Forskning afslører en ny mekanisme til at overføre chiralitet mellem molekyler i nanoskalafeltet

Hvis vi sammenligner højre med venstre hånd, kan vi se, at det er spejlende billeder - det vil sige som symmetriske former, der reflekteres i et spejl - og de kan ikke overlejre hinanden. Denne egenskab er chiralitet, et træk ved stoffet, der spiller med symmetrien af ​​biologiske strukturer i forskellige skalaer, fra DNA-molekylet til hjertemusklens væv.

Nu er en ny artikel offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications afslører en ny mekanisme til at overføre chiraliteten mellem molekyler i nanoskala-området, ifølge en undersøgelse ledet af UB-lektoren Josep Puigmartí-Luis, fra det kemiske fakultet og Institute of Theoretical and Computational Chemistry (IQTC) ved University of Barcelona .

Kiralitet:Fra fundamentale partikler til biomolekyler

Kiralitet er en iboende egenskab ved stof, der bestemmer biomolekylers biologiske aktivitet. "Naturen er asymmetrisk; den har en venstre og en højre og kan kende forskel på dem. Biomolekylerne, der opbygger det levende stof - aminosyrer, sukkerarter og lipider - er chirale:De er dannet af kemisk identiske molekyler, der er de spekulære billeder til hinanden (enantiomerer), en egenskab, der giver forskellige egenskaber som aktive forbindelser (optisk aktivitet, farmakologisk virkning osv.)," bemærker Josep Puigmartí-Luis, ICREA-forsker og medlem af Institut for Materialevidenskab og Fysisk Kemi.

"Enantiomerer er kemisk identiske, indtil de placeres i et chiralt miljø, der kan differentiere dem (som den højre sko 'genkender' højre fod). Levende systemer, lavet af homochirale molekyler, er chirale miljøer (med samme enantiomer), er chirale miljøer, så de kan 'genkende' og reagere på en anden måde til enantiomere arter. Derudover kan de nemt kontrollere det chirale tegn i biokemiske processer, der giver stereospecifikke transformationer."

Hvordan man opnår chirale molekyler gennem kemiske reaktioner

Chiralitetskontrol er afgørende i produktionen af ​​lægemidler, pesticider, aroma, smagsstoffer og andre kemiske forbindelser. Hver enantiomer (molekyle med en vis symmetri) har en bestemt aktivitet, som er forskellig fra den anden kemisk identiske forbindelse (den spejlende billede). I mange tilfælde kan den farmakologiske aktivitet af en enantiomer være knap, og i værste tilfælde kan den være meget giftig. "Derfor skal kemikere være i stand til at lave forbindelser som enkelte enantiomerer, hvilket kaldes asymmetrisk syntese," siger Puigmartí-Luis.

Der er flere strategier til at kontrollere tegnet på chiralitet i kemiske processer. For eksempel ved at bruge naturlige enantioprene forbindelser kendt som den chirale pool (for eksempel aminosyrer, hydroxysyrer, sukkerarter) som forstadier eller reaktanter, der kan blive en forbindelse af interesse efter en række kemiske modifikationer. Den chirale opløsning er en anden mulighed, der muliggør adskillelse af enantiomerer gennem anvendelse af et enantiomert rent opløsningsmiddel og genvinde forbindelserne af interesse som rene enantiomerer. Anvendelsen af ​​chirale hjælpestoffer, der hjælper et substrat med at reagere på en diastereoselektiv måde, er en anden effektiv metode til at opnå et enantiomert rent produkt. Til sidst er den asymmetriske katalyse - baseret på brugen af ​​asymmetriske katalysatorer - den bedste procedure for at nå den asymmetriske syntese.

"Hver metode beskrevet ovenfor har sine egne fordele og ulemper," bemærker Alessandro Sorrenti, medlem af sektionen for organisk kemi ved universitetet i Barcelona og samarbejdspartner i undersøgelsen. "For eksempel er chiral opløsning - den mest udbredte metode til industriel produktion af enantiomert rene produkter - i sig selv begrænset til 50% udbytte. Den chirale pulje er den mest udbredte kilde til enantioprene forbindelser, men normalt er der kun én tilgængelig enantiomer. chiral hjælpemetode kan tilbyde høje enantiomere overskud, men det kræver yderligere syntetiske faser at tilføje og fjerne hjælpeforbindelsen, såvel som oprensningstrin. Endelig kan chirale katalysatorer være effektive og bruges kun i små mængder, men de fungerer kun godt for en relativt lille antal reaktioner."

"Alle de nævnte metoder gør brug af enantiomert rene forbindelser - i form af opløsningsmidler, hjælpestoffer eller ligander til metalkatalysatorer - som i sidste ende stammer direkte eller indirekte fra naturlige kilder. Med andre ord er naturen den ultimative form for asymmetri."

Styring af chiralitetstegnet gennem væskedynamik

Den nye artikel beskriver, hvordan moduleringen af ​​geometrien af ​​en spiralformet reaktor på et makroskopisk niveau gør det muligt at kontrollere tegnet på chiralitet af en proces på en nanometrisk skala, en hidtil hidtil hidtil opdaget i den videnskabelige litteratur.

Kiraliteten overføres også top-down, med manipulation af det spiralformede rør til molekylært niveau, gennem vekselvirkningen mellem hydrodynamikken i asymmetriske sekundære strømme og den spatiotemporale kontrol af reagenskoncentrationsgradienter.

"For at dette skal virke, er vi nødt til at forstå og karakterisere de transportfænomener, der forekommer i reaktoren, nemlig væskedynamikken og massetransporten, som bestemmer dannelsen af ​​reagenskoncentrationsfronter og placeringen af ​​reaktionszonen i områder med specifik chiralitet ," bemærker Puigmartí-Luis.

I en spiralformet kanal er strømmen mere kompleks end i en lige kanal, da de buede vægge genererer centrifugalkræfter, der resulterer i dannelsen af ​​sekundære strømme i planet vinkelret på væskens retning (hovedstrøm). Disse sekundære strømme (hvirvler) har en dobbelt funktion:De er modsat chiralitetsregioner og bygger det nødvendige chirale miljø til enantioselektion. Derudover ved advektion i apparatet og til udvikling af reagenskoncentrationsgradienter.

Ved at modulere geometrien af ​​den spiralformede reaktor på det makroskopiske niveau, "er det muligt at kontrollere asymmetrien af ​​de sekundære strømme på en sådan måde, at reaktionszonen - det område, hvor reagenserne mødes i en passende koncentration til at reagere - udelukkende udsættes for en af ​​de to hvirvler, og dermed til en specifik chiralitet.Denne mekanisme for chiralitetsoverførsel, baseret på rationel kontrol af væskeflow og massetransport, gør det i sidste ende muligt at kontrollere enantioselektion afhængigt af den makroskopiske chiralitet af den spiralformede reaktor, hvor håndenheden af helixen bestemmer følelsen af ​​enantioselektionen," siger Puigmartí-Luis.

Resultaterne kaster lys over nye grænser for at opnå enantioselektion på et molekylært niveau - uden brug af enantioprene forbindelser - kun ved at kombinere geometri og arbejdsbetingelserne for væskereaktorerne. "Vores undersøgelse giver også en ny grundlæggende indsigt i de mekanismer, der ligger til grund for chiralitetsoverførslen, og viser, at denne iboende egenskab ved levende stof er baseret på samspillet mellem fysiske og kemiske restriktioner, der virker synergistisk på tværs af flere længdeskalaer," konkluderer Josep Puigmartí-Luis . + Udforsk yderligere

Observation af ændringer i molekylers chiralitet i realtid