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Ein neuer Artikel, der in Nature Communications<\/em> ver\u00f6ffentlicht wurde, enth\u00fcllt nun einen neuen Mechanismus zur \u00dcbertragung der Chiralit\u00e4t zwischen Molek\u00fclen im Nanobereich. Die Studie wurde unter der Leitung von UB-Dozent Josep Puigmart\u00ed-Luis von der Fakult\u00e4t f\u00fcr Chemie und dem Institut f\u00fcr theoretische und computergest\u00fctzte Chemie (IQTC) der Universit\u00e4t Barcelona durchgef\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n Chiralit\u00e4t ist eine intrinsische Eigenschaft der Materie, die die biologische Aktivit\u00e4t von Biomolek\u00fclen bestimmt. “Die Natur ist asymmetrisch, sie hat eine linke und eine rechte Seite und kann zwischen beiden unterscheiden. Die Biomolek\u00fcle, aus denen sich die lebende Materie zusammensetzt – Aminos\u00e4uren, Zucker und Lipide – sind chiral: Sie bestehen aus chemisch identischen Molek\u00fclen, die sich spiegelbildlich gegen\u00fcberstehen (Enantiomere), ein Merkmal, das ihnen unterschiedliche Eigenschaften als Wirkstoffe verleiht (optische Aktivit\u00e4t, pharmakologische Wirkung usw.)”, erkl\u00e4rt Josep Puigmart\u00ed-Luis, Forscher am ICREA und Mitglied der Abteilung f\u00fcr Materialwissenschaften und physikalische Chemie.<\/p>\n\n\n\n “Enantiomere sind chemisch identisch, bis sie in eine chirale Umgebung gebracht werden, die sie unterscheiden kann (so wie der richtige Schuh den richtigen Fu\u00df ‘erkennt’). Lebende Systeme, die aus homochiralen Molek\u00fclen bestehen, sind chirale Umgebungen (mit demselben Enantiomer), sind chirale Umgebungen, so dass sie enantiomere Spezies ‘erkennen’ und auf unterschiedliche Weise reagieren k\u00f6nnen. Dar\u00fcber hinaus k\u00f6nnen sie das chirale Vorzeichen in biochemischen Prozessen leicht kontrollieren und stereospezifische Umwandlungen durchf\u00fchren”.<\/p>\n\n\n\n Die Kontrolle der Chiralit\u00e4t ist entscheidend f\u00fcr die Herstellung von Medikamenten, Pestiziden, Aromen und anderen chemischen Verbindungen. Jedes Enantiomer (Molek\u00fcl mit einer bestimmten Symmetrie) hat eine bestimmte Aktivit\u00e4t, die sich von der anderen chemisch identischen Verbindung (ihrem Spiegelbild) unterscheidet. In vielen F\u00e4llen kann die pharmakologische Aktivit\u00e4t eines Enantiomers sehr gering sein, und im schlimmsten Fall kann es sogar sehr giftig sein. “Daher m\u00fcssen Chemiker in der Lage sein, Verbindungen als einzelne Enantiomere herzustellen, was als asymmetrische Synthese bezeichnet wird”, sagt Puigmart\u00ed-Luis.<\/p>\n\n\n\n Es gibt mehrere Strategien, um das Vorzeichen der Chiralit\u00e4t in chemischen Prozessen zu kontrollieren. So k\u00f6nnen beispielsweise nat\u00fcrliche enantiomerenreine Verbindungen, die als chiraler Pool<\/em> bekannt sind (z. B. Aminos\u00e4uren, Hydroxys\u00e4uren, Zucker), als Vorl\u00e4ufer oder Reaktanten verwendet werden, die nach einer Reihe von chemischen Modifikationen zu einer Verbindung von Interesse werden k\u00f6nnen. Die chirale Aufl\u00f6sung ist eine weitere Option, die es erm\u00f6glicht, Enantiomere durch die Verwendung eines enantiomerenreinen Aufl\u00f6sungsmittels zu trennen und die interessierenden Verbindungen als reine Enantiomere zu gewinnen. Die Verwendung von chiralen Hilfsstoffen, die eine diastereoselektive Reaktion eines Substrats erm\u00f6glichen, ist eine weitere effiziente Methode zur Gewinnung eines enantiomerenreinen Produkts. Schlie\u00dflich ist die asymmetrische Katalyse, die auf der Verwendung asymmetrischer Katalysatoren beruht, das beste Verfahren, um eine asymmetrische Synthese zu erreichen.<\/p>\n\n\n\n “Jede der oben beschriebenen Methoden hat ihre eigenen Vor- und Nachteile”, bemerkt Alessandro Sorrenti, Mitglied der Abteilung f\u00fcr organische Chemie der Universit\u00e4t Barcelona und Mitarbeiter der Studie. “So ist beispielsweise die chirale Aufl\u00f6sung – die am weitesten verbreitete Methode zur industriellen Herstellung enantiomerenreiner Produkte – von Natur aus auf 50 % Ausbeute beschr\u00e4nkt. Der chirale Pool ist die ergiebigste Quelle f\u00fcr enantiomerenreine Verbindungen, aber normalerweise ist nur ein Enantiomer verf\u00fcgbar. Die Methode der chiralen Hilfsstoffe kann hohe Enantiomeren\u00fcbersch\u00fcsse bieten, erfordert aber zus\u00e4tzliche Synthesephasen zur Zugabe und Entfernung der Hilfsstoffe sowie Reinigungsschritte. Schlie\u00dflich k\u00f6nnen chirale Katalysatoren effizient sein und werden nur in geringen Mengen eingesetzt, aber sie sind nur f\u00fcr eine relativ kleine Anzahl von Reaktionen geeignet”.