De bepaling van de stereochemie van moleculen met meerdere chirale centra is momenteel erg omslachtig. Een groot onderzoeksproject moet de ‘klantvriendelijkheid’ van de VCD-technologie aanzienlijk gaan verbeteren.

Citronellal, bekend van de etherische olie citronella, komt voor in twee verschillende driedimensionale configuraties: de ene ruikt naar sinaasappel, de andere naar citroen. De twee zijn spiegelbeeld-isomeren, of enantiomeren, van elkaar. Fysisch-chemisch zijn ze aan elkaar gelijk, maar biologisch gezien verschillen ze als dag en nacht. Dat het in de farmaceutische industrie van belang is optische isomeren van elkaar te scheiden blijkt wel uit het Softenon-schandaal in de jaren zestig van de vorige eeuw. Eén enantiomeer wist bij zwangere vrouwen inderdaad de misselijkheid te verminderen, het andere veroorzaakte ernstige geboortedefecten.

Spectra ‘fitten’

Inmiddels zijn farmaceutische bedrijven gelukkig goed in staat de verkeerde stereo-isomeer uit de productie te houden, maar daar blijft het dan ook bij. ‘Wat mij altijd ontzettend verbaasd heeft, is dat de industrie niet zozeer een chiraliteitsbepaling doet, maar zich heel vaak beperkt tot het scheiden van de moleculen, bijvoorbeeld met behulp van chirale HPLC. Welk enantiomeer het precies is, lijkt minder van belang’, stelt Wybren Jan Buma, hoogleraar moleculaire fotonica aan de Universiteit van Amsterdam (UvA). ‘Voor geneesmiddelontwikkeling zou je juist veel meer informatie over de chiraliteit willen hebben.’

Met vibrationeel circulair dichroïsme (VCD)-spectroscopie kun je de stereochemie van een verbinding wél heel precies in kaart brengen; die techniek is sinds de jaren negentig op de markt. VCD werkt met behulp van circulair gepolariseerd infrarood licht. Een foto-elastische modulator draait dit licht continu linksom en rechtsom. Je meet het verschil tussen de absorptie van de verschillende enantiomeren in een monster. ‘Het ene enantiomeer geeft hetzelfde spectrum als diens spiegelbeeld, maar dan met omgekeerd signaal (plus of min, red)’, legt Buma uit.

Als je nu de chiraliteit wilt bepalen van een onbekende verbinding, wordt eerst het experimentele spectrum gemeten. Vervolgens worden de theoretische spectra gesimuleerd van de te verwachten enantiomeren. Tenslotte zijn er berekeningen nodig om het experimentele spectrum te ‘fitten’ met de theoretische spectra om te zien welke de beste correlatie geeft en daarmee het juiste enantiomeer.

Zowel het meten van het VCD-spectrum als het kwantumchemisch berekenen van de theoretische spectra is momenteel behoorlijk arbeidsintensief en tijdrovend. ‘De reden dat farmaceutische bedrijven dit soort werk vaak overlaten aan specialisten buitenshuis’, stelt Buma. ‘Bovendien is de industrie erg conservatief’, vult Edwin Kellenbach aan. Hij is principal scientist bij Aspen Pharma Oss en heeft vroeger veel met VCD gewerkt. ‘Klassieke methoden als HPLC worden al decennia toegepast en hebben zich ruimschoots bewezen. Dat moet VCD nog doen.’

Daar moet de komende jaren verandering in komen. Momenteel werkt Buma samen met Luuk Visscher van de theoretische chemie groep van de Vrije Universiteit van Amsterdam (VU) en de twee industriële partners Software voor Chemistry & Materials en BioTools aan een groot project om de technologie beter toepasbaar te maken voor onder meer de farma- en polymeerindustrie. ‘Ons doel met het development of a vibrational optical activity analysis toolbox-project is om met één techniek snel en goed alle steoreochemische informatie te halen uit slechts één experimenteel spectrum’, zegt Buma.

Survival of the fittest

De eerste stap draait om het stukken eevoudiger maken van de computeranalyse. Afgelopen september publiceerde Buma en zijn collega’s in Analytica Chimica Acta dat zij de stereochemie van dydrogesteron en diens enantiomeer 6-dehydroprogesteron met een nieuwe VCD-analysemethode in kaart hadden gebracht. Dydrogesteron is een hormonaal medicijn bij onder meer menstruatieklachten en verminderde vrucht­baarheid. Het is één van de 64 isomeren van een complex molecuul met maar liefst zes chirale centra, en de enige die voldoende werkzaam is. Het bepalen van de absolute configuratie van elk van die zes centra is een gigantische uitdaging.

