2021 Nobel Kimya Ödülü'nü Kazananlar Belli Oldu
2021 Nobel Kimya Ödülü’nü Benjamin List ve David MacMillan kazandı.
Benjamin List (solda) ve David MacMillian (sağda)
2021 Nobel Kimya Ödülü’nü Benjamin List ve David MacMillan kazandı. İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi, List ve MacMillan’ın organokataliz olarak adlandırılan yeni ve dâhiyane bir sentez yöntemi geliştirmeleri nedeniyle ödüle layık görüldüklerini açıkladı.Kimya denilince ilk akla gelen genellikle kimyasal sentez olur. Teknolojik cihazlardan, giyeceklere ve ilaçlara kadar insanların hayatını kolaylaştıran pek çok ürün kimyasal tepkimelerle üretilir.
Bugün, bilinen pek çok sentez yöntemi olsa da insanlar tarafından geliştirilen yöntemlerin doğadakilere kıyasla çok daha basit ve verimsiz kaldığını söylenebilir. Canlıların vücudunda meydana gelen kimyasal süreçler ise insan eliyle yapılanlara kıyasla daha karmaşık ve verimlidir. Benjamin List ve David MacMillian’ın kimyasal sentez alanına yaptıkları katkı, tepkimeleri daha verimli hâle getirmek için basit organik moleküllerden yararlanmak oldu. Bu sayede çok daha verimli ve çevre dostu sentezlerin yolu açıldı.
Asimetrik Moleküller
Aynada kendi görüntünüze baktığınızı düşünün. Sağ elinizin aynadaki görüntüsü sol elinize, sol elinizin aynadaki görüntüsü ise sağ elinize benzer. Ancak sağ ve sol elleriniz özdeş değildir. Benzer biçimde pek çok kimyasal molekül de kendi ayna görüntüsünden farklıdır (bkz. aşağıdaki şekil).
Birbirinin ayna görüntüsü olan iki molekül aynı kimyasal formüle sahip olsa da içerdikleri atomlar birbirlerine göre farklı konumlarda bulunur. Birbirinin ayna görüntüsü olan moleküller farklı fiziksel özelliklere sahip olabilir. Örneğin bir asimetrik molekül polarize ışığı sağa çeviriyorsa, o molekülün ayna görüntüsü polarize ışığı sola çevirir.
Kimyacılar bazen, özellikle de ilaç üretirken, bir molekülün birbirinin ayna görüntüsü olan iki formundan sadece birini sentezlemek isterler. Ancak bu hedefe ulaşmaya imkân veren verimli yöntemler bulmak zordur.
Katalizörler
Kendisi harcanmadan bir tepkimenin hızını artıran maddeler katalizör olarak adlandırılır. 2000 yılına gelene kadar tüm katalizörleri iki grup altında sınıflandırmak mümkündü: metaller ve enzimler.
Metaller kolayca elektron alışverişi yapabilir. Bu özellikleri, bulundukları ortamdaki kimyasal tepkimeleri hızlandırmalarını sağlar. Metallerden elektron alan moleküllerdeki kimyasal bağlar zayıflar, böylece kırılması çok zor kimyasal bağların kırılması kolaylaşır.
Metal katalizörlerle ilgili sorunlardan biri, metallerin su ve oksijenle kolayca tepkimeye girmesidir. Metallerden katalizör olarak yararlanabilmek için oksijen ve nemin ortamdan uzaklaştırılması gerekir. Ancak büyük ölçekteki sanayi üretimleri sırasında bunu gerçekleştirmek çok zordur. Ayrıca metal katalizörlerin pek çoğu çevreye zararlıdır.
Canlıların vücudundaki katalizörler olan enzimlerse protein yapısındadır. Bu katalizörlerin özelliklerinden biri, asimetrik katalizde çok başarılı olmalarıdır; her zaman iki ayna görüntüsünden birini sentezlemeyi başarabilirler. Enzimlerin bir diğer önemli özelliği ise bir arada çalışabilmeleridir. Bir enzim işini bitirdiği zaman diğeri çalışmaya başlar. Böylece çok basamaklı karmaşık sentez süreçleri verimli bir biçimde ilerler. Klorofil ve kolesterol gibi karmaşık yapıdaki devasa moleküllerin sentezlenmesi, bir arada uyumlu ve verimli olarak çalışabilen enzimler sayesinde mümkün olur.
