Een puls licht of een verhoging van de temperatuur en de moleculaire motoren van de Groningse chemici zijn weer op gang. Netjes draaien ze hun rondjes, precies volgens het plan van hun ontwerpers. Moleculaire beheersing in optima forma en chemisch gezien een hele prestatie. Niet voor niets kreeg Feringa in 2004 de Spinozaprijs (de ‘Nederlandse Nobelprijs’). Toch had het onderzoek altijd wel iets van moleculaire meccano: lekker spelen, fijn knutselen met moleculen.
Met de recente Science publicatie van Feringa en zijn medewerker Jiaobing Wang wordt duidelijk dat de moleculaire motor méér is dan spielerei. De Groningse onderzoekers beschrijven hoe ze een motormolecuul weten om te bouwen tot een instelbare katalysator die een bepaalde chemische reactie faciliteert. Van voortdurend draaien is daarbij geen sprake; met licht en warmte is het molecuul in een bepaalde positie te manouvreren. Er zijn drie belangrijke posities, die elk een andere katalytische werking tot gevolg hebben. De moleculaire motor is daarmee een functionele chemische schakelaar geworden.
Spiegelbeelden
De schakelbare katalysator is ontworpen voor de synthese van een bijzonder soort moleculen waarvan steeds twee gespiegelde varianten voorkomen.
NASA
Het is te vergelijken met een linker- en rechterhand: vingers en duim zijn hetzelfde maar de combinatie is anders. De moleculaire tegenhangers worden dan ook chiraal genoemd (van het Griekse woord voor hand), of enantiomeer (tegenovergesteld).
Bij de meeste chemische reacties ontstaan beide vormen in gelijke hoeveelheden (dat heet dan een racemisch mengsel). Met behulp van katalysatoren is het mogelijk mengsels te maken waarin één van beide vormen in veel hogere mate voorkomt.
Zulke enantio-selectieve of stereo-selectieve reacties zijn onder andere van belang bij de vervaardiging van geneesmiddelen. Vaak heeft slechts één gespiegelde vorm een genezende werking, terwijl de andere vorm overbodig is of zelfs voor ongewenste bijwerkingen kan zorgen. De onderzoeksgroep van Feringa heeft veel onderzoek gedaan op het gebied van chirale katalyse.
In positie
De moleculaire motor, een uitvinding van Feringa uit 1999, is een molecuul met een ‘vast’ gedeelte (de stator) en een draaiend gedeelte (de rotor). Beide zijn via een as met elkaar verbonden (een dubbele binding tussen twee koolstofatomen).
Om er een schakelbare chirale katalysator van te maken brengen de onderzoekers op beide ‘motoronderdelen’ speciale molecuulgroepen aan (A en B in de illustratie hieronder). Die groepen pakken de componenten die met elkaar moeten reageren op, en brengen ze ten opzichte van elkaar in positie. Zo bepaalt de stand van het motormolecuul hoe de te reageren componenten uiteindelijk aan elkaar ‘geplakt’ worden en welk spiegelbeeldmolecuul ontstaat.
Bij een speciale testreactie bleek de schakelaar inderdaad te werken. Het lukte om drie keer zoveel van de ‘linkshandige’ spiegelbeeldvorm te verkrijgen ten opzichte van de ‘rechtshandige’; na omschakelen was de situatie precies omgekeerd en was er drie keer meer van de ‘rechtshandige’ spiegelbeeldvorm.
Feringa is duidelijk in zijn nopjes met het behaalde resultaat. “Voorzover ik kan overzien is dit een uniek systeem”, zegt hij. Andere manieren om een chirale voorkeur te introduceren (verandering van oplosmiddel, temperatuurvariatie, gebruik van speciale zuren) zijn lastiger uit te voeren en vaak minder voorspelbaar. Hij vindt het niet zo relevant dat dergelijke alternatieven wel tot veel hogere opbrengsten van de gewenste spiegelbeeldvorm kunnen leiden. “Daar ging het ons niet om. Wij wilden een nieuw concept testen: een katalysator die je met een extern signaal kunt instellen. Dat is ons gelukt.”
Meer dan opmerkelijk
Het is natuurlijk wel de vraag wat je er aan hebt om naar believen beide spiegelbeeldvarianten te kunnen maken. Vaak zal de chemicus er eigenlijk maar één willen hebben (bijvoorbeeld voor de ontwikkeling van geneesmiddelen).
Maar Feringa denkt al een stap verder. “We weten nu dat je het resultaat van de katalyse kunt sturen via het manipuleren van de stand van de moleculaire motor. We gaan nu verder kijken of we ook meerdere katalytische functies in het motormolecuul kunnen inbouwen. Daarmee zou het mogelijk moeten zijn om meerdere reacties na elkaar te laten verlopen, heel beheerst, eenvoudigweg door met het motormolecuul te schakelen.”
Gerenommeerde wetenschappers delen Feringa’s enthousiasme. Chemical Engineering News noteerde een reactie van de Amerikaanse chemicus J. Fraser Stoddart, internationaal vermaard expert op het gebied van moleculaire machines en supramoleculaire chemie. Hij noemt het Groningse werk méér dan opmerkelijk. “Het brengt de creativiteit in de synthetische chemie naar een heel nieuw niveau van verfijning”, aldus Stoddart.
Chemistry World citeert Stephen Fletcher, organisch chemicus aan de Universiteit van Oxford, die de schakelbare katalysator “echt een prestatie” noemt. Hij vindt het “een fantastische demonstratie van wat moleculaire machines in de toekomst zouden kunnen realiseren”.
Lees ook Feringa’s Spinozalezing op Kennislink:
Lees meer over moleculaire motoren op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/moleculaire-motor/index.atom?", “max”=>"6", “detail”=>"minder"}
Meer over moleculaire motoren op de website van de RUG:
Meer over stereochemie op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/stereochemie/index.atom?", “max”=>"6", “detail”=>"minder"}