Nobelpreise
Investitionen in Nobelpreis-Erfolge – Asymmetrische Organokatalyse
Securities.io zu deinen bevorzugten Quellen auf Google hinzufügen
Geschichte des Nobelpreises
Der Nobelpreis ist die prestigeträchtigste Auszeichnung in der Wissenschaftswelt. Er wurde gemäß Alfred Nobels Testament geschaffen, um einen Preis „an diejenigen zu verleihen, die im vergangenen Jahr den größten Nutzen für die Menschheit erbracht haben“ in Physik, Chemie, Physiologie oder Medizin, Literatur und Frieden zu vergeben.
Ein sechster Preis wurde später von der schwedischen Zentralbank für Wirtschaftswissenschaften geschaffen, offiziell „Preis für Wirtschaftswissenschaften“, oft besser bekannt als der Nobelpreis für Wirtschaft.
Die Entscheidung, wem der Preis zugeordnet wird, liegt bei mehreren schwedischen akademischen Institutionen.
Erbschaftsbedenken
Die Entscheidung, den Nobelpreis zu schaffen, kam für Alfred Nobel, nachdem er seine eigene Nachruflesung gelesen hatte, die durch einen Fehler einer französischen Zeitung entstand, die den Tod seines Bruders missverstand. Unter dem Titel „Der Händler des Todes ist tot“ kritisierte der französische Artikel Nobel wegen seiner Erfindung rauchfreier Sprengstoffe, von denen Dynamit die berühmteste war.
Seine Erfindungen hatten großen Einfluss auf die moderne Kriegsführung, und Nobel kaufte ein riesiges Eisen- und Stahlwerk, um es zu einem bedeutenden Rüstungshersteller zu machen. Da er zunächst Chemiker, Ingenieur und Erfinder war, erkannte Nobel, dass er nicht als ein Mann in Erinnerung bleiben wollte, der ein Vermögen durch Krieg und den Tod anderer machte.
Nobelpreis
Heutzutage ist Nobels Vermögen in einem Fonds angelegt, der Erträge erwirtschaftet, um die Nobelstiftung sowie die vergoldete grüne Medaille, das Diplom und den Geldpreis von 11 Millionen SEK (etwa 1 Million $) für die Preisträger zu finanzieren.
Quelle: Britannica
Oft wird das Nobelpreisgeld auf mehrere Gewinner aufgeteilt, besonders in wissenschaftlichen Bereichen, in denen es üblich ist, dass 2 oder 3 führende Persönlichkeiten gemeinsam oder parallel zu einer bahnbrechenden Entdeckung beitragen.
Im Laufe der Jahre wurde der Nobelpreis zum WISSENSCHAFTLICHEN Preis, der versucht, ein Gleichgewicht zwischen theoretischen und sehr praktischen Entdeckungen zu finden. Er hat Errungenschaften belohnt, die die Grundlagen der modernen Welt geschaffen haben, wie Radioaktivität, Antibiotika, X‑Strahlen oder PCR, sowie fundamentale Wissenschaften wie die Energiequelle der Sonne, die Elektronenladung, die Atomstruktur oder die Supraleitung.
Die Suche nach mehr Katalysatoren
Seit den Anfängen der Chemie haben Wissenschaftler nach Möglichkeiten gesucht, chemische Reaktionen zu beschleunigen oder Moleküle auf ungewöhnliche Weise reagieren zu lassen. Manchmal kann dies durch Änderung der physikalischen Bedingungen, wie Wärme oder Druck, erreicht werden. Für andere chemische Reaktionen sind jedoch spezielle Produkte, sogenannte Katalysatoren, erforderlich.
Katalysatoren erhöhen in der Regel die Wahrscheinlichkeit, dass eine chemische Reaktion stattfindet, und steigern damit ihre Geschwindigkeit und/oder Effizienz.
Was Katalysatoren einzigartig macht, ist, dass sie zwar an der chemischen Reaktion beteiligt sind, am Ende jedoch unverändert bleiben – sie „erleichtern“ lediglich die Reaktion.
Damit sind Katalysatoren ein oft vergessenes Grundelement der modernen Welt und absolut unverzichtbar bei der Herstellung alltäglicher Güter wie raffiniertem Öl, Kunststoffen, Luftfiltern, Wasseraufbereitung, Pharmazeutika, Parfüm, Aromastoffen, Lebensmitteln usw.
Insgesamt tragen Katalysatoren in irgendeiner Form zur Produktion von bis zu 35 % des weltweiten BIP bei.
Viele Arten von Katalysatoren
Die erste entdeckte katalytische Aktivität stammte von Metallen wie Silber, Nickel, Platin, Palladium usw. Diese Katalysatoren sind jedoch teuer. Metallkatalysatoren haben zudem eine geringe Selektivität, das heißt, sie können viele verschiedene Reaktionen katalysieren.
Während das manchmal von Vorteil sein kann, ist es nicht der Fall, wenn nur eine präzise Reaktion gewünscht wird, etwa bei der Herstellung von Pharmazeutika.
Eine weitere Art von Katalysator sind Enzyme. Diese Proteine können sehr spezifische chemische Reaktionen beschleunigen und sind im Grunde die Zahnräder und Maschinen, die das Leben selbst antreiben.
Die Aufbereitung reiner Enzyme war ein bedeutender wissenschaftlicher Durchbruch und wurde 1946 mit einem Nobelpreis ausgezeichnet. Heute werden Enzyme routinemäßig in unzähligen chemischen Prozessen eingesetzt.
Der Nachteil von Enzymen ist, dass sie von der Natur für spezifische Aufgaben in lebenden Zellen entworfen wurden. Wenn die benötigte Katalyse jedoch nichts mit Biologie zu tun hat, etwa bei der Kunststoffproduktion, kann es sehr schwer oder sogar unmöglich sein, ein passendes Enzym zu finden.
Enzyme können zudem empfindlich sein und funktionieren nicht unter extrem sauren Bedingungen. Deshalb bestand ein großer Bedarf an nicht‑metallischen, maßgeschneiderten Katalysatoren. Hier kommen die Organokatalysatoren ins Spiel. Sie bestehen aus gewöhnlichem Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor, jedoch ohne Metalle.
Organokatalysatoren
Im Jahr 2021 wurde der Nobelpreis für Chemie an Benjamin List und David W.C. MacMillan für die Entwicklung der asymmetrischen Organokatalyse verliehen.
Wie erklärt, bestehen Organokatalysatoren aus günstigen und reichlich vorhandenen Elementen, die die Basis der organischen Chemie (zentriert um Kohlenstoff) bilden. Der „asymmetrische“ Teil ist wichtig, da Moleküle in den meisten chemischen und biologischen Prozessen unterschiedliche Versionen je nach ihrer Symmetrie aufweisen können.
Solche Änderungen in der Molekülorientierung, auch „Chiralität“ genannt, haben oft bedeutende Konsequenzen für die Funktionalität. Zum Beispiel riecht das gleiche Molekül Limonen je nach Orientierung unterschiedlich.
Quelle: Nobelpreis
List & MacMillan waren nicht die ersten, die Organokatalysatoren entdeckten. Einige wurden bereits 1912 zufällig bei der Katalyse von Cyanohydrin‑Herstellung mit Chinin gefunden. Später wurde ein auf Chinin basierender Katalysator zur asymmetrischen Katalyse eingesetzt.
Quelle: Nobelpreis
Allerdings gab es lange Zeit keinen Rahmen, um Organokatalysatoren systematisch zu analysieren, geschweige denn neue zu entwerfen.
Wie funktioniert Katalyse?
Die meisten chemischen Reaktionen benötigen ein gewisses Energieniveau, damit die beiden Moleküle „aufeinanderprallen“ und reagieren können. Katalysatoren bringen die Reaktanten näher zusammen, reduzieren die erforderliche Energie und beschleunigen die Reaktion.
Quelle: Byjus
Während bestimmte Metallatome diese Senkung der Energieniveaus aufgrund ihrer atomaren Eigenschaften bewirken können, können die Aminosäuren von Enzymen dies durch ihre 3‑D‑Konfiguration und chemischen Eigenschaften erreichen.
Oft sind es nur wenige Aminosäuren, die die eigentliche katalytische Reaktion ausführen, während der Rest des Enzyms Stabilität, Aktivierung durch biochemische Signale oder andere Funktionen bereitstellt.
Quelle: Nobelpreis
Dies war der Ausgangspunkt für Benjamin List, der untersuchen wollte, ob eine kleine Anzahl von Aminosäuren – oder sogar nur eine – die Katalyse wie ganze Enzyme ausführen kann.
