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Fotochemie: Licht bringt Reaktionen auf den rechten Weg

Nicht nur die Art und Zahl der Atome macht's - auch ihre genaue räumliche Anordnung ist wichtig, damit Moleküle sich reibungslos in die Biochemie der Zelle einreihen können. Die Pharmaindustrie unternimmt darum große Anstrengungen, ihre Wirkstoffe in der richtigen Form zu synthetisieren. Ein wenig Licht und ein paar Katalysatoren könnten dabei nützlich sein.
Bis drei geht alles gut. Solange ein Kohlenstoff-Atom nur drei oder weniger unterschiedliche Bindungspartner hat, lassen sich mit ein paar Drehungen und Wendungen alle räumlichen Variationen problemlos ineinander überführen. Schwierig wird es erst mit der vierten Gruppe. Da mag das Molekül so viel rotieren, wie es möchte – ab nun gibt es zwei Anordnungen, die sich zwar ähneln wie die linke Hand der rechten, aber ebenso nicht miteinander zur Deckung gebracht werden können. Das Phänomen bezeichnen Wissenschaftler als Händigkeit oder Chiralität und die beiden spiegelbildlichen Formen als Enantiomere.

In der Zelle sind chirale Verbindungen ein alter Hut. Vom Zucker bis zur Zellulose, von der Aminosäure bis zum Protein und von der RNA bis zur DNA kommen unzählige Biomoleküle in lebenden Organismen nur oder vorwiegend in einer der beiden Spiegelvarianten vor. Die jeweiligen Enzyme sorgen dafür, dass stets ein passendes Enantiomer eingebaut wird. Im Reagenzglas verhält sich die Natur dagegen unparteiisch. Rühren Chemiker ein Reaktionsgemisch an, erhalten sie für gewöhnlich eine bunte Mischung aus Molekülen aller Händigkeiten. Für die meisten Anwendungen ist dies nicht weiter störend. Bei Medikamenten kann es jedoch richtig gefährlich werden, wenn das falsche Enantiomer in den Körper gelangt. Bekanntestes Beispiel dürfte Contergan sein, bei dem die verkehrte Chiralität des Wirkstoffs die Embryonalentwicklung empfindlich durcheinander gebracht hat.

Für pharmazeutische Produkte gilt es also, ein Augenmerk auf die genaue Version der Substanzen zu haben. Ideal wäre natürlich, gleich bei der Synthese nur das gewünschte Enantiomer herzustellen. Diesem Ziel ist die Forschung nun einen großen Schritt näher gekommen. Die Chemiker Andreas Bauer, Felix Westkämper und Thorsten Bach von der Technischen Universität München sowie Stefan Grimme von der Universität Münster haben vorhandene Ansätze zu einer neuen Methode der lichtinduzierten Katalyse kombiniert und in einem Modellversuch erfolgreich die Produktion einer räumlichen Variante bevorzugt.

Das Grundprinzip ist dabei, den Ausgangsstoff so in eine Schablone zu zwängen, dass er praktisch nur zu dem gewünschten Enantiomer reagieren kann. In dem Experiment der deutschen Chemiker war diese Schablone zugleich der Katalysator, der die Reaktion ins Rollen brachte – aber nur, wenn er dafür ein Quäntchen Lichtenergie absorbiert hatte.

In Einzelschritten betrachtet, bindet das Substrat zunächst über zwei Wasserstoffbrücken an den Katalysator. Dabei wird noch nicht zwischen den Enantiomeren unterschieden. Das geschieht erst, wenn ultraviolettes Licht eine lichtempfindliche Gruppe des Katalysators aktiviert hat, die sich daraufhin ein Elektron vom Substrat schnappt. Wenig später wandert auch ein Proton hinüber. Das Substratmolekül knickt nun so ein, dass bei seinem internen Ringschluss nur eine einzige räumliche Variante möglich ist. Anschließend erhält es sein Elektron und Proton zurück und verlässt als eindeutiges Enantiomer den Katalysator.

Noch läuft der Prozess nicht so rein ab, wie die Beschreibung es vermuten lässt. Immerhin siebzig Prozent der gewünschten Chiralität erreichen die Forscher bereits – ein Resultat, das im oberen Bereich der bislang getesteten Syntheseverfahren liegt. Um sich in der Produktionslinie aufwändige Trennungsschritte zu sparen, muss der Ablauf aber effektiver gestaltet werden. Das setzt jedoch voraus, die Mechanismen zu kennen, nach denen das Drittel der störenden Moleküle entstanden ist. Und auch die exakten Abläufe während der fotochemischen Reaktion sind noch zu klären.

Es gibt eben auch nach einem viel versprechenden Start eine Menge zu ergründen und zu verbessern, bevor eine Methode ausgereift ist. Denn gerade in der medizinischen Praxis lehrt die Erfahrung, dass die Natur mitunter äußerst wählerisch dabei ist, welche Moleküle sie anstandslos akzeptiert.

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