Aktivierung von Sauerstoff – Chemiker lernen von der Natur

Die genialen Tricks der Natur wollen Wissenschaftler der Universität Heidelberg durchschauen und in ihren Laboratorien nachahmen. Das Ziel ihrer Arbeiten ist, biologische Prozesse bis ins atomare Detail zu verstehen. Peter Comba, Marion Kerscher und Bodo Martin vom Anorganisch-Chemischen Institut geben nicht nur einen Einblick in die faszinierende Welt der Moleküle und was sie im Innersten zusammenhält, sie erläutern auch den praktischen Nutzwert ihrer grundlegenden Betrachtungen.

Sauerstoff ist allgegenwärtig, ein unabdingbarer Rohstoff für die Industrie, lebensnotwendig: Über 20 Prozent der Luft ist elementarer Sauerstoff (O₂), die meisten Minerale enthalten Sauerstoff, unser Körper besteht zu über 60 Prozent aus gebundenem Sauerstoff. Dies war nicht immer so. Die Entwicklung der Photosynthese, die mit dem Entstehen des Lebens auf der Erde vor etwa 2.5 x 10⁹ Jahren einherging, ist dafür verantwortlich, dass das Kohlendioxid (CO₂) der frühen Erdatmosphäre in Sauerstoff umgewandelt wurde. Die heutige Erdatmosphäre verfügt über einen Sauerstoffvorrat von unglaublichen 10¹⁵ Tonnen. Ein Teil davon wird ständig für Verbrennungen verbraucht – in Motoren, im Haushalt, in der Industrie, im Körper, zur Energiegewinnung oder zum Veredeln chemischer Rohstoffe. Wenn organisches Material, das zu einem großen Teil aus Kohlenwasserstoffen besteht, verbrennt, entsteht als Produkt Kohlendioxid, das zurück in die Erdatmosphäre gelangt. Ein ewiger Kreislauf also, für den die Sonne die Energie liefert, welche vom Chlorophyll der Pflanzen eingefangen und mittels komplexer Enzyme für die Umwandlung von Kohlendioxid zu Sauerstoff und Zucker genutzt wird. Ein delikater und lebensnotwendiger Kreislauf.

Verbrennungen (Reaktionen mit Sauerstoff, Oxidationen) liefern Energie: Seit Jahrtausenden wärmen sich Menschen an Feuern. Holz (Kohlenwasserstoffe) reagiert mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser (und einigen anderen Nebenprodukten) und setzt dabei viel Energie, wohltuende Wärme, frei. Die Energie letztlich, welche die Enzyme in den Pflanzen von der Sonne eingefangen und zum Aufbau organischen Materials verwendet haben. Auch dies gehört zu den natürlichen Kreisläufen, ebenso wie der Zerfall pflanzlicher und tierischer Kohlenwasserstoffe in fossile Brennstoffe.

Verbrennungen liefern also Energie, sie sind günstig ("thermodynamisch bevorzugt"), aber sie laufen nicht spontan ab. Die stabile Form einer Zeitung in einer Sauerstoffatmosphäre ist Kohlendioxid. Auch die eines Tisches, eines Teppichs und die der Kleider. Und auch wir bestehen zu einem großen Teil aus Kohlenwasserstoffen. Doch die Natur hat diesem Zerfall zu CO₂ eine Grenze gesetzt, in Form einer Energiebarriere: Sauerstoff muss aktiviert werden, damit er mit den Kohlenwasserstoffen reagieren kann. Wir müssen die Zeitung anzünden, damit sie brennt – zuerst muss Energie zugeführt werden, damit viel mehr davon freigesetzt werden kann.

Die Natur macht das eleganter. Im menschlichen Körper laufen Oxidationen bei moderaten 37 Grad Celsius ab: Enzyme (Biokatalysatoren) erniedrigen die Aktivierungsenergien, also die Energiebarrieren. Häufig handelt es sich bei Enzymen um Metalloproteine, bei denen Sauerstoff an die Metallzentren gebunden und auf diese Weise aktiviert wird. Daraus haben Chemiker gelernt. Das Zauberwort in der chemischen Industrie und in der Grundlagenforschung heißt Katalyse, hier im Speziellen Oxidationskatalyse, und die Katalysatoren sind Übergangsmetallverbindungen.

