Kemisk magi skal redde verden

Ganske vist mangler den lille karakteristiske klik-lyd. Alligevel kan man sammenligne organiske forbindelser med legoklodser, der kan samles, adskilles og kombineres på utallige måder – vel at mærke, når man råder over de rette katalytiske værktøjer. En katalysator er populært sagt et stof, som fremskynder en kemisk proces uden selv at indgå i slutproduktet. I 2010 modtog professor Ei-ichi Negishi fra Purdue University, USA, Nobelprisen i kemi for sit bidrag til feltet. ”Og tro nu ikke, at jeg kun nævner Lego, fordi jeg er her i Danmark. Min drøm om at forvandle organiske forbindelser til legoklodser begyndte tilbage i 1961 eller 1962. Dengang anede jeg ikke, at klodserne var en dansk opfindelse!” smiler Ei-ichi Negishi. Nobelprisen deler han med Richard Heck, University of Delaware, samt Akira Suzuki fra japanske Hokkaido University. Alle tre har bidraget til et sæt af metoder, som bruges til fremstilling af en vifte af nyttige kemiske stoffer inden for medicin, landbrug og elektronik. Eksempler er nye typer antibiotika, der kan ramme ellers resistente bakterier, midler, der kan beskytte landbrugsafgrøder mod svampe, samt innovative lysdioder (LED), der kan bruges i ekstremt tynde display. Men ifølge prismodtageren er det kun en lille del af potentialet i området, som endnu er udnyttet: ”Verden er truet af mangler på blandt andet mad og energi. Alle prognoser peger på, at problemerne vil vokse. De udfordringer kan vi kun imødegå, hvis vi forbedrer vores evne til at genbruge. Og her vil katalytiske metoder, der tillader at nedbryde organiske forbindelser og samle dem igen på nye måder, være helt afgørende.” 

I sin begrundelse fremhæver Nobelkomiteen teknikken ’palladium-katalyseret kryds-binding’. Negishis navn er da også nært knyttet til denne teknik, men i virkeligheden er palladium blot et blandt i alt 23 grundstoffer, som han beskæftiger sig med. Stofferne, som kaldes overgangsmetaller, er særligt velegnede som katalysatorer. For at forstå, hvad der gør overgangsmetallerne så interessante, må man vide, hvordan grundstofferne er opbygget. Det simpleste grundstof, brint, består blot af en enkelt proton og en enkelt elektron. Brint har atomnummeret 1. Hver gang atomnummeret vokser med 1, føjes der en ekstra proton til kernen – og tilsvarende vil der være en ekstra elektron i kredsløb omkring kernen. Elektronerne kredser imidlertid ikke hulter til bulter mellem hinanden, men er organiseret i skaller, der som hovedregel bliver fyldt op sådan, at de inderste skaller fyldes op først. Med undtagelse af den inderste skal (K-skallen), som blot kan rumme to elektroner, er skallerne delt ind i orbitaler. Startende med den tredjeinderste skal (M-skallen) forekommer der i hver skal en orbital kaldet d-orbitalen, som er i stand til at rumme op til ti elektroner. For alle overgangsmetallerne gælder, at d-orbitalen kun er delvist fyldt op. Det åbner mulighed for, at en eller flere elektroner fra andre stoffer kan finde midlertidig plads i d-orbitalen. Det kan igen betyde, at disse andre stoffer lettere kan indgå i kemiske reaktioner, end de ellers kunne. Eller med andre ord at overgangsmetallet virker som en katalysator, der speeder en reaktion mellem andre stoffer op. Hvis processen er lagt rigtigt til rette, vil overgangsmetallet senere afgive den eller de elektroner, der havde lagt sig i d-orbitalen, igen. Dermed forbliver overgangsmetallet, som det var, og er klar til at fungere som katalysator igen og igen. 

