Новини

Всього : Фотографія :

Триває Нобелівський тиждень КНУ.

7 жовтня Шведська королівська академія наук назвала імена лавреатів Нобелівської премії з хімії 2026 року. Цього року нагороду отримають Анрі Каган і Кенсо Соаі «за відкриття нелінійних ефектів та автокаталізу в асиметричному органічному синтезі».

Анрі Каган відкрив новий спосіб маніпулювання хімічними реакціями, що дозволило створити більший надлишок одного з дзеркальних відображень, ніж вважалося раніше. Його відкриття стало революційним для хіміків, які розробляють реакції для виробництва фармацевтичних препаратів, ароматизаторів, ароматизаторів та нових матеріалів.

Кенсо Соаї розробив першу хімічну реакцію, в якій утворилося лише одне з потенційних дзеркальних відображень. Окрім самого життя, ніхто ніколи не досяг такого подвигу. Реакція Соаї є одним з найвидовищніших хімічних експериментів, які коли-небудь проводилися.

Про рішення Нобелівського комітету розповідають доктор хімічних наук, професор кафедри супрамолекулярної хімії ННІ високих технологій Ігор Комаров та доцент кафедри органічної хімії Хімічного факультету КНУ Мар’ян Горічко.

«Багатьом це рішення Нобелівського комітету може здатися дивним, – зауважує професор Ігор Комаров. – Знову асиметричний каталіз? Та скільки ж можна давати Нобеля за роботи в цій галузі!» – чув я навіть такий коментар від свого колеги. Так, так, ця галузь науки була вже не раз відмічена цією високою нагородою. Мабуть, всі пам’ятають, що зовсім недавно, у 2021 році, хіміки Бенджамін Ліст (Benjamin List) і Девід Мак Міллан (David MacMillan) отримали Нобелівську премію за «розвиток асиметричного органокаталізу». А вперше за розробку методів каталітичного асиметричного синтезу органічних сполук Нобелівську премію поділили між собою Вільям Ноулз (William S. Knowles), Рьодзі Нойорі та Баррі Шарплесс (K. Barry Sharpless), це було у 2001 році. До речі, Рьодзі Нойорі відвідав Київ у 2013 році на запрошення Національної академії наук України, виступав з лекцією в Актовій залі Президії НАНУ. Завітав він і до Київського національного університету імені Тараса Шевченка, зустрівся зі співробітниками і студентами. Саме професору Нойорі належить ідея використання каталізаторів для асиметричного синтезу. Він вперше запропонував гіпотезу, що для цього можуть бути використані комплекси металів, і продемонстрував експериментально справедливість своєї гіпотези у 1966 році. Баррі Шарплесс та Вільям Ноулз розширили його ідею, довели її до практичного використання в індустрії».

На думку Ігоря Комарова, той факт, що асиметричний каталіз так часто опиняється в центрі уваги Нобелівського комітету, красномовно свідчить про важливість цієї галузі для розвитку науки й індустрії. Каталізатори прискорюють хімічні процеси, тому їх використання у лабораторній практиці, в промислових процесах є вигідним з точки зору економії часу і ресурсів. Асиметричний каталіз – це ще й синтез особливих сполук, молекули яких можуть існувати у двох просторових формах, які відрізняються лише тим, що є дзеркальним відображенням одне одної. Такі просторові форми називаються дзеркальними ізомерами, або енантіомерами. Для молекул, дзеркальні ізомери яких не є ідентичними, тобто, які не можна сумістити в просторі, вчені запровадили термін «хіральні молекули», щоб підкреслити їх особливу просторову будову. «Отримання чистих енантіомерів вкрай важливо для синтезу лікарських препаратів, – наголошує професор, – адже більшість з них є хіральними, і бажану біологічну активність проявляють лише їх певні ізомери. У переважній більшості хімічних реакцій, у тому числі каталітичних, енантіомери утворюються в рівній кількості». Відкриті хіміками Нойорі, Ноулзом і Шарплессом асиметричні каталітичні перетворення приводять до синтезу переважно тільки одного енантіомеру; при цьому важливо, щоб каталізатори – комплекси металів – теж були хіральними. Наприклад, в реакціях каталітичного асиметричного гідрування ненасичених попередників амінокислот в присутності хіральних комплексів родію утворюються лише певні енантіомери амінокислот. Про такі реакції Вільям Ноулз повідомив у своїх статтях в кінці 1960-х – на початку 1970-х років. Тоді ж свої піонерські дослідження в галузі каталітичного асиметричного гідрування опублікував і Анрі Каган. Він використав для каталізу сполуки родію з похідними винної кислоти, і саме він досягнув високої чистоти отриманих хіральних сполук.

