Due scienziati hanno vinto il premio Nobel per la chimica mercoledì per aver trovato un modo ingegnoso e rispettoso dell'ambiente per costruire molecole, un approccio ora utilizzato per produrre una varietà di composti, compresi medicinali e pesticidi.

Il lavoro di Benjamin List e David W.C. MacMillan ha permesso agli scienziati di produrre quelle molecole in modo più economico, efficiente, in modo sicuro e con rifiuti significativamente meno pericolosi.

"Sta già avvantaggiando notevolmente l'umanità, " disse Pernilla Wittung-Stafshede, un membro della giuria del Nobel.

È stato il secondo giorno consecutivo che un Nobel ha premiato il lavoro che ha avuto implicazioni ambientali. Il premio per la fisica ha premiato gli sviluppi che hanno ampliato la nostra comprensione del cambiamento climatico, poche settimane prima dell'inizio dei negoziati globali sul clima in Scozia.

Il premio per la chimica si è concentrato sulla creazione di molecole. Ciò richiede di collegare gli atomi insieme in disposizioni specifiche, un compito spesso difficile e lento. Fino all'inizio del millennio, i chimici avevano solo due metodi, o catalizzatori, per accelerare il processo, utilizzando enzimi complicati o catalizzatori metallici.

Tutto è cambiato quando List, dell'Istituto Max Planck in Germania, e Mac Millan, della Princeton University nel New Jersey, hanno riferito indipendentemente che piccole molecole organiche possono essere utilizzate per svolgere il lavoro. I nuovi strumenti sono stati importanti per lo sviluppo di farmaci e per ridurre al minimo i problemi di produzione dei farmaci, compresi i problemi che possono causare effetti collaterali dannosi.

Johan Åqvist, presidente della giuria del Nobel, chiamato il metodo "semplice quanto geniale".

"Il fatto è che molte persone si sono chiesti perché non ci abbiamo pensato prima, " Ha aggiunto.

MacMillan ha detto che vincere il premio lo ha lasciato "stordito, scioccato, Felice, molto orgoglioso."

"Sono cresciuto in Scozia, un ragazzo della classe operaia. Mio padre è un metalmeccanico. Mia madre era una collaboratrice domestica. … Ho avuto la fortuna di avere la possibilità di venire in America, per fare il mio dottorato di ricerca, " Egli ha detto.

Infatti, ha detto in una conferenza stampa a Princeton, stava progettando di seguire suo fratello maggiore in fisica, ma le lezioni di fisica al college erano alle 8 del mattino in un'aula fredda e piovosa nella piovosa Scozia, mentre i corsi di chimica erano due ore dopo al caldo, spazi più asciutti. Mentre raccontava quella storia, ha detto che poteva sentire sua moglie che lo implorava di non condividerlo.

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Ha detto che l'ispirazione per il suo lavoro da premio Nobel è arrivata pensando allo sporco processo di produzione di sostanze chimiche, uno che richiede precauzioni che ha paragonato a quelle prese nelle centrali nucleari.

Se fosse riuscito a escogitare un modo per rendere le medicine più veloci con mezzi completamente diversi che non richiedessero vasche di catalizzatori metallici, il processo sarebbe più sicuro sia per i lavoratori che per il pianeta, ha ragionato.

List ha detto che inizialmente non sapeva che MacMillan stesse lavorando sullo stesso argomento e immaginava che la sua impressione potesse essere solo una "idea stupida", finché non ha funzionato. In quel momento eureka, "Ho sentito che questo potrebbe essere qualcosa di grande, ", ha detto il 53enne.

HN Cheng, presidente dell'American Chemical Society, ha detto che i vincitori hanno sviluppato "nuove bacchette magiche".

Prima del loro lavoro, "i catalizzatori standard usati frequentemente erano metalli, che spesso hanno svantaggi ambientali, " Cheng ha detto. "Si accumulano, essi lisciviano, possono essere pericolosi".

I catalizzatori che MacMillan e List sono stati pionieri "sono organici, così si degraderanno più velocemente, e sono anche più economici, " Egli ha detto.

Il panel Nobel ha notato che i loro contributi hanno reso più facile la produzione di farmaci chiave, compreso un farmaco antivirale e un ansiolitico.

"Un modo di guardare al loro lavoro è come la carpenteria molecolare, " disse John Lorsch, direttore del National Institute of General Medical Sciences presso il National Institutes of Health degli Stati Uniti.

"Hanno trovato il modo non solo di accelerare l'unione chimica, " Egli ha detto, "ma per essere sicuri che vada solo nella direzione della mano destra o della mano sinistra."

La capacità di controllare l'orientamento in cui vengono aggiunti nuovi atomi alle molecole è importante. In caso contrario, possono verificarsi effetti collaterali nei farmaci, ha spiegato il panel del Nobel, citando il catastrofico esempio della talidomide, che ha causato gravi difetti alla nascita nei bambini.

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Dalla scoperta degli scienziati, lo strumento è stato ulteriormente perfezionato, rendendolo molte volte più efficiente.

Pietro Somfai, un altro membro del comitato, ha sottolineato l'importanza della scoperta per l'economia mondiale.

"Si stima che la catalisi sia responsabile di circa il 35% del PIL mondiale, che è una cifra piuttosto impressionante, " ha detto. "Se abbiamo un'alternativa più rispettosa dell'ambiente, ci si aspetta che questo farà la differenza".

Il NIH ha sostenuto la ricerca di List con una sovvenzione nel 2002. Il lavoro di MacMillan ha ricevuto finanziamenti dal NIH dal 2000, per un totale di circa 14,5 milioni di dollari ad oggi.

"È un ottimo esempio di supporto alla scienza di base che non sai necessariamente dove andrà a finire", ma può avere un impatto importante, disse Francis Collins, Direttore dell'NIH.

Il Nobel arriva con una medaglia d'oro e 10 milioni di corone svedesi, , o più di $ 1,14 milioni. Il denaro proviene da un lascito lasciato dall'ideatore del premio, L'inventore svedese Alfred Nobel, morto nel 1895.

Nei prossimi giorni, Premi Nobel per la letteratura, pace ed economia.

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Comunicato stampa del Comitato Nobel:Il Premio Nobel per la Chimica 2021

La Royal Swedish Academy of Sciences ha deciso di assegnare il Premio Nobel per la Chimica 2021 a

Lista Benjamin
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr, Germania

David W.C. MacMillan
Università di Princeton, Stati Uniti d'America

"per lo sviluppo dell'organocatalisi asimmetrica"

Uno strumento ingegnoso per costruire molecole

Costruire molecole è un'arte difficile. Benjamin List e David MacMillan ricevono il Premio Nobel per la Chimica 2021 per lo sviluppo di un nuovo preciso strumento per la costruzione molecolare:l'organocatalisi. Questo ha avuto un grande impatto sulla ricerca farmaceutica, e ha reso la chimica più verde.

Molte aree di ricerca e industrie dipendono dalla capacità dei chimici di costruire molecole in grado di formare materiali elastici e durevoli, immagazzinare energia nelle batterie o inibire la progressione delle malattie. Questo lavoro richiede catalizzatori, che sono sostanze che controllano e accelerano le reazioni chimiche, senza diventare parte del prodotto finale. Per esempio, i catalizzatori nelle automobili trasformano le sostanze tossiche nei gas di scarico in molecole innocue. I nostri corpi contengono anche migliaia di catalizzatori sotto forma di enzimi, che cesellano le molecole necessarie alla vita.

I catalizzatori sono quindi strumenti fondamentali per i chimici, ma i ricercatori hanno creduto a lungo che esistessero, in linea di principio, solo due tipi di catalizzatori disponibili:metalli ed enzimi. Benjamin List e David MacMillan ricevono il Premio Nobel per la Chimica 2021 perché nel 2000 loro, indipendenti l'uno dall'altro, sviluppato un terzo tipo di catalisi. Si chiama organocatalisi asimmetrica e si basa su piccole molecole organiche.

"Questo concetto di catalisi è tanto semplice quanto geniale, e il fatto è che molte persone si sono chiesti perché non ci abbiamo pensato prima, "dice Johan Åqvist, che è presidente del Comitato Nobel per la Chimica.

I catalizzatori organici hanno una struttura stabile di atomi di carbonio, a cui possono legarsi gruppi chimici più attivi. Questi contengono spesso elementi comuni come ossigeno, azoto, zolfo o fosforo. Ciò significa che questi catalizzatori sono sia rispettosi dell'ambiente che economici da produrre.

La rapida espansione nell'uso di catalizzatori organici è principalmente dovuta alla loro capacità di guidare la catalisi asimmetrica. Quando le molecole vengono costruite, spesso si verificano situazioni in cui si possono formare due molecole diverse, che, proprio come le nostre mani, sono l'immagine speculare l'una dell'altra. I chimici spesso vorranno solo uno di questi, soprattutto quando si producono farmaci.

