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StartseiteForschung aktuellBenjamin List und David MacMillan für Organokatalyse ausgezeichnet06.10.2021

Chemie-Nobelpreis 2021Benjamin List und David MacMillan für Organokatalyse ausgezeichnet

Benjamin List und David MacMillan erhalten den Chemie-Nobelpreis für die Entwicklung eines Werkzeugs für den Aufbau von Molekülen mit spezifischer Händigkeit: asymmetrische Organokatalyse. Das Verfahren findet Anwendung in der Herstellung zahlreicher Medikamente und anderer chemischer Substanzen.

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Der Bildschirm mit den Bildern der Chemie-Nobelpreisträger Benjamin List und David Macmillan. (AFP/Jonathan NACKSTRAND / AFP)
Der Chemie-Nobelpreis für Benjamin List und David MacMillan. (AFP/Jonathan NACKSTRAND / AFP)

Mit der asymmetrischen Organokatalyse hätten die beiden Chemiker ein geniales Werkzeug für die Synthese, den Aufbau von Molekülen entwickelt, begründete das Komitee seine Entscheidung. Organokatalyse wird zur Erforschung von Arzneimitteln verwendet und hat dazu beigetragen, Chemie umweltfreundlicher zu machen.

Was wurde erforscht?

Durch das Verbinden molekularer Bausteine können Chemiker neue Stoffe herstellen. Das Zusammensetzen der unsichtbaren Bausteine zu kontrollieren, ist allerdings alles andere als einfach und dauert lange. Schneller geht es mit Katalysatoren. Das sind Stoffe, die chemische Reaktionen beschleunigen oder in eine bestimmte Richtung laufen lassen.

Klassischerweise sind Katalysatoren Enzyme oder Metalle. Metalle werden zum Beispiel zur Aufbereitung der Abgase im Auto verwendet. Enzyme kommen in jedem Lebewesen vor. Sie spalten beispielsweise in unserem Verdauungstrakt Nahrung in kleinste Komponenten auf. Benjamin List und David MacMillan entwickelten unabhängig voneinander eine weitere Art von Katalysation, die auf kleinen organischen Molekülen, Aminosäuren, beruht. Diese "asymmetrische Organokatalyse" sei "eine Jahrhundertentdeckung", kommentiert Ferdi Schüth, Direktor am MPI für Kohlenforschung und Institutskollege des Nobelpreisträgers List im Dlf.

Benjamin List kam auf die Idee durch seine Arbeit mit Enzymen. Enzyme sind große, komplexe Eiweiße. Für das Herstellen von Molekülen sind aber nur einige wenige Bausteine des Proteins verantwortlich. Benjamin List wollte wissen, ob die reaktiven Bausteine auch ohne das große Enzym um sie herum funktionieren würden. "Also ganz ehrlich: Als ich das erste Experiment gemacht habe und gesehen habe: das funktioniert – da habe ich gedacht: Wow, das könnte was werden", erinnert sich der Chemiker im Deutschlandfunk.

"Ich war Anfang 30 und ich hatte einfach Lust auf was Verrücktes"
Chemie-Nobelpreisträger Professor Benjamin List im Interview mit dem Deutschlandfunk

David MacMillan hatte mit Metall-Katalysatoren gearbeitet, die identische Kopien von Molekülen herstellen konnten. Moleküle können in zwei Formen vorkommen, die zwar baugleich sind, aber spiegelverkehrt zueinander, so wie die rechte und die linke Hand. Weil diese Spiegelmoleküle oft unterschiedliche Eigenschaften haben, ist es für industrielle Zwecke wichtig, nur eine der beiden Formen zu erhalten.

Die Metall-Katalysatoren, mit denen MacMillan arbeitet, waren für industrielle Zwecke aber zu teuer. Auf der Suche nach einer günstigeren Alternative kam er auf die Idee, kleine organische Moleküle zu testen und entwickelte so unabhängig von Benjamin List die gleiche Methode.

(©Johan Jarnestad, Agnes Moe/The Royal Swedish Academy of Sciences)Eine simple Aminosäure kann als Katalysator wirken (©Johan Jarnestad, Agnes Moe/The Royal Swedish Academy of Sciences)

Welche Bedeutung haben die Forschungsergebnisse?

Die Art der Reaktionsbeschleunigung, die von List und MacMillan entwickelt wurde, benutzt kleine organische Moleküle, Aminosäuren. Sie sind viel einfacher zu handhaben als Enzyme, aber weniger giftig und billiger als Metalle. Das Verfahren trug dazu bei, die Chemie umweltfreundlicher zu machen. Die organischen Mini-Katalysatoren sind vergleichsweise billig, in der Regel unbedenklich für Mensch und Natur und lassen sich gut recyceln.

