Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo - les mer.
Knut Hylland forsker på Suzuki-reaksjonen, som blant annet brukes til å lage legemidler og materialer med spesielle egenskaper.
(Foto: Eivind Torgersen / UiO)
Prisbelønnet kjemisk reaksjon er nå blitt mer anvendelig
Knut Hylland har klart å forbedre en kjemisk reaksjon som blant annet brukes til å lage medisiner. Og det allerede før han er ferdig med doktorgraden.
I 2010 fikk japaneren Akira Suzuki nobelprisen i kjemi. Da var Suzuki-reaksjonen allerede i bruk innenfor mange grener av kjemifaget. Nå har Knut Hylland gjort den enda mer anvendelig.
– Selv om Suzuki-reaksjonen er godt utforsket og optimalisert, er det noen ting ved den som ikke fungerer like bra. Det jeg fikk til, løste et problem innenfor denne delen av kjemien, sier Hylland.
En Suzuki-reaksjon er ikke noe du møter på til daglig. Men resultatene av den har du helt sikkert vært borti.
– Dette er en reaksjonstype som kan anvendes på veldig mange områder, sier Hylland.
Blant annet brukes Suzuki-reaksjonen til å lage legemidler og til å lage bestemte materialer, for eksempel maling med helt spesielle egenskaper. Også i landbruket kan denne teknikken være nyttig for å beskytte avlinger.
Strukturen må være helt perfekt
Hylland jobber verken med legemidler, maling eller landbruk, men med reaksjonen i seg selv. Det er nemlig veldig viktig at vi får akkurat de resultatene vi er ute etter.
– Suzuki-reaksjonen er veldig nyttig fordi den revolusjonerte det å lage karbonbindinger, sier Hylland, som tar doktorgraden ved Kjemisk institutt på UiO.
Karbonbindinger danner grunnlaget for alt liv på jorda. I den organiske kjemien, som har med det levende å gjøre, er det derfor veldig gunstig å kunne lage molekyler som inneholder slike koblinger mellom karbonatomer. Men kravene til nøyaktighet er store.
Et legemiddel består for eksempel av helt spesielle molekyler, der helt bestemte atomer henger sammen på akkurat riktig måte. Selv en liten feil i strukturen kan gi det ferdige molekylet helt andre egenskaper, og dermed blir det ute av stand til å sette i gang de ønskede prosessene inne i kroppen din.
Reaksjonen må styres i riktig retning
I en Suzuki-reaksjon blandes to stoffer sammen, og så er det om å gjøre å sette i gang kjemiske prosesser som gir det ønskede resultatet. For å få det til å skje, trengs det en katalysator – et stoff som får fart på reaksjonen uten å påvirke sluttproduktet.
Suzukis store oppdagelse var at grunnstoffet palladium (Pd) var veldig godt egnet til akkurat dette.
Men fortsatt er det ikke sikkert at du får resultatet du vil ha. De to stoffene kan reagere på forskjellige måter, blant annet avhengig av temperatur og tid. Det er om å gjøre å styre reaksjonen i en retning som gir mest mulig av det du vil ha.
Og her kommer Knut Hyllands forskning inn i bildet.
Hylland bruker også palladium som katalysator. Han er mest interessert i å lage det som kalles ligander. En ligand er for organiske kjemikere som Hylland, det som omgir et elektrisk ladet metallatom eller et metall-ion som det heter på fagspråket. Liganden er den delen av molekylet som ligger rundt det ladde metallatomet.
Det jernholdige hemoglobinet i blodet ditt er et eksempel. Liganden er det som omgir jern-ionet. Sammen utgjør de molekylet hemoglobin.
– I hemoglobin er det et jern-ion som sitter fast i en bestemt struktur og som legger til rette for aktivitet.
I hemoglobinets tilfelle består aktiviteten i å binde til seg oksygen og frakte det rundt i kroppen. Et helt vanlig jernatom i blodet ville ikke gjort noen som helst nytte. Det må være ladet og det må være del av akkurat riktig molekyl.
Ville få ting til å skje fort
Hylland jobber ikke med blod. Hemoglobinet er bare et eksempel. Det han har gjort er å få en karbonforbindelse og en gruppe molekyler som inneholder grunnstoffet bor til å danne nye karbonforbindelser. Ved hjelp av Suzuki-reaksjonen, selvfølgelig.
– Disse borgruppene kan plutselig velge å gjøre noe helt annet enn det du ønsker, sier Hylland.
Boratomene må være plassert på akkurat riktig sted i molekylet for at de skal oppføre seg slik du vil at de skal. Avhengig av ting som temperatur og løsemiddel er det nemlig et vell av reaksjoner som faktisk kan komme ut av de samme stoffene.
– Mitt mål var å få alt til å skje så raskt som mulig. Da vil den reaksjonen jeg ønsket skulle skje, skje først, og da blir det ikke tid til at alle de andre reaksjonene også skjer.
– Hvis den ønskede reaksjonen tar mange timer, kan det hende at andre reaksjoner blir hovedresultatet.
Og da får han ikke de molekylene han ønsker seg. For å ende opp med akkurat det molekylet han vil ha, må den riktige reaksjonen skje når disse stoffene kommer sammen.
– En typisk Suzuki-reaksjon kan ta en hel dag.
Det holder ikke for Hylland.
– Det er altfor lang tid. Da skjer alt mulig annet rart i mellomtiden som du ikke ønsker at skal skje.
– Tidligere forskning tilsa at man kunne gjøre dette ved romtemperatur, men det funket ikke for systemene jeg ville teste, så jeg måtte varme løsemiddelet opp til kokepunktet for å kickstarte prosessene.
Kan få uventede og uønskede reaksjoner
Det er ikke helt ufarlig. Høyere temperatur kan også sette fart i de uønskede reaksjonene.
– Det dukket også opp nye sideprodukter som jeg ikke hadde forutsett.
– Hvis jeg så at det ble mye av de uønskede reaksjonene, måtte jeg gjøre små endringer uten å gå noe særlig utenfor grunnoppskriften, sier Hylland.
Det krever tålmodighet og utallige forsøk i laboratoriet. Og han klarte å øke andelen ønskede reaksjoner.
– Det meste ble som jeg ønsket, sier Hylland.
– Men selv om du får 95 prosent av det du ønsker og bare 5 prosent av det du ikke vil ha, må du fortsatt fjerne dem fra hverandre. Hvis du ikke klarer det, kommer du ikke så langt.
Det er en utfordring for dem som eventuelt vil ta Hyllands forskningsfunn i bruk, for eksempel i industrien. Han håper de kan komme til nytte.
– Min metode kan anvendes de fleste steder der man allerede benytter seg av Suzuki-reaksjonen. Det er ikke revolusjonerende og åpner ikke for helt nye anvendelser, men sørger for at anvendelsen blir enda bredere, sier Hylland.
Uventet og viktig
– Resultatene er uventede – og viktige, sier professor Mats Tilset, som er Hyllands veileder.
– Hylland har modifisert denne reaksjonen slik at den blir mer anvendelig. Han har fått den til å fungere med stoffer som hittil har vært uvillige til å reagere.
Referanse:
Knut Tormodssønn Hylland mfl.: The Suzuki–Miyaura Cross‐Coupling as the Key Step in the Synthesis of 2‐Aminobiphenyls and 2,2'‐Diaminobiphenyls: Application in the Synthesis of Schiff Base Complexes of Zn. European Journal of Organic Chemistry, mai 2020.
Les også disse sakene fra Universitetet i Oslo:
