Катализатор победы: как революция в промышленности принесла химикам Нобелевку

Согласно официальному сообщению Нобелевского комитета, Бенджамин Лист из Германии и Дэвид Макмиллан из США получили премию «за развитие асимметричного органокатализа». За этой сухой формулировкой скрывается технология, перевернувшая химическую и фармацевтическую промышленность.

Быстрая реакция

Скорость реакции важна не только бойцу, но и химику. Именно поэтому таким спросом пользуются катализаторы — вещества, которые ускоряют химическую реакцию, но сами не расходуются в ней. Без них невозможна сама жизнь: практически все биохимические реакции идут с участием белков-катализаторов (так называемых ферментов). Без этих «ускорителей» трудно представить и химическую промышленность. Они применяются в производстве топлива, материалов, лекарств, пищевых добавок, удобрений и т. д. По некоторым оценкам, 35% мирового ВВП так или иначе создаются благодаря химическому катализу.

Вплоть до самого конца XX века химикам было известно только два типа катализаторов — металлы и белки. Однако крупные (сотни и тысячи атомов) и сложно устроенные молекулы белков почти невозможно синтезировать. Выделять же ферменты из живых организмов — крайне дорогое удовольствие. Так что для промышленного использования оставались только металлические катализаторы.

Однако с ними связано несколько проблем. Во-первых, многие из этих металлов драгоценны или экологически небезопасны. Во-вторых, некоторые из них работают лишь в отсутствие влаги и кислорода, а этого трудно добиться при массовом производстве.

Еще одна проблема связана с так называемыми оптическими изомерами. Что это такое? Многие молекулы, особенно органические, имеют сложную и асимметричную пространственную структуру. Они существуют в двух вариантах, являющихся зеркальными отражениями друг друга, словно правая и левая ладонь. Подобные двойники называются оптическими изомерами одного и того же вещества.

Большинство химических реакций, которые можно встретить в неживой природе и технике, не различают «правые» и «левые» молекулы. А вот живые организмы в этом отношении очень избирательны. Биологическое действие одного из двойников может быть совсем непохожим на эффект другого. Так, один из оптических изомеров лимонена имеет запах лимона, а другой — апельсина.

Эта разница может быть далеко не безобидной, как показывает трагическая история талидомида. Этот препарат появился на рынке в 1957 году в качестве успокоительного. Его назначали в том числе беременным женщинам. В результате несколько тысяч детей умерли во время родов или получили тяжелую врожденную инвалидность (в частности, многие родились без рук). Оказалось, что только один из оптических изомеров лекарства обладает терапевтическим действием, а другой вредит развитию плода. По трагической случайности безопасность действующего вещества была исследована только на одном его изомере, а при массовом производстве препарата получались оба. После этого случая правила лицензирования лекарств были пересмотрены.

Неудивительно, что пищевая и фармацевтическая промышленность нуждается в катализаторах, ускоряющих синтез только «правой» или, наоборот, «левой» версии вещества. Однако металлические катализаторы с этим справляются плохо. Ферменты, напротив, отлично умеют различать «зеркальные копии» и ускорять синтез только одного из оптических изомеров.

Третий путь

Неудивительно, что многие химики пытались получить искусственные ферменты, катализирующие нужные реакции. Среди них был и Бенджамин Лист.

Будущий лауреат задумался о том, как вообще работают ферменты. Известно, что многие из них содержат атомы металлов, но другие — нет. Как же происходит «безметаллический» катализ?

Молекула белка — это длинная цепочка, состоящая из звеньев-аминокислот, словно поезд из вагонов. Фермент может состоять из множества аминокислотных звеньев, но, по сути, в процессе участвует лишь небольшой участок молекулы, содержащий несколько аминокислот. Лист задал естественный вопрос: могут ли аминокислоты работать катализаторами, если не входят в состав белка? Может быть, они сохранят это свойство в составе куда более простой молекулы, а то и в чистом виде?

Химик знал, что еще в начале 1970-х годов экспериментаторы пробовали в качестве катализатора аминокислоту пролин. Эти исследования не получили развития, так что будущий лауреат предполагал, что с пролином ничего не получилось. Но на всякий случай он решил попробовать сам. К его удивлению, аминокислота действительно оказалась хорошим катализатором определенных реакций, притом избирательным — из двух оптических изомеров один синтезировался куда чаще другого.

Пролин — это очень дешевое в производстве и экологически чистое вещество. В отличие от своих предшественников Лист сразу понял, какие перспективы сулят такие катализаторы.

В это же время над органическими катализаторами работал и Дэвид Макмиллан. Он стремился создать вещества, которые взаимодействовали бы с электронами так же, как металлические катализаторы. Исследователь пришел к выводу, что для этого соединение должно быть способно образовать ионы иминия. Химик опробовал несколько подходящих веществ, и они действительно сработали. Некоторые молекулы оказались еще и весьма избирательными к оптическим изомерам.

Лист и Макмиллан опубликовали свои результаты практически одновременно, в 2000 году. К слову, именно Макмиллан ввел термин «органокатализ», подчеркивая, что речь может идти не о единичных примерах, а о новом большом классе катализаторов.

Он оказался абсолютно прав: поиск и внедрение новых органокатализаторов успешно идет до сих пор. Но Лист и Макмиллан остаются лидерами в этой области. Они разработали множество соединений, ускоряющих многие важные реакции.

Органические катализаторы лишены недостатков металлических. Многие из них дешевы, нетоксичны, прекрасно работают в присутствии кислорода и воды и различают оптические изомеры. Последнее свойство особо подчеркнуто в официальной формулировке: премия присуждена «за развитие асимметричного органокатализа».

У органических катализаторов есть и еще одно преимущество, присущее ферментам, но не металлам. Зачастую можно поместить в реактор несколько органокатализаторов с тем, чтобы один из них ускорял первый этап химического процесса, другой — второй этап и так далее (это так называемые каскадные реакции). С металлическими катализаторами так не получается: после каждого этапа приходится извлекать и очищать продукт промежуточной реакции, что дорого и ведет к образованию дополнительных отходов.

Преимущества органокатализа можно продемонстрировать на примере синтеза стрихнина (этот опасный яд иногда применяется для борьбы с грызунами). Природный источник стрихнина — экзотическое растение, что делает препарат весьма дорогим. Разумеется, химики много работали над синтезом стрихнина. Впервые он удался в 1952 году. При этом использовалось 29 химических реакций, и лишь 0,0009% исходных реагентов превратились в стрихнин, остальные стали отходами. В 2011 году синтез стрихнина повторили с помощью органокатализаторов и каскадных реакций. При этом потребовалось всего 12 шагов, и процесс стал в 7000 раз эффективнее.

Но, конечно, это лишь отдельный пример. Сегодня органические катализаторы используются в производстве многих тысяч веществ, а в будущем они наверняка будут применяться еще шире.