Spiegelbeeldmoleculen maken zonder rommel

Scheikunde Sommige moleculen hebben ‘spiegelbeelden’. Onderzoekers maakten selectief één van zes mogelijke spiegelbeelden van een molecuul.

Foto iStock

Moleculen kunnen een spiegelbeeld hebben. Die spiegelbeelden bestaan uit exact dezelfde atomen en bindingen, maar ze verschillen tóch van elkaar. Vergelijk het met een linker- en rechterhand: een duim en wijsvinger zitten altijd naast elkaar, zonder dat de twee handen hetzelfde zijn.

Zulke spiegelbeeldige moleculen heten stereo-isomeren. Voor chemici is het een hels karwei om slechts één van twee stereo-isomeren van een molecuul te maken. Ze zijn ook moeilijk van elkaar te scheiden, doordat ze nagenoeg dezelfde fysische eigenschappen hebben.

Het is chemici van de universiteit van Basel nu gelukt om een chemische reactie waarbij zes spiegelbeelden van hetzelfde molecuul kunnen ontstaan, zo te sturen dat slechts één gemaakt wordt. Normaal gesproken ontstaat tijdens veel reacties een mengsel van verschillende spiegelbeelden van een molecuul, terwijl het voor veel toepassingen belangrijk is om juist één pure vorm te verkrijgen. De Zwitserse studie verscheen vrijdag in Nature Catalysis.

Toxisch of nuttig?

Het is vaak belangrijk om één pure stereo-isomeer van een molecuul te maken, bijvoorbeeld bij de productie van medicijnen. De ene vorm van een molecuul kan een heel andere biologische activiteit hebben dan een andere. De ene kan als medicijn werken, de andere kan nutteloos zijn – en in het slechtste geval toxisch.

Scheikundigen hebben tegenwoordig een goede controle over reacties waarbij twee stereo-isomeren kunnen ontstaan. Maar als er meer spiegelbeelden zijn, levert dat vaak een rommeliger mengsel op. Tegelijkertijd doet de natuur het fluitend: alle aminozuren – de bouwstenen van eiwitten – bestaan uit hetzelfde stereo-isomeer.

De reactie die de Zwitsers onderzochten, kan maar liefst zes ‘atropisomeren’ opleveren. Dit zijn een bepaald type stereo-isomeren waarbij de bindingen flexibel zijn. In principe zouden deze moleculen via een rotatiebeweging kunnen wisselen van oriëntatie. Maar toch gaat dat niet: bij atropisomeren wordt die draaibeweging geblokkeerd door een deel van het molecuul dat in de weg zit. Alleen als er energie in de vorm van warmte wordt toegevoegd, zouden de bindingen zo kunnen buigen of rekken dat het molecuul van houding verandert.

De onderzoekers ontwikkelden een katalysator van het metaal rodium die de reactie zo stuurt dat een enkel isomeer ontstaat. Een katalysator is een verbinding die tijdens een reactie onveranderd blijft, maar wel een reactie kan versnellen en controleren. De gemaakte katalysator werkt als een soort mal, waarin het molecuul in één oriëntatie het beste past, waardoor er ook maar een enkel eindproduct ontstaan.

Drie lukt ook, maar wel rommelig

De onderzoekers pasten de katalysator ook lichtjes aan, waardoor de nieuwe katalysatoren de reactie ook nog richting drie andere atropisomeren kan sturen. Deze reacties gaan wel rommeliger dan de eerste: er ontstaan tegelijkertijd ook lage concentraties van andere isomeren.

Een reactie waarbij wel zes isomeren kunnen ontstaan richting één isomeer sturen, dat is bijzonder, vindt Joost Reek. Hij is hoogleraar supramoleculaire katalyse aan de Universiteit van Amsterdam. „De controle over de stereochemie is indrukwekkend. Ze laten zien dat in ieder geval één isomeer heel selectief te maken is, en dat de selectiviteit ook te sturen is naar andere isomeren door de katalysator te optimaliseren.”

„In eerste instantie dacht ik dat het vooral een fundamentele studie was”, vervolgt Reek, maar de reactie levert ook nog een potentieel bruikbaar molecuul op. De onderzoekers laten niet alleen zien dat ze controle hebben over de stereo-isomeren die ontstaan, ze laten ook zien dat het gemaakte molecuul verder kan worden omgezet in een „complexe verbinding die op andere wijze wellicht lastig te maken is”, zegt Reek.

De auteurs merken op dat het gemaakte molecuul op een motor lijkt, Reek legt die link ook: interessant voor scheikundigen die ‘moleculaire motoren’ maken. Dat zijn moleculen met bewegende onderdelen, die zoals een echte motor werk kunnen verzetten. Binnen dit vakgebied werd in 2016 een Nobelprijs voor Scheikunde uitgereikt aan onder andere de Nederlandse scheikundige Ben Feringa.