List‑Katalysatoren: Prolin & Chiralität
List begann mit einer einzelnen Aminosäure namens Prolin zu arbeiten, die bereits in den 1970er‑Jahren als potenzieller Katalysator demonstriert worden war. Ohne große Erwartungen, aber neugierig, führte er das Experiment durch.
Prolin wirkte nicht nur als Katalysator, sondern das auch sehr stark. Bei genauerer Betrachtung stellte List fest, dass die Katalyse asymmetrisch war, wobei eines der beiden möglichen Bilder des neu entstandenen Moleküls deutlich wahrscheinlicher gebildet wurde.
Dies bildete die Basis für eine neue Kategorie von Katalysatoren, die Chemiker Enamin‑Katalyse oder Lewis‑Basen‑Katalyse nennen.
Dabei reduziert ein Stickstoffatom die erforderliche Energie, und eine Carbonsäure stabilisiert den Übergangszustand in den Zwischenschritten der chemischen Reaktion.
Quelle: Nobelpreis
MacMillan‑Katalysatoren: Iminium‑Ion
MacMillan arbeitete zunächst an metallbasierten asymmetrischen Katalysatoren, stellte jedoch fest, dass die Bedingungen für deren Einsatz in industriellen Prozessen selten praktikabel waren, sodass Laborentdeckungen selten für die großtechnische chemische Produktion nutzbar waren.
Stattdessen untersuchte er, wie man die Grundmechanismen dieser Metalle mit organischer Chemie nachahmen kann.
Metallkatalysatoren sind besonders aktiv, weil sie vorübergehend Elektronen bereitstellen oder aufnehmen können, wodurch die Reaktionsbarriere gesenkt wird.
Um diese Fähigkeit mit organischen Molekülen (einem Kohlenstoffgerüst) zu replizieren, vermutete MacMillan anhand seines chemischen Wissens, dass das ideale Molekül ein Iminium‑Ion sein würde.
Infolgedessen wurde diese Art von Organokatalysator als Iminium‑Ion‑Katalyse/Lewis‑Säure‑Katalyse bekannt.
Die Idee ist, dass das Stickstoffatom, das eine natürliche Affinität zu Elektronen hat, die Rolle des Metallatoms in einem Metallkatalysator übernehmen kann. Große chemische Gruppen um das Stickstoffatom herum zwingen die Reaktion, asymmetrisch zu verlaufen.
Quelle: Nobelpreis
Der Aufstieg der Organokatalysatoren
MacMillan und List veröffentlichten ihre parallelen Ergebnisse fast gleichzeitig im Jahr 2000, wobei das von MacMillan geprägte Wort zur Beschreibung dieser neuen Klasse von Katalysatoren entstand.
Durch die vollständige Erklärung und Untersuchung ihrer Funktionsweise ebneten die beiden Forscher und ihre Teams den Weg für die systematische Entwicklung von Organokatalysatoren, während frühere Arbeiten meist fragmentarisch oder durch zufällige Entdeckungen erfolgten.
Organokatalysatoren sind heute ein fester Bestandteil der chemischen Industrie aus mehreren wichtigen Gründen:
- Niedrigere Kosten, insbesondere beim Ersatz von metallbasierten Katalysatoren.
- Asymmetrische Produktion ist entscheidend für die Endproduktqualität.
- Im pharmazeutischen Bereich kann dies über Leben und Tod entscheiden, da manche Molekülsymmetrien nützlich und andere tödlich sind.
- Potentiell vielseitiger, da sowohl MacMillan als auch List weiter daran arbeiten, weitere Reaktionstypen zu finden, die Enamin‑ und Iminium‑Ion‑Katalysen beschleunigen können.
- Umweltfreundlichere chemische Prozesse: Organokatalysatoren sind meist ungiftig und/oder leicht recycelbar.
Erfolge der Organokatalysatoren
Ein Beispiel dafür, wie stark Organokatalysatoren die chemische Industrie verbessern können, ist die Synthese von Strychnin.
Das Giftmolekül (verwendet als Rattengift) wurde 1952 erstmals synthetisiert, wobei ein Verfahren mit 29 chemischen Schritten nötig war. Nur 0,0009 % des Ausgangsprodukts wurden in das gewünschte Strychnin umgewandelt.
