Neue Technik ermöglicht die präzise Auswahl der molekularen Händigkeit bei chemischen Reaktionen

Wenn sie gebeten werden, ihren Namen zu unterschreiben, ihr Haar zu kämmen oder eine Schere zu benutzen, ziehen es die meisten Menschen vor, eine Hand der anderen vorzuziehen. Aber Links- oder Rechtshänder zu sein – Händigkeit – ist eine Eigenschaft, die nicht nur bei Menschen zu finden ist. Viele Moleküle, insbesondere organische Moleküle, weisen ebenfalls Händigkeit auf.

In einigen Bereichen der Chemie, insbesondere bei der Herstellung von Medikamenten, ist die Händigkeit von Molekülen von entscheidender Bedeutung. Das Medikament Thalidomid wurde Mitte des 20. Jahrhunderts berüchtigt, weil seine sogenannte Rechtshänder-Version die morgendliche Übelkeit lindert, die Linkshänder-Version schwere Geburtsfehler verursacht.

Da diese Händigkeit in der Chemie so wichtig sein kann, wurden große Anstrengungen unternommen, um zu kontrollieren, ob die chemische Synthese linkshändige oder rechtshändige Moleküle erzeugt. Jetzt in einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel WissenschaftHosea Nelson, Caltech-Professor für Chemie, beschreibt eine neue Technik, die in seinem Labor entwickelt wurde und die eine präzise Auswahl der molekularen Händigkeit bei chemischen Reaktionen ermöglicht.

Zunächst müssen wir jedoch erklären, was Händigkeit bei Molekülen bedeutet. Um dies zu demonstrieren, halten Sie beide Hände vor sich, die Handflächen zeigen nach außen. Die Hände sind Spiegelbilder voneinander, richtig? Drehen Sie nun Ihre linke Hand um. Mit einer Handfläche zu Ihnen und einer abgewandten Handfläche zeigen Ihre Daumen beide in dieselbe Richtung und Ihre kleinen Finger befinden sich auf derselben Seite, aber Ihre Hände sind nicht identisch. Eine Hand hat Finger, die sich von dir weg beugen, und die andere hat Finger, die sich zu dir hin beugen. Egal in welche Richtung Sie beide Hände drehen oder drehen, sie werden immer Spiegelbilder voneinander sein und nicht identisch sein.

Dasselbe gilt für einige Moleküle, eine Eigenschaft, die in der Chemie als Chiralität (vom griechischen Wort für Hand, cheir) bekannt ist. Aus nicht vollständig verstandenen Gründen ziehen Organismen es vor, dass die Moleküle, die sie für bestimmte Zwecke verwenden, die eine oder andere Form haben. Die meisten Zucker sind zum Beispiel rechtshändig und die meisten Aminosäuren sind linkshändig.

In dem Wissenschaft Paper beschreibt Nelson eine neue chemische Synthesetechnik, die hochselektiv entweder linkshändige oder rechtshändige Moleküle herstellt, je nachdem, was gewünscht wird. Die Technik nutzt eine Klasse von Molekülen namens Carbokationen, die einfach Ionen sind, in denen ein Kohlenstoffatom eine positive Ladung trägt.

Carbokationen haben eine lange Geschichte in der Chemie, weil sie stark reaktiv sind. Carbokationsreaktionen wurden für die Herstellung von Polymeren, Steroiden und pharmazeutischen Produkten verwendet, aber bis jetzt waren Forscher nicht in der Lage, die Reaktionen so zu steuern, dass nur linkshändige oder rechtshändige Moleküle hergestellt werden.

Carbokationsreaktionen finden sich jedoch auch überall in der Natur und werden verwendet, um Proteine, Zucker und viele andere Moleküle herzustellen, die für jeden lebenden Organismus notwendig sind.

„Carbokationen sind ein grundlegender Baustein aller Moleküle des Lebens“, sagt Nelson. „Die Natur verwendet sie, um ständig Moleküle der einen oder anderen Seite herzustellen. Wir konnten das nicht.“

Aber jetzt können wir es. Mit einer Klasse von Katalysatoren, die vom deutschen Chemiker Benjamin List (der 2021 den Nobelpreis für Chemie erhielt) entwickelt wurde, hat Nelson Carbokationsreaktionen so genutzt, dass sie nur die linkshändige oder rechtshändige Form eines gewünschten Moleküls erzeugen.

Diese Carbokationsreaktionen funktionieren, indem ein Molekülstück, das ein einzelnes Kohlenstoffatom und ein Wasserstoffatom enthält, an einer bestimmten Stelle in einem größeren Molekül eingefügt wird.

Allein diese Reaktionen erzeugen beide Formen des gewünschten Moleküls. Die von Nelson verwendeten synthetischen Katalysatoren leihen sich einen Trick von ihren natürlichen Gegenstücken, Enzymen, um die Herstellung der einen oder anderen Form zu erzwingen. Sowohl Enzyme als auch die von ihnen inspirierten Katalysatoren tun dies, indem sie einen Hohlraum haben, in dem die Reaktion stattfindet. Die Form des Hohlraums bestimmt, welche Form erzeugt wird.

Um sich vorzustellen, wie das funktioniert, stellen Sie sich vor, Sie wollten ein paar Gummihände machen, aber Sie wollten, dass alle Hände Linkshänder sind. Eine Möglichkeit, dies zu tun, wäre, einen Handschuh für Linkshänder zu besorgen und dann flüssiges Gummi hineinzugießen. Nach dem Gummisatz könnten Sie die Gummihand aus dem Handschuh herausnehmen und es wäre Linkshänder. Ein rechtshändiger Handschuh würde rechtshändige Gummihände ergeben.

Nelson sagt, er würde gerne sehen, dass die Reaktion praktischer anwendbar ist, um sie aus der experimentellen Laborumgebung heraus in die Welt der pharmazeutischen Chemie zu bringen, wo er hofft, dass sie schließlich zur effizienteren Synthese von Medikamenten verwendet wird.

Co-Autoren der Forschung sind die Chemiestudenten Sepand K. Nistanaki und Chloe G. Williams vom Caltech; Benjamin Wigman, Jonathan J. Wong, Stasik Popov und KN Houk von der UCLA; und Brittany C. Haas, Jacob Werth, früher von der University of Utah, jetzt bei Pfizer, und Matthew S. Sigman von der University of Utah.