Moleküle im Spiegel: Die Chiralität

Chirale Moleküle können durch Spiegelung nicht auf sich selbst, aber auf ihr Gegenstück, das sogenannte Enantiomer, abgebildet werden. Bild vergrößern
Chirale Moleküle können durch Spiegelung nicht auf sich selbst, aber auf ihr Gegenstück, das sogenannte Enantiomer, abgebildet werden.

Wenn man einen Blick auf die natürlichen Aminosäuren wirft, die im menschlichen Körper vorkommen, erlebt man zwei Überraschungen. Die erste ist, dass es nur sehr wenige dieser essenziellen Aminosäuren gibt. Weniger als zwei Dutzend Aminosäuren bauen die unzähligen Proteine des Körpers auf. Die zweite Überraschung ist noch viel erstaunlicher: Wenn Chemiker diese Bausteine des Lebens im Reagenzglas herstellen, erhalten sie die Aminosäuren zumeist in zwei verschiedenen Molekülformen, die zueinander spiegelbildlich sind. In der Natur kommen die Aminosäuren aber nur in einer einzigen ganz bestimmten Form vor. Und genau das Gleiche beobachtet man bei vielen biologisch wichtigen Substanzen: Von kleineren Moleküle wie den Aminosäuren und den Zuckern bis hin zu biologischen Makromolekülen wie den Enzymen – die Natur ist chiral.

Das Wort chiral ist aus dem Griechischen abgeleitet und bedeutet „händig“. Denn die beiden chiralen Formen eines Moleküls verhalten sich zueinander wie die rechte und die linke Hand eines Menschen: Auf den ersten Blick scheinen sie gleich zu sein – und trotzdem lassen sie sich nicht zur Deckung bringen. Stattdessen verhalten sie sich wie Bild und Spiegelbild, die beiden Moleküle bilden ein Enantiomerenpaar. Typische chirale Moleküle enthalten ein Kohlenstoffatom, das vier unterschiedliche Reste trägt. Chemiker bezeichnen dieses Kohlenstoffatom dann als Stereozentrum. Es gibt unterschiedliche Konventionen, um die Konfiguration eines solchen Stereozentrums zu benennen. Vor allem bei einfachen Molekülen wie den Zuckern und den Aminosäuren wird heute noch das alte D/L-System verwendet: D steht für dexter (lat.: rechts) und L für levo (lat.: links). Gebräuchlicher ist heute aber die R/S-Nomenklatur. Auch die Abkürzungen R und S stammen aus dem lateinischen: R für rectus (rechts) und S wie sinister (links). Ob ein Stereozentrum R oder S konfiguriert ist, wird nach den CIP-Regeln bestimmt, die Abkürzung CIP leitet sich von den Erfindern dieser Konvention ab: Robert Cahn, Christopher Ingold und Vladimir Prelog.

Warum sich die Natur bei den Aminosäuren und auch bei den Zuckern aber jeweils nur für eine der beiden Enantiomere „entschieden“ hat, ist unklar. Manche Wissenschaftler halten das für einen großen Zufall der Evolution. Allerdings haben Physiker berechnet, dass es einen winzigen Energieunterschied zwischen zwei Enantiomeren gibt. Dieser Effekt lässt sich auf eine Paritätsverletzung bei der schwachen Wechselwirkung zurückführen. In der Physik galt bis 1956 das Prinzip der Paritätsinvarianz, d.h. ein physikalischer Prozess sollte auch dann gleich bleiben, wenn die Paritätsoperation durchgeführt wird, also der raumgespiegelte Prozess betrachtet wird. Für die elektromagnetische und starke Wechselwirkung gilt diese Paritätsinvarianz. Anfang 1957 ergaben Messungen jedoch, dass beim radioaktiven Zerfall von Teilchen die Parität nicht erhalten bleibt. Das nennt man die «Paritätsverletzung bei der schwachen Wechselwirkung». Tatsächlich ist der Energieunterschied aber so gering, dass er nur schwer als Erklärung herhalten kann, warum sich in der Natur bei Aminosäuren und Zuckern ausschließlich jeweils eines der beiden Enantiomere findet.

Bedeutung der Chiralität

Licht kann als eine Welle betrachtet werden, deren Schwingungen in Ebenen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung erfolgen. Finden die Schwingungen nur in einer Ebene statt, so wird das Licht als polarisiertes Licht bezeichnet. Bild vergrößern
Licht kann als eine Welle betrachtet werden, deren Schwingungen in Ebenen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung erfolgen. Finden die Schwingungen nur in einer Ebene statt, so wird das Licht als polarisiertes Licht bezeichnet.

Doch welche Bedeutung hat die Chiralität überhaupt, und wie unterscheiden sich die Enantiomere voneinander? Grundsätzlich gilt: Enantiomere haben größtenteils dieselben beobachtbaren physikalischen-chemischen Eigenschaften haben. Zu dieser Regel gibt es aber auch Ausnahmen. Am bekanntesten ist das Phänomen der optischen Aktivität – Enantiomere drehen die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht in unterschiedlicher Weise: Schickt man einen Strahl von linear polarisierten Licht durch eine Probe eines der beiden Enantiomere, wird die Schwingungsebene des einfallenden Lichtes um einen bestimmten Betrag in eine Richtung gedreht (entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn). Wiederholt man dasselbe Experiment mit dem anderen Enantiomer, wird die Schwingungsebene um genau denselben Betrag gedreht - nur in die andere Richtung. Deshalb spricht man beispielsweise auch von rechts- (im Uhrzeigersinn) oder linksdrehenden (gegen den Uhrzeigersinn) Aminosäuren. Ansonsten besitzt ein Enantiomerenpaar aber den gleichen Schmelz- und Siedepunkt, Brechungsindex und auch das gleiche Reaktionsverhalten gegenüber nicht-chiralen Stoffen.

Doch noch eine weitere Eigenschaft chiraler Stoffe kann je nach Enantiomer sehr verschieden sein: das Reaktionsverhalten gegenüber anderen chiralen Verbindungen. Und da gerade im menschlichen Körper sehr viele solcher Verbindungen zu finden sind, können sich zum Beispiel chirale Pharmaka oder andere biologische aktive Substanzen je nach Enantiomer unterschiedlich verhalten. Denn das aktive Zentrum eines Enzyms, das in einem Organismus vorkommt, kann oftmals das eine Enantiomer leichter aufnehmen als das andere: Enzymreaktionen sind also häufig spezifisch für ein einziges Enantiomer. Enzyme wirken nämlich nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip – und auch Schlüssel und Schloss können chiral sein und müssen genau zusammenpassen...

Gar nicht so selten entfalten die unterschiedlichen Enantiomere auch völlig andere biologische Wirkungen. So schmeckt beispielsweise bei der Aminosäure Asparagin das eine Enantiomer süß, sein Spiegelbildmolekül dagegen bitter. Auch bei Pharmazeutika können solche Effekte auftreten: Das S-Enantiomer des Penicillamins ist ein nützliches Medikament, das antiarthritisch wirkt, das R-Enantiomer ist im Gegensatz dazu äußerst giftig.

Die chemische und pharmazeutische Industrie will deshalb heute chirale Stoffe enantiomerenrein herstellen. Das hat mehrere Vorteile: Gerade bei Arzneimitteln unterscheiden sich die beiden Enantiomere oftmals in ihrer Wirkung. Das muss nicht immer so dramatisch sein, wie im Fall des Penicillamins; doch auch bei kleinen Unterschieden in der Wirkung, wäre es besser, statt einer Mischung aus beiden Enantiomeren nur jenes zu verwenden, welches zum Beispiel weniger Nebenwirkungen verursacht.

Und auch bei anderen Substanzen, etwa bei chiralen Pestiziden, wie beispielsweise bei den Pyrethroiden, wäre es nützlich, wenn nur ein Enantiomer des Pestizids eingesetzt würde: Bei manchen Pyrethroiden übertrifft nämlich das eine Enantiomer das andere in seiner Wirkung um den Faktor 1000! Wenn es den Landwirten also möglich wäre, nur das aktivere Enantiomer einzusetzen, könnten sie deutlich niedrigere Mengen des Pestizids einsetzen.

