Enkel, billig och miljövänlig kemi belönas

Skor, kläder, mat, färg, mediciner. Många vardagliga ting innehåller ämnen som framställs på konstgjord väg. För att tillverka syntetiska molekyler i industriell skala behövs katalysatorer – ämnen som snabbar på de kemiska reaktionerna utan att själva påverkas.

I vissa sammanhang, som vid tillverkning av läkemedel, är det också viktigt att katalysatorn kan styra vilken variant av ett ämne som tillverkas. Precis som våra händer har vissa molekyler varianter som är varandras spegelbild. Även om beståndsdelarna är desamma känner kroppen skillnad. Medan den ena botar kan den spegelvända ge allvarliga biverkningar.

En katalysator med förmåga att styra vilken av de spegelvända varianterna som bildas kallas asymmetrisk. Länge fanns det bara två typer av asymmetriska katalysatorer. Den ena använder metaller och Nobelprisbelönades 2001. Den andra, som belönades med Nobelpris 1975, bygger på naturliga enzymer. På var sitt håll, oberoende av varandra, har årets Nobelpristagare i kemi utvecklat en tredje typ som fått namnet asymmetrisk organokatalys, där katalysatorn består av en liten organisk molekyl.

Benjamin List gjorde sin upptäckt vid Scripps Institute i USA i slutet av 1990-talet. Där jobbade han med enzymet aldolas. Ämnet är intressant för kemister på grund av förmågan att skapa bindningar mellan kolatomer, stommen i många syntetiska ämnen.

Som många enzymer är aldolas en komplex jättemolekyl, som består av mer än 350 aminosyror. Men mitt i detta virrvarr är det bara två mindre delar som står för enzymets katalytiska förmåga.

– De aktiva grupperna är en amin och en syra. Jag funderade på om det inte gick att designa en liten, organisk molekyl som kunde göra samma sak, säger Benjamin List till F&F.

I den vetenskapliga litteraturen stötte han på en kandidat, prolin. Det är ett ämne som precis som aldolas finns naturligt i kroppen. Han bestämde sig för att testa om den lilla prolin-molekylen på egen hand skulle klara samma uppgift som det komplexa jätte-enzymet.

– Jag var rädd att det kanske var en dum idé som kemister redan provat och förkastat. Men när det visade sig fungera tänkte jag: Wow! Det här kan bli något stort.

När han publicerade sin upptäckt i början av år 2000 visste han inte att en annan kemist, David MacMillan vid Berkeley University cirka 80 mil norrut, hade gjort ett snarlikt fynd.

David MacMillan letade sätt att bli av med metallen i katalysatorerna eftersom de har flera nackdelar. Vissa är giftiga, de kan finnas i begränsad mängd och vissa är känsliga för syre och fukt, vilket skapar problem i en industriell miljö.

Även David MacMillan jobbade med små enkla, organiska molekyler och visade att de kunde göra samma jobb som katalysatorer med metaller. På våren 2000 presenterade han hur organiska molekyler kunde bygga ihop ringar av kolatomer. Samtidigt myntade han begreppet organokatalys.

Det nya forskningsfältet möttes snabbt av enormt intresse. På bara några år publicerades tusentals artiklar. I dag används tekniken flitigt, framför allt i utvecklingen av nya läkemedel. Benjamin List berättar till exempel att han är mycket stolt över att hans prolin används i tillverkningen av en medicin mot hiv.

Förutom förmågan att skapa rätt spegelvariant av en molekyl har de nya katalysatorerna flera fördelar – de är enkla och billiga att tillverka och mer miljövänliga jämfört med metaller. De klarar dock inte allt som metaller och enzymer kan.

– Det är ett nytt verktyg i verktygslådan. Om metallkatalys är hammaren och skruvmejseln så är organokatalys en ny hylssats som gör att du kan skruva mer effektivt, säger Henrik Sundén, kemiforskare vid Göteborgs universitet, som länge arbetat med organokatalys.

Båda pristagarna är 53 år gamla, i högsta grad aktiva och ledande inom fältet. David MacMillan har kombinerat organokatalys med ljus och på så sätt öppnat nya möjligheter för att bygga molekyler.

Benjamin List berättar att han knappt har haft tid att tänka på sitt Nobelpris. Han är mitt uppe i det han hoppas ska bli ett nytt genombrott. Tillsammans med sina medarbetare utvecklar han nya metoder för att använda syror för asymmetrisk katalys.

– Det är superspännande och något som kemister tidigare förbisett.

Han anser att en forskares uppgift är att tänka ”utanför boxen” och han uppmuntrar sina studenter att testa idéer på gränsen till ”galenskap”.

– Om du bara planerar experiment som du kan räkna ut resultatet av på förhand, kommer det aldrig några nya stora genombrott.

Den nya typen av katalys som han och David MacMillan har lagt grunden till är bara i början av sin utveckling. Benjamin List ser framför sig hur tekniken kommer att bli vanligare inom industrin och bidra till att tillverkningen av läkemedel och andra kemikalier blir mer miljövänlig.

Tidigare hade de organiska katalysatorerna låg effektivitet och det krävdes stora mängder för att få fart på reaktionerna. Men det gäller inte längre, enligt Benjamin List.

– Det har hänt väldigt mycket på de här 20 åren. Nu skulle jag säga att det är vi som har de mest aktiva katalysatorerna.