重溯巴斯德拆分实验——化学学院宛新华/张洁团队通过分子手性控制晶体的宏观运动
2024/06/04
7181848年，法国化学家路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）用镊子人工分离手性晶体；176年后，研究者们通过加热手性晶体的特定晶面，使它们向不同的方向跳跃，从而实现对映体分离。北京大学化学与分子工程学院宛新华/张洁团队在该项研究中取得进展，并以“Directional Crystal Jumping Controlled by Chirality”为题发表在Journal of the American Chemical Society上（J. Am. Chem. Soc.2024, 146, 9679—9687）。化学学院在站博雅博士后陈艺夫博士为论文的第一作者，宛新华为该论文的通讯作者。
图1 该工作与巴斯德拆分实验的历史性关联
1848年，路易斯·巴斯德在研究酒石酸盐的结晶时，敏锐地观察到了其晶体形貌的不对称性：有形貌特征互为镜像的两种晶体（即相反手性的酒石酸盐结晶）同时从溶液中析出。基于这一形态学差异，巴斯德用镊子手动分离了酒石酸铵钠四水合物的外消旋混合物晶体。这一研究不仅是人类科学技术史上的第一例手性拆分实验，而且还奠定了立体化学的基础。因其优雅简洁且意义重大（elegantly simple but significant），被Chemical & Engineering News 评选为最美的化学实验之首（Chem. Eng. News2003, 81, 27—30）。
近日，宛新华领导的研究团队设计构建了基于天冬酰胺单水合物外消旋混合物的动态晶体系统。在加热水合物单晶时，晶格水从系统中脱除，驱动晶体运动。当对一对对映体单晶的特定晶面加热时，相反手性的晶体呈现出向着相反方向跳跃的宏观运动行为，进而可以实现对手性晶体的机械拆分。进一步的结构分析表明，天冬酰胺分子在特定方向上形成了分子间氢键网络，为水分子的热逃逸提供了定向的通道；水分子在对映体晶体中的逃逸路径完全镜像，为晶体的定向跳跃行为奠定了基础。
手性和运动的相关性是科学界最具吸引力的研究问题之一。生命是手性的。一切生命体（包括动物、植物和微生物）在分子水平上都是手性的，而生命的行为功能和运动模式也具有手性偏向性：如人类惯用右手，而黑猩猩和猴子惯用左手。此项研究中展示出的基于手性的运动控制策略不仅将推动人造化学系统朝着更贴近自然的方向进步，还将激发对生命功能中手性偏向性起源问题的深入探索。
该工作得到了国家自然科学基金重点项目（52333008）、中国博士后基金项目特别资助（2023TQ0005）、北京市自然科学基金青年项目（2244091）的资助以及北京大学博雅博士后项目和国家资助博士后研究人员项目（GZC20230031）的支持。
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