Der Chiral Pool

Doch gezielt nur ein einziges Enantiomer herzustellen, ist gar nicht so einfach. Bei der chemischen Synthese chiraler Stoffe entstehen nämlich zumeist beide Enantiomere als Racemat – so heißt ein 1:1-Gemisch der beiden Enantiomere eines chiralen Stoffes. Deshalb müssen die Enantiomere aufwändig getrennt werden. Der klassische Weg führt über die Racematspaltung. Dabei wird das Racemat mit einem chiralen Hilfsreagenz, dem Auxiliar, chemisch umgesetzt.

Aber wie kommt man überhaupt an dieses Auxiliar, das ja auch ein reines Enantiomer sein muss? Chemiker schöpfen dazu aus dem chiral pool. Der Name chiral pool steht für das große Reservoir an enantiomerenreinen Stoffen, die in der Natur vorkommen. Als Auxiliare dienen vor allem chirale Zucker und Terpene – sie können in großem Maßstab und sehr günstig direkt aus Mikroorganismen, Pflanzen oder Pilzen gewonnen werden.

Bei der Reaktion des Racemats mit dem Auxiliar entstehen dann Diastereomere. Diastereomere besitzen, wie auch die Enantiomere, Stereozentren – und zwar gleich mehrere davon. Doch im Gegensatz zu Enantiomeren verhalten sie sich nicht mehr wie Bild und Spiegelbild. Deshalb besitzen sie auch unterschiedliche chemisch-physikalische Eigenschaften und können so voneinander getrennt werden, zum Beispiel durch fraktionierende Kristallisation. Eine moderne Methode der Trennung ist die Säulenchromatographie. Das gelöste Racemat wird durch eine Säule geleitet, die mit chiralen Füllstoffen befüllt ist – häufig Polysacchariden, die aus dem chiral pool stammen. Chemiker bezeichnen das Füllmaterial als stationäre Phase. Die beiden Enantiomere reagieren unterschiedlich mit der stationären Phase – sehr oft bleibt ein Enantiomer gut daran haften, das andere fast überhaupt nicht. Dadurch lassen sich die Enantiomere sehr elegant und sehr rein voneinander trennen. Ein großer Nachteil jeder Racematspaltung ist allerdings, dass von 100% synthetisierter Ausgangssubstanz nach der Spaltung nur noch 50% des erwünschten Enantiomers vorhanden ist, die andere Hälfte ist das „falsche“ Enantiomer, das unter Umständen kostspielig entsorgt werden muss.

Besser wäre es also, in einer chemischen Reaktion gezielt nur ein einziges Enantiomer zu synthetisieren. Diese sogenannte Asymmetrische Synthese gehört allerdings zu den schwierigsten Feldern der Chemie. Dennoch gelang es Wissenschaftlern mehrmals solche Synthesen zu entwickeln. Der Nobelpreis für Chemie des Jahres 2001 beispielsweise ging ausschließlich an Chemiker, die Verdienste um asymmetrische Synthesen hatten: Karl Barry Sharpless, William Knowles und Ryoji Noyori. Auch für diese Arten der Synthese müssen sich die Chemiker aber im chiral pool bedienen: Bei der Bausteinsynthese wird ein chiraler Stoff direkt als Baustein in der Reaktion verwendet. Bei der Synthese mit chiralen Auxiliaren setzen die Chemiker ein Auxiliar ein, das sich zuerst an den eigentlichen Synthesebaustein bindet. Dadurch wird die Stereoinformation in das Molekül eingeführt und die anschließende Reaktion kann enatioselektiv verlaufen. Besonders elegant ist die chirale Katalyse: Chemiker bauen hier aus chiralen Liganden des chiral pools und anderen Molekülen effiziente Katalysatoren, die dafür sorgen, dass bei bestimmte Reaktionen nur ein Enantiomer gebildet wird.

Noch besser beherrscht aber die Natur die chirale Katalyse – dort sind enatioselektive Vorgänge alltäglich, chirale Enzyme sind ja nichts anderes als chirale Biokatalysatoren. Deshalb wird zunehmend auch im Labor und der pharmazeutischen Industrie mithilfe enantioselektiver Enzyme gearbeitet, die direkt aus der Natur oder von gentechnisch veränderten Organismen gewonnen werden.

Christian Remenyi (2007)