p Dois cientistas ganharam o Prêmio Nobel de Química na quarta-feira por encontrar uma maneira engenhosa e ambientalmente mais limpa de construir moléculas - uma abordagem agora usada para fazer uma variedade de compostos, incluindo medicamentos e pesticidas. p O trabalho de Benjamin List e David W.C. MacMillan permitiu que os cientistas produzissem essas moléculas de forma mais barata, eficientemente, com segurança e com significativamente menos resíduos perigosos.

p "Já está beneficiando muito a humanidade, "disse Pernilla Wittung-Stafshede, um membro do painel do Nobel.

p Foi o segundo dia consecutivo que um trabalho premiado com o Nobel teve implicações ambientais. O prêmio de física homenageou desenvolvimentos que expandiram nossa compreensão das mudanças climáticas, poucas semanas antes do início das negociações climáticas globais na Escócia.

p O prêmio de química se concentrou na formação de moléculas. Isso requer a ligação de átomos em arranjos específicos, uma tarefa muitas vezes difícil e lenta. Até o início do milênio, os químicos tinham apenas dois métodos - ou catalisadores - para acelerar o processo, usando enzimas complicadas ou catalisadores de metal.

p Tudo isso mudou quando List, do Instituto Max Planck na Alemanha, e MacMillan, da Princeton University em New Jersey, relataram independentemente que pequenas moléculas orgânicas podem ser usadas para fazer o trabalho. As novas ferramentas têm sido importantes para desenvolver medicamentos e minimizar falhas na fabricação de medicamentos, incluindo problemas que podem causar efeitos colaterais prejudiciais.

p Johan Åqvist, presidente do painel do Nobel, chamou o método de "simples e engenhoso".

p "O fato é que muitas pessoas se perguntam por que não pensamos nisso antes, " ele adicionou.

p MacMillan disse que ganhar o prêmio o deixou "surpreso, chocado, feliz, muito orgulhoso."

p "Eu cresci na Escócia, uma criança da classe trabalhadora. Meu pai é metalúrgico. Minha mãe ajudava em casa. … Tive a sorte de ter a chance de vir para a América, para fazer meu Ph.D., " ele disse.

p Na verdade, ele disse em uma entrevista coletiva em Princeton, ele estava planejando seguir seu irmão mais velho para a física, mas as aulas de física na faculdade eram às 8h em uma sala fria e com vazamentos na chuvosa Escócia, enquanto os cursos de química eram duas horas mais tarde, no aquecimento, espaços mais secos. Enquanto ele contava essa história, ele disse que podia ouvir sua esposa implorando para que ele não compartilhasse isso.

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p Ele disse que a inspiração para seu trabalho ganhador do Nobel veio ao pensar sobre o processo sujo de fabricação de produtos químicos - que requer precauções que ele comparou àquelas tomadas em usinas nucleares.

p Se ele pudesse conceber uma maneira de tornar os medicamentos mais rápidos por meios completamente diferentes que não exigissem cubas de catalisadores de metal, o processo seria mais seguro para os trabalhadores e para o planeta, ele raciocinou.

p List disse que inicialmente não sabia que MacMillan estava trabalhando no mesmo assunto e percebeu que seu próprio palpite poderia ser apenas uma "ideia estúpida" - até que funcionou. Naquele momento eureka, "Eu realmente senti que isso poderia ser algo grande, "disse o homem de 53 anos.

p H.N. Cheng, presidente da American Chemical Society, disse que os laureados desenvolveram "novas varinhas mágicas".

p Antes de seu trabalho, "os catalisadores padrão frequentemente usados ​​eram metais, que frequentemente têm desvantagens ambientais, "Cheng disse." Eles se acumulam, eles lixiviam, eles podem ser perigosos. "

p Os catalisadores que MacMillan e List foram pioneiros "são orgânicos, então eles irão degradar mais rápido, e também são mais baratos, " ele disse.

p O painel do Nobel observou que suas contribuições facilitaram a produção de medicamentos importantes, incluindo um antiviral e um medicamento ansiolítico.

p "Uma maneira de ver o trabalho deles é como carpintaria molecular, "disse John Lorsch, diretor do Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais dos Institutos Nacionais de Saúde dos EUA.

p "Eles encontraram maneiras não apenas de acelerar a união química, " ele disse, "mas para ter certeza de que só vai na direção de destros ou canhotos."

p A capacidade de controlar a orientação em que novos átomos são adicionados às moléculas é importante. Não fazer isso pode resultar em efeitos colaterais nas drogas, o painel do Nobel explicou, citando o exemplo catastrófico da talidomida, que causou graves defeitos de nascença em crianças.

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p Desde a descoberta dos cientistas, a ferramenta foi ainda mais refinada, tornando-o muitas vezes mais eficiente.

p Peter Somfai, outro membro do comitê, destacou a importância da descoberta para a economia mundial.

p “Estima-se que a catálise seja responsável por cerca de 35% do PIB mundial, que é uma figura bastante impressionante, "disse ele." Se tivermos uma alternativa mais ecológica, espera-se que isso faça a diferença. "

p O NIH apoiou a pesquisa de List com uma bolsa em 2002. O trabalho de MacMillan recebeu financiamento do NIH desde 2000, por um total de cerca de US $ 14,5 milhões até o momento.

p "É um ótimo exemplo de apoio à ciência básica que você não sabe necessariamente para onde está indo", mas pode ter um grande impacto, disse Francis Collins, Diretor do NIH.

p O Nobel vem com uma medalha de ouro e 10 milhões de coroas suecas, , ou mais de $ 1,14 milhão. O dinheiro vem de uma herança deixada pelo criador do prêmio, O inventor sueco Alfred Nobel, que morreu em 1895.

p Nos próximos dias, Serão premiados nobres de literatura, paz e economia.

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p Comunicado de imprensa do Comitê Nobel:Prêmio Nobel de Química 2021

p A Real Academia Sueca de Ciências decidiu conceder o Prêmio Nobel de Química 2021 a

p Benjamin List
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr, Alemanha

p David W.C. MacMillan
Universidade de Princeton, EUA

p "para o desenvolvimento de organocatálise assimétrica"

p Uma ferramenta engenhosa para construir moléculas

p Construir moléculas é uma arte difícil. Benjamin List e David MacMillan recebem o Prêmio Nobel de Química 2021 pelo desenvolvimento de uma nova ferramenta precisa para a construção molecular:a organocatálise. Isso teve um grande impacto na pesquisa farmacêutica, e tornou a química mais verde.

p Muitas áreas de pesquisa e indústrias dependem da capacidade dos químicos de construir moléculas que podem formar materiais elásticos e duráveis, armazenar energia em baterias ou inibir a progressão de doenças. Este trabalho requer catalisadores, que são substâncias que controlam e aceleram as reações químicas, sem se tornar parte do produto final. Por exemplo, os catalisadores nos carros transformam as substâncias tóxicas dos gases de escapamento em moléculas inofensivas. Nossos corpos também contêm milhares de catalisadores na forma de enzimas, que esculpe as moléculas necessárias para a vida.

p Catalisadores são, portanto, ferramentas fundamentais para químicos, mas os pesquisadores acreditaram por muito tempo que havia, em princípio, apenas dois tipos de catalisadores disponíveis:metais e enzimas. Benjamin List e David MacMillan recebem o Prêmio Nobel de Química 2021 porque em 2000 eles, independentes um do outro, desenvolveu um terceiro tipo de catálise. É chamado de organocatálise assimétrica e se baseia em pequenas moléculas orgânicas.

p "Este conceito de catálise é tão simples quanto engenhoso, e o fato é que muitas pessoas se perguntam por que não pensamos nisso antes, "diz Johan Åqvist, que é presidente do Comitê Nobel de Química.

p Os catalisadores orgânicos têm uma estrutura estável de átomos de carbono, aos quais mais grupos químicos ativos podem se anexar. Muitas vezes contêm elementos comuns, como oxigênio, azoto, enxofre ou fósforo. Isso significa que esses catalisadores são ecologicamente corretos e baratos de produzir.

p A rápida expansão no uso de catalisadores orgânicos deve-se principalmente à sua capacidade de conduzir a catálise assimétrica. Quando as moléculas estão sendo construídas, situações geralmente ocorrem onde duas moléculas diferentes podem se formar, que - assim como nossas mãos - são a imagem espelhada uma da outra. Muitas vezes, os químicos só querem um desses, particularmente na produção de produtos farmacêuticos.

p A organocatálise se desenvolveu em uma velocidade surpreendente desde 2000. Benjamin List e David MacMillan permanecem líderes no campo, e mostraram que catalisadores orgânicos podem ser usados ​​para conduzir uma infinidade de reações químicas. Usando essas reações, os pesquisadores agora podem construir de forma mais eficiente qualquer coisa, desde novos produtos farmacêuticos até moléculas que podem capturar luz em células solares. Desta maneira, os organocatalisadores estão trazendo o maior benefício para a humanidade.

p Informação popular

p Suas ferramentas revolucionaram a construção de moléculas

p Os químicos podem criar novas moléculas ligando pequenos blocos de construção químicos, mas controlar as substâncias invisíveis para que se liguem da maneira desejada é difícil. Benjamin List e David MacMillan recebem o Prêmio Nobel de Química 2021 pelo desenvolvimento de uma ferramenta nova e engenhosa para a construção de moléculas:a organocatálise. Seus usos incluem a pesquisa de novos produtos farmacêuticos e também ajudou a tornar a química mais verde.

p Muitas indústrias e campos de pesquisa dependem da capacidade dos químicos de construir moléculas novas e funcionais. Podem ser qualquer coisa, desde substâncias que capturam luz em células solares ou armazenam energia em baterias, a moléculas que podem fazer tênis leves ou inibir o progresso de doenças no corpo.

p Contudo, se compararmos a capacidade da natureza de construir criações químicas com as nossas, estávamos há muito presos na Idade da Pedra. O Evolution produziu ferramentas incrivelmente específicas, enzimas, para construir os complexos moleculares que dão formas à vida, cores e funções. Inicialmente, quando os químicos isolaram essas obras-primas químicas, eles apenas olhavam para eles com admiração. Os martelos e cinzéis em suas próprias caixas de ferramentas para construção molecular eram cegos e não confiáveis, então, muitas vezes acabavam com muitos subprodutos indesejados quando copiavam os produtos da natureza.

p Novas ferramentas para química mais fina

p Cada nova ferramenta que os químicos adicionaram à sua caixa de ferramentas aumentou a precisão de suas construções moleculares. Devagar mas seguro, a química progrediu do cinzelamento na pedra para algo mais parecido com um fino artesanato. Isso tem sido um grande benefício para a humanidade e várias dessas ferramentas foram recompensadas com o Prêmio Nobel de Química.

p A descoberta de ter recebido o Prêmio Nobel de Química em 2021 elevou a construção molecular a um nível inteiramente novo. Não só tornou a química mais verde, mas também tornou muito mais fácil produzir moléculas assimétricas. Durante a construção química, muitas vezes surge uma situação em que duas moléculas podem se formar, que - assim como nossas mãos - são a imagem espelhada uma da outra. Os químicos geralmente querem apenas uma dessas imagens no espelho, particularmente na produção de produtos farmacêuticos, mas tem sido difícil encontrar métodos eficientes para fazer isso. O conceito desenvolvido por Benjamin List e David MacMillan - organocatálise assimétrica - é tão simples quanto brilhante. O fato é que muitas pessoas se perguntam por que não pensamos nisso antes.

p Por que de fato? This is no easy question to answer, but before we even try we need to take a quick look back at history. We will define the terms catalysis and catalyst, and set the stage for the Nobel Prize in Chemistry 2021.

p Catalysts accelerate chemical reactions

p In the nineteenth century, when chemists began exploring the ways that different chemicals react with each other, they made some strange discoveries. Por exemplo, if they put silver in a beaker with hydrogen peroxide (H2O2), the hydrogen peroxide suddenly began to break down into water (H2O) and oxygen (O2). But the silver – which started the process – did not seem affected by the reaction at all. De forma similar, a substance obtained from sprouting grains could break down starch into glucose.

p In 1835, the renowned Swedish chemist Jacob Berzelius started to see a pattern in this. In the Royal Swedish Academy of Sciences' annual report, describing the latest progress in physics and chemistry, he writes about a new "force" that can "generate chemical activity". He listed several examples in which just the presence of a substance started a chemical reaction, stating how this phenomenon appeared to be considerably more common than was previously thought. He believed that the substance had a catalytic force and called the phenomenon itself catalysis.

p Catalysts produce plastic, perfume and flavoursome food

p A great deal of water has run through chemists' pipettes since Berzelius' time. They have discovered a multitude of catalysts that can break down molecules or join them together. Thanks to these, they can now carve out the thousands of different substances we use in our everyday lives, such as pharmaceuticals, plásticos, perfumes and food flavourings. The fact is, it is estimated that 35 per cent of the world's total GDP in some way involves chemical catalysis.

p Em princípio, all catalysts discovered before the year 2000 belonged to one of two groups:they were either metals or enzymes. Metals are often excellent catalysts because they have a special ability to temporarily accommodate electrons or to provide them to other molecules during a chemical process. This helps loosen the bonds between the atoms in a molecule, so bonds that are otherwise strong can be broken and new ones can form.

p Contudo, one problem with some metal catalysts is that they are very sensitive to oxygen and water so, for these to work, they need an environment free of oxygen and moisture. This is difficult to achieve in large-scale industries. Também, many metal catalysts are heavy metals, which can be harmful to the environment.

p Life's catalysts work with astounding precision

p The second form of catalyst is comprised of the proteins known as enzymes. All living things have thousands of different enzymes that drive the chemical reactions necessary for life. Many enzymes are specialists in asymmetric catalysis and, em princípio, always form one mirror image out of the two that are possible. They also work side by side; when one enzyme is finished with a reaction, another one takes over. Desta maneira, they can build complicated molecules with amazing precision, such as cholesterol, chlorophyll or the toxin called strychnine, which is one of the most complex molecules we know of (we will return to this).

p Because enzymes are such efficient catalysts, researchers in the 1990s tried to develop new enzyme variants to drive the chemical reactions needed by humanity. One research group working on this was based at the Scripps Research Institute in southern California and was led by the late Carlos F. Barbas III. Benjamin List had a postdoctoral position in Barbas' research group when the brilliant idea that led to one of the discoveries behind this year's Nobel Prize in Chemistry was born.

p Benjamin List thinks outside the box…

p Benjamin List worked with catalytic antibodies. Normalmente, antibodies attach to foreign viruses or bacteria in our bodies, but the researchers at Scripps redesigned them so they could drive chemical reactions instead.

p During his work with catalytic antibodies, Benjamin List started to think about how enzymes actually work. They are usually huge molecules that are built from hundreds of amino acids. In addition to these amino acids, a significant proportion of enzymes also have metals that help drive chemical processes. But – and this is the point – many enzymes catalyse chemical reactions without the help of metals. Em vez de, the reactions are driven by one or a few individual amino acids in the enzyme. Benjamin List's out-of-the-box question was:do amino acids have to be part of an enzyme in order to catalyse a chemical reaction? Or could a single amino acid, or other similar simple molecules, do the same job?

p …with a revolutionary result

p He knew that there was research from the early 1970s where an amino acid called proline had been used as a catalyst – but that was more than 25 years ago. Surely, if proline really had been an effective catalyst, someone would have continued working on it?

p This is more or less what Benjamin List thought; he assumed that the reason why no one had continued studying the phenomenon was that it had not worked particularly well. Without any real expectations, he tested whether proline could catalyse an aldol reaction, in which carbon atoms from two different molecules are bonded together. It was a simple attempt that, amazingly, worked straight away.

p Benjamin List staked out his future

p With his experiments, Benjamin List not only demonstrated that proline is an efficient catalyst, but also that this amino acid can drive asymmetric catalysis. Of the two possible mirror images, it was much more common for one of them to form than the other.

p Unlike the researchers who had previously tested proline as a catalyst, Benjamin List understood the enormous potential it could have. Compared to both metals and enzymes, proline is a dream tool for chemists. It is a very simple, cheap and environmentally-friendly molecule. When he published his discovery in February 2000, List described asymmetric catalysis with organic molecules as a new concept with many opportunities:"The design and screening of these catalysts is one of our future aims".

p Contudo, he was not alone in this. In a laboratory further north in California, David MacMillan was also working towards the same goal.

p David MacMillan leaves sensitive metals behind…

p Two years previously, David MacMillan had moved from Harvard to UC Berkeley. At Harvard he had worked on improving asymmetric catalysis using metals. This was an area which was attracting a lot of attention from researchers, but David MacMillan noted how the catalysts that were developed were rarely used in industry. He started to think about why, and assumed that the sensitive metals were quite simply too difficult and expensive to use. Achieving the oxygen-free and moisturefree conditions demanded by some metal catalysts is relatively simple in a laboratory, but conducting large-scale industrial manufacturing in such conditions is complicated.

p His conclusion was that if the chemical tools he was developing were to be useful, he needed a rethink. Então, when he moved to Berkeley, he left the metals behind.

p …and develops a simpler form of catalyst

p Em vez de, David MacMillan started to design simple organic molecules which – just like metals – could temporarily provide or accommodate electrons. Here, we need to define what organic molecules are – in brief, these are the molecules that build all living things. They have a stable framework of carbon atoms. Active chemical groups are attached to this carbon framework, and they often contain oxygen, azoto, sulphur or phosphorus.

