Nitschke-gruppen vid University of Cambridge designar ihåliga molekyler som fungerar som kapslar eller burar som omsluter gästmolekyler. Dessa burar har spännande potentiella tillämpningar inom en mängd olika områden. De kunde, till exempel, vara skräddarsydda för att leverera läkemedel dit de behövs eller för att ta bort en förorenande molekyl från en lösning. I arbete som nyligen publicerats i Journal of the American Chemical Society , teamet rapporterar om de spännande upptäckter de har gjort med hjälp av hierarkiskt kapslade värdmolekyler, med en yttre värd som kapslar in en inre värd, som håller gästmolekylen. I deras nydesignade "ryska docka"-molekyler, de fann att inkapsling kan förbättra den inre värdens bindningsegenskaper. Deras resultat presenterar också ett nytt sätt att fixa stereokemin i ett värdramverk. Sådana molekyler kan användas i tillämpningar som är beroende av molekylär igenkänning, såsom katalys, separationer, drogleverans, och avkänning.

Programmerande molekyler

Alla burar som Nitschke Group designar är självmonterade av enkla byggstenar. Att designa dem kräver en grundlig förståelse av prekursormolekylernas geometri och hur de håller ihop, så att designen för de slutliga burmolekylerna i huvudsak är "programmerad" i byggstenarna. Dessa burar kan utformas som stora molekyler, och att ha en rad gästbindande förmågor.

I det här arbetet, syftet var att kapsla in den ihåliga kryptofan-111 (CRY)-molekylen inuti en triazatruxen-baserad FeII4L4 kapselmolekyl. Kryptofaner är en typ av kovalent bur byggd med två cyklotribensylenenheter. De kan kapsla in små molekyler (t.ex. metan eller xenon), förutom katjoner och anjoner.

Många kryptofaner är kirala molekyler, med en asymmetri som gör att molekylen och dess spegelbild inte kan överlagras. (Det klassiska exemplet på kiralitet är den mänskliga handen – vår vänstra hand är en spegelbild av vår högra hand som inte kan läggas över.) En kiral molekyl och dess spegelbild kallas för enantiomerer.

Chiralitet - eller "handedness" - kan vara mycket viktigt. I slutet av 1950- och 1960-talen, ett läkemedel som heter Thalidomide ordinerades till gravida kvinnor för att kontrollera morgonillamående. Dock, Talidomid är en kiral molekyl, och medan den vänsterhänta versionen är en användbar drog, den högerhänta versionen är giftig och orsakade allvarliga fosterskador hos tusentals barn.

Ryska dockmolekyler

Som du kan föreställa dig, en gästmolekyl innesluten i en kapsel i en yttre bur uppvisar en enormt komplex struktur. Nitschke-gruppen har BAG-åtkomst till beamline I19, ta med prover till Diamond för kristallografi med några månaders mellanrum.

Prof Jonathan Nitschke säger:"Dr. Tanya Ronson är en briljant kristallograf, och hon och hennes team använde diffraktion för att lösa strukturen hos kristallen som Dr Dawei Zhang odlade. Det berättade om molekylernas handenhet, och vi kunde se cesiumkatjongästen i strukturen. I19 är en fantastisk anläggning, och vi har ett bra samarbete med strållinjepersonalen. Resultaten vi fick på Diamond gjorde att vi kunde se alla detaljer i strukturen, och gav oss stor säkerhet."

Både gäst- och värdmolekylen är kirala, och gästmolekylen föredrar att vara inkapslad av en version av värden. Resultaten visade att gästmolekylen ordnade om sig själv i lösningen för att tillgodose den preferensen - något som teamet inte hade sett tidigare.

Att designa en värdmolekyl som kan särskilja gästmolekylens kiralitet (enantiodiskriminering) öppnar upp betydande möjligheter för (t.ex.) att rena läkemedelsföreningar så att de bara innehåller den användbara varianten av molekylen. Teamet fokuserar nu på denna forskningsväg, såväl som det bredare området kemisk rening. Burmolekyler skulle kunna fungera bra i miljöer med slutna slinga, till exempel, kräver mycket mindre energi än nuvarande reningssystem.