Chemienobelpreis: Warum werden organische Katalysatoren ausgezeichnet?

Mit ihrer Arbeit haben sie chemische Reaktionen einfacher, schneller, billiger und umweltfreundlicher gemacht. Benjamin List und David MacMillan erhalten den Nobelpreis.

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Benjamin List (links) und David MacMillan (rechts)
Benjamin List (links) und David MacMillan (rechts) (Bild: Nobelpreiskomittee)

Der Nobelpreis in Chemie geht 2021 an Benjamin List und David MacMillan für die Arbeiten ihrer Forschungsgruppen an der Entwicklung organischer Katalysatoren und der Erklärung ihrer Funktionsweise. Die Arbeit der Forschungsgruppen der beiden Preisträger hat nach dem Jahr 2000 zur gezielten Entwicklung einer neuen Gruppe von Katalysatoren geführt. Sie machten es möglich, die chemischen Eigenschaften biologischer Enzyme zu nutzen, können dabei aber auf den größten Teil des Enzyms verzichten.

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Katalysatoren sind Stoffe, die chemische Reaktionen zwischen zwei anderen Stoffen herbeiführen oder zumindest vereinfachen. Nach Ablauf der Reaktion sind die Katalysatoren unverändert. Sie werden also nicht verbraucht und können dabei helfen, die nächste Reaktion herbeizuführen. Oft handelt es sich dabei um Reaktionen, die ohne Katalysator nur sehr selten per Zufall passieren würden, so dass sich bestimmte Stoffe ohne sie gar nicht in nennenswerten Mengen herstellen lassen können.

Bis zum Jahr 2000 bestanden die meisten künstlich hergestellten Katalysatoren in der Chemie aus Schwermetallen. Sie kamen dabei meistens aus der Gruppe der Übergangsmetalle und waren oft genug teure Edelmetalle. Die zweite Möglichkeit war die Nutzung der Enzyme. Es sind riesige Makromoleküle in den Zellen, die nach Milliarden Jahren Evolution einige chemische Reaktionen sehr effizient katalysieren können. Es gab zwar einzelne künstlich hergestellte organische Katalysatoren, aber kaum gut erklärte Mechanismen, mit denen sich gezielt neue Katalysatoren entwickeln ließen.

Einzelne Prinzipien der Natur abgeschaut

Benjamin List versuchte die Ergebnisse der Evolution zu nutzen, indem er Antikörper von Zellen für chemische Prozesse zweckentfremden wollte, die normalerweise an Viren oder Bakterien anhaften, um sie für das Immunsystem des Körpers erkennbar und bekämpfbar zu machen. Dabei suchte List nach den Teilen der Enzyme, die für die chemischen Reaktionen verantwortlich sind.

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Als die aktiven Teile des Enzyms identifiziert waren, stellte sich die Frage, ob sie überhaupt Teil des Enzyms sein müssen, um als Katalysator zu funktionieren. Es waren einzelne Aminosäuren, die sich gut künstlich herstellen lassen und Versuche zeigten sofort, dass sie wie der gewünschte Katalysator funktionierten.

Anders als bei typischen Katalysatoren aus Metallen war die Reaktion auch stereo-selektiv. Von vielen organischen Molekülen wie Aminosäuren gibt es spiegelsymmetrische Varianten aus den gleichen Bestandteilen. Insbesondere in Medikamenten kann die falsche Variante fatale Folgen haben. Im Medikament Contergan führte ein zu hoher Anteil des Wirkstoffs in der spiegelsymmetrischen, falschen, Variante etwa zu den Geburtsschäden.

Katalysatormischungen ersetzen mehrere Prozessschritte

Organische Katalysatoren, die selbst Aminosäuren sind, können in bestimmten Fällen wegen ihrer Form nur eine bestimmte Form der Reaktion zulassen. Ansonsten steht das Molekül selbst der Reaktion im Weg. Metallischen Katalysatoren fehlt im Allgemeinen diese ausgewiesen Form, die der falschen Reaktion im Weg steht. MacMillan arbeitete an Verbindungen von organischen Molekülen mit Metallen, die das zwar leisten konnten, aber oft sehr empfindlich und schwer herzustellen waren. Er kam auf diese Weise zu ähnlichen Ergebnissen wie List.

Tolle Technik-Deals und viele weitere Schnäppchen

Den Nobelpreis erhielten beide für die Erklärung des Reaktionsmechanismus, der darauf basiert, in einem organischen Molekül kurzfristig Elektronen aufzunehmen oder sie abzugeben, um bestimmte chemische Verbindungen der Reaktionspartner gezielt zu stärken oder zu schwächen. Seit diesen Arbeiten im Jahr 2000 wurden immer mehr organische Katalysatoren und Mischungen aus organischen Katalysatoren entwickelt, die Reaktionen viel gezielter und schneller möglich machen als zuvor.

Dabei wird nicht nur eine Reaktion katalysiert, sondern Mischungen von Katalysatoren, die stufenweise Reaktionen zu verschiedenen Zwischenprodukten katalysieren, bis die endgültige Form erreicht ist. Solche Reaktionen können dann in einem Produktionsschritt durchgeführt werden, ohne zwischenzeitliche Filterung, Destillation und Aufarbeitung der Zwischenprodukte, was zu großen Zeit-, Platz- und Geldeinsparungen führt.

Die Nobelpreisstiftung bietet einen noch wesentlich detaillierteren Hintergrund zum Download auf der Webseite an.

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