Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

Complexe moleculen zijn vaak chiraal. Dat wil zeggen: ze komen in een links- en een rechtshandige vorm voor. Kristallisatie geeft diverse mogelijkheden om een mengsel van chirale moleculen te zuiveren of zelfs te converteren naar de gewenste chirale vorm. Een recent ontdekte en verrassende methode geeft zelfs 100% zuiverheid en 100% opbrengst.

Auteurs: Hugo Meekes en Elias Vlieg

Chiraliteit
Chiraliteit is een eigenschap die in veel takken van de wetenschap belangrijk is. Een object is chiraal als het verschilt van zijn spiegelbeeld. Handen en schroeven zijn goede voorbeelden (chiraliteit is vernoemd naar het Griekse woord voor hand). Ook moleculen kunnen chiraal zijn. De meest voorkomende manier is in organische verbindingen met een koolstofatoom met vier bindingen, zie figuur 1. Als die vier bindingen allemaal naar een verschillende groep of atoom gaan, is het bijbehorende molecuul verschillend van zijn spiegelbeeld en wordt het asymmetrische koolstofatoom een chiraal centrum genoemd. De twee spiegelbeeldmoleculen worden enantiomeren genoemd. Omdat alle fysische wetten spiegelsymmetrisch zijn, met uitzondering van de zwakke wisselwerking die op de schaal van moleculen verwaarloosbaar is, zullen de fysisch-chemische eigenschappen zoals smeltpunt en oplosbaarheid van de enantiomeren identiek zijn, ondanks het feit dat ze een verschillende structuur hebben.

Ondanks deze spiegelsymmetrie blijkt de levende natuur voor één type chiraliteit gekozen te hebben. Zo zijn (vrijwel) alle natuurlijke aminozuren linkshandig. Het onderscheid tussen links- of rechtshandig wordt gemaakt op grond van de draairichting van lineair gepolariseerd licht dat door een oplossing van deze moleculen schijnt. Louis Pasteur gebruikte dit in 1848 toen hij de moleculaire oorsprong van de chiraliteit in de natuur ontdekte: natuurlijk wijnsteenzuur is linkshandig. Als wijnsteenzuur gesynthetiseerd wordt, ontstaan links- en rechtshandige moleculen in gelijke hoeveelheden (een racemisch mengsel) en is er geen verandering van de draairichting. Het is nog steeds niet duidelijk of de ‘keuze’ van de natuur voor een specifieke chiraliteit gebaseerd is op toeval of een deterministische oorsprong heeft. Op koolstof gebaseerd leven elders in het heelal heeft misschien de andere chiraliteit dan het leven op aarde.

Los van deze fundamentele vraag heeft de voorkeurschiraliteit van de natuur ook belangrijke praktische consequenties. Het menselijk lichaam is chiraal, niet alleen omdat het hart links zit, maar op biochemisch niveau, en reageert daardoor verschillend op links- of rechtshandige moleculen. Van het molecuul limoneen ruikt de rechtshandige versie naar sinaasappels, de linkshandige naar terpentijn. Voor medicijnen geldt hetzelfde: de actieve stof is meestal chiraal en typisch heeft één van de enantiomeren de gewenste medicinale eigenschappen en is de ander niet actief of, veel ernstiger, schadelijk. Het is daarom belangrijk om chiraal zuivere medicijnen te maken. Als een farmaceutische stof onder normale omstandigheden wordt gesynthetiseerd, zullen echter beide enantiomeren in gelijke hoeveelheden ontstaan. Dan is chirale zuivering nodig, een proces dat resolutie wordt genoemd.

Lees het volledige artikel in het septembernummer of klik hier voor de pdf.