23.03.2020 - Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Eine Chemiefabrik für alle Fälle

Die radiale Synthese eröffnet neue Wege für die chemische Forschung und Produktion

Engpässe in der Versorgung mit Medikamenten könnten sich künftig leichter vermeiden lassen. Denn mit einem Automaten für die radiale Synthese, die Chemiker des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung entwickelt haben, lassen sich medizinische Wirkstoffe und andere chemische Produkte künftig flexibel produzieren. Die Apparatur lässt sich schnell auf die Synthese sehr unterschiedlicher, auch komplexer Substanzen umprogrammieren, ohne dass jemand die Apparatur umbauen muss. Dabei kann sie Syntheseschritte kombinieren, für die bislang mehrere Geräte notwendig waren. Außerdem kann das Gerät die Stoffe an entlegenen Orten ferngesteuert herstellen. Die neue Technik erleichtert auch datenbasierte Entwicklungen in der Chemie und könnte damit die Suche nach neuen chemischen Produkten und Reaktionsprozessen beschleunigen.

Chemische Produktion ist Maßarbeit. Egal ob es um medizinische Wirkstoffe geht oder andere chemische Erzeugnisse, die Herstellungsprozesse müssen Chemiker immer individuell gestalten. Und auch die entsprechenden Anlagen konzipieren sie jeweils speziell für ein Produkt. Das könnte mit dem Automaten für die radiale Synthese deutlich einfacher werden – zumindest wenn ein Stoff nicht in riesigen Mengen gebraucht wird. „Mit der radialen Synthese schaffen wir einen Paradigmenwechsel in der Chemie“, sagt Peter Seeberger. Ein Team aus der Abteilung des Direktors am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung hat den neuen Ansatz in der chemischen Synthese entwickelt.

Der Syntheseautomat ermöglicht es zum einen, Menschen an schwer zu erreichenden Orten oder in Gegenden ohne chemische Industrie je nach Bedarf mit medizinischen Wirkstoffen oder anderen Substanzen zu versorgen, wenn diese dort nicht gelagert oder einfach dorthin transportiert werden können. Das könnte bei unverhofften Engpässen an medizinischen Wirkstoffen nützlich sein und Menschen in Entwicklungsländern generell einen flexiblen Zugang zu Substanzen ermöglichen, gerade wenn der Bedarf an einem Stoff nicht vorhersehbar ist. „Dort könnte es höchstens bei der Verfügbarkeit der Grundchemikalien einen Engpass geben“, sagt Peter Seeberger. „Mit den Ausgangsmaterialien zur Hand ist das aber eine riesige Chance.“

Zum anderen eröffnet der flexible Syntheseautomat völlig neue Perspektiven für die chemische Forschung. Denn gerade medizinische Wirkstoffe sind oft kompliziert gebaut, und kleine Unterschiede können große Effekte haben. Auf der Suche nach der besten Substanz, synthetisieren Chemiker daher meist viele verschiedene Moleküle mit kleinen Variationen. Bislang müssen sie ihre Apparaturen dabei oft wechseln oder zumindest umbauen – in mühsamer und zeitraubender Handarbeit. Das gilt auch für die Entwicklung der optimalen Reaktionswege, sobald das wirksamste Molekül mal gefunden ist.

Chemie nach dem Vorbild von Internetdiensten

„Die Handarbeit können wir mit der radialen Synthese weitgehend aus der Chemie nehmen“, sagt Peter Seeberger. Wenn es nach ihm geht, wird Chemie künftig wie der Service von Internetdiensten betrieben: „Sie sitzen zwar im Büro vor Ihrem Rechner, der Server, auf dem eine Anwendung läuft, steht aber irgendwo anders auf der Welt“, sagt Peter Seeberger. Ähnlich könnten auch Chemiker ihre Versuche künftig aus der Ferne ansteuern. „So lassen sich viel mehr Substanzen und Reaktionen testen“, sagt Peter Seeberger. „Und so sind wir in der Lage, auch viel mehr und viel verlässlichere Daten sammeln.“ Das wiederum könnte Big-Data-Analysen auch in der Chemie voranbringen. „Und letztlich wäre sogar eine künstliche Intelligenz, die durch Training mit den großen Datenmengen chemische Kompetenz entwickelt hat, im Stande, die Suche nach vielversprechenden neuen Substanzen für eine gewünschte Anwendung oder nach effizienten Reaktionswegen zu übernehmen“, so Seeberger. Chemiker könnten ihre Kreativität dann ganz Aufgaben widmen, für die sie nicht auf Erfahrungen mit ähnlichen Experimente zurückgreifen können und die sich daher nicht datengetrieben lösen lassen.

Den experimentellen Spielraum schafft die radiale Synthese, weil sie zwei prinzipiell unterschiedliche Prozesstechniken miteinander kombiniert: die zyklische und die lineare. Eine zyklische Synthese ist die Methode der Wahl, wenn Chemiker Biopolymere wie etwa Proteine, Kohlenhydrate oder DNA-Stränge erzeugen wollen. Dabei schleusen sie ein Molekül in einem Kreislauf durch ein Reaktionsgefäß, in dem immer wieder der gleiche chemische Reaktionstyp stattfindet, sodass das Molekül allmählich zu einer Kette wächst. Auch verschiedene Glieder lassen sich in den einzelnen Zyklen an die Kette knüpfen. Bei einer linearen Synthese durchläuft ein Molekül dagegen mehrere Stationen, an denen verschiedene Reaktionen stattfinden, und zwar in unterschiedlichen Apparaturen oder zumindest in unterschiedlichen Teilen einer Apparatur.

Industrieunternehmen haben bereits Interesse angemeldet

Die beiden Techniken kombinieren die Potsdamer Forschenden nun, indem sie mehrere Reaktoren für zyklische Synthesen kreisförmig um eine Art Drehscheibe anordnen. So können sie Zwischenprodukte ferngesteuert von einem zyklischen Reaktor zum anderen befördern und mit linearen Prozessschritten verbinden. „Wir können sehr unterschiedliche Reaktionen flexibel kombinieren, auch schnelle und langsame“, sagt Peter Seeberger. Chemische Umwandlungen, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ablaufen, lassen sich in gängigen linear arbeitenden Chemieanlagen nicht effizient ausführen, weil das Reaktionsgemisch durch sie mit konstantem Tempo fließt.

Die Potsdamer Forscher werden die Vielseitigkeit der radialen Synthese nun weiter austesten. Als Patent haben sie die Technik aber bereits angemeldet, und erste Industrieunternehmen haben auch bereits ihr Interesse angemeldet. Denn der neue Syntheseautomat kann ihnen helfen, die Forschung an neuen Produkten und deren Entwicklung drastisch zu beschleunigen. Das würde nicht nur Kosten sparen, sondern könnte auch zu mehr Innovation führen.

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