11 месяцев назад
Нету коментариев

А. В. БОГАТ СКИЙ,

академик АН УССР

Еще недавно то, о чем будет сказано ниже, могло казаться лишь фантазией. С юности мы усваиваем из школьного курса химии, что сернокислый барий в воде практически нерастворим, а бензол не смешивается с водой и всегда образует с ней двухфазную систему, но…

Представим себе, что мы находимся в современной химической лаборатории. Экспериментатор насыпает в стакан сернокислый барий, добавляет к нему обычную дистиллированную воду, немного какого-то белого по­рошка, и на наших глазах происходит удивительное со­бытие: бариевая соль серной кислоты растворяется в водной среде. Вскоре на дне стакана не остается ни грана соли, раствор становится гомогенным. Экспери­ментатор берет другой стакан, наливает в него воду, добавляет к ней бензол и мы наблюдаем знакомые два слоя.. И снова добавляет в стакан какое-то вещество и опять на наших глазах происходит чудо: два слоя исче­зают, образуется гомогенный раствор бензола в воде.

Чудес, конечно, не бывает. Экспериментатор демон­стрировал достижения современной химии макроциклов, успешно развивающейся в последние годы. Именно мак­роциклы позволили провести эти красивые и на первый взгляд таинственные опыты.

В 1955 г. ученый из ФРГ Г. Брокманн открыл новый антибиотик — валиномицин. Этим веществом занялись в различных лабораториях мира, в том числе и в Мо­скве. В лаборатории академика М. М. Шемякина (Ин­ститут биоорганической химии АН СССР) ими занялся молодой сотрудник, будущий академик, и вице-прези­дент АН СССР Ю. А. Овчинников. В 1963 г. была уста­новлена химическая формула валиномицина, а в 1969 г. — его пространственная структура (рис. 1), Оказалось, что это необычное макроциклическое соеди­нение: его молекула устроена так, что представляет со­бой своеобразную ловушку для иона калия. Валиноми­цин способен захватывать этот ион в свою внутреннюю полость и сравнительно крепко удерживать его, Кроме того, удалось доказать, что валиномицин способен пере­носить ион калия через биологические мембраны в ор­ганизме.

Строение антибиотика валиномицина...

Строение антибиотика валиномицина…

Вещества, подобные валиномицину, относят к груп­пе мембранно-активных комплексонов, или ионофоров, соединений, совершивших переворот в ряде отраслей человеческого знания. Вскоре за валиномицином были найдены и другие подобные вещества природного про­исхождения: нонактин, эннатин и г. д. Все они пред­ставляют собой нейтральные макроциклические соеди­нения, обладающие удивительной способностью эффек­тивно связывать ионы. Сами молекулы таких соедине­ний нейтральны, а вот ионы, включенные во внутрен­нюю полость молекулы-носителя, удерживаются там благодаря взаимодействию с несколькими полярными группировками, входящими в состав макроцикла. Ком­плексы, образуемые нейтральными макроциклами с ионами металла, заряжены, но ионы в них экранированы от взаимодействия, с растворителем и противоионами (ионами противоположного знака). Все это придает та­ким комплексам особые, уникальные свойства: способ­ность растворяться в неполярных растворителях, в пер­вую очередь в жирах, проникать сквозь биологические и искусственные липидные мембраны.

Советская школа химиков — основательница этого нового научного направления. Советские биоорганики, изучающие ионофоры природного происхождения и мо­лекулярные механизмы действия биологических мем­бран, занимают ведущее место в мире. Благодаря от­крытию ионофоров сделай новый, принципиально важ­ный шаг в решении на молекулярном уровне сложней­шего вопроса физико-химической биологии — в позна­нии механизма переноса ионов через биологические мембраны. Исследование и применение ионофоров позволили Ю. А. Овчинникову разработать исключительно важную теорию двух механизмов переноса ионов через биологические мембраны: с помощью ионофоров и посредством передвижения ионов по специальным встроен­ным в мембрану молекулярным каналам. Природа этих каналов сложнее, чем природа ионофоров, но принци­пы их построения сходны (рис. 2).

Схема, показывающая один из механизмов переноса ионов металлов через биологические мембраны...

Схема, показывающая один из механизмов переноса ионов металлов через биологические мембраны…

За эти выдающиеся фундаментальные открытия ака­демик Ю. А. Овчинников и член-корреспондент АН СССР В. Т. Иванов были в 1978 г. удостоены Ленин­ской премии.

Интерес к ионофорам во всем мире — велик. Совре­менники видят в этом научном направлении одну из важнейших страниц замечательной книги познания са­мых сокровенных тайн природы. Многочисленные науч­ные лаборатории, объединения, университеты, промыш­ленные фирмы и проектные организации включились в эту работу во многих странах. Как часто бывает в на­уке, впечатляющие успехи в области изучения ионофо­ров природного происхождения вызвали у химиков стремление смоделировать эти вещества, попробовать сконструировать модели попроще, но сохраняющие ос­новные черты природных ионофоров. Так возникла хи­мия синтетических макроциклов (макрогетероциклов).

Большинство полученных к настоящему времени синтетических ионофоров принадлежит к одному из двух типов. Первый из них — макроциклические полиэфиры. Подобные вещества называют краун-эфирами или коро­нами. Название было дано по внешнему сходству этих веществ со стилизованным изображением короны.

К другому типу синтетических ионофоров относятся макрогетеробициклические соединения, получившие на­именование криптандов (от греческого слова, означаю­щего пещеру, тайник).

Сейчас синтетических ионофоров получено очень много, и их число быстро растет, хотя все они в конеч­ном счете либо моноциклы, как краун-эфиры, либо би­циклические соединения, как криптанды. Среди них по­являются все более сложные структуры — плоды фан­тазии химических архитекторов и результат работы вир­туозов органического синтеза: «корзины», «щетки», «ось­миноги» и т. п. (рис. 3).

Полициклический, полиэдрический макроцикл...

Полициклический, полиэдрический макроцикл…

По устройству молекул и их свойствам краун-эфиры и криптанды похожи на валиномицин и его аналоги, по­этому их можно рассматривать как модели природных ионофоров. Они, конечно, дешевле и проще в изготовлении, хотя преуменьшать трудности их получения не стоит. Только химики конца XX в., вооруженные мощ­ной техникой, могут решать задачи синтеза, изучения механизма действия и путей применения макроциклов. Синтетическими ионофорами широко занимаются прак­тически в большинстве высокоразвитых стран мира: в СССР, США, ФРГ, Франции, Японии, Польше, Венгрии и др.

Макроциклические ионофоры природного происхож­дения и их синтетические аналоги широко используют в биологических исследованиях. Они позволяют решать не только важнейшие теоретические, но и чисто практиче­ские задачи. Например, на их основе в животноводстве были созданы эффективные добавки к кормам, которые регулируют обмен ионов и таким путем значительно улучшают усвоение корма животными. Некоторые ионо­форы оказались мощными пестицидами, высокоспеци­фичными и не загрязняющими окружающую среду. И здесь их действие связано с влиянием на ионный обмен, на проницаемость биологических мембран.

В последние годы начали вырисовываться новые очень перспективные области применения макроциклов, что вызвало большое внимание к ним не только хими­ческой, но и других отраслей промышленности. Их с успехом, применяют для экстракционного и хроматографического разделения ионов металла и солюбилизации солей в органической фазе; для разделения смесей цен­ных веществ, которые не удается разделить другими методами; для очистки отходов производства; в каче­стве специфических и высокоэффективных катализато­ров, позволяющих значительно понизить затрату энер­гии на осуществление химических процессов; как новые высокоэффективные и удобные реагенты; для разделе­ния стереоизомеров и воздействия на, пространственную специфичность химических реакций; для создания высо­коселективных ион-чувствительных датчиков и получе­нияионообменных и подобных им материалов.

Даже этот список возможных приложений химии макрогетероциклов впечатляет своей широтой и богат­ством возможностей. Использование этих реагентов приводит к разработке принципиально новых техноло­гических процессов, а значит — решению таких задач, которые раньше наука не могла решить. Вот лишь не­сколько примеров.

С конца 90-х годов прошлого века известно, что не­которые реакции, которые как будто должны идти, не проходят из-за пространственных затруднений, из-за не­благоприятного расположения в пространстве реагирую­щих группировок атомов. Классическим примером та­кой реакции была реакция омыления (гидролиза) слож­ного эфира орто-ортодиметилбензойной кислоты:

В этом случае метальные группы загромождают про­странство около карбометоксильной группы СООСН3, не давая молекулам едкого кали к ней приблизиться, по­этому обычная и типичная для сложных эфиров реак­ция гидролиза, или омыления, не происходит.

Механизм реакции омыления эфиров довольно сло­жен, реакция проходит через несколько стадий, в ходе которых образуются ионы, ионные пары. В присутствии же макроциклов эта реакция осуществляется легко, эфир орто-ортодиметилбензойной кислоты омыляется почти со 100%-ным выходом:

Возникает вопрос: почему? Может быть, неверны пред­ставления о пространственных влияниях? Ответ прост­В присутствии макроцикла молекулу эфира атакуют не­сольватированные гндроксильные ионы. Они меньшего размера, чем сольватированные, и поэтому атака удает­ся. Таким образом, удалось обойти пространственные препятствия, уменьшить объем атакующего реагента. Такой же подход можно использовать и в других реак­циях. Больше тою, такого типа процессы поддаются ма­тематическому анализу!

Окисление органических веществ всегда было слож­ной задачей. Как правило, эта реакция сопровождает­ся побочными процессами, а отсюда — невыгодность та­ких технологических операций. А в присутствии макро-циклов окисление происходит гладко и почти со 100%-ным выходом — благодаря тому, что макроцик­лы комплексуют катион, и химическую атаку осуществ­ляет несольватированный анион (в то время как дей­ствие сольватироваиных анионов не специфично и за­висит от степени сольватации):

Благодаря использованию краун-эфиров или других макроциклов легче стало получать некоторые фторорга­нические соединения, что еще недавно было очень слож­ным делом. Вот схемы двух реакций, ставших возмож­ными только потому, что краун-эфиры захватывают В свою внутреннюю полость ионы калия, и анионы фтора могут атаковать соответствующее вещество (без краун-эфира этот процесс затруднен). Ионная реакция заме­ны хлора на фтор проходит легко:

Как видим, огромные возможности, макроциклов позволяют создавать принципиально нозые химико-тех­нологические процессы.

Теперь, когда читатель получил общее представле­ние об этих необычных соединениях, можно объяснить те «чудеса», с описания которых мы начали свой рас­сказ. Сернокислый барий растворился в воде потому, что к нему был добавлен краун-эфир, хорошо комплек­сующий ион бария. Этот ион захватывается во внутрен­нюю полость молекулы краун-эфира, и образуется ион­ная пара: роль катиона в ней играет барий вместе с макроциклом, в полости которого он находится («кон­тейнерный» катион), а роль аниона — SO42-. Сам же краун-эфир в воде растворим, благодаря чему растворяется и «контейнерный» катион (рис. 4).

Условная схема захвата двухвалентного катиона Ва...

Условная схема захвата двухвалентного катиона Ва…

Не обошлось без синтетических ионофоров и во вто­ром примере — с бензолом и водой. Только в этом слу­чае был использован криптанд, обладающий споюсобно­стью захватывать в свою внутреннюю полость молеку­лы воды. В бензоле, следовательно, растворялась не сама вода, а своеобразный «пирожок» — кристанд с во­дяной начинкой (рис. 5).

Схема, показывающая возможность захвата молекулы воды во внутреннюю полость криптанда...

Схема, показывающая возможность захвата молекулы воды во внутреннюю полость криптанда…

Другой пример. Если осуществить реакцию обхва­та иона натрия криптандом (А), то образуется сложный катион (Б), который можно назвать «супертяжелым» катионом щелочного металла. Если бы взаимодействую­щий с ним анион был электроном, то такое соединение можно было бы назвать очень большим «щелочным ме­таллом» с низким потенциалом ионизации. Как показал французский химик Ж. М. Лен, такой «металл» должен обладать сильными окислительными свойствами и иметь почти свободный электрон. В эксперименте было пока­зано, криптанд (А) сильно увеличивает растворимость щелочных металлов во многих органических раствори­телях (например, бензоле, толуоле). При низкой исход­ной концентрации (А) растворы содержат катионы (Б) и сольватированные электроны, а также свободные лиганды (А). При дальнейшем растворении электроны ис­чезают и появляются анионы щелочных металлов (Na, например), которые можно рассматривать как, продукт окисления атома металла сольватированным анионом (Б).

Соли, содержащие катион (Б) и анион Na, выделе­ны. Это красивые блестящие, похожие на металл, кри­сталлы золотистого цвета.

В нашей стране работы в области макроцнклов идут во многих лабораториях и институтах. На Украине та­кие работы проводятся в Институте органической химии АН УССР; в Институте физико-органической химии и углехимии АН УССР, в Институте физической химии имени Л. В.Писаржевского АН УССР. Физико-химиче­ский инстиут АН УССР в Одессе — один из центров та­ких исследований, причем у нас проблемы химии макро­циклов составляют главное направление работы инсти­тута, охватывая все его отделы. Уже сейчас сделано не­мало нового и интересного как в области синтеза (по­лучение новых краун-эфиров, криптандов и им подоб­ных, веществ, изучение их стереохимии и свойств), так и в применении макроциклов на практике. Например, группа наших исследователей во главе с Н. Г. Лукьяненко осуществила «прививку» макроцикла на неорга­ническую матрицу. К кристаллической решетке неорганического вещества был химически присоединен краун-эфир. Ситуация напоминает гамак, повешенный между двумя деревьями. Такие краун-эфиры оказались хоро­шими катализаторами многочисленных химических ре-акций, причем катализаторами многократного действия и к тому же легко регенерирующими (рис. 6).

Дибенз-18-краун-6...

Дибенз-18-краун-6…

Заметим, что в этом проявилась аналогия с иммо­билизованными ферментами. Нетрудно понять, что та­кие новые системы составляют основу для оригиналь­ных видов хроматографии, новых типов молекулярных сит и т. д.

Можно без преувеличения сказать, что химия и тех­нология макроциклов — это та новая область знания, возникшая и развивающаяся на стыке ряда наук, кото­рая способна внести принципиальные изменения в са­мые различные технологические процессы.

Будущее химии макроциклов перспективно. Во-пер­вых, все шире будет развиваться и применяться сугубо теоретический подход к решению задач направленного синтеза ионофоров. Математическое моделирование спе­цифических макроциклов для комплексообразования с ионами и молекулами сейчас делает лишь первые шаги. Учет не только стерических (пространственных), но и влектронных факторов позволит значительно продвинуть­ся вперед в этом направлении. Моделирование, в свою очередь, откроет новую перспективу для синтеза.

Во-вторых, исключительно интересны разнообразные Новые возможности применения макроциклов. О некото­рых из них говорилось выше. Следует, однако, иметь в виду: то, что сделано до сих пор, — лишь самые пер­вые шаги на пути реального внедрения в науку и тех­нику макроциклов.Макроциклы будут играть ведущую роль в решении разнообразных задач — от создания минимизированных электронных схем до производства лекарств типа «магической пули», доставляемых си­стемой мембранного транспорта к пораженному органу.

В-третьих, для осуществления всех теоретических и практических целей следует ожидать большого разви­тия молекулярного конструирования (молекулярного дизайна) ионофорных структур (в том числе не только циклических) для решения задач комплексирования и переноса ионов и молекул. Расцвет синтеза таких струк­тур на основе молекулярного дизайна и математическое го моделирования еще впереди.