Die zeitgleiche Entdeckung in zwei Laboren hat das Feld sehr beflügelt. Durch das zeitweilige Kopf-an-Kopf-Rennen zwischen List und MacMillan entwickelte sich die Organokatalyse mit erstaunlicher Geschwindigkeit weiter. Mithilfe dieser Reaktionen können Forscher nun vieles effizienter herstellen, von neuen Arzneimitteln bis hin zu Molekülen, die Licht in Solarzellen einfangen können. In der Industrie kommen die kleinen Katalysatoren erst langsam an. Das hat vor allem praktische Gründe: Neue Werkzeuge bringen neue Verfahren mit sich und die Umstellung braucht ihre Zeit.

Symboldarstellung der Aminosäure Prolin (Johan Jarnestad, Agnes Moe / The Royal Swedish Academy of Sciences) (Johan Jarnestad, Agnes Moe / The Royal Swedish Academy of Sciences)Billig, flott und sauber
Kleine Aminosäuren statt große Metall-Katalysatoren, dieser Ansatz brachte David MacMillan den Chemie-Nobelpreis 2021. Die Grundidee seiner Arbeit erklärte er schon 2005 im Deutschlandfunk, lange bevor der Preis in Sicht war.

Über die Preisträger

Eigentlich wollte David MacMillan im schottischen Glasgow Physik studieren. "Aber im Physik-Auditorium war es furchtbar kalt", erzählte der frisch mit dem Nobelpreis gekürte Wissenschaftler in einem Interview. "Im Chemie-Auditorium war es viel wärmer, also habe ich mein Studienfach gewechselt. Das klingt jetzt trivial, ich mochte das Fach natürlich auch."

Für seine Promotion ging der 1968 im schottischen Bellshill geborene Forscher an die University of California in Irvine, dann an die US-Ostküste zur Harvard-Universität und als Professor anschließend wieder für ein paar Jahre ins sonnige Kalifornien. Seit 2006 arbeitet er an der Princeton-Universität.

Der gebürtige Frankfurter Benjamin List ist Direktor des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr. Er war der Zeremonie in Stockholm per Telefon zugeschaltet, nachdem ihn der Anruf im Familienurlaub in Amsterdam überrascht hatte.

Normalerweise scherze seine Frau beim Frühstück immer, er sollte am Nobelpreis-Tag sein Telefon nicht zu weit weg legen. "Dieses Mal hat sie den Witz nicht gemacht und dann zeigte das Display einen Anruf aus Schweden", erzählte er lachend.

Bekanntgabe des Chemie-Nobelpreises 2021

Im letzten Jahr ging der Chemie-Nobelpreis an Emmanuelle Charpentier und Jennifer Doudna. Sie erhielten den Preis für ihre Entwicklung der Gen-Schere CRISPR/Cas9. Die Methode war seit Jahren als starker Anwärter auf den berühmten Preis gehandelt worden. Vor den beiden Biochemikerinnen war der Chemie-Nobelpreis nur fünf Mal an eine Frau vergeben worden.  

In einer Hand liegt eine goldene Nobelpreis-Medaille. (picture alliance / dpa  / Karl Schöndorfer / picturedesk.com) (picture alliance / dpa / Karl Schöndorfer / picturedesk.com)Nobelpreisvergabe - Männliche Machtstrukturen bremsen Frauen aus
Nobelpreise in der Naturwissenschaft gehen traditionell hauptsächlich an Männer – obwohl nicht weniger Frauen diese Fächer studieren. Studien legen nahe, dass Fehleinschätzungen der Leistungen von Frauen und mangelnde Aufstiegschancen dafür verantwortlich sind.

Die Nobel-Woche im Überblick

Der Nobelpreis gilt international als eine der wichtigsten wissenschaftlichen Auszeichnungen. Zum Auftakt der Nobel-Woche wurden am Montag die Preisträger in der Kategorie Medizin/Physiologie bekannt gegeben. Die Auszeichnung teilen sich in diesem Jahr David Julius und Ardem Patapoutian für die Erforschung von Sinnesrezeptoren. Der Nobelpreis für Physik, dessen Gewinner am Dienstag bekannt gegeben wurden, geht in diesem Jahr zur Hälfte an die Pioniere der Klimaforschung Klaus Hasselmann und Syukuro Manabe sowie an den Italiener Giorgio Parisi für seine Arbeit zum Verständnis komplexer Systeme. Am Donnerstag wird der Nobelpreis für Literatur vergeben. Am Freitag folgt der Friedensnobelpreis und am Montag die Auszeichnung für Wirtschaftswissenschaften.

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