Kemi: Partnerbyte i provrör

– Det nya slagträt skjuter lika skarpt som aluminium men känns som trä i handen, säger Michael Giardello, vd och teknisk chef vid företaget Materia Inc. i Kalifornien, USA.

Slagträt innehåller en ny sorts plast som företaget har tillverkat med hjälp av den metod som får årets Nobelpris i kemi. Samma metod ligger bakom flera andra produkter som Materia utvecklar, bland annat feromoner, som lockar till sig insekter, och mediciner mot benskörhet och hepatit C. En av företagets grundare är amerikanen Robert Grubbs, som delar årets kemipris med landsmannen Richard Schrock och fransmannen Yves Chauvin.

De tre pristagarna har hittat på ett sinnrikt sätt att bygga om de kedjor av grundämnet kol som är själva ryggraden i livets kemi. En stor del av den organiska kemin går ut på att snickra ihop kolkedjor till läkemedel, plaster och tusentals andra produkter. Vägen från enkla råvaror till en stor och invecklad läkemedelsmolekyl kan vara en trasslig historia som innehåller tiotals olika kemiska reaktioner. Den belönade metoden förenklar molekylbygget. Antalet steg från start till mål blir färre, vilket sparar tid och energi. Samtidigt bildas mindre avfall, och mer av den önskade slutprodukten. Grönare kemi, alltså.

Förbättringarna beror på en typ av kemiska reaktioner som kallas metates. Ordet betyder ”byta plats”. I en metatesreaktion bryts och ombildas dubbelbindningar mellan kolatomer på ett sätt som gör att hela grupper av atomer byter plats med varandra. Vid en presskonferens på Kungl. Vetenskapsakademien demonstrerade fyra personer från akademien förloppet genom en pardans som övergick i ringdans, och sedan återgick till pardans med nya partner.

Katalysator i centrum

I molekylernas värld kretsar dansen runt en katalysator, ett ämne som underlättar en kemisk reaktion utan att själv förbrukas. En metateskatalysator består av en metallatom, oftast molybden eller rutenium, sammanfogad med andra kemiska grupper som stabiliserar katalysatorn lagom mycket så att den fortfarande är reaktiv. Katalysatorns metallatom sträcker ut båda sina ”händer” (kemiska bindningar) till en annan kolatom. Därefter virvlar paret vidare och knyter till sig ett nytt par så att atomerna liknar en ringdans med fyra personer. Efter en kort stund lämnar två kolatomer ringen, och katalysatorns metallatom blir kvar med en ny partner. Kemister använder metatesen till att flytta runt delar av molekyler, knyta samman kolvätekedjor till stora ringar, bilda långa polymerkedjor (plaster) och mycket annat.

Den eleganta metoden har sina rötter i oljeindustrin. Raffinaderier bryter ner tjockflytande olja till mer lättflyktiga och värdefulla ämnen med en process som kallas krackning. Då bildas en mängd olika alkener, det vill säga kolvätekedjor som innehåller dubbelbindningar. Under 1950-talet experimenterade oljekemister med olika katalysatorer för att omvandla alkener till andra ämnen. Ett förbryllande resultat var att alkenerna bytte hela grupper av atomer med varandra i vissa försök. Ingen begrep varför.

– Det var rätt diffusa experiment i början, mer kokkonst än vetenskap, säger Torbjörn Frejd, professor i organisk kemi vid Lunds universitet.

Flera oljebolag började använda fenomenet i enkla kemiska processer, trots att de bara hade vaga idéer om vad som pågick. En rad kemister föreslog olika förklaringar. Alla utom Yves Chauvin hade fel.

Franskan begränsade

År 1971 presenterade Yves Chauvin vid det franska petroleuminstitutet den reaktionsmekanism som Vetenskapsakademien illustrerade med sitt dansnummer. Men det dröjde flera år innan de nya rönen sjönk in bland hans kolleger. Det berodde delvis på att Chauvin beskrev sina slutsatser på franska, ett språk med begränsad räckvidd inom kemin.

En något udda detalj i metateshistorien är att det stora teoretiska genombrottet kom från en industrikemist, medan de praktiska tillämpningarna har utvecklats inom akademisk forskning. De båda amerikanska kemipristagarna Richard Schrock och Robert Grubbs hör till de universitetsforskare som gjort metatesen till ett användbart verktyg inom den organiska kemins molekylslöjd.

Richard Schrock vid Massachusetts Institute of Technology har jobbat systematiskt i flera decennier med att utveckla effektiva katalysatorer för metatesreaktioner. År 1990 beskrev han en sorts mycket aktiva katalysatorer uppbyggda av metallen molybden bunden till olika stabiliserande kemiska grupper. Genombrottet ledde till att organiska kemister började testa metates som en genväg för att bygga komplicerade molekyler. Men Schrocks katalysatorer är ömtåliga. De kan lätt förstöras av syre, fukt och höga temperaturer.

Försiktig och noggrann

Polymerkemisten Robert Grubbs vid California Institute of Technology bidrog med mer robusta och lättanvända metateskatalysatorer. Han hör till dem som redan på 1970-talet spekulerade om hur metatesen fungerar. I den frågan hade han fel. Men den katalysator som Robert Grubbs presenterade år 1992 blev en stor succé, så stor att han har varit förhandstippad för ett Nobelpris i flera år. Hans katalysator består av rutenium bundet till flera kemiska föreningar och fungerar även i miljöer som innehåller luft, vatten, alkoholer och många andra ämnen som förstör de katalysatorer som Richard Schrock utvecklade. Därmed inte sagt att Schrocks molybdenkatalysatorer är överspelade.

– De två sorterna kompletterar varandra mycket bra, säger Torbjörn Frejd, som själv använder metates i sitt laboratorium i Lund.

Grubbs katalysator – som kemiska laboratorier kan köpa i form av pulver i en liten burk – arbetar försiktigt och mycket noggrant. Den är som regel kemisternas förstahandsval. Men om effekten är för svag kan man ta till en Schrockkatalysator som är mer reaktiv, om än inte alltid lika noggrann.

Än så länge finns inga färdiga läkemedel som tillverkas genom metates. Men experiment pågår med en rad nya ämnen som kan bli mediciner mot cancer, Alzheimers sjukdom, hiv-infektion, migrän och många andra sjukdomar. Och Richard Schrock jobbar vidare med sina katalysatorer. Just nu försöker han få dem att bara tillverka den ena av två molekyler som är varandras spegelbilder. Poängen med det är att många biologiskt aktiva ämnen har spegelbilder som saknar effekt eller ger biverkningar. Nästa generation av metateskatalysatorer kan alltså bidra till att ge mediciner som bara innehåller den variant av det aktiva ämnet som verkligen fungerar.