Chemienobelpreis 1975: John Warcup Cornforth — Vladimir Prelog
Der australisch-britische Chemiker wurde für seine Arbeiten »zur Stereochemie enzymkatalysierter Reaktionen« ausgezeichnet, der Schweizer Prelog für seine Arbeiten zur »Stereochemie organischer Moleküle und Reaktionen«.
Biografien
Sir (seit 1977) John Warcup Cornforth, * Sydney 7. 9. 1917; 1941 Promotion an der Oxford University (England), 1946-62 National Institute For Medical Research, London, ab 1962 Direktor des Shell Company's Milstead Laboratory of Chemical Enzymology in Sittingbourne (Kent), ab 1975 Royal Society Research Professor an der Sussex University (Brighton).
Vladimir Prelog, * Sarajewo 23. 7. 1906, ✝ 7. 1. 1998 Zürich; 1935-40 Dozent an der Chemischen Abteilung der Technischen Fakultät in Zagreb (Kroatien), ab 1952 ordentlicher Professor an der ETH Zürich, ab 1959 Schweizer Bürger, 1960-78 Verwaltungsrat der Ciba und der Ciba-Geigy AG, 1972-74 Präsident der Schweizerischen Chemischen Gesellschaft.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Vladimir Prelog hat als organischer Chemiker herausragende Forschungsleistungen auf den Gebieten der Naturstoffchemie und der Stereochemie erbracht.In der Naturstoffchemie leistete er grundlegende Beiträge zur Strukturaufklärung von Alkaloiden wie Chinin, Solanidin und Strychnin sowie von Antibiotika wie Nonactin, Boromycin und Rifamycinen. Die physiologische Wirkung solcher Verbindungen ist an einen ganz bestimmten räumlichen Aufbau, eine ganz bestimmte Konfiguration der Moleküle gebunden.
Rechts- und linkshändige Moleküle
Mit diesem dreidimensionalen Aufbau der Moleküle, den Abständen von Atomen zueinander, den Bindungswinkeln zwischen Atomen und Atomgruppierungen befasst sich die Stereochemie. Dabei spielen Symmetrie- und Asymmetriebetrachtungen bei Molekülen eine wichtige Rolle. Ein zentraler Begriff ist die Chiralität. Er leitet sich von dem griechischen Wort cheir (Hand) ab. Ein Objekt ist dann chiral, wenn es mit seinem Spiegelbild durch Translation und Rotation nicht zur Deckung gebracht werden kann wie die Hände. Unter chiralen Molekülen versteht man Moleküle, die in ihren Spiegelbildformen existieren können. Diese Moleküle heißen Enantiomere. Dabei handelt es sich um eine spezielle Form von Stereoisomerie: Bei gleicher atomarer Zusammensetzung unterscheiden sich die beiden Formen nur in einer bestimmten räumlichen Anordnung ihrer Atome. Moleküle, die ein Kohlenstoffatom enthalten, das von vier unterschiedlichen Liganden tetraedrisch umgeben ist, können als Enantiomere auftreten.
Je mehr es solche asymmetrischen Kohlenstoffatome oder — allgemeiner — Chiralitätszentren in einer chemischen Verbindung gibt, desto mehr stereoisomere Formen sind möglich. Prelog demonstrierte diese Verhältnisse in seinem Nobelvortrag an dem in seinem Labor isolierten und in seiner Struktur aufgeklärten Antibiotikum Boromycin. Diese komplizierte chemische Verbindung, mit der Bruttoformel C45H74O15BN, enthält insgesamt 18 asymmetrische Kohlenstoffatome und ermöglicht dadurch prinzipiell die Existenz von 262 144 stereoisomeren Formen dieses Moleküls. Um ganz bestimmte Stereoisomere dieser Verbindung synthetisieren zu können, muss man die stereochemischen Verhältnisse genau definieren können und stereospezifische Reaktionen anwenden.
Was die Beschreibung der räumlichen Anordnung von Liganden um ein Chiralitätszentrum angeht, so hat Prelog gemeinsam mit den Chemikern S. Cahn und C. Ingold Anfang der 1950er-Jahre ein Nomenklatursystem (R/S-System) entwickelt, das bei Anwendung bestimmter Regeln eine klare Spezifizierung der Moleküle zulässt und die Konfiguration der asymmetrischen Zentren in einem Molekül eindeutig beschreibt.
