La recherche révèle un nouveau mécanisme pour transférer la chiralité entre les molécules dans le domaine à l’échelle nanométrique

Si nous comparons la main droite à la main gauche, nous pouvons voir que ce sont des images spéculaires – c’est-à-dire comme des formes symétriques réfléchies dans un miroir – et qu’elles ne peuvent pas se superposer. Cette propriété est la chiralité, une caractéristique de la matière qui joue avec la symétrie des structures biologiques à différentes échelles, de la molécule d’ADN aux tissus du muscle cardiaque.

Maintenant, un nouvel article publié dans la revue Communication Nature révèle un nouveau mécanisme pour transférer la chiralité entre les molécules dans le domaine nanométrique, selon une étude menée par le conférencier UB Josep Puigmartí-Luis, de la Faculté de chimie et de l’Institut de chimie théorique et computationnelle (IQTC) de l’Université de Barcelone .

Chiralité : des particules fondamentales aux biomolécules

La chiralité est une propriété intrinsèque de la matière qui détermine l’activité biologique des biomolécules. « La nature est asymétrique ; elle a une gauche et une droite et peut faire la différence entre elles. Les biomolécules qui constituent la matière vivante – acides aminés, sucres et lipides – sont chirales : elles sont formées par des molécules chimiquement identiques qui sont les molécules spéculaires. images les unes aux autres (énantiomères), une caractéristique qui confère des propriétés différentes en tant que composés actifs (activité optique, action pharmacologique, etc.) », note Josep Puigmartí-Luis, chercheur à l’ICREA et membre du Département de science des matériaux et de chimie physique.

« Les énantiomères sont chimiquement identiques jusqu’à ce qu’ils soient placés dans un environnement chiral qui peut les différencier (comme la bonne chaussure ‘reconnaît’ le pied droit). Les systèmes vivants, constitués de molécules homochirales, sont des environnements chiraux (avec le même énantiomère), sont chiraux environnements afin qu’ils puissent « reconnaître » et répondre de manière différente aux espèces énantiomères. De plus, ils peuvent contrôler facilement le signe chiral dans les processus biochimiques donnant des transformations stéréospécifiques.

Comment obtenir des molécules chirales par des réactions chimiques

Le contrôle de la chiralité est décisif dans la production de médicaments, de pesticides, d’arômes, d’arômes et d’autres composés chimiques. Chaque énantiomère (molécule avec une certaine symétrie) a une certaine activité qui est différente de l’autre composé chimiquement identique (son image spéculaire). Dans de nombreux cas, l’activité pharmacologique d’un énantiomère peut être rare et, dans le pire des cas, il peut être très toxique. « Par conséquent, les chimistes doivent être capables de fabriquer des composés sous forme d’énantiomères uniques, ce qu’on appelle la synthèse asymétrique », explique Puigmartí-Luis.

Il existe plusieurs stratégies pour contrôler le signe de la chiralité dans les processus chimiques. Par exemple, en utilisant des composés naturels énantiopurs connus sous le nom de pool chiral (par exemple, des acides aminés, des hydroxyacides, des sucres) comme précurseurs ou réactifs qui peuvent devenir un composé d’intérêt après une série de modifications chimiques. La résolution chirale est une autre option qui permet de séparer les énantiomères grâce à l’utilisation d’un agent de résolution énantiomériquement pur et de récupérer les composés d’intérêt sous forme d’énantiomères purs. L’utilisation d’auxiliaires chiraux qui aident un substrat à réagir de manière diastéréosélective est une autre méthodologie efficace pour obtenir un produit énantiomériquement pur. Enfin, la catalyse asymétrique – basée sur l’utilisation de catalyseurs asymétriques – est la meilleure procédure pour parvenir à la synthèse asymétrique.

« Chaque méthode décrite ci-dessus a ses propres avantages et inconvénients », note Alessandro Sorrenti, membre de la section de chimie organique de l’Université de Barcelone et collaborateur à l’étude. « Par exemple, la résolution chirale – la méthode la plus répandue pour la production industrielle de produits énantiomériquement purs – est intrinsèquement limitée à un rendement de 50 %. Le pool chiral est la source la plus abondante de composés énantiopurs, mais généralement, il n’y a qu’un seul énantiomère disponible. La méthode auxiliaire chirale peut offrir des excès énantiomériques élevés, mais elle nécessite des phases synthétiques supplémentaires pour ajouter et éliminer le composé auxiliaire, ainsi que des étapes de purification.Enfin, les catalyseurs chiraux peuvent être efficaces et ne sont utilisés qu’en petites quantités, mais ils ne fonctionnent bien que pour un temps relativement petit nombre de réactions. »

« Toutes les méthodes mentionnées utilisent des composés énantiomériquement purs – sous la forme d’agents de résolution, d’auxiliaires ou de ligands pour catalyseurs métalliques – qui dérivent finalement directement ou indirectement de sources naturelles. En d’autres termes, la nature est la forme ultime de l’asymétrie. »

Contrôler le signe de la chiralité par la dynamique des fluides

Le nouvel article décrit comment la modulation de la géométrie d’un réacteur hélicoïdal à l’échelle macroscopique permet de contrôler le signe de chiralité d’un processus à l’échelle nanométrique, une découverte inédite à ce jour dans la littérature scientifique.

Aussi, la chiralité est transférée de haut en bas, avec la manipulation du tube hélicoïdal au niveau moléculaire, par l’interaction de l’hydrodynamique des écoulements secondaires asymétriques et le contrôle spatio-temporel des gradients de concentration des réactifs.

« Pour que cela fonctionne, nous devons comprendre et caractériser les phénomènes de transport se produisant au sein du réacteur, à savoir la dynamique des fluides et le transport de masse, qui déterminent la formation de fronts de concentration de réactifs et le positionnement de la zone de réaction dans des régions de chiralité spécifique. « , note Puigmarti-Luis.

Dans un canal hélicoïdal, l’écoulement est plus complexe que dans un canal droit, car les parois courbes génèrent des forces centrifuges qui se traduisent par la formation d’écoulements secondaires dans le plan perpendiculaire à la direction du fluide (écoulement principal). Ces flux secondaires (vortex) ont une double fonction : ils sont des régions de chiralité opposée et construisent l’environnement chiral nécessaire à l’énantiosélection. De plus, par advection à l’intérieur de l’appareil et pour l’élaboration de gradients de concentration de réactifs.

En modulant la géométrie du réacteur hélicoïdal au niveau macroscopique, « il est possible de contrôler l’asymétrie des flux secondaires de manière à ce que la zone de réaction – la région où les réactifs se rencontrent à une concentration appropriée pour réagir – soit exposée exclusivement à l’un des deux tourbillons, et donc à une chiralité spécifique.Ce mécanisme de transfert de chiralité, basé sur le contrôle rationnel de l’écoulement de fluide et du transport de masse, permet in fine de contrôler l’énantiosélection en fonction de la chiralité macroscopique du réacteur hélicoïdal, où la latéralité de l’hélice détermine le sens de l’énantiosélection », explique Puigmarti-Luis.

Les résultats ont mis en lumière de nouvelles frontières pour réaliser l’énantiosélection au niveau moléculaire – sans l’utilisation de composés énantiopurs – uniquement en combinant la géométrie et les conditions de travail des réacteurs fluides. « En outre, notre étude fournit un nouvel aperçu fondamental des mécanismes sous-jacents au transfert de chiralité, démontrant que cette propriété intrinsèque de la matière vivante est basée sur l’interaction de restrictions physiques et chimiques agissant en synergie sur plusieurs échelles de longueur », conclut Josep Puigmartí-Luis. .