Nauki przyrodnicze [2026-10-12]

Nobel z chemii: mała asymetria, wielki efekt

— Marek Krzemiński

Henri B. Kagan i Kenso Soai zostali uhonorowani tegoroczną Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii. – Pokazali, w jaki sposób w reakcjach asymetrycznych może tworzyć się przewaga jednego ze stereoizomerów produktu, co jest wykorzystywane w produkcji farmaceutycznej czy agrochemicznej – mówi dr hab. Marek Krzemiński, prof. UMK z Katedry Chemii Organicznej.

Podczas omawiania odkrycia Kagana i Soaia konieczne jest wyjaśnienia niektórych pojęć związanych z syntezą asymetryczną. Związki, które mają taki sam wzór sumaryczny, a różnią się budową, nazywamy izomerami. Jeśli mamy związki różniące się położeniem atomów w przestrzeni mówimy o stereoizomerach. Wśród stereoizomerów istnieją pary związków, które nazywamy enancjomerami, są one swoimi odbiciami lustrzanymi. A ich wzajemną relację można porównać do lewej i prawej ręki. Pod względem fizykochemicznym enancjomery są identyczne, różnią się tylko sposobem skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego, dlatego nazywamy je również związkami optycznie czynnymi, mogą być prawo- bądź lewoskrętne. Enancjomery zwykle wykazują zróżnicowane działanie biologiczne, np. (+)-limonen ma zapach cytrusowy (nuty cytryny i pomarańczy), a (–)-limonen pachnie sosnowo (terpentyna).

Większość związków naturalnych to związki optycznie czynne. Pośród grup związków obserwujemy jednokierunkowość, jeśli chodzi o ich budowę, co najłatwiej zauważyć na przykładzie aminokwasów. Wszystkie naturalne aminokwasy (z wyjątkiem glicyny, która jest achiralna) tworzące białka żywych organizmów mają konfigurację L, czyli względem siebie są homochiralne. Z kolei, cukry, np. glukoza, fruktoza czy też ryboza w DNA mają konfigurację D. Od wielu lat naukowcy próbują znaleźć odpowiedź na pytanie: jak powstały lub co było przyczyną powstania na przykład L-aminokwasów? Odkrycia dokonane przez tegorocznych laureatów pokazują prawdopodobne mechanizmy prowadzące do powstania związków chiralnych, które są w dodatku enancjomerycznie czyste.

Efekty nieliniowe Kagana

Jeśli w reakcjach asymetrycznych stosujemy chiralne katalizatory, które z definicji są materiałami przyspieszającymi reakcje, to oczekujemy, że chiralność z katalizatora zostanie przeniesiona do produktu. Dla większości procesów katalitycznych czystość enancjomeryczna produktu jest proporcjonalna do czystości enancjomerycznej zastosowanego katalizatora. Stąd tak ważne jest zastosowanie katalizatora zbudowanego z jednego enancjomeru. Henri Kagan dowiódł, że czystość optyczna produktu nie zawsze jest liniowo zależna od czystości optycznej katalizatora. Jeśli związek nie jest jednym enancjomerem, a mieszaniną równych ilości enancjomerów prawo- i lewoskrętnych, to ta mieszanina nazywana jest racematem i jej skręcalność wynosi zero. Jeśli natomiast jeden z enancjomerów przeważa, to określany jest dla takiego związku nadmiar enancjomeryczny. Jeśli – dla przykładu – związek składa się z 80 proc. enancjomeru prawoskrętnego i 20 proc. enancjomeru lewoskrętnego, to nadmiar enancjomeryczny izomeru prawoskrętnego wynosi 60 proc., ponieważ 20 proc. (–)-izomeru tworzy z 20 proc. (+)-izomeru racemat. Kagan badał właśnie takie katalizatory, w których metal tworzył połączenia ze związkiem będącym mieszaniną enancjomerów. Zakładał, że metal tworzy połączenia z dwiema chiralnymi cząsteczkami, tak więc możliwe były trzy rodzaje kompleksów ((+)-M-(+); (–)-M-(–) i (+)-M-(–)). Okazało się, że kompleksy z takimi samymi enancjomerami katalizują reakcje szybciej niż metal połączony z różnymi enancjomerami. Kagan prowadził reakcje z różnymi kombinacjami enancjomerów w katalizatorze uzyskując nieliniową zależność stosunku enancjomerów w produkcie. Oznaczało to, że odkrył metodę wzmocnienia tworzenia jednego z enancjomerów w produkcie. Swoje przełomowe wyniki opisał w 1986 roku i od tego czasu wielu badaczy zaczęło rozwijać to nowe zjawisko, wśród nich Kenso Soai.