<\/p>\n\n\n\n “Bei allen genannten Methoden werden enantiomerenreine Verbindungen – in Form von Trennmitteln, Hilfsstoffen oder Liganden f\u00fcr Metallkatalysatoren – verwendet, die letztlich direkt oder indirekt aus nat\u00fcrlichen Quellen stammen. Mit anderen Worten: Die Natur ist die ultimative Form der Asymmetrie”.<\/p>\n\n\n\n In dem neuen Artikel wird beschrieben, wie die Modulation der Geometrie eines schraubenf\u00f6rmigen Reaktors auf makroskopischer Ebene die Steuerung des Vorzeichens der Chiralit\u00e4t eines Prozesses auf nanometrischer Ebene erm\u00f6glicht – eine bisher in der wissenschaftlichen Literatur noch nie gemachte Entdeckung.<\/p>\n\n\n\n Au\u00dferdem wird die Chiralit\u00e4t von oben nach unten \u00fcbertragen, mit der Manipulation der spiralf\u00f6rmigen R\u00f6hre auf die molekulare Ebene, durch das Zusammenspiel der Hydrodynamik asymmetrischer Sekund\u00e4rstr\u00f6me und der r\u00e4umlich-zeitlichen Kontrolle der Konzentrationsgradienten der Reagenzien.<\/p>\n\n\n\n “Damit dies funktioniert, m\u00fcssen wir die Transportph\u00e4nomene innerhalb des Reaktors verstehen und charakterisieren, d. h. die Fluiddynamik und den Massentransport, die die Bildung von Reagenzienkonzentrationsfronten und die Positionierung der Reaktionszone in Regionen mit spezifischer Chiralit\u00e4t bestimmen”, erkl\u00e4rt Puigmart\u00ed-Luis.<\/p>\n\n\n\n In einem schraubenf\u00f6rmigen Kanal ist die Str\u00f6mung komplexer als in einem geraden Kanal, da die gekr\u00fcmmten W\u00e4nde Zentrifugalkr\u00e4fte erzeugen, die zur Bildung von Sekund\u00e4rstr\u00f6mungen in der Ebene senkrecht zur Richtung der Fl\u00fcssigkeit (Hauptstr\u00f6mung) f\u00fchren. Diese Sekund\u00e4rstr\u00f6mungen (Wirbel) haben eine doppelte Funktion: Sie sind Regionen mit entgegengesetzter Chiralit\u00e4t und bilden die f\u00fcr die Enantioselektion erforderliche chirale Umgebung. Dar\u00fcber hinaus sorgen sie f\u00fcr Advektion innerhalb der Vorrichtung und f\u00fcr die Entwicklung von Konzentrationsgradienten der Reagenzien.<\/p>\n\n\n\n Durch Modulation der Geometrie des Spiralreaktors auf makroskopischer Ebene “ist es m\u00f6glich, die Asymmetrie der Sekund\u00e4rstr\u00f6me so zu steuern, dass die Reaktionszone – der Bereich, in dem die Reagenzien in einer f\u00fcr die Reaktion geeigneten Konzentration zusammentreffen – ausschlie\u00dflich einem der beiden Wirbel und damit einer bestimmten Chiralit\u00e4t ausgesetzt ist. Dieser Mechanismus des Chiralit\u00e4tstransfers, der auf der rationellen Steuerung des Fl\u00fcssigkeitsstroms und des Massentransports beruht, erm\u00f6glicht es letztlich, die Enantioselektion in Abh\u00e4ngigkeit von der makroskopischen Chiralit\u00e4t des Helixreaktors zu steuern, wobei die H\u00e4ndigkeit der Helix den Sinn der Enantioselektion bestimmt”, so Puigmart\u00ed-Luis.<\/p>\n\n\n\n Die Ergebnisse werfen ein Licht auf neue M\u00f6glichkeiten, die Enantioselektion auf molekularer Ebene zu erreichen – ohne die Verwendung von enantioreinen Verbindungen – nur durch die Kombination von Geometrie und Arbeitsbedingungen der Fl\u00fcssigkeitsreaktoren. “Au\u00dferdem liefert unsere Studie einen neuen grundlegenden Einblick in die Mechanismen, die dem Chiralit\u00e4tstransfer zugrunde liegen, und zeigt, dass diese intrinsische Eigenschaft lebender Materie auf der Interaktion physikalischer und chemischer Beschr\u00e4nkungen beruht, die \u00fcber mehrere L\u00e4ngenskalen hinweg synergetisch wirken”, schlie\u00dft Josep Puigmart\u00ed-Luis.<\/p>\n\n\n\nChiralit\u00e4t: von fundamentalen Teilchen zu Biomolek\u00fclen<\/h3>\n\n\n\n
Wie man durch chemische Reaktionen chirale Molek\u00fcle erh\u00e4lt<\/h3>\n\n\n\n
Kontrolle des Chiralit\u00e4tszeichens durch Fluiddynamik<\/h3>\n\n\n\n
Originalver\u00f6ffentlichung<\/h3>\n\n\n\n