Asymmetrische Organokatalyse: Warum es ein Nobelpreis für ökologischen Wandel ist

von Marco Bella – Als die chemische Industrie geboren wurde, galt Abfall als kein Problem. Dann geschah es wie in Minamata, wo eine Fabrik in der Nähe eines Fischerdorfes in Japan von 1932 bis 1968 Quecksilbersulfat direkt in den Fluss warf. In den Flusssedimenten war eine höhere Quecksilberkonzentration als im Fluss gefunden. Minen. Quecksilber erreichte das Meer und reicherte sich in Fischen und Schalentieren an, die Menschen aßen Fische und vergifteten sich mit Quecksilber. Und Männer waren krank und starben, und Kinder wurden missgebildet geboren.

Die chemische Industrie hat erkannt, dass Abfall nicht nur „ein Problem“ ist, sondern das Problem. Und dass schwermetallhaltige Abfälle ein noch größeres Problem darstellen.

Am 6. Oktober 2021 wurde der Nobelpreis verliehen an Liste e MacMillan nicht für das, was sie produziert haben, sondern für das, was sie nicht erhalten haben: Abfall. Der Nobelpreis für asymmetrische Organokatalyse.

Schauen wir uns unsere Hände an: Sie sind nicht gleich, aber sie sind das Spiegelbild voneinander. Alle Objekte, die sich im Spiegel nicht gleich sind und daher paarweise existieren (Schuhe, Handschuhe, aber auch einige Muscheln und sogar Galaxien) werden als chiral (von griechisch χείρ, „Hand“) bezeichnet. Es kommt vor, dass Moleküle auch Objekte sind und daher jedes chirale Molekül als nicht überlagerbare Spiegelbilder existiert, die wir fortan der Einfachheit halber “Hände” nennen.

Chirale Moleküle existieren in zwei nicht überlappenden Spiegelbildern, wie der rechten und der linken Hand. (Bild aus Wikipedia)

Eine einzelne “Hand” vorzubereiten, aber auch die “Hände” zu trennen, also eine “asymmetrische Synthese” zu machen, ist sehr schwierig. Es gab Drogen, von denen beide “Hände” gegeben wurden, da dachte sich, dass sich nicht viel änderte, aber unser Körper erkennt die verschiedenen “Hände” und wie. Das Thalidomid bestand tatsächlich aus zwei “Händen”. Die “rechte” Hand war ein Antiemetikum, also eine Substanz, die gegen Übelkeit hilft, und wurde daher Schwangeren verschrieben.

Die “linke” war jedoch ein Teratogen oder eine Substanz, die bei Föten schwere Missbildungen wie Phokomelie verursachte, dh reduzierte oder fehlende Gliedmaßen, wie bei dem Kind auf dem Foto unten, das nur ein Bein und keine Arme hat.

Als Thalidomid in den späten 1950er Jahren in Europa verkauft wurde, kam es aufgrund der falschen “Hand” dieses Medikaments zu einer Explosion von Phokomeliefällen. Die Vereinigten Staaten blieben verschont, weil die FDA-Pharmakologin Frances Kelsey, nicht überraschend eine Frau, sich ohne ausreichende Studien vehement gegen die Zulassung eines neuen Medikaments für Schwangere aussprach und so ihr Land vor viel Leid bewahrte.

Der Vorgang, Moleküle mit einer einzigen “Hand” zu erhalten, wird als “asymmetrische Katalyse” bezeichnet, wenn ein Katalysator verwendet wird, dh eine Substanz, die die Reaktion beschleunigt.

Frances Oldham Kelsey wurde 1962 von US-Präsident John F. Kennedy ausgezeichnet

Der Bereich der asymmetrischen Katalyse erhielt 2001 den Nobelpreis. Die verwendeten Katalysatoren enthielten Übergangsmetalle (zB Palladium, das teurer ist als Gold). Natürlich: Metalle wurden in geringen Mengen verwendet, aber auch diese kleinen Mengen waren kein kleines Problem. In einigen industriellen Verfahren erreichen die Kosten für den Metallkatalysator bis zu 60 % der Gesamtkosten, da Metallkatalysatoren nicht nur so teuer sind, sondern auch schwer zu entsorgen sind. Nicht nur Verarbeitungsabfälle, auch Reaktoren können mit Metallen kontaminiert sein.

Um zu verstehen, wie wichtig das Abfallproblem in der chemischen Industrie ist, nehmen wir an, dass etwa 200 kg anderer chemischer Verbindungen verwendet werden, um in einem effizienten Verfahren nur ein Kilo Wirkstoff eines Arzneimittels herzustellen. Aus einem kg wird die Tablette, die Sie verwenden, 199 kg, die Sie wegwerfen und für die Sie eine Lösung finden müssen.

Darüber hinaus benötigt man für die Verwendung einiger Metallkatalysatoren eine Umgebung ohne Luft und Spuren von Wasser, was in einem chemischen Labor relativ einfach möglich ist, aber in einem industriellen Reaktor mit Hunderten von kg viel komplexer wird.