Katalysatoren erniedrigen Energiebarrieren. Im menschlichen Körper laufen Reaktionen mit Sauerstoff beispielsweise bei moderaten 37 Grad Celsius ab. Möglich machen das Biokatalysatoren: die Enzyme.

Bei Oxidationen in biologischen Systemen, im Labor und in der Industrie geht es nicht immer und nicht in erster Linie um Energiegewinnung, sondern darum, billige Rohstoffe zu bestimmten sauerstoffhaltigen Produkten oder Zwischenprodukten zu veredeln, zu Alkoholen, Säuren, Ketonen, Epoxiden und anderen wichtigen Produkten und zwar vornehmlich zu nur einem von vielleicht vielen möglichen. Dazu werden ausgesuchte Enzyme beziehungsweise Katalysatoren genutzt, die eine Aktivierungsbarriere spezifisch erniedrigen und so einen von vielen möglichen Reaktionspfaden öffnen – so wie in einer zerklüfteten Gebirgslandschaft durch den Bau einer Pass-Straße der Verkehr vom ersten Tal gezielt ins zweite und nicht in ein drittes oder viertes rollt. Die Anwendungen, die aus dem Erforschen der enzymatischen Oxidationen und dem Entwickeln technischer Katalysatoren für das Übertragen von Sauerstoff resultieren, sind mannigfach: Behandlungsstrategien gegen den "oxidativen Stress" von Zellen zählen ebenso dazu wie das "Veredeln" billiger Erdölbestandteile, das schonende und effiziente Bleichen schmutziger Wäsche und das Rückverwandeln grauer Haare in ihre ursprüngliche Farbe.

Die Reaktionsträgheit von molekularem Sauerstoff – der Grund dafür, dass Papier nicht spontan brennt – hängt mit der elektronischen Struktur des Sauerstoffmoleküls zusammen. Die stabilste Form von Sauerstoff ist paramagnetisch, Sauerstoff hat ungepaarte Elektronen, es ist ein Diradikal. Um Sauerstoff zu aktivieren, verwendet die Natur Metalloproteine, weil deren Übergangsmetallzentren ebenfalls ungepaarte Elektronen haben, beispielsweise Eisen in verschiedenen Oxidationsstufen, Kupfer oder Mangan. Wenn sich ein Sauerstoffmolekül an ein oder mehrere dieser Metallzentren eines Enzyms oder Katalysators bindet (koordiniert), wird die ausgesprochen starke Doppelbindung im Sauerstoffmolekül aktiviert, geschwächt oder gar gespalten. Elektronen werden vom Metallzentrum zum Sauerstoff verschoben (das Metallzentrum wird oxidiert, beispielsweise bei Eisen von Fe^II zu Fe^III, Fe^IV oder Fe^V) und die reduzierten, hoch aktiven Sauerstoffteilchen werden an ein Substrat übertragen. Bei der Tyrosinase beispielsweise besteht das aktive Zentrum im Ruhezustand aus zwei Cu^I-Ionen im Abstand von circa 3,5 Å (ein Å = 10^-10 m). Während oder nach der Bindung von elementarem Sauerstoff geben die Kupferzentren Elektronen ab, werden also von Cu^I zu Cu^II oxidiert und der Sauerstoff wird zu Peroxid (O₂^2-) oder gar zu Oxid (O^2-) reduziert. Wird dieser Sauerstoff auf die Aminosäure Tyrosin übertragen, entsteht Dopa. Mit anderen Enzymen kann Dopa selektiv zu Dopamin und schließlich zu Adrenalin, einer chemischen Überträgersubstanz von Nervenreizen, weiterreagieren.

Hämocyanin, Tyrosinase und Catecholoxidase sind strukturanaloge Enzyme. Ihr katalytisch aktives Zentrum stellen zwei Kupferatome dar. Der an diese gebundene Sauerstoff ist im Falle der Tyrosinase in der Lage, aus Tyrosin Dopa zu produzieren.

