O metodă catalitică nouă ar putea separa moleculele-imagine în oglindă
Moleculele pot exista în forme care sunt imaginile în oglindă una ale celeilalte, la fel cum mănușile au o variantă stângă și una dreaptă. Deoarece aceste forme rămân foarte asemănătoare între ele, separarea lor a reprezentat o provocare constantă pentru cercetători. Un grup de cercetători din Japonia propune o soluție nouă, prezentată într-un studiu publicat în revista Science Advances.
Studiul descrie separarea reușită a unui amestec egal de molecule-imagine în oglindă, obținute prin înlocuirea hidrogenului cu deuteriu într-una dintre forme. Deuteriu este un izotop al hidrogenului care conține în nucleu atât un proton, cât și un neutron. Substituirea hidrogenului cu deuteriu modifică ușor proprietățile moleculei, ceea ce o face utilă în aplicații care merg de la dezvoltarea de medicamente până la ingineria materialelor.
De ce este dificilă separarea
Formele-imagine în oglindă, numite și enantiomeri, sunt atât de asemănătoare încât metodele standard de separare întâmpină dificultăți. Autorii studiului notează că progresele recente în tehnicile spectroscopice au permis discriminarea unor astfel de molecule izotopic chirale, dar aceste metode sunt în principal analitice și nu oferă o soluție practică pentru separarea preparativă a compușilor.
Unele încercări anterioare de separare s-au dovedit nesigure, iar cromatografia specializată a oferit, în general, o separare slabă. O altă abordare a fost mai reușită, dar a necesitat 65 de treceri printr-un sistem de cromatografie cu reciclare. Separarea practică a compușilor cu substituție hidrogen/deuteriu a rămas astfel dificil de realizat, iar cercetătorii au fost nevoiți să obțină aceste molecule mai ales prin sinteză controlată, nu prin separarea amestecurilor existente.
Reactivitate selectivă bazată pe diferența de energie a legăturilor
Echipa a pornit de la o diferență subtilă între energia de disociere a legăturii dintre carbon și hidrogen și cea dintre carbon și deuteriu, descrisă drept „singura pistă energetică disponibilă pentru discriminare stereochimică”. Metoda combină preferința unui catalizator pentru o anumită orientare moleculară cu faptul că legăturile carbon–deuteriu sunt mai greu de rupt decât cele carbon–hidrogen.
Cercetătorii au identificat astfel un catalizator pe bază de ruteniu care reacționează selectiv cu una dintre formele-imagine în oglindă mai rapid decât cu cealaltă. Catalizatorul a fost testat pe amestecuri egale de forme izotopic chirale ale unui compus numit 2-etilnaftalen, folosind o reacție care adaugă un grup ce conține azot.
Într-un test cu o altă moleculă, una dintre forme a fost separată de 83 de ori mai rapid decât cealaltă, ceea ce indică o diferență mare între vitezele de reacție ale celor două forme. Materialul recuperat a fost estimat a conține peste 99,9% dintr-o singură formă-imagine în oglindă.
Validare și limite
Cromatografia și spectrometria de masă au susținut estimările privind îmbogățirea, iar o conversie chimică urmată de măsurători prin rezonanță magnetică nucleară a verificat independent un exemplu. Acest exemplu de validare separată a indicat un raport măsurat de 93:7, apropiat de raportul prevăzut de 94:6. Această concordanță sugerează că intermediarii de reacție cu viață scurtă păstrează în mare parte informația despre chiralitatea moleculei de plecare.
Majoritatea valorilor de îmbogățire, inclusiv rezultatul cel mai puternic, au fost deduse din produșii de reacție, nu măsurate independent în moleculele recuperate. De asemenea, performanța a variat substanțial în funcție de structura moleculară, unele compuși fiind separați mai puțin eficient.
Perspective pentru cercetarea farmaceutică
Cu teste suplimentare, metoda ar putea furniza blocuri de construcție marcați izotopic pentru cercetarea farmaceutică. Una dintre moleculele din studiu este folosită la sinteza medicamentului pentru diabet tofogliflozin și a fost separată cu succes în teste, ceea ce oferă un punct de plecare promițător.
Autorii concluzionează că lucrarea oferă o platformă practică pentru obținerea de molecule izotopic chirale cu îmbogățire enantiomerică ridicată, extinzând astfel posibilitățile de studiu sistematic al chiralității izotopice și al aplicațiilor sale viitoare în chimie, biologie și sisteme moleculare funcționale.
