Årsrapport 2009 Katalyse og organisk syntetisk kjemi II/ KOSK II( )

Transkript

1 Årsrapport 2009 Katalyse og organisk syntetisk kjemi II/ KOSK II( ) Året 2009 Det er nå satt i gang 37 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. Programstyret har også hatt flere møter med forskere og stipendiater i programmet i forbindelse med programstyremøtene. Programmets mål 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.

2 Økonomi og prosjektomfang Disponibelt budsjett i 2009: 29.0 Mill. kr Forbruk i 2009: 20.2 Mill. kr Programmets finansieringskilder i 2009: KD og OED Antall og type prosjekter i 2009: 27 prosjekter, av disse var 25 forskerprosjekter og 2 støtte til nasjonale møter. Prosjektene hadde 19.7 Mill. ke disponibelt i 2009 Vurdering av måloppnåelse og faglige utfordringer Faglig kvalitet er det viktigste kriteriet ved tildeling av midler i programmet. Programstyret er bevisste 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. Programmet er nå halvveis i programperioden og har sammen med forløperen, KOSK, 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. I evalueringen av norsk grunnleggende forskning i kjemi, fra 2008/2009 betegnes programmet som en suksess, særlig fordi det ikke er så mange andre finansieringskilder for dette fagområdet i Norge. Betydningen av den organiske kjemien for øvrig kjemisk forskning understrekes. Innen katalyse har programmet bidratt til 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, noe som bidrar til å opprettholde fagmiljøenes attraktivitet for kjemisk industri også på lengre sikt. Det legges stor vekt på finansiering av doktorgradsstipendiater og post docs. En stor andel av stipendiatene med norsk utdanningsbakgrunn har utenlandsopphold i løpet av stipendperioden. Det er også en betydelig rekruttering av utenlandske stipendiater. De fleste stipendiatene går direkte til stillinger i næringsliv eller akademia. For forskningsmiljøene er det viktig at det finnes midler til nye stipendiater hvert år. Programstyret har derfor valgt å ikke benytte alle programmets midler til prosjekter de første årene i programperioden. På denne måten sikres det at det vil være midler til å starte nye prosjekter også senere i programperioden. Nøkkeltall, 2009 Antall prosjekter: 27 prosjekter, av disse var 8 nye i 2009 Dr.gradsstipendiater: 12.7 årsverk, 15 stipendiater, herav 10 kvinner (9.4 årsverk) Postdoktorstipendiater: 8.8 årsverk, 12 stipendiater, herav 3 kvinner (3 årsverk) Prosjektledere: 19, herav 3 kvinner Kommentarer til tallene: Antall stipendiater er helt i tråd med programmets målsetning. Resultatindikatorer, 2009 Avlagte doktorgrader: Ingen så langt i programperioden 2

