Seksjonen forskning består av saker som er skrevet av ansatte i Forskningsrådet, Sintef, NTNU og UiO.
Professor Vidar R. Jensen sammen med forskerkollega Giovanni Occhipinti. På skjermen ser vi en molekylmodell av en av katalysatorene de har laget, med rutenium i blått i midten. (Bilde: UiB)

SELEKTIVE KATALYSATORER

Løste utfordring som kjemikere har slitt med i 15 år

Forskere ved Universitetet i Bergen.

Olefinmetatese – «En dans med partnerbytte»

  • Olefinmetatese er reaksjoner mellom organiske molekyler som kalles alkener (de blir også kalt olefiner, derav navnet på reaksjonene).
  • Reaksjonene krever at det er katalysator til stede.
  • Organiske molekyler finnes i alt levende. De består av kjeder og ringer av karbonatomer. Karbonatomene er bundet til andre atomer, for eksempel hydrogen, oksygen, nitrogen, svovel og klor.
  • Karbonatomene har fra én til tre bindinger seg imellom. Når de har mer enn én binding mellom seg, er molekylene umetta.
  • I alkener er det to bindinger mellom minst to av karbonatomene.

Om prosjektet

  • Prosjektet «Theory-assisted design of functional group-tolerant catalysts for olefin conversion» har hatt støtte fra Forskningsrådets kjemiprogram KOSK II fra 1.1.2007 til 31.1.2011.
  • Professor Vidar R. Jensen ved Kjemisk institutt ved Universitetet i Bergen har vært prosjektleder.

Avanserte beregninger har vært avgjørende for at forskere i Bergen har klart å utvikle en ny klasse katalysatorer som gjør det mulig å lage nye typer plast, legemidler og naturprodukter.

I tillegg kan produksjonen av eksisterende produkter bli mer miljøvennlig og mer lønnsom.

Gjennombrudd

I kjemiske reaksjoner trengs det ofte katalysatorer som hjelper molekyler med å reagere med hverandre.

For kjemiske industribedrifter er det viktig å ha katalysatorer som er selektive, det vil si katalysatorer som sørger for at det i hovedsak bare er det ønskede produktet som blir dannet i reaksjonene.

Ved Universitetet i Bergen (UiB) har forskere med professor Vidar R. Jensen i spissen løst en utfordring kjemikere har slitt med i over femten år.

Sammen med blant andre forsker Giovanni Occhipinti har Jensen laget selektive katalysatorer som kan brukes ved produksjon av spesielle typer plast, legemidler og naturprodukter.

Det unike og sentrale med forskningen deres er at de utfører avanserte beregninger på superdatamaskiner før de gjør eksperimenter i laboratoriet.

Les også: Norge har fått tre nye superdatamaskiner

Sparer tid

– Vi er ikke de eneste i verden som forsker på denne måten, men det er ikke så mange som lar beregningene styre eksperimenteringen i så ekstrem grad som det vi gjør, sier Jensen.

– Vi beregner slike ting som molekylstruktur og hvor reaktive og selektive katalysatorene er. Slik kan vi prøve ut ville ideer ved hjelp av datasimulering og se hva som har størst sjanse for å fungere i praksis. Det sparer oss for tid, forklarer han.

Mange andre forskere gjør beregninger, publiserer dem og lar andre ta seg av det praktiske. Jensen på sin side synes noe av det de kommer fram til med beregninger, er så interessant at det bør følges opp av hans egen forskningsgruppe eller grupper de samarbeider med.

Dette har vist seg å være en svært vellykket strategi.

– Katalysatorene vi har laget, er selektive. De gir oss nesten bare det produktet vi ønsker. De katalysatorene du får kjøpt i dag for den typen kjemiske reaksjoner vi jobber med, er ikke det, påpeker Jensen.

Les også: Intels nye Xeon Phi har 61 kjerner

Ulike egenskaper

Jensen og Occhipinti jobber med en type reaksjoner som kalles olefinmetatese. Her bruker de alkener som er umetta, organiske molekyler som kan framstilles fra naturgass, til å lage ulike typer produkter.

Når to alkener reagerer med hverandre i en olefinmetatese, er at det alltid to mulige produkter – to såkalte geometriske isomere. De har samme kjemiske formel, men har ulike egenskaper.

