Le molecole chirali possono avere proprietà funzionali radicalmente diverse pur condividendo formule chimiche identiche e strutture quasi identiche. La struttura molecolare di due tipi di molecole chirali, i cosiddetti enantiomeri, sono immagini speculari l'una dell'altra, dove l'una non può essere sovrapposta all'altra più di quanto la mano destra non possa adattarsi in senso longitudinale alla sinistra. Mentre molte molecole chirali sono tradizionalmente considerate fisse come destrorse o mancine, è noto che le molecole chirali basate su eliche sono in grado di cambiare in risposta ai cambiamenti nel loro ambiente.

Ora, i ricercatori guidati da Shigehisa Akine dell’Università di Kanazawa hanno dimostrato come i cambiamenti ambientali possano anche accelerare o decelerare questo processo di inversione chirale, fornendo un nuovo sistema commutabile programmabile nel tempo. La ricerca è pubblicata sulla rivista Science Advances .

I ricercatori hanno concentrato il loro studio sul metallocriptand (R₆ )-LNi₃ , una molecola organica caratterizzata da atomi metallici in una struttura molecolare a gabbia che può esistere in una delle due possibili forme descritte come tipo P o M (rispettivamente destrorso e mancino) (Fig. 1). Nella sua forma pura (R₆ )-LNi₃ ha un rapporto preferito tra tipo P e tipo M di 12:88.

A partire da un rapporto 50:50, le molecole si invertiranno tra una forma e l'altra con una preferenza per l'inversione verso il tipo M per soddisfare tale rapporto. I ricercatori hanno misurato questo cambiamento nel rapporto utilizzando la NMR e la spettroscopia dicroica circolare. Tuttavia, aggiungi un metallo alcalino nella cavità della gabbia e questa preferenza può cambiare.

Aggiungendo ioni di metalli alcalini alla soluzione di (R₆ )-LNi₃ i ricercatori hanno potuto confermare che gli ioni metallici si legano facilmente al metallocriptando grazie ai cambiamenti nelle firme spettroscopiche delle molecole. Inoltre, lo ione legato ha anche spostato il rapporto preferito con un margine e con una velocità che dipendeva dal metallo alcalino utilizzato.

I ricercatori attribuiscono le diverse velocità e rapporti alle differenze nelle costanti di legame non solo tra lo ione metallico e le due forme della molecola, ma anche a una costante di legame virtuale per la molecola in transizione tra i due. Il legame tra lo ione cesio e la molecola di tipo P era più di 20 volte maggiore di quello con la molecola di tipo M, quindi la soluzione alla fine è passata a una proporzione maggiore del tipo P con un rapporto P:M di 75:25 nel corso di 21 ore.

Il rapporto finale con lo ione rubidio era similmente distorto rispetto al tipo P, raggiungendo un rapporto leggermente inferiore di 72:28 ma in soli 100 minuti. Con lo ione potassio il rapporto di equilibrio era nuovamente inferiore a 68:32 ma raggiunto in appena un minuto, tre ordini di grandezza più velocemente che con lo ione cesio (Fig. 2). I ricercatori attribuiscono questa velocità alla grande costante di legame virtuale con la molecola in transizione.

Con gli ioni più piccoli – ioni litio e sodio – il tipo molecolare preferito in realtà non è cambiato ma il rapporto finale è stato raggiunto molto più velocemente. È la prima volta che i ricercatori dimostrano che tale inversione chirale può essere accelerata e rallentata regolando l'ambiente delle molecole.

"Questa ricerca può fornire nuove informazioni sullo sviluppo di un orologio molecolare programmabile su richiesta per le tecnologie chimiche di nuova generazione", concludono i ricercatori, citando come possibili tecnologie future un dispositivo di memoria con un tempo di elaborazione delle informazioni chimiche controllabile, nonché come sensori chirali la cui selettività è invertibile a seconda delle situazioni.

Ulteriori informazioni: Sk Asif Ikbal et al, Accelerazione e decelerazione delle velocità di inversione della chiralità in un metallocriptand elicoidale dinamico mediante legame di ioni di metalli alcalini, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj5536

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Fornito dall'Università di Kanazawa