Organisk kemi. Sammanfattande bedömning. Ämnesbeskrivning

Transkript

1 Organisk kemi Sammanfattande bedömning Svensk organisk kemi har en mycket stark ställning både nationellt och internationellt när det gäller metallorganisk katalys och asymmetrisk syntes. Syntes görs i allt större utsträckning för att framställa kemiska föreningar med önskade egenskaper, det vill säga syntes av egenskaper för tillämpningar inom framför allt biologiskt/medicinskt relaterad forskning. Ett annat område som fått ökad betydelse är så kallad grön kemi, som i organisk-kemiska sammanhang innebär att ta fram syntesmetoder, som ger så liten miljöpåverkan som möjligt. All slags katalys (metallorganisk, organisk, enzymatisk) inklusive asymmetrisk katalys är här avgörande men också att finna syntesmetoder som går att genomföra i vattenmiljöer för att undvika onödig användning av organiska lösningsmedel och att minimera mängden restprodukter. Inom området läkemedelskemi är det fortfarande en stor aktivitet kring att ta fram små molekyler för användning som aktiva substanser i läkemedel i Sverige och internationellt. Detta görs både via design och syntes av molekyler som anpassats till de bindande sätena i målproteiner och genom sållning av särskilt utvalda syntetiserade substansskaror. Bioorganisk kemi/läkemedelskemi och metallorganisk kemi/katalys är i grova drag de två dominerande områdena i svensk organisk kemi som också i ett internationellt perspektiv är starka. Detta innebär i sin tur att forskning kring syntesmetoder är omfattande. Kombinationen av metallkomplexdriven katalys och enzymkatalys är en relativt ny och fruktbar infallsvinkel på problemet att framställa optiskt aktiva kemiska föreningar. Nya insikter i bakteriell infektion har öppnat möjligheter till att få fram alternativa antibiotika baserade på små organiska molekyler. Glykobiologin, som till stor del baserar sig på syntetisk kolhydratkemi, är en annan stark forskning i landet som står sig väl internationellt. Verksamheten tycks dock ha minskat under det senaste decenniet. Det är förhållandevis få forskargrupper med en organisk-kemisk bakgrund som ägnar sig åt kemisk biologi, en relativt ny disciplin som betraktar biologiska frågeställningar från ett starkt kemisk perspektiv där organisk-kemisk syntes är ett verktyg av flera som används för att få information om hur biomolekyler pratar med varandra, i sin tur viktigt ur hälso- och miljösynpunkt. Ämnesbeskrivning Organisk kemi handlar om att studera och framställa, syntetisera, kemiska föreningar baserade på kol. Den mest karaktäristiska och omfattande verksamheten är organisk syntes både internationellt och nationellt. Att kunna framställa nya kemiska föreningar utgör ett verktyg för både biologi/medicin- och materialvetenskaperna. Synteskemin utgör en mycket stor del av läkemedelskemin. För en framgångsrik utveckling av synteskemin krävs en djup förståelse för de detaljerade reaktionsmekanismerna. Denna del av den organiska kemin brukar kallas fysikalisk organisk kemi och sedan några decennier är också beräkningskemi/teoretisk kemi en mer eller mindre integrerad del av synteskemin. Under tidigare decennier har synteskemin till stor del varit inomvetenskapligt metodinriktad men tendensen är numera att bidra till att lösa problem inom de biologiska/medicinska och materialvetenskapliga områdena. Ett antal underavdelningar kan utmärkas som vanligtvis har en organisk kemisk prägel. Naturproduktkemi innebär dels isolering och strukturbestämning av naturligt förekommande komplicerade organiska föreningar och dels totalsyntes där man från enkla organiska

2 föreningar bygger upp de betydligt mer komplicerade naturprodukterna. Totalsyntes riktar sig oftast mot att framställa medicinskt potentiella substanser. Inom synteskemin finns ett antal specialiteter som till exempel, asymmetrisk syntes och gröna syntesmetoder. Asymmetrisk syntes är ofta baserad på metallorganisk katalys och syntes med hjälp av enzymer eller hela celler och organismer. Gröna syntesmetoder riktar sig mot att göra processkemin så miljövänlig som möjligt. Styrkor, svagheter och ämnesmässiga trender Inom organisk kemi är den övergripande aktiviteten organisk syntes det vill säga syntes av mer eller mindre komplicerade kemiska föreningar utgående från enkla kommersiella startmaterial. Detta gäller både internationellt och nationellt. Vid alla svenska universitet med organisk kemi på programmet finns forskargrupper som har organisk syntes som ett av sina centrala områden. Även om det finns hundratals syntesmetoder så måste dessa förfinas och utvecklas så att de passar de aktuella syntesproblemen. Utvecklingen går mot att göra syntesmetoderna katalytiska och selektiva i ordets alla bemärkelser (diastereo-, enantio-, kemo- och regioselektiva). Syntes av föreningar som har potentiell läkemedelsanvändning eller användning för biomedicinsk forskning dominerar. I detta avseende kompletteras syntesforskningen med naturproduktsisolering och strukturbestämning med spektroskopiska metoder. Den syntesforskning som är starkast och mest omfattande i Sverige är den som baserar sig på metallorganisk kemi och katalys och har en betydande koppling till oorganisk kemi speciellt koordinationskemi kring metallatomer och metalljoner. Det kan tyckas som om den fysikaliska organiska kemin har kommit i bakgrunden, vilket i viss bemärkelse är sant men det finns en betydande sådan forskning inom syntesverksamheten. Inslaget av beräkningskemi (teoretisk kemi) är en tendens i ökande sedan ett antal år, vilket har ökat förståelsen för de mekanistiska skeendena vid syntesen. I sin tur har detta lett till en större precision av syntesmetoderna. Särskilt ska nämnas att enantioselektiv syntes är ett område där svenska forskare nått stor uppmärksamhet internationellt. Inom det bioorganiska området är peptider, nukleinsyror, kolhydrater och andra naturprodukter på forskningsprogrammen. Peptider tjänar ofta som mallar för att få fram molekyltyper, som har bättre läkemedelsegenskaper än de ursprungliga peptiderna. Kolhydratkemin har fått en allt större spridning. Ett flertal lärosäten har forskning som innefattar syntes och/eller modifiering av kolhydratderivat samt isolerings- och strukturbestämningsmetoder för dessa. Nukleinsyrakemin bearbetas av flera forskargrupper i organisk kemi och har givetvis beröringspunkter med kolhydratkemin men också med heterocyklisk kemi. Den senare kemigrenen har i landet tidigare varit mycket omfattande och fokuserad på syntesmetoder men är nu också den till stor del inriktad mot tillämpningar på biomedicinska och materialvetenskapliga problem. Heterocykliska kemiska föreningar har fått användning inte bara som komponenter i många läkemedel utan också som nya ledande och lysande material och som selektiva markörer för biomolekyler, vilket kan få användning inom biologisk/medicinsk forskning. Några få forskargrupper har inriktat sig mot kemisk biologi, som från organisk-kemisk utgångspunkt kortfattat innebär att med små molekyler, ofta specialsyntetiserade, undersöka hur biomolekyler kommunicerar i den levande cellen eller organismen. Området har naturligt en koppling till läkemedelskemin men har en mer förutsättningslös och grundvetenskaplig prägel.

3 En ökad samverkan mellan naturproduktsisolering å ena sidan och syntes av relevanta (biologiskt och medicinskt) naturprodukter å andra sidan borde kunna resultera i effektivare utnyttjande av unika möjligheter till nya läkemedel. Avancerad naturproduktssyntes är ett område som vid olika tidpunkter har startats i Sverige men inte kunnat vidmakthållas i någon större utsträckning förmodligen beroende på att det krävs stora tävlingsinriktade forskargrupper med en ledare, vilket inte har varit möjligt i det svenska forskningssystemet. Internationellt bedrivs omfattande forskning inom detta läkemedelsdrivna område. Forskning kring molekylära maskiner (motorer, kontakter, omkopplare med mera) har tilldragit sig stort intresse internationellt och kan komma att ge upphov till nya produkter som vi endast kan ana. Detta område är inte en ymnigt förekommande organisk kemisk gren i landet. Makromolekylär organisk kemi på gränsen till polymerkemi, till exempel dendrimerkemi och polymera system uppbyggda med unika monomerer bearbetas sällan av forskargrupper i organisk kemi liksom nanokemi. Design av organiska processer med tonvikt på den organiska kemin i stor skala (organisk processkemi) saknas nästan helt inom universitetsvärlden i Sverige. Detta är oroande eftersom brist på sådana kunskaper bidrar till att landet tappar konkurrensfördelar i kemiföretag som tillverkar kemiska föreningar för läkemedelsanvändning/-utveckling. Organisk syntes av mer komplicerade kemiska föreningar med biologiska metoder har uppmärksammats allt mer av kemiindustrin men forskning bedrivs fokuserat endast vid några få kemiinstitutioner i landet. Eftersom biologiska metoder för syntes är starkt kopplade till miljövänlig kemikalieproduktion, inte bara av enkla organiska föreningar av typen baskemikalier, borde satsningarna utökas. Listan på internationella trender där organisk kemi bidrar starkt kan göras lång och svenska kemister vekar inom en del av dessa. Några områden kan lyftas fram: - Katalys med hittills sällan använda metaller/metalljoner (guld till exempel); - Gröna kemiska processer (katalys av alla slag); - Design och syntes av substanser mot bakteriell resistens eller virus; - Design och syntes av små molekyler för studier av växelverkan mellan biomolekyler, kemisk biologi; - Design och syntes av nya polymera system med speciella funktioner; - Småmolekyler i stamcellsforskning; - Design och syntes av molekyler för energiomvandling/lagring/transport; - Design och syntes av självorganiserande och självreplikerande molekyler (livets uppkomst); - Design och syntes av modifierade enzymer för att utföra organiska reaktioner som inte vanligtvis förekommer i biologin; - Kemisk biologi som ger nya kemiska insikter i biologiska företeelser. Hot och möjligheter Intresset för ämnet organisk kemi är vikande i allmänhet liksom för hela kemiområdet. Alltför få av de bästa studenterna går mer avancerade kurser i organisk kemi och en alltmer svårartad finansieringssituation för forskning har utvecklats. En allmän tendens är att man använder organisk kemi, framför allt synteskemi, till att lösa problem inom andra områden, vilket är på väg att utarma kärnområdet. Detta fenomen gäller flera andra mogna vetenskaper och riskerar

