Scheikunde is geen simpel vak, zeker niet als het over het synthetiseren van ingewikkelde verbindingen gaat. Scheikundigen dromen al langer van een soort ‘bouwdoos’ voor moleculen. Laatst kwam er in dit blog een verhaaltje langs over nanorobotjes die atomen kunnen verplaatsen. Het is een beginnetje. Nu schijnen onderzoekers van het Amerikaanse Scripps-instituut een techniek te hebben ontwikkeld om ingewikkelde verbindingen, zoals medicijnen (vaak zijn), te ‘bouwen’, waarbij aminozuren worden gebruikt als ‘gidsgroepen’. Ze hebben hun systeem vast uitgeprobeerd op wat chemische verbindingen.

“We hebben de methode bij twee typen verbindingen uitgeprobeerd, bij ketonen en aldehyden, het ‘beleg op de boterham’ van de moderne, scheikundige synthese”, zegt onderzoeker Ji-Quan Yu. Het lab van Yu legt zich toe op het makkelijker maken van de synthese. Als chemici een verbinding maken, dan beginnen ze vaak bij een vrij eenvoudige verbinding en hangen door vervolgens allerlei groepen atomen aan. Zo’n verbinding bevat vaak, veel meer, inerte koolstof/waterstofbindingen dan reactievere koolstofatomen, waaraan atoomgroepen zijn gebonden, door scheikundigen functionele groepen genoemd. De truc is dan ten minste een van die niet erg reactieve koolstof/waterstof-bindingen ‘open te breken’ en daar een functionele groep aan te hangen. Dat proces wordt de C-H-functionalisering genoemd, waarbij de C voor koolstof staat en de H voor waterstof (de basiselementen in organische verbindingen).
Dat is geen simpele aangelegenheid en meestal worden er ‘gidsgroepen’ gebruikt om dergelijke reacties tot een goed einde te brengen. Die ‘gidsen’ worden eerst gebonden aan het molecuul dat veranderd moet worden en vervolgens leidt zo’n gidsgroep de katalysator, meestal een metaal zoals palladium of platina, naar de C-H-binding die ‘gekraakt’ moet worden om  een functionele groep aan het koolstofatoom te kunnen hangen. Yu: “Dat werkt goed, maar die aanpak vereist minstens twee extra stappen: de binding van de gidsgroepen en de verwijdering ervan. Soms gaat zo’n gidsgroep niet samen met de functionele groepen die al aan de uitgangsverbinding zitten.” Kortom: een chemische ‘oorlog’ zou het gevolg zijn.
Ideaal zou natuurlijk zijn om van gidsgroepen gebruik te maken die met alle of in ieder geval veel functionele groepen ‘door een deur kunnen’ en het zou ook handig zijn als die niet aan het uitgangsmolecuul zouden binden en daarvan weer losgehaald moeten worden. Die schijnen Yu en zijn medeonderzoekers te hebben gevonden in de aminozuren, de bouwstenen van eiwitten. Aminozuren bleken de geschikte begeleiders voor ketonen en aldehyden, twee grote en belangrijke groepen verbindingen in de scheikunde. De aminozuren verbinden zich met de uitgangsmoleculen en maken zich daar ook weer van los als de verbinding is gevormd met de ‘aan te hechten’ functionele groep. Ze doen dat op een katalytische manier, dat wil zeggen: steeds opnieuw.

Optisch isomeer

Yu: “In principe kunnen alle aminozuren daarvoor gebruikt worden. Dat maakt het mogelijk voor veel reagentia de juiste begeleider te vinden.” Ook is het bij de juist keus van aminozuur mogelijk om een bepaald optisch isomeer te maken van een verbinding. Dat is opmerkelijk omdat normaal gesproken bij een chemische reactie waaruit optische isomeren ontstaan, er altijd een gelijke verdeling is tussen de mogelijke optische isomeren. Optische isomeren hebben eenzelfde chemische structuur, maar zijn, om het simpel te houden, ruimtelijk gespiegeld, zoals je linker- en rechterhand. Vandaar dat ook wel gesproken wordt van chiraliteit, waarbij het van oorsprong Griekse ‘chier’ ‘hand’ betekent.
<Yu: “In feite verminderen we het functionaliseringsproces met twee stappen en we kunnen, als dat nodig is, een bepaald optisch isomeer maken.” Yu c.s. werken nu verder aan hun ‘bouwdoos’ met groepen als amines en alcoholen.

Bron: Science Daily