Vorig jaar ging de Nobelprijs Chemie naar Benjamin List en David MacMillan voor ‘de ontwikkeling van asymmetrische organokatalyse’. Dit is een mooi voorbeeld van een fundamenteel wetenschappelijke ontdekking die al snel praktische toepassing vond.
Het gaat daarbij om chemisch ‘gereedschap’, dat helpt bij het bouwen van betere, nuttige moleculen. En dan liggen uitvindingen natuurlijk in het verschiet.
We bevinden ons hiermee in het vakgebied van de organisch chemische synthese. Simpel gezegd: het in elkaar zetten van nieuwe moleculen die bestaan uit skeletten en/of ringen. Die moleculen zijn hoofdzakelijk gemaakt op basis van koolstof en waterstof. Daarnaast zijn een beperkt aantal andere elementen zoals zuurstof, stikstof, fluor, chloor, zwavel hier onderdeel van. Organisch chemische moleculen zijn overal om ons heen te vinden. Denk aan coatings, cosmetica, kleurstoffen. Voor geneesmiddelen worden permanent veel nieuwe, vaak complexe organisch chemische moleculen ontwikkeld. Maar organische moleculen worden ook gebouwd voor toepassing in moderne elektronica. Neem de organische lichtgevende diodes voor toepassing in beeldschermen of organische geheugenopslag in smartcards.
Synthese is creëren
De synthese van organische moleculen is een creatief vak. Je moet een slimme volgorde van scheikundige reactiestappen (vaak vijf tot tien of meer) bedenken. Daarmee kun je delen van een molecuul maken, aan elkaar te zetten en wat aan zijgroepen te sleutelen. Dit gebeurt met diverse chemische gereedschappen. Denk aan reagentia, oplosmiddelen en heel belangrijk: katalysatoren. Dit zijn stoffen die zelf geen bouwsteen zijn voor het molecuul, maar die een reactiestap versnellen en/of beïnvloeden hoe de onderdelen aan elkaar komen te zitten.
Moleculen in spiegelbeeld
In veel complexe organische moleculen zit tenminste één chiraal koolstofatoom dat asymmetrisch is: er zit aan alle vier kanten een ander atoom of andere reeks atomen aan. Door de aanwezigheid van een asymmetrisch koolstofatoom komen deze moleculen in twee vormen voor. Beide hebben precies dezelfde onderdelen, in precies dezelfde onderlinge volgorde, maar de ene variant is het spiegelbeeld van de andere. Dit is goed te vergelijken met de linkerhand en de rechterhand. Beide hebben dezelfde handpalm en, in dezelfde onderlinge volgorde, dezelfde vingers. De linker- en rechterhand passen niet over elkaar, maar wel in spiegelbeeld tegen elkaar. Men spreekt in de chemie dan ook van chiraliteit, naar het oudgriekse woord voor hand (‘χείρ’). Een bekend voorbeeld hiervan zijn de spiegelbeelden (enantiomeren) van melkzuur in ‘linksdraaiende’ of ‘rechtsdraaiende’ yoghurt.
Vooral bij geneesmiddelen kan het maken van de juiste variant essentieel zijn. Meestal heeft het ene enantiomeer de gewenste genezende eigenschappen en het andere niet. Of zorgt de andere vorm juist voor de bijwerkingen. Een berucht voorbeeld hiervan is het slaapmiddel Softenon. Dat werd in de jaren zestig voorgeschreven aan zwangere vrouwen. Kinderen van deze vrouwen kregen onvolgroeide ledematen. Dit zou niet zijn gebeurd als het middel alleen bestond uit het ‘goede’ enantiomeer.
Organische moleculen versnellen reacties
Mede door dit soort voorvallen ging men er steeds meer toe over om de enantiomeren van elkaar te scheiden of selectief te synthetiseren. Meestal is dat een lastig proces. Bij selectief synthetiseren onderkenden chemici al dat katalysatoren kunnen beïnvloeden welk enantiomeer gevormd wordt. In 2001 werd de Nobelprijs chemie uitgereikt voor werk aan chiraal gekatalyseerde reacties.
Traditioneel bestonden er in de organische synthese twee grote groepen van katalysatoren: anorganische (op basis van metalen) en biochemische (enzymen). Uit oogpunt van duurzame chemie is het beter om metalen te vermijden. Enzymen zijn wat dat betreft geschikter, maar dit zijn zelf zeer complexe moleculen die vaak lastig te isoleren of te produceren zijn.
Begin van deze eeuw vonden, elk onafhankelijk, List en MacMillan een uitweg. Zij ontdekten dat ook simpele organische moleculen die een geschikte vorm van stikstof op een handige plek hebben, bepaalde chemische reacties konden versnellen. Dit opende het nieuwe gebied van de organokatalyse, dat sindsdien een grote vlucht heeft genomen.
Bij organokatalyse sloten verschillende dingen op elkaar aan. Doordat de katalysator zelf een organisch chemisch molecuul is, kunnen hiervan gemakkelijker varianten worden gemaakt dan bij traditionele katalysatoren. Er ontstonden zo veel meer mogelijkheden tot asymmetrische katalyse. Daarna konden van een aanzienlijk grotere verscheidenheid aan moleculen de juiste enantiomeren worden gesynthetiseerd. Daarbij wordt het, zonder metalen, ook veel meer mogelijk om de chemie van asymmetrische katalyse uit te voeren als groene, duurzame chemie.
Snoepwinkel voor chemici
Voor synthetisch chemici is organokatalyse een snoepwinkel voor het maken van nieuwe moleculen. Door het vakgebied ontstaan nieuwe katalysatoren en kunnen nieuwe stoffen gemaakt worden, zoals geneesmiddelen. Dit soort innovaties hebben ervoor gezorgd dat dit 21e-eeuwse vakgebied ook een plek heeft in het octrooirecht. Daarbij gaat het niet alleen om de katalysatoren en de geneesmiddelen. Ook de chemische synthese zelf is vaak een nieuw en inventief proces.
Dat Nobelprijswinnaars List en MacMillan de asymmetrische organokatalysatoren hebben ontdekt, wil niet zeggen dat het maken van een zuiver enantiomeer met een organische katalysator geen uitvinding meer kan zijn. In tegendeel. Zeker in een ‘unpredictable art’ zoals de chemie, is het bij een ingewikkeld molecuul dat chiraliteit bezit, niet te voorspellen hoe de zuivere enantiomeren kunnen worden verkregen. Er vallen voor goede synthetisch chemici nog vele mogelijk nuttige uitvindingen te oogsten.
Als u vragen heeft over dit onderwerp neemt u dan contact op met Hajo Kraak.
