Химия

ХИМИЯ ЗА ПРЕДЕЛАМИ МОЛЕКУЛЫ

Супрамолекулярная химия. Такое название получила наука, родившаяся в последней четверти XX в. на стыке многих областей знания: органической, физической, координационной химии, биологии, физики, материаловедения, микроэлектроники. У нее уникальный спектр возможностей для создания новых материалов различного назначения.

Сам термин введен французским химиком, лауреатом Нобелевской премии 1987 г. Жаном Мари Леном и определен им как "...химия за пределами молекулы, описывающая сложные образования, которые являются результатом ассоциации двух (или более) химических частиц, связанных вместе межмолекулярными силами".

Если в классической химии изучают молекулы, то в супрамолекулярной - супермолекулы и их ансамбли. Они имеют определенную архитектонику и строятся самопроизвольно из комплементарных (т. е. обладающих геометрическим и химическим соответствием) фрагментов, подобно спонтанной сборке сложнейших пространственных структур в живой клетке. Подбор условий для такой сборки за счет перегруппировок молекул в бесконечно разнообразные комбинации и структуры приводит к материалам с новыми интересными свойствами. Работы в этом направлении активно ведутся в Институте неорганической химии им. А. В. Николаева (ИНХ) СО РАН.

В числе важнейших объектов нашего интереса - два класса соединений: пористые металлоорганические координационные полимеры и молекулярные контейнеры, обладающие сходными особенностями. В структуре тех и других присутствуют поры или свободное (координационное) пространство, которое может быть "незаселенным" или, наоборот, занятым "гостями" (небольшими органическими молекулами или ионами), - в этом случае происходит образование соединений включения. Известно, что последние играют важнейшую роль в самых разнообразных процессах: дыхании и регенерации кислорода растениями, ферментативном катализе, анестезии, формировании колоссальных залежей природного газа на дне Мирового океана (газовые гидраты). В отличие от кристаллических координационных полимеров, в составе которых множество высокоупорядоченных свободных пространств, в молекулярных контейнерах содержится только одна внутренняя полость. Каковы же свойства этих необычных структур?

МЕТАЛЛ-ОРГАНИЧЕСКИЕ КООРДИНАЦИОННЫЕ ПОЛИМЕРЫ

Меняя химический состав этих соединений (т. е. одни металлы и органические фрагменты на другие), химики научились направленно получать одномерные цепочки, двухмерные сетки, а также трехмерные, напоминающие по внешнему виду строительные леса, каркасы. Используя органические лиганды различной длины (от долей одного до нескольких нанометров), можно выстраивать ажурные структуры с регулярно расположенными пустыми полостями заданного наноразмера и формы, иначе говоря, их можно проектировать в зависимости от конкретного предназначения пористого металлоорганического каркаса. Недавно профессор Жерар Фере из Университета Версаль (Франция) получил такое соединение - терефталат хрома - с рекордной удельной поверхностью 5900 м²/г, что выше, чем у наноуглеродных материалов, а также на порядок превышает удельную поверхность широко используемых в различных областях природных сорбентов - цеолитов. Полости в данных конструкциях составляют всего несколько нанометров, однако столь малые размеры не мешают им сохранять пористость неограниченно долго.

В этих удивительных полимерах вполне достаточно места для размещения "гостей" - атомов металла, по команде химиков входящих в поры и покидающих их. Самая перспективная область применения рассматриваемых материалов - сорбция молекул разного размера: от маленьких (характерных для газов) до больших (например, лекарственных препаратов).

Проблема хранения и транспортировки значительных объемов газов важна для метана и, особенно, водорода. Основанная на нем энергетика вместе с аккумулирующими его топливными элементами призвана решать проблемы не только безопасности и надежности поставок горючего, но и снижения выбросов парниковых газов. Так, согласно докладу Еврокомиссии, уже в 2020 г. в странах ЕЭС запланировано довести долю альтернативных видов топлива в автомобильном транспорте до 20%, ведь ныне именно он является одним из основных источников выбросов CO₂ в атмосферу. Однако в отличие от жидких бензина или керосина водород в обычных условиях - легколетучий газ с очень маленькими удельными значениями энергии на единицу объема. Отсюда следует необходимость создания его эффективного носителя (аккумулятора). В настоящее время рассматриваются несколько перспективных подходов, в том числе использование баллонов высокого давления, сжижения, металлических гидридов, пористых наноуглеродных сорбентов. Но, к сожалению, из имеющихся на сегодня носителей H₂ пока ни один в полной мере не удовлетворяет всем предъявляемым требованиям.

