STEREOCHEMIE


Spiegelbeeld-moleculen

De Nobelprijs voor scheikunde 2001 is een hommage aan de eerste Nobelprijswinnaar ooit, Jacobus van ‘t Hoff. Hij legde onder andere de basis voor de stereochemie en het zijn drie stereochemici die in 2001 het prijzengeld van 10 miljoen Zweedse kronen (2,26 miljoen gulden of 41,3 miljoen Bfr.) mogen verdelen. Zij ontwikkelden katalysatoren voor stereo-specifieke reacties om zo te discrimineren tussen stoffen waarvan de moleculen alleen verschillen in ruimtelijke structuur.

Tientallen jaren zijn er miljoenen bestrijdingsmiddelen en medicijnen teveel gebruikt. Veel van deze stoffen komen in twee spiegelbeeldvormen voor, waarvan maar eentje voor de gewenste werking nodig is. De helft had in deze gevallen volstaan.

William S. Knowles (84) haalde zijn PhD in 1942 aan de Columbia University. De Amerikaan werkte bij Monsanto Company in St. Louis in de Verenigde Staten tot zijn pensionering in 1986.

Ryoji Noyori (63) haalde zijn PhD in 1967 aan de Kyoto University. Sinds 1972 is hij als professor in de chemie verbonden aan de Nagoya University. Daarnaast is de Japanner sinds 2000 directeur van het onderzoekscentrum voor materiaalkunde aan diezelfde universiteit.

K. Barry Sharpless (60 jaar) haalde zijn PhD in 1968 aan de Stanford University. Sinds 1990 is de Amerikaan als professor in de chemie verbonden aan het Scripps Research Institute in La Jolla in de Verenigde Staten.

De spiegelbeelden hebben te maken met de ruimtelijke structuur van de moleculen.

Methaan (CH4) kent geen spiegelbeeldvorm. Het is een symmetrisch molecuul: vier waterstofatomen (H) zitten op de hoekpunten van een denkbeeldige tetraëder rond een centraal koolstofatoom ©. Als we het molecuul spiegelen ziet het er exact hetzelfde uit.

Dat verandert als op de vier hoekpunten van de tetraëder vier verschillende atomen of groepen zitten. Bij deze asymmetrische verdeling spreken we van een chiraal koolstofatoom. Dan is een spiegelbeeld van het molecuul nooit meer zo te draaien dat het past op het orgineel.

Deze spiegelbeeldmoleculen hebben precies dezelfde chemische samenstelling, maar verschillen in structuur zoals een linkerhand verschilt van een rechterhand. Ze heten stereo-isomeren ofenantiomeren.

Bij een chemische reactie ontstaan meestal beide vormen. De chemische processen in levende organismen hebben juist veelal een sterke voorkeur voor één van de twee spiegelvormen. Zo kunnen onze lichamen maar één stereo-vorm van glucose verwerken en komen aminozuren en enzymen maar in één spiegelbeeldvariant voor.

Soms gebruikt de natuur beide vormen, maar elke voor een andere functie. Zo trekt het feromoon olean, een seksuele lokstof bij fruitvliegen, in de ene vorm alleen vrouwtjes aan en in de andere enkel mannetjes.
Die natuurlijke voorkeur voor één van de spiegelvormen vraagt om medicijnen, insecticiden en geur- en smaakstoffen die ook stereospecifiek zijn zodat ze optimaal werken. De chemische industrie heeft daarom een sterke behoefte aan manieren om specifieke spiegelvormen te synthetiseren. Het was echter lang onzeker of dergelijke reacties ook buiten levende organismen tot stand konden worden gebracht.

De Nobelprijs voor scheikunde gaat in 2001 naar onderzoek dat dicht aan ligt tegen industriële toepassingen. De drie prijswinnaars hebben stereospecifieke reacties ontwikkeld die zeer snel hun toepassing vonden in de industrie.
Eén helft van de Nobelprijs voor scheikunde gaat gedeeld naar William S. Knowles en Ryoji Noyori voor hun werk aan katalyse van stereospecifieke hydrogeneringsreacties. De andere helft gaat naar K. Barry Sharpless voor zijn werk aan oxidatiereacties.

Hydrogenering

Limoneen is een geurstof die in twee spiegelvormen voorkomt. Onze neus kan die onderscheiden: de een ruikt naar sinaasappel, de ander naar citroen. Het iets donkerdere koolstofatoom is het chirale koolstofatoom met de vier verschillende groepen eraan.

