Menghormati Cara Lebih Hijau untuk Membuat Molekul

McMillan dan List, peraih Nobel Kimia 2021, menghasilkan katalis organik yang mengubah berbagai proses menjadi lebih efisien dan ramah lingkungan. Hasil itu buah ketekunan untuk menjalankan riset.

Kompas

Ilmuwan Benjamin List dari Jerman dan David MacMillan yang lahir di Skotlandia memenangi Hadiah Nobel Kimia 2021 karena mengembangkan alat baru untuk membangun molekul yang lebih sederhana dan ramah lingkungan.

Ilmu kimia berfokus pada pembuatan molekul yang bisa jadi bahan beragam benda baru, mulai dari obat-obatan, pakaian, hingga sampo, dan banyak lagi. Dua peraih Nobel Kimia 2021, Benjamin List dan David MacMillan, menemukan jalan untuk membantu penciptaan molekul secara lebih mudah, murah, dan ramah lingkungan.

Pembuatan molekul melibatkan upaya merangkai atom, pekerjaan yang rumit dan lambat. Sampai awal milenium, ahli kimia hanya memiliki dua metode untuk mempercepat proses ini, yaitu menggunakan enzim yang kompleks atau katalis logam, termasuk logam berat yang sering beracun atau logam mulia yang mahal dan langka.

Itu semua berubah ketika Benjamin List, dari Institut Max Planck di Jerman, dan MacMillan, dari Universitas Princeton di New Jersey, masing-masing secara independen melaporkan bahwa molekul organik kecil atau disebutnya organocatalysts dapat digunakan untuk melakukan pekerjaan itu. Katalis sendiri merupakan zat yang mempercepat reaksi tanpa digunakan serta menjadi alat dasar bagi ahli kimia.

Sementara katalis organik terbuat dari molekul berbasis karbon yang aman untuk manusia maupun lingkungan. Selain itu, dengan molekul ini, pembuatan bahan baru bisa lebih efisien dan murah.

Mereka telah menemukan cara untuk tidak hanya mempercepat pembuatan bahan kimia, tetapi untuk memastikan itu hanya berjalan ke arah tangan kanan atau tangan kiri.

Satu lagi keunggulan katalis ini, yaitu dapat bekerja seperti ban berjalan. Sebelum tahun 2000, banyak zat kimia yang hilang selama proses konstruksi kimia, karena setiap produk antara harus diisolasi dan dimurnikan. Dengan temuan baru ini, proses produksi dapat dilakukan dalam urutan yang tidak terputus. Dengan lebih sedikit gangguan dalam proses, maka lebih sedikit menghasilkan limbah kimia.

Dengan sederet keunggulan ini, Ketua Komite Nobel Kimia Johan Aqvist menyebut katalisis ini sebagai temuan yang sederhana dan cerdik. ”Faktanya banyak orang bertanya-tanya mengapa kami tidak memikirkannya lebih awal,” katanya.

Komite Nobel mengatakan teknik itu telah ”membawa konstruksi molekul ke tingkat yang sama sekali baru”. Digambarkan, penelitian ini sebagai terobosan besar. ”Kita (kini) memiliki alat baru dalam kimia organik, dan ini adalah manfaat terbesar bagi umat manusia.”

Salah satu contoh bagaimana katalis organik ini telah menghasilkan konstruksi molekul yang lebih efisien adalah pembuatan molekul strychnine, sebuah alkaloid tak berwarna dan beracun yang kerap dipakai sebagai pestisida. Banyak orang akan mengenali strychnine dari buku-buku karya Agatha Christie, ratu misteri pembunuhan. Namun, bagi ahli kimia, strychnine seperti kubus rubik: tantangan yang ingin Anda selesaikan dalam langkah sesedikit mungkin.

Ketika strychnine pertama kali disintesis, pada tahun 1952, diperlukan 29 reaksi kimia yang berbeda dan hanya 0,0009 persen dari bahan awal yang membentuk strychnine. Sisanya terbuang sia-sia. Pada tahun 2011, para peneliti dapat menggunakan katalis organik dan reaksi kaskade untuk membangun strychnine hanya dalam 12 langkah dan proses produksinya 7.000 kali lebih efisien.

Ide sederhana

List dan Macmillan menemukan jenis katalis baru ini secara independen satu sama lain. Secara kebetulan, mereka memiliki ide hampir bersamaan pada tahun 2000 saat bekerja di lab yang berbeda. List saat itu melakukan penelitian di Scripps Research Institute di California selatan dan MacMillan bekerja di Berkeley ketika katalis organik ini tercipta.

List awalnya menemukan bahwa asam amino prolin dapat bertindak sebagai katalis dalam reaksi aldol, di mana atom karbon dari dua molekul yang berbeda terikat bersama, dan dapat mendorong katalisis asimetris. Pada saat bersamaan, MacMillan merancang molekul organik kecil yang dapat menyediakan atau menerima elektron dan oleh karena itu secara efisien mengatalisis reaksi.

Baca juga : Nobel Kimia untuk Penemu Katalis Ramah Lingkungan

Ide untuk menguji prolin sebagai katalis datang ke benak List secara kebetulan. Keingintahuan telah mendorongnya untuk mencobanya setelah dia menemukan petunjuk dari penelitian yang tidak jelas dan terhenti pada tahun 1970-an. Di dalam kajian terdahulu itu, ia menemukan bahwa asam amino, prolin, adalah katalis yang sangat efisien dan ia segera menyadari pentingnya penemuan yang lebih luas.

”Ketika pertama kali melakukan eksperimen ini, saya tidak tahu apa yang akan terjadi, apakah itu ide yang bodoh atau apakah orang lain sudah melakukannya,” kata List. ”Ketika berhasil, saya berpikir: ’Ini bisa menjadi sesuatu yang besar.’ Tentu saja, saya tidak mengharapkan ini.”

KOMPAS/HERU SRI KUMORO

Ilustrasi proses produksi obat. Proses produksi obat di pabrik PT Kalbe Farma Tbk, Cikarang, Bekasi, Senin (2/5/2011).

Sementara itu, MacMillan melakukan triangulasi pada penemuan yang sama setelah bekerja pada katalis logam. Dia menjadi frustrasi karena penelitian di lapangan jarang diaplikasikan industri karena logam yang terlibat sangat mahal dan membutuhkan lingkungan yang bebas oksigen dan kelembaban untuk bekerja. Kelemahan tambahan adalah bahwa banyak katalis logam adalah logam berat, yang dapat berbahaya bagi lingkungan.

MacMillan kemudian mengidentifikasi beberapa molekul organik sederhana, yang seperti katalis logam, dapat menyediakan atau menampung elektron untuk sementara dalam reaksi kimia. Ini menjadikannya katalis ideal.

Keuntungan besar dari teknik ini adalah menghasilkan molekul asimetris, yaitu hanya satu versi molekul yang ada dalam sepasang bentuk bayangan cermin. Ini sangat penting ketika memproduksi obat-obatan karena tubuh dapat bereaksi sangat berbeda terhadap versi tangan kiri dan tangan kanan dari bahan kimia yang sama.

Contoh bencana dari hal ini adalah dengan obat thalidomide, yang digunakan secara luas untuk mengobati mual di pagi hari pada 1950-an dan 1960-an, tetapi kemudian ditarik ketika ditemukan menyebabkan kecacatan pada bayi yang lahir dari ibu yang meminumnya. Obat itu mengandung dua versi cermin dari senyawa kimia yang sama, salah satunya berbahaya bagi janin yang sedang berkembang.

Baca juga : Hadiah Nobel dan Visi Sains

Maka, katalisis asimetris yang ditemukan List dan MacMillan, di mana hanya satu dari dua varian yang diproduksi, bisa menjadi pembuka kemungkinan yang sama sekali baru. Kontribusi mereka terbukti bermanfaat dalam produksi obat-obatan secara lebih mudah, termasuk obat antivirus dan antikecemasan.

Selain untuk produksi obat-obatan, temuan ini bisa mempercepat beragam temuan molekul lain yang bisa jadi dasar pembuatan beragam bahan baru, mulai dari parfum hingga panel sel surya. Mereka telah menemukan cara untuk tidak hanya mempercepat pembuatan bahan kimia, tetapi untuk memastikan itu hanya berjalan ke arah tangan kanan atau tangan kiri.

Kemampuan untuk mengontrol orientasi di mana atom baru ditambahkan ke molekul adalah penting. Gagal melakukannya dapat mengakibatkan efek samping pada obat-obatan, bisa menjadi bencana sebagaimana thalidomide.

MacMillan mengatakan, memenangi hadiah itu bersama List membuatnya bahagia, sangat bangga, tetapi tak disangka-sangka. ”Saya dibesarkan di Skotlandia, seorang anak kelas pekerja. Ayah saya seorang pekerja baja. Ibu saya adalah seorang pekerja rumah tangga. Saya cukup beruntung mendapat kesempatan untuk datang ke Amerika, untuk meraih gelar PhD,” katanya.

Tentu saja, temuan yang luar biasa dari List dan MacMillan ini bukanlah kebetulan, tetapi buah panjang dari penelitian dan ketekunan, bahkan tetap mencoba-coba, sekalipun dari ide yang awalnya dianggap ganjil....