2021 Nobel Kimya Ödülü Asimetrik Organokatalizörler

Kimyasal yapı sırasında, sıklıkla tıpkı ellerimiz gibi, birbirinin ayna görüntüsü olan iki molekül ortaya çıkar. Kimyacılar, özellikle farmasötikler üretirken genellikle bu ayna görüntülerinden sadece birini isterler, ancak bunu yapmak oldukça zordur. 2021 Nobel Kimya Ödülü'ne Benjamin List ve David MacMillan layık görülmüştür. Asimetrik organokataliz olarak adlandırılan yeni ve dâhiyane bir sentez yöntemi geliştirmeleri nedeniyle ödülü almaya hak kazanmışlardır. Bu yöntem sayesinde birbirinin enantiyomeri olan iki molekülden sadece biri sentezlenir [1].

Şekil 1. Birbirinin ayna görüntüsü olan iki molekül [2]


Günümüzde kimyasal sentez yöntemleri çok fazla gelişmiş olsa da bu yöntemler doğadaki yöntemlere kıyasla daha verimsiz ve basit kalmaktadır. Doğada ve canlı vücudunda gerçekleşen kimyasal olaylar ise bizim yaptıklarımıza göre daha verimli ve bir o kadar karmaşıktır. Benjamin List ve David MacMillan’ın aldıkları ödülün bir sebebi de kimyasal sentez reaksiyonlarını basit organik moleküller kullanarak daha verimli hale getirip çevre dostu sentez mekanizmalarının kullanımını sağlamaları olmuştur [3]. Konuyu daha iyi anlayabilmek için asimetrik moleküller, katalizörler ve organik katalizörden kısaca bahsedelim.

Asimetrik moleküller, birbirinin ayna görüntüsü olan ancak özdeş olmayan moleküllerdir. Genelde bu moleküller anlatılırken ellerimiz örnek gösterilir. Sağ ve sol elimiz ayna görüntüsü olarak birbirinin aynısı gibi görünseler de gerçekte özdeş değillerdir. Bu moleküllerin kimyasal formülleri aynı ancak içerdikleri atomlar birbirine göre farklı konumlanmaktadır. Bu sebeple iki molekül birbirinden farklı fiziksel özellikler (polarize ışığı çevirme biri sağa, biri sola çevirir) gösterir [3].

Katalizörler, tepkimeye girip aynen geri çıkan ayrıca tepkimenin hızını artıran maddelerdir. Katalizörler 2000 yılına kadar metal ve enzimler olarak iki sınıfa ayrılırdı. Metaller yapıları gereği elektron alışverişine çok yatkınlardır, bu sayede katıldıkları tepkimeleri hızlandırıcı etki gösterirler. Metaller elektron aldıkları moleküllerin kimyasal yapılarını zayıflatarak güçlü kimyasal bağların kırılmasını kolaylaştırır [3]. Ancak metaller bazı özelliklerinden dolayı sorunlu olabilir. Örneğin, bazı metaller insanlar ve çevre için toksiktir ve bazı geçiş metalleri o kadar reaktiftir ki, çalışmak için nemden veya havadan uzak tutulmaları gerekir, bu da onları büyük ölçekte kullanmalarını zor ve maliyetli hale getirir [4]. Enzimler ise canlı vücutlarında bulunan protein yapılı katalizörlerdir. Bu katalizörler asimetrik katalizlerde başarılıdır ve moleküllerin ayna görüntülerinden sadece birini sentezlemeyi başarabilirler. Ayrıca enzimler bir arada verimli ve uyumlu çalışma özelliği gösterirler; birinin işi bittiğinde diğeri çalışmaya başlar. Bu sayede çok basamaklı sentezler verimli bir şekilde gerçekleştirilebilir [3]. Enzimlerle çalışırken de görülen zorluklar vardır. Enzimler genellikle laboratuvarda üretilemez, ancak biyolojik kaynaklardan izole edilmeleri gerekir. Ve vücutta çok iyi çalışırken, ısı ve çözücüler tarafından etkisiz hale getirilerek sentetik kimya koşulları altında o kadar iyi performans göstermezler [4].

Şekil 2. Enzim içerisinde katalizör olarak görev yapan yapıların gösterimi [3]


Organokatalizörler, genellikle ucuzdur, üretilmesi kolaydır ve çevre dostudur. Kendi başlarına substrat moleküllerinden daha reaktif olan kısa ömürlü ara ürünler oluşturmak için reaksiyona giren moleküllere bağlanırlar. Kiral olduğundan, katalizör, ara maddenin hangi tarafının daha fazla reaksiyona girebileceğini kontrol edebilir [4]. Metallere göre avantajları enzimler gibi bir arada uyumlu çalışabilme özellikleridir. Çok basamaklı sentezler önceleri ayrı ayrı gerçekleştirilir ve sonraki basamağa geçmeden önce oluşan ara ürünlerin ortamdan uzaklaştırılması gerekirdi. Bu aşama verimin düşmemesi ve aşırı yan ürün oluşumunun önlenmesi için gerekirdi. Organokatalizörlerde ise uzaklaştırma işlemine gerek olmaksızın sentez basamakları art arda gerçekleştirilebilir ve ortaya çıkan atık maddelerin miktarı azaltılabilir [3].

Şekil 3. Metal katalizör ve MacMillian’ın Organokatalizörünün şematik gösterimi [3]


Benjamin List, Kaliforniya’daki Scripps Araştırma Enstitüsündeki çalışmaları sırasında enzimlerin çalışma mekanizmalarına odaklandı. Yaptığı gözlemlere dayanarak enzimlerin kimyasal tepkimelerde bir bütün olarak değil, sadece enzim içerisindeki bazı amino asitlerin aktif olarak tepkimelere etki ettiğini gözlemledi ve bu düşüncesine dayanarak prolin amino asidinin aldol tepkimesine etkisi üzerinde deneyler yapmaya yarar verdi. Sonuçları hayli şaşırtıcıydı.

List, prolin ile deneyler yaparken Berkeley’deki David MacMillian da basit organik moleküllerin katalizör olarak kimyasal tepkimelere etkisi üzerine çalışmalar yapıyordu. Doğru özelliklere sahip olduğunu düşündüğü organik molekülü seçti ve bir Diels-Alder tepkimesine etkisini gözlemlemeye başladı. Sonuçları tıpkı List’inkiler gibi başarılıydı.

List ve MacMillian’ın birbirinden bağımsız olarak yaptıkları bu çalışmalar 2000 yılında yayınlandı. Elde edilen güzel sonuçlar sonucunda dünya genelinde birçok araştırma grubu asimetrik organokatalizörler üzerinde çalışmaya başlamış ve giderek daha fazla organokatalitik reaksiyon keşfedilmiştir. Yaklaşık 20 yılın ardından bu çalışmalara Nobel ödülüne layık görülmüştür [3].





KAYNAKÇA


[1] Fernholm, A. Their tools revolutionised the construction of molecules. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2021/popular-information/ adresinden erişildi.

[2] 18 Ekim 2021 tarihinde https://en.wikipedia.org/wiki/Enantiomer adresinden erişildi.

[3] Ocak M. E. (2021, 6 Ekim). 2021 Nobel Kimya Ödülü'nü Kazananlar Belli Oldu. https://bilimgenc.tubitak.gov.tr/2021-nobel-kimya adresinden erişildi.

[4] KRÄMER K. (2021, 6 Ekim) Explainer: why has asymmetric organocatalysis won the chemistry Nobel prize. Chemistry World. https://www.chemistryworld.com/news/explainer-why-has-asymmetric-organocatalysis-won-the-chemistry-nobel-prize/4014530.article adresinden erişildi.

33 görüntüleme0 yorum

Son Paylaşımlar

Hepsini Gör