Byggmästare i molekylernas värld

Projektanslag 2011

Catalysis in selective organic synthesis

Huvudsökande:
Jan-Erling Bäckvall, professor i organisk kemi

Medsökande:
Hans Adolfsson
Kálmán Szabó 
Belén Martín-Matute 
Fahmi Himo 
Per Siegbahn 
Björn Åkermark
Xiadong Zou 

Lärosäte:
Stockholms universitet

Beviljat anslag: 
44,0 miljoner kronor under fem år

Katalysatorer som till exempel metaller och enzymer har en unik förmåga att välja ut och aktivera organiska föreningar. Katalytiska processer har varit kända länge och är centrala inom allt från kemisk teknologi till människokroppens funktion.

De senaste decennierna har kunskapen om katalysatorers funktion på molekylär nivå ökat dramatiskt och utvecklingen inom området har uppmärksammats med flera Nobelpris. Det innebär att forskarna idag har helt andra förutsättningar att utveckla nya katalysatorer och katalysatorsystem liksom möjligheter till precisa styrningar av kemiska reaktionsvägar.

– Det finns en inomvetenskaplig nytta med det vi gör eftersom de metoder vi tar fram används av andra organiska kemister för att göra omvandlingar i organisk syntes. Och den möjliga samhällsnyttan är påtaglig. De metoder vi utvecklar kan öppna nya vägar till moderna läkemedel mot sjukdomar som HIV, cancer och Alzheimers, berättar Jan-Erling Bäckvall, professor i organisk kemi vid Stockholms universitet och forskningsledare för ett stort katalysprojekt.

Tre former av katalys

I projektet jobbar Jan-Erling Bäckvall tillsammans med 25–30 kollegor från olika forskargrupper på Stockholms universitet. Forskarna använder både mekanistiska undersökningar och teoretisk modellering för att utveckla kunskapen om framför allt tre former av katalys: homogen katalys, heterogen katalys och biokatalys.

I homogen katalys används metaller som till exempel palladium, rutenium och rodium i homogena lösningar. Denna typ av katalys fick ett uppsving under 1900-talet då ett antal storskaliga industriprocesser såsom Wackerprocessen, Ziegler-Natta polymerisering och hydroformylering utvecklades.

I heterogen katalys används också metaller men då i olöst form och ibland uppbundna på en bärare. Denna form av katalys har använts i över hundra år, till exempel i katalytisk hydrogenering för att omvandla flytande fetter till fasta fetter som kan användas till smörjning och liknande. Heterogen katalys är också den mest använda formen av katalys inom industrin. Exempel på praktiska tillämpningar är Haber-Boschprocessen för framställning av ammoniak och katalytisk avgasrening i bilar.

Kirala objekt eller system

Inom den tredje formen av katalys – biokatalys – arbetar forskarna vid Stockholms universitet med kombinationer av metall- och enzymkatalys. En viktig tillämpning för denna typ av katalys är framställning av kirala organiska föreningar. Kännetecknande för sådana föreningar är att de verksamma molekylerna förekommer i två varianter, enantiomerer, som är exakt lika förutom att de är spegelvända. Man kan alltså säga att kirala molekyler förhåller sig till varandra som en högerhand till en vänsterhand. I de flesta fall har de två varianterna olika biokemiska egenskaper.

– Det vanliga är att en av varianterna har högre effekt, och i värsta fall kan den andra, mindre aktiva, varianten vara direkt skadlig. Exempel är det antiinflammatoriska läkemedlet Naproxen där den oönskade varianten av den aktiva molekylen ger leverskador. Kiralitet har också stor betydelse inom andra biologiska system, som till exempel bekämpningsmedel inom jordbruket, berättar Jan-Erling Bäckvall.

Man kan lösa det här problemet på två sätt: antingen genom att separera bort den felaktiga varianten eller genom att omvandla den till den önskade varianten. Jan-Erling Bäckvall och hans kollegor arbetar med en metod för omvandling av den oönskade varianten till den önskade. Det ger dubbelt utbyte och minimerar kemiskt avfall jämfört med traditionella metoder.

"För vår institution har det här anslaget betytt enormt mycket, både för ekonomi och för forskningsvolymen."

Riktad evolution

Det finns också en fas 2 när det gäller biokatalys och det är vad forskarna kallar ”riktad evolution”, vilket kan liknas vid ett accelererat avelsprogram för enzymer. I riktad evolution förändrar forskarna avsiktligt vissa delar av arvsmassan i ett enzym. Sedan, med hjälp av en rad olika metoder, renar de fram nya varianter av enzymet som kan vara flera hundra gånger så effektiva som den ursprungliga varianten av enzymet.

– En ny värld har öppnat sig för oss! Plötsligt kan vi även inom biokatalysen framställa nya katalysatorer, vi är inte längre låsta till de som finns tillgängliga i naturen. Naturen har tagit miljontals år på sig för att få fram optimala enzymer, här kan vi göra samma sak på ett halvår till ett år, säger Jan-Erling Bäckvall.

Förutom de tre formerna av katalys arbetar forskarna också med elektrontransferprocesser kopplade till artificiell fotosyntes.

– Vi har länge försökt att få till stånd en sån här omfattande satsning på katalys eftersom vi anser att det är ett framtidsområde. Vi vill ju att det här området ska kunna växa och att vi ska kunna åstadkomma stora upptäckter. Men det är klart, sådant kan man ju aldrig förutsäga, avslutar Jan-Erling Bäckvall.

Text  Anders Esselin
Bild Magnus Bergström