Bij de berekening van het theoretische spectrum is het nodig de conformationele verdeling te bepalen. Dit betekent dat aan elke conformatie dat een molecuul kan aannemen (denk bijvoorbeeld aan verschillend gerichte hydroxy-groepen) een bepaald ‘gewicht’ moet worden toegewezen: in hoeverre draagt het bij aan het uiteindelijke spectrum? Tot nu toe werden die bijdragen bepaald uit de energieën berekend voor elk van de conformaties, maar dat is een tijdrovende procedure. Daarbij hebben die energieën een bepaalde onzekerheid.

De groep van Buma heeft daar iets nieuws op verzonnen. ‘Wij gebruiken een soort genetisch algoritme. Daarbij veranderen we steeds het ‘gewicht’ van elk van de mogelijke conformaties en laten we de computer kijken of dat verbetering geeft. Zo ja, dan gaan we weer een beetje veranderen. Net zo lang tot we de best mogelijk ‘fit’ hebben met het experimentele spectrum.’ Een soort van survival of the fittest dus.

Op deze manier chiraliteitsbepalingen doen, leverde in het geval van dydrogesteron en diens ‘tweelingzusje’ niet alleen de juiste resultaten, het is volgens Buma ook nog eens een stuk sneller dan voorheen. ‘In plaats van overnacht de simulaties laten runnen, hebben we dydrogesteron er op een regenachtige vrijdagmiddag doorheen kunnen jassen.’

Kellenbach is onder de indruk van Buma’s nieuwe VCD-methode. ‘Op den duur moet het hiermee mogelijk zijn om enantiomeren in hele lage concentraties te identificeren. Dat betekent dat we het ook zouden kunnen inzetten als manier van kwaliteitscontrole: worden er niet te veel ongewenste bijproducten gemaakt?’

Kritische geluiden

Toch zijn er ook wetenschappers die kanttekeningen plaatsen bij Buma’s onderzoek. ‘Ik vind het absoluut een interessante studie,’ begint Christian Johannessen, universitair hoofddocent moleculaire spectroscopie aan de Universiteit van Antwerpen, ‘maar ik vraag me af of deze techniek wel altijd werkt. Dydrogesteron en 6-dehydroprogesteron zijn vrij gemakkelijke moleculen om de stereochemie van te bepalen. De twee spectra verschillen enorm. Wan­neer je vrij identieke spectra hebt, zou het weleens een stuk lastiger kunnen zijn om ze te onderscheiden.’

Er zijn volgens Buma inderdaad voorbeelden waarbij VCD veel meer moeite heeft in het onderscheiden van stereo-isomeren. Maar dat wil niet zeggen dat de methode niet voor veel andere chirale verbindingen zou kunnen werken. ‘Uit wat we tot nu toe hebben uitgeprobeerd, krijgen we de indruk dat we redelijk ver kunnen gaan. Hoe ver hangt ook af van de voorinformatie; weet je bijvoorbeeld of er op basis van de gevolgde syntheseroutes dat er specifieke stereo-isomeren als vervuiling aanwezig kunnen zijn?’ Tot nu toe onbereikbare, grotere systemen waar Buma zijn pijlen op richt zijn bijvoorbeeld rotaxanen en zelfassemblerende polymeren.

Rotatiespectroscopie

Kellenbach denkt dat de industrie vast en zeker geïnteresseerd gaat zijn in de nieuwe techniek. Toch kijkt hij ook met een schuin oog naar een andere ontwikkeling binnen dit vakgebied. ‘In Amerika is de veelbelovende rotatiespectroscopie momenteel helemaal hot.’

Bij rotatiespectroscopie wordt gekeken naar de verschillen in energietoestanden tussen roterende chirale moleculen. Het grote voordeel van de techniek is dat je precies kunt zien welke conformatie bijdraagt aan je spectrum. Dat maakt de analyse gelijk een stuk eenvoudiger.

Toch denkt Buma dat VCD-spectroscopie niet direct hoeft te vrezen voor deze nieuwe concurrent. ‘Bij rotatiespectroscopie moet je het molecuul in de gasfase brengen, iets wat voor VCD niet nodig is. Zeker voor grotere systemen en het bekijken van werkingsmechanismes denk ik dat VCD vooralsnog aan het langste eind zal trekken.’