Årsrapport 2010 Katalyse og organisk syntetisk kjemi II/KOSK II ( )

Transkript

1 Årsrapport 2010 Katalyse og organisk syntetisk kjemi II/KOSK II ( ) Året 2010 Det er nå satt i gang 43 prosjekter så langt i programperioden, inkludert de nye som ble bevilget høsten Programmet holder ikke et eget årsmøte, men deltar i de to årlige møtene på fagområdene: Organisk kjemisk vintermøte og Norsk katalysesymposium. Mange av prosjektene ble presentert på disse to møtene. Årets utlysning av midler var programmets siste, og programmets midler er nå disponert. Det er satt av midler til avslutning av programmet, sluttevaluering og en avsluttende konferanse. Programmets overordnede mål/formål Programmet er en videreføring av Katalyse og organisk syntetisk kjemi (KOSK) som ble avsluttet i KOSK ble i sin tid startet som en direkte oppfølging av kjemievaluering og fagplan i kjemi fra 1996/1997. Hovedmål Programmets hovedmål er å bidra til miljøvennlig og bærekraftig utnyttelse av norske naturgassressurser og til økt verdiskapning innen norsk kjemisk industri på lang sikt. Programmet skal videre bidra til å redusere bruk og produksjon av miljøskadelige og giftige forbindelser og bidra til å posisjonere norske miljøer innen forskningsområder med meget høy internasjonal aktivitet. Delmål For å nå det overordnede målet har programmet flere strategiske mål: Økt verdiskapning av norske petroleumsressurser med spesiell vekt på utnyttelse av naturgassen. Det skal videreutvikles faggrupper på topp internasjonalt nivå som gjennom grunnleggende forskning og utdanning skal bringe fram ny kunnskap og danne basis for utvikling av teknologi, metoder, produkter og prosesser. Etablere og videreutvikle slagkraftige, internasjonalt konkurransedyktige forskningsgrupper innen organisk syntese ved universitetene og ved instituttene. Opprettholde utdanningen av det høye antall kandidater innen katalyse og organisk syntese i Norge, for å tilfredsstille industriens og forskningsinstituttenes behov for kvalifisert arbeidskraft, og legge grunnlaget for framtidig ekspansjon og nyetablering innen kjemisk industri. Stimulere til økt samarbeid mellom forskningsgrupper i Norge og med fremragende internasjonale forskningsmiljøer innenfor katalyse og organisk syntese. Økonomi og prosjektomfang Disponibelt budsjett i 2010: 24.2 Mill kr Forbruk i 2010: 17.7 Mill. kr Programmets finansieringskilder i 2010: KD og OED

2 Antall og type prosjekter i 2010: 31 prosjekter, av disse var 28 forskerprosjekter, støtte til en større internasjonal konferanse og 2 nasjonale møter. Prosjektene hadde 18 Mill kr disponibelt i Det var for 2010 en reduksjon i bevilgningen fra OED til programmet, fra 5.5 mill. kr til 4 mill. kr. Vurdering av måloppnåelse og faglige utfordringer Programmet går nå inn i den avsluttende fasen. Utlysningen i 2010 var programmets siste. Faglig kvalitet er det viktigste kriteriet ved tildeling av midler i programmet. Programstyret er bevisst på at yngre vitenskapelige ansatte skal få en mulighet for å komme i gang med sin forskning. Programmets midler skal deles likt mellom de to fagområdene organisk syntetisk kjemi og katalyse. Sammen med forløperen, KOSK, har programmet bidratt til oppbygging av en betydelig forskningsaktivitet innen organisk syntetisk kjemi ved universitetene. Det er de siste årene ansatt flere unge førsteamanuenser innen organisk syntese, og programmet har kunnet bidra til at flere av disse har kommet i gang med forskning ved at de har fått bevilgninger til doktorgradsstipendiater og post docs. Innen katalyse har programmet bidratt il å opprettholde en portefølje av grunnleggende, forskerdrevne prosjekter, ved siden av den relativt omfattende anvendte forskningen. Programmet bidrar derved til den langsiktige forskningsinnsatsen på området, og representerer en mulighet for å forfølge nye problemstillinger som ikke er aktuelle for industrien enda. Dette bidrar til å opprettholde