• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
427
Рубрика: Факультет
Раздел: Химия
Кукурбитурил – молекула-тыква

Кукурбитурил – молекула-тыква

Атомы химических элементов представляют собой строительный материал - заготовки, из которых можно собирать молекулы разнообразной архитектуры и создавать соединения, обладающие полезными свойствами. В свою очередь, сами молекулы могут соединяться между собой связями различного типа. Изучением процессов образования из отдельных молекул более сложных структур с новыми интересными свойствами занимается особая наука - супрамолекулярная химия.

Супрамолекулярные ансамбли строятся самопроизвольно из комплементарных фрагментов аналогично самопроизвольной сборке сложнейших пространственных структур в живой клетке. Удобным исходным реагентом для подобного синтеза служит кукурбитурил - макроциклическое органическое соединение, чья молекула напоминает тыкву. Благодаря чрезвычайно высокой способности кукурбитурила связываться с другими частицами из него создаются «надмолекулярные» соединения, строение которых напоминает сэндвич, цепи или соты. Такие высокоупорядоченные гибридные материалы востребованы для тонкой очистки, разделения и выделения веществ, супрамолекулярного катализа, оптоэлектроники, а также создания лекарств пролонгированного действия

Что лежит в основе процессов самосборки и самоорганизации? Как подступиться к созданию молекулярных и супрамолекулярных устройств? Для этого необходимо с единых позиций взглянуть на все виды молекулярных ассоциатов – от димеров до организованных фаз. Оказывается, отсутствие ковалентной связи между химическими системами вовсе не означает, что из них невозможно конструировать новые вещества. Как мы увидим на примере кукурбитурила – молекулы-тыквы, являющейся удобным молекулярным контейнером, существуют подсказанные самой природой возможности для синтеза высокоупорядоченных гибридных материалов с полезными свойствами.

Лишь недавно ученые смогли объяснить уникальную способность биологических молекул к самоорганизации и молекулярному распознаванию – селективному взаимодействию с другими частицами. Благодаря этой способности происходит образование двойных спиралей ДНК и запуск иммунных реакций, в результате чего синтезируются специальные белки, которые способны нейтрализовать чужеродные тела, попавшие в организм. Оказывается, в этих случаях взаимодействие молекул между собой подчиняется принципу взаимного дополнения – комплементарности (мы сталкиваемся с этим явлением в повседневной жизни, открывая замок соответствующим ему ключом).

Каким образом принцип «ключ – замок» используется на молекулярном уровне, в частности в биохимии? Химические элементы представляют собой строительный материал для молекул всех известных веществ. Это необходимые заготовки, из них можно собирать молекулы разнообразной архитектуры и создавать соединения, обладающие полезными свойствами.

Работа химика-синтетика требует кропотливого поиска оптимальных условий синтеза, для чего приходится проводить сотни экспериментов по кристаллизации. Для соединений, которые не разрушаются на воздухе, кристаллизацию проводят в обычных банках (вверху). Для получения веществ, которым требуется инертная атмосфера, используется вакуумная камера (внизу)

Известно, что молекулы соединяются между собой связями различного типа и образуют сложные структуры по вполне четким и ясным правилам. Кирпичики, строительные блоки, из которых создается сложная конструкция, обязательно должны соответствовать друг другу геометрически и функционально. Там, где в одном фрагменте есть углубление, для обеспечения эффективного соединения в соседнем фрагменте должна быть выпуклость, подходящая по размеру и форме. И чем больше в каждом строительном блоке таких пригодных для сцепления мест, тем надежнее, прочнее и устойчивее вся конструкция.

Изучением процессов образования из отдельных молекул более сложных структур занимается особая наука – супрамолекулярная химия (от лат. supra – выше, над).

За пределами молекул

Термин «супрамолекулярная химия» ввел в 1978 г. выдающийся французский ученый, лауреат Нобелевской премии в области химии Ж.-М. Лен. Впоследствии он был определен как «…химия за пределами молекулы, описывающая сложные образования, которые являются результатом ассоциации двух (или более) химических частиц, связанных вместе межмолекулярными силами».

Если классическая химия имеет дело с реакциями, в которых происходят разрыв и образование химических связей, то объектом изучения супрамолекулярной химии служат межмолекулярные взаимодействия (например, водородные связи или электростатические силы). Она охватывает явления из различных областей науки: органической и координационной химии, физической химии, биологии, физики, микроэлектроники – и благодаря их взаимному обогащению имеет широкий спектр возможностей.

Объекты классической химии – молекулы, а объектами супрамолекулярной химии являются супермолекулы и супрамолекулярные ансамбли. Что это такое?

Супермолекулы представляют собой отдельные образования, возникающие за счет межмолекулярной ассоциации определенного числа компонентов. Считают, что супермолекулы представляют собой по отношению к молекулам то же, что молекулы по отношению к атомам, причем роль ковалентных связей в супермолекулах играют межмолекулярные взаимодействия. Супрамолекулярные ансамбли – системы, возникающие в результате спонтанной ассоциации неопределенно большого числа компонентов. В результате образуется фаза, обладающая уникальной пространственной организацией и физико-химическими свойствами.

Кукурбитурил – органическое соединение семейства макроциклических кавитандов состава С₆nH₆nN₄nO₂n.Формой он напоминает тыкву (Cucurbitaceae), от латинского наименования которой и получил свое название, а по сути представляет собой «бочку» без дна и крышки. Ее высота – 0,6 нм, максимальный внутренний диаметр – 0,5 нм, атомы кислорода карбонильных групп образуют два одинаковых входа/выхода с ван-дер-ваальсовым диаметром 0,42 нм. Размеры внутренней полости кукурбитурила достаточны, чтобы в ней могла поместиться небольшая органическая молекула

Исследования, направленные на создание супрамолекулярных материалов с использованием в качестве строительных блоков супермолекул-кавитандов, идут в ведущих лабораториях мира. В России работают научные школы академиков А. И. Коновалова, А. Ю. Цивадзе, М. В. Алфимова, чл.-кор. С. П. Громова. В новосибирском Институте неорганической химии СО РАН развивается оригинальное направление – супрамолекулярная неорганическая химия. Супрамолекулярные структуры строятся из органических блоков – молекул кукурбитурилов и неорганических – фрагментов комплексов металлов

Супрамолекулярные ансамбли представляют собой сложные конструкции определенной архитектуры. Они строятся самопроизвольно из комплементарных фрагментов аналогично самопроизвольной сборке сложнейших пространственных структур в живой клетке. Подбор условий для такой сборки приводит к получению материалов с новыми интересными свойствами.

Нужно отметить, что молекулярная химия не тождественна химии соединений, имеющих наноразмеры (1 нм = 10–9 м). На взгляд обычного человека, имеющего дело с сантиметрами и метрами, различия между ними могут показаться незначительными, но с точки зрения химика они поистине огромны. Для сравнения: размер атомного ядра составляет 10–15 м – в миллион раз меньше наноразмерных соединений! Поэтому методы синтеза, разработанные для относительно малых молекул и позволяющие с высокой степенью надежности получать желаемые соединения, нельзя перенести на наноразмерные молекулы.

Игра в ансамбле

Остановимся подробнее на строительных блоках, используемых для получения супрамолекулярных ансамблей. И органические макроциклические соединения (в том числе кукурбитурил), и относительно большие одно- и многоядерные комплексы металлов легкодоступны, растворимы и устойчивы в водных растворах минеральных кислот. Все эти структуры соответствуют друг другу по геометрическим размерам и координационным возможностям, что обеспечивает высокую эффективность связывания при образовании супрамолекулярных соединений.

Выбор подобных строительных блоков относительно больших размеров для создания новых веществ обусловлен тем, что в супрамолекулярных ансамблях отдельные молекулы удерживаются за счет межмолекулярных взаимодействий, каждое из которых в целом значительно слабее, чем ковалентные связи в самой молекуле. И высокая эффективность суммарного связывания отдельных блоков обеспечивается взаимодействием сразу нескольких центров.

Кукурбитурил был впервые получен в 1905 г. немецким химиком Р. Берендом, однако методы того времени не позволили правильно определить его состав и структуру. Только сравнительно недавно строение кукурбитурила было надежно установлено методом рентгеноструктурного анализа. Оказалось, что молекула напоминает тыкву или бочку, в области дна и крышки которой располагаются порталы – по шесть атомов кислорода сильно поляризованных карбонильных групп. Размеры внутренней полости кукурбитурила позволяют ему принимать «гостя» – небольшую органическую молекулу или ион.

Бесконечные молекулярные цепочки из молекул кукурбитурила и катионов металлов представляют собой молекулярные трубы – благодаря атомам кислорода порталов кукурбитурила, захватывающим катионы металла между «бочками»

Кукурбитурил имеет сильную тенденцию к координации различных частиц, что делает его удобным исходным реагентом для синтеза супрамолекулярных соединений. Например, атомы кислорода порталов кукурбитурила обладают чрезвычайно высокой способностью связывать ионы металлов. В результате молекулы кукурбитурила выстраиваются друг над другом, чередуясь с катионами металла, и образуют бесконечные полимерные цепи – настоящие молекулярные трубы.

Координация между двумя атомами осуще­ствляется за счет неподеленной пары электронов одного атома (донора) и свободной орбитали другого атома (акцептора), отличаясь от обычной ковалентной связи только происхождением связующих электронов. Донорно-акцепторный механизм часто реализуется при комплексообразовании

Подобные высокоупорядоченные гибридные материалы с большими каналами, форму и размер которых можно контролировать, используют для процессов тонкой очистки, разделения и выделения веществ, супрамолекулярного катализа и оптоэлектроники.

Простота в получении, стабильность в растворах минеральных кислот, термическая устойчивость (кукурбитурил не разлагается при нагревании до 400 °С!), высокая способность к кооперации с другими частицами – все это делает кукурбитурил наиболее предпочтительным для создания супрамолекулярных соединений по сравнению с другими широко используемыми макроциклическими соединениями.

Крышку на бочку!

Итак, у нас имеется кукурбитурил – отличный строительный блок в виде «бочки» без дна и крышки. Где же взять «крышку», которая бы хорошо подходила по размеру, вступая с кукурбитурилом в межмолекулярные контакты? Причем, чем больше таких взаимодействий, тем лучше бы «крышка» удерживалась?

Удачным вариантом оказалось использование четырехъядерных комплексов лантаноидов. Их строение хорошо известно – это искаженный куб, в вершинах которого расположены атомы металла и кислорода гидроксильных групп. Из двух молекул кукурбитурила и одного четырехъядерного комплекса металлов за счет координации атомов кислорода к атомам металлов можно получить «сэндвич».

Экспериментальные исследования подтвердили, что размеры получаемой таким образом «крышки» хорошо соответствуют размерам «бочки», а координированные к металлу молекулы воды действительно способны к образованию системы водородных связей с кукурбитурилом, что и требуется для образования прочных супрамолекулярных соединений.

Магнитные мешалки (на переднем плане) используются для синтеза соединений при перемешивании и нагревании, вакуумная система (позади) – для соединений, требующих инертной атмосферы

Что можно построить из полученных супермолекул – образований, достаточно прочных благодаря множественным водородным связям? Строительные блоки из «сэндвичевых» молекул очень удобны для конструирования более сложных структур. Например, при дополнительном введении в реакцию серебра -«сэндвичи» превращаются в зигзагообразные «цепи». Еще более удивительна структура «пчелиных сот», в углах которых находятся 13-ядерные аквакомплексы алюминия, связанные с молекулами кукурбитурила. Этот размер строительных блоков – вовсе не предельный. К примеру, синтезированы кристаллы, в которых аналогичным «кирпичиком» кристаллической структуры является 32-ядерный галлиевый аквакомплекс.

Гостеприимная молекула

Выше уже упоминалась способность гостеприимного «хозяина» кукурбитурила включать в свою внутреннюю полость небольшие молекулы «гостей». Соединения включения – так называются соединения, образованные включением молекул одного сорта («гостей») в полости кристаллического каркаса из молекул другого сорта («хозяина»), при этом между «гостем» и «хозяином» нет специфических химических связей помимо ван-дер-ваальсовых взаимодействий и водородных связей. Известно, что такие явления включения играют исключительно важную роль в самых разнообразных процессах – от дыхания растений и ферментативного катализа до анестезии и формирования залежей природного газа.

Малая органическая молекула, атомы которой показаны шарами большего размера, включена в полость «бочки». Атомы металла образуют тетраэдры Ln₄. За счет координации четырех атомов кислорода порталов к двум атомам металла противоположных ребер тетраэдра Ln₄ (по два атома О на каждый Ln) две молекулы кукурбитурила и один четырехъядерный комплекс образуют «сэндвич». «Сэндвичевые» молекулы удобны для конструирования более сложных структур, например зигзагообразных «цепей»

Гидрофобность полости кукурбитурила, а также наличие «крышки» создают очень благоприятные условия для включения и удержания «гостя» внутри молекулы.

Так, добавление в реакционный раствор пиридина или цианопиридина приводит к образованию супрамолекулярного соединения, в котором эти малые органические молекулы включены в полость кукурбитурила. Это происходит несмотря на то, что ван-дер-ваальсов радиус молекул-гостей (0,59 нм) несколько больше внутреннего диаметра входного отверстия кукурбитурила (0,42 нм). Однако образование соединения включения настолько выгодно, что в условиях реакции образующие порталы атомы кислорода, по-видимому, отклоняются от своих позиций и впускают «гостя» во внутреннюю полость. Включение приводит к небольшим искажениям как молекулы гостя, так и кукурбитурила.

Образование водородных связей помогает упорядочить расположение таких больших строительных блоков, как полиядерные аквакомплексы. Одним из ярких представителей подобных комплексов является 13-ядерный аквакомплекс алюминия ε-Al₁₃. Его можно представить в виде усеченного тетраэдра, каждая из четырех гексагональных плоскостей которого образована атомами кислорода ОН-групп и молекул Н₂О. Расположение этих лигандов очень хорошо соответствует форме и размерам порталов кукурбитурила согласно принципу комплементарности

В полость кукурбитурила также могут быть включены другие относительно малые молекулы (например, тетрагидрофуран, бензол, диоксан).

Изучение механизма включения «гостей» в полость молекулы «хозяина» не только представляет интерес с точки зрения фундаментальной науки, но и вносит существенный вклад в развитие исследований по такой актуальной проблеме, как транспорт и адресная доставка в организме различных веществ, в том числе лекарств. С помощью супрамолекулярных подходов можно направленно конструировать молекулярные контейнеры для терапевтических средств пролонгированного действия. Поместив в полость органических макроциклических соединений сильнодействующие лекарственные препараты, можно избирательно доставить их в определенные органы и ткани человека и в нужный момент просто «открыть крышки».

Уникальный 32-ядерный аквакомплекс галлия имеет размер примерно два нанометра. В кристалле такие огромные, по меркам молекул, строительные блоки чередуются с молекулами кукурбитурила, соединяясь с ними через систему водородных связей между атомами кислорода дна и крышки «бочек» и гидроксо- и аквалигандами на поверхности поликатиона. При этом в полости «бочек» включены малые органические молекулы пиридина, атомы которых показаны шарами большего размера

В последнее время разработаны методы синтеза кукурбитурилов более крупных размеров – «бочек» большего диаметра, имеющих по 7, 8 и более атомов кислорода порталов с каждой стороны. Такие молекулы очень перспективны – большее количество атомов кислорода может обеспечить образование большего числа водородных связей и, соответственно, в результате образуются более прочные супрамолекулярные соединения. Крупные молекулярные контейнеры смогут вмещать в себя и более крупных «гостей», что открывает уникальные возможности.

Супрамолекулярные комплексы получают в виде красивых кристаллов из смеси концентрированных растворов исходных соединений. Развитая система водородных связей прочно удерживает строительные блоки вместе. Основным мотивом в кристалле является структура, напоминающая пчелиные соты и состоящая из шести аквакомплексов ε-Al₁₃ и шести молекул кукурбитурила. Поликатионы расположены по углам «сот», связывая три соседних кольца

Таким образом, три основные функции супермолекул: молекулярное распознавание, превращение и транспорт – позволяют рассматривать супрамолекулярную химию как устойчивый фундамент создания наноразмерных устройств, а также новых гибридных материалов для процессов тонкой очистки, разделения и выделения веществ, супрамолекулярного катализа, оптоэлектроники и создания лекарств пролонгированного действия.

Литература

Лен Ж.-М. Супрамолекулярная химия. Концепции и перспективы. Новосибирск: Наука, 1998.

Майничева Е. А. (Коваленко), Герасько О. А., Шелудякова Л. А. и др. Синтез и кристаллическая структура супрамолекулярных соединений полиядерных аквагидроксокомплексов алюминия (III) с кукурбитурилом // Изв. РАН. Сер. хим. 2006, Т. 55, № 2. С. 261—268.

Майничева Е. А. (Коваленко), Трипольская А. А., Герасько О. А. и др. Синтез и кристаллическая структура комплексов Pr(III) и Nd(III) с макроциклическим кавитандом кукурбитурилом // Изв. РАН. Сер. хим. 2006. № 9. С. 1511—1517.

Freeman W. A. , Mock W. L., Shih N.-Y. Cucurbituril // J. Am. Chem. Soc. 1981. Vol. 103. P. 7367.

Lehn J.-M. Supramolecular che¬mistry – receptors, catalysts, and carriers // Science. 1985. Vol. 227. P. 849.

Lehn J.-M. Supramolecular che¬mistry – scope and perspectives molecules, supermolecules, and molecular devices // Angew. Chem. 1988. Vol. 100. P. 91; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1988, Vol. 27. P. 89.

Работа выполнена по гранту Президента РФ МК-1029.2011.3.

Автор также благодарит за финансовую поддержку фонд «Династия».

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments