Naujienos

2026 m. Nobelio chemijos premija skirta Henriui Kaganui ir Kensui Soajui už netiesinių reiškinių ir autokatalizės atradimą asimetrinėje organinėje sintezėje

Chirališkumas yra objektų, įskaitant ir molekules, savybė, kai jų neįmanoma sutapatinti su savo veidrodiniais atspindžiais, kaip kairiosios ir dešiniosios rankų. Šį terminą, kuris senovės graikų kalba ir reiškia „ranka“ 1893 m. pasiūlė fizikas Viljamas Tomsonas (William Thomson), kitaip žinomas kaip lordas Kelvinas. Pirmąjį eksperimentinį chirališkumo demonstravimą chemijoje 1848 m. atliko Lui Pasteras (Louis Pasteur). Jis atskyrė dviejų formų vyno rūgšties druskų kristalus ir parodė, kad jie skirtingai suka poliarizuotą šviesą, netgi ištirpinus kristalus vandenyje. Taip kristalų asimetrija makroskopiniu lygmeniu buvo susieta su asimetrija molekulių lygmeniu. Keliais dešimtmečiais vėliau, remiantis šiais darbais, Jakobas Hendrikas van’t Hofas (Jacobus Hendricus van’t Hoff) ir Jozefas Ašilis Le Bel (Joseph Achille Le Bel) pasiūlė tetraedrinį anglies atomo modelį molekulių asimetriškumui aiškinti. Ir iš tikrųjų, organinėje chemijoje dažniausia chirališkumo priežastis yra anglies atomas, prie kurio prijungti keturi skirtingi pakaitai. Du tokios molekulės veidrodiniai stereoizomerai vadinami enantiomerais. Jų fizikinės savybės, pavyzdžiui, lydymosi temperatūra ar tirpumas, yra vienodos, tačiau jie skirtingai suka poliarizuotos šviesos plokštumą ir, svarbiausia, skirtingai sąveikauja su kitomis chiralinėmis molekulėmis. Šias enantiomerų savybes lengviau suprasti pasitelkus tų pačių chiralinių rankų pavyzdį. Simetrinį objektą, tokį kaip teniso kamuoliukas, tiek dešinė, tiek kairė plaštaka gali suimti visiškai vienodai. Kita vertus, pati pirštinė yra chiralinis objektas ir geriau tinka tik vienai rankai.

Būtent pastarasis dalykas lemia chirališkumo svarbą biologijoje. Gyvieji organizmai yra labai asimetriški: baltymus sudaro beveik vien L-aminorūgštys, o nukleorūgščių cukrūs (ribozė ir deoksiribozė) yra D formos. Todėl fermentai, receptoriai ir kitos biomolekulės yra chiraliniai ir skiria net enantiomerines vaistinės medžiagos ar kvapiosios molekulės formas. Gerai žinomas pavyzdys yra karvonas: viena jo forma kvepia kmynais, o kita – mėtomis. Vaistų srityje skirtumai gali būti dar svarbesni. Dažnai cituojamas liūdnai pagarsėjęs talidomido atvejis: vienas enantiomeras veikia kaip raminamasis vaistas, o kitas siejamas su vaisiaus apsigimimais. Kad ir kaip būtų, farmacijos pramonė šiandien labai domisi enantiomeriškai grynomis medžiagomis, o tai paskatino asimetrinės sintezės, kuria siekiama gauti vieną gryną enantiomerą, plėtrą.

Ši sritis atsispindi ir Nobelio premijose. 2001 m. Nobelio chemijos premija skirta Viljamui Naulsui (William Knowles), Rodžiui Nojoriui (Ryoji Noyori) ir Bariui Šarplsui (Barry Sharpless) už chiralinių katalizatorių, naudojamų hidrinimo ir oksidacijos reakcijoms, sukūrimą. 2021 m. Benjaminas Listas (Benjamin List) ir Deividas Makmilanas (David MacMillan) apdovanoti už asimetrinės organokatalizės sukūrimą. Abejomis šiomis premijomis įvertinti pirmiausia metodai, kurie plačiai taikomi vaistų ir tiksliosios chemijos pramonėje. Du mokslininkai, kurių darbai šiai sričiai buvo ypač reikšmingi, premijos negavo. Tai šiųmečiai laureatai Henris Kaganas (Henri Kagan) ir Kensas Soajus (Kenso Soai).

H. Kaganas yra Pietų Paryžiaus universiteto profesorius emeritas. Jis geriausiai žinomas kaip C₂ simetrijos chiralinių ligandų asimetrinei katalizei kūrėjas, ypač dėl 1971 m. sukurto DIOP ligando, kuris tapo vienu pirmųjų chiralinių difosfinų, naudotų rodžio katalizuojamam asimetriniam hidrinimui. Šis darbas paruošė dirvą vėlesniems ligandams, tarp jų ir V. Naulso ir R. Nojorio darbams. H. Kaganas taip pat sukūrė asimetrinę sulfoksidų oksidaciją titano kompleksais su vyno rūgšties esteriais. 2001 m., kai Nobelio premiją pasidalijo pirmiau minėti trys mokslininkai, kilo nemažas sąmyšis, nes manyta, kad kaip vienas iš srities pradininkų, jis taip pat turėjo būti pagerbtas. Savo vėlesniuose darbuose, devintojo dešimtmečio viduryje, H. Kaganas aprašė netiesinius efektus, kada produkto enantiomerinis perteklius netiesiškai priklauso nuo katalizatoriaus enantiomerinio grynumo. Šis reiškinys siejasi su kito laureato K. Soajaus atrasta reakcija, kurioje taip pat stebimi netiesiniai reiškiniai.

K. Soajus, japonų chemikas, dirbęs Tokijo mokslo universitete, 1995 m. aprašė reakciją, kuri dabar vadinama jo vardu. Šioje reakcijoje pirimidilalkanolis katalizuoja diizopropilcinko prisijungimą prie pirimidin-5-karbaldehido, o reakcijos produktas (irgi pirimidilalkanolis) pats veikia kaip katalizatorius. Toks procesas yra asimetrinės autokatalizės pavyzdys. Svarbiausia šios sistemos savybė ta, kad net labai mažas pradinis enantiomerinis perteklius per kelis ciklus išauga iki beveik gryno vieno enantiomero. Tai buvo pirmasis aiškus eksperimentinis pavyzdys, patvirtinantis Frederiko Čarlzo Franko (Frederick Charles Frank) 1953 m. pasiūlytą idėją, kad autokatalizė gali sustiprinti menkiausią asimetriją.

Vėliau paaiškėjo, kad chirališkumo stiprinimas nėra vienos reakcijos išskirtinumas. K. Soajaus grupė ir kiti tyrėjai parodė, kad autokatalitinę reakciją galima inicijuoti labai įvairiais chirališkumo šaltiniais: chiraliniais kristalais (pavyzdžiui, kvarcu ar natrio chloratu), apskritimiškai poliarizuota šviesa, o kai kuriais atvejais net izotopiškai chiralinėmis molekulėmis, kuriose chirališkumą lemia tik skirtingi to paties elemento izotopai. Pasirinkus priešingą kristalo formą, gaunamas priešingas produkto enantiomeras, todėl chiralinis kristalo paviršius iš tiesų „užprogramuoja“ reakcijos kryptį. Stiprinimo reiškinių nustatyta ir kitose sistemose.

Chiraliniai mineralų paviršiai, pavyzdžiui, kalcito, gali selektyviai adsorbuoti vieną aminorūgščių enantiomerą, o kai kuriuose meteoritų mėginiuose rastas nedidelis L-aminorūgščių perteklius. Visa tai leidžia kelti hipotezę apie homochirališkumo kilmę Žemėje ir biosistemose. Pagal šią hipotezę, pirminė asimetrija galėjo atsirasti iš visiškai atsitiktinio ar fizikinio šaltinio, pavyzdžiui, chiralinio mineralo paviršiaus, poliarizuotos šviesos ar mažo enantiomerinio pertekliaus, atkeliavusio su meteoritais, o paskui autokatalitiniai ir kristalizacijos procesai šį perteklių galėjo sustiprinti iki beveik gryno vieno enantiomero. Tokia schema ypač patraukli aiškinant chirališkumo kilmę, nes jai užtenka menkos atsitiktinės asimetrijos ir aiškaus mechanizmo, galinčio ją didinti. Šie modeliai kol kas nėra įrodymas, kaip iš tikrųjų atsirado gyvybės homochirališkumas, kita vertus, jie parodo, kad toks kelias chemiškai įmanomas. Nors pati K. Soajaus reakcija tikrai nėra atsakinga už chirogenezę Žemėje, reakcijos mechanizmo tyrimas leido identifikuoti kinetines schemas, kaip galėtų veikti chirališkumo stiprinimas.

H. Kagano ir K. Soajaus darbai vienas kitą papildo. H. Kagano atrasti netiesiniai efektai paaiškina, kaip chirališkumas gali būti sustiprintas katalitinėse sistemose, o K. Soajaus autokatalizė yra kraštutinis, nepaprastai efektyvus tokio stiprinimo atvejis. Kartu jie rodo, kad net menka pradinė asimetrija gali virsti visišku homochirališkumo dominavimu.

Šiame kontekste verta pabrėžti, kad Nobelio premija už H. Kagano ir K. Soajaus darbus skirta tikriausiai ne tiek už praktinius taikymus, kiek už fundamentinį supratimą, kaip chirališkumas sukuriamas ir stiprinamas. 2001 m. ir 2021 m. premijos įvertino metodus, kuriais chemikai sintetina enantiomeriškai grynas medžiagas. K. Soajaus reakcija, priešingai, yra siauros taikymo srities, bet atsako į vieną iš giliausių gamtos mokslų klausimų: kaip iš simetriško pasaulio galėjo atsirasti asimetrinė gyvybė.

H. Kagano ryšys su Lietuva taip pat įdomus: jis 2002 m., kartu su B. Šarlpsu, viešėjo Vilniuje ir Balticum Organicum Syntheticum (BOS) konferencijoje skaitė pranešimą apie netiesinius asimetrinės katalizės reiškinius.

Prof. dr. Edvinas Orentas,
LMA Jaunosios akademijos alumnas