Penjelasan: mengapa organokatalisis asimetris memenangkan hadiah Nobel kimia? | Riset

Penjelasan: mengapa organokatalisis asimetris memenangkan hadiah Nobel kimia?  |  Riset post thumbnail image

Diskon seputar Keluaran SGP 2020 – 2021.

Dalam langkah yang agak tidak terduga oleh komite Nobel, penghargaan kimia tahun ini telah diberikan kepada dua ahli kimia organik yang mengembangkan organokatalisis asimetris lebih dari dua dekade lalu: Benjamin List dari Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Jerman, dan David MacMillan dari Universitas Princeton, AS. Pekerjaan mereka telah menunjukkan bahwa molekul organik kecil sederhana dapat mencocokkan – dan mengalahkan – enzim dan kompleks logam pada permainan mereka sendiri: mengkatalisis reaksi untuk membuat molekul kiral.

MacMillan dan L-proline menggabungkan gif berputar 3D

Mengapa itu menang?

Menurut perkiraan 2015, katalisis menyumbang 35% dari PDB dunia. Katalis telah sangat mengubah pemahaman dan penggunaan kimia kita, yang tercermin dalam fakta bahwa tujuh hadiah Nobel kimia telah diberikan kepada penemuan di lapangan. Yang paling awal pergi ke Wilhelm Ostwald pada tahun 1909, yang merasionalisasi bagaimana katalis meningkatkan laju reaksi kimia tetapi itu sendiri muncul tidak berubah dari reaksi. Baru-baru ini, pada tahun 2010, Richard Heck, Ei-ichi Negishi dan Akira Suzuki mendapat penghargaan atas penemuan mereka tentang kopling silang yang dikatalisis paladium.

Contoh katalis Macmillan dan List

Dalam katalisis, ada penekanan pada tidak hanya membuat reaksi lebih cepat, tetapi juga melakukan reaksi asimetris atau enantioselektif – reaksi yang hanya menghasilkan satu bayangan cermin (enantiomer) dari molekul yang ditangani. Karena molekul biologis tertentu – asam amino dan gula – hanya terjadi sebagai enansiomer tunggal, tubuh kita memiliki kemampuan yang melekat untuk membedakan antara enansiomer. Ini berarti molekul yang sama dapat mencium bau jeruk atau lemon tergantung pada tangannya, dan seringkali hanya satu enansiomer dari molekul obat yang memiliki efek menguntungkan, sedangkan yang lain tidak melakukan apa-apa atau bahkan bisa berbahaya.

Sampai awal abad ke-21, sebagian besar katalis enantioselektif adalah enzim atau senyawa logam. Enzim biasanya tidak dapat dibuat di laboratorium tetapi harus diisolasi dari sumber biologis. Dan sementara mereka bekerja dengan sangat baik di dalam tubuh, mereka tidak melakukannya dengan baik di bawah kondisi kimia sintetis, menjadi tidak aktif oleh panas dan pelarut.

Logam transisi, di sisi lain, adalah katalis yang sangat baik. Tapi sifat mereka bisa membuat mereka bermasalah. Beberapa logam beracun bagi manusia atau lingkungan, jadi mereka biasanya perlu dihilangkan dari senyawa organik apa pun yang telah dibuat dengannya. Dan beberapa logam transisi sangat reaktif sehingga harus dijauhkan dari kelembaban atau udara agar dapat bekerja, yang membuatnya sulit dan mahal untuk digunakan dalam skala besar.

Pemenang tahun ini menunjukkan bahwa bahkan senyawa kiral yang kecil dan sederhana dapat mengkatalisis reaksi yang kompleks – sama baiknya, atau dalam beberapa kasus bahkan lebih baik daripada, enzim atau logam. Organokatalis seringkali murah dan mudah diproduksi, dan berpotensi membuat rute sintetis lebih hijau.

Organocatalysis asimetris adalah ‘alat elegan’ yang ‘lebih sederhana dari yang bisa dibayangkan’, kata anggota komite Nobel Pernilla Wittung-Stafshede. Penemuannya telah memungkinkan ahli kimia untuk memikirkan cara baru dan berbeda dalam menyusun molekul, jelasnya.

Sementara organokatalis digunakan secara luas dalam penelitian dan penemuan, mereka belum menemukan jalan mereka ke dalam produksi skala besar – meskipun itu tidak berarti mereka tidak memiliki kapasitas. Misalnya, rute sintetis industri untuk antivirus oseltamivir memiliki 12 langkah, sedangkan rute organokatalitik alternatif hanya memiliki lima langkah.

Apa yang dilakukan para pemenang?

List dan MacMillan mulai mengeksplorasi menggunakan molekul organik kecil untuk menghasilkan reaksi asimetris pada awal abad ke-21, masa ketika enzim dan katalisis logam diketahui semua ahli kimia. Meskipun ada beberapa contoh awal organokatalisis asimetris, terutama reaksi Hajos–Parrish–Eder–Sauer–Wiechert yang ditemukan pada 1970-an, gagasan tersebut tampaknya tidak mendapatkan banyak daya tarik – mungkin karena mekanismenya masih misterius pada saat itu.

Gambar yang menunjukkan penjelasan untuk prolin

Setelah bekerja merancang ulang antibodi untuk melakukan katalisis kimia, List memutuskan untuk mencoba dan mencari tahu apa yang terjadi ketika biokatalis diurai menjadi bentuk kimia paling dasar. Enzim Aldolase A melakukan reaksi aldol – menggabungkan dua senyawa karbonil untuk membuat ikatan karbon-karbon baru – di dalam tubuh. Tetapi sebenarnya hanya tiga asam amino yang bertanggung jawab atas aktivitas katalitiknya. Pada tahun 2000, List dan timnya menemukan bahwa salah satunya – prolin – dapat dengan sendirinya mengkatalisis reaksi aldol asimetris dengan rasio enansiomer hingga 98:2.

Pada saat yang sama dengan List – meskipun tidak ada yang mengetahui pekerjaan yang lain – MacMillan ingin mengembangkan katalis untuk reaksi Diels–Alder, yang dapat mengatasi kelemahan katalis logam yang sangat sensitif terhadap udara dan kelembaban. Timnya menemukan bahwa fenilalanin yang dimodifikasi dapat mengkatalisis reaksi asimetris antara aldehida tak jenuh ,β dan diena dengan rasio enansiomer hingga 98:2.

Ketika List melakukan eksperimen awalnya, dia berpikir ‘mungkin itu ide yang bodoh, atau seseorang sudah mencobanya’, kenangnya dalam panggilan telepon dengan komite Nobel. ‘Ketika saya melihatnya bekerja, saya merasa itu bisa menjadi sesuatu yang besar.’

Bagaimana cara kerjanya?

Organocatalysts mengikat molekul bereaksi untuk membentuk intermediet berumur pendek yang lebih reaktif daripada molekul substrat sendiri. Menjadi kiral, katalis mentransfer kehandalannya ke substrat, mengendalikan sisi mana dari zat antara yang dapat bereaksi lebih lanjut.

Sebuah gambar yang menunjukkan organocatalyst . MacMillan

Dalam karyanya tahun 2000, List dan timnya menggambarkan prolin sebagai mikro-aldolase, enzim meniru yang menggabungkan pusat nukleofilik (gugus amino) dan ko-katalis asam-basa (gugus asam karboksilat). Dalam reaksi aldol, prolin berikatan dengan keton, membentuk zat antara enamina yang lebih reaktif daripada keton itu sendiri, karena orbital molekul yang terisi tertinggi (HOMO) lebih tinggi energinya. Ketangguhan prolin kemudian menanamkan reaksi dengan asimetri dengan hanya membiarkan aldehida mendekati dalam satu posisi.

Sebaliknya, turunan fenilalanin dari karya MacMillan bereaksi dengan aldehida tak jenuh untuk membentuk ion iminium, yang energi orbital molekul kosongnya lebih rendah daripada aldehida – lagi-lagi membuatnya lebih reaktif. Seperti dalam kasus katalisis enamina List, katalis menempel pada substrat dengan ikatan kovalen reversibel, yang memungkinkannya mentransfer kiralitasnya ke reagen.

Mengapa tidak dikembangkan lebih awal?

Organokatalis achiral telah ada selama berabad-abad, dengan contoh awal berasal dari Justus Liebig, yang pada tahun 1860 melaporkan bahwa asetaldehida mengkatalisis hidrolisis sianogen. Selama abad ke-20, ada beberapa laporan tentang molekul organik yang bertindak sebagai katalis asimetris (dengan berbagai keberhasilan). Tapi mereka terisolasi, contoh aneh. Tidak ada yang berpikir untuk mengembangkan metodologi yang komprehensif atau pemahaman tentang cara kerjanya.

Terkadang, jawaban yang paling jelas dikaburkan oleh prasangka kita tentang bagaimana dunia seharusnya bekerja – dan solusi paling sederhana bisa jadi terlalu jelas, kata Peter Somfai, anggota komite hadiah Nobel. ‘Saya seorang ahli kimia organik, saya bekerja dengan molekul organik kecil setiap hari tetapi saya tidak memikirkannya!’

Apa yang menyebabkan penemuan itu?

Bidang ini telah berkembang jauh sejak awal yang sederhana. Penemuan mengejutkan para pemenang bahwa molekul organik kecil dapat mengkatalisis reaksi enantioselektif kompleks – dan penjelasan sederhana tentang bagaimana mereka melakukan ini – menyebabkan ledakan penelitian di daerah tersebut, kata Somfai. Saat ini, organokatalisis diakui sebagai pilar ketiga dari katalisis asimetris, setelah katalisis enzimatik dan logam transisi. List, MacMillan dan sejumlah ahli kimia yang terinspirasi oleh pekerjaan mereka, menemukan semakin banyak reaksi organokatalitik, termasuk versi organokatalis dari reaksi asimetris klasik, seperti reaksi Mannich, adisi Michael, dan reaksi Friedel-Crafts. Organocatalysis bahkan telah digabungkan dengan sudut hijau kimia lainnya: fotokatalisis.

‘Revolusi nyata dari penemuan kami hanya muncul ke permukaan sekarang dengan katalis yang sangat reaktif yang dapat melakukan hal-hal yang tidak dapat Anda lakukan dengan enzim atau bahkan dengan kompleks logam paling canggih,’ kata List.

Related Post