Osservare i cambiamenti nella chiralità delle molecole in tempo reale

Alcune molecole possono esistere in due forme speculari, come le nostre mani. Sebbene questi cosiddetti enantiomeri abbiano proprietà fisiche quasi identiche, non sono uguali. Il fatto che si comportino l'uno verso l'altro come immagine e immagine speculare è chiamato chiralità (dal greco cheiro per mano). In natura, tuttavia, è spesso presente un solo enantiomero, ad esempio negli aminoacidi, nel DNA o negli zuccheri. Il motivo è che gli enzimi che producono queste molecole sono essi stessi chirali e formano un solo tipo di enantiomero.

Questa preferenza della natura ha conseguenze di vasta portata. Ad esempio, gli enantiomeri dei farmaci possono avere effetti completamente diversi, come essere tossici o completamente inefficaci. Anche l'industria alimentare e cosmetica è interessata alla chiralità, perché i profumi e gli aromi vengono percepiti in modo diverso a seconda dell'enantiomero. In chimica, quindi, si cerca spesso di produrre un solo enantiomero o, se ciò non è possibile, di separare in modo pulito le miscele di enantiomeri.

I chimici utilizzano la luce polarizzata per distinguere gli enantiomeri, poiché questi ultimi ruotano il piano di oscillazione della luce polarizzata in direzioni opposte. Tuttavia, la rottura o la formazione di legami chimici avviene su una scala temporale molto breve, ovvero entro pochi femtosecondi (quadrilionesimi di secondo). Con le misure precedenti, non era possibile monitorare la chiralità in periodi di tempo così brevi e quindi seguire un processo chimico.

Conoscere meglio le reazioni delle molecole chirali

I ricercatori guidati da Hans Jakob W?rner, professore del Dipartimento di Chimica e scienze biologiche applicate, hanno ora sviluppato un nuovo metodo per osservare in tempo reale i cambiamenti di chiralità direttamente durante una reazione chimica. A tal fine, i ricercatori hanno generato impulsi laser a femtosecondi con polarizzazione variabile nel tempo. Questi impulsi laser ultracorti sono essi stessi chirali. Questo nuovo approccio ha permesso agli scienziati di ottenere per la prima volta contemporaneamente la sensibilità alla chiralità e la risoluzione temporale necessarie per tali misure.

Nel loro esperimento, di cui gli scienziati riferiscono nella rivista PNAS, hanno eccitato la molecola chirale gassosa (R)-2-iodobutano con due impulsi laser ultravioletti ultracorti. L'eccitazione ha provocato la rottura del legame tra carbonio e iodio. In questo processo, si forma inizialmente un radicale 2-butile in una conformazione chirale, che tuttavia perde la sua chiralità molto rapidamente. Utilizzando gli impulsi laser polarizzati di nuova concezione, i ricercatori hanno potuto seguire questo processo in diretta.

Secondo gli scienziati, questo nuovo metodo può essere applicato anche ai liquidi o ai solidi per osservare i cambiamenti estremamente rapidi della chiralità molecolare. La capacità di accedere direttamente ai processi fotochimici chirali su scale temporali così brevi consente ora di comprendere meglio le reazioni delle molecole chirali. Ciò potrebbe contribuire allo sviluppo di processi nuovi o migliorati per la produzione di composti enantiomericamente puri.