Årsrapport 2011 Katalyse og organisk syntetisk kjemi II/KOSK-II ( )

Transkript

1 Årsrapport 2011 Katalyse og organisk syntetisk kjemi II/KOSK-II ( ) Året 2011 Programmet går nå inn i sitt siste år, og det ble i 2011 ikke satt i gang nye prosjekter. Totalt er 44 prosjekter finansiert av programmet over programperioden. Det avholdes ikke et eget årsmøte i programmet, i stedet oppfordres det til deltagelse i de to årlige møtene på fagområdene: Organisk kjemisk vintermøte og Norsk katalysesymposium. Mange av prosjektene ble presentert på disse to møtene. Programmets midler er nå disponert. Det er satt av midler til avslutning av programmet, sluttrapport 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 2011: 20.4 mill. kr Forbruk i 2011: 15.2 mill. kr Programmets finansieringskilder i 2011: KD og OED

2 Antall og type prosjekter i 2011: 27 prosjekter, av disse var 26 forskerprosjekter og støtte til et nasjonalt møte. Prosjektene hadde 16.2 mill. kr disponibelt i Vurdering av måloppnåelse og faglige utfordringer Programmet går nå inn i den avsluttende fasen. Utlysningen i 2010 var programmets siste. Faglig kvalitet har vært det viktigste kriteriet ved tildeling av midler i programmet. Programstyret har vært bevisst på at yngre vitenskapelige ansatte skal få en mulighet for å komme i gang med sin forskning. Det ble på et tidlig tidspunkt bestemt at 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 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, 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 har vært økende. Det er lagt 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, 2011 Antall prosjekter: 27 prosjekter, av disse var 6 nye i 2011 Dr.gradsstipendiater: 10.9 årsverk, herav 3.2 årsverk kvinner og 7.7 årsverk menn Postdoktorstipendiater: 4.4 årsverk, herav 0.5 årsverk kvinner og 3.8 årsverk menn Prosjektledere: 17, herav 3 kvinner Et av prosjektene er en samfinansiering med RENERGI, finansiert med midler satt av til strategiske universitetsprosjekter over OED s budsjett. Måltall kvinner Programmet hadde sin siste utlysning i Her, som i tidligere utlysninger, ble kvinner oppfordret til å søke, og det ble opplyst 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, 2011 Resultatindikatorer Antall Publisert artikkel i periodika og serier 20 Publisert artikkel i antologi Publiserte monografier Rapporter, notater, artikler, foredrag på møter/konferanser rettet mot prosjektets målgrupper 35 Populærvitenskapelige publikasjoner (artikler/bøker, debattbøker/-artikler, høringer, utstillinger, skjønnlitteratur etc) Oppslag i massemedia (aviser, radio, TV ) 1 Ferdigstilte nye/forbedrete metoder/modeller/prototyper Ferdigstilte nye/forbedrete produkter Ferdigstilte nye/forbedrete prosesser Ferdigstilte nye/forbedrete tjenester Søkte patenter 2 Inngåtte lisensieringskontrakter Nye foretak som følge av prosjektet Nye forretningsområder i eksisterende bedrifter som følge av prosjektet Bedrifter i prosjektet som har innført nye/forbedrete metoder/teknologi Bedrifter utenfor prosjektet som har innført nye/forbedrete metoder/modeller/teknologi Bedrifter i prosjektet som har innført nye/forbedrete arbeidsprosesser/forretningsområder Kommentarer til tallene: Publisering er i full gang, og var omtrent som i Det forventes at de fleste publikasjoner kommer sent i prosjektperioden. 5 av doktorgradsstipendiatene har nå disputert, 1 i 2010 og 4 i flere disputaser er planlagt i Viktigste aktiviteter i 2011 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 2011 god oppslutning med mange presentasjoner og god variasjon i foredragene. Forskningsfaglige: Programmets midler er nå disponert, med unntak av noen midler satt av til programmets avslutning. Kommunikasjons- og formidlingstiltak: Mange av prosjektene ble presentert ved Organisk kjemisk vintermøte eller Norsk katalysesymposium. Tiltak som bidrar til økt rekruttering av kvinner (der dette er relevant): 3