Професор Комаров розповідає, що піонерські роботи спричинили лавиноподібний ріст активності хіміків – десятки наукових колективів змагалися, хто розробить ефективніші каталізатори, продукти реакцій за участю яких будуть найчистішими. «До цього своєрідного «спортивного» змагання долучилася й наукова група хімічного факультету нашого університету під моїм керівництвом. Разом з колегами з Інституту Каталізу м. Росток (Німеччина) ми розробили каталізатори, які є одними з найефективніших з відомих наразі, вони використовуються в лабораторіях і навіть в промислових процесах синтезу лікарських засобів. Я пишаюся досягненнями своїх учнів, зокрема, Віталія Біленка, який нещодавно захистив свою дисертаційну роботу. Пам’ятаю, як ми з Віталієм розчарувалися. коли дізналися восени 2001 року, що професора Кагана не було серед Нобелівських лауреатів… Він же був піонером у цій галузі! Не будемо піддівати сумніву рішення Нобелівського комітету. Врешті-решт, Анрі Каган все-таки отримав високу нагороду».

Ігор Комаров відзначає вагомість відкриття вчених, відзначених премією: «вони відкрили такі каталітичні процеси, де енантіомерна чистота продукту реакції перевищує енантіомерну чистоту хірального каталізатора чи реагентів, тобто, може відбуватися підвищення (ампліфікація) чистоти. Нагадаю, що енантіомерна чистота хіральних сполук є вкрай важливою, особливо для лікарських засобів, де домішка небажаного енантіомеру може спричинити побічні ефекти. Тому практичне значення відкриттів Кагана і Соаї важко переоцінити. Та більш вражаючим, на мій погляд, є те, що роботи цих вчених проливають світло на можливі механізми появи енантіомерно чистих сполук у природі. До їхніх відкриттів існував парадокс: якщо первинна хімічна суміш на Землі була симетричною (тобто, містила 50/50 енантіомерних молекул – таку суміш називають рацематом), то звичайні хімічні реакції мали б продукувати таку ж рівну суміш. Однак відомо, що всі живі організми на Землі побудовані переважно з хіральних молекул лише певних енантіомерних форм. Еволюційна перевага цього очевидна, але як саме вперше утворились нерацемічні суміші? Саме нелінійні каталітичні процеси, відкриті Каганом та енантіомерна ампліфікація, досліджена Соаї, можуть пояснити цей парадокс. Особливо революційними в розумінні механізмів появи енантіомерно чистих сполук у природі є досягнення Соаї. У реакції, що носить його ім’я, продукт є каталізатором, тому каталіз, і відповідно, синтез певного енантіомеру можуть при цьому різко прискоритися, відбуватиметься аутокаталітичний процес. Проведемо аналогію з прискореним рухом крапель води, що капають з погано закритого крану. Відстань між краплями в процесі падіння збільшується, - саме так може збільшитися різниця вмісту двох енантіомерів в продукті аутокаталітичної реакції. В одному з варіантів своєї реакції Соаї збільшив енантіомерну чистоту з приблизно 0.00005% надлишку одного енантіомеру до ~99.2%! Саме так з (майже) рацемату на Землі могли утворитися чисті енантіомери мільярди років тому…»

Мар’ян Горічко вважає фундаментальне відкриття нелінійних ефектів та процесів автокаталізу в асиметричному органічному синтезі стало одним із найважливіших проривів у сучасній хімічній науці. «Воно не лише дало відповіді на глибокі теоретичні питання про походження життя, але й заклало технологічний фундамент для розвитку сучасної фармакології, матеріалознавства та екологічно чистого промислового виробництва». Щоб повною мірою осягнути масштаб цього досягнення, вчений пропонує розглянути його значення у кількох взаємопов'язаних вимірах: від фундаментальної біології до прикладних інженерних рішень.

Вирішення фундаментальної загадки живої природи: походження гомохіральності

Однією з найбільших таємниць природознавства тривалий час залишалася так звана гомохіральність – явище, за якого всі живі організми на Землі використовують лише один із двох можливих дзеркальних варіантів оптично активних молекул. Наприклад, усі амінокислоти, що входять до складу білків, є «лівозакрученими» (L-формами), а цукри в молекулах ДНК та РНК – «правозакрученими» (D-формами). У звичайних хімічних реакціях, що відбуваються в неживій природі, завжди утворюється рівна суміш обох форм, яку називають рацематом. Поставало питання: як саме первісний хімічний «бульйон» зміг зробити вибір на користь лише однієї просторової конфігурації.

