Chirale moleculen hebben twee verschijningsvormen, een beetje te vergelijken met het verschil tussen onze linker- en rechterhand. Ze zien er weliswaar identiek uit, maar zijn in feite elkaars spiegelbeeld, waardoor ze moeilijk van elkaar te onderscheiden zijn. Toch is net dat onderscheid tussen links- en rechtshandige moleculen –vaak letterlijk- van levensbelang. Dat is bij de meeste medicijnmoleculen het geval. Eén chirale vorm heeft het gewenste therapeutische effect, terwijl zijn spiegelbeeld juist levensbedreigende bijwerkingen kan geven. Onderzoekers aan de K.U.Leuven hebben nu een nieuwe methode ontdekt om chirale moleculen van elkaar te scheiden.
Op industriële schaal gebeurt het scheiden van moleculaire mengsels meestal door adsorptie in moleculaire zeven. Dat zijn materialen die onder meer door hun poriën in staat zijn moleculen van elkaar te scheiden. Bij chirale scheiding is dit procédé vrij moeilijk en duur, omdat de twee moleculaire varianten exact even groot zijn.
Met behulp van computersimulaties, heeft het Centrum voor Oppervlaktechemie en Katalyse (COK) van de K.U.Leuven samen met de Universiteit Pablo de Olavide (Sevilla) een nieuwe manier gevonden voor chirale scheiding. Onderzoekers voegden een klein beetje van de pure linkshandige vorm toe aan mengsels die oorspronkelijk een 50/50-verhouding hebben tussen links-en rechtshandige moleculen. Bij het gebruik van zeoliet als materiaal, bleek dat alleen die molecule werd afgezonderd die in een iets hogere concentratie voorkomt dan zijn spiegelbeeld.
De oorzaak ligt bij ionen. Dat zijn kleine elektrisch geladen moleculen of atomen, die door hun lading elkaar afstoten. De ionen nestelen zich vaak in holtes van materialen, en verhinderen zo dat andere moleculen de holtes binnendringen. Maar als een molecule er toch in slaagt om binnen te dringen, dan zal deze het ion als het ware in een hoek proberen te dringen. Door de afstotende kracht tussen de ionen gaan alle ionen in dezelfde hoek plaatsnemen zodat hun onderlinge afstand zo groot mogelijk is. Door de adsorptie van een eerste linkshandige molecule worden de holtes die zich in de buurt bevinden ook relatief toegankelijker voor linkshandigen. Er vindt met andere woorden een competitie plaats tussen beide varianten waarbij de meerderheid uiteindelijk wint. Concreet komt het erop neer dat die variant die oorspronkelijk het meest wordt toegevoegd, zal afgescheiden worden, waardoor de chirale scheiding een feit is.
Voordat de Leuvense methode in praktijk gebracht kan worden zullen zeker nog wat staaltjes vakmanschap noodzakelijk zijn. Het mechanisme kan misschien ook een antwoord geven op de vraag waarom wij en alle levende organismen uit louter linkshandige moleculen bestaan. Daarover bestaan al verschillende theorieën, maar de bevindingen van dit onderzoek geven aanleiding tot een nieuwe denkpiste. Algemeen wordt immers aangenomen dat de bouwstenen van het leven, de zogenaamde aminozuren, lang geleden gevormd zijn in kleilagen. Klei heeft eenzelfde structuur als zeoliet: het bevat gelijkaardige poriën en heeft eveneens ionen. Dus heel misschien was het eerste aminozuur per toeval linkshandig, waarna de kleistructuur en de ionen het ontstaan van rechtshandige moleculen onmogelijk maakten.
Het onderzoek is onlangs verschenen online in het toonaangevende blad Angewandte Chemie international edition (het blad met de hoogste impact factor binnen het onderzoeksdomein van de scheikunde). Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 3010 –3013
http://dx.doi.org/10.1002/anie.200906083
"Enantioselective Adsorption in Achiral Zeolites" Titus S. van Erp, Tom P. Caremans, David Dubbeldam, Ana Martin-Calvo, Sofia Calero en Johan A. Martens
Met behulp van computersimulaties, heeft het Centrum voor Oppervlaktechemie en Katalyse (COK) van de K.U.Leuven samen met de Universiteit Pablo de Olavide (Sevilla) een nieuwe manier gevonden voor chirale scheiding. Onderzoekers voegden een klein beetje van de pure linkshandige vorm toe aan mengsels die oorspronkelijk een 50/50-verhouding hebben tussen links-en rechtshandige moleculen. Bij het gebruik van zeoliet als materiaal, bleek dat alleen die molecule werd afgezonderd die in een iets hogere concentratie voorkomt dan zijn spiegelbeeld.
De oorzaak ligt bij ionen. Dat zijn kleine elektrisch geladen moleculen of atomen, die door hun lading elkaar afstoten. De ionen nestelen zich vaak in holtes van materialen, en verhinderen zo dat andere moleculen de holtes binnendringen. Maar als een molecule er toch in slaagt om binnen te dringen, dan zal deze het ion als het ware in een hoek proberen te dringen. Door de afstotende kracht tussen de ionen gaan alle ionen in dezelfde hoek plaatsnemen zodat hun onderlinge afstand zo groot mogelijk is. Door de adsorptie van een eerste linkshandige molecule worden de holtes die zich in de buurt bevinden ook relatief toegankelijker voor linkshandigen. Er vindt met andere woorden een competitie plaats tussen beide varianten waarbij de meerderheid uiteindelijk wint. Concreet komt het erop neer dat die variant die oorspronkelijk het meest wordt toegevoegd, zal afgescheiden worden, waardoor de chirale scheiding een feit is.
Voordat de Leuvense methode in praktijk gebracht kan worden zullen zeker nog wat staaltjes vakmanschap noodzakelijk zijn. Het mechanisme kan misschien ook een antwoord geven op de vraag waarom wij en alle levende organismen uit louter linkshandige moleculen bestaan. Daarover bestaan al verschillende theorieën, maar de bevindingen van dit onderzoek geven aanleiding tot een nieuwe denkpiste. Algemeen wordt immers aangenomen dat de bouwstenen van het leven, de zogenaamde aminozuren, lang geleden gevormd zijn in kleilagen. Klei heeft eenzelfde structuur als zeoliet: het bevat gelijkaardige poriën en heeft eveneens ionen. Dus heel misschien was het eerste aminozuur per toeval linkshandig, waarna de kleistructuur en de ionen het ontstaan van rechtshandige moleculen onmogelijk maakten.
Het onderzoek is onlangs verschenen online in het toonaangevende blad Angewandte Chemie international edition (het blad met de hoogste impact factor binnen het onderzoeksdomein van de scheikunde). Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 3010 –3013
http://dx.doi.org/10.1002/anie.200906083
"Enantioselective Adsorption in Achiral Zeolites" Titus S. van Erp, Tom P. Caremans, David Dubbeldam, Ana Martin-Calvo, Sofia Calero en Johan A. Martens
