Dos científicos ganaron el Premio Nobel de Química el miércoles por encontrar una forma ingeniosa y ambientalmente más limpia de construir moléculas, un enfoque que ahora se usa para producir una variedad de compuestos. incluidos medicamentos y pesticidas.

El trabajo de Benjamin List y David W.C. MacMillan ha permitido a los científicos producir esas moléculas de forma más económica, eficientemente, de forma segura y con residuos significativamente menos peligrosos.

"Ya está beneficiando enormemente a la humanidad, "dijo Pernilla Wittung-Stafshede, miembro del panel Nobel.

Fue el segundo día consecutivo en que un Nobel premió un trabajo que tenía implicaciones medioambientales. El premio de física honró los desarrollos que ampliaron nuestra comprensión del cambio climático, pocas semanas antes del inicio de las negociaciones climáticas globales en Escocia.

El premio de química se centró en la fabricación de moléculas. Eso requiere unir átomos en arreglos específicos, una tarea a menudo difícil y lenta. Hasta el comienzo del milenio, Los químicos solo tenían dos métodos, o catalizadores, para acelerar el proceso, utilizando enzimas complicadas o catalizadores metálicos.

Todo eso cambió cuando List, del Instituto Max Planck en Alemania, y MacMillan, de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey, informó de forma independiente que se pueden utilizar pequeñas moléculas orgánicas para hacer el trabajo. Las nuevas herramientas han sido importantes para desarrollar medicamentos y minimizar los fallos en la fabricación de medicamentos. incluidos los problemas que pueden causar efectos secundarios nocivos.

Johan Åqvist, presidente del panel Nobel, llamó al método tan "simple como ingenioso".

"El hecho es que muchas personas se han preguntado por qué no lo pensamos antes, "añadió.

MacMillan dijo que ganar el premio lo dejó "aturdido, conmocionado, contento, muy orgulloso."

"Crecí en Escocia, un niño de clase trabajadora. Mi papá es un obrero siderúrgico. Mi mamá fue una ayuda a domicilio. ... Tuve la suerte de tener la oportunidad de venir a Estados Unidos, para hacer mi doctorado, " él dijo.

De hecho, dijo en una conferencia de prensa en Princeton, planeaba seguir a su hermano mayor en física, pero las clases de física en la universidad eran a las 8 a.m.en un aula fría y con goteras en la lluviosa Escocia, mientras que los cursos de química fueron dos horas más tarde en un clima más cálido, espacios más secos. Mientras contaba esa historia, dijo que podía escuchar a su esposa suplicándole que no lo compartiera.

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Dijo que la inspiración para su trabajo ganador del Nobel vino al pensar en el sucio proceso de fabricación de productos químicos, uno que requiere precauciones que comparó con las que se toman en las plantas de energía nuclear.

Si pudiera idear una forma de hacer medicamentos más rápido por medios completamente diferentes que no requirieran tanques de catalizadores metálicos, el proceso sería más seguro tanto para los trabajadores como para el planeta, razonó.

List dijo que inicialmente no sabía que MacMillan estaba trabajando en el mismo tema y pensó que su propia corazonada podría ser simplemente una "idea estúpida", hasta que funcionó. En ese momento eureka, "Sentí que esto podría ser algo grande, ", dijo el hombre de 53 años.

H.N. Cheng, presidente de la American Chemical Society, dijo que los galardonados desarrollaron "nuevas varitas mágicas".

Antes de su trabajo, "los catalizadores estándar que se utilizan con frecuencia son metales, que con frecuencia tienen inconvenientes medioambientales, ", Dijo Cheng." Se acumulan, se filtran, pueden ser peligrosos ".

Los catalizadores en los que MacMillan y List fueron pioneros "son orgánicos, para que se degraden más rápido, y también son más baratos, " él dijo.

El panel Nobel señaló que sus contribuciones facilitaron la producción de medicamentos clave, incluyendo un medicamento antiviral y ansiolítico.

"Una forma de ver su trabajo es como la carpintería molecular, "dijo John Lorsch, director del Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU.

"Han encontrado formas de no solo acelerar la unión química, " él dijo, "pero para asegurarse de que solo vaya en la dirección para diestros o zurdos".

La capacidad de controlar la orientación en la que se agregan nuevos átomos a las moléculas es importante. No hacerlo puede provocar efectos secundarios en los medicamentos, el panel Nobel explicó, citando el catastrófico ejemplo de la talidomida, que causó graves defectos de nacimiento en los niños.

