Het experiment is zo simpel dat het ongeloofwaardig is. Je laat een oplossing van de twee spiegelbeelden - enantiomeren - van bijvoorbeeld een aminozuur uitkristalliseren onder hard roeren terwijl je zorgt dat in oplossing de verbinding kan racemiseren (waarbij de spiegelbeelden in elkaar overgaan). Er onstaan dan enkel kristallen van slechts een van de twee enantiomeren, de (S)- of de (R)-vorm. De richting is ook nog te sturen.
Dit ontdekten Nederlandse onderzoekers nadat zij een al even ongeloofwaardig artikel van de flamboyante Spaanse onderzoeker Cristobal Viedma lazen. In 2005 liet hij natriumchloraat enantiomeer zuiver kristalliseren enkel door hard te roeren. Het zout, dat in oplossing natuurlijk niet chiraal is, heeft twee kristalvormen die elkaars spiegelbeeld zijn. Net als de kristallen van tartraat die Louis Pasteur al in 1848 met de hand sorteerde. Zelfs als Viedma startte met een oplossing waarin al kristallen van beide vormen aanwezig waren, dan nóg vormde zich na verloop van tijd, door enkel te roeren, slechts een van de twee spiegelbeelden.

Ongeloof
De Nijmeegse hoogleraar Elias Vlieg en zijn promovendus Wim Noorduin van het IMM van de Radboud Universiteit Nijmegen en hun collega’s bij DSM en Syncom geloofden eigenlijk niets van de resultaten van Viedma. Maar áls het waar zou zijn, dan zijn de implicaties enorm, realiseerden ze zich. Het maken van een enantiomeer zuivere stof is lastig omdat de spiegelbeelden dezelfde fysische eigenschappen hebben. Tegelijk is het scheiden van de spiegelbeelden van groot belang. Van veel geneesmiddelen is er maar een enantiomeer actief. De ander kan zelfs schadelijk zijn.
Uit computersimulaties bleek dat de experimenten niet zo onmogelijk zijn als ze leken. Zogeheten Ostwald ripening speelt hierbij een belangrijke rol. Een groter kristal groeit ten koste van kleinere kristallen. Een groter kristal heeft relatief gezien een kleiner oppervlak en is daardoor thermodynamisch stabieler. Dat geeft samen met de natriumchloraatproef een fundamenteel inzicht, zegt Vlieg. 'Als je niets doet ontstaat er uit een mengsel van veel kristallen vanzelf één kristal, dat dan natuurlijk slechts een van beide spiegelbeelden als richting heeft. Tijd was er genoeg bij het ontstaan van de aarde. Dit kan dus wel eens een rol hebben gespeeld bij het ontstaan van de 'linkshandigheid' van alle biologische moleculen die we kennen. Hard roeren zoals wij doen dient vooral om tijd te winnen.'

Biologische moleculen
Maar het kristalliseren van natriumchloraat is niet zo interessant. Biologisch actieve moleculen zoals geneesmiddelen of aminozuren zijn veel boeiender, vond Noorduin. 'Die verbindingen zijn in oplossing ook chiraal,' legt hij uit. 'Terwijl het NaClO₃-experiment erop berust dat de stof in oplossing zijn chiraliteit 'vergeet'.' Bij DSM ontwierpen ze daarom een molecuul dat in oplossing makkelijk racemiseert, een derivaat van fenylglycine. Door een base toe te voegen ontstaat er een evenwicht in oplossing waarin de beide spiegelbeelden makkelijk in elkaar overgaan. Een tweede vereiste aan het molecuul is dat de spiegelbeelden apart kristalliseren in een zogenaamd conglomeraat.
De onderzoekers produceerden moeiteloos een zuivere vaste stof van één van de enantiomeren van het aminozuur. Ze geloofden het resultaat zelf ook niet en herhaalden het experiment meer dan honderd keer in vier laboratoria. Altijd ontstond de rechtsdraaiende (R)-vorm. Dat is geen toeval, denkt Noorduin. 'In de natuur komen alleen linksdraaiende (S)-aminozuren voor. We ontdekten dat een heel kleine verontreiniging de kristallisatie kan sturen, en wel in de omgekeerde richting. In de eerste experimenten hebben er waarschijnlijk kleine vervuilingen gezeten van aminozuren of eiwitten, bijvoorbeeld aan onze handen of uit de lucht, van de natuurlijke (S)-vorm. Die stuurden de reactie richting de (R)-enantiomeer.' Na de eerste successen ging Noorduin en andere onderzoekers op zoek naar meer verbindingen die aan zijn eisen voldoen. Ook fenylalanine en asparaginezuur, voorlopers in de synthese van de zoetstof aspartaam konden eenvoudig enantiomeer zuiver worden gekristalliseerd.
Verder ontwierpen de Nederlandse onderzoekers een alternatieve synthese voor een aantal geneesmiddelen waaronder clopidogrel (het trombosemedicijn Plavix) en naproxen, een ontstekingsremmer. Beide waren succesvol. Op het laatste proces, de chirale synthese van (S)-naproxen, vroegen ze in samenwerking met DSM zelfs een patent aan. De toepassing van deze methode om enantiomeer zuivere stoffen te maken lijkt beperkt vanwege het grote aantal eisen dat aan de verbinding wordt gesteld. 'Maar zelfs al is maar één procent bruikbaar dan zijn dat al heel veel nuttige verbindingen die je op een verbazingwekkend makkelijke manier kunt zuiveren,' zegt Noorduin. Hoogleraar Vlieg wil bovendien in een vervolgproject onderzoeken of de eisen wel zo strikt zijn. Hij gaat kijken of verbindingen die geen conglomeraat vormen ook op deze manier kunnen worden gezuiverd.