2011 gelang es Forschern mit Organokatalyse, dies auf nur 12 Schritte zu reduzieren und eine 7 000‑fach höhere Umwandlungseffizienz zu erreichen.
Die Massenproduktion komplexer organischer Produkte, die derzeit aus Pflanzen oder Tiefseeorganismen gewonnen werden, kann ebenfalls wichtig sein, um die Verfügbarkeit zu erhöhen und die Preise wichtiger pharmazeutischer Produkte zu senken.
Zukünftige Entwicklungen
Photokatalyse
Die Natur liefert ein großartiges Beispiel für Organokatalysatoren jenseits von Enzymen: die Photosynthese. Durch die Kombination der Fähigkeit organischer Moleküle, Elektronen zu bewegen, mit der Lichtabsorption ist die Photosynthese die grundlegende Energiequelle für das gesamte irdische Biosphären‑System.
Indirekt ist die Photosynthese sogar die Quelle der heutigen fossilen Brennstoffe, der Grundbausteine der petrochemischen Industrie.
Angesichts des Bedarfs, CO₂‑Emissionen zu reduzieren, wäre ein ideales Szenario, Organokatalysatoren zu entwickeln, die Licht nutzen können, um Energie in Form von einfachem Zucker oder Wasserstoff zu erzeugen.
Auf diese Weise wird das Sonnenlicht direkt vom Katalysator genutzt, um die gewünschte chemische Reaktion zu betreiben, anstatt zuerst von Solarpaneelen absorbiert, in Strom umgewandelt und dann für Prozesse wie Elektrolyse verwendet zu werden.
Dies könnte die Kosten für Biokraftstoffe drastisch senken – eine Voraussetzung, damit sie wirtschaftlich mit fossilen Brennstoffen konkurrieren können.
KI‑Moleküldesign
Es gibt Billionen möglicher Moleküldesigns, von denen nur ein kleiner Bruchteil überhaupt untersucht wurde.
Das Problem bei der Simulation dieser Moleküle mit Computern besteht darin, dass rein physikalische und quantenmechanische Berechnungen bei mehr als 5‑10 Atomen schnell absurd komplex werden.
Derzeit werden viele KI‑Systeme entwickelt, die „raten“, welche Antwort richtig ist, anstatt eine brute‑force Berechnung durchzuführen.
Dies kann zu neuen potenziellen Molekülen und Designs führen, die sonst nicht vorhergesagt worden wären. Diese Methode liefert bereits Früchte, zum Beispiel AlphaFold von Google für die Proteinfaltung, Vorhersagen zu neuer antibiotischer Aktivität oder Microsofts AI4Science‑Programm.
Quelle: Microsoft [securities_stock_price_tag symbol="MSFT" exchange="NASDAQ"]
Es ist wahrscheinlich, dass noch viele Organokatalysatoren entdeckt werden müssen und dass KI diese Innovationen radikal beschleunigen kann, wie wir in „Changing the Timeline for Discoveries through Use of Artificial Intelligence (AI)“ diskutiert haben.
Investitionen in Organokatalysatoren
Organokatalysatoren sind ein Schlüsselbestandteil der modernen chemischen Industrie. Es ist zudem ein wachsender Markt, der bis 2032 ein CAGR von 6,4 % erreichen soll.
Sie können in Unternehmen, die Organokatalysatoren herstellen, über zahlreiche Broker investieren; hier finden Sie auf securities.io unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich und vielen anderen Ländern.
Wenn Sie nicht gezielt einzelne Organokatalysator‑Unternehmen auswählen möchten, können Sie auch in ETFs wie den iShares STOXX Europe 600 Chemicals UCITS ETF (EXV7) oder den Vanguard Materials ETF (VAW) investieren, die eine diversifizierte Exponierung auf die Chemieindustrie bieten.
Katalysatoren‑Unternehmen
1. BASF (BASFY)
Ein Riese der chemischen Industrie, BASF beschäftigt über 110 000 Mitarbeiter in 11 Divisionen, die in 6 Segmente gegliedert sind: Chemie, Materialien, Industrielle Lösungen, Oberflächentechnologien, Ernährung & Pflege sowie Agrarlösungen.
Mehr als 20 % der Aktivität entfällt auf Chemie und Kunststoffe und über 20 % auf Transport. Außerdem hat das Unternehmen eine starke Präsenz im Agrar‑ und Konsumgüterbereich.
