Der diesjährige Nobelpreis in der Kategorie Chemie geht an den Deutschen Benjamin List und den Schotten David W. C. MacMillan. Sie werden "für die Entwicklung der asymmetrischen Organokatalyse" ausgezeichnet, wie die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften Mittwochmittag in Stockholm bekanntgab. Dabei handelt es sich um ein wichtiges Werkzeug zum Aufbau von Molekülen, das in vielen Bereichen zur Anwendung kommt. Die Auszeichnung ist mit zehn Millionen schwedischen Kronen (985.000 Euro) dotiert.

Die beiden Nobelpreisträger in Chemie 2021: Benjamin List (links) und David MacMillan.
Foto: Frank Vinken, MPI für Kohlenforschung/Princton University

Benjamin List, geboren 1968, ist Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr. Der ebenfalls 1968 in Schottland geborene David W. C. MacMillan forscht und lehrt an der Princeton University in den USA.

(K)ein Witz am Frühstückstisch

"Dieses Katalyse-Konzept ist so einfach wie genial", sagt Johan Åqvist, Vorsitzender des Nobelkomitees für Chemie, über die Entwicklung der diesjährigen Laureaten. "Und tatsächlich haben sich viele Menschen gefragt, warum wir nicht schon früher darauf gekommen sind."

List, der aus dem Urlaub telefonisch zur Pressekonferenz in Stockholm zugeschaltet war, sagte in einer ersten Reaktion: "Ich hatte niemals mit dieser großen Überraschung gerechnet. Als ich den Anruf erhalten habe, bin ich gerade mit meiner Frau beim Frühstück in einem Hotel in Amsterdam gesessen und dachte, es erlaubt sich jemand einen Witz mit mir."

Moleküle herzustellen sei eine komplizierte Angelegenheit, in mancherlei Hinsicht sogar eine Kunst, heißt es in der Begründung des Nobelkomitees in Stockholm. List und MacMillan hätten durch die Entwicklung eines neuen Werkzeugs dazu beigetragen, dass Moleküle einfacher hergestellt werden können: die Organokatalyse. Dieser Durchbruch sei von großer Bedeutung für die pharmazeutische Forschung und habe die Chemie zudem nachhaltiger gemacht. Von der Pharmazeutik bis zur Batterieforschung sind zahlreiche Forschungsrichtungen und Industriebranchen von der Herstellung spezifischer Moleküle abhängig, um elastische und beständige Materialien zu bilden.

Revolutionäre Nummer drei

Katalysatoren sind grundlegende Werkzeuge für den Bau von Molekülen. Sie beschleunigen und kontrollieren chemische Reaktionen, ohne dass sie selbst Teil des Endprodukts sind. In Autos beispielsweise können Katalysatoren giftige Substanzen aus den Abgasen in harmlosere Moleküle verwandeln. Und auch im menschlichen Körper findet sich eine Vielzahl an Katalysatoren, die wir Enzyme nennen.

Wissenschafter nahmen lange an, dass es im Grunde nur zwei Arten von Katalysatoren gibt: Metalle und Enzyme. Zur Jahrtausendwende hat sich aber das Blatt gewendet: Mit der Weiterentwicklung der Organokatalyse trat eine dritte Kategorie auf den Plan, die Fortschritte auf diesem Feld sind enorm und erstaunlich schnell.

List und MacMillan gelten als führend in diesem Forschungsbereich: Im Jahr 2000 konnten sie unabhängig voneinander zeigen, dass es diese dritte Art der Katalysatoren gibt, die auf kleinen, organischen Molekülen basiert. Nun wurde ihnen dafür der Chemienobelpreis zugesprochen.

"Als ich die ersten Experimente in diesem Bereich gemacht habe, fühlte ich mich völlig allein", sagte List nach der Verkündung des Nobelkomitees. "Ich wusste noch nichts von MacMillan. Erst später wurde mir bewusst, dass das etwas Großes ist."

Billig und umweltfreundlich

Organische Katalysatoren besitzen ein stabiles Gerüst aus Kohlenstoffatomen, an das sich weitere aktive chemische Gruppen anlagern können. Diese Gruppen enthalten oft die weit verbreiteten natürlichen Elemente Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor. Für die Herstellung der Katalysatoren bedeutet das: Sie ist kostengünstig und kann umweltfreundlich durchgeführt werden.

Beim Bauen von Molekülen entstehen aber oft nicht einfach zu lösende Verhältnisse: Es kommen etwa zwei Moleküle heraus, die die gleichen Bestandteile und Verbindungen haben – das eine Molekül ist allerdings das Spiegelbild des anderen, vergleichbar mit unserer linken und rechten Hand. Im Labor, vor allem aber bei der Herstellung von Arzneimitteln, ist oft nur eine Variante gewünscht – die zweite Variante verhält sich im Körper oft anders.

Zitrone oder Orange?

Den Unterschied schmeckt man im Fall des Naturstoffs Limonen sogar: Die Ausführung S-Limonen schmeckt nach Zitrone, R-Limonen hingegen nach Orange. Ganz allgemein spielt der Unterschied insbesondere bei Enzymreaktionen im Körper eine Rolle. Sie sind oft nur auf eine der beiden Ausführungen (oder Enantiomere, wie es fachsprachlich heißt) spezialisiert, die Reaktion mit dem Spiegelbild läuft dann wesentlich langsamer oder gar nicht ab. Bei Pharmazeutika kann das auch zu Nebenwirkungen führen, etwa bei Betablockern, die den Herzschlag und somit den Blutdruck senken sollen.

Bei der Lösung dieses Problems kann die von List und MacMillan entwickelte asymmetrische Organokatalyse helfen: Sie liefert ein asymmetrisches Resultat, es kommen also nicht gleich viele Moleküle in den zwei verschiedenen Ausführungen heraus, sondern mehr Moleküle jenes Stoffes, der tatsächlich hergestellt werden soll. Das ist nicht nur bei Medikamenten nützlich, sondern auch etwa bei der Produktion von Molekülen, die Licht in Solarzellen einfangen können. Das Anwendungsgebiet ist groß – genauso wie der Nutzen für die Menschheit, wie das Nobelkomitee betont.

Die dritte Entscheidung der Nobelwoche ist gefallen: Nach Medizin am Montag und Physik am Dienstag wurde am Mittwoch der Preis in der Kategorie Chemie vergeben.
Foto: AP/Fernando Vergara

Frage nach mRNA-Impfungen

Bei der Bekanntgabe des Chemienobelpreises wurde auch die Frage aufgeworfen, ob die Pioniere der Grundlagen der mRNA-Impfungen, die im Vorfeld als heiße Kandidaten gehandelt worden waren, in Betracht gezogen wurden. Das Nobelkomitee könne zwar keine möglichen Kandidaten kommentieren, eine Vertreterin des Komitees betonte aber, dass die Entscheidungen sehr sorgfältig getroffen würden und daher oft Jahre benötigten. Die Grundlagen der mRNA-Impfungen könnten durchaus in den kommenden Jahren noch zum Zug kommen.

Göran Hansson, Generalsekretär der Königlich Schwedischen Akademie, schlug in eine ähnliche Kerbe: "Wir haben in der Geschichte des Nobelpreises gelernt, dass es am besten ist, sehr sorgfältig bei der Auswahl vorzugehen, anstatt vorauseilen. Das ist ein wesentlicher Grund, warum der Nobelpreis heute das ist, wofür er bekannt ist. In dieser Art und Weise werden wir das weiterführen – bleiben Sie dran, was zukünftige Nobelpreise angeht." (sic, trat, dare, tberg, 6.10.2021)