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Organische Moleküle nach Maß bauen {Chemie Nobelpreis 2021}

Wäre es nicht schön, wenn wir uns alle möglichen Moleküle einfach so bauen könnten? Was sich mehr nach Science fiction, als nach Science anhört, geht tatsächlich und Chemiker finden immer mehr dazu heraus! David MacMillan und Benjamin List bekommen dieses Jahr den Nobelpreis in Chemie für eine neue Methode verliehen, die sie unabhängig voneinander entdeckt haben und die Organokatalyse genannt wird.

First things first: Was ist eigentlich eine Katalyse?

Für eine Katalyse braucht man einen Katalysator und dieser Katalysator beschleunigt oder steuert eine chemische Reaktion, ohne Teil des Endprodukts zu werden. Der schwedische Chemiker Jacob Berzelius forschte dazu in den 1830er Jahren und erfand auch den Begriff „Katalyse“. Diese Technik wird schon lange benutzt und man schätzt, dass 35 % des GDP weltweit Katalyse zu Grunde liegt und über 80 % der Chemieerzeugnisse weltweit mit Hilfe katalystischer Prozesse hergestellt werden – beispielsweise, um aus den Schädlichen Autoabgasen harmlosere Moleküle zu machen. Auch im Körper finden ständig Katalysen statt, beispielsweise bei der Verdauung. Im Körper sind die Katalysatoren meist Enzyme. Schon 1909 wurde Wilhelm Ostwald der Nobelpreis für Chemie für seine Arbeiten zur Katalyse verliehen. Lange Zeit (bis 2000) dachte man, Katalysatoren wären immer Metalle oder Enzyme.

Lists neuer Ansatz

List arbeitete in den 1990ern im Scripps Reseach Institute (ja, das gleiche, über das wir beim Physiologie Nobelpreis dieses Jahr schon lasen) als PostDoc mit katalytischen Antikörpern. Antikörper sind normalerweise dafür da, Viren oder Bakterien im Körper zu attackieren, aber im Forschungslabor wurden sie so verändert, dass sie chemische Reaktionen anstießen.
Bei seiner Beschäftigung damit, stellte List fest, dass der Teil an Enzymen, der die Katalyse letztlich anstößt, Aminosäuren sind und er fragte sich, ob man den ganzen Rest des Enzyms eigentlich bräuchte. Er wusste von einer Arbeit mit der Aminosäure Proline, da niemand weiter daran geforscht hatte, nahm er an, diese hätte wohl nicht gut funktioniert, trotzdem testete er Proline als Katalysator in einer Aldol Reaktion (wobei Kohlenstoffatome von zwei verschiedenen Molekülen verbunden werden) und es funktionierte sofort mit großem Erfolg!
List erkannte sofort das große Potential, denn nicht nur war Proline günstig, einfach in der Struktur und umweltfreundlich. Sondern vor allem stößt es eine asymmetrische Katalyse an, bei der deutlich häufiger eines der beiden Spiegelbilder entsteht, als das andere. Sein Paper dazu erschien im Februar 2000.

MacMillans Organokatalyse

Zwei Jahre vorher war MacMillan von Harvard an die UC Berkeley gewechselt. In Harvard hatte er mit Metall – Katalysatoren gearbeitet, hatte aber festgestellt, dass diese ungern von der Industrie benutzt wurden, weil sie so unpraktisch waren. Wie er es selbst beschreibt: In der Natur finden ständig Katalysen statt, wenn wir welche im Labor stattfinden lassen, muss es aber unter komplett unnatürlichen (sauerstoff- und feuchtigkeitsfrei) Voraussetzungen geschehen.
Das erschien ihm komplett unlogisch und so machte er sich daran, dies zu ändern…
Er startete damit, einfache organische Moleküle zu designen, die kurzfristig Elektronen aufnehmen oder bereitstellen konnten. Ihm war klar, dass er ein Iminiumion brauchte als Katalysator (ein organisches Kation mit einer Bindung zwischen einem Stickstoffatom und einem Kohlenstoffatom), weil dieses Stickstoffatom eine Affinität für Elektronen hat.
MacMillan testete seine Idee und – wie schon bei List – funktionierte das Ganze auf Anhieb perfekt und einige seiner Moleküle hatten ebenfalls den Vorteil, perfekt für die asymmetrische Katalyse zu sein, also eines der Spiegelbilder in seinem Fall in 90 % der Fälle hervorzubringen.
Im Januar 2000, einen Monat vor der Veröffentlichung von Lists paper, reichte MacMillan seines ein und prägte in diesem den neuen Begriff „Organokatalyse“!

Haben sie zusammengearbeitet?

MacMillan und List haben sich lange nicht gekannt, merkten aber bei einem Vortrag plötzlich, dass sie beide an etwas ganz ähnlichem arbeiten. List sagt selbst, sie waren zwischendurch auch Konkurrenten, aber nur wissenschaftlich, nicht persönlich und so freut er sich sehr, mit MacMillan gemeinsam den Nobelpreis zu bekommen.

Seit der Entdeckungen der beiden boomt die Organokatalyse und es wurden zahlreiche neue Organokatalysatoren gefunden und für vielfältige Dinge angewendet. Ein weiterer Vorteil an diesen Katalysatoren ist, dass sie sehr viel leichter einzusetzen sind, sie müssen nicht komplett isoliert werden und diese Art der Katalyse produziert sehr viel weniger Abfallprodukte als andere Formen.

Warum ist der „Asymmetrie – Aspekt“ so wichtig?

Wie bei uns Menschen äußerlich direkt sichtbar ist – zwei Arme, zwei Beine, zwei Augen etc. – kommen auch Moleküle oft als Spiegelbilder in der Natur vor. Leider haben diese oft ganz unterschiedliche Wirkungen. Auf der Graphik ist ein Beispiel zu sehen, wo ein Molekül nach Limette riecht, sein Spiegelbild nach Zitrone. Das ist an sich erstmal nicht schlimm, aber wenn man beispielsweise ein Zitronenshampoo auf den Markt bringen möchte, wäre es unpraktisch, wenn zu viel Spiegelmoleküle darin herumschwirren. Aus diesem Grund werden sie oft deaktiviert.
Vor allem bei Medikamenten ist dieses Phänomen nicht nur unpraktisch, sondern kann zu einem großen Problem werden. Bei dem großen Contergan-Skandal in den 1960ern waren genau diese Spiegelmoleküle von Thalidomide der Auslöser für schreckliche Nebenwirkungen.
Mit der asymmetrischen Organokatalyse hat man dieses Faktor sehr viel besser im Griff als vorher.

Wofür haben sie konkret den Nobelpreis bekommen?

Benjamin List und David MacMillan haben unabhängig voneinander die asymmetrische Organokatalyse entdeckt und soweit weiter entwickelt, dass sie heute weltweit eingesetzt werden kann. Die Organokatalyse vereinfacht und vergünstigt die Katalyse und es entstehen sehr viel weniger Abfallprodukte als vorher.

Was kommt als nächstes?

Die Organokatalyse kann benutzt werden, um noch bessere Medikamente zu produzieren und das auch noch recht schnell in einem großen Maßstab.
Gleichzeitig wird diese Form der Katalyse als „grüner“, also klimafreundlicher wahrgenommen, weil es sich bei den Katalysatoren um körpereigene und vollkommen ungiftige Moleküle handelt. Um das zu demonstrieren, isst Benjamin List auch gerne mal in Vorträgen seinen Katalysator. Metall – Katalysatoren sind dagegen meist Schwermetalle, die umweltschädlich sind.

Unsere Lieblingsfrage: Wie haben die beiden von der Verleihung erfahren?