fagmiljøenes attraktivitet for kjemisk industri på lengre sikt. Det har vært sterkt oppfordret til samarbeid både internt på institusjonene og eksternt med forskningsgrupper i Norge og utlandet, og til prosjekter som representerer et nettverk mellom miljøene. Til tross for oppfordringen har det i liten grad kommet søknader som har representert denne typen samarbeid, noe som særlig gjelder innen organisk syntese. Programmet har innslag av forskning på grenseflaten organisk syntese/katalyse, og denne aktiviteten er økende. Det legges stor vekt på finansiering av doktorgradsstipendiater og post docs. Programmet oppfordrer til utenlandsopphold for stipendiatene, og midler til dette kan søkes løpende. En stor andel av stipendiatene har et utenlandsopphold i løpet av stipendperioden. Det er også et stort innslag av utenlandske stipendiater, både blant doktorgradsstipendiater og post docs. De fleste stipendiatene går direkte til stillinger i næringsliv eller akademia. Nøkkeltall, 2010 Antall prosjekter: 31 prosjekter, av disse var 9 nye i 2010 Dr.gradsstipendiater: 12.9 årsverk, 16 stipendiater, herav 7 kvinner Postdoktorstipendiater: 6.8 årsverk, 11 stipendiater, herav 3 kvinner Prosjektledere: 19, herav 4 kvinner Måltall kvinner Programmet hadde sin siste utlysning i Her oppfordres kvinner til å søke, og det opplyses om at kvinnelige kandidater til personlige postdoktorstipend vil bli foretrukket ved ellers like forhold. 2

3 Kommentarer til tallene: Antall stipendiater er helt i tråd med programmets målsetning. Kvinneandelen er god blant doktorgradsstipendiatene, men dessverre betydelig lavere for postdoktorstipendiater. Når det gjelder antall prosjektledere er kvinneandelen som forventet i forhold til andelen kvinner i vitenskapelige stillinger på de aktuelle fagområdene. Resultatindikatorer, 2010 Vitenskapelige artikler med referee: 20 Vitenskapelige artikler uten referee: 1 Annen publisering/kommunikasjon: 23 publiserte foredrag fra internasjonale møter, 38 andre rapporter og foredrag, 3 brukerrettede formidlingstiltak, 2 allmennrettede formidlingstiltak og 2 oppslag i massemedia Antall patenter: 1 Antall nye metoder/modeller/prototyper: 2 Kommentarer til tallene: Publisering er nå i full gang, og antall vitenskapelige artikler med referee har økt med mer enn 50% sammenlignet med Det forventes at de fleste publikasjoner kommer sent i prosjektperioden. Den første av programmets doktorgradsstipendiater disputerte i desember, og flere følger i Viktigste aktiviteter i 2010 Programmet holder ikke et eget årsmøte, men oppfordrer til at prosjektene presenteres på de to årlige møtene på fagområdene: Organisk kjemisk vintermøte og Norsk katalysesymposium. Disse møtene hadde i 2010 god oppslutning med mange presentasjoner og god variasjon i foredragene. Programstyreleder deltok i begge møtene, og gav korte presentasjoner av programmet. Forskningsfaglige: Evalueringen av den grunnleggende forskningen i kjemi fra 2008/2009 ble i 2009/2010 etterfulgt av en oppfølgingsplan, utarbeidet av en gruppe norske forskere som representerte de evaluerte fagmiljøene. Oppfølgingsplanen anbefaler at programmet benytter den siste delen av sine midler til å understøtte anbefalingene i evalueringsrapport og oppfølgingsplan, og spesielt at grenseflatene mellom katalyse og hhv. beregningskjemi og uorganisk/materialkjemi styrkes i katalysedelen av programmet. Utlysningen viste til evaluering og oppfølgingsplan, og det ble gjort klart at det ville bli vurdert som positivt at anbefalingene herfra ble fulgt i søknadene. Når det ikke ble brukt sterkere virkemidler skyldtes det at dette var programmets siste utlysning, med begrensede midler til rådighet. Til søknadsfristen 1. september kom det inn 21 søknader. 