L'organocatalisi si è sviluppata a una velocità sorprendente dal 2000. Benjamin List e David MacMillan rimangono leader nel settore, e hanno dimostrato che i catalizzatori organici possono essere usati per guidare una moltitudine di reazioni chimiche. Usando queste reazioni, i ricercatori possono ora costruire in modo più efficiente qualsiasi cosa, dai nuovi prodotti farmaceutici alle molecole in grado di catturare la luce nelle celle solari. In questo modo, gli organocatalizzatori stanno apportando i maggiori benefici all'umanità.

Informazioni popolari

I loro strumenti hanno rivoluzionato la costruzione delle molecole

I chimici possono creare nuove molecole collegando insieme piccoli blocchi chimici, ma controllare le sostanze invisibili in modo che si leghino nel modo desiderato è difficile. Benjamin List e David MacMillan ricevono il Premio Nobel per la Chimica 2021 per lo sviluppo di un nuovo e ingegnoso strumento per la costruzione di molecole:l'organocatalisi. I suoi usi includono la ricerca su nuovi prodotti farmaceutici e ha anche contribuito a rendere la chimica più verde.

Molte industrie e campi di ricerca dipendono dalla capacità dei chimici di costruire molecole nuove e funzionali. Potrebbe trattarsi di qualsiasi cosa, da sostanze che catturano la luce nelle celle solari o immagazzinano energia nelle batterie, alle molecole che possono rendere leggere le scarpe da corsa o inibire il progresso della malattia nel corpo.

Però, se confrontiamo la capacità della natura di costruire creazioni chimiche con la nostra, siamo rimasti a lungo bloccati nell'età della pietra. Evolution ha prodotto strumenti incredibilmente specifici, enzimi, per costruire i complessi molecolari che danno vita alle sue forme, colori e funzioni. Inizialmente, quando i chimici isolarono questi capolavori chimici, li guardavano solo con ammirazione. I martelli e gli scalpelli nelle loro cassette degli attrezzi per la costruzione molecolare erano ottusi e inaffidabili, quindi spesso finivano con un sacco di sottoprodotti indesiderati quando copiavano i prodotti della natura.

Nuovi strumenti per una chimica più fine

Ogni nuovo strumento che i chimici hanno aggiunto alla loro cassetta degli attrezzi ha aumentato la precisione delle loro costruzioni molecolari. Lentamente ma sicuramente, la chimica è passata dalla cesellatura della pietra a qualcosa di più simile all'artigianato. Questo è stato di grande beneficio per l'umanità e molti di questi strumenti sono stati premiati con il Premio Nobel per la Chimica.

La scoperta insignita del Premio Nobel per la Chimica 2021 ha portato la costruzione molecolare a un livello completamente nuovo. Non solo ha reso la chimica più verde, ma ha anche reso molto più facile la produzione di molecole asimmetriche. Durante la costruzione chimica si verifica spesso una situazione in cui possono formarsi due molecole, che, proprio come le nostre mani, sono l'immagine speculare l'una dell'altra. I chimici spesso vogliono solo una di queste immagini speculari, in particolare nella produzione di prodotti farmaceutici, ma è stato difficile trovare metodi efficienti per farlo. Il concetto sviluppato da Benjamin List e David MacMillan – organocatalisi asimmetrica – è tanto semplice quanto geniale. Il fatto è che molte persone si sono chiesti perché non ci abbiamo pensato prima.

Perché davvero? Non è una domanda facile a cui rispondere, but before we even try we need to take a quick look back at history. We will define the terms catalysis and catalyst, and set the stage for the Nobel Prize in Chemistry 2021.

Catalysts accelerate chemical reactions

In the nineteenth century, when chemists began exploring the ways that different chemicals react with each other, they made some strange discoveries. Per esempio, if they put silver in a beaker with hydrogen peroxide (H2O2), the hydrogen peroxide suddenly began to break down into water (H2O) and oxygen (O2). But the silver – which started the process – did not seem affected by the reaction at all. Allo stesso modo, a substance obtained from sprouting grains could break down starch into glucose.

In 1835, the renowned Swedish chemist Jacob Berzelius started to see a pattern in this. In the Royal Swedish Academy of Sciences' annual report, describing the latest progress in physics and chemistry, he writes about a new "force" that can "generate chemical activity". He listed several examples in which just the presence of a substance started a chemical reaction, stating how this phenomenon appeared to be considerably more common than was previously thought. He believed that the substance had a catalytic force and called the phenomenon itself catalysis.