Warum verwendet die Natur hoch molekulare, kompliziert strukturierte Proteine mit vielleicht ein- oder mehreren hundert Aminosäuren und Tausenden von Atomen, um ein oder zwei Metallzentren zu binden? Warum verwendet man in der technischen Katalyse zwar kleinere, aber speziell strukturierte, maßgeschneiderte und manchmal aufwändig zu synthetisierende organische Moleküle (Liganden), die an die Metallzentren gebunden sind? Die Form der Liganden und Komplexe spielt in mehrfacher Hinsicht eine entscheidende Rolle: Proteine haben Bindungstaschen im aktiven Zentrum und Kanäle, die ins Zentrum führen, so dass nur ganz bestimmte Moleküle vordringen, an das Metallzentrum gebunden oder in seiner Nähe positioniert und so für die Reaktion vorbereitet werden können. Wichtige Faktoren für das Fixieren und genaue Positionieren von Substraten sind wiederum die Form und die möglichen "Bindungsstellen" am Protein (Ladungen, Wasserstoffbrücken, Hydrophobizität). Bei synthetischen Katalysatoren spielt dieser Faktor oft eine nur untergeordnete Rolle. Die Synthese von genau strukturierten Bindungstaschen um das Katalysezentrum ist so komplex, dass sie oft nicht mit großer Priorität bedacht wird. Das resultiert häufig in einer viel geringeren Selektivität – mit allen Nachteilen, durchaus aber auch Vorteilen, denn der gleiche Katalysator kann oft für verschiedene Substrate, manchmal auch für verschiedene Reaktionen eingesetzt werden.

Die Form spielt aber auch dort eine Rolle, wo es um die Geometrie der Koordinationssphäre geht, den Abstand der vier, fünf oder sechs an das Metallzentrum gebundenen Atome des oder der Liganden und deren räumliche Verteilung. Mit der Koordinationsgeometrie korrelieren fast alle wichtigen Eigenschaften einer solchen Verbindung: die Stabilität, die Reaktivität und die elektronischen Eigenschaften – also auch die Farbe und die Effizienz, mit der eine Übergangsmetallkoordinationsverbindung Sauerstoff aktivieren und auf spezifische Substrate übertragen kann.

Bispidine verfügen über eine mit Diamant vergleichbare und zudem äußerst starre Grundstruktur.

Der Schritt zum Erfolg ist in der Theorie jetzt nur noch klein: Wir müssen detailliert verstehen lernen, wie spezifische Eigenschaften von der Geometrie des Ausgangskomplexes (Präkatalysators) abhängen, und genau diese Geometrie müssen wir mit einem Liganden erzwingen. Den Weg haben wir der Natur abgeschaut, das theoretische Fundament dazu findet man in der Literatur, sowohl in älteren wie in neuen Arbeiten – das ist Grundlagenforschung.

Unsere Forschungsgruppe beschäftigt sich mit der theoretischen Grundlage dieses klar definierten Problems sowie mit neuen Konzepten, darauf aufbauenden Computerprogrammen und Modellrechnungen: Wie genau hängt eine bestimmte Eigenschaft von der Struktur ab, und wie kann ich dies einfach und genau berechnen? Welche Struktur muss ich erzwingen, und wie genau mache ich das, welchen Liganden brauche ich dazu? Ligandendesign also. Ein darauf aufbauendes Arbeitsgebiet ist die organische Synthese, die Aufgabe nämlich, ein ganz bestimmtes Molekül herzustellen, das dem Katalysezentrum eine spezifische, Erfolg versprechende Geometrie aufzwingen wird. Mit diesen Liganden erfolgt die Synthese der Metallkomplexe (FeII zum Beispiel), abschließend wird die Testreaktion durchgeführt: Ist der Katalysator so effizient wie erwartet?