Uit elkaar draaien
De maal methode van wat in labjargon 'uit elkaar draaien' heet, werkt erg goed op laboratoriumschaal. De volgende stap is bewijzen dat het ook werkt in de productie van geneesmiddelen met kilo's tegelijk. Daarvoor doet Noorduin experimenten in de reactoren van Agfa, de producent van lichtgevoelige films in Antwerpen. 'Zij hebben heel veel ervaring in het maken van slurry's van fijn verdeelde vaste stof. Ik kan hun reactor gebruiken voor mijn experimenten. De eerste resultaten zijn bemoedigend want het lijkt erop dat het proces alleen maar beter gaat op grotere schaal. Dat komt waarschijnlijk door de hogere hoeksnelheden in de grote reactoren. Er wordt met meer energie geroerd. We lopen wel tegen wat problemen aan. Deze reactoren zijn bijvoorbeeld niet brandschoon te krijgen. Vervuiling kan de voorkeur van de kristallisatie voor een van de twee spiegelbeelden erg beïnvloeden,' legt Noorduin uit.
Volgens Vlieg is de scepsis over de uitkomst van het experiment inmiddels wel gezakt. 'De resultaten spreken voor zich. We hebben laten zien dat het werkt voor vijf verbindingen die aan de voorwaarden voldoen. We hebben geen tegenvoorbeelden kunnen vinden.' Over het mechanisme is echter nog veel discussie. Op het eerste gezicht is Ostwald ripening een goede verklaring. Maar de observatie dat door hard roeren het proces sneller gaat is nog lastig uit te leggen, vindt Vlieg. Je breekt immers steeds de grotere kristallen op in kleinere. Bovendien is de observatie dat het proces exponentieel één kant op gaat daarmee niet verklaard. Een mogelijkheid is dat kleine kristalletjes, clusters genaamd, niet allemaal in oplossing gaan maar direct aan de grote stukken plakken en erin worden opgenomen. Dat gaat veel makkelijker als ze van hetzelfde enantiomeer zijn en gaat bovendien sneller dan via de oplossing. Deze clustertheorie wordt momenteel verder uitgewerkt om alle observaties te begrijpen.

Oersoep
De onderzoekers gaan nog een stap verder dan de toepassing in synthese. Als er zo eenvoudig een van de enantiomeren van aminozuren wordt gevormd, kan dat niet een verklaring zijn voor het ontstaan van een 'linksdraaiende' wereld uit een oorspronkelijk achirale oersoep? Noorduin denkt van wel. 'De uitkomst van het experiment is makkelijk naar links of rechts te sturen door toevoeging van een klein beetje verontreiniging. Er zijn zelfs mensen die denken dat licht een rol kan spelen. Licht kan ook een draaiing bezitten, zogeheten circulaire polarisatie. Er is aangetoond dat bij het ontstaan van sterren licht ontstaat met voornamelijk één richting. We zijn nu bezig uit te zoeken of dit licht de kristallisatie ook kan sturen.'

Dit artikel is gepubliceerd in C2W in 2009.