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11.10.2021 | Funktionswerkstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Nobelpreis wirft Schlaglicht auf neuere Erfolge in der Katalyse

Autor:
Dieter Beste
3:30 Min. Lesedauer

Moleküle mit Hilfe von Katalysatoren zu bauen ist eine Kunst, die fast an Magie grenzt. Benjamin List und David MacMillan erhalten den Nobelpreis für Chemie 2021 für ihre Entwicklung eines präzisen neuen Werkzeugs: die Organokatalyse. 

Nicht nur die pharmazeutische und chemische Industrie sind von der Kunst der Chemiker abhängig, Moleküle zu konstruieren, die elastische und dauerhafte Materialien bilden, Energie in Batterien speichern oder Krankheiten hemmen können. Dafür werden Katalysatoren benötigt – Stoffe, die chemische Reaktionen steuern und beschleunigen, ohne Teil des Endprodukts zu werden. So verwandeln Katalysatoren in Autos schädliche Abgasstoffe in harmlose Moleküle. Auch unser Körper enthält Tausende von Katalysatoren in Form von Enzymen.

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Green Organocatalysis

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Katalysatoren sind ein zentrales Werkzeug in der Chemie, um die Gleichgewichtseinstellung einer Reaktion bei einer bestimmten Temperatur zu beschleunigen. "Jemand, der dies versucht, betreibt Katalyse – vom griechischen κατάλυσις, katalysis, Auflösung", definiert Werner Stadlmayr im Buchkapitel "Kinetik & Katalyse – Über die Thermodynamik hinaus" und hebt hervor, dass ein Katalysator

  • das Reaktionsgleichgewicht nicht verschiebt
  • selbst bei der Reaktion nicht verbraucht wird
  • einen kinetischen, aber keinen thermodynamischen Effekt hat.

Die wirtschaftliche Bedeutung der Katalyse könne gar nicht hoch genug geschätzt werden, so der Springer-Autor. 80 Prozent aller chemischen Produkte werden mithilfe katalytischer Prozesse gefertigt, schätzt Stadlmayr; die durch Katalyse erzielte Wertschöpfung sei gigantisch. Man unterscheidet homogene, heterogene und Biokatalyse: "In der homogenen Katalyse befinden sich die Reaktanden und der Katalysator beide in derselben Phase – sie liegen also entweder als Gas oder als Flüssigkeit vor. In der heterogenen Katalyse sind die Aggregatszustände von Reaktand und Katalysator unterschiedlich – oft ist der Katalysator ein Feststoff und wird von einem Fluid umströmt, welches aus den Reaktanden besteht oder sie enthält. Biokatalyse schließlich geschieht mithilfe von Enzymen" (Seite 253).  

Bis vor zwei Jahrzehnten glaubte man, dass es im Prinzip nur zwei Arten von Katalysatoren gibt: Metalle und Enzyme. Benjamin List vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr und David MacMillan von der Princeton University werden in diesem Jahr mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet, weil sie im Jahr 2000 unabhängig voneinander eine dritte Art der Katalyse entwickelten: die asymmetrische Organokatalyse, die auf kleine organische Moleküle aufbaut. "Dieses Konzept für die Katalyse ist so einfach wie genial, und viele Leute haben sich gefragt, warum wir nicht schon früher darauf gekommen sind", kommentierte Johan Åqvist, Vorsitzender des Nobelkomitees für Chemie, die Preisvergabe. 

List war überrascht, als es funktionierte

Enzyme bestehen zumeist aus Hunderten von Aminosäuren, aber häufig sind nur einige wenige davon an der chemischen Reaktion beteiligt. Benjamin List fragte sich, ob wirklich ein ganzes Enzym benötigt wird, um einen Katalysator zu erhalten und testete, ob die einfache Aminosäure Prolin eine chemische Reaktion katalysieren kann. Zu seiner eigenen Überraschung funktionierte es. Prolin hat ein Stickstoffatom, das bei chemischen Reaktionen Elektronen abgeben und aufnehmen kann.

Die Organokatalyse hat sich seit dem Jahr 2000 mit erstaunlicher Geschwindigkeit entwickelt und ist inzwischen ein Eckpfeiler der grünen Chemie. Benjamin List und David MacMillan sind nach wie vor führend auf diesem Gebiet und haben gezeigt, dass organische Katalysatoren für eine Vielzahl chemischer Reaktionen verwendet werden können. Organische Katalysatoren haben ein stabiles Gerüst aus Kohlenstoffatomen, an das sich weitere aktive chemische Gruppen anlagern können. Diese enthalten oft gewöhnliche Elemente wie Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel oder Phosphor – was bedeutet, dass diese Katalysatoren sowohl umweltfreundlich als auch billig in der Herstellung sind.

Asymmetrische Organokatalyse

Die rasche Zunahme der Verwendung organischer Katalysatoren ist in erster Linie auf ihre Fähigkeit zurückzuführen, asymmetrische Katalysen durchzuführen, heißt es in einer Information der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften, die jährlich die Nobelpreise in Physik und Chemie vergibt. Beim Aufbau von Molekülen kommt es häufig zu Situationen, in denen zwei verschiedene Moleküle entstehen können, die – genau wie unsere Hände – das Spiegelbild des jeweils anderen sind. Chemiker wollen oft nur eines davon. Das kann etwa bei der Herstellung von Arzneimitteln über Erfolg oder Misserfolg entscheiden.

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