4 att den fördjupade kunskapen och förståelsen minskar, vilket i sin tur reducerar möjligheterna till konkurrenskraftig forskning. En världsomfattande omstrukturering av läkemedelsbranschen pågår som gör att en stor del av den industriella organiska kemin förflyttas till Asien (Kina och Indien). Dessutom lägger de större läkemedelsföretagen ut sin kemiska forskning (preklinisk) på mindre enheter, företag eller universitetsinstitutioner. Om detta är bra eller dåligt får framtiden utvisa. Antalet arbetstillfällen ser ut att minska i takt med att den svenska läkemedelsindustrin flyttar ut eller läggs ner. De mindre kemi- och bioteknikföretagen kan möjligen motverka denna tendens. Den största drivkraften för organisk kemi är sedan länge att bidra till att finna nya botemedel. Större miljöer borde skapas med fokus på stora problemställningar där organisk-kemisk expertis kan bidra; exempelvis att samla betydande resurser för att bekämpa resistenta bakterier och virus och att förhindra metastasering av cancerceller. Detta bör ske inte bara inom de medicinska vetenskaperna utan också med en tonvikt på de bioorganiska aspekterna det vill säga ett synsätt som betonar vad som sker på atomavståndsnivå. Det blir betydligt större djup i förståelsen av cell cellinteraktionerna och mekanismerna för biomedicinska fenomen med en god portion av organisk-kemisk insikt och organiska specialkomponerade substanser. En inriktning mot kemisk biologi borde förstärkas. Forskningsinfrastruktur Spektrometrar och kromatografer Över lag har de organiska kemisterna just nu god tillgång till NMR- och masspektrometrar. En del apparatur börjar dock bli gammal och kommer att behöva bytas ut och/eller uppgraderas under de närmaste 3 5 åren. Det vore önskvärt att en särskild budget kunde upprättas som tog hand om underhållet och uppgraderingen av de tunga spektrometrarna. Apparaturen och programvarorna har blivit alltmer sofistikerade vilket gjort dessa instrument, i kemistens ögon, användbara för många ändamål där studiet av molekylära aspekter är avgörande. I sin tur är det mer krävande för användaren, vilket kan motivera att särskilt utbildad personal anställs för att sköta instrumenten (underhåll, uppgradering, utbildning av nya användare). Behovet av lättarbetade kromatografisystem (HPLC, GC) kopplade till olika detektorer (masspektrometrar, UV-diodarray, refraktometrar med mera) är ständigt aktuellt. Denna typ av utrustning slits hårdare och behöver förnyas oftare. Screening Eftersom en del organiska kemister gör screening av substansbibliotek för biologiska ändamål är det viktigt att de får tillgång till avancerade plattläsare för att kunna undersöka så många substanser så snabbt som möjligt. Detta har till exempel organiserats genom EU Open Screen där laboratorier ibland annat Sverige bidrar med både utrustning och kompetens. Trots detta finns det forskare vid universiteten som har brist på plattläsare. Databaser Alla organiska kemister vid läroanstalter i Sverige har tillgång till sökmotorer och databassystem. Möjligen finns det en viss begränsning i antalet licenser men inte större än att det under dygnet går att få fram den information man önskar. Laboratorier Det har under de senaste 20 åren pågått en avsevärd uppgradering eller nybyggnation av de större universitetens laboratorier för organisk synteskemi. De flesta är nu i modernt skick och lär vara brukbara i några tiotal år även om de äldsta, från början av talet, kan vara i behov av att moderniseras eller byggas om. De slits kraftigt och behöver givetvis underhållas för att uppfylla lagstiftnings- och miljökrav. Kemikalieförvaring och

5 hantering har blivit ett alltmer krävande område och det kan behövas investeringar i moderna system för detta. Stora anläggningar (synkrotronstrålning till exempel) har fått betydelse för organisk kemi genom att stora biomolekylers struktur har kunnat avslöjas och ligga till grund för design av små molekylära system av betydelse för forskning inom biokemi, biomedicin och läkemedel. I framtiden kan man förvänta sig att MAX IV och ESS kan bli likaledes av vikt för organisk kemi.