El alemán Benjamin List y el estadounidense David MacMillan han obtenido el Nobel de Química 2021 por una nueva herramienta precisa para la construcción molecular: la organocatálisis.
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Según el fallo de la Academia Sueca de Ciencias, esta técnica ha tenido un gran impacto en la investigación farmacéutica y ha hecho que la química sea más ecológica.
Muchas áreas de investigación e industrias dependen de la capacidad de los químicos para construir moléculas que puedan formar materiales elásticos y duraderos, almacenar energía en baterías o inhibir la progresión de enfermedades. Este trabajo requiere de catalizadores, que son sustancias que controlan y aceleran las reacciones químicas, sin llegar a formar parte del producto final.
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Por ejemplo, los catalizadores de los automóviles transforman las sustancias tóxicas de los gases de escape en moléculas inofensivas. Nuestros cuerpos también contienen miles de catalizadores en forma de enzimas, que cincelan las moléculas necesarias para la vida.
Por lo tanto, los catalizadores son herramientas fundamentales para los químicos, pero los investigadores creyeron durante mucho tiempo que, en principio, solo había dos tipos de catalizadores disponibles: metales y enzimas.
En 2000, Benjamin List (director del Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, especializado en investigación química sobre catálisis) y David MacMillan (profesor en Princeton), independientemente entre sí, desarrollaron un tercer tipo de catálisis. Se llama organocatálisis asimétrica y se basa en pequeñas moléculas orgánicas.
“Este concepto de catálisis es tan simple como ingenioso, y el hecho es que muchas personas se han preguntado por qué no lo pensamos antes”, dice en un comunicado Johan Aqvist, presidente del Comité Nobel de Química.
Los catalizadores orgánicos tienen un marco estable de átomos de carbono, al que se pueden unir grupos químicos más activos. Estos a menudo contienen elementos comunes como oxígeno, nitrógeno, azufre o fósforo. Esto significa que estos catalizadores son tanto ecológicos como económicos de producir.
La rápida expansión en el uso de catalizadores orgánicos se debe principalmente a su capacidad para impulsar la catálisis asimétrica. Cuando se construyen moléculas, a menudo ocurren situaciones en las que se pueden formar dos moléculas diferentes, que, al igual que nuestras manos, son la imagen especular de la otra. Los químicos a menudo solo querrán uno de estos, particularmente cuando producen productos farmacéuticos.
La organocatálisis se ha desarrollado a una velocidad asombrosa desde 2000. Benjamin List y David MacMillan siguen siendo líderes en el campo y han demostrado que los catalizadores orgánicos se pueden utilizar para impulsar multitud de reacciones químicas.
Usando estas reacciones, los investigadores ahora pueden construir de manera más eficiente cualquier cosa, desde nuevos productos farmacéuticos hasta moléculas que pueden capturar la luz en las células solares. De esta manera, los organocatalizadores están aportando el mayor beneficio a la humanidad, según el comunicado de la Academia Sueca.
Aminoácidos y moléculas orgánicas
Benjamin List trabajaba antes del 2000 con anticuerpos catalíticos, rediseñados para producir reacciones químicas, y se planteó si era necesario que los aminoácidos fueran parte de una enzima para catalizar una reacción o si un aminoácido solo, u otra molécula simple, podría hacer la misma tarea.
Así decidió probar si la prolina, uno de los aminoácidos que forman las proteínas de los seres vivos, podía catalizar una reacción aldólica, que une átomos de carbono de diferentes moléculas.
List demostró que la prolina no solo era un catalizador eficiente, sino que podía producir catálisis asimétrica, además de ser más simple, barata y ecológica que los metales y las enzimas, y publicó sus resultados en el año 2000.
Durante la época en que List realizaba esos experimentos, David MacMillan, trabajaba en mejorar la catálisis asimétrica pero usando metales, una idea que acabó desechando para centrarse en diseñar moléculas orgánicas simples.
MacMillan pensó que si quería que catalizasen una reacción debían formar un ion de iminio, que contiene un átomo de nitrógeno, con una inherente afinidad por los electrones: de este modo seleccionó varias moléculas orgánicas con las propiedades necesarias y comprobó que funcionaban de forma eficiente.
El investigador británico ideó también el término para el nuevo concepto de catálisis, la organocatálisis, un campo que se ha desarrollado a gran velocidad desde entonces y que tanto List como MacMillan siguen liderando.
List (Frankfurt, Alemania, 1968) se doctoró en la Universidad Goethe en 1997 y dirige el Instituto Max Planck para la Investigación del Carbón.MacMillan (Bellshill, Reino Unido, 1968) se doctoró por la Universidad de California y, en la actualidad, ejerce la docencia en la de Princeton, ambas estadounidenses.
Los galardonados suceden en el palmarés del Nobel de Química a la francesa Emmanuelle Charpentier y la estadounidense Jennifer Doudna, premiadas el año pasado por el descubrimiento de las tijeras genéticas CRISPR-Cas9, un método para la edición genética.
Agencias
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