19 av søknadene gjaldt forskerprosjekter og 2 var søknader om arrangementsstøtte. De to søknadene om arrangementsstøtte gjaldt støtte til de to årlige faglige møtene som også betraktes som programmets årsmøter, Organisk kjemisk vintermøte og Norsk katalysesymposium. Begge disse ble innvilget. Det var 15 søknader om forskerprosjekter i organisk kjemi. Forskningsmiljøene er i gang med sin oppfølging av kjemievaluering og oppfølgingsplan. Det har gått for kort tid til at det er rimelig å forvente noen radikal dreining av aktiviteten. Fagplanen understreker behovet for å støtte grunnleggende forskning av høy kvalitet. Vitenskapelig kvalitet ble da også det avgjørende kriterium ved utvelgelse av de tre forskerprosjektene som fikk bevilgning. De 4 søknadene om forskerprosjekt innen katalyse hadde alle innslag av materialkjemi. Også her var vitenskapelig kvalitet det viktigste kriteriet ved tildeling av midler. Siden det var gjort kutt i bevilgningen fra OED, og midlene fra OED er øremerket katalysedelen av programmet 3

4 (konvertering av naturgass) ble det bestemt at kuttet ikke skulle påvirke organisk syntese delen av programmet. Det var dermed i utgangspunktet bare rom for et forskerprosjekt i katalyse. Det ble imidlertid satt opp en venteliste. I etterkant har det vært mulig å finansiere ytterligere et prosjekt over OEDs bevilgning til Forskningsrådet. Som flere tidligere år ble søknadene vurdert av to paneler bestående av utenlandske fageksperter, et for hvert fagområde. Med to relativt godt avgrensede fagområder ligger det godt an for bruk av paneler. De 4 søknadene innen katalyse ble vurdert av et virtuelt panel, dvs. et panel som ikke møttes, men kommuniserte via . Kommunikasjons- og formidlingstiltak: Mange av prosjektene ble presentert ved Organisk kjemisk vintermøte eller Norsk katalysesymposium. Programmet bidro til finansiering av en stor internasjonal konferanse i Bergen, 18. International Conference on Organic Synthesis, ledd i en serie i regi av IUAPAC (International Union of Pure and Applied Chemsitry). Organisasjonskomiteen var ledet av professor Leiv K. Sydnes ved UiB. Konferansen hadde nærmere 500 deltagere fra 48 land. Nytt på årets konferanse var utdeling av priser for de beste postere. En av de 5 prisvinnerne var doktorgradsstipendiat i KOSK II, Marianne Lenes Rosenborg. Tiltak som bidrar til økt rekruttering av kvinner: Kvinner har vært spesielt oppfordret til å søke i programmets utlysninger, hvor det også har vært lagt opp til at kvinnelige søkere til postdoktorstipend ville bli foretrukket ved ellers like forhold. Det var denne gangen ingen søknader om personlig postdoktorstipend, slik at denne prioriteringen ikke kom til anvendelse. Driftsrelaterte aktiviteter: Det har vært avholdt 2 programstyremøter i Høydepunkter og funn Programmet går nå inn i den avsluttende fasen, og har hatt sin siste utlysning. Det er stort fokus på stipendiater i programmet, og det er i overensstemmelse med programmets mål satt i gang 21 doktorgradsstipendiater og 24 postdoktorstipendiater. På katalysesiden bidrar grunnleggende prosjekter til å opprettholde fagmiljøenes sterke posisjon, slik at de også på lang sikt skal kunne bidra til bærekraftig utnyttelse av norske naturgassressurser. Kompetansen som utvikles er også svært aktuell innenfor annen energiforskning, for eksempel kan nevnes biogass. Innen organisk syntese opprettholdes det gjennom programmet en forskningsaktivitet ved alle universitetene. Det utdannes kandidater til nytte for norsk akademia og industri, og unge akademisk ansatte har fått en mulighet til å komme i gang med sin forskning. Kompetanse innen organisk syntes er av stor betydning for en rekke forskningsfelt, f.eks. utvikling av nye medisiner og innenfor næringsmiddelforskning. For å kunne utnytte potensialet innenfor den nasjonale satsingen på marin bioprospektering vil aktive forskningsgrupper innen organisk syntese være en nødvendig forutsetning. Programmet har også innslag av forskning på grenseflaten organisk syntese/katalyse, og denne aktiviteten er økende. Metallorganiske nettverk en ny og spennende type materialer med interessante fundamentale egenskaper og mulige anvendelser Metallorganiske nettverk (MOFer) er en ny og spennende type faste materialer som er bygget opp fra organiske og uorganiske byggesteiner. Kombinasjonsmulighetene er nærmest uendelige. Forskere verden over utvikler MOFer med henblikk på anvendelser innen katalyse, adsorpsjon og separasjon av gasser, CO 2 lagring, sensorer, og mye mer. I katalysegruppen ved 4