Відкриття Кенсо Соаї та Анрі Кагана продемонструвало хімічний механізм, за допомогою якого мінімальний, майже непомітний початковий дисбаланс між дзеркальними формами може самостійно посилюватися до абсолютного домінування однієї з них. Завдяки явищам нелінійності та автокаталізу, молекули певного дзеркального типу починають виступати каталізаторами для створення самих себе, одночасно пригнічуючи формування свого дзеркального антипода. Цей процес подібний до лавиноподібного ефекту. Хімікам вдалося довести, що виникнення оптично чистого середовища, необхідного для зародження живих систем, є не випадковим збігом обставин, а природним і математично неминучим результатом еволюції складних хімічних систем.

Революція у фармацевтичній індустрії та безпеці пацієнтів

У практичній площині це відкриття має колосальне значення для медицини та фармації. Більшість сучасних лікарських засобів складаються зі складних органічних молекул, які мають дзеркальних двійників (енантіомерів). Проте людський організм, будучи гомохіральним середовищем, реагує на ці форми абсолютно по-різному. У той час як один енантіомер забезпечує лікувальний ефект, інший може виявитися марним або, що набагато гірше, смертельно токсичним.

Найвідомішим і найтрагічнішим прикладом ігнорування хіральності в історії медицини стала талідомідова катастрофа в середині XX століття. Препарат талідомід продавався як безпечне заспокійливе для вагітних жінок, оскільки один із його енантіомерів дійсно мав потрібні терапевтичні властивості. Проте інша дзеркальна форма викликала важкі порушення розвитку плоду, що призвело до народження тисяч дітей із вродженими вадами.

Роботи лавреатів дозволили розробити інструменти для точного контролю над просторовою структурою молекул під час хімічного синтезу. Використання нелінійних ефектів та автокаталізу дає змогу вибірково синтезувати виключно корисний енантіомер, повністю виключаючи появу небезпечного «двійника». Це підняло безпеку лікарських засобів на принципово новий рівень та дозволило створити високоефективні препарати для боротьби з онкологічними, серцево-судинними та інфекційними захворюваннями.

Економічний ефект та розвиток «зеленої хімії»

До впровадження методів ефективного асиметричного синтезу хімічна промисловість здебільшого виробляла рацемати – суміші 50 на 50. Після цього підприємства змушені були застосовувати дорогі, тривалі та енергоємні процеси розділення дзеркальних форм, під час яких половина вихідної сировини (непотрібний енантіомер) просто викидалася у відходи.

Завдяки концепції автокаталізу хімічне виробництво стало значно ефективнішим. Оскільки продукт реакції сам стимулює своє подальше утворення, потреба у великій кількості дорогих та часто токсичних зовнішніх каталізаторів, що містять рідкісні метали, мінімізувалася. Процес синтезу відбувається за принципом «саморозмноження» потрібної молекули з мінімальними витратами енергії. Це не лише знизило собівартість виробництва медикаментів та агрохімікатів (наприклад, безпечних пестицидів), але й суттєво зменшило екологічне навантаження на довкілля, що повністю відповідає принципам «зеленої хімії».

Нові горизонти в матеріалознавстві та нанотехнологіях

Окрім біології та медицини, відкриття нелінійних ефектів відкрило шлях до створення «розумних» матеріалів із унікальними оптичними та фізичними властивостями. Хіральність відіграє важливу роль у функціонуванні рідких кристалів, які використовуються в дисплеях, а також у створенні наноструктур для оптоелектроніки.

Можливість керувати просторовою орієнтацією молекул на мікрорівні дозволяє розробляти нові типи полімерів із підвищеною міцністю, специфічною провідністю або здатністю реагувати на зовнішні подразники. Масштабування автокаталітичних реакцій дає змогу створювати молекулярні машини та сенсори, здатні самостійно збиратися в задані структури.

Таким чином, значення цього відкриття виходить далеко за межі суто академічного інтересу. Воно поєднало фундаментальну теорію еволюції матерії з практичними інструментами, які щодня рятують людські життя, оптимізують світову економіку та відкривають двері до технологій майбутнього.

Нобелівський тиждень у КНУ – це серія коментарів КНУ-експертів про цьогорічні премії з фізіології або медицини, фізики, хімії, літератури, миру та економіки.

Ілюстрації: Олена Лисак, Центр комунікацій КНУ; Нобелівський комітет

Центр комунікацій