De leden van het Nobelcomité voor Scheikunde maken de prijs bekend met de laureaten op het scherm.
AFP or licensors

Nobelprijs Scheikunde voor  ingenieuze instrumenten om moleculen te bouwen: proline en iminiumionen

De Nobelprijs voor Scheikunde gaat dit jaar naar de Duitse chemicus Benjamin List en de Amerikaan David MacMillan voor het ontwikkelen van een nieuw instrument om moleculen mee te bouwen. Dat heet 'organokatalyse' - organische katalyse - en het is veel efficiënter en groener om er moleculen mee te maken dan de klassieke metaalkatalysatoren of enzymen. Vooral op het onderzoek naar nieuwe geneesmiddelen heeft organische katalyse een enorme impact.  

Veel onderzoeksgebieden en industriële sectoren zijn afhankelijk van het vermogen van scheikundigen om moleculen te bouwen die bijvoorbeeld elastische en duurzame materialen kunnen vormen, energie kunnen opslaan in batterijen of ziekten kunnen tegengaan.

 Daarvoor zijn katalysatoren nodig, stoffen die chemische reacties controleren en versnellen, zonder een deel te worden van het eindproduct. Zo vormen katalysatoren in auto's giftige stoffen in de uitlaat om in onschadelijke moleculen en ons lichaam bevat duizenden katalysatoren in de vorm van enzymen, die de moleculen produceren die we nodig hebben om te leven. 

Onderzoekers hebben lang gedacht dat er maar twee soorten van katalysatoren beschikbaar waren: metalen en enzymen. Onafhankelijk van elkaar ontwikkelden de laureaten Benjamin List en David MacMillan in 2000 een derde soort van katalyse: asymmetrische organokatalyse, met katalysatoren die opgebouwd zijn uit kleine organische moleculen. 

Onze wetenschapsjournalist Koen Wauters legt in "Het journaal" kort uit wat dit instrument precies is:

Videospeler inladen...

Organische katalysatoren hebben een stabiel geraamte van koolstofatomen, waaraan zich meer actieve chemische groepen kunnen vasthechten. Die bevatten vaak veel voorkomende elementen zoals zuurstof, stikstof, zwavel of fosfor. Dat betekent dat deze katalysatoren zowel milieuvriendelijk zijn als goedkoop om te maken.  

Organokatalyse heeft zich zeer snel ontwikkeld. List en MacMillan zijn nog steeds toonaangevend in het vakgebied en hebben getoond dat organische katalysatoren gebruikt kunnen worden om zeer veel chemische reacties aan te sturen. Met deze reacties kunnen onderzoekers nu veel efficiënter moleculen produceren, gaande van nieuwe geneesmiddelen tot moleculen die licht kunnen opvangen in zonnecellen. 

Sommige moleculen zijn spiegelbeelden van elkaar, ze zijn asymmetrisch, en ze kunnen een verschillend effect hebben. Het kan dus zeer belangrijk zijn om enkel de gewenste molecule te hebben en niet het spiegelbeeld. Dit is vooral cruciaal bij het produceren van nieuwe geneesmiddelen. 

De ontdekkingen van de laureaten hebben het creëren van moleculen tot een nieuwe hoogte gebracht, net omdat ze het veel makkelijker gemaakt hebben om asymmetrische moleculen te produceren, zegt het Nobelcomité. Dat heeft vooral op het onderzoek naar nieuwe geneesmiddelen een grote impact. De ontdekkingen hebben scheikunde ook groener gemaakt. 

David MacMillan werkte oorspronkelijk met metaalkatalysatoren die makkelijk vernietigd werden door vocht. Hij vroeg zich af of hij een meer duurzaam soort van katalysator kon ontwikkelen met eenvoudige organische moleculen. Een van die katalysatoren bleek uitstekend te werken voor asymmetrische katalyse, het maken van asymmetrische moleculen. 

De nieuwe katalysatoren zijn dus groener aangezien de metaalkatalysatoren weggegooid worden als ze hun werk gedaan hebben en deze organokatalysatoren opnieuw gebruikt kunnen worden. 

