如果我們比較右手和左手，我們可以看到這些是鏡面圖像——也就是說，就像鏡子里反射的對稱形狀——它們不能相互疊加。這種特性是手性，是物質(zhì)的一個特征，它與不同尺度的生物結(jié)構(gòu)的對稱性有關(guān)，從 DNA 分子到心肌組織。

現(xiàn)在，根據(jù)化學學院和理論研究所的 UB 講師 Josep Puigmartí-Luis 領(lǐng)導(dǎo)的一項研究，發(fā)表在《自然通訊》雜志上的一篇新文章揭示了一種在納米級領(lǐng)域分子之間轉(zhuǎn)移手性的新機制。和巴塞羅那大學的計算化學(IQTC)。

手性：從基本粒子到生物分子

手性是物質(zhì)的固有特性，決定了生物分子的生物活性。“自然是不對稱的;它有左右，可以區(qū)分它們。構(gòu)成生命物質(zhì)的生物分子——氨基酸、糖和脂質(zhì)——是手性的：它們是由化學上相同的分子形成的，它們是鏡面反射的ICREA 研究員兼材料科學與物理化學系成員 Josep Puigmartí-Luis 指出，彼此之間的圖像(對映異構(gòu)體)具有不同的特性作為活性化合物(光學活性、藥理作用等)。

“對映體在化學上是相同的，直到它們被放置在可以區(qū)分它們的手性環(huán)境中(就像正確的鞋子'識別'右腳)。由純手性分子組成的生命系統(tǒng)是手性環(huán)境(具有相同的對映體)，是手性的環(huán)境，因此它們可以“識別”并以不同的方式對對映體物種做出反應(yīng)。此外，它們可以輕松控制生化過程中的手性符號，從而產(chǎn)生立體特異性的轉(zhuǎn)化。”

如何通過化學反應(yīng)獲得手性分子

手性控制在藥物、殺蟲劑、芳香劑、香料和其他化合物的生產(chǎn)中具有決定性作用。每個對映異構(gòu)體(具有某種對稱性的分子)都具有與其他化學相同的化合物(其鏡面圖像)不同的某種活性。在許多情況下，對映異構(gòu)體的藥理活性可能很少，在最壞的情況下，它可能是非常有毒的。“因此，化學家需要能夠?qū)⒒衔镏瞥蓡我粚τ钞悩?gòu)體，這稱為不對稱合成，”Puigmartí-Luis 說。

有幾種策略可以控制化學過程中的手性符號。例如，使用稱為手性池的天然對映體純化合物(例如氨基酸、羥基酸、糖)作為前體或反應(yīng)物，經(jīng)過一系列化學修飾后可以成為感興趣的化合物。手性拆分是另一種選擇，它可以通過使用對映體純拆分劑分離對映體，并將目標化合物作為純對映體回收。使用幫助底物以非對映選擇性方式反應(yīng)的手性助劑是獲得對映體純產(chǎn)物的另一種有效方法。最后，基于使用不對稱催化劑的不對稱催化是實現(xiàn)不對稱合成的首要步驟。

“上述每種方法都有其優(yōu)點和缺點，”巴塞羅那大學有機化學系成員、該研究的合作者 Alessandro Sorrenti 指出。“例如，手性拆分——工業(yè)生產(chǎn)對映體純產(chǎn)品的最普遍方法——本質(zhì)上限制在 50% 的產(chǎn)率。手性池是對映體純化合物最豐富的來源，但通常只有一種對映體可用。手性輔助方法可以提供高對映體過量，但它需要額外的合成相來添加和去除輔助化合物，以及純化步驟。最后，手性催化劑可以是有效的，并且只使用少量，但它們只能在相對較少的情況下工作。少量反應(yīng)。”

“所有提到的方法都使用對映體純化合物——以拆分劑、助劑或金屬催化劑配體的形式——最終直接或間接地從自然資源中獲得。換句話說，自然是不對稱的最終形式。”

通過流體動力學控制手性符號

這篇新文章描述了在宏觀水平上對螺旋反應(yīng)器幾何形狀的調(diào)制如何能夠在納米尺度上控制過程的手性符號，這是迄今為止科學文獻中前所未有的發(fā)現(xiàn)。

此外，通過不對稱二次流的流體動力學和試劑濃度梯度的時空控制的相互作用，將手性自上而下轉(zhuǎn)移到分子水平。

“為此，我們需要了解和表征反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生的傳輸現(xiàn)象，即流體動力學和質(zhì)量傳輸，它們決定了試劑濃度前沿的形成和反應(yīng)區(qū)在特定手性區(qū)域的定位”普伊格馬蒂-路易斯指出。

在螺旋通道中，流動比在直通道中更復(fù)雜，因為彎曲的壁產(chǎn)生離心力，導(dǎo)致在垂直于流體方向(主流)的平面中形成二次流。這些二次流(渦流)具有雙重功能：它們是相反的手性區(qū)域并為對映體選擇構(gòu)建必要的手性環(huán)境。此外，通過設(shè)備內(nèi)的平流和用于發(fā)展試劑濃度梯度。

通過在宏觀水平上調(diào)整螺旋反應(yīng)器的幾何形狀，“可以控制二次流的不對稱性，使反應(yīng)區(qū)——試劑在適當濃度下發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域——完全暴露于這種手性轉(zhuǎn)移機制基于對流體流動和質(zhì)量傳輸?shù)暮侠砜刂疲罱K能夠根據(jù)螺旋反應(yīng)器的宏觀手性控制對映體選擇，其中旋向性螺旋決定了對映體選擇的意義，”Puigmartí-Luis 說。

這些發(fā)現(xiàn)揭示了在分子水平上實現(xiàn)對映體選擇的新前沿——不使用對映體純化合物——僅通過結(jié)合幾何形狀和流體反應(yīng)器的工作條件。“此外，我們的研究為手性轉(zhuǎn)移的機制提供了新的基本見解，證明了生命物質(zhì)的這種內(nèi)在特性是基于物理和化學限制在多個長度尺度上協(xié)同作用的相互作用，”Josep Puigmartí-Luis 總結(jié)道.

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