4 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. Driftsrelaterte aktiviteter: Det er avholdt et programstyremøte i Statistikk om inhabilitet i søknadsbehandlingen Det var ingen søknadsbehandling i Høydepunkter, resultater 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. Umulige kjemiske reaksjoner kan muliggjøres ved bruk av katalysatorer. Gull har tidligere vært antatt å være katalytisk inaktiv, i motsetning til organometalliske katalysatorer basert på en rekke andre overgangsmetaller. Gull-katalyse har vært neglisjert innen organisk syntetisk kjemi inntil ganske nylig fordi edelmetall -betegnelsen og prisfordommer lenge har hindret utvikling innen kjemi. Imidlertid har fagfeltet de siste 5-8 år blitt en av de raskest økende forskningsfelt innen kjemi. Gull komplekserer og binder seg selektivt til ulike funksjoner i et organisk molekyl og aktiverer hittil ukjente spesifikke metallkatalyserte reaksjoner. På denne måten kan 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 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 har dessuten gitt viktig og bedret forståelse for nye gullkatalyserte ringslutnings-reaksjoner. Nye og selektive olefinmetatesekatalysatorer. 4

5 Katalysatorer er forbindelser som sørger for at kjemiske reaksjoner går raskere, og er svært viktige ingredienser i både industrielle og biologiske prosesser. Olefinmetatese er et eksempel på en klasse av industrielt viktige reaksjoner som er helt avhengig av en katalysator. For noen typer olefinmetatesereaksjoner har man imidlertid, til tross for langvarig og betydelig innsats internasjonalt, så langt ikke lyktes i å utvikle gode katalysatorer. Særlig har det vært et problem å oppnå kontroll med det en kaller selektiviteten, dvs. nøyaktig hvilket av mange mulige nesten, men ikke helt, like produkter som dannes i overvekt, og dette har begrenset utnyttelsen av olefinmetatese, spesielt i syntese av naturprodukter og legemidler. Med tanke på å oppnå selektive katalysatorer har en i dette prosjektet først benyttet avanserte beregningskjemiske metoder for å oppnå innsikt i reaksjonsmekanismen på molekylnivå, og deretter brukt denne innsikten til å forutsi, i nye beregninger, mer selektive katalysatorer. Til slutt er noen av de mest interessante av disse forutsagte katalysatorene fremstilt og testet i laboratoriet. Denne strategien har ledet til en ny klasse av svært aktive og selektive katalysatorer basert på metallet ruthenium, og det jobbes allerede med å kommersialisere den nye teknologien. Den vitenskapelige delen av prosjektet videreføres også, og det arbeides blant annet med å heterogenisere katalysatorene ved at de katalytisk aktive molekylene bindes til ulike bærermaterialer. Omsetning av naturgass, kull eller biomasse til kjemikalier og drivstoff er målet for viktige forskningsområder i katalysegruppa ved NTNU. Karbonmonoksid og hydrogen (syntesegass) er et viktig mellomprodukt i disse prosessene. Storskala produksjon av syntesegass er kommersiell teknologi, men produksjon i mindre enheter er fortsatt en utfordring. Partiell oksidasjon av metan krever vanligvis bruk av oksygen noe som fører til høye kostnader pga. separasjonen av luft. En alternativ metode er den anaerobe partielle oksidasjonen basert på bruk av oksygen fra det katalytiske materialet, dvs. uten fritt oksygen i gassfasen. Prosessen blir syklisk med regenerering av katalysatoren med oksygen etter oksidasjonen av metan, derav navnet Chemical Looping. I laboratoriet er prosessen studert ved å forandre føden fra metan til luft og fra luft til metan i en syklisk prosess. I et av prosjektene er hovedvekten lagt på utvikling og testing av katalytiske systemer slik som blandoksider av perovskitt-typen. Avanserte syntesemetoder er benyttet for å øke lagerkapasiteten av oksygen og reduksjon/oksidasjons-hastighetene av (LaFeO 3 ) perovskitt i den hensikt å maksimere utbyttet av syntesegass. Den aktive overflaten i dette systemet forandres etter hvert som oksygen fjernes fra katalysatoren og betingelsene for maksimalt utbytte av syntesegass er identifisert. LaFeO 3 er funnet å være en lovende kandidat for stabil oksygenlagring i prosessen. Resultatene indikerer at Chemical Looping kan være et interessant alternativ for produksjon av syntesegass. I et annet prosjekt studeres omsetning av syntesegass til væskeformige produkter i Fischer- Tropsch syntesen (hydrogenering av CO). Transiente teknikker og i særlig grad teknikker basert på bruk av isotoper, er meget effektive ved studier av reaksjoner på faste katalysatorer. I prosjektet er metodikken videreutviklet og anvendt på CO hydrogenering over koboltbaserte katalysatorer. Arbeidet har vært konsentrert om studier av den initielle aktiveringen av CO over koboltkatalysatorer. Kunnskaper om den detaljerte mekanismen har betydning for utformingen av katalysatoren og for valg av driftsbetingelser. Koboltkatalysatorer med ulike partikkelstørrelser, ulike bærere og tilsatsstoffer er studert. Resultatene viser at for en serie koboltkatalysatorer er reduksjonen av spesifikk reaksjons-hastighet med minkende partikkelstørrelse knyttet til reduksjonen i antall aktive overflatepunkter pga. blokkering av overflaten med sterkt adsorberte karbon- (C*) og oksygen- (O*) forbindelser. Optimal partikkelstørrelse er funnet å være i området 6-8 nm. Studier med modellkatalysatorer (kobolt med nanorør av karbon som bærer) har vist at CO dissosiering med hjelp av hydrogen synes å være den mest sannsynlige mekanismen. Det er vist at tilsats av alkali øker dissosieringen av CO ved 373 K. Effekten av alkali er spesielt viktig ved omsetning av biomasse til drivstoffer. Arbeidet har også ført til et betydelig samarbeid med flere europeiske universiteter. 5

6 Forbindelse som kan bli nye legemidler er tema for forskningen i mange av prosjektene. Ved Farmasøytisk inst., UiO er flerumettede omega-3 fettsyrer som eicosapentaensyre (EPA) studert i et prosjekt. Disse forbindelsene blir ofte omtalt i media og i mange reklamer som et vidundermiddel mot en rekke humane lidelser. EPA finnes for eksempel i legemiddelet Omacor utviklet av Pronova Biopharma AS, Sandefjord. Marine organismer bruker EPA som utgangsmateriale for å lage mer kompliserte naturprodukter med gunstige biologiske egenskaper. Tilgangen på disse naturproduktene er meget begrenset slik at syntetisk organisk kjemi er absolutt nødvendig for å lage tilstrekkelige mengder før biologisk testing kan bli utført. I dette KOSK II-prosjektet har EPA blitt brukt som utgangsmateriale for å fremstille tre marine og biologisk aktive naturprodukter. Strategien med å bruke EPA som utgangsmateriale har gitt relativt raske og selektive synteser av karbon-karbon bindingene som benevnes som cis-dobbeltbindinger. Juniperonsyre er en flerumettet omega-3 fettsyre isolert fra Atlanterhavssjøstjernen Ophiura sarsi. Denne fettsyren har en rekke interessante biologiske effekter. Zonarienon er et naturprodukt isolert fra en brunalge, Zonaria tournefortii, som lever i Stillehavet. Et tredje naturprodukt, isolert fra en svamp fra Kinahavet, har også vært del av dette prosjektet. Disse tre naturproduktene har ikke blitt syntetisert før, og syntesene er rapportert i flere publikasjoner. I samarbeid med forskere ved MabCent, Tromsø, blir biologisk testing nå utført. Informasjon fra disse testene gir grunnlag for å lage analoger av naturproduktene. Det vil bli vurdert om de mest interessante analogene og deres anvendelse skal patentbeskyttes. Postdoktor forskeren engasjert i dette prosjektet er nå ansatt som førsteamanuensis ved UiO. Kunnskap om lipidkjemi er viktig for Norge og norsk lipidbasert industri. Kunnskap ervervet i dette prosjektet danner basis for flere samarbeidsprosjekter relevant for den nasjonale satsningen i marin bioprospektering. Ved Institutt for kjemi ved Universitetet i Tromsø har man i en årrekke forsket på stoffer med antibakteriell effekt. Disse stoffene, antimikrobielle peptider, har den egenskapen at de dreper multiresistente bakterier på en måte som gjør der svært vanskelig for bakteriene til å utvikle ny resistens. Forskningen har bidratt til opprettelsen av et farmasøytisk selskap som nå gjennomfører klinisk uttesting av et av disse molekylene. En begrensning med antimikrobielle peptider er at de ikke virker på tuberkulosebakterier. Tuberkulose (TB) 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, og nylig er det påvist TB som ikke lar seg behandle med antibiotika i det hele tatt. Gjennom prosjektet MICROPEP 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 er unike fordi karboksylsyren er erstattet av en borsyre, noe som bidrar til stabilitet mot nedbrytning og til effekten mot TB-bakteriene. Oppdagelsen av en helt ny stoffgruppe med anti-tb-aktivitet 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 være et nytt våpen for behandling av tuberkulose. Gjennom dette prosjektet er det også innledet samarbeid med Universitetet i St. Petersburg og Karolinska Institutet for videre uttesting av stoffene på multiresistente bakteriestammer. I utviklingsland er tuberkulose den infeksjonssykdommen som direkte dreper flest voksne pr år. Det antas at millioner vil dø av TB de neste 10 år. Dagens legemidler ble utviklet for over 30 år siden. Resistens er et økende problem og behandlingen er svært tidkrevende. Det er derfor at akutt behov for nye og forbedrede legemidler mot TB. I KOSK-II prosjektet "Synthesis Directed towards Development of Potential Antituberculosis Drugs with Novel Mechanism of Action" har forskerne arbeidet med fremstilling (syntese) og innledende 6

7 biologisk testing av forbindelser med effekt på bakterien som forårsaker tuberkulose (Mycobacterium tuberculosis; Mtb). Det er utviklet synteseveier til forbindelser som viser svært høy aktivitet mot Mtb in vitro. Disse forbindelsene viser lav toxisisitet overfor pattedyrceller og de har effekt mot stammer av Mtb som er resistente mot en eller flere av de legemidlene som brukes i dag. Den syntetisk-organiske kjemien er utført ved Kjemisk Institutt, Universitetet i Oslo, mens biologisk testing har blitt utført av samarbeidspartnere i USA (Tuberculosis Antimicrobial Acquisition & Coordinating Facility og University of Illinois at Chicago) og i noen grad ved Høyskolen i Oslo. I tillegg til at det er fremstilt potente antimykobakterielle forbindelser, er det også utviklet syntesemetodikk i prosjektperioden som vil være nyttig i fremstilling av forskjellige organiske forbindelser (heterosykliske strukturer). Forskerne er nå på jakt etter samarbeidspartnere som kan hjelpe dem å identifisere den biologiske mekanismen bak forbindelsenes antimykobakterielle aktivitet. Dersom forskerne kan identifisere at effekten er knyttet til interaksjon med et spesifikt enzym eller protein i bakteriene, vil det kunne åpne for design og syntese av mer skreddersydde strukturer. Videre planlegges samarbeidsprosjekter for å studere forbindelsenes biotilgjengelighet. Adenosin er en viktig signalsubstans i kroppen. Forbindelser som kan binde seg til adenosinreseptorer vil kunne utløse forskjellige typer biologiske reaksjoner; koffein er et velkjent eksempel på et slikt stoff. Vi kjenner i dag 4 undertyper av adenosinreseptorer (A 1, A 2a, A 2b og A 3 ) og forbindelser med evne til selektivt å binde seg til bare en av disse forventes å ha et legemiddelpotensial. En antar f. eks. at blokkere av A 2a kan utvikles til anti-parkinsons legemidler og at blokkere av A 3 kan ha et potensiale i kreftterapi. I KOSK-II prosjektet "Design, synthesis and biological evaluation of selective antagonists for the various adenosine receptors" er det arbeidet med design, fremstilling (syntese) og screening av reseptoraffinitet av potensielt selektive adenosinreseptorligander. Basis for design har vært kjennskap til andre aktive substanser og modellering av kandidater for syntese, i reseptorenes bindingsseter. Det er utviklet synteseveier til forbindelser som viser høy affinitet for reseptorene og også tildels god selektivitet. Den syntetisk-organiske kjemien er utført ved Kjemisk Institutt, Universitetet i Oslo, mens modellering og biologisk testing har blitt utført i samarbeid med Universitetet i Bonn. Ved prosjektets avslutning var det identifisert flere interessante potente og selektive forbindelser, men screeningen i Bonn var ikke avsluttet. Når testresultater for alle de syntetiserte forbindelsene er klare, vil syntese av "andre-generasjons" substanser med forbedrede egenskaper kunne starte. 7

8 8