Expliqué : Idée simple qui a catalysé des réactions révolutionnaires

L'idée simple que List et MacMillan ont eue, travaillant indépendamment, était de rechercher de nouveaux catalyseurs, les substances utilisées pour accélérer les réactions chimiques, alors que la plupart croyaient qu'elles étaient coincées avec un ensemble existant, quelque peu inefficace.

Les lauréats 2021 Benjamin List (à gauche) et David Macmillan. (Site du Prix Nobel)

Les idées simples sont souvent les plus difficiles à imaginer, a déclaré le comité du prix Nobel en honorant Benjamin List et David MacMillan avec le prix Nobel de chimie de cette année.

L'idée simple que List et MacMillan ont eue, travaillant indépendamment, était de rechercher de nouveaux catalyseurs, les substances utilisées pour accélérer les réactions chimiques, alors que la plupart croyaient qu'elles étaient coincées avec un ensemble existant, quelque peu inefficace.

Les nouveaux catalyseurs, dérivés de produits chimiques naturels, étaient plus écologiques et moins chers, et garantissaient que le produit final de la réaction chimique était d'une variété spécifique et n'avait pas besoin de passer par un processus de purification pour produire le type de composé souhaité.

La découverte récompensée par le prix Nobel de chimie 2021 a porté la construction moléculaire à un tout nouveau niveau, a déclaré le comité Nobel. Ses utilisations incluent la recherche de nouveaux produits pharmaceutiques et il a également contribué à rendre la chimie plus verte.

Catalyseurs

Lorsque deux composés ou plus réagissent pour former de nouveaux composés, le processus est souvent facilité par d'autres produits chimiques qui ne se modifient pas, mais contribuent à accélérer la réaction. Ces catalyseurs sont connus au moins depuis le milieu du 19e siècle et sont utilisés de nos jours dans pratiquement tous les processus chimiques.

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Jusqu'aux environs de 2000, seuls deux types de produits chimiques étaient connus pour agir comme catalyseurs efficaces : les métaux, principalement les métaux plus lourds ; et des enzymes, des molécules lourdes d'origine naturelle qui facilitent tous les processus biochimiques essentiels à la vie. Ces deux ensembles de catalyseurs avaient des limites.

Les métaux plus lourds sont chers, difficiles à extraire et toxiques pour les humains et l'environnement. Malgré les meilleurs procédés, des traces sont restées dans le produit final ; cela posait des problèmes dans les situations où des composés de très haute pureté étaient requis, comme dans la fabrication de médicaments. De plus, les métaux nécessitaient un environnement exempt d'eau et d'oxygène, ce qui était difficile à garantir à l'échelle industrielle.

En revanche, les enzymes fonctionnent mieux lorsque l'eau est utilisée comme milieu pour la réaction chimique. Mais ce n'est pas un environnement propice à toutes sortes de réactions chimiques.

Organo-catalyse

List et MacMillan, tous deux âgés de 53 ans, ont commencé à expérimenter des composés organiques simples. Les composés organiques sont pour la plupart des substances d'origine naturelle, construites autour d'un cadre d'atomes de carbone et contenant généralement de l'hydrogène, de l'oxygène, de l'azote, du soufre ou du phosphore. Les produits chimiques essentiels à la vie comme les protéines, qui sont de longues chaînes d'acides aminés (composés de carbone contenant de l'azote et de l'oxygène) sont organiques. Les enzymes sont aussi des protéines, et donc des composés organiques.

List et MacMillan étaient au courant des recherches antérieures des années 1970, dans lesquelles un acide aminé appelé proline était utilisé comme catalyseur dans certaines réactions spécifiques. Mais son rôle n'a pas été pleinement exploré. Ils ont commencé à travailler avec des acides aminés individuels dans des enzymes - et ont trouvé de l'or.

Catalyse asymétrique

Les acides aminés individuels avaient un avantage supplémentaire : ils garantissaient qu'une seule variété du produit final était produite dans la réaction.

Les substances peuvent avoir exactement la même composition chimique et la même formule moléculaire ; pourtant diffèrent largement dans leurs propriétés. Ils sont appelés isomères. Un type d'isomères sont ceux qui diffèrent par la manière dont les atomes individuels sont orientés dans l'espace tridimensionnel. Deux molécules pourraient être exactement les mêmes, sauf qu'elles sont des images miroir l'une de l'autre, comme nos mains. Par souci de simplicité, les scientifiques se réfèrent souvent à ces molécules comme étant gauchers ou droitiers. Cette simple différence peut parfois avoir des conséquences énormes, car elle permet aux molécules de se lier à différents endroits lorsqu'elles interagissent avec d'autres molécules.

Le produit final d'une réaction chimique est généralement un mélange de molécules gauchers et droitiers. Les réactions chimiques normales effectuées dans les laboratoires ne sont pas sélectives à cet égard. Mais la nature est. Parce que les images miroir peuvent avoir des propriétés très différentes, les processus naturels sont extrêmement sélectifs et précis. Ils produisent une molécule gauche ou droite.

List et MacMillan ont découvert qu'en utilisant un composé naturel comme un acide aminé comme catalyseur, ils n'obtenaient qu'une image miroir spécifique du produit final. Cela a été nommé plus tard catalyse asymétrique.

List et MacMillan ont proposé un changeur de jeu absolu. Le domaine des organo-catalyseurs, un nom que MacMillan a utilisé plus tard pour décrire ces nouveaux ensembles de catalyseurs, a explosé au cours des deux dernières décennies. Ils ont découvert un outil simple et ingénieux mais son impact a été énorme, principalement dans l'industrie pharmaceutique, mais aussi dans plusieurs autres endroits, a déclaré le professeur RG Bhat de l'Indian Institute of Science Education and Research à Pune, qui travaille lui-même avec des organo-catalyseurs. .

Le Dr S Chandrashekhar, directeur de l'Institut indien de technologie chimique basé à Hyderabad, a déclaré que la grande importance du travail était qu'il rendait les processus beaucoup plus sûrs et plus durables qu'auparavant.

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Je suis également très heureux de noter que le comité Nobel a choisi cette fois une percée en chimie pure. Dans le passé, le prix Nobel de chimie a souvent reconnu des travaux qui appartenaient essentiellement au domaine de la biologie, a-t-il déclaré.

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