Catalysts produce plastic, perfume and flavoursome food

A great deal of water has run through chemists' pipettes since Berzelius' time. They have discovered a multitude of catalysts that can break down molecules or join them together. Thanks to these, they can now carve out the thousands of different substances we use in our everyday lives, such as pharmaceuticals, plastica, perfumes and food flavourings. The fact is, it is estimated that 35 per cent of the world's total GDP in some way involves chemical catalysis.

In principle, all catalysts discovered before the year 2000 belonged to one of two groups:they were either metals or enzymes. Metals are often excellent catalysts because they have a special ability to temporarily accommodate electrons or to provide them to other molecules during a chemical process. This helps loosen the bonds between the atoms in a molecule, so bonds that are otherwise strong can be broken and new ones can form.

Però, one problem with some metal catalysts is that they are very sensitive to oxygen and water so, for these to work, they need an environment free of oxygen and moisture. This is difficult to achieve in large-scale industries. Anche, many metal catalysts are heavy metals, which can be harmful to the environment.

Life's catalysts work with astounding precision

The second form of catalyst is comprised of the proteins known as enzymes. All living things have thousands of different enzymes that drive the chemical reactions necessary for life. Many enzymes are specialists in asymmetric catalysis and, in linea di principio, always form one mirror image out of the two that are possible. They also work side by side; when one enzyme is finished with a reaction, another one takes over. In questo modo, they can build complicated molecules with amazing precision, such as cholesterol, chlorophyll or the toxin called strychnine, which is one of the most complex molecules we know of (we will return to this).

Because enzymes are such efficient catalysts, researchers in the 1990s tried to develop new enzyme variants to drive the chemical reactions needed by humanity. One research group working on this was based at the Scripps Research Institute in southern California and was led by the late Carlos F. Barbas III. Benjamin List had a postdoctoral position in Barbas' research group when the brilliant idea that led to one of the discoveries behind this year's Nobel Prize in Chemistry was born.

Benjamin List thinks outside the box…

Benjamin List worked with catalytic antibodies. Normalmente, antibodies attach to foreign viruses or bacteria in our bodies, but the researchers at Scripps redesigned them so they could drive chemical reactions instead.

During his work with catalytic antibodies, Benjamin List started to think about how enzymes actually work. They are usually huge molecules that are built from hundreds of amino acids. In addition to these amino acids, a significant proportion of enzymes also have metals that help drive chemical processes. But – and this is the point – many enzymes catalyse chemical reactions without the help of metals. Anziché, the reactions are driven by one or a few individual amino acids in the enzyme. Benjamin List's out-of-the-box question was:do amino acids have to be part of an enzyme in order to catalyse a chemical reaction? Or could a single amino acid, or other similar simple molecules, do the same job?

…with a revolutionary result

He knew that there was research from the early 1970s where an amino acid called proline had been used as a catalyst – but that was more than 25 years ago. Surely, if proline really had been an effective catalyst, someone would have continued working on it?

This is more or less what Benjamin List thought; he assumed that the reason why no one had continued studying the phenomenon was that it had not worked particularly well. Without any real expectations, he tested whether proline could catalyse an aldol reaction, in which carbon atoms from two different molecules are bonded together. It was a simple attempt that, amazingly, worked straight away.

Benjamin List staked out his future

With his experiments, Benjamin List not only demonstrated that proline is an efficient catalyst, but also that this amino acid can drive asymmetric catalysis. Of the two possible mirror images, it was much more common for one of them to form than the other.

Unlike the researchers who had previously tested proline as a catalyst, Benjamin List understood the enormous potential it could have. Compared to both metals and enzymes, proline is a dream tool for chemists. It is a very simple, cheap and environmentally-friendly molecule. When he published his discovery in February 2000, List described asymmetric catalysis with organic molecules as a new concept with many opportunities:"The design and screening of these catalysts is one of our future aims".

Però, he was not alone in this. In a laboratory further north in California, David MacMillan was also working towards the same goal.

David MacMillan leaves sensitive metals behind…

Two years previously, David MacMillan had moved from Harvard to UC Berkeley. At Harvard he had worked on improving asymmetric catalysis using metals. This was an area which was attracting a lot of attention from researchers, but David MacMillan noted how the catalysts that were developed were rarely used in industry. He started to think about why, and assumed that the sensitive metals were quite simply too difficult and expensive to use. Achieving the oxygen-free and moisturefree conditions demanded by some metal catalysts is relatively simple in a laboratory, but conducting large-scale industrial manufacturing in such conditions is complicated.

His conclusion was that if the chemical tools he was developing were to be useful, he needed a rethink. Così, when he moved to Berkeley, he left the metals behind.

