Nobel z chemii - za ulepszenie syntezy związków węgla

Chemia związków węgla - chemia organiczna - to najobszerniejszy z działów chemii. Dzięki białkom, kwasom nukleinowym, węglowodanom, kwasom tłuszczowym - możliwe jest życie. Związki węgla nadają barwy kwiatom, są składnikami jadu węża i antybiotykami zwalczającymi bakterie. Tworzą ogromne cząsteczki, a całkowita liczba związków organicznych jest trudna do wyobrażenia.

Jednak także zapotrzebowanie na nowe związki węgla wydaje się nieograniczone. Potrzebujemy nowych środków leczących nowotwory, zwalczających wirusy czy bakterie, świecących tworzyw sztucznych, pestycydów chroniących plony. Takie związki można znaleźć w naturze - na przykład morskie gąbki Discodermia zawierają związek o właściwościach przeciwnowotworowych, a jad morskiego ślimaka - stożka uśmierza ból. Problemem pozostaje odtworzenie takich substancji w laboratorium i wytwarzanie ich w przemysłowych ilościach.

Dzięki tegorocznym laureatom chemicy na całym świecie zyskali nowe możliwości zarówno odtwarzania istniejących związków, jak i tworzenia zupełnie nowych.

Cząsteczkom chemicznym stabilność nadaje "szkielet" z połączonych mocnymi wiązaniami atomów węgla. Jednak łączenie poszczególnych atomów węgla nie jest łatwym zadaniem - niechętnie reagują ze sobą. Pierwsze ze stosowanych metod opierały się na zwiększaniu jego reaktywności. Prace nad syntezą cząsteczek organicznych już pięciokrotnie nagradzano Noblem. Tak było z reakcją Grignarda (Nobel 1912), reakcją Dielsa-Aldera (1950), Wittiga (1979) czy wreszcie reakcją metatezy olefin (2005).

Jednak dzięki wcześniej opracowanym reakcjom udawało się otrzymywać tylko proste cząsteczki. Próby syntezy bardziej skomplikowanych związków prowadziły do powstawania zbyt dużych ilości produktów ubocznych.

Rozwiązaniem jest zastosowanie odpowiednich katalizatorów - substancji ułatwiających i przyspieszających reakcje chemiczne. Ich działanie można porównać do relacji międzyludzkich. Jeśli dwie osoby dojeżdżają do pracy tym samym autobusem, po jakimś czasie mogą się poznać - ale może to zabrać całe lata. Gdy spotkają wspólnego znajomego, reakcja przebiega natychmiast.

W przypadku tworzenia wiązań pomiędzy atomami węgla (C-C) rozwiązaniem okazało się wykorzystanie palladu, szlachetnego metalu podobnego do platyny, choć bardziej miękkiego, lżejszego i tańszego od niej. Pallad stosowany jest miedzy innymi jako składnik stopu do wyrobu protez dentystycznych oraz do powlekania srebrnej biżuterii (ponieważ nie ciemnieje). Jednak najważniejszym zastosowaniem okazała się właśnie synteza organiczna.

W latach 50. XX wieku niemiecka firma Wacker zaczęła stosować pallad do katalizy prostej reakcji - przetwarzania etylenu w aldehyd octowy, ważny surowiec do produkcji plastików i farb. Pracujący wówczas dla amerykańskiej firmy chemicznej z Delaware Richard Heck zainteresował się niemieckimi osiągnięciami i wykorzystał pallad do innych syntez - najpierw styrenu, później innych zwiazków. Dziś dzięki reakcji Hecka można produkować na przykład lek przeciwzapalny naproksen czy stosowany w leczeniu astmy - montelukast.

Inne reakcje krzyżowego sprzęgania (cross-coupling) to wykorzystująca właściwości cynku reakcja Negishi i reakcja Suzuki, w której ważną role odgrywa bor. Atom palladu sprawia, że zwykle niechętne połączeniom atomy węgla tworzą trwałą więź. Dzięki takim reakcjom powstają zarówno leki, jak związki ważne dla przemysłu i rolnictwa - jak środek grzybobójczy, którego setki tysięcy ton powstaje we w reakcji Suzuki. Reakcje krzyżowego sprzęgania nie wymagają ekstremalnych warunków i pozwalają na bardzo dużą precyzję.

Wiosną tego roku ogłoszono odkrycie łączące tegoroczną nagrodę Nobla z fizyki z Noblem z chemii. Okazało się, że utworzony z grubej na jeden atom warstwy węgla "arkusz" grafenu domieszkowany palladem można wykorzystać do przeprowadzenia reakcji Suzuki w wodzie.

"Ta nagroda oznacza dla mnie bardzo dużo. Skłamałbym, gdybym powiedział, że nie myślałem o niej. Muszę przyznać, że zacząłem myśleć i marzyć o Noblu pół wieku temu " - powiedział Negishi agencji Reuters.

Z gratulacjami do profesora Akiry Suzuki, drugiego z nagrodzonych Japończyków, zadzwonił premier Japonii Naoto Kan. "Premier powiedział mi, że japońska nauka i technologia jest na najwyższym światowym poziomie co doceniła Komisja Noblowska" - przyznał mieszkający w Sapporo 80-letni Suzuki.