Organiska ämnen spelar en betydande roll i våra vardagsliv. Dessvärre orsakar tillverkningen av dem ofta stora mängder avfall. Med inspiration från växternas fotosyntes siktar nu ett tvärvetenskapligt forskarlag på att hitta nya, i princip avfallsfria produktionsmetoder.
Projektanslag 2019
Unexplored Approaches to Organic Photoredox Catalysis
Huvudsökande:
Professor Sascha Ott
Medsökande:
Uppsala universitet
Eszter Borbas
Leif Hammarström
Jacinto Sá
Göteborgs universitet
Carl-Johan Wallentin
Lärosäte:
Uppsala universitet
Beviljat anslag:
35 000 000 kronor under fem år
Läkemedel, plaster, färgpigment, vissa typer av bildskärmar och solceller – exemplen på var man hittar skräddarsydda molekyler som innehåller kol och väte, så kallade organiska föreningar, är många.
– Produktionen av organiska föreningar är en stor och betydelsefull industri. Ett enda storsäljande läkemedel kan ha en omsättning på hundra miljarder kronor per år, säger Sascha Ott som är professor i syntetisk molekylär kemi vid Uppsala universitet.
Det handlar om ganska komplicerade molekyler. Lite förenklat går tillverkningen traditionellt till så här för de allra flesta organiska föreningar: En befintlig organisk förening utvinns ur olja eller naturgas. Molekylerna omvandlas sedan i flera steg med hjälp av andra kemikalier för att skapa den önskade strukturen. Det handlar om att bryta upp bindningar mellan vissa atomer i molekylen, och att skapa nya på andra ställen.
Energikrävande uppbrott
Att bryta bindningar kräver en hel del energi, vilket innebär att kemikalierna som används måste vara kraftfulla och reaktiva. Vissa sådana kemikalier är också giftiga. När proceduren är klar finns de kvar som avfall eller biprodukter.
– Det stora problemet med framställningen av organiska föreningar är att det skapas mycket avfall när man omvandlar molekylerna, och att restprodukterna ibland är skadliga, säger Sascha Ott.
Därför har kemister länge arbetat för att göra de olika omvandlingsstegen mer effektiva med hjälp av katalysatorer, alltså ämnen som påskyndar de kemiska reaktionerna utan att själva förbrukas. Det har minskat mängden avfall drastiskt i många steg, men det återstår fortfarande en del som är problematiska. Till exempel ger framställningen av vitamin A stora mängder av en besvärlig restprodukt som innehåller fosfor.
– I princip hela forskningsfältet inom organisk kemi letar efter nya metoder för att kringgå sådana problem, säger Sascha Ott.
Och det är också syftet med det tvärvetenskapliga projekt, finansierat av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, som han nu leder under fem år.
Inspiration från växternas värld
Idén är att försöka omvandla de organiska föreningarna med hjälp av ljusenergi istället för kemikalier – ett projekt som kräver spetskompetenser inom flera olika områden. Själv har Sascha Ott tillsammans med fysikalkemisten Leif Hammarström under 15 år utforskat hur solljus kan fångas in och omvandlas till förnybara bränslen i en konstgjord variant av växternas fotosyntes. Tillsammans med flera experter inom organisk kemi ska de nu undersöka om ett liknande angreppssätt kan utnyttjas i tillverkningen av organiska föreningar.
– Det är ett verkligt tvärvetenskapligt projekt. Ingen av oss förstår fullt ut projektets alla delar, men tillsammans har vi unik expertkunskap för att lyckas med det här.
Om de går i mål kan det leda till flera tusen ton mindre avfall per år.
Ett av deras huvudspår är att använda ett halvledarmaterial som finns i vissa solceller. När solljus träffar halvledaren frigörs en elektron med hög energi. Den vill forskarna föra över till en organisk förening och där utnyttja den för att framkalla en kemisk reaktion.
– På så sätt skulle vi kunna manipulera den organiska föreningen direkt från halvledaren utan att skapa något avfall alls. Annars skulle man behöva ett reduktionsmedel, ofta ett metallsalt, för att framkalla den typen av kemisk reaktion, förklarar Sascha Ott.
Snabbt ska synkas med långsamt
Det gäller att ha stenkoll på både fysiska processer, som ljusabsorption och elektronförflyttning, och kemiska. En stor utmaning ligger i att matcha tidsskalorna mellan de mycket snabba fysiska förloppen i halvledaren och de betydligt långsammare kemiska reaktionerna i den organiska föreningen. Annars kommer halvledaren att absorbera elektronen igen, innan den hinner orsaka någon omvandling i den organiska föreningen.
– I vårt tidigare arbete med konstgjord fotosyntes har vi lärt oss att fördröja de fysiska processerna så att kemin hinner göra sitt jobb, vilket kommer till stor nytta här.
Ett annat spår är att använda pyttesmå, så kallade plasmoniska partiklar. När de absorberar ljus frigörs elektroner med riktigt hög energi. Förvisso är utmaningen med omatchade tidsskalor ännu större än med halvledare. Men den möjliga vinsten är också högre – elektronernas mycket höga energi ger möjlighet att framkalla kemiska reaktioner som annars skulle kräva riktigt skarpa kemikalier.
– Det här handlar inte bara om att göra befintliga steg i tillverkningen av organiska föreningar mer resurseffektiva, utan om att utveckla helt nya sätt att omvandla råvaran till slutprodukten. Idag framställs ett läkemedel vanligtvis i många steg – förhoppningsvis kan vi hitta genvägar eller smartare vägar med betydligt färre steg. Då blir det ännu mindre avfall, säger Sascha Ott.
Text Ingela Roos
Bild Nina Suremann, Anna Beiler, Sascha Ott
