Chapter 7 Nederlandse samenvatting
In dit hoofdstuk worden een aantal basisconcepten van chiraliteit beschreven en wordt een samenvatting gegeven van de hoofdstukken van dit proefschrift
189
Chapter 7
7.1 Chiraliteit In het onderzoek, beschreven in dit proefschrift, is gezocht naar een nieuwe manier om enantiomeren (spiegelbeeldmoleculen) van elkaar te scheiden daar de ongewenste enantiomeer, met name in het geval van geneesmiddelen, soms onwenselijke of schadelijke eigenschappen kan bezitten. Wanneer een molecuul een koolstof atoom bevat met vier ongelijke substituenten zeggen we dat het chiraal is. Wanneer de verbinding een dergelijk koolstofatoom (chiraal centrum) heeft, betekent dat, dat de verbinding een spiegelvlak heeft. Het spiegelbeeld is niet zo te draaien dat het met het origineel in overeenstemming te brengen is. Een duidelijk voorbeeld hiervan zijn onze handen. Op moleculair niveau heten de spiegelbeelden “ enantiomeren” en een voorbeeld is gegeven in figuur 1. OH O (S)-naproxen pijnstiller
HO
O
O spiegelvlak
O (R)-naproxen veroorzaakt leverschade zonder pijnstillend effect
Figuur 1: enantiomeren van Naproxen met hun uitwerking Aan het voorbeeld in figuur 1 is gelijk het belang te zien van het scheiden van enantiomeren aangezien deze in het lichaam soms minder, een heel ander of zelfs een tegengesteld effect kunnen hebben. Het scheiden van enantiomeren is in de meeste gevallen niet rechtstreeks te doen aangezien de enantiomeren dezelfde fysische eigenschappen hebben (smeltpunt, kookpunt, oplosbaarheid etc.); op hun configuratie na, zijn ze identiek. Ze zijn echter te onderscheiden door gepolariseerd licht door een oplossing van de verbinding te schijnen. In dit geval zullen de enantiomeren het licht in een tegengestelde richting laten afbuigen. In ongeveer 10% van alle gevallen kristalliseren enantiomeren elk in hun eigen kristal. Wanneer dit optreedt spreekt men van kristallisatie als conglomeraat. Door voorzichtige kristallisatie kan men in dit geval de enantiomeren rechtstreeks uit elkaar kristalliseren, of indien de kristallen duidelijk verschillend zijn, zijn de enantiomeren mechanisch (eventueel met behulp van een microscoop met bijvoorbeeld een pincet) te scheiden.
190
Nederlandse samenvatting
Het scheiden van enantiomeren wordt echter over het algemeen gedaan door het spiegelbeeld te breken. Dat doet men meestal doet door het vormen van een complex, een zout of door het koppelen of met een andere, enantiozuivere verbinding. O NH2
NH2
O
NH3 O OH
spiegelvlak
X
NH3 O OH
geen spiegelvlak
Figuur 2: links enantiomeren, met hun spiegelbeeld in overeenstemming te brengen; rechts diastereomeren, zonder spiegelvlak In de rechter structuur in figuur 2 is een zout te zien van een enantiozuiver zuur en de twee enantiomeren van een amine. Hier wordt een verbinding gevormd met twee stereocentra. In dit geval spreekt men van diastereomeren. Deze hebben geen spiegelvlak en hebben ook niet dezelfde fysische eigenschappen. Diastereomeren zijn vaak te scheiden op grond van het verschil in hun fysische eigenschappen zoals oplosbaarheid of polariteit. Het scheiden van enantiomeren via diastereomere zouten noemt men “splitsen”. Het is niet mogelijk te voorspellen wat een goede zuur-base combinatie is voor een splitsing (welke combinatie een diastereomeer geeft met een zo groot mogelijk verschil in oplosbaarheid) en hier is dan ook meestal enig onderzoek nodig een zogenaamde screening.
