Kisah dan Penjelasan Peraih Nobel Kimia 2021: Penemuan Metode Organokatalisis Asimetris

Ahli kimia memiliki kemampuan untuk menciptakan molekul-molekul baru dengan menggabungkan blok “bangunan” kimia yang sangat kecil. Namun, menjaga agar zat-zat yang tak terlihat ini berikatan dengan cara yang diinginkan merupakan tantangan yang besar. Karena itulah, Benjamin List dan David MacMillan diakui lewat penganugerahan Hadiah Nobel Kimia tahun 2021 atas kontribusi mereka dalam pengembangan sebuah metode baru yang sangat canggih untuk pembangunan dan penciptaaan molekul kimia, yaitu organokatalisis.

Organokatalisis adalah metode yang memungkinkan para ilmuwan untuk mengendalikan reaksi kimia dengan menggunakan molekul organik kecil sebagai katalis. Dengan kata lain, molekul organik ini membantu mempercepat reaksi kimia tanpa berubah secara permanen dalam prosesnya. Seiring dengan kemampuannya yang mengagumkan, organokatalisis telah membuka pintu untuk penelitian lebih lanjut di berbagai bidang, termasuk pengembangan obat-obatan baru.

Penggunaan organokatalisis tidak hanya terbatas pada industri farmasi, namun juga telah membawa dampak positif pada keberlanjutan lingkungan. Melalui pendekatan ini, para peneliti dapat mengurangi penggunaan bahan kimia beracun dan menghasilkan limbah yang lebih sedikit, membuat proses kimia menjadi lebih ramah lingkungan. Dengan bantuan organokatalisis, para ilmuwan kini memiliki metode yang lebih kuat dan efisien dalam menciptakan molekul-molekul yang sebelumnya sulit dicapai. Hal tersebut membuka peluang baru dalam pengembangan obat-obatan inovatif serta memberikan kontribusi positif terhadap upaya menjaga keberlanjutan lingkungan.

Inovasi Merevolusi Cara Membangun Molekul

Banyak industri dan berbagai bidang penelitian sangat bergantung pada keahlian para ahli kimia dalam menciptakan molekul-molekul kimia baru yang bermanfaat. Molekul-molekul tersebut bisa menjadi bahan dasar untuk teknologi-teknologi seperti sel surya, baterai, atau bahkan produk konsumen seperti sepatu olahraga ringan. Namun, seiring perkembangan ilmu pengetahuan, kita menyadari bahwa kemampuan manusia dalam membangun molekul belum sebanding dengan keajaiban alam.

Perbandingan antara kemampuan alam dan manusia dalam membangun molekul dapat dilihat seperti perbandingan antara Zaman Batu dan era modern. Alam telah berkembang melalui proses evolusi yang panjang, menghasilkan alat-alat kimia yang sangat spesifik, seperti enzim yang mampu merancang molekuler kompleks dengan presisi tinggi.

Para ahli kimia awalnya hanya bisa memandang kagum terhadap kehebatan kimiawi yang alam ciptakan, namun ketika para peneliti berhasil mengisolasi enzim-enzim ini, mereka menyadari bahwa alat-alat konvensional mereka untuk membangun molekul sangatlah terbatas. Palu dan pahat dalam kotak alat ahli kimia, seperti reagen kimia dan metode sintesis, sering kali tidak cukup presisi dan dapat menyebabkan terbentuknya produk sampingan yang tidak diinginkan. Oleh karena itu, para peneliti berusaha keras untuk mengembangkan teknologi dan metode baru yang dapat meniru efisiensi alam dalam membangun molekul-molekul kompleks.

Inovasi Terbaru untuk Kimia yang Lebih Presisi

Setiap metode baru yang ditemukan oleh para ahli kimia telah meningkatkan kemampuan mereka dalam membuat molekul dengan lebih presisi. Dari zaman di mana kimia seperti mengukir batu, kini telah bertransformasi menjadi keterampilan yang lebih halus seperti kerajinan tangan. Hal tersebut membawa manfaat besar bagi kita semua, bahkan beberapa di antaranya diakui dengan penghargaan prestisius seperti Hadiah Nobel Kimia.

