RUG-chemici maken schakelbare katalysator met behulp van moleculaire motor

Kort & bondig

Veel belangrijke moleculen, zoals sommige geneesmiddelen, bestaan in twee vormen die chemisch precies hetzelfde zijn, maar net als een linker- en rechterhand elkaars spiegelbeeld vormen. Die twee ‘handen’ kunnen verschillende eigenschappen hebben: de ene is een geneesmiddel, de andere veroorzaakt alleen bijwerkingen. Door het gebruik van bepaalde katalysatoren, hulpstoffen bij chemische reacties, kunnen scheikundigen specifiek één van beide ‘handen’ maken. RUG onderzoekers Ruth Dorel en Ben Feringa hebben nu een katalysator gemaakt die ze tussen twee standen kunnen schakelen. Die produceren elk een andere ‘hand’. De schakelaar is gebaseerd op de moleculaire motor die Feringa jaren geleden ontdekte.

Veel organische moleculen zijn chiraal, wat betekent dat ze in twee vormen bestaan die elkaars spiegelbeeld zijn. Die spiegelbeelden heten ‘enantiomeren’ en ze kunnen verschillende eigenschappen hebben als ze inwerken op andere chirale verbindingen, zoals veel biologische moleculen. Het is daarom voor de geneesmiddelenindustrie belangrijk om de juiste enantiomeer te kunnen maken. RUG-scheikundigen Ruth Dorel en Ben Feringa hebben een manier ontwikkeld om dit te doen, waarbij ze met licht kunnen controleren welk type enantiomeer ontstaat in een reactie. De resultaten zijn op 17 november gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie.

Armen

Het proces is gebaseerd op de moleculaire motor die Feringa heeft ontdekt, en waarvoor hij in 2016 de Nobelprijs voor Chemie kreeg. Dit motor molecuul is nu gebruikt om een schakelbare katalysator te maken voor zogeheten anion-bindende katalyse. Ruth Dorel legt dit uit: ‘We hebben aan beide kanten van het motormolecuul een soort arm gekoppeld die anionen, negatieve ionen, kan binden. Op die manier ontstaat een anion-bindend molecuul dat als katalysator van chemische reacties kan optreden. Dit molecuul heeft in de aanwezigheid van anionen een helix-structuur die, afhankelijk van de stand van de beide armen, verschillende vormen kan hebben.’

In het nieuwe onderzoek is een zeer langzaam draaiend motor molecuul gebruikt, zodat verschillende stadia van de omwenteling konden worden gebruikt voor katalyse. Het motor molecuul bestaat uit twee identieke helften die zijn verbonden door een dubbele koolstof-koolstof binding die dienst doet als as voor de draaiing. Door het molecuul bloot te stellen aan UV-licht gevolgd door warmte ontstaat een draaiing om de as in één richting. Hierdoor kunnen de anion-bindende armen die aan de twee delen van de motor zitten van positie veranderen: ze kunnen allebei aan een andere kant staan (trans) of allebei aan dezelfde kant (cis). In de cis-stand zijn er ook twee verschillende configuraties mogelijk, waardoor de moleculen twee verschillende typen helix kunnen vormen, die elkaars spiegelbeeld zijn. Dorel: ‘Deze helixvorm bepaalt welke enantiomeer de katalysator zal maken.’

Polymeren

De nieuwe katalysator is met succes gebruikt in een standaard reactie voor anion-bindende katalyse. ‘We hebben nu bewijs dat deze aanpak werkt’, zegt Dorel. Een praktische toepassing zou kunnen liggen in zowel fundamenteel onderzoek als in de productie van geneesmiddelen, en ook van polymeren. Voor veel geneesmiddelen is slechts een van beide spiegelbeelden actief, de nadere doet soms niets, maar kan ook vervelende bijwerkingen geven. ‘En tijdens de productie van polymeren kan deze katalysator de vorm en de eigenschappen van de polymeerketen die ontstaat veranderen door te schakelen.’

Referentie: Ruth Dorel and Ben L. Feringa: Stereodivergent Anion Binding Catalysis with Molecular Motors. Angewandte Chemie International Edition, online 17 November 2019