Den Nobelpreis für Chemie erhalten der Amerikaner Richard F. Heck und die beiden Japaner Ei-ichi Negishi und Akira Suzuki für ihre Entwicklung und Weiterentwicklung eines grundlegenden Syntheseverfahrens der organischen Chemie, der so genannten Palladium-katalysierten Kreuzkupplung. Sie ermöglicht es, auch komplexe Kohlenwasserstoffverbindungen durch direkte Verbindung herzustellen, statt wie zuvor nur über zahlreiche Reaktionsschritte.
Ob Mittel für die Chemotherapie gegen Krebs, organische Leuchtdioden oder ein neues Pflanzenschutzmittel – ohne die Entwicklung der diesjährigen Chemie-Nobelpreisträger wären sie alle entweder unbezahlbar oder gar nicht existent. Denn erst die Palladium-katalysierte Kreuzkupplung lieferte der chemischen Industrie ein Werkzeug, mit dem sich organische Kohlenstoffverbindungen mit relativ geringem Aufwand und in hoher Präzision synthetisieren lassen.
Lange Zeit war die Synthese von Kohlenstoffverbindungen eine mühsame Angelegenheit: Weil sich Kohlenstoffatome nicht ohne Nachhilfe miteinander verkoppeln, mussten sie mit Hilfe von reaktiven Substanzen und über unzählige Zwischenschritte erst aufwändig dazu gebracht werden. Dieser Prozess dauerte nicht nur lange, am Ende war die Ausbeute auch oft extrem gering, da ein Großteil der Ausgangsstoffe zu unerwünschten Beiprodukten reagierte. Erst in den 1950er Jahren begann sich dies zu ändern.
Palladium als Katalysator
Als erstes kamen Chemiker des deutschen Unternehmens Wacker Chemie darauf, dass das Übergangsmetall Palladium sich als Katalysator für die Reaktion von Ethylen zu Acetaldehyd eignete, einem wichtigen Ausgangsstoff für die Herstellung von Lösungsmitteln, Kunststoff-Weichmachern und Essigsäuren. Richard Heck, der zu dieser Zeit für das die Hercules Powder Company in Delaware arbeitete, griff diese Idee auf und experimentierte nun ebenfalls mit Palladium als Katalysator.
1968 gelang es ihm erstmals, mit Hilfe des Palladiums ein ringförmiges Kohlenstoffmolekül, das Bromobenzol, mit einer weiteren Kohlenstoffverbindung, dem Alken Olefin, zu verkuppeln. Das resultierende Styrol ist der Grundstoff für den Kunststoff Polystyrol. Aus dieser Reaktion entwickelte er vier Jahre später die heute nach ihm benannte Heck-Reaktion, die Basis für zahlreiche bis heute eingesetzten Reaktionswege in der organischen Chemie.
Fliegender Bindungswechsel
Das Grundprinzip dabei: Das Palladium verbindet sich mit dem ringförmigen Kohlenstoffmolekül, bei dem ein Halogenatom angelagert ist. Das Palladium schiebt sich dabei quasi zwischen Halogen und Restmolekül. Auch das kurzkettige Kohlenwasserstoffmolekül Olefin lagert sich nun an das Palladium an. Die Außenelektronen der dem Palladium jeweils nächstgelegenen Kohlenstoffatome verlagern sich und erleichtern so eine direkte Bindung der beiden Kohlenwasserstoffe miteinander. Palladium und Halogenatom trennen sich und zurück bleibt das gewünschte Kombimolekül.
Zink und Bor statt Olefin
1977 entwickelte der japanische Chemiker Ei-ichi Negishi auf Basis der Heck-Reaktion eine weitere Palladium-katalysierte Synthesereaktion, die Negishi-Kupplung. In ihr verwendete er eine Zink-Kohlenstoffverbindung statt des Olefins. Noch einmal zwei Jahre später verfeinerte sein Landsmann Akira Suzuki die Palladium-vermittelten Kreuzreaktionen noch einmal durch Einsatz von aromatischen Borverbindungen.
Diese Suzuki-Kupplung machte die Reaktion nicht nur weniger giftig, sie erwies sich auch als besonders gut geeignet für die Synthese von Naturstoffen. So basiert die Herstellung des wichtigen Antibiotikums Vancomycin auf diesem Prinzip, aber auch das in der Landwirtschaft eingesetzte Pilzbekämpfungsmittel Boscalid.
Das schwedische Nobelpreis-Komitee sieht in diesen von diesen drei Forschern entwickelten Reaktionsprinzip eines der fortgeschrittensten Werkzeuge der modernen Chemie. „Dieses chemische Werkzeug hat die Möglichkeiten der Chemiker, komplizierte Substanzen herzustellen, entscheidend verbessert und ermöglicht, beispielsweise kohlenstoffbasierte Moleküle so komplex wie in der Natur zu erzeugen“, so das Komitee.
(Nobel Foundation, 06.10.2010 – NPO)
