В. Федин, О. Герасько, Д. Дыбцев. 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 всупрамолекулярной — 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 металл-органические координационные полимеры (Координационные полимеры — химические соединения сложной структуры, построенные из чередующихся в пространстве атомов металла, связанных через органические фрагменты (прим. авт.). 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 (Соединения включения (клатраты) — вещества, в которых молекулы соединения-«хозяина» образуют пространственный каркас, а молекулы соединения-«гостя» располагаются в полостях каркаса (прим. ред.). 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 (Лиганды — в комплексных соединениях молекулы или ионы, связанные с центральным атомом (прим. ред.) 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 металл-органического каркаса. Недавно профессор Жерар Фере из Университета Версаль (Франция) получил такое соединение — терефталат хрома — с рекордной удельной поверхностью (Удельная поверхность — усредненная характеристика размеров внутренних полостей (каналов, пор) пористого тела. Выражается отношением его обшей поверхности к объему или массе (прим. ред.). 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.
Образование полимерных каркасов различной размерности (линейные, каркасные, слоистые)
из неорганических и органических структурных блоков
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 С02 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 Н2 пока ни один в полной мере не удовлетворяет всем предъявляемым требованиям.
Совсем недавно в качестве высокопористого сорбента для хранения водорода предложены металл-органические 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 Н2. 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 металл-органических 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 металл-органических 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).
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 С02 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 Н2 пока ни один в полной мере не удовлетворяет всем предъявляемым требованиям.
Примеры оптических изомеров в химии и биологии:
левые и правые молекулы аминокислот, человеческие руки
Совсем недавно в качестве высокопористого сорбента для хранения водорода предложены металл-органические 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 Н2. 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 металл-органических 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 металл-органических 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 — C6nH6nN4n02n (n = 5 - 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.
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 макроцикл ического «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(H20)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.
Иллюстрации авторов
Доктор химических наук Владимир ФЕДИН, директор Института неорганической химии им. А.В.Николаева СО РАН,
кандидат химических наук Ольга ГЕРАСЬКО, старший научный сотрудник того же Института,
кандидат химических наук Данил ДЫБЦЕВ, научный сотрудник того же Института
кандидат химических наук Ольга ГЕРАСЬКО, старший научный сотрудник того же Института,
кандидат химических наук Данил ДЫБЦЕВ, научный сотрудник того же Института
"Наука в России", №2, 2008
Достоевский 
Симонов Константин Михайлович