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
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Organisk kemi
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.
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Organisk kemi
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
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Organisk kemi
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 1990talet, 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
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Organisk kemi
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.
VR-NT:s webbforum januari 2011 – Organisk kemi
