2011 – Simon Duttwyler und Jérôme Waser

Simon Duttwyler, geboren 1979, wuchs in Egg im Kanton Zürich auf. Er studierte 2000–2005 an der Universität Zürich organische Chemie. An derselben Universität fertigte er 2005–2010 unter Prof. Jay S. Siegel seine Doktorarbeit an. In der Dissertation wurden die Herstellung und Eigenschaften neuer reaktiver Siliziumverbindungen untersucht. Im Rahmen dieser Arbeiten verbrachte Simon Duttwyler 2007 einen Forschungsaufenthalt an der University of California, Riverside, in der Gruppe von Prof. Christopher A. Reed.

Diese Gruppe beschäftigt sich mit sogenannten Carboranen zur Stabilisierung äusserst empfindlicher positiv geladener Moleküle. Seit Sommer 2010 arbeitet Simon Duttwyler als Postdoc in der Gruppe von Prof. Jonathan Ellman an der Yale University, Connecticut, zum Thema Kohlenstoff-Wasserstoff-Aktivierung.

Neue hochreaktive siliziumorganische Verbindungen

Siliziumkationen sind positive geladene Moleküle mit einem elektronenarmen Siliziumzentrum. Was sie vor allem auszeichnet, ist ihre enorme Reaktivität anderen Teilchen gegenüber, die negative Ladung übertragen können. Erst 2002 wurden letzte Zweifel an der Existenz von Siliziumkationen durch bahnbrechende Arbeiten ausgeräumt. Nachdem zuverlässige Methoden zur Herstellung dieser Verbindungen gefunden worden waren, folgten in den vergangenen Jahren Anwendungen im Bereich der organischen Grundlagenforschung und Synthese. Simon Duttwylers Arbeit umfasst die Untersuchung einer neuen Familie von Siliziumkationen. Es zeigte sich, dass diese Familie reaktiver ist als bisher bekannte Verbindungen. Aufgrund dieser Resultate konnte eine neuartige Methode zur Herstellung benzolartiger, sogenannter aromatischer Moleküle entwickelt werden.

Abbildung: Kristall eines Siliziumkations gepaart mit einer Carboran-Anion (links, Grösse ca. 1 mm), räumliche Anordnung der Atome aufgrund einer röntgenkristallographischen Untersuchung (Mitte) und organische Strukturformel (rechts).

Jérôme Waser wurde 1977 in Sierre im Wallis geboren. Nach der Matura am Kollegium Spiritus Sanctus in Brig studierte er an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich (ETHZ) Chemie und erhielt 2001 sein Diplom. Anschliessend promovierte er an der ETHZ in organischer Chemie unter der Leitung von Prof. Erick M. Carreira zum Thema katalytische Methoden zur Animierung von Olefinen. Von 2006 bis 2007 schloss er sich [Waser]

der Gruppe von Prof. Barry M. Trost an der Universität von Stanford in Kalifornien an und synthetisierte erfolgreich Pseudolaric Säure B, ein Naturprodukt, das in der traditionellen chinesischen Medizin zum Einsatz kommt. Im Oktober 2007 nahm er eine Assistenzprofessur an der Polytechnischen Hochschule Lausanne (EPFL) an und begann seine unabhängige Karriere. Seine Arbeit zur katalytischen Aktivierung von chemisch bedeutenden Molekülen und deren Gebrauch in der Synthese wurde bereits in 13 wissenschaftlichen Publikationen behandelt und mit dem Thieme Journal Award 2009 ausgezeichnet.

