研究揭示了一种在纳米级领域分子之间转移手性的新机制

如果我们比较右手和左手，我们可以看到这些是镜面图像——也就是说，就像镜子里反射的对称形状——它们不能相互叠加。这种特性是手性，是物质的一个特征，它与不同尺度的生物结构的对称性有关，从 DNA 分子到心肌组织。

现在，根据化学学院和理论研究所的 UB 讲师 Josep Puigmartí-Luis 领导的一项研究，发表在《自然通讯》杂志上的一篇新文章揭示了一种在纳米级领域分子之间转移手性的新机制。和巴塞罗那大学的计算化学(IQTC)。

手性：从基本粒子到生物分子

手性是物质的固有特性，决定了生物分子的生物活性。“自然是不对称的;它有左右，可以区分它们。构成生命物质的生物分子——氨基酸、糖和脂质——是手性的：它们是由化学上相同的分子形成的，它们是镜面反射的ICREA 研究员兼材料科学与物理化学系成员 Josep Puigmartí-Luis 指出，彼此之间的图像(对映异构体)具有不同的特性作为活性化合物(光学活性、药理作用等)。

“对映体在化学上是相同的，直到它们被放置在可以区分它们的手性环境中(就像正确的鞋子'识别'右脚)。由纯手性分子组成的生命系统是手性环境(具有相同的对映体)，是手性的环境，因此它们可以“识别”并以不同的方式对对映体物种做出反应。此外，它们可以轻松控制生化过程中的手性符号，从而产生立体特异性的转化。”

如何通过化学反应获得手性分子

手性控制在药物、杀虫剂、芳香剂、香料和其他化合物的生产中具有决定性作用。每个对映异构体(具有某种对称性的分子)都具有与其他化学相同的化合物(其镜面图像)不同的某种活性。在许多情况下，对映异构体的药理活性可能很少，在最坏的情况下，它可能是非常有毒的。“因此，化学家需要能够将化合物制成单一对映异构体，这称为不对称合成，”Puigmartí-Luis 说。

有几种策略可以控制化学过程中的手性符号。例如，使用称为手性池的天然对映体纯化合物(例如氨基酸、羟基酸、糖)作为前体或反应物，经过一系列化学修饰后可以成为感兴趣的化合物。手性拆分是另一种选择，它可以通过使用对映体纯拆分剂分离对映体，并将目标化合物作为纯对映体回收。使用帮助底物以非对映选择性方式反应的手性助剂是获得对映体纯产物的另一种有效方法。最后，基于使用不对称催化剂的不对称催化是实现不对称合成的首要步骤。

“上述每种方法都有其优点和缺点，”巴塞罗那大学有机化学系成员、该研究的合作者 Alessandro Sorrenti 指出。“例如，手性拆分——工业生产对映体纯产品的最普遍方法——本质上限制在 50% 的产率。手性池是对映体纯化合物最丰富的来源，但通常只有一种对映体可用。手性辅助方法可以提供高对映体过量，但它需要额外的合成相来添加和去除辅助化合物，以及纯化步骤。最后，手性催化剂可以是有效的，并且只使用少量，但它们只能在相对较少的情况下工作。少量反应。”

“所有提到的方法都使用对映体纯化合物——以拆分剂、助剂或金属催化剂配体的形式——最终直接或间接地从自然资源中获得。换句话说，自然是不对称的最终形式。”

通过流体动力学控制手性符号

这篇新文章描述了在宏观水平上对螺旋反应器几何形状的调制如何能够在纳米尺度上控制过程的手性符号，这是迄今为止科学文献中前所未有的发现。

此外，通过不对称二次流的流体动力学和试剂浓度梯度的时空控制的相互作用，将手性自上而下转移到分子水平。

“为此，我们需要了解和表征反应器内发生的传输现象，即流体动力学和质量传输，它们决定了试剂浓度前沿的形成和反应区在特定手性区域的定位”普伊格马蒂-路易斯指出。

在螺旋通道中，流动比在直通道中更复杂，因为弯曲的壁产生离心力，导致在垂直于流体方向(主流)的平面中形成二次流。这些二次流(涡流)具有双重功能：它们是相反的手性区域并为对映体选择构建必要的手性环境。此外，通过设备内的平流和用于发展试剂浓度梯度。

通过在宏观水平上调整螺旋反应器的几何形状，“可以控制二次流的不对称性，使反应区——试剂在适当浓度下发生反应的区域——完全暴露于这种手性转移机制基于对流体流动和质量传输的合理控制，最终能够根据螺旋反应器的宏观手性控制对映体选择，其中旋向性螺旋决定了对映体选择的意义，”Puigmartí-Luis 说。

这些发现揭示了在分子水平上实现对映体选择的新前沿——不使用对映体纯化合物——仅通过结合几何形状和流体反应器的工作条件。“此外，我们的研究为手性转移的机制提供了新的基本见解，证明了生命物质的这种内在特性是基于物理和化学限制在多个长度尺度上协同作用的相互作用，”Josep Puigmartí-Luis 总结道.

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