Chemische spiegelbeelden besturen

Chiraliteit, hoewel geen zeldzaamheid in de wereld van moleculen, is niettemin een bijzondere eigenschap. Als een molecuul chiraal is (van het Griekse woord chiros = hand), bestaat het in twee gespiegelde versies die erg op elkaar lijken maar niet identiek zijn – zoals twee handen die samengevouwen kunnen worden, maar niet congruent op elkaar kunnen worden geplaatst. Daarom spreken we van rechtshandige en linkshandige moleculen, of enantiomeren, wat in het Grieks ’tegengestelde vorm’ betekent.

Een internationaal team van wetenschappers van het Fritz Haber Instituut van de Max Planck Society en het Prokhorov General Physics Institute van de Russische Academie van Wetenschappen heeft een manier gevonden om deze moleculen afzonderlijk aan te pakken. Aangezien chirale moleculen erg op elkaar lijken, is dit een echte uitdaging. “De truc is om ze zo bloot te stellen aan elektromagnetische straling dat slechts één ‘hand’, dat wil zeggen één enantiomeer, reageert. Dit stelt ons in staat om specifiek rechts- of linkshandige moleculen te controleren en er meer over te leren”, zegt Dr. Sandra Eibenberger-Arias, hoofd van de groep Controlled Molecules bij het Fritz-Haber-Institut.

Dit leren is belangrijk omdat enantiomeren soms heel verschillende biologische en chemische eigenschappen hebben, waarvoor verklaringen gezocht worden. Neem bijvoorbeeld het chirale molecuul carvon: de ene “hand” ruikt naar munt, de andere naar karwij. Of het beruchte kalmerende middel thalidomide, dat vernoemd is naar het actieve ingrediënt, een chiraal molecuul: terwijl de ene vorm het beoogde kalmerende effect had, veroorzaakte de andere aangeboren afwijkingen. De groep van Eibenberger-Arias bestudeert de fysische eigenschappen van chirale moleculen. “Theorie voorspelt een klein energieverschil tussen de twee enantiomeren, als gevolg van wat pariteitsschending wordt genoemd. Dit is tot nu toe echter niet experimenteel aangetoond”, legt JuHyeon Lee van het Fritz-Haber-Institut, eerste auteur van de gepubliceerde resultaten, uit. die in het tijdschrift verscheen Fysieke beoordelingsbrieven.

Met een slimme combinatie van verschillende methoden is de groep wetenschappers echter een stukje dichterbij gekomen. Ze bestralen chirale moleculen in de gasfase met UV-straling en microgolven. Als gevolg hiervan worden rechtshandige en linkshandige moleculen in verschillende rotatietoestanden gebracht door de microgolfstraling te veranderen. De onderzoekers hebben zo meer controle dan ooit gekregen over welke “hand” zich in welke rotatietoestand bevindt. Ze hebben ook voor het eerst experimentele resultaten vergeleken met nauwkeurige voorspellingen uit de theorie, wat heeft geleid tot een beter begrip van de onderliggende fysieke effecten.

Hoewel met deze methode nog geen volledige scheiding van de enantiomeren kan worden bereikt, is het opmerkelijk dat ze in de eerste plaats zo succesvol konden worden gecontroleerd. Dit is in tegenspraak met het vaak gebruikte, te vereenvoudigde verhaal dat ze dezelfde fysieke eigenschappen hebben. “Als dat het geval zou zijn, zouden we de enantiomeren niet met fysieke methoden kunnen beheersen”, zegt Sandra Eibenberger-Arias. Het internationale team van drie vrouwelijke en drie mannelijke wetenschappers heeft daarmee een goede basis gelegd voor vervolgexperimenten, en misschien zelfs voor experimenteel bewijs van pariteitsschending. Dit zou een mijlpaal zijn voor fundamenteel onderzoek – en ook voor alle toekomstige toepassingen.