纳米级领域分子间手性转移的新机制

诸平

Fig. 1 From left to right, the experts Josep Puigmartí-Luis and Alessandro Sorrenti, from the Faculty of Chemistry and the Institute of Theoretical and Computational Chemistry (IQTC) of the University of Barcelona (UB).

Fig. 2 Chirality is an intrinsic property of matter that determines the biological activity of biomolecules.

Fig. 3 The new article describes how the modulation of the geometry of a helical reactor at a macroscopic level enables controlling the sign of chirality of a process at a nanometric scale.

据MyScience网站2022 年 4 月 26 日报道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，根据西班牙巴塞罗那大学（University of Barcelona简称UB）化学学院（Faculty of Chemistry）和理论与计算化学研究所 (Institute of Theoretical and Computational Chemistry / Institut de Química Teòrica i Computacional简称IQTC)的讲师Josep Puigmartí-Luis（Fig. 1）领导的一项研究，发表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（New mechanism to transfer chirality between molecules in the nanoscale field）。相关研究结果于2022年4月1日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Semih Sevim, Alessandro Sorrenti, João Pedro Vale, Zoubir El-Hachemi, Salvador Pané, Andreas D. Flouris, Tiago Sotto Mayor, Josep Puigmartí-Luis. Chirality transfer from a 3D macro shape to the molecular level by controlling asymmetric secondary flows. Nature Communications, Published online: 01 April, 2022, 13: 1766. DOI: 10.1038/s41467’022 -29425-y. https://doi.org/10.1038/s41467-022-29425-y.

参与此项研究的研究人员有来自瑞士苏黎世联邦理工学院（Eidgenössische Technische Hochschule Zürich简称ETH Zurich）、西班牙巴塞罗那大学(UB)、葡萄牙波尔图大学工程学院（Engineering Faculty of Porto University, Portugal）、希腊色萨利大学（University of Thessaly, Volos, Greece）以及西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚研究和先进研究机构（Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats简称ICREA, 08010 Barcelona, Spain）的研究人员。

手性：从基本粒子到生物分子(Chirality: from fundamental particles to biomolecules)

西班牙巴塞罗那加泰罗尼亚研究和先进研究机构（ICREA）的研究者兼UB材料科学与物理化学系成员 Josep Puigmartí-Luis 指出，手性是物质的固有特性，决定了生物分子的生物活性。“本质是不对称的，它有左右，可以分辨它们之间的区别。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，它们彼此之间的图像是镜面反射的,化学上被称为对映异构体（enantiomers）, 是一种提供不同特性作为活性化合物（光学活性、药理作用等）的特征。”

 “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（homochiral molecules）组成的生命系统是手性环境（具有相同的对映体），对于这样的手性环境，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（How to obtain chiral molecules through chemical reactions）

手性是物质的固有特性，决定了生物分子的生物活性。

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，这被称为是不对称合成（asymmetric synthesis）”，Josep Puigmartí-Luis说。

有几种策略可以控制化学过程中的手性符号。例如，使用称为手性源（chiral pool）的天然对映体纯化合物例如氨基酸（amino acids）、羟基酸（hydroxy acids）、糖（sugars）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（chiral resolution）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。

巴塞罗那大学有机化学系成员、该研究的合作者亚力山德罗·索伦蒂（Alessandro Sorrenti）指出：“上述每种方法都有其优缺点。例如，手性拆分——工业生产对映体纯产品的最广泛的使用方法——本质上限制在50%的产率。手性源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，并且仅少量使用，但它们仅适用于相对少量反应”。

 “上述提及的所有方法都使用了对映体纯化合物——以金属催化剂的拆分剂、助剂或配体的形式——最终直接或间接地来源于自然资源。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（Controling the chirality sign through fluid dynamics）

这篇新文章描述了在宏观水平上对螺旋反应器（helical reactor）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（hydrodynamics）和试剂浓度梯度的时空控制的相互作用，将手性通过螺旋管的操作自上而下转移到分子水平（Fig. 3）。

“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”， Josep Puigmartí-Luis 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节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——反应物以合适的浓度相遇的区域——完全暴露在两个涡流之一，从而使产物具有手性。这种手性转移机制基于对流体流动和质量传递的合理控制，最终能够根据螺旋反应器的宏观手性控制对映体选择(enantioselection)，其中螺旋的旋向性决定了对映体选择的意义”， Josep 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领域——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，表明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结果”，讲师Josep Puigmartí-Luis总结道。

本研究由欧洲研究理事会启动基金microCrysFact (European Research Council Starting Grant microCrysFact：ERC-2015-STG No. 677020)、瑞士国家科学基金(Swiss National Science Foundation (project no.200021_181988)等资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Homochirality is a fundamental feature of living systems, and its origin is still an unsolved mystery. Previous investigations showed that external physical forces can bias a spontaneous symmetry breaking process towards deterministic enantioselection. But can the macroscopic shape of a reactor play a role in chiral symmetry breaking processes? Here we show an example of chirality transfer from the chiral shape of a 3D helical channel to the chirality of supramolecular aggregates, with the handedness of the helical channel dictating the direction of enantioselection in the assembly of an achiral molecule. By combining numerical simulations of fluid flow and mass transport with experimental data, we demonstrated that the chiral information is transferred top-down thanks to the interplay between the hydrodynamics of asymmetric secondary flows and the precise spatiotemporal control of reagent concentration fronts. This result shows the possibility of controlling enantioselectively molecular processes at the nanometer scale by modulating the geometry and the operating conditions of fluidic reactors.