Klik-kemi er blevet sammenlignet med alt fra Lego-klodser til lim i forsøget på at forklare, hvad den banebrydende og nobelprisbelønnede opdagelse kan: sætte molekyler sammen.
\ Hvad er et molekyle?
Et molekyle består af atomer, der holdes sammen af kemiske bindinger. Du kan få genopfrisket din viden om atomer i boksen under artiklen.
Et molekyle er den mindste enhed, som besidder alle egenskaber hos et stof:
Forestil dig et glas vand, der er fyldt med mikroskopiske vandmolekyler. Der er rigtig mange af dem, og de er alle identiske. De består af et oxygenatom (O), der sidder bundet til to hydrogenatomer (H), hvilket giver den velkendte kemiske formel for vand: H2O. Forbindelserne har de samme egenskaber, de kan for eksempel, alt efter temperatur, være flydende vand, vanddamp eller is.
I daglig tale kalder vi oxygen for ilt og hydrogen for brint.
Men hvad er det egentlig, der sker, når molekylerne ‘klikker’?
Det har vi blandt andre spurgt nobelpristager og professor i kemi Morten Meldal om i denne udgave af Spørg Videnskaben.
For at forstå klik-kemi-reaktionen er der lidt, man er nødt til at vide først.
\ Læs mere
Kemisk syntese giver os nye produkter
I laboratorier verden over er kemikere beskæftiget med at bygge nye molekyler.
Og hvad er det så, vi skal bruge nye molekyler til?
Jo, dem skal vi bruge til at udvikle medicin, der er bedre til at behandle specifikke sygdomme, til vaskemiddel, der renser vores tøj grundigere, til solcreme og fødevarer og byggematerialer og meget, meget mere. Tænk på, at alt omkring os er kemi.
Til det arbejde bruger kemikere kemisk syntese.
Kemisk syntese er, når man udfører kemiske reaktioner ud fra enkelte grundstoffer eller ved at få én kemisk forbindelse til at reagere med en anden.
Målet er at skabe molekyler med særlige egenskaber, og det er en proces, der ofte involverer mange komplicerede trin.
Udfordringen ved kemisk syntese er nemlig, at man langtfra altid har kontrol over, hvilke reaktioner der sker, når man blander mange stoffer sammen.
For at blive klogere på den udfordring ringer Videnskab.dk til Jonas Niemann.
Jonas Niemann er ph.d.-studerende på Institut for Naturfagenes Didaktik ved Københavns Universitet, hvor han specialiserer sig i kemiundervisning. Ved siden af driver han Youtube-kanalen Gymnasiekemi.
\ Spørg Videnskaben
Her kan du stille et spørgsmål til forskerne om alt fra prutter og sure tæer til nanorobotter og livets oprindelse.
Du kan spørge om alt - men vi elsker især de lidt skøre spørgsmål, der er opstået på baggrund af en nysgerrig undren.
Vi vælger de bedste spørgsmål og kvitterer med en Videnskab.dk-T-shirt.
Send dit spørgsmål til: sv@videnskab-wp.wp.stage.combell.peytz.dk
»Når du laver reaktioner med molekyler, er der typisk tale om rimelig ‘reaktive’ molekyler. Det vil sige molekyler, der meget gerne vil indgå i kemiske forbindelser med andre molekyler og ikke nødvendigvis bare ét bestemt molekyle, men gerne flere,« siger Jonas Niemann til Videnskab.dk.
Fare for gift og celledød
Det kan have flere uheldige konsekvenser, hvis molekylet reagerer med noget, det ikke skal:
»Så bliver molekylet for det første ikke brugt til det, det er designet til, men i en levende organisme kunne det også gå hen at blive skadeligt, hvis det, der udvikles, er giftigt. Hvis det kemikalie, du tilføjer, udvikler kræft i en celle eller kommer til at reagere med noget af det, der holder cellen i gang. Det kunne i så fald lede til celledød,« siger Jonas Niemann.
Derfor foregår syntesen ofte ved, at man i mange trin forbereder og manipulerer sine kemikalier. Det kan være alt fra at kontrollere tryk og temperatur til at modificere molekylerne.
I laboratoriet kan man foretage sine blandinger under rimeligt kontrollerede forhold, men det er noget helt andet ude i virkeligheden eller i en levende organisme, forklarer Jonas Niemann.
Problemet er også, at jo mere man piller ved forholdene, des mere kompliceret og energikrævende bliver reaktionen.
Jagten på kemiske reaktioner
At gøre kemisk syntese lettere og mere omkostningsfrit er derfor en kemikers drøm.
Spoler vi tiden 20 år tilbage, var det også motivationen for professor Morten Meldal og hans ph.d.-studerende Christian W. Tornøe.
De to havde fået penge fra Danmarks Grundforskningsfond til at lede efter nye organiske kemiske reaktioner. (Se faktaboks.)
\ Hvad er organisk kemi?
Organisk kemi er kemi, som bygger på kulstof. Kulstof er nøglekomponenten for alt kendt liv, så man kan sige, at organisk kemi er grundlaget for alt liv på Jorden.
I naturen findes kulstof i mange forskellige forbindelser og med mange interessante egenskaber. Derfor vil mange forskere gerne kunne efterligne naturens sofistikerede molekyler, eksempelvis for at udvikle ny medicin eller skabe teknologiske supermaterialer.
Det kræver, at man kan sætte kulstofatomer sammen på avancerede måder, og det kan være svært, fordi atomerne ikke vil reagere med hinanden.
Flere nobelpriser i kemi er blevet givet til forskere, der lykkedes med at sætte kulstofatomer sammen på nye måder.
De gik i laboratoriet og afprøvede alle mulige former for reaktioner, som man kendte i forvejen.
