In dieser Studie synthetisierte Spiegelmoleküle mit einem asymmetrischen Kohlenstoffatom (grau), das vollständig durch Sauerstoffatome (rot) substituiert ist. Die Wasserstoffatome sind weiß dargestellt. © Pierrick Berruyer
Kann man sich vorstellen, dass ein Molekül Leben retten kann, sein "Zwilling" aber ein tödliches Gift ist? So überraschend es scheinen mag, diese chemische Realität ist als "Chiralität" bekannt.
Wie eine rechte und eine linke Hand können zwei Moleküle die gleiche Zusammensetzung haben, aber eine unterschiedliche Form und räumliche Anordnung. Dieser Unterschied kann alles verändern. Das Verständnis und die Kontrolle dieses Phänomens sind entscheidend für die Entwicklung von Medikamenten. Ein Team der Universität Genf (UNIGE) hat in Zusammenarbeit mit der Universität Pisa eine neue Familie chiraler Moleküle mit bemerkenswerter Stabilität entwickelt. Diese Arbeit eröffnet neue Perspektiven für die Entwicklung von Medikamenten mit kontrollierter Geometrie. Die Ergebnisse wurden im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.
Ein Molekül oder jedes Objekt ist chiral, wenn es nicht durch eine Kombination von Rotationen, Translationen und geometrischen Veränderungen mit seinem Spiegelbild zur Deckung gebracht werden kann. Ähnlich wie unsere beiden Hände, die identisch erscheinen, aber nicht zur Deckung gebracht werden können, wenn man sie von der Handrücken- oder Handflächenseite betrachtet. Diese universelle molekulare Asymmetrie zwingt Chemiker dazu, chirale Moleküle zu entwerfen, die präzise mit lebenden Systemen interagieren können.
Diese neue Art der molekularen Raumorganisation eröffnet einen völlig neuen Grad an Freiheit und Vorstellungskraft in der chemischen Synthese.
Innerhalb eines Moleküls entsteht Chiralität oft durch das Vorhandensein eines oder mehrerer Asymmetriezentren, die als stereogene Zentren bezeichnet werden. Sie bestehen häufig aus einem zentralen Kohlenstoffatom, das selbst mit vier verschiedenen Atomgruppen oder -ketten verbunden ist, meist ebenfalls aus Kohlenstoff. Die Gruppe von Jérôme Lacour, ordentlicher Professor am Departement für Organische Chemie der Sektion für Chemie und Biochemie der Naturwissenschaftlichen Fakultät der UNIGE, hat einen neuen Typ von stereogenem Zentrum geschaffen. Diesmal ist das zentrale Kohlenstoffatom nicht von Kohlenstoff- oder Wasserstoffketten umgeben, sondern ausschließlich von Sauerstoff- und Stickstoffatomen. Eine Premiere auf dem Gebiet der Chemie.
"Moleküle mit diesem neuen Typ von stereogenem Zentrum wurden zuvor noch nie in stabiler dreidimensionaler Form isoliert. Ihre Synthese und Charakterisierung markiert einen bedeutenden konzeptionellen und experimentellen Fortschritt", erklärt Jérôme Lacour.
Eine außergewöhnliche Stabilität
Die Stabilität chiraler Moleküle ist ein besonders wichtiger Parameter. Tatsächlich sind die Paare von Spiegelmolekülen strukturell sehr ähnlich, und in vielen Fällen ist der spontane Übergang von einem zum anderen möglich, beispielsweise unter Temperatureinfluss. Als ob sich eine linke Hand plötzlich in eine rechte Hand verwandeln würde. So könnte man von einem Medikament zu einem inaktiven oder sogar toxischen Molekül gelangen! Die neuen molekularen Strukturen, die vom UNIGE-Team entwickelt wurden, weisen eine außergewöhnliche chirale Stabilität auf, das heißt, der Übergang von einem Molekül zu seinem Spiegelbild-Schwester ist besonders schwierig und erfolgt nicht spontan.
Olivier Viudes, Doktorand und Erstautor der Studie, erklärt: "Mithilfe dynamischer Chromatographietechniken und quantenchemischer Berechnungen haben die Wissenschaftler gezeigt, dass für eines der entwickelten Moleküle bei Raumtemperatur 84.000 Jahre benötigt würden, bis sich die Hälfte einer Probe in ihr Spiegelbild-Molekül umwandelt". Für ein Medikament garantiert eine solche Stabilitätsdauer eine sichere Lagerung ohne die Notwendigkeit spezifischer Bedingungen. Für das zweite Molekül wurde diese Dauer auf 227 Tage bei 25 °C geschätzt.
Die neuen stereogenen Zentren, die vom Genfer Team entwickelt wurden, sollten die Konzeption stabiler und kontrollierter dreidimensionaler chiraler Moleküle ermöglichen. Diese Strukturen eröffnen neue Möglichkeiten für die Medikamentenentwicklung oder die Schaffung neuer Materialien. "Diese stereogenen Zentren neuer Art bieten eine neue Möglichkeit, den molekularen Raum zu organisieren. Sie eröffnen einen völlig neuen Grad an Freiheit und Vorstellungskraft in der chemischen Synthese", schließt Gennaro Pescitelli, Professor an der Universität Pisa und Co-Hauptuntersucher dieser Arbeit.