Nobelpreis für Chemie 2010: Preis-werte Verkupplungsversuche

In diesem Jahr geht der Nobelpreis für Chemie an einen US-Amerikaner und zwei Japaner. Richard Heck, geboren 1931, emeritierter Professor an der University of Delaware, sein vier Jahre jüngerer Kollege Ei-ichi Negishi von der Purdue University und der 1930 geborene Akira Suzuki, Emeritus von der Universität Hokkaido, haben eines der wichtigsten Werkzeuge der modernen Synthesechemie entwickelt: die palladiumkatalysierte Kreuzkupplung, ein Verfahren, mit dem es gelingt, die normalerweise eher reaktionsträgen Kohlenstoffatome in einem Kohlenwasserstoffmolekül zur Reaktion mit anderen Kohlenstoffatomen zu bringen. Auf diese Weise lassen sich auch komplexe organische Verbindungen herstellen, die zuvor nicht künstlich synthetisierbar waren. Der Preis, dotiert mit 10 Millionen Schwedischen Kronen oder knapp 1,1 Millionen Euro, geht zu gleichen Teilen an die drei Chemiker. Verliehen wird er traditionsgemäß am 10. Dezember, dem Todestag Alfred Nobels, in Stockholm.
Neue Antibiotika, Materialien für Elektronik-Bausteine oder neuartige Lichtquellen, diverse Arzneistoffe, Chemotherapeutika, Kunststoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaften ? sie alle haben eines gemeinsam: Ohne die jetzt ausgezeichnete Kreuzkupplungsreaktion wäre es nicht möglich, sie synthetisch herzustellen. Es handelt sich in allen Fällen um komplexe organische Moleküle, aufgebaut aus einem mehr oder minder verzweigten Gerüst aus miteinander vernetzten Kohlenstoffatomen. Die Bindungen zwischen den einzelnen Atomen sind dabei sehr stabil ? so sehr, dass die beteiligten Kohlenstoffatome sie nur ungern aufgeben, um neue Bindungen einzugehen.

Um sie dennoch dazu zu zwingen, mussten Chemiker früher einen Umweg gehen: Sie brachten die Kohlenstoffgerüste mit äußerst reaktiven Verbindungen in Kontakt, um ein Kohlenstoffatom aus seinem bequemen Gleichgewichtszustand zu bringen und es so zu aktivieren. Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist die Grignard-Reaktion, bei der Magnesium die aktivierende Rolle übernimmt. Das funktioniert zwar hervorragend, ist aber nicht besonders effizient. Denn nicht selten werden die Kohlenstoffatome durch die Aktivierung sozusagen übereifrig ? sie reagieren nicht nur mit dem gewünschten Partner, sondern zusätzlich mit allen möglichen anderen Molekülen, sprich es gibt eine ganze Reihe unerwünschter Nebenprodukte. Da es bei solchen Ansätzen zudem häufig nötig ist, ein großes Molekül in mehreren Schritten aufzubauen, kann es passieren, dass am Ende kaum etwas von der gewünschten Substanz übrigbleibt.

Eine Alternative ist die Verwendung des Edelmetalls Palladium als Katalysator, begann sich in den 1950er Jahren herauszukristallisieren: Die Kohlenstoffatome heften sich an die Edelmetallteilchen an, sie treffen sich sozusagen dort, und sind damit räumlich nah genug beieinander, um eine Reaktion einzugehen. Dass sie das tatsächlich tun, erfordert zwar immer noch eine Aktivierung, diese kann jedoch deutlich weniger aggressiv sein als die Magnesium-Variante.

Richard Heck beispielsweise setzte auf einen halogenierten Reaktionspartner auf der einen und ein Olefin mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung auf der anderen Seite. In Anwesenheit von Palladium bildet sich zwischen den beiden Partnern eine neue Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindung ? eine Reaktion, die mittlerweile eine ungeheure industrielle Bedeutung, unter anderem bei der Herstellung der Kunststoffs Polystyrol, hat. Sie wird zu Ehren ihres Entwicklers Heck-Reaktion genannt.

Auch Negishi fand eine Möglichkeit, Kohlenstoffatome sanft zu aktivieren: Er ersetzte das Magnesium der Grignard-Reaktion durch das wesentlich weniger aggressive Zink. Damit ist der Kohlenstoff zwar nicht so reaktionsbereit, dieser Nachteil wird jedoch durch die Anwesenheit des Palladiums wettgemacht: Das Zink bringt den Kohlenstoff auf der Palladium-Oberfläche mit seinem Reaktionspartner in Kontakt, so dass beide miteinander reagieren können. Auch in diesem Fall stand der Name des Entwicklers Pate für den Namen der Reaktion ? man bezeichnet sie als Negishi-Kupplung. Der dritte Preisträger Akira Suzuki schließlich hat die bisher sanfteste Aktivierungsmethode entdeckt: Bei der mittlerweile Suzuki-Kupplung genannten Reaktion wird das Element Bor verwendet, um den Kohlenstoff zum Reagieren auf dem Palladium-Katalysator zu animieren.

Das Werkzeug der palladiumkatalysierten Kreuzkupplung, egal in welcher Variante, sei aus der heutigen Welt nicht mehr wegzudenken, betont das Nobel-Komitee. Und obwohl seit der ersten Beschreibung einer solchen Reaktion durch Richard Heck bereits über 40 Jahre vergangen seien, werde das Prinzip auch heute noch intensiv weiterentwickelt und optimiert. Die Entdeckungen der drei Preisträger seien damit nicht nur jetzt schon von zentraler Bedeutung für die Menschheit, sondern würden in Zukunft wohl eher noch an Bedeutung gewinnen und die Basis für weitere Entwicklungen bilden.


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