Deux scientifiques ont remporté mercredi le prix Nobel de chimie pour avoir trouvé un moyen ingénieux et plus respectueux de l'environnement de construire des molécules - une approche maintenant utilisée pour fabriquer une variété de composés, y compris les médicaments et les pesticides.

Les travaux de Benjamin List et David W.C. MacMillan a permis aux scientifiques de produire ces molécules à moindre coût, efficacement, en toute sécurité et avec beaucoup moins de déchets dangereux.

"Cela profite déjà grandement à l'humanité, " a déclaré Pernilla Wittung-Stafshede, membre du jury Nobel.

C'était le deuxième jour consécutif qu'un prix Nobel récompensait des travaux ayant des implications environnementales. Le prix de physique a récompensé les développements qui ont élargi notre compréhension du changement climatique, quelques semaines seulement avant le début des négociations mondiales sur le climat en Écosse.

Le prix de chimie portait sur la fabrication de molécules. Cela nécessite de relier les atomes entre eux dans des arrangements spécifiques, une tâche souvent difficile et lente. Jusqu'au début du millénaire, les chimistes n'avaient que deux méthodes - ou catalyseurs - pour accélérer le processus, en utilisant soit des enzymes compliquées, soit des catalyseurs métalliques.

Tout a changé quand List, de l'Institut Max Planck en Allemagne, et MacMillan, de l'Université de Princeton dans le New Jersey, ont rapporté indépendamment que de petites molécules organiques peuvent être utilisées pour faire le travail. Les nouveaux outils ont été importants pour développer des médicaments et minimiser les problèmes de fabrication de médicaments, y compris les problèmes qui peuvent causer des effets secondaires nocifs.

Johan qvist, président du jury Nobel, appelé la méthode aussi "simple qu'ingénieuse".

"Le fait est que beaucoup de gens se sont demandé pourquoi nous n'y avions pas pensé plus tôt, " il ajouta.

MacMillan a déclaré que gagner le prix l'avait laissé « stupéfait, choqué, heureux, très fier."

"J'ai grandi en Ecosse, un enfant de la classe ouvrière. Mon père est métallurgiste. Ma mère était aide à domicile. … J'ai eu la chance d'avoir la chance de venir en Amérique, faire mon doctorat, " il a dit.

En réalité, a-t-il déclaré lors d'une conférence de presse à Princeton, il prévoyait de suivre son frère aîné en physique, mais les cours de physique à l'université étaient à 8 heures du matin dans une salle de classe froide et fuyante en Écosse pluvieuse, tandis que les cours de chimie étaient deux heures plus tard en plus chaud, espaces plus secs. En racontant cette histoire, il a dit qu'il pouvait entendre sa femme le supplier de ne pas le partager.

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Il a dit que l'inspiration pour son travail lauréat du prix Nobel est venue en pensant au processus sale de fabrication de produits chimiques, qui nécessite des précautions qu'il a comparées à celles prises dans les centrales nucléaires.

S'il pouvait concevoir un moyen de fabriquer des médicaments plus rapidement par des moyens complètement différents qui ne nécessitent pas de cuves de catalyseurs métalliques, le processus serait plus sûr pour les travailleurs et la planète, raisonna-t-il.

List a déclaré qu'il ne savait pas au départ que MacMillan travaillait sur le même sujet et a pensé que sa propre intuition pourrait n'être qu'une "idée stupide" - jusqu'à ce que cela fonctionne. A ce moment eurêka, "Je sentais que cela pourrait être quelque chose de grand, ", a déclaré le joueur de 53 ans.

H.N. Cheng, président de l'American Chemical Society, a déclaré que les lauréats ont développé de "nouvelles baguettes magiques".

Avant leur travail, "les catalyseurs standards fréquemment utilisés étaient des métaux, qui ont souvent des inconvénients environnementaux, " dit Cheng. " Ils s'accumulent, ils lessivent, ils peuvent être dangereux."

Les catalyseurs mis au point par MacMillan et List « sont organiques, donc ils vont se dégrader plus vite, et ils sont aussi moins chers, " il a dit.

Le panel Nobel a noté que leurs contributions ont facilité la production de médicaments clés, comprenant un antiviral et un anxiolytique.

"Une façon de regarder leur travail est comme la menuiserie moléculaire, " dit John Lorsch, directeur de l'Institut national des sciences médicales générales des Instituts nationaux de la santé des États-Unis.

"Ils ont trouvé des moyens non seulement d'accélérer l'assemblage chimique, " il a dit, "mais pour s'assurer que cela ne va que dans le sens droitier ou gaucher."

La capacité de contrôler l'orientation dans laquelle de nouveaux atomes sont ajoutés aux molécules est importante. Ne pas le faire peut entraîner des effets secondaires des médicaments, le panel Nobel a expliqué, citant l'exemple catastrophique de la thalidomide, qui a causé de graves malformations congénitales chez les enfants.

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Depuis la découverte des scientifiques, l'outil a été encore affiné, le rendant beaucoup plus efficace.

Peter Somfai, un autre membre du comité, a souligné l'importance de la découverte pour l'économie mondiale.

"Il a été estimé que la catalyse est responsable d'environ 35% du PIB mondial, ce qui est un chiffre assez impressionnant, " a-t-il dit. " Si nous avons une alternative plus respectueuse de l'environnement, on s'attend à ce que cela fasse une différence."

Le NIH a soutenu la recherche de List avec une subvention en 2002. Le travail de MacMillan a reçu un financement du NIH depuis 2000, pour un total d'environ 14,5 millions de dollars à ce jour.

« C'est un excellent exemple de soutien à la science fondamentale dont vous ne savez pas nécessairement où elle va aller » mais qui peut avoir un impact majeur, dit Francis Collins, directeur du NIH.

Le Nobel est accompagné d'une médaille d'or et de 10 millions de couronnes suédoises, , ou plus de 1,14 million de dollars. L'argent provient d'un legs laissé par le créateur du prix, L'inventeur suédois Alfred Nobel, décédé en 1895.

Au cours des prochains jours, Des prix Nobel seront décernés en littérature, paix et économie.

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Communiqué du Comité Nobel :Le prix Nobel de chimie 2021

L'Académie royale des sciences de Suède a décidé d'attribuer le prix Nobel de chimie 2021 à

Liste de Benjamin
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mulheim an der Ruhr, Allemagne

David W.C. MacMillan
Université de Princeton, Etats-Unis

"pour le développement de l'organocatalyse asymétrique"

Un outil ingénieux pour construire des molécules

Construire des molécules est un art difficile. Benjamin List et David MacMillan reçoivent le prix Nobel de chimie 2021 pour leur développement d'un nouvel outil précis de construction moléculaire :l'organocatalyse. Cela a eu un grand impact sur la recherche pharmaceutique, et a rendu la chimie plus verte.

De nombreux domaines de recherche et industries dépendent de la capacité des chimistes à construire des molécules qui peuvent former des matériaux élastiques et durables, stocker de l'énergie dans des batteries ou inhiber la progression de maladies. Ce travail nécessite des catalyseurs, qui sont des substances qui contrôlent et accélèrent les réactions chimiques, sans faire partie du produit final. Par exemple, les catalyseurs des voitures transforment les substances toxiques des gaz d'échappement en molécules inoffensives. Notre corps contient également des milliers de catalyseurs sous forme d'enzymes, qui ciselent les molécules nécessaires à la vie.

Les catalyseurs sont donc des outils fondamentaux pour les chimistes, mais les chercheurs ont longtemps cru qu'il y avait, en principe, seulement deux types de catalyseurs disponibles :les métaux et les enzymes. Benjamin List et David MacMillan reçoivent le prix Nobel de chimie 2021 parce qu'en 2000, ils, indépendants les uns des autres, développé un troisième type de catalyse. C'est ce qu'on appelle l'organocatalyse asymétrique et s'appuie sur de petites molécules organiques.

"Ce concept de catalyse est aussi simple qu'ingénieux, et le fait est que beaucoup de gens se sont demandé pourquoi nous n'y avions pas pensé plus tôt, " dit Johan Åqvist, qui est président du comité Nobel de chimie.

Les catalyseurs organiques ont une structure stable d'atomes de carbone, auxquels des groupes chimiques plus actifs peuvent se fixer. Ceux-ci contiennent souvent des éléments communs tels que l'oxygène, azote, soufre ou phosphore. Cela signifie que ces catalyseurs sont à la fois respectueux de l'environnement et bon marché à produire.

L'expansion rapide de l'utilisation des catalyseurs organiques est principalement due à leur capacité à conduire une catalyse asymétrique. Lorsque les molécules sont construites, des situations se produisent souvent où deux molécules différentes peuvent se former, qui – tout comme nos mains – sont l'image miroir de l'autre. Les chimistes n'en voudront souvent qu'un seul, en particulier lors de la production de produits pharmaceutiques.

L'organocatalyse s'est développée à une vitesse fulgurante depuis 2000. Benjamin List et David MacMillan restent des leaders dans le domaine, et ont montré que les catalyseurs organiques peuvent être utilisés pour conduire une multitude de réactions chimiques. En utilisant ces réactions, les chercheurs peuvent désormais construire plus efficacement n'importe quoi, des nouveaux produits pharmaceutiques aux molécules capables de capturer la lumière dans les cellules solaires. De cette façon, les organocatalyseurs apportent le plus grand bénéfice à l'humanité.

Informations populaires

Leurs outils ont révolutionné la construction des molécules

Les chimistes peuvent créer de nouvelles molécules en liant ensemble de petits blocs de construction chimiques, mais contrôler les substances invisibles pour qu'elles se lient de la manière souhaitée est difficile. Benjamin List et David MacMillan reçoivent le prix Nobel de chimie 2021 pour leur développement d'un nouvel outil ingénieux pour la construction de molécules :l'organocatalyse. Ses utilisations incluent la recherche de nouveaux produits pharmaceutiques et il a également contribué à rendre la chimie plus verte.

De nombreuses industries et domaines de recherche dépendent de la capacité des chimistes à construire de nouvelles molécules fonctionnelles. Il peut s'agir de substances qui captent la lumière dans des cellules solaires ou stockent de l'énergie dans des batteries, aux molécules qui peuvent fabriquer des chaussures de course légères ou inhiber la progression de la maladie dans le corps.

Cependant, si nous comparons la capacité de la nature à construire des créations chimiques avec la nôtre, nous sommes restés longtemps coincés dans l'âge de pierre. Evolution a produit des outils incroyablement spécifiques, enzymes, pour construire les complexes moléculaires qui donnent à la vie ses formes, couleurs et fonctions. Initialement, quand les chimistes isolaient ces chefs-d'œuvre chimiques, ils les regardaient juste avec admiration. Les marteaux et les burins dans leurs propres boîtes à outils pour la construction moléculaire étaient émoussés et peu fiables, ils se sont donc souvent retrouvés avec de nombreux sous-produits indésirables lorsqu'ils ont copié les produits de la nature.

De nouveaux outils pour une chimie plus fine

Chaque nouvel outil que les chimistes ont ajouté à leur boîte à outils a augmenté la précision de leurs constructions moléculaires. Lentement mais sûrement, la chimie est passée de la ciselure de la pierre à quelque chose qui ressemble davantage à de l'artisanat d'art. Cela a été d'un grand bénéfice pour l'humanité et plusieurs de ces outils ont été récompensés par le prix Nobel de chimie.

La découverte récompensée par le prix Nobel de chimie 2021 a propulsé la construction moléculaire à un tout autre niveau. Cela a non seulement rendu la chimie plus verte, mais a également rendu beaucoup plus facile la production de molécules asymétriques. Au cours de la construction chimique, une situation se présente souvent dans laquelle deux molécules peuvent se former, qui – tout comme nos mains – sont l'image miroir de l'autre. Les chimistes veulent souvent juste une de ces images miroir, en particulier lors de la production de produits pharmaceutiques, mais il a été difficile de trouver des méthodes efficaces pour le faire. The concept developed by Benjamin List and David MacMillan – asymmetric organocatalysis – is as simple as it is brilliant. The fact is that many people have wondered why we didn't think of it earlier.

Why indeed? 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.

Catalysts accelerate chemical reactions

In the nineteenth century, when chemists began exploring the ways that different chemicals react with each other, they made some strange discoveries. Par exemple, 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 la même manière, a substance obtained from sprouting grains could break down starch into glucose.

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.

Catalysts produce plastic, perfume and flavoursome food

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, comme les produits pharmaceutiques, plastics, perfumes and food flavourings. Le fait est, it is estimated that 35 per cent of the world's total GDP in some way involves chemical catalysis.

En principe, 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.

Cependant, 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. Aussi, many metal catalysts are heavy metals, which can be harmful to the environment.

Life's catalysts work with astounding precision

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, in principle, 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. De cette façon, 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).

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.

Benjamin List thinks outside the box…

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

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. Au lieu, 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?

…with a revolutionary result

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. Sûrement, if proline really had been an effective catalyst, someone would have continued working on it?

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.

Benjamin List staked out his future

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.

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".

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

David MacMillan leaves sensitive metals behind…

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.

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

…and develops a simpler form of catalyst

Au lieu, David MacMillan started to design simple organic molecules which – just like metals – could temporarily provide or accommodate electrons. Ici, 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, azote, sulphur or phosphorus.

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.

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.

David MacMillan coins the term organocatalysis

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.

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.

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".

The use of organocatalysis has boomed

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.

Not only do organocatalysts often consist of simple molecules, in some cases – just like nature's enzymes – they can work on a conveyor belt. Précédemment, 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.

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.

Strychnine synthesis now 7, 000 times more efficient

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. Cependant, for chemists, strychnine is like a Rubik's Cube:a challenge that you want to solve in as few steps as possible.

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.

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.

Organocatalysis is most important in pharmaceutical production

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.

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

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.

Simple ideas are often the most difficult to imagine

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.

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