10 Ekim 2021 00:44

2021 Nobel Kimya Ödülleri: Yetenekli organokatalizörler ne getirir?

2021 Nobel Kimya ödülü ile ilk kez, geçiş metalleri kadar toksik atık oluşturmayan ve düşük moleküler ağırlığa sahip saf organik bileşiklerin katalizör olarak kullanımının desteklendiğini görüyoruz.

Benjamin List ve David W.C. MacMillan (İllustrasyon: Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach)

Paylaş

Prof. Dr. Cihangir TANYELİ

Bu yılın (2021) Nobel Kimya ödülü Almanya Max Plank Kömür Araştırmaları Enstitüsünden Benjamin List ve A.B.D. Princeton Üniversitesinden David W.C. MacMillan arasında paylaştırıldı. Araştırmacılar bu ödüle yeni ve çevreci bir molekül sentezleme (yapma) yöntemi olan “asimetrik organokataliz”i geliştirdikleri için layık görüldüler. Her iki bilim insanının da bağımsız olarak üzerinde çalıştıkları bu alandaki ilk çığır açıcı çalışmalarını yayımlamaları milenyumun başına, 2000 yılına rastlıyor.

Antik zamanlardan beri bilinen kataliz olgusu ilk kez İsveçli Bilim İnsanı Jöns Jakob Berzelius tarafından 1835 yılında yayımladığı bir çalışmasında çıkıyor karşımıza. Kataliz işlemini gerçekleştiren kimyasal bileşiklere katalizör diyoruz. Tepkimelerde oransal olarak kabaca bir tencere yemeğine katılan tuz kadar az kullanılan katalizörler, bileşiklerin birbirleriyle verdikleri tepkime hızlarını arttırır ve bunu tükenmeden, tepkimeye dahil olmadan yaparlar. Hatta bazen aksi halde hiç gerçekleşmeyecek tepkimelerin bile gerçekleşmesini mümkün kılan sihirli kimyasal yapıda olabilirler. Toksik etkileriyle nam salmış geçiş metalleri ve canlı organizmalarda bulunan enzimler katalizörlerin bilinen en erken ve en uzun soluklu temsilcileridir. Son çeyrek asırda kataliz alanında pek çok Nobel Kimya ödülü verilmiş ve bu ödüllere konu katalizörlerin ağırlıklı olarak geçiş metallerine dayandığı görülmektedir. Nihayet bu yıl ki Nobel Kimya ödülü ile ilk kez, geçiş metalleri kadar toksik atık oluşturmayan ve devasa büyüklükteki yapılarıyla bilinen enzimlerin aksine düşük moleküler ağırlığa sahip saf organik bileşiklerin katalizör olarak kullanımının desteklendiğini görüyoruz.

ACI DENEYİM

Öte yandan, ödülün yalnız organik bileşiklerle tepkime katalizini değil, bunun “asimetrik” tepkimelerde başarıyla kullanımını da kapsadığını hatırlayalım. Asimetrik tepkimelerin yüksek önemi canlılık ve yaşam ile sıkı sıkıya ilişkili “kiral” bileşiklerin oluşumuna olanak tanımasından kaynaklanmaktadır. İlk kez İngiliz kimyager Lord Kelvin tarafından 1893 yılında kullanılan ve Yunanca el anlamına gelen χειρ (kheir) kelimesinden türetilen kiralite kavramı bir simetri yoksunluğu türü olarak çıkıyor karşımıza. En sade tanımıyla, bir cisim (kimyacılar için bir molekül) eğer ayna görüntüsü ile çakışmıyorsa kiral olarak tanımlanır. Buna basit bir örnek olarak ellerimizi verebiliriz: Sol elimiz ile sağ elimizin birbirleriyle çakışmayan ayna görüntüleri olduklarını söyleyebiliriz. Böyle bir durumda kiral cismin gerçek ve ayna (sanal) görüntüleri birbirlerinin enantiyomeri olarak adlandırılır. Canlı biyokimyasının başat aktörleri olan proteinler, kalıtsal özelliklerimizin şifrelerinin depolandığı DNA ve RNA makromolekülleri ve kan şekerimiz olan glikoz başta olmak üzere hücre zarları üzerinde bulunan pek çok kompleks şeker kiral yapı özelliği sergiler. Ne ilginçtir ki, canlı organizmada biyolojik önemi yüksek bu bileşiklerin yalnızca bir enantiyomerine rastlıyoruz; başka bir deyişle aynı anda ayna görüntüsü ile karşılaşmıyoruz.

Güncel araştırmalar, bu bileşiklerin ayna görüntülerinin de eser (çok düşük) miktarda bulunmasını hastalıklar ile ilişkilendirmektedirler. Organizmaların içerdiği suyu dışladığımızda geriye kalan sistemin çoğunluğunun kiral bileşiklerden oluşacağını söylemek yanlış olmaz. Canlı organizmanın kiralite ile olan bu yakından ilişkisinin doğal bir sonucu olarak hastalıkların tedavisinde kullandığımız ilaç aktif bileşiklerinin pek çoğunun kiral olmasını gerektirdiği söylenebilir. Nitekim, dünya ilaç pazarının yüzde 50-60 kadarına kiral ilaçların hakim olduğunu biliyoruz. Bu tip kiral ilaçların pek çok durumda tedavi amacıyla yalnız bir enantiyomer olarak kullanımının (gerçek ilaç veya ayna görüntüsü) gereksinimini insanlık tıp tarihi literatürüne “Talidomid Faciası” olarak geçen acı olaylarla tecrübe ettik. Kiral yapıda bir organik bileşik olan Talidomit ilaç etken maddesi kiral bilgi içermeyen sentez şartlarında üretildiğinde rasemik karışım yani her iki enantiyomerin eş miktarda bulunduğu formda oluşur. 1950’li yıllarda yeterince test edilmeden piyasaya rasemik formda (Yani kendisiyle çakışmayan ayna görüntüsü ile yarı-yarıya oranda) sürülen bu ilaç gebelikte yaşanan kusma ve bulantı hissini gidermesi nedeniyle yaygın kullanım bulmuştur. İlacın bazı gebelik şikayetlerini hafifletirken, kabızlık ve baş ağrısı gibi başka şikayetlere sebep olduğu görüldü. Ancak ilacın asıl acı yan etkileri doğum sonrasında görüldü. O dönem Talidomit’e maruz kalmış 10 bin kadar doğan bebeğin yaklaşık yüzde 40’ının ölü doğduğu veya doğumdan kısa bir süre sonra öldüğü ve geri kalanın ise kol, bacak ve göz gibi organlarının az gelişkin olarak (Veya neredeyse hiç gelişmeksizin) dünyaya geldiği görülmüştür. Bu ağır yan etkilerin ardından ilaç piyasadan çekilmiş ve bu teratojenik yan etkilerin nedeni araştırıldığında ilacın yalnız bir formunun ((S)-Talidomit) yatıştırıcı-kusma önleyici olarak etkinlik gösterdiği buna karşın bu molekülün ayna görüntüsü olan (R)-Talidomit formunun ise kusurlu doğumlara sebep olan teratojenik etkiyi gösterdiği anlaşılmıştır. Bu acı tecrübe sonucunda içeriğinde kiral etken madde bulunduran ilaçların her bir enantiyomerinin biyolojik etkinliklerinin kapsamlı testlerle iyi anlaşılmadan piyasaya sürülmemesi amacıyla pek çok ülkede yasal düzenlemeler yapılmıştır.

İlaç etken maddeleri başta olmak üzere kiral bileşiklere çeşitli ileri endüstri alanlarında rastlamaktayız. Terapötik amaçla sıklıkla yalnızca bir enantiyomerine ihtiyaç duyulan bu bileşiklerin en ekonomik yolla sentezini asimetrik kataliz ile başarmaktayız. Ve bu endüstri Benjamin List ve David W.C. MacMillan tarafından geliştirilen asimetrik organokataliz stratejisi öncesinde ağırlıklı olarak geçiş-metal-katalizi ve enzim-katalizine dayanmaktaydı. Çok düşük maliyetle üretilebilen, yüksek etkinlikli-yetenekli organokatalizörlerin pek çok geçiş-metal katalizörünün aksine suda ve açık hava atmosferinde de çalışabilmesi ve enzimlere kıyasla daha dayanıklı yapıda olmaları, çok çok daha küçük molekül ağırlığıyla benzer sonuçları üretebilmeleri ve hatta enzimlerin sübstrat ve tepkime spesifik olma gibi dezavantajlı durumlarını bertaraf etmeleri sebebiyle kiral malzemelerin geliştirilmesindeki önemi çok yüksektir. Ayrıca öncüllerine kıyasla daha zengin tepkime ve aktivasyon türlerine olanak tanıdığından, aksi halde çok uzun basamaklarda sentezlenen bir hedef kiral bileşiği organokatalizörler ile birkaç kısa basamaklı, yüksek verimli sentezler ile üretmek genellikle mümkün olabilmektedir. Bu bağlamda, daha yeşil ve sürdürülebilir nitelik gösteren asimetrik organokatalizörlerin modern yaşamımızda pek çok alışkanlığımızı kökten değiştirmemizi dayatan ve giderek artan küresel ısınma sorunumuzu çözmede önemli katkılar sağlayacağına şüphe yok.

ÖNCEKİ HABER

AKP'den aşı karşıtlarına 3. miting izni | Fincancı: İktidar aşı karşıtlarının yanında

SONRAKİ HABER

MMK Metalurji’de süren TİS görüşmelerinde 3 oturum gerçekleşti

Sefer Selvi Karikatürleri
Evrensel Gazetesi Birinci Sayfa