В недавнем исследовании исследователи из Свободного университета Берлина, исследовательского центра DESY в Гамбурге, Кильского университета и Канзасского государственного университета показали, как свет может превратить плоскую молекулу в хиральную молекулу всего одной рукой, что дает решение долгой проблемы. -стоящая проблема абсолютного асимметричного синтеза. Этот новый процесс может быть особенно полезен при химическом синтезе соединений.
Исследование, проведенное в рамках Совместного исследовательского центра 1319 Extreme Light для обнаружения и управления молекулярной хиральностью (ELCH), было опубликовано в журнале Science Advances 7 декабря.
«Молекулы, состоящие из четырех или более атомов, часто являются хиральными — это означает, что их атомное пространственное расположение либо левостороннее, либо правостороннее. У каждой хиральной молекулы есть молекула-близнец из зеркального мира с противоположной ориентацией», — объясняет профессор Кристиан . Кох с физического факультета Свободного университета Берлина.
Левосторонняя и правосторонняя версии молекулы (также называемые энантиомерами) полностью эквивалентны друг другу, за исключением того, что они очень по-разному взаимодействуют со своим окружением и друг с другом в зависимости от леворукости. Это похоже на соприкосновение двух рук в мире социальных взаимодействий людей; если две правые руки протянуты, то два участника пожмут друг другу руки, тогда как если правая и левая руки сойдутся вместе, два участника возьмутся за руки, что является совершенно другим жестом.
Ученые все еще открывают новую информацию о том, как молекулы располагаются в левой или правой конфигурации. «Биологически значимые молекулы в основном гомохиральны, а это означает, что в живых клетках присутствует только один из двух возможных энантиомеров. Несмотря на то, что они состоят из одних и тех же атомов, два зеркальных отражения молекулы различаются по многим свойствам», — объясняет Кох.
Например, один энантиомер может пахнуть апельсинами, а другой — лимонами. «Или, что еще хуже, один энантиомер будет лекарством от болезни, в то время как другой будет опасным ядом. Таким образом, контроль образования одной конкретной направленности хиральных молекул является важной целью химического синтеза», — добавляет Кох.
Обычно химики полагаются на контроль хиральности с помощью хиральных химических веществ. Однако была еще одна альтернатива, которая еще не была реализована: абсолютно асимметричный синтез, который заключается в контроле хиральности продукта с помощью только световых полей. Ранее было неясно, как именно это может быть достигнуто.
В своей работе Денис Тихонов, Александр Блех, Моника Лейбшер, Лорен Гринман, Мелани Шнелл и Кристиана Кох разработали процедуру абсолютного асимметричного синтеза, которую можно проверить в эксперименте.
Начиная с газового ансамбля плоской молекулы COFCl в качестве нехирального реагента, молекулы углерода становятся хиральными за счет возбуждения колебательного движения вне молекулярной плоскости. Этот подготовительный этап называется насосом. По мере того, как молекула колеблется взад-вперед сверху вниз по плоскости, молекулярная рукоятка меняется. Это изменение можно измерить путем ионизации молекул и изменения временной задержки между этапами накачки и зондирования.
Чтобы иметь возможность измерить зависящую от времени хиральность всего молекулярного ансамбля, шаг накачки должен быть создан тремя различными электрическими полями, которые должны быть перпендикулярны друг другу. В противном случае молекулы с данной ориентацией будут начинаться с левосторонней конфигурации, тогда как молекулы с другой ориентацией будут исходить из правосторонней, не оставляя чистого сигнала.
Комбинация электрических полей, которую определила команда, гарантирует, что все молекулы, независимо от их ориентации, начинают с одинаковой направленности. С более технической точки зрения, требуемая комбинация электрических полей для этапа накачки может быть реализована с помощью импульса левой и правой круговой поляризации, которые вместе вызывают так называемый рамановский переход, а также статическое электрическое поле. Этап зондирования включает ионизацию молекул. Измерение направлений, в которых испускаются электроны, позволяет сделать вывод о хиральности молекул.
Авторы утверждают, что предлагаемый эксперимент возможен с уже существующими установками, например, с помощью круговой поляризации, обеспечиваемой FLASH в DESY.