In diesem Falle ist es eine besonders schöne Geschichte, wie ich finde, weil sie quasi zusammenhängt: Göran Hansson rief Benjamin List an, der gerade gemütlich beim Frühstück in Amsterdam mit seiner Frau in einem Café saß. Das Handy klingelte, er schaute drauf und sah, dass der Anruf aus Schweden kam. Seine Frau meinte nur, aus Scherz: „Das ist DER Anruf!“. List darauf nur: „Ja, klar…“, ging raus und es war tatsächlich DER Anruf. Hansson fragte ihn dann noch, ob er die Nummer von David MacMillan habe, List gab sie ihm und schrieb seinem Freund direkt eine Nachricht: „Wake up!“. Mac Millan sah zuerst den Anruf aus Schweden, dachte, er würde veralbert werden – in seiner AG werden scheinbar öfter Streiche gespielt – er legte sich wieder hin, dann wurde er von List geweckt und hielt es noch immer für einen Scherz! Er wettete sogar mit ihm um 1000 Dollar, dass das Ganze nicht echt sei! MacMillan legte sich wieder hin und schlief weiter, bis sein Handy vor Nachrichten nicht mehr stillstand und sich die ersten Reporter von seinem Haus versammelten. Geglaubt hat er die Nachricht dann erst, als er sein Bild auf der Startseite des New York Times sah… Inzwischen sagte er schon, er freut sich darauf, List den Scheck zu geben. List und seine Frau sind dann übrigens aus Amsterdam abgereist, um eine Pressekonferenz in Deutschland abzuhalten, bei der List noch immer sichtbar neben sich stand und es kaum fassen konnte, was da gerade passiert.

Ich kann übrigens nur empfehlen, die Pressekonferenzen von List und vor allem MacMillan anzuschauen (Links findet ihr ganz unten). Die beiden sind sehr unterhaltsam!
Ein Beispiel? Warum wurde MacMillan Chemiker? Ganz einfach… Er stammt aus einer einfachen Arbeiterfamilie, sein Bruder war der erste überhaupt, der zur Universität ging und als die Familie mitbekam, wie viel angenehmer man finanziell damit leben kann, wurde David im Prinzip gar nicht mehr gefragt, es war klar, dass er ebenfalls studieren würde. Sein Bruder studierte Physik, also fing David ebenfalls damit an… Die Vorlesungen waren um 8 Uhr morgens, der Hörsaal war kalt und ungemütlich. Die Chemievorlesungen starteten nicht vor 10 und waren gut geheizt. Ganz plötzlich sprach ihn da die Chemie sehr an…

Benjamin List wurde 1968 in Frankfurt am Main geboren und promovierte 1997 an der Goethe Universität Frankfurt. Als PostDoc war er am Scripps Research Institut in Kalifornien. Inzwischen ist er Direktor am Max-Planck.Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr (dort forscht übrigens schon länger niemand mehr zu Kohle, der Name wurde nur aus historischer Verbundenheit behalten).
David W. C. MacMillan wurde 1968 in Bellshill, in der Nähe von Glasgow, Schottland, geboren. Seinen Ph.D. bekam er 1996 von der University of California in Irvine. Er ist Professor an der Princeton University, USA.

Die Nobelvorlesung von List und MacMillan wird am 8. Dezember 2021 ab 11 Uhr (CET) übertragen, beispielsweise HIER.

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Quellen & mehr Informationen:
Press release, Nobelfärsamlingen, nobelprize.org
Scientific Background, Nobelfärsamlingen, nobelprize.org
Interviews mit beiden Preisträgern kurz nach der Bekanntgabe findet man auf dem Nobelpreis – Youtube-Kanal
Pressekonferenz mit Benjamin List, veröffentlicht und abgerufen am 6.10.2021
Pressekonferenz mit David MacMillan, veröffentlicht und abgerufen am 6.10.2021
Respektlos zum Nobelpreis, Frankfurter Allgemeine, veröffentlicht und abgerufen am 6.10.2021
Sprind Podcast, # 11 ist ein Interview mit Benjamin List

3 Gedanken zu „Organische Moleküle nach Maß bauen {Chemie Nobelpreis 2021}“

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