Forskere justerer hastigheden af ​​chiralitetsskift

Chirale molekyler kan have dramatisk forskellige funktionelle egenskaber, mens de deler identiske kemiske formler og næsten identiske strukturer. Den molekylære struktur af to typer af et chiralt molekyle - såkaldte enantiomerer - er spejlbilleder af hinanden, hvor den ene ikke kan lægges oven på den anden, lige så lidt som din højre hånd kan passe front-to-back til venstre. Mens mange chirale molekyler traditionelt betragtes som fikserede som venstre- eller højrehåndede, vides chirale molekyler baseret på helixer at være i stand til at skifte som reaktion på ændringer i deres miljø.

Nu har forskere ledet af Shigehisa Akine ved Kanazawa University demonstreret, hvordan miljøændringer også kan accelerere eller bremse denne chirale inversionsproces, hvilket giver et nyt tidsprogrammerbart omskiftbart system. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Science Advances .

Forskerne fokuserede deres undersøgelse på metallocryptand (R₆ )-LNi₃ , et organisk molekyle med metalatomer i en burlignende molekylstruktur, der kan eksistere i en af ​​to mulige former beskrevet som P- eller M-typen (henholdsvis højre- og venstrehåndet) (fig. 1). I sin rene form (R₆ )-LNi₃ har et foretrukket forhold mellem P-type og M-type på 12:88.

Startende fra et 50:50-forhold vil molekylerne vende mellem den ene form og den anden med en præference for at vende mod M-typen for at opfylde dette forhold. Forskerne målte denne ændring i forholdet ved hjælp af NMR og cirkulær dikroisk spektroskopi. Tilføj dog et alkalimetal ind i burets hulrum, og denne præference kan ændre sig.

Ved at tilsætte alkalimetalioner til opløsningen af ​​(R₆ )-LNi₃ forskerne kunne bekræfte, at metalionerne let bindes til metallocryptand fra ændringerne i molekylernes spektroskopiske signaturer. Derudover ændrede den bundne ion også det foretrukne forhold med en margin og med en hastighed, der afhang af hvilket alkalimetal, der blev brugt.

Forskerne tilskriver de forskellige hastigheder og forhold forskelle i bindingskonstanter, ikke kun mellem metalionen og de to former for molekylet, men også en virtuel bindingskonstant for molekylet, der skifter mellem de to. Bindingen mellem cæsiumion og P-type-molekylet var mere end 20 gange større end med M-typen, så opløsningen skiftede til sidst til en højere andel af P-typen med et P:M-forhold på 75:25 i løbet af 21 timer.

Det endelige forhold med rubidiumion var på samme måde bias til P-typen, der nåede et lidt lavere forhold på 72:28, men på kun 100 minutter. Med kaliumion var ligevægtsforholdet igen lavere ved 68:32, men nåede inden for blot et minut, tre størrelsesordener hurtigere end for cæsiumionen (fig. 2). Forskerne tilskriver denne hastighed den store virtuelle bindingskonstant med overgangsmolekylet.

Med mindre ioner - lithium- og natriumioner - ændrede den foretrukne molekylære type sig faktisk ikke, men det endelige forhold blev nået meget hurtigere. Det er første gang, forskere har påvist, at en sådan chiral inversion kan fremskyndes og bremses ved at justere molekylernes miljø.

"Denne forskning kan give en ny indsigt i udviklingen af ​​et on-demand tidsprogrammerbart molekylært ur til den nye generation af kemiske teknologier," konkluderer forskerne og nævner som mulige fremtidige teknologier en hukommelsesenhed med en kontrollerbar kemisk informationsbehandlingstid. som chirale sensorer, hvis selektivitet er inverterbar afhængigt af situationerne.

Flere oplysninger: Sk Asif Ikbal et al., Acceleration og deceleration af chiralitetsinversionshastigheder i en dynamisk spiralformet metallokrypt og ved alkalimetalionbinding, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj5536

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Kanazawa University