Det var derfor noget af en overraskelse, da en af reaktionerne blev ved med at reagere på en anden måde, end de troede, den ville, og de begyndte at undersøge den nærmere.
Klik-molekylerne åbenbarer sig
Reaktionen, de undersøgte, var mellem et såkaldt acylhalid og en såkaldt alkyn.
De to molekyler burde indgå i en reaktion med hinanden, og acylhalidet burde miste sin energi på at indgå i den reaktion.
Med det skete ikke.
På azylhalid-komponentet finder Morten Meldal ud af, at der sidder et såkaldt azid (tre nitrogenatomer, der er bundet sammen), og aziden kommer meget overraskende til at dominere acylhalidet.
Aziden reagerer med alkynen i stedet for, og azylhalidet beholder sin energi.
Det stof, man fik ud af reaktionen, kaldes en triazol. De findes mange steder i alt fra farvestoffer til medicinalproduktion og biokemi, forklarer Jonas Niemann.
»Det her begynder rimelig meget at lugte af, at hvis du generelt har et azid og generelt har en alkyn, så kan du generelt lave triazoler. Så er vi måske i virkeligheden ved at være henne ved noget, der klikker,« forklarer han i sin video om klik-kemi, du kan se længere nede i artiklen.
\ Klik-molekylerne
En alkyn er to carbonatomer (kulstof) med tre bindinger imellem sig.
Et acid er tre nitrogenatomer, der sidder på en lige række.
Katalysatoren: Kobber som samlestation
Et azid og en alkyn viser sig altså at være meget reaktive med lige præcis hinanden. Det afgørende, finder Morten Meldal og Christian W. Tornøe ud af, er, at der er kobber til stede i blandingen.
Her skal vi have fat i det, der i kemi kaldes for en katalysator.
En katalysator i kemi er det, der får en reaktion til at forløbe nemmere og hurtigere. Nogle gange er katalysatoren ligefrem forudsætningen for, at en reaktion overhovedet forløber.
I nogle kemiske blandinger bruger man jern som katalysator, i andre bruger man platin, for at nævne nogle eksempler.
En vigtig egenskab ved katalysatoren er, at den ikke ændrer ved det, der skal ske. Den har ikke nogen øvrig indflydelse på molekylerne. Den får alene reaktionen til at ske.
I klik-kemi får kobber de to klik-molekyler til at reagere med hinanden.
Morten Meldal forklarer det selv sådan, at kobberet kommer til at fungere som en samlestation, der trækker molekylerne sammen.
Selv når klik-molekylerne indgår i blandinger med andre meget reaktive molekyler, vil de hellere reagere med hinanden, når der er kobber til stede.
Byggeklodserne klikkes sammen
\ Barrys ønskeliste
I USA havde kemiker Barry Sharpless været på jagt efter en løsning på samme problem. Han ledte efter en reaktion, der skulle:
- kunne bruges universelt,
- være simpel og ikke indeholde en masse syntesetrin,
- give højt udbytte,
- efterlade ufarlige kemikalier,
- gå hurtigt,
- fungere i atmosfæriske omgivelser, det vil sige under rimeligt normale omstændigheder, hvor der både kan være vand og ilt til stede,
- bruge lettilgængelige kemikalier.
Samtidig med, men uafhængigt af Morten Meldal og Christian W. Tornøe, finder Barry Sharpless samme reaktion og navngiver den ‘click chemistry’.
Barry Sharpless delte i 2022 Nobelprisen med Morten Meldal og Carolyn R. Bertozzi.
Kilde: Gymnasiekemi
I stedet for at skulle fremstille store molekyler, der bliver sværere og sværere at styre, kan kemikere altså bygge molekyler med bestemte funktioner og bagefter sætte dem sammen med klik-molekylerne. Uden at molekylerne bliver påvirket på kryds og tværs.
»Vi laver byggeklodser med almindelig kemi, og så ‘klikker’ vi dem sammen med klik-kemi-reaktionen,« som professor Morten Meldal siger til Videnskab.dk.
Han forklarer, at der »næsten ikke er nogen grænser for, hvad man kan, når man kan kombinere funktionaliteter«.
Klik-kemi kan få din maling til at binde bedre og din mad til at holde længere, og det kan hæfte materialer sammen på molekylært niveau, så vi kan genanvende meget mere.
Det kan også åbne nye døre for sygdomsbehandling.
Tag for eksempel et lægemiddel, der kombinerer funktionaliteter.
Én funktionalitet kan være genkendelse - at molekylet kan genkende overfladen af eksempelvis en kræftcelle.
En anden funktion kan så være at molekylet trækkes ned over cellemembranen, og en tredje funktion kan slå cellen ihjel.
Klik de tre sammen, og du har helt nye muligheder for kræftbehandling.
\ Læs mere
\ Atomer og grundstoffer
Alt omkring os er bygget op af atomer fra de lidt flere end 100 grundstoffer, vi kender til, og som er arrangeret i det periodiske system. Vi er også selv skabt af atomer.
Atomer er helt grundlæggende for kemien. Et atom består af en kerne af positivt ladede protoner og eventuelt nogle neutralt ladede neutroner. Rundtom cirkler negativt ladede elektroner.
Antallet af protoner bestemmer hvilket grundstof, det er. For eksempel er brint eller hydrogen grundstof nummer 1, fordi det har én proton.
Et atom udgør den absolut mindste del af et grundstof. Tag for eksempel jern, der er grundstof nummer 26. Et jernstykke kan du tage og røre ved. Det består udelukkende af jernatomer (Fe), og den mindste bestanddel af jernstykket er et atom, der er usynligt for dine øjne.