An Starrheit kaum zu übertreffen

In den letzten fünf Jahren setzten wir auf "Bispidine", ein Ligandensystem mit vier oder fünf Donoren (an das Metallzentrum gebundene Atome). Interessant ist, dass Bispidinmoleküle schon im Jahr 1934 von Carl Mannich, einem deutschen Organiker, hergestellt und seit den 1960er Jahren von den deutschen pharmazeutischen Chemikern Haller und Holzgrabe als Analgetika (schmerzstillende Mittel) untersucht wurden. Erst in den späten 1990er Jahren hat sich vor allem unsere Gruppe intensiv mit der Übergangsmetallkoordinationschemie dieser Liganden beschäftigt.

Bispidine haben ein Gerüst, das an Starrheit fast nicht zu übertreffen ist, strukturell leitet es sich vom Diamantgerüst ab. Hinzu kommt, dass bei vierzähnigen Bispidinliganden das Substrat meist in einer Ebene mit den beiden Pyridinen gebunden ist. Dies ist eine Geometrie, die gerade für Cu^II äußerst selten und ungewöhnlich ist und bei Koordination von Sauerstoff zu sehr stabilen Kupfer-Sauerstoff-Bindungen führt. Die zweite mögliche Position zur Koordination eines Substrats ist nicht nur geometrisch, sondern auch elektronisch völlig andersartig: Hier kann man steuern und beeinflussen.

Die zwei sehr unterschiedlichen Strukturen dieses an CuII gebundenen fünfzähnigen Bispidins liegen in zwei Mulden der Energiehyperfläche. Sie besitzen annähernd gleiche Stabilität, jedoch gänzlich andere Eigenschaften: Eine Verbindung ist grün, die andere blau.

Ein äußerst starrer Ligand also – und das können wir durch über 50 experimentelle Strukturen von vielleicht zwei Dutzend Bispidinliganden mit verschiedensten Metallzentren belegen: Die Koordinaten der an die Metallzentren gebundenen Ligandenatome sind praktisch konstant. Was man vielleicht im ersten Augenblick nicht erwarten würde, ist, dass die Koordinationsgeometrie in der Gruppe dieser 50 Strukturen stark variiert. Wenn man sich ein einfaches Bild macht, versteht man dies gut: Der Bispidinligand als halboffene Hand, eine starre, eiserne Hand, und das Metallzentrum an unterschiedlichen Positionen, näher am kleinen Finger oder am Daumen oder am Zeigefinger. Im starren Hohlraum der Bispidinliganden ist nicht jede Position, aber je nach Metallzentrum manchmal mehr als eine möglich: Eine Potenzialenergiehyperfläche mit mehreren Minima, metastabile Strukturen, eine Landschaft mit mehreren Mulden, welche sehr unterschiedlichen Strukturen mit leicht unterschiedlicher Stabilität entsprechen.

Interessant ist, dass ein bekannter Theoretiker, der amerikanische Nobelpreisträger und Heidelberger Ehrensenator Roald Hoffmann, diese Eigenschaft von Molekülen bereits im Jahr 1972 vorausgesagt hat, und dass in den darauf folgenden Jahren von verschiedenen Forschern eine Reihe entsprechender experimenteller Beobachtungen publiziert worden sind. Zumeist stellte sich jedoch später heraus, dass es sich um Artefakte beziehungsweise Fehlinterpretationen handelte. Bis heute gibt es nur sehr wenige eindeutig charakterisierte Beispiele, dazu gehören Resultate mit unseren Bispidinkomplexen. Was aber ist in Bezug auf spezifische Reaktivitäten interessant, wenn zwei oder mehr energetisch fast gleiche, aber geometrisch stark unterschiedliche Strukturen möglich sind? Man kann in diesem Fall zwischen zwei Formen mit gänzlich verschiedenen Eigenschaften (Farben, Reaktivitäten) durch externe Einflüsse schalten, zum Beispiel durch Temperaturänderungen oder mit Licht. Nach solchen Möglichkeiten suchen wir. Eine haben wir bislang gefunden – nicht bei der Sauerstoffaktivierung, sondern bei der kupferkatalysierten Aziridinierung, einer Stickstoffübertragungsreaktion.

