06.10.2021, 20:45
Новости 6 октября. Нобелевская премия 2021 года по химии присуждена Бенджамину Листу, Институт Макса Планка, Германия и Дэвиду Макмиллану, Принстонский университет, США «за создание ассиметричного органического катализа». Химики Китайской Академии наук получили крахмал из углекислого газа. Химики университета Киото получили пористые наночастицы из углекислого газа.
Строительство молекул. NobelPrize.org
Строить молекулы — трудное искусство. Нобелевские лауреаты Бенджамин Лист и Дэвид Макмиллан владеют им в совершенстве
Как сказано в пресс-релизе Нобелевского комитета, многие области исследований и отраслей зависят от способности химиков конструировать молекулы, которые могут образовывать эластичные и прочные материалы, накапливать энергию в аккумуляторах или замедлять развитие заболеваний. Эта работа требует катализаторов. Это вещества, которые контролируют и ускоряют химические реакции, но в конечный продукт не входят. Например, катализаторы в автомобилях превращают токсичные вещества в выхлопных газах в безвредные. Наш организм также содержит тысячи катализаторов в виде ферментов.
Катализаторы, таким образом, являются фундаментальным инструментом для химиков, но исследователи долгое время считали, что в принципе доступны только два типа катализаторов: металлы и ферменты. Бенджамин Лист и Дэвид Макмиллан удостоены Нобелевской премии по химии 2021 года, потому что в 2000 году они, независимо друг от друга, разработали третий тип катализа. Это — асимметричный органокатализ и основывается на небольших органических молекулах.
Сами ферменты — это большие и сложные соединения, у которых в живом организме много различных функций. Идея нобелевских лауреатов состоит в том, чтобы выделить из фермента только те простые молекулы, которые отвечают за катализ. Одной из таких молекул оказалась аминокислота пролин.
«Эта концепция катализа настолько же проста, насколько и гениальна, и многие люди задавались вопросом, почему мы не подумали об этом раньше», — говорит Йохан Аквист, председатель Нобелевского комитета по химии.
Пролин — один из первых органокатализаторов NobelPrize
Бенджамин Лист обратил внимание на то, что ферменты вовсе не нужны целиком для катализа. И выделил всего одну простую молекулу — пролин. Именно она и оказалась органическим катализатором.
Органокатализ развивается с поразительной скоростью с 2000 года. Бенджамин Лист и Дэвид Макмиллан остаются лидерами в этой области. Они показали, что органические катализаторы могут использоваться для запуска множества химических реакций. Используя эти реакции, исследователи теперь могут более эффективно создавать что угодно, от новых фармацевтических препаратов до молекул, которые могут улавливать свет в солнечных элементах.
Приведем два примера самых последних исследований, где используются идеи нобелевских лауреатов. Оба исследования посвящены переработке углекислого газа.
Химики Китайской академии наук получили крахмал из углекислого газа. Сначала CO2 восстанавливается до метанола с помощью органического катализатора (спасибо, нобелевским лауреатам!). Затем метанол подвергается воздействию синтетических ферментов (над этим лауреаты тоже успешно работали). Ферменты превращают метанол в сахара, из которых и формируется полимерный крахмал. Если все пойдет хорошо и удастся масштабировать процесс, вместо целых полей кукурузы нужен будет небольшой биореактор. А синтетический крахмал ничем не отличается от натурального.
Другая работа выполнена химиками из университета Киото. Они тоже в качестве исходного материала взяли углекислый газ. Его пропустили через раствор с органической молекулой пиперазином. В результате появился белый микрокристаллический порошок. Анализ его структуры показал, что получены наночастицы — так называемые металлоорганические каркасы. Эти наночастицы — устойчивые и пористые, что делает их отличным хранилищем для водородного топлива.
