Es mutet merkwürdig an, sich in Gedanken noch einmal um 25 Jahre zurückzuversetzen, um festzustellen, was sich im eigenen Fachgebiet seither geändert hat. Inwieweit haben wir heute Antworten auf Fragen, die wir uns damals stellten oder die wir noch nicht einmal formulieren konnten? Auf diesem Weg zurück in die Vergangenheit wurde ich überrascht von den Schwierigkeiten, die sich mir entgegenstellten: Diese 25 Jahre bilden die zweite Hälfte meiner beruflichen Laufbahn, und ich neige nicht sonderlich zur Selbstbeobachtung. Ich entschloss mich daher, jene Untersuchungen herauszugreifen, für die es Nobelpreise gab, und nachzuzeichnen, wie sie die Chemie umgeformt haben.

Viele der Ehrungen aus Stockholm wurden allerdings für Forschungen vergeben, die zwar von eminenter Bedeutung waren, aber schon sehr weit zurücklagen. Als im Jahre 1979 Georg Wittig und Herbert Brown für ihre Synthesen mit Hilfe von Phosphor- und Borverbindungen ausgezeichnet wurden, standen diese seit Jahrzehnten bereits in den Lehrbüchern über organische Chemie. Die Wittig-Reaktion diente in großtechnischem Maßstab zur Synthese des Lebensmittelfarbstoffs Carotin, und die Reduktion nach Brown wurde zur Herstellung von Raketentreibstoffen genutzt. Auch als 1994 Georges Olah für den Beweis der Existenz von Carbokationen – extrem reaktiven Gruppen mit positiv geladenem Kohlenstoffatom – und für das Studium ihrer Eigenschaften den Nobelpreis erhielt, betraf das Untersuchungen, die er zwanzig Jahre vorher durchgeführt hatte. Diese Auszeichnungen würdigten Revolutionen, die längst passee waren.

Doch die Mehrheit der Nobelpreise illustrierte aktuelle Fortschritte in der Chemie: Sie wurden kurz nach Abschluss von Untersuchungen mit unerwarteten Ergebnissen verliehen oder rückten bahnbrechende Forschungen erst ins rechte Licht. Häufig stammten die ausgezeichneten Arbeiten aus dem Gebiet der Biochemie, das die meisten Chemiker leider Wissenschaftlern überlassen haben, die sie für Biologen halten. Gleichwohl erwuchsen daraus fundamentale neue Einsichten in die chemischen Vorgänge innerhalb der belebten Natur.

Der Aufschwung der Biochemie Das gilt etwa für die Methode zur Sequenzierung von Nucleinsäuren, für die Paul Berg, Walter Gilbert und Frederick Sanger 1980 geehrt wurden (Sanger hatte zuvor schon einen Nobelpreis für die Sequenzierung von Proteinen erhalten). Sie führte zur Aufstellung von Genom-Bibliotheken, deren Nutzen von der Grundlagenforschung über die medizinische Diagnose und Medikamentenentwicklung bis zur Verbrechensbekämpfung reicht.

Die Methode zum Aufbau von kurzen Peptidketten auf festem Träger, für die Robert Merrifield 1984 ausgezeichnet wurde, lieferte das Vorbild für zahlreiche iterative Synthesen. Der feste Träger kann zum Beispiel aus Polystyrolkügelchen bestehen, die bei Zugabe eines Lösungsmittels aufquellen; dann dringen die gelösten Stoffe in die geöffneten Poren ein. Jedes Kügelchen trägt "Köder", die sich mit bestimmten Reagenzien verbinden. Bringt man in einer festen Abfolge von Schritten immer wieder einen neuen Köder an und gibt frische Reagenzien zu, erhält man kettenförmige Moleküle aus aneinander gereihten, (fast) identischen Untereinheiten, die Chemiker als Oligomere bezeichnen. Ab einer bestimmten Kettenlänge spricht man von Polymeren. Handelt es sich bei den Bausteinen um Aminosäuren, so ergeben sich Polypeptide, also kleine Proteine (Eiweißstoffe).

