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Hold a left glove and a right glove side by side. Same materials, same size, and yet one does not fit the other hand. Molecules can behave the same way, and for chemists that is a real headache. Mirror-image molecules, called enantiomers, are so similar that standard separation methods struggle to pull them apart. A team in Japan now reports, in the journal Science Advances, that it has separated an equal mixture of such mirror-image molecules, made by replacing hydrogen with deuterium in one form.
Prendete un guanto destro e uno sinistro e metteteli fianco a fianco. Stessi materiali, stessa taglia, eppure uno non entra nell'altra mano. Anche le molecole possono comportarsi allo stesso modo, e per i chimici è un vero grattacapo. Le molecole speculari, chiamate enantiomeri, sono così simili che i metodi di separazione standard faticano a dividerle. Un team in Giappone riferisce ora, sulla rivista Science Advances, di aver separato una miscela in parti uguali di tali molecole speculari, ottenute sostituendo l'idrogeno con deuterio in una delle due forme.
Deuterium is a heavier cousin of hydrogen: its nucleus holds a proton and a neutron. Swapping hydrogen for deuterium can change a molecule's properties slightly, which makes these labelled molecules useful in drug development and materials engineering. The difficulty is that the two mirror forms stay almost identical. The available tools were weak. Spectroscopy, which uses nuclear magnetic resonance (NMR), can tell such molecules apart, but the authors note these methods are mainly analytical and offer no practical route to separating them. Specialized chromatography gave poor separation, and one attempt that worked better needed 65 passes through a recycling chromatography system. So researchers have mostly built these molecules through carefully controlled synthesis, rather than sorting existing mixtures.
Il deuterio è un parente più pesante dell'idrogeno: il suo nucleo contiene un protone e un neutrone. Sostituire l'idrogeno con il deuterio può modificare leggermente le proprietà di una molecola, ed è per questo che queste molecole marcate sono utili nello sviluppo di farmaci e nell'ingegneria dei materiali. La difficoltà è che le due forme speculari restano quasi identiche. Gli strumenti disponibili erano deboli. La spettroscopia, che sfrutta la risonanza magnetica nucleare (NMR), permette di distinguere queste molecole, ma secondo gli autori questi metodi sono soprattutto analitici e non offrono una via pratica per separarle. La cromatografia specializzata ha dato una separazione scarsa, e un tentativo che ha funzionato meglio ha richiesto 65 passaggi attraverso un sistema di cromatografia a ricircolo. Così i ricercatori hanno per lo più costruito queste molecole con una sintesi attentamente controllata, anziché separare miscele già esistenti.
The team's idea was to use the one difference that deuterium introduces. A carbon–deuterium bond is harder to break than a carbon–hydrogen bond, and the authors call this difference “the only energetic handle available” for telling the two forms apart. They combined it with a catalyst's preference for one molecular orientation. The result was a ruthenium-based catalyst that reacts with one mirror form faster than the other. In tests on 2-ethylnaphthalene, using a reaction that adds a nitrogen-containing group, the recovered material was estimated to contain more than 99.9% of one form. In a test with another molecule, one form reacted 83 times faster than the other.
L'idea del team era sfruttare l'unica differenza introdotta dal deuterio. Un legame carbonio-deuterio è più difficile da rompere di un legame carbonio-idrogeno, e gli autori definiscono questa differenza «l'unico appiglio energetico disponibile» per distinguere le due forme. L'hanno combinata con la preferenza di un catalizzatore per un orientamento molecolare. Il risultato è stato un catalizzatore a base di rutenio che reagisce con una forma speculare più velocemente dell'altra. Nei test sul 2-etilnaftalene, usando una reazione che aggiunge un gruppo contenente azoto, il materiale recuperato sarebbe contenuto per oltre il 99,9% in una forma. In un test con un'altra molecola, una forma ha reagito 83 volte più velocemente dell'altra.
Those numbers come with real limits. Most enrichment values were inferred from the reaction products, not measured directly in the recovered molecules. The one independent check, which converted a sample and then ran NMR, gave a measured 93:7 ratio against a predicted 94:6, a close match that supports the estimates. Performance also varied considerably with molecular structure, and some compounds separated less effectively. The method is a starting point, not a finished production process.
Queste cifre hanno limiti reali. La maggior parte dei valori di arricchimento è stata dedotta dai prodotti di reazione, non misurata direttamente nelle molecole recuperate. L'unica verifica indipendente, che ha convertito un campione e poi eseguito una NMR, ha dato un rapporto misurato di 93:7 contro un rapporto previsto di 94:6, una corrispondenza stretta che sostiene le stime. Le prestazioni variano anche sensibilmente con la struttura molecolare, e alcuni composti si sono separati meno efficacemente. Il metodo è un punto di partenza, non un processo di produzione concluso.
For pharmaceutical research, the practical gain would be a faster supply of isotope-labelled building blocks, the starting pieces that chemists assemble into drugs. One of the molecules tested is used in making tofogliflozin, a diabetes drug, and it was successfully separated in these tests. The authors say the method still needs further testing, and the article gives no timeline for when labs could adopt it. For now, the change is concrete for chemists: a route that could replace some of the slow, controlled synthesis they rely on today, once it has been proven beyond these laboratory examples.
Per la ricerca farmaceutica, il vantaggio pratico sarebbe una fornitura più rapida di building block marcati con isotopi, cioè i pezzi di partenza che i chimici assemblano per costruire i farmaci. Una delle molecole testate serve a produrre il tofogliflozin, un farmaco per il diabete, ed è stata separata con successo in questi test. Gli autori affermano che il metodo necessita di ulteriori test, e l'articolo non indica una tempistica per l'eventuale adozione nei laboratori. Per ora il cambiamento è concreto per i chimici: una strada che potrebbe sostituire parte della lenta sintesi controllata su cui oggi fanno affidamento, una volta dimostrata al di là di questi esempi di laboratorio.