«Мы ожидаем, что результаты этого исследования добавят новую страницу в учебники по химии и окажут большое влияние на многие отрасли, связанные с синтезом веществ», – сказал профессор Мицухико Шионоя, руководитель лаборатории, которая проводила исследование в Университете Токио. Результаты команды опубликованы в Nature Communications.
Существенной особенностью соединения является его хиральность по атому цинка в центре молекулы.
Хиральная молекула бывает двух видов, называемых энантиомерами. Энантиомеры состоят из одних и тех же элементов, но различаются трехмерной ориентацией того, как атомы связаны, как левая и правая рука.
Хиральность может придавать химическим веществам уникальные оптические свойства, которые могут быть полезны в электронике. Некоторые хиральные молекулы лекарств являются терапевтическими в одной ориентации и токсичными в противоположной, поэтому выделение желаемого энантиомера часто является важным для производителей лекарств, а методы ускорения химических реакций для получения только желаемого энантиомера могут сэкономить время и сократить отходы.
Химики разработали множество эффективных способов построения хиральных соединений с углеродом и другими неметаллами в хиральном центре.
Кроме того, конструкция хиральных катализаторов, содержащих металл, но чья хиральность не сосредоточена на атоме металла, была удостоена Нобелевской премии 2001 года по химии за их полезную способность вызывать хиральность с центром в углероде. Однако создание металлоцентрированных хиральных молекул остается открытой проблемой.
Металлы труднее использовать в качестве хиральных центров, потому что связи, которые они создают, часто менее стабильны.
"Моя мечта была немного больше. Я бы хотел, чтобы каждый элемент периодической таблицы стал центром хиральности », – заметил Шионоя.
Одиночные атомы цинка, окруженные четырьмя ветвями треугольной пирамиды или тетраэдрической формы, обычны в природе – многие типы тетраэдрических соединений цинка, такие как цинковые пальцы, связываются с ДНК, а другие управляют углекислым газом в клетках млекопитающих.
Химики-синтетики создали трехмерные пяти- и шестилучевые соединения цинка, но синтетические тетраэдрические соединения цинка, полученные на сегодняшний день, были стабильны всего за несколько минут, прежде чем их связи разобрались.
Исследовательская группа Шионоя выдвинула гипотезу, что если каждому из четырех плеч, прикрепленных к цинку, будет отведена другая роль, конечная хиральная молекула может оставаться стабильной и служить полезным инструментом для ускорения других химических реакций. Первым шагом команды было создание трехлепестковой структуры или несимметричного тридентатного лиганда и прикрепление этих плеч к центральному атому цинка.
"Это была самая сложная часть. До начала этого исследования не было успешных примеров стабилизации тетраэдрической металл-центрированной хиральности, поэтому нам пришлось разработать тридентатный лиганд с нуля », – сказал Шионоя.
На этой первой стадии были получены равные количества каждого энантиомера хирального цинка, присоединенного к тридентатному лиганду.
Затем исследователи прикрепили промежуточное четвертое плечо, называемое вспомогательным хиральным лигандом.
Этот хиральный лиганд дал всему тетраэдру две точки хиральности – одну в четвертом плече и одну в центральном цинке. Нагревание раствора заставило почти все молекулы преобразоваться в еще один стабильный энантиомер.
Последним шагом была замена хирального вспомогательного элемента ахиральным четвертым плечом. Конечный продукт был получен в виде кристаллов моноэнантиомера 100% чистоты. Чистота этого энантиомера оставалась более 99% с течением времени и даже после растворения кристалла в растворителе.
Одно сменное плечо остается на «хиральном цинке», которое затем можно использовать для ускорения химических реакций для получения полезных продуктов. Более того, использование чистого раствора одного энантиомера хирального катализатора часто может вызвать химическую реакцию с образованием конечного продукта, который также является единственным энантиомером.
«Мы надеемся, что многие химики начнут использовать тетраэдрические комплексы металлов в качестве катализаторов для производства полезных для общества продуктов», – сказал Шионоя.