Une nouvelle technique permet la sélection précise de la sensibilité moléculaire dans les réactions chimiques

Lorsqu’on leur demande de signer leur nom, de se coiffer ou d’utiliser une paire de ciseaux, la plupart des humains préfèrent utiliser une main plutôt que l’autre. Mais être gaucher ou droitier – la gauchère – est un trait que l’on ne trouve pas seulement chez les gens. De nombreuses molécules, en particulier les molécules organiques, présentent également une latéralité.

Dans certains domaines de la chimie, en particulier dans la production de médicaments, la sensibilité des molécules est d’une importance vitale. Le médicament thalidomide est devenu tristement célèbre au milieu du XXe siècle car, alors que sa version dite pour droitier soulage les nausées matinales, la version pour gaucher provoque de graves malformations congénitales.

Parce que cette latéralité peut être si importante en chimie, beaucoup d’efforts ont été faits pour contrôler si la synthèse chimique produit des molécules gauchers ou droitiers. Maintenant, dans un article publié dans la revue La scienceHosea Nelson, professeur de chimie au Caltech, décrit une nouvelle technique conçue dans son laboratoire qui permet la sélection précise de la sensibilité moléculaire dans les réactions chimiques.

Mais d’abord, nous devons expliquer ce que signifie la latéralité dans les molécules. Pour démontrer, tenez vos deux mains devant vous, paumes tournées vers l’extérieur. Les mains sont des images miroir les unes des autres, n’est-ce pas ? Maintenant, retournez votre main gauche. Avec une paume face à vous et une paume tournée vers l’extérieur, vos pouces sont tous deux tournés dans la même direction et vos petits doigts sont du même côté, mais vos mains ne sont pas identiques. Une main a des doigts qui s’éloignent de vous et l’autre a des doigts qui se plient vers vous. Peu importe dans quelle direction vous tournez ou tournez l’une ou l’autre main, elles seront toujours des images miroir l’une de l’autre plutôt qu’identiques.

Il en va de même pour certaines molécules, une caractéristique connue en chimie sous le nom de chiralité (du mot grec désignant la main, cheir). Pour des raisons qui ne sont pas entièrement comprises, les organismes préfèrent que les molécules qu’ils utilisent à des fins spécifiques soient d’une forme ou d’une autre. La plupart des sucres sont droitiers et la plupart des acides aminés sont gauchers, par exemple.

Dans le La science article, Nelson décrit une nouvelle technique de synthèse chimique qui est hautement sélective dans la fabrication de molécules gauchers ou droitiers, selon ce qui est souhaité. La technique utilise une classe de molécules appelées carbocations, qui sont simplement des ions dans lesquels un atome de carbone porte une charge positive.

Les carbocations ont une longue histoire en chimie car ils sont puissamment réactifs. Les réactions de carbocation ont été utilisées pour la production de polymères, de stéroïdes et de produits pharmaceutiques, mais jusqu’à présent, les chercheurs n’ont pas été en mesure de contrôler les réactions d’une manière qui aboutit à la production de molécules uniquement gauchers ou droitiers.

Cependant, les réactions de carbocation se retrouvent également dans le monde naturel et sont utilisées pour fabriquer les protéines, les sucres et de nombreuses autres molécules nécessaires à tout organisme vivant.

« Les carbocations sont un élément fondamental de toutes les molécules de la vie », déclare Nelson. « La nature les utilise pour fabriquer des molécules d’une main ou de l’autre tout le temps. Nous n’avons pas été capables de faire cela. »

Mais maintenant nous le pouvons. En utilisant une classe de catalyseurs développée par le chimiste allemand Benjamin List (qui a remporté le prix Nobel de chimie en 2021), Nelson a exploité les réactions de carbocation de telle manière qu’elles ne produisent que la forme gauche ou droite d’une molécule souhaitée.

Ces réactions de carbocation fonctionnent en insérant un morceau moléculaire contenant un seul atome de carbone et un atome d’hydrogène à un emplacement précis dans une molécule plus grande.

À elles seules, ces réactions produiront les deux formes de la molécule souhaitée. Les catalyseurs synthétiques utilisés par Nelson empruntent une astuce à leurs homologues naturels, les enzymes, pour forcer la fabrication d’une forme ou de l’autre. Les enzymes et les catalyseurs inspirés par elles le font en ayant une cavité dans laquelle la réaction a lieu. La forme de la cavité dicte la forme qui sera créée.

Pour imaginer comment cela fonctionne, imaginez si vous vouliez faire un tas de mains en caoutchouc, mais que vous vouliez que toutes les mains soient gauchères. Une façon de le faire serait d’obtenir un gant pour gaucher, puis d’y verser du caoutchouc liquide. Après le jeu de caoutchouc, vous pourriez sortir la main en caoutchouc du gant et elle serait gaucher. Un gant pour droitier donnerait des mains en caoutchouc pour droitiers.

Nelson dit qu’il aimerait voir la réaction être rendue plus pratique afin de la faire sortir du laboratoire expérimental et dans le monde de la chimie pharmaceutique où il espère qu’elle sera éventuellement utilisée pour synthétiser des médicaments plus efficacement.

Les co-auteurs de la recherche sont Sepand K. Nistanaki et Chloe G. Williams, étudiants diplômés en chimie de Caltech; Benjamin Wigman, Jonathan J. Wong, Stasik Popov et KN Houk de UCLA ; et Brittany C. Haas, Jacob Werth, anciennement de l’Université de l’Utah, maintenant chez Pfizer, et Matthew S. Sigman de l’Université de l’Utah.