化学者は、新薬、エネルギー貯蔵材料、その他数え切れないほどの仕事のために、有用な新しい分子を設計するだけでなく、それらの分子を作るためのより良い方法を設計するという任務を常に負っています.大きなハードルの 1 つは、望ましい化学反応がしばしば遅く、または非効率的であり、触媒 (反応自体に関与することなく反応速度を加速できる物質) を追加することによってのみ実用化できることです。過去 2 世紀にわたり、化学触媒作用の世界は、酵素と金属という 2 つの主要な柱に支えられてきました。
しかし、2000 年に 2 人の化学者 (ドイツのマックス プランク石炭研究所のベンジャミン リストとプリンストン大学のデビッド マクミラン) が独立して第 3 の柱を導入し、2021 年のノーベル化学賞を受賞しました。彼らが開発した不斉有機触媒として知られるプロセスは、小さな有機分子を利用して、より迅速で効率的な反応を促進します。
ノーベル賞委員会によると、この研究は「化学分子を組み立てる方法についてのまったく新しい考え方」に拍車をかけました。
多くの化学反応における非効率性の原因の 1 つは、分子生成物の 2 つの鏡像形態、左手バージョンと右手バージョン (キラリティーとして知られる構造特性) を生成できることです。同じ構造を持っているにもかかわらず、ミラーツイン分子は同一ではなく、医薬品の場合、人に非常に異なる生理学的効果をもたらす可能性があります.そのため、科学者はしばしば 1 つのバージョンのみを選択的に合成したいと考えており、金属触媒と酵素を使用して、どちらか一方の生成を優先しています。
しかし、金属は強力な触媒になり得る一方で、酸素などの一般的な元素に対して非常に敏感であり、産業環境では効果的に使用できないことがよくあります.さらに、一部の触媒に含まれる金属は、環境に有害な影響を与える可能性があります。一方、自然界では、酵素は信じられないほど効率的かつ正確であり、地球上の生命全体に見られる多くの複雑な化合物を生成する反応を加速させます.しかし、酵素は多くの場合、実験室で設計するのが難しい大きくて複雑な分子です。
20 年以上前、List は、酵素をほんの数個の部分 (1 つまたは少数のアミノ酸) に分解することによって、酵素を単純化できるかどうかを判断したいと考えていました。彼は、新しい炭素-炭素結合を形成するアルドール反応と呼ばれる重要な化学反応から始めました。以前の研究からの証拠に基づいて、彼は単一のアミノ酸であるプロリンがそのプロセスをうまく触媒できるかどうかをテストすることに決めました.1つのキラル生成物を他のキラル生成物よりもはるかに多く生成することにより、非対称的に触媒します.
驚いたことに、そうでした。 「この実験を行ったとき、何が起こるかわかりませんでした。おそらくそれはばかげた考えだと思いました」とリストはノーベル賞記者会見で語った。 「そして、それが機能するのを見たとき、これは何か大きなものになる可能性があると感じました。」
そしてそれは大きかった:シンプルで環境にやさしく、安価に使用できる有機触媒分子の最初の例.
一方、マクミランは同じ目標に別の角度からアプローチしていました。彼は、ディールス・アルダー反応として知られる、炭素原子の環を形成する別の化学プロセスに照準を合わせていました。彼は、反応が起こるのに必要な中間生成物を作り出すことができると思われるいくつかの単純な分子を設計しました。それらの候補分子をテストしたとき、確立された不斉無機触媒と同様に機能するものがあることを確認しました。
List と MacMillan の研究は、さらに効率的で効果的な有機触媒に関する 20 年間の研究に火をつけました。そのうちのいくつかは、List によれば、「酵素でさえできなかったことができる」ようになりました。これらの有機触媒は、抗ウイルス薬や不安薬などの新薬の開発に使用されています。 「それは本当にショックです」とリストは言いました。
触媒はどのように機能しますか?
触媒は、プロセスで反応物または生成物として機能することなく、化学反応の速度を速めます。どのような反応でも、分子内の原子間の結合が壊れる一方で、新しい結合が形成されます。これらの変化は両方とも、多くのエネルギーを必要とする可能性があります。したがって、安定した分子は通常、そのままの状態でとどまり、結合を変更することもありますが、目的の生成物を迅速かつ大量に生成するには頻度が低すぎます。
触媒は本質的に、結合の変化に必要なエネルギー量を低下させます。たとえば、金属触媒は多くの場合、反応分子に一時的に貸与できる多数の電子を持っています。これにより、結合が緩み、新しい結合がより容易に形成されます。生物学的システムでは、酵素タンパク質にはポケットまたは複合体が含まれており、反応分子が一時的に結合して同じ結果を得ることができます.
化学者が触媒を設計するとき、彼らは通常、結合がより簡単に切断または形成できる遷移構造に反応物を配置できるようにする分子を作成する方法を探すことから始めます。たとえば、マクミランの有機触媒に関する初期の研究には、ディールズ アルダー反応に関連する遷移形態が発生しやすくなるイミダゾリジノンの形態の発見が含まれていました。
ほんの数個のアミノ酸で反応を触媒できるのなら、なぜ自然界は複雑な酵素に頼るのですか?
有機触媒は酵素よりも設計が簡単かもしれませんが、自然界で見られる生物学的反応において酵素タンパク質がより有利である理由はたくさんあります。さまざまな構造を形成する能力を含む柔軟性により、非常に高いレベルの選択性と特異性で、幅広い多様なプロセスを促進できます。これには、生命に関連する低温での複雑な多段階反応の制御が含まれます。さらに、多くの場合、有機触媒を使用するには、より高い「負荷」、つまり、反応物の量に対してより多くの量の触媒が必要です。自然に発生する反応では、このようなレベルが常に可能または望ましいとは限りません。
化学反応において「利き手」またはキラリティが重要なのはなぜですか?
キラリティのために、同一の構成要素を持つ分子は、異なる反応性を持つ同一でない鏡像構造 (エナンチオマー) に配置されることがよくあります。化学反応は両方の形態の混合物を生成することが多いため、制御されたプロセスでは、それぞれがどれだけ生成されるかが重要です。
生物学における最大の謎の 1 つは、地球上の生命がキラルである理由です。生物に使用されるアミノ酸は左手系ですが、糖は右手系です。もう一方の手の双子は存在しますが、地球の生物学的システムの重要な部分ではありません。この疑問は、生命が地球上でどのように発生したかを理解しようとする研究者にとって、依然として重要な疑問です。
また、医薬品やその他の人工化合物の開発においても重要です。反対のキラリティーを持つ分子は、その有効性が異なる場合があります。一方は他方とは異なるにおいがするか、一方は毒性があり、他方は治療的である可能性があります.おそらく最も悪名高い例はサリドマイド化合物で、一部の国では妊娠中のつわりの治療薬として一時的に配布されましたが、混合物中の 1 つのエナンチオマーが発生中の胚に重大な先天性奇形を引き起こすことが発見されるまで.
リスト、マクミランらが不斉触媒作用に注目したのはそのためです。彼らの目的は、その鏡像ではなく、目的のキラル分子 1 つだけの合成を優先することです。彼らは、有機触媒の分野を開発する際に、生物学的酵素がすでにキラルであるという事実を利用することができました.
この投稿は、受賞作品に関する詳細を追加して更新されました。
David Julius と Ardem Patapoutian は、2021 年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。 クラウス ハッセルマン、真鍋淑郎、ジョルジオ パリシがノーベル物理学賞を受賞しました。
