Nobelpreise für Elementarreaktionen

Das Stockholmer Komitee, das die Nobelpreise vergibt, hat sich immer wieder begeistert gezeigt, wenn solche elementaren Erkenntnisse über Reaktionsfähigkeit und Reaktionsweisen eine praktische Anwendung fanden. Dabei ist unter praktischer Anwendung nicht nr zu verstehen, dass sie technisch umgesetzt werden, sondern dass die Erkenntnisse genutzt werden, um unsere Welt ein Stück verständlicher zu machen, das heißt Ursachen und Wirkungen aufzudecken. Ein schönes Beispiel dafür ist der Nobelpreis für Chemie des Jahres 1995, mit dem die Aufdeckung des Mechanismus des Ozonschwunds in den oberen Schichten der Erdatmosphäre belohnt wurde. Es gibt wenige Themen der chemischen Grundlagenforschung, die wegen ihrer praktischen Konsequenzen so viel Beachtung bis in die internationale Politik hinein gefunden haben wie die Entstehung des “Ozonlochs”.
Mit dem Mechanismus elementarer Reaktionen haben sich auch Hartmut Michel, Johann Deisenhofer und Robert Huber beschäftigt, denen 1988 der Nobelpreis für Chemie verliehen wurde. Mit Arbeiten, die sie zwischen 1981 und 1985 am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München durchgeführt hatten, gelang ihnen der entscheidende Schritt zur Aufklärung des Prozesses, auf dem alles irdische Leben beruht: der Photosynthese. Die Photosynthese dient dazu, aus Kohlendioxid und Wasser organische Moleküle wie Traubenzucker (Glucose) aufzubauen. Die besteht aus mehreren Teilschritten. In einer ersten Lichtreaktion wird die Sonnenenergie zunächst in Adenosintriphosphat (ATP), den energiereichen “ Treibstoff” der Zelle, umgewandelt. Die Lichtreaktion findet an der Zellmembran statt. Der entscheidende Schritt erfolgt in bestimmten Proteinen, die in die Zellmembran eingebettet sind. Bei Belichtung findet eine Landungstrennung photoangeregter Zustände statt, die zu einer elektrischen Aufladung der Membranoberflächen führt. Alle weiteren Reaktionen erfolgen im Dunkeln als Folge der elektrischen Potentialdifferenz zwischen Innen- und Außenfläche dier Zellmembran. Michel, Deisenhofer und Huber erhielten den Nobelpreis für die Aufklärung der Struktur des Protein-Membrankomplexes mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse. Dieser Komplex lässt sich auch als “lichtgeriebene Pumpe” bezeichnen. Er ist eines der am besten beschriebenen Beispiele für eine molekulare Maschine, einen aus vielen verschiedenartigen Bestandteilen zusammengesetzten Apparat von molekularen Dimensionen, der die Energie des Lichtes in chemische Energie, das heißt Moleküle mit großem Energieinhalt, umzusetzen vermag.
Viele Visionen, die phantasiebegabte Chemiker heute beflügeln, leiten sich von diesen Arbeiten ab. Einige solcher Ansätze, die klar in die Zukunft gerichtet sind, haben wir in dieses Heft aufgenommen. Dazu gehört die Supramolekulare Chemie, ein Gebiet, das von dem Straßburger Nobelpreisträger Jean-Marie Lehn so benannt und stark geprägt worden ist. Günther Stoll beschreibt in seinem Beitrag, wie verschiedene Arbeitsgruppen in aller Welt sich bemühen, molekulare Maschinen und Funktionseinheiten, wie beispielsweise Schalter, Regler, Aktoren und Sensoren, auf der Ebene von Molekülen aufzubauen. Die Natur ist zum Teil Vorbild und Lehrmeister, zum Teil versucht man aber auch, Konzepte aus der Welt makroskopischer Maschinen in die Welt der Moleküle zu übersetzen. Die Synthese von ineinandergeknüpften Molekülen, die den olympischen Ringen ähneln, ist dabei sicher eine Meisterleistung des englischen Chemikers Frzer Stoddart, hat aber keine praktische Bedeutung. Sie zeigt aber, was die moderne Chemie im Prinzip zu leisten vermag. Dagegen ist die gründliche Erforschung von Verbindungen, die andere Moleküle zu erkennen und in Form von Einschlussverindungen aufzunehmen vermögen, von enorm praktischer Bedeutung. Man spricht von Moleküle, die als Wirte zur Beherbergung von Gästen dienen. Es lässt sich absehen, dass neue Wirkstoffe und neue Formen pharmazeutischer Anwendung aus solchen noch grundlagenbezogenen Forschungen entstehen werden.
Wie bereits erwähnt, gehört die Trennung von Ladungsträgern und die Übertragung von Ladung zwischen Molekülen zu den elementrarsten Schritten chemischer Reaktionen. Die Photosynthese ist nur eines der bekanntesten Beispiele. Aber auch die Korrosion von Metallen, die Elektrolyse, die Chemilumineszenz und andere Phänomene gehören dazu. Da war es nicht mehr als gerecht, dass demjenigen, der die erste verallgemeinernde Theorie von Elektronentransfer-Reaktionen geschaffen hatte, dem Kalifornier Rudolph A. Marcus, 1992 der Nobelpreis für Chemie verliehen wurde.
Maria Michel-Beyerle und Ulrich Eberle schildern in diesem Heft die Tragweite und Bedeutung der Marcus-Theorie. Beeindruckend ist, wie gut diese Theorie die ersten Schritte der Photosynthese zu beschreiben vermag, bei denen ein Elektron in nur 3 billionstel Senkunden über einen Abstand von 1,7 millionstel Millimeter übertragen wird. Ähnlich adäquat beschreibt die Theorie aber auch zahlreiche Reaktionen der organischen und anorganischen Chemie und dabei besonders gut den früher rätselhaften Einfluss von Lösungsmitteln auf Oxidations- und Reduktionsreaktionen.