Die Geschichte der Synthese

Die Synthese, also die Herstellung neuer Substanzen aus den Elementen oder bereits bekannten Ausgangsverbindungen, ist eines der zentralen Themen der Chemie. Während Stoffumwandlungen schon seit Jahrtausenden von Menschen durchgeführt werden, ist der moderne Synthesebegriff durch formale Regeln, eine ganze Reihe an Namensreaktionen und zunehmend ausgefeilte Verfahren geprägt. Durch dieses theoretische Wissen ist die Herleitung und Planung einer Synthesestrategie möglich, die gezielt von einfachen Ausgangssubstanzen zum gesuchten Zielprodukt führt. Durch ein immer ausgefeilteres Repertoire an Reaktionen, Katalysatoren und Techniken haben sich in den letzten zwei Jahrhunderten schrittweise Synthesewege für zunehmend komplexere Verbindungen erschlossen, deren Herstellung sich einige Jahre oder Jahrzehnte zuvor noch den bekannten Synthesestrategien entzogen. Insbesondere die organische Chemie und die daraus hervorgegangene pharmazeutische Chemie können eine ganze Reihe an Syntheseerfolgen vorweisen. Im Folgenden werden einige Meilenstein der Synthese ohne Anspruch auf Vollständigkeit oder eine repräsentative Auswahl vorgestellt.

Das Ende der vis vitalis und der Aufstieg der organischen Synthese

Als sich die moderne Chemie mit ihrer theoretischen Basis aus der Alchemie entwickelte, wurde es möglich, gezielt unterschiedliche Verbindungen zu synthetisieren. Während anorganische Produkte problemlos hergestellt werden konnten, schienen die Produkte der heutigen organischen Chemie sich den Synthesemöglichkeiten des Menschen völlig zu entziehen.

Ein entscheidender Durchbruch gelang 1828 Friedrich Wöhler (1800-1882) mit der Synthese von Harnstoff. Damit widerlegte er endgültig die Theorie, dass organische Verbindungen nicht synthetisch hergestellt werden können. Vor dieser Synthese wurde angenommen, dass bei der Synthese von biologischen Produkten eine nur Lebewesen zueigene vis vitalis benötigt wird. Nachdem Wöhler mit seiner Synthese zeigen konnte, dass eine solche Lebenskraft keine notwendige Komponente für die Reaktion darstellt, eröffnete sich damit das weite Feld der organischen Synthese.

In den Jahren 1843-1845 bestätigte auch Adolph Wilhelm Hermann Kolbe (1818-1884) die Theorie der Synthetisierbarkeit organischer Verbindungen, indem er ausgehend von Kohlenstoffdisulfid Essigsäure synthetisierte. Seinen Namen verlieh er der Kolbe-Synthese, einer elektrolytischen Reaktion organischer Verbindungen.

Die Herstellung von Grundbausteinen komplexer Biomoleküle ermöglichte die nach Alfred Strecker (1822-1871) benannte Synthese. Ausgehend von einem Aldehyd, Ammoniak und Cyanwasserstoff wurde es durch die Streckersynthese von 1850 möglich, Aminosäuren synthetisch herzustellen.

Nach diesem ersten Erfolg wurden immer komplexere Biomoleküle in immer aufwendigeren Verfahren hergestellt. Einer der besonders begehrten Naturstoffe war der Farbstoff Indigo, der zunächst nur aus der gleichnamigen Pflanze gewonnen werden konnte. Zwar gelang Adolf von Baeyer (1835-1917) im Jahr 1870 erstmals die Herstellung des Farbstoffs aus Isatin, da Isatin bis zu diesem Zeitpunkt jedoch aus Indigo gewonnen wurde, galt es einen anderen Weg zu finden, um das Ausgangsprodukt zu erhalten. 1878 war ein Weg für die Herstellung von Isatin aus Phenylessigsäure gefunden, und der Weg für die Totalsynthese des begehrten Farbstoffs war geebnet. Weniger als zwanzig Jahre später verdrängt die kommerzielle Vermarktung des synthetischen Indigos den pflanzlichen Rohstoff vom Markt. Die Arbeiten mit dem Farbstoff haben zudem eine Reihe Synthesewege für die organische Chemie eröffnet. Für seine Arbeiten wurde Adolf von Baeyer 1905 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Eine Ausgangsbasis, um organische Moleküle von Grund auf zu synthetisieren, lieferte 1926 die von Franz Fischer (1877-1949) und Hans Tropsch (1889-1935) entwickelte Fischer-Tropsch-Synthese, mit der im großtechnischen Maßstab aus Synthesegas (CO/H2) Kohlenwasserstoffe erzeugt werden konnten, die als Treibstoff oder Grundstoffe für weitergehende Synthesen dienen.

