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(duì)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(gè)特征，它與不同尺度的生物結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性有關(guān)，從 DNA 分子到心肌組織。

現(xiàn)在，根據(jù)化學(xué)學(xué)院和理論研究所的 UB 講師 Josep Puigmartí-Luis 領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)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(jí)領(lǐng)域分子之間轉(zhuǎn)移手性的新機(jī)制。和巴塞羅那大學(xué)的計(jì)算化學(xué)(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(duì)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(xué)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(xué)與物理化學(xué)系成員 Josep Puigmartí-Luis 指出，彼此之間的圖像(對(duì)映異構(gòu)體)具有不同的特性作為活性化合物(光學(xué)活性、藥理作用等)。

“對(duì)映體在化學(xué)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(shí)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(duì)映體)，是手性的環(huán)境，因此它們可以“識(shí)別”并以不同的方式對(duì)對(duì)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(hào)，從而產(chǎn)生立體特異性的轉(zhuǎn)化。”

如何通過化學(xué)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(gè)對(duì)映異構(gòu)體(具有某種對(duì)稱性的分子)都具有與其他化學(xué)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(duì)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(xué)家需要能夠?qū)⒒衔镏瞥蓡我粚?duì)映異構(gòu)體，這稱為不對(duì)稱合成，”Puigmartí-Luis 說。

有幾種策略可以控制化學(xué)過程中的手性符號(hào)。例如，使用稱為手性池的天然對(duì)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(xué)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(duì)映體純拆分劑分離對(duì)映體，并將目標(biāo)化合物作為純對(duì)映體回收。使用幫助底物以非對(duì)映選擇性方式反應(yīng)的手性助劑是獲得對(duì)映體純產(chǎn)物的另一種有效方法。最后，基于使用不對(duì)稱催化劑的不對(duì)稱催化是實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱合成的首要步驟。

“上述每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，”巴塞羅那大學(xué)有機(jī)化學(xué)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(duì)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(duì)映體純化合物最豐富的來源，但通常只有一種對(duì)映體可用。手性輔助方法可以提供高對(duì)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(duì)較少的情況下工作。少量反應(yīng)。”

“所有提到的方法都使用對(duì)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(duì)稱的最終形式。”

通過流體動(dòng)力學(xué)控制手性符號(hào)

這篇新文章描述了在宏觀水平上對(duì)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(hào)，這是迄今為止科學(xué)文獻(xiàn)中前所未有的發(fā)現(xiàn)。

此外，通過不對(duì)稱二次流的流體動(dòng)力學(xué)和試劑濃度梯度的時(shí)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(dòng)力學(xué)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(dòng)比在直通道中更復(fù)雜，因?yàn)閺澢谋诋a(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(duì)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(duì)稱性，使反應(yīng)區(qū)——試劑在適當(dāng)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(jī)制基于對(duì)流體流動(dòng)和質(zhì)量傳輸?shù)暮侠砜刂?，最終能夠根據(jù)螺旋反應(yīng)器的宏觀手性控制對(duì)映體選擇，其中旋向性螺旋決定了對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)映體選擇的新前沿——不使用對(duì)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(jī)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(xué)限制在多個(gè)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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