СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ

Учебно-методическое обеспечение для подготовки кадров по программам высшего
профессионального образования для тематического направления ННС «Нанобиотехнологии»
________________________________________________________________________________
Комплект 1
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МАГИСТРОВ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
ЧАСТЬ 1. ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙ
НОУДПО «Институт «АйТи»
2008 г.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение .....................................................................................................................................5
Лекция 1. Клатраты и интеркалаты .........................................................................................10
Лекция 2. Поданды, краун-эфиры, криптанды........................................................................29
Лекция 3. Кавитанды. Циклодекстрины..................................................................................64
Лекция 4. Каликсарены и кукурбирурилы ..............................................................................76
Лекция 5. Ротоксаны и катенаны.............................................................................................89
Лекция 6. Инженерия кристаллов..........................................................................................101
Лекция 7. Самосборка в супрамолекулярные ансамбли.......................................................118
Лекция 8. Молекулярные машины ........................................................................................135
Лекция 9. Методы исследования супрамолекулярных ансамблей.......................................152
Лекция 10. Супрамолекулярная химия в Интернете.............................................................158
4

Введение
Супрамолекулярная химия – это химия за пределами молекул. По своей направленности
супрамолекулярная химия является следующим шагом на пути усложнения изучаемых систем
от молекул к организованным полимолекулярным системам, удерживаемым вместе
нековалентными взаимодействиями. Интенсивное изучение супрамолекулярных комплексов
связано с тем, что такие соединения зачастую обладают перспективными свойствами:
сверхпроводимостью, каталитической и ионообменной активностью, ярко выраженной
анизотропией электрических, магнитных и оптических свойств. Свойства таких материалов во
многом определяются слабыми межмолекулярными взаимодействиями в системе гость-хозяин.
Таким образом, актуальной задачей является изучение принципов организации
супрамолекулярных образований. В основе таких принципов лежит требование
комплементарности между двумя подструктурами супрамолекулярных неорганических
архитектур, то есть требование геометрического и энергетического соответствия между гостем
и хозяином. Особый интерес с этой точки зрения вызывают супрамолекулярные ансамбли, в
которых обе составляющие – хозяин и гость – электрически заряжены. Именно при
формировании таких объектов решающую роль играют взаимодействия гость-хозяин. Иными
словами, установление взаимосвязи кристаллического и электронного строения таких
образований, выявление их свойств и природы взаимодействия гость-хозяин позволит
направлено создавать материалы с уникальными структурными и физическими свойствами.
Супрамолекулярная химия охватывает разнообразные явления в органической и
координационной химии, физической химии, биологии, физики, микроэлектроники и т.д.
Благодаря их взаимному обогащению эта наука обладает широким спектром возможностей и
привлекает все больше ученых из самых разных стран. В последние годы часто проводятся
международные семинары, лекции, школы и конгрессы, посвящаемые данной области.
Постоянно растет число публикаций, обзоров, монографий. Огромный интерес вызвала
изданная в 1995 г. книга Лена “Супрамолекулярная химия. Концепции и перспективы”,
переведенная в 1998 г. на русский язык.
Данное пособие состоит из двух частей, предназначенных для изучения курса в двух
семестрах. Первая часть содержит необходимые вводные сведения и молекулярные основы
супрамолекулярной химии. Вторая часть полностью посвящена супрамолекулярным аспектам.
Особенности наноматериалов в свете строения вещества
Все окружающие нас предметы, жидкости и газы образованы атомами немногим более
сотни химических элементов. Атомы связываются между собой различными типами связей.
Несмотря на различие, все химические связи определяются электронами, а точнее - их
распределением. При этом каждый вид химической связи обладает специфическими
свойствами, отражающимися на свойствах веществ.
Ковалентная связь. Наличие ковалентной связи определяет однозначность ближайшего
окружения рассматриваемого атома, которое позволяет рассматривать этот атом и атомы его
ближайшего окружения как строительные блоки вещества.
Особенность ковалентной связи – ее насыщенность. Вследствие этого свойства
ковалентной связи атомы могут образовывать обособленные структуры - молекулы или
бесконечные трехмерные структуры. Общая возможная особенность вещества в этом случае –
неплотная упаковка атомов в пространстве, позволяющая существование сквозных или
обособленных полостей различного размера и конфигурации. Молекулы в твердом и в жидком
состояниях удерживаются так называемыми межмолекулярными связями, из которых
насыщаемостью обладает только водородная связь. На свойствах веществ макромолекулярного
строения в значительной мере сказывается возможность конформационных переходов
(внутримолекулярных вращений); в этом случае можно различать состояние веществ по
степени кристалличности.
5

Ионная связь. Ионы притягивают противоположно заряженные частицы вне
зависимости от направления и их числа. И, несмотря на то, что ионы (обычно анионы, как
частицы, имеющие больший размер) стремятся занять возможно меньший объем, образуя
полотнейшие шаровые упаковки, на границе таких образований ионные силы не
скомпенсированы, т.е. ненасыщены. По энергии ионная связь сопоставима с ковалентной (от
100 до 350 кДж/моль).
Химическую связь в металлах (металлическую связь) можно рассматривать как
делокализованную ковалентную с отсуствием жестких условий по типу гибридизации. Такой
характер связи придает веществу свойство ненасыщенности, определяющей (обычно) высокую
реакционную способность поверностых атомов металлов.
Межмолекулярные – дисперсионные, ориентационные и индуктивные взаимодействия в
значительной мере ненаправлены и ненасыщаемы.
Ион-дипольные взаимодействия, которые в некотором смысле можно отнести к
межмолекулярным (хотя одна из частиц не является молекулой), объясняют гидратацию ионов
полярными молекулами воды; этот вид взаимодействий имеет высокий энергетический
потенциал (50-200 кДж/моль), что обеспечивает растворение в воде (или в ионом полярном
растворителе) ионных кристаллов; причем движущей причиной растворения является в данном
случае энтропийный фактор.
Диполь-дипольные взаимодействия (5-50 кДж/моль) заметно слабее приведенных выше,
но в ряде случаев вклад этих взаимодействий может быть одним из определяющих. Этот тип
взаимодействий не относится к числу геометрически однозначно детерминированных, но
ориентация в целом опоределяет величину энергии.
Водородная связь (4-120 кДж/моль) относится к числу важнейших,
структурообразующих связей, особенно в супрамолекулярной химии. В ряде случаев между
частицами может существовать не одна водородная связь, а несколько, причем в ряде случаев
это справдливо и для одного атома, который может образовывать две водородные связи (атом
килорода в молекуле воды в структуре льда). Это еще более усиливает структурируемость
веществ в конденсированном состоянии. Обычны водородные связи в молекулах, содержащих
связи О-Н, N-H или F-H, но при наличии сильных электроноакциепторных групп может
проявиться кислотность и С-Н связей, например, для нирометана.
Координационные взаимодействия во многих случаях аналогичны обычным донорноакцепторным
взаимодействия. Но существуют и особенности, не описываемые обычными
методами валентных связей. Так не особые трехцентровые связи объясняют строение
некоторых карбонильных кластеров, в которых молекула СО всегда выступает как
монодентатный лиганд, при этом может входить в состав внутренней координационной сферы
не только одного атома (а), но и (как мостиковый лиганд) - двух (б) и даже трех атомовметалла.
O
O
M C O
C
C
a)
M
б)
M
M
M
в)
M
Катион-π-взаимодействия (5-80 кДж/моль). Хорошо известно, что катионы
переходных металлов, в отличие от непереходных имеющих валентные d-орбитали, образуют
комплексы с соединениями, имеющими π-электронные системы, такие как ферроцен –
Fe(C 5 H 5 ) 2 , соль Цейзе – [PtCl 3 (C 2 H 4 )] - . Но энергия взаимождействия и иона К+ с бензолом в
газовой фазе не отнисится к незначительным – 80 кДж/моль (при сильватации этого катиона
одной молекулой воды высвоборждается 75 кДж/моль). Взаимодействия неметаллических
катионов, например. RNH 3 + , с двойной связью можно рассматривать как разновидность
водородной связи X-H··π.
6

π-π-стэкинг взаимодействия (0-50 кДж/моль). Это слабое электростатическое
взаимодействие часто происходит между ароматическими кольцами, когда одно из них имеет
повышенную электронную плотность, а другое – пониженную. Существует два крайних
основных типа π-стэкинга: «плоскость к плоскости» или «торец к плоскости»:
Впрочем, особый вариант стэкинга флавилиевых ионов объясняет многообразие окрасок
цветков и плодов растений за счет антоцианов.
Под силами Ван-дер-Ваальса (< 5 кДж/моль) в иностранной литературе понимают
слабое электростатическое взаимодействие, возникающее благодаря поляризации электронных
облаков из-за соседства близлежащих ядер – взаимодействия, в основном называемые
дисперсионными в традиционной российской литературе. Эти силы характеризуются
отсутствием направленности. Они компенсируются (при сближении) силами отталкивания
(обменно-отталкивающие силы) и они не направлены. Размеры наночастиц указаны на рисунке
(выше).
Определение и особенности супрамолекулярной химии
Термин “супрамолекулярная химия” введен в 1978 г. выдающимся французским
химиком, лауреатом Нобелевской премии 1987 г. Ж.-М. Леном и определен им впоследствии
как “химия за пределами молекулы, описывающая сложные образования, которые являются
результатом ассоциации двух (или более) химических частиц, связанных вместе
межмолекулярными силами”. Последующее бурное развитие молодой науки в большой мере
было обусловлено ее междисциплинарным характером; основные этапы развития
супрамолекулярной химии представлены ниже.
Год Автор Открытие
1948 Г. Пауэлл Клатраты
1963 Ч.Дж. Педерсен Открытие краун-эфиров
1967 Ч.Дж. Педерсен Синтез и изучение краун-эфиров
1968 Ж.-М. Лен Синтез криптандов
1973 Ж.-М. Лен Появление термина "супермолекула"
1978 Ж.-М. Лен
Введение термина "супрамолекулярная химия" и ее основных
понятий
1981 Огино, Охата Синтез ротаксанов с использованием циклодекстринов
1983 Д.Дж. Крам Синтез сферандов и кавитандов
1987 Ж.-М. Лен Введение понятий "самоорганизация" и "самосборка"
1987
Ж.-М. Лен,
Ч.Дж. Педерсен,
Д.Дж. Крам
Нобелевская премия по химии
"за определяющий вклад в развитие химии
макрогетероциклических соединений, способных избирательно
образовывать молекулярные комплексы типа хозяин – гость"
1992 Дж. Стоддарт Получение катенанов с использованием циклодекстринов
7

Объекты классической химии - молекулы, объекты супрамолекулярной химии -
супермолекулы и их ансамбли. Можно сказать, 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».
Существуют серьезные различия между молекулярной химией и химией больших
(нанометровых размеров) соединений.
Супрамолекулярные ансамбли представляют собой сложные конструкции определенной
архитектоники. Они 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. Подобно тому, как традиционная химия с
помощью химических связей из ограниченного набора элементов создает бесконечное
многообразие молекул, так супрамолекулярная химия с помощью невалентных взаимодействий
из одних и тех же молекул создает разнообразные олигомолекулярные образования
(″супермолекулы″) и полимолекулярные ассоциаты (″супрамолекулярные ансамбли″). Ряд
авторов к невалентным взаимодействиям относит и ″нековалентные″ взаимодействия,
например, лабильные координационные связи. В супрамолекулярной химии определяющую
роль играют размер и форма или геометрическая комплементарность молекул, а не их
реакционная способность. ″Супрамолекулярные″ принципы позволяют объединить
координационно-насыщенные молекулы, не вступающие в химическое взаимодействие друг с
другом, в новые химические объекты, обладающие индивидуальным набором физических и
химических свойств.
Круг объектов исследования супрамолекулярной химии очень широк.
Межмолекулярные взаимодействия определяют структуру молекулярных кристаллов —
огромного класса органических веществ, молекулы которых образованы с помощью
ковалентных связей.
Для молекулярных кристаллов А.И. Китайгородским был выведен так называемый
принцип плотной упаковки, определяющий закономерности их образования. В основе этого
принципа лежит стремление молекул в кристалле наиболее эффективно заполнить
пространство, что обеспечивает наибольшее количество энергетически выгодных
межмолекулярных ван-дер-ваальсовых контактов.
Для частиц, имеющих несферическое строение, принцип плотнейшей упаковки
предполагает такую коплементарность строения молекул, чтобы ″выступ″ на одной из них
приходился на ″впадину″ другой. Принцип плотной упаковки очень важен для молекулярной
биологии, поскольку он хорошо объясняет структуру биоорганических молекулярных
комплексов. В 1984 г. Э. Фишером для высокоспецифичных ферментативных реакций был
введен аналогичный принцип ″ключ к замку″, означающий геометрическую
комплементарность рецептора и субстрата. Комплементарность обеспечивает множественность
межмолекулярных взаимодействия, что позволяет обеспечить устойчивость таких структур,
несмотря на относительно небольшое значение энергии отдельных межмолекулярных
взаимодействий.
Эта же идея лежит в основе такого важного для биохимии и биотехнологии раздела
хроматографии, как аффинная хроматография, предполагающая иммобилизацию рецептора на
сорбенте. При пропускании по слою такого сорбента сложной смеси органических молекул на
рецепторах сорбируются только соответствующие субстраты.
Подобного типа идея объясняет сорбционное разделение энантиомеров на хиральных
сорбентах, поскольку только для одного из оптических изомеров реализуется трехточечная
адсорбция. Это обеспечивает большее удерживание соответствующего энантиомера, т.к. для
его зеркального изомера на этом сорбенте возможна только двухточечная адсорбция.
Типичными супрамолекулярными системами являются соединения включения
(клатраты) — соединения, образованные включением молекул одного сорта (молекул-гостей)
в полости, образованные молекулами другого сорта (молекулами-хозяевами). В
мономолекулярных соединениях включения (кавитантах) полость образована одной
8

молекулой хозяина, тогда как в классических клатратах полость образуется в кристаллической
структуре коллективом молекул хозяина. В любом случае между молекулами гостя и хозяина
нет химических связей, а роль химической реакционной способности играет пространственная
комплементарность гостевой и хозяйской подсистем.
Особое развитие получила химия соединений включения макроциклических молекул. В
1967 г. Ч. Педерсен выделил и описал первый циклический полиэфир, или краун-эфир. Краунэфиры
стали первыми молекулами-лигандами, образующими координационные соединения с
катионами щелочных металлов. Такие соединения получили название клатрато-комплексов,
поскольку в этом случае структура и стабильность ассоциата определяются как химическим
взаимодействием (координацией), так и пространственной комплементарностью гостя и
хозяина. Позднее Ж.-М. Лен и Д. Крам развили идею полициклического лиганда, создав
криптанды (молекулы, с трех сторон ограничивающие координационную полость) и сферанды
(молекулы с жесткой геометрией координационной полости). Создание макроциклических
молекул-рецепторов дало толчок к синтезу и изучению свойств сложных лигандов, способных к
селективному улавливанию (распознаванию) молекул и ионов.
Среди других видов макроциклических молекул-хозяев особое развитие получили
исследования циклодекстринов и каликсаренов, связанные с возможностью их использования
в качестве рецепторов и переносчиков органических молекул и ионов. Циклодекстрины нашли
широкое применение в медицине, косметике, пищевой и других отраслях.
В 1960-х гг. Г. Шиллом был осуществлен направленный синтез молекулярных
соединений, молекулы-компоненты которых связаны без химической связи: это катенаны
(механически связанные макроциклические молекулы), ротаксаны (механически связанные
макроциклическая и продетая в нее линейная молекула с объемными концевыми группами) и
узлы (макроциклическая молекула в форме узла). Химия этих надмолекулярных ассоциатов
приобрела особое значение в связи с открытием катенановых и ротаксановых ДНК, а также
молекулы РНК с узлом.
Большое число исследований посвящено дендримерам — каскадным макромолекулам с
ветвистой трехмерной структурой. Дендримеры способны выступать в качестве компонентовхозяев,
искусственных ферментов и элементов физических устройств.
Благодаря ярко выраженной надмолекулярной структуре, ряд жидких систем проявляет
свойства, присущие твердым соединениям. Таковы жидкие кристаллы, жидкие клатраты и
гели. Жидкие кристаллы играют особую роль в биологических системах. Все природные
мембраны включают в себя вещества, способные образовывать с водой жидкокристаллические
структуры (например, различные липиды). В жидкокристаллическом состоянии были получены
такие элементы биологических информационных систем, как ДНК и РНК.
С развитием экспериментальных методов и навыков ″инженерии молекул″ в особое
направление выделилось создание супрамолекулярных машин и приборов. Эти устройства
молекулярного размера способны выполнять механические, электрические, фотохимические и
другие действия подобно их макроскопическим аналогам — моторам, переключателям,
мускулам и т.д.
9

Лекция 1. Клатраты и интеркалаты
1.1. Строение и свойства клатратов
Клатраты (от лат. clathratus - защищенный решеткой) (соединения включения),
образованы включением молекул, называемых "гостями", в полости кристаллического
каркаса, состоящего из молекул другого сорта, называемых "хозяевами" (решетчатые
клатраты), или в полость одной большой молекулы-хозяина (молекулярные клатраты).
Среди решетчатых клатратов в зависимости от формы полости различают:
газовые гидраты,
клеточные (криптатоклатраты), например, клатраты гидрохинона,
канальные (тубулатоклатраты), например, клатраты мочевины и тиомочевины
слоистые (интеркалаты), например, соединения графита.
Молекулярные клатраты подразделяются на:
кавитаты, имеющие полость в виде канала или клетки, например, соединения
циклодекстрина с I 2 или амилазы с I 2 ,
адикулаты, у которых полость напоминает корзину.
Белковые клатраты называют клатринами.
Решетчатые клатраты существуют только в кристаллическом состоянии,
молекулярные - также и в растворе. Часто не все полости хозяина заполнены молекулами
гостя.
При допущении, что хозяин имеет стабильную α-модификацию (с химическим
потенциалом μ α ) и метастабильную клатратную β-модификацию, в полостях которой
может находиться по одной молекуле гостя, а на ее химический потенциал (μ β ) не влияет
природа гостей, степень заполнения полостей (y) для неполярных гостей определяется из
соотношения:
[ ln(1 ) y
2
RT y U ]
,
где v - число полостей, приходящееся на одну молекулу гостя, U - энергия взаимодействия
гость-гость. Термодинамическая стабильность клатратов обеспечивается благоприятным
расположением молекул в полостях каркаса, вследствие чего слабые межмолекулярные
взаимодействия приводят к выигрышу энергии в 20-50 кДж/моль при образовании
клатратов по сравнению с энергией компонентов в свободном состоянии.
Вещества, которые в настоящее время рассматривают как соединения включения,
первыми, по-видимому, наблюдали А. Кронстедт, открывший в 1756 г. цеолит стильбит, и
Дж. Пристли, в 1778 г. обнаруживший «аномальный лед», оказавшийся гидратом
SO . 2 10H 2 O. В 1785 – 1786 гг. Б. Пелетье и В. Карстен, а в 1811 г. Г. Дэви наблюдали
образование кристаллов при охлаждении газообразного хлора, впоследствии (в 1823 г.) М.
Фарадей установил, что это Cl . 2 10H 2 O, однако структура данного гидрата была
установлена лишь в 1952 г. М. Штакельбергом и Г. Мюллером.
Природа соединений включения долгое время оставалась загадкой. Определяющая
роль ван-дер-ваальсовых взаимодействий при образовании ″смешанных кристаллов″ была
отмечена русским химиком Б.А. Никитиным в 1936—1938 гг. при исследовании
соединений благородных газов с водой и фенолом. Понимание соединений включения как
нового типа организации химической материи стало возможно только благодаря
рентгеноструктурным исследованиям. В 1947—1948 гг. Г. Пауэлл определил структуры
соединений включения гидрохинона с SO 2
и другими газами. В 1948 г. Пауэлл
опубликовал основополагающую работу, в которой впервые ввел термин ″клатрат″ и
сформулировал новый принцип образования соединения между двумя компонентами —
не за счет химических связей, а за счет их пространственной комплементарности.
10

Работы Пауэлла и сформулированные им концепции клатратной химии дали
начало осознанным исследованиям надмолекулярных образований и в конечном итоге
привели к возникновению супрамолекулярной химии как новой области знаний.
С позиций принципа плотной упаковки образование соединений включения
характерно для молекул-хозяев, которые не могут быть плотно упакованы в собственной
фазе. Примером такой структуры является алмазоподобная решетка, в которой существует
значительное количество тетраэдрических и октаэдрических пустот (рис.1.1).
Рис.1.1. Некоторые тетраэдрические и октаэдрические пустоты в алмазоподобной решетке
Образование этих пустот обусловлено sp 3 -гибридизацией (тетраэдрической
координацией) каждого из атомов. Плотная упаковка за счет самих атомов такого типа
(или молекул) в таком случае невозможна, поэтому она достигается заполнением
молекулами-гостями полостей рыхлого каркаса, образованного молекулами-хозяевами
(клатраты гидрохинона, клатратные гидраты, соединения включения мочевины, клатраты
три-о-тимотида, гекса-хозяева и др.). Движущей силой процесса включения является
большая термодинамическая устойчивость упорядоченной фазы соединения включения
по сравнению с механической смесью исходных компонентов, т.е. определяющим
является энтропийный фактор.
Между молекулами гостя и хозяина может не быть никаких взаимодействий, кроме
ван-дер-ваальсовых (как, например, в газовых гидратах). Но часто между гостями и
хозяином, кроме ван-дер-ваальсовых взаимодействий, имеются слабые связи типа
водородных (например, клатратная молекула гексагидрата уротропина связана с каркасом
клатрата тремя водородными связями). Соединения с координационной связью между
гостем и хозяином, например, комплексы краун-эфиров и криптандов, называются
клатратокомплексами.
Наиболее благоприятные для образования клатратов характеристики хозяина -
объемность и направленность связей при малых координационных числах атомов, их
образующих (например, в каркасах из тетраэдрических группировок). Поскольку длины
связей Si—О—Si и О—Н—О приблизительно одинаковы, гости в клатратном гидрате и в
клатрате на основе SiO 2 (клатрасил) могут быть одними и теми же. Например, известны
клатратный гидрат и клатрасил метана кубической сингонии (а = 1,2 нм); но различаются
эти соединения термической устойчивостью. Клатраты аналогичных структур образуют
Ge и Si (алмазоподобная модификация) со щелочными металлами.
Известны клатраты на основе комплексных соединений, например, в соединении
Шеффера [Cd(4-CH 3 C 3 H 4 N) 4 (NCS) 2 ] . 0,67(4-CH 3 C 5 H 4 N) . 0,33H 2 O 4-метилпиридин является
одновременно и лигандом и гостем.
11

Способность гостя к клатратообразованию в основном определяется размером и
формой его молекул, а не их химической природой. Если внедряемые молекулы по
размерам намного меньше размера полости, то энергии дисперсионных взаимодействий
может быть недостаточно для стабилизации таких соединений. Так, водород (Н 2 ) вообще
не образует клатратов, а при увеличении размеров атомов при переходе от аргона к
ксенону давление, при котором образуются гидраты, уменьшается от 1.013·10 7 Па до
1.013·10 5 Па при 0 о С, а для хлора в тех же условиях требуется еще вдвое меньшее
давление.
Гостями могут быть как молекулы, так и ионы. Например, в клатратном гидрате
(изо-C 5 H 11 ) 4 NF . 38H 2 O гость-катион, а хозяин - каркас, построенный из молекул воды и
анионов F - . В гидрате HPF . 6 6H 2 O гость - анион PF - 6. Если каркас хозяина имеет полости
разного типа, то возможно включение двух или нескольких типов гостей одновременно.
Частичное или полное заполнение полостей гостями подходящего размера приводит к
дополнит. стабилизации клатратного каркаса. Например, Т пл. клатратного гидрата
ТГФ . 17Н 2 О равна 5.1 °С, а двойного гидрата ТГФ . Н 2 S . 17Н 2 О выше на 16 градусов 21.3 o С.
Возможны и более сложные виды клатратообразования, когда молекулярные
клатраты, сами являясь гостями, заполняют полости или слои в решетке другого. хозяина.
Образование клатратов может быть использовано при синтезе стереорегулярных
полимеров (полимеризация в каналах клатратов), в хроматографии, для хранения газов и
высокотоксичных веществ, защиты легкоокисляющихся на воздухе соединений,
опреснения морской воды, разделения соединений, близких по свойствам, но
отличающихся геометрией молекул (включая оптические изомеры), и др.
1.2. Гидраты газов (газовые клатраты)
Одна из низкотемпературных структур льда характеризуется невысокой
плотностью заполнения пространства, вследствие чего лед легче воды. Эта структура
может быть легко представлена как гексагональная решетка, в которой удалены слои
плотной упаковки через 2 слоя; она содержит большое количество пор, которые могут
быть заполнены молекулами-гостями:
Гексагональная структура (ГПУ) … - A – B – A – B – A – B – A – B – A – …
Структура льда
… - A – B – × – B – A – × – A – B – × – …
В такой структуре существует большое количество полостей, рис.1.2.
Рис.1.2. Фрагмент структуры льда
Однако в случае воды (льда) в образовании клатратов чаще участвуют другие
метастабильные модификации льда кубические и более рыхлые (плотность 0.79 г/см 3 ),
чем обычная. Тетраэдрическая координация в структуре льда и гибкость водородной
связи по длине и углу позволяют строить из молекул воды рыхлые и близкие по энергии
структуры, из которых наиболее устойчивой при обычных условиях является структура
льда Ih (обычный лед). В ней все длины связей и углы между ними практически
12

одинаковы и равны 2,76 Å и 109,5 о . Но, несмотря на связанный с этим очень низкий для
твердого тела коэффициент упаковки (k = 0,43; напомним, что при плотнейшей упаковке
шарообразных молекул одного размера k = 0,74), полости в этой структуре невелики и
могут включать в себя разве лишь такие малые молекулы, как Н 2 и Не. При небольших
искажениях длины водородных связей и углов между ними может сравнительно с
небольшими потерями энергии образоваться еще ряд структур, как более плотных, чем
лед Ih (льды высокого давления), так и более рыхлых (клатратные каркасы). Эти
каркасные структуры в большинстве своем имеют полиэдрическое строение. Самым
выгодным полиэдром является пентагондодекаэдр (D-полость), так как угол в нем между
Н-связями (108 о ) мало отличается от тетраэдрического и даже ближе к валентному углу в
104,5 о , характерному для молекул воды в свободном состоянии. Тем не менее, в
клатратных каркасах D-полость не может оставаться одна, (из-за наличия в ней оси пятого
порядка, не позволяющей ей полностью заполнять пространство) и вынуждена сочетаться
с энергетически менее выгодными полостями. Из них наиболее часто встречаются 14- и
16-гранные полости, реже - 15- и 20-гранники с 12 пентагональными и 2, 4, 3, 8
гексагональными гранями соответственно. Эти полости часто условно называют
большими полостями в отличие от додекаэдра и D'-полости, называемых малыми
полостями.
Более рыхлые модификации льда образуются при кристаллизации воды в
присутствии достаточного количества некоторых газов. Одна из таких модификаций на
каждые 46 молекул H 2 O содержит 6 пустот с диаметром 5.9 Å и 2 пустоты с диаметром 5.2
Å. Заполнение всех пустот молекулами газа (X) приводит к составу Х·5.75Н 2 О, а
заполнение только более крупных – к составу Х·767Н 2 О. Другая (реже встречающаяся)
структура на каждые 136 молекул воды содержит 8 пустот размером 6.9 Å и 16 пустот с
диаметром 4.8 Å. Заполнение всех пустот этой структуры приводит к составу Х·5.67Н 2 О, а
заполнение только крупных – к составу Х·17Н 2 О.
Каждая включенная в пустоту той или иной структуры частица Х оказывается
окруженной очень большим числом (10 – 28) молекул Н 2 О, т.е. попадает как бы в
«клетку», образованную этими молекулами. Благодаря аддитивности дисперсионных сил
общая энергия взаимодействия между подходящими по объему Х и окружающими
молекулами воды оказывается довольно значительным (порядка 25 – 420 кДж/моль Х),
что определяет устойчивость рыхлых структур, которые сами по себе неустойчивы.
Характерной особенностью таким продуктов соединения является определяющая роль
структурных возможностей «вещества-хозяина» (льда), тогда как «вещество-гость»
(например, инертный газ) включается лишь в меру этих возможностей. В общем случае
состав клатратов может быть переменным, но существует предел по количеству
захваченного вещества. В отличие от льда клатраты обладают большей плотностью по
сравнению даже с водой, поэтому оказываются на дне.
Обычно гидраты газов описываются округленными формулами - Х·6Н 2 О и Х·8Н 2 О.
Как правило, они принадлежат к первому типу (Х·5.75Н 2 О). Гидраты эти весьма
неустойчивы, что видно из приводимых в таблице 1.1. температур, при которых давление
диссоциации достигает 1.013 кПа.
Температура разложения гидратов газов
Таблица 1.1.
Х Ar Kr Xe CH 4 PH 3 N 2 O CO 2
Т о С -43 -28 -3 -29 -6 -19 -24
Состав аддуктов, как отмечали выше, не связан с химическими особенностями
«гостя», что нельзя отнести к его размеру или форме. Так, метан, пропан и изобутан
образуют клатраты, тогда как для н-бутана и других нормальных углеводородов клатраты
13

не получены. 1,2-дихлорэтан, имеющий вытянутую молекулу, гидрата не образует, а его
изомер – 1,1-дихлорэтан с более компактной молекулой – образует. Вообще, образование
клатратов возможно в том случае, если молярный объем жидкости не более 85 см 3 .
Составы типа Х·17Н 2 О более характерны для включаемых в лед молекул жидкости.
Примером может служить кристаллический гидрат хлороформа CHCl 3·17H 2 O.
Газовые гидраты являются твердыми кристаллические веществами, внешним
видом напоминающие снег или рыхлый лед. Вследствие отсутствия сильных химических
взаимодействий гидратообразующие вещества, будучи, заключенными в водный
клатратный каркас, в основном сохраняют свою химическую индивидуальность, равно как
и вода. Так, гидрат природного газа горюч – при его горении создается впечатление
пылающего комка снега, а после сгорания газа остается лужица воды.
В настоящее время повышенное внимание к этим соединениям обусловлено
открытием в 1969 году В.Г. Васильевым, Ю.Ф. Макогоном, Ф.А. Требиным, А.А.
Трофимуком и Н.В. Черским газовых гидратов в недрах Земли и появившейся затем
серией исследований, обнаруживших громадный резерв топлива в виде газовых гидратов
в недрах Земли и на дне Мирового океана, распространенных по всему миру и поэтому
доступных для большинства стран.
Сегодня запасы углеводородного сырья (в основном метана) в газогидратном виде
оцениваются как в 2·10 16 м 3 (для сравнения: кислорода в атмосфере ~ 8·10 17 м 3 ), что
заметно превышает запасы топлива на Земле во всех остальных видах, вместе взятых.
Есть основания предполагать широкое распространение газовых гидратов во Вселенной.
Имеющиеся данные свидетельствуют об условиях образования и существования гидратов
на всех планетах Солнечной системы, кроме Меркурия и Венеры, на некоторых спутниках
и астероидах.
Однако пристальное внимание газовые гидраты привлекают не только в связи с
использованием их как топлива и химического сырья, но и с обеспокоенностью тем, что в
результате выделения метана в атмосферу, как при разработке газогидратных
месторождений, так и при относительно небольших изменениях климатических условий,
близких к границе фазовой устойчивости газовых гидратов, неизбежно возникнут
серьезные экологические и климатические проблемы. Одна из возможных и наиболее
просматриваемая сегодня - глобальное потепление Земли, вызванное усилением
парникового эффекта, так как удельное поглощение метаном теплового излучения Земли
(радиационная активность) примерно в 21 раз выше, чем углекислым газом. Последствия
разрушения газовых гидратов могут быть катастрофическими: в ночь 21 августа 1986 года
внезапный выброс газов из озера Ниос (площадью 1,48 км 2 и глубиной 208 м),
расположенного в кратере потухшего вулкана Камерун, привел к гибели более 1700
человек и 3000 голов скота. Сероводород, сернистый газ, углекислый газ, метан и другие
газы, выделившиеся в результате разложения гидратов, создали смертельное облако
объемом 4-6·10 7 м 3 .
Основные компоненты воздуха, азот и кислород, прозрачны для теплового
излучения нагретой солнцем поверхности Земли. В то же время многие другие
атмосферные газы активно поглощают волны инфракрасного диапазона. Это их свойство
приводит к парниковому эффекту. В настоящее время ежегодно сжигается такое
количество топлива, для создания которого природе потребовалось полмиллиона лет. С
начала индустриальной революции (примерно с 1850 года) концентрация в атмосфере
углекислого газа, который вносит основной вклад (после паров воды) в потепление,
увеличилась на 25%. К середине XXI века ожидается увеличение этой концентрации еще
на 50%, что соответствует повышению приповерхностной температуры Земли на 1,5-
4,5 о C.
Следующий по величине вклад в потепление вносит метан - основной неводный
компонент природных газогидратов, концентрация которого в атмосфере примерно в 200
раз ниже, чем концентрация СО 2 . Однако, во-первых, теплопоглощаяющая способность
14

метана примерно в 21 раз выше, чем углекислого газа. Во-вторых, в ближайшие 50-60 лет
ожидается удвоение его концентрации. В середине прошлого века парниковый эффект от
метана составлял 6 % по отношению к эффекту, даваемому углекислым газом, сейчас он
составляет уже 10%, а через полвека достигнет 14%. Анализ воздуха, захватываемого
полярными льдами, показывает, что современный прирост концентрации метана в
атмосфере беспрецедентен за последние 160 тыс. лет.
Имеющиеся на сегодня упрощенные оценки изменения температурных профилей
земной коры приводят к следующим заключениям. Подводные газовые гидраты,
расположенные в пределах акватории Мирового океана, внутренних морей и озер,
опасений пока не вызывают. При любом развитии событий они останутся стабильными по
меньшей мере в ближайшую тысячу лет. Наибольшую опасность представляют гидраты,
которые уже сейчас находятся в метастабильном состоянии (в зонах вечной мерзлоты).
Особенно подвержены изменению климата газогидратные отложения континентальных
арктических шельфов. Благодаря поднимающемуся уровню моря они омываются водами
Северного Ледовитого океана и испытывают повышение поверхностных температур на
10 о и более в последние 10 тыс. лет. Количество метана, освобождающегося из этого
источника, уже сегодня составляет около 5,6·10 9 м 3 /год, то есть около 1% всех известных
источников атмосферного метана. Для этого источника газовых гидратов критической
является температура – 2.0 о C, выше которой перестает действовать эффект
самоконсервации и начинается обвальное разложение газовых гидратов. Выдвинута
интересная и достаточно хорошо аргументированная гипотеза, согласно которой
периодические потепления и оледенения на Земле вызваны разложением и образованием
газовых гидратов.
1.3. Клатраты мочевины
Простая органическая молекула, мочевина, как и ее серосодержащий аналог,
тиомочевина, образуют твердые клатраты с длинноцепными углеводородами типа н-
алканов. Мочевина способна действовать как хозяин благодаря сильным
межмолекулярным водородным связям между кислотными протонами NH 2 -групп и
атомами кислорода или серы соседних молекул. В результате образуется хиральная
спиральная полая трубка из молекул мочевины с минимальным ван-дер-ваальсовым
диаметром 5.5 - 5.8 Å, в которую могут войти гости с малым поперечным сечением. Такое
спиральное расположение позволяет каждой молекуле мочевины образовывать
водородные связи со всеми ее NH-протонами, максимизируя межмолекулярные
взаимодействия. Это означает, что каждый атом кислорода (или серы) должен принять
всего четыре водородные связи. Сходные, но большие каналы образует тиомочевина, что
позволяет включать разветвленные углеводороды, но не небольшие н-алканы (рис.1.3).
Рис.1.3. Стереоизображение одного канала мочевины как хозяина.
15

Хиральные ленты образованы молекулами мочевины за счет водородных связей
анти- N-Н····О и объединены водородными связями син-N-Н····О.
H N
H
O
N
H
H
Мочевина
Поскольку в молекулах мочевины нет никаких «резервных» водородных связей,
они предоставляют встроившимся гостям лишь однородную поверхность, что приводит к
слабому связыванию, часто в нестехиометрических соединениях; при этом могут
происходить значительные трансляционные и колебательные движения гостя в твердом
состоянии. Так, независимо от индивидуальности гостя, сохраняется гексагональная
симметрия решетки. Удаление гостя (например, внешним вакуумом) приводит к
немедленному разрушению каналов и образованию тетрагональной мочевины,
неспособной к включению и имеющей совершенно другую структуру.
Одна из главных причин интереса к соединениям включения мочевины состоит в
их возможном применении для разделения линейных и разветвленных углеводородов в
нефтехимической промышленности. Поскольку диаметр канала лишь ненамного
превышает ван-дер-ваальсов диаметр сечения линейной углеводородной цепи, для
осуществления реакции включения допустимо лишь незначительное разветвление.
Возможность мочевины образовывать данное соединение включения можно просто
оценить, сравнивая размер канала с диаметром соответствующего гостя. Например,
найдено, что молекула бензола шире, чем канал, и включение происходит с трудом.
Интересно, однако, что увеличение длины цепи допускает наличие больших, более
разветвленных концевых групп. Так, 1-фенилоктан в качестве гостя не образует
соединения включения, а намного более длинный 1-фенилэйкозан дает его. Измерение
равновесного давления пара показало, что энтальпия комплексообразования возрастает
примерно на 10.0 кДж·моль -1 при увеличении линейной цепи на одну СН 2 -группу.
Следовательно, дополнительная стабилизация, достигаемая при комплексообразовании
более длинного гостя, перевешивает неблагоприятные стерические взаимодействия с
концевой фенильной группой. В общем алкановые молекулы-гости проявляют
одномерное упорядочение, располагаясь вдоль канала мочевины, но структура в одном
канале никак не соотносится со структурой в соседних каналах. Об этом свидетельствует
диффузное рассеяние, наблюдаемое при дифракции рентгеновских лучей в образце.
син-
анти-
1.4. Интеркалаты графита
Интеркалаты (интеркаляты) (от латинского intercalatus - вставленный,
добавленный), соединения включения (клатраты), образующиеся в результате обратимой
реакции внедрения (интеркалации) какого-либо реагента в межслоевое пространство
кристаллическое вещество со слоистым типом структуры. Веществом - "хозяином" в
интеркалатах служат графит, дихалькогениды переходных металлов (например, TiS 2 ,
MoS 2 ), BN, МоО 2 , природные глины и др., "гостем" - атомы металла (щелочного, Сu, Ag)
или нейтральные молекулы, образующие дискретные двухмерные слои, разделенные
элементами структуры хозяина. В ходе интеркалации сохраняется целостность
кристаллической структуры хозяина, наблюдается лишь некоторое увеличение
межслоевого расстояния и параметров решетки. Формально интеркалаты можно
16

рассматривать как молекулярные комплексы с частичным переносом заряда или
перераспределением электронной плотности между гостем и хозяином, например:
M
Cn ; Li TiS 2 ; C 8 ( Al2Cl6
) n .
Как правило, энтальпии интеркалации невелики, во всяком случае, меньше ΔH 0 обр
хозяина и гостя. Тем не менее интеркалация всегда сопровождается существенным
изменением химических свойств, электронной структуры, электрических, магнитных и
спектральных характеристик. Так, интеркалаты могут иметь окраску, отличную от
окраски хозяина, и большую, чем у него, электрическую проводимость. Интеркалаты все
чаще рассматривают как идеальные объекты для изучения физики и химии двухмерного
состояния. Интеркалаты - перспективные электропроводящие вещества, сверхпроводники
при низких температурах, катализаторы, твердые электролиты, анодные и катодные
материалы в первичных и вторичных источниках тока, твердые смазки, селективные
сорбенты при разделении и очистке веществ, аккумуляторы Н 2 . Так, интеркалаты типа
MTiS 2 , где M - Li или Сu, - твердые электролиты; интеркалаты состава С n М, где М - Li или
К, обладают комплексом пиротехнических и каталитические свойств, например,
катализируют орто-пара-конверсию Н 2 . Существует принципиальная возможность
применения так называемых синтетических металлов – интеркалатов состава С n МСl x , где
М - Аl, Сu, Fe, Mo, W, - обладающих металлической проводимостью вдоль слоя и
плотностью в 2-3 раза меньшей, чем плотность Си или ее сплавов. Интеркалаты,
образовавшиеся путем внедрения Н 2 в кристаллические решетки интерметаллидов, напр.
TiFe, LaNi 5 , Mg 2 Ni, содержат слабосвязанные с металлической матрицей атомы Н.
Расчетная плотность Н 2 в таких соединениях в 1.5-2 раза превышает плотность жидкого
или кристаллического Н 2 , в связи с чем гидриды интерметаллидов начинают находить
применение в химической технологии и энергетике, в качестве катализаторов
гидрирования, аккумуляторов Н 2 , для трансформации различных видов энергии (атомной,
солнечной) в тепловую.
Углерод имеет несколько аллотропных модификаций, из которых наиболее
известны графит и алмаз. Можно упомянуть также карбин - линейные полимерные
цепочки (=С=С=С=) n или (-С≡С-С≡С-) n , фуллерены - сферические и эллипсоидальные
молекулы (например, С 60 и С 70 ), аморфный углерод (сажу, например). Графит - наиболее
стабильная при обычных условиях модификация, имеет ярко выраженное слоистое
строение. В слоях атом углерода прочно связан химической связью с тремя другими
находящимися на расстоянии 1,42 Å, угол С-С-С равен 120 о . Таким образом, плоский слой
представляет собой как бы паркет из правильных шестиугольников, в вершинах которых
расположены центры атомов углерода. Расстояние между слоями значительно больше -
3,35 Å, слои связаны друг с другом фактически лишь слабыми ван-дер-ваальсовыми
силами. Слои расположены таким образом, что половина атомов одного слоя находится
под центрами шестиугольников другого, а вторая половина - друг под другом, то есть в
графите два вида кристаллографически разных атомов углерода, (отмечены разной
заливкой на рис.1.4).
Слой Б
Слой А
Рис.1.4. Структура графита
17

В обычном гексагональном графите слои расположены точно один под другим
через один (чередование слоев АБАБАБ_). Обычный графит имеет гексагональную
элементарную ячейку с параметрами a = b = 2,464 Å, c = 6,701 Å; такая ячейка содержит
четыре атома углерода. Реже встречается ромбоэдрическая модификация, у которой
чередование слоев через два – АБВАБВ.
Каждый атом углерода образует связи с трема соседними атомами углерода в слое,
затрачивая на это 4 валентных электрона. Поэтому кратность связи 1,33 (длина одинарной
связи в алмазе равна 1,544 Б). Однако очень малая часть электронов (примерно 1 на 18 000
атомов) находится в зоне проводимости, формируя металлическую связь между слоями.
По этой причине металлическая связь вносит крайне небольшой вклад в энергетику
взаимодействия между слоями, которая определяется в основном ван-дер-ваальсовыми
силами, но существенным образом определяет свойства графита, такие, как
теплопроводность, которая в три раза превышает теплопроводность ртути,
электропроводность, которая соизмерима с металлической (0,1 от электропроводности
ртути), и характерный металлический блеск графита. Слоистость структуры определяет
ярко выраженную анизотропию свойств: электропроводность вдоль направления слоев на
два порядка выше, чем перпендикулярно им, и теплопроводность также гораздо (в пять
раз) выше в направлении параллельно слоям, коэффициент теплового расширения
перпендикулярно слоям примерно в 20 раз больше, чем параллельно им. И это понятно,
так как слабая связь между слоями легче расшатывается тепловым движением, чем
сильная химическая связь в слоях. Относительно слабая связь между слоями позволяет
широко использовать графит в качестве скользящих контактов для электрических машин,
делает графит удобным твердым смазочным материалом для нагретых частей установок и
двигателей (однако заметим, что при температурах порядка 2500 о С и выше графит в
значительной мере теряет свои смазочные свойства). С химической точки зрения графит
достаточно инертен: заметное окисление на воздухе начинается лишь при температуре
выше 500 о С и даже при воздействии такого агрессивного реагента, как фтор, при
комнатной температуре и давлении 5 кПа в течение 19 дней не наблюдалось никаких
изменений.
Указанные физические свойства вместе с химической стойкостью графита
позволяют использовать его в широчайшем диапазоне человеческой деятельности - от
приготовления красок и грифелей для карандашей (название "графит" произошло от греч.
grafy - писать) до сопел ракетных двигателей и замедлителей нейтронов в атомных
реакторах. Графит широко используют в химической промышленности для изготовления
теплообменников, трубопроводов для агрессивных сред, как наполнитель пластмасс,
материал для электродов разного назначения и многое, многое другое. Он является
неоценимым материалом в металлургии для изготовления плавильных тиглей, труб,
кристаллизаторов, чехлов для термопар и т.д. Однако, несмотря на свою достаточно
высокую химическую инертность, графит довольно легко дает так называемые
интеркалаты (слоистые соединения включения) и с гораздо менее химически активными
реагентами.
Название "соединения графита", а не карбиды или соединения углерода связано с
тем, что во многих реакциях графитовые слои не разрушаются и ведут себя как гигантские
молекулы, которые при разложении соединения сохраняют свою индивидуальность.
Графитовый слой может выступать как акцептор электронов при взаимодействии с
сильными восстановителями и, наоборот, как донор электронов при взаимодействии с
окислителями.
Соединения с избытком электронов в слое графита. Наиболее легко образуются
соединения с тяжелыми щелочными металлами (начиная с калия). Для этого достаточно
контакта графита с избытком жидкого или парообразного металла при температурах
порядка 300-500 о С. Открыты они были Фреденхагеном в 1926 году. Соединение калия с
графитом КС 8 имеет вид желтой бронзы и обладает гораздо более высокой
18

электропроводностью, чем сам графит. Реакции внедрения металла в межслоевое
пространство графита экзотермична, и выделение тепла возрастает в ряду К (360) - Rb
(486) - Cs (666 Дж/г графита).
Структурные исследования показали, что при внедрении атомов металла (М) слои
графита раздвигаются от d = 3.35 Å в графите до d = 5.40 Å (К), 5.65 Å (Rb) и 5.95 Å (Cs))
и смещаются таким образом, что становятся точно друг под другом (чередование
АМАМА). Такое смещение требует всего около 8 кДж/моль (атомов) и окупается
благоприятной геометрией. Гостевые атомы располагаются не беспорядочно, а как
показано на рис. 1.5, в на расстоянии 4,91 Å друг от друга. Стехиометрия при таком
расположении атомов (см. выделенную элементарную ячейку) составляет МС 8 .
В этом случае металл внедряется в межслоевое пространство в виде иона, отдавая
свой электрон в графитовый слой. Графит, таким образом, является макроанионом. При
понижении концентрации металла (давления паров) в исходной реакционной смеси
снижается и его содержание в соединении за счет как понижения концентрации в слое
(убирается каждый третий атом металла, сетка расположения ионов из треугольной
становится гексагональной и стехиометрия в слое становится МС 12 ), так и за счет
появления незаполненных слоев. Если слои металла отделены друг от друга двумя (тремя,
четырьмя и т.д.) слоями графита, то соединение называется соединением второй (n = 2)
(третьей, n = 3, четвертой, n = 4 и т.д.) ступени. Стехиометрия для соединения II ступени -
МС 24 , для III ступени - МС 36 , для IV ступени - МС 48 и т.д. Чередование слоев графита для
соединения II ступени таково: АМАБМБАМА, то есть через слой металла слои графита
расположены одинаково, а граничащие друг с другом смещены как в чистом графите.
Рис.1.5. Структура интрекалата графита МС 8
Соединения с литием и натрием. Расположение ионов лития в межслоевом
пространстве графита отличается от описанного выше для тяжелых щелочных металлов и
стехиометрия для соединений первой ступени LiC 6 . Поскольку ион лития маленький (r =
0,68 Å), графитовые слои раздвигаются незначительно (d = 3,73 Å) и расположение их
друг относительно друга такое же, как в графите. Непосредственно с графитом при
обычных условиях литий не взаимодействует. Для этого нужны высокие температуры (Т >
400 o С) и давления (Р > 10 кПа). Обычно соединения лития получают обработкой графита
раствором лития в аммиаке или метиламине. С натрием графит взаимодействует хуже
всего. Известны только соединения высоких ступеней (NaС 48 - NaС 64 ). Нужно, однако,
заметить, что при очень больших давлениях и температурах были получены фазы с
гораздо более высоким содержанием металла в графите (вплоть до LiC 2 , NaC 2 , MC 4-6 , где
М = K, Rb, Cs). При этом наблюдается явление "гнездования" гостевых ионов с некоторым
перекрыванием их сфер, очерченных ионными радиусами.
Соединения с другими металлами. Непосредственно щелочноземельные металлы
(Ca, Sr, Ba) и лантаниды (Sm, Eu, Yb) образуют соединения МС 8 в условиях, близких к
таковым для лития. Нагревание должно быть осторожным, так как перегрев ведет к
19

образованию карбидов. В этих случаях металл внедряется в виде иона. Прямым синтезом
с переходными металлами (Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo) по понятным причинам не удавалось
получить подобные соединения. Красивый обходной маневр предложили Ю.Н. Новиков и
М.Е. Вольпин. Они осторожно восстанавливали (водородом или лучше анион-радикалом,
например натрий-нафталином) слоистые соединения хлоридов соответствующих
металлов. Интересно, что для Fe 0 было получено соединение первой ступени с
межслоевым расстоянием 5.8 Å и это соответствует внедрению скорее свободного атома
железа с его ван-дер-ваальсовыми размерами. В некоторых случаях, однако, со временем
межслоевое пространство уменьшалось до 4.66 Å, и это авторы объясняют
взаимодействием гость-хозяин по типу образования p-комплексов.
Тройные соединения. Соединение КС 8 , имеющее цвет желтой бронзы, уже при
обычных условиях в атмосфере водорода медленно его адсорбирует и превращается в
соединение второй ступени КС 8 Н 2/3 , окрашенное в голубой цвет. В этом соединении
между двумя слоями графита, расположенными на расстоянии 8.53 Å, помещается
тройной гостевой слой – калий – водород - калий. Реакцией гидрида калия с
кристаллическим графитом удалось получить не только это соединение, но и фиолетовое
соединение первой ступени КС 8 Н 4 . Интересно, что давление десорбции подобных
дейтеридов в шесть раз выше, чем у гидридов, и в этом отношении интеркалаты графита
имеют преимущества перед гидридами металлов при разделении изотопов. Имеется также
сообщение о том, что при низких температурах (ниже - 180 о С) довольно быстро
сорбируются и водород и дейтерий, но при этом не наблюдается обменной реакции:
H 2 + D 2 ↔2HD,
и теплота сорбции составляет всего - 9 и 11 кДж/моль соответственно. И то и другое
свидетельствует о том, что в данном случае наблюдается обычная физическая сорбция в
отличие от описанной выше хемосорбции. Сорбционная способность КС 24 для Н 2
составляет 144 см 3·г -1 , что позволяет ему конкурировать с такими сорбентами, как
активированный уголь или цеолиты. При этом изотопный эффект в некоторых случаях
значительно выше, чем для синтетических цеолитов, использующихся для разделения
изотопов водорода в газовой хроматографии.
Аммиак и амины образуют синие соединения состава С 12 М(NH 3 ) 2 , в которых
толщина межслоевого пространства d = 6,6 Å не зависит от природы металла, но зависит
от природы амина (6,9 Å для метиламина и 8,5 Å для этилендиамина). Это и понятно,
поскольку размер молекул аминов больше размера катиона любого из рассматриваемых
металлов.
До середины 90-х годов не были известны соединения включения графита с
органическими молекулами в отличие от некоторых глин - слоистых силикатов
(например, монтморилонита) и слоистых дисульфидов (например, MoS 2 ). И связано это,
скорее всего, с тем, что только ван-дер-ваальсового взаимодействия недостаточно для
раздвижения слоев и образования соединений. Интеркалаты графита в значительной мере
образуются за счет переноса заряда от гостевой подсистемы к хозяйской или наоборот.
Однако соединения графита с щелочными металлами могут включать многие
органические молекулы, образуя тройные соединения. При этом взаимодействие между
металлом и органической молекулой играет важную роль. ТГФ и бензол легко
взаимодействуют с соединениями второй ступени МС 24 (M = K, Rb, Cs) и LiC 12 , образуя
соединения первой ступени. Бензол не взаимодействует с КС 8 , но включается в него
вместе с ТГФ, образуя уже четверное соединение К(ТГФ) 0,4 (С 6 Н 6 ) 0,4 С 8 . А вот удалить
бензол из этого соединения в отличие от ТГФ практически невозможно, и связано это с
тем, что бензол олигомеризуется в межслоевом пространстве с образованием не только
бифенила, но даже три- и тетрафенила. Аналогично при – 80 о С этилен обратимо
внедряется в CsC 24 , однако уже при 0 о С реакция становится необратимой благодаря
полимеризации.
20

Соединения с недостатком электронов в слое графита. При контакте графита с
газообразным или жидким бромом легко образуется соединение, состав которого можно
передать формулой С 8 Br. В этом соединении графит выступает в роли донора электронов.
Поэтому формула более правильна, так как указывает на то, что в межслоевое
пространство включается молекулярный бром с переносом одного электрона примерно на
каждые три молекулы брома. Казалось бы, хлор как более электроотрицательный элемент
должен образовывать еще более прочное соединение. Но аналогичное соединение с
хлором крайне неустойчиво и существует при очень низких температурах (- 78 о С). Иод
вообще не образует соединений с графитом, фтор хотя и взаимодействует с графитом, но
внедряется не молекула, тогда как молекулы ICl и IBr внедряются в межслоевое
пространство графита даже лучше, чем бром. В чем же дело? Очевидно, что не
химическая природа галогена определяет его реакционную способность в данном случае.
Картина проясняется, если мы вспомним, что расстояния между впадинами в центре
шестиугольников графитового слоя равно 2,46 Å, расстояния между атомами в Br 2 , ICl и
IBr равны 2.27; 2.40 и 2.49 Å, тогда как в молекулах F 2 , Cl 2 и I 2 межатомные расстояния
1.42; 1.99 и 2.67 Å соответственно, то есть либо слишком малы, либо слишком велики для
удобного расположения молекулы гостя между слоями графита. Более того, молекула
брома даже несколько растягивается при интеркаляции (расстояние между атомами в
молекуле брома увеличивается на 0.04 Å), приспосабливаясь таким образом к геометрии
межслоевого пространства.
Непосредственно фтор не взаимодействует с графитом при обычных условиях. Но
при повышенных температурах (350-630 о С) образуются нестехиометрические соединения
валового состава C х F (0,8 < x

пространстве, относить к хозяину, а не к гостю. Подобные фторграфитовые матрицы
кроме прямого фторирования графита могут быть получены из слоистых соединений
графита с фторирующими агентами, такими, как XeF 2 в HF, ClF 3 и др.
Соединения с галогенидами металлов. Гексафториды некоторых переходных
элементов, обладающие высоким сродством к электрону (PtF 6 , IrF 6 , OsF 6 ), образуют с
графитом соединения включения I ступени. С AsF 5 образуется аналогичное соединение по
реакции
3AsF 5 + 32C(графит) = 2C 16 AsF 6 + AsF 3 .
Хлориды железа (II) и (III), никеля, кобальта, марганца, меди, алюминия, галлия,
редкоземельных элементов в присутствии окислителя (обычно Cl 2 ) достаточно легко
образуют интеркалаты разных ступеней в зависимости от условий синтеза. Некоторые из
них, как соединения с хлоридом алюминия, легко разлагаются водой, другие, как
соединения с хлоридом железа, довольно устойчивы к ней.
Отметим, что известен целый ряд других интеркалатов графита, в том числе с
кислотами: бисульфат графита был открыт П. Шауфхейтлем в 1841 году.
1.5. Цеолиты
Цеолиты — это пористые алюмосиликаты, в которых обычно анионный каркас
сбалансирован катионами, как правило, расположенными внутри твердых полостей или
каналов, но их не заполняют – существует значительное количество пустот в структурах.
Общая формула цеолитов, согласно определению ИЮПАК, состоит из трех частей:
[A a B b C c ] [(Al d M e Si f )O g ] (xH 2 O, yN)
Катионы A, D и C Каркас Включенные гости
Каждому цеолиту присваивают также трехбуквенный структурный код,
описывающий топологию его каркаса (связность, размерность каналов и т.п.). Примеры
приведены в табл. 1.2, а наиболее распространенные структуры показаны на рис.1.6.
Таблица 1.2.
Характеристики топологии каркасов некоторых распространенных цеолитов
Код
Цеолит
структурного
типа тип формула
AFI AlPO 4 -5 Al 12 P 12 O 48 1D
FAU
LTA
MEL
MFI
Фожазит
Цеолит
Линде А
ZSM-11
ZSM-5
M 29 [Al 58 Si 134 O 384 ]·240H 2 O
(M = Na 2 ,Ca,Mg)
{Na 12 [Al 12 Si 12 O 48 ]·27H 2 O} 8
Na n [Al n Si 96-n O 192 ]·16H 2 O
(n < 16)
Na n [Al n Si 96-n O 192 ]·16H 2 O
(n < 27)
SOD Содалит Na 6 [Al 6 Si 6 O 24 ]·2NaCl -
Системы
каналов
3D
3D
3D
Окно поры,
диаметр
12-
членный
цикл
12-
членный
цикл
8-
членный
цикл
Эллипт.
10-
членный
цикл
Тип ячейки
Отсутствует
fau
sod
Отсутствует
3D То же Отсутствует
6-
членный
цикл
sod
22

Как правило, цеолиты — регулярные кристаллические соединения, хотя для них
обычны и дефекты, такие, как немостиковые атомы кислорода, вакантные участки или
большие поры, которые вносят свой вклад в реакционную способность этих материалов.
Кремний — основной элемент цеолитного каркаса, алюминий содержится в каркасе в
виде аниона (полимерного) тетраэдра с отрицательным зарядом, { AlO 4 } , который легче
всего замещается нейтральным кремнекислородным тетраэдром. В молекулу цеолита
могут быть включены и другие тетраэдрические структуры (с атомами Ge, Ga, Р, As и
т.п.).
Известно, что соотношение Si/Аl изменяется от единицы до бесконечности, это
соответствует минимальному требованию отсутствия связей Al — О — Al в любом месте
структуры; стабильны только связи Al — О — Si и Si — О — Si. На основании
соотношения Si/Аl цеолиты обычно подразделяют на две большие категории:
1. Цеолиты с низким или средним соотношением Si/Аl (< 5).
2. Цеолиты с высоким соотношением Si/Аl (> 5).
Цеолиты с очень высоким соотношением Si/Аl (стремящимся к бесконечности)
называют полностью кремниевыми молекулярными ситами, цеосилами или
поросилами. В присутствии алюминия поры могут быть заполнены некаркасными
катионами: катионами щелочных и щелочноземельных металлов либо органическими
ионами тетраалкил- или тетраариламмония. В порах могут также содержаться
органические молекулы или молекулы растворителя и воды в зависимости от условий
синтеза.
Рис.1.6. Топология типов микропористой структуры цеолитов
23

(а) – Содалит, (б) – тип Линде А, (в) фажазит (цеолит Х и Y), (г) - AlPO 4 -5 и (д) - ZSM-5
Роль цеолитов и цеолитных материалов в промышленности трудно переоценить.
Их используют для решения широкого круга проблем катализа и разделения, в частности
в нефтехимической промышленности. Основные области их применения: адсорбционное
разделение углеводородов, очистка газов и жидкостей, а также каталитический крекинг
длинноцепных углеводородов, осуществляемый для получения более ценных
короткоцепных гомологов. Цеолиты используют и как детергенты (умягчение воды) в
ионном обмене, и как молекулярные сита для обезвоживания органических
растворителей.
Известно около 60 природных цеолитов, например, бикитаит Li 2 [Al 2 Si 4 O 12 ] 2H 2 O,
геландит Ca 4 [Al 8 Si 28 O 72 ] 24Н 2 O и фожазит (Na 2 ,Ca,Mg) 29 [А1 58 Si 134 O 384 ] 240Н 2 O. Однако
многие из наиболее важных цеолитов, например ZSM-5, применяемый в нефтехимической
промышленности при производстве бензина, получают синтетически. Благодаря недавним
темплатным синтезам с использованием поверхностно-активных веществ стали
доступными очень интересные мезопористые материалы, такие, как МСМ-41 и МСМ-48,
которые имеют намного большие поры, чем традиционные микропористые материалы/
ZSM и МСМ означают «Zeolite Socony Mobil» и «Mobil Catalytic Material» соответственно.
Эти обозначения относятся к большому ряду обозначений, принятых для определенных
материалов, в особенности материалов промышленного значения, которые исторически
сложились раньше, но все еще используются. Многие полезные свойства цеолитов и их
химия объясняются наличием в их структурах каналов и полостей, которые включают
катионы металлов (уравновешивающие заряд анионного каркаса), воду и множество
других гостей. Ценность цеолитов заключается в том, что алюмосиликатные полости
достаточно прочны, для того чтобы гости могли проникать в каналы и покидать их, не
разрушая структуру хозяина. Вот почему цеолиты используют как молекулярные сита,
разделяющие катионных и молекулярных гостей по размеру или по адсорбционной
селективности, а также как реакционные сосуды для высокоселективных реакций внутри
каналов и полостей.
Химия включения цеолитов определяется размерами каналов и пор, а также
размером входов-окон, через которые осуществляется доступ к этим порам. В случае
содалита β-ячейки доступны только через четырех- и шестичленные циклы (кольца),
которые недостаточно велики для проникновения подавляющего большинства гостей.
Напротив, топология Линде типа А, хотя и основана на содалитовых ячейках, но
дополнительно содержит двойные четырехчленные спейсеры. В результате получаются α-
ячейки, с окнами из восьми циклов, образующих каналы с трехмерной структурой. Следуя
дальше, приходим к типу фожазита, когда ячейки содалита группируются тетраэдрически,
точно так же, как атомы углерода в алмазе, связываясь двойными шестичленными
циклами. В результате получается ячейка фожазита (fau), представляющая собой
трехмерную систему каналов с окнами из 12-членных циклов. Такой каркас очень
пористый и идеален для целей катализа, основанного на химии включения.
В противоположность топологиям SOD, LTA и FAU, структуры ZSM-5 и ZSM-11
основаны не на мотиве содалита. Это сложные структуры с каналами, имеющими окна из
10-членных циклов, в основе которых лежит мотив «оболочка» из шестичленных циклов;
в такой оболочке стенки канала состоят из конденсированных шестичленных колец.
Единственное различие между этими двумя структурами - наличие центра инверсии в
ZSM-5 и зеркальной плоскости в ZSM-11. В результате в ZSM-5 существуют один прямой
и один зигзагообразный каналы и только прямые каналы в ZSM-11. Тип AFI,
представленный цеолитом AIPO 4 -5, также основан на каналах. В чисто алюмофосфатных
цеолитах компоненты Al 3+ 3
и PO4
строго чередуются, образуя нейтральный каркас, в
котором имеются только циклы, содержащие четное число членов. Система пор
представляет собой одномерный канал с окнами из 12-членных циклов.
24

Цеолиты, приведенные в табл.1.2, — это примеры микропористых материалов,
названных так из-за относительно малых размеров их пор. В 1992 г. Сотрудники фирмы
«Мобил» сообщили о семействе цеолитов M41S, членами которого являются МСМ-41 и
МСМ-48. Эти материалы получены с участием поверхностно-активных молекул,
образующих мицеллы в растворе, которые темплатируют образование очень больших пор
(мезопоры). Цеолит МСМ-41 имеет одномерную гексагональную организацию открытых
каналов с размерами 15 — 100 Å, которые можно наблюдать с помощью просвечивающей
электронной микроскопии. МСМ-48 имеет поры диаметром -30 Å с трехмерной
кубической организацией.
1.6. Область применения супрамолекулярных соединений
Уже сегодня супрамолекулярные системы находят широкое применение в сорбции
и селективном катализе, рассматриваются в качестве наиболее перспективных кандидатов
для захоронения радиоактивных отходов и разработки лекарственных препаратов нового
поколения. Так, если помимо центров распознавания и связывания рецептор содержит
другие функциональные группы, то после образования супрамолекулярной системы он
может выступать в роли носителя, осуществляя направленный транспорт связанного с ним
субстрата в определенные области организма.
Одна из более «прагматичных» и приземленных областей применения
супрамолекулярных соединений – термоэлектрические материалы.
Над материалами, которые максимально могли бы охлаждать активный элемент,
ученые работают столько, сколько существует полупроводниковая электроника – основа
всех умных приборов. При этом от них пытаются добиться противоречащих друг другу
требований – хорошей электропроводности и аномально низкой теплопроводности, чтобы
тепло, похищенное у активного элемента электрическим током, отводилось в сторону и не
возвращалось обратно. О появлении по-настоящему мощных охлаждающих
термоэлектрических материалов в науке заговорили после того, как в начале 90-х годов
прошлого века появилась гипотеза американского ученого Слэка. Он не просто заявил о
вероятности создания веществ с парадоксальными свойствами, но даже прописал
механизм, по которому они могли бы работать. Термоэлектрики такого уровня могли бы
быть созданы на основе сложных химических соединений – супрамолекулярных
ансамблей из атомов двух типов – «хозяев» и «гостей». Молекулы хозяина представляют
собой решетку, построенную из прочных ковалентных связей. В ее пустотах
располагаются подвижные атомы или молекулы гостя, способные колебаться внутри
предназначенного для них объема. Их быстрое движение рассеивает фононы, которые
служат проводниками тепла, тем самым, снижая теплопроводность. При этом поведение
гостя никак не сказывается на электропроводности хозяина – ее обеспечивают электроны,
перемещающиеся по ковалентным связям каркаса. Благодаря тому, что объединенные в
один молекулярный ансамбль элементы действуют обособленно, появляется возможность
оптимизировать свойства каждого из них. Тип таких веществ Слэк назвал фононным
стеклом– электронным кристаллом.
Самая первая попытка показала, что такие вещества получить вполне реально:
первым подопытным стал щелочной металл натрий, заключенный в решетку из атомов
кремния, за ним последовал йод, помещенный в клетку, которая состояла из олова и
фосфора.
Перспективными термоэлектриками являются полупроводниковые клатраты. Их
особенностью является то, что каркас всегда несет на себе электрический заряд. В
большинстве соединений этот заряд отрицателен, то есть каркас служит полимерным
анионом. Естественно, для компенсации заряда необходимо присутствие катионов.
Поэтому в качестве атомов-гостей в кристаллическую решетку «приглашают» щелочные
металлы, за исключением лития, а также стронций, барий и европий.
25

В том случае, если каркас заряжен положительно, то гостями-анионами служат
галогены за исключением фтора, или теллур. В результате атомы гостя в клатратах
размещены в пустотах каркаса хозяина таким образом, что имеют очень много соседей на
больших расстояниях. Следовательно, их позиции в центре клатратного полиэдра не
слишком хорошо фиксированы, и эти атомы получают возможность двигаться внутри
ограниченного объема. Колебательное движение происходит с определенной частотой,
которая совпадает с частотой распространения фононов – носителей тепла. При этом
происходит резонансное рассеяние фононов, и тепло перестает распространяться по
кристаллическому твердому телу, как если бы это было стекло.
Чтобы синтезировать столь сложное по структуре и свойствам вещество, одних
химических реакций недостаточно – требуется учитывать много факторов, …. Впрочем,
вся дальнейшая информация – «ноу-хай» авторов. На сегодня в мире насчитывается
порядка семи научных групп, которые занимаются этим классом веществ, три из них
работают в США. Очень хорошие результаты достигнуты на данном направлении в
группе, возглавляемой профессором А.В. Шевельковым (химический факультет МГУ).
Сегодня полупроводники – востребованный и многоликий «товар». По данным
Ассоциации полупроводниковой промышленности, мировые продажи полупроводников
только за два первых месяца этого года превысили 40 миллиардов долларов. Что, впрочем,
неудивительно. Термоэлектрические материалы применяют для охлаждения процессоров
в современных ноутбуках и компьютерах, а потому даже небольшой прогресс в этой
области сулит серьезную выгоду.
Что говорить о супрамолекулярных клатратах, которые при их превращении в
полноценный материал могут произвести революцию. Для начала может появиться новая
область техники – супрамолекулярная электроника. То есть полупроводники нового
поколения смогут охлаждать активный элемент настолько, чтобы в ход шли
сверхпроводники – а значит, скорости, с которыми работают современные машины,
возрастут в разы.
Супрамолекулярным клатратам найдется применение и в быту. Дело в том, что
термоэлектрические материалы уже применяют в портативных холодильниках. Однако
они не способны охлаждать крупные камеры, так что по старинке в бытовых и
промышленных холодильниках используют хладагенты. Они же, по словам экологов,
наносят существенный вред окружающей среде, разрушают озоновый слой со всеми
вытекающими отсюда глобальными потеплениями. Заменив хладагенты
полупроводниковыми охлаждающими элементами, мы получим надежные, экологически
безопасные, да к тому же тихие холодильники, поскольку компрессор в этом случае тоже
не понадобится.
Известно, что сам графит обладает исключительно большим набором полезных
физико-химических свойств, которые позволяют широко использовать его в различных
областях человеческой деятельности. Способность графита включать ионы (атомы,
молекулы) разнообразных веществ позволяет в некоторых случаях существенно усилить
его полезные свойства. Интеркаляция, как правило, приводит к существенному
увеличению электропроводности. Так, проводимость C 24 ICl превышает проводимость
золота при одинаковых условиях. Это обусловлено ростом концентрации носителей тока
по сравнению с графитом при сохранении их высокой подвижности, связанной с
двухмерным характером явления переноса. Следовательно, очевидна перспективность
использования интеркалатов графита в качестве электропроводников, особенно если
учесть, что сейчас хорошо развито изготовление углеродных волокон и ведутся работы по
получению волоконных интеркалатов. Основной недостаток этих материалов на данном
этапе развития науки - неустойчивость их работы во времени.
Второе перспективное направление - это использование в качестве электродов в
различных батареях и аккумуляторах. Очевидно, батарея, основанная на фторе и литии,
является в теоретическом плане лучшей по всем показателям, но, увы, создать обратимые
26

электроды в этой системе напрямую не удается. Сейчас удалось создать батарейку с
разностью потенциалов до 4,8 В, схема одной из них:
Li / LiClO 4 -ПК / C x F, C x MF y (ПК - пропиленкарбонат).
Японская фирма "Sony" создала аккумулятор, выдерживающий более 1000 циклов
"заряд - полный разряд", основанный на идеализированной реакции
заряд
6С(
графит)
LiCoO2
LiC6
CoO2
Кроме этого, хорошо просматривается возможность применения интеркалатов
графита как смазочных материалов в химически агрессивных средах, как хранителей
агрессивных веществ (например, ClF 3 в полифториддиуглероде).
Однако основной причиной повышенного интереса к интеркалированному графиту
(ИГ) было обнаружение его способности к термоинициированному вспучиванию
(термическому расширению) с образованием терморасширенного графита (ТГР). Именно
возможность получения ТРГ с определенными физико-химическими свойствами,
позволяющими изготавливать из него жаростойкие и химически инертные изделия
(гибкую графитовую фольгу и уплотнения на ее основе) вызвало промышленное освоение
технологий синтеза ИГ и получения ТРГ.
Готовый ИГ подвергают кратковременной термообработке (ударному нагреву) при
температуре 900-1500 °С. Полученный таким образом ТРГ (так называемый ТРГ-пух,
рис.1.7) имеет насыпную плотность·1 ÷ 4 г/дм 3 и удельную поверхность 30-80 м 2 /г в
зависимости от морфологических особенностей исходного графита.
Рис.1.7. Терморасширенный графит
Промышленное производство собственно ТРГ и графитовых уплотнений из него
было основано некоторыми зарубежными компаниями («UCAR Carbon Co. Inc» и др.) в
60х-70х годах прошлого столетия. В России начало промышленного производства ТРГ
приходится на конец 80х-начало 90х годов ХХ века. В настоящее время производством
уплотнений ТРГ за рубежом занимаются такие известные компании, как «SGL-
Polycarbon» (SIGRAFLEX®, США), «Union Carbide» (GRAFOIL®, США), «Frenzelit»
(FRENZELIT®, Германия), «Garlock» (корпорация «EnPro Industries Inc», США-Германия-
Франция) и др. В России на сегодняшний день непосредственно производством ТРГ и
27

уплотнений из него занимаются 2-3 компании (без учета мелких производителей для
собственных нужд).
Контрольные вопросы
1. Дайте определение и классификацию клатратов.
2. История открытия и причины образования клатратов.
3. Природа клатратов, как соединений внедрения. Свойства клатратов.
4. Газовые клатраты, их строение и свойства.
5. Предельные формулы клатратов. Требования к молекулам гостей.
6. Клатраты в природе.
7. Клатраты мочевины.
8. Интеркалаты графита. Строение и свойства. Соединения с недостатком электронов в
слое графита.
9. Интеркалаты графита с избытком электронов в слое графита.
10. Цеолиты. Строение и классификация.
11. Использование цеолитов в промышленности.
12. Области применения супрамолекулярных соединений.
28

Лекция 2. Поданды, краун-эфиры, криптанды
2.1. Строение и свойства краун-эфиров
Краун-эфиры (от англ. crown – корона) – крупные циклические молекулы
(макроциклы), которые состоят из чередующихся этиленовых мостиков –СН 2 –СН 2 – и
атомов кислорода. В некоторых случаях часть атомов О заменена атомами N или S. Форма
таких молекул напоминает корону, что и определило их название.
Номенклатура краун-эфиров.
Для продуктов циклизации этиленгликоля:
1. Указывается общее число атомов в цикле, затем (через дефис) слово краун и (также
через дефис) число гетероатомов в цикле.
O
O
O
O
12-краун-4 (12К4)
2. При появлении гетероатома, отличного от атома кислорода, этот гетероатом
указывают перед остальной частью:
4
O
7
O
O
O
1
N
16
O
O
10
13
N
S
O
S
1,10-диаза-18-краун-6
1,7-дитиа-15-краун-5
3. Вместо метиленовых групп в структуре краун-эфиров могут участвовать другие
1,2-дигидроксипроизводные:
O
O
O
O
O
O
Дибензо-18-краун-6
29

Свойства краун-эфиров. При обычных условиях (при комнатной температуре)
краун-эфиры являются вязкими жидкостями или кристаллическими веществами. Они
хорошо растворимы в большинстве органических растворителей, слабо – в воде (хорошо
растворимы в ней 12-краун-4, 15-краун-5 и азакраун-эфиры.
Формально все краун-эфиры можно отнести к классу гетероциклических
соединений, однако необычные свойства таких соединений позволили выделить их в
самостоятельный класс. Краун-эфиры содержат фрагмент С–О–С, характерный для
простых эфиров, а также могут включать фрагменты амина C–NH–C, или тиоэфира C–S–
C. Общие свойства:
цикличность строения, обеспечивающая определенный для данного краун-эфира
размер полости;
наличие у гетероатомов замкнутого кольца неподеленных пар электронов, что
определяет способность образовывать комплексы.
Последнее свойство многократно усилено в краун-эфирах из-за большого числа
гетероатомов в цикле, к тому же неподелённые электронные пары ориентированы внутрь
цикла. В результате ионы щелочных и щелочноземельных металлов входят внутрь цикла,
образуя прочные комплексы. У краун-эфиров склонность к «захвату» катионов выражена
настолько сильно, что даже если катион не соответствует по размеру внутренней полости
цикла, то все равно оказываются возможными варианты, при которых катион все же
удерживается. Например, если катион по размеру много больше внутренней полости, то
он может окружить себя двумя молекулами краун-эфира, образуя подобие бутерброда,
если же ситуация обратная, то внутрь молекулы краун-эфира может поместиться два
катиона.
Рис.2.1. Комплексы краун-эфир: ион (L : M + ) составов 2 : 1 и 1 : 2
Однако, подобные комплексы менее устойчивы, чем те, у которых размер катиона
точно соответствует величине внутренней полости.
Меняя величину цикла и, соответственно, размер внутренней полости, можно
точно «настроить» краун-эфир на удерживание катиона определенного размера,
например, 12-краун-4 наиболее прочно захватывает катион лития, 15-краун-5
соответствует по размеру катиону натрия, а 18-краун-6 «подходит по размеру» катиону
калия (табл.2.1).
Соответствие диаметров полости краун-эфира и катиона
Таблица 2.1.
Катион
Диаметр иона,
Нм
Краун-эфир
Диаметр полости,
нм
Li + 0.136 12-краун-4 0.12 ÷ 0.15
Na + 0.190 15-краун-5 0.17 ÷ 0.22
30

K + 0.266 18-краун-6 0.26 ÷ 0.32
+
NH 4 0.286 18-краун-6 0.26 ÷ 0.32
Rb + 0.294 18-краун-6 0.26 ÷ 0.32
Cs + 0.338 21-краун-7 0.34 ÷ 0.43
Об устойчивости соответствующих комплексов можно судить по константам
равновесия реакций (Табл.2.2):
M L LM :
[ LM ]
K .
[ M ][ L]
Таблица 2.2.
Значения логарифмов константы устойчивости комплексов краун-эфиров с
различными катионами металлов
Лиганд Р-ритель
Na + K + Rb + Катионы
Cs + Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+
15-Краун-5 Н 2 О 0.70 0.74 0.62 0.80 - 1.95 1.71
18-Краун-6
СН 3 ОН 4.36 6.05 5.35 4.62 2.51* 5.00* 6.00*
Н 2 О 0.80 2.03 1.56 0.99 0.50 2.72 3.78
Дибензо-18-краун-6
СН 3 ОН 4.36 5.00 - 3.55 - - 4.28
Н 2 О 1.16 1.67 1.08 0.83 - 1.00 1.95
Диаза-18-краун-6
СН 3 CN 4.30 4.32 3.37 2.48 - 2.56 2.97
СН 3 ОН 1.00 2.04 1.20 - - - -
* - растворитель – 70%-ный водный раствор метанола.
Из представленных данных видно, что прочность комплексов возрастает при
уменьшении диэлектрической проницаемости растворителя при переходе от воды к
метанолу: ε = 78,54 для воды и ε = 32,66 для метанола. Однако замена метанола на
ацетонитрил также сопровождается значительным увеличением констант, хотя
диэлектрическая проницаемость при этом даже несколько возрастает – до ε = 35,84. Это
может быть объяснено тем, что комплексообразование в случае водных и метанольных
раствором имеет конкурентную реакцию – образование водородных связей с участием
неподеленных электронных пар гетероатомов лиганда, в то время как в случае
ацетонитрила такой процесс отсутствует.
Изложено выше является смыслом принципа геометрического соответствия,
сформулированного первооткрываетлем крауэфиров Ч. Педерсеном. За развитие химии
макрогетероциклических соединений он, фактически создавший новый класс соединений
– краун-эфиры, в 1987 (совместно Д. Крамом и Ж. Леном) был удостоен Нобелевской
премии. Следование этому принципу значительно упрощает задачу поиска наиболее
селективных реагентов и порождает надежды на возможность направленного
конструирования металлокомплексов и регулирования их свойств по заданному
сценарию.
Однако, как показал накопленный опыт в области химии комплексов на основе
макроциклических лигандов, данный принцип неадекватно описывает или прогнозирует
комплексообразующие, ионселективные, экстракционные и другие свойства. Например, в
ацетонитриле устойчивость комплексов лития с краун-эфиром 12-краун-4 больше, чем
аналогичных комплексов натрия, тогда как в пропиленкарбонате и метаноле картина
меняется на противоположную. Заметное влияние на устойчивость комплексов оказывает
также тип аниона. Таким образом, кроме соответствия размеров, устойчивость
31

комплексов и селективность краун-соединений зависит от природы растворителя, типа
аниона, состава образуемых комплексов и других факторов.
Тем не менее, принцип соответствия полезен, в частности при классификации
комплексов по типам. Например, в зависимости от соответствия размеров катионагостя
и молекулярных полостей хозяина комплексы разделяются на четыре типа:
1. Размеры катиона близки к размерам макроциклических полостей. Ионы
расположены посередине плоских многоугольников, образованных донорными атомами.
2. Размеры катионов больше размеров полостей хозяев. В этом случае образуются
сэндвичевые структуры или наблюдается значительное смещение ионов из средней
плоскости донорных атомов.
3. Размеры катионов меньше размеров полостей. Лиганды “обволакивают” один
катион или в состав комплекса входят два катиона.
4. Катионы металлов не координируют лиганды или лиганды связаны не всеми
донорными атомами.
Предложена и более детальная классификация:
1. Комплексы состава M:L=1:1, в которых катион включен в полость краун-эфира.
Донорные атомы макрокольца расположены практически планарно, а анион или молекула
растворителя занимают аксиальные позиции (инкапсулированная ионная пара).
2. Комплексы (размер катиона меньше полости краун-эфира) с сольватно
разделенной ионной парой, в которых металлом координирована молекула растворителя,
а анион находится во внешней сфере (неполностью инкапсулированная ионная пара).
3. Комплексы, в которых катион полностью изолирован и окружен только
донорными атомами кислорода (обволакивающая инкапсуляция).
4. Комплексы с соотношением M:L=2:1.
5. Комплексы со стехиометрией 1:2, когда размер катиона превышает диаметр
полости макроцикла.
Краун-соединения в свободном состоянии в координационном отношении
дезорганизованы. При вхождении иона металла в полость макроцикла донорные атомы
четко располагаются вокруг этого иона и число возможных конформаций макромолекулы
резко уменьшается.
Полость свободной, некоординированной молекулы 18-краун-6, в частности, не
имеет форму краун-эфира, т.е. донорные атомы кислорода не располагаются строго
коронообразно, рис.2.2,А. Электронные пары атомов кислорода направлены наружу, а
полость заполнена двумя ориентированными внутрь полости СН 2 -группами. Лишь
внедрение иона-гостя в полость вынуждает электронные пары донорных атомов сойтись в
центре краунподобной структуры. Иными словами, при комплексообразовании гость
конформационно реорганизует хозяина.
Показано также, что к конформационной перестройке краун-лигандов приводит не
только вхождение катиона в полость, но и замена в комплексах анионов или молекул
сольватированных растворителей. Например, если в комплексе [K(18-краун-6)]NCS все
шесть донорных атомов кислорода лиганда 18-краун-6 связаны с катионом калия,
располагаясь в одной полости, а конформация лиганда становится высоко симметричной -
D 3d , рис.2.2.В. Конформация свободного 18-краун-6 намного менее симметрична - С i . В
комплексе MgCl 2·18-краун-6 вокруг катиона формируется пентагональнобипирамидальное
окружение из пяти атомов кислорода краун-эфира (шестой атом не
участвует в образовании координационных связей) в экваториальной плоскости и двух
ионов Cl - в аксиальном положении.
32

Рис.2.2. Конфрмации 18-краун-6 без катиона (A) и с катионом (B)
Конформационное состояние бензо-12-краун-4 эфира (Б12К4) в комплексах
зависит от ряда факторов. При переходе от крупных катионов К + и Na + , к Li + наблюдается
увеличение деформации отдельных звеньев макроцикла и молекулы Б12К4 в целом по
степени деформации отдельных звеньев макроцикла при переходе от свободного Б12К4 к
комплексам лития их можно расположить в следующий ряд:
Б12К4 < LiClO 4·Б12К4·H 2 O < LiCl·Б12К4·2H 2 O, LiBr·Б12К4·2H 2 O < LiNCS·Б12К4.
В комплексах же иодида, тиоцианата и нитрата кальция конформация Б12К4 не
изменяется в зависимости от аниона. В растворах Б12К4 и его ацетильного производного
АсБ12К4 в бензоле, хлороформе и ацетонитриле, увеличение диэлектрической
проницаемости среды приводит к перераспределению содержания конформаций трансгош-гош
(TGG(1)) фрагмента СОССО и TGG(2) фрагмента СPhОССОС в пользу первой.
Введение в бензольное кольцо полярной ацетильной группы ведет к увеличению доли
TGG-звеньев. В краун-комплексах бромидов Li и Na, а также NaI и LiNCS реализуется
симметричная конформация из пяти одинаковых TGT-звеньев.
2.2. Получение краун-эфиров
Получают краун-эфиры с атомами кислорода в качестве гетероатомов в цепи:
при конденсации дигалогеналканов или диэфиров n-толуолсульфоксилоты
(дитозилатов) (или аналогичных производных олигоэтиленгликолей) с
олигоэтиленгликолями в ТГФ, диоксане, диметоксиэтане, ДМСО или трет-бутаноле в
присутствии оснований (гидридов, гидроксидов, карбонатов и др.):
n
X O X + HO O
m
OH
B - O O n+m-1 O
где Х – или галоген или OSO 2 PhCH 3 (Ts).
внутримолекулярной циклизацией монотозилатов олигоэтиленгликолей в доксане,
диглиме или ТГФ в присутствии гидроксидов щелочных металлов:
HO O n OH
TsCl / MOH
HO O n OTs O O 2n-1 O
циклоолигомеризацией этиленоксида в присутствии BF 3 и борофторидов щелочных и
щелочно-земельных металлов:
n
O
BF3 / MBF4
n-1
O O O
33

Выход целевого продукта зависит от природы присутствующего катиона, что
объясняется координацией катиона образующимися на первой стадии алкоголятанионами:
OTs
O
O
-
O
Азакраун-эфиры получают:
ацилированием ди- или полиаминов с частично защищенными аминогруппами
хлорангидридами дикарбоновых кислот в условиях большого разбавления с
последующим восстановлением образующихся маклоциклических диамидов:
K +
O
O
O
H 2 N X n NH 2
+
Cl O Cl
O
m
O
X=O, S, NTs
O
NH
O
X
m
HN
n
O
B 2 H 6
LiAlH 4
NH
O
X
m
HN
n
алкилированием дитозилдиаминов галогенпроизводными или дитозилатами гликолей в
присутствии гидридов или гидроксидов щелочных металлов, а также в условиях
межфазного катализа:
TsNH
X n HNTs
+
Br X Br
m
X=O, S
C 6 H 6 / H 2 O - MOH
R 4 N
+ -
I
Тиакраунэфиры получают из тиоаналогов олигоэтиленгликолей по реакциям,
предложенным выше.
2.3. Применение краун-эфиров
Применение краун-эфиров определяется, прежде всего, их избирательной
способностью захватывать катионы определенного размера. Например, значения
логарифмов констант устойчивости комплексов ионов натрия и калия в водном растворе с
дициклогексано-18-краун-6 равны, соответственно, 6.4 и 8.3. А это значит, что, добавляя
этот краун-эфир в раствор, содержащий изначально одинаковые концентрации этих
катионов, можно извлечь их с довольно высокой селективностью – на примерно каждые
100 ионов калия в экстракте будет приходиться лишь один ион натрия. Т.е. возможно
селективное разделение ионов щелочных и щелочноземельных металлов. Это свойство
краун-эфиров используют для селективной экстракции солей из сложных смесей. Обычно
для в этом процессе используют краун, аза-краун- и тиа-краун-эфиры, растворенные в
несмешивающейся с водой органической жидкости (растворителе, разбавителе). Катион
переходит в органическую фазу с противоионом. Поэтому необходимо рассматривать
равновесия в воде и органическом растворителе при экстракции катионов, учитывая роль
противоионов и разбавителей.
Ts
NH
X
X
n
HN
m
Ts
34

Высокая растворимость металлокомплексов с краун-лигандами в неполярных
растворителях означает, что противоионы существуют в виде “обнаженных” анионов, т.е.
несольватированном или слабосольватированном состоянии. Поэтому гомогенные
реакции с участием труднорастворимых неорганических солей могут протекать в
присутствии краун-соединений с высокой скоростью, что позволяет проводить те
реакции, ранее считавшиеся неосуществимыми. Неудивительно, что среди различных
областей, в которых краун-соединения нашли применение, наибольший прогресс
достигнут в области органического синтеза.
Краун-соединения способны действовать в качестве межфазных катализаторов не
только в обычных системах жидкость - жидкость, но и на границе твердой и жидкой фаз.
Такой межфазный катализ, в котором нет необходимости использовать водный раствор
неорганической соли, является особого типа процессом, свойственным только краунсоединениям.
Соответственно, краун-эфиры представляют интерес в медицине, поскольку
благодаря селективности связывания ионов они потенциально могут избавиться от таких
опаснейших радиоактивных нуклеидов, как 137 Cs и 90 Sr. Краун-эфиры стали первыми
синтетическими аналогами природных веществ (ионофоров), осуществляющими перенос
ионов щелочных металлов через клеточную мембрану. Эти соединения действуют по
тому же принципу, что и краун-эфиры, хотя и имеют более сложную структуру. Пройдя
внутрь клетки, они под влиянием определенных воздействий высвобождают Катин и
быстро возвращаются за следующим. Скорость таких челночных операций может
достигать нескольких тысяч в секунду, причем нередко они происходят против
концентрационного градиента.
Причиной, вызывающей переключение ионофора, может быть, например,
изменение рН. Например, производное 18-кран-6 с длинной боковой цепью, на конце
которой имеется аминогруппа, является рН - откликающимся ионофором. В нейтральной
или слабощелочной среде этот краун-эфир образует обычный комплекс с К + . В кислой же
среде протонируемая до аммоний-ионного состояния аминогруппа вытесняет калий из
комплекса. При возвращении в нейтральную среду снимается протон, регенерируя
аминогруппу, приводя молекулу в исходное состояние, рис.2.2.
Рис.2.2. Схема действия рН-откликающегося ионофора
Благодаря хорошей растворимости комплексов краун-эфиров с солями металлов
возможна солюбилизация последних в органических растворителях. Типичные пример –
перманганат калия, KMnO 4 . Однако его использование в органических синтезах
ограничено нерастворимостью в органических растворителях. Однако в присутствии 10-
краун-6 KMnO 4 легко растворяется в бензоле, приобретая при этом даже исключительно
35

высокую окислительную способность, намного превосходящую окислительную
активность перманганата калия в водных растворах. Получаемый при растворении
«пурпурный» бензол уже при комнатной температуре быстро окисляет олефины, спирты,
альдегиды и даже алкильные группы в алкиларенах с образованеим карбоновых кислот,
причем выход их, как правило, близок к 100%. Например, при окислении циклогексена
образуется адипиновая килота:
KMnO 4
18-краун-6 + бензол
COOH
COOH
Краун-эфиры обладают противомикробной и противопаразитарной активностью.
В радиохимии краун-эфиры помогают решать проблему переработки отходов
ядерных производств. Первый этап – удаление с помощью краун-эфиров из
переработанного ядерного горючего наиболее активных изотопов (стронций-90, цезий-
137, технеций-99), на этой стадии предпочтительны S-содержащие краун-эфиры,
поскольку они обладают повышенной радиационной стойкостью. Извлеченные изотопы
используются затем в установках радиодиагностики, заменяющих рентгеновские
аппараты, а также при создании долговременных источников тока для метеостанций,
метеозондов и космических аппаратов. Следующий этап переработки ядерного топлива –
извлечение с помощью краун-эфиров (специально подобранного состава)
неизрасходованных урана и плутония, после чего объем подлежащих утилизации отходов
становятся заметно меньше и к тому же отходы обладают слабой радиоактивностью.
2.4. Супрамолекулярная фотоника
В настоящее время формируется новое научно-техническое направление ―
молекулярная инженерия, призванная создавать молекулярные устройства и машины
различного назначения.
Молекулярными устройствами называют структурно организованные и
функционально интегрированные молекулярные системы, представляющие значительный
интерес с точки зрения их применения в области супрамолекулярной технологии и
нанотехнологии. Они могут быть использованы для создания молекулярных механизмов и
машин для генерации, преобразования и передачи энергии и движения на наноуровнях, а
также для создания наноинструмента для контроля, диагностики наноколичеств
материалов и веществ.
Наиболее удобным способом управления молекулярными устройствами и
машинами является свет, который можно легко регулировать как по длине волны, так и по
количеству. Фоточувствительные системы играют значительную роль в живой природе.
Так, они обеспечивают фотосинтез, зрение, фототропизм растений и фототаксис бактерий.
Природная фоточувствительная система состоит как бы из двух основных блоков:
фотоантенны, поглощающей квант света, и функционального блока, который
воспринимает изменения, произошедшие в фотоантенне после поглощения кванта света.
Поэтому в природной фоточувствительной системе свет выполняет роль пускового
механизма, приводящего в действие целый ряд жизненно важных процессов.
Искусственные фоточувствительные системы строятся приблизительно по такому
же принципу. В качестве фотоантенн в них изучались фотохромные производные
бисантраценов, спиросоединений, но чаще всего использовали производные азобензола.
Однако они обладают одним принципиальным недостатком. Производные азобензола
способны вступать только в реакцию транс-цис- и цис-транс-фотоизомеризации.
В этом отношении соединения, содержащие углерод-углеродную двойную связь,
имеют ряд преимуществ, главное из которых ― способность вступать не только в
реакцию фотоизомеризации, но и в такую реакцию, как, например, реакция [2+2]-
36

фотоциклоприсоединения с образованием производных циклобутана (разрешенную по
симметрии в электронно-возбужденном состоянии):
h
R 2
R 1
h
R 1 R 2
R 2
+
R 3
h
R 1 R 2
R 1 R 4 h R 4 R 3
В качестве функционального блока в искусственных фоточувствительных системах
используют краун-соединения. Искусственные фоточувствительные системы на основе
фотохромных соединений и краун-соединений схематично могут быть представлены
следующим образом: гибридные молекулы, которые должны содержать фотоантенну,
поглощающую квант света, и один или два краун-эфирных фрагмента, способных
связывать ион металла. Если связать ковалентными связями фрагменты краун-соединения
и фотохромного соединения таким образом, чтобы, по крайней мере, один гетероатом
макроцикла находился в сопряжении с хромофором, то самосборка в растворах в
супрамолекулярные структуры позволит изменять спектральные и фотохимические
характеристики фотохромного фрагмента молекулы, а с помощью света в свою очередь
можно будет управлять самосборкой таких краунсодержащих молекул.
Этому условию удовлетворяют новые типы искусственных фоточувствительных
систем на основе краунсодержащих стириловых (I), бисстириловых (II) и бутадиенильных
красителей, гетарилфенилэтиленов, стильбенов, содержащих фотопереключаемую
двойную углерод-углеродную связь, и ряда других соединений.
N
O
Y
N + R
I
O
Y
O
N
N +
O
O
Y
Y
O
N +
O
Y
N
II
O
Y
O
В случае стирилового красителя (III, n = 3), у атома азота которого находится
заместитель с терминальной сульфогруппой, обладающей лигандными свойствами, мы
наблюдали еще более интересное поведение. Эта группа в транс-форме красителя не
способна дотягиваться до иона металла, находящегося в краун-эфирной полости, однако в
цис-форме образуется достаточно прочная координационная связь с ионом металла. Такой
анион-“накрытый” комплекс при комнатной температуре стабилен.
37

O
O
S
N + (CH 2 )nSO 3
-
III
O
Mg 2+
O
O
O hν 1
-
SO 3
Mg 2+ O
O hν 2
O
S
N +
O
Рис.2.3. Цис-транс изомеризация с образованием анион-«накрытого» комплекса
При этом длинноволновые максимумы поглощения транс- и цис-формы
отличаются очень сильно, почти на 70 нм, что позволяет осуществлять полное
молекулярное фотопереключение из транс- в цис-форму и обратно с высокими
квантовыми выходами (~0.5).
Оказалось, что, варьируя структуру красителя, можно управлять характеристиками
фотопереключаемых молекулярных устройств. Так, изменяя длину и природу заместителя
при атоме азота, влиять на стабильность анион-«накрытого» комплекса. Следует сказать,
что образование анион-«накрытых» комплексов является ионселективной реакцией.
Например, краситель (IV) образует прочный анион-«накрытый» комплекс с ионом
кальция, но не образует с ионом магния. Дитиакраунсодержащий краситель (V) образует
анион-«накрытый» комплекс с ионом ртути, но не образует комплекса с близким по
размеру ионом кальция.
S
O
O
S
O
S
N + (CH 2 )nSO 3
-
O
O
N + (CH 2 )nSO 3
-
O
O
IV
O
O
V
S
O
Более детальные исследования поведения краунсодержащих стириловых
красителей в присутствии ионов металлов и при облучении показали, что процессы,
происходящие в растворе, достаточно сложны. В присутствии ионов металлов красители
собираются самопроизвольно в димерные комплексы, в которых протекает
фотоизомеризация стириловых красителей, причем для полной изомеризации димерного
комплекса в анион-«накрытый» комплекс необходимо два кванта света. Образующийся
анион-«накрытый» комплекс может быть вновь превращен в транс-форму при облучении
светом с более короткой длиной волны.
Поскольку в растворе комплексы транс-изомеров красителей существуют в виде
димерных комплексов, то возникает идея о том. что двойные связи в них могут
располагаться достаточно близко друг к другу так, что существует возможность
протекания при фотооблучении реакции [2+2]-циклоприсоединения. Действительно, при
длительном облучении получаются фотопродукты, по данным ЯМР, представляющие
собой производные циклобутана со строго стереоспецифическим протеканием реакции.
Обнаружилось также, что при фотооблучении циклобутана светом с более
короткой длиной волны он вновь мог количественно превращаться в исходный димерный
комплекс. Кроме того, было найдено, что константа комплексообразования
циклобутанового производного с ионом металла намного превосходит константу
комплексообразования транс-изомера красителя. Таким образом, и в этом случае
38

появляется возможность управления комплексообразованием с помощью света. То есть
димерный комплекс также представляет собой простейшее фотопереключаемое
молекулярное устройство, у которого управляемой является функция
комплексообразования. В отличие от анион-«накрытого» комплекса, образовавшийся
циклобутан ― новый тип молекул-хозяев.
Представляет интерес тот факт, что реакция образования циклобутанов очень
чувствительна к малейшим изменениям структуры исходных красителей. Изменение
длины заместителя при атоме азота гетероциклического остатка всего лишь на одно
метиленовое звено может привести к изменению квантового выхода реакции
циклоприсоединения на порядки. Таким образом, для эффективного протекания реакции
циклоприсоединения необходима очень тонкая юстировка положения одной молекулы
красителя относительно другой в супрамолекулярной системе.
2.5. Металлокомплексы с краун-замещенными фталоцианинами
Как модели природных биологически активных систем, помимо краун-эфиров,
интерес представляет еще один класс макроциклических соединений фталоцианины,
являющиеся синтетическими аналогами природных порфиринов. Образование
супрамолекул основано на явлении молекулярного распознавания и характерно как для
краун-соединений, так и для фталоцианинов. Способность молекул фталоцианинов к
самоорганизации обеспечивается главным образом «стекинг» взаимодействием между
ароматическими кольцами. Присоединение краун-эфирных групп к фталоцианиам в
качестве боковых заместителей приводит к дополнительным возможностям к
самоорганизации за счет взаимодействия катионов щелочных и других металлов с краунэфирными
макрокольцами. В частности, тетракраунфталоцианинаты металлов в растворах
образуют димеры и агрегаты различного характера. Наиболее информативным методом
для изучения агрегации краунзамещенных фталоцианинатов металлов в растворах
является метод электронной спектроскопии.
Характер агрегации тетракраунфталоцианинатов металлов зависит от многих
факторов. В полярных растворах тетракраунфталоцианинаты металлов как правило
находятся в агрегированном состоянии. Добавление солей щелочных металлов к
растворам тетракраунфталоцианинатов металлов также приводит к агрегации за счет
взаимодействия катионов щелочных металлов с краун-эфирными макрокольцами. При
этом образуются кофациальные или некофациальные димеры или агрегаты в зависимости
от взаимного расположения краун-эфирных колец соседних молекул.
O
O
O
O
O
O
O
N
O
O
O
N
N
Mg 2+
N
N N
N
N
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
N
N N
N Al 3+
N N
O N
O
O
O
O
O
N
O
O
O
O
O
O
O
Рис.2.4. Краун-замещенные фталоцианинаты металлов
39

Введение бидентатного экстралиганда в координационную сферу
тетракраунфталоцианинатов металлов препятствует агрегации даже в полярных
растворителях. Комплексы с такими экстралигандами, как фенантролин проявляют
амфифильные свойства, что в совокупности с другими оптическими свойствами создает
предпосылки для разработки фотосенсибилизаторов для фотодинамической диагностики
и терапии рака.
Фталоцианины значительно раньше краун-эфиров привлекли внимание своими
уникальными комплексообразующими, электрофизическими, оптическими,
газоселективными и другими свойствами. Однако применение фталоцианинатов металлов
затрудняется из-за их малой растворимости. Значительному повышению растворимости
фталоцианинов способствует введение краун-эфиров в качестве боковых заместителей во
фталоцианин.
Исходными материалами для получения краунзамещенных фталоцианинов служат
бензокраун-эфиры. Синтез проводят согласно схеме: бромирование до дибромбензокраунэфира,
затем цианирование с получением дицианопроизводного, далее темплатная сборка
или темплатный синтез с участием солей металлов. Продуктами синтеза являются
комплексные соединения - тетракраунфталоцианинаты металлов, причем двухвалентные
металлы дают комплексы состава M 2+ L, с солями трехвалентных металлов получаются
ацидокомплексы с состава M 3+ LX (X=Cl, Br, NCS и т.д.), а в случае солей РЗЭ образуются
не только монофталоцианиновые комплексы, но и бисфталоцианинаты -
октакраунбисфталоцианинаты – сэндвичевые струтктуры из двух параллельных лигандов
и иона металла в центре.
Металлокомплексы с краун-замещенными фталоцианинами в конденсированном
состоянии проявляют жидкокристаллические свойства и существуют в виде мезофаз, в
которых краун-эфирные кольца, располагаются друг над другом, образуют каналы, по
которым возможен транспорт ионов. При взаимодействии с солями щелочных металлов
они образуют гетероядерные соединения различного состава. В ходе этих реакций в
зависимости от соотношения реагентов наблюдается нелинейный кооперативный эффект
и образование молекулярных агрегатов с ионными каналами. Учитывая необычные
электрофизические свойства этих соединений, с ними связывают перспективы развития
ионной электроники.
Недавно был обнаружен оптический эффект натрий-калиевой селективности при
исследовании растворов комплекса кобальта с тетракраунфталоцианином. В электронном
спектре этого соединения имеется интенсивная полоса при 680 нм, которая сдвигается в
коротковолновую область при добавлении соли натрия и в длинноволновую область при
добавлении соли калия, так что эти полосы отдалены друг от друга на 80 нм. Это
позволяет определить калий при десятикратном избытке натрия или наоборот. На основе
подобных оптических эффектов можно разработать ионселективные оптоды.
Следует подчеркнуть, что отмеченные специфические изменения электронных
спектров в зависимости от типа катионов щелочных металлов, вызваны образованием
различных гетероядерных комплексов: в случае ионов натрия, размер катиона
соответствует размеру полости макроцикла и образуется мономерный гетероядерный
комплекс, в котором ион натрия входит в центр полости краун-эфирного макроцикла; в
случае катионов калия, размер катиона больше размеров полости макроцикла и образуется
сэндвичесвый комплекс. В этом сэндвичевом комплексе краун-эфирные заместители двух
соседних молекул расположены кофациально друг относительно друга, рис.2.3.
40

VII
VI
Рис.2.5. Образование комплексов краун-замещенных фталоцианинатов с Na + (I) и К + (II)
Краун-соединения и тетраазамакроциклические соединения представляют собой
два разных типа макроциклических лигандов, которые при взаимодействии с солями
металлов образуют разные по структуре и функциям супрамолекулярные
координационные соединения. Вместе с тем, оказалось возможным эти два совершенно
разных типа макроциклических соединений объединить в одном путём введения краунсоединений
в тетраазамакроциклические соединения в качестве боковых заместителей.
Прекурсорами продуктов таких «химических операций» являются бензо-краунсоединения.
В результате получаются тетракраунзамещённые порфирины, фталоцианины
и их различные аналоги. Известно, что для фталоцианинов характерны процессы
самоорганизации супрамолекулярных образований за счёт «стекинг» взаимодействий
между ароматическими кольцами. При взаимодействии краунзамещённых порфиринов и
фталоцианинов с солями переходных металлов образуются краунзамещённые
порфиринаты и фталоцианинаты металлов, в которых ион металла входит в
макроциклическую полость порфиринового или фталоцианинового фрагмента, тогда как
краун-заместители остаются свободными для дальнейших процессов
комплексообразования. В частности при взаимодействии таких металлокомплексов с
солями щелочных металлов образуются гетероядерные супрамолекулярные соединения. В
этих соединениях донорные атомы кислорода краун-заместителей контактируют с ионами
щелочных металлов, тогда как ионы переходных металлов прочно удерживаются
тетраазамакроциклическими фрагментами. При этом если радиус иона щелочного металла
по размеру больше, чем полость краун-заместителя, возникает возможность
взаимодействия ионов металлов с краун-заместителями двух и более соседних молекул.
Это стимулирует образование супрамолекулярных агрегатов различного строения. При
критических концентрациях солей щелочных металлов наблюдаются кооперативные
нелинейные эффекты. В результате происходит индуцированная катионами щелочных
металлов самоорганизация и саморегуляция гигантских супрамолекулярных
гетероядерных образований. В зависимости от взаимного расположения (кофациального
или некофациального) краун-эфирных колец образуются супрамолекулярные агрегаты
различного строения. Характер самоорганизации таких супрамолекулярных образований в
растворах зависит также от типа растворителя. В результате наблюдаются
индуцированная как катионами щелочных металлов, так и растворителем
самоорганизация супрамолекулярных координационных соединений.
41

2.6. Электриды
Приблизительно 15 лет назад были впервые получены новые ионнопостроенные
вещества и материалы — электриды. Известно, что щелочные металлы легко
растворяются в чистом жидком аммиаке (Т кип. = -36'С), давая яркоокрашенные синие
растворы:
o
0
30
C
Na NH 3( жидк.)
Na ( NH 3 ) n e ( NH 3)
m
При этом в растворе оказываются сольватированные катионы Na + (NH 3 ) n и
сольватированные электроны ē (NH 3 ) n . Если попробовать упарить такой раствор, то весь
аммиак улетит, а электрон вернется к натрию. Единственным результатом окажется то,
что вместо куска металлического натрия мы получим порошок. Эксперимент можно
изменить, добавив в раствор подходящий краун-эфир в количестве, точно
соответствующем числу катионов Na + , и затем испарить аммиак. Выясняется, что и при
этом удается испарить весь аммиак. Однако в этом случае электрону не удается вернуться
к катиону Na + , защищенному комплексообразованием с краун-эфиром. В результате
получается новый ионнопостроенный материал — электрид. В кристаллической решетке
этого материала обнаруживаются катионы натрия, включенные в скорлупу краун-эфира, и
как будто больше ничего. Но при более внимательном анализе выявляются
систематически расположенные пустоты, в каждой из которых локализован электрон, так
что зарядовый баланс материала сохраняется, рис.2.6.
Полученный материал по своей кристаллической структуре напоминает решетку
типичных ионных соединений. И в то же время он обладает достаточно высокой
электропроводностью (как типичный металл), так как электрон имеет возможность
практически свободно перемещаться внутри этой решетки.
Рис.2.6. Электрид состава [(краун)М + ][ē].
Еще один новый ионнопостроенный материал получается (алкалид), если мы в
описанном выше эксперименте, протекающем с использованием щелочного металла,
жидкого аммиака и краун-эфира, возьмем иное соотношение щелочной металл: краунэфир,
а именно 2: 1, то есть щелочного металла возьмем вдвое больше, чем краун-эфира.
В этом случае в кристаллической решетке образующегося материала вместо пустот,
заполненных электронами, обнаруживаются настоящие анионы, и это — анионы
щелочного металла!
42

Рис.2.6. Электрид (алкалид) состава [(краун)М + ][М - ].
Суть данного химического процесса — реакция диспропорционирования:
M
0 M
M
2
Движущая сила этой реакции — энергетический выигрыш, обусловленный
комплексообразованием соответствующего краун-эфира с катионом щелочного металла:
краун эфир 2М
0 ( краун эфир)
М
М
.
Причем этот выигрыш столь велик, что с лихвой компенсирует невыгодность
образования необычного аниона М. По сути дела, этот дополнительный электрон
насильственно внедряется в атом щелочного металла. Правда, справедливости ради нужно
заметить, что нахождение дополнительного электрона на атоме щелочного металла всетаки
энергетически выгоднее, чем его нахождение в "свободном" состоянии в решетке
классического электрида. Отчасти это связано с тем, что в анионе М - реализуется
заполненная электронная подоболочка s 2 . В целом же анион М, конечно, удерживает
электрон крайне слабо, и поэтому новое кристаллическое ионное вещество проявляет
практически металлическую электропроводность. Таким образом, в этом материале
наблюдается необычное сочетание свойств: ионная кристаллическая структура и
металлическая электропроводность.
Анализ соответствующей литературы, однако, показывает, что такое сочетание
свойств не столь уж необычно. Так, иодиды церия и лантана CeJ 2 , и LaJ 2 , в твердом
состоянии также имеют ионную кристаллическую решетку и одновременно обладают и
металлической проводимостью. Последняя обусловлена переходом части двухвалентных
катионов в трехвалентные по схеме
M 2+ = M 3+ + ē.
2.7. Антикрауны
В противоположность основаниям Льюиса (т.е. электронодонорных центров),
являющихся основой функциональных групп обычных краун-эфиров, аналог краун-эфира,
собранный из электроноакцепторных групп, может быть представлен как «антикраун»
из-за его альтернативных комплексообразующих свойств, т.е. из-за его сродства к
анионам - основаниям Льюиса. Будучи частью системы макроциклического кольца,
антикрауны должны повышать стабильность комплекса за счет макроциклического и
хелатного эффектов, а также более строгой предорганизации.
Антикраун VIII, содержащий четыре атома металла, получили по реакции оксомостикового
аналога о-фенилендиртутного фрагмента с перфторглутаровой кислотой.
Встраивание перфторалкильной цепи представляется несколько необычным, тем не менее
это единственный «ртутный цикл», который удалось синтезировать после
многочисленных попыток с целым рядом фторированных и нефторированных α,ω-
43

дикарбоновых кислот, причем большинство других реакций приводило к образованию
полимеров, не поддающихся обработке. Возможно, что, в отличие от таких
темплатирующих агентов, как щелочные металлы, в синтезе краун-эфиров для
большинства рассматриваемых здесь реакций не найден подходящий «антитемплат».
Согласно кристаллической структуре VIII, макроцикл связывает тетрагидрофуран (ТГФ)
как гостя, который координируется с ртутным участком, имеющим свойства кислоты
Льюиса. До сих пор неизвестно, выполняют ли эти молекулы ТГФ определенные функции
при образовании антикрауна, получаемого с 81%-м выходом. Пока нет никаких данных о
поведении VIII при комплексообразовании анионов.
VIII
XI
Вслед за VIII был получен ряд других циклических ртутьсодержащих краунсоединений,
которые ведут себя подобным образом при комплексообразовании с
галогенид-ионами. Соединение IX дает 1:1-полимер с бромид-анионом в твердом
состоянии, в котором анионы Br - располагаются над плоскостью Hg 3 (структура типа
«насест»). Длина связи Br – Br, равная 3.07 - 3.39 Å, значительно больше длины обычной
ковалентной связи Hg - Br (~ 2.54 Å). Аналогичный хлоридный комплекс имеет в
стехиометрию 3:2, что предполагает трехпалубный сэндвич типа [IX·· Cl···IX···Cl···IX] 2- .
Комплекс соединения X с хлорид-ионом имеет 1:2-стехиометрию хозяин — гость.
В этом комплексе два хлорид-аниона расположены над и под плоскостью Hg («насест»),
причем первый анион взаимодействует с четырьмя, а второй — с тремя Hg-центрами.
Единственное соединение, которое реально капсулирует анион подобно краун-эфиру, -
это производное тетракарборана, XI. Хлорид-ион хорошо соответствует полости кольца
соединения ртуть-12-краун-4 (XI) с длиной связей Hg — Cl, равной 2.94 Å. Аналогично
иодид-ион образует двойной «насест» со стехиометрией 1:2, соответствующей большему
размеру I - (Х. Yang et al., 1994).
Известны синтезы антикраунов (и антикриптандов) на основе олова (IV).
2.8. Поданды – общая характеристика
Подандами называются ациклические молекулы «хозяева» с несколькими
центрами связывания. Их можно рассматривать как ациклические аналоги краун-эфиров
(I и II):
O O
O O
O
O
O
O
O
O
OH HO
CH 3 CH 3
I
II
44

Этот термин был введен Ф. Фёгтле и Э. Вебером (1979 г.), которые исследовали
свойства аналогичных соединений, но с хинолиновыми концевыми группами, например,
III:
N
O
O
O
O
O
N
HO
O
O
O
O
O
OH
III
IV
При выполнении этой работы было установлено, что они образуют
кристаллические соединения с целым рядом солей щелочных металлов, с переходными
металлами и даже с уранил-нитратом, UO 2 (NO 3 ) 2·6H 2 O. Они также сформулировали
концепцию жесткой концевой группы. Дело в том, что из-за высокой конформационной
гибкости подандов эти молекулы могут находиться в виде конформеров, в которых лишь
часть активных центров образует связи с гостем. При введении на концы молекул жестких
(в смысле их обязательного участия в комплексообразовании) функциональных групп
(арилом, сложным эфиром, амидом и т.д.) то возникает более строгая организация в
строении поданда и/или внутренней координационной сферы «гостя».
Еще раньше, в 1972 году группой Симона (Цюрих, Швейцария) было опубликовано
сообщение о переносчиках Ca 2+ , поведение которых было аналогично трансмембранным
ионофорам. Их действие было основано на связывающей способности полярных амидных
групп и на гибкости метиленовой цепи, V, позволяющей прочно координировать
захваченный ион металла
H 3 C
O
O
H 3 C
N OC 2 H 5
O
O
N OC 2 H 5
V
O
O
«Хозяин» с двумя жесткими концевыми хинонмоноиминными группами (VI) был
предложен в качестве ионофора для обнаружения катионов по изменениям с спектре
поглощения в УФ-видимом диапазоне (хромоионофор). Этот цвиттер-ионный поданд,
осуществляя связывание через два анионных кислородных донора, вызывает большие
спектральные изменения в присутствии двухзарядных катионов. Известны также и
триподальные молекулы (три «подвески» на одном атоме), способные к более полному
инкапсулированию гостей.
2.9. Комплексообразование подандами
Образование комплексов с участием подандов должно приводить к упорядочению
расположения звеньев молекулы – т.е. к уменьшению энтропии. Поэтому подандыхозяева
проявляют меньшее сродство к катионам по сравнению с циклическими
аналогами, но они могут образовывать «укутывающие» конформеры в присутствии
комплементарных катионов. Один лиганд может входить в координационную сферу
N
O -
O -
O Ca 2+
N + O O
VI
O
N
N +
45

нескольких гостей, равно как и у одного гостя могут быть несколько лигандов, как это
происходит в традиционных координационных соединениях, рис.2.7.
HO
O
O
HO
O
Cd
OH
OH
HO
O
Cd
OH
O
O
Рис.2.7. комплекс ионов кадмия с триэтиленгликолем.
Взаимодействие К + с монодендатным лигандом – диметиловым эфиром очень
невелико. Но макроциклические лиганды обладают высокими константами устойчивости,
возрастающими по мере упорядоченности внутренней координационной сферы при
сохранении числа активных точек (атомов кислорода), см. рис.2.8.
В результате макроциклического эффекта при переходе от комплекса поданда (VII)
к комплексу краун-эфира (VIII) константа комплексообразования выросла на четыре
порядка, и еще на четыре – при переходе к криптанду (IX). Такое увеличение
стабильности определяется макроциклическим эффектом, который учитывает не только
множественность контактов, но и их жесткую пространственную организацию, не
дающую «гостю» степеней свободы при стохастическом разрыве некоторых
координирующих взаимодействий, см. табл.2.3.
lg K
-1 o
(M ; MeOH, 25 C)
O
O
K +
O
O
O
O
K + O
O
N
O
O
K +
O
O
N
O
O
O
O
O
O
C H 3 C H 3
VII (2.0) VIII (6.1) IX (10.0)
Рис.2.8. Сопоставление констант образования К + и макроциклами
Таблица 2.3.
Термодинамические параметры устойчивости комплексов К+ с лигандами VII и
VIII
Комплекс ΔG o , Дж/моль ΔН o , Дж/моль ΔS o , Дж/(моль·К)
К + + VII -11368 -36400 -84
К + + VIII -35842 -56000 -71
Сопоставляя данные, приведенные в таблице 2.3., можно убедиться в том, что в
обоих случаях определяющим оказался энтальпийный вклад, хотя энтропийная
составляющая, противодействующая образованию комплекса, лишь в два раза меньше.
Это удивительно, если учесть, что уменьшение энтропии при «сворачивании» поданла
очевидно предсказуемо, то высокие значения этого параметра для краун-эфиров этим
46

объяснить нельзя. Почти плоская структура комплекса в случае краун-эфира необычна,
поскольку большие координационные числа для традиционных координационных
соединений с плоской конфигурацией ближайшего лигандного окружения неизвестны.
Для 18-краун-6 в отсутствие эффектов растворителя программа MOPAC предлагает
состояние с достаточно низкой симметрией (точечная группа С 2 ) и высокой долей
заслоненных конформаций по С-С-связям цикла, рис.2.9. Именно поэтому затрагивающее
почти все связи цикла образование комплекса с довольно высокой симметрией (точечная
группа D 3 ) может сопровождаться большим уменьшением энтропии.
С 2
Рис.2.9. Строение 18-краун-6 без катионов
В соответствие с квантово-химическими методами описания связей в циклах, в
данном случае шесть sp in - фрагментарных орбиталей (рис.2.10) образуют базис для шести
МО (по тири связывающих и разрыхляющий.
O
O
O
O
O
O
Рис.2.10. Sp in - фрагментарные орбитали в комплексе 18-краун-6
Поскольку каждый атом кислорода вносит в систему по два электрона, то это
соответствует шестиэлектронной дестабилизации структуры, требующей понижения
симметрии частицы в отсутствие «гостя». При этом только «гость», лишенный
электронов, предоставляя свободные s – орбиталь и p – орбитали (для образования
поностью симметричной связывающей МО, и двух связывающих орбиталей меньшей
симметрии), позволит снизить энергию и стабилизировать частицу, что эквивалентно
частичному переносу электронной плотности на катион («гость»).
47

18К
6
К
+
Рис.2.11. Качественная диаграмма МО комплекса К + 18К6
2.10. Лариат-эфиры
Название лариат-эфиры происходит от испанского «la reata», что означает
«веревка»; при этом макроцикл рассматривают как петлю лассо, а подандную боковую
цепь — как веревку, за которую держат лассо.
Термин лариат-эфир относится к краун-эфиру или похожему макроциклическому
производному с одним или более дополнительных фрагментов, введенных для увеличения
его способности к катионному комплексообразованию путем создания при связывании
подобия трехмерной структуры. Эти соединения можно считать макроциклами краун-типа
с подандной боковой цепью. Таким образом, эти соединения сочетают высокую жесткость
и предорганизацию макроциклических соединений с дополнительной стабильностью и
гибкостью подандного комплексообразования, ведущей к быстрой кинетике катионного
связывания.
Способности к связыванию К + простым подандом, краун- и лариат-эфирами (I)
сопоставлены на рис. 2.12.
O
O
O
O
O
O
CH 3
O O O O CH 3
O O O O
O
O
O
N
N I
CH 3
lgK 6.08 2.3 2.04 4.8
Рис.2.12. Некоторые молекулы – хозяева для ионов К + .
Под формулами указаны численные значения логарифмов констант образования соответствующих
комплексов
18-Краун-6 - гораздо более эффективный лиганд для К + , чем поданд (К + -комплекс
первого из них почти на 4 порядка стабильнее). На первый взгляд кажется, что
связывающая способность лариат-эфира (I) находится где-то между таковыми для
циклического и нециклического соединений. Однако сродство к К + регулируется также
характером донорных атомов. Сравнение азакраун-эфира и лариат-эфира наводит на
мысль о том, что именно за счет трехмерного связывания К + (I) наиболее эффективен,
хотя большая аминная основность (I) также усиливает константу.
O
N
O
O
N
O
O
48

2.11. Криптанды
Криптанды (cryptands) являются трехмерными аналогами краун-эфиров, рис.2.13.
Это – би- и полициклические лиганды для инкапсулирования различных катионов. Терм
криптанд обозначает прочное связывание субстрата в crypt (склеп). Такие соединения
связывают катионы прочнее и селективнее, чем краун-эфиры. Получаемые комплексы
являются липофильными.
Рис.2.13. Структура [2.2.2]криптанда с нкапсулированным ионом калия
(по данным рентгеноструктурного анализа)
Наиболее часто упоминаемым криптандом является N[CH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 OCH 2
CH 2 ] 3 N, в соответствие с правилами ИЮПАК, называемым 1,10-диаза-4,7,13,16,21,24-
гексаоксабицикло[8.8.8]гексакозан. Упрощенное название [2.2.2]криптанд, где номера в
скобках указывают на число атомов кислорода (или число связывающих центров) в
каждом из трех мостов между аминными вершинами графа. Многие криптанды
коммерчески доступны под названием "Kryptofix."
Все-аминные криптанды проявляют особенно высокую афинность по отношению к
щелочным металлами позволяют выделять соли калия. [2.2.2]криптанд имеет тот же
размер полости, что и 18-краун-6, поэтому он проявляет высокую селективность по
отношению к К + с константой комплексообразования (в метаноле) на четыре порядка
выше, чем в случае краун-эфира. Аналогично, [2.2.1]криптанд селtктивен по отношению к
Na + . Криптанды имеют преимущество перед краун-эфтрами вследствие трехмерной
природы распознавания – сферического распознавания ионов M + .
2.12. Синтез криптандов
Если воспользоваться готовыми азакраун-эфирами, то синтез криптандов можно
осуществить в две стадии:
NH
O
O
O
O
HN
Cl
O
O
O
n Cl
O
N
O
O
O
O
n
N
O
O
1. B 2 H 6
2. H 2 O
Обычные же схемы синтеза, изначально разработанные Ж.М. Леном, включают
следующие стадии:
1. Построение двух линейных цепей, обладающих парой подходящих реакционных
групп на концах молекул.
2. Реакция циклизации этих двух цепей, приводящая к образованию гетероциклических
краун-эфиров (корандов).
N
O
O
O
O
O
n N
49

3. Присоединение к коранду третьей цепи для получения макробициклического
соединения.
Синтез таких соединений особенно просто реализуется при использовании или
азакраун-эфиров или линейных компонент с аминными группами на концах молекулы,
рис.2.14.
O
O
TsO O O OTs K 2 CO 3
MeCN
H 2 N O O NH 2
N
O
O
O
N
TsO O O OTs
H 2 N
NH 2
K 2 CO 3
MeCN
N
O
O
O
N
Рис.2.14. Простой синтез криптандов
Макроциклические эфиры являются продуктами соответствующих реакций не
только по тому, что используется значительное разбавление. При синтезе таких веществ
применяют кислотно-основные катализаторы: карбонаты или гидроксиды. Оказывается,
что роль катиона этих катализаторов может быть определяющей. Так, замена K 2 CO 3 на
органическое основание приводит к преимущественному образованию линейного
продукта. Целенаправленное изменение направления превращения под действием
некоторых добавок, выступающих в роли своеобразных катализаторов, называется
темплатным синтезом. Этот вариант очень важен в современной химии и будет
рассмотрен в специальной главе.
2.13. Сферанды и прочие молекулы «хозяева»
Нобелевскую премию по химии (1987 г.) с Ч. Педерсеном и Ж.-М. Леном разделил
третий химик-супрамолекулярщик, Д. Крам, за исследования в области
супрамолекулярной химии макроциклических катионных хозяев нового класса -
сферандов.
Крам осознавал, что в отличие от относительно гибких молекул краун-эфиров и
даже криптандов в растворе жесткая молекула гипотетического хозяина, имеющего
донорные центры, обращенные в сторону центральной связывающей полости еще до
введения в раствор катиона металла, должна проявлять сильное связывание и
превосходную катионную селективность. Используя пространственные молекулярные
модели (называемые моделями Кори – Полинга - Колтуна (Corey-Pauling - Koltun), или
CPK), Крам и сотр. сконструировали жесткие трехмерные сферанды (3.33) и (3.34), атомы
кислорода в которых, предорганизованные в октаэдрическом порядке, готовы принять ион
металла.
50

II
III
Рис.2.15. Строение сферандов
В соединении (II) три арильных кольца направлены вверх (за пределы страницы), а
три — вниз. Это приводит к почти совершенному октаэдрическому расположению
кислородных атомов анизола, тогда как липофильные п-метильные и метильные группы
анизилов обращены в сторону растворителя. Этот хозяин селективно связывает в своей
полоски маленькие катионы, например Li + и, в меньшей степени, Na + . Действительно,
сферанд (II) — один из сильнейших комплексообразователей, известных для Li + . Все
другие катионы исключаются, потому что они просто слишком велики для того, чтобы
соответствовать связывающей полости. Такая полость у сферанда (III) имеет тот же
размер и образуется за счет связывания колец в пары диэтиленгликольными мостиками,
что в результате дает четыре кольца внизу и два вверху. Наряду с октамерным сферандом,
также было синтезировано аналогичное фторсоединение. Хотя РСА и подтверждает, что
этот хозяин имеет полость, очень схожую с полостью (II), фторсодержащие сферанды не
проявляют способность к связыванию ионов металлов. Очевидно, что сродство фторгрупп
к катионам щелочных металлов настолько мало, что даже многоцентровое связывание с
участием высокоорганизованного хозяина не может обеспечить заметного
комплексообразования.
Вероятно. довольно логично, что существуют и другие варианты конструкции
молекулы «хозяина», способного координировать катионы. Так, известны криптоферанды,
полусферанды, бибрахиальные лариат-эфиры. Некоторые характеристики, указывающие
на прочность связывания таких веществ в комплексы с катионами, приведены в табл.2.4.
51

Таблица 2.4.
Свободные энергии связывания хозяев для пикратов щелочных металлов в
стандартных условиях
Соединение
Тип хозяина
Li + Na + -ΔG o , ккал/моль
K + Rb + Cs +
II сферанд >23 19.2

2.14. Алкалиды и электриды
Исследование алкалидов и электридов обычно осложняется их термической
нестабильностью: большинство образцов должно храниться при температуре не ниже -
20 о С. Эта нестабильность объясняется восстановительным разрывом связи С-О
соответствующего краун-эфира (или криптанда). Это ограничивает использование
алкалидов в качестве мощных двухэлектронных восстановителей. Несколько солей Na -
при использовании перметилированных аза-краунэфиров, таких как гексаметил
гексациклен, (или криптандов) были стабильными по отношению к разложению при
комнатной температуре, но их комплексы оказывались не очень устойчивыми и
постепенно разрушались. При этом, как правило, твердые образцы
Na + (криптанд[2,2,2])Na - разлагаются при комнатной температуре, но кристаллы очень
высокого качества остаются неизменными при обычных условиях в течение недель.
Известен пример синтеза устойчивых соединений такого типа. При переходе к азасоединениям
следует учитывать, что комплексообразование катионов щелочных металлов
с атомом азота несколько слабее, чем с атомом кислорода соответствующих структур и то,
что присутствие N-H связей приведет к реакции с Na - или e - с выделением молекулярного
водорода. Поэтому для неосложненного вхождения катиона М + в «аза-клетку» следует
использовать полностью метилированные азакриптанды, типа азакриптанда[2,2,2]:
N
N
N
N
N
N
N
N
Рис. 2.17. Аза222.
Это соединение получают конденсацией глиоксаля с tren в присутствии Na + или K +
с последующим восстановлением продукта конденсации борогидридом натрия. Затем
продукт подвергают полному метилированию, очищая целевое вещество вакуумной
сублимацией, позволяющей получить бесцветные кристаллы; строение вещества было
подтверждено рентгеноструктурным анализом, рис.2.18.
Рис.2.18. Расчетная структура комплекса K + (aza222)Na - (A) и вид одного слоя (В)
Это соединение, как показывали расчеты, способно включать во внутреннюю
полость ион К + , образуя комплексный катион размером около 10 Å. Действительно, сплав
NaK и металлический K медленно растворялись в растворе полученного криптанда в
53

метиламине (при использовании обычных краун-эфиров и криптандов растворение
происходит быстро); добавление пентана приводило к разрушению комплекса и
выделению металлической фазы.
Ни Na, ни Cs в этом растворе не растворялись. Кристаллы К + (аза222)Na - и
K + (аза222)K - образовывались при охлаждении раствора этих комплексов в смеси MeNH 2 –
Et 2 O от -40 до -70 о С за 30 ч. После промывки диэтиловым эфиром они были перенесены в
специальные ампулы, в которых они были запаяны. Кристаллы имели кубическую форму
с четким очертанием ребер и вершин и блестящими гранями цвета от золотого до
бронзового в случае Na - (содииды) и с более красным оттенком – в случае K - (потассиды).
В таком состоянии кристаллы сохранялись в течение месяцев.
2.15. Углеводородные хозяева
Наличие в молекуле хозяина донорных гетероатомов не является существенным
для катион-π-комплексообразования; дествительно, был получен ряд чисто углеродных
лигандов типа π-С-донор. Лиганд XIII, синтезировали с 90%-ным выходом циклизацией
джикетонового предшественника в условиях высокого разбавления. Согласно РСАданным,
расстояние между двумя обращенными друг к другу парами двойных связей в
этом лиганде равно 5.11 А, что свидетельствует о прекрасном соответствии его полости
размеру катиона Ag + , который обычно образует связи с алкенами при расстояниях Ag - С
в интервале 2.4 - 2.6 Å.
Рис. 2.19. Синтез насыщенного углеводородного макроцикла.
XIII
Реакция между (XIII) и солью Ag[CF 3 SO 3 ], в которой трифторметансульфонатанион,
или трифлат-анион, - это обычный, легкодоступный анион, который слабо
координирует центры металла, привела к получению комплекса [Ag+ c XIII] с хорошим
выходом. Анализ кристаллической структуры этого комплекса позволил установить
наличие плоскоквадратной координации Ag + . Примечательно, что 13 С ЯМР-спектр этого
комплекса указывает на сильное взаимодействие; оказалось, что комплекс очень устойчив
на воздухе, а также к действию света и тепла, т.е. в условиях, обычно разрушающих Ag —
π-комплексы.
XIV
XV
XVI
Рис. 2.20. Строение некоторых циклофанов
Были получены аналогичные ди- и тримерные соединения, но лишь тетрамерный
макроцикл XIII достаточно велик, для того чтобы включить катион металла в свою
полость. Подобные соединения (циклофаны) были также обнаружены для хозяев,
состоящих из арильных колец. В частности, [2.2]парациклофан (XIV), [3.3]парациклофан
54

(XV) и [2.2.2]парациклофан (XVI) образуют интересные металлоорганические комплексы
с рядом металлов, имеющих низкие состояния окисления.
Соединения XIV и XV реагируют с металлическим хромом в паровой фазе в
соответствии с методом синтеза, называемым «атом металла — пар лиганда»: испаренные
при высокой температуре атомы металла и газообразные лиганды совместно
конденсируются на поверхности, охлаждаемой жидким азотом или жидким гелием, а
затем постепенно нагреваются до тех пор, пока не произойдет реакция. Образующиеся
комплексы содержат Cr 0 капсулированный (зажат как в сэндвиче) между обращенными
друг к другу ароматическими кольцами. Эти комплексы слишком реакционноспособны,
чтобы кристаллизоваться, но при их окислении иодом до аналогичных Сг+-комплексов
удалось получить кристаллы обоих соединений.
2.16. Сидерофоры
Железо играет важнейшую роль в огромном количестве клеточных окислительновосстановительных
процессов в растениях, бактериях и высших организмах. Однако с
точки зрения биодоступности железо имеет большие ограничения, поскольку в своем
наиболее часто встречающемся в природе состоянии окисления, Fe(III), оно образует
большей частью малорастворимые соединения. При физиологическом значении рН 7.4
3
растворимость [ Fe ( H 2 O)
6 ] составляет порядка 10 -18 моль/л. А для оптимального роста
микроорганизмов необходима внутриклеточная концентрация железа 10 -7 моль/л. Поэтому
растениям и бактериям для связывания железа требуются высокоэффективные лиганды,
позволяющие забрать Fe 3+ и доставить его в клетки. Такие лиганды природного
происхождения называют сидерофорами (от греч. «переносчик железа») и их можно
применять в качестве эффективных ускорителей роста микроорганизмов. Сидерофоры
были открыты еще в 1911 г., но первый природный сидерофор, микобактин XVII, был
выделен только в 1951 г. в виде комплекса с алюминием.
XVII
XVII
Такие сидерофоры, как микобактин и энтеробактин, по существу, представляют
собой поданды с тремя боковыми цепями, связывающие гостя с помощью
депротонированных гидроксильных групп:
55

Эти лиганды имеют общий заряд 6-, что делает их комплементарными для
катионов с высоким зарядом; жесткий характер фенолятных и пирокатехиновых
фрагментов обеспечивает связь с жесткой кислотой – Fe 3+ . Действительно, константа
устойчивости комплекса энтеробактина (XVIII) с Fe 3+ равна 10 52 , поэтому он является
наиболее эффективным из известных природных хелатирующих агентов железа.
Энтеробактин настолько эффективен при связывании железа, что при pH 7 не
наблюдается никакой конкуренции со стороны хорошо известного комплексообразователя
— этилендиаминтетрауксусной кислоты (EDTA). В последние годы с помощью ряда
сидерофоров, выделенных из бактерий и корней растений, в особенности растущих на
щелочных почвах, было показано, что фрагмент о-дигидроксибензола (пирокатехин) —
это неотьемлемая часть эффективных хелаторов железа.
Первоначально энтеробактин был выделен из бактериальных культур Salmonella
typhimurium или Escherichia coli путем длительной экстракции и хроматографической
очистки с выходом -15 мг на 1 л питательного раствора. Энтеробактин — это хиральное
соединение благодаря трем асимметрическим атомам углерода, ближайшим к атому азота.
Использование в качестве исходного соединения другого энантиомера, D-серина, дает
энантиоэнтеробактин — зеркальное отражение энтеробактина (3.119). Интересно, что в
присутствии энантиоэнтеробактина никакого ускорения роста бактерий не происходило.
Фактически сдерживание роста вызывалось тем, что неприродный сидерофор удерживал
железо в среде культуры, препятствуя его усвоению бактериями. Природная форма
энтеробактерина - крайне эффективный ускоритель роста.
Уникальная способность энтеробактина к комплексообразованию железа привела к
синтезу ряда синтетических аналогов подандов и криптандов. В частности,
трипирокатехиновое производное мезитилена (XIX), МЕСАМ, имеет близкое структурное
сходство с (3.119) и, более того, благодаря отсутствию в его молекуле склонных к
гидролизу эфирных звеньев с ним проще работать.
XIX
Как и ожидалось, синтетический хозяин XIX, имеющий тесное родство с XVIII, -
также сильный комплексообразователь для железа. Однако константа связывания Fe 3+
этим соединением не превышает 1046, т.е. она в несколько миллионов раз ниже, чем у
самого энтеробактина, что сразу наводит на мысль об огромной роли структурного
фактора в объяснении исключительно эффективной комплексообразующей способности
энтеробактина. По-видимому, меньшая мезитильная спейсерная группа в МЕСАМ
приводит к более напряженной геометрии комплекса. Комплекс [Fe(MECAM)] 3- был
испытан в культуре Е.coli; несмотря на его меньшее, чем у XVIII, сродство к Fe3+, он
способен связываться с системой рецепторов энтеробактина Е. coli и ускорять рост
организмов.
Пирокатехин — всего лишь слабая кислота, и в виде аниона с зарядом 6- это
сопряженное основание (гость), которое восприимчиво к протонированию, что приводит к
56

существенному влиянию рН на его комплексообразующую способность по отношению к
Fe 3+ . Например, в слабокислых растворах (рН 5) существует сильная конкуренция за Fe 3+
со стороны EDTA (более сильная кислота в протонированной форме), что можно
обнаружить с помощью УФ-спектроскопии в видимой области. Чтобы иметь возможность
надежно определять комплексообразующую способность сидерофоров по отношению к
металлам, для этих лигандов ввели параметр рМ. Величина рМпо аналогии с рН
определяется следующим соотношением:
3
pM lg{[ Fe(
H 2O)
6 ] }
Таким образом, большая положительная величина рМ соответствует низкой
равновесной концентрации катиона Fe 3+ в воде и, следовательно, свидетельствует о
высокой комплексообразующей способности лиганда. Важно, чтобы величину рМ
измеряли в стандартных условиях в водных растворах при концентрации Fe 3+ 1 мкМ,
концентрации лиганда 10 мкМ и рН 7.4. Величины рМ для некоторых лигандов даны в
табл. 2.4.
Таблица 2.4.
Величины рМ для лигандов, хелатирующих ионы Fe 3+ .
Лиганд рМ Ig К
Энтеробактин 35.5 52
MECAM 29.1 46
EDTA 9.2 -
Поданды энтеробактин и его синтетический аналог MECAM чрезвычайно
эффективны в связывании железа, хотя подандные хозяева, как правило, менее
эффективны, чем их циклические аналоги. Поэтому были синтезированы
макробициклический лиганд XX и целый ряд родственных ему хозяев со спейсерами
разного размера (например, трифенилметановые чаши, бипиридильные центры
связывания).
Этот лиганд, в соответствии со своей жесткой предорганизованной структурой,
имеет огромную константу связывания для Fe 3+ в физиологических условиях – примерно
10 59 , что делает его наиболее эффективным комплексообразователем катиона Fe 3+ из всех
известных (W. Kiggen and F. Vogtle, 1984). Лиганд XX принадлежит к классу сидерандов
(синтетические сидерофоры) и обладает такими полезными свойствами, как стабильность
к окислению пирокатехиновых центров связывания и устойчивость к гидролизу. Это один
из немногих примеров того, насколько молекулы, созданные человеком, могут быть
эффективнее своих природных аналогов.
X
2.17. Связывание анионов
Отправной точкой в области нековалентной координационной химии анионов
можно считать сообщение К. Парка (С. Park) и Х. Симмондса (Н. Simmonds) из компании
57

«Du Pont de Nemours Company», 1968 г., посвященное комплексообразованию галогенидов
с рядом макробициклических хозяев, называемых катапинандами (3.1).
Катапинанды (от греч. «katapino», означающего «заглатывать», или «поглощать»)
при протонировании атомов азота, находящихся в голове мостика, способны связывать
галогенид-ионы внутри своей макробициклической полости. Такое капсулирование было
подтверждено РСА. Упомянутое выше сообщение Парка и Симмондса, представленное в
редакцию 13 ноября 1967 г., стало важным вкладом лаборатории компании «Du Pont» в
тогда еще неизвестную область супрамолекулярной химии. Семью месяцами ранее, 13
апреля, Ч. Педерсен представил свою основополагающую работу по связыванию катионов
с помощью дибензо-18-краун-6, которая положила начало современной
супрамолекулярной химии.
Рис. 2.21. Строение катапинанда - 1,11-диазабицикло[9.9.9]нонакозана
Несмотря на довольно раннее открытие катапинандов, нековалентная
координационная химия анионов развивалась относительно медленно по сравнению с
химией хозяев для катионов и даже нейтральных молекул. Хотя, как правило, поведение
анионных хозяев подчиняется тем же общим закономерностям, которые характерны для
катионных хозяев (прежде всего, предорганизация, комплементарность и сольватация) и
выражаются константами связывания и селективностью хозяев к катионным гостям,
использование этих представлений может быть затруднено из-за некоторых свойств
анионов:
анионы довольно велики, для них требуются рецепторы значительно большего размера,
чем для катионов. Например, ионный радиус одного из самых маленьких анионов, F - ,
сравним с ионным радиусом К + (1.33 и 1.38 А);
даже у простых неорганических анионов существует большое разнообразие формы и
геометрии, например, сферическая (галогениды), линейная (SCN - , N 3 - ), плоская (NO 3 - ,
PtC1 4 2- ), тетраэдрическая (РО 4 3- , SO 4 2- ) октаэдрическая (РF 6 - , Fe(CN) 6 3- ), а в случае
биологически важных олигофосфатных анионов формы еще более сложны;
у анионов свободные энергии сольватации больше, чем у катионов того же размера;
значит, хозяева анионов должны более эффективно конкурировать с окружающей
средой, например, ΔG гидр (F - ) = -465 кДж/моль; ΔG гидр (К + ) = -295 кДж/моль;
многие анионы существуют в узких пределах рН. Это может создавать трудности,
особенно в случае рецепторов на основе полиаммониевых солей, где хозяин может
быть не полностью протонирован как раз в той области рН, в которой анион
присутствует в нужном виде;
обычно анионы координационно насыщены и поэтому связываются только
посредством слабых взаимодействий, таких, как водородная связь и ван-дер-ваальсовы
взаимодействия.
Таким образом, количественное описание селективного связывания анионных
гостей представляет собой до некоторой степени более сложную задачу, чем описание
58

связывания катионов металлов, даже если качественно в обоих случаях можно
использовать одни и те же концепции и идеи супрамолекулярной химии.
Анионами являются 70 — 75% ферментативных субстратов и кофакторов; очень
часто это фосфатные остатки (как в ATФ и AДФ) или неорганические фосфаты. Такие
анионы, как сульфаты и карбоксилаты, тоже характерны для биохимических систем.
Хлорид-анион — главный внеклеточный анион; предполагают, что функционирование
именно хлоридных транспортных каналов обуславливает циститный фиброз. Следует
обратить внимание на способ, которым природа осуществляет комплексообразование и
транспорт анионов. При биохимическом связывании анионов ферментные или белковые
хозяева всегда являются частью функционирующей биологической системы (например,
биокатализ и транспорт). При этом природные системы связывания анионов должны не
только иметь большое сродство к аниону-мишени, но и малое сродство ко всем другим
компонентам, присутствующим в клетке или во внеклеточной жидкости
(термодинамическая селективность). Кроме того, они должны быстро и в нужный
момент связывать и высвобождать свои субстраты (кинетическая селективность) В
результате белки, связывающие анионы, не стремятся к образованию жестко
предорганизованных макроциклических или макробициклических систем, а формируют
гораздо более гибкие, нитевидные, образования, способные в результате взаимодействий
принимать анионсвязывающие конформации. Большое число взаимодействий белок —
анион (стабилизирующий энтальпийный фактор) компенсирует недостаточную
предорганизацию.
В работе Ф. Куиоко (F. Quiocho) из Университета в Райсе (Техас, США) проведены
кристаллографические исследования двух бактериальных периплазматических
анионтранспортных белков, названных фосфатсвязывающими (РВР) и
сульфатсвязывающими (SBP) белками (Quiocho, 1990). Их функция состоит в устойчивом
связывании аниона сразу после того, как он в результате пассивной диффузии пересечет
мембрану клетки бактерии. Структуры этих двух белков очень близки. В каждом случае
анионы связываются внутри щели глубиной ~ 8 Å, образующейся при пересечении двух
глобулярных областей белка. Основная разница между двумя структурами, приводящая к
практически полной селективности по отношению к соответствующим субстратам
(фактор селективности составляет ~104), заключается в оптимальной организации
остатков, участвующих в образовании водородных связей у связывающего центра белка.
В случае РВР белок реагирует на то, что как НРО 2- -
4 , так и Н 2 РО 4 могут служить и
донорами, и акцепторами при образовании водородной связи.
Сульфат-анион в структуре SBP удерживается семью водородными связями от NHгрупп
каркаса белка, ОН-групп серина и NH-групп триптофана; они являются донорами
водородной связи. Сродство белка к сульфату уменьшается при замене донора
водородной связи - серина на цистеин (SH вместо ОН), алании (Ме) или глицин (без
заместителя) с помощью направленного мутагенеза. В результате неблагоприятных
стерических взаимодействий сродство в случае цистерна снижается в 3200 раз. Две другие
замены, приводящие к потере одной из семи водородных связей, уменьшают сродство
соответственно в 100 и 15 раз, что равно потере водородной связи с энергией -7 кДж/моль.
Аргинин как центр связывания анионов. Аргининовый остаток, содержащий
гуанидиновую группу, особенно важен среди белков и ферментов, связывающих анионы.
Гуанидиний, протонированная форма гуанидина, является прекрасным центром
связывания анионов, поскольку он остается протонированным в очень широком диапазоне
рН (рК а 13.5 для исходного CN 3 H 6 ) и может участвовать в создании двух водородных
связей с карбоксилатами, фосфатами, сульфатами и др.:
59

Важные аргининсодержащие биологические системы включают
супероксиддисмутазу (Cu - Zn-фермент, катализирующий превращение супероксида
( O 2 ) в пероксид водорода и молекулярный кислород) и цитратсинтазу.
Карбоксипептидаза А (СРА) — еще один фермент, использующий аргининовый
остаток для связывания анионного субстрата. Роль этого цинксодержащего фермента
состоит в гидролитическом расщеплении концевой пептидной или эфирной связи на
карбоксилатном конце полипептидных или эфирных субстратов, имеющих боковые р-
ароматические цепи на последнем остатке.
2.18. Концепции конструирования хозяина для анионов
«Хозяина» можно рассматривать как соединение со сходящимися центрами
связывания, а понятия «гость» — как соединения с расходящимися центрами связывания.
Очень важно, чтобы хозяин мог отличать одного гостя от другого. Эти определения
полезны и в случае координационной химии анионов, но существуют осложнения при
оценке связывания анионов. Во-первых, большой размер и высокая поляризуемость
анионов предполагают при их связывании значительную роль ненаправленных
взаимодействий, например дисперсионных. Во-вторых, из-за своего отрицательного
заряда анион неизбежно испытывает электростатическое притяжение к большинству
молекулярных образований, даже не заряженных положительно, а просто благодаря
разности заряда между отрицательно заряженным анионом и электронейтральной
молекулой. Это означает, что дисперсионные и электростатические силы, являясь
полностью ненаправленными, вносят значительный вклад в связывание анионов. Поэтому
хозяин в определенном смысле представляет собой сплошной центр связывания, хотя
некоторые его участки будут взаимодействовать с анионом сильнее, чем другие.
Вторая проблема касается определения центров связывания на самом анионе.
Координационно насыщенная природа анионов и недостаток (за исключением таких
анионов, как H 2 PO - 4 ) функциональных групп, способных к образованию водородных
связей, означают, что, например, галогениды ведут себя как сферические заряды и
обладают очень гибкой координационной геометрией, не имеющей специфических
центров связывания.
Бициклические катапинанды могут быть классифицированы как хозяева анионов.
Они связывают свои анионные гости с помощью двух сходящихся водородных связей N + -
Н···Х - (центров связывания) и проявляют размерную селективность в соответствии с
величиной хозяина (определяемой длиной цепи n). Мостиковый [8.8.8]катапинанд
достаточно слабо связывает анионы; аналогичный [9.9.9]-хозяин имеет константу
связывания ~102 моль -1 для Cl - в растворителе вода/трифторуксусная кислота с умеренной
селективностью к хлоридам по сравнению с бромидами (примерно в 8 раз), тогда как
мостиковый [10.10.10]катапинанд связывает Cl - Br - и I - с низкой селективностью. Однако
катапинанды не предорганизованы и претерпевают конформационные переходы уже
после связывания аниона:
60

При конструировании анионсвязывающих хозяев, включающем предорганизацию,
необходимо принимать во внимание и комплементарность. Конструирование
комплементарных центров анионного связывания должно учитывать некоторые
фундаментальные характеристики анионов.
Отрицательный заряд. Отрицательный заряд предполагает, что связывать анионы
будут как нейтральные, так и, в особенности, положительно заряженные хозяева. К
сожалению, электростатические взаимодействия не являются направленными, а поэтому
все анионы будут электростатически притягиваться к хозяину, образуя в растворе
сольватированную ионную пару. С ростом заряда анионов следует ожидать увеличения
сродства. Для данного положительно заряженного хозяина следует учитывать
конкуренцию со стороны противоанионов, т.е. на самом деле любая из наблюдаемых
констант связывания будет представлять собой фактор относительной селективности
связывания одного аниона по сравнению с другим.
Основность по Льюису. Подавляющее большинство анионов является
основаниями Льюиса, но есть и некоторые исключения: анионы, у которых нет
неподеленных электронных пар (например, А1Н 4 - , В(С 6 Н 5 ) 4 - , клозо-В 12 Н 122- ), или анионы,
являющиеся очень слабыми основаниями (например, В(С 6 F 5 ) 4 - ). Это свидетельствует о
том, что хозяева, содержащие кислотные атомы Льюиса, такие, как органические
соединения бора, ртути, олова или катионы металлов, могут быть основой для создания
подходящего хозяина за счет образования координационных связей. Это привело к
появлению хозяев-антикраунов, напоминающих краун-эфиры, у которых кислород
основания Льюиса заменен кислотными центрами связывания Льюиса. Хороший
фундамент для конструирования селективных хозяев создает сильная направленность
льюисовских координационных взаимодействий кислота — основание. Благодаря
основности Льюиса анионы могут выступать в качестве акцепторов водородной связи, так
же как в случае связывания галогенида катапинандами, при котором усиленные зарядами
водородные связи N — Н "Cl обеспечивают основной вклад в комплексообразующую
способность хозяев.
Высокая nоляризуемость. За счет высокой поляризуемости анионов возникают
значительные ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Будучи ненаправленными, они
относятся ко всей площади поверхности контакта хозяина и аниона; таким образом,
трехмерное капсулирование данного аниона должно усилить связывание всех анионов,
соответствующих хозяину.
Сольватация. Анионы в основном имеют большие энергии сольватации, а поэтому
влияние среды, в которой выполняют эксперименты по комплексообразованию анионов,
на измеряемые константы связывания будет еще большим, чем при связывании катионов.
Константы связывания для одновалентных неорганических анионов в воде имеют
значения -10 2 - 10 3 . Это свидетельствует о прочном связывании, тогда как из-за отсутствия
у анионов склонности к сольватации прочная связь гораздо легче образуется в
неполярных растворителях, например в хлороформе. Полагают, что константы связывания
анионов возрастают в следующем ряду растворителей: Н 2 О < ДМСО < СН 3 CN < СНСl 3 <
СС1 4 , хотя интересные компенсационные энтальпийно-энтропийные эффекты могут
наблюдаться при комплексообразовании гостей всех видов.
Координационное число и геометрия связанного аниона — также потенциально
важные параметры. При поисках комплементарного хозяина для катионов металлов надо
учитывать, что связывание металлов гораздо сильнее в тех случаях, когда
координационное число и геометрия металла соответствуют этим же параметрам лиганда
(октаэдрическая, тетраэдрическая, плоскоквадратная и т.д.). Эта важная особенность не
так существенна в случае катионов щелочных металлов, которые не имеют четких
координационных предпочтений. В кристаллическом NaC1 хлорид-анион находится в
регулярном шестикоординационном октаэдрическом окружении. Напротив, хлориданион,
капсулированный катапинандами, можно считать двухкоординационным,
61

поскольку он занят в образовании двух водородных связей N-Н···Cl - . В действительности,
существует много разнообразных видов координационной геометрии анионов, причем
число взаимодействий, на которые способен анион, возрастает с увеличением его размера.
Синтетические хозяева галогенидов могут участвовать в образовании двух-шести
водородных связей в ациклических и циклических структурах, тогда как большие
многоатомные анионы могут давать до трех водородных связей в расчете на один
концевой атом.
Таким образом, хозяин должен быть достаточно большим, чтобы иметь
возможность включать в полость анион, а также не должно существовать больших
электростатических отталкиваний. Этим условиям удовлетворяет криптанд
тераэдрической координации (содержит четыре триаза-18-краун-6), получивший название
«футбольный мяч»:
В отличие от катапинандов этот протонированный криптанд имеет крайне сильное
сродство к хлорид-ионам (lgK > 4, растворитель - метанол-вода), а его селективность к
хлорид-иону в 50 раз выше, чем к бромид-иону.
Простые по структуре двумерные хозяева (циклические полиэтиленимины),
содержат несколько протонируемых центров и способны образовывать комплексы
(«суперкомплексы») представленной структуры с различными анионами, включая анионы
больших размеров.
N H
N
H N H
N H H
N
H
N
n
XXI
Соединение XXI (при n=1 – [18]ан-N 6 ) образует кристаллы XXI-4Н +·2Cl -·2NO 3 - , в
которых нитрат-ион взаимодействуют с хозяином не прямо, а через включенные
молекулы воды, а в кристалле XXI-6Н +·2Cl -·4NO 3 - , имеются прямые связи между этими
центрами и нитрат-ионами, но каждый нитрат ион приходится только одна такая связь.
Макроциклы с большими n образуют комплексы с такими ионами, как [PdCl 4 ] 2- ,
[Fe(CN) 6 ] 4- , причем константы зависят от степени протонирования макроцикла, табл.2.5.
62

Устойчивость комплексов XXI с [Fe(CN) 6 ] 4-
Таблица 2.5.
Хозяин
Комплекс
lgK
n = 3 n = 4 n = 5
XXI-4H + 1:1 4.06 3.69 3.61
XXI-5H + 1:1 5.63 4.78 4.66
XXI-6H + 1:1 7.60 6.23 5.72
XXI-7H + 1:1 9.33 7.92 6.93
XXI-8H + 1:1 - 9.03 8.07
В литературе приводятся результаты комплексообразования с анионами множества
специально сконструированных хозяев, среди которых можно выбелить производные на
основе гуанидиния, металлоорганические рецепторы, цвиттер-ионные соединения и др.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятию поданды. История вопроса.
2. Особенности комплексообразования подандами.
3. Дайте определение понятию лариат-эфирами, какими свойствами они обладают?
4. Какие соединения называют криптандами? Номенклатура криптандов.
5. Методы синтеза криптандов.
6. Создание жестких трехмерных структур молекул «хозяина» - сферандов. Их строение.
7. Алкалиды: содииды и потассиды.
8. Углеводородные хозяева.
9. Какие соединения называют сидерофорами? Их роль в живой природе.
10. Синтетические сидерофоры.
11. Какие соединения супрамолекулярной химии применяют для связывания анионов?
12. Опишите концепцию конструирования молекулы «хозяина» для анионов.
63

Лекция 3. Кавитанды. Циклодекстрины
Кавитанд (cavitand) – молекулы в форме контейнеров определенной формы.
Наличие внутри молекулы структурированной пустоты позволяет ей вступать во
взаимодействия «гость-хозяин» с молекулами (частицами) комплементарной формы и
размера. Среди кавитандов выделяют циклодекстрины, каликсарены и кукурбитурилы.
3.1. Строение и свойства циклодекстринов
Циклодекстрины относятся к классу чрезвычайно важных соединений-хозяев,
которые широко используются в пищевой, косметической и фармацевтической отраслях
промышленности, обычно в качестве агентов для медленного высвобождения и доставки
веществ. Они также чрезвычайно важны как имитаторы ферментов. Одно из их
преимуществ – абсолютная нетоксичность в широком диапазоне дозировки. Они
настолько важны, что им посвящен целый том 11-томного издания “Comprehensive
supramolecular chemistry” (J. Atwood et al/ Oxford, “Pergamon”, 1966) – том.3.
Промышленное производство наиболее важного представителя семейства
циклодекстринов, β-циклодекстрина, составляет 1500 т в год с ценой лишь несколько
долларов за 1 кг.
Циклодекстри́ны — углеводы, циклические олигомеры глюкозы, получаемые
ферментативным путем из крахмала. Они образованы остатками D-(+)-глюкопиранозы,
объединенными в макроциклы α-D-1,4-гликозидными связями. Историческое название:
кристаллические декстрины Шардингера.
По свойствам циклодекстрины резко отличаются от обычных (линейных)
декстринов. Иногда циклодекстрины называют циклоамилозами,
цикломальтоолигосахаридами, цикломальтодекстринами.
Впервые циклодекстрины были обнаружены М. Вилльером (М.А. Villiers) в 1891 г.,
исследовавшим продукты метаболизма бактерий Clostridium butyricum, и давшим первое
описание этих кристаллических углеводов под названием «целлюлозин» (cellulosine).
Наибольший вклад в исследование циклодекстринов внёс позднее (1903—1911 гг.) Ф.
Шардингер (F. Schardinger), в честь которого они длительное время назывались
декстринами Шардингера.
Все циклодекстрины представляют собой белые кристаллические порошки,
нетоксичные, практически не имеющие вкуса. Внешне - это белые кристаллические и
аморфные субстанции. Количество кристаллизационной воды варьирует от 1 до 18 % в
зависимости от методов сушки и приготовления препарата.
Циклодекстрины различают по количеству остатков глюкозы, содержащихся в
одной их молекуле. Так простейший представитель — α-циклодекстрин (α-СD) - состоит
из 6 глюкопиранозных звеньев; β-циклодекстрин (β-СD) содержит 7; а γ-циклодекстрин
(γ-СD) - 8 звеньев, рис.3.1.
Рис.3.1. Структуры некоторых циклодекстринов.
Именно эти три типа наиболее распространены и исследованы. Циклодекстрин,
молекулы которого состоят из 5 глюкопиранозных звеньев, ферментативными методами
64

до сих пор не синтезирован. Более того длительное время (на основе расчетов методами
молекулярной механики) считалось, что циклы, содержащие менее шести глюкозных
фрагментов невозможны, но японским ученым удалось синтезировать 5-ти членный
циклодекстрин. Полное название по правилам ИЮПАК этих соединений достаточно
сложное. Например, CD - 5,10,15,20,25,30,35-гептакис(гидроксиметил)-
2,4,7,9,12,14,17,19,22, 24,27,29,32,34-тетрадекаоксаоктацикло[31.2.2.2 3,6 .2 8,11 .2 18,21 .2 23,26 .
2 28,31 ]нонатртраконтан-36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49-тетрадекаол. В литературе
имеется сообщение о проведение синтеза α-циклодекстрина в 21 стадию с суммарным
выходом 0.3 % и γ-циклодекстрина с выходом 0.02 %.
При трансформации крахмала в циклодекстрины с помощью микробного фермента
циклодекстринглюканотрансферазы (ЦГТазы) также образуются циклические сахара,
имеющие девять, десять, одиннадцать и более (до 30—60) остатков глюкозы в цикле и
обозначаемые соответствующими буквами греческого алфавита σ, ε, ζ, η, θ и т. д. Это так
называемые крупнокольцевые (large-ring) циклодекстрины.
Форма молекул циклодекстринов в грубом приближении представляет собой тор,
также напоминающий полый усечённый конус, рис.3.2. Данная форма стабилизирована
водородными связями между ОН-группами, а также α-D-1,4-гликозидными связями. Все
ОН-группы в циклодекстринах находятся на внешней поверхности молекулы. Длительное
время считалось, что структура циклодекстринов жесткая, однако ряд исследований с
использование ЯМР-спектроскопии свидетельствует об определенной гибкости молекулы,
так что оси симметрии высокого порядка применимы только к усредненным структурам.
Степени свободы связаны с некоторой гибкостью по связям между пиранозидными
кольцами. Макроциклические декстрины имеют скрученную форму без каких-либо
полостей.
Рис.3.2. Структура циклодекстринов и условный тор.
Циклодекстрины химически устойчивы, относятся к невосстанавливаемым
углеводам. Они могут быть модифицированы полностью или частично (региоселективно),
приобретая новые важные свойства. Возможно отщепление ОН групп, разрыв С-О, С-Н и
С-С-связей. Однако, приготовление циклодекстринов, содержащих заместители в сторого
определенных позициях чрезвычайно трудно и требует тщательных (хроматографических)
методов очистки. Напротив, полное метилирование или ацилирование удается выполнить
с хорошими выходами, поэтому такие продукты коммерчески доступны.
Перацетилированные циклодекстрины растворимы только в органических
растворителях.
Эти свойства являются важными для использования при экстракции, в катализе и
т.д. Например, гептакис-2,3,6-С-пентил циклодекстрин используется в качестве активной
добавки в подвижную фазу в энантиоселективной хроматографии.
Ряд основных свойств индивидуальных α-, β- и γ-циклодекстринов представлен в
табл.3.1.
Таблица 3.1.
Основные свойства циклодекстринов
65

Свойство α-CD β- CD γ- CD
Число остатков глюкозы в макроцикле 6 7 8
Молекулярный вес, Да 972.85 1134.99 1297.14
Внешний диаметр тора, Å 13.7 15.3 16.9
Внутренний диаметр полости тора, Å 5.2 6.6 8.4
Высота тора, Å 7.8 7.8 7.8
Объём внутренней полости, Å 3 174 262 472
Физический объём полости в навеске 1г ЦД, мл: 0.1 0.14 0.2
Частичный молярный объём в растворах, мл/моль 611.4 703.8 801.2
Растворимость в воде при 25 °C, г/100 мл 14.5 1.85 23.2
ΔH o раствора, кДж/моль 32,1 34,7 32,3
ΔS o раствора, Дж/(моль·K) 57.7 48.9 61.4
Температура разложения, °С 278 299 267
[α] D (25 o C) 150.5 162.0 177.4
Кристаллизационная вода, масс. % 10,2 13,2-14,5 8,13-17,7
β-Циклодекстрин плохо растворим в воде, но его гептакис-2,6-Одиметилпроизводное
растворяется заметно лучше; а незамещенные циклодекстрины
нерастворимы в органических растворителях, тогда как полностью метилированные
производные растворимы не только в них, но и в воде.
3.2. Соединения включения
Внутренняя полость циклодекстринов является гидрофобной и способна
образовывать в водных растворах комплексы включения с другими молекулами
органической и неорганической природы. В комплексах включения кольцо
циклодекстрина является «молекулой хозяином», включённое вещество называют
«гостем».
Обычно взаимодействие циклодекстрина с неполярной молекулой-гостем приводит
к образованию молекулярных соединений включения состава 1:1, в котором гость встроен
в полость циклодекстрина. Включение – термодинамически равновесный процесс с
константой равновесия К по обычным соотношениям:
[ CD G]
CD G CD G , K .
[ CD]
[
G]
Обычны также равновесные процессы более высокого порядка, в которых входит
образование комплексов 1:2 или кратных агрегатов с участием более одного
циклодекстрина, часто существующих одновременно.
Для определения констант комплексообразования, К, используют метод
растворимости. По этому методу измеряют растворимость сорбата [G] max как функцию
концентрации циклодекстрина, [CD], считая растворимость :не включенного в комплекс
сорбата постоянной:
0
0
[ G]
max [ G]
max [ CD G]
[ G]
max 1
K [
CD]
.
Малые концентрации сорбатов могут быть определены флуоресцентными,
спектрфотометрическими, хроматографическими и др. методами.
Интересен технический момент насыщения раствора сорбатом, который состоит в
пропускании раствора через генераторную колонку (стальная колонка, заполненная
стеклянными шариками, на которые нанесен сорбат, подлежащий растворению).
Комплексы включения в воде диссоциируют на циклодекстрин и исходное
вещество, проявляя основные свойства последнего. При нагревании выше 50—60°С
комплексы обычно распадаются полностью и обычно восстанавливают свою структуру
при охлаждении.
66

В процессе образования комплексов меняются многие исходные свойства
включаемых соединений. Нерастворимые в воде вещества, приобретают большую
растворимость, становятся стабильными в процессах окисления и гидролиза, меняют вкус,
цвет и запах. Из жидкостей и даже некоторых благородных газов могут быть получены
порошкообразные соединения, из маслообразных веществ - полностью растворимые в
воде препараты (например, жирорастворимые витамины).
В целом, размер наиболее подходящего гостя увеличивается при росте размера
полости хозяина (циклодекстрина), однако хозяин обладает некоторой гибкостью,
поэтому такое соответствие не является строгим критерием. Высвобождение
высокоэнергетической воды из полости CD и гидрофобный эффект при внедрении гостя
создают условия для уменьшения энтальпии. Однако, если при классическом
гидрофобном эффекте наблюдается уменьшение энтропии, то для комплексов включения
циклодекстринов это не всегда выполняется вследствие условной неполярности
внутренней поверхности торов. Дополнительная стабилизация комплексов возможна за
счет образования водородных связей или за счет диполь-дипольных взаимодействий. По
модели К. Коннорс (K. Connors) свободная энергия образования комплекса включает три
составляющие:
Gcomp
Gint Gsolv
Ggenm.
Здесь индекс «int» относится к энергии взаимодействия хозяин-гость, которая
должна иметь благоприятный или, в худшем случае, нулевой вклад. Она включает вклады
обусловленные образованием водородных связей, дипольных и дисперсионных
взаимодействий. Энергия с индексом «solv» описывает эффекты растворителя. Она может
быть как благоприятной, так и неблагоприятной, но обычно – неблагоприятная. Это –
разность между энергией сольватации комплекса и суммой энергий сольватации хозяина и
гостя. Энергия с индексом «genm» - общий эффект среды, связанный с созданием
соответствующих полостей. Следовательно, эффективное комплексообразования
определяется первой и третьей составляющими. Об условности гидрофобности
взаимодействий можно судить по изменения констант комплексообразования заряженных
(менее гидрофобных) и незаряженных частиц, рис.3.3.
OH
O -
N +
O
O -
O - O OH O O -
N +
O
lgK= 2.32 3.36 2.88 1.05
Рис.3.3. Изменение констант комплексообразования при изменении состояния ионизации гостя
Найдено, что при комплексообразовании алифатических гостей типа Me(CH 2 ) n X
связывание значительно усиливается, если Х – полярная группа, например, СООН или
ОН, но не Ме. Это объясняют выигрышем энтальпии за счет диполь-дипольных
взаимодействий или за счет образования водородных связей.
Следует учесть, что обнаруживаемый методами ЯМР, кругового дихроизма факт
образования комплексов в растворе не обязательно соответствует существованию
комплексов в кристаллическом или твердом состояниях вследствие отсутствия
гидрофобных эффектов в твердом состоянии. Иногда комплексы, устойчивые в растворе,
кристаллизуются в виде тонкой дисперсии отдельных кристаллов гостя и хозяина. Тем не
менее, было выделено большое число твердых комплексов внедрения.
67

В твердом состоянии комплексы декстринов можно разделить на три обширные
категории – канальных, клеточных и слоистых структур, рис.3.4. При этом учитывают
взаимную ориентацию торов относительно друг друга, различая, например оринтации
типа «голова-голова» (а также «хвост-хвост») или «голова-хвост»; и второй критерий
определяется по взаимному расположению осей торов.
Структуры клеточного типа наблюдаются, когда молекула гостя достаточно мала
для полного включения в полость циклодестрина. В результате молекулы циклодекстрина
организуются по типу «елочка». Полость α-циклодекстрина велика для захвата молекул
бензола, метанола, пропанола-1, 3-иодпропановой кислоты, поэтому для таких
соединений включения характерна елочная структура упаковки в твердом состоянии.
С большими молекулами-гостями все три главных циклодекстрина образуют
канальные структуры, в которых торы выстраиваются в ряд, образуя одну сплошную
гидрофобную полость. Метиловый оранжевый простирается на три α-циклодекстриновые
полости, а с ферроценом – на две полости с их ориентацией «голова-к-голове». Известнен
случай включения катиона Na + в две молекулы краун-эфиров, которые, в свою очередь,
включены в пару γ-циклодекстриновых полостей («русская кукла» или «матрешка»),
рис.3.5.
1а 1б 2
3а
3б
Рис.3.4. Варианты упаковки циклодекстриновых торов
1а и 1б – канальный тип; 2 – клеточный тип, 3а и 3б – слоистый тип.
Рис.3.5. Канальная структура комплекса γ-СD c [Na(12-краун-4) 2 ]
3.3. Циклодекстрины как хирильные дескрипторы
68

Использование циклодекстринов для разделения энантиомеров в условиях
обращено-фазовой хроматографии перспективно, поскольку нет необходимости в
предварительной дериватизации сорбатов и можно использовать обычные (обращенные)
стационарные фазы. Причиной разделения энантиомеров являются вторичные равновесия
в подвижной фазе, связанные с образованием комплексов включения, чувствительных к
расположению функциональных групп в энантиомерах.
Фактор удерживания сорбата Х, k(X) связан с константой распределения этого
вещества между двумя фазами через фазовое соотношение колонки, φ:
k ( X ) K(
X ) .
Пусть коэффициент распределения сорбата между стационарной и подвижной
фазами в отсутствии в подвижной фазе циклодекстрина равен K:
X ( mp)
X ( sP)
:
X ( sp)
K .
X ( mp)
Пусть сорбат образует комплекс с циклодекстрином в подвижной фазе,
удерживанием которого можно пренебречь:
X ( mp)
CD(
mp)
X / CD(
mp)
;
[ X / CD(
mp)]
K CD
.
[ X ( mp)][
CD(
mp)]
При этом в уравнении для константы распределения сорбата в знаменателе должна
быть сумма концентраций обеих форм сорбата в подвижной фазе:
[ X ( sp)]
[ X ( sp)]
K*
;
[ X ( mp)]
[ X / CD(
mp)]
[ X ( mp)]
K
CD
[
X ( mp)]
[
CD(
mp)]
1 [ X ( mp)]
KCD
[
X ( mp)]
[
CD(
mp)]
1
(1 KCD
[
CD(
mp)])
.
k(
X )
[ X ( sp)]
K
Таким образом, величина, обратная фактору удерживания вещества должна
линейно зависеть от концентрации циклодекстрина в подвижной фазе, что и было
подтверждено экспериментально, рис.3.6. В таком случае по параметрам линейного
уравнения может быть рассчитана константа комплексообразования циклодекстрина с
сорбатом.
1/k’
[αCD],m
M
Рис.3.6. Зависимость параметров удерживания эфедрина и псевдоэфедрина от концентрации β-
циклодекстрина в подвижной фазе.
В данном случае в качестве стационарной фазы была использована обычная СNфаза
(Zorbax CN). При этом эффективность разделения энантиомеров эфедрина и
69

псевдоэфедрина оказалась различной, несмотря на одинаковый набор функциональных
групп для всех четырех веществ. В целом, наилучшие результаты получены при
использовании подвижных фаз, содержащих циклодекстрин на пределе его растворимости
(порядка 20 ммоль/л) с добавками триэтаноламина и уксусной кислоты, регулирующими
процесс комплексообразования. Если разделение энантиомеров псевдоэфедрина удается
выполнить, то пара энантиомеров эфедрина в использованных составах подвижной фазы
почти не разделялась.
CH 3 NH
HO
CH 3
H
H
CH 3
CH 3
H NHCH 3 CH 3 NH H
H
OH
H
OH HO
CH 3
H NHCH 3
H
(+)- (-)- (-)- (+)-
эфедрин
псевдоэфедрин
Циклодекстрин добавляют в подвижную фазу для разделения энантиомеров и в
случае капиллярного зонного электрофореза, но в случае хроматографии вместо
добавления циклодекстрина в подвижную фазу более эффективным является
приготовление стационарных фаз, на которых иммобилизован циклодекстрин. Причем
развитие хиральной хроматографии связано с исследованием разделяющей способности
различных производных циклодекстринов. Например, одним из первых таких
производных стал гидроксипропилциклодекстрин, позволивший разделить такие пары
энантиомеров, для которых использование исходного циклодекстрина оказалось
неэффективным.
3.4. Циклодекстрины: промышленное применение
Циклодекстрины находят широкое применение в ряде отраслей промышленности.
Рынок циклодекстринов растет благодаря их уникальным свойствам по включению гостей
и кинетике диссоциации комплексов наряду с их стабильностью, нетоксичностью и
относительной дешевизной. Основные области интереса к ним представлены в виде
распределения резюме статей по циклодекстринам, опубликованным в 1996 г. в
«Cyclodextrin News» (рис. 3.59).
Распределение исследований, приведенное на этом рисунке, не включает, однако,
самых последних данных о применении циклодекстринов. Около 80 — 90% полученных в
промышленности циклодекстринов (в основном р-CD) расходуется в пищевой
промышленности, где использование циклодекстринов предпочтительно из-за их
высокотемпературной стабильности в процессах переработки пищевых продуктов.
Комплексообразование циклодекстринами дорогих душистых масел и специй,
приготовленных из яблок, цитрусовых, корицы, чеснока, имбиря, мяты и тимьяна,
значительно уменьшает их количества, необходимые для достижения запаха
определенной силы при добавлении к пище. Комплексообразование делает такие
ароматизаторы более устойчивыми к окислению, фотохимической деструкции,
термическому разложению и уменьшает их летучесть. Приведем лишь один пример.
Количество луковой приправы для пикантного овечьего сыра можно снизить от 550 г (на
100 порций) до 10 г, если эта специя связана в виде комплекса с β-циклодекстрином.
Подобная стабилизация достигается в случае пищевых красителей и пигментов, которые
могут разлагаться фотолитически или при изменении рН. Привлекательность
циклодекстринов для производителей пищевых продуктов возрастает еще более, если
учесть преимущества переработки и взвешивания (сухой порошок в противоположность
летучему маслу), которые снижают цены при упаковке и хранении, а также вероятность
микробного загрязнения.
70

Кроме использования в пищевой промышленности циклодекстрины также
применяют в фармацевтической промышленности в качестве систем доставки лекарств.
Как и в пищевой промышленности, циклодекстрины могут служить защитными агентами,
которые предотвращают преждевременный метаболизм лекарств и допускают, таким
образом, например, оральное, а не внутривенное введение. Они также могут изменять
растворимость лекарства и особенности его биологического транспорта, увеличивая
специфичность к мишени. Циклодекстрины могут также увеличивать растворимость
слаборастворимых лекарств, что исключает необходимость химического
модифицирования самого лекарства введением гидрофильных остатков, способных
вмешиваться в мембранный транспорт этого лекарства. Известно, наконец, что
комплексообразование циклодекстринами уменьшает местное раздражение или
повреждения, вызванные лекарством, а также маскирует неприятные или горькие
привкусы.
3.5. Внутриполостные комплексы нейтральных молекул
Циклофаны — это мостиковые макроциклические системы, включающие
ароматические или гетероароматические макроциклы, соединенные между собой
алифатическими спейсерами. Эти циклофаны уже упоминались, потому что они обладают
рядом свойств, уникальных из-за наличия в их молекулах многочисленных арильных
колец, и, отчасти, потому что они всесторонне изучены.
Но целый ряд синтетических циклофановых хозяев был сконструирован для
связывания органических молекул в водной и неводной средах. По определению,
циклофан-хозяин должен содержать, по крайней мере, один макроцикл и замыкающие его
группы, обладающие кривизной. Хозяева, содержащие гибриды таких фрагментов,
достаточно распространены. Циклофановые хозяева обычно связывают как нейтральные
молекулы, так и органические катионы, причем иногда даже неясно, протонирован ли
гость, как, например, в случае кислоты-хозяина, образующей с ним водородные связи, или
нет. Циклофановые хозяева могут содержать или не содержать молекулярную полость, и в
некоторых случаях такие полости не нужны для достижения высокого сродства к
связыванию, если связывающие центры в молекуле хозяина, обладающие
стереоэлектронной (т.е. стерической и электронной) комплементарностью к гостю,
расположены надлежащим образом (предорганизованы). Это может приводить к
связыванию по типу «капсула» или «гнездо» или даже к неполярным поверхностным
взаимодействиям, последние часто ведут к агрегированию. Тем не менее встречаются и
полости, когда прирост энтропии и энтальпии обусловлен сферическим или трехмерным
капсулированием гостя хозяином, имеющим сходящиеся связывающие центры.
Номенклатура. Если алифатические мостики циклофанов содержат n атомов
углерода, то это число заключают в квадратные скобки перед наименованием «циклофан»
наряду с обозначением (орто-, мета- или пара-), указывающим на характер замещения в
арильном кольце (кольцах). Количество цифр в квадратных скобках означает число таких
мостиков. Так, циклофаны, приведенные в предудущей теме, имеют названия:
XIV
XV
XVI
[2.2]парациклофан
[3.3]парциклофан
[2.2.2]парациклофан
Синтез циклофанов обязательно включает образование колец средних и больших
размеров и, следовательно, всегда проблематичен из-за конкурирующих реакций
олигомеризации и полимеризации. Однако детальное обсуждение многочисленных
методов получения циклофанов не является задачей данного пособия. Уместно, однако,
привести обычные методы и особые «хитрости» в этой продвинутой области
71

органического синтеза. Несколько важных реакций синтеза циклофанов (и макроциклов
вообще) перечислены ниже:
1. Нуклеофильное замещение, включая реакции с участием серы и реакции с ее
удалением.
Сера имеет гораздо большую реакционную способность, чем кислород, вследствие
повышенной кислотности группы SH. Промежуточные тиоэфиры можно окислить в
соответствующие S=O- или SO -производные, пиролиз которых приводит к удалению
серы с образованием соединений с С-С-связью, таких, как XXI.
+Na 2 S
а) окисление;
б) пиролиз
XXI
Схема синтеза макроцикла с тетраэдрической координацией фенильных групп в полости
2. Образование С-С-связи по реакции типа реакции Вюрца:
3. Катализируемое медью сочетание алкинов:
Особые черты, присущие некоторым цмклофанам - это достаточно высокая степень
структурной жесткости (как и в случае полости в β-циклодекстрина) в сочетании с
72

многоточечным связыванием. Эти черты обычно выражаются в виде синергетических
эффектов π-π-стэкинга и водородного связывания и приводят к капсулированию гостя.
При рассмотрении химии катионсвязывающих хозяев подчеркивалась прямая
взаимосвязь их жесткой предорганизации и высоких констант связывания, причем
сродство к связыванию возрастало в ряду: поданды, коранды, криптанды и сферанды.
Поэтому при переходе от подандоподобных пинцетов (см. в разделе Молекулярные
машины) к истинным циклофанам, в которых связывающая полость является частью всей
циклической структуры, следует ожидать дальнейшего усиления связывания - благодаря
дополнительной предорганизации хозяина.
Э. Джарви и Х. Витлок (Е. Jarvi and Н. Whitlock) в 1980 г. получили
[8.8]парациклофан (XXII), содержащий два дииновых мостика:
XXII
Многоточечное связывание осуществляется путем ион-парного взаимодействия
между карбоксилат-анионом и положительным зарядом 2-нафталинметилентриэтиламмониевого
катиона-гостя. Тем не менее? константа связывания этой, очевидно
комплементарной, пары составляет лишь 55 моль -1 . Изучение молекулярных моделей
показывает, что такая полость слишком мала для гостя и не подходит ему. Более того,
может существовать и открытая конформация, не подходящая для большинства π-πстэкинг-взаимодействий.
Для решения этой проблемы был сконструирован ряд других хозяев, которые в
некоторых случаях также включали дополнительные предорганизующие мостики и
акцепторные центры водородного связывания. В соединении XXIII использованы
нафталиновый спейсер и пиридильный остаток, участвующий в образовании водородной
связи с гостем. Один из диеновых мостиков соединений типа XXII также заменен более
коротким п-ксилильным спейсером для создания дополнительных π-π-стэкингвзаимодействий
типа «торец к плоскости» (водородные связи С – Н····π). Константа
связывания этого хозяина с п-нитрофенолом (PNP) уже значительно больше: 9.6·10 4 моль -1
в растворе CD 2 Cl 2 . Внутриполостное комплексообразование доказано благодаря анализу
химических сдвигов для гостя в спектре 1 Н ЯМР и данных РСА:
XXIII
73

Одна из наиболее важных попыток найти синтетические хозяева, способные
связывать органические молекулы в растворах (в частности, водных), - получение К.
Одашимой с сотрудниками (К. Odashima et al., 1980) 1,6,20,25-
тетрааза[6.1.6.1]парациклофана (XXIV). В это соединение для создания кривизны на двух
сторонах почти прямоугольной макроциклической полости введен фрагмент
дифенилметана. При этом два таких фрагмента соединены гибкими спейсерами на основе
алифатических аминов. При рН < 2 хозяин XXIV растворяется в воде вследствие
протонирования атомов азота. Значительные сдвиги отмечены в спектре 1 Н ЯМР этого
соединения в присутствии ряда органических молекул, в частности молекул
ароматических гостей, таких, как 8-анилино-1-нафталинсульфонат (ANS), за связыванием
которого легко проследить с помощью флуоресцентной спектроскопии, и 2,7-
дигидроксинафталин. Такие взаимодействия до 1980 г. наблюдали и в других системах, но
главное достижение при изучении соединения XXIV сводилось к следующему: при
добавлении дурола (1,2,4,5-тетраметилбензола) к раствору этого хозяина образуется
кристаллическое вещество. Кристаллическая структура этого комплекса показана на рис.
3.6.
Одна из наиболее важных попыток найти синтетические хозяева, способные
связывать органические молекулы в растворах (в частности, водных), - получение К.
Одашимой с сотрудниками (К. Odashima et al., 1980) 1,6,20,25-
тетрааза[6.1.6.1]парациклофана (XXIV). В это соединение для создания кривизны на двух
сторонах почти прямоугольной макроциклической полости введен фрагмент
дифенилметана. При этом два таких фрагмента соединены гибкими спейсерами на основе
алифатических аминов. При рН < 2 хозяин XXIV растворяется в воде вследствие
протонирования атомов азота. Значительные сдвиги отмечены в спектре 1 Н ЯМР этого
соединения в присутствии ряда органических молекул, в частности молекул
ароматических гостей, таких, как 8-анилино-1-нафталинсульфонат (ANS), за связыванием
которого легко проследить с помощью флуоресцентной спектроскопии, и 2,7-
дигидроксинафталин. Такие взаимодействия до 1980 г. наблюдали и в других системах, но
главное достижение при изучении соединения XXIV сводилось к следующему: при
добавлении дурола (1,2,4,5-тетраметилбензола) к раствору этого хозяина образуется
кристаллическое вещество. Кристаллическая структура этого комплекса имеет вид:
Рис.3.7. Кристаллическая структура комплекса XXIII и дурола
Эта структура — первое определенное свидетельство включения органического
гостя в центр макроциклической полости как раз таким образом, как можно было ожидать
на основании простой молекулярной модели. Следовательно, стало возможным
сконструировать полностью искусственную полость, способную связывать органические
гости в воде. Молекула дурола связана с XXIII посредством π-π-стэкинг-взаимодействий
типа «торец к плоскости» и «плоскость к плоскости», причем наименьшее расстояние
74

атомами углерода метильной группы гостя (дурола) и арильного атома углерода хозяина
составляет 3.59 Å.
В случае всех хозяев, построенных на основе фрагмента дифенилметана, и,
разумеется, большинства циклофановых хозяев связывание органических гостей в водном
растворе прежде всего зависит от гидрофобного эффекта. Органические молекулы, как
правило, нерастворимы в воде и ищут убежища в неполярной полости хозяина, если она
стерически соответствует размеру и форме гостя. Константы связывания изменяются в
том же порядке, что и липофильность гостей, измеряемая коэффициентом распределения
гостя в системе октанол-1 - вода. К настоящему времени получено значительное
количество различных молекул-хозяев, представляющих большой теоретический и
практический интерес.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение кавитандами, и в чем их специфичность?
2. Какие соединения называют циклодекстринами, их строение и свойства?
3. Приведите классификацию циклодекстринов по количеству остатков глюкозы. Как их
получают?
4. Охарактеризуйте соединения включения, образуемые циклодекстринами? Каков их
состав?
5. Какие комплексы включения образуют циклодекстрины? Опишите их свойства и
области применения.
6. Каков метод определения констант устойчивости комплексов включения
циклодекстринов?
7. Какова причина устойчивости таких комплексов?
8. Как можно классифицировать комплексы включения циклодекстринов в твердом
состоянии?
9. Опишите использование циклодекстринов в хроматографии?
10. Опишите области промышленного применения циклодекстринов.
11. Какие соединения называют циклофанами? Их номенклатура, свойства.
12. Опишите методы синтеза циклофанов и их применение.
75

Лекция 4. Каликсарены и кукурбирурилы
4.1. Каликсарены
4.1.1. Общие определения
Каликсарены — это макроциклические соединения, продукты циклической
олигомеризации фенола и формальдегида. Название каликсарен (calixarene), в первые,
было предложено Д. Гютше в 1989 г. и происходит от латинского слова «calix» или
«chalice» чаша, что отображает особенную форму молекулы, рис.4.1.1, и слова «арен
(arene)» указывающее на ароматический строительный блок данного соединения.
Рис.4.1.1 Каликс[4]арены - чашеподобные соединения
В составе классических каликсаренов можно выделить верхний, центральный
кольцевой обод и нижний обод, образованные трет-бутильными заместителями в параположении,
ароматическими ареновыми фрагментами и гидрокси- или алкоксизаместителями
в нижнем положении макроцикла соответственно. В совокупности данные
структурные фрагменты формируют внутреннюю полость молекулы каликсарена, объём
которой в среднем равен 10 кубическим ангстремам.
Номенклатура. В связи с неудобством номенклатуры ИЮПАК для названия
каликсаренов, так же как и других объектов супрамолекулярной химии применяется
тривиальная номенклатура, учитывающая особенности строения макро(гетеро)цикла -
номенклатура Д. Гютше, в основе которой лежит название простейшего представителя
каликсаренов, показанного на рис.4.1.2:
Рис.4.1.2. Схематичное отображение калик[4]аренов
76

В соответствии с номенклатурой Гютше данное соединений называется
25,26,27,28-тетрагидроксикаликс[4]ареном, где число в квадратных скобках указывает на
размер макроцикла, а природа и положение заместителей в ароматическом ядре
уточняется соответствующими цифрами и дескрипторами. На данный момент название
данной структуры является основой номенклатуры для обширного класса
модифицированных каликсаренов, резорцинаренов, тиакаликсаренов с различным числом
ареновых фрагментов.
Начало развития химии каликсаренов связано с именем немецкого ученого
Адольфа Фон Байера. Проведенная им в 1872 г. реакция бензальдегида с пирогаллолом в
присутствии сильной кислоты, привела к образованию полимера, структура которого так
и осталась не установленной в связи с недостаточным развитием аналитических методов в
то время. Байером предполагалось использовать данные соединения как красители в
текстильной промышленности. Следующий шаг в развитии химии каликсаренов был
сделан бельгийским Лео Бакеландом, исследовавшим реакцию конденсации
формальдегида с фенолом, которая также привела к образованию полимера. Первая
попытка контроля реакции полимеризации была проделана Цинге и Циглером в 1941 г.
Использованный ими пара-трет-бутилфенол, в котором заместитель в пара-положении
ингибирует образование разветвленных полимеров, в результате реакции с
формальдегидом в льняном масле в присутствии NaOH образует линейный полимер. В тот
же год Ниедерл и Фогель проведя реакцию практически в тех же условиях но, используя
вместо фенола замещенный резорцинол, смогли добиться образования циклического
тетрамера, будущего каликс[4]резорцинарена, что являлось настоящим прорывом в
развитии химии каликсаренов. Д. Корнфорт в 1955 году был одним из первых кто осознал
потенциал каликсаренов как чаше-подобных соединений, аналогов ферментов и повторив
эксперименты Цинге и Циглера, доказал что данная смесь содержит несколько
компонентов.
4.1.2. Синтез каликсаренов
Впервые получить эти соединения методом ступенчатой циклизации удалось в
1956 году группе Хантера. Методом постадийной конденсации 2-бром-4-
алкилзамещенных фенолов в бисфенольное производное были получены линейные
олигомеры с тремя и четырьмя фенольными фрагментами. После дебромирования на
последней стадии в результате внутримолекулярной циклизации было получено
производное, имевшее в своём составе четыре ароматических фрагмента. Подобная
методика синтеза макроцикла в дальнейшем была использована так же Каммерером с
сотр. для получения других каликсаренов. В табл.4.1.1. собраны некоторые варианты
синтеза каликсаренов.
Синтез каликсаренов и тиакаликсаренов
Таблица 4.1.1.
Реагенты Основание Растворитель Температура Продукт
NaOH Дифенилоксид 259 °С n=4
CH 2 O KOH RbOH Ксилол 139 °С n=6
NaOH Ксилол 139 °С n=8
S 8 NaOH MeOH(CH 2 CH 2 O) 4 Me 230 °С тиа n=4
Существенным недостатком методов ступенчатой циклизации являлся низкий (5-
30%, в зависимости от размера макроцикла) выход конечных продуктов. Повышение
77

эффективности реакций циклизации стало возможным благодаря работам группы Д.
Гютше, в которых синтез трет-бутилкаликс[4,6 или 8]аренов проводился с
использованием темплатного эффекта и привёл к образованию макроциклов с высокими
(50-82%) выходами. Из таблицы следует, что результат реакции циклизации зависит от
размера катиона щелочного металла, гидроксид которого используется как основа, и
температуры протекания реакции. Таким образом было установлено, что третбутилкаликс[8]арен
это продукт кинетического контроля, трет-бутилкаликс[4]арен –
термодинамического, а трет.-бутилкаликс[6]арен – темплатного контроля, то есть
получается исключительно в случае использования КОН или RbOH. Темплатный синтез
предполагает четкое соответствие между размерами катиона щелочного металла и
размерами образующегося макроцикла. Последующие изучение комплексов
(алкокси)каликсаренов с ионами щелочных и щелочно-земельных позволило выявить ряд
условий для образования прочных комплексов такого состава, к которым относятся
соответствие размеров иона металла и полости макроцикла, пространственное
расположение атомов кислорода в нижнем ободе макроцикла, и заряд иона металла. В
данный момент известен подход к синтезу разнообразного числа каликсарен производных
соединений с различными мостиковыми группами (С, S, Se) и различным количеством от
3 до 20 структурных блоков (ареновых фрагментов). Но, несмотря на столь огромное
разнообразие каликсарен производных соединений включая каликсрезорцинарены,
наибольшее применение как органические рецепторы получили каликсареновые и
тиакаликсареновые платформы с 4,6, и в редких случаях с 8 ареновыми фрагментами.
4.1.3. Стереохимия каликсаренов
Каликсарены могут существовать во множестве различных конформаций за счет
возможности двух типов инверсии кислород-через-центральный-обод (oxygen-throughannulus)
и пара-заместитель-через-центральный-обод (para-substituent-through-annulus)
(рис.4.1.3). Следует отметить, что трансанулярное вращение становится невозможным при
введении объемных групп, как в нижний обод макроцикла, так и в пара-положения
ароматических колец (верхний обод).
R 2
R 1
O
CH 2
n
Рис.4.1.3. Транс-аннуальный переход
Производные каликс[4]аренов и тиакаликс[4]аренов могут находиться в четырех
основных конформациях (рис.1) конус (а), парциальний конус (b), 1,2-альтернат (c), и 1,3-
альтернат (d) (рис.4.1.4).
78

R 1 R 1 R 1 R 1
R 1 R 1 R 1
R
R 1 R 1
R
R
R
R 1 R 1
R
О
О
О
О
О
О О О О
О
О О
О
О
О О
R R R R
R
R
R
R 1
R 1 R 1
а) b) c) d)
Рис.4.1.4. Основные конформации каликс[4]Аренов
R
R
R 1
R
R
R 1
Они различаются взаимным положением ароматических фрагментов относительно
главной плоскости макроцикла, которая условно проходит по метиленовым связкам.
Следует выделять конформационно мобильные и конформационно жесткие остовы
каликсаренов, то есть каликсарены в которых возможны или не возможны переходы
между основными конформациям.
Расчеты по методам молекулярной механики вместе с методом ЯМР ( 1 H, 13 C)
показали, что для конформации конус в растворе наблюдается быстрый динамический
переход уплощенный конус-уплощенный конус (рис.4.1.5), за счет перехода двух
вертикально ориентированных ароматических фрагментов в наклонное положения, а двух
других - из наклонного положения в вертикальное. Поэтому в растворе все четыре
ареновых фрагмента эквивалентны, данный факт наблюдается так же для каликсаренов с
большим количеством структурных фрагментов.
R 1 R 1 R 1 R 1
R 1 R 1 R 1 R 1
R 1
R 1 R 1 R 1
О О О О
О О О О
R R R R
О
О О О
R
R
R
R
R R
R
R
Рис.4.1.5 Мобильность структур каликсаренов
4.1.4. Каликсарены в электрохимических сенсорах
Группа Маккерви (McKervey) с 1980 г. поставила задачу получения и исследования
свойств каликсаренов с модифицированными верхним и/или нижнем ободами. В качестве
объектов были выбраны тера-, гекса- и окта-каликсарены. Простой одностадийный способ
модификации, рис.4.1.6, привел к получению веществ с очень высокой селективностью по
отношению к различным ионам, которые могут быть использованы при создании
потенциометрических ионных сенсоров.
Рис.4.1.6. Одностадийная модификация каликсаренов
79

Вещества: а) R 1 = трет-бутил; b) R 1 = трет-бутил, R 2 = этил; с) R 1 = трет-бутил, R 2 =
метил; d) R 1 = H, R 2 = этил; e) R 1 = H, R 2 = метил.
Каликс[4]арены (b-e) проявили высокую селективность по отношению к ионам Na +
(наивысшей селективностью обладало производное b). Считается, что объемные третбутильные
группы так ориентируются на верхнем ободе каликсарена, что стабилизируется
тороподобная конформация, в которой этильные группы формируют полость
необходимого размера. Гесамеры образуют более рыхлые струтктуры, недостаточно
эввективные для ионов натрия, но увеличение размеров иона при переходе к калию,
рубидию или цезию способствует увеличению стабильность комплексов включения.
Октамеры не проявили высокой афинности ни к одному из исследованных ионов
металлов.
В 1994 году McKervey et al обобщили результаты исследования 19 симметричных
или асимметричных и мостиковых производных каликс[4]аренов с эфирными, кетонными,
амидными, аминными и тиоэфирными группами. Особо селективностью и стабильностью
(более двухсот дней) обладали четыре производные. Каликс[4]арен тераэтиловый эфир в
настоящее время коммерчески доступен и используется для приготовления натрийселективных
электродов. Электроды такого типа используются главным образом в
больницах для измерения концентрации натрия в крови. Предложены также производные,
селективные по отношению к калию и цезию (гексамерный каликсарен). При этом было
показано, что введение новых координирующих заместителей в нижний обод молекулы
позволяет регулировать связывающую активность заместителей и целенаправленно
изменять размеры образуемых пустот, т.е. получать материалы с заданной
селективностью.
Для увеличения комплексообразующей активности были в структуру каликсаренов
введены группы, обычно образующие устойчивые комплексные соединения с d- и f-
металлами. Пример таких соединений - оксофосфиновые производные, I:
O
n
O
P
I
II
Изначально предполагалось создание соединений, селективных по отношению к
радиоактивным элементам отходов ядерной энергетики, но выяснилось, что такой
каликсарен селективно связывает кальций в присутствие магния и щелочных металлов.
Новые возможности были реализованы за счет разработки методов неполного введения
функциональных групп при сохранении их взаимной ориентации, например, в 1,3 или 2,4-
положениях, II, или получения производных, содержащий различные группы как в
верхнем, так и в нижнем ободах. Производные с азот- и серо-содержащими
функциональными группами проявили селективность по отношению к ионам серебра.
Изготовлены Pb 2+ -селективные электроды на основе каликс[5]аренов оксофосфинного
ряда. Производные с тиамидными группами оказались эффективными при
вольтамперометическом определении ртути, свинца и меди.
80

4.1.5. Применение каликсаренов
Каликсарены как оптические сенсоры. Оптические сенсоры исследуются
интенсивно, начиная с конца 1980-ых годов. Этот метод рассматривается как альтернатива
электрохимическим методам благодаря низкому шуму в сигнале при передаче на большие
расстояния и возможности анализа полного спектра в отличие от одноканального
варианта при электрохимических сенсорах. Требование к работе оптических сенсоров:
ответная реакция (по оптическому механизму) должны сопровождаться
комплексообразованием в паре «ион – лиганд». Хромоионофор – это обычно кислотноосновной
индикатор. Если известно рН (для этого можно воспользоваться буферными
растворами), то активность аналита может быть определена по изменению абсорбции
сенсорной мембраны. В случае, например, каликс[4]арена, к которому прикреплен
нитрофенилазофенол, изменения (смещения) спектральных характеристик наблюдаются
образовании комплексов с определенными металлами.
Пропраноламидное производное пара-аллилкаликс{4]арена было предложено в
качестве оптического хирального селектора для распознавания аминов на основе их
формы и хиральности. Такие молекулы различают энантиомеры фенилаланинола по
тушению флуоресценции в метаноле.
Каликсарены как хиральные дескрипторы. Одна из важнейших проблем,
решение которой необходимо фармацевтической промышленности – определение
оптической чистоты лекарственных субстанций, поскольку обычно только один из
энантиомеров обладает действительно биоактивным терапевтическим действием. Сегодня
эту проблему решают с помощью хиральной (энатиоселективной) хроматографии.
Сенсорные приспособления, способные различать такие изомеры, должны быть дешевле и
проще в работе.
Группой Маккеври был синтезирован (S)-динафтилпролинокаликс[4]арен,
показавший высокую селективность относительно энатиомеров фенилглоцинола,
фенилэтиламина и норэфедрина. Механизм оптического отклика в данном случае связан с
тушением флуореценции при образовании комплексов с одним из энантиомеров. Этот
каликсарен был иммобилирован на стенках капилляров для капиллярного электрофореза и
позволил разделить изомеры фенилглицинола.
Каликсарены в твердофазной экстракции. Известно использование
гидроксиматных производных каликсаренов для твердофазной экстракции при
концентроровании следовых количеств меди, цинка и магния в образцах воды. Известно
использование каликсарены в хроматографии и как компонентов подвижных фаз, и как
дериватизаторов стационарных фаз.
Применение технологии молекулярного распознавания позволяет разработать
катализаторы на основе макроциклических каликсареновых платформ, для которых
активность и селективность определяется межмолекулярными взаимодействиями
субстрат-катализатор. При этом возможно рассмотрение каталитических систем,
включающих некоординированные макроциклические рецепторы выступающие, в
качестве «микрореакторов» стабилизирующих переходное состояние реакции или
влияющего на регио- и стереоселективность процесса за счет специфической ориентации
субстрата. Особое внимание исследователей привлекают катализаторы представленные
металлическим центром и лигандом, Таким образом, связывания субстрата полостью
лиганда-рецептора определяет его ориентацию по отношению к металлическому центру,
что существенно влияет на распределение продуктов и субстратную селективность
реакции. В гомогенном катализе возможно использование комплексов на основе
серосодержащих каликсаренов с золотом для каталитического окисления различных
вредных сульфидов, например, горчичного газа, в мягких условиях. В биохимии
каликсарены находят использование как соединения аналоги ферментов, с помощью
81

которых возможно моделирования сложных ферментативных процессов. Так
тетраметокси(тиа)каликсарен может выступать в качестве аналога белка аквопорина, для
моделирование транспорта воды через клеточную мембрану. В твердой фазе каликсарены
находятся в качестве бислоистых структур с ориентацией молекул голова к голове,
образую внутреннюю полость способную включать молекулы гостей строго
определенного размера. Этвудом было установлено, что данные кристаллические
соединения могут абсорбировать СО 2 и практически не абсорбируют Н 2 , что может быть
использовано для очищения последнего при реформинге для дальнейшего использования
водорода в топливном элементе.
4.2.Кукурбитурилы
4.2.1. Общие вопросы
Кукурбитурил - тривиальное название органического макроциклического
соединения состава C 36 H 36 N 24 O 12 , данное ему в 1981 г. В. Фриманом в связи с внешним
сходством формы молекулы с тыквой (род Cucurbita). Действительно, строение этой
интересной молекулы напоминает тыкву или бочку: в областях ее дна и крышки
располагаются по шесть атомов кислорода сильно поляризованных карбонильных групп,
рис.4.2.1. Соединение было впервые 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 это удалось сделать с помощью
рентгеноструктурного анализа. Высота “бочки” оказалась равной 6 Å, максимальный
внутренний диаметр - 4.5 Å, атомы же кислорода карбонильных групп образуют два
одинаковых портала (т.е. вход и выход) с ван-дер-ваальсовым диаметром 4.2 Å. Размеры
ее внутренней полости позволяют включать “гостей” - небольшие органические молекулы
или ионы.
Рис.4.2.1. Структура кукурбитурила
Атомы кислорода показаны красным цветом, углерода – черным, азота – синим.
Кукурбит[n]урилы (CB[n], С 6n H 6n N 4n O 2n (n=5-10) – тривиальное название
органических макроциклов, построенных из n гликольурильных фрагментов, соединенных
2n метиленовыми мостиками.
Методика синтеза этих соединений довольно простая и состоит в конденсации в
кислой среде формальдегида и гликольурила (продукта конденсации мочевины и
глиоксаля), см. ниже схему синтеза кукурбитурилов:
82

O
O
HN
HN
O
NH
NH
+ CH 2 O H +/H 2 O N N
N N
O
CH 2
CH 2
n
n
При синтезе определенные сложности возникают лишь на этапе разделения
образующейся в результате реакции смеси гомологов.
Исторически первым и наиболее хорошо изученным примером этого семейства
органических молекул является кукурбит[6]урил, полученный еще в 1905 г. немецким
химиком Р. Берендом [11]. Методы того времени не позволили правильно определить его
состав и структуру, и лишь в 1981 г. это удалось сделать с помощью
рентгеноструктурного анализа [12]. Последующее открытие новых гомологов (n=5, 7, 8 и
5@10) [13, 14], размеры которых сопоставимы с такими известными в супрамолекулярной
химии рецепторами, как циклодекстрины и каликсарены, привело к бурному развитию
химии кукурбитурилов. В табл.4.2.1 представлено строение кукурбит[n]урилов (n=5-8) и
сравнение их структурных параметров.
Некоторые свойства кукрбитурилов
Таблица 4.2.1.
СВ(5) СВ(6) СВ(7) СВ(8)
Внешний диаметр, Å 13.1 14.4 16.0 17.5
Диаметр полости, Å 4.4 5.8 7.3 8.8
Диаметр портала, Å 2.4 3.9 5.4 6.9
Высота, Å 9.1 9.1 9.1 9.1
Объем полости, Å 3 82 164 279 479
Кукурбитурил растворим в кислотах и щелочах, легкодоступен, устойчив и
способен к координации различных частиц, что делает его удобным для синтеза
разнообразных супрамолекулярных соединений.
Способность кукурбит[6]урила в водных растворах связывать ионы металлов была
обнаружена Берендом в 1905 г. В конце 90-х годов были получены и структурно
охарактеризованы комплексы кукурбит[6]урила (далее – СВ[6]) с катионами щелочных
металлов. Даже при очень низкой концентрации он чрезвычайно легко связывает кальций
- один из наиболее важных и многофункциональных элементов в живых организмах.
Синтез таких комплексов обычно представляет собой кристаллизацию из водных
растворов, содержащих СВ[6] и аквакомплекс металла. Аквакомплексы металлов
связываются с атомами кислорода карбонильных групп порталов, образуя «крышки»,
которые эффективно закрывают «бочку» – молекулу СВ[6], при этом каждый портал
макроцикла выступает как би- или четырехдентатный лиганд.
В структуре комплекса [{Ca(H 2 O) 3 (HSO 4 )(CH 3 OH)} 2 (СВ[6])](HSO 4 ) 2 ×4H 2 O каждый
катион кальция связан с двумя молекулами СВ[6], в результате чего молекулы макроцикла
выстраиваются друг над другом и, чередуясь с катионами кальция, образуют бесконечные
полимерные цепи – молекулярные «трубы», рис.4.2.2. Интересно отметить, что метильная
группа координированной к кальцию молекулы метанола располагается внутри полости
кукурбитурила, что свидетельствует о ее гидрофобности. Координация с Ca 2+ , как
известно, необходима для изменения конформации протеинов в процессе их активации; в
процессе мышечного сокращения актиновые и миозиновые волокна приводятся в контакт
83

через координацию с ионами кальция. Полученное соединение с СВ[6] моделирует
некоторые аспекты поведения таких систем: катион Ca 2+ выступает не только в
структурообразующей роли (создание полимерной цепи из молекул кукурбит[6]урила за
счет координации Ca-O), но и в роли места координации для субстрата (в данном случае
метанола), причем специфичность позиции, по которой происходит эта координация,
определяется стремлением CH 3 группы метанола войти в гидрофобную полость СВ[6] для
максимизации числа возможных ван-дер-ваальсовых взаимодействий.
Такие высокоупорядоченные органические-неорганические гибридные материалы
с большими каналами, размеры и форму которых можно контролировать, представляют
несомненный интерес для тонкой очистки, разделения и выделения веществ,
супрамолекулярного катализа, а также оптоэлектроники. В координационных полимерах
кукурбит[n]урилов (n=6, 8) с другим щелочно-земельным металлом – стронцием –
молекулы макроциклов чередуются с четырехъядерными [Sr 4 (H 2 O) 12 (NO 3 ) 4 (СВ[6])]
(NO 3 ) 4 ×3H 2 O или биядерными {[Sr 2 (H 2 O) 12 ][Sr(H 2 O) 3 (NO 3 ) 2 ] 2 (СВ[8])}(NO 3 ) 4 ×8H 2 O
аквакомплексами, в которых катионы Sr 2+ связаны мостиковыми аквалигандами и нитратанионами.
Использование кукурбитурилов для выделения стронция из водных растворов
может оказаться перспективным для связывания радиоизотопов стронция: при
переработке отходов атомных станций изотоп 90 Sr является одним из наиболее токсичных
радионуклидов, образующихся в результате радиоактивного распада 235 U и 239 Pu.
Доступность и устойчивость кукурбитурилов как в сильнокислой, так и в
сильнощелочной среде весьма ценные преимущества по сравнению с предлагаемыми для
этой цели полиэфирами (например, краун-эфиры) или полиэтиленгликолями.
Итак, имея один строительный блок - кукурбитурил, образно говоря, “бочку без
дна и крышки”, - можно пристроить недостающие детали, способные закрывать ее с одной
или двух сторон. “Крышки” должны хорошо подходить по размеру и образовывать
межмолекулярные контакты с самой “бочкой”, и чем таких взаимодействий больше, тем
лучше “крышки” будут удерживаться. Удачными в таком качестве оказались
трехъядерные кластеры молибдена или вольфрама состава [M 3 Q 4 (H 2 O) 9 ] 4+ (M = Mo, W; Q
= S, Se), рис.4.2.3.
Рис.4.2.2. Молекулярные “трубы”, образованные супермолекулами кукурбитурила с катионами кальция
84

Рис.4.2.3. Трехъядерные координационные кластеры [M 3 Q 4 (H 2 O) 9 ] 4+ (M = Mo, W; Q = S, Se).
Строение этих комплексов хорошо известно: атомы металла образуют треугольник,
а из четырех имеющихся мостиковых атомов халькогена - серы или селена - один
соединен с тремя атомами металла по одну сторону треугольника М 3 , а три располагаются
по другую. Атомы металла дополнительно координированы молекулами воды, шесть из
которых лежат примерно в одной плоскости и способны образовывать водородные связи с
шестью атомами кислорода в портале. Кислотные свойства трехъядерных аквакомплексов
облегчают образование водородных связей.
Для создания прочных супрамолекулярных соединений необходимо как
совпадение размеров “крышки” и “бочки”, так и образование между ними развитой
системы водородных связей. Экспериментальные исследования подтвердили, что
кластеры [M 3 Q 4 (H 2 O) 9 ] 4+ и кукурбитурил прекрасно отвечают обоим этим условиям. В
результате удалось получить “бочки” двух типов: с одной “крышкой” и с двумя. Размеры
таких супермолекул составляют 15 и 25 A соответственно. “Крышка” плотно закрывает
“бочку” кукурбитурила с одной или с обеих сторон, а шесть молекул воды кластера
соединяются с атомами кислорода портала максимально возможным числом водородных
связей - 12 (!), благодаря чему строительные блоки прочно удерживаются вместе,
рис.4.2.4. Супрамолекулярные комплексы, полученные в виде красивых кристаллов из
смеси разбавленных растворов исходных соединений - кукурбитурила и кластеров, - уже
более не растворяются ни в воде, ни в кислотах.
Рис.4.2.4. Супермолекулы-“бочки”: с одной “крышкой” (слева) и с двумя. Водородные связи показаны
пунктирными линиями.
85

Сделаем следующий шаг: попробуем использовать в качестве строительных блоков
уже сами супермолекулы и посмотрим, как они организуются дальше, как
взаимодействуют друг с другом, как образуют твердое тело.
Обычно в кристалле супермолекулы-“бочки”, независимо от того, с одной они
“крышкой” или с двумя, выстраиваются в бесконечные полимерные цепочки. Здесь свою
роль играют не только водородные связи, но и межмолекулярные ван-дер-ваальсовы
взаимодействия между атомами серы (или селена) соседних трехъядерных
координационных кластеров, рис.4.2.5.
Образование коротких контактов сера-сера или селен-селен в супрамолекулярных
соединениях чрезвычайно интересно тем, что они могут служить молекулярной моделью
для слоистых дихалькогенидов переходных металлов, значение которых в
промышленности трудно переоценить. Например, дисульфид молибдена - это прекрасный
смазочный материал, сохраняющий свои свойства при очень низких температурах и в
глубоком вакууме (даже в космосе!). В структуре подобных дихалькогенидов слои из
атомов металла чередуются с двумя слоями из атомов халькогена (серы или селена),
причем последние взаимодействуют друг с другом в соседних слоях тем же самым
образом, что и в полученных нами супрамолекулярных соединениях.
Характернейшая особенность слоистых дихалькогенидов металлов - способность
включать между слоями халькогена “гостей”: атомы металлов или малые молекулы. Такое
внедрение приводит к раздвиганию слоев и позволяет целенаправленно менять свойства
материалов. Атомы серы (или селена) трехъядерных кластеров могут, например,
координировать атомы ртути. Важно, что при этом размеры и геометрия треугольного
кластерного фрагмента практически не меняются, а значит, он также способен
взаимодействовать с кукурбитурилом и образовывать супрамолекулярные соединения. В
них атом ртути координируется через атомы селена к “крышкам” соседних супермолекул
кукурбитурила, связывая их в бесконечные цепочки. За счет включения ртути расстояние
между атомами селена увеличивается так же, как в слоистых дихалькогенидах металлов
при интеркалировании “гостей” между слоями.
Рис.4.2.5. Полимерные цепочки из супермолекул, соединенных между собой атомами халькогена (S или Se)
или за счет координации ртути к атомам халькогена. Пунктирными линиями показаны водородные связи и
контакты между атомами халькогенов.
86

Эти результаты наглядно показывают, что химия твердого тела гораздо теснее
связана с химией молекулярных кластеров, чем можно было ожидать. Даже вторичные
эффекты, например нековалентные взаимодействия между атомами халькогена, служат
важным фактором в образовании структуры как для создания неорганических материалов
(дихалькогенидов переходных металлов), так и для упаковки изучаемых нами
супермолекул.
4.2.2. «Гости» в «бочке»
А теперь рассмотрим упомянутую ранее способность кукурбитурила включать в
свою полость небольшие молекулы. Известно, что подобные явления играют
исключительно важную роль в самых разнообразных процессах: дыхании и регенерации
кислорода растениями, ферментативном катализе, анестезии, формировании залежей
природного газа и т.д. Наличие у кукурбитурила одной или двух “крышек” создает более
благоприятные условия для внедрения и удержания “гостя” в полости супермолекулы.
Так, если добавить в реакционную смесь пиридин, он окажется внутри “бочки” с двумя
“крышками”, несмотря на то, что ван-дер-ваальсов радиус этой органической молекулы
(5.9 A) несколько больше внутреннего диаметра входного отверстия кукурбитурила (4.2
A), рис.4.2.6. Образование такого супрамолекулярного соединения настолько выгодно,
что в условиях реакции атомы кислорода порталов, по-видимому, отклоняются от своих
позиций и впускают “гостя” в полость. Отметим, в новом соединении немного искажены
молекулы и “гостя”, и самого кукурбитурила, но во всем остальном строение этого
супрамолекулярного комплекса сходно с теми цепочками, которые получаются без
пиридина. В полость кукурбитурила можно включать также другие небольшие молекулы,
такие как тетрагидрофуран, бензол, диоксан.
Рис.4.2.6. Ансамбль “хозяин-гость”. "Хозяин” - это супермолекула, закрытая с двух сторон “крышками”,
“гость” - включенная в полость молекула пиридина (зеленые шары).
Итак, закрывая “бочку” “крышками”, мы вполне надежно размещаем в ней
“гостей”. Ясно, что они способны покинуть “бочку” только при открытых “крышках”.
Можно ли подобрать экспериментальные условия, которые позволили бы контролировать
образование и разрыв связей между исходными строительными блоками и, следовательно,
открывать и закрывать “крышки”, впускать и выпускать “гостя” из полости? Да, и, как
оказалось, очень легко. Увеличивая, например, концентрацию соляной кислоты, мы
заменяем атомами хлора молекулы воды, координированные к металлу треугольного
87

кластера и ответственные за образование водородных связей. Их система рушится,
“крышки” снимаются, и “гость” покидает полость. Если условия реакции снова изменить,
так чтобы молекулы воды заняли места атомов хлора, опять получатся
супрамолекулярные соединения, в которых “крышки” эффективно закрывают “бочку”
кукурбитурила.
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 возникшей в последнее время проблеме транспорта
веществ, в том числе лекарств, и позволяет осуществлять направленное конструирование
молекулярных “контейнеров”. За счет взаимодействия “гость-хозяин”, например, можно
было бы включать в полости органических макроциклических соединений
сильнодействующие лекарственные препараты, избирательно доставлять их в
необходимое место в организме человека и в нужный момент открывать “крышки”.
Простота в получении, стабильность в растворах минеральных кислот, термическая
устойчивость (кукурбитурил не разлагается при нагревании до 400°С!), высокая
тенденция к координации различных частиц делают кукурбитурил более приемлемым для
создания супрамолекулярных соединений, чем другие широко используемые макроциклы,
такие как циклодекстрины, каликсарены. К настоящему времени разработаны методы
синтеза кукурбитурилов более крупных размеров, “бочек” большего диаметра, с семью,
восемью и более атомами кислорода в каждом портале. Такие молекулы способны
образовывать больше водородных связей, за счет чего супрамолекулярные соединения
становятся прочнее. Большие молекулярные “контейнеры” смогут вмещать в себя и более
крупных “гостей”. Например, трехъядерные кластеры, которые мы использовали в
качестве “крышек”, здесь будут выступать уже в качестве включенных в полость
макроциклического лиганда “гостей”. Это открывает уникальные возможности для
создания новых гибридных органических-неорганических материалов.
Контрольные вопросы
1. Какие соединения называются кукурбитурилами? Когда и кем они были получены
впервые?
2. Как можно осуществлять синтез кукурбитурилов?
3. Опишите свойства кукурбитурилов.
4. На чем основана способность кукурбитурилов образовывать высокоупорядоченные
материалы с большими каналами, размеры и форму которых можно
контролировать?
5. Образование кукурбитурилами трехъядерных кластеров с некоторыми металлами,
их использование. Пространственное строение этих соединений.
6. Образование полимерных цепочки из супермолекул, соединенных между собой
атомами халькогена (S или Se).
7. Какие соединения типа “гости” в “бочке” способны образовывать кукурбитурилы и
где такие соединения применяются?
88

Лекция 5. Ротоксаны и катенаны
5.1. Общие вопросы
Катенаны и ротаксаны отличаются от всех до сих пор синтезированных
соединений тем, что отдельные части их молекулы связаны механически. Построение
структур, еще не найденных в природе, всегда было определенным вызовом для химиков.
Поэтому идея синтеза молекул, составленных из отдельных самостоятельных частей»
которые связаны между собой механически, привлекала, пусть даже случайно, интерес
многих исследователей. Эта идея воплощается в структуре цепи, или катенана, в которой
макроциклические молекулы соединены чисто механически, без участия химической
связи. По воспоминаниям Прелога, соединения подобного типа обсуждались
Вильштеттером на семинарах в Цюрихе в период между 1900 и 1912 гг., т. е. задолго до
того, как стали известны макроциклические молекулы.
По законам статистики при полимеризации мономеров можно ожидать, что кроме
линейных и циклических полимеров и олигомеров, должны образовываться молекулы,
построенные подобно цепи, а также циклы с узлом. Фриш, Мартин и Марк в 1951 г.
высказали довольно смелое предположение, объясняя аномальные физические свойства
полисилоксанов тем, что полимеры содержат не только линейные участки, но и циклы,
связанные подобно звеньям цепи, которые в свою очередь состоят из 50—100
мономерных единиц. Кроме того, предполагалось наличие разнообразных циклов от очень
больших до малых, которые могут охватывать линейную молекулу полисилоксана.
Авторы полагали, что такие цепеподобные молекулы, строение которых еще предстояло
доказать, действовали как пластификаторы, и этим объясняется тот факт, что, несмотря на
высокий молекулярный вес — от ста тысяч до одного миллиона, подисилоксаны являются
жидкими или воскообразными веществами.
На основании данных по деполимеризации полифосфонитрилхлоридов Патат и
Дерет в 1959 г. считали очевидным, что эти соединения построены из статистически
сцепленных циклов. Авторы полагали, что индивидуальные циклы имеют низкий
молекулярный вес (степень полимеризации в зависимости от температуры колебалась от
10 до 50 гримерных единиц), однако молекулярный вес цепеобразных агрегатов достигал
1 млн. Этим и объяснялась малая растворимость и ограниченное набухание
полифосфонитрилхлорида в растворителях, а также эластичность этого полимера,
подобная эластичности каучука.
Идея построения катенанов обрела реальность лишь благодаря успехам в синтезе
макроциклических соединений, достигнутым в период с 1930 по 1950 г. Первая
экспериментальная работа, в которой были рассмотрены требования, предъявляемые к
размеру цикла, и намечены реальные пути синтеза катенанов, была выполнена в
Фрейбургском университете Люттрингхаузом и сотрудниками в 1958 г. Анализ
молекулярных моделей и расчеты показали, что для свободного сплетения нужно иметь не
менее чем двадцатичленные циклы, т. е. катенан 20,20 — минимально возможный.
Увеличение размеров цикла облегчает сплетение и повышает вероятность образования
катенана. Но с другой стороны, чем больше молекулы, тем труднее их создавать и
сложнее с ними работать, так как растворимость вещества с ростом его молекул резко
падает. В 1960 г. Вассерман впервые сообщил о синтезе катенана. Он поставил задачу
получения катенана 34,34 в расчете на его случайное образование при циклизации
линейной молекулы в присутствии готового цикла. Тридцатичетырехчленный цикл
строился в присутствии готового тридцатичетырехзвенного углеводородного цикла.
После многократной очистки Вассерман получил 5,66 мг катенана 34,34 . Но выход
катенана в этом статистическом методе крайне мал — только одна из миллиона линейных
89

молекул сплетается с готовым циклом. После нескольких лет интенсивных модельных
исследований успешный направленный синтез катенана был осуществлен Шиллом в 1964
г. Строение катенана было подтверждено масс-спектрометрически. Люттрингхаузу и
Изеле удалось значительно повысить вероятность сплетения циклов. В их
полустатистическом синтезе линейная молекула была прикреплена к готовому циклу. При
ее циклизации уже 60000 из миллиона молекул сплетались и после разрыва связи,
скрепляющей циклы (волнистая линия), образуя катенан. Остальные молекулы после
разрыва этой связи давали разобщенные циклы. Этим методом получено 60 мг катенана
28,36. Принципиально теми же методами Харрисон в 1967 г. получил систему «гантель в
цикле».
Ванг и Шварц получили катенан статистическим методом — циклизацией ДНК
фага X, меченной 5-бромурацилом, в присутствии циклической фаговой ДНК.
Возможность образования катенанов подтверждается теоретическими доводами и
данными по стехиометрии. Предположения о существовании катенанов в природе были
подтверждены Виноградом и сотр. (1967 г.). Методом электронной микроскопии авторы
убедительно продемонстрировали наличие сцепленных циклических двуспиральных
митохондриальных ДНК в клетках HeLa, а также в лейкоцитах людей, больных
белокровием.
Катенаны (от лат. catena - цепь), соединения, молекулы которых состоят из двух
или более циклов (I), продетых один сквозь другой подобно звеньям цепи:
Циклы связаны между собой не химической, а так называемой топологической
(механической) связью. Известны катенаны с двумя и тремя циклами. Синтезированные
катенаны содержат не менее 26 атомов в цикле. По химическим свойствам катенаны
аналогичны образующим их циклам. Они имеют характерные масс-спектры (отсутствие
пиков в средней части спектра), что используется для их идентификации.
Ротаксаны (II) (от лат. rota — кoлесо и axis — ось), химические соединения,
построенные из циклической и пронизывающей её линейной молекул так, что объёмные
группы на концах линейной молекулы препятствуют разобщению системы. Из-за
пространственных препятствий, создаваемых объемистыми группами X, разъединить
такую композицию без разрыва хим. связи невозможно. Поэтому ротаксаны ведут себя
подобно обладающим топологической связью катенанам.
I
X
X
II
`По химическим свойствам ротаксаны аналогичны составляющим их молекулам. В
редких случаях, при размере цикла С 27 -С 29 , удается наблюдать равновесие между
ротаксаном и парой составляющих его молекул.
90

5.2. Номенклатура
Фриш и Вассерман назвали соединение, состоящее из двух 34-членных
макроциклов, [34,34]-катенан. Аналогичной терминологией пользовался Таубер. Дитрих в
работе, которая не получила экспериментального подтверждения, предложили вводить
между названиями индивидуальных компонентов катенана латинский предлог сит,
соответствующий with или русскому «с». Катенан (III) в таком случае должен быть назван
циклотетратриаконтан-1,18-дион-1-оксим сит циклотетратриаконтан-1,18-ди-он-1-оксим.
C=N-OH
(CH 2 ) 16
(CH 2 ) 16 O=C (CH 2 ) 16
C=N-OH
C
O
III
(CH 2 ) 16
Согласно обозначению, до сих пор использовавшемуся Шиллом, соединение 7
называли «катенан из циклотетратриаконтан-1,18-дион-1-оксима и циклотетратриаконтан-
1,18-дион-1-оксима».
Единая номенклатура предложена Шиллом Г. Слово «катенан» или «ротаксан»
ставится в конце названия обозначаемого соединения. В начале названия в квадратных
скобках указывается число молекулярных составляющих.
Таким образом, простейший катенан (типа соединения I) будет назван [2]-катенан.
После скобок следуют названия молекулярных составляющих, которые также заключены
в квадратные скобки. Циклы катенана нумеруются по аналогии с нормальными или
разветвленными парафинами; номер каждого цикла помещается перед его названием. При
отсутствии разветвлений механической связи такая система нумерации необязательна.
Названия циклов, образующих ответвления от главной цепи, нумеруются подстрочными
значками и помещаются в те же квадратные скобки, что и названия цикла, от которого они
ответвляются. Для катенанов и ротаксанов, в которых имеется несколько витков,
необходимо указать их число а. Величина а обозначает, таким образом, сколько раз один
макроцикл обвивается вокруг другого. Катенаны, образующие замкнутую цепь,
называются циклокатенанами.
По стереохимическим признакам для простых карбоциклических [2]-катенанов
можно сформулировать следующие положения:
1. Незамещенные катенаны не могут существовать в виде антиподов.
2. Катенаны, замещенные только в одном из двух циклов, по стереохимии сходны с
соответствующими некатенановыми макроциклами.
3. Катенаны, в которых каждый цикл содержит два заместителя у одного и того же
атома, стереохимически относятся к алленам и спиросоединениям. Если каждый цикл
имеет два заместителя А и В, то необходимым и достаточным условием существования
энантиомеров является А ≠ В.
4. Катенаны, в которых каждая молекулярная составляющая имеет два заместителя
при разных атомах цикла, как правило (но не всегда), существуют в виде энантиомерных
пар.
91

Названия некоторых простых структур катенанов и ротаксанов
Таблица 5.1.
(CH 2 )
(CH 2 ) (CH 2 ) (CH 2 )
[2]-[Циклоэйкозан]-[циклоэйкозан]-катенан
[2]-[1,10-Диарилдекан]-[циклоэйкозан]-
ротаксан
[3]-[Циклоэйкозан]-[циклогексакозан]-
[циклоэйкозан]-катенан
[4]-1-[Циклоэйкозан]-2-
[циклодотриаконтан-21-циклоэйкозан]-
3-[циклоэйкозан]-катенан
[2]-[Циклотриаконтан]-
[циклогептатриаконтан]-катенан (а = 2)
[3]-[1,20-Диарилэйкозан]-
[циклоэйкозан]-[циклоэйкозан]-ротаксан
[4]-1-[Циклогексакозан]-2-[циклогексакозан]-3-[циклотриаконтан]-4-[циклогексакозан]-
циклокатенан
92

5. Еще один тип изомерии соответствует различию последовательностью сегментов
в одном из циклов. Это различие делает их циклоэнантиомерами. Для того чтобы такая
разница имела место, каждое кольцо катанана должно состоять по крайней мере из трех
различных сегментов, если даже каждый из сегментов присутствует в обоих циклах.
6. Особые случаи возникают, когда один из двух циклов катенана настолько мал
или его заместители настолько велики, что свободное вращение одного цикла внутри
другого затруднено.
4. [2]-Катенан, имеющий число витков а = 2, не идентичен своему зеркальному
изображению и поэтому должен быть оптически активным. Такой вид изомерии
соответствует соотношению зеркальных изображений α- и β-спирали.
Строго говоря, существует множество других структур в пределах циклов со
сложной архитектурой. Например, часто выделяют структуры, называемые узлами.
Простейшим примером узла является трилистник:
Такое соединение хирально, и потому возможно его разделение на оптические
антиподы. Основываясь на теории Кирквуда Корнегай и др. в 1968 г. рассчитали величину
оптической активности узла-трилистника. Могут также существовать и более сложные
узлы, несовместимые со своим зеркальным изображением. Однако имеются случаи, когда
подобные соединения не обладают оптической активностью, т. е. совместимы со своим
зеркальным изображением.
Если же в таких узлах имеется определенное направление внутренней
последовательности, они становятся циклоэнантиомерами.
5.3. Катенаны в природе
В живых организмах широко распространены циклические двунитчатые ДНК*.
Впервые они были обнаружены в вирусах полиом Далбеко и Вогтом а также Вейлем и
Виноградом в 1963 г.
Все эти ДНК существуют в виде ковалентно замкнутых кольцевых двунитчатых
молекул без концевых цепей. Поскольку эти молекулы ДНК спирализованы, они образуют
два замкнутых кольца с топологической связью, имеющей множественное число витков.
Такие два внутризамкнутых цикла образуются, если линейная двойная нить ДНК
циклизуется с четным числом полуповоротов, как это можно показать на примере ленты
Мёбиуса, разрезанной вдоль по длине.
Связь с механическим объединением катенановых циклов характеризуется числом
витков а, которое для вирусов полиомы и опухоли SV40 составляет около 450, а для
кольцевой митохондриальной ДНК — около 1500. Если молекулу поместить в плоскость,
то топологическое число витков а покажет, сколько раз одна нить обвивается вокруг
другой.
По физическим и физико-химическим свойствам замкнутые циклические ДНК
несколько отличаются от линейных и от кольцевых двунитчатых ДНК, имеющих одну или
несколько одиночных цепей с разрывом или брешью. Так, замкнутые кольцевые ДНК
имеют более высокую устойчивость к денатурации, скорость осаждения и плавучую
плотность в щелочных растворах. Все эти свойства можно объяснить неспособностью
полинуклеотидных нитей к раскручиванию.
93

Методы определения и выделения замкнутых кольцевых двунитчатых ДНК
основаны на их устойчивости к денатурации и изменении плавучей плотности в
присутствии аминоакридинов или этидийбромида (IV), который способен внедряться
между парой оснований ДНК. В последнем случае суть метода состоит в том, что
молекула красителя лишь в ограниченной степени внедряется в замкнутую кольцевую
ДНК.
*ДНК, построенные из двух циклических комплементарных однонитчатых цепей, не имеющих
разрывов в фосфатно-сахарном остове, называют еще циркулярными, кольцевыми или ДНК-I.
Кольцевые ДНК, имеющие один или несколько разрывов в фосфатно-сахарном остове той или
другой полинуклеотидной цепи, называют раскрытыми кольцевыми ДНК или ДНК-II. Линейные
двунитчатые ДНК по этой номенклатуре — ДНК-Ш. Если ось спирали ДНК принимает спиральную
форму, то получается сверхспираль (или суперспираль) первого порядка или просто сверхспираль.
Такая ДНК — третично заспирализованная, сверхскрученная или суперспирализованная.
Обычно такое внедрение вызывает частичное раскручивание двойной спирали
молекул ДНК, которое достигает 12°. Замкнутые кольцевые ДНК не могут раскручиваться
и потому связывают меньшие количества красителя, чем ДНК с открытой или
«разорванной» цепью. Связывание этидийбромида, имеющего низкую плотность,
понижает плотность ДНК в градиенте плотности хлористого цезия; в результате смесь
незамкнутых и циклических ДНК после, центрифугирования образует два хорошо
разделенных слоя.
Методом последовательной седиментации в сочетании с методом электронной
микроскопии Хадсону и Винограду удалось показать, что митохондриальная ДНК из
клеток HeLa содержит катенановые молекулы. Самый нижний слой в градиенте плотности
хлорида цезия содержит около 10% димеров и 90% мономеров, тогда как промежуточный
слой содержит около 60% димеров и 40% мономеров. Из электронно-микрограммы
очевидно, что димеры в нижнем слое состоят из замкнутых в виде катенанов мономеров,
тогда как димеры промежуточного слоя представляют собой двунитчатую молекулу ДНК,
состоящую из одного замкнутого и одного «разорванного» циклов.
Дважды замкнутые катенановые димеры имеют тот же коэффициент
седиментации, что и замкнутые циклические димеры. Электронно-микроскопическими
измерениями было показано, что длина каждого компонента катенана составляет
приблизительно 5 мкм, т. е. не отличается от длины несвязанного мономера. В литературе
