Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Schweizer Messer für die chemische Synthese

22.03.2012
Metallfreier Katalysator beschleunigt Bildung der S-Form von Olean

Ein Schweizer Messer ist eine geniale Erfindung, das Universalwerkzeug lässt sich für viele Zwecke nutzen. Die Synthese-Chemiker Benjamin List und Ilija Èoriæ vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung haben ein chemisches Werkzeug entwickelt, das zwar viel kleiner, aber ähnlich vielseitig und gleichzeitig präzise ist: einen neuartigen enantioselektiv arbeitenden Katalysator. Solche Katalysatoren produzieren fast ausschließlich eine von zwei möglichen, chemisch sehr ähnlichen Formen einer Substanz und könnten damit die Herstellung vieler Pharmazeutika erleichtern.


Wie Krebsscheren umlagern nicht-reaktive Seitenarme das reaktive Zentrum des Moleküls. Durch diese neue Bauweise kann der Brönsted-Säure-Katalysator stereoselektive Synthesen mit hoher Ausbeute produzieren. © MPI für Kohlenforschung/Ilija Èoriæ

Die beiden Chemiker Benjamin List und Ilija Èoriæ erforschen, mit welchen chemischen Werkzeugen man chirale Moleküle auf einfache Weise herstellen kann. Chiral heißen diese Moleküle, weil sie in zwei verschiedenen Formen vorkommen, die sich wie die linke und die rechte Hand spiegelbildlich zueinander verhalten. Solche sogenannten Enantiomere sind sich zwar chemisch sehr ähnlich, ihre biologische Wirkung kann aber eine völlig andere sein: Beim Insekten-Pheromon Olean lockt beispielsweise die S-Form des Oleans die weibliche Olivenfliege an, während die R-Form auf das Männchen wirkt.

Beiden Max-Planck-Forschern ist es jetzt gelungen, gezielt nur eines der beiden Olean-Enantiomere zu synthetisieren. Dazu haben sie eigens ein Werkzeug entwickelt, das, wie sich jetzt herausgestellt hat, sich auch für die Herstellung anderer Substanzen eignet und somit ein breites Spektrum an Möglichkeiten bieten kann.

Olean wurde von den beiden Wissenschaftlern aber gezielt als Endprodukt für die Synthese ausgewählt, weil dieses Pheromon zur chemisch interessanten Gruppe der Spiroacetale gehört. Spiroacetale bestehen aus zwei kohlenstoffbasierten Ringverbindungen und werden in Zellen benötigt, um Kohlenhydrate und zahlreiche andere Moleküle zu konstruieren. Sie sind in vielen Insekten, Pflanzen, und Bakterien zu finden.

Allgemein sind spiroacetale Untereinheiten in einem Makromolekül nicht nur essentiell für seine Bioaktivität, sondern sind auch als bevorzugte Grundsubstanz in der Medikamentenentwicklung sehr begehrt. Darum ist es wichtig, diese Stoffklasse synthetisch herstellen zu können.

Spiroacetale als wichtige Bausteine in Zellen

Die Herstellung von Spiroacetalen ist aber bisher nur auf einem Weg gelungen: In der klassischen reagenziengetriebenen Synthese, bei der man beide Formen, R- und S-Olean gleichermaßen erhält. Weil aber Mischungen aus R- und S-Form fatale Folgen für den Menschen haben können, wie sich bei Thalidomid (Wirkstoff des Schlafmittels Contergan) zeigte, ist es für Pharmakologen und Chemiker wichtig, beide chirale Formen von Wirkstoffen getrennt herstellen zu können.