Penemuan yang memenangkan Hadiah Nobel Kimia pada tahun 2021 telah membawa pembuatan molekul ke tingkat yang sama sekali baru. Hal ini tidak hanya membuat proses kimia lebih ramah lingkungan, tetapi juga mempermudah pembuatan molekul-molekul yang tidak simetris. Dalam proses pembuatan bahan kimia, seringkali muncul situasi di mana dua molekul dapat bergabung dan membentuk versi yang sama sekali berbeda satu sama lain, mirip dengan cerminan tangan kita. Sayangnya, para ahli kimia sering kali hanya membutuhkan salah satu dari dua versi ini, terutama saat menghasilkan obat-obatan, namun menemukan cara yang efisien untuk mencapainya telah menjadi tantangan. Konsep yang dikembangkan oleh Benjamin List dan David MacMillan—organokatalisis asimetris—adalah langkah maju yang luar biasa dalam hal ini. Banyak orang bertanya-tanya mengapa konsep tersebut tidak muncul sebelumnya.

Mengapa demikian? Pertanyaan ini tidak mudah dijawab, tetapi sebelum kita mencoba menjawabnya, kita perlu melihat kembali sejarah perkembangan ilmu kimia secara singkat. Kita akan menjelaskan secara sederhana apa itu katalisis dan katalis, dan mengenalkan pada konteks penghargaan Hadiah Nobel Kimia tahun 2021.

Katalis: Mempercepat Proses Kimia

Pada abad kesembilan belas, ketika para ahli kimia mulai menjelajahi cara berbagai zat kimia bereaksi satu sama lain, mereka menemukan fenomena menarik. Sebagai contoh, ketika mereka mencampurkan perak (Ag) dengan hidrogen peroksida (H₂O₂), hidrogen peroksida tiba-tiba mulai pecah menjadi air (H₂O) dan oksigen (O₂). Namun, perak yang digunakan untuk memulai reaksi tersebut tidak mengalami perubahan apapun. Demikian pula, zat yang diambil dari biji yang berkecambah ternyata bisa mengubah pati menjadi glukosa.

Pada tahun 1835, ahli kimia terkemuka asal Swedia, Jacob Berzelius, mulai melihat pola dalam fenomena ini. Dalam laporan tahunan Royal Swedish Academy of Sciences yang membahas perkembangan terbaru dalam fisika dan kimia, Berzelius mengemukakan gagasan tentang “kekuatan” baru yang mampu “menghasilkan aktivitas kimia”. Ia memberikan beberapa contoh di mana kehadiran suatu zat saja sudah cukup untuk memulai reaksi kimia, dan ia menyimpulkan bahwa fenomena ini jauh lebih umum daripada yang sebelumnya dipahami. Berzelius percaya bahwa zat tersebut memiliki kemampuan untuk mempercepat reaksi kimia tanpa ikut berubah dalam prosesnya, dan ia menamai fenomena ini sebagai katalisis.

Baca juga: √ Persamaan Laju Reaksi: Faktor yang Mempengaruhi [Lengkap] (warstek.com)

Katalis: Pembuat Plastik, Parfum, dan Rasa Makanan

Sejak zaman Berzelius, para ahli kimia telah melakukan penelitian yang mendalam untuk menemukan berbagai katalis yang bisa memecah atau menggabungkan molekul-molekul. Berkat penemuan-penemuan ini, sekarang peneliti kimia dapat menghasilkan ribuan zat yang kita gunakan setiap hari, seperti obat-obatan, plastik, parfum, dan perisa makanan. Bahkan, katalisis kimia memainkan peran penting dalam perekonomian global, di mana sekitar 35 persen dari total Produk Domestik Bruto (PDB) dunia dapat dikaitkan dengan proses katalis.