Diese Art von Synthese entwickelte sich zu einer sehr beliebten Methode in der kombinatorischen Chemie. Dabei werden mit automatisierten Verfahren parallel nebeneinander mehrere Arten von Bausteinen auf möglichst vielfältige Weise miteinander verknüpft. So ergeben sich sehr schnell Millionen von Verbindungen mit verwandter Struktur, die man auf ihre biologischen Effekte prüfen kann, um neue Wirkstoffe zu finden. Dieser Ansatz ist genial, wurde aber noch nicht mit einem Nobelpreis ausgezeichnet – zweifellos, weil nur wenige bisher seine ganze Tragweite ermessen.

Johann Deisenhofer, Robert Huber und Hartmut Michel, die Preisträger von 1988, klärten mittels Röntgenbeugung die Struktur des photosynthetischen Reaktionszentrums auf, in dem Pflanzen und manche Bakterien Sonnenenergie in Kohlenhydrate umwandeln. Es ist ein komplexer Verbund aus Chlorophyll und anderen Molekülen, der unter Einwirkung von Licht eine elektrische Spannung zwischen Innen- und Außenseite einer Membran erzeugt. Diese Spannung dient letztlich dazu, Kohlendioxid aus der Luft in Traubenzucker (Glucose) zu überführen. Die geglückte Strukturaufklärung des photosynthetischen Reaktionszentrums zeigte, dass die Röntgenbeugung auch auf große, kompliziert aufgebaute Moleküle anwendbar ist. Daraufhin wurden immer komplexere biologische Gebilde untersucht, darunter auch das Ribosom, an dem die Proteinsynthese stattfindet. Dessen Struktur ließ sich schließlich vor wenigen Jahren bestimmen.

Außer Proteinen enthalten die Ribosomen auch RNA-Moleküle, die mit der Erbsubstanz DNA verwandt sind. Diesen schrieb man anfangs ausschließlich strukturelle Aufgaben zu. Sidney Altman und Thomas Cech, die Preisträger von 1989, entdeckten jedoch, dass sie auch katalytische Wirkung haben, und nannten sie deshalb Ribozyme. Daraus ergab sich die interessante Hypothese einer "RNA-Welt" in der Frühzeit des Lebens. In ihr hätten Ribozyme die wichtigsten katalytischen Aufgaben in der Zelle wahrgenommen, bevor es Protein-Enzyme gab.

Kary Mullis, Preisträger von 1993, erfand die Polymerase-Kettenreaktion. Mit ihr lassen sich zahlreiche Kopien der DNA-Moleküle in einer Ausgangsprobe herstellen. Diese Vermehrungsmethode für Erbmaterial ist besonders nützlich, wenn man über sehr wenig DNA verfügt. Sie dient beispielsweise in der Gerichtsmedizin dazu, einen Vergewaltiger oder Mörder zu identifizieren beziehungsweise zu überführen. Außerdem wurde sie unter anderem dazu verwendet, anhand von DNA-Resten in Fossilien unsere Verwandtschaft mit dem Neandertaler zu klären.

Einsichten in Abläufe von Reaktionen

Aber die letzten 25 Jahre waren nicht nur ein goldenes Zeitalter der Biochemie. Auch das Verständnis von Reaktionsmechanismen hat große Fortschritte gemacht – in theoretischer wie experimenteller Hinsicht. Kenichi Fukui und Roald Hoffmann wurden 1981 für ihre Erkenntnisse darüber geehrt, welche Rolle die Orbitalsymmetrie für den Verlauf chemischer Reaktionen spielt. Als Orbitale bezeichnet man die Aufenthaltsräume von Elektronen in Atomen. Unter den vielen Faktoren, die den Weg beeinflussen, auf dem Moleküle miteinander reagieren, zählen Symmetrieeigenschaften zu den wichtigsten.

Henry Taube erhielt 1983 den Nobelpreis für seine Untersuchungen zum Übergang von Elektronen zwischen Metallkomplexen: Molekülen, bei denen ein zentrales Metall-Ion symmetrisch von größeren Atomgruppen (Liganden) umgeben ist. Taube konnte zeigen, dass vor dem Transfer erst ein Ligand eine Brücke zwischen den beiden Komplexen bilden muss.

