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Gezielte Umwandlung

Photochemischer Katalysator macht unerwünschte Spiegel-Moleküle nutzbar

| Redakteur: Alexander Stark

Die Erstautoren Alena Hölzl-Hobmeier und Andreas Bauer sowie Prof. Thorsten Bach (Mitte) mit den beiden Enantiomeren eines der untersuchten Alene.
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Die Erstautoren Alena Hölzl-Hobmeier und Andreas Bauer sowie Prof. Thorsten Bach (Mitte) mit den beiden Enantiomeren eines der untersuchten Alene. (Bild: Uli Benz/ TU Muenchen)

Wirkstoffe herzustellen, die ganz spezifische, beispielsweise antibakterielle Eigenschaften haben, ist oft gar nicht so einfach. Der Grund: Viele dieser organischen Verbindungen sind chiral. Das heißt, von ihnen gibt es zwei spiegelbildlichen Formen, sogenannte Enantiomere, die unterschiedliche Wirkungen haben.

München – Enantiomere Moleküle gleichen sich wie rechte und linke Hand. In Biologie und Medizin wirkt jedoch oft nur eine der beiden Formen. Bei chemischen Reaktionen entstehen in der Regel jedoch beide. Bei der Wirkung von Medikamenten kann dieser kleine Unterschied folgenreich sein, denn Enantiomere können unterschiedliche Wirkungen haben. So kann ein Enantiomer heilend wirken, das andere Enantiomer aber wirkungslos sein oder sogar unerwünschte Nebenwirkungen hervorrufen.

Die Mischung aus beiden Formen vollständig in das gewünschte Enantiomer zu überführen, galt bisher als unmöglich. Mit einer photochemischen Methode ist dies jetzt einem Team der Technischen Universität München (TUM) gelungen.

Zeit, Energie und Ressourcen sparen

Seit Langem suchen Forscher auf der ganzen Welt nach Möglichkeiten, aus einem Racemat gezielt nur das gewünschte Enantiomer herzustellen, erläutert Prof. Thorsten Bach, Inhaber des Lehrstuhls für organische Chemie an der TU München. Dies galt bisher jedoch als sehr schwierig, weil bei chemischen Reaktionen in der Regel immer beide Formen des Moleküls entstehen.

Zusammen mit seinem Team hat der Forscher jetzt eine Methode entwickelt, mit der sich aus einem Racemat, einem Gemisch beider Enantiomere, das gewünschte Enantiomere in hoher Konzentration – bis zu 97 % – gewinnen lässt.

Anstatt die unerwünschten Spiegel-Moleküle wie bisher mühsam aus dem Gemisch herauszufischen, verwandeln die Forschenden sie mit Hilfe einer photochemischen Reaktion in das gewünschte Endprodukt. Das spart laut Bach Zeit, Energie und Ressourcen, weil alle Moleküle genutzt würden und man nicht die Hälfte wegwerfen müsse.

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Ein Katalysator für die „richtigen“ Verbindungen

Das Geheimnis der Verwandlung ist ein besonderer photochemischer Katalysator. Ursprünglich wurde der Thioxanthon-Farbstoff für [2+2]-Photocycloadditionen entwickelt. Er ist selbst chiral und wandelt daher gezielt nur eines der Enantiomere in das andere um. Innerhalb weniger Minuten verschiebt sich so das Gleichgewicht zu Gunsten des gewünschten Enantiomers. Die unerwünschten Spiegelbilder verschwinden.

Ihre neue Methode haben die Chemiker an verschiedenen Molekülgemischen aus der Strukturklasse der Allene erfolgreich getestet. Damit konnten die Wissenschaftler zeigen, dass eine selektive und effiziente Katalyse zur Herstellung von enantiomerenreinen Verbindungen aus Racematen grundsätzlich möglich ist.

Publikation: Catalytic deracemisation of chiral allenes enabled by sensitised excitation with visible light, Alena Hölzl-Hobmeier, Andreas Bauer, Alexandre Vieira Silva, Stefan M. Huber, Christoph Bannwarth, Thorsten Bach; Nature, 564, 240–243 (2018) – DOI: 10.1038/s41586-018-0755-1

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