Einzigartiges Resultat

Zurück zur Sauerstoffaktivierung. Zwei Kupferionen sind im aktiven Zentrum der drei Enzyme Hämocyanin (wie das eisenhaltige Hämoglobin im Menschen ein Sauerstofftransporter in Meerestieren), Tyrosinase und Catecholoxidase (oxidiert Catechole zu ortho-Chinonen, zum Beispiel Dopa zu Dopachinon). Das aktive Zentrum der drei Enzyme sieht nahezu gleich aus, und tatsächlich können diese die jeweils anderen Reaktionen auch katalysieren, lediglich weniger effizient. Kupferbispidine zeigen Reaktivitäten, die den natürlichen Systemen ähnlich sind. Wie erwartet sind sie aber weniger effizient (fehlende Effekte des Proteingerüstes und für diese Reaktionen nicht optimierte Koordinationsgeometrie). Dafür ist unsere Peroxodikupfer(II)-Verbindung (Hämocyanin-Modellverbindung) die stabilste dieses Typs, die bisher synthetisiert wurde, und bei den Kupferbispidinen mit koordiniertem Catechol haben wir drei Strukturtypen kristallisieren und mit Röntgenstrukturanalyse charakterisieren können. Auch dies nur darum, weil diese Verbindungen so stabil sind. Dies ist ein einzigartiges Resultat, das uns zusammen mit weiteren Experimenten und quantenmechanischen Rechnungen helfen wird, genau zu verstehen, wie die Reaktion Schritt für Schritt abläuft. Viel wichtiger noch: Wir haben es erwartet und verstehen, warum diese Verbindungen so stabil sind. Dies hängt mit der beschriebenen speziellen Geometrie der Komplexe zusammen. Hier funktionieren also die Strukturvorhersage und die Korrelation zwischen Struktur und Reaktivität. Der Bispidinligand erzwingt die erwünschte Geometrie und diese führt zur erwünschten Stabilität.

Bispidinkomplexe mit auf verschiedene Weise gebundenem und aktiviertem Sauerstoff.

Noch interessanter sind die Reaktionen von Bispidinkomplexen mit Wasserstoffperoxid. Mit Vanadium, Kobalt und mit Eisen haben wir neue, interessante Verbindungen isoliert und im Detail analysiert. Verbindungen, die Sauerstoff in unterschiedlicher Form gebunden haben (Oxid, Peroxid, Superoxid). Verbindungen mit teilweise speziellen und neuen Eigenschaften. Verbindungen, die uns zeigen, auf welche Art sie Sauerstoff übertragen können. Mit Eisen und Bispidinliganden haben wir Katalysatoren hergestellt, welche aus Alkanen und Alkenen (Kohlenwasserstoffen mit Einfach- und Doppelbindungen) Epoxide und Diole machen können. In dieser Klasse von Eisenkatalysatoren gehören unsere Bispidine zu den aktivsten, die bisher synthetisiert wurden, sodass es durchaus interessant sein könnte, sie für Anwendungen in größerer Menge industriell herzustellen.

Ganz genau hinsehen, welche Tricks die Natur anwendet, diese bis ins Detail verstehen und dann im Labor, unterstützt von Theorie und Rechnungen, kleine Moleküle synthetisieren, welche die jetzt bekannten Prinzipien der biologischen Systeme beinhalten und neue und vorausgeplante Eigenschaften aufweisen: Biochemie ist dies nicht, vielleicht bioanorganische Chemie – aber eigentlich auch das nicht. Grundlagenforschung ist es, Forschungsarbeit, die es uns ermöglichen kann, biologische Prozesse besser zu verstehen, Forschung auch, die uns hilft, Katalyse ganz allgemein – hier speziell Oxidationskatalyse – zu verstehen und so zu planen, dass daraus wichtige Anwendungen resultieren.

Autoren:
Prof. Dr. Peter Comba, Dr. Marion Kerscher und Dr. Bodo Martin,
Anorganisch-Chemisches Institut,
Im Neuenheimer Feld 270, 69120 Heidelberg,
Telefon (0 62 21) 54 84 53,
e-mail: peter.comba@aci.uni-heidelberg.de

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