Forskare har designat och byggt ett nytt kemiskt verktyg inspirerat av naturliga metallhaltiga enzymer i levande organismer. Produkten, en tetraedrisk "kiral zink, "behåller sin form i flera år, ger en ny struktur med spännande möjligheter för tillverkning av läkemedel och optisk elektronik. Experter lägger till citattecken runt "kiral zink" för att betona att en kiral bindning är fäst vid zinken, snarare än en annan atom i en molekyl som råkar innehålla zink.

"Vi förväntar oss att resultaten av denna studie kommer att lägga till en ny sida i kemiläroböckerna och kommer att ha stor inverkan på många industrier som är involverade i substanssyntes, sa professor Mitsuhiko Shionoya, ledare för labbet som utförde forskningen vid University of Tokyo. Lagets resultat publiceras i Naturkommunikation .

En väsentlig egenskap hos föreningen är dess kiralitet vid zinkatomen i mitten av molekylen. En kiral molekyl finns i två versioner, kallas enantiomerer. Enantiomererna är gjorda av samma grundämnen, men skiljer sig i 3D-orienteringen av hur atomerna är bundna, som vänster och höger händer.

Kiralitet kan ge kemikalier unika optiska egenskaper, vilket kan vara användbart inom elektronik. Vissa kirala läkemedelsmolekyler är terapeutiska i en riktning och giftiga i motsatt riktning, så att isolera den önskade enantiomeren är ofta avgörande för läkemedelstillverkare och metoder för att tvinga kemiska reaktioner att producera endast den önskade enantiomeren kan spara tid och minska avfallet.

Kemister har utvecklat många effektiva sätt att bygga kirala föreningar med kol och andra icke-metaller i det kirala centret. Dessutom, designen av kirala katalysatorer som innehåller metall – men vars kiralitet inte är centrerad vid metallatomen – fick 2001 års Nobelpris i kemi för sin användbara förmåga att framkalla kolcentrerad kiralitet. Dock, att göra metallcentrerade kirala molekyler är fortfarande en öppen utmaning. Metaller är svårare att använda som kirala centra eftersom bindningarna de gör ofta är mindre stabila.

"Min dröm var lite större. Jag skulle vilja att varje element i det periodiska systemet skulle bli centrum för kiralitet, ", anmärkte Shionoya. Enstaka zinkatomer omgivna av fyra armar i en triangulär pyramid, eller tetraedrisk, formen är vanlig i naturen – många typer av tetraedriska zinkföreningar, såsom zinkfingrar, binder till DNA och andra hanterar koldioxid i däggdjursceller.

Syntetiska kemister har gjort 3D fem- och sexarmade zinkföreningar, men de syntetiska tetraedriska zinkföreningarna som gjorts hittills har varit stabila i bara minuter innan deras bindningar togs isär.

Shionoyas forskargrupp antog att om var och en av de fyra armarna fästa vid zinken ges en annan roll, den slutliga kirala molekylen skulle kunna förbli stabil och fungera som ett användbart verktyg för att påskynda andra kemiska reaktioner. Teamets första steg var att designa en trearmad struktur, eller osymmetrisk tretantligand, och fäst dessa armar till den centrala zinkatomen.

"Detta var den svåraste delen. Det fanns inga framgångsrika exempel på att stabilisera den tetraedriska metallcentrerade kiraliteten före starten av denna studie, så vi var tvungna att designa den tretandade liganden från grunden, sa Shionoya.

Detta första steg producerade lika mängder av varje enantiomer av en kiral zink fäst till den tretandade liganden.

Sedan, forskare bifogade en mellanliggande fjärde arm som kallas den extra kirala liganden. Denna kirala ligand gav hela tetraedern två chiralitetspunkter - en i den fjärde armen och en vid den centrala zinken. Upphettning av lösningen lockade nästan alla molekyler att omkonfigureras till en mer stabil enantiomer.

Det sista steget var att ersätta den kirala hjälpanordningen med en achiral fjärde arm. Slutprodukten erhölls som 100 % rena enantiomerkristaller. Renheten hos denna enantiomer förblev större än 99% över tiden och även efter upplösning av kristallen i ett lösningsmedel.

En utbytbar arm finns kvar på "chiral zink, " som sedan kan användas för att påskynda kemiska reaktioner för att producera användbara produkter. Dessutom, Användning av en ren lösning av en enantiomer av en kiral katalysator kan ofta driva en kemisk reaktion för att producera en slutprodukt som också är en enda enantiomer.

"Vi hoppas att många kemister kommer att börja använda tetraedriska metallkomplex som katalysatorer för att göra användbara produkter för samhället, sa Shionoya.