Secara umum, katalis yang ditemukan sebelum tahun 2000 dapat dibagi menjadi dua kelompok utama: logam dan enzim. Logam sering kali menjadi pilihan yang efektif sebagai katalis karena logam memiliki sifat khusus yang memungkinkannya menampung atau menyediakan elektron sementara dalam proses kimia. Hal tersebut memfasilitasi pemecahan ikatan antar atom dalam molekul, memungkinkan pembentukan ikatan baru yang diperlukan.

Namun, satu masalah umum yang sering dihadapi dengan katalis logam adalah kepekaannya terhadap oksigen dan air. Untuk dapat berfungsi secara optimal, katalis semacam itu membutuhkan lingkungan yang bebas dari kelembaban dan oksigen. Hal ini seringkali sulit dicapai dalam skala industri besar. Selain itu, beberapa katalis logam merupakan logam berat yang dapat berdampak buruk pada lingkungan jika tidak dikelola dengan baik.

Enzim sebagai Katalis Kehidupan: Presisi yang Menakjubkan

Enzim adalah bentuk kedua dari katalis dalam dunia kehidupan yang terdiri dari protein. Setiap organisme hidup memiliki ribuan enzim yang berbeda, bertugas menggerakkan reaksi kimia yang penting bagi kelangsungan hidup. Banyak enzim memiliki spesialisasi dalam katalisis asimetris, artinya mereka cenderung membentuk salah satu dari dua gambaran “cermin” yang mungkin dalam suatu reaksi. Mereka juga bekerja bersama-sama; ketika satu enzim selesai dengan tugasnya, enzim lain mengambil alih. Dengan cara ini, mereka dapat membangun molekul-molekul kompleks seperti kolesterol, klorofil, atau bahkan racun seperti strychnine, yang merupakan salah satu molekul paling kompleks yang kita kenal.

Keefisienan enzim sebagai katalis mendorong para peneliti pada tahun 1990-an untuk mengembangkan varian enzim baru yang dapat menggerakkan reaksi kimia yang dibutuhkan oleh manusia. Salah satu kelompok penelitian yang aktif dalam upaya ini berbasis di Scripps Research Institute di California Selatan dan dipimpin oleh Carlos F. Barbas III. Posisi pasca-doktoral Benjamin List di dalam kelompok penelitian Barbas menjadi tempat lahirnya ide brilian yang mengarah pada salah satu penemuan yang memenangkan Hadiah Nobel Kimia tahun 2021.

Benjamin List: Berpikir Out of The Box dengan Hasil yang Revolusioner

Benjamin List bekerja dengan antibodi katalitik, yaitu jenis antibodi yang direkayasa ulang untuk mendorong reaksi kimia, bukan hanya untuk melawan virus atau bakteri dalam tubuh. Saat melakukan penelitian dengan antibodi katalitik, Benjamin List mulai merenungkan mekanisme kerja enzim. Enzim umumnya merupakan molekul besar yang terdiri dari ratusan asam amino. Beberapa enzim juga mengandung logam-logam yang membantu memfasilitasi reaksi kimia. Namun, banyak enzim juga mampu mempercepat reaksi kimia tanpa keberadaan logam. Sebaliknya, reaksi tersebut dipicu oleh satu atau beberapa asam amino individual dalam struktur enzim. Pertanyaan inovatif yang diajukan Benjamin List adalah: apakah asam amino harus menjadi bagian dari enzim untuk memfasilitasi reaksi kimia, atau apakah satu asam amino tunggal atau molekul sederhana lainnya juga mungkin dapat menjalankan fungsi yang sama?

Benjamin mengetahui bahwa pada awal tahun 1970-an telah dilakukan penelitian menggunakan sebuah asam amino bernama prolin sebagai katalis—namun itu sudah lebih dari 25 tahun yang lalu. Pastinya, jika prolin memang efektif sebagai katalis, tentu saja ada yang akan terus melakukan penelitian tentangnya bukan?