Совсем недавно в качестве высокопористого сорбента для хранения водорода предложены металлорганические координационные полимеры. Их высокие показатели обусловливаются рекордными значениями внутренней удельной поверхности: площадь целого футбольного поля может уместиться всего в 1 г такого материала! Другое их преимущество - возможность функциональной модификации внутренней структуры для создания оптимальных условий размещения H₂. С момента первых сообщений об экспериментах такого рода, проведенных в 2003 г. профессором Омаром Яги из Мичиганского университета (США), активность исследователей в этой перспективной области выросла многократно. В настоящее время в научной литературе сообщено о достижении 7,5 масс. % содержания водорода в пористых металлорганических решетках, что не только превышает аналогичные показатели для большинства альтернативных носителей, но и приближается к 12 масс. %; именно такой уровень, согласно оценкам компании General Motors (США), - одно из условий экономической и технологической целесообразности применения водорода в качестве автомобильного топлива.

Другая важнейшая область использования пористых металлорганических полимеров - синтез и тонкая очистка сложных биологически активных молекул, в том числе хиральных оптических изомеров. Напомним: хиральность - свойство объекта быть несовместимым со своим изображением в зеркале. Два таких отражения называются оптическими изомерами. И тенденции развития современной мировой химической, фармацевтической, парфюмерной промышленности определяют растущую потребность в получении оптически чистых хиральных соединений. Так, значительная часть лидирующих по реализации современных лечебных препаратов соответствует этим критериям. К примеру, объем мировых продаж S-омепразола, применяемого для лечения язвенной болезни, в 2006 г. превысил 4,2 млрд. дол. США. Кроме того, немаловажно, что, как правило, биологической активностью обладает лишь один оптический изомер, в то время как второй может оказаться ядом, канцерогеном или мутагеном. Вот почему требования к оптической чистоте препаратов постоянно растут, и производители лекарств вынуждены разрабатывать новые эффективные приемы разделения сложных органических молекул.

В нашем Институте совместно с Институтом катализа им. Г. К. Борескова СО РАН предложены методы синтеза пористых координационных полимеров на основе легкодоступных оптически чистых природных веществ. Образующиеся при этом продукты сами хиральны и в последующем применимы для тонкого селективного разделения других аналогичных соединений. Пористые координационные полимеры могут служить и нанореакторами, в которых протекают уникальные каталитические превращения.

Кстати, до наших работ были известны лишь несколько таких хиральных полимеров. Причем для их синтеза нужны сложные лиганды, сочетающие оптическую чистоту и конформационную (пространственную) жесткость. Но число последних ограничено, их получение - трудная задача. Мы же предложили использовать в этих целях комбинацию двух органических лигандов. Один из них имеет в своей структуре хиральные центры, другой придает ей жесткость и пористость. При этом, меняя длину лиганда жесткости, регулируем размер и форму пор внутри каркаса, не вмешиваясь в его топологию (геометрическую форму). Используя же различные лиганды, можно менять строение хиральных центров в каркасе и добиваться улучшения характеристик материалов для решения конкретных задач.

Еще одно преимущество нашего подхода - применение достаточно простых природных и потому легкодоступных соединений в качестве необходимых строительных блоков. Например, синтезированные нами хиральные пористые координационные полимеры являются новыми материалами для практического использования в разделении на оптические изомеры производных сульфоксидов - предшественников оптических изомеров лекарственных форм. В числе последних противоопухолевый препарат оксисуран, противовоспалительный - сулиндак и др. Более того, нами впервые продемонстрирована возможность количественного разделения изомеров методом так называемой колоночной хроматографии, при котором разделение смеси на отдельные компоненты происходит по мере ее движения вдоль колонки с сорбентом (за счет различной скорости движения компонентов).

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ КОНТЕЙНЕРЫ - КУКУРБИТУРИЛЫ

Среди молекулярных контейнеров, изучаемых в нашем Институте, - кукурбитурилы. Свое название они получили в связи с внешним сходством их формы с тыквой (род Cucurbitaceae). Действительно, строение этой интересной молекулы - C_6nH_6nN_4nO_2n (n = 5 -г 10) - напоминает тыкву или бочку, по верхнему и нижнему ободу которой (т. е. в областях дна и крышки) располагаются атомы кислорода сильно поляризованных карбонильных групп (порталы). Соединение впервые получил немецкий химик Роберт Беренд в 1905 г. Детальное же определение состава и структуры с помощью рентгеноструктурного анализа в 1981 г. американскими химиками Вэйдом Фриманом и Вильямом Мокком спровоцировало бурное развитие химии молекулярных контейнеров.

Что же делает кукурбитурилы привлекательными для исследователей, какие свойства позволяют считать их способными составить в ближайшее время конкуренцию, допустим, используемым в промышленности циклодекстринам?

Размеры внутренней полости "бочки" достаточны для включения небольших молекул или ионов, а порталы имеют некоторый отрицательный заряд и способны образовывать ассоциаты с положительно заряженными частицами. Остановимся подробнее на этих двух факторах, сочетание которых обеспечивает уникальные свойства молекулярных контейнеров и вызывает постоянно растущий интерес к ним не только химиков, но и специалистов из многих других отраслей науки.

