Stereochemie & Chiralität

1848, im Pariser Labor von Antoine Balard an der École normale supérieure, kristallisierte der sechsundzwanzigjährige Louis Pasteur das Natrium-Ammonium-Salz der Traubensäure — chemisch dieselbe Verbindung wie die gewöhnliche Weinsäure, aber optisch inaktiv. Unter dem Mikroskop sah er, was vor ihm kein Chemiker gesehen hatte: Das Salz schied sich in zwei Kristallformen ab, die sich zueinander wie Bild und Spiegelbild verhielten und nicht zur Deckung zu bringen waren — wie eine linke und eine rechte Hand. Wochenlang las er die Kristalle von Hand auseinander, löste jeden Haufen für sich auf und maß die optische Drehung. Die eine Lösung drehte die Ebene des polarisierten Lichts nach rechts, die andere um genau denselben Winkel nach links; im ungetrennten Gemisch hatten sich die beiden Drehungen aufgehoben. Molekülgeometrie konnte eine Händigkeit besitzen — Chiralität, vom griechischen Wort für Hand, war eine reale Eigenschaft der Materie.

Zwei Moleküle mit identischer Verknüpfung können sich einzig in ihrer räumlichen Anordnung unterscheiden, und dieser Unterschied kann darüber entscheiden, ob ein Stoff heilt oder vergiftet. Enantiomere sind Stereoisomere, die sich wie nicht zur Deckung zu bringende Spiegelbilder verhalten; Diastereomere sind Stereoisomere, bei denen das nicht der Fall ist. Örtliche Quelle der Asymmetrie ist ein Chiralitätszentrum, meist ein Kohlenstoffatom mit vier verschiedenen Substituenten; ein Molekül mit n Zentren besitzt bis zu 2ⁿ Stereoisomere, und die Cahn-Ingold-Prelog-Nomenklatur ordnet jedem Zentrum über eine Rangfolge der Substituenten ein R oder ein S zu. Pasteurs Befund blieb ein Vierteljahrhundert lang folgenlos, bis Jacobus van 't Hoff und Joseph-Achille Le Bel 1874 unabhängig voneinander vorschlugen, die tetraedrische Geometrie des Kohlenstoffs sei der geometrische Ursprung der Chiralität; van 't Hoff bekam 1901 den ersten Nobelpreis für Chemie. Die biologischen Folgen sind gewaltig, denn die Biologie selbst ist chiral: Proteine bestehen aus L-Aminosäuren, DNA, RNA und die meisten Stoffwechselzwischenprodukte laufen auf D-Zuckern. Rezeptoren und Enzyme sind ihrerseits chiral und unterscheiden Enantiomere um Faktoren von Tausenden — (R)-Carvon riecht nach grüner Minze, (S)-Carvon nach Kümmel. Das kanonische Beispiel aus der Arzneimittelgeschichte ist die Contergan-Katastrophe der Jahre 1957–1962: Das racemische Beruhigungsmittel der Chemie Grünenthal, Wirkstoff Thalidomid, enthielt ein Enantiomer mit der beabsichtigten Wirkung und ein zweites, ein starkes Teratogen, das bei rund zehntausend Neugeborenen Gliedmaßenfehlbildungen verursachte, ehe das Präparat vom Markt genommen wurde — wobei sich die beiden Enantiomere unter physiologischen Bedingungen ineinander umlagern, ein reines Präparat das Unglück also nicht verhindert hätte. Der Chemie-Nobelpreis 2001 ging an William Knowles, Ryōji Noyori und K. Barry Sharpless für die asymmetrische Katalyse — Verfahren, die bevorzugt ein Enantiomer liefern und heute im Zentrum der industriellen Pharmaziechemie stehen.