News: Wählerische Helfer
Katalysatoren sind die Heinzelmännchen bei chemischen Reaktionen, indem sie den Ablauf beschleunigen. Immer ausgetüftelter werden diese Hilfsstoffe, denn sie sollen zudem bei ihrer Arbeit auch noch wählerisch sein.
Rechter und linker Fuß – gleich und doch nicht gleich. Denn die beiden verhalten sich – ebenso wie Hände, Ohren und Augen – wie Bild und Spiegelbild. In der Wissenschaft bezeichnet man dieses Phänomen als Chiralität (aus dem Griechischen: cheir = Hand).
Auch im Kleinen, auf molekularer Ebene, trifft man häufig auf diese "Händigkeit": Rund ein Drittel aller medizinischen Wirkstoffe sind chiral. Meistens ist nur entweder der rechte oder der linke "Fuß" der wirksame Bestandteil, und sein Spiegelbild im besten Fall einfach nur unwirksam, schlimmstenfalls aber sogar gesundheitsgefährdend. Ein tragisches Beispiel dafür war die Contergan-Katastrophe. Dieses Medikament wurde in den fünfziger Jahren schwangeren Frauen gegen Morgenübelkeit verschrieben. Was man nicht wusste: Während die eine Form erfolgreich den Brechreiz bekämpfte, führte ihr Spiegelbild zu schweren Missbildungen bei den Kindern.
Dieses Beispiel erklärt das große Interesse der Pharmaindustrie an Verfahren, die spezifisch nur eine Form des jeweiligen Stoffes produzieren können. Vielfach werden bei diesen so genannten enantioselektiven Synthesemethoden Enzyme oder lösliche chirale Katalysatoren verwendet. Problematisch ist hierbei, dass diese Hilfsstoffe oft schwer hinterher wieder zu entfernen sind.
Eine Lösung dieses Problems bietet die heterogene Katalyse. Der Katalysator ist dabei ein Festkörper, an dessen chiraler Oberfläche die chemische Reaktion abläuft und der sich nach Beendigung der Reaktion wieder leicht abtrennen lässt. Theoretisch gut, aber in der Praxis auch wieder problematisch: Denn solche potentiellen Feststoffkatalysatoren wurden zwar schon hergestellt, indem chirale Moleküle an einer Oberfläche befestigt wurden, aber die auf diese Weise modifizierten Oberflächen sind häufig sehr empfindlich und werden leicht wieder zerstört; und damit sind sie für industrielle Zwecke nicht geeignet.
Deshalb suchten Jay Switzer und seine Mitarbeiter von der University of Missouri-Rolla nach Alternativen – und waren dabei erfolgreich. "Wir haben ein Material hergestellt, das durch und durch chiral ist, und nicht nur die Oberfläche" erläutert Switzer.
Die Forscher tauchten eine Goldoberfläche in eine kupferhaltige Lösung, die außerdem Tartrat enthielt, eine chirale Verbindung, die besser bekannt ist unter dem Namen Weinstein. Dann legten sie einen elektrischen Strom an, durch den sich Kupferoxid an der Goldoberfläche abschied, ähnlich der Galvanisierung, mit der Autoteile verchromt werden. Das chirale Tartrat sorgte in dem Prozess dafür, dass der entstehende Kupferoxidfilm ebenfalls chiral war.
Seine Feuerprobe hat das neue Material schon bestanden: Das Team ließ Tartrat an der chiralen Obefläche oxidieren und stellte dabei fest, dass diejenige Katalysatoroberfläche, die in Gegenwart des "rechtshändigen" Tartrat entstanden war, auch das "rechtshändige" Tartrat bevorzugt oxidierte. Mit dem "linkshändigen" Tartrat verhielt es sich entsprechend.