Sekiranya begitulah yang dipikirkan oleh Benjamin List; ia mengasumsikan bahwa alasan mengapa tidak ada yang melanjutkan penelitian tentang fenomena tersebut adalah karena katalis tersebut tidak memberikan hasil yang memuaskan. Tanpa memiliki harapan yang nyata, ia mencoba menguji apakah prolin dapat mengkatalisis reaksi aldol, di mana atom karbon dari dua molekul yang berbeda bergabung bersama. Percobaan sederhana tersebut, dengan luar biasa, langsung berhasil.

Mendefinisikan Masa Depan: Langkah Benjamin List

Melalui eksperimennya, Benjamin List tidak hanya menunjukkan bahwa prolin merupakan katalis yang efisien, tetapi juga bahwa asam amino ini dapat memicu katalisis asimetris. Dari dua kemungkinan gambaran cermin, salah satu di antaranya jauh lebih sering terbentuk daripada yang lain.

Berbeda dengan peneliti sebelumnya yang telah menguji prolin sebagai katalis, Benjamin List menyadari potensi besar yang dimilikinya. Dibandingkan dengan logam dan enzim, prolin sebagai asam amino tunggal dianggap sebagai alat yang sangat diinginkan bagi para ahli kimia. Ini karena sifatnya yang “sederhana”, murah, dan ramah lingkungan. Ketika hasil penemuannya dipublikasikan pada bulan Februari tahun 2000, Benjamin menggambarkan katalisis asimetris dengan molekul organik sebagai konsep baru yang penuh peluang: “Desain dan penyaringan katalis semacam ini merupakan salah satu tujuan utama kami untuk masa depan.”

Namun demikian, ia tidak sendirian dalam upayanya ini. Di laboratorium lain di California, David MacMillan juga sedang bekerja menuju tujuan yang sama.

David MacMillan meninggalkan logam-logam pencemar dan mengembangkan bentuk katalis yang lebih sederhana

Dua tahun sebelumnya, David MacMillan memutuskan untuk pindah dari Universitas Harvard ke UC Berkeley. Di Harvard, ia telah fokus pada peningkatan teknik katalisis asimetris menggunakan logam. Meskipun penelitian ini menarik perhatian banyak peneliti, MacMillan menyadari bahwa katalis yang dikembangkan jarang diadopsi dalam proses industri. Ia mulai bertanya-tanya mengapa hal ini terjadi, dan ia mencurigai bahwa penggunaan logam-logam sensitif yang mahal dan sulit digunakan menjadi faktor utama penyebabnya. Selain itu, logam tersebut dapat mencemari lingkungan apabila tidak dikelola dengan baik. Meskipun kondisi laboratorium mampu menciptakan lingkungan bebas oksigen dan kelembaban yang diperlukan untuk beberapa katalis logam, melakukan produksi industri dalam skala besar dengan kondisi serupa ternyata lebih rumit.

Melalui pemikiran yang mendalam, MacMillan menyimpulkan bahwa untuk membuat metode sintesis yang sedang ia kembangkan berguna dalam industri, ia perlu mencari pendekatan yang baru. Oleh karena itu, ketika ia bergabung dengan UC Berkeley, ia memutuskan untuk meninggalkan penggunaan logam-logam tersebut dan mencari alternatif yang lebih ramah lingkungan dan mudah digunakan.

Sebagai alternatifnya, David MacMillan mulai merancang molekul organik sederhana yang memiliki kemampuan yang mirip dengan logam, yaitu mampu sementara memberikan atau menampung elektron. Sebelumnya, perlu kita pahami apa yang dimaksud dengan molekul organik—secara singkat, molekul organik adalah bahan kimia yang membentuk dasar bagi semua bentuk kehidupan. Mereka terdiri dari rangkaian atom karbon yang stabil, yang kemudian dapat memiliki gugus kimia aktif seperti oksigen, nitrogen, belerang, atau fosfor yang melekat.

Meskipun molekul organik terbuat dari unsur-unsur yang sederhana, namun bergantung pada susunan dan strukturnya, molekul organik dapat menunjukkan sifat yang kompleks. Pengetahuan kimia David MacMillan memberi petunjuk bahwa untuk dapat memicu reaksi yang ia tuju, molekul organik harus mampu membentuk ion iminium yang mengandung atom nitrogen dan cenderung menarik elektron.

Dengan selektif, David memilih beberapa molekul organik yang memiliki sifat yang sesuai, kemudian menguji kemampuan mereka dalam memicu reaksi Diels-Alder, suatu reaksi yang umum digunakan dalam pembentukan cincin atom karbon oleh para ahli kimia. Seperti yang telah diharapkan dan diyakininya, percobaan tersebut berhasil dengan sangat baik. Beberapa molekul organik bahkan terbukti sangat efektif dalam katalisis asimetris, di mana satu dari dua kemungkinan gambaran cermin menghasilkan lebih dari 90 persen dari produk yang diinginkan.

David MacMillan menciptakan istilah organokatalisis

Saat David MacMillan bersiap untuk mengumumkan hasil penelitiannya, ia menyadari bahwa konsep katalisis yang ia temukan perlu diberi nama. Padahal, sebelumnya sudah ada peneliti yang berhasil menggunakan molekul organik kecil untuk mengkatalisis reaksi kimia, namun contoh-contoh tersebut terbilang terisolasi dan belum ada yang menyadari bahwa metode ini bisa diterapkan secara umum.

David MacMillan berkeinginan untuk menemukan istilah yang dapat menggambarkan metode ini sehingga peneliti lain dapat memahami bahwa masih banyak katalis organik lain yang belum ditemukan. Pilihannya jatuh pada istilah organokatalisis.

Pada bulan Januari 2000, sebelum Benjamin List mempublikasikan penemuannya, David MacMillan mengirimkan manuskripnya untuk dipublikasikan dalam jurnal ilmiah. Pengantar di manuskrip tersebut menyatakan: “Dalam tulisan ini, kami memperkenalkan strategi baru bernama organokatalisis yang kami harapkan akan dapat diterapkan pada berbagai transformasi kimia yang bersifat asimetris”.

Organokatalisis: Ledakan Penggunaan Metode Baru

Tanpa saling bergantung, Benjamin List dan David MacMillan secara mandiri menemukan konsep baru yang benar-benar inovatif dalam bidang katalisis. Sejak awal abad ke 21, kemajuan dalam area ini hampir seperti gelombang emas, di mana List dan MacMillan tetap menjadi pemimpinnya. Mereka telah mengembangkan beragam katalis organik yang ekonomis dan stabi, yang mampu menggerakkan berbagai reaksi kimia dengan berbagai kompleksitas.

Hal yang menarik adalah, organokatalis sering kali terdiri dari molekul-molekul sederhana yang mudah ditemukan, dan dalam beberapa kasus, mereka bahkan dapat bekerja secara berkesinambungan, mirip dengan cara enzim alami bekerja. Sebelumnya, dalam proses produksi kimia, seringkali diperlukan untuk mengisolasi dan membersihkan setiap produk antara, agar hasil sampingannya tidak terlalu banyak. Namun, hal ini menyebabkan sebagian bahan yang hilang setiap kali langkah reaksi kimia dilakukan.

Keunggulan organokatalis terletak pada fleksibilitasnya yang jauh lebih besar, di mana seringkali beberapa langkah dalam proses produksi dapat dilakukan secara berurutan tanpa gangguan. Hal ini dikenal sebagai reaksi kaskade (cascade reaction), yang memiliki potensi untuk mengurangi limbah dalam industri kimia secara signifikan.

Efisiensi Sintesis Strychnine Melonjak 7.000 Kali Lipat

Salah satu contoh bagaimana penggunaan organokatalisis telah mempercepat pembangunan molekul yang lebih efisien adalah dalam pembuatan strychnine, molekul alami yang sangat kompleks. Mungkin Anda mengenal strychnine dari karya-karya Agatha Christie yang terkenal dengan cerita-cerita misteri pembunuhan. Bagi para ahli kimia, strychnine merupakan seperti teka-teki Rubik: sebuah tantangan yang ingin mereka pecahkan dengan langkah-langkah yang sedikit dan efisien.

Ketika strychnine pertama kali berhasil disintesis pada tahun 1952, prosesnya melibatkan 29 reaksi kimia berbeda dan hanya sekitar 0,0009 persen dari bahan awal yang berhasil berubah menjadi strychnine. Artinya, sebagian besar bahan digunakan sia-sia.

Namun, pada tahun 2011, terobosan besar terjadi ketika para peneliti berhasil membangun strychnine dengan hanya menggunakan 12 langkah proses, dengan bantuan teknik organokatalisis dan reaksi kaskade. Dengan metode ini, efisiensi produksi strychnine meningkat hingga 7.000 kali lipat dibandingkan dengan metode sebelumnya. Organokatalisis merupakan penggunaan senyawa organik kecil untuk memfasilitasi dan mempercepat reaksi kimia, seringkali dengan mengurangi jumlah langkah yang diperlukan dan meningkatkan hasil akhir.

Peran Vital Organokatalisis dalam Produksi Farmasi

Organokatalisis memiliki dampak besar dalam penelitian farmasi, terutama dalam katalisis asimetris. Sebelum teknik katalisis ini berkembang, banyak obat farmasi mengandung dua bentuk cermin dari sebuah molekul; satu aktif, sementara yang lain kadang-kadang dapat menyebabkan efek samping yang tidak diinginkan. Contoh tragis dari hal ini adalah skandal thalidomide pada tahun 1960-an, di mana salah satu bentuk cermin dari obat tersebut menyebabkan cacat serius pada ribuan embrio manusia.

Baca juga: Pelajaran Sangat Berharga dari Tragedi Thalidomide

Dengan menggunakan organokatalisis, para peneliti sekarang dapat menghasilkan molekul-molekul asimetris yang berbeda dalam volume besar dengan lebih mudah. Hal tersebut memungkinkan mereka untuk menciptakan zat-zat penyembuh atau obat yang berpotensi dari bahan-bahan yang sulit didapat seperti tanaman langka atau organisme laut dalam.

Di industri farmasi, metode organokatalisis juga digunakan untuk meningkatkan produksi obat-obatan yang sudah ada. Sebagai contoh, obat paroksetin yang digunakan untuk mengobati gangguan kecemasan dan depresi, serta obat antivirus oseltamivir yang digunakan untuk mengatasi infeksi saluran pernapasan, dapat diproduksi dengan lebih efisien berkat organokatalisis.

Menggagas Kemungkinan: Menghadapi Tantangan Memvisualisasikan Ide-Ide Sederhana

Ada ribuan contoh penggunaan organokatalisis yang dapat disebutkan—namun, mengapa tidak ada yang sebelumnya memikirkan konsep yang sederhana, ramah lingkungan, dan murah untuk katalisis asimetris? Pertanyaan ini memiliki banyak jawaban. Salah satunya adalah bahwa ide-ide yang sederhana seringkali merupakan hal yang paling sulit untuk dibayangkan. Pandangan kita seringkali terhalang oleh prasangka kuat tentang bagaimana dunia seharusnya berfungsi, seperti keyakinan bahwa hanya logam atau enzim yang mampu menggerakkan reaksi kimia. Namun, Benjamin List dan David MacMillan berhasil melampaui prasangka-prasangka ini untuk menemukan solusi cerdas untuk masalah yang telah menjadi tantangan bagi para ahli kimia selama puluhan tahun. Dengan demikian, organokatalis saat ini menjadi sumber manfaat terbesar bagi umat manusia.

Referensi :

[1] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2021/popular-information/ diakses pada 20 Maret 2024