I ricercatori hanno progettato e costruito un nuovo strumento chimico ispirato agli enzimi naturali contenenti metalli negli organismi viventi. Il prodotto, uno "zinco chirale" tetraedrico, " mantiene la sua forma per anni, fornendo una nuova struttura con interessanti possibilità per la produzione di prodotti farmaceutici ed elettronica ottica. Gli esperti aggiungono virgolette intorno allo "zinco chirale" per sottolineare che un legame chirale è attaccato allo zinco, piuttosto che un altro atomo in una molecola che contiene zinco.

"Ci aspettiamo che i risultati di questo studio aggiungeranno una nuova pagina ai libri di testo di chimica e avranno un grande impatto su molte industrie coinvolte nella sintesi delle sostanze, " ha detto il professor Mitsuhiko Shionoya, capo del laboratorio che ha condotto la ricerca presso l'Università di Tokyo. I risultati della squadra sono pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

Una caratteristica essenziale del composto è la sua chiralità all'atomo di zinco al centro della molecola. Una molecola chirale è disponibile in due versioni, chiamati enantiomeri. Gli enantiomeri sono costituiti dagli stessi elementi, ma differiscono nell'orientamento 3D di come gli atomi sono legati, come le mani sinistra e destra.

La chiralità può conferire alle sostanze chimiche proprietà ottiche uniche, che può essere utile in elettronica. Alcune molecole di farmaci chirali sono terapeutiche da un lato e tossiche dall'altro, quindi isolare l'enantiomero desiderato è spesso essenziale per i produttori di farmaci e i metodi per forzare le reazioni chimiche a produrre solo l'enantiomero desiderato potrebbero far risparmiare tempo e ridurre gli sprechi.

I chimici hanno sviluppato molti modi efficienti per costruire composti chirali con carbonio e altri non metalli al centro chirale. Inoltre, la progettazione di catalizzatori chirali che contengono metallo, ma la cui chiralità non è centrata sull'atomo di metallo, ha guadagnato il Premio Nobel per la chimica nel 2001 per la loro utile capacità di indurre la chiralità centrata sul carbonio. Però, la realizzazione di molecole chirali centrate sui metalli rimane una sfida aperta. I metalli sono più difficili da usare come centri chirali perché i legami che creano sono spesso meno stabili.

"Il mio sogno era un po' più grande. Vorrei che ogni elemento della tavola periodica diventasse il centro della chiralità, " osservò Shionoya. Singoli atomi di zinco circondati da quattro braccia in una piramide triangolare, o tetraedrico, forma sono comuni in natura:molti tipi di composti di zinco tetraedrici, come le dita di zinco, si legano al DNA e altri gestiscono l'anidride carbonica nelle cellule dei mammiferi.

I chimici sintetici hanno prodotto composti di zinco 3-D a cinque e sei braccia, ma i composti sintetici di zinco tetraedrico prodotti fino ad oggi sono rimasti stabili per pochi minuti prima che i loro legami si disassemblassero.

Il team di ricerca di Shionoya ha ipotizzato che se a ciascuno dei quattro bracci attaccati allo zinco viene assegnato un ruolo diverso, la molecola chirale finale potrebbe rimanere stabile e fungere da utile strumento per accelerare altre reazioni chimiche. Il primo passo del team è stato quello di progettare una struttura a tre bracci, o legante tridentato asimmetrico, e attacca quei bracci all'atomo di zinco centrale.

"Questa è stata la parte più difficile. Non c'erano esempi di successo di stabilizzazione della chiralità tetraedrica centrata sul metallo prima dell'inizio di questo studio, quindi abbiamo dovuto progettare da zero il legante tridentato, " disse Shionoya.

Questo primo passaggio ha prodotto quantità uguali di ciascun enantiomero di uno zinco chirale attaccato al ligando tridentato.

Quindi, i ricercatori hanno attaccato un quarto braccio intermedio chiamato ligando chirale ausiliario. Questo ligando chirale dava all'intero tetraedro due punti di chiralità, uno nel quarto braccio e uno nello zinco centrale. Il riscaldamento della soluzione ha convinto quasi tutte le molecole a riconfigurarsi nell'unico enantiomero più stabile.

L'ultimo passo è stato sostituire l'ausiliare chirale con un quarto braccio achirale. Il prodotto finale è stato ottenuto come cristalli singoli enantiomeri puri al 100%. La purezza di questo enantiomero è rimasta superiore al 99% nel tempo e anche dopo aver dissolto il cristallo in un solvente.

Un braccio intercambiabile rimane sullo "zinco chirale, " che può quindi essere utilizzato per accelerare le reazioni chimiche per produrre prodotti utili. Inoltre, l'uso di una soluzione pura di un enantiomero di un catalizzatore chirale può spesso spingere una reazione chimica a produrre un prodotto finale che è anche un singolo enantiomero.

"Speriamo che molti chimici inizino a utilizzare complessi di metalli tetraedrici come catalizzatori per realizzare prodotti utili per la società, " disse Shionoya.