Die Forschung enthüllt einen neuen Mechanismus zur Übertragung der Chiralität zwischen Molekülen im Nanobereich

Wenn wir die rechte mit der linken Hand vergleichen, können wir sehen, dass es sich um Spiegelbilder handelt – das heißt, wie symmetrische Formen, die in einem Spiegel reflektiert werden – und sie können sich nicht überlagern. Diese Eigenschaft ist Chiralität, ein Merkmal der Materie, das mit der Symmetrie biologischer Strukturen auf verschiedenen Skalen spielt, vom DNA-Molekül bis zum Gewebe des Herzmuskels.

Jetzt ist ein neuer Artikel in der Zeitschrift erschienen Naturkommunikation enthüllt einen neuen Mechanismus zur Übertragung der Chiralität zwischen Molekülen im Nanobereich, so eine Studie unter der Leitung des UB-Dozenten Josep Puigmartí-Luis von der Fakultät für Chemie und dem Institut für Theoretische und Computerchemie (IQTC) der Universität Barcelona .

Chiralität: Von Elementarteilchen zu Biomolekülen

Chiralität ist eine intrinsische Eigenschaft von Materie, die die biologische Aktivität von Biomolekülen bestimmt. „Die Natur ist asymmetrisch; sie hat eine Linke und eine Rechte und kann sie unterscheiden. Die Biomoleküle, aus denen die lebende Materie besteht – Aminosäuren, Zucker und Lipide – sind chiral: Sie werden von chemisch identischen Molekülen gebildet, die das Spiegelbild sind Bilder zueinander (Enantiomere), ein Merkmal, das unterschiedliche Eigenschaften als aktive Verbindungen bereitstellt (optische Aktivität, pharmakologische Wirkung usw.)“, bemerkt Josep Puigmartí-Luis, ICREA-Forscher und Mitglied der Abteilung für Materialwissenschaften und physikalische Chemie.

„Enantiomere sind chemisch identisch, bis sie in eine chirale Umgebung gebracht werden, die sie unterscheiden kann (so wie der rechte Schuh den rechten Fuß „erkennt“). Lebende Systeme, die aus homochiralen Molekülen bestehen, sind chirale Umgebungen (mit demselben Enantiomer), sind chiral Umgebungen, so dass sie enantiomere Spezies ‚erkennen‘ und anders darauf reagieren können. Darüber hinaus können sie das Chiralitätszeichen in biochemischen Prozessen, die stereospezifische Transformationen ergeben, leicht kontrollieren.“

Wie man chirale Moleküle durch chemische Reaktionen erhält

Die Chiralitätskontrolle ist entscheidend bei der Herstellung von Arzneimitteln, Pestiziden, Aromen, Geschmacksstoffen und anderen chemischen Verbindungen. Jedes Enantiomer (Molekül mit einer bestimmten Symmetrie) hat eine bestimmte Aktivität, die sich von der anderen chemisch identischen Verbindung unterscheidet (ihr Spiegelbild). In vielen Fällen kann die pharmakologische Aktivität eines Enantiomers gering sein, und im schlimmsten Fall kann es sehr toxisch sein. „Deshalb müssen Chemiker in der Lage sein, Verbindungen als einzelne Enantiomere herzustellen, was als asymmetrische Synthese bezeichnet wird“, sagt Puigmartí-Luis.

Es gibt mehrere Strategien, um das Vorzeichen der Chiralität in chemischen Prozessen zu kontrollieren. Beispielsweise die Verwendung natürlicher enantiomerenreiner Verbindungen, die als Chiral Pool bekannt sind (z. B. Aminosäuren, Hydroxysäuren, Zucker) als Vorstufen oder Reaktanten, die nach einer Reihe von chemischen Modifikationen zu einer interessierenden Verbindung werden können. Die chirale Trennung ist eine weitere Option, die die Trennung von Enantiomeren durch die Verwendung eines enantiomerenreinen Trennmittels und die Gewinnung der interessierenden Verbindungen als reine Enantiomere ermöglicht. Die Verwendung von chiralen Hilfsstoffen, die einem Substrat helfen, diastereoselektiv zu reagieren, ist eine weitere effiziente Methode, um ein enantiomerenreines Produkt zu erhalten. Schließlich ist die asymmetrische Katalyse – basierend auf der Verwendung asymmetrischer Katalysatoren – das Top-Verfahren, um die asymmetrische Synthese zu erreichen.

„Jede oben beschriebene Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile“, bemerkt Alessandro Sorrenti, Mitglied der Sektion für Organische Chemie der Universität Barcelona und Mitarbeiter an der Studie. „Zum Beispiel ist die chirale Trennung – die am weitesten verbreitete Methode zur industriellen Herstellung enantiomerenreiner Produkte – von Natur aus auf eine Ausbeute von 50 % begrenzt. Der chirale Pool ist die häufigste Quelle für enantiomerenreine Verbindungen, aber normalerweise ist nur ein Enantiomer verfügbar Verfahren mit chiralen Hilfsstoffen können hohe Enantiomerenüberschüsse bieten, erfordern jedoch zusätzliche synthetische Phasen zur Zugabe und Entfernung der Hilfsverbindung sowie Reinigungsschritte.Schließlich können chirale Katalysatoren effizient sein und werden nur in kleinen Mengen verwendet, aber sie funktionieren nur relativ gut wenige Reaktionen.“

„Alle genannten Methoden nutzen enantiomerenreine Verbindungen – in Form von Trennmitteln, Hilfsstoffen oder Liganden für Metallkatalysatoren – die letztendlich direkt oder indirekt aus natürlichen Quellen stammen. Mit anderen Worten, die Natur ist die ultimative Form der Asymmetrie.“

Steuerung des Chiralitätszeichens durch Fluiddynamik

Der neue Artikel beschreibt, wie die Modulation der Geometrie eines helikalen Reaktors auf makroskopischer Ebene es ermöglicht, das Vorzeichen der Chiralität eines Prozesses im Nanometerbereich zu steuern, eine bisher in der wissenschaftlichen Literatur beispiellose Entdeckung.

Außerdem wird die Chiralität von oben nach unten durch die Manipulation der helikalen Röhre auf die molekulare Ebene übertragen, und zwar durch die Wechselwirkung der Hydrodynamik asymmetrischer Sekundärströmungen und der raumzeitlichen Kontrolle der Konzentrationsgradienten der Reagenzien.

„Damit das funktioniert, müssen wir die im Reaktor ablaufenden Transportphänomene verstehen und charakterisieren, nämlich die Fluiddynamik und den Stofftransport, die die Bildung von Konzentrationsfronten der Reagenzien und die Positionierung der Reaktionszone in Regionen spezifischer Chiralität bestimmen “, bemerkt Puigmartí-Luis.

In einem spiralförmigen Kanal ist die Strömung komplexer als in einem geraden Kanal, da die gekrümmten Wände Zentrifugalkräfte erzeugen, die zur Bildung von Sekundärströmungen in der Ebene senkrecht zur Richtung des Fluids (Hauptströmung) führen. Diese sekundären Strömungen (Wirbel) haben eine doppelte Funktion: Sie sind Regionen mit entgegengesetzter Chiralität und bilden die notwendige chirale Umgebung für die Enantioselektion. Außerdem durch Advektion innerhalb des Gerätes und zum Aufbau von Reagenzkonzentrationsgradienten.

Durch die Modulation der Geometrie des Wendelreaktors auf makroskopischer Ebene „ist es möglich, die Asymmetrie der Sekundärströmungen so zu steuern, dass die Reaktionszone – der Bereich, in dem Reagenzien in geeigneter Konzentration zur Reaktion zusammentreffen – ausschließlich bestrahlt wird einem der beiden Wirbel und damit zu einer spezifischen Chiralität.Dieser Mechanismus des Chiralitätstransfers, der auf der rationalen Steuerung vonFluidströmung und Stofftransport basiert, ermöglicht es letztendlich, die Enantioselektionin Abhängigkeit von der makroskopischen Chiralität des helikalen Reaktors zu steuern,wobei die Händigkeit von die Helix bestimmt den Sinn der Enantioselektion“, sagt Puigmartí-Luis.

Die Ergebnisse werfen Licht auf neue Grenzen, um die Enantioselektion auf molekularer Ebene – ohne die Verwendung enantiomerenreiner Verbindungen – nur durch die Kombination von Geometrie und Arbeitsbedingungen der Fluidreaktoren zu erreichen. „Außerdem liefert unsere Studie einen neuen grundlegenden Einblick in die Mechanismen, die dem Chiralitätstransfer zugrunde liegen, und zeigt, dass diese intrinsische Eigenschaft lebender Materie auf der Wechselwirkung physikalischer und chemischer Einschränkungen beruht, die synergetisch über mehrere Längenskalen hinweg wirken“, schließt Josep Puigmartí-Luis .