7.2 Dit onderzoek In het onderzoek, beschreven in dit proefschrift, is gezocht naar nieuwe manier om enantiomeren van elkaar te scheiden. Om dit te doen was het belangrijk uit te zoeken wat er nu precies gebeurt bij kristallisatie, diastereomeervorming en bij chirale herkenning. Hiervoor leek het nuttig de verbindingen vast te zetten aan een oppervlak, waardoor kristallisatie kon plaatsvinden op vooraf vastgestelde plekken. Vervolgens waren de genoemde processen te volgen met diverse (elektronen) microscopische technieken. Aan een oppervlak (in 2D) kunnen behalve de lokale chiraliteit (de moleculen zelf) ook macroscopische chirale fasen ontstaan.
191
Chapter 7
Figuur 3: M.C. Escher's "Regelmatige Vlakverdeling E61" © 2012 The M.C. Escher Company Baarn. Alle rechten voorbehouden. www.mcescher.com Zoals te zien is in figuur 3 zijn de witte of rode figuren te beschouwen als voorbeelden voor moleculen. Er zijn witte figuren als “links-handig” en als “rechtshandig” weer gegeven en deze vormen zijn niet door draaiing met elkaar in overeenstemming te brengen. Ze zijn echter gepaard en daardoor te beschouwen als “racemisch”, een evenredig mengsel van de beide enantiomeren. Horizontaal zijn echter zones waar alleen links- of rechtshandige figuren te zien zijn. De adsorpties aan een oppervlak kunnen ertoe leiden dat een verbinding die achiraal is toch door de adsorptie aan het oppervlak en de interacties met omliggende moleculen een chirale fase geeft. Ook kan een molecuul dat naast zijn interne chiraliteit door de adsorptie ook 2 mogelijke chirale structuren vormt (de zogenaamde “handedness” en “footedness”). Om al deze verschijnselen goed te kunnen onderzoeken is een samenwerking opgezet onder Europese subsidie tussen: - Syncom BV in Groningen, Nederland. Deze groep hield zich voornamelijk bezig met het synthetiseren (maken) en splitsen van de moleculen. Ook werd de kennis van kristalliseren en splitsen benut.
192
Nederlandse samenvatting
- Het instituut voor materiaalkunde ICMAB in Barcelona, Spanje droeg bij door het maken en bewerken van de oppervlakten en, in samenwerking met Syncom, het kristalliseren hierop. - De Katholieke Universiteit Leuven, België deed metingen aan de gemaakte verbindingen met een scanning tunneling microscoop op het grensvlak tussen vaste stof (oppervlak) en vloeistof (oplosmiddel). - De Universiteit van Liverpool, Verenigd Koninkrijk bestudeerden eveneens de moleculen in 2D op moleculair niveau met behulp van scanning tunneling microscopie, maar in dit geval onder ultra hoog vacuüm. - De Universiteit Eindhoven, Nederland bestudeerde aggregaten van moleculen in oplossing. - De Universiteit van Mons, België zorgde voor de computerberekeningen als theoretische ondersteuning. Met deze groepen werd regelmatig overleg gevoerd en werden bijeenkomsten georganiseerd waarbij ieder de voortgang binnen zijn deelgebied toelichtte en elkaar met advies probeerde bij te staan. Door deze brede samenwerking die meerdere vakgebieden overschreed was het mogelijk samenwerkingen te vinden en elkaar te ondersteunen op wijzen waar men op voorhand nooit aan gedacht zou hebben. Hierdoor was het voor alle partijen een leerzaam proces dat zeker voortzetting verdient.
