Katalysatoren säubern nicht nur Autoabgase – sie ermöglichen auch viele biochemische Reaktionen in Lebewesen. Die aus Millionen Jahren hervorgegangenen Enzyme sind Biokatalysatoren, die weitaus effizienter arbeiten als alle bisher vom Menschen erdachten synthetischen Katalysatoren. Dank moderner chemischer Methoden kann man die Funktionsweise der Enzyme inzwischen entschlüsseln. Chemikern ist es in einem weiteren Schritt sogar gelungen, wirksame Katalysatoren nach dem Vorbild der Natur zu synthetisieren.
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In der neuen Ausgabe von „Forschung Frankfurt“ berichten die Wissenschaftler um Professor Magnus Rueping, wie die robusten und gut zugänglichen Verbindungen die industrielle Synthese von Aminen vereinfachen. Dies sind wichtige Bausteine für Naturstoffe und Pharmazeutika.
Links- oder Rechtshändig?
Als Modell für die Wissenschaftler diente die Glutamat-Dehydrogenase (GDH), ein wichtiges Enzym im Stickstoffzyklus. Es katalysiert die Reaktion von Ammonium- alpha-Ketogluterat und NADH zur Aminosäure Glutamat und NAD+. Beide lagern sich nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an das aktive Zentrum des Katalysators an. Eine Besonderheit ist in diesem Fall, dass das Reaktionsprodukt auch noch eine bestimmte Händigkeit – Chiralität – besitzt.
Grundsätzlich ist eine links- und eine rechtshändige Variante des Moleküls möglich. Da beide Enantiomere aber unterschiedliche chemische Eigenschaften besitzen – was bei vielen Natur- und Wirkstoffen der Fall ist – ist es wichtig, dass nur eine Sorte Enantiomer entsteht. Die dazu notwendige asymmetrische Synthese im Labor nachzuahmen ist außerordentlich schwierig, aber von großer technischer Bedeutung.
Abgucken in der Natur
Inspiriert vom natürlichen Vorbild der Glutamat-Dehydrogenase (GDH) wählte Rueping beim Nachbau des Katalysators als Grundstruktur ein chirales Molekül – das BINOL-Phosphat – und versah es mit vier verschiedenen Seitenketten. An Stelle des in Lebewesen vorkommenden Protonenspenders NADH setzte er das im Labor gebräuchliche Hantzsch- Dihydropyridin ein. Auf diesem Weg entstanden Amine, die man bisher im Labor nur unter hohem Wasserstoffdruck und der Verwendung metallhaltiger Katalysatoren hatte synthetisieren können. Für die Wirkstoffsynthese, in der Amine eine wichtige Rolle spielen, war die Verwendung solcher Katalysatoren aufgrund ihrer toxischen Eigenschaften bedenklich erschienen.
Anders als sein biologisches Vorbild kann der synthetische Katalysator ein breiteres Reaktionsspektrum katalysieren und ist auch robuster – das heißt, er arbeitet nicht ausschließlich bei 37 Grad und in wässriger Umgebung. Ermutigt durch diese Erfolge hat der Frankfurter Degussa-Stiftungsprofessor das Prinzip der Säure-katalysierten Transferhydrierung, wie es nach dem Vorbild der GDH realisiert wurde, inzwischen auch auf die Synthese von Chinolin-Derivaten angewendet.
Viele Anwendungsmöglichkeiten
Diese Stoffklasse ist von großem Interesse für die Chemie, Pharmazie und die Materialwissenschaften. Bisher konnten solche Systeme nur durch lange Syntheserouten enantiomerenrein erhalten werden.
Die Ergebnisse sind nach Angaben der Chemiker außerordentlich vielversprechend: Bereits die geringe Menge von einem Katalysatormolekül auf 10.000 Substratmoleküle reicht aus, um eine enantiomerenselektive Reduktion zu katalysieren – das ist die bis heute niedrigste Katalysatormenge, die jemals für eine solche Reaktion eingesetzt wurde. Daraus lässt sich das große Potential der chiralen BINOL-Phosphate für industrielle Anwendungen erschließen.
(idw – Universität Frankfurt (Main), 14.05.2007 – DLO)
