Cyclische moleculen zijn overal, en alles om ons heen komt voort uit de manier waarop ze zijn samengesteld:niet alleen smaak, kleur en geur maar ook (bijvoorbeeld) farmaceutische medicijnen. De natuur vormt op zichzelf moleculaire ringen van verschillende groottes en kettingen van ringen van verschillende lengtes die wetenschappers kunstmatig kunnen reproduceren. Chemici van de Universiteit van Genève (UNIGE) hebben nu een nieuwe techniek bedacht om deze ketens van moleculaire ringen te maken die geen standaard chemische interacties gebruiken, maar contact maken met grote moleculaire oppervlakken die elektronenarm zijn en niet in de natuur voorkomen. Anders dan bij standaardprocedures, deze nieuwe techniek werkt door autokatalyse - de zeldzaamste, maar ook de meest ambitieuze, type transformatie dat in de chemie bestaat. De resultaten van dit onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie , nieuwe perspectieven openen voor moleculaire cyclisatie en ook het eerste deel van het antwoord bieden op een oude tegenstelling in de klassieke chemie.

De moleculen die ons omringen zijn vaak gerangschikt in de vorm van cycli, steroïden vormen, suikers, parfums of ook drugs, bijvoorbeeld. Anorganische scheikunde, deze moleculaire ringen kunnen worden gemaakt met behulp van de techniek van katalyse:het geselecteerde molecuul, een substraat genoemd, wordt in contact gebracht met het molecuul dat de transformatie realiseert - de katalysator - meestal via waterstofbruggen. Maar met deze enkele manier van interactie, de creatieve mogelijkheden worden verminderd. Het opnemen van nieuwe manieren van interactie zou ze anders omzetten, waardoor nieuwe materialen worden gecreëerd met het potentieel om wetenschappelijke en maatschappelijke problemen op te lossen die onhandelbaar zijn met conventionele methoden.

Stefan Matile is een professor in de afdeling Organische Chemie van de School of Chemistry and Biochemistry van de faculteit Wetenschappen van UNIGE. Hij is ook lid van de NCCR Chemische Biologie en de NCCR Molecular Systems Engineering. "Ons laboratorium heeft zich gespecialiseerd in het implementeren van nieuwe contacten tussen moleculen, een ervan is gebaseerd op zeer grote moleculaire oppervlakken, bekend als aromaten, die arm zijn aan sterk gedelokaliseerde elektronen." Professor Matile voegt eraan toe dat contacten met deze grote, lege moleculaire vlakten, die in de natuur ontbreken, leek veelbelovend voor de cyclisatie van moleculaire ringen die aan elkaar geketend zijn. Maar wat zijn de gevolgen?

Ketens van moleculaire ringen geproduceerd door autokatalyse

De doelstellingen van de chemici van Genève waren:cycli van verschillende groottes reproduceren, d.w.z. bestaande uit een aantal gedefinieerde atomen (steroïden, bijvoorbeeld, worden gevormd uit drie cycli van zes atomen plus één van vijf); en om verschillende cycli aan elkaar te koppelen zonder de waterstofbruggen te gebruiken, maar een moleculair oppervlak met weinig gedelokaliseerde elektronen (bekend als anion-π-interacties). "Het belangrijkste kenmerk van deze moleculaire vlakte is de lege ruimte die het biedt voor moleculen om te assembleren, " zegt Miguel Paraja, een onderzoeker in de afdeling Organische Chemie van UNIGE. Bij contact met deze nieuwe, ruim en elektronenarm oppervlak, de moleculen vormden cycli van verschillende groottes (4 tot 8 atomen) en verschillende sequenties. "Maar het grote nieuws was de manier waarop de transformaties plaatsvonden!" voegt de in Genève gevestigde chemicus toe.

Al deze cyclisaties vonden autokatalytisch plaats. "Met een conventionele katalysator, de cyclisaties zijn snel in het begin, en dan - omdat er steeds minder substraat is - vertragen ze steeds meer, legt Xiaoyu Hao uit, een onderzoeker in hetzelfde laboratorium. Maar met autokatalyse, het is precies het tegenovergestelde dat gebeurt!" Inderdaad, de moleculaire transformaties versnellen op grote schaal. "Hoewel deze autokatalyse een zeer zeldzaam transformatiefenomeen is in de chemie, het is ook het meest verbazingwekkende, zegt professor Matile. "Het is gebaseerd op wederzijdse hulp tussen moleculen:de eerste getransformeerde moleculen helpen de volgende om te transformeren, wat niet het geval is tijdens normale katalyse, die vertraagt ​​in plaats van versnelt."

De eerste stap in het beantwoorden van een oude tegenstelling van de klassieke scheikunde

Deze ontdekking helpt een van de oudste tegenstrijdigheden in de klassieke scheikunde te beantwoorden. "Er is een zeer bekende keten van moleculaire ringen, een brevetoxine genoemd, die wordt gevonden in het rode tij en die het effect heeft van het doden van vissen, " legt professor Matile uit. Het werd ontdekt door een torenhoge figuur in de organische chemie, Koji Nakanishi, die een verklaring naar voren brachten voor de mogelijke constructie van deze buitengewone keten gevormd uit elf opeenvolgende moleculaire ringen in een enkele reactie. Maar deze hypothese was het niet eens met Jack Baldwin, een beroemde chemicus die de regels opstelde die de vorming van cycli verklaren die nu worden aanvaard als de basis van de klassieke chemie. De "Nakanishi-hypothese" overtreedt deze regels voor elk van de elf ringen. "Onze ringen kunnen worden gevormd volgens de regels van Baldwin als we dat willen, meldt Paraja. Belangrijker, we kunnen op verzoek ook de Baldwin-regels breken met onze nieuwe katalysatoren en die verboden ringen creëren waar Koji Nakanishi van droomde." "De sleutel tot succes, legt Hao uit, is de grote lege ruimte die onze nieuwe katalysatoren bieden."

Professor Matile vervolgt:"Met de ontdekking van autokatalyse bij het vormen van cyclische moleculen, onze anion-π contacten hebben ons geholpen de meest subtiele manier te begrijpen om de moleculen die in de chemie bestaan ​​te transformeren. En dit zal ons helpen om nieuwe ketens van moleculaire ringen te creëren." De chemici zullen de aard van de transformatie van het volgende substraat kunnen beïnvloeden en sturen, nieuwe materialen maken, een van de belangrijkste doelstellingen ook van de NCCR Molecular Systems Engineering. "De meeste oplossingen voor wetenschappelijke problemen, of het nu gaat om eten, geneeskunde of omgeving, omvatten moleculen en nieuwe contacten die daartussen kunnen worden gelegd, ", zegt de in Genève gevestigde chemicus.