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Nobel em química homenageia maneira 'mais verde' de construir moléculas
O trabalho de Benjamin List, da Alemanha, e do escocês David WC MacMillan, permitiu aos cientistas produzir essas moléculas de maneira mais barata, eficiente e segura - e com um impacto ambiental significativamente menor.
Por Nobelprize.org - 06/10/2021



Goran K Hansson, Secretário Permanente da Real Academia Sueca de Ciências, centro, anuncia os vencedores do Prêmio Nobel de Química de 2021, em Estocolmo, Suécia, quarta-feira, 6 de outubro de 2021. A professora Pernilla Wittung-Stafhede está sentada à esquerda e o professor Peter Somfai à direita. Dois cientistas ganharam o Prêmio Nobel de Química por encontrar uma nova maneira "engenhosa" de construir moléculas que podem ser usadas para fazer de tudo, desde remédios a aromatizantes de alimentos. Benjamin List, da Alemanha e nascido na Escócia, David WC MacMillan, desenvolveu "organocatálise assimétrica". Goran Hansson, da Real Academia de Ciências da Suécia, disse na quarta-feira que o trabalho já teve um impacto significativo na pesquisa farmacêutica. Crédito: Claudio Bresciani / TT Nova Agência via AP

Dois cientistas ganharam o Prêmio Nobel de Química na quarta-feira por descobrirem uma nova maneira "engenhosa" de construir moléculas que podem ser usadas para fazer de tudo, desde remédios a aromatizantes de alimentos.

O trabalho de Benjamin List, da Alemanha, e do escocês David WC MacMillan, permitiu aos cientistas produzir essas moléculas de maneira mais barata, eficiente e segura - e com um impacto ambiental significativamente menor.

"Já está beneficiando muito a humanidade", disse Pernilla Wittung-Stafshede, membro do painel do Nobel.

Fazer moléculas - que requer a ligação de átomos individuais em um arranjo específico - é uma tarefa difícil e lenta. Até o início do milênio, os químicos tinham apenas dois métodos - ou catalisadores - para acelerar o processo.

Tudo isso mudou em 2000, quando List, do Instituto Max Planck, e MacMillan, da Universidade de Princeton, relataram independentemente que pequenas moléculas orgânicas podem ser usadas para fazer o mesmo trabalho que grandes enzimas e catalisadores de metal.

O novo método, conhecido como organocatálise assimétrica, "é amplamente utilizado hoje, por exemplo, na descoberta de medicamentos e na produção de produtos químicos finos", disse Wittung-Stafshede.

Johan Åqvist, presidente do painel do Nobel, classificou o novo método como "simples e engenhoso".

"O fato é que muitas pessoas se perguntam por que não pensamos nisso antes", acrescentou.

HN Cheng, presidente da American Chemical Society, disse que os laureados desenvolveram "novas varinhas mágicas".

Antes do trabalho dos laureados, "os catalisadores padrão frequentemente usados ​​eram metais, que frequentemente têm desvantagens ambientais", disse Cheng. "Eles se acumulam, eles lixiviam, eles podem ser perigosos."

Os catalisadores pioneiros de MacMillan e List "são orgânicos, então se degradam mais rápido e também são mais baratos", disse ele.

Peter Somfai, outro integrante do comitê, destacou a importância da descoberta para a economia mundial.

“Estima-se que a catálise seja responsável por cerca de 35% do PIB mundial, o que é um número bastante impressionante”, disse ele. "Se tivermos uma alternativa mais ecologicamente correta, espera-se que isso faça a diferença."

Falando após o anúncio, List disse que o prêmio foi uma "grande surpresa".

"Você realmente fez o meu dia hoje", disse o homem de 53 anos por telefone aos jornalistas reunidos para o anúncio de suas férias em Amsterdã.
 
List disse que inicialmente não sabia que MacMillan estava trabalhando no mesmo assunto e percebeu que seu palpite poderia ser apenas uma "ideia estúpida" - até que funcionou.

"Quando vi que funcionou, senti que poderia ser algo grande", disse ele sobre seu momento eureka.

Desde sua descoberta, a ferramenta foi aprimorada ainda mais, tornando-a muitas vezes mais eficiente, disse List, acrescentando que a "verdadeira revolução" estava apenas começando.

List disse que o prêmio permitiria a ele uma liberdade ainda maior em seu trabalho futuro.

“Espero estar à altura disso, desse reconhecimento e continuar descobrindo coisas incríveis”, disse ele.

MacMillan ainda não havia sido alcançado no momento do anúncio, disse Goran Hansson, secretário-geral da Real Academia Sueca de Ciências.

É comum que vários cientistas que trabalham em áreas relacionadas compartilhem o prêmio. No ano passado, o prêmio de química foi para Emmanuelle Charpentier da França e Jennifer A. Doudna dos Estados Unidos pelo desenvolvimento de uma ferramenta de edição de genes que revolucionou a ciência ao fornecer uma maneira de alterar o DNA.

O prestigioso prêmio vem com uma medalha de ouro e 10 milhões de coroas suecas (mais de US $ 1,14 milhão). O dinheiro do prêmio vem de um legado deixado pelo criador do prêmio, o inventor sueco Alfred Nobel, que morreu em 1895.

Na segunda-feira, o Comitê Nobel concedeu o prêmio de fisiologia ou medicina aos americanos David Julius e Ardem Patapoutian por suas descobertas sobre como o corpo humano percebe a temperatura e o tato .

O Prêmio Nobel de Física foi concedido na terça-feira a três cientistas cujo trabalho encontrou ordem na aparente desordem, ajudando a explicar e prever forças complexas da natureza, incluindo a expansão de nossa compreensão da mudança climática.

Nos próximos dias, prêmios também serão concedidos a trabalhos de destaque nas áreas de literatura, paz e economia.

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Comunicado de imprensa do Comitê Nobel: Prêmio Nobel de Química 2021

A Real Academia Sueca de Ciências decidiu conceder o Prêmio Nobel de Química 2021 a

Benjamin List
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr, Alemanha

David WC MacMillan
Princeton University, EUA

"para o desenvolvimento de organocatálise assimétrica"

Uma ferramenta engenhosa para construir moléculas

Construir moléculas é uma arte difícil. Benjamin List e David MacMillan recebem o Prêmio Nobel de Química 2021 pelo desenvolvimento de uma nova ferramenta precisa para a construção molecular: a organocatálise. Isso teve um grande impacto na pesquisa farmacêutica e tornou a química mais verde.

Muitas áreas de pesquisa e indústrias dependem da capacidade dos químicos de construir moléculas que podem formar materiais elásticos e duráveis, armazenar energia em baterias ou inibir a progressão de doenças. Este trabalho requer catalisadores, que são substâncias que controlam e aceleram reações químicas , sem fazer parte do produto final. Por exemplo, os catalisadores em carros transformam substâncias tóxicas em gases de escapamento em moléculas inofensivas. Nossos corpos também contêm milhares de catalisadores na forma de enzimas, que esculpem as moléculas necessárias para a vida.

Os catalisadores são, portanto, ferramentas fundamentais para os químicos, mas os pesquisadores há muito acreditavam que havia, em princípio, apenas dois tipos de catalisadores disponíveis: metais e enzimas. Benjamin List e David MacMillan recebem o Prêmio Nobel de Química 2021 porque em 2000 eles, independentes um do outro, desenvolveram um terceiro tipo de catálise. É chamado de organocatálise assimétrica e se baseia em pequenas moléculas orgânicas .

"Este conceito de catálise é tão simples quanto engenhoso, e o fato é que muitas pessoas se perguntam por que não pensamos nisso antes", disse Johan Åqvist, presidente do Comitê Nobel de Química.

Os catalisadores orgânicos têm uma estrutura estável de átomos de carbono, aos quais mais grupos químicos ativos podem se anexar. Estes geralmente contêm elementos comuns como oxigênio, nitrogênio, enxofre ou fósforo. Isso significa que esses catalisadores são ecologicamente corretos e baratos de produzir.

A rápida expansão no uso de catalisadores orgânicos deve-se principalmente à sua capacidade de conduzir a catálise assimétrica. Quando as moléculas estão sendo construídas, muitas vezes ocorrem situações em que duas moléculas diferentes podem se formar, que - assim como nossas mãos - são a imagem espelhada uma da outra. Freqüentemente, os químicos só querem um desses, principalmente na produção de produtos farmacêuticos.

A organocatálise se desenvolveu a uma velocidade surpreendente desde 2000. Benjamin List e David MacMillan permanecem líderes no campo e demonstraram que catalisadores orgânicos podem ser usados ​​para impulsionar inúmeras reações químicas. Usando essas reações, os pesquisadores agora podem construir de forma mais eficiente qualquer coisa, desde novos produtos farmacêuticos até moléculas que podem capturar luz em células solares. Desta forma, os organocatalisadores estão trazendo o maior benefício para a humanidade.

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Suas ferramentas revolucionaram a construção de moléculas

Os químicos podem criar novas moléculas ligando pequenos blocos de construção químicos, mas é difícil controlar as substâncias invisíveis para que se liguem da maneira desejada. Benjamin List e David MacMillan recebem o Prêmio Nobel de Química 2021 pelo desenvolvimento de uma ferramenta nova e engenhosa para a construção de moléculas: a organocatálise. Seus usos incluem a pesquisa de novos produtos farmacêuticos e também ajudou a tornar a química mais verde.

Muitas indústrias e campos de pesquisa dependem da capacidade dos químicos de construir moléculas novas e funcionais. Podem ser qualquer coisa, desde substâncias que capturam luz em células solares ou armazenam energia em baterias, até moléculas que podem fazer tênis leves ou inibir o progresso de doenças no corpo.

No entanto, se compararmos a capacidade da natureza de construir criações químicas com a nossa, ficamos muito tempo presos na Idade da Pedra. A evolução produziu ferramentas incrivelmente específicas, enzimas, para construir os complexos moleculares que dão à vida suas formas, cores e funções. Inicialmente, quando os químicos isolaram essas obras-primas químicas, eles apenas as olharam com admiração. Os martelos e cinzéis em suas próprias caixas de ferramentas para construção molecular eram rombos e pouco confiáveis, então muitas vezes acabavam com muitos subprodutos indesejados quando copiavam os produtos da natureza.

Novas ferramentas para química mais fina

Cada nova ferramenta que os químicos adicionaram à sua caixa de ferramentas aumentou a precisão de suas construções moleculares. Lentamente, mas com segurança, a química progrediu do cinzelamento na pedra para algo mais parecido com um artesanato requintado. Isso tem sido um grande benefício para a humanidade e várias dessas ferramentas foram recompensadas com o Prêmio Nobel de Química.

A descoberta de ter recebido o Prêmio Nobel de Química em 2021 elevou a construção molecular a um nível inteiramente novo. Isso não apenas tornou a química mais verde, mas também tornou muito mais fácil produzir moléculas assimétricas. Durante a construção química, muitas vezes surge uma situação em que duas moléculas podem se formar, que - assim como nossas mãos - são a imagem espelhada uma da outra. Os químicos geralmente querem apenas uma dessas imagens no espelho, especialmente quando produzem produtos farmacêuticos, mas tem sido difícil encontrar métodos eficientes para fazer isso. O conceito desenvolvido por Benjamin List e David MacMillan - organocatálise assimétrica - é tão simples quanto brilhante. O fato é que muitas pessoas se perguntam por que não pensamos nisso antes.

Por que de fato? Esta não é uma pergunta fácil de responder, mas antes mesmo de tentarmos, precisamos dar uma rápida olhada na história. Definiremos os termos catálise e catalisador, e prepararemos o cenário para o Prêmio Nobel de Química de 2021.

Catalisadores aceleram reações químicas

No século XIX, quando os químicos começaram a explorar as maneiras como os diferentes produtos químicos reagem uns com os outros, eles fizeram algumas descobertas estranhas. Por exemplo, se eles colocassem prata em um béquer com peróxido de hidrogênio (H2O2), o peróxido de hidrogênio repentinamente começou a se decompor em água (H2O) e oxigênio (O2). Mas a prata - que deu início ao processo - não pareceu afetada pela reação. Da mesma forma, uma substância obtida de grãos germinados poderia quebrar o amido em glicose.

Em 1835, o renomado químico sueco Jacob Berzelius começou a ver um padrão nisso. No relatório anual da Royal Swedish Academy of Sciences, que descreve os últimos avanços na física e na química, ele escreve sobre uma nova "força" que pode "gerar atividade química". Ele listou vários exemplos em que apenas a presença de uma substância iniciou uma reação química, declarando como esse fenômeno parecia ser consideravelmente mais comum do que se pensava anteriormente. Ele acreditava que a substância tinha uma força catalítica e chamou o próprio fenômeno de catálise.

