Läkemedel, färgpigment, smakämnen, plaster, solceller – mycket i vår vardag bygger på molekyler som syntetiseras av kemister i laboratorium. En synteskemist använder sin kunskap om kemiska reaktioner för att sätta samman och modifiera enkla molekyler till mer komplicerade strukturer. Målet är ofta att tillverka något som liknar molekyler som finns i naturen, till exempel i växter eller mikroorganismer. Det kanske låter så enkelt som att sätta ihop legobitar för att bygga något större, men det är mycket mer komplicerat än så.
Varje kemisk reaktion kräver en viss mängd av aktiveringsenergi för att kunna komma över en barriär, även om slutprodukten av reaktionen är mer fördelaktig än reaktanterna. Jag försöker förklara med en liknelse: Ibland när du ligger i soffan och förmodligen hade kunnat slappna av ännu mer om du gick och lade dig i sängen kanske du känner att du ändå inte orkar göra det – du har inte tillräckligt med aktiveringsenergi för att komma över den barriären som krävs för att ställa sig upp och gå och krypa ner under täcket. Du kan tänka dig att en liknande princip gäller för kemiska reaktioner! Om en reaktion har en väldigt hög barriär som kräver mer aktiveringsenergi än vad vi kan tillföra behöver vi sänka barriären – detta kan göras med hjälp av en katalysator (i vår metafor kanske det här innebär att sängen flyttas närmare soffan). En katalysator är ett ämne som snabbar upp en kemisk reaktion som annars skulle gå mycket långsamt eller inte alls.
För att göra det ännu mer komplicerat kan det ibland krävas att inte bara tillverka en molekyl inte bara med rätt sammansättning byggstenar, utan även mer rätt orientering av atomerna och bindningarna. Många molekyler i naturen är som våra händer – de är spegelbilder av varandra, men inte riktigt identiska. Precis som din höger hand inte passar i vänster handske och vice versa kan dessa molekyler ha väldigt olika funktion. Ett exempel är S-limonen och R-limonen, två spegelbilder av varandra som antingen luktar som citron eller apelsin. Det finns andra exempel där det är mycket mer allvarligt att ta fel på spegelbilderna, till exempel där det kan vara skillnaden mellan ett läkemedel och ett ämne som inte har någon effekt, eller i värsta fall kan vara farligt. Katalysatorer kan också hjälpa till att styra reaktionen så att man syntetiserar rätt spegelbild av en molekyl.
Levande organismer använder sig av enzymer för att katalysera reaktioner som nedbrytning av mat och uppbyggnad av nya vävnader. I vissa fall kan vi använda enzymer i laboratorium också (du kan läsa mer om detta i artikeln om Nobelpriset i kemi 2018) men proteiner kan vara svåra att jobba med och funkar inte med alla reaktioner. En reaktion kan till exempel kräva hög temperatur, lösningsmedel, väldigt sura eller basiska förhållanden som enzymer inte tål. För kemisk syntes i laboratorium används ofta metallkatalysatorer, men även dessa är inte alltid väldigt effektiva och ofta känsliga och ostabila, vilket gör det svårt att använda de på stor skala i industrin.
Här kommer årets Nobelpristagare, Benjamin List och David MacMillan, in i bilden. De har tilldelats årets Nobelpris i kemi ”för utveckling av asymmetrisk organokatalys”. Deras forskning har visat att det går att även små organiska molekyler, det vill säga molekyler av huvudsakligen kol, väte, syre, kväve kan användas som katalysatorer. Organiska molekyler är enklare att jobba med än enzymer eller metallkatalysatorer och billigare att framställa. Dessutom har de visat att organiska katalysatorer kan effektivt styra vilken asymmetrisk spegelbild av en molekyl som syntetiseras.
List och hans forskarlag har demonstrerat att endast en aminosyra, L-prolin, kunde ersätta det stora enzymet aldolas för att katalysera en aldol-reaktion. Aldol-reaktionen är otroligt användbar för många olika syntesreaktioner, exempelvis läkemedlet Lipitor mot hjärt- och kärlsjukdomar.
MacMillans forskargrupp har utvecklat organiska molekyler som kan ersätta metallkatalysatorer. Till exempel kan deras katalysatorer användas för att genomföra en så kallad Diels-Alder-reaktion (en reaktion som gav Otto Diels och Kurt Alder ett Nobelpris 1950!) minst lika bra som med en metallkatalysator.
Lists och MacMillans katalysatorer är en enkel och elegant lösning på utmaningarna i komplicerad kemisk syntes, vilket i sin tur definitivt kommer att hjälpa oss lösa framtidens stora utmaningar inom bland annat hälsa och miljö. Med dessa framsteg får synteskemister ett kraftfullt verktyg för att tillverka innovativa läkemedel, smarta material, och mycket mer, samtidigt som tillverkningsprocessen blir enklare, mer effektiv och mer miljövänlig.
Nobelkommitténs sammanfattning finns att läsa här!
Vill du göra en ordentlig djupdykning finns också den avancerade vetenskapliga bakgrunden (på engelska).
Illustrationer ©Johan Jarnestad, Agnes Moe/The Royal Swedish Academy of Sciences
Skribent: Alexandra Polyakova
Jag som har skrivit texten heter Alexandra Polyakova och har precis tagit masterexamen i analytisk kemi vid University of Amsterdam. Forskning driven av nyfikenhet är enligt mig det häftigaste som finns – det handlar ju om att utforska det okända och upptäcka något helt nytt som ingen tidigare sett eller tänkt på! Jag har drömt om att bli forskare själv sedan barnsben och väldigt snart kommer jag att börja forska som doktorand i biofysik vid Basel Biozentrum.