5 UiO har man utviklet en ny type MOFer som er mottatt med stor internasjonal interesse. En av de nye MOFene har fått betegnelsen UIO-66; denne er eksepsjonelt robust og porøs og forventes å finne mange anvendelser. UIO-66 består av uorganiske byggesteiner (basert på klynger av zirconium-atomer) som er bundet sammen med organiske lenker. Nye materialer som ligner på UIO-66, men der forskjellige og mer kompliserte lenker er benyttet, er også utviklet. De nye lenkene har funksjonelle grupper reaktive sentre og deres nærvær åpner for nye anvendelser. De funksjonaliserte versjonene av UIO-66 er fremstilt ved å benytte to forskjellige syntesestrategier, begge med sine fordeler og begrensninger. De nye, funksjonaliserte MOFene er også robuste og meget porøse. De undersøkes nå videre med henblikk på anvendelser innen katalyse og gass-separasjon, med spesiell fokus på problemstillinger relatert til fangst, separasjon og lagring av CO 2. Vårt vellykkede arbeide med MOFer har krevd et forholdsvis stort team, bygget opp med finansiering fra KOSK II og andre kilder. Arbeidet har forutsatt stor grad av tverrfaglighet i teamet, og har involvert organisk kjemi, uorganisk kjemi, katalyse, materialkjemi og beregningskjemi. Et anselig antall internasjonale samarbeidspartnere har også bidratt. Nye gull-katalyserte reaksjoner i organisk syntese. Gull-katalyse har vært neglisjert innen organisk syntetisk kjemi inntil ganske nylig. Gull komplekserer og binder seg selektivt til ulike molekyler og aktiverer hittil ukjente spesifikke metallkatalyserte reaksjoner. På denne måten vil gull-katalysatorer muliggjøre svært selektive og viktige nye reaksjonsmønstre for dannelse av komplekse organiske molekyler ved bruk av milde reaksjonsbetingelser. Det har ved Institutt for kjemi ved NTNU i Trondheim blitt utviklet nye skånsomme gullkatalyserte organisk syntetiske metoder som medfører dannelse av ringsluttede, sykliske, produkter. Studiene inkluderer også utvikling av nye såkalte tandem sykliserings-reaksjoner vha. gull-katalyse. Eksperimenter med deutererte reagenser har gitt forståelse for ulike trinn i de nye reaksjonene. Syklopropaner er trekantformede organiske forbindelser som har mange særskilte egenskaper. Gull-katalyserte syklopropanerings-reaksjoner har nylig vært utviklet ved NTNU for fremstilling av en gruppe spesielt anvendelige syklopropaner (i opptil 99 % diastereoselektivitet) fra egnete utgangsstoff via gull carbenoid intermediater. Studiene innen dette grunnforskningsprosjektet ved NTNU har muliggjort selektiv fremstilling av organiske molekyler med interessante ringstrukturer som tidligere ikke har vært beskrevet og dessuten generelt gitt viktig og bedret forståelse for nye gullkatalyserte ringslutningsreaksjoner. Selektiv oksidering av CO i ny reaktor Resultatene fra dette prosjektet viser at små kobberpartikler sammen med ceriumoksid er lovende katalysatorer for å fjerne små mengder CO fra hydrogen. Dette vil ha stor betydning for bruk av hydrogen som et miljøvennlig alternativ til fossile energikilder siden elektrodematerialene i brenselceller er svært følsomme for spormengder av karbonmonoksid (CO) helt ned i 50 ppm. Ved å legge Cu-CeO 2 katalysatorene på et 3-dimensjonalt nettverk av karbon nanofiber oppnår man en kjemisk reaktor som er i stand til å oksidere CO uten samtidig å oksidere hydrogen til vann. Dette er to konkurrerende reaksjoner og det har vært en stor utfordring å utvikle selektive katalysatorer for denne prosessen. Alternative