Enantioselektive Katalyse

Die ,Chiralität` oder ,Händigkeit` (nach dem griechischen Wort ,cheir`, Hand) ist in vielen Bereichen der Chemie von zentraler Bedeutung. Ein Objekt (dies kann ein Molekül oder auch ein makroskopischer Gegenstand sein) wird als chiral bezeichnet, wenn es mit einem spiegelbildlich gebauten Objekt nicht zur Deckung gebracht werden kann. Die linke und die rechte Hand oder eine links- und eine rechtsdrehende Schraube sind typische Beispiele. Viele chemische Verbindungen sind chiral und können in zwei Formen auftreten, die als Enantiomere bezeichnet werden (nach dem griechischen Wort ,enantios`, entgegengesetzt). Die eine Form setzt sich aus lauter linkshändigen Molekülen zusammen, die andere, enantiomere Form aus den entsprechenden spiegelbildlich gebauten rechtshändigen Molekülen.

Die biologischen Eigenschaften von zwei enantiomeren Verbindungen unterscheiden sich oft sehr stark. So wird z.B. das eine Enantiomer von Penicillamin gegen Arthritis eingesetzt, das andere Enantiomer hingegen ist hochgiftig. Auch unsere Nase vermag zwischen zwei enantiomeren Verbindungen zu unterscheiden. So riecht das eine Enantiomer von Carvon nach Kümmel, das andere nach grüner Minze (Spearmint). Die Pharma- und Riechstoffindustrie, aber auch andere Industriezweige wie der Pflanzenschutz sind deshalb auf leistungsfähige Verfahren zur Herstellung enantiomerenreiner Substanzen angewiesen. Auch in der Grundlagenforschung, vor allem bei der Untersuchung biologischer Systeme, werden Synthesemethoden benötigt, die es erlauben, gezielt entweder das eine oder das andere Enantiomer einer Verbindung herzustellen.

Es gibt mehrere, grundsätzlich verschiedene Wege zu enantiomerenreinen Verbindungen. Besonders attraktiv sind katalytische Methoden, die es erlauben, mit geringen Mengen eines enantioselektiven Katalysators grosse Mengen eines chiralen Produkts in hoher Enantiomerenreinheit herzustellen. In den letzten Jahren wurden auf diesem Gebiet grosse Anstrengungen unternommen. Die enantioselektive Katalyse entwickelte sich dabei zu einem dynamischen, weltweit sehr intensiv bearbeiteten Forschungszweig. Trotz beachtlicher Fortschritte ist die Zahl der wirklich brauchbaren, allgemein einsetzbaren katalytischen Verfahren aber immer noch beschränkt. Während in der Industrie vor allem spezielle Katalysatoren für bestimmte Anwendungen entwickelt und optimiert werden, steht in der Grundlagenforschung an Hochschulen die Suche nach neuartigen Katalysatoren, die Entwicklung allgemeiner Prinzipien zur Katalysatorentwicklung, sowie die Aufklärung der Struktur und Wirkungsweise von Katalysatoren im Vordergrund.

Wie muss ein enantioselektiver Katalysator beschaffen sein? Wie in vielen Bereichen der Chemie dient uns auch hier die Natur als Vorbild. Die Enzyme (Eiweisse mit katalytischen Eigenschaften) sind Paradebeispiele für enantioselektive Hochleistungskatalysatoren; sie können eine chemische Reaktion nicht nur enorm beschleunigen, sondern auch so lenken, dass von zwei enantiomeren Produkten nur eines entsteht. Ihre Wirkungsweise kann man sich stark vereinfacht so vorstellen: das katalytisch aktive Zentrum liegt in einer chiralen Tasche. In diese chirale Tasche passt von zwei enantiomeren Molekülen eines besser hinein als das andere, ähnlich wie die linke Hand in den linken Handschuh passt, nicht aber die rechte. Auf diese Weise kann das Enzym zwei spiegelbildliche Reaktionswege diskriminieren, sodass eines von zwei enantiomeren Produkten bevorzugt entsteht. Nur ein chiraler Katalysator vermag zwischen zwei enantiomeren Molekülen zu unterscheiden, ein achiraler nicht (ein Strumpf, im Gegensatz zum Handschuh, ist achiral und passt deshalb genauso gut an den linken wie an den rechten Fuss). Die meisten der bisher entwickelten synthetischen enantioselektiven Katalysatoren sind chirale Metallkomplexe und beruhen auf einem einfachen Prinzip: ein katalytisch aktives Metallzentrum, das selbst achiral ist, wird mit einem chiralen Liganden komplexiert. Das Prinzip ist einfach, die Schwierigkeit besteht jedoch darin, einen geeigneten Liganden zu finden. Unsere Kenntnisse über die Wirkungsweise von Metallkata-lysatoren reichen nicht aus, um einen chiralen Liganden auf dem Reissbrett oder vielmehr am Computerbildschirm zu entwerfen, der dann im Laboratorium die gewünschte Wirkung zeigt. Die meisten Katalysatoren wurden bisher durch eine Kombination aus Glück, Intuition und systematischem Screening gefunden. Es ist deshalb ein wichtiges Ziel der laufenden Forschung, das Verständnis metallkatalysierter Prozesse zu verbessern und so eine Grundlage für ein rationaleres Katalysatordesign zu schaffen.

Abbildung 1:
Chirale Semicorrin-Liganden

Die Entwicklung neuer chiraler Liganden für die enantioselektive Katalyse ist ein Schwerpunkt der Forschungsgruppe von Prof. Andreas Pfaltz im Departement Chemie der Uni Basel. Mit den Semicorrinen (s. Abb. 1) wurde eine neue Klasse zweizähniger Stickstoffliganden gefunden, die in verschiedenen metallkatalysierten Prozessen erfolgreich eingesetzt werden konnten. Semicorrin-Cobaltkomplexe beispielsweise katalysieren die Reduktion von (C=C)-Doppelbindungen (s. Abb. 2). Der chirale Cobaltkatalysator lagert sich dabei bevorzugt an eine der beiden spiegelbildlichen Seiten der Doppelbindung an. Das eingekreiste H-Atom wird deshalb vom Katalysator selektiv entweder auf die obere Seite der (C=C)-Doppelbindung übertragen oder, wenn die enantiomere (spiegelbildliche) Form des Katalysators verwendet wird, auf die untere Seite. Das gewünschte chirale Produkt kann so in hoher Ausbeute und mit ausgezeichneter Enantioselektivität erhalten werden (Enantiomerenverhältnisse bis zu 99:1).

Abbildung 2:
Enantioselektive Reduktion einer (C=C)-Doppelbindung

In der Folge wurden in Basel, aber auch an vielen anderen Hochschulen, weitere ähnlich gebaute Liganden entwickelt, sodass heute ein breites Spektrum leistungsfähiger Liganden dieser Art für zahlreiche Anwendungen zur Verfügung steht. In den letzten Jahren wurde in der Forschungsgruppe von Prof. Pfaltz eine neue vielversprechende Klasse von Liganden untersucht, die ein Metall mit je einem Stickstoff- und einem Phosphoratom komplexieren können. Verschiedene Metallkomplexe dieser Liganden (z.B. Palladiumkomplexe oder der in der Abbildung 3 gezeigte Iridiumkomplex) erwiesen sich als hocheffiziente enantioselektive Katalysatoren für die Knüpfung von (C-C)-Bindungen, aber auch für die Reduktion von (C=C)- und (C=N)-Doppelbindungen.

Abbildung 3:
Iridiumkomplex
(das Titelbild zeigt beide Enantiomere)

Die Forschung in diesem Bereich verlangt von den Beteiligten vielseitige Fähigkeiten und Kenntnisse. Während für die Herstellung der Liganden praktische Erfahrung in der organischen Synthese wichtig ist, erfordert der Umgang mit Metallkomplexen Wissen und Know-How aus dem Bereich der anorganischen Chemie. Für die Untersuchung katalytischer Reaktionen und für die Bestimmung der Enantiomerenreinheit kommen moderne analytische Methoden, vor allem Gas- und Flüssigkeitschromatographie an chiralen Phasen und die NMR-Spektroskopie zum Einsatz. Auch computerunterstütztes Molecular Modeling ist ein nützliches Werkzeug, wenn man verstehen will, wie ein Katalysator ins Reaktionsgeschehen eingreift. Bei vielen Projekten spielt auch die Zusammenarbeit mit anderen spezialisierten Forschungsgruppen eine wichtige Rolle. Viele Strukturen von Metallkatalysatoren wurden im Laboratorium für Chemische Kristallographie des Departements Chemie unter der Leitung von Prof. Margareta Neuburger-Zehnder aufgeklärt. Diese Ergebnisse trugen entscheidend zum Verständnis der Wirkungsweise von chiralen Liganden und Metallkatalysatoren bei. Auch ein Erfahrungsaustausch mit industriellen Forschungsgruppen, für den Basel dank der hohen Konzentration an führenden Chemieunternehmen ein ideales Umfeld bietet, kann sich sehr fruchtbar auf die Forschung in diesem Bereich auswirken.


FOTO P. Eglin

Professor Pfaltz, geboren und aufgewachsen in Basel, studierte Chemie an der ETH-Zürich. Nach der Promotion 1978 verbrachte er 18 Monate als Postdoktorand an der Columbia University in New York. Anschliessend habilitierte er sich an der ETH Zürich und war dort von 1987-1990 als Privatdozent tätig. 1990 folgte er einem Ruf an die Universität Basel als Professor für Organische Chemie. Von 1995-1998 war er Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr, wo er die Abteilung für homogene Katalyse leitete. Ein grosszügiges Angebot der Uni Basel, das dank namhafter Unterstützung der Basler chemischen Industrie zu Stande kam, bewog ihn, nach Basel zurückzukehren, wo er seit Januar 1999 als Ordinarius für Organische Chemie tätig ist.




Chemikerinnen und Chemiker sind wieder gefragt!

Im ausgehenden Jahrzehnt ist die Arbeitslosigkeit zu einem beherrschenden Thema geworden. Junge Leute fragten sich zu recht, ob sie mit ihrem Traumberuf nach der Ausbildung auch eine Stelle, und damit ein Einkommen, finden. In der Chemie wurde das Bild weiter getrübt durch Umstrukturierungen in den grossen Basler Firmen. Dies führte manchmal zu vorübergehenden Einstellungsstopps, wenn auch kaum je offiziell und absolut. Es war selten so, dass jemand nach dem Studium für längere Zeit keine Stelle fand, aber wählerisch durfte man nicht sein. Erstaunlicherweise entdeckten erst in diesen Jahren viele andere Branchen die wertvollen, analytisch geschulten, Fähigkeiten der Chemikerinnen und Chemiker, allen voran die Informatik- und die Bankenbranche.

Seit kurzem ist wieder ein Silberstreifen am Horizont zu erkennen. Dies nicht einfach, weil die allgemeine Konjunktur optimistischer eingeschätzt wird. Eine Änderung der zukünftigen Stellensituation in der Chemie wird aus spezifischen Beobachtungen abgeleitet. So konnte man im Sommer 1997 lesen, dass der Verband der holländischen chemischen Industrie bereit war, Studierenden der Chemie bis zu 3000 Fr. pro Jahr zu zahlen, um damit einen Anreiz zu diesem Studium zu schaffen. Zu dieser Zeit gab es in Holland noch arbeitslose Chemikerinnen und Chemiker, aber die Überlegungen der Industrie liessen eine schnelle Änderung der Situation erwarten. Wie das?

In Deutschland fiel die Zahl der Neueintritte ins Chemiestudium in den Jahren von 1990 bis 94 auf etwa ein Drittel (ohne Einbezug der neuen Bundesländer). Deshalb beginnt jetzt die Zahl der Abgängerinnen und Abgänger mit Doktordiplom zu sinken und wird in den nächsten Jahren ebenfalls auf das erwähnte Drittel fallen. Damit dürfte aber die Nachfrage in Deutschland nicht mehr gedeckt werden können. Da die Grenzen nach Holland völlig durchlässig sind, ist der Mangel programmiert. Auch der Schweizer Stellenmarkt ist in diesem Bereich eng an Deutschland gekoppelt. Kommt hinzu, dass in der Schweiz ebenfalls ein Rückgang der Studierenden feststellbar war, so diplomierten 1990 an der ETH Zürich 62 Studierende in Chemie, während es 1997 nur noch 30 waren!

In letzter Zeit melden sich vermehrt "Rufer in der Wüste", die auf diese Sachlage aufmerksam machen. Die Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus der Basler Zeitung vom 24.6.99. Im Text wird erwähnt, dass Chemiker von den Naturwissenschaftern am meisten gefragt sind. In derselben Zeitung war am 26.11.98 ein Artikel mit dem Titel "Gute Perspektiven für die Chemiker" zu lesen. In den Nachrichten aus Chemie, Technik und Laboratorium (Nr.1, 1999) bemerkt ein Vorstandsmitglied einer grossen deutschen Chemiefirma: "früher nahmen 100 % der Bewerber, die wir gerne als Mitarbeiter haben wollten, dieses Angebot an. Heute liegt diese Zahl bei 85 %." Die Liste könnte fortgesetzt werden und belegt, dass sich die Situation bereits zugunsten der Studierenden geändert hat und sich mittelfristig noch drastischer ändern dürfte. Auch die Firmen- und damit die Arbeitsplatzvielfalt hat in Basel trotz Fusionen zugenommen, weil Grossfirmen Teile ausgegliedert haben und Jungfirmen, wie sie in letzter Zeit wiederholt von ehemaligen Doktorierenden unseres Departements gegründet wurden, durch Aufträge unterstützen. Worauf warten Sie noch?



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