Os catalisadores produzem plástico, perfume e alimentos saborosos

Muita água correu pelas pipetas dos químicos desde a época de Berzelius. Eles descobriram uma infinidade de catalisadores que podem quebrar moléculas ou juntá-las. Graças a eles, eles agora podem extrair as milhares de substâncias diferentes que usamos em nosso dia a dia, como produtos farmacêuticos, plásticos, perfumes e aromas de alimentos. O fato é que estima-se que 35 por cento do PIB total mundial de alguma forma envolve catálise química.

Em princípio, todos os catalisadores descobertos antes do ano 2000 pertenciam a um de dois grupos: eram metais ou enzimas. Os metais costumam ser excelentes catalisadores porque têm uma capacidade especial de acomodar temporariamente os elétrons ou de fornecê-los a outras moléculas durante um processo químico. Isso ajuda a afrouxar as ligações entre os átomos em uma molécula, de modo que ligações que, de outra forma, seriam fortes podem ser quebradas e novas ligações podem se formar.

No entanto, um problema com alguns catalisadores de metal é que eles são muito sensíveis ao oxigênio e à água, portanto, para que funcionem, eles precisam de um ambiente livre de oxigênio e umidade. Isso é difícil de conseguir em indústrias de grande escala. Além disso, muitos catalisadores metálicos são metais pesados, que podem ser prejudiciais ao meio ambiente.

Os catalisadores da vida funcionam com uma precisão impressionante

A segunda forma de catalisador é composta de proteínas conhecidas como enzimas. Todos os seres vivos têm milhares de enzimas diferentes que conduzem as reações químicas necessárias para a vida. Muitas enzimas são especialistas em catálise assimétrica e, a princípio, sempre formam uma imagem espelhada das duas possíveis. Eles também trabalham lado a lado; quando uma enzima termina com uma reação, outra assume o controle. Dessa forma, eles podem construir moléculas complicadas com incrível precisão, como o colesterol, a clorofila ou a toxina chamada estricnina, que é uma das moléculas mais complexas que conhecemos (voltaremos a isso).

Como as enzimas são catalisadores tão eficientes, os pesquisadores nos anos 1990 tentaram desenvolver novas variantes de enzimas para conduzir as reações químicas necessárias para a humanidade. Um grupo de pesquisa trabalhando nisso foi baseado no Scripps Research Institute no sul da Califórnia e foi liderado pelo falecido Carlos F. Barbas III. Benjamin List tinha uma posição de pós-doutorado no grupo de pesquisa de Barbas quando nasceu a ideia brilhante que levou a uma das descobertas por trás do Prêmio Nobel de Química deste ano.

Benjamin List pensa fora da caixa ...

Benjamin List trabalhou com anticorpos catalíticos. Normalmente, os anticorpos se ligam a vírus ou bactérias estranhos em nossos corpos, mas os pesquisadores da Scripps os redesenharam para que pudessem gerar reações químicas.

Durante seu trabalho com anticorpos catalíticos, Benjamin List começou a pensar sobre como as enzimas realmente funcionam. Geralmente são moléculas enormes construídas a partir de centenas de aminoácidos. Além desses aminoácidos, uma proporção significativa de enzimas também contém metais que ajudam a impulsionar os processos químicos. Mas - e este é o ponto - muitas enzimas catalisam reações químicas sem a ajuda de metais. Em vez disso, as reações são conduzidas por um ou alguns aminoácidos individuais na enzima. A pergunta inicial de Benjamin List era: os aminoácidos precisam fazer parte de uma enzima para catalisar uma reação química? Ou poderia um único aminoácido, ou outras moléculas simples semelhantes, fazer o mesmo trabalho?

… Com um resultado revolucionário

Ele sabia que havia pesquisas no início dos anos 1970, nas quais um aminoácido chamado prolina havia sido usado como catalisador - mas isso foi há mais de 25 anos. Certamente, se a prolina realmente tivesse sido um catalisador eficaz, alguém teria continuado a trabalhar nisso.

Isso é mais ou menos o que Benjamin List pensava; ele presumiu que o motivo pelo qual ninguém havia continuado a estudar o fenômeno era que ele não tinha funcionado muito bem. Sem nenhuma expectativa real, ele testou se a prolina poderia catalisar uma reação aldólica, na qual átomos de carbono de duas moléculas diferentes são ligados. Foi uma tentativa simples que, surpreendentemente, funcionou imediatamente.

Benjamin List planejou seu futuro

Com seus experimentos, Benjamin List não apenas demonstrou que a prolina é um catalisador eficiente, mas também que esse aminoácido pode conduzir a catálise assimétrica. Das duas possíveis imagens no espelho, era muito mais comum que uma delas se formasse do que a outra.

Ao contrário dos pesquisadores que já haviam testado a prolina como catalisador, Benjamin List entendeu o enorme potencial que ela poderia ter. Comparada com metais e enzimas, a prolina é a ferramenta dos sonhos para os químicos. É uma molécula muito simples, barata e amiga do ambiente. Quando publicou sua descoberta em fevereiro de 2000, List descreveu a catálise assimétrica com moléculas orgânicas como um novo conceito com muitas oportunidades: "O projeto e a triagem desses catalisadores é um de nossos objetivos futuros".

No entanto, ele não estava sozinho nisso. Em um laboratório mais ao norte da Califórnia, David MacMillan também estava trabalhando com o mesmo objetivo.

David MacMillan deixa metais sensíveis para trás ...

Dois anos antes, David MacMillan havia se mudado de Harvard para a UC Berkeley. Em Harvard, ele trabalhou no aprimoramento da catálise assimétrica usando metais. Essa era uma área que estava atraindo muita atenção dos pesquisadores, mas David MacMillan observou como os catalisadores desenvolvidos raramente eram usados ​​na indústria. Ele começou a pensar sobre o motivo e presumiu que os metais sensíveis eram simplesmente muito difíceis e caros de usar. Alcançar as condições sem oxigênio e sem umidade exigidas por alguns catalisadores de metal é relativamente simples em um laboratório, mas conduzir a fabricação industrial em grande escala em tais condições é complicado.

Sua conclusão foi que, se as ferramentas químicas que estava desenvolvendo fossem úteis, ele precisava ser repensado. Então, quando ele se mudou para Berkeley, ele deixou os metais para trás.

... e desenvolve uma forma mais simples de catalisador

Em vez disso, David MacMillan começou a projetar moléculas orgânicas simples que - assim como os metais - poderiam fornecer ou acomodar temporariamente os elétrons. Aqui, precisamos definir o que são moléculas orgânicas - em resumo, essas são as moléculas que constroem todas as coisas vivas. Eles têm uma estrutura estável de átomos de carbono. Grupos químicos ativos estão ligados a essa estrutura de carbono e geralmente contêm oxigênio, nitrogênio, enxofre ou fósforo.

As moléculas orgânicas consistem, portanto, em elementos simples e comuns, mas, dependendo de como são colocadas juntas, podem ter propriedades complexas. O conhecimento de química de David MacMillan disse-lhe que para uma molécula orgânica catalisar a reação na qual ele estava interessado, ela precisava ser capaz de formar um íon imínio. Ele contém um átomo de nitrogênio, que tem uma afinidade inerente com os elétrons.

Ele selecionou várias moléculas orgânicas com as propriedades corretas e, em seguida, testou sua capacidade de conduzir uma reação de Diels-Alder, que os químicos usam para construir anéis de átomos de carbono. Tal como ele esperava e acreditava, funcionou de forma brilhante. Algumas das moléculas orgânicas também foram excelentes em catálise assimétrica. De duas possíveis imagens de espelho, uma delas compreendia mais de 90 por cento do produto.

David MacMillan cunha o termo organocatálise

Quando David MacMillan estava pronto para publicar seus resultados, ele percebeu que o conceito de catálise que ele havia descoberto precisava de um nome. O fato é que os pesquisadores já haviam conseguido catalisar reações químicas usando pequenas moléculas orgânicas, mas esses eram exemplos isolados e ninguém havia percebido que o método poderia ser generalizado.

David MacMillan queria encontrar um termo para descrever o método para que outros pesquisadores entendessem que havia mais catalisadores orgânicos para descobrir. Sua escolha foi organocatálise.