Was war dann die Entdeckung der Nobelpreisträger und MacMillan-Preisträger? Dass diese sehr schwierigen asymmetrischen Reaktionen auf viel einfachere Weise mit einigen organischen Molekülen als Katalysatoren ohne die Verwendung von Übergangsmetallen erreicht werden könnten und die chiralen Moleküle durch asymmetrische Organokatalyse einzeln hergestellt werden. Als Katalysatoren wurden keine übergangsmetallhaltigen Verbindungen verwendet, sondern einfachere organische Substanzen wie Prolin, eine sogar essbare Aminosäure. Ein wenig Wasser ließ die Reaktion dann noch besser werden!

Die asymmetrische Organokatalyse ist daher zu einem neuen Ansatz zur Durchführung chemischer Reaktionen geworden: Durch die Eliminierung von Übergangsmetallen können beispielsweise Abfälle in einem Bioreaktor entsorgt werden, damit die Bakterien alles abbauen.

Unter anderem auch aus Effizienzgesichtspunkten ist es keine allzu clevere Strategie, zwei “Hände” der Moleküle zu produzieren, sie zu trennen und dann eine wegzuwerfen. Sinnvoller ist es sicherlich, bei der asymmetrischen Organokatalyse nur die dienende “Hand” zu erzeugen, rechts oder links. Umwelt und Geld zu respektieren bedeutet, nur das zu produzieren, was man erreichen möchte, anstatt es zu verdoppeln und die Hälfte wegzuwerfen.

Ein interessanter Aspekt ist jedoch, dass die asymmetrische Organokatalyse im Jahr 2000, als die ersten Artikel von List und MacMillan erschienen, überhaupt nicht entdeckt wurde, aber es gibt Studien, die bis in die 60er bis 70er Jahre und sogar bis in das frühe 20. Wenn wir jedoch zurückgehen, können wir sagen, dass die asymmetrische Organokatalyse tatsächlich von Gott erfunden wurde: Tatsächlich sind Enzyme hocheffiziente Organokatalysatoren, die nur die gewünschte „Hand“ nahezu perfekt produzieren. Es muss jedoch gesagt werden, dass Enzyme aus Hunderten von Aminosäuren bestehen und für ihre Arbeit ganz bestimmte Bedingungen benötigen, zum Beispiel nur eine bestimmte Temperatur, während Organokatalysatoren anstelle einer einzelnen Aminosäure unter vielen verschiedenen Bedingungen arbeiten können und Lösungsmittel.

Somit waren die asymmetrische Organokatalyse und ihr Potenzial bekannt, doch wurde diese Art der Forschung unerklärlicherweise jahrzehntelang vernachlässigt.

Ich begann 2003 in Dänemark auf diesem Gebiet zu arbeiten, bei Professor Karl Anker Jørgensen, einer Person, die nach Meinung vieler auch den Nobelpreis verdient hat. Ich war einer der ersten, der es 2005 in Italien eingeführt hat, trotz der damaligen Skepsis vieler Kollegen. Das geht unter anderem mit sehr wenig Geld, und als ich nach fünf Jahren zwischen den USA und Dänemark nach Rom zurückkehrte, stellte ich fest, dass hier sehr wenig Geld für die Forschung vorhanden war. Eine in meinem Labor entwickelte asymmetrische organokatalytische Reaktion hat sich zu einem industriellen Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, nicht nur den Einsatz von Übergangsmetallen zu vermeiden, sondern auch das in der ursprünglichen Synthese verwendete organische Lösungsmittel um den Faktor 50 zu reduzieren. [J. Org. Chem. 2012, 77, 4765]

Was war für Hunderte von Forschern weltweit der entscheidende Impuls, plötzlich in dieses Feld einzusteigen? Das Bewusstsein, dass es nicht nur darauf ankommt, was und wie man produziert, sondern wenn nicht mehr, was man mit Abfall macht? Oder endlich verstehen, dass die Entsorgung von Metallen viel komplexer ist als einfache organische Verbindungen? Ich möchte glauben, dass es sich um eine Reihe von vielen Dingen handelt, einschließlich der Erkenntnis durch Chemiker (die intelligente Menschen sind) der Bedeutung des ökologischen Übergangs.

Ökologischer Wandel bedeutet nicht, ins Mittelalter zurückzukehren, aber weniger Geld auszugeben. Es bedeutet, nur das zu bekommen, was Sie wollen. Es bedeutet, das, was Sie nicht wollen, so weit wie möglich zu begrenzen, dh Verschwendung. Mit einem Wort: Ökologischer Wandel bedeutet Effizienz und Nobelforschung. Es bedeutet, sich in eine Welt zu bewegen, in der Abfall kein Problem mehr ist, weil Abfall einfach nicht mehr produziert oder wiederverwendet wird.


Source: Il Blog di Beppe Grillo by beppegrillo.it.

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