Proline is een van de twintig aminozuren waarmee (natuurlijke) eiwitten worden opgebouwd (afb: WikiMedia Commons)

Scheikunde (ik heb het zelf ooit gestudeerd) is een raar vak. Bakken en braden noemden wij studenten het destijds wat oneerbiedig. Scheikundigen zijn op zoek naar methodes om nieuwe stoffen te synthetiseren, maar ook om betere methodes te vinden om die stoffen te maken, zoals ook elke kok zijn leven lang doet (m.m.) Nu hebben Benjamin List van het Max Planckinstituut en David MacMillan van Princeton de Nobelprijs voor scheikunde gekregen voor de ontwikkeling van een nieuwe route om verbindingen te maken. Daarmee zou de scheikunde een stukje groener zijn geworden. De Nobelprijs voor geneeskunde gaat niet naar de ontwikkelaars van coronavaccins en die voor natuurkunde naar drie ontwikkelaars van klimaatmodellen
Wij mensen zijn niet erg goed in het maken van verbindingen. Dat gebeurt in de natuur vaak veel beter. Zo maken we, bijvoorbeeld ammoniak voor, onder meer, de productie van kunstmest, maar dat kost ons zo’n 1,5 tot 2% van de wereldenergieproductie. De natuur produceert haast achteloos ammoniak, maar dat wordt dan gezien als (stikstof)vervuiling.
In de scheikunde spelen katalysatoren, stoffen die de reacties versnellen, een grote rol. Scheikundigen leunden daarbij vooral op twee pijlers: eiwitten (enzymen) en metalen. Die kats, zoals scheikundigen die stoffen noemen, versnellen het proces maar komen aan de eind van de ‘rit’ (reacties) vrij.
Ergens rond 2000 voegden Benjamin List, werkzaam bij een instituut voor kolenonderzoek, en David MacMillan van Princeton daar onafhankelijk van elkaar een derde pilaar aan toe: organische moleculen. Daarmee maakten ze bepaalde organische verbindingen. Volgens het Nobelcomité zou die synthese een volledig andere manier zijn om verbindingen te vormen (met minder kun je het natuurlijk niet doen).
We hebben het hier over optisch actieve stoffen. Een optisch actieve stof heeft, ten minste, twee structuren die gespiegeld zijn zoals een linker- en rechterhand. In de organische scheikunde ontstaan die spiegelvormen bij veel chemische reacties, waarvan de eigenschappen kunnen verschillen. Dan wil je alleen die stof maken die de voor jou juiste werking heeft.

Metalen als platina en palladium zijn geweldige kats maar nogal gevoelig voor gewone elementen als zuurstof en daardoor niet altijd te gebruiken. Bovendien kunnen die schadelijk zijn voor het milieu. Enzymen zijn uiterst effectief en vaak heel specifiek voor een bepaalde reactie, maar het probleem is dat dat grote verbindingen zijn die lastig zijn te synthetiseren. De natuur heeft daar geen problemen mee, maar die maakt alleen maar enzymen die de natuur nodig heeft.

Proline

List vroeg zich af of die ingewikkelde enzymen niet kleiner konden. Enzymen zijn eiwitten en eiwitten zijn opgebouwd uit aminozuren. Hij dacht aab kats bestaande uit een paar aminozuren. Hij begon met een belangrijke reactie in de scheikunde, de aldolreactie. Daarbij ontstaan nieuwe koolstof-koolstofverbindingen.
Hij gebruikte daarvoor het aminozuur proline (dus geen eiwit). Daarmee produceerde hij een optisch actieve (asymmetrische) verbinding, waarbij van de ene variant (spiegelvorm) meer werd gemaakt dan van de andere, een asymmetrische synthese zou je dat kunnen noemen.
Hij was verrast. “Ik wist niet wat er zou gebeuren. Misschien was het wel een stom idee. Toen ik zag dat het werkte voelde ik dat er iets groots gebeurd was”, zei hij op een persconferentie. Het was niet alleen groot, maar de kat was simpel, milieuvriendelijk en goedkoop.

MacMillan werkte vanuit een andere invalshoek. Hij richtte zich op een ander bekende reactie: de Diels-Alderreactie, een synthese om ringverbindingen te maken. Hij bedacht simpele moleculen die mogelijk die reactie zouden kunnen katalyseren. Het bleek dat een aantal inderdaad net zo goed werkten als de anorganische kats die tot dan toe gebruikt werden voor die reactie.

Het werk van dat tweetal heeft geleid tot een stortvloed aan vervolgonderzoek, waaruit steeds meer en steeds effectievere organische kats werden ‘gedestilleerd’. Sommige daarvan zouden dingen doen die zelfs enzymen te lastig zijn. Die nieuwe klasse kats worden nu ook gebruikt voor de ontwikkeling van, onder meer, medicijnen. List schijnt onder de indruk te zijn van een ontwikkeling waarvan hij een van de aanstichters is geweest.

Bron: Quanta-magazine