Auch Rudolph Marcus, der Preisträger von 1992, befasste sich mit Elektronentransfers zwischen Molekülen in Lösung. Er arbeitete eine Theorie darüber aus, wie sich die Struktur der Ausgangsmoleküle ändern muss, damit die Reaktion stattfinden kann. Auf diese Weise gelang es ihm, Geschwindigkeiten von Elektronenübertragungen vorherzusagen. Mit seiner Theorie lassen sich viele Phänomene beschreiben – von der Korrosion über die elektrische Leitfähigkeit von Polymeren bis hin zu photochemischen Prozessen.

Den letzten Preis für theoretische Arbeiten gab es 1998. Walter Kohn und John Pople erhielten ihn gemeinsam für die Entwicklung von Näherungsmethoden, um die voraussichtliche Struktur und Stabilität von (noch) unbekannten Molekülen auf quantenchemischer Grundlage zu berechnen. Damit stießen die beiden Laureaten das Tor auf zu einer Chemie, die nicht mehr im Labor, sondern am Computer betrieben wird.

Atomen beim Partnertausch zusehen

Mindestens ebenso bedeutende Einsichten in die Feinheiten des Reaktionsgeschehens sind aber auch enormen Fortschritten auf experimentellem Gebiet zu verdanken. Wer hätte sich in den 1970er Jahren vorstellen können, dass man einmal in der Lage wäre, den Ablauf einer chemischen Reaktion Schritt für Schritt zu verfolgen? Doch schon 1986 erhielten Dudley Herschbach, Yuan Tseh Lee und John Polanyi den Nobelpreis für Experimente, mit denen sie die Dynamik elementarer Umsetzungen ermittelten. Dabei konnten sie klären, wie zwei Moleküle zusammentreffen, miteinander reagieren und sich in veränderter Zusammensetzung wieder trennen.

In einer Flüssigkeit oder einem Gas sind die Stöße zwischen den Teilchen zufällig; deshalb kennt man weder die Richtung noch die Geschwindigkeit der Reaktionspartner, was die Aufklärung des genauen Umsetzungsmechanismus behindert. Bei der Molekularstrahltechnik der beiden Preisträger bewegen sich die Moleküle dagegen im Vakuum, sodass ihre Bewegungsrichtung und ihre Geschwindigkeit genau festgelegt sind. Kreuzen sie sich, so findet zwischen den Reaktanden eine präzis definierte Kollision statt, die zur Reaktion führt.

Polanyi wandte eine auf der Chemolumineszenz basierende Methode an, um zu verfolgen, wie sich die Energieniveaus der Reaktionspartner ändern. Dazu analysierte er die Infrarotstrahlung, die von den zwischenzeitlich entstehenden direkten Kollisionsprodukten abgegeben wird. Diese so genannten Übergangskomplexe ordnen sich dann um und liefern schließlich das Endprodukt. Polanyis Team konnte somit erstmals einen Übergangskomplex direkt beobachten, dessen Existenz bis dahin nur theoretisch abgeleitet worden war.

Schon immer interessierten sich die Chemiker brennend dafür, was genau während einer Reaktion geschieht. Das Lösen und Knüpfen der Bindungen läuft jedoch unvorstellbar schnell ab: Nach einigen hundert Femtosekunden (10-15 Sekunden) ist meist alles vorbei. Um den Ablauf der Reaktion sichtbar zu machen, bräuchte man einen Fotoapparat mit ebenso kurzer Belichtungszeit. Ahmed Zewail entwickelte in den 1980er Jahren eine Stroboskop-Technik mit Laserblitzen von wenigen Femtosekunden Dauer. Mit ihnen konnte er zunächst die Reaktion starten und die Produkte der Umsetzung dann in wechselnden Zeitabständen zur Fluoreszenz anregen. Die ausgesandte Strahlung gab indirekte Auskunft über die Zusammensetzung, relative Position und Gestalt der unmittelbaren Reaktionsprodukte. Das war die Geburtsstunde der Femtochemie, die es erstmals erlaubte, die Umwandlungen von Materie in Echtzeit zu verfolgen. Für diese bahnbrechende Errungenschaft erhielt Zewail 1999 den Nobelpreis.

Im wahrsten Sinne des Wortes globale Bedeutung hatten neue Befunde zum Mechanismus chemischer Umsetzungen in der Erdatmosphäre. Paul Crutzen, Mario Molina und Frank Rowland gelang es in den 1980er Jahren, die Vorgänge bei der Bildung und Zersetzung von Ozon in der Stratosphäre aufzuklären. Damit trugen sie entscheidend dazu bei, die Rolle der Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) bei der Entstehung des Ozonlochs zu verstehen. Diese chemisch sehr stabilen Substanzen wurden früher in den Kühlaggregaten von Kühlschränken verwendet. Nun entdeckte man, dass sie in der hohen Atmosphäre von Sonnenlicht aufgespalten werden. Die dabei freigesetzten Chloratome können über Reaktionszyklen, bei denen sie sich immer wieder zurückbilden, das Ozon der Stratosphäre zerstören, das uns vor der ultravioletten Strahlung der Sonne schützt. Für diese Entdeckung wurden Crutzen, Molina und Rowland 1995 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Kühne Architektur mit Molekülen

Finden die Ergebnisse von Forschungen Eingang in die Chemievorlesungen an der Universität, so ist das ein sicheres Anzeichen dafür, dass sie Ausgangspunkt umwälzender Neuerungen waren. Das gilt für mindestens drei herausragende Leistungen, die in den letzten 25 Jahren mit dem Nobelpreis gewürdigt wurden. Der erste ging 1987 an Donald Cram, Charles Pedersen und Jean-Marie Lehn für ihre Pionierarbeiten zur supramolekularen Chemie, die sich inzwischen zu einem bedeutenden Forschungsfeld entwickelt hat. Dabei geht es darum, Moleküle über schwache Bindungen – etwa Wasserstoffbrücken oder van-der-Waals-Wechselwirkungen – zu hochkomplexen Gebilden zu koppeln.

Statt immer größere Moleküle durch eine komplizierte chemische Synthese am Stück zu erzeugen, versuchen die Vertreter dieser Fachrichtung, sie nach dem Baukastenprinzip aus Fertigteilen oder maßgeschneiderten Komponenten zusammenzufügen. Das Konstrukt verfügt dann über Eigenschaften oder kann Funktionen ausüben, welche die Elementarbausteine für sich allein nicht aufweisen. Im Idealfall finden sich die Komponenten, wenn man sie geschickt wählt, unter dem Einfluss der zwischenmolekularen Kräfte sogar spontan zusammen – ein als Selbstorganisation bezeichneter Vorgang. Die relative Schwäche der supramolekularen Bindungen kann von Vorteil sein, wenn das Material die Fähigkeit haben soll, sich an Änderungen der Umgebung anzupassen. Es baut sich dann einfach selbst um, wobei bestimmte Komponenten bevorzugt, andere dagegen links liegen gelassen werden. So gelangt man zu einer "adaptiven Chemie".

Ein weiterer Nobelpreis, den ein Chemiedozent in seiner Vorlesung unmöglich mit Schweigen übergehen kann, ist der von 1996 an Robert Curl, Richard Smalley und Harold Kroto. Er würdigte die ebenso unerwartete wie erstaunliche Entdeckung der Fullerene – jener gänzlich aus Kohlenstoffatomen bestehenden Moleküle, die nach den geodätischen Kuppeln des US-Architekten Richard Buckminster Fuller benannt sind und deren bekanntestes (mit sechzig Atomen) die Form eines Fußballs hat.

Curl, Smalley und Kroto konnten die Substanz 1985 durch Laserverdampfung von Graphit nur in so kleinen Mengen gewinnen, dass eine Strukturbestimmung nicht möglich war. Sie erschlossen ihre Kugelgestalt deshalb allein aus dem massenspektrometrisch bestimmten Molekulargewicht. Erst fünf Jahre später fanden Wolfgang Krätschmer und Donald Huffman bei dem Versuch, im interstellaren Raum vermutete Kohlenstoffmoleküle auf der Erde herzustellen, eine Methode, auch große Mengen an Fullerenen zu produzieren. Seither kennt man neben Diamant und Graphit nun eine dritte Modifikation von Kohlenstoff.

Die kovalenten Bindungen zwischen den Atomen machen die fußballförmigen Moleküle – oder Buckyballs, wie die Angelsachsen sie liebevoll-salopp nennen – ausgesprochen stabil. Heute staunt man über den Reichtum der Chemie, die sie eröffnen: Fullerene lassen sich durch das Aufpfropfen von molekularen Ästen, Polymerisation zu langen Ketten oder das Anbringen von Gruppen mit gewünschten chemischen Funktionen vielfältig abwandeln. Mit Alkalimetallen bilden sie Verbindungen, die bei tiefen Temperaturen supraleitend sind.

Beim Arbeiten mit Fullerenen wurde ein weiteres viel versprechendes Material entdeckt. Es besteht aus winzigen Kohlenstoff-Röhren, die einige Mikrometer lang und nur ein paar Nanometer dick sind. Zahlreiche Forschungsgruppen untersuchen die mechanischen und elektrischen Eigenschaften dieser "Nanotubes". Sie sind zehnmal so fest wie Stahl und zeigen interessante Quanteneffekte. Deshalb sagt man ihnen eine bedeutende Rolle in der Nanoelektronik voraus.

Bravuröse Spiegelfechterei

Auch die wissenschaftlichen Leistungen, denen der Nobelpreis von 2001 galt, gehören heute schon zum Standardstoff in Vorlesungen der organischen Chemie. Erbracht haben sie William Knowles, Barry Sharpless und Ryoji Noyori mit ihren Arbeiten zur Katalyse asymmetrischer Reaktionen (zu den Pionieren dieses Gebiets zählt auch Henri Kagan). Sehr viele Moleküle existieren in zwei Formen, die sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten. Da sie diese Eigenschaft mit unseren Händen gemeinsam haben, nennt man sie chiral (nach griechisch cheir, Hand). Pharmazeutische Produkte bestehen oft aus spiegelbildlichen Molekülen, von denen meist nur das eine wirksam, das andere dagegen inaktiv oder manchmal sogar schädlich ist. Traditionelle Herstellungsverfahren erzeugen beide Formen in gleichen Mengen, sodass man die Hälfte des Produkts mühsam nachträglich abtrennen und verwerfen muss. Deshalb ist die chemische Industrie sehr an Synthesen interessiert, die von Anfang an nur das wirksame Molekül liefern.

Die Preisträger entwickelten Katalysatoren, die genau das leisten. Dabei handelt es sich um Moleküle, die selbst ebenfalls chiral sind. Wie alle Katalysatoren beschleunigen sie die gewünschte Reaktion, ohne dabei verbraucht zu werden. Heute werden sie bereits bei der industriellen Synthese einer breiten Palette von Pharmazeutika genutzt; dazu gehören Antibiotika, Entzündungshemmer und Medikamente gegen Herzschwäche.

Hat sich die Praxis der Chemie in den vergangenen 25 Jahren verändert? Der vielleicht auffälligste Wandel hängt mit der Computertechnik zusammen. Wie in anderen Disziplinen auch, verbringen die Forscher inzwischen viel Zeit im Internet. Noch nie war es so leicht, sich über die neuesten Publikationen auf dem Laufenden zu halten – und noch öfter als früher häuft man dadurch Stöße von Artikeln an, die man doch nie lesen wird.

Aber die experimentelle Praxis hat sich ebenfalls merklich weiterentwickelt, wenn auch eher evolutionär als revolutionär. Heute verfügen Chemiker über eine größere Palette an Reagenzien – dank der Verwendung von exotischeren Elementen des Periodensystems. Die chromatographischen Trennmethoden sind vielfältiger geworden und laufen inzwischen großenteils automatisiert ab. Physikalische Verfahren wie die kernmagnetische Resonanz und die Massenspektrometrie, die zur Analyse und Strukturbestimmung von Molekülen dienen, haben enorm an Präzision gewonnen. So sind die Frequenzen bei der Kernspinresonanz 10 bis 15-mal höher als vor 25 Jahren, was entsprechend schärfere Signale ergibt. Dies hat zusammen mit raffinierten Auswertungsverfahren dafür gesorgt, dass heute die Struktur von Proteinen mit Molekulargewichten bis 30000 Dalton in Lösung bestimmt werden kann. Für seine Pionierleistungen auf diesem Gebiet erhielt Kurt Wüthrich die eine Hälfte des Chemie-Nobelpreises 2002.

Die andere Hälfte ging an John Fenn und Koichi Tanaka, die für eine ähnlich rasante Steigerung bei der Massenspektroskopie sorgten: Das Molekulargewicht der Substanzen, die sich mit diesem Verfahren untersuchen lassen, stieg von 500 auf 50000 Dalton. Ermöglicht haben das ingeniöse Methoden wie die Elektrospray-Ionisation und die sanfte Laser-Desorption, mit denen es gelingt, große Moleküle auf schonende Weise in den Gaszustand zu bringen und zu ionisieren – eine Voraussetzung für die massenspektroskopische Analyse. Diesen Fortschritten ist es zu verdanken, dass Forscher heute fast schon routinemäßig mit verschiedenen physikalischen Methoden die Struktur von Proteinen ermitteln können, bei denen dies früher undenkbar schien.

Atome werden sichtbar

Auch in der Mikroskopie hat es schier unglaubliche Durchbrüche gegeben. Im optischen Bereich wurde durch diverse Tricks das so genannte Beugungslimit überlistet, das nur die Abbildung von Strukturen erlaubt, die größer sind als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts. Zugleich machte die konfokale Mikroskopie Schluss mit der Einschränkung, dass sich ausschließlich Strukturen in der Fokusebene scharf abbilden lassen.

Den sensationellsten Fortschritt aber brachten die Rastersondenmikroskope. Sie tasten die Oberfläche der Probe mit einer extrem feinen Spitze ab und registrieren die dabei auftretende Wechselwirkung. Mit ihrer Hilfe konnten Chemiker die Objekte ihres Tuns, die Atome und Moleküle, erstmals direkt sehen.

Im Fall des Rastertunnelmikroskops, das seinen Erfindern Gerd Binnig und Heinrich Rohrer 1986 die Hälfte des Physik-Nobelpreises einbrachte, misst man die Intensität des so genannten Tunnelstroms, der zwischen der Spitze und der Probe fließt. Beim Rasterkraftmikroskop wird die Spitze wie die Nadel eines Plattenspielers mit einer bestimmten Andruckkraft über die Probenoberfläche geführt und dabei registriert, wie sich der Balken, an dem sie sitzt, verbiegt und verdrillt. Mit einem solchen Mikroskop kann man Objekte nicht nur abbilden, sondern auch auf atomarer Skala verändern, indem man Atome darauf verschiebt.

Zum Schluss sei ein gesellschaftlich wichtiger Trend hervorgehoben, der die Entwicklung der Chemie speziell im industriellen Bereich im letzten Vierteljahrhundert gekennzeichnet hat: Sie ist deutlich sauberer geworden. Umweltskandale in den 1960er und 1970er Jahren haben dem Fach ein ausgesprochen negatives Image verpasst. In den Augen der Öffentlichkeit geriet die Chemie zum Inbegriff des Giftigen, Schmutzigen und Naturwidrigen.

Doch dieses Bild ist nicht mehr gerechtfertigt. Drohte beispielsweise der Rhein einst zum toten Gewässer zu werden, so hat er sich dank der allgemeinen Einführung von Kläranlagen und der ständigen Überwachung ihrer korrekten Funktion wieder zu einem intakten aquatischen Lebensraum entwickelt. Die Zeit ist lange vorbei, als Chemiebetriebe ihre Neben- oder Abfallprodukte einfach in die Luft bliesen oder in Flüsse ableiteten. Heute werden solche unerwünschten Stoffe abgefangen und geregelt entsorgt oder zurückgewonnen. Außerdem entstehen dank der zunehmenden Beherrschung der Chemie – der wachsenden Fähigkeit, Reaktionen mit raffinierten Katalysatoren immer genauer zu steuern – von vorneherein deutlich weniger Nebenprodukte, die es zu beseitigen gilt.

Insofern haben die großen Fortschritte in der Grundlagenforschung nicht nur bewirkt, dass wir heute beispielsweise über bessere Medikamente mit weniger Nebenwirkungen verfügen, sondern dass auch unsere Umwelt kaum noch leidet. Dies gilt umso mehr, als selbst Chemieprodukte in zunehmendem Maße nach Gebrauch wiederverwertet werden.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 2003, Seite 24
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