Vuoden 2021 kemian nobelistit Benjamin List ja David MacMillan palkittiin uudesta katalyysimenetelmästä, joka viitoittaa tietä vihreämpään tulevaisuuteen.
Jari Koponen
Vuoden 2021 kemian Nobelin palkinto myönnettiin kahdelle tutkijalle, saksalaiselle Benjamin Listille ja skotlantilaissyntyiselle David MacMillanille.
List työskentelee Mülheimissa sijaitsevan Max Planck -instituutin hiilentutkimuslaitoksen johtajana. MacMillan on puolestaan yhdysvaltalaisen Princetonin yliopiston kemian professori.
Palkinnon perusteena on uudenlaisen katalyyttisen menetelmän kehittäminen. Tutkijat tekivät työnsä kumpikin tahollaan toisistaan riippumatta.
Katalyytit ovat työkaluja, joiden avulla erilaisten kemiallisten yhdisteiden valmistus tapahtuu hallitusti, toistettavasti ja ilman epätoivottavia sivutuotteita. Lisäksi katalyytti säilyy toistoprosesseissa muuttumattomana ja toimintakykyisenä.
Kuten monessa muussakin asiassa, luonto on myös katalyyttien luojana ja käyttäjänä mestariluokkaa.
Solujen hyödyntämiä katalyytteja ovat entsyymit, jotka voivat kiihdyttää reaktion nopeuden jopa 1017-kertaiseksi. Meidän jokaisen kehossa toimii tuhansittain näitä tehokkaita supermolekyyliseppiä, joita ilman elämämme olisi mahdotonta.
Kaksi perinteistä menetelmää
Ihmisen käytettävissä on perinteisesti ollut kahta eri tyyppiä katalyytteja, entsyymien lisäksi metalleja.
Metallikatalyytit keksittiin vuonna 1835, kun tunnettu ruotsalainen kemisti Jöns Jacob Berzelius – jolta myös sana katalyytti on peräisin – havaitsi hopean hajottavan vetyperoksidia vedeksi ja hapeksi, vaikka hopea ei näyttänyt osallistuvan prosessiin millään tavalla.
Luonnossa saman hajoamisreaktion hoitaa katalaasi-entsyymi, jonka funktiona on poistaa soluissa syntyviä happiradikaaleja.
Metallien katalyyttiset ominaisuudet ovat seurausta niiden kyvystä sitoa tai luovuttaa elektroneja kemiallisen reaktion aikana, jolloin kohdemolekyylin atomien välisiä sidoksia voidaan heikentää ja siten muodostaa uusia sidoksia.
Metallikatalyyttien huono puoli on se, että ne ovat hyvin herkkiä hapelle ja vedelle. Toimiakseen ne tarvitsevat siis ympäristön, jossa happea tai vettä ei esiinny.
Luonnon entsyymejä ihmiskunta on käyttänyt hyväkseen jo vuosituhansia. Hyviä esimerkkejä ovat viinin, oluen, etikan, leivän ja hapankaalin valmistus.
Vasta vuonna 1833 onnistuttiin eristämään alkoholikäymisen aiheuttava entsyymi eli amylaasi. Ensimmäinen kaupallisesti ja teollisessa mittakaavassa käytetty entsyymi trypsiini otettiin käyttöön vuonna 1914 Saksassa osana ennennäkemättömän tehokkaita pesupulvereita.
Nykyajan teollisuus tarvitsee ja käyttää katalyytteja mitä erilaisimpien tuotteiden valmistuksessa. Niiden avulla tehdään esimerkiksi lääkeaineita, muoveja ja lannoitteita.
Katalyytteja hyödyntää myös jokainen polttomoottoriautoa ajava kansalainen. Auton katalysaattorin sisältämät jalometallit muuttavat pakokaasun myrkyllisiä yhdisteitä harmittomiksi.
Katalyyttien huikeasta merkityksestä ihmiskunnalle kertoo se, että laskelmien mukaan noin 35 prosenttia maailman kokonaisbruttokansantuotteesta liittyy tavalla tai toisella katalyyttien käyttöön.
Kaksi uutta lähestymistapaa
Entsyymit ovat niin tehokkaita työkaluja, että uusia synteettisiä entsyymejä erilaisiin tarpeisiin pyritään kehittämään jatkuvasti lisää.
Entsyymit ovat yleensä suurikokoisia proteiineja, joiden katalyyttinen ominaisuus on keskittynyt proteiinin sisältämiin metalleihin tai yhteen tai muutamaan aminohappoon.
Tuoreen nobelistin Benjamin Listin parikymmentä vuotta sitten tekemä oivallus oli kysyä, vaatiiko katalyysi todella koko proteiinikompleksin. Vai riittäisivätkö tehtävään vain ne tietyt pienet avainaminohapot?
List testasi ajatustaan käyttämällä aminohappo L-proliinia katalysoimaan aldolireaktiota, jossa kahdesta eri molekyylista peräisin olevien hiiliatomien välille syntyy sidos.
Proliini osoittautui kuin osoittautuikin tehokkaaksi katalyytiksi.
Lisäksi selvisi, että proliinia voidaan käyttää asymmetrisenä katalyyttina. Tämä tarkoittaa, että katalyysituotteina syntyvistä kahdesta peilikuvamolekyylista eli enantiomeerista proliini tuottaa huomattavasti enemmän vain toista. Ominaisuudesta on paljon hyötyä.
Kaiken kukkuraksi proliini on yksinkertainen, halpa ja ympäristölle turvallinen molekyyli.
Samaan aikaan toisaalla myös David MacMillan ryhmineen pyrki saamaan aikaan parempia katalyytteja. Hänen lähtökohtansa olivat hieman erilaiset.
MacMillanin tavoitteena oli kehittää yksinkertaisia orgaanisia molekyyleja, jotka voisivat väliaikaisesti luovuttaa ja vastaanottaa elektroneja. Ne siis toimisivat periaatteessa metallikatalyyttien tapaan.
Aiemman tutkimustyönsä ansiosta MacMillan tiesi, että positiivisesti varatulla typpiatomin iminium-ionilla on elektroneja sitova ominaisuus.
Hän ryhtyi siis testaamaan, kuinka tällaiset orgaaniset molekyylit katalysoisivat Diels–Alder-reaktiota, jonka avulla kemistit muodostavat rengasrakenteita.
Osa testatuista molekyyleista osoittautui toimivan erinomaisesti. Yksi niistä toimi asymmetrisissä synteeseissä ja tuotti yli 90 prosentin osuudella vain toista kahdesta enantiomeerista.
Sekä Benjamin List että David MacMillan julkaisivat työnsä tulokset vuonna 2000. Töiden yhteinen nimittäjä oli, että kumpikin loi pohjan uudentyyppiselle menetelmälle, asymmetriselle organokatalyysille, jolle MacMillan antoi omassa julkaisussaan juuri tämän nimen.
Kuinka vuoden 2021 kemian nobelistien keksintöä on tähän mennessä hyödynnetty? Entä mitä on luvassa tulevaisuudessa? Lue numerossa 7/2021 ilmestynyt juttu kokonaisuudessaan täältä.
(Kuva Adobe Stock) Molekyylien ja samalla entistä vihreämpien tuotteiden rakentaminen on nyt aiempaa helpompaa, kiitos vuoden 2021 kemian nobelistien.
