Construction en « zinc chiral » à haute stabilité configurationnelle. À gauche :Structure moléculaire du complexe tétraédrique « zinc chiral ». Le composé tétraédrique chiral a un ion zinc au centre (boule grise), entouré d'un ligand tridenté (les atomes de connexion sont surlignés en rouge, vert et jaune) et un ligand monodenté (bleu). À droite :Illustration de la construction sélective du « zinc chiral » tétraédrique. Quatre bras différents liés à l'atome de zinc forment une image miroir des énantiomères appariés. Crédit :Mitsuhiko Shionoya, CC-BY
Les chercheurs ont conçu et construit un nouvel outil chimique inspiré des enzymes naturelles contenant des métaux dans les organismes vivants. Le produit, un "zinc chiral" tétraédrique, " conserve sa forme pendant des années, fournir une nouvelle structure avec des possibilités passionnantes pour la fabrication de produits pharmaceutiques et d'électronique optique. Les experts ajoutent des guillemets autour du "zinc chiral" pour souligner qu'une liaison chirale est attachée au zinc, plutôt qu'un autre atome d'une molécule contenant du zinc.
"Nous nous attendons à ce que les résultats de cette étude ajoutent une nouvelle page aux manuels de chimie et aient un grand impact sur de nombreuses industries impliquées dans la synthèse de substances, " a déclaré le professeur Mitsuhiko Shionoya, chef du laboratoire qui a mené la recherche à l'Université de Tokyo. Les résultats de l'équipe sont publiés dans Communication Nature .
Une caractéristique essentielle du composé est sa chiralité au niveau de l'atome de zinc au centre de la molécule. Une molécule chirale se décline en deux versions, appelés énantiomères. Les énantiomères sont constitués des mêmes éléments, mais diffèrent dans l'orientation 3-D de la façon dont les atomes sont liés, comme les mains gauche et droite.
La chiralité peut donner aux produits chimiques des propriétés optiques uniques, ce qui peut être utile en électronique. Certaines molécules chirales de médicament sont thérapeutiques dans une orientation et toxiques dans l'autre, ainsi, isoler l'énantiomère souhaité est souvent essentiel pour les fabricants de médicaments et les méthodes pour forcer les réactions chimiques à produire uniquement l'énantiomère souhaité pourraient faire gagner du temps et réduire les déchets.
Les chimistes ont développé de nombreuses façons efficaces de construire des composés chiraux avec du carbone et d'autres non-métaux au centre chiral. En outre, la conception de catalyseurs chiraux contenant du métal, mais dont la chiralité n'est pas centrée sur l'atome de métal, a remporté le prix Nobel de chimie 2001 pour leur capacité utile à induire une chiralité centrée sur le carbone. Cependant, fabriquer des molécules chirales centrées sur le métal reste un défi ouvert. Les métaux sont plus difficiles à utiliser comme centres chiraux car les liaisons qu'ils créent sont souvent moins stables.
"Mon rêve était un peu plus grand. J'aimerais que chaque élément du tableau périodique devienne le centre de la chiralité, " remarqua Shionoya. Des atomes uniques de zinc entourés de quatre bras dans une pyramide triangulaire, ou tétraédrique, forme sont communs dans la nature-de nombreux types de composés de zinc tétraédriques, tels que les doigts de zinc, se lient à l'ADN et d'autres gèrent le dioxyde de carbone dans les cellules de mammifères.
Les chimistes synthétiques ont fabriqué des composés de zinc 3-D à cinq et six bras, mais les composés de zinc tétraédriques synthétiques fabriqués à ce jour sont restés stables quelques minutes avant que leurs liaisons ne se désassemblent.
L'équipe de recherche de Shionoya a émis l'hypothèse que si chacun des quatre bras attachés au zinc se voit attribuer un rôle différent, la molécule chirale finale pourrait rester stable et servir d'outil utile pour accélérer d'autres réactions chimiques. La première étape de l'équipe a été de concevoir une structure à trois bras, ou un ligand tridenté asymétrique, et attachez ces bras à l'atome de zinc central.
"C'était la partie la plus difficile. Il n'y avait pas d'exemples réussis de stabilisation de la chiralité tétraédrique centrée sur le métal avant le début de cette étude, nous avons donc dû concevoir le ligand tridenté à partir de zéro, " dit Shionoya.
Cette première étape a produit des quantités égales de chaque énantiomère d'un zinc chiral attaché au ligand tridenté.
Puis, les chercheurs ont attaché un quatrième bras intermédiaire appelé ligand chiral auxiliaire. Ce ligand chiral a donné à l'ensemble du tétraèdre deux points de chiralité :un dans le quatrième bras et un au niveau du zinc central. Le chauffage de la solution a amené presque toutes les molécules à se reconfigurer en un énantiomère plus stable.
La dernière étape consistait à remplacer l'auxiliaire chiral par un quatrième bras achiral. Le produit final a été obtenu sous forme de cristaux simples d'énantiomère purs à 100 %. La pureté de cet énantiomère est restée supérieure à 99 % dans le temps et même après dissolution du cristal dans un solvant.
Un bras échangeable reste sur le "zinc chiral, " qui peut ensuite être utilisé pour accélérer les réactions chimiques pour produire des produits utiles. De plus, l'utilisation d'une solution pure d'un énantiomère d'un catalyseur chiral peut souvent pousser une réaction chimique à produire un produit final qui est également un seul énantiomère.
"Nous espérons que de nombreux chimistes commenceront à utiliser des complexes métalliques tétraédriques comme catalyseurs pour fabriquer des produits utiles pour la société, " dit Shionoya.
