Totaalsynthese is vaak puur prestige, zegt Floris Rutjes. De Nijmeegse hoogleraar is een syntheticus pur sang. Al tijdens zijn post-doc onderzoek maakte hij in maar liefst 120 stappen het molecuul brevetoxine B. Nadat brevetoxine B was ontdekt begin jaren tachtig wilde men het molecuul ook echt in handen hebben. Gedurende meer dan tien jaar hebben talloze onderzoeksgroepen zich erop gestort. 'Die concurrentiedrang is er nog steeds,' zegt Rutjes. Het aantal lineaire synthesestappen voor brevetoxine is nog steeds een record. Dit staaltje volharding is dan ook wel een mijlpaal in de geschiedenis van de totaalsynthese genoemd. Rutjes legt uit: 'Brevetoxine is een symbool geworden van complexe totaalsynthese. Het markeert wat je ermee kunt bereiken.'
Omdat het kan
Totaalsynthese is het maken van een natuurstof uit commerciëel verkrijgbare uitgangsstoffen, De kunst daarbij is om een zo efficiënt mogelijke synthese te ontwikkelen. In de praktijk bestaan totaalsyntheses vaak uit tientallen stappen die na jarenlang gepuzzel het gewenste molecuul opleveren. Chemici hebben uiteenlopende redenen om zich te wagen aan de lange, arbeidsintensieve syntheseroutes. Sommigen vinden de uitdaging al reden genoeg. 'Because it's there' is de fameuze uitspraak van de Britse bergbeklimmer Mallory na de vraag waarom hij de Mount Everest eigenlijk wil beklimmen. 'Omdat het kan' geldt ook voor Rutjes: 'Hoe complexer hoe aantrekkelijker het is voor een synthetisch organisch chemicus. Voor ons speelt ook de voldoening dat we kunnen concurreren met andere goede groepen. Bovendien is een van onze doelen het publiceren in hoogstaande wetenschappelijke tijdschriften zoals Nature, Science en Angewandte Chemie.'
Toch is de pure lol van het synthetiseren niet de enige bestaansreden van het vakgebied. Men zou kunnen denken dat we hier alleen maar voor ons plezier verbindingen aan het produceren zijn, is de angst van de synthetici. Het ontwikkelen van fundamentele kennis en vaardigheden voor de synthese is een belangrijke motivatie. Methoden die zijn ontwikkeld bij het namaken van palau'amine, een lastige verbinding met heel veel positieve ladingen en allerlei functionele groepen, worden bijvoorbeeld nu al gebruikt door farmaceutische bedrijven voor het maken van geneesmiddelen.
Niet alle moleculen die gemaakt worden zijn per se nuttig, zegt Rutjes. Zijn groep richt zich tegenwoordig op analoga, zoals van de verbinding platencin, een klasse verbindingen met antibiotische werking. De stof zelf is te gecompliceerd en daardoor voor toepassingen niet zo interessant. Analoga kunnen veel simpeler zijn en bevatten bijvoorbeeld een aangepaste kooistructuur. De synthese wordt daardoor vaak veel simpeler terwijl de biologische activiteit blijft behouden. Kennis uit de totaalsynthese van platencin komt dan goed van pas om de diverse analoga te maken.
Grote hoeveelheden
Vaak is het maken van een bruikbare hoeveelheid van een stof die een interessante eigenschap heeft het doel. De Amerikaanse onderzoeker Phil Baran die onder andere palau'amine maakte, stelt zichzelf ten doel om van iedere verbinding ten minste een gram te maken. Dat is voor synthetici een grote hoeveelheid. Iedereen kan een paar milligram eindproduct maken, legt Rutjes uit. Maar met het maken van een gram onderstreept hij de praktische haalbaarheid van zijn routes. Met de grotere hoeveelheden kunnen vervolgens de relatie tussen de structuur en de (biologische) activiteit van het molecuul worden onderzocht.
Er zit ook een voordeel aan de prestatiedrang, vindt Henk Hiemstra, hoogleraar organische synthese aan de UvA. Door de competitie die ontstaat doordat onderzoeksgroepen de eerste willen zijn die de verbinding maakt is de kans groot dat er een efficiënte syntheseroute wordt ontwikkeld. 'Een voorbeeld is englerine A dat in 2008 werd gepubliceerd. De stof werkt waarschijnlijk tegen nierkanker. Er zijn nu al minstens vier syntheseroutes voor ontwikkeld.'
Het opleiden van goede synthetici is een belangrijk doel, vindt Hiemstra. 'Mensen die zijn opgeleid als totaalsynthetici kunnen goed terecht in de farmaceutische industrie. Daar zijn mensen nodig die alle reacties beheersen. De beste leerschool is dan een totaalsynthese van een terpeen of alkaloid. Het opleiden van die mensen vind ik het belangrijkste aan mijn vak. Pas daarna komen de publicaties en de verbindingen die we maken.'
Steeds meer katalyse
De kennis en mogelijkheden voor het maken van de meest ingewikkelde stoffen zijn enorm toegenomen de afgelopen jaren, zegt Rutjes. Duurde het in de jaren negentig nog tien jaar of langer voordat een molecuul werd gemaakt, tegenwoordig verschijnt al binnen twee jaar de totaalsynthese in de literatuur. Dat komt door de beschikbaarheid van meer katalysatoren en reagentia. Belangrijk is ook de ontwikkeling van veel gevoeliger analysetechnieken waardoor analyses op kleinere schaal kunnen worden gedaan. 'Je hoeft niet meer op kiloschaal te starten maar je kunt ook met honderd gram uit de voeten,' illustreert Rutjes.
Een van de grootste moeilijkheden vormen de talloze verschillende functionele groepen in een molecuul. Als je de een laat reageren moet je de andere beschermen en vervolgens weer ontschermen. Een uitdaging is om zonder beschermgroepen toch de gewenste groep te laten reageren om zo het aantal reactiestappen te verminderen. 'We moeten de hoeveelheden reagentia en afvalstoffen vermindern,' aldus Hiemstra. 'We willen af van de methoden waar reagentia stoechiometrisch worden gebruikt.'
Een van de manieren is het gebruik van geavanceerde katalysatoren zoals metaalkatalysatoren of enzymen. Rutjes ontwikkelde al zo'n proces in een IBOS project voor de integratie van biosynthese en organische synthese. 'We kunnen een natuurstof maken met drie stereocentra, een aza-suiker, in twee stappen uit commerciëel verkrijgbare aldehyden. In een cascadereactie werken vier enzymen in één pot samen om het intermediair te maken. We gebruiken geen beschermgroepen. De volgende stap is om te laten zien dat we ook andere stoffen kunnen maken met deze methodologie, bijvoorbeeld andere diastereomeren of aza-suikers met een ander substitutiepatroon. Farmaceutische en fijnchemische bedrijven co-financieren het project. Zij geven aan wat de commercieel interessante verbindingen kunnen zijn.
Niets is onmogelijk
Brevetoxine mag dan een recordhouder zijn op het gebied van complexiteit, maitotoxine is momenteel de heilige graal. Dit is niet alleen een van de giftigste natuurstoffen ter wereld maar ook een van de grootste en meest complexe. De structuur omvat 32 etherringen, 22 methyl- en 28 hydroxylgroepen en twee sulfaatgroepen. Zelfs de goeroe van de totaalsynthese, K.C. Nicolaou van het Scripps Research Institute in de VS, is het nog niet gelukt het molecuul te maken. 'Een gevoelig punt is: moeten we hier nu wel aan werken?' vraagt Hiemstra zich af. 'De stof heeft geen enkele praktische toepassing. Ik begrijp de uitdaging wel van onderzoekers zoals Nicolaou die de stof willen maken puur omdat hij bestaat. Maar ik vraag me af hoe ver je moet gaan. Aan de andere kant: de promovendi leren er geweldig veel van en je creeert teamgeest als je zoiets met z'n allen aanpakt.'
Desondanks durft Rutjes de claim wel aan: 'Ik denk dat we elk molecuul kunnen maken. De synthese verdient misschien niet altijd de schoonheidsprijs, maar als er echt iets gemaakt moet worden kan dat zonder meer. Dat neemt niet weg dat er oneindig veel natuurstoffen zijn die nog nooit gemaakt zijn.' Hiemstra heeft nog een persoonlijk (aard)appeltje te schillen met solanoeclepine A, een stof die het aardappelaaltje vroegtijdig tot leven wekt zodat het sterft aan voedselgebrek. Sinds 1997 is zijn groep op zoek naar een syntheseroute. 'We kunnen de linkerhelft en de rechterhelft maken, maar ik denk dat het nog een aantal jaar zal duren voordat we de hele stof in handen hebben. Ik weet zeker dat het kan.'
Totaalsynthese als bouwdoos
Gecompliceerde moleculen zoals platencin (links) worden vanuit eenvoudige, commerciëel verkrijgbare uitgangsstoffen gemaakt. Het maken van de kooistructuur van platencin (door het vormen van de gele bindingen in de afbeelding) kostte de Nijmeegse onderzoeker Dennis Waalboer aanvankelijk negen stappen. Voor een sterk vergelijkbaar analogon (rechts) met dezelfde biologische activiteit zijn dat er nu nog maar twee. Platencin hoort tot een klasse verbindingen met een nieuwe antibiotische werking. (Illustratie: Dennis Waalboer, Radboud Universiteit Nijmegen)
Dit artikel is gepubliceerd in C2W20, 23 oktober 2010.