Forschungsbereiche

Die Gruppe um Jérôme Waser interessiert sich für die Entdeckung neuer Reaktivität in der grundlegenden organischen Chemie. Durch den Gebrauch moderner katalytischer Methoden und die Entwicklung unkonventioneller Reagenzien eröffnet er der Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und der Synthese von Heterozyklen neue Wege. Diese Grundlagenarbeit ist für künftige Anwendungen unerlässlich: Heutzutage ist die organische Chemie omnipräsent in der Synthese von Medikamenten, der Entwicklung organischer Stoffe oder der Herstellung von Farbstoffen für Solarzellen. Um die Herausforderungen der Zukunft anzunehmen, ist es wichtig, die organische Synthese flexibler und effizienter zu machen.
Jérôme Waser geht bei der Entdeckung neuer Reaktionen in zwei Schritten vor: Synthese energiereicher Moleküle gefolgt von der Bildung neuer Atombindungen kontrolliert durch einen Katalysator. Die Energie, die im ersten Schritt erzeugt wird, ermöglich somit eine umgekehrte Reaktivität im Vergleich zur natürlichen Polarität der Moleküle („Umpolung“ der Reaktivität). Diese Vorgehensweise hat zwei grosse Forschungsbereiche hervorgebracht:

1) Der Gebrauch der Ringspannung von Zyklopropanen für Zyklisierungsmethoden in der Synthese von Heterozyklen (formelle Reaktion nach Homo-Nazarov). Zyklopropane sind die kleinsten zyklischen Moleküle in der organischen Chemie. Ihre Struktur erlaubt keine ideale Interaktion zwischen den Atomen, was sie sehr reaktiv macht. Die Heterozyklen, die während der Reaktion entstehen, sind in pharmazeutischen und natürlichen Produkten omnipräsent. Diese Methode wurde bereits in der Synthese von natürlichen Alkaloiden verwendet, die ein grosses Potenzial für die Entwicklung neuer bioaktiver Substanzen haben könnten.

2) Der Gebrauch hochreaktiver Bindungen in Acetylenverbindungen (Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindungen) „hypervalenten Jods“. In diesen Verbindungen werden die Jodelektronen ausserhalb des Oktetts dazu genutzt, um eine Bindung mit dem Acetylen einzugehen. Dies ist eine energetisch ungünstige Situation, in der die Dreifachbindung extrem elektrophil ist (arm an Elektronen). Diese Reaktivität ist für Acetylene ungewöhnlich, da diese normalerweise nukleophile Moleküle sind (reich an Elektronen). Durch Gebrauch des Reaktionsmittels TIPS-EBX (TriIsoPropylSilyl Ethynyl BenziodoXolone) und Gold- oder Palladiumkatalysatoren schaffte es die Waser-Gruppe, die Dreifachbindung auf in der organischen Chemie äusserst wichtige Nukleophile wie Olefine oder Heterozyklen zu übertragen. Die Bedeutung dieser Ergebnisse ergibt sich aus der breiten Nutzbarkeit der Acetylene in verschiedenen Bereichen. In der organischen Chemie ermöglichen sie die Bearbeitung komplexer natürlicher Produkte und Medikamente. In der Biologie dienen sie zur Synthese von Molekülbindungen zwischen synthetischen Molekülen und Biomolekülen wie Proteinen, während sie in der Materialwissenschaft zur Herstellung von elektronischen organischen Stoffen und Farbstoffen für Solarzellen eingesetzt werden. Seit 2011 ist das Reaktionsmittel TIPS-EBX kommerzialisiert und kann daher leicht von anderen Wissenschaftlern verwendet werden.

In dieser grundlegenden Forschungsarbeit in der organischen Chemie, die künftig durch die neu geschaffenen synthetischen Möglichkeiten noch unzählige Anwendungen haben wird, spielt die Akademie eine führende Rolle.

Le jury du Prix A.F. Schläfli 2011 était composé des membres suivants: Prof. Dr. Karl Gademann, Université de Bâle, président de la «Platform Chemistry» (président du jury); Prof. Dr A. Dieter Schlüter, Ecole Polytechnique Fédérale de Zürich et Prof. Dr Katharina M. Fromm, Université de Fribourg. Le thème du concours 2011 était «All Areas of Chemistry». Le Prix d’un montant de 5000 francs a été remis par la «Platform Chemistry».