3 Vitenskapelige artikler med referee: 12 Vitenskapelige artikler uten referee: Annen publisering/kommunikasjon: 20 publiserte foredrag fra internasjonale møter, 12 brukerrettede formidlingstiltak og 26 andre rapporter/foredrag Kommentarer til tallene: Publiseringen er godt i gang. Det forventes at de fleste publikasjoner kommer sent i prosjektperioden. Så langt er svært få forskerprosjekter avsluttet. Viktigste aktiviteter i 2009 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 år veldig god oppslutning, med mange presentasjoner, og stor variasjon i foredragene. Programstyret har som sist år hatt flere møter med forskere i programmet i forbindelse med programstyremøtene. I løpet av 2009 har programstyret møtt forskere og stipendiater ved universitetene i Trondheim og Tromsø. Det har også vært avholdt et møte ved UMB hvor programstyret fikk presentert forskning med relevans for programmet, selv om det ikke er noen prosjekter i programmet ved dette universitetet nå. Møtene har vært vellykkede, og denne møteformen gir en fin mulighet for dialog mellom programstyret og prosjektledere/potensielle søkere. Forskningsfaglige: Evalueringen av norsk grunnleggende forskning i kjemi fra 2008/2009 følges i 2009/2010 opp ved at det er satt ned et utvalg som har fått i oppdrag å utarbeide en oppfølgingsplan. Planen vil foreligge tidlig i 2010, og ventes å gi et viktig innspill til programstyret i den siste delen av programperioden. Programmet hadde en utlysning i 2009, med søknadsfrist 4. juni. Det ble mottatt 26 søknader, av disse var 14 innen organisk syntese og 12 innen katalyse. 23 av søknadene gjaldt forskerprosjekter, de øvrige tre var søknader om arrangementsstøtte. Det ble bevilget midler til 8 prosjekter, 5 forskerprosjekter og 3 arrangementsstøtte. Innenfor forskerprosjektene er det 3 doktorgradsstipendiater og 3 postdoktorstipendiater. Arrangementsstøtte ble gitt til de to faglige nasjonale møtene som også betraktes som programmets årsmøte, Organisk kjemisk årsmøte og Norsk katalysesymposium. Det ble i tillegg bevilget midler til en større internasjonal konferanse som skal avholdes i Bergen i august Som i de siste to år, ble søknadene vurdert av to paneler med utenlandske fageksperter, med et panel for hvert av de to fagområdene. Programmet omfatter to relativt godt avgrensede fagområder, og ligger derfor godt an for bruk av paneler. Kommunikasjons- og formidlingstiltak: Mange av prosjektene har vært presentert ved organisk kjemisk vintermøte eller Norsk katalysesymposium. Tiltak som bidrar til økt rekruttering av kvinner: Kvinner oppfordres til å søke. Det er tillegg sagt i utlysningen at kvinnelige søkere til postdoktorstipend vil bli prioritert ved ellers like vilkår. Det var denne gangen ingen søknader om personlig postdoktorstipend, slik at denne prioriteringen ikke kom til anvendelse. Stipendiatstillingene som inngår i forskerprosjektene utlyses og besettes i henhold til institusjonenes egne retningslinjer. 3

4 Driftsrelaterte aktiviteter: Programstyret hadde 4 møter i Av disse var det ene møtet viet søknadsbehandling. De andre tre ble holdt ved universitetene, og omfattet også møter med forskere. Høydepunkter og funn Programmet er nå halvveis i programperioden, og hoveddelen av midlene er disponert. Programmet har stort fokus på stipendiater, og det er satt i gang 21 doktorgradsstipendiater og 20 postdoktorstipendiater, noe som er i overensstemmelse med programmets mål. Prosjektene er fordelt mellom programmets to fagområder. På katalysesiden er det grunnleggende prosjekter som bidrar til å opprettholde fagmiljøenes sterke posisjon, slik at de også på lang sikt skal kunne bidra til en bærekraftig utnyttelse av norske naturgassressurser. Forskningen på dette feltet er i økende grad anvendbar også innen annen energiforskning (eks. biogass). Innen organisk syntese opprettholdes det gjennom programmet en forskningsaktivitet ved alle universitetene, det utdannes kandidater til nytte for akademia og norsk industri, og unge akademisk ansatte har fått en mulighet til å komme i gang med sin forskning. Utvikling av katalysatorer for metanaktivering basert på sjeldne jordmetaller Produksjon av plastråstoffer og andre høyverdige kjemiske utgangsstoffer fra naturgass er av stor økonomisk, sosial og politisk betydning. En av dagens store utfordringer innen katalysatorforskningen er å finne egnede katalysatorer som aktiverer C-H bindinger i metan, som er den viktigste bestanddelen i naturgass. Det har vist seg at forbindelser av sjeldne jordmetaller er svært aktive mot C-H bindinger, utfordringen er å finne den riktige balansen mellom aktivitet og stabilitet. En forskningsgruppe ved kjemisk institutt, UiB, har studert en gruppe forbindelser som inneholder sjeldne jordmetaller, og som har potensiale som katalysatorer. Med støtte fra en postdoktor i KOSK II har lignende forbindelser blitt syntetisert og studert for å lære mer om sammenhengen mellom struktur og aktivitet, med det formål å finne stabile og aktive katalysatorer. Så langt i prosjektet er det bygget opp et bibliotek av beslektede forbindelser som gir kunnskap om effekten av ulike parametre på reaksjoner og aktivitet. I samarbeid med en prosjektpartner i USA ble de mest lovende forbindelsene testet med hensyn på katalysatorens selektivitet, aktivitet og levetid. Katalysatorene viser høy aktivitet for polymerisering av etylen og isopren, og aktiviserer dessuten metan. Disse katalysatorsystemene utvikles nå videre. En del av eksperimentelle arbeidet er nylig blitt publisert ( R. Litlabø, M. Zimmermann, K. Saliu, J. Takats, K. W. Törnroos, R. Anwander, Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, ; M. Zimmermann, K. W. Törnroos, R. Anwander, Organometallics, 2009, 28, ). Flerumettede fettsyrer som utgangspunkt for biologisk interessante naturprodukter Flerumettede fettsyrer omtales ofte i media og i mange reklamer som et vidundermiddel mot en rekke humane lidelser. De samme fettsyrene benytter forskere ved farmasøytisk institutt, UiO, som utgangspunkt for å lage biologisk interessante naturprodukter. Mennesker har fra tidenes morgen benyttet naturprodukter fra planter og dyr til ulike formål, blant annet til å bekjempe sykdommer. Flere av dagens legemidler har blitt utviklet med utgangspunkt i naturprodukter, eller naturproduktene har selv vist seg nyttige som legemidler. Disse naturproduktene har i hovedsak hatt sin opprinnelse fra områder på land, men i nyere tid har stadig flere naturprodukter blitt isolert og strukturoppklart fra det marine miljøet. For flere av våre fiskeribaserte bedrifter står fremstilling av marine flerumettede fettsyrer sentralt. Et av flere eksempler er EPA (eicosapentaensyre) som er en av ingrediensene i tran, og som også finnes i et legemiddel utviklet av Pronova Biopharma. EPA brukes av forskningsgruppen ved UiO som utgangsmateriale for mer komplekse marine naturprodukter, som ikke tidligere har blitt fremstilt i laboratoriet. Flere av de syntetiserte flerumettede naturproduktene har 4