Anerkendelse frem for dollar 

Afhængigt af sammenhængen findes der lidt afvigende definitioner af, hvilke stoffer man betegner som overgangsmetaller. I forhold til at fungere som katalysatorer for organisk syntese er der tre grupper af grundstoffer med otte i hver, som er interessante. Den første strækker sig fra titanium (atomnummer 22) til kobber (nummer 29), den næste fra zirkonium (nummer 40) til sølv (nummer 47), mens endelig den tredje gruppe begynder med hafnium (nummer 72) og slutter med guld (nummer 79). Et enkelt grundstof, nemlig teknetium (nummer 43), er dog ikke forekommende i naturen og derfor i praksis udelukket. Dermed når man altså frem til, at der i alt er 23 overgangsmetaller til rådighed for organisk syntese. Nævnt for fuldstændighedens skyld er der også mange grundstoffer med højere atomnumre, hvor d-orbitalen kun er delvist fyldt op. Men da disse grundstoffer alle er radioaktive, er de ude af billedet i denne sammenhæng. Det var den amerikanske kemiker Herbert C. Brown – som i øvrigt selv modtog Nobelprisen i kemi i 1979 – der i sin tid stiftede en forskningsgruppe på Purdue University med overgangsmetaller som emne. Både Eiichi Negishi og Akira Suzuki var oprindeligt med i gruppen. Suzuki flyttede senere tilbage til sit hjemland, Japan, men fastholdt sit engagement i overgangsmetaller. I dag indrømmer Negishi gerne, at den tidligere kollega på den måde også blev hans rival: ”Der opstod lidt af et kapløb mellem Suzuki og mig. Jeg bestræbte mig hele tiden på at blive den første til at publicere. Faktisk har jeg ikke ansøgt om et patent en eneste gang i hele min karriere. For hvis jeg var gået ind i at ansøge om patent, kunne det have forsinket publiceringen af mine resultater – måske i op til et par år.” Denne prioritering har nobelpristageren imidlertid ikke fortrudt: ”Personlig fortjeneste har aldrig interesseret mig. Jeg finder videnskabelig anerkendelse langt mere tilfredsstillende!” 

Nyt gennembrud på vej

I Purdue-gruppens tidlige dage samlede interessen sig om nikkel (atomnummer 28), især fordi stoffet er billigt. Eiichi Negishi vendte imidlertid snart sin interesse mod det langt mere kostbare palladium (nummer 46). Det lykkedes ham at demonstrere, at palladium ofte kunne være langt mere effektivt end nikkel – helt op til 100 gange. Det kunne rigeligt retfærdiggøre, at man brugte stoffet trods den højere pris. ”Jeg indså selvfølgelig, at det var en væsentlig opdagelse – og Nobelkomiteen var jo så også enig. Jeg kan huske, at jeg tænkte, at jeg nok ville kunne leve på at videreudvikle denne opdagelse i mindst ti år. Men det var jeg ikke tilfreds med. Jeg ville hellere fortsætte med at finde helt nye veje inden for kemien.” Selvom palladium og flere andre overgangsmetaller hurtigt beviste deres duelighed som katalysatorer, gjorde den første bølge af opdagelser kun drømmen om at forvandle organiske forbindelser til legoklodser delvist til virkelighed. For mange molekyler kunne det nu lade sig gøre at skabe bindinger mellem kulstofatomer og iltatomer. Senere blev det samme muligt med bindinger mellem kulstof og brint. Begge typer af bindinger er vigtige, og i dag bruges katalytiske metoder baseret på overgangsmetaller mange steder i industrien til at skabe og ophæve dem. ”Men vi manglede stadig et gennembrud inden for den tredje og vigtigste type af bindinger inden for organisk kemi, nemlig kulstof-kulstof-bindinger. I min forskningsgruppe har vi tilegnet en stor del af vores tid til den opgave de seneste tyve år, og nu mener vi faktisk, at det er lykkedes for os,” siger Ei-ichi Negishi. 

Undgår biprodukter 

Han understreger samtidig, at det ikke i sig selv er noget problem at skabe kulstof-kulstof-bindinger. Udfordringen er at gøre det på en måde, der er så effektiv og økonomisk, at den vil blive industriens foretrukne metode. Negishi vurderer, at det vil kræve, at en metode baseret på et overgangsmetal skal være i stand til at speede reaktionen op, så den bliver mindst 100 gange så hurtig som ellers: ”Vi er der ikke helt endnu, men vi er tæt på, og jeg er sikker på, at der vil blive opnået yderligere forbedringer, når industrien overtager metoden og begynder at optimere den.” Nobelpristageren forudser, at de første virksomheder, som tager den nye metode til sig, vil findes inden for medicinalindustrien. Det gælder ikke mindst den gren af industrien, som udvikler ny medicin baseret på små molekyler. Metoden er ikke blot i stand til at øge produktionen af et givent stof, den er også både selektiv og kontrolleret. Det vil sige, at man undgår at skabe biprodukter. Ved produktion af medicin er såkaldt stereo-kemi, også kaldet chiralitet, en særlig udfordring. Hvis man producerer en organisk forbindelse vilkårligt, vil den forekomme i to former, som er spejlbilleder af hinanden – den ene venstredrejet, den anden højredrejet. I kroppen er alle molekyler venstredrejede. Derfor er det sandsynligvis kun den venstredrejede udgave af stoffet, der har den ønskede medicinske effekt. Den højredrejede version kan være ineffektiv eller i værste fald skadelig. (Læs mere om chiralitet i artiklen ’Krystalklare billeder af fremtidens lægemidler’). Med andre ord kan en vilkårlig produktion af et stof skabe 50 procent biprodukt, hvilket kan ødelægge økonomien i projektet. Med en katalytisk proces kan man opnå, at stoffet udelukkende produceres i den ønskede form. 