Ved olefinmetatese bytter halvdeler og danner nye alkener. Kjemiske grupper (R) som kan være korte eller lange kjeder eller ringstrukturer, er koblet til karboatomene (C) i den umetta bindingen. I produktet kan de enten være på forskjellig side av bindingen (trans-produkt), eller på samme side (cis-produkt). Katalysatoren påvirker hvor mye som blir dannet av hvert av produktene.
Når to alkener reagerer med hverandre i en olefinmetatese, er at det alltid to mulige produkter – to såkalte geometriske isomere. De har samme kjemiske formel, men har ulike egenskaper.Ved olefinmetatese bytter halvdeler og danner nye alkener. Kjemiske grupper (R) som kan være korte eller lange kjeder eller ringstrukturer, er koblet til karboatomene (C) i den umetta bindingen. I produktet kan de enten være på forskjellig side av bindingen (trans-produkt), eller på samme side (cis-produkt). Katalysatoren påvirker hvor mye som blir dannet av hvert av produktene. UiB

– Å ha kontroll på hva slags isomere vi får, er viktig for egenskapene til det vi lager. For naturprodukter er det gjerne bare cis-isomeren som er biologisk aktiv, forteller Jensen.

Plast som er en polymer, kan lages ved å sette sammen alkener til lange kjeder. Plasten har ulike egenskaper alt etter hvilke alkener den er bygget opp av og om de kjemiske gruppene er på samme eller forskjellig side av kjeden.

– Uten en selektiv katalysator blir det tilfeldig hva vi får. Med en selektiv katalysator kan vi få dem på annen hver side bortover dersom det er det vi vil, sier Jensen.

Kjemikere har prøvd å finne selektive katalysatorer for olefinmetatese i årevis. Jensen forteller at selv ikke de som fikk nobelprisen i kjemi i 2005 for sitt arbeid med olefinmetatese, hadde fått dreis på dette.

Les også: Lager plast av CO2

Høy selektivitet

Forskerne ved UiB har gjort beregninger på mange ulike katalysatorer. De mest lovende av disse har de laget og testet i laboratoriet.

De tok utgangspunkt i en type katalysator som allerede var kjent og som var basert på en katalysator som en av nobelprisvinnerne fra 2005 hadde laget.

Katalysatoren består av et molekylkompleks bygget opp rundt det sjeldne metallet rutenium.

– Vi har gjort en vri som gir høy selektivitet. Vi har byttet ut et kloratom som tar liten plass, med en kjemisk gruppe som tar større plass. Dette ser trivielt ut på papiret, men mange hadde forgjeves prøvd liknende strategier da vi, ved hjelp av beregninger, fant en type kjemisk gruppe basert på svovel, som gir stabile, aktive og selektive katalysatorer, forteller Jensen.

– Den beste vi har laget så langt gir opptil 95 prosent av cis-isomeren istedenfor overvekt av trans-isomeren som er det typiske resultatet om en bruker dagens kommersielle katalysatorer. Når vi får så mye av cis-isomeren, er det mye lettere og mindre kostbart å rense den, men målet vårt er å få katalysatoren til å bli tilnærmet 100 prosent selektiv.

Les også: Verdens raskeste datamaskin

Skal ut på markedet

Bergensforskerne har fått midler fra både FORNY- og GASSMAKS-programmet i Forskningsrådet til å videreutvikle katalysatorene, og forhåpentlig også kommersialisere dem.

– Det var ingen som hadde rapportert om en selektiv katalysator for olefinmetatese før vi utviklet vår. Parallelt med at vi fikk det til, fikk imidlertid også et par av nobelprisvinnerne fra 2005 dreis på det, så i dag finnes det tre klasser katalysatorer som kan brukes for å kontrollere hva slags du produkt du får, sier Jensen.

– Det er for tidlig å si hvilken av disse tre som er best. Sannsynligvis vil det etter hvert vise seg at alle tre har ulike bruksområder der de er fordelaktige, tror han.

De vil også jobbe videre med å spisse forskningen inn mot bestemte anvendelsesområder.

– Olefinmetatese er en veldig generell reaksjon og inngår allerede i mange viktige industrielle prosesser. Det er bare fantasien som setter grenser for hvordan vi kan utnytte de nye, selektive katalysatorene og utvide anvendelsesområdene for olefinmetatese enda mer, forklarer Jensen.

– Selektive katalysatorer kan for eksempel brukes til å lage plast med spesielle egenskaper, slik som veldig hard og motstandsdyktig plast som kan brukes i rotorblader til vindmøller.

Jensen understreker at de ennå ikke vet hvilke produkter de vil sikte seg inn mot spesielt. Han påpeker også at forskningen deres ikke ville vært mulig uten en nasjonal satsing på tungregning og nasjonal infrastruktur for tungregning (Notur).

Denne artikkelen er levert av Forskningsrådets kjemiprogram KOSK II (Katalyse og organisk syntetisk kjemi II).

Les også: Snart kan datamaskinen smake og lukte