katalysatorer er gjerne basert på kostbare edelmetaller som platina og gull. Vi har også utviklet en fremstillingsmetode som gjør Cu-CeO 2 katalysatorene langt raskere og rimeligere å produsere. De har derfor stort potensiale for kommersiell utnyttelse sammenlignet med konvensjonelle katalysatorer basert på edelmetaller. Prosjektet har blitt ledet av professor Magnus Rønning ved Institutt for kjemisk prosessteknologi, NTNU. Dr. Tiejun Zhao har vært ansatt som forsker på prosjektet. Det har så langt blitt produsert 6 vitenskapelige artikler fra prosjektet og 12 presentasjoner på nasjonale og internasjonale møter. 5

6 Flerumettede fettsyrer gir nye medisiner Flerumettede fettsyrer blir ofte omtalt i media og i mange reklamer som vidundermiddel mot en rekke humane lidelser som kreft, demens og inflammatoriske sykdommer. Men hvorfor er flerumettede fettsyrer som eicosapentaensyre (EPA) og docosaheksaensyre (DHA), som finnes i store mengder i feit fisk og fiskeoljeprodukter som tran, gunstige mot en rekke humane lidelser? Dette spørsmålet prøver forskningsgruppen til førsteamanuensis Trond Vidar Hansen, Farmasøytisk institutt, Universitetet i Oslo, å besvare ved bruk av syntetisk organisk kjemi. Når vi spiser feit fisk eller fiskeoljeprodukter som inneholder EPA og DHA, omsettes disse to polyumettede fettsyrene til oksiderte metabolitter som resolviner og protektiner. De kjemiske strukturene og de gunstige biologiske egenskapene til disse metabolittene har blitt kjent det siste tiåret, hovedsakelig takket være forskning utført ved Harvard Medical School og gruppen til professor Charles N. Serhan. I tre KOSK II finansierte prosjekter arbeider Hansens forskningsgruppe med å fremstille de oksiderte metabolittene som dannes fra EPA og DHA. Det er nødvendig med tilstrekkelige mengder av resolviner og protektiner for å klargjøre de farmakologiske mekanismene som reduserer de inflammatoriske sykdommene. Tilstrekkelige mengder blir kun tilgjengelig ved syntetisk organisk kjemi. Når de farmakologiske mekanismene er klarlagt, kan denne kunnskapen danne grunnlag for å utvikle nye legemidler mot kreft, demens og inflammatoriske sykdommer. Bedre katalysatorer ved hjelp av kvantemekaniske beregninger Mange viktige prosesser innen olje- og gassforedling er basert på katalysatorer. En viktig klasse katalysatorer består av metalliske nanopartikler på overflaten av et oksid. I et prosjekt ved SINTEF Materialer og kjemi i Oslo er vekselvirkningen mellom metallisk nikkel og magnesiumoksid studert ved hjelp av avanserte beregninger. Katalysatoren som er studert brukes i forbindelse med CO2-reformering av lette alkaner. Spesielt ønsket man å undersøke vekselvirkningen mellom oksid og metall ved hjelp av kvantemekaniske beregninger på en periodisk modell for oksidoverflaten. To forskjellige typer binding av metallpartiklene er undersøkt: sorpsjon av nikkel på en perfekt overflate og på en overflate der et magnesiumatom er fjernet. Selv om nikkel binder sterkt til overflaten i begge tilfelle viser resultatene hvordan metallet kan binde til oksidet på to vesensforskjellige måter. I den perfekte overflaten binder nikkel kovalent til et oksygenatom. Bindingen er derimot hovedsakelig ionisk i tilfellet der et magnesiumatom er fjernet og nikkel dermed substitueres for magnesium. Den lokale elektronstrukturen rundt nikkel ligner i dette tilfellet sterkt på den man ser i en overflate av rent nikkeloksid. Substitusjonen av nikkel for magnesium er eksoterm med ca. 1 ev. Dette kan tolkes i retning av at de mest stabile systemene av nikkel og magnesiumoksid kan involvere delfaser av nikkeloksid. Forskningsgruppen håper å kunne videreføre disse studiene i retning av systemer med klynger av nikkelatomer. Resultatene er beskrevet i et manuskript som er sendt inn til tidsskriftet Surface Review and Letters, og vil være nyttige i arbeidet med å komme frem til forbedrede katalysatorer. 6