p Organic molecules thus consist of simple and common elements but, depending on how they are put together, they can have complex properties. David MacMillan's knowledge of chemistry told him that for an organic molecule to catalyse the reaction he was interested in, it needed to be able to form an iminium ion. This contains a nitrogen atom, which has an inherent affinity for electrons.

p He selected several organic molecules with the right properties, and then tested their ability to drive a Diels–Alder reaction, which chemists use to build rings of carbon atoms. Just as he had hoped and believed, it worked brilliantly. Some of the organic molecules were also excellent at asymmetric catalysis. Of two possible mirror images, one of them comprised more than 90 per cent of the product.

p David MacMillan coins the term organocatalysis

p When David MacMillan was ready to publish his results, he realised that the concept for catalysis he had discovered needed a name. The fact was that researchers had previously succeeded in catalysing chemical reactions using small organic molecules, but these were isolated examples and no one had realised that the method could be generalised.

p David MacMillan wanted to find a term to describe the method so other researchers would understand that there were more organic catalysts to discover. His choice was organocatalysis.

p In January 2000, just before Benjamin List published his discovery, David MacMillan submitted his manuscript for publication in a scientific journal. The introduction states:"Herein, we introduce a new strategy for organocatalysis that we expect will be amenable to a range of asymmetric transformations".

p The use of organocatalysis has boomed

p Independently of each other, Benjamin List and David MacMillan had discovered an entirely new concept for catalysis. Since 2000, developments in this area can almost be likened to a gold rush, in which List and MacMillan maintain leading positions. They have designed multitudes of cheap and stable organocatalysts, which can be used to drive a huge variety of chemical reactions.

p Not only do organocatalysts often consist of simple molecules, in some cases – just like nature's enzymes – they can work on a conveyor belt. Anteriormente, in chemical production processes it was necessary to isolate and purify each intermediate product, otherwise the volume of byproducts would be too great. This led to some of the substance being lost at every step of a chemical construction.

p Organocatalysts are much more forgiving as, relatively often, several steps in a production process can be performed in an unbroken sequence. This is called a cascade reaction, which can considerably reduce waste in chemical manufacturing.

p Strychnine synthesis now 7, 000 times more efficient

p One example of how organocatalysis has led to more efficient molecular constructions is the synthesis of the natural, and astoundingly complex, strychnine molecule. Many people will recognise strychnine from books by Agatha Christie, queen of the murder mystery. Contudo, for chemists, strychnine is like a Rubik's Cube:a challenge that you want to solve in as few steps as possible.

p When strychnine was first synthesised, in 1952, it required 29 different chemical reactions and only 0.0009 per cent of the initial material formed strychnine. The rest was wasted.

p In 2011, researchers were able to use organocatalysis and a cascade reaction to build strychnine in just 12 steps, and the production process was 7, 000 times more efficient.

p Organocatalysis is most important in pharmaceutical production

p Organocatalysis has had a significant impact on pharmaceutical research, which frequently requires asymmetric catalysis. Until chemists could conduct asymmetric catalysis, many pharmaceuticals contained both mirror images of a molecule; one of these was active, while the other could sometimes have unwanted effects. A catastrophic example of this was the thalidomide scandal in the 1960s, in which one mirror image of the thalidomide pharmaceutical caused serious deformities in thousands of developing human embryos.

p Using organocatalysis, researchers can now make large volumes of different asymmetric molecules relatively simply. Por exemplo, they can artificially produce potentially curative substances that can otherwise only be isolated in small amounts from rare plants or deep-sea organisms.

p At pharmaceutical companies, the method is also used to streamline the production of existing pharmaceuticals. Examples of this include paroxetine, which is used to treat anxiety and depression, and the antiviral medication oseltamivir, which is used to treat respiratory infections.

p Simple ideas are often the most difficult to imagine

p It is possible to list thousands of examples of how organocatalysis is used – but why did no one come up with this simple, green and cheap concept for asymmetric catalysis earlier? This question has many answers. One is that the simple ideas are often the most difficult to imagine. Our view is obscured by strong preconceptions about how the world should work, such as the idea that only metals or enzymes can drive chemical reactions. Benjamin List and David MacMillan succeeded in seeing past these preconceptions to find an ingenious solution to a problem with which chemists had struggled for decades. Organocatalysts are thus bringing – right now – the greatest benefit to humankind. p © 2021 The Associated Press. Todos os direitos reservados. This material may not be published, broadcast, rewritten or redistributed without permission.