화학자들은 새로운 약물, 에너지 저장 재료 및 수많은 다른 직업을 위해 유용한 새로운 분자를 설계하는 것뿐만 아니라 분자를 만들 수있는 더 나은 방법을 설계하는 데 지속적으로 임무를 맡고 있습니다. 하나의 큰 장애물은 바람직한 화학 반응이 종종 느리거나 비효율적이며 반응 자체에 관여하지 않고 반응 속도를 가속화 할 수있는 물질, 촉매의 첨가에만 실용화 될 수 있다는 것입니다. 지난 몇 세기 동안 화학 촉매의 세계는 효소와 금속의 두 가지 주요 기둥에 놓여있었습니다.
그러나 2000 년에 독일의 맥스 플랑크 석탄 연구소 (Max Planck Instit 비대칭 유기 촉매로 알려진 그들이 개발 한 과정은 작은 유기 분자를 사용하여 더 빠르고 효율적인 반응을 촉진합니다.
노벨상위원회에 따르면이 작업은“화학 분자를 구성하는 방법에 대한 완전히 새로운 사고 방식”을 자극했다.
.많은 화학 반응에서 비 효율성의 원인은 분자 제품의 두 가지 거울상 형태, 왼손잡이 버전 및 오른 손잡이 (키랄성으로 알려진 구조적 특성)를 생성 할 수 있다는 것입니다. 동일한 메이크업에도 불구하고, 미러-트윈 분자는 동일하지 않으며, 제약의 경우 사람에게 매우 다른 생리 학적 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 과학자들은 종종 하나의 버전 만 선택적으로 합성하기를 원하며 금속 촉매 및 효소를 사용하여 하나 또는 다른 하나의 생산을 선호합니다.
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그러나 금속은 강력한 촉매가 될 수 있지만 산소를 포함한 일반적인 요소에 매우 민감하며 종종 산업 환경에서 효과적으로 사용할 수 없습니다. 또한, 일부 촉매의 금속은 환경에 유해한 영향을 줄 수 있습니다. 한편, 자연스럽게 효소는 엄청나게 효율적이고 정확하며, 지구상에서 생명 내내 발견되는 많은 복잡한 화합물을 생산하기 위해 반응 속도를 높이고 있습니다. 그러나 효소는 종종 실험실에서 설계하기 어려운 크고 복잡한 분자입니다.
20 년 전, List는 효소를 몇 가지 부분 중 하나 또는 소수의 아미노산으로 제거하여 효소를 단순화 할 수 있는지 여부를 결정하고 싶었습니다. 그는 새로운 탄소 탄소 결합을 형성하는 Aldol 반응이라고 불리는 필수 화학 반응으로 시작했습니다. 그는 이전 연구의 증거를 바탕으로 단일 아미노산 인 프롤린이 그 과정을 성공적으로 촉매 할 수 있는지 테스트하기로 결정했습니다. 하나의 키랄 제품을 다른 키랄 제품보다 훨씬 더 비대칭 적으로 수행합니다.
.놀랍게도 그랬습니다. 노벨상 기자 회견에서“이 실험을했을 때 어떻게 될지 몰랐고 어리석은 생각이라고 생각했습니다. "그리고 내가 작동하는 것을 보았을 때, 나는 이것이 큰 일이 될 수 있다고 생각했습니다."
그리고 그것은 큰 것이 었습니다 :단순하고 친환경적이고 사용하기가 저렴한 유기 촉매 분자의 첫 번째 예.
한편 맥밀란은 다른 각도에서 같은 목표에 접근하고있었습니다. 그는 탄소 원자의 고리를 형성하는 Diels-Alder 반응으로 알려진 또 다른 화학 공정에 시야를 설정했습니다. 그는 반응이 일어나기 위해 필요한 중간 제품을 만들 수 있다고 의심하는 몇 가지 간단한 분자를 설계했습니다. 그는 후보 분자를 테스트했을 때 일부는 비대칭 무기 촉매뿐만 아니라 작동했음을 확인했습니다.
목록과 MacMillan의 연구는 20 년 동안 더 효율적이고 효과적인 유기 촉매에 대한 연구를 촉발 시켰으며, 그 중 일부는“효소조차 할 수없는 일을 수행”합니다. 이러한 유기 촉매는 항 바이러스 및 불안 약물 및 기타 제품을 포함한 신약을 개발하는 데 사용되고 있습니다. "정말 충격을 준다"고 List는 말했다.
촉매는 어떻게 작동합니까?
