Forskere udvikler katalysator med chiralitet i zinkcentret

Forskere har designet og bygget et nyt kemisk værktøj inspireret af naturlige metalholdige enzymer i levende organismer. Produktet, en tetraedrisk "chiral zink, "bevarer sin form i årevis, giver en ny struktur med spændende muligheder for fremstilling af lægemidler og optisk elektronik. Eksperter tilføjer anførselstegn omkring "chiral zink" for at understrege, at en chiral binding er knyttet til zinken, snarere end et andet atom i et molekyle, der tilfældigvis indeholder zink.

"Vi forventer, at resultaterne af denne undersøgelse vil tilføje en ny side til kemi-lærebøgerne og vil have stor indflydelse på mange industrier involveret i stofsyntese, " sagde professor Mitsuhiko Shionoya, leder af laboratoriet, der udførte forskningen ved Tokyos universitet. Holdets resultater offentliggøres i Naturkommunikation .

Et væsentligt træk ved forbindelsen er dens chiralitet ved zinkatomet i midten af ​​molekylet. Et chiralt molekyle kommer i to versioner, kaldet enantiomerer. Enantiomererne er lavet af de samme grundstoffer, men adskiller sig i 3D-orienteringen af, hvordan atomerne er bundet, som venstre og højre hånd.

Kiralitet kan give kemikalier unikke optiske egenskaber, som kan være nyttige i elektronik. Nogle chirale lægemiddelmolekyler er terapeutiske i én retning og giftige i den modsatte retning, så isolering af den ønskede enantiomer er ofte afgørende for lægemiddelproducenter, og metoder til at tvinge kemiske reaktioner til kun at producere den ønskede enantiomer kunne spare tid og reducere spild.

Kemikere har udviklet mange effektive måder at bygge chirale forbindelser med kulstof og andre ikke-metaller i det chirale center. Derudover designet af chirale katalysatorer, der indeholder metal - men hvis chiralitet ikke er centreret om metalatomet - fik 2001 Nobelprisen i kemi for deres nyttige evne til at inducere kulstofcentreret chiralitet. Imidlertid, fremstilling af metalcentrerede chirale molekyler er fortsat en åben udfordring. Metaller er sværere at bruge som chirale centre, fordi de bindinger, de laver, ofte er mindre stabile.

"Min drøm var lidt større. Jeg ville gerne have, at hvert element i det periodiske system blev centrum for chiralitet, " bemærkede Shionoya. Enkelte zinkatomer omgivet af fire arme i en trekantet pyramide, eller tetraedrisk, form er almindelig i naturen - mange typer tetraedriske zinkforbindelser, såsom zinkfingre, binder til DNA og andre håndterer kuldioxid i pattedyrceller.

Syntetiske kemikere har lavet 3-D fem- og seksarmede zinkforbindelser, men de syntetiske tetraedriske zinkforbindelser fremstillet til dato har været stabile i få minutter, før deres bindinger blev adskilt.

Shionoyas forskerhold antog, at hvis hver af de fire arme, der er knyttet til zinken, får en anden rolle, det endelige chirale molekyle kunne forblive stabilt og tjene som et nyttigt værktøj til at fremskynde andre kemiske reaktioner. Holdets første skridt var at designe en tre-armet struktur, eller usymmetrisk tretandligand, og fastgør disse arme til det centrale zinkatom.

"Dette var den sværeste del. Der var ingen vellykkede eksempler på stabilisering af den tetraedriske metalcentrerede chiralitet før starten af ​​denne undersøgelse, så vi var nødt til at designe den trekantede ligand fra bunden, " sagde Shionoya.

Dette første trin producerede lige store mængder af hver enantiomer af en chiral zink bundet til den tridentate ligand.

Derefter, forskere vedhæftede en mellemliggende fjerde arm kaldet auxiliary chiral ligand. Denne chirale ligand gav hele tetraederet to chiralitetspunkter - et i den fjerde arm og et ved den centrale zink. Opvarmning af opløsningen lokkede næsten alle molekylerne til at omkonfigurere til den ene mere stabile enantiomer.

Det sidste trin var at erstatte det chirale hjælpemiddel med en achiral fjerde arm. Slutproduktet blev opnået som 100% rene enkelt-enantiomere krystaller. Renheden af ​​denne enantiomer forblev større end 99% over tid og selv efter opløsning af krystallen i et opløsningsmiddel.

En udskiftelig arm forbliver på "chiral zink, " som derefter kan bruges til at fremskynde kemiske reaktioner for at producere nyttige produkter. Desuden, Brug af en ren opløsning af en enantiomer af en chiral katalysator kan ofte skubbe en kemisk reaktion til at producere et slutprodukt, der også er en enkelt enantiomer.

"Vi håber, at mange kemikere vil begynde at bruge tetraedriske metalkomplekser som katalysatorer til at lave nyttige produkter til samfundet, " sagde Shionoya.