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Idea simple que catalizó reacciones de cambio de juego

by notiulti

“Las ideas simples son a menudo las más difíciles de imaginar”, dijo el comité del Premio Nobel al honrar a Benjamin List y David MacMillan con el Nobel de Química de este año.

La simple idea que se les ocurrió a List y MacMillan, trabajando de forma independiente, fue buscar nuevos catalizadores, las sustancias utilizadas para acelerar las reacciones químicas, cuando la mayoría creía que estaban atrapados en un conjunto existente, algo ineficiente.

Los nuevos catalizadores, derivados de sustancias químicas de origen natural, eran más ecológicos y económicos, y aseguraban que el producto final de la reacción química fuera de una variedad específica, y no necesitaban pasar por un proceso de purificación para producir el tipo de compuesto deseado.

“El descubrimiento que recibió el Premio Nobel de Química 2021 ha llevado la construcción molecular a un nivel completamente nuevo”, dijo el comité del Nobel. “Sus usos incluyen la investigación de nuevos productos farmacéuticos y también ha ayudado a que la química sea más ecológica”.

Catalizadores

Cuando dos o más compuestos reaccionan para formar nuevos compuestos, el proceso suele ser ayudado por otros químicos que no cambian por sí mismos, pero ayudan a acelerar la reacción. Estos catalizadores se conocen al menos desde mediados del siglo XIX y se utilizan en prácticamente todos los procesos químicos en la actualidad.

Hasta alrededor del año 2000, sólo se conocían dos tipos de productos químicos que actuaban como catalizadores efectivos: metales, principalmente metales más pesados; y enzimas, moléculas pesadas de origen natural que facilitan todos los procesos bioquímicos que sustentan la vida. Ambos conjuntos de catalizadores tenían limitaciones.

Los metales más pesados ​​son caros, difíciles de extraer y tóxicos para los seres humanos y el medio ambiente. A pesar de los mejores procesos, las trazas permanecieron en el producto final; esto planteaba problemas en situaciones en las que se requerían compuestos de muy alta pureza, como en la fabricación de medicamentos. Además, los metales requerían un entorno libre de agua y oxígeno, que era difícil de garantizar a escala industrial.

Las enzimas, por otro lado, funcionan mejor cuando se usa agua como medio para la reacción química. Pero ese no es un entorno adecuado para todo tipo de reacciones químicas.

Organo-catálisis

List y MacMillan, ambos de 53 años, comenzaron a experimentar con compuestos orgánicos simples. Los compuestos orgánicos son en su mayoría sustancias de origen natural, construidas alrededor de una estructura de átomos de carbono y que generalmente contienen hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre o fósforo. Los productos químicos que sustentan la vida, como las proteínas, que son largas cadenas de aminoácidos (compuestos de carbono que contienen nitrógeno y oxígeno), son orgánicos. Las enzimas también son proteínas y, por tanto, compuestos orgánicos.

List y MacMillan conocían investigaciones anteriores de la década de 1970, en las que un aminoácido llamado prolina se usaba como catalizador en algunas reacciones específicas. Pero su papel no se exploró completamente. Comenzaron a trabajar con aminoácidos individuales en enzimas y encontraron oro.

Catálisis asimétrica

Los aminoácidos individuales tenían una ventaja adicional: aseguraban que solo se obtuviera una variedad del producto final en la reacción.

Las sustancias pueden tener exactamente la misma composición química y fórmula molecular; sin embargo, difieren ampliamente en sus propiedades. Se les conoce como isómeros. Un tipo de isómeros son los que difieren en la forma en que se orientan los átomos individuales en el espacio tridimensional. Dos moléculas podrían ser exactamente iguales, excepto que son imágenes especulares entre sí, como nuestras manos. Para simplificar, los científicos a menudo se refieren a estas moléculas como zurdos o diestros. Esta simple diferencia a veces puede tener enormes consecuencias, porque permite que las moléculas se unan en diferentes lugares cuando interactúan con otras moléculas.

El producto final de una reacción química suele ser una mezcla de moléculas para diestros y zurdos. Las reacciones químicas normales que se llevan a cabo en los laboratorios no son selectivas a este respecto. Pero la naturaleza lo es. Debido a que las imágenes en espejo pueden tener propiedades muy diferentes, los procesos naturales son extremadamente selectivos y precisos. Producen una molécula para zurdos o para diestros.

List y MacMillan descubrieron que al usar un compuesto natural como un aminoácido como catalizador, obtenían solo una imagen especular especular del producto final. Esto más tarde se denominó catálisis asimétrica.

“List y MacMillan idearon un cambio de juego absoluto. El campo de los organocatalizadores, un nombre que MacMillan utilizó más tarde para describir estos nuevos conjuntos de catalizadores, se ha disparado en las últimas dos décadas. Descubrieron una herramienta simple e ingeniosa, pero su impacto ha sido enorme, principalmente en la industria farmacéutica, pero también en varios otros lugares ”, dijo el profesor RG Bhat del Instituto Indio de Educación e Investigación Científica en Pune, que trabaja con organocatalizadores. él mismo.

El Dr. S Chandrashekhar, director del Instituto Indio de Tecnología Química con sede en Hyderabad, dijo que la gran importancia del trabajo fue que hizo que los procesos fueran mucho más seguros y sostenibles que antes.

“También estoy muy feliz de notar que el comité Nobel seleccionó un gran avance en química pura esta vez. En el pasado, el Nobel de Química a menudo reconoció trabajos que esencialmente pertenecían al ámbito de la biología ”, dijo.

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