…and develops a simpler form of catalyst

Anziché, David MacMillan started to design simple organic molecules which – just like metals – could temporarily provide or accommodate electrons. Qui, we need to define what organic molecules are – in brief, these are the molecules that build all living things. They have a stable framework of carbon atoms. Active chemical groups are attached to this carbon framework, and they often contain oxygen, nitrogen, sulphur or phosphorus.

Organic molecules thus consist of simple and common elements but, depending on how they are put together, they can have complex properties. David MacMillan's knowledge of chemistry told him that for an organic molecule to catalyse the reaction he was interested in, it needed to be able to form an iminium ion. This contains a nitrogen atom, which has an inherent affinity for electrons.

He selected several organic molecules with the right properties, and then tested their ability to drive a Diels–Alder reaction, which chemists use to build rings of carbon atoms. Just as he had hoped and believed, it worked brilliantly. Some of the organic molecules were also excellent at asymmetric catalysis. Of two possible mirror images, one of them comprised more than 90 per cent of the product.

David MacMillan coins the term organocatalysis

When David MacMillan was ready to publish his results, he realised that the concept for catalysis he had discovered needed a name. The fact was that researchers had previously succeeded in catalysing chemical reactions using small organic molecules, but these were isolated examples and no one had realised that the method could be generalised.

David MacMillan wanted to find a term to describe the method so other researchers would understand that there were more organic catalysts to discover. His choice was organocatalysis.

In January 2000, just before Benjamin List published his discovery, David MacMillan submitted his manuscript for publication in a scientific journal. The introduction states:"Herein, we introduce a new strategy for organocatalysis that we expect will be amenable to a range of asymmetric transformations".

The use of organocatalysis has boomed

Independently of each other, Benjamin List and David MacMillan had discovered an entirely new concept for catalysis. Since 2000, developments in this area can almost be likened to a gold rush, in which List and MacMillan maintain leading positions. They have designed multitudes of cheap and stable organocatalysts, which can be used to drive a huge variety of chemical reactions.

Not only do organocatalysts often consist of simple molecules, in some cases – just like nature's enzymes – they can work on a conveyor belt. In precedenza, in chemical production processes it was necessary to isolate and purify each intermediate product, otherwise the volume of byproducts would be too great. This led to some of the substance being lost at every step of a chemical construction.

Organocatalysts are much more forgiving as, relatively often, several steps in a production process can be performed in an unbroken sequence. This is called a cascade reaction, which can considerably reduce waste in chemical manufacturing.

Strychnine synthesis now 7, 000 times more efficient

One example of how organocatalysis has led to more efficient molecular constructions is the synthesis of the natural, and astoundingly complex, strychnine molecule. Many people will recognise strychnine from books by Agatha Christie, queen of the murder mystery. Però, for chemists, strychnine is like a Rubik's Cube:a challenge that you want to solve in as few steps as possible.

When strychnine was first synthesised, in 1952, it required 29 different chemical reactions and only 0.0009 per cent of the initial material formed strychnine. The rest was wasted.

Nel 2011, researchers were able to use organocatalysis and a cascade reaction to build strychnine in just 12 steps, and the production process was 7, 000 times more efficient.

Organocatalysis is most important in pharmaceutical production

Organocatalysis has had a significant impact on pharmaceutical research, which frequently requires asymmetric catalysis. Until chemists could conduct asymmetric catalysis, many pharmaceuticals contained both mirror images of a molecule; one of these was active, while the other could sometimes have unwanted effects. A catastrophic example of this was the thalidomide scandal in the 1960s, in which one mirror image of the thalidomide pharmaceutical caused serious deformities in thousands of developing human embryos.

Using organocatalysis, researchers can now make large volumes of different asymmetric molecules relatively simply. Per esempio, they can artificially produce potentially curative substances that can otherwise only be isolated in small amounts from rare plants or deep-sea organisms.

At pharmaceutical companies, the method is also used to streamline the production of existing pharmaceuticals. Examples of this include paroxetine, which is used to treat anxiety and depression, and the antiviral medication oseltamivir, which is used to treat respiratory infections.

Simple ideas are often the most difficult to imagine

It is possible to list thousands of examples of how organocatalysis is used – but why did no one come up with this simple, green and cheap concept for asymmetric catalysis earlier? This question has many answers. One is that the simple ideas are often the most difficult to imagine. Our view is obscured by strong preconceptions about how the world should work, such as the idea that only metals or enzymes can drive chemical reactions. Benjamin List and David MacMillan succeeded in seeing past these preconceptions to find an ingenious solution to a problem with which chemists had struggled for decades. Organocatalysts are thus bringing – right now – the greatest benefit to humankind.

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