ประกาศรางวัลโนเบลสาขาเคมี! สำหรับการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงอินทรีย์ชนิดไม่สมมาตร

กระทู้สนทนา

วิทยาศาสตร์ การออกแบบเพื่อสิ่งแวดล้อม เคมี บทความ เรื่องสั้น

แถ่น! แทน! แท้น! สวัสดีครับชาวพันทิปทุกท่าน หายไปนานมากเพราะติดภารกิจ แงงงงงงงงง

เอาล่ะ! เพื่อไม่ให้เป็นการเสียเวลา เรามาเข้าเรื่องวันนี้กันเลยดีกว่า นั่นก็คือ คือ ^คือ ^คือ ^คือ ^...

รางวัลโนเบลสาขาเคมี ได้ประกาศออกมาเป็นที่เรียบร้อยแล้วนั่นเอง!

สำหรับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2021 นี้ ถูกมอบให้กับนักวิจัยทั้งหมด 2 ท่านด้วยกัน ได้แก่ Benjamin List และ David W.C. MacMillan ในหัวข้อ "การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเชิงอินทรีย์ชนิดไม่สมมาตร" ซึ่งประโยชน์ของงานวิจัยนี้ ส่งผลให้มีการพัฒนาวิธีการสังเคราะห์สารเคมีตัวใหม่ๆ ที่มีความท้าทาย และตรงเป้าหมายมากขึ้น โดยเฉพาะการสังเคราะห์ตัวยา ส่วนใครที่กำลังจะงงนั้น...กำลังจะอธิบายต่อไปครับ

Building molecules is a difficult art

"การสังเคราะห์โมเลกุลเป็นศิลปะที่ยาก"

โอ้โห! ใครเป็นคนคิดประโยคจั่วหัว มันใช่มาก! ...คืองี้ครับ ไม่ว่าจะเป็นงานในเชิงวิจัย หรือแม้กระทั่งในเชิงอุตสาหกรรมเนี่ย ต่างก็ต้องพึ่งพาความสามารถของนักเคมีในการสังเคราะห์โมเลกุลต่างๆ ทั้งนั้นเลยครับ ไม่ว่าจะเป็นการผลิตวัสดุที่มีทั้งความยืดหยุ่น มีความคงทน การจัดเก็บพลังงานลงในถ่านไฟฉายซักก้อนนึง หรือแม้กระทั่งการผลิตยาเพื่อรักษาโรคร้ายต่างๆ นานา

สิ่งสำคัญที่ทำให้กระบวนการสังเคราะห์พวกนี้มีการพัฒนาไปอย่างก้าวกระโดด เช่นว่า สามารถสังเคราะห์ได้เร็วขึ้น ใช้เวลาสั้นลง ผลิตได้จำนวนเยอะขึ้น เราเรียกมันว่า "ตัวเร่งปฏิกิริยา" หรือ Catalyst นั่นเองครับ ซึ่งภายในร่างกายของคนเราก็มีตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยเหมือนกัน... แต่เรารู้จักมันในชื่อว่า "เอนไซม์" ต่างหาก

พอมาถึงตรงนี้ ผมมั่นใจว่าบางคนน่าจะเริ่ม เอ๊ะ...! ใจในแล้วแหละว่า ไอ้เจ้าตัวเร่งปฏิกิริยาเนี่ย มันต้องมีหลายประเภทแน่ๆ เลยใช่มั้ย? คำตอบคือ ใช่ ครับ

เนิ่นนานมาแล้ว ในกาแลกซี่อันไกลแสนไกล (แน่ะ! มุก Star Wars ก็มา) เหล่านักเคมีต่างเชื่อกันว่า เจ้าตัวเร่งปฏิกิริยาเนี่ย มีอยู่ด้วยกันหลักๆ 2 ประเภทครับ ได้แก่

1. ประเภทโลหะ (Metals)

2. ประเภทเอนไซม์ (Enzymes)

ซึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาหรือเจ้า Catalyst เนี่ยต่างก็มีข้อจำกัดในตัวมันเองครับ เช่น โลหะไม่มีความจำเพาะเจาะจง ก่อให้เกิดความเป็นพิษ หรือเอนไซม์ทำได้ที่อุณหภูมิจำกัด สังเคราะห์สารได้ในกลุ่มแคบๆ บลาๆๆ ซึ่งรางวัลโนเบลปีนี้ถูกมอบให้กับการคิดค้น Catalyst ประเภทที่ 3 ครับ ปกติเราก็จะเรียกกันว่า Asymmetric Organocatalyst นี่แหละ เพราะภาษาอังกฤษมันเรียกง่ายกว่า - -"

Asymmetric แปลว่า ไม่สมมาตร ส่วน Organocatalyst มาจากคำสองคำ ก็คือคำว่า Organo- หรือ Organic ซึ่งก็หมายถึงสารอินทรีย์ และคำว่า Catalyst ที่ท่านผู้อ่านก็รู้อยู่แล้วว่ามันคือตัวเร่งปฏิกิริยานั่นล่ะฮะ

ทีนี้ "ไม่สมมาตร" ที่ว่าเนี่ย มันมีความสำคัญยังไง?

ต้องขออนุญาตเกริ่นก่อนครับว่า สิ่งมีชีวิตอย่างเราๆ ดำรงอยู่ในโลกที่เป็น 3 มิติ กว้าง ยาว สูง ซึ่งแน่นอนว่าเจ้าโมเลกุลเล็กๆ เองก็ไม่ถือว่าเป็นข้อยกเว้นครับ ...พูดง่ายๆ ว่าสารเคมีหรือยา อาหาร วิตามินต่างๆ ที่เรากินกันอยู่ทุกวันนี้เอง ก็มีหน้าตาเป็น 3 มิติกันทั้งนั้นครับ

สมมุติว่าผมเอาหน้าหล่อๆ ไปส่องกระจก แล้วสามารถดึงคนในกระจกออกมายืนข้างๆ ได้ คุณจะพบว่าจริงๆ แล้วไม่มีทางใช่คนๆ เดียวกันแน่นอน เพราะว่าด้านซ้ายกับด้านขวาของแต่ละคนนั้นไม่เหมือนกัน ถึงแม้ตอนแรกจะดูเหมือนกันจากการส่องกระจกก็ตาม ...กับสารเคมีเองก็เป็นแบบนั้นเลยครับ

ร่างกายเราถูกธรรมชาติสรรสร้างมาอย่างน่าอัศจรรย์มากครับ เพราะบรรดา receptor เอนไซม์ ฮอร์โมนต่างๆ ถูกออกแบบไว้อย่างจำเพาะเจาะจงเอามากๆ เลยมีรูปร่างที่เป็นแบบเดียว ...ไม่ใช่แค่ร่างกายเรานะครับ สิ่งมีชีวิตอื่นๆ ในธรรมชาติก็เช่นเดียวกัน ไม่ว่าจะเป็น กรดอะมิโนที่พบได้จากโปรตีน วิตามินซีที่ได้จากผลส้ม พวกนี้จะมีลักษณะรูปร่างหน้าตาที่จำเพาะเจาะจงเอามากๆ เลยครับ นั่นแหละคือความสำคัญของความไม่สมมาตรในสเกลเล็กๆ นี้

ทีนี้ปัญหามันเกิดจากตรงไหน?

มนุษย์เรามีสมองครับ มีการคิดค้นวิทยาการต่างๆ เริ่มรู้จักการสังเคราะห์สารเคมี ...ปัญหาก็คือว่า เราไม่สามารถสังเคราะห์เลียนแบบธรรมชาติได้แบบ 100% ครับ นั่นทำให้หลายๆ ครั้ง เราดันไปผลิตตัวที่เป็นกระจกเงาของสารเคมีตัวนั้นๆ ออกมาด้วยน่ะสิ แล้วพวกนี้แยกออกจากกันได้ยากมากๆ ครับ เพราะสมบัติทางเคมีนั้นเหมือนกันแทบจะทุกประการเลย - -"

ตัวอย่างของสารเคมีที่มีคู่กระจกเงาของมันก็คือ Limonene ครับ ซึ่ง S-Limonene นั้นเป็นสารเคมีที่ให้กลิ่นออกไปทางเลม่อน ในขณะที่ R-Limonene นั้นกลิ่นจะออกไปทางส้มมากกว่า (ส้มที่ไม่ได้แปลว่าเปรี้ยวนะฮะ)

ทีนี้ถ้าปัญหามันอยู่แค่กลิ่น มันคงไม่ใช่เรื่องใหญ่อะไรเท่าไหร่... แต่ถ้ามันเกี่ยวพันถึงชีวิตล่ะ? ทาง FDA หรือ อย. ของทางสหรัฐอเมริกานั้นได้มีการระบุแนวทางในการผลิตยาพวกนี้ตั้งแต่ปี 1992 นู่นครับ เราเรียกยาที่มีกระจกเงาพวกนี้ว่า Chiral Drugs เพราะว่ามันเกี่ยวพันถึงสุขภาพโดยตรงครับ ยาหลายๆ ชนิดนั้น ตัวคู่กระจกเงาของมัน บางครั้งส่งผลอันตรายถึงขั้นทำให้พิการและเสียชีวิตได้เลย เพราะงั้นการสังเคราะห์ยาแบบจำเพาะเจาะจง เพื่อให้ได้ตัวเดียว ไม่มีคู่กระจกเงาของมันหลุดออกมาด้วยเนี่ย ถือเป็นความท้าทายอย่างใหญ่หลวงครับ!

ทีนี้เราก็จะเริ่มเข้าสู่ประเด็นหลักของงานวิจัยที่ได้รับรางวัลโนเบลในครั้งนี้กัน...

งานวิจัยนี้เริ่มต้นด้วยความอยากรู้อยากเห็นของ Banjamin List ครับ ว่าทำไมเจ้าเอนไซม์ที่มีกรดอะมิโนเกาะกันอยู่นับร้อยตัวเนี่ย ถึงมีแค่กรดอะมิโนบางตัวเท่านั้นที่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาแบบจริงๆ จึงได้ทำการทดลองแล้วก็ค้นพบว่า เอ้อ! จริงๆ ใช้แค่ Proline ก็เร่งปฏิกิริยาได้แล้วนี่หว่า เพราะว่าอะตอมของไนโตรเจนของ Proline นั้นทำหน้าที่เป็นตัวให้อิเล็กตรอน โดยที่เจ้า Proline นั้นก็มีความไม่สมมาตรในตัวมันเอง

ในช่วงเวลาที่ไล่เลี่ยกัน ทาง David MacMillan นั้นกำลังหมกมุ่นอยู่กับ Catalyst ประเภทโลหะ ซึ่งข้อเสียหลักๆ ของมันก็คือ มันเสียสภาพได้ง่ายเอามากๆ เมื่อเจอกับความชื้นในอากาศ เขาก็เลยมีไอเดียว่า เอ๊...จะทำยังไงดีน้า ให้ได้ Catalyst ที่ทนและจัดเก็บได้ง่ายกว่า ไม่ต้องกังวลเรื่องความชิ้น ก็เลยลองทำการสังเคราะห์ Catalyst ที่เป็นสารอินทรีย์ โดยที่มีอะตอมของไนโตรเจนเป็นตัวให้อิเล็กตรอน และยังมีหมู่ใหญ่ๆ ที่ทำหน้าที่ควบคุมความไม่สมมาตรในการเกิดปฏิกิริยาด้วย

การค้นพบตัวเร่งปฏิกิริยาแบบไม่สมมาตร หรือ Asymmetric Organocatalyst ของทั้ง 2 ท่าน ก่อให้เกิดสิ่งที่แทบจะเรียกได้ว่าเป็นการ "ปฏิวัติอุตสาหกรรม" ในแบบฉบับนักเคมีกันเลยครับ เพราะความว้าวซ่าของ Catalyst ชนิดใหม่นี้ ถูกนำมาเป็นโมเดลในการพัฒนา Catalyst ตัวใหม่ๆ สำหรับการสังเคราะห์สารเคมีนับไม่ถ้วน สร้างคุณประโยชน์ต่อแทบทุกวงการ โดยเฉพาะทางด้านยานั่นเอง

ทั้งหมดทั้งมวล ผมแปลจากเว็บไซต์ Nobelprize.org โดยตรง โดยนำมาสรุปและเรียบเรียงใหม่ให้เข้าใจง่ายที่สุด หากมีตรงไหนผิดพลาดก็ขออภัยมา ณ ที่นี้ด้วยครับ ขอบคุณที่ติดตามอ่านและขอให้สนุกกับการติดตามการประกาศผลรางวัลโนเบลกันทุกคนนะครับ สวัสดีครับ