Im Labor trennt ein Katalysator spiegelbildliche Moleküle

Man halte einen linken und einen rechten Handschuh nebeneinander. Gleiches Material, gleiche Größe, und doch passt der eine nicht an die andere Hand. Moleküle können sich ähnlich verhalten, und für Chemiker ist das ein echtes Kopfzerbrechen. Spiegelbildliche Moleküle, Enantiomere genannt, sind einander so ähnlich, dass gängige Trennverfahren Mühe haben, sie auseinanderzuhalten. Ein Team in Japan berichtet nun in der Fachzeitschrift Science Advances, dass es ein Gemisch zu gleichen Teilen aus solchen spiegelbildlichen Molekülen getrennt hat, wobei in einer Form Wasserstoff durch Deuterium ersetzt wurde.

Deuterium ist ein schwererer Verwandter des Wasserstoffs: Sein Atomkern besteht aus einem Proton und einem Neutron. Der Austausch von Wasserstoff gegen Deuterium kann die Eigenschaften eines Moleküls leicht verändern, weshalb solche markierten Moleküle in der Medikamentenentwicklung und im Werkstoffbau nützlich sind. Das Problem ist, dass die beiden spiegelbildlichen Formen nahezu identisch bleiben. Die verfügbaren Werkzeuge waren schwach. Die Spektroskopie, die auf der Kernspinresonanz (NMR) beruht, kann solche Moleküle zwar unterscheiden, doch laut den Autoren dienen diese Methoden vor allem der Analyse und bieten keinen praktischen Weg zur Trennung. Die Spezialchromatografie erzielte nur eine schlechte Trennung, und ein Versuch, der besser funktionierte, benötigte 65 Durchläufe in einem Kreislauf-Chromatografiesystem. Deshalb haben Forscher diese Moleküle meist durch sorgfältig kontrollierte Synthese hergestellt, statt bestehende Gemische zu sortieren.

Die Idee des Teams war, den einen Unterschied zu nutzen, den Deuterium mit sich bringt. Eine Kohlenstoff-Deuterium-Bindung ist schwerer zu brechen als eine Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung, und die Autoren bezeichnen diesen Unterschied als „den einzigen energetischen Ansatzpunkt“, um die beiden Formen auseinanderzuhalten. Sie kombinierten ihn mit der Vorliebe eines Katalysators für eine molekulare Ausrichtung. Das Ergebnis war ein Katalysator auf Rutheniumbasis, der mit der einen spiegelbildlichen Form schneller reagiert als mit der anderen. In Versuchen mit 2-Ethylnaphthalin, bei einer Reaktion, die eine stickstoffhaltige Gruppe anlagert, wurde das gewonnene Material auf mehr als 99,9 % einer Form geschätzt. In einem Test mit einem anderen Molekül reagierte eine Form 83-mal schneller als die andere.

Diese Zahlen haben reale Grenzen. Die meisten Anreicherungswerte wurden aus den Reaktionsprodukten abgeleitet und nicht direkt an den gewonnenen Molekülen gemessen. Die eine unabhängige Kontrolle, bei der eine Probe umgewandelt und anschließend per NMR untersucht wurde, ergab ein gemessenes Verhältnis von 93:7 gegenüber einem vorhergesagten Verhältnis von 94:6. Diese enge Übereinstimmung stützt die Schätzungen. Die Leistung variierte jedoch deutlich mit der molekularen Struktur, und einige Verbindungen ließen sich weniger gut trennen. Die Methode ist ein Ausgangspunkt, kein fertiges Produktionsverfahren.

Für die pharmazeutische Forschung wäre der praktische Gewinn eine schnellere Versorgung mit isotopenmarkierten Bausteinen, den Ausgangsstoffen, aus denen Chemiker Wirkstoffe aufbauen. Eines der getesteten Moleküle wird bei der Herstellung von Tofogliflozin verwendet, einem Diabetesmedikament, und wurde in diesen Versuchen erfolgreich getrennt. Die Autoren sagen, die Methode müsse noch weiter getestet werden, und der Artikel nennt keinen Zeitplan, wann Labore sie übernehmen könnten. Vorerst ist der Fortschritt für Chemiker konkret: ein Weg, der die langsame, kontrollierte Synthese, auf die sie heute angewiesen sind, teilweise ersetzen könnte, sobald er über diese Laborbeispiele hinaus bewiesen ist.