Benjamin List vroeg zich af of het echt nodig was om een heel enzym te gebruiken om een katalysator te verkrijgen. Hij testte of een aminozuur dat proline genoemd wordt als katalysator kon dienen voor chemische reacties en het bleek bijzonder goed te werken. 

"Dit concept voor katalyse is even eenvoudig als het ingenieus is, en het is een feit dat veel mensen zich afgevraagd hebben waarom we er niet eerder aan gedacht hebben", zei Johan Åqvist, de voorzitter van het Nobelcomité voor Scheikunde.

List en MacMillan zijn allebei 53 jaar. Benjamin List werd geboren in Frankfurt en behaalde zijn doctoraat in 1997 aan de Goethe-Universität in Frankfurt. Hij is directeur van het Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr.

David W.C. MacMillan werd geboren in Bellshill in het VK. Hij behaalde zijn doctoraat in 1996 aan de University of California, Irvine. Hij is nu professor aan de Princeton University. Toen hij vernam dat hij de Nobelprijs had gewonnen, dacht hij dat het om een zorgvuldig uitgewerkte grap ging van zijn studenten. Hij geloofde het nieuws pas toen hij zijn foto zag op de website van de New York Times.

De Nobelprijzen in 1 minuut uitgelegd:

Videospeler inladen...

Chiraliteit teweegbrengen

In 'Nieuwe feiten' op Radio 1 heeft Bert Maes, professor bij de onderzoeksgroep Organische Synthese van de Universiteit Antwerpen uitleg gegeven over de ontdekkingen die nu bekroond zijn. 

Katalyse is met een heel kleine hoeveelheid van een verbinding een chemische reactie triggeren, zo zei hij, zodat je andere moleculen op een zeer specifieke manier met elkaar laat reageren. Die verbinding, de katalysator, kan een metaal zijn of een een metaalcomplex, maar het kan ook een organische verbinding zijn en daar gaat het hier om. Met een kleine hoeveelheid van een organische verbinding kan je een specifieke reactie opwekken en zo een specifieke, vaak heel complexe ,moleculen maken. 

Het asymmetrische van de asymmetrische organokatalyse betekent dat je met je organische katalysator chiraliteit gaat opwekken. Moleculen zijn driedimensionaal en sommige moleculen zijn niet hetzelfde als hun spiegelbeeld, zei Maes. Dat noemt men een chirale molecule, en als je door je katalyse uitsluitend of voornamelijk de molecule zelf of uitsluitend of voornamelijk haar spiegelbeeld krijgt als resultaat, noemt men dat chiraliteit opwekken.  

De nieuwe methode is een verbetering omdat de organokatalysatoren vaak goedkope moleculen zijn die uit de natuur komen. De prijs is zeker belangrijk want voor dat soort reacties werden in het verleden vaak heel dure edelmetalen gebruikt, wat maakte dat sommige processen niet haalbaar waren op grote schaal. 

Nu kunnen die heel specifieke, organische reacties met behulp van die goedkope organokatalysatoren opgewekt worden, wat enorm veel toepassingen heeft, vooral in wat men de fijnchemie noemt, bijvoorbeeld de geneesmiddelensector, zei Maes. 

Geneesmiddelen zijn heden ten dage zeer complexe driedimensionale structuren waarvoor heel complexe verbindingen moeten gesynthetiseerd worden, wat een hele uitdaging is. Daar kunnen deze technieken dus een bijdrage aan leveren door er voor te zorgen dat je geen 15 of 20 stappen nodig hebt om die molecule te maken, maar dat je dat op een goedkope, efficiënte manier kunt doen, met een minimaal aantal synthesestappen. 

De organokatalysatoren kunnen ook artificiële stoffen zijn, zei Maes, ze moeten niet natuurlijk zijn, maar de natuur is eigenlijk een bron van chirale verbindingen. Suikers bijvoorbeeld en aminozuren zijn chirale moleculen die de natuur ons levert, en met kleine wijzigingen of zelfs zo op zich, kunnen we die gebruiken als katalysatoren. 

Je kan daar allerlei zaken mee maken, bijvoorbeeld een eenvoudig geneesmiddel als het bekende ibuprofen bevat al een chiraal koolstofatoom. Nu wordt dat geproduceerd met metaalkatalysatoren, dat zou je kunnen maken met organokatalyse, zei Maes. 