5 gjennomgått biologisk testing, som gir indikasjoner på at denne typen forbindelser kan ha potensiale som legemidler. En type har vist seg å virke hemmende på veksten av blant annet leukemiceller, mens det er søkt om patentbeskyttelse på en annen som kan tenkes å bli brukt i medisinsk behandling av diabetes type II. Regjeringen har nettopp tatt initiativ til en nasjonal satsing innen marin bioprospektering. Forbindelser fra havet er lite utforsket, til tross for at havet dekker mer enn 70% av jordas overflate og at utviklingen av miljøet i havet startet flere millioner år tidligere enn på land. Det er lett å tenke seg at marine forbindelser som blir isolert og strukturoppklart i fremtiden fra norske havområder vil ha interessante biologiske effekter. Koordinasjonspolymere en ny type materialer med mange anvendelsesområder Koordinasjonspolymere er en ny type materialer som er bygget opp fra både uorganiske og organiske komponenter. På grunn av denne blandingen kan det fremstilles mange forskjellige koordinasjonspolymere med svært ulike egenskaper. Koordinasjonspolymere kan skreddersys mot en rekke forskjellige anvendelser, som for eksempel adsorpsjon og separasjon av gasser. Lagring av metangass, fjerning av karbondioksid fra gassblandinger og katalyse er en del av anvendelsesområdene man ser for seg i fremtiden. En del av prosjektet ved SINTEF Materialer og kjemi handlet om å lage nye organiske forbindelser som kan brukes i syntese av nye koordinasjonspolymere, i dette tilfellet med egenskaper som forskerne forventet skulle gjøre materialene interessante for applikasjoner innen katalyse. I den andre delen av prosjektet ble det fremstilte materialets katalytiske egenskaper testet i blandinger av karbonmonoksid og hydrogen. Ingen reaksjon ble observert, men det viste seg at materialet var svært effektivt til separering av de to gassene. Industrielt produsert hydrogen inneholder som regel forurensing av karbonmonoksid, som virker som gift for katalysatorer i brenselceller. Materialet kan derfor ha et brukspotensiale innenfor dette området. Tuberkulosebakterier og antimikrobielle peptider Ved institutt for kjemi ved universitetet i Tromsø har man i en årrekke forsket på stoffer med antibakteriell effekt. Disse stoffene, kalt antimikrobielle peptider, har den egenskapen at de dreper multiresistente bakterier på en måte som gjør det svært vanskelig for bakteriene å utvikle ny resistens. Forskningen har bidratt til opprettelsen av et farmasøytisk selskap som nå gjennomfører klinisk uttesting av et av molekylene. En begrensning med disse stoffene er at de ikke virker på tuberkulosebakterier. Tuberkulose er en potensielt dødelig infeksjon, og om lag 1/3 av verdens befolkning er infisert. Blant våre naboland er særlig Russland sterkt rammet av multiresistente tuberkulosebakterier. På grunn av tuberkulosebakteriens atypiske struktur er det få vanlige antibiotika som kan anvendes effektivt til behandling av infeksjonen. Gjennom prosjektene MICROPREP I og II som er støttet av KOSK II har forskere i Tromsø oppdaget en ny klasse antimikrobielle peptider med svært lovende aktivitet mot tuberkulosebakterier. Disse peptidene har en unik struktur fordi karboksylsyren er erstattet av en borsyre, noe som bidrar til stabilitet mot nedbryting, og til effekten mot bakteriene. Oppdagelsen av en helt ny stoffgruppe med anti-tuberkuloseaktivitet er svært viktig, men mye forskning gjenstår med hensyn på optimalisering av molekylene, kartlegging av virkningsmekanismer og så videre, før vi vet om molekylene kan representere et nytt våpen i kampen mot tuberkulose. Gjennom dette prosjektet er det også innledet samarbeid med Universitetet i St. Petersburg for videre uttesting av stoffene på russiske bakteriestammer. Utvikling av katalysatorer for olefinmetatese Olefinmetatese er en generisk transformasjon der C=C bindingspar, dvs. par av bindinger mellom karbonatomer, blir reorganisert. Reaksjonen er helt avhengig av en katalysator for å være nyttig i praksis. I løpet av de siste årene har det blitt utviklet effektive katalysatorer for denne reaksjonen, noe som blant annet var bakgrunnen for tildelingen av Nobelprisen i 5