Reakcja Soaia

Kenso Soai badał reakcję asymetryczną o istotnym efekcie nieliniowym. Zbadał struktury katalizatora reakcji i powstałego produktu, i zauważył ich istotne podobieństwa. Wpadł na pomysł, aby zaprojektować reakcję, w której katalizator powstawałby sam w procesie autokatalitycznym z produktu. W 1995 roku opublikował w "Nature" eksperyment, w którym wyszedł od alkoholu z nadmiarem 2 proc. jednego enancjomeru, a otrzymał alkohol o nadmiarze enancjomerycznym 87 proc. Reakcja autokatalitycznie ulegała wzmocnieniu, ale nie osiągnęła wtedy pełnej czystości enancjomerycznej. Dopiero w 2003 roku Soai zaprezentował idealny proces autokatalityczny, w którym udało się uzyskać chiralny produkt z prawie racemicznej mieszaniny związku (ekstremalnie mały nadmiar jednego z enancjomerów). Soai udowodnił, że nawet minimalny nadmiar jednej konfiguracji może wystarczyć, aby przejęła ona kontrolę nad całą reakcją.

Znaczenie odkryć

Badania Kagana i Soaia pokazują, jak istotne znaczenie w przemianach asymetrycznych ma zmiana symetrii, nawet niewielka, może ulec wzmocnieniu i w procesie nieliniowym lub autokatalitycznym dostarczać jeden z enancjomerów.

Z chemicznego punktu widzenia te odkrycia pozwalają projektować bardziej selektywne reakcje, dzięki czemu można uzyskiwać produkty enancjomerycznie czyste, co jest kluczowe przy produkcji leków, aromatów czy agrochemikaliów. Od strony biologicznej, pochodzenia i rozwoju życia na Ziemi, Kagan i Soai dostarczyli prawdopodobne wskazówki pokazujące, jak mogły powstać związki homochiralne, z których zbudowane są organizmy żywe.

Henri B. Kagan urodził się w 1930 roku we Francji. W 1954 ukończył studia na Sorbonie i Ecole Nationals Superleure de Chimie de Paris. Rozprawę doktorską poświęconą modyfikacjom steroidów przygotował pod kierunkiem Jeana Jacques'a w College de France w 1960 roku. Po doktoracie pracował w grupie Alaina Horeau w College de France i rozwijał badania związane ze stereochemią i syntezą asymetryczną. W 1965 roku, w ramach stażu naukowego, prowadził badania w grupie Toma Mabry'ego na University of Texas w Austin. Od 1968 pracował na stanowisku profesora w University of Paris-Sud, następnie od 1973 był profesorem chemii na tej uczelni. Od roku 1999 jest profesorem emerytowanym. Henri Kagan był prekursorem badań dotyczących syntezy i zastosowań kompleksów metali z chiralnymi fosfinami jako katalizatorów do asymetrycznych reakcji uwodornienia, rozwijał wykorzystanie lantanowców w syntezie organicznej. Najbardziej znany jest z zaobserwowania efektów nieliniowych w katalizie asymetrycznej i opisu tych efektów za pomocą modelu matematycznego.

Kenso Soai urodził się w 1950 roku w Japonii. Studiował na University of Tokyo i tam ukończył doktorat w roku 1979 pod kierunkiem Teruakiego Makaiyamy. Następnie odbył staż podoktorski w grupie Ernesta L. Eliela na University of North Carolina w Chapel Hill. W 1981 roku powrócił do Japonii i został wykładowcą na Science University of Tokyo, od 1986 był profesorem tej uczelni, a od 1991 roku profesorem. Od 2016 roku jest profesorem emerytowanym. Jego zainteresowania badawcze obejmowały syntezę enancjoselektywną i diastereoselektywną, projektowanie chiralnych katalizatorów i chemoselektywne redukcje. Najważniejszym osiągnięciem Soaia są badania związane z asymetryczną autokatalizą, reakcjami, w których powstający produkt staje się katalizatorem własnego tworzenia.