In 1968 werkte de Amerikaan Knowles bij Monsanto in St. Louis (VS) aan katalysatoren. Een katalysator is een stof die een reactie eenvoudiger helpt te verlopen, zonder daarbij zelf omgezet te worden. Het handige daarvan is dat één katalysatorcomplex tienduizenden productmoleculen kan produceren.
Knowles wou een katalysator bouwen die zijn eigen asymmetrie kon overgeven aan een symmetrisch substraat, zodat een product zou ontstaan bestaande uit één spiegelvorm. Hij ontdekte dat hij met bepaalde overgangsmetalen dergelijke chirale katalysatoren kon maken voor hydrogeneringsreacties. Bij dergelijke reacties binden waterstofatomen van H2 aan de koolstofatomen van een dubbele binding.
Knowles ging uit van een bestaande katal

ysator, een rhodiumcomplex. Hij verving hierin identieke groepen door niet-identieke groepen. Zijn hoofddoel was een methode om op industriële wijze een medicijn tegen de ziekte van Parkinson te maken.
Zijn eerste poging werkte niet optimaal: het produceerde een mengsel met slechts 15% overmaat van de gewenste spiegelvorm. Het bewees echter dat zo’n reactie mogelijk is.
Door diverse verwante katalysatoren te testen, vond Knowles uiteindelijk een complex dat een opbrengst gaf van bijna honderd procent. Dit was de eerste industriële toepassing van katalytische asymmetrische synthese.
Anderen, onder meer de anorganicus J. Halpern, ontrafelden het reactiemechanisme. De katalysator bindt tegelijkertijd het substraat en het waterstof, waarna beide met elkaar reageren. Die katalysator kan de stoffen op twee manieren binden. De vorming van het ene tussencomplex kost minder energie dan van het andere, waardoor een van de twee paden de voorkeur krijgt. Hoe groter het energieverschil is, hoe beter de katalysator discrimineert voor één van de twee spiegelvormen en hoe hoger dus de opbrengst zal zijn.

Medicijnen

De Japanner Noyori krijgt de Nobelprijs voor scheikunde omdat hij het arsenaal aan katalysatoren voor hydrogeneringsreacties flink uitbreidde en verbeterde. Noyori experimenteerde met verschillende overgangsmetalen in het centrum van de katalysatoren. Door in plaats van rhodium het overgangsmetaal ruthenium te gebruiken, maakte hij een katalysator die breed toepasbaar was op een groot aantal stoffen, onder andere voor industriële synthese van een aantal antibiotica.
In 1980 legde Sharpless, de derde Nobelprijswinnaar, de basis voor de ontwikkeling van vergelijkbare katalysatoren voor oxidatiereacties. Hij maakte daarmee belangrijke tussenproducten voor de chemische industrie. Dit maakte grootschalige productie mogelijk van R-glycidol, een uitgangsstof voor de synthese van bijvoorbeeld hartmedicijnen zoals bètablokkers. Zijn methode wordt nog wereldwijd toegepast.

Intermezzo

Beroemde voorgangers

1815

De Fransman Jean-Baptiste Biot ontdekt dat gepolariseerd licht verandert als hij het door suikeroplossingen heen schijnt. Bij ‘gewoon licht’ komen elektromagnetische trillingen voor in alle richtingen loodrecht op de voortplantingsrichting. Door dit licht te filteren, kan een bundel gemaakt worden waarin slechts één trillingsrichting voorkomt. Een modern voorbeeld is het glas van een polaroidbril. Twee polaroidglas op elkaar, die 90 graden ten opzichte van elkaar zijn gedraaid laten geen licht door. Het tweede glas blokkeert het enige licht dat het eerste glas doorlaat.
Als we Biot’s suikeroplossingen tussen de gekruiste glazen zetten, zien we wel licht. Het wordt weer donker als we één van de glazen iets draaien. De suiker in de oplossing roteert de polarisatie. Stoffen die deze eigenschap hebben, noemen we optisch actief.

1848

Louis Pasteur ziet onder zijn microscoop dat de kristallen van wijnsteenzuur (natriumammoniumtartraat) in twee vormen voorkomen die precies elkaars spiegelbeeld zijn. Ze lijken op elkaar als een linker- en een rechterhandschoen. Ze zijn gelijk qua molecuulgewicht, smeltpunt en dergelijke, maar verschillen in de manier waarop ze licht polariseren. De ene vorm roteert het licht rechtsom, de andere vorm linksom. Een oplossing met beide vormen is niet optisch actief. Pasteur formuleerde de theorie dat optische activiteit samenhangt met de ruimtelijke structuur van de moleculen waaruit de stof is opgebouwd.

1874

De Nederlander Jacobus van ‘t Hoff en de Fransman Le Bel bedenken los van elkaar dat moleculen niet in een plat vlak liggen, zoals toen nog algemeen werd aangenomen, maar een ruimtelijke structuur hebben. Zo liggen de vier groepen rond een koolstofatoom als het ware op de hoekpunten van een tetraëder. Van ’t Hoff maakt van karton zelf tetraëders om collega’s te overtuigen van zijn gelijk.

1894

De Duitser Emil Fischer identificeert zestien verschillende stereo-isomeren voor de aldohexosen (C6H12O6), het bekendste voorbeeld is D-glucose, dat gevormd wordt door planten tijdens de fotosynthese.
Hij maakt synthetische fruitsuikers, bestaande uit vijf tot zes koolstofatomen, maar ook suikers met langere ketens tot negen koolstofatomen, die niet natuurlijk voorkomen.
Gist blijkt een deel van deze synthetische suikers, net als bij natuurlijke suikers, om te kunnen zetten in alcohol en koolstofdioxide. Dit lukte echter niet meer als de stereochemische configuratie werd veranderd.
Voor moleculen die zijn betrokken bij de stofwisseling van organismen bleek de ruimtelijke structuur dus belangrijker dan de lengte van het molecuul.
Fischer is de bedenker van de metafoor van de sleutel en het slot voor een molecuul en een receptor. De receptoren in de cellen van een organisme, plant of dier, zijn zo gevormd dat één vorm past en de andere niet of slecht. Alleen de juiste combinatie heeft de juiste biologische respons tot gevolg.
In 1902 ontving Fischer de Nobelprijs voor scheikunde voor zijn werk aan suiker- en purinesynthesen.

1912

De Nederlander Teunis van der Linden synthetiseert vier van de negen stereo-isomeren van hexachloorcyclohexaan (HCH). Dertig jaar later wordt hij hiermee wereldberoemd, omdat Engelse onderzoekers aantonen dat een van deze isomeren een sterk insecticide is. Het wordt bekend onder de naam lindaan. In de jaren zeventig kwamen veel bestrijdingsmiddelen in opspraak vanwege de slechte afbreekbaarheid en de schadelijkheid voor het milieu. Lindaan behoorde niet bij de grootste boosdoeners, maar bleek ook slecht afbreekbaar. Het wordt nu vrijwel nergens meer toegepast.

1960

Op dramatische wijze wordt duidelijk hoe verschillend het effect kan zijn van de twee spiegelbeeldvormen van een molecuul. Het geneesmiddel Softenon, dat aanstaande moeders krijgen tegen misselijkheid, veroorzaakt ernstige afwijkingen bij hun baby’s. Het medicijn bevat twee stereo-isomeren van thalidomide. De ene werkte als medicijn, de andere verstoorde de ontwikkeling van de jonge vrucht. Er zijn nu overigens aanwijzingen dat deze verklaring niet geheel klopt, ook de manier waarop thalidomide wordt afgebroken in het lichaam speelt waarschijnlijk een rol (zie ook N&T, 7/8, 2001, Een tweede kans voor Softenon).
h3. 2001

Productie van enkelvoudige enantiomeren is vandaag de dag een miljoenenbusiness voor de farmaceutische industrie. In 2000 verdienden zij wereldwijd 133 miljard dollar aan de verkoop van dergelijke medicijnen. En dat bedrag groeit per jaar met 13%.
Voordeel van deze medicijnen is niet alleen het verkleinen van de kans op bijwerkingen. Van twee enantiomeren is vaak slechts een van de twee actief. Er is dus minder verspilling en besparing van de kosten door minder grondstoffengebruik. Soms patenteren medicijnfabrikanten de individuele enantiomeren om het patent een langer geldingsduur te laten hebben.

°

 

Chemici maken foto van atomen voor en na reactie

2 juni 2013 |  | 

“MICROSCOPY ” imaging 

 

Het beeld van de atoomkrachtmicroscoop (midden) is een stuk duidelijker dan beelden die gemaakt zijn met een scanning tunneling microscoop (boven). Ze lijken erg op de bijhorende diagrammen (onder).  Bron: UC Berkeley

Het beeld van de atoomkrachtmicroscoop (midden) is een stuk duidelijker dan beelden die gemaakt zijn met een scanning tunneling microscoop (boven). Ze lijken erg op de bijhorende diagrammen (onder).
Bron: UC Berkeley

 

Voor de allereerste keer zijn scheikundigen erin geslaagd een atomische foto te maken van stoffen voor en na een chemische reactie. Met dergelijke foto’s kunnen wetenschappers de scheikundige processen nauwkeuriger dan ooit bestuderen.

De foto toont hoe de structuur van het molecuul er voor en na de reactie uitziet, waarbij individuele atomen duidelijk zichtbaar zijn. ‘Hoewel dagelijks met deze moleculen werk, stond ik versteld om ze daadwerkelijk te kunnen zien. Wow!’, zegt de Amerikaanse chemicus Felix Fischer in een persverklaring. Hij leidde het onderzoek en is meer dan tevreden over de resultaten, ‘Dit is wat mijn docenten zeiden dat ik nooit zou kunnen zien, en nu hebben we het tegendeel bewezen.’

Snapshot
De foto is gemaakt met een atoomkrachtmicroscoop. Bij dit soort microscopen beweegt een naald vlak boven het oppervlak van een object. De bewegingen van de naald zijn met enorme precisie te volgen, waardoor de naald het oppervlak op atoomschaal kan aftasten. De onderzoekers breidden de gebruikelijke atoomkrachtmicroscoop uit met een nieuwe techniek. Ze plaatsten de moleculen op een oppervlak dat ze tot zo’n -270 °C koelden. Daardoor konden de deeltjes nauwelijks meer bewegen. Vervolgens plaatsten ze een molecuul koolstofmonoxide op het puntje van de naald, wat de resolutie van de microscoop sterk verbeterde. Nadat ze een beeld hadden, verhitten ze de moleculen en lieten ze de reactie plaatsvinden, waarna het proces opnieuw begon voor het tweede beeld.

Normaal gesproken gebruiken chemici bijvoorbeeld spectroscopie om af te leiden tot welke stof een reactie leidt. ‘Dat is net een puzzel, je combineert je informatie en leidt daaruit af hoe de structuur van de stof eruit ziet. Maar dat is eigenlijk maar een schaduw. Nu hebben we een techniek waarbij we direct naar het nieuwe molecuul kunnen kijken’, aldus Fisher.

two-products

The original reactant molecule, resting on a flat silver surface, is imaged both before and after the reaction, which occurs when the temperature exceeds 90 degrees Celsius. The two most common final products of the reaction are shown. The three-angstrom scale bars (an angstrom is a ten-billionth of a meter) indicate that both reactant and products are about a billionth of a meter across. (Caption from press release.)

…..A technique called noncontact atomic force microscopy (nc-AFM), which probes the surface with a sharp tip. The tip is mechanically deflected by electronic forces very close to the sample, moving like a phonograph needle in a groove.

“A carbon monoxide molecule adsorbed onto the tip of the AFM ‘needle’ leaves a single oxygen atom as the probe,” Fischer explains. “Moving this ‘atomic finger’ back and forth over the silver surface is like reading Braille, as if we were feeling the small atomic-scale bumps made by the atoms.” Fischer notes that high-resolution AFM imaging was first performed by Gerhard Meyer’s group at IBM Zurich, “but here we are using it to understand the results of a fundamental chemical reaction.”

The single-atom moving finger of the nc-AFM could feel not only the individual atoms but the forces representing the bonds formed by the electrons shared between them. The resulting images bore a startling resemblance to diagrams from a textbook or on the blackboard, used to teach chemistry, except here no imagination is required.

ncAFM-microscope

 

Een atoomkrachtmicroscoop bestudeert een molecuul op een oppervlak. Het koolstofoxide-molecuul op de naald zorgt voor extra gevoeligheid.
Bron: UC Berkeley

http://whyevolutionistrue.wordpress.com/2013/06/01/amazing-photo-of-chemical-bonds/

“Direct Imaging of Covalent Bond Structure in Single-Molecule Chemical Reactions,” by Dimas G. de Oteyza, Patrick Gorman, Yen-Chia Chen, Sebastian Wickenburg, Alexander Riss, Duncan J. Mowbray, Grisha Etkin, Zahra Pedramrazi, Hsin-Zon Tsai, Angel Rubio, Michael F. Crommie, and Felix R. Fischer, will appear in Science and is now available on Science Express,http://www.sciencemag.org/content/early/2013/05/29/science.1238187.abstract

 


Van grafeen naar elektronica

Fisher ontwikkelde de fototechniek terwijl hij een manier zocht om structuren te bouwen van grafeen, een sterk materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Fisher weet echter zeker dat de foto’s voor veel meer toepassingen nuttig zullen zijn. ‘De techniek zal bijvoorbeeld nuttig zijn bij onderzoek naar heterogene katalysatoren’, geeft Fischer als voorbeeld. Dit soort katalysatoren vindt je bijvoorbeeld in het uitlaatsysteem van automotoren.

Zijn medeonderzoeker, fysicus Michael Crommie, heeft een andere toepassing op het oog. ‘Het zal ons ook helpen structuren op een nanoschaal te begrijpen, zoals netwerken van atomen die een bepaalde vorm en structuur moeten hebben in elektronische apparatuur.’

Over tsjok45
Gepensioneerd . Improviserend jazzmuzikant . Instant composer. Jamsession fanaat Gentenaar in hart en nieren

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

%d bloggers op de volgende wijze: