้ว เอนไซม์ในสัดส่วนที่สำคัญยังมีโลหะที่ช่วยขับเคลื่อนกระบวนการทางเคมีอีกด้วย
แต่เอนไซม์หลายชนิดเร่งปฏิกิริยาเคมีโดยไม่ต้องใช้โลหะช่วย นี่คือประเด็นหลัก! ปฏิกิริยาดังกล่าวถูกขับเคลื่อนโดยกรดอะมิโนหนึ่งหรือสองสามตัวในเอนไซม์แทน
คำถามที่ทำให้งงของ Benjamin List คือ กรดอะมิโนเป็นส่วนหนึ่งของเอนไซม์ที่กระตุ้นปฏิกิริยาเคมีหรือไม่? หรือกรดอะมิโนตัวเดียวหรือโมเลกุลง่าย ๆ ที่คล้ายกันสามารถทำหน้าที่เดียวกันได้หรือไม่?
เขารู้ว่ามีการวิจัยตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษ 1970 ที่มีการใช้กรดอะมิโนที่เรียกว่า โพรลีน เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา แต่นั่นเป็นเมื่อกว่า 25 ปีที่แล้ว
การผลิตยา
ตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการวิจัยทางเภสัชกรรม ซึ่งมักต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบอสมมาตร
จนกระทั่งนักเคมีสามารถเร่งปฏิกิริยาแบบอสมมาตร ยาหลายชนิดมีภาพสะท้อนของโมเลกุล หนึ่งในงานเหล่านี้ในขณะที่งานอื่นอาจมีผลที่ไม่พึงประสงค์ในบางครั้ง
ตัวอย่างที่หายนะของเรื่องนี้คือเรื่องอื้อฉาวเกี่ยวกับยาทาลิโดไมด์ในทศวรรษ 1960 ซึ่งภาพสะท้อนในกระจกของยาทาลิโดไมด์ทางเภสัชกรรมทำให้เกิดการผิดรูปอย่างรุนแรงในตัวอ่อนที่กำลังพัฒนาหลายพันตัว
การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ทำให้นักวิจัยสามารถสร้างโมเลกุลอสมมาตรที่แตกต่างกันจำนวนมากด้วยวิธีที่ค่อนข้างง่าย
ตัวอย่างเช่น พวกมันอาจสามารถผลิตสารที่มีฤทธิ์เป็นยาเทียม ซึ่งอาจแยกได้ในปริมาณเล็กน้อยจากพืชหายากหรือสัตว์ทะเลน้ำลึกเท่านั้น
ที่บริษัทยา แนวทางนี้ยังใช้เพื่อเพิ่มความคล่องตัวในการผลิตผลิตภัณฑ์ยาที่มีอยู่
ตัวอย่าง ได้แก่ paroxetine ที่ใช้ในการรักษาความวิตกกังวลและภาวะซึมเศร้า และยาต้านไวรัสoseltamivirที่ใช้ในการรักษาโรคติดเชื้อทางเดินหายใจ
สรุป
ตัวอย่างการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์หลายพันรายการสามารถแสดงไว้ได้ แต่ทำไมไม่มีใครคิดแนวคิดง่ายๆ ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและราคาถูกสำหรับการเร่งปฏิกิริยาแบบอสมมาตรให้เร็วกว่านี้
คำถามนี้มีคำตอบมากมาย หนึ่งคือแนวคิดง่ายๆ มักจะเห็นภาพได้ยากที่สุด มุมมองของเราถูกบดบังด้วยทัศนคติเหมารวมที่รุนแรงเกี่ยวกับวิธีการทำงานของโลก เช่น แนวคิดที่ว่ามีเพียงโลหะหรือเอนไซม์เท่านั้นที่สามารถขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมีได้
Benjamin List และ David MacMillan ประสบความสำเร็จในการเอาชนะแบบแผนเหล่านี้เพื่อค้นหาวิธีแก้ปัญหาที่ชาญฉลาดสำหรับนักเคมีที่มีปัญหาซึ่งต้องดิ้นรนมาหลายทศวรรษ ดังนั้น ตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์กำลังให้ประโยชน์สูงสุดแก่มนุษยชาติในขณะนี้
บทความสิ้นสุดที่นี่ หวังว่ามันจะช่วยคุณได้บ้างในอนาคต ครั้งต่อไปที่มีคนถามเกี่ยวกับหัวข้อนี้ โปรดจำเคมีที่อยู่เบื้องหลังพวกเขา!