Quelle: BASF
BASFs Katalysator‑Division beschäftigt über 8 000 Mitarbeiter und betreibt 30 Produktionsstandorte.
Das Unternehmen investiert massiv in Forschung & Entwicklung, mit über 2 Mrd. $ Jahresausgaben, verteilt über viele Sektoren, wobei ein starker Fokus auf Wachstum im Agrarsektor (Pestizide, Herbizide und Saatgutbehandlung) liegt.
Quelle: BASF
Die Expertise in Kunststoffen und anderen chemischen Herstellungsprozessen erstreckt sich bis zur Nanoskala, insbesondere mit einer Führungsposition in nanopartikulären Oberflächenbeschichtungen, porösen Materialien und Polymeren.
In Kombination mit der Katalysator‑Kompetenz dürfte BASF ein Zentrum der zukünftigen Wirtschaft werden, das auf Innovationen in Chemie, Batterien, Pharmazeutika, Nanotechnologie, Biotechnologie usw. basiert.
2. Schrödinger, Inc.
SDGR Preisdiagramm
Das Unternehmen spezialisiert sich auf physikbasierte Modelle, um das bestmögliche Molekül für ein gegebenes Ziel zu finden, wobei widersprüchliche Kennzahlen wie Potenz, Löslichkeit, Halbwertszeit, Synthesierbarkeit usw. ausbalanciert werden.
Es nutzt zudem „normales“ maschinelles Lernen, doch die Ergänzung eines physikbasierten Modells ermöglicht Tests in völlig neuen Bereichen, für die es keinen Datensatz zum „Trainieren“ der KI gibt. So kann Schrödinger (SDGR ) von einer Milliarde potenzieller Moleküle innerhalb weniger Tage auf nur 8 solide Kandidaten eingrenzen – ausschließlich durch digitale Berechnungen.
Quelle: Schrödinger
Schrödinger unterzeichnete 2020 einen 5‑jährigen Kooperationsvertrag mit Bayer im Wert von 10 Mio. $. Die Vereinbarung sieht die gemeinsame Nutzung von Schrödingers Technologie in in‑silico‑Vorhersagemodellen mit Bayer vor.
Eine weitere aktuelle Partnerschaft besteht mit Lilly im Jahr 2022, mit bis zu 425 Mio. $ an Meilenstein‑Zahlungen für erfolgreiche Entdeckungen.
Frühere Kooperationen umfassten Takeda, Sanofi (SNW.DE ) (SNY ), Bristol‑Myers‑Squibb und andere kleinere Pharmaunternehmen.
Insgesamt baut Schrödinger ein wachsendes Portfolio auf, das immer mehr proprietäre und vollständig eigene Moleküle umfasst. Derzeit hat das Unternehmen 8 Produkte in seiner proprietären Pipeline, davon 2 in Phase I klinischer Studien, sowie 23 Produkte in Partner‑Programmen und Kooperationen, davon 5 in Phase I und 3 in Phase II klinischer Studien.
Quelle: Schrödinger
Obwohl das Unternehmen noch keinen Umsatz erzielt, ist es nicht profitabel und konzentriert sich auf Expansion und F&E‑Ausgaben, um seine Technologie zu verbessern. Kurzfristig sollte dies keine ernsthafte Sorge darstellen, da das Unternehmen über mehrere Jahre Betriebskapital in Form von Liquidität verfügt.
Es prüft zudem die Ausweitung in neue Segmente jenseits der Arzneimittelforschung, etwa komplexe Biopharmazeutika oder sogar Materialien wie Chemikalien, Batterien oder Polymere.
Quelle: Schrödinger
Investoren sollten die neuen Kooperationen im Auge behalten, da sie den Fortschritt von Schrödingers Technologie widerspiegeln, bewertet von Branchenführern anhand vertraulicher Daten sowie möglicher Erfolge bei der Ausweitung der Kerntechnologie auf neue Märkte.
Da Organokatalysatoren und die organische Chemie insgesamt eine wachsende Rolle übernehmen, werden KI‑Modelle wie die von Schrödinger zunehmend bei der Entwicklung neuer Moleküle und der Optimierung oft jahrzehntealter chemischer Fertigungsprozesse eine Rolle spielen.