6 kjemi i Utviklingen av gode katalysatorer har gjort olefinmetatese til en av de viktigste reaksjonene for dannelse av bindinger mellom karbonatomer, som blant annet benyttes i produksjon av finkjemikalier, polymere og farmasøytika. Til tross for denne suksessen fortsetter arbeidet med å utvikle nye katalysatorer med uforminsket styrke. På den ene siden ønsker man å forbedre den katalytiske aktiviteten ytterligere for å kunne utføre olefinmetatese på stadig mindre reaktive substrater (dvs. olefiner). Den viktigste begrensningen på bruk av olefinmetatese er imidlertid at prosessen generelt gir to typer (to isomere) produkter, såkalte cis (eller Z) og trans (E) alkener (olefiner). Til tross for betydelige anstrengelser, har man til dags dato ikke kommet særlig langt i å utvikle katalysatorer som gir god separasjon av de to ulike produktene, dvs. som (selektivt) gir klar overvekt av den ene isomeren, og man må igjennom en arbeidskrevende, dyr, og i noen tilfeller umulig, renseprosess for å opparbeide det ønskede produktet. En forskningsgruppe ved Kjemisk institutt, UiB, arbeider med prediksjon og utvikling av nye olefinmetatesekatalysatorer. Arbeidet er støttet av KOSK II med en doktorgradsstipendiat og en postdoktor. I den beregningskjemiske delen av prosjektet har det, foruten beregninger rettet mot å avdekke nye og mer aktive og selektive katalysatorer, vært jobbet med å undersøke, og forbedre, nøyaktigheten i beregninger av molekylære strukturer og energier i de ulike trinnene i den katalytiske reaksjonen. Energibarrierene i reaksjonen kan nå reproduseres beregningskjemisk med nær eksperimentell nøyaktighet. Den økte nøyaktigheten i beregningene har ført til at en har kunnet identifisere nye reaksjonstrinn som bestemmende med hensyn på den totale reaksjonshastigheten samt selektiviteten, informasjon som i neste omgang blir brukt i arbeidet med å forutsi mer aktive og selektive katalysatorer. En del av de beregningskjemiske prediksjonene utført i gruppen i Bergen har blitt fulgt opp av ledende forskningsgrupper verden over, og har resultert i noen av de mest aktive katalysatorene som er kjent til nå. Andre prediksjoner er fulgt opp med syntese og testing lokalt. Blant annet er det blitt utviklet en ny klasse av svært aktive amino-substituerte ruteniumkatalysatorer. Beregningene har også forutsagt selektive (med hensyn på cis/trans, se ovenfor) katalysatorer, og det arbeides for tiden med syntese av disse. 6