De mogelijke toepassingen zijn vooral te vinden bij de fijnchemicaliën, zeer complexe moleculen die chiraliteit bevatten. Geurstoffen bijvoorbeeld, wat ook een belangrijke industrie is, zei Maes, waar ook heel complexe moleculen kunnen inzitten die chiraliteit hebben. 

De nieuwe methode betekent ook een vergroening van de chemie, wat een van de grote uitdagingen is voor de chemische industrie in het algemeen en zeker ook voor de complexe fijnchemie, zei Maes. 

Hoe complexer je synthese, hoe meer stappen er nodig zijn, hoe meer afval je voortbrengt en alles wat je daar efficiënter kan doen, gaat de hoeveelheid afval enorm reduceren, aldus Maes. 

Nu is het vaak zo dat je in de geneesmiddelenproductie 100 kilogram producten nodig hebt om 1 kilogram geneesmiddelen te maken, dus het is duidelijk dat als je daar deze methode gaat toepassen, je de productie efficiënter kan maken en de hoeveelheid afval flink kan verminderen, zo besloot Maes. 

AFP or licensors

Proline en iminiumionen

Scheikundigen kunnen nieuwe moleculen creëren door kleine chemische bouwstenen met elkaar te verbinden, maar het is moeilijk om onzichtbare substanties zo te controleren dat ze zich op de gewenste manier verbinden. Benjamin List en David MacMillan hebben de Nobelprijs voor Chemie gekregen voor hun ontwikkeling van een nieuw en ingenieus werktuig om moleculen te bouwen: organokatalyse. 

Veel industrietakken en onderzoeksvelden zijn afhankelijk van het vermogen van scheikundigen om nieuwe en functionele moleculen te bouwen. Die moleculen kunnen gaan van substanties die licht opvangen in zonnecellen of energie opslaan in batterijen tot moleculen waarvan superlichte loopschoenen gemaakt worden of middelen die de voortgang van ziekten in het lichaam verhinderen. 

Als we echter het vermogen van de natuur om chemische creaties te maken, vergelijken met wat wij kunnen, zijn we lang blijven steken in de Steentijd. De evolutie heeft ongelooflijk specifieke werktuigen voortgebracht, enzymen, om de moleculaire complexen te maken die het leven zijn vormen, kleuren en functies geven. 

Toen scheikundigen voor het eerst die chemische meesterwerken isoleerden, konden ze er enkel vol bewondering naar kijken. En toen ze probeerden die producten van de natuur te kopiëren, bleken de hamers en beitels in hun gereedschapskist voor moleculaire constructie bot en onbetrouwbaar, zodat ze vaak bleven zitten met een massa ongewenste bijproducten.  

De mens is lang in de Steentijd blijven zitten op het gebied van het construeren van complexe moleculen.
© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Nieuwe werktuigen voor fijnere scheikunde

Elk nieuw werktuig dat scheikundigen aan hun gereedschapskist hebben toegevoegd, heeft de precisie van hun moleculaire constructies verbeterd. Traag maar zeker is de scheikunde van hakken in steen geëvolueerd naar iets dat meer lijkt op goed vakmanschap. Dat heeft de mensheid veel voordelen opgeleverd en verschillende van die nieuwe werktuigen zijn beloond met een Nobelprijs voor Scheikunde.

De ontdekking die nu de Nobelprijs heeft gekregen, heeft de constructie van moleculen naar een nieuwe hoogte gebracht. Ze heeft niet alleen de scheikunde groener gemaakt, maar het ook veel gemakkelijker gemaakt om asymmetrische moleculen te produceren. 

Bij chemische constructies ontstaat er vaak een situatie waarin er twee moleculen gevormd kunnen worden, moleculen die elkaars spiegelbeeld zijn, net zoals onze handen. Vaak hebben die verschillende eigenschappen. 

Scheikundigen willen vaak maar een van die twee spiegelbeelden, vooral bij het produceren van geneesmiddelen, maar het is moeilijk gebleken om efficiënte methoden te vinden om dit te verwezenlijken. Het concept dat ontwikkeld is door List en MacMillan - asymmetrische organokatalyse - is even eenvoudig als briljant, aldus het Nobelcomité voor Scheikunde.  

