Viele Moleküle sind chiral – sie existieren in zwei spiegelbildlichen Varianten. Diese Enantiomere sind in ihrer Zusammensetzung identisch, aber ihre räumlichen Strukturen verhalten sich wie Bild und Spiegelbild zueinander. Dadurch können sich ihre chemischen und biochemischen Eigenschaften stark unterscheiden. So schmeckt beispielsweise die „rechtshändige“ Version des Pflanzeninhaltsstoffs Carvon nach Kümmel, die linkshändige nach Minze.
Normalerweise entstehen in chemischen Reaktionen immer gleiche Anteile beider Spiegelbild-Moleküle - nicht aber in lebenden Organismen: In unseren Zellen und denen anderer Lebewesen kommt von chiralen Molekülen jeweils nur ein Enantiomer vor. So besteht das Grundgerüst unserer Erbsubstanzen RNA und DNA nur aus rechtshändigen Ribose-Zuckern, alle Proteine nur aus linkshändigen Aminosäuren. Aber wie schaffen es zellulären Molekülfabriken, solche rein homochiralen Moleküle herzustellen? Und wie kann die Chemie dies kopieren?
Chirale Moleküle wie die Aminosäure Alanin können in zwei spiegelbildlichen Versionen entstehen. In lebenden Organismen kommt aber nur die linkshändige Variante vor. — © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Auf der Suche nach einer homochiralen Reaktion
Genau diese Frage haben die beiden diesjährigen Chemienobelpreisträger geklärt. Schon vor Beginn ihrer Forschungen hatten Chemiker herausgefunden, dass sich die Ausbeute einer der beiden Spiegelbild-Varianten erhöht, wenn man bei der chemischen Synthese einen chiralen Katalysator zusetzt. Dieser fördert nicht nur die Bildung der gewünschten Produkte, er verschiebt auch das normalerweise ausgewogene chirale Gleichgewicht zugunsten eines der beiden Enantiomere.
Typischerweise wurde für solche asymmetrischen Reaktionen ein Katalysator verwendet, der aus einem Metallatom und einem chiralen organischen Molekül bestand. Man ging davon aus, dass sich die Chiralität des Katalysators auf die der Reaktionsprodukte übertrug. Der Anteil der spiegelbildlich gedrehten Produkte würde dadurch erhöht, so die Annahme. Doch wie genau dies passierte und wie sich dies optimieren ließ, blieb lange unklar.
Henri Kagan: Auf den Katalysator kommt es an
In den 1980er Jahren nahm sich der französische Chemiker Henri Kagan dieser Frage an. Er experimentierte dafür mit Katalysatoren mit zwei Exemplaren des chiralen Moleküls. Dabei variierte er den Anteil der beiden Enantiomere. Bei der Reaktion mit dem Metallatom bildeten sich dadurch drei verschiedene Varianten des Katalysators: eine mit zwei rechtshändigen Untereinheiten, eine mit zwei linkshändigen und eine gemischte Variante.
In Versuchen zeigte sich: Die beiden einheitlich chiralen Katalysatorvarianten förderten wie erwartet die entsprechenden Entantiomere beim Reaktionsprodukt. Der Katalysator mit der gemischten Rechts-Links-Kombination funktionierte dagegen kaum – er katalysierte die gewünschte Reaktion nicht.
Doch als Kagan alle drei Katalysatorvarianten gemeinsam in verschiedenen Anteilen einsetzte, zeigte sich Überraschendes: Die spiegelbildlichen Anteile der Reaktionsprodukte verschoben sich nicht mehr linear gemäß den Katalysatoranteilen, sondern asymmetrisch: Die Kurve der Entantiomere zeigte einen ausgeprägten „Buckel“. Das bedeutete: Durch geschickte Kombination der Katalysatoren konnte der Chemiker nun mehr von der gewünschten Spiegelbild-Variante herstellen als zuvor möglich. 1986 beschrieb Kagan in einer Veröffentlichung drei solcher Reaktionen mit nichtlinearen Effekten. „Dies war ein historischer Durchbruch und viele Chemiker begannen nun, dieses Phänomen zu erforschen“, erklärt das Nobelpreiskomitee.
Henri Kagans Experiment mit Katalysatoren aus verschiedenen Enantiomeren. — © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Kenso Soai: Mit Autokatalyse zum homochiralen Endprodukt
Daraufhin begann auch der zweite Preisträger, der japanische Chemiker Kenso Soai, an asymmetrischen Reaktionen und ihren Katalysatoren zu forschen. Sein Ziel war es dabei, eine
Reaktion zu finden, die ohne zugesetzten Katalysator auskommt – weil sie sich selbst katalysiert. Bei einer solchen Autokatalyse fördert eines der Reaktionsprodukte die Bildung von immer mehr Exemplaren seiner selbst. Die Ausbeute steigt dadurch exponentiell. Bislang war jedoch keine Autokatalyse für chirale Reaktionen bekannt.
Das änderte sich 1995, als Soai die erste autokatalytische Reaktion bei einem chiralen Molekül vorstellte. Er beschrieb ein Experiment, in dem ein Enantiomer des chiralen Moleküls 5-Pyrimidylalkanol sich von allein durchsetzte. Aus anfangs zwei Prozent einer der Spiegelbild-Varianten wurden am Ende der Reaktion 87 Prozent. 2003 gelang es Soai erstmals, eine Reaktion zu finden, in der aus nicht-chiralen Ausgangsstoffen homochirale Moleküle entstanden – die Reaktionsprodukte bestanden nur aus einer Spiegelbild-Variante.
Neue Ära der organischen Synthese
Damit haben Chemiker zum ersten Mal das geschafft, was sonst nur lebende Zellen können. „Henri Kagan und Kenso Soai haben eine Lösung für ein gut 100 Jahre altes chemisches Rätsel gefunden: wie Homochiralität spontan entstehen kann. Die von ihnen entwickelten chemischen Reaktionen sind spektakulär“, sagt Heiner Linke, Vorsitzender des Nobelkomitees für Chemie. Die von den beiden Preisträgern entwickelten Methoden haben damit eine neue Ära der Chemie eröffnet. Denn erstmals ist es nun möglich, Wirkstoffe und andere Chemikalien gezielt in nur einer Spiegelbild-Variante herzustellen.
Wichtig ist dies unter anderem für die Entwicklung von Arzneimitteln. Denn bei chiralen Wirkstoffen kommt es oft vor, dass ein Enantiomer die gewünschte therapeutische Wirkung entfaltet, die andere aber unwirksam oder sogar gesundheitsschädlich ist. Die Folgen davon demonstrierte der tragische Fall des Schlafmittels „Contergan“: Die rechtshändige Form des Contergan-Wirkstoffs Thalidomid ist unschädlich und fördert den Schlaf, die linkshändige Form stört die Entwicklung von Föten im Mutterleib. Weil das Medikament beide Varianten enthielt, kam es zu schweren Missbildungen bei neugeborenen Kindern.
Quelle: Nobelprize.org
