Spektrum der Wissenschaft - 05.2019

Natur vor und sind zum Teil antimikrobiell aktiv, was sie zu
interessanten Kandidaten für Medikamente macht. Will
man Moleküle dieser Stoffklasse im Labor herstellen, so
erhält man oft Gemische verschiedener Komponenten. Die
Reaktion in der Grafik »Entscheidende Moleküldynamik«,
links, beispielsweise ergibt nur 18 Prozent des gewünschten
ß-Lactons und 50 Prozent eines unerwünschten Stoffs.

Neue Möglichkeiten zur Reaktionskontrolle
Dynamische Berechnungen für diesen Prozess haben
gezeigt, dass es entscheidend für den Ausgang einer Reak-
tion ist, wie die Moleküle »zittern und wackeln«, nachdem
sie den Übergangszustand durchlaufen haben. Nach die-
sem taucht zunächst eine klassische Bifurkation auf: Der
Reaktionspfad spaltet sich in zwei Wege, die jeweils zu
einem der beiden Produkte führen. Aber gemäß den Simu-
lationen bildet sich je nachdem, wie die Moleküle vibrieren,
entweder der eine oder der andere Stoff. In diesem Beispiel
bietet die Phase-Space-Perspektive ein unerwartetes
Reaktivitätsmodell, mit dem man nun sowohl den Anteil an
unerwünschtem Nebenprodukt reduzieren als auch die
Ausbeute der begehrten Komponente steigern kann.
Insgesamt nehmen diese Ideen nur langsam Fahrt auf.
Obwohl die Moleküldynamik alle chemischen Reaktionen

beeinflusst, wurden erst relativ wenige daraufhin unter-

sucht. Daher ist noch unklar, wie viele Prozesse Bifurka-

tionen beinhalten. Doch je mehr über diese Abläufe und

deren Spielregeln bekannt ist, desto besser wird es möglich

sein, neue Moleküle effizienter herzustellen und komplexe

chemische Prozesse der Natur nutzbar zu machen.

Auch in manchen enzymkatalysierten biologischen Re-

aktionen treten Bifurkationen auf, und diese Abläufe kön-

nen wichtige Einblicke in Vorgänge in lebenden Organis-

men geben. Die Pflanze Salvia miltiorrhiza (chinesischer

Salbei oder Rotwurzelsalbei) beispielsweise wird in der

Traditionellen Chinesischen Medizin seit Langem verwen-

det, um verschiedene Krankheiten von Herzerkrankungen

bis zu Hepatitis zu behandeln. Sie stellt durch eine Reihe

enzymkatalysierter Reaktionen so genannte Tanshinone

her. Inwieweit diese Moleküle der Pflanze nutzen, ist unklar,

doch sie sind viel versprechende Kandidaten für Wirkstoffe

gegen Krebs oder Herzerkrankungen. Ein einziges Enzym

kontrolliert das Reaktionsnetzwerk, welches das Kohlen-

stoffgerüst dieser Naturstoffe aufbaut. Dieses Netzwerk

besitzt die größte bisher entdeckte Anzahl miteinander

verbundener Bifurkationen.

Die Vorstufe der Tanshinone heißt Miltiradien. Dieser

komplexe Naturstoff ist aus 20 Kohlenstoffatomen aufge-

Die Kartierung

von Reaktionswegen

Bislang haben Chemiker Reaktionswege auf relativ

einfache Weise beschrieben, wie die untere Grafik

zeigt: Ein Reaktand wird zu einem Produkt und

durchläuft dabei einen energetisch höher liegen-

den Übergangszustand (ÜZ). Entstehen in einer

Reaktion verschiedene Produkte, nimmt man an,

dass mehrere Übergangszustände existieren (ÜZ1

und ÜZ2).

Dynamische Berechnungen des Reaktionsver-

laufs, die quantenchemische Effekte mit einbezie-

hen, zeigen jedoch, dass Reaktionen ungleich

komplizierter ablaufen können (obere Grafik, ein-

schließlich zweidimensionaler Projektion). Reak-

tionswege mit nur einem einzigen Übergangs-

zustand können sich gabeln – diese Gabelung nach

dem Übergangszustand bezeichnen Fachleute als

Bifurkation. Die Schwingungen eines Moleküls auf

dem Weg zur Gabelung bestimmen, auf welchem

Pfad die Reaktion anschließend verläuft und damit,

welches Produkt gebildet wird.

Chemiker haben erst einen kleinen Bruchteil von Reaktio-

nen mit dynamischen Berechnungen untersucht. Ein klareres

Verständnis dafür, wie solche Effekte Reaktionen beeinflus-

sen, könnte jedoch dabei helfen, die Ausbeute gewünschter

Produkte zu erhöhen und besser nachzuvollziehen, wie Reak-

tionen in der Natur ablaufen.

Übergangs-

zustand

Bifurkation

Reaktand

Produkt 2

Produkt 1

Strukturmerkmal 1

Strukturmerkmal 2

Energie

potenzielle Energie

ÜZ1

ÜZ2

Produkt 1

Produkt 2

Reaktand

Reaktionsverlauf

OBEN: STEPHANIE HARE, MIT FRDL. GEN. VON DEAN TANTILLO, UC DAVIS; UNTEN: BARBARA AULICINO / AMERICAN SCIENTIST JAN-FEB 2019