Обладая довольно большой внутримолекулярной полостью, кукурбитурилы выступают в роли "хозяев", образуя соединения включения с подходящими по размеру "гостями". Супермолекулы формируются за счет нековалентных взаимодействий "гостя" с гидрофобной полостью "хозяина". Ныне известен достаточно широкий набор молекул и ионов, прекрасно подходящих по размерам и заполняющих практически все пространство полости, что способствует образованию устойчивых соединений с представителями всего ряда кукурбитурилов.

Большие по размеру "контейнеры" (n > 7) способны впускать в полость даже две объемные органические молекулы. Такие "гости" находятся на близком расстоянии и в определенном пространственном положении. Это обстоятельство позволяет использовать подобные системы в качестве молекулярного синтетического "сосуда" (нанореактора), в котором осуществляется химическое взаимодействие между специально подобранными "гостями".

Включение небольшого по размерам (n = 5) контейнера во внутреннюю полость большого (n = 10) приводит к уникальному соединению - молекулярному аналогу гироскопа. По данным ядерно-магнитно-резонансной спектроскопии, в растворе происходит свободное вращение макроциклов относительно друг друга. Пример еще одного устройства - молекулярный переключатель: в нем по команде химиков, допустим, при изменении кислотности раствора, контейнер направленно перемещается. В молекулярном масштабе это соответствует механическим процессам макроскопического уровня, и представляется возможным создать молекулярные "машины", приводимые в действие путем изменения химических условий. Существует огромный интерес к созданию таких "машин" как основы для развития молекулярных компьютеров и других устройств, по своим функциям приближающихся к биологическим системам.

Изучение включения "гостей" в полость молекулы "хозяина" представляет интерес не только с научной точки зрения. Оно вносит вклад и в решение проблемы транспорта веществ, в том числе лекарств. Известно, что при лечении раковых заболеваний эффективны комплексы платины. Включение их в кукурбитурилы перспективно при создании нового поколения фармацевтических препаратов пролонгированного действия (постепенное высвобождение активного компонента лекарства из полости макроциклического "хозяина", выполняющего функцию транспорта и хранения). На сегодня уже доказана противораковая активность соединений включения в кукурбитурилы (n = 7 и n = 8) ряда платиновых комплексов.

Еще одно интересное направление - получение супрамолекулярных комплексов "гость-хозяин" с участием спиновых зондов, роль которых играют стабильные нитроксильные радикалы, обладающие парамагнитными свойствами. Их широко используют в биофизических и биомедицинских исследованиях с применением электронного парамагнитного резонанса. К сожалению, под воздействием биогенных антиоксидантов или ферментов эти зонды восстанавливаются до диамагнитных (не определяемых с помощью электронного парамагнитного резонанса) соединений. Недавние наши эксперименты показали: включение нитроксильных радикалов во внутреннюю полость кукурбитурилов позволяет избежать химического взаимодействия спиновых зондов с восстанавливающим микроокружением, тем самым обеспечив сохранение их работоспособности.

Обратимся теперь к упомянутой выше способности этих макроциклов формировать ассоциаты с положительно заряженными частицами благодаря отрицательному заряду на атомах кислорода порталов. Образующиеся структуры представляют собой "бочку", закрытую одной или двумя "крышками" - аквакомплексами металлов. Наиболее яркий пример подобных ансамблей - соединения кукурбитурила с кластерами молибдена или вольфрама [M₃Q₄(H₂O)₉]⁴⁺ (M = Mo, W; Q = S, Se). Шесть молекул воды образуют водородные связи с тем же числом атомов кислорода. Эта система служит прекрасным "контейнером" для надежного удержания "гостей", которые вправе покидать его только при открытых "крышках". Изменяя экспериментальные условия, мы можем контролировать формирование и разрыв водородных связей, удерживающих "крышки" в закрытом положении. Увеличивая, например, концентрацию соляной кислоты, заменяем атомами хлора молекулы воды аквакомплекса, ответственные за образование водородных связей. Когда последние рушатся, "крышки" открываются, и "гость" покидает полость. Если условия реакции изменить так, чтобы молекулы воды заняли места атомов хлора, то опять получатся супрамолекулярные соединения, в которых "крышки" закрывают "бочку".

Развитие исследований обратимого включения "гостей" в полость молекулы "хозяина", а также возможностей использования различных "контейнеров" для доставки целевых молекул - одно из приоритетных направлений современной фармакологии. За счет взаимодействия "гость - хозяин" можно помещать в полости молекулярных контейнеров биологические и синтетические лекарственные препараты (пептиды, олигонуклеотиды, аминокислоты, антигены, антибиотики, цитостатики и др.), избирательно доставлять их в клетки, ткани и органы человека, и в определенный момент открывать "крышки", чтобы лекарство в заданном месте и в нужное время оказывало терапевтический эффект.

Подводя итог сказанному, еще раз подчеркнем: супрамолекулярная химия становится все более мощным инструментом направленного получения функциональных материалов, имеющих перспективы самого широкого применения.

Владимир ФЕДИН, Ольга ГЕРАСЬКО, Данил ДЫБЦЕВ