촉매는 공정에서 반응물 또는 생성물로 작용하지 않고 화학 반응 속도를 높이고있다. 어떤 반응 동안, 분자에서 원자들 사이의 일부 결합은 파손되고 새로운 결합은 형성됩니다. 이 두 가지 변화에는 많은 에너지가 필요할 수 있습니다. 따라서 안정적인 분자는 일반적으로 결합을 바꾸지 만 때로는 결합을 바꾸지 만 너무 드물게 원하는 제품을 빠르고 대량으로 생성하기에는 너무 드물게 유지됩니다.
촉매는 본드의 변화에 필요한 에너지의 양을 본질적으로 낮 춥니 다. 예를 들어, 금속 촉매는 종종 반응물 분자를 일시적으로 빌려 줄 수있는 많은 수의 전자를 가지고 있으며, 이는 사실상 결합을 풀고 새로운 것을 더 쉽게 형성 할 수있게한다. 생물학적 시스템에서, 효소 단백질은 반응물 분자가 동일한 결과에 대해 일시적으로 결합 할 수있는 포켓 또는 복합체를 함유한다.
.화학자들이 촉매를 설계 할 때, 그들은 일반적으로 반응물이 결합이 더 쉽게 파괴되거나 형성 될 수있는 전이 구조로 자신을 배열 할 수있는 분자를 만들 수있는 방법을 찾는 것으로 시작합니다. 예를 들어, Macmillan의 유기 촉매와의 초기 연구는 딜스-경고 반응과 관련된 과도기 형태가 발생할 수있는 이미다 졸리 디논의 형태를 찾는 것이 포함되었습니다.
몇 개의 아미노산과 반응을 촉매 할 수 있다면 왜 자연이 복잡한 효소에 의존합니까?
유기 촉매는 효소보다 설계에 더 간단 할 수 있지만, 효소 단백질이 자연에서 발견되는 생물학적 반응에서 더 유리한 이유는 여러 가지가있다. 다양한 구조를 형성하는 능력을 포함하여 유연성을 포함하여 매우 다양한 수준의 선택성과 특이성으로 광범위한 다양한 프로세스를 촉진 할 수 있습니다. 여기에는 수명과 관련된 저온에서 복잡한 다단계 반응을 제어하는 것이 포함됩니다. 더욱이, 많은 경우에, 유기 촉매의 사용은 더 높은 "로딩", 즉 반응물의 양에 비해 더 높은 양의 촉매를 필요로한다. 이러한 수준은 자연 발생 반응에서 항상 가능하거나 바람직하지 않을 수 있습니다.
왜 화학 반응에서“손잡이”또는 키랄성이 중요합니까?
키랄성 때문에, 동일한 성분을 가진 분자는 종종 상이한 반응성을 갖는 비 동일 거울 이미지 구조 (거울상 이성질체)로 배열 될 수있다. 화학 반응은 종종 두 형태의 혼합물을 생성하므로 제어 된 공정에서는 각각이 얼마나 생성되는지가 중요합니다.
생물학에서 가장 큰 미스터리 중 하나는 지구의 생명이 키랄 인 이유입니다. 유기체에 사용되는 아미노산은 왼손잡이이고 설탕은 오른 손잡이입니다. 그들의 쌍둥이 쌍둥이가 존재하지만 지구의 생물학적 시스템의 중요한 부분은 아닙니다. 그 질문은 인생이 지구에서 어떻게 시작되었는지 이해하려고 노력하는 연구자들에게 중요한 질문으로 남아 있습니다.
또한 약물 및 기타 인공 화합물의 발달에 중요합니다. 반대의 키랄성을 가진 분자는 그 효과가 다를 수 있습니다. 하나는 다른 냄새와 다른 냄새가 나거나 다른 하나는 독성이 있고 다른 하나는 치료적일 수도 있습니다. 아마도 가장 악명 높은 예는 화합물 탈리도 미드 일 것입니다. 일부 국가에서는 임신 중에 아침 병에 대한 치료로 간단히 분포되어 있습니다. 혼합물의 한 거울상 이성질체가 배아 발달에서 심각한 선천성 기형을 일으킨다는 것이 발견 될 때까지.
.그렇기 때문에 MacMillan 및 다른 사람들은 비대칭 촉매에 초점을 맞춘 이유입니다. 그들의 목표는 거울 이미지가 아닌 하나의 원하는 키랄 분자의 합성을 우선시하는 것입니다. 그들은 유기농 촉매 분야를 개발할 때 생물학적 효소가 이미 키랄이라는 사실을 활용할 수있었습니다.
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David Julius와 Ardem Patapoutian은 2021 년 노벨 생리학 또는 의학상을 수상했습니다. Klaus Hasselmann, Syukuro Manabe 및 Giorgio Parisi는 물리학 상을 공유했습니다.
