De cover-illustratie van ChemPhysChem begeleidt een publicatie die HIMS hoogleraren Wybren Jan Buma en Sander Woutersen op uitnodiging van het tijdschrift schreven. Het is een zogenaamd Concept artikel, waarin ChemPhysChem nieuw en in het oog springend onderzoek onder de aandacht brengt. Sérgio Domingos, die eerder bij beide hoogleraren van de groep Moleculaire Fotonica op het onderzoek promoveerde, is de eerste auteur van het artikel.

Ruimtelijke varianten

De Amsterdamse chemici presenteren in het artikel een vernieuwende, uiterst effectieve methode voor het bepalen van de ruimtelijke structuur van chirale moleculen. Zulke moleculen bestaan in twee ruimtelijke varianten die elkaars spiegelbeeld zijn, net als twee handen. Men spreekt dan ook over links- en rechtshandige moleculaire varianten.

Aangezien deze bijzondere structuurvariatie ( chiraliteit) bepalend is voor de chemische en biologische activiteit van de moleculen, is het van cruciaal belang de precieze ruimtelijke structuur te kunnen vaststellen. Alleen dan is het mogelijk de relatie tussen structuur en activiteit te onderzoeken, bijvoorbeeld om beter werkende medicijnen te ontwikkelen.

Helaas is dat structuuronderzoek erg lastig. De links- en rechtshandige varianten van chirale moleculen zijn in de praktijk alleen van elkaar te onderscheiden doordat ze rechts- en linksdraaiend gepolariseerd licht net iets anders absorberen. De techniek van vibrationeel circulair dichroisme (VCD) maakt van dit effect gebruik.

Het probleem is echter dat de gemeten absorptieverschillen erg klein zijn, waardoor de metingen veel tijd kosten. Sessies van één of twee dagen zijn geen uitzondering.  

Signaal versterken

De Amsterdamse onderzoekers hebben nu ontdekt hoe ze met relatief eenvoudige chemische ingrepen, zoals de aanwezigheid van een kobaltzout, het zwakke signaal honderd tot duizend keer kunnen versterken. Daarmee is de chirale structuur sneller en duidelijker in beeld te krijgen. Bovendien blijkt het mogelijk om bij grotere chirale moleculen slechts een lokaal klein deel 'in de schijnwerpers'  te zetten (zoals de ChemPhysChem cover aangeeft). Op die plaats is het dan mogelijk heel gedetailleerd de structuur vast te stellen, maar ook hoe externe factoren als zuurgraad en temperatuur van invloed zijn, en wat er verandert bij binding van een medicijnmolecuul.

Theoretische analyse

De verbetering is gebaseerd op een theoretische analyse van de signaalintensiteit bij de VCD methode. Daaruit bleek dat de gevoeligheid enorm zou toenemen bij zogenaamde 'vibronische koppeling', wat wil zeggen dat de beweging van de atomen van het te onderzoeken molecuul wordt gekoppeld aan die van de omringende elektronen. Anders gezegd: met zorgvuldig gekozen chemische modificaties kan men ervoor zorgen dat de elektronenwolk rond het molecuul heel sterk 'meebeweegt' met de atomen in het molecuul en daarmee bijdraagt aan het verschil in absorptie. Het gevolg is een verbluffende versterking van dit absorptieverschil.

Publicatie

S. R. Domingos, F. Hartl, W. J. Buma, S. Woutersen: Elucidating the Structure of Chiral Molecules by using Amplified Vibrational Circular Dichroism: From Theory to Experimental Realization ChemPhysChem 2015, 16, 3363 DOI: 10.1002/cphc.201500551