Die Totalsynthese einer ganzen Reihe komplexer Biomoleküle wie Cholesterin, Strychnin, Chlorophyll und Vitamin B12 gelang erstmalig Robert B. Woodward (1917-1979), der mit der Woodward-Hoffmann-Regel auch einen wichtigen theoretischen Beitrag zur synthetischen Chemie lieferte. Für seine Arbeiten auf dem Gebiet der Naturstoffsynthese bekam Woodward 1965 den Nobelpreis.

Obwohl dank Strecker bereits seit 1850 Aminosäuren synthetisiert werden konnten, gelang es erst Robert Bruce Merrifield (1921-) als weitergehenden Schritt aus Aminosäuren die daraus zusammengesetzten Polypeptide und Proteine mit Hilfe der Festphasensynthese herzustellen. Seine Synthese beruhte darauf, dass die Reaktion an der Oberfläche eines polymeren Trägers wie Glas oder einem Kunstharz abläuft. Für diese Leistung wurde Merrifield 1984 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Auf diesem Wege wurde in knapp über hundert Jahren der Weg vom Beweis, dass die Synthese organischer Moleküle möglich ist, bis zur praktischen Synthese komplexer Proteine beschritten. Begleitend zu diesen Erfolgen wurden in der organischen Chemie eine Reihe an theoretischen Regeln und Namensreaktionen entwickelt, um Synthesewege gezielt steuern und vorhersagen zu können. Mit Hilfe dieses formalen Gerüsts ist es heutzutage nach den Regeln der Retrosynthese möglich, zielsicher ausgehend vom Produkt geeignete Synthesewege mit möglichst einfachen Ausgangsprodukten herzuleiten.

Wegbereiter auf dem Weg zum Zielprodukt

Bei der Synthese spielt jedoch nicht nur die Wahl möglichst einfacher Ausgangsverbindungen eine Rolle, sondern jeder Syntheseweg der auf einen kommerziellen Nutzen ausgelegt ist, muss außerdem auf eine möglichst große Ausbeute und möglichst einfache Reaktionsbedingungen optimiert werden. In vielen Fällen wird dadurch die Verwendung geeigneter Katalysatoren zwingend erforderlich.

Die Verwendung vom Platin als Katalysator wurde bereits 1816 von Johann Wolfgang Döbereiner (1780-1849) entdeckt, der mit dem Edelmetall die Oxidation von Alkohol zu Essigsäure katalysierte. In der Folgezeit gelang ihm die Zündung eines Knallgasgemisches mit Hilfe eines Platinschwamms, was ein weiterer Erfolg für die Katalysechemie war. Dieser Ansatz wurde im Döbereinerschen Platinfeuerzeug von 1823, bei dem aus Zink und Salzsäure entwickelter Wasserstoff katalytisch entzündet wird, technisch ausgenutzt. Beim Versuch, Knallgas mit einem Iridium-Osmium-Gemisch zu zünden, entdeckte Döbereiner 1824 auch die Einsatzmöglichkeit von Mischkatalysatoren.

Eine ebenfalls wichtige Syntheseleistung im Bereich der Katalyse war das später nach seinen Entwicklern benannte Haber-Bosch-Verfahren zu Herstellung von Ammoniak aus den Elementen. 1909 fanden Fritz Haber (1868-1934) und Carl Bosch (1874-1940) ein Verfahren, das sie 1910 patentieren ließen. Durch den Einsatz eines Eisenoxid-Mischkatalysators konnten sie die Reaktion starten, ohne durch zu hohe Temperaturen das Gleichgewicht zu Ungunsten des Produkts zu verschieben. Für diese Entwicklung bekamen Haber 1918 und Bosch 1931 den Nobelpreis.

Bei der weiterführenden Umsetzung von Ammoniak zu Salpetersäure im großtechnischen Maßstab nach dem nach seinem Erfinder Wilhelm Ostwald (1853-1932) benannte Ostwald-Verfahren kommt ebenfalls ein Katalysator, in diesem Falls aus Platin-Rhodium, zum Einsatz. Für seine Arbeiten im Bereich der Katalysatorforschung erhielt Ostwald 1909 den Nobelpreis.

Bis heute ist die Katalyseforschung ein wichtiger Forschungsbereich, vor allem um die bisher verwendeten Edelmetallen durch preisgünstigere Materialien ersetzen zu können. Das Vorbild hierfür sind Enzyme, deren Wirkung als natürliche Katalysatoren mit synthetischen Analoga nachempfunden werden soll.

Synthese heute und morgen

 Doch nicht nur bei der Katalyse haben sich im 20. Jahrhundert neue Wege für die Synthese eröffnet. So gelang beispielsweise Neil Bartlett 1962 mit Xenonhexafluoroplatinat die Synthese einer Verbindung des Xenons, das wie alle Edelgas als völlig unreaktiv galt. Damit eröffnete sich das neue Gebiet der Edelgas-Chemie, das sich der Herstellung von Edelgasverbindungen widmete, die nach früherem Wissen nicht zu synthetisieren waren.

An der Schwelle des 21. Jahrhunderts hat die Chemie weitere spezialisierte Synthesewege gefunden, die durch die Verfügbarkeit innovativer Laborgeräte möglich geworden sind. Durch die Verwendung von Mikrowellenstrahlung können Reaktionen beispielsweise schneller durchgeführt werden. Außerdem ergeben sich mit dieser Technik völlig neue Synthesewege.

Durch den Einzug von automatischen Synthesesystemen läßt sich die klassische Synthesestrategie sogar völlig umgekehren. Mit der Kombinatorischen Chemie wurde ein Ansatz geschaffen, aus einer Art Baukasten von Grundsubstanzen zunächst jede erdenkliche Verbindung zu synthetisieren und dann die interessanten Kandidaten aus diesen Substanzbibliotheken herauszusuchen. Vorher basierte eine Synthesestrategie darauf, den Weg von einfachen Ausgangsprodukten zu einem ganz bestimmten Syntheseziel zu finden und zu optimieren. Der neue Ansatz stellt aus einer gegebenen Ausgangsbasis von Grundsubstanzen parallel eine Vielzahl von Produkten her, um diese erst nachträglich bezüglich ihrer Struktur und Eigenschaften zu charakterisieren. Eine solche Vorgehensweise ist durch die Entwicklungen in der Laborautomatisierung möglich worden, die die automatische und parallele Bearbeitung einer ganzen Reihe an Versuchsansätzen erlaubt.

Nachdem die erste synthetische Herstellung von Naturstoffen ein großer Erfolg für die synthetische Chemie war, ist mit der Weißen Biotechnologie inzwischen der umgekehrte Ansatz populär geworden. Anstatt natürliche Substanzen in vitro zu erzeugen, bemüht sich die industrielle Biotechnologie darum, Zielprodukte in vivo durch z. B. Enzyme oder Bakterien synthetisieren zu lassen.

Diese Entwicklung zeigt, dass auch nach den vielen großen Erfolgen der chemischen Synthese Anfang des 20. Jahrhunderts noch nicht alle Synthesestrategien ausgeschöpft sind und Möglichkeiten für weitere Innovationen bestehen.