Jeg vil kalde det magi! 

Helt uden biprodukter er produktion baseret på overgangsmetaller dog ikke. Typisk vil der dannes en mængde salte af metallet svarende til mellem en og to procent af mængden af det ønskede producerede stof. ”Nogle kemikere har den opfattelse, at den katalytiske proces indfører et ekstra trin og et ekstra biprodukt, og at man derfor hellere skal gå efter en proces, hvor man producerer det ønskede slutprodukt direkte uden katalyse. Mit svar er, at det hidtil kun har vist sig muligt at finde en direkte syntesevej i 10-15 procent af tilfældene. For alle de øvrige stoffer, som vi ønsker at fremstille, er den katalytiske proces simpelthen den mest effektive,” siger Ei-ichi Negishi og føjer til, at det faktisk ikke er entydigt dårligt, at der opstår salte af overgangsmetallet: ”Saltet tilfører energi til processen og er dermed med til at sikre, at processen kan forløbe i længere tid, end det ellers var tilfældet.” En yderligere fordel er, at en katalytisk proces kan vendes, så den forløber i modsat retning. ”Inden for den traditionelle kemi kender vi mange reaktioner, som det er let at få til at forløbe i modsat retning. For at tage et eksempel er det let at oxidere svovl til svovloxid og omvendt at reducere svovldioxid til svovl. At vende reaktionen kræver imidlertid, at man ændrer det kemiske miljø fra oxiderende til reducerende. Når man benytter overgangsmetaller, kan man ændre reaktionens retning uden at ændre det kemiske miljø!” I stedet for at tilføje eller fjerne kemiske stoffer fra blandingen er det tilstrækkeligt at ændre systemets elektriske ladning. Derved kan man ændre måden, hvorpå elektronerne organiserer sig i metallets d-orbital og dermed også bestemme, om der skal dannes nye bindinger, eller om eksisterende bindinger skal ophæves. ”Jeg kan simpelthen ikke finde noget bedre ord end magi til at beskrive det!” siger Negishi entusiastisk. 

Solen kan ikke følge med 

Fra at have opdaget denne magi til at udnytte den fuldt ud er der imidlertid et stort spring: ”Det er min overbevisning, at katalyse baseret på overgangsmetaller vil være nøglen til menneskehedens succes og til at opretholde en bæredygtig verden. Faktisk vil jeg mene, at det ville være vanskeligt at opretholde en eksistens her i det 21. århundrede uden den.” Nobelpristageren peger på de aktuelle problemer med at forsyne verden med energi: ”Den vigtigste reaktion for opretholdelsen af liv på jorden er reaktionen mellem kuldioxid og vand. I milliarder af år har Solen tilført tilstrækkelig energi til at holde reaktionen kørende med tilstrækkelig fart. Men som verden ser ud i dag, går det simpelthen for langsomt!” ”Til alt held producerer solen fortsat energi i rigelig mængde. Der strømmer energi mod os i mængder, der er mange, mange gange større, end vi har brug for. Men vi har brug for et værktøj, der kan få reaktionen mellem kuldioxid og vand til at forløbe hurtigere og på en måde, der samtidig er økonomisk uden at skabe uønskede sideeffekter. Katalyse baseret på overgangsmetaller kan være lige præcis det værktøj.” Naturligvis er der flere reaktioner end den mellem kuldioxid og vand, som er vigtige for livets opretholdelse. ”Men også for eksempelvis mange af de organisk-kemiske reaktioner, som har betydning for løsningen på verdens fødevareproblemer, kan denne form for katalyse bringe hjælp.” 

Min tid er ved at rinde ud 

Alt i alt – hvor langt er Negishi nået med at virkeliggøre sin drøm om at forvandle organiske forbindelser til legoklodser? ”Jeg vil mene, at jeg omtrent er nået halvvejs. Min tid på jorden er begrænset og ved at rinde ud, så jeg når nok ikke selv at se det endelige mål blive nået.” Idet han sender en venlig tanke til Lego for inspirationen, har nobelpristageren også et forslag til den danske legetøjsproducent: ”Kunne I ikke fremstille en ny type klodser, som kunne bruges til at skabe modeller af molekyler fra kemiens verden? Faktisk har jeg flere gange købt legosæt i håb om at kunne bygge molekylemodeller til brug for min undervisning, men jeg måtte give op, fordi det ikke var muligt at skabe de rigtige vinkler – for eksempel vinklerne på 120 grader i en benzen-ring. Det ville være både sjovt og lærerigt at bygge molekyler i lego – både for børn og for kemikere!”