„Die Herstellung von Mischungen, den sogenannten Racematen, ist in der chemischen Industrie in vielen Bereichen immer noch der Status quo“ sagt Benjamin List. Nach der Synthese müssen die beiden Stereoisomere aufwendig voneinander getrennt und gereinigt werden: Ein Herstellungsprozess, bei dem viel Abfall entsteht. „Wenn wir aber grüne Chemie betreiben wollen, bedeutet das auch, dass wir Synthesewege ändern müssen, um weniger Abfall zu produzieren. Gute Synthesechemie ist immer grün, wenn sie atomökonomisch arbeitet.“

Grüne Chemie durch neue Katalysatoren

Grüne Chemie macht die Natur seit jeher mühelos, weil sie für die Stoffsynthese Enzyme verwenden kann. Enzyme funktionieren als Katalysatoren und können stereoselektive Reaktionen ermöglichen, bei denen nur eine Form entsteht. Benjamin List weiß, wie Enzymen dieses Kunststück gelingt: „Durch seine gefaltete Struktur hat das Enzym aktive „Taschen“. Die Taschen sind sehr eng und haben ein reaktives Zentrum im Taschenboden. Und weil die Tasche so eng ist, können nur ganz bestimmte Moleküle andocken: eben genau die, für die das Enzym spezialisiert ist.“

Wären die aktiven Zentren großräumiger, würden sie Platz für verschiedene Übergangszustands-Geometrien bilden und zu verschiedenen Isomeren führen. „Ein begrenzterer Raum beschränkt diese Freiheit und führt damit zu einer Erhöhung der Selektivität“ erläutern Benjamin List und Ilija Èoriæ ihren gedanklichen Ansatz.

Auf der Grundlage dieser Hypothese modellierten die beiden Chemiker räumlich anspruchsvolle Katalysatoren für die Herstellung von Olean, die als Beispiel für die katalytische Umsetzbarkeit der Spiroacetalisierung dient. „Wir ahmen die enge, reaktive Tasche des Enzyms nach“ sagt List. „Dazu haben wir einen Brönsted-Säure-Katalysator gebaut, der in der Mitte eine rein organische Substanz beherbergt: Imidodiphosphorsäure. Um das reaktive Zentrum herum haben wir große nicht-reaktive Gruppen gebaut, in diesem Fall zwei Binole und vier Arylreste. Sie sind so gebaut, dass sie das aktive Zentrum optimal einengen. Der Katalysator sieht jetzt wie ein Krebs aus, der seine Krebszangen vor die Mundöffnung hält.“

Dank des neuen Katalysator-Designs ist den beiden Chemikern die Herstellung von Spiroacetalen im Labor auf diese Weise erstmals gelungen: Die Versuche ergeben eine S-Olean-Ausbeute von 98%. Aber ihr neuer Reaktionsbeschleuniger kann augenscheinlich noch viel mehr: „Unser Katalysator-Design wird eine breite Anwendung in katalysegetriebenen asymmetrischen Reaktionen finden. Denn soweit wir es das jetzt getestet haben, eignet es sich auch für eine Vielzahl völlig anderer, kleiner Substrate.“

Der neue Katalysator ist so gebaut, dass er ohne teure Edelmetalle wie Rhodium und Ruthenium auskommt. So ist eine rein organische, effiziente katalytische Synthese möglich. Und ersten Tests zufolge scheint der neue Säurekatalysator das Zeug zu einem echten Universalwerkzeug zu haben. Und vielleicht wird er sogar das Schweizer Messer der Synthese-Chemiker werden.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Benjamin List
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr
Telefon: +49 208 306-2410
Fax: +49 208 306-2999
E-Mail: list@mpi-muelheim.mpg.de
Ilija Čorić
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr
Telefon: +49 20 8306-2409
E-Mail: coric@kofo.mpg.de
Originalpublikation
Ilija Čorić & Benjamin List
Asymmetric spiroacetalization catalysed by confined Brønsted acids
Nature, doi:10.1038/nature10932

Prof. Dr. Benjamin List | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/5550358/schweizer_messer_synthese

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Auf der molekularen Streckbank
24.02.2017 | Technische Universität München

nachricht Sicherungskopie im Zentralhirn: Wie Fruchtfliegen ein Ortsgedächtnis bilden
24.02.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie