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Chemie-Nobelpreis für die „Click-Chemie“

Modulare Methode ermöglicht schnelle und einfache Produktion komplexer Moleküle

Chemie-Nobelpreisträger
Zwei Chemiker und eine Chemikerin haben die modulare Synthese organischer Moleküle mithilfe der "Click-Chemie" ermöglicht. © nobelprize.org

Den Nobelpreis für Chemie 2022 erhalten drei Forschende, die die sogenannte „Click-Chemie“ erdacht und vorangebracht haben – eine modulare Synthese, bei der standardisierte Reaktionen aus einfachen Ausgangsstoffen fast jedes organische Molekül erzeugen können. Der US-Chemiker Barry Sharpless stellte die Click-Chemie als erster vor, der dänische Chemiker Morten Meldal entwickelte eine der Kernreaktionen dafür und die US-Chemikerin Carolyn Bertozzi entwickelte die Methoden für den Einsatz in lebenden Zellen weiter.

Die chemischen Elemente im Periodensystem können durch Reaktionen und chemische Bindungen zu unterschiedlichsten Molekülen zusammengefügt werden. Gerade für komplexe Moleküle und Wirkstoffe erfordert die chemische Synthese allerdings oft zahlreiche, nacheinander zu absolvierende Reaktionsschritte, die noch dazu unter jeweils bestimmten Bedingungen ablaufen müssen. Das machte die Herstellung vieler Substanzen lange Zeit extrem aufwendig und ineffizient.

Den Nobelpreis für Chemie 2022 erhalten drei organische Chemiker, die entscheidende Beiträge zu einer Vereinfachung der chemischen Synthese geleistet haben.

Click-Reaktion
In der „Klick-Reaktion“ reagieren die funktionellen Azin- und Alkin-Gruppen miteinander und verbinden so die Ausgangsmoleküle miteinander. © nobelprize.org

Barry Sharpless: Moleküle bauen nach dem Ikea-Prinzip

Den Anfang machte der schon 2001 mit einem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnete US-Chemiker Barry Sharpless, der damals nach einer Möglichkeit suchte, die oft komplizierten Synthesen zu vereinfachen. Seine Idee: Wenn man einen Satz einfacher, breit einsetzbarer Reaktionen als Werkzeuge nutzt, dann könnte man mit ihnen durch modulare Synthesen aus einfachen Ausgangssubstanzen verschiedenste Produkte erstellen.

Vergleichen lässt sich diese Herangehensweise mit dem Prinzip des Möbelherstellers Ikea: Eine Reihe standardisierter, noch nicht montierter Bauteile wird mitsamt einfachen Werkzeugen ausgeliefert und kann dann zu unterschiedlichen Regalen oder Schränken zusammengebaut werden. In ihrem 2001 veröffentlichen Fachartikel beschreiben Sharpless und seine Kollegen das Prinzip auch als Module, die einfach „zusammengeklickt“ werden. Damit legte Sharpless den Grundstein zur „Click-Chemie“.

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Sharpless und sein Team stellten auch die Kriterien auf, die die Reaktionen und Ausgangsstoffe ihrer modularen Synthesemethode erfüllen müssten: Die chemischen Reaktionen müssen effizient sein und auch in Anwesenheit von Sauerstoff und Wasser sowie ohne spezielle Lösungsmittel ablaufen, um sie möglichst universell anwendbar zu machen. Außerdem sollten die Ausgangsstoffe leicht verfügbar und die Nebenprodukte gut abtrennbar sein. Die Chemiker schlugen bereits erste Reaktionen vor, die als Werkzeuge für die Click.-Chemie in Frage kämen.

Morten Meldal: Das wichtigste Reaktions-Werkzeug für das „Klicken“

Unter den von Sharpless und seinen Kollegen vorgeschlagenen Reaktionen war auch eine, die im gleichen Jahr von dem dänischen Chemiker Morten Meldal auf einem Symposium vorgestellt worden war – dem zweiten Preisträger. Er hatte herausgefunden, dass sich eine bestimmte Synthesereaktion in der organischen Chemie, die sogenannte Azid-Alkin-Cycloaddition, durch Zugabe eines Kupferkatalysators deutlich effizienter machen lässt: Man benötigt nun keine hohen Temperaturen mehr und die Reaktion läuft quasi von allein und mit hoher Ausbeute ab.

Bei dieser kupferkatalysierten Azid-Alkin-Cycloaddition arbeiten die Azin- und Alkingruppe wie die beiden Gegenstücke in einem Klickverschluss und verbinden sich miteinander. Indem man sie an beliebige organische Moleküle anhängt, kann man so immer komplexere Konstrukte „zusammenklicken“. Heute bildet diese Reaktion die Basis für chemische Synthesen, die unter anderem bei der Herstellung von Arzneimitteln, bei Kunststoffen und unzähligen weiteren Materialien in Technik, Medizin und Chemie eingesetzt werden.

Zellen
Mithilfe der modifizierten Azid-Alkin-Reaktion wurden die auf der Zelloberfläche dieser Zellen sitzenden Glykanzucker mit einem grün Fluorenzmarker verknüpft. © Bertozzi et al. / PNAS 2007

Carolyn Bertozzi: Click-Chemie für lebende Zellen

Die dritte Preisträgerin, die US-Chemikerin Carolyn Bertozzi, hat diese Basisreaktion der Click-Chemie so erweitert, dass sie auch in lebenden Zellen eingesetzt werden kann – beispielsweise um fluoreszierende Markerproteine an zelleigene Substanzen anzuhängen. Weil Kupfer jedoch für Zellen giftig ist, musste sie dafür eine Version der Azid-Alkin-Cycloaddition entwickeln, die ohne diesen Katalysator abläuft, aber trotzdem keine Energiezugabe braucht und effizient abläuft. Dies gelang der Chemikerin durch Nutzung einer ringförmigen Variante des Alkins.

Zusätzlich entwickelte Bertozzi eine zuvor schon bekannte Synthesereaktion, die Staudinger-Reaktion, so weiter, dass auch sie für das „Zusammenklicken“ von Molekülen in der Zellumgebung einsetzbar wurde. Die Chemikerin prägte für diese in Zellen anwendbare Click-Chemie den Begriff bioorthogonale Reaktionen. Ihrer Definition zufolge handelt es sich dabei um die Reaktionen funktioneller Gruppen, die füreinander so selektiv sind, dass sie Moleküle selbst in einem hochgradig dynamischen und komplexen biologischen Milieu miteinander verbinden können.

„Zusammen haben die Errungenschaften und Entdeckungen von Carolyn Bertozzi, Morten Meldal und K. Barry Sharpless einen enormen Einfluss auf unsere Gesellschaft“, so die Nobelpreis-Stiftung. „Durch ihre neuen Konzepte und hocheffizienten Methoden haben die Preisträger unsere Möglichkeiten erweitert, unsere Welt und unsere Leben zu verbessern – zum Wohle der Menschheit.“

Quelle: Nobelpreis-Stiftung

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