2022 року Нобелівську премію з хімії отримали три науковці, котрі вигадали та розвинули так звану “клік-хімію” — модулярний синтез, коли стандартизована реакція з простих вихідних речовин може продукувати практично всі органічні молекули. Американський хімік Баррі Шарплесс (Barry Sharpless) першим представив “клік-хімію”, данський учений Мортен Мелдал (Morten Meldal) розробив для неї атомну реакцію, американська хімік Керолін Бертоцці (Carolyn Bertozzi) перенесла метод на живі клітини.
Родоначальники "клік-хімії" — лауреати Нобелівської премії 2022. Зображення: nobelprize.org.
Хімічні елементи періодичної таблиці можна збирати в різноманітні молекули хімічними реакціями та сполуками. Однак для створення складних молекул й активних речовин хімічний синтез часто вимагає реакції, котра має відбуватися в кілька етапів, що слідують один за одним і потребують спеціальних умов. З огляду на це, тривалий час виробництво складних речовин було трудомістким і неефективним.
Нобелівську премію з хімії 2022 року присудили трьом хімікам-органікам, які зробили вирішальний внесок у спрощення хімічного синтезу. Першим став американський хімік Баррі Шарплесс, який уже був лауреатом Нобелівської премії з хімії 2001 року. Тоді науковець шукав спосіб спростити складний синтез. Його ідея полягала у використанні простих поширених реакцій як інструмента, за допомогою якого постає модулярний синтез, що створюватиме найрізноманітніші продукти з простих вихідних речовин.
Такий підхід можна порівняти із задумом виробника меблів “Ikea”: стандартизовані, ще не зібрані компоненти приходить у посилці разом із простими інструментами й інструкціями, тож їх просто зібрати в полицю або шафу. У своїй технічній статті, опублікованій 2001 року, цей хімічний принцип Шарплесс і його колеги також називають модульним, адже елементи просто “з'єднуються” між собою. Так Шарплесс заклав підвалини “клік-хімії”.
Крім того, тоді учені сформулювали критерії, яким повинні відповідати реакції та вихідні матеріали для належного модульного синтезу: хімічні реакції мусять бути ефективними, відбуватися за наявності кисню і води, без спеціальних розчинників, щоб зробити їх максимально універсальними. Крім того, вихідні матеріали повинні бути легкодоступними, а побічні продукти — легко відокремлювані. Тоді хіміки також запропонували перші реакції, які можна було вважати інструментами “клік-хімії”.
У "клік-реакції" функціональні азинові та алкільні групи реагують одна з одною, зв'язуючи вихідні молекули між собою. Зображення: nobelprize.org.
Серед реакцій, які запропонували Шарплесс і його колеги, була реакція, яку того ж року на симпозіумі представив данський хімік Мортен Мелдал — другий цьогорічний лауреат премії. Він з'ясував, що в органічній хімії певну реакцію синтезу, так зване циклоприєднання азид-алкіну, можна зробити значно ефективнішою, додавши мідний каталізатор. У цьому випадку високі температури більше не потрібні, реакція ж протікатиме практично сама собою і з високою дохідністю. У цьому каталізованому міддю азидно-алкільному циклоприєднанні азинові та алкільні групи працюють як два елементи замка: вони замикаються і розмикається почергово. Приєднуючи їх до органічних молекул, можна “збирати” все складніші конструкції. Сьогодні на цій реакції ґрунтується хімічний синтез, необхідний зокрема у виробництві ліків, пластмаси та незліченної кількості інших технічних, медичних і хімічних матеріалів.
Третя лауреатка, американська хімік Керолін Бертоцці, розширила засадничу реакцію “клік-хімії”, адаптувавши її до живих клітин. Так стало можливим, наприклад, приєднання флуоресцентних маркерних білків до клітинних речовин. Однак з огляду на те, що мідь токсична для клітин, вченій довелося розробити таку версію азид-алкінового циклоприєднання, котра б працювала без міді-каталізатора, але при цьому не потребувала додавання енергії й залишалася б ефективною. Зробити це вдалося завдяки використанню кільцеподібного варіанта алкіну.
Крім того, Бертоцці доповнила раніше відому реакцію синтезу — реакцію Штаудінгера, — завдяки чому її можна використовувати для “зчеплення” молекул у клітинному середовищі. Для клітинної “клік-хімії” учена придумала термін “біоортогональної реакції”. За визначенням, це реакції функціональних груп, які настільки селективні, що можуть зв'язувати молекули навіть у високодинамічному і складному біологічному середовищі.
“Разом досягнення і відкриття Каролін Бертоцці, Мортена Мелдала і К. Баррі Шарплесса здійснили неймовірний вплив на наше суспільство, — зазначили в Нобелівському фонді. — Новими концепціями і високоефективними методами лауреати розширили можливості покращення нашого світу та нашого життя — на благо людства”.
Nadja Podbregar
Chemie-Nobelpreis für die „Click-Chemie“
Nobelpreis-Stiftung, 5.10. 2022
16.10.2022