ОТ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНОЙ ХИМИИ
К НАНОМАТЕРИАЛАМ
Термин «супрамолекулярная химия» введен выдающимся французским химиком, лауреатом Нобелевской премии 1987 г. Ж.-М. 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». Бурное развитие этой молодой науки в большой мере обусловлено ее междисциплинарным характером. Супрамолекулярная химия охватывает разнообразные явления из многих научных областей — органической и координационной химии, физической химии, биологии, физики, материаловедения и т. д. Эта наука обладает широким спектром уникальных возможностей для направленного создания наноматериалов и поэтому привлекает все больше ученых из разных стран.
Профессор В. Федин, директор Института
неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН
Объекты классической химии — молекулы, объекты супрамолекулярной химии — супермолекулы и их ансамбли. Супрамолекулярные ансамбли представляют собой сложные конструкции определенной архитектуры. Они строятся самопроизвольно из комплементарных, т. е. обладающих геометрическим и химическим соответствиям, 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.
Цель исследований, проводимых в Институте неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН — создание новых наноматериалов с использованием методов супрамолекулярной химии. Объектами нашего интереса, в частности, являются два класса соединений — пористые металл-органические полимеры и молекулярные контейнеры.
 |
| Пример соединения, в порах которого происходит разделение хиральных органических молекул. |
Металл-органические координационные полимеры, как видно уже из названия, построены из чередующихся в пространстве атомов металла и координированных к ним органических фрагментов. Используя различные металлы и различные органические фрагменты, химики научились получать пористые полимеры, в которых размеры пор могут изменяться от долей нанометра до нескольких нанометров. Структура таких соединений напоминает ажурные строительные леса или пчелиные соты. Пчелиные соты могут быть заполнены медом, а в пористых соединениях имеется достаточно места для размещения молекул так называемых «гостей», которые могут по команде химиков входить в эти поры и покидать их. Очень интересный пример таких гостей — молекулы водорода. Хорошо известно, что в недалеком будущем основным видом топлива будет водород. Предполагают, что к 2025 г. 20 %, а к 2050 г. — все 100 % автомобилей в Европе будут использовать водород в качестве топлива. Водород — идеальное топливо, источники водорода не ограничены (в отличие от невозобновляемых запасов нефти, газа и угля), при сгорании водорода выделяется много энергии и образуется вода, которая, в отличие от углекислого газа, не является парниковым газом. Но у водорода существует и большой недостаток — это взрывоопасный газ, который занимает слишком много места. Задача химиков — создание таких материалов, которые будут способны аккумулировать как можно большее количество водорода. Исследования, выполняемые в различных лабораториях, в том числе в ИНХ СО РАН, показывают, что пористые металл-органические полимеры — чрезвычайно перспективные материалы для решения глобальной задачи хранения водорода.
 |
| Перспективная тематика привлекает молодежь. Коллектив лаборатории химии кластерных и супрамолекулярных соединений Института неорганической химии
СО РАН. |
Тенденции развития мировой химической, фармацевтической, парфюмерной промышленности свидетельствуют о растущей потребности в получении так называемых оптически чистых хиральных органических соединений (хиральность — свойство объекта быть несовместимым со своим изображением в зеркале). Так, большинство лидирующих по продажам современных медпрепаратов — оптически чистые хиральные соединения. К примеру, объём мировых продаж лишь одного препарата (S)-омепразола, применяющегося для лечения язвенной болезни, в 2003 году превышал 3,8 млрд долларов. Как правило, биологической активностью обладает только один оптический изомер, в то время как второй может оказаться ядом, канцерогеном или мутагеном. Требования к оптической чистоте препаратов постоянно растут: в США уже сейчас медпрепараты могут быть допущены к продаже только в виде оптически чистых соединений, поэтому производителям приходится разрабатывать новые эффективные методы разделения сложных органических молекул. В нашем институте совместно с Институтом катализа СО РАН разработаны методы синтеза пористых координационных полимеров на основе оптически чистых органических соединений, например, легко доступной молочной кислоты. Получаемые при этом координационные полимеры сами являются хиральными и могут быть использованы для получения оптически чистых хиральных органических соединений. Пористые координационные полимеры могут быть и нанореакторами, в которых протекают уникальные каталитические превращения.
Представителем молекулярных контейнеров, изучаемых в ИНХ СО РАН, являются кукурбитурилы. Кукурбитурилы — тривиальное название органических соединений, данное им в связи с внешним сходством формы молекул с тыквой (семейство Cucurbitaceae). Действительно, строение этих интересных молекул напоминает тыкву или бочку. Первое такое соединение было получено еще в 1905 г. немецким химиком Р. Берендом. Однако методы того времени не позволили правильно определить состав и структуру кукурбитурила, и лишь сравнительно недавно химикам это удалось сделать. Кукурбитурилы легкодоступны, устойчивы и способны к координации различных частиц, что делает их удобными для синтеза разнообразных супрамолекулярных соединений. Так, кукурбитурил чрезвычайно легко связывает кальций — один из наиболее важных и многофункциональных элементов в живых организмах. По верхнему и нижнему ободу «бочки» расположены атомы кислорода, которые координируют катионы кальция, а те в свою очередь связывают с каждой стороны получившейся супермолекулы еще по «бочке». В результате молекулы кукурбитурила выстраиваются друг над другом и, чередуясь с катионами кальция, образуют бесконечные полимерные цепи — молекулярные «трубы». Такие высокоупорядоченные органические-неорганические гибридные материалы с большими каналами с контролируемыми размером и формой, представляют несомненный интерес для тонкой очистки, разделения и выделения веществ, супрамолекулярного катализа и оптоэлектроники.
Кукурбитурилы являются молекулярными контейнерами и имеют внутренние полости, размеры которых позволяют включать «гостей» — органические молекулы или ионы, с образованием более сложных систем типа «гость-хозяин». Известно, что подобные системы играют исключительно важную роль в самых разнообразных процессах: дыхании и регенерации кислорода растениями, ферментативном катализе, анестезии, формировании колоссальных залежей природного газа на дне Мирового океана (газовые гидраты). Наличие у кукурбитурила одной или двух «крышек» должно создавать благоприятные условия для внедрения и удержания «гостя» в полости супермолекулы. Закрывая «бочку» «крышками», мы вполне надежно размещаем в ней «гостей». Ясно, что «гости» способны покинуть «бочку» только при открытых «крышках». Можно ли подобрать экспериментальные условия, которые позволили бы открывать и закрывать «крышки», впускать и выпускать «гостя» из полости? Да, и, как оказалось, очень легко.
Изучение обратимого включения «гостей» в полость молекулы «хозяина» представляет интерес не только с научной точки зрения. Оно вносит существенный вклад и в развитие исследований по проблеме транспорта веществ, в том числе лекарств, и позволяет осуществлять направленное конструирование молекулярных «контейнеров». За счет взаимодействия «гость-хозяин», например, можно включать в полости молекулярных контейнеров сильнодействующие лекарственные препараты, избирательно доставлять их в необходимое место в организме человека и в нужный момент открывать «крышки», чтобы лекарство в нужном месте и в нужное время могло оказать терапевтический эффект.
Таким образом, супрамолекулярная химия — мощный инструмент направленного получения новых наноматериалов, имеющих перспективы широкого применения.
стр. 9
|