Organokataliz
Yeni katalizörler geliştiren pek çok araştırma grubu, 1990’larda enzim benzeri malzemeler üretmeye çalışıyordu. Bu araştırma gruplarından biri de Kaliforniya’daki Scripps Araştırma Enstitüsünde görev yapan Carlos F. Barbas’ın grubuydu. Benjamin List de o sıralar bu ekipte doktora sonrası araştırmacı olarak yer alıyordu.
List, çalışmaları sırasında enzimlerin tam olarak nasıl çalıştığı hakkında kafa yormaya başlamıştı. Pek çok enzim kimyasal tepkimelerde bir bütün olarak yer almıyor, sadece enzimlerin içerisindeki birkaç amino asit aktif olarak kimyasal tepkimelerde rol alıyordu. Peki öyleyse amino asitlerin kimyasal tepkimeleri hızlandırmak için enzimlerin parçası olmaları gerekli miydi yoksa kendi başlarına da katalizör görevi görebilirler miydi? Daha önceleri bu konu üzerine bazı çalışmalar yapılmışsa da başarılı sonuçlar alınamamıştı. List, prolin adlı bir amino asidin bir aldol tepkimesini hızlandırıp hızlandıramayacağını görmek için deneyler yapmaya karar verdi. Sonuçlar şaşırtıcı derecede başarılıydı. List’in yaptığı deneyler, basit yapıda ve ucuz bir amino asit olan prolinin verimli bir katalizör olmasının yanı sıra asimetrik katalizde de başarılı olduğunu gösteriyordu.
List, prolin ile deneyler yaparken David MacMillian da Berkley’deki Kaliforniya Üniversitesinde basit organik molekülerden kimyasal tepkimelerde katalizör olarak yararlanmak için çalışmalar yapıyordu. Kimya bilgisi, kendisine, odaklandığı kimyasal tepkimede yararlı olabilecek bir katalizörün iminium iyonları (azot atomları içeren bir tür organik iyon) oluşturması gerektiğini söylüyordu. Doğru özelliklere sahip birkaç organik molekül seçti ve bu molekülleri bir Diels-Alder tepkimesinde test etti. Sonuçlar beklediği gibi gayet iyiydi. Ayrıca bazı organik moleküllerin asimetrik katalizde de başarılı olduğunu görmüştü.
List ve MacMillian’ın birbirinden bağımsız olarak organokataliz üzerine yaptıkları ilk çalışmalar 2000 yılında yayımlandı. İlerleyen yıllarda dünya genelinde pek çok araştırma grubu daha bu konu üzerine çalışmalar yapmaya başladı. List ve MacMillian, alandaki öncü rollerini devam ettirdiler. Çeşitli kimyasal tepkimeler için ucuz, verimli ve çevre dostu organokatalizörler geliştirildi.
Organokatalizörlerin sıradan metallere göre avantajlarından biri de tıpkı enzimler gibi bir arada çalışabilmeleridir. Daha önceleri çok basamaklı sentezlerde, her bir basamaktaki tepkimeler ayrı ayrı gerçekleştirilir, bir sonraki basamağa başlamadan önce ara ürünlerin ayrıştırılması ve saflaştırılması gerekirdi. Aksi takdirde ortaya çıkan yan ürünlerin miktarı aşırı derecede büyük olur ve sentezin verimi düşerdi. Bir arada çalışabilen organokatalizörler ise ara ürünlerin ayrıştırılıp saflaştırmasına gerek olmadan, birkaç basamağın art arda gerçekleştirilmesine imkân veriyor. Bu sayede ortaya çıkan atıkların miktarı da azalıyor.
Organokatalizörlerin verimliliğini gösteren en çarpıcı örneklerden biri striknin sentezidir. Striknin ilk kez 1952’de 29 basamaklı bir süreçle sentezlenmişti. Üstelik verim sadece %0,0009’du. Başka bir deyişle her bir milyon kilogram ham madde için sadece 9 kilogram striknin elde edilebiliyordu. 2011 yılında organokatalizörler kullanılarak yapılan bir sentez ise sadece 12 basamak içeriyordu ve verimi 7.000 kat daha yüksekti.
Asimetrik moleküllerin önemli olduğu alanların başında ilaç üretimi geliyor. Asimetrik kataliz yöntemleri geliştirilmeden önce üretilen ilaçlarda asimetrik moleküllerin her iki formu da yer alıyor, bazen bu iki ayna görüntüsünden biri sağlığa yararlı iken diğeri sağlığa zararlı oluyordu. Organokataliz yöntemleri sayesinde asimetrik moleküller günümüzde basit, ucuz ve verimli bir biçimde üretilebiliyor.
Kaynak:
