Der Nobelpreis für Chemie wurde am Mittwoch an Benjamin List und David WC MacMillan für ihre Entwicklung eines neuen Werkzeugs zum Aufbau von Molekülen verliehen, eine Arbeit, die Fortschritte in der pharmazeutischen Forschung vorangetrieben und die Auswirkungen der Chemie auf die Umwelt verringert hat.
Ihre Arbeit ist für die Verbraucher zwar unsichtbar, aber in vielen führenden Industrien unverzichtbar und für die Forschung von entscheidender Bedeutung.
Chemiker sind unter anderem damit beauftragt, Moleküle zu konstruieren, die elastische und langlebige Materialien bilden, Energie in Batterien speichern oder das Fortschreiten von Krankheiten hemmen können.
Aber diese Arbeit erfordert Katalysatoren, das sind Substanzen, die chemische Reaktionen steuern und beschleunigen, ohne Teil des Endprodukts zu werden.
„Katalysatoren in Autos wandeln beispielsweise giftige Stoffe in Abgasen in harmlose Moleküle um“, heißt es in einer Stellungnahme des Nobelkomitees. „Außerdem enthält unser Körper Tausende von Katalysatoren in Form von Enzymen, die die lebensnotwendigen Moleküle herausmeißeln.“
Das Problem war, dass es nur zwei Arten von Katalysatoren gab: Metalle und Enzyme.
Im Jahr 2000 entwickelten Dr. List und Dr. MacMillan – unabhängig voneinander – eine dritte Art der Katalyse.
Sie wird als asymmetrische Organokatalyse bezeichnet und baut auf kleinen organischen Molekülen auf.
„Dieses Konzept für die Katalyse ist so einfach wie genial, und Tatsache ist, dass sich viele Leute gefragt haben, warum wir nicht schon früher daran gedacht haben“, sagte Johan Aqvist, Vorsitzender des Nobelkomitees für Chemie.
Warum ist die Arbeit wichtig?
Praktisch jeder auf der Welt ist auf ein Produkt gestoßen, das von der Expertise eines Chemikers profitiert hat. Der Prozess, Moleküle mit Hilfe von Katalysatoren aufzuspalten oder zu verbinden, ist in Industrie und Forschung unverzichtbar.
Die Katalyse macht Kunststoffe möglich; es ermöglicht auch die Herstellung von Produkten wie Lebensmittelaromen, die auf die Geschmacksknospen abzielen, und Parfüms, die die Nase kitzeln.
Etwa 35 Prozent des weltweiten Bruttoinlandsprodukts entfallen auf chemische Katalyse.
Aber bis zum Jahr 2000 und der Entdeckung durch die Nobelpreisträger waren die Werkzeuge, die den Chemikern zur Verfügung standen, Hammer und Meißel.
„Wenn wir die Fähigkeit der Natur, chemische Kreationen zu bauen, mit unserer vergleichen, steckten wir lange in der Steinzeit“, schrieb das Nobelkomitee.
In der Natur übernehmen Enzyme die Arbeit, die molekularen Komplexe aufzubauen, die dem Leben seine Form, Farbe und Funktion verleihen.
Die bisher von Chemikern verwendeten Katalysatoren ließen sich in zwei Gruppen einteilen: Metalle oder Enzyme.
„Metalle sind oft ausgezeichnete Katalysatoren, weil sie die besondere Fähigkeit haben, vorübergehend Elektronen aufzunehmen oder sie während eines chemischen Prozesses anderen Molekülen zur Verfügung zu stellen“, schrieb das Komitee. „Das hilft, die Bindungen zwischen den Atomen in einem Molekül zu lockern, sodass sonst starke Bindungen gebrochen und neue gebildet werden können.“
Um zu funktionieren, müssen sich einige Metallkatalysatoren jedoch in einer Umgebung befinden, die frei von Sauerstoff und Feuchtigkeit ist – was in vielen Großindustrien schwer zu erreichen ist. Und viele dieser Katalysatoren sind Schwermetalle, die für die Umwelt schädlich sein können.
In der Natur werden Enzyme mit erstaunlicher Präzision als Katalysatoren eingesetzt. Das ist der Prozess, durch den komplizierte – und lebenswichtige – Moleküle wie Cholesterin und Chlorophyll gebildet werden.
Weil Enzyme so effizient sind, versuchten Forscher in den 1990er Jahren, Enzymvarianten als Katalysatoren zu entwickeln, um die von der Industrie und der Produktion benötigten chemischen Reaktionen voranzutreiben.
Aber das Verfahren, das vor den Entdeckungen von Dr. List und Dr. MacMillan verwendet wurde, führte zu enormen Mengen an Verschwendung.
„Beim chemischen Aufbau kommt es oft zu einer Situation, in der sich zwei Moleküle bilden können, die – genau wie unsere Hände – das Spiegelbild des anderen sind“, schreibt das Komitee. „Gerade bei der Herstellung von Pharmazeutika wollen Chemiker oft nur eines dieser Spiegelbilder, aber effiziente Methoden dafür zu finden, war schwierig.“
Eine Lösung bot das von Dr. List und Dr. MacMillan entwickelte Konzept – asymmetrische Organokatalyse. Das neue Verfahren ebnete den Weg zur Herstellung von Molekülen, die so unterschiedlichen Zwecken dienen können wie der Herstellung von leichten Laufschuhen und der Hemmung des Fortschreitens von Krankheiten im Körper.
„Warum hat sich niemand früher dieses einfache, grüne und günstige Konzept für die asymmetrische Katalyse ausgedacht?“ schrieb der Ausschuss. „Auf diese Frage gibt es viele Antworten. Einer ist, dass die einfachen Ideen oft am schwersten vorstellbar sind.“
Wer sind die Gewinner?
Dr. MacMillan ist schottischer Chemiker und Professor an der Princeton University, wo er von 2010 bis 2015 auch die Fakultät für Chemie leitete. in Anorganischer Chemie an der University of California, Irvine, bevor er 1996 ein Postdoktorandenstipendium an der Harvard University annahm. Seine Forschung konzentriert sich auf innovative Konzepte in der synthetischen organischen Chemie.
Dr. List ist ein deutscher Chemiker, geboren in Frankfurt, und Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr. Sein Forschungsteam, List Laboratory, konzentriert sich laut der Website des Instituts auf die „Erfindung neuer Strategien zur Entwicklung „perfekter chemischer Reaktionen“. Sein Team hat ein Video auf Twitter gepostet feiert seinen Nobelpreis nach der Ankündigung. Er erhielt seinen Ph.D. 1997 an der Goethe-Universität Frankfurt, bevor er als Assistant Professor an das Scripps Research Institute in Kalifornien berufen wurde. Außerdem ist er Honorarprofessor an der Universität zu Köln in Deutschland.