Slimme en simpele scheidingsmethode

Slimme en simpele scheidingsmethode
levert enantiomeerzuivere kristallen
www.kennislink.nl, jan/feb 2008
Rechtsdraaiend melkzuur is beter voor ons dan linksdraaiend, dat roepen verkopers van yoghurt al jaren. Zo
is het ook in de chemie en de farmacie: de ene variant van zogenaamde chirale moleculen is vaak beter dan de
andere. Maar bij hun synthese ontstaan deze moleculen zij aan zij en scheiden is doorgaans heel lastig.
Onderzoekers van de Radboud Universiteit Nijmegen hebben nu een wel heel eenvoudige 'truc' ontdekt om de
'siamese' moleculen te scheiden: goed malen en lang roeren. Het lijkt te simpel om waar te zijn, maar ook na
honderden herhaalde experimenten blijft het verrassende resultaat overeind. Dit biedt mogelijkheden voor
industriële processen voor het scheiden van spiegelbeeldmoleculen. Bovendien kan het tot beter begrip leiden
van het onstaan van de chirale voorkeur in de biochemie van de natuur - zoals bij het rechtsdraaiend
melkzuur. Het chemische toptijdschrift JACS (Journal of the American Chemical Society) publiceert deze
week een artikel over het Nijmeegse onderzoek. Volgens de onafhankelijke wetenschappers die het artikel
beoordeelden, behoort het tot de top 5 procent van JACS publicaties.
In een zuurkast bij de onderzoeksgroep voor Vaste-stofchemie van de Radboud Universiteit (onderdeel van het Institute for
Molecules and Materials IMM) hangt een rijtje kolven gevuld met een ondoorzichtige vloeistof. Ze bevatten hele fijne kristallen
van moleculen die verwant zijn aan aminozuren – de bouwstenen voor eiwitten. De gebruikte moleculen hebben een
eigenaardigheid: ze komen voor in twee verschillende ruimtelijke verschijningsvormen die precies elkaars spiegelbeeld zijn.
Hoewel ze van elkaar verschillen als een linker- en een rechterhand, zijn deze zogenaamde enantiomeren chemisch en fysisch
gezien nauwelijks te onderscheiden: ze hebben hetzelfde soortelijk gewicht, hetzelfde kookpunt en dezelfde oplosbaarheid. Juist
omdat de chemische en fysische eigenschappen niet verschillen is het bijzonder moeilijk ze van elkaar te scheiden.
Hetzelfde, maar dan anders. Wanneer moleculen asymmetrisch zijn opgebouwd, kan er sprake zijn van optische isomerie. Het
molecuul komt dan in verschillende ruimtelijke vormen voor, waarbij het spiegelbeeld ongelijk is aan het molecuul zelf. Bij zo'n chiraal
molecuul is het niet mogelijk het molecuul zodanig te draaien dat het samenvalt met zijn spiegelbeeld.
In koolstofverbindingen komt dit voor als er sprake is van een zogenaamd chiraal centrum. Vaak is dat een asymmetrisch
koolstofatoom: een koolstofatoom dat vier van elkaar verschillende groepen verbindt. Beeld: www.novactabio.com
Maar niet voor onderzoeker Wim Noorduin. Als hij het roermechaniek uit zet, blijken de kolven ook kleine glazen kogeltjes te
bevatten. Tijdens het roeren malen ze de kristallen fijn die in de verzadigde oplossing in de kolven gevormd worden. Kristallen
die - en dat is bijzonder - slechts één enantiomeer bevatten. En dat terwijl de kolf aan het begin van het experiment vrijwel
gelijke hoeveelheden van beide spiegelbeeldmoleculen bevatte!
Zo eenvoudig kan het dus zijn om een hoge graad van zuivering van een mengsel van enantiomeren te realiseren. Het resultaat
verraste Noorduin zelf ook wel een beetje: ''We hebben het experiment meer dan honderd keer herhaald, op vier verschillende
plekken in de wereld en het resultaat is steeds hetzelfde: je houdt altijd één soort kristallen over, óf linksdraaiend óf
rechtsdraaiend."
Natuurlijke voorkeur
Dat resultaat is opmerkelijk want chemici getroosten zich al jarenlang veel moeite om enantiomeren te scheiden. De natuur
blijkt namelijk vaak een grote voorkeur aan de dag te leggen voor één van de spiegelbeeldvarianten. Zoals een linkerhand niet in
een rechterhandschoen past, zo kan het zijn dat een linksdraaiend molecuul in het lichaam iets heel anders doet dan zijn
rechtsdraaiende spiegelbeeld.
Een onschuldig voorbeeld is de stof limoneen: de ene variant past op onze nasale ontvanger voor citroengeur, de andere variant
ruikt naar sinaasappel. Minder onschuldig is het beruchte medicijn Softenon. De ene variant verminderde de misselijkheid
tijdens een zwangerschap, de andere bleek aanleiding te geven tot mismaakte baby’s. Medicijnen moeten daarom in al hun
varianten getoetst worden en chemici zoeken voortdurend naar manieren om de chirale moleculen te scheiden.
