Übergangsmetallkatalyse für Inder – Ei-ichi Negishi

Es ist ganz gut, dass ich dem Vortrag von Chemienobelpreisträger Ei-Ichi Negishi gestern erhöhte Aufmerksamkeit gewidmet habe. Später, beim Abendessen der Deutschen Forschungsgemeinschaft, DFG, am Segelhafen haben sich gleich mehrere indische Kollegen bei mir beklagt, sie hätten kein Wort verstanden. Das wundert mich auch überhaupt nicht.

Da Negishis Folien überhaupt nicht hilfreich waren, hier stattdessen ein hünsches Holzboot aus dem Lindauer Yachthafen.

Erstens, sehr geehrter Professor Negishi, sind Buchseiten keine Powerpoint-Folien, und schon gar nicht wenn die hinteren Zuhörer (i.e. ich) ungefähr eine Fußballplatzlänge entfernt sind. Und zweitens ist es möglicherweise vergebliche Liebesmüh, einem Publikum aus Medizinern die Feinheiten der Orbitalsymmetrie näherbringen zu wollen.

Dabei ist es schon interessant, welche tragende Rolle die Übergangsmetalle inzwischen in der Organischen Chemie einnehmen, nachdem sie so lange praktisch keine Rolle spielten. Organik, das war die Chemie von C, H, N, O, und S, währen die meisten anderen Elemente – darunter die Übergangsmetalle – nur in der anorganischen Chemie vorkamen. Doch das hat sich geändert, und das augenscheinliche Symbol dafür ist der Letzte Chemie-Nobelpreis, der für eben diese Revolution verliehen wurde. Mit der Würdigung der Palladiumkatalyse letztes Jahr sind die Übergangsmetalle endlich im Zentrum der Chemie angekommen, wo sie hingehören.

Die zauberhafte d-Schale
Aber was ist eigentlich der Übergang, von dem da die Rede ist? Die Übergangsmetalle sind im Periodensystem der große Block in der Mitte, und sie bilden den Übergang zwischen den Elementen links, die eine ganz leere d-Schale haben (zum Beispiel Calcium) und denen rechts mit ganz vollen d-Schalen (wie Jod oder Selen). Und es ist genau diese Eigenschaft, die halb gefüllte d-Schale, die den Übergangsmetallen ihre “Zauberkraft” (O-Ton Negishi) verleiht.

Elektronen, die an einen Atomkern gebunden sind, umkreisen ihn nicht, sondern halten sich in eng begrenzten Raumgebieten auf, die man als Orbitale bezeichnet. Es gibt einen ganzen Haufen dieser Orbitale, die alle unterschiedlich groß sind und verschiedene Formen haben. Die d-Schale ist ein Satz von fünf vergleichsweise kompliziert geformten Orbitalen, die jeweils zwei Elektronen aufnehmen können.

Die fünf d-Orbitale, die Übergangsmetalle so praktisch für die Katalyse machen. Bild: Wikipedia, GNU-FDL

Bei “normalen” Elementen und Verbindungen sind diese Orbitale samt der in ihnen enthaltenen Elektronen wenig flexibel. Die große Vielfalt der d-Orbitale dagegen bietet reichlich Möglichkeiten für interessante Chemie – laut Negishi sind zwei Eigenschaften entscheidend für die tollen Katalyse-Eigenschaften dieser Metalle: Einerseits können diese Orbitale mit Elektronen gefüllt sein, ohne zu einer Bindung beizutragen, so dass sie für andere Wechselwirkungen zur Verfügung stehen. Umgekehrt können zur gleichen Zeit d-Orbitale leer sein und Elektronen aus elektronenreichen Verbindungen aufnehmen.

Negishi zieht hier die Parallele zum Boran, das als eines der wenigen nicht metallischen Elemente so eine Elektronenlücke hat. Schon lange weiß man, dass Borverbindungen eben deswegen ausgezeichnet geeignet sind, mit Alkenen und Alkinen zu reagieren, den perfekten Ausgangsverbindungen für komplizierte chemische Naturstoffe. Bor allerdings hat nur dieses eine leere Orbital, die Übergangsmetalle einen ganzen Haufen davon, die alle möglichen weiteren Effekte haben – mit ein paar chemischen Tricks kann man genau bestimmen, was da wie reagiert.

“We can do everything”
Man nennt das Selektivität, und es ist eine der wichtigsten Eigenschaften, die eine Chemische Reaktion haben muss: Sie soll genau den Stoff erzeugen, den wir haben wollen, und keinen anderen. Dank der flexiblen d-Schale leisten die Übergangsmetalle genau das: Unter den 60 Metallen gibt es Quasi für jede Reaktion einen geeigneten Katalysator.

Und wenn es ihn mal nicht gibt, sagt Negishi, kann man die Übergangsmetalle auch kombinieren. Verbindungen und Komplexe von Übergangsmetallen bilden in Lösung sehr dynamische Kombinationen, die zwischendurch sogar noch reaktivere Zustände einnehmen. Mit der Übergangsmetallkatalyse ist die Chemie endgültig in den Bereich der Molekularmagie übergegangen, in dem sie aus einfachsten Verbindungen in wenigen einfachen Schritten nahezu jeden denkbaren Stoff kreieren kann.

“Man braucht nur Alkine, um eine ganze Welt zu bauen”, sagt Negishi. Alkine haben an ihrer ungesättigten Bindung vier Ankopplungspunkte, mit denen man theoretisch beliebige Komplexität erschaffen kann – dank Übergangsmetallkatalyse ist das nun auch praktisch möglich.

 

Addendum: ich hatte mich ja im Vorfeld schon gefragt, was genau das alles mit dem Oberthema Medizin zu tun hat. Negishi tatsächlich das Fungizid Amphotericin B erwähnt, das man dank Übergangsmetallkatalyse in deutlich weniger Schritten herstellen kann. Naja, der Gedanke zählt…

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