Effektivare och miljövänligare molekyldesign

Abraham Mendoza designar syntesen av organiska molekyler genom att använda vanligt ljus. Dessa nya kemiska omvandlingar utförs också i färre steg och med billigare och miljövänligare kemikalier än dagens metoder. Effektiviseringen kan till exempel bidra till snabbare utveckling av läkemedel och material.

Abraham Mendoza

Dr i organisk kemi

Wallenberg Academy Fellow 2016

Lärosäte:
Stockholms universitet

Forskningsområde:
Effektivare och mer miljövänliga verktyg för kemisk syntes

En engagerad kemilärare i gymnasiet inspirerade Abraham Mendoza att bli kemist. Han hade egentligen tänkt läsa datorvetenskap, men blev fascinerad av de kemiska reaktionernas värld.

– Och jag hade sådan tur för University of Oviedo, som ligger bara två mil från min hemstad Gijón i norra Spanien, har en av de bästa kemiavdelningarna i landet. Allt föll på plats och jag fastnade för organisk kemi och syntes.

Inom organisk, kolbaserad, kemi lär sig kemisterna förstå och ta tillvara naturens finurliga byggstenar och processer, och får där inspiration att utveckla artificiella reaktioner. Organisk syntes är en vetenskap som gett stora bidrag till samhällets utveckling de senaste hundra åren, bland annat i form av nya mediciner och material, berättar Abraham Mendoza. 

– Hur snabbt man kan producera de molekyler som behövs för att tillverka nya läkemedelskandidater begränsas helt av vår kapacitet att syntetisera molekyler.

I dagens syntesmetoder behövs ofta giftiga lösningsmedel och dyra metaller för att katalysera de kemiska reaktionerna, förklarar han. Det krävs också många steg i processen för att få fram rätt molekyl. Med stöd av ett anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse tar Abraham Mendozas forskargrupp fram mer effektiva metoder där man använder ljusenergi och billigare material.

– Vi använder oss av LED-lampor och vanliga substrat, metallreagenter, som redan finns i kylarna på de flesta labb. Genom att minska antalet kemiska steg som krävs för att nå den slutprodukt man vill ha blir processen samtidigt mer miljövänlig.

Konst i ett provrör

Den organiska kemin och de molekylära skapelser kemisterna designar i sina labb, kan beskrivas som ett konsthantverk, menar Abraham Mendoza.

naturen, plockar sedan isär den i rätt bitar så att andra kan tillverka molekylen och analogier till den syntetiskt och snabbt – ett mycket kreativt arbete. Vi har fortfarande inte lyckats lära en dator att göra det, även om forskare försöker automatisera själva utförandet. 

Under åren som postdoktor på Scripps forskningsinstitut i USA tillhörde Abraham Mendoza professor Phil Barans forskargrupp och studerade då syntes av naturliga produkter med medicinska effekter, mer specifikt anticancerläkemedel.

– Phil Baran är en ung forskare, men redan en av de bästa inom området. Jag blev inspirerad av hur han tänkte kring syntes, hans strategier var verkligen ”mind-blowing”.

Förmågan att tänka nytt har även Abraham Mendoza. Sedan 2013 leder han en egen forskargrupp på Arrheniuslaboratoriet vid Stockholms universitet. Numera fokuserar han på automatiska syntesmetoder och metallorganisk fotokemi.

– Inget som jag gör nu har jag gjort tidigare, vi är pionjärer på området.

”Det här anslaget ger mig en möjlighet att verkligen etablera min forskningskarriär i Sverige. Vi kommer att utöka labbet och kan nu rekrytera fler ”permanenta” forskare till vårt team.”

År 2010 fick Heck, Negishi och Suzuki Nobelpriset i kemi för palladiumkatalyserade korskopplingar i organisk syntes. Ett verktyg som på ett genomgripande sätt förbättrat möjligheterna att tillverka kolbaserade molekyler som är lika komplicerade som naturens egna. Abraham Mendoza vill göra denna viktiga kemiska reaktion ännu mer effektivt.

– Det är en high-tech och dyr syntesreaktion, central bland annat inom läkemedelsindustrin. Vårt mål är att göra samma sak utan övergångsmetaller. Målet är att använda en vanlig glödlampa och en liten fotosensibilsator, som underlättar starten av den katalytiska reaktionen.

I labbet modellerar forskargruppen reaktionerna för att successivt närma sig lösningen.

– Först gör vi en enkel molekyl, en testmolekyl. När vi har hittat lösningen för den reaktion som vi vill utveckla undersöker vi om den kan appliceras på olika scenarier. Vi gör gradvis mer komplexa molekyler genom att förfina förutsättningarna för reaktionen. 

Bra tajming

De organiska molekyler som ger metaller kapaciteten att katalysera syntesreaktioner kallas ligander. Det är väldigt högteknologiska molekyler, förklarar Abraham Mendoza. Hans forskning har bland annat lett till en lovande applikation för tillverkning av en specifik och kostsam klass ligander.

– Min forskargrupp har designat nyckelreaktionen som saknades för att storskaligt kunna framställa liganderna i en smidigare process och till en mycket lägre produktionskostnad.

Hur kommer det sig att ingen gjort detta förut?

– Det är rätt tajming nu. Användning av synligt ljus har tagit fart generellt sett inom kemin de senaste åren. Vi har tagit ett gammalt forskningsfält och applicerat nya teknologier och idéer.

Abraham Mendoza är exalterad över nya forskningsframsteg som de kommer att publicera framöver.

– Vi tror att vi har skapat den första reaktionen som sömlöst kan forma vilken sorts kol-kolbindning som helst, på ett sätt som enkelt kan utföras av maskiner. Nyttan av denna reaktion är att kunna lära maskiner att göra molekyler åt oss i framtiden.

 

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström