Nobelio laureatų pėdsakais

Kad vyktų cheminės reakcijos, molekulės turi susidurti. Tačiau jei bet kuris susidūrimas sukeltų naujo cheminio darinio susidarymą, reakcijos vyktų akimirksniu. Reaguoti tegali molekulės, turinčios reikiamą (aktyvacijos) energiją – tik tada stebimas stabilus molekulinių orbitalių pokytis, lydimas vienų ryšių nutraukimo ir kitų susidarymo. Kas gi būtina sėkmingam reakcijos įvykimui? Švedų profesorė Inga Fišer-Hjalmars1), 1981 m. pristatydama Nobelio premijos laureatus, tarp kurių buvo ir R. Hofmanas2), paaiškino: „Vienu lemiamų veiksnių – energija. Kai reakcijos produktai yra žemesniame energetiniame lygyje nei pradiniai reagentai, reakcija, kaip taisyklė, vyksta be vargo: reakcijos kompleksas tarsi šliaužia žemyn energetiniais laiptais“. Tačiau dažnai sistemoms, prieš pradedant riedėti, tenka pailti aukštyn, įveikiant tam tikrą energetinį barjerą. Tad tikslas ir yra kaip surasti energetiškai mažiausią kelią per tą perėją. Pradinės ir galutinės energetinės būsenų profilis chemikams dažniausiai gerai žinomas, tačiau apie tarpinės „kalnų perėjos“ pobūdį žinoma labai mažai.

Paaiškėjo, kad cheminės reakcijos rezultatas priklauso ne tik nuo orbitalės energijos, bet ir jos simetrijos. Darbus apie orbitalinės simetrijos išsaugojimo taisykles R. Hofmanas pradėjo Harvardo un-te su garsiu organinės chemijos atstovu Robertu Vudvordu3), gavusiu Nobelio premiją 1965 m. tos taisyklės išsivystė iš daugiažingsnės vitamino B12 sintezės teorinio išnagrinėjimo.

Ekologiškai švarus Veidrodžių šalies pienas  

2021 m. Nobelio premija chemijos srityje skirta už asimetrinės organinės katalizės vystymą B. Listui4) (Vokietija) ir D. MakMilanui5) (JAV). Pirmasis parodė, kad „veidrodinių“ molekulių sintezėje katalizatoriumi gali būti amino rūgštis. Beveik tuo pat metu MakMilanas aptiko, kad nedidelės organinės molekulės gali pakeisti neekologiškus metaorganinius katalizatorius – ir tam pasiūlė naują „organokatalizės“ terminą. Katinas

- Ar tau, Kačiuk, patiktų gyventi Veidrodžio name? Kažin, ar tau duotų ten pieno? O gal Veidrodžio pienas neskanus ir netinka lakti?

M. Gartneris, vienas didžiausių mokslo populiarintojų ir L. Kerolio kūrybos žinomas, „Anotuotoje Alisoje“ (1960) palaiko tokią patrauklią hipotezę: ši ištraukėlė iš pačios „Alisos Veidrodžių šalyje“ pradžios yra pokštas apie optinius izomerus, o kalbant šiuolaikiniais terminais, apie chiralumo reiškinį.

Pačią izomerų koncepciją dar 1827 m. suformulavo Fridrichas Violeris 6) - jis tyrė sidabro druskas ir aptiko, kad sidabro fulminatas ir cianatas turi skirtingas savybes, nors yra vienodos sudėties. Juk logiška, jei medžiagos skiriasi atomų jungtimis, tad AgNCO (sidabro cianatas) ir AgCNO (sidabro fulminatas) reiškia skirtingas medžiagas. O gal ta pačia eile sujungti atomai turės visiškai kitokias savybes dėl besiskiriančios erdvinės geometrijos? Iš pirmo žvilgsnio atrodanti absurdiška idėja, 20 a. ji tapo viena iš chemijos grožio iliustracijų, o A. Azimovas savo „Trumpoje chemijos istorijoje“ (1965) optinei izomerijai skyrė visą skyrių.

O viskas prasidėjo Ž.-B. Bio7) atradimu (1815), kad daugelis kristalų ir skysčių (pvz., sacharozės tirpalas) pasuka šviesos poliarizacijos plokštumą – ir tirpalų atveju kampas tiesiogiai priklauso nuo koncentracijos. Šį efektą aktyviai naudojo cukrų turinčių tirpalų analizei, tačiau jo priežastį sugebėjo paaiškinti tik 1848 m. – tai buvo pirmas reikšmingas jaunojo L. Pastero pasiekimas. Tyrinėdamas tartratus, vyno rūgšties druskas, jis atkreipė dėmesį į skirtingas kristalų formas – jie buvo veidrodiški vienas kito atspindžiai. Ir jis įsitikino, kad vienos formos kristalai poliarizacijos plokštumą kreipė pagal laikrodžio rodyklę, o kitos – prieš. Jis kristalų formą susiejo su pačių molekulių forma, šioms irgi pritaikęs veidrodinį atspindį – ir taip gimė chiralumo (iš gr. „ranka“) idėja, nors patį pavadinimą dar 1904 m. pasiūlė lordas Kelvinas.

Tačiau L. Pasterui nepavyko pagrindinis dalykas: iš biologinių šaltinių išgauti tartratai buvo tik sukantys į dešinę, o sintezės laboratorijoje metu buvo gaunami pavyzdžiai su abiem kristalų formomis – ir todėl jie nekeitė poliarizacijos plokštumos. Tarytum gamtoje egzistuotų mechanizmas, leidžiantis susidaryti tik vienos formos izomerui...

Vėliau paaiškėjo, kad ir beveik visa gamta Žemėje homochiralinė – t.y. pirmenybę teikia konkretiems optiniams izomerams. Pvz., 19 iš 20 natūralių amino rūgščių sukančios į kairę, o natūralūs cukrūs daugiausia sukantys į dešinę. Tad Veidrodžio šalyje Kačiukas tiesiog negalėtų virškinti Veidrodžio pieno su poliarizacijos plokštumą į kairę sukančiu laktozės cukrumi. Taigi, tos pienas katėms bus ne tik kad neskanus, bet dar ir kenksmingas! Homochiralumas susijęs ne vien tik su maistu: mūsų skonių ir pojūčių centrai irgi „nuderinti“ tam tikriems optiniams izomerams – štai ir mėta, ir kmynai kvepia skirtingais karvono izomerais.

Fantastikoje neretas siužetas, kai nežemiška gyvybė sudaryta į dešinę sukančių amino rūgščių. Vienu pirmųjų yra A. Klarko „Techninė klaida“ (1950), kai per atsitiktinumą žmogus pakeičiamas „veidrodiniu“. „Star Trek“ ciklo „Spokas turi mirti!“ (1970) „Enterprise“ mokslinis darbuotojas transportavimo sutrikimo metu virsta veidrodine kopija ir yra priverstas gamintis jam tinkantį maistą. R. Zelazny „Durys smėlyje“ (1976) ateivių prietaisas keičia chiralumą. D. Suarez’o „Pakeistas agentas“ (2017) pagrindinis veikėjas pasirodo esąs genų inžinerijos sukurtas veidrodinis asmuo – jis kitiems žmonėms sukelia pasibjaurėjimą vien savo pasirodymu. O vienas naujesnių pavyzdžių – „Mass Effect“ video žaidimų serija, kur kvariancų rasės negali valgyti žemiško maisto.

Viskas dar rimčiau, kai klausimas liečia vaistus. Čia jau tenka pakalbėti ir apie fermentus bei katalizatorius. Aprašant baltyminius katalizatorius-fermentus, dažnai panaudoja „spynos ir rakto“ metaforą, nors vis tik tikslesne būtų „pirštinės ir rankos“ metafora. Ar kada bandėte įkišti ranką į ne savo dydžio pirštinę? O su kitu pirštų kiekiu? O visiškai kitos formos? Jei pirštinė netinka tik šiek tiek, greičiausiai ją užsimausite, tačiau dirbti su įrankiais ar rašyti bus kiek sunkiau. Tačiau ją kiek ištampius, reikalai gali pagerėti – chemijos kalba tai energetinio barjero sumažinimas. Sąveikaujant fermentui ir substratui, jis susijungia su aktyviu fermento centru, kas šiek tiek keičia abiejų molekulių formą ir leidžia pagreitinti cheminės reakcijos vyksmą.

Kaip jau tikriausiai supratote, dažnai aktyvūs fermentų centrai „suderinti“ konkretiems optiniams izomerams, kas nulemia didžiosios vaistų dalies biologinį aktyvumą, veikiančių kaip specifiniai inhibitoriai ir, kaip taisyklė, konkuruojantys su substratu dėl aktyvaus fermento centro. Neteisingo izomero vaiste panaudojimas gali sukelti baisias pasekmes – pvz., dešininio pakreipimo penicilaminas gerai gydo reumatinį artritą, tačiau kirinio pakreipimo – labai toksiškas.

Kadangi svarbiausiu chiralumo požymiu yra asimetrinio anglies atomo (t.y. turinčio 4-is skirtingus sukeitėjus) buvimas jo formulėje, tas šią chemijos kryptį vadina asimetrine sinteze, kuri per paskutiniuosius 30 m. tapo viena „karščiausių“ sričių.

Asimetrinė organokatalizė įdomi ir kitkuo. Daug cheminių reakcijų pagreitėja naudojant katalizatorius metalo pagrindu – prisiminkime kad ir platiną ir paladį, naudojamus naftos perdirbimo pramonėje. Beje, už chiralinių metodų kūrimą jau teikė Nobelio premiją – ją 2001 m. gavo R. Nojoris, B. Šarplesas ir V. Noulzas.

Tačiau idėjos sparčiai sensta – dabar energingai vystoma organokatalizė (t.y., kai naudojamos molekulės tik iš anglies, vandenilio, deguonies, azoto ir sieros atomai, kartais dar panaudojant halogenus ir fosforą). Juk metalų, ypač platininių, atsargos nėra didelės, daugelis jų brangūs, juos nelengva perdirbti, jie stipriai teršia aplinką, - tad netinka „žaliajai chemijai“.

Vis tik, reiktų priminti, kad iš tikro pirmojoje patvirtintoje chirališkai selektyviose sintezėje, kurią dar 1904 m. atliko V. Markvaldas8), katalizatoriumi naudotas alkaloidas brucinas, tikrų tikriausias organokatalizatorius! B. Listo ir D. MakMilano nuopelnas tame, kad jų pasiūlyti katalizatoriai gali būti efektyviai panaudoti bazinėse reakcijose, leidžiančioms plytelė po plytelės chirališkai selektyviai konstruoti įvairiausias medžiagas – ir su mažesniu kenkimu gamtai. Taigi, jų darbas leidžia savo rankomis pagaminti Veidrodžio šalies pieną!?

1) Inga Fišer-Jalmars (Inga Fischer-Hjalmars, 1918-2008) – švedų fizikė, chemikė, farmakologė, humanistė, kvantinės chemijos pradininkė. Buvo pirmąja teorinės fizikos profesore Švedijoje. 8-9 dešimtm. su grupe mokslininkų atliko tyrimus, leidusius geriau suprasti biochemines sistemas neretai turinčias sudėtingą elektroninę struktūrą.

2) Roaldas Hofmanas (Roald Hoffmann, g. 1937 m.) – lenkų kilmės amerikiečių chemikas, Nobelio premijos laureatas (1981). Karo metais pateko į vokiečių darbo stovyklą, iš kurios slapta pasišalino 1943 m. pradžioje ir toliau slapstėsi Ukrainoje. 1949 m. persikėlė į JAV, kur baigė mokslus. 1965 m. kartu su R. Vudvordu suformulavo orbitalinės simetrijos išsaugojimo principą. Kornelio un-te sukūrė apibendrintą atomų ir molekulių susidūrimų kvantinę teoriją. 1986-88 m. dalyvavo TV kuriant chemijos įvadinį kursą „Chemijos pasaulis“ iš 26 pusvalandžio trukmės laidų. Be chemijos, rašo pjeses ir eilėraščius.

3) Robertas Vudvordas (Robert Burns Woodward, 1917-1979) – amerikiečių chemikas organikas, prisidėjęs prie sudėtingų gamtinių produktų sintezės ir struktūros nustatymo, Nobelio premijos laureatas (1965). 7-me dešimtm. susintetino nemažai sudėtingų produktų: chininą, kortizoną, chrorofilą, tetracikliną, cholesteriną ir kt., o taip pat nustatė kai kurių junginių struktūrą: strichnino, oksitetraciklino, aureomicino, magnamicino. Antrojo pasaulinio karo metais buvo Karo tarybos konsultantu penicilino gamybos projekte. 7-me dešimtm. ėmėsi vitamino B12 sintezės užbaigdamas darbą 1973 m., nors iki pat 2006 m. beveik jokių publikacijų apie pilną jo sintezę nepasirodė. Jo paskaitos tapo legenda – trukdavo 3-4 val. Benjaminas Listas; Deividas MakMilanas

4) Benjaminas Listas (Benjamin List, g. 1968 m.) – vokiečių chemikas, Nobelio premijos laureatas (2021). Laikomas vienu iš organokatalizės, naudojančios nemetalinius ir beenziminius katalizatorius, pradininkų. Pvz., jis atrado galimybę naudoti amino rūgštis kaip efektyvius chiralinius katalizatorius aldolinėse reakcijose, kuriose anglies atomai iš dviejų skirtingų molekulių yra susiejami. Taip pat surado naujus metodus tekstilės organinei katalizei – šie metodai dali, pvz., naudoti vandenį neturint švaraus vandens.

5) Deividas MakMilanas (David William Cross MacMillan, g. 1968 m.) – škotų chemikas, Nobelio premijos laureatas (2021), šiuo metu (nuo 1990 m.) dirbantis JAV universitetuose; daugelio kompanijų konsultantas. Laikomas vienu iš organokatalizės pradininkų. Jis sukūrė katalizatorius, galinčius vykdyti asimetrines reakcijas. Jo grupė panaudojo juos daugelio natūralių produktų sintezei; sukūrė chiralinius imidazolidinoninius katalizatorius. 2009-14 m. buvo „Chemical Science“ vyr. redaktoriumi.

6) Fridrichas Violeris (Friedrich Wöhler,1800-1882 ) – vokiečių chemikas, vienas iš organinės chemijos pradininkų, pagal išsilavinimą - gydytojas. 1824 m. atrado oksalo rūgštį, o taip pat susintetinti pirmąją organinę medžiagą, karbamidą, iš amonijaus cianato – ir taip sudavė smūgį vitalizmui. Jo garbei pavadintas krateris Mėnulyje.
Po F. Violerio mirties Bavarijos laikraštyje buvo įdėta tokia žinutė: „Violeris jaunystėje su užsidegimu studijavo ginekologiją. Ja tebesidomėjo iki vėlyvos senatvės, nes ir jau garbingo amžiaus dar tebejautė silpnybę gražioms moterims“.

7) Žanas-Batistas Bio (Jean-Baptiste Biot, 1774-1862) – prancūzų fizikas, astronomas, matematikas. Išvedė Bio-Savarto dėsnį aprašantį magnetinio lauko sukūrimą tekant pastoviai srovei, įrodė meteoritų tikrumą, skrido balionu ir tyrinėjo šviesos poliarizaciją (pirmas veikalas šia tema pasirodė 1812 m.; vėliau buvo dar apie 30 publikacijų). Svarbiausi atradimai optikos srityje: a) turmalino savybė dvejinti šviesos spindulius, poliarizuoti juos ir sugerti vieną jų; b) nustatyti dėsniai, kai kvarco ir kai kurių skysčių pagalba pasukama šviesos poliarizacijos plokštuma. Šiuos atradimus jis labai vertino ir parašė jų atradimų istoriją su visais pritaikymais (1860). Parašė veikalą apie indų ir kinų astronomiją (1861) - savo anksti mirusio sūnaus priminimui. Jo garbei pavadintas krateris Mėnulyje ir mineralas biotitas.

8) Vilis Markvaldas (Willy Marckwald, 1864-1942) – vokiečių chemikas. Po 1899 m. jis sukūrė kelias strategijas enantoriniam raceminių mišinių atskyrimui ir enantiselektyvioms sintezėms; pvz., panaudodamas chiralinį katalizatorių bruciną atliko asimetrinę katalizę (1904). Apie 1900 m. jis ne tik ėmė daugiau užsiiminėti teorija, bet ir susidomėjo radioaktyviais junginiais. 1902 m. jis iš 5 t urano rūdos išskyrė 3 mg polonio, kurį pavadino radio-telūru. 1904 m. parašė monografiją apie radioaktyvumą.

Skaičiai kolboje
Tulis ir samaris
Augalai - chemikai
Metalinis vandenilis
Šaltoji branduolių sintezė
Lutecis: paskutinis iš lantanoidų
Galvaninės teorijos pradžia
Vilniaus Universiteto chemikai
Kodėl chemikai nemėgsta J ir Q
VU 19 a. pradžios kultūrinės idėjos
Celuloidas – plastmasių prosenelis
Kelionė po cheminių elementų lentelę
Kvantinė chemija – ateities mokslas?
Mokslo riboženkliai: 1867-ieji – kartų kaita
Chemikai: Nobelio premijos laureatai
Amžinas judėjimas laiko kristaluose
Elektra, kol dar nebuvo vartotojų
3-iojo tūkstantmečio mokslas
Garo tramdytojas
Kvantinis chaosas
Vartiklis