Das Interesse seitens der Pharmaindustrie an der gezielten Herstellung von chemisch und räumlich einheitlichen Stoffen, welche der Herstellung von Medikamenten dienen, ist besonders groß. Die meisten Verfahren sind kostenintensiv und stehen im Kontrast zu einer nachhaltigen Produktion. Dank eines neuen Katalyseverfahrens, welches in Wasser durchgeführt werden kann und gleichzeitig ein Katalysatorrecycling beinhaltet, kann die Herstellung nicht nur kostenschonender, sondern auch umweltverträglicher durchgeführt werden.
2001 würdigte die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften die Arbeiten der Forscher William Knowles, Ryoji Noyori und Barry Sharpless mit dem Nobelpreis für Chemie [1]. Das Forschungsinteresse der drei Wissenschaftler war die katalysierte Herstellung von asymmetrischen Molekülen. Mit dieser Auszeichnung hebt das Nobelkomitee gleichzeitig die Wichtigkeit von chiralen Stoffen hervor. Aber was bedeutet es eigentlich, wenn ein Stoff „chiral" ist und betrifft es unser alltägliches Leben?

Bakterienwachstum hemmen oder Erblinden?
Der Begriff chiral leitet sich von dem griechischen Wort cheir ab, welches Hand bedeutet. Denn unsere Hände sind chiral: beide Hände sehen gleich aus, sind das Spiegelbild der anderen und dennoch sind sie nicht deckungsgleich (Abb. 1)!

Moleküle können ebenfalls eine Händigkeit bzw. Chiralität aufweisen. Sie sind aus den gleichen Atomen zusammengesetzt und besitzen sogar dieselbe Strukturformel. Auf den ersten Blick sehen sie gleich aus, doch bei der räumlichen Betrachtung können Unterschiede in der Anordnung sichtbar werden. Da die Natur vielfach nach einem chiralen Konzept- Stichwort Schlüssel-Schloss-Prinzip - funktioniert, muss diese Tatsache auch bei der Herstellung von Medikamenten unbedingt berücksichtigt werden. Denn die sogenannten R-/S-Enantiomere mögen dieselben chemischen und physikalischen Eigenschaften besitzen, doch für ihre biologische Aktivität trifft das nicht zwangsläufig zu; so existieren z. B. von dem Antibiotikum Ethambutol [2], einem Wirkstoff gegen Tuberkulose, zwei Enantiomere, wobei die S-Form die gewünschte wachstumshemmende Wirkung auf die Tuberkelbakterien besitzt, die R-Variante jedoch zur Erblindung führen kann (Abb.

2).
In der Literatur sind mittlerweile viele solcher Fälle beschrieben, bei denen nur eines der beiden Enantiomere die erwünschte Wirkung zeigt. Somit erklärt sich auch, warum in den letzten beiden Jahrzehnten die gezielte Herstellung von enantiomerenreinen Stoffen deutlich zugenommen hat.

Die annähernden Anteile an der Gesamtheit neuer Moleküle, welche durch die behördliche Lebensmittelüberwachung und Arzneimittelbehörde der Vereinigten Amerikanischen Staaten, der Food and Drug Administration (FDA), zwischen den Jahren 2004 und 2006 zugelassen wurden, zeigen deutlich den Trend zu enantiomerenreinen Stoffen [3] (Abb. 3). Aufgrund der Angaben des amerikanischen Marktforschungsinstituts IMS Health und eigenen Bedingungen, wurden 2008 bereits rund 52 % des Umsatzes mit chiralen Wirkstoffen generiert, was einem Wert von 391 Millarden US-Dollar entspricht, also umgerechnet mehr als 290 Mrd €.

Anfällige Übergangsmetallkomplexe sind der Kostenfaktor
Vor diesem Hintergrund ist zu verstehen, warum Syntheseverfahren, bei denen nur ein Enantiomer entsteht, in den Fokus der Industrie gerückt sind. Wenn unter normalen Umständen im Labor z. B. die Aminosäure Alanin synthetisiert wird, entsteht ein Gemisch aus gleichen Anteilen von R- und S-Alanin, ein Racemat. Bei der asymmetrischen Synthese, unter Zuhilfenahme von chemischen Katalysatoren, kann eines der beiden Enantiomere mit einem Überschuss von biszu 99 % synthetisiert werden.

Nobelpreisgewinner Knowles war einer der ersten, der eine katalytisch-asymmetrische Reaktion im industriellen Maßstab durchführte, indem er die seltene Aminosäure L-3,4-Dihydroxyphenyl­alanin, ein Wirkstoff zur Behandlung der Parkinson-Krankheit, mithilfe eines Rhodiumkomplexes synthetisierte [4]. Seitdem haben sich Hydrierungen, also chemische Additionsreaktionen von Wasserstoff, mit chiralen Metallkomplexen am weitesten industriell verbreitet [5]. Nachteilig bei dieser homogen katalysierten asymmetrischen Hydrierreaktion sind die äußerst sensiblen Übergangsmetallkomplexe. Ihr wiederholter Einsatz geht oftmals mit einem Aktivitätsverlust einher, wodurch eine Wiederverwendung im Grunde nicht effizient ist. Letztendlich entstehen hohe Kosten durch den vermehrten Einsatz frischer Edelmetallkatalysatoren. Hinzu kommen die Kosten für teure organische Lösungsmittel.

Recyclingkonzepten fehlt die Marktreife
Grundsätzlich lassen sich für eine Rückgewinnung der Katalysatoren verschiedene Verfahren anwenden, wobei es bisher noch kein Konzept bis zur Marktreife geschafft hat.