När ämnet bor binds in i organiska molekyler kan de få nya, speciella egenskaper. Nu kombinerar fyra forskargrupper sin expertis för att förbättra tillverkningen av en särskilt intressant typ av sådana molekyler, som är viktiga byggstenar för läkemedel och avancerad elektronik.
Projektanslag 2024
Chiral Geminal Diboronates: Unique Single-Carbon Linchpins for Expansion of the Chemical Space
Huvudsökande:
Kálmán J. Szabó, professor i organisk kemi
Medsökande:
Stockholms universitet:
Fahmi Himo
Belén Martín-MatuteUppsala universitet:
Máté Erdély
Lärosäte:
Stockholms universitet
Beviljat anslag:
35 miljoner kronor under fem år
– Här arbetar vi med borföreningarna. Det är svårt, men väldigt roligt! säger Kálmán J. Szabó, professor i organisk kemi vid Stockholms universitet, och går fram till ett dragskåp där provrör med ljusgul vätska står på rad.
Kálmán J. Szabó leder ett projekt med stöd av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, där målet är att förbättra framställningen av en viss typ av molekyler som innehåller grundämnet bor.
Bor är en så kallad halvmetall. Den finns inte naturligt i organiska – kolbaserade – molekyler, men kan byggas in i dem. Gör man det på sådant sätt att det uppstår en direkt bindning mellan kol och bor får molekylerna nya, intressanta kemiska egenskaper. Molekyler med minst en sådan bindning kallas organoborföreningar eller organiska borföreningar.
– Organoborföreningar är viktiga byggstenar i syntes av andra organiska molekyler, eftersom de reagerar lätt och med hög träffsäkerhet. De är också intressanta som läkemedelssubstanser och i nya material.
Rätt form för jobbet
Forskarna i projektet utvecklar en ny metod för att framställa föreningar som innehåller inte bara en kol-bor-bindning utan två till samma kolatom, så kallade geminala diborföreningar. Föreningarna ska dessutom vara kirala, vilket innebär att de förekommer i två former som är varandras spegelbilder – som en höger- och vänsterhand.
Molekyler bildas vanligtvis i båda kirala formerna, men många gånger är man bara intresserad av den ena. Det gäller till exempel vid framställning av läkemedel, eftersom de olika spegelbildsformerna kan ha helt olika effekt i kroppen, och i optoelektroniska tillämpningar som 3D-OLED-skärmar, eftersom formerna interagerar med ljus på olika sätt.
En viktig egenskap för den nya syntesmetoden är därför att den ska ge betydligt mer av den ena spegelbildsformen än den andra; vara selektiv.
– Idag är det svårt och dyrt att framställa kirala geminala diborföreningar med hög selektivitet, det saknas effektiva och generella metoder. Det vill vi ändra på, säger Kálmán J. Szabó.
För att göra det använder forskarna metoden asymmetrisk organokatalys, där en kiral organisk molekyl fungerar som katalysator och styr reaktionen så att den bildar främst den ena spegelbildsformen. Startmaterialet är ofta en organisk diborsyra och katalysatorn är en variant av den kirala molekylen BINOL. Dibor-föreningen förlängs med en reaktion kallad homologering med hjälp av katalysatorn. De båda kol-bor-bindningarna kan sedan ersättas med andra grupper, vilket ger en stor variation av nya kirala substanser.
– Kirala geminala diborföreningar kan användas för att konstruera stora bibliotek av substanser som kan användas för att hitta nya läkemedelsmolekyler. Längre fram i projektet planerar vi att effektivisera bygget av sådana bibliotek med hjälp av AI-styrd syntesplanering, säger Kálmán J. Szabó.
Förstörs av syre
Först gäller det att få de grundläggande reaktionerna att fungera, och det har sina utmaningar. I labbet står ett lufttätt arbetsskåp där forskarna arbetar med hjälp av långa handskar monterade genom framväggen. Skåpet är fyllt med kvävgas för att skydda borföreningarna från luftens syre. Vissa av föreningarna är dessutom instabila i rumstemperatur och de två spegelformerna kan lätt omvandlas till varandra under reaktionen.
– Mekanismerna för kirala bormolekylers syntes och reaktioner är komplicerade och outforskade till stor del. Vi undersöker bland annat vilka betingelser som krävs för att reaktionen ska ge rätt produkt och hur vi kan göra molekyler som är stabila i rumstemperatur och i vanlig atmosfär.
I projektet kombineras syntesstudier med mekanistiska studier, som syftar till att förstå hur reaktionerna går till. Till exempel används en kvantkemisk beräkningsmetod kallad täthetsfunktionalteori, DFT, i en del av projektet ledd av Fahmi Himo, professor i kvantkemi vid Stockholms universitet.
– Med den metoden går det att beräkna energierna i de möjliga reaktionsvägarna för att säga vilken som är mest sannolik. Sedan försöker vi justera syntesen efter det, säger Kálmán J. Szabó.
Mekanismerna undersöks också med NMR-spektroskopi, som ger experimentell data om hur atomerna i en molekyl sitter ihop och vilka mellanprodukter som bildas under syntesen. Det arbetet leds av Máté Erdélyi, professor i organisk kemi vid Uppsala universitet.
En annan viktig del handlar om att hitta metoder för att kunna minska mängden katalysator. Det undersöker en forskargrupp ledd av Belén Martín-Matute, professor i organisk kemi vid Stockholms universitet, som bland annat utvecklar katalysatorformuleringar och utvärderar deras aktivitet.
Nyligen lyckades forskarna i projektet med ett viktigt steg på vägen. De har använt sin syntesmetod för att genomföra en reaktion som bildade en specifik kiral geminal diborförening.
– Vi blev väldigt glada eftersom det visar att vår princip fungerar. Nu ska vi utvidga det till föreningar med andra funktionella grupper och att få högre selektivitet, säger Kálmán J. Szabó.
Text: Sara Nilsson
Foto: Åsa Wallin