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Desde el descubrimiento de los científicos, la herramienta se ha perfeccionado aún más, haciéndolo mucho más eficiente.

Peter Somfai, otro miembro del comité, destacó la importancia del descubrimiento para la economía mundial.

"Se ha estimado que la catálisis es responsable de aproximadamente el 35% del PIB mundial, que es una figura bastante impresionante, ", dijo." Si tenemos una alternativa más ecológica, se espera que eso marque la diferencia ".

Los NIH apoyaron la investigación de List con una subvención en 2002. El trabajo de MacMillan ha recibido financiación de los NIH desde 2000, por un total de alrededor de $ 14,5 millones hasta la fecha.

"Es un gran ejemplo de apoyo a la ciencia básica que no necesariamente sabe adónde va", pero puede tener un gran impacto, dijo Francis Collins, Director de NIH.

El Nobel viene con una medalla de oro y 10 millones de coronas suecas, , o más de $ 1,14 millones. El dinero proviene de un legado dejado por el creador del premio, Inventor sueco Alfred Nobel, quien murió en 1895.

En los próximos días Se otorgarán premios Nobel de literatura, paz y economía.

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Comunicado de prensa del Comité Nobel:Premio Nobel de Química 2021

La Real Academia Sueca de Ciencias ha decidido otorgar el Premio Nobel de Química 2021 a

Lista de Benjamín
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr, Alemania

David W.C. MacMillan
Universidad de Princeton, Estados Unidos

"para el desarrollo de organocatálisis asimétrica"

Una herramienta ingeniosa para construir moléculas.

Construir moléculas es un arte difícil. Benjamin List y David MacMillan reciben el Premio Nobel de Química 2021 por el desarrollo de una nueva herramienta precisa para la construcción molecular:la organocatálisis. Esto ha tenido un gran impacto en la investigación farmacéutica, y ha hecho que la química sea más ecológica.

Muchas áreas de investigación e industrias dependen de la capacidad de los químicos para construir moléculas que puedan formar materiales elásticos y duraderos. almacenar energía en baterías o inhibir la progresión de enfermedades. Este trabajo requiere catalizadores, que son sustancias que controlan y aceleran las reacciones químicas, sin formar parte del producto final. Por ejemplo, Los catalizadores de los automóviles transforman las sustancias tóxicas de los gases de escape en moléculas inofensivas. Nuestros cuerpos también contienen miles de catalizadores en forma de enzimas, que cincelan las moléculas necesarias para la vida.

Los catalizadores son, por tanto, herramientas fundamentales para los químicos, pero los investigadores creyeron durante mucho tiempo que había, en principio, solo hay dos tipos de catalizadores disponibles:metales y enzimas. Benjamin List y David MacMillan reciben el Premio Nobel de Química 2021 porque en 2000 ellos, independientes unos de otros, desarrolló un tercer tipo de catálisis. Se llama organocatálisis asimétrica y se basa en pequeñas moléculas orgánicas.

"Este concepto de catálisis es tan simple como ingenioso, y el hecho es que muchas personas se han preguntado por qué no lo pensamos antes, "dice Johan Åqvist, quien es presidente del Comité Nobel de Química.

Los catalizadores orgánicos tienen un marco estable de átomos de carbono, a los que se pueden unir grupos químicos más activos. Estos a menudo contienen elementos comunes como oxígeno, nitrógeno, azufre o fósforo. Esto significa que estos catalizadores son tanto ecológicos como económicos de producir.

La rápida expansión en el uso de catalizadores orgánicos se debe principalmente a su capacidad para impulsar la catálisis asimétrica. Cuando se construyen moléculas, A menudo ocurren situaciones en las que se pueden formar dos moléculas diferentes, que, al igual que nuestras manos, son la imagen especular del otro. Los químicos a menudo solo querrán uno de estos, particularmente cuando se producen productos farmacéuticos.

La organocatálisis se ha desarrollado a una velocidad asombrosa desde 2000. Benjamin List y David MacMillan siguen siendo líderes en el campo, y han demostrado que los catalizadores orgánicos se pueden utilizar para impulsar multitud de reacciones químicas. Usando estas reacciones, Los investigadores ahora pueden construir de manera más eficiente cualquier cosa, desde nuevos productos farmacéuticos hasta moléculas que pueden capturar la luz en las células solares. De este modo, Los organocatalizadores están aportando el mayor beneficio a la humanidad.

Información popular

Sus herramientas revolucionaron la construcción de moléculas.

Los químicos pueden crear nuevas moléculas uniendo pequeños componentes químicos, pero controlar las sustancias invisibles para que se unan de la manera deseada es difícil. Benjamin List y David MacMillan reciben el Premio Nobel de Química 2021 por el desarrollo de una nueva e ingeniosa herramienta para la construcción de moléculas:la organocatálisis. Sus usos incluyen la investigación de nuevos productos farmacéuticos y también ha ayudado a que la química sea más ecológica.

Muchas industrias y campos de investigación dependen de la capacidad de los químicos para construir moléculas nuevas y funcionales. Estos podrían ser cualquier cosa, desde sustancias que capturan la luz en las células solares o almacenan energía en las baterías, a moléculas que pueden fabricar zapatillas ligeras para correr o inhibir el progreso de una enfermedad en el cuerpo.

Sin embargo, si comparamos la capacidad de la naturaleza para construir creaciones químicas con la nuestra, Estuvimos atrapados durante mucho tiempo en la Edad de Piedra. Evolution ha producido herramientas increíblemente específicas, enzimas para construir los complejos moleculares que dan vida a sus formas, colores y funciones. Inicialmente, cuando los químicos aislaron estas obras maestras químicas, ellos simplemente los miraron con admiración. Los martillos y cinceles de sus propias cajas de herramientas para la construcción molecular eran contundentes y poco fiables. por lo que a menudo terminaban con muchos subproductos no deseados cuando copiaban los productos de la naturaleza.

Nuevas herramientas para una química más fina

Cada nueva herramienta que los químicos han agregado a su caja de herramientas ha aumentado la precisión de sus construcciones moleculares. Lento pero seguro, La química ha progresado desde el cincelado en piedra hasta algo más parecido a la artesanía fina. Esto ha sido de gran beneficio para la humanidad y varias de estas herramientas han sido premiadas con el Premio Nobel de Química.

El descubrimiento que recibió el Premio Nobel de Química 2021 ha llevado la construcción molecular a un nivel completamente nuevo. No solo ha hecho que la química sea más ecológica, pero también facilitó mucho la producción de moléculas asimétricas. Durante la construcción química a menudo surge una situación en la que se pueden formar dos moléculas, que, al igual que nuestras manos, son la imagen especular del otro. Los químicos a menudo solo quieren una de estas imágenes en espejo, particularmente en la producción de productos farmacéuticos, pero ha sido difícil encontrar métodos eficaces para hacerlo. El concepto desarrollado por Benjamin List y David MacMillan - organocatálisis asimétrica - es tan simple como brillante. El hecho es que muchas personas se han preguntado por qué no lo pensamos antes.

¿Por qué de hecho? This is no easy question to answer, but before we even try we need to take a quick look back at history. We will define the terms catalysis and catalyst, and set the stage for the Nobel Prize in Chemistry 2021.

Catalysts accelerate chemical reactions

In the nineteenth century, when chemists began exploring the ways that different chemicals react with each other, they made some strange discoveries. Por ejemplo, if they put silver in a beaker with hydrogen peroxide (H2O2), the hydrogen peroxide suddenly began to break down into water (H2O) and oxygen (O2). But the silver – which started the process – did not seem affected by the reaction at all. Similar, a substance obtained from sprouting grains could break down starch into glucose.

In 1835, the renowned Swedish chemist Jacob Berzelius started to see a pattern in this. In the Royal Swedish Academy of Sciences' annual report, describing the latest progress in physics and chemistry, he writes about a new "force" that can "generate chemical activity". He listed several examples in which just the presence of a substance started a chemical reaction, stating how this phenomenon appeared to be considerably more common than was previously thought. He believed that the substance had a catalytic force and called the phenomenon itself catalysis.

Catalysts produce plastic, perfume and flavoursome food

A great deal of water has run through chemists' pipettes since Berzelius' time. They have discovered a multitude of catalysts that can break down molecules or join them together. Thanks to these, they can now carve out the thousands of different substances we use in our everyday lives, como productos farmacéuticos, plástica, perfumes and food flavourings. The fact is, it is estimated that 35 per cent of the world's total GDP in some way involves chemical catalysis.

En principio, all catalysts discovered before the year 2000 belonged to one of two groups:they were either metals or enzymes. Metals are often excellent catalysts because they have a special ability to temporarily accommodate electrons or to provide them to other molecules during a chemical process. This helps loosen the bonds between the atoms in a molecule, so bonds that are otherwise strong can be broken and new ones can form.

Sin embargo, one problem with some metal catalysts is that they are very sensitive to oxygen and water so, for these to work, they need an environment free of oxygen and moisture. This is difficult to achieve in large-scale industries. También, many metal catalysts are heavy metals, which can be harmful to the environment.

Life's catalysts work with astounding precision

The second form of catalyst is comprised of the proteins known as enzymes. All living things have thousands of different enzymes that drive the chemical reactions necessary for life. Many enzymes are specialists in asymmetric catalysis and, in principle, always form one mirror image out of the two that are possible. They also work side by side; when one enzyme is finished with a reaction, another one takes over. De este modo, they can build complicated molecules with amazing precision, such as cholesterol, chlorophyll or the toxin called strychnine, which is one of the most complex molecules we know of (we will return to this).

Because enzymes are such efficient catalysts, researchers in the 1990s tried to develop new enzyme variants to drive the chemical reactions needed by humanity. One research group working on this was based at the Scripps Research Institute in southern California and was led by the late Carlos F. Barbas III. Benjamin List had a postdoctoral position in Barbas' research group when the brilliant idea that led to one of the discoveries behind this year's Nobel Prize in Chemistry was born.

Benjamin List thinks outside the box…

Benjamin List worked with catalytic antibodies. Normalmente, antibodies attach to foreign viruses or bacteria in our bodies, but the researchers at Scripps redesigned them so they could drive chemical reactions instead.

During his work with catalytic antibodies, Benjamin List started to think about how enzymes actually work. They are usually huge molecules that are built from hundreds of amino acids. In addition to these amino acids, a significant proportion of enzymes also have metals that help drive chemical processes. But – and this is the point – many enzymes catalyse chemical reactions without the help of metals. Instead, the reactions are driven by one or a few individual amino acids in the enzyme. Benjamin List's out-of-the-box question was:do amino acids have to be part of an enzyme in order to catalyse a chemical reaction? Or could a single amino acid, or other similar simple molecules, do the same job?

…with a revolutionary result

He knew that there was research from the early 1970s where an amino acid called proline had been used as a catalyst – but that was more than 25 years ago. Surely, if proline really had been an effective catalyst, someone would have continued working on it?

This is more or less what Benjamin List thought; he assumed that the reason why no one had continued studying the phenomenon was that it had not worked particularly well. Without any real expectations, he tested whether proline could catalyse an aldol reaction, in which carbon atoms from two different molecules are bonded together. It was a simple attempt that, amazingly, worked straight away.

Benjamin List staked out his future

With his experiments, Benjamin List not only demonstrated that proline is an efficient catalyst, but also that this amino acid can drive asymmetric catalysis. Of the two possible mirror images, it was much more common for one of them to form than the other.

Unlike the researchers who had previously tested proline as a catalyst, Benjamin List understood the enormous potential it could have. Compared to both metals and enzymes, proline is a dream tool for chemists. It is a very simple, cheap and environmentally-friendly molecule. When he published his discovery in February 2000, List described asymmetric catalysis with organic molecules as a new concept with many opportunities:"The design and screening of these catalysts is one of our future aims".

Sin embargo, he was not alone in this. In a laboratory further north in California, David MacMillan was also working towards the same goal.

David MacMillan leaves sensitive metals behind…

Two years previously, David MacMillan had moved from Harvard to UC Berkeley. At Harvard he had worked on improving asymmetric catalysis using metals. This was an area which was attracting a lot of attention from researchers, but David MacMillan noted how the catalysts that were developed were rarely used in industry. He started to think about why, and assumed that the sensitive metals were quite simply too difficult and expensive to use. Achieving the oxygen-free and moisturefree conditions demanded by some metal catalysts is relatively simple in a laboratory, but conducting large-scale industrial manufacturing in such conditions is complicated.

His conclusion was that if the chemical tools he was developing were to be useful, he needed a rethink. Entonces, when he moved to Berkeley, he left the metals behind.

…and develops a simpler form of catalyst

Instead, David MacMillan started to design simple organic molecules which – just like metals – could temporarily provide or accommodate electrons. Aquí, we need to define what organic molecules are – in brief, these are the molecules that build all living things. They have a stable framework of carbon atoms. Active chemical groups are attached to this carbon framework, and they often contain oxygen, nitrogen, sulphur or phosphorus.

Organic molecules thus consist of simple and common elements but, depending on how they are put together, they can have complex properties. David MacMillan's knowledge of chemistry told him that for an organic molecule to catalyse the reaction he was interested in, it needed to be able to form an iminium ion. This contains a nitrogen atom, which has an inherent affinity for electrons.

He selected several organic molecules with the right properties, and then tested their ability to drive a Diels–Alder reaction, which chemists use to build rings of carbon atoms. Just as he had hoped and believed, it worked brilliantly. Some of the organic molecules were also excellent at asymmetric catalysis. Of two possible mirror images, one of them comprised more than 90 per cent of the product.

David MacMillan coins the term organocatalysis

When David MacMillan was ready to publish his results, he realised that the concept for catalysis he had discovered needed a name. The fact was that researchers had previously succeeded in catalysing chemical reactions using small organic molecules, but these were isolated examples and no one had realised that the method could be generalised.

David MacMillan wanted to find a term to describe the method so other researchers would understand that there were more organic catalysts to discover. His choice was organocatalysis.

In January 2000, just before Benjamin List published his discovery, David MacMillan submitted his manuscript for publication in a scientific journal. The introduction states:"Herein, we introduce a new strategy for organocatalysis that we expect will be amenable to a range of asymmetric transformations".

The use of organocatalysis has boomed

Independently of each other, Benjamin List and David MacMillan had discovered an entirely new concept for catalysis. Since 2000, developments in this area can almost be likened to a gold rush, in which List and MacMillan maintain leading positions. They have designed multitudes of cheap and stable organocatalysts, which can be used to drive a huge variety of chemical reactions.

Not only do organocatalysts often consist of simple molecules, in some cases – just like nature's enzymes – they can work on a conveyor belt. Previamente, in chemical production processes it was necessary to isolate and purify each intermediate product, otherwise the volume of byproducts would be too great. This led to some of the substance being lost at every step of a chemical construction.

Organocatalysts are much more forgiving as, relatively often, several steps in a production process can be performed in an unbroken sequence. This is called a cascade reaction, which can considerably reduce waste in chemical manufacturing.

Strychnine synthesis now 7, 000 times more efficient

One example of how organocatalysis has led to more efficient molecular constructions is the synthesis of the natural, and astoundingly complex, strychnine molecule. Many people will recognise strychnine from books by Agatha Christie, queen of the murder mystery. Sin embargo, for chemists, strychnine is like a Rubik's Cube:a challenge that you want to solve in as few steps as possible.

When strychnine was first synthesised, in 1952, it required 29 different chemical reactions and only 0.0009 per cent of the initial material formed strychnine. The rest was wasted.

In 2011, researchers were able to use organocatalysis and a cascade reaction to build strychnine in just 12 steps, and the production process was 7, 000 times more efficient.

Organocatalysis is most important in pharmaceutical production

Organocatalysis has had a significant impact on pharmaceutical research, which frequently requires asymmetric catalysis. Until chemists could conduct asymmetric catalysis, many pharmaceuticals contained both mirror images of a molecule; one of these was active, while the other could sometimes have unwanted effects. A catastrophic example of this was the thalidomide scandal in the 1960s, in which one mirror image of the thalidomide pharmaceutical caused serious deformities in thousands of developing human embryos.

Using organocatalysis, researchers can now make large volumes of different asymmetric molecules relatively simply. Por ejemplo, they can artificially produce potentially curative substances that can otherwise only be isolated in small amounts from rare plants or deep-sea organisms.

At pharmaceutical companies, the method is also used to streamline the production of existing pharmaceuticals. Examples of this include paroxetine, which is used to treat anxiety and depression, and the antiviral medication oseltamivir, which is used to treat respiratory infections.

Simple ideas are often the most difficult to imagine

It is possible to list thousands of examples of how organocatalysis is used – but why did no one come up with this simple, green and cheap concept for asymmetric catalysis earlier? This question has many answers. One is that the simple ideas are often the most difficult to imagine. Our view is obscured by strong preconceptions about how the world should work, such as the idea that only metals or enzymes can drive chemical reactions. Benjamin List and David MacMillan succeeded in seeing past these preconceptions to find an ingenious solution to a problem with which chemists had struggled for decades. Organocatalysts are thus bringing – right now – the greatest benefit to humankind.

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