Van veel moleculen bestaan er twee varianten die elkaars spiegelbeeld zijn. Die twee varianten brengen vaak compleet verschillende effecten teweeg in ons lichaam. Zo heeft bijvoorbeeld de S-versie van de limoneen-molecule de geur van citroenen en de R-versie die van sinaasappels.
© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Katalysatoren versnellen chemische reacties

Toen scheikundigen in de 19e eeuw de manieren begonnen te onderzoeken waarop verschillende chemische stoffen met elkaar reageren, deden ze een aantal vreemde ontdekkingen. Als ze bijvoorbeeld zilver in een bekerglas met waterstofperoxide (H2O2) deden, begon die waterstofperoxide plots uiteen te vallen in water (H2O) en zuurstof (O2). Het zilver - dat het proces in gang had gezet - bleek helemaal niet beïnvloed te worden door de reactie. 

In 1835 begon de bekende Zweedse scheikundige Jacob Berzelius daar een patroon in te zien. Hij schreef in een verslag over een nieuwe 'kracht' die 'chemische activiteit kan opwekken' en hij gaf verschillende voorbeelden waarin louter de aanwezigheid van een bepaalde substantie een chemische reactie in gang zette. Volgens hem kwam het fenomeen veel meer voor dan eerder gedacht werd en hij dacht dat de substantie een 'katalytische kracht' had. Het fenomeen zelf noemde hij 'katalyse'.

Katalysatoren produceren plastics, parfums en smakelijk eten

Sinds de tijd van Berzelius hebben scheikundigen een groot aantal katalysatoren ontdekt die moleculen kunnen afbreken of net met elkaar verbinden. Dankzij die katalysatoren kunnen we nu duizenden verschillende substanties produceren die we in ons dagelijks leven gebruiken, zoals geneesmiddelen, plastics, parfums en smaak- en geurstoffen. Er wordt zelfs geschat dat 35 procent van het wereldwijde bruto nationaal inkomen op een of andere manier te maken heeft met katalyse. 

In principe behoren alle katalysatoren die voor 2000 ontdekt zijn tot een van twee groepen: het zijn ofwel metalen ofwel enzymen. Metalen zijn vaak uitstekende katalysatoren omdat ze een speciaal vermogen hebben om tijdelijk elektronen op te nemen of ze af te staan aan andere moleculen tijdens een chemisch proces. Dat helpt om de verbindingen tussen de atomen in een molecule losser te maken, zodat verbindingen die normaal sterk zijn, verbroken kunnen worden en nieuwe verbindingen gevormd kunnen worden. 

Een probleem met een aantal metaal-katalysatoren is echter dat ze zeer gevoelig zijn voor zuurstof en water, zodat ze een omgeving zonder water en zuurstof nodig hebben om te kunnen werken. Op grote, industriële schaal is dat moeilijk te bereiken. Bovendien zijn veel metaal-katalysatoren zware metalen, die schadelijk voor het milieu kunnen zijn. 

Benjamin List was iets aan het eten met zijn vrouw in een restaurant in Amsterdam toen hij het nieuws over zijn Nobelprijs vernam.

De katalysatoren van het leven zijn verbazingwekkend precies

De tweede soort katalysatoren bestaat uit eiwitten die enzymen genoemd worden. Alle levende dingen beschikken over duizenden verschillende enzymen die de chemische reacties aansturen die nodig zijn voor het leven. 

Veel enzymen zijn gespecialiseerd in asymmetrische katalyse en vormen in principe altijd hetzelfde spiegelbeeld uit de twee die mogelijk zijn. Enzymen werken ook zij aan zij: als één enzym klaar is met een reactie, neemt een ander het over. Op die manier kunnen ze met een verbazingwekkende precisie gecompliceerde moleculen bouwen als cholesterol, chlorofyl of het gif strychnine, dat een van de meest complexe moleculen is die we kennen en dat later nog terugkomt. 

Omdat enzymen zulke efficiënte katalysatoren zijn, probeerden onderzoekers in de jaren 90 nieuwe enzym-varianten te ontwikkelen om de chemische reacties aan te sturen die de mensheid nodig had. Een van die onderzoeksgroepen was gebaseerd in het Scripps Research Institute in Californië en stond onder leiding van wijlen Carlos F. Barbas III. Benjamin List was een postdoctoraal onderzoeker in die groep toen het briljante idee het licht zag dat zou leiden tot een van de ontdekkingen die nu een Nobelprijs hebben gekregen. 

Benjamin List denkt out of the box ...

List werkte aan Scripps met katalytische antilichamen. Normaal hechten antilichamen zich aan virussen en bacteriën in ons lichaam, maar de onderzoekers bij Scripps hadden ze aangepast zodat ze in de plaats daarvan chemische reacties konden aansturen. 

Tijdens zijn werk met de antilichamen begon List na te denken over hoe enzymen eigenlijk werken. Meestal zijn enzymen enorme moleculen die bestaan uit honderden aminozuren. Bovenop die aminozuren bevat een aanzienlijk deel van de enzymen ook metalen die chemische processen vooruithelpen. Maar, en dit is belangrijk, veel enzymen katalyseren chemische reacties zonder hulp van die metalen. In de plaats daarvan worden de reacties aangestuurd door een enkel of een paar aminozuren in het enzym. 

De out of the box vraag van List was: moeten aminozuren deel uitmaken van een enzym om een chemische reactie te kunnen katalyseren? Of zou een enkel aminozuur, of een andere, even eenvoudige molecule, hetzelfde werk kunnen doen? 

... met een revolutionair resultaat

List wist dat er onderzoek bestond uit de vroege jaren 70 waarin het aminozuur proline gebruikt was als een katalysator, maar dat was al meer dan 25 jaar geleden. Als proline inderdaad een effectieve katalysator was geweest, zou er toch ongetwijfeld iemand op voortgewerkt hebben? 

List nam aan dat de reden waarom niemand het fenomeen voort bestudeerd had, was dat het niet bijzonder goed gewerkt had. Zonder al te hoge verwachtingen testte hij of proline een aldolreactie kon katalyseren, waarbij koolstofatomen van twee verschillende moleculen samengebonden worden. Het was een eenvoudige poging om proline te testen die, verwonderlijk genoeg, meteen lukte. 

Enzymen bestaan uit honderden aminozuren, maar vaak zijn er slechts enkele daarvan betrokken bij de chemische reactie. List begon zich af te vragen of er echt een heel enzym nodig was om een katalysator te verkrijgen. Hij testte of het aminozuur proline - in al zijn eenvoud - een chemische reactie kon katalyseren. Het werkte fantastisch goed. Proline heeft een stikstofatoom dat elektronen kan opnemen en afstaan tijdens chemische reacties (blauw).
© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

List denkt aan de toekomst

Met zijn experimenten had List niet alleen aangetoond dat proline een efficiënte katalysator is, maar ook dat dit aminozuur asymmetrische katalyse kan aansturen. Het gebeurde immers veel vaker dat een van de twee spiegelbeelden gevormd werd tijdens de reactie dan het andere. 

In tegenstelling tot de onderzoekers die eerder proline getest hadden als katalysator, begreep List het enorme potentieel dat de stof kon hebben. In vergelijking met zowel metalen als enzymen is proline een droom voor scheikundigen. Het is een zeer eenvoudige, goedkope en milieuvriendelijke molecule. 

Toen hij zijn ontdekking publiceerde in februari 2000, beschreef List asymmetrische katalyse met organische moleculen als een nieuw concept dat veel mogelijkheden bood: "Het ontwerpen en screenen van deze katalysatoren is een van mijn toekomstige doelen."

Hij was hier echter niet alleen in.  In een laboratorium verder naar het noorden in Californië was David MacMillan aan het werk met hetzelfde doel voor ogen.  

David MacMillan laat gevoelige metalen achter zich ...

Twee jaar voor de publicatie van List was David MacMillan verhuisd van de Harvard University naar de University of California, Berkeley. In Harvard had hij gewerkt aan het verbeteren van asymmetrische katalysatoren met metalen. Het was een gebied dat in de belangstelling stond van veel onderzoekers, maar MacMillan stelde vast dat de katalysatoren die ontwikkeld werden, slechts zelden gebruikt werden in de industrie. 

Hij begon na te denken over waarom dat zo was, en hij nam aan dat de gevoelige metalen eenvoudigweg te moeilijk en te duur waren om te gebruiken. In een laboratorium is het tamelijk eenvoudig om de zuurstof- en vochtvrije omstandigheiden te creëren die sommige metaalkatalysatoren nodig hebben, maar op grote, industriële schaal in dergelijke omstandigheden producten maken is ingewikkeld. 

Zijn conclusie was dan ook dat als de chemische werktuigen die hij aan het ontwikkelen was, ook nuttig moesten zijn, hij alles moest herdenken. En dus liet hij de metalen achter zich toen hij naar Berkeley verhuisde.

... en ontwikkelt een eenvoudiger soort katalysator

In de plaats van de metaalkatalysatoren begon MacMillan eenvoudige organische moleculen te ontwikkelen die - net zoals metalen - tijdelijk elektronen konden afstaan of opnemen. 

Organische moleculen zijn, kort gezegd, de moleculen waar alle levende dingen uit opgebouwd zijn. Ze hebben een stabiel geraamte van koolstofatomen. Daaraan hebben zich actieve chemische groepen vastgehecht die vaak zuurstof, stikstof, zwavel of fosfor bevatten. 

Organische moleculen bestaan dus uit eenvoudige en algemeen voorkomende elementen, maar ze kunnen complexe eigenschappen hebben, afhankelijk van hoe ze zijn samengesteld. MacMillans kennis van scheikunde zei hem dat een organische molecule in staat zou moeten zijn om een iminiumion te vormen om de reactie te kunnen katalyseren waarin hij geïnteresseerd was.  Zo'n iminiumion bevat een stikstofatoom, dat een inherente affiniteit heeft voor elektronen. 

MacMillan koos verschillende organische moleculen uit met de juiste eigenschappen en testte vervolgens hun vermogen uit om een diels-alderreactie aan te sturen, een reactie die scheikundigen gebruiken om ringen van koolstofatomen te bouwen. Net zoals hij gehoopt en gedacht had, werkte dit enorm goed. Sommige organische moleculen waren ook bijzonder goed in asymmetrische katalyse. Bij een van de moleculen maakte één vorm van de twee mogelijke spiegelbeelden meer dan 90 procent van het eindproduct uit. 

1) David MacMillan werkte met metaalkatalysatoren die gemakkelijk vernietigd werden door vocht.Hij begon zich dan ook af te vragen of et mogelijk was een duurzamer soort van katalysator te ontwikkelen. 2) Hij ontwierp enkele eenvoudige moleculen die iminiumionen konden vormen. Eén daarvan bleek uitstekend voor asymmetrische katalyse. Ze had een grote chemische groep die eraan bijdroeg dat de reactie asymmetrisch was.
© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

MacMillan bedenkt de term organokatalyse

Toen MacMillan klaar was om zijn resultaten te publiceren, realiseerde hij zich dat het concept voor katalyse dat hij ontdekt had, een naam moest krijgen. Er waren al wel onderzoekers eerder in geslaagd om chemische reacties te katalyseren met kleine organische moleculen, maar dat waren geïsoleerde gevallen en niemand had door dat de methode gegeneraliseerd zou kunnen worden. 

MacMillan wou een term vinden om de methode te beschrijven zodat andere onderzoekers zouden begrijpen dat er nog meer organische katalysatoren ontdekt konden worden. Hij koos 'organokatalyse'. 

In januari 2000, net voordat Benjamin List zijn ontdekking publiceerde, diende MacMillan zijn manuscript in voor publicatie in een wetenschappelijk tijdschrift. In de inleiding stond: "Hierin introduceren we een nieuwe strategie voor organokatalyse, waarvan we verwachten dat ze bruikbaar zal zijn voor een reeks van asymmetrische transformaties". 

Het gebruik van organokatalyse neemt een hoge vlucht

List en MacMillan hebben onafhankelijk van elkaar een geheel nieuw concept voor katalyse ontdekt. Sinds 2000 kunnen de ontwikkelingen in het gebied bijna vergeleken worden met een goldrush, waarin de beide laureaten een toonaangevende positie hebben behouden. Ze hebben een groot aantal goedkope en stabiele organokatalysatoren ontworpen die gebruikt kunnen worden om een massa verschillende chemische reacties aan te drijven. 

Niet alleen bestaan organokatalysatoren vaak uit eenvoudige moleculen, in sommige gevallen - net zoals de enzymen in de natuur - kunnen ze werken als een lopende band. Vroeger was het nodig in chemische productieprocessen om elk tussenproduct te isoleren en te zuiveren, omdat anders het volume aan bijproducten te groot zou worden. Dat leidde ertoe dat een deel van de substantie bij elke stap van de chemische productie verloren ging. 

Bij organokatalysatoren is het tamelijk vaak mogelijk verschillende stappen in het productieproces in één doorlopende, ononderbroken reeks uit te voeren. Dat wordt een watervalreactie genoemd en die kan de hoeveelheid afval aanzienlijk verminderen. 

Synthese van strychnine is nu 7000 keer efficiënter

Eén voorbeeld van hoe organokatalyse geleid heeft tot meer efficiënte moleculaire constructie is de synthese van de natuurlijke, en verbijsterend complexe strychninemolecule. Voor scheikundigen is strychnine een soort van Rubiks kubus: een uitdaging die je wil oplossen in zo weinig mogelijk stappen. 

Toen strychnine, dat in de natuur voorkomt in een aantal planten, voral de braaknoot, voor het eerst gesynthetiseerd werd in 1952 waren er 29 verschillende chemische reacties voor nodig en slechts 0,0009 procent van het oorspronkelijke materiaal was uiteindelijk strychnine. De rest was afval. 

in 2011 waren onderzoekers in staat organokatalysatoren en een watervalreactie te gebruiken om strychnine te maken in slechts 12 stappen en de productie was 7000 keer efficiënter. 

Model van een strychninemolecule (C21H22N2O2).

Organokatalyse is het belangrijkst in de farmaceutische productie

Organokatalyse heeft een beduidende impact gehad op het farmaceutisch onderzoek, dat vaak asymmetrische katalyse vereist. 

Tot scheikundigen in staat waren om asymmetrische katalyse uit te voeren, bevatten veel geneesmiddelen de twee spiegelbeelden van een molecule. Een daarvan was het actieve bestanddeel maar de andere vorm kon soms ongewenste effecten veroorzaken. Een rampzalig voorbeeld daarvan is het thalidoideschandaal (Softenon) in de jaren 60, waarbij een spiegelbeeld van het bestanddeel thalidomide ernstige misvormingen veroorzaakt heeft bij duizenden menselijke embryo's. 

Met organokatalyse kunnen onderzoekers nu op een relatief eenvoudige manier grote hoeveelheden aanmaken van verschillende asymmetrische moleculen. Ze kunnen nu bijvoorbeeld kunstmatig potentieel genezende substanties produceren die anders enkel maar in kleine hoeveelheden geïsoleerd zouden kunnen worden uit zeldzame planten of diepzeeorganismen.

Farmaceutische bedrijven gebruiken de methode ook om de productie van bestaande middelen te stroomlijnen. Voorbeelden hiervan zijn parotexine, dat gebruikt wordt om depressie en angstaanvallen te behandelen en het antivirale middel oseltamivir. 

Eenvoudige ideeën zijn vaak het moeilijkst om zich voor te stellen

Het is mogelijk om duizenden voorbeelden te geven van hoe organokatalyse gebruikt wordt - maar waarom heeft er niemand eerder dit eenvoudige, groene en goedkope concept voor asymmetrische katalyse bedacht? 

Op die vraag zijn er veel antwoorden mogelijk. Een ervan is dat eenvoudige ideeën vaak de moeilijkste zijn om zich voor te stellen. Onze zienswijze wordt versluierd door sterke vooropgezette ideeën over hoe de wereld zou moeten werken, zoals het idee dat enkel metalen of enzymen chemische reacties kunnen katalyseren. 

Benjamin List en David MacMillan zijn erin geslaagd om verder te kijken en een ingenieuze oplossing te vinden voor een probleem waar scheikundigen al decennia mee worstelden. Organokatalysatoren bewijzen de mensheid dus - op dit ogenblik - een grote dienst, zo zei het Nobelcomité voor Scheikunde. 

Bron: The Royal Swedish Academy of Sciences.

Meest gelezen