Tijdversneller
Bij de nieuwe scheidingsmethode zijn twee processen in het spel. Allereerst zorgen de onderzoekers er voor dat de moleculen in
de kolf van verschijningsvorm kunnen veranderen. Een sterke base trekt een waterstof van het chirale koolstofatoom (dat
daarmee negatief geladen wordt) en de drie overgebleven groepen rangschikken zich in een plat vlak. Als de waterstof weer
terugkomt kan hij van boven en van onderen worden ingebouwd, de ene keer resulterend in de linksdraaiende, de andere keer in
de rechtsdraaiende variant. Chemici noemen dit opheffen van optische activiteit racemisatie.
Daarnaast is de zogenaamde Ostwald ripening belangrijk. Dat is een proces dat optreed als er sprake is van een verzadigde
oplossing in contact met kristallen. Voor kristallen is het energetisch gunstig om een zo klein mogelijk oppervlak te hebben. De
grote kristallen groeien daardoor ten koste van de kleinere. Normaal is dat een erg traag proces, maar door intensief malen is het
enorm te versnellen en nuttig toe te passen. Het toeval bepaalt of de uiteindelijke kristallen van de links- of rechtsdraaiende
variant zijn.
Survival of the fittest Weergave van het proces van Oswald ripening: grote kristallen groeien ten koste van de kleinere. Beeld:
Radboud Universiteit
Het concept van malen bij de zuivering van optisch actieve kristallen werd enkele jaren geleden al gepubliceerd door een
Spaanse onderzoeker, maar de Nijmegenaren zijn nu de eersten die het gebruiken voor de scheiding van enantiomeren. Ze
hebben inmiddels ook scherp zicht op de precieze werking van het proces en beschrijven dat binnenkort in een tweede
wetenschappelijke publicatie.
Industriële toepassing
Inmiddels heeft Noorduin ontdekt dat de uitkomst van het nieuwe scheidingsproces naar links of rechts te sturen is. Hij
constateerde dat in de praktijk meestal rechtsdraaiende kristallen ontstonden en wijt dat aan de aanwezigheid van minuscule
hoeveelheden verontreinigingen uit de omgeving. "Je moet dan denken aan zeer lage concentraties van 10 ppm of minder. Dat is
in een gewoon lab haast niet te vermijden. Het gaat om 'natuurlijke' eiwitten en andere biomoleculen en die zijn allemaal
linksdraaiend. We hebben kunnen aantonen dat ze selectief de groei van de linksdraaiende kristallen blokkeren, via een
moleculair herkenningsmechanisme." Dus: wil je linksdraaiende kristallen, stop dan een rechtsdraaiend hulpstofje in de kolf. En
voor rechtsdraaiende kristallen neem je uiteraard een linksdraaiend additief.
De combinatie van de eenvoud van het proces en het succes van de scheiding maakt het zeer geschikt voor industriële
toepassing. De Radboud Universiteit voerde het onderzoek uit in een project van het Groningse bedrijf Syncom, dat
gespecialiseerd is in chemische research voor farmaceutische toepassingen. Een belangrijke projectpartner is chemiereus DSM,
die kansen ziet de methode toe te passen in de productie van enantiomeer zuivere startmaterialen voor antibiotica.
Beeld: www.swau.edu
Oorsprong van het leven
De Nijmeegse methode is niet alleen van belang voor de chemische en farmaceutische industrie. Misschien kan het zicht bieden
op een heel fundamentele vraag, namelijk hoe het leven is ontstaan. Professor Elias Vlieg, Noorduins begeleider: "Het leven
maakt steeds gebruik van één variant. Aminozuren draaien linksom, suikers rechtsom. Louis Pasteur heeft ontdekt dat levende
organismen chiraal zijn. Hij synthetiseerde wijnsteenzuur en liet dat kristalliseren. Onder de microscoop zag hij twee
spiegelbeeldige kristallen die hij met een pincetje sorteerde. Later ontdekte hij dat gist alleen met de rechtsdraaiende variant
reageerde. Al gauw daarna werd duidelijk dat ál het leven chiraal is – wijnsteenzuurkristallen op een wijnkurk draaien dan ook
allemaal één kant op. Hoe is dat ooit begonnen?"
Ook Noorduin is gefascineerd geraakt door die vraag en presenteert de Nijmeegse ontdekking
volgende maand op een belangrijk congres over het ontstaan van biomoleculen. "Onze constatering is
dat als je maar tijd genoeg hebt, je één variant overhoudt. En als er in de evolutie van íets genoeg was,
dan was het wel tijd. Je weet niet zeker dat het zo gegaan is, maar voorstelbaar is het wel. Dat ooit de
linksdraaiende aminozuren zijn overgebleven in een poeltje oersoep…"