Und wie steht es um weitere Anwendungsmöglichkeiten? "Wir denken über einen implantierbaren chemischen Sensor nach. Viele Wirkstoffe, so auch Contergan, wechseln ihre Händigkeit im Körper. Ein implantierter Sensor könnte die Mengen der chiralen Wirkstoffe überwachen", erläutert Switzer seine Visionen. Zunächst stehen aber noch Versuche aus, die herausfinden sollen, ob sich die Methode auch auf andere Stoffe, wie etwa Aminosäuren und Zucker, übertragen lässt.
Auch im Kleinen, auf molekularer Ebene, trifft man häufig auf diese "Händigkeit": Rund ein Drittel aller medizinischen Wirkstoffe sind chiral. Meistens ist nur entweder der rechte oder der linke "Fuß" der wirksame Bestandteil, und sein Spiegelbild im besten Fall einfach nur unwirksam, schlimmstenfalls aber sogar gesundheitsgefährdend. Ein tragisches Beispiel dafür war die Contergan-Katastrophe. Dieses Medikament wurde in den fünfziger Jahren schwangeren Frauen gegen Morgenübelkeit verschrieben. Was man nicht wusste: Während die eine Form erfolgreich den Brechreiz bekämpfte, führte ihr Spiegelbild zu schweren Missbildungen bei den Kindern.
Dieses Beispiel erklärt das große Interesse der Pharmaindustrie an Verfahren, die spezifisch nur eine Form des jeweiligen Stoffes produzieren können. Vielfach werden bei diesen so genannten enantioselektiven Synthesemethoden Enzyme oder lösliche chirale Katalysatoren verwendet. Problematisch ist hierbei, dass diese Hilfsstoffe oft schwer hinterher wieder zu entfernen sind.
Eine Lösung dieses Problems bietet die heterogene Katalyse. Der Katalysator ist dabei ein Festkörper, an dessen chiraler Oberfläche die chemische Reaktion abläuft und der sich nach Beendigung der Reaktion wieder leicht abtrennen lässt. Theoretisch gut, aber in der Praxis auch wieder problematisch: Denn solche potentiellen Feststoffkatalysatoren wurden zwar schon hergestellt, indem chirale Moleküle an einer Oberfläche befestigt wurden, aber die auf diese Weise modifizierten Oberflächen sind häufig sehr empfindlich und werden leicht wieder zerstört; und damit sind sie für industrielle Zwecke nicht geeignet.
Deshalb suchten Jay Switzer und seine Mitarbeiter von der University of Missouri-Rolla nach Alternativen – und waren dabei erfolgreich. "Wir haben ein Material hergestellt, das durch und durch chiral ist, und nicht nur die Oberfläche" erläutert Switzer.
Die Forscher tauchten eine Goldoberfläche in eine kupferhaltige Lösung, die außerdem Tartrat enthielt, eine chirale Verbindung, die besser bekannt ist unter dem Namen Weinstein. Dann legten sie einen elektrischen Strom an, durch den sich Kupferoxid an der Goldoberfläche abschied, ähnlich der Galvanisierung, mit der Autoteile verchromt werden. Das chirale Tartrat sorgte in dem Prozess dafür, dass der entstehende Kupferoxidfilm ebenfalls chiral war.
Seine Feuerprobe hat das neue Material schon bestanden: Das Team ließ Tartrat an der chiralen Obefläche oxidieren und stellte dabei fest, dass diejenige Katalysatoroberfläche, die in Gegenwart des "rechtshändigen" Tartrat entstanden war, auch das "rechtshändige" Tartrat bevorzugt oxidierte. Mit dem "linkshändigen" Tartrat verhielt es sich entsprechend.
Und wie steht es um weitere Anwendungsmöglichkeiten? "Wir denken über einen implantierbaren chemischen Sensor nach. Viele Wirkstoffe, so auch Contergan, wechseln ihre Händigkeit im Körper. Ein implantierter Sensor könnte die Mengen der chiralen Wirkstoffe überwachen", erläutert Switzer seine Visionen. Zunächst stehen aber noch Versuche aus, die herausfinden sollen, ob sich die Methode auch auf andere Stoffe, wie etwa Aminosäuren und Zucker, übertragen lässt.
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