Em janeiro de 2000, pouco antes de Benjamin List publicar sua descoberta, David MacMillan submeteu seu manuscrito para publicação em uma revista científica. A introdução afirma: "Aqui, apresentamos uma nova estratégia para organocatálise que esperamos que seja passível de uma série de transformações assimétricas".

O uso de organocatálise cresceu rapidamente

Independentemente um do outro, Benjamin List e David MacMillan descobriram um conceito inteiramente novo para a catálise. Desde 2000, os desenvolvimentos nesta área podem quase ser comparados a uma corrida do ouro, na qual List e MacMillan mantêm posições de liderança. Eles projetaram uma grande quantidade de organocatalisadores baratos e estáveis, que podem ser usados ​​para conduzir uma grande variedade de reações químicas.

Não apenas os organocatalisadores geralmente consistem em moléculas simples, em alguns casos - assim como as enzimas da natureza - eles podem trabalhar em uma correia transportadora. Anteriormente, nos processos de produção química era necessário isolar e purificar cada produto intermediário, caso contrário o volume de subprodutos seria muito grande. Isso fez com que parte da substância fosse perdida em cada etapa de uma construção química.

Os organocatalisadores são muito mais tolerantes, pois, com relativa frequência, várias etapas em um processo de produção podem ser executadas em uma sequência ininterrupta. Isso é chamado de reação em cascata, que pode reduzir consideravelmente o desperdício na fabricação de produtos químicos.

Síntese de estricnina agora 7.000 vezes mais eficiente

Um exemplo de como a organocatálise levou a construções moleculares mais eficientes é a síntese da molécula natural e surpreendentemente complexa de estricnina. Muitas pessoas reconhecerão a estricnina dos livros de Agatha Christie, a rainha do mistério do assassinato. No entanto, para os químicos, a estricnina é como um cubo de Rubik: um desafio que você deseja resolver no mínimo de etapas possível.

Quando a estricnina foi sintetizada pela primeira vez, em 1952, exigiu 29 reações químicas diferentes e apenas 0,0009 por cento do material inicial formou estricnina. O resto foi desperdiçado.

Em 2011, os pesquisadores puderam usar a organocatálise e uma reação em cascata para construir a estricnina em apenas 12 etapas, e o processo de produção foi 7.000 vezes mais eficiente.

A organocatálise é mais importante na produção farmacêutica

A organocatálise teve um impacto significativo na pesquisa farmacêutica, que frequentemente requer catálise assimétrica. Até que os químicos pudessem conduzir a catálise assimétrica, muitos produtos farmacêuticos continham as duas imagens especulares de uma molécula; um deles estava ativo, enquanto o outro às vezes podia ter efeitos indesejáveis. Um exemplo catastrófico disso foi o escândalo da talidomida na década de 1960, no qual uma imagem espelhada do produto farmacêutico da talidomida causou sérias deformidades em milhares de embriões humanos em desenvolvimento.

Usando a organocatálise, os pesquisadores agora podem fazer grandes volumes de diferentes moléculas assimétricas de maneira relativamente simples. Por exemplo, eles podem produzir artificialmente substâncias potencialmente curativas que, de outra forma, só podem ser isoladas em pequenas quantidades de plantas raras ou organismos do fundo do mar.

Nas empresas farmacêuticas, o método também é usado para agilizar a produção de produtos farmacêuticos existentes. Exemplos disso incluem a paroxetina, que é usada para tratar ansiedade e depressão, e o medicamento antiviral oseltamivir, que é usado para tratar infecções respiratórias.

Ideias simples costumam ser as mais difíceis de imaginar

É possível listar milhares de exemplos de como a organocatálise é usada - mas por que ninguém surgiu com esse conceito simples, verde e barato para catálise assimétrica antes? Esta pergunta tem muitas respostas. Uma delas é que as ideias simples costumam ser as mais difíceis de imaginar. Nossa visão é obscurecida por fortes preconceitos sobre como o mundo deveria funcionar, como a ideia de que apenas metais ou enzimas podem gerar reações químicas. Benjamin List e David MacMillan conseguiram ver além desses preconceitos para encontrar uma solução engenhosa para um problema com o qual os químicos lutaram por décadas. Os organocatalisadores estão trazendo - agora - o maior benefício para a humanidade.

 

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