Onderzoekers hebben een nieuw chemisch hulpmiddel ontworpen en gebouwd, geïnspireerd op natuurlijke metaalbevattende enzymen in levende organismen. Het product, een tetraëdrisch "chiraal zink, " behoudt jarenlang zijn vorm, het bieden van een nieuwe structuur met opwindende mogelijkheden voor de productie van farmaceutische producten en optische elektronica. Experts voegen aanhalingstekens toe rond "chiraal zink" om te benadrukken dat er een chirale binding aan het zink is bevestigd, in plaats van een ander atoom in een molecuul dat toevallig zink bevat.

"We verwachten dat de resultaten van deze studie een nieuwe pagina aan de scheikundeboeken zullen toevoegen en een grote impact zullen hebben op veel industrieën die betrokken zijn bij de synthese van stoffen, " zei professor Mitsuhiko Shionoya, leider van het laboratorium dat het onderzoek uitvoerde aan de Universiteit van Tokio. De resultaten van het team worden gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Een essentieel kenmerk van de verbinding is zijn chiraliteit bij het zinkatoom in het midden van het molecuul. Een chiraal molecuul is er in twee versies, enantiomeren genoemd. De enantiomeren zijn gemaakt van dezelfde elementen, maar verschillen in de 3D-oriëntatie van hoe de atomen zijn gebonden, zoals linker- en rechterhand.

Chiraliteit kan chemicaliën unieke optische eigenschappen geven, wat handig kan zijn in de elektronica. Sommige chirale medicijnmoleculen zijn therapeutisch in de ene richting en toxisch in de andere. dus het isoleren van het gewenste enantiomeer is vaak essentieel voor medicijnfabrikanten en methoden om chemische reacties te forceren om alleen het gewenste enantiomeer te produceren, kunnen tijd besparen en afval verminderen.

Chemici hebben veel efficiënte manieren ontwikkeld om chirale verbindingen te bouwen met koolstof en andere niet-metalen in het chirale centrum. Aanvullend, het ontwerp van chirale katalysatoren die metaal bevatten - maar waarvan de chiraliteit niet gecentreerd is op het metaalatoom - leverde in 2001 de Nobelprijs voor scheikunde op vanwege hun bruikbare vermogen om koolstofgerichte chiraliteit te induceren. Echter, het maken van metaal-gecentreerde chirale moleculen blijft een open uitdaging. Metalen zijn moeilijker te gebruiken als chirale centra omdat de bindingen die ze maken vaak minder stabiel zijn.

"Mijn droom was een beetje groter. Ik zou willen dat elk element van het periodiek systeem het centrum van chiraliteit wordt, " merkte Shionoya op. Enkele atomen van zink omgeven door vier armen in een driehoekige piramide, of tetraëdrische, vorm komen veel voor in de natuur - veel soorten tetraëdrische zinkverbindingen, zoals zinkvingers, binden aan DNA en andere beheren koolstofdioxide in zoogdiercellen.

Synthetische chemici hebben 3-D vijf- en zesarmige zinkverbindingen gemaakt, maar de tot nu toe gemaakte synthetische tetraëdrische zinkverbindingen waren slechts enkele minuten stabiel voordat hun bindingen uiteenvielen.

Shionoya's onderzoeksteam veronderstelde dat als elk van de vier armen die aan het zink zijn bevestigd een andere rol krijgt, het uiteindelijke chirale molecuul zou stabiel kunnen blijven en dienen als een nuttig hulpmiddel om andere chemische reacties te versnellen. De eerste stap van het team was het ontwerpen van een driearmige structuur, of asymmetrische drietandige ligand, en bevestig die armen aan het centrale zinkatoom.

"Dit was het moeilijkste deel. Er waren geen succesvolle voorbeelden van het stabiliseren van de tetraëdrische metaalgecentreerde chiraliteit vóór de start van deze studie, dus moesten we het drietandige ligand helemaal opnieuw ontwerpen, ' zei Shionoya.

Deze eerste stap produceerde gelijke hoeveelheden van elk enantiomeer van een chiraal zink gehecht aan het drietandige ligand.

Vervolgens, onderzoekers bevestigden een tussenliggende vierde arm, de extra chirale ligand. Dit chirale ligand gaf de hele tetraëder twee chiraliteitspunten:één in de vierde arm en één op het centrale zink. Door de oplossing te verwarmen, werden bijna alle moleculen overgehaald om zich te herconfigureren tot het ene stabielere enantiomeer.

De laatste stap was het vervangen van de chirale hulpstof door een achirale vierde arm. Het eindproduct werd verkregen als 100% zuivere enkelvoudige enantiomeerkristallen. De zuiverheid van dit enantiomeer bleef in de loop van de tijd meer dan 99% en zelfs na oplossen van het kristal in een oplosmiddel.

Eén verwisselbare arm blijft op het "chirale zink, " die vervolgens kunnen worden gebruikt om chemische reacties te versnellen om bruikbare producten te produceren. Bovendien, het gebruik van een zuivere oplossing van één enantiomeer van een chirale katalysator kan vaak een chemische reactie op gang brengen om een ​​eindproduct te produceren dat ook een enkele enantiomeer is.

"We hopen dat veel chemici tetraëdrische metaalcomplexen gaan gebruiken als katalysatoren om bruikbare producten voor de samenleving te maken, ' zei Shionoya.