7.3 Dit proefschrift In het volgende stuk zullen de resultaten uit de hoofdstukken beschreven worden: In hoofdstuk 2 is het kristalliseren van conglomeraten als enantiozuivere verbindingen gecombineerd met een proces genaamd racemisatie in oplossing. Racemisatie wil zeggen dat een oplossing die bestaat uit een overmaat van een van beide enantiomeren wordt omgezet in een 1 : 1 mengsel van de twee enantiomeren. Door deze racemisatie is het mogelijk inplaats van de 50% maximaal van de gewenste enantiomeer uit een 1 : 1 mengsel van enantiomeren, theoretisch 100% opbrengst van de gewenste enantiomeer te verkrijgen. Tot nu toe was deze techniek alleen gebruikt in modelsystemen zonder directe toepassing. Door deze techniek toe te passen in de synthese van een farmaceutisch belangrijke verbinding te weten Clopidogrel (Plavix), een stollingsremmer van bloedplaatjes is de techniek van “attrition enhanced deracemization” van een academische curiositeit naar een toepasbaar middel in de synthetische gereedschapskoffer geëvolueerd. Uit de aandacht die dit onderdeel wereldwijd heeft opgeleverd, kan worden 193
Chapter 7
afgeleid dat dit een belangrijke wetenschappelijke bijdrage is geweest op het gebied van chiraliteit. In hoofdstuk 3 is geprobeerd om splitsingsmiddelen vast te zetten aan een oppervlak (een soort chip) om op deze manier in één experiment een hele screening met een batterij aan splitsingsmiddelen uit te voeren en zo de benodigde tijd voor het vinden van een geschikte splitsingmethode te verkorten. Het maken van een laag van moleculen op een (metaal) oppervlak noemt met een “Self-assembled monolayer” (SAM). Door gebruik te maken van een stempel met een patroon was het mogelijk een gecontroleerd patroon met de gewenste verbinding aan te brengen. Deze techniek heet “microcontact printing” (µCP). Het is gelukt om de splitsingsmiddelen vast te zetten aan een oppervlak en kristallizaties hierop uit te voeren. Ook bleek het mogelijk, zij het met veel moeite, om enantiomeren selectief op het gewenste patroon te laten kristalliseren. Er bleken echter een aantal praktische problemen die een praktische toepassing verhinderen maar het heeft wel nieuwe inzichten op het gebied van kristallisaties zowel in 2D als in 3D opgeleverd. In hoofdstuk 4 is een verbinding uit de familie der helicenen (moleculen in de vorm van een wenteltrap waar de chiraliteit ontstaat door de richting van de interne draaiing van het molecuul) gesynthetiseerd. Helicenen kristalliseren veelal als conglomeraat en aangezien slechts 10% van alle enantiomeren dit gedrag vertonen, maakt dit de helicenen tot een zeer interessante klasse van verbindingen om te bestuderen. De vraag rees of door het bevestigen van een zoutvormende groep de verbinding nog steeds conglomeraat zou zijn. Als dit het geval zou zijn, zouden helicenen, gefunctionalizeerd met een zuur- of base groep, interessant kunnen zijn voor de studie naar conglomeraten. Met een korte en opschaalbare synthese is de gewenste verbinding, een amine gefunctionaliseerd heliceen, gemaakt. De verbinding bleek echter geen conglomeraat te zijn, maar een racemische verbinding (verbinding die kristalliseert als paar van enantiomeren). Het was wel mogelijk de enantiomeren te scheiden. Hierdoor was het mogelijk de chirale en optische eigenschappen te bestuderen. Dit is gedaan en leverde interessante nieuwe data op over met name de optische eigenschappen en de chiraliteit aan het 2D oppervlak.
194
Nederlandse samenvatting
In hoofdstuk 5 is de synthese van een heliceen met een zuurgroep beschreven. Door de veranderde groep en de positie van de substituent, was de synthese erg lastig. Er zijn een hoop verschillende routes geprobeerd en uiteindelijk is er ook een succesvolle route gevonden. Door een lage opbrengst in de laatste stap is opschaling op dit moment echter nog niet mogelijk. Hopelijk zal dit in de toekomst wel mogelijk zijn waardoor onderzoek naar het kristallisatie gedrag en de eigenschappen mogelijk zal zijn. Ten slotte worden in hoofdstuk 6 een aantal ideeën gegeven voor mogelijke voortzettingen van het onderzoek.
195