Stereochemische Synthesen
Die ständige Auseinandersetzung mit theoretischen und experimentellen Fragen der Stereochemie hat Prelog zu bedeutenden Fortschritten in der Chemie geführt. So gelang ihm 1944 die erstmalige Trennung von Enantiomeren mit asymmetrischem dreiwertigem Stickstoff durch Säulenchromatographie. Eine weitere große Pionierleistung stellten seine Synthesen von mittleren Kohlenstoff-Ringsystemen mit 8-12 Gliedern dar, deren ungewöhnliche Reaktivität er aus ihrem räumlichen Bau erklären konnte. Seine Forschungsarbeiten zu stereoselektiven Synthesen führten ihn zu stereochemischen Untersuchungen über enzymatische Reaktionen und die Struktur der Aktivitätszentren von Enzymen. Bei stereoselektiven Synthesen handelt es sich um Synthesen, die auf die Herstellung möglichst enantiomerenreiner Verbindungen gerichtet sind. Solche Synthesen sind zum Beispiel für die Arzneimittelsynthese von großer Bedeutung, da nur bestimmte Enantiomere eine positive physiologische Wirkung zeigen.
Enzyme bestimmen die Richtung und den Weg
Die Natur hat in der Gestalt von Enzymen eine Fülle von chiralen Katalysatoren entwickelt, die für den stereochemisch genau definierten Ablauf von Lebensprozessen unentbehrlich sind. Die Aufklärung der einzelnen stereochemischen Schritte von enzymkatalysierten Reaktionen war ein Schwerpunkt von Cornforths Forschungsarbeiten. Bei Enzymen handelt es sich normalerweise um Proteine, die sich aus einer großen Anzahl von asymmetrischen Aminosäuren aufbauen, sodass die Enzyme selbst auch asymmetrisch sind. Enzyme haben so genannte aktive Zentren, über die sie auf die Substratmoleküle — das sind die Moleküle, die zur chemischen Reaktion gebracht werden sollen — einwirken und die Richtung und Geschwindigkeit chemischer Reaktionen beeinflussen. Emil Fischer (Nobelpreis 1902) entwickelte 1894 ein anschauliches Modell für die sehr spezifische Wirkung von Enzymen. Danach hat das aktive Zentrum eine ganz bestimmte räumliche Form, in die wie ein Schlüssel in ein Schloss nur Substratmoleküle mit bestimmter Gestalt hineinpassen. Auch in der Welt der enzymkatalysierten chemischen Reaktionen herrschen solche ausgefeilten räumlichen Bedingungen. Die reagierenden Moleküle werden durch das Enzym nur in ganz bestimmten Orientierungen zusammengebracht. Das Enzym legt fest, welcher Weg eingeschlagen wird. Eine Pionierleistung Cornforths war die Aufklärung der Stereochemie der enzymkatalysierten Synthese von Squalen, ein azyklischer Kohlenwasserstoff, aus dem sich biosynthetisch die biologisch wichtigen Steroide bilden. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass Enzyme so spezifisch arbeiten, dass sie sogar zwei völlig gleiche Wasserstoffatome in einer nicht chiralen Methylengruppe (- CH2 -) in Bezug auf ihre räumliche Lage unterscheiden und in Bezug auf chemische Reaktionen nicht gleich behandeln. Die Synthese des Squalens aus dem einfachen Baustein Mevalonsäure, die drei solcher Methylengruppen mit insgesamt sechs Wassersstoffatomen enthält, untersuchte Cornforth auf geniale Weise. Um diese sechs Wasserstoffatome bei der stereochemisch kontrollierten Squalensynthese verfolgen zu können, musste er sie unterscheidbar machen. Das Mittel dazu war das Ersetzen von bestimmten Wasserstoffatomen der Methylengruppen durch den Einbau der Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium. Dieser Einbau der sich chemisch nur sehr geringfügig unterscheidenden Wasserstoffisotope machte es jedoch möglich, mithilfe physikalischer Methoden den Weg dieser Atome bei der Synthese zu verfolgen und dadurch den sterischen Verlauf der Synthese zu erkennen. Der Erfolg dieser Mechanismusaufklärung beruhte auf einer Kombination von chemischen, biochemischen und physikalischen Methoden. Stellten die Forschungen zu enzymkatalysierten Reaktionen den wesentlichen Teil von Cornforths Lebenswerk dar, so hat er darüber hinaus wertvolle Beiträge zu Struktur, Synthese und Produktion von Penicillinen, zur chemischen Synthese von Steroidhormonen wie Cortison und zur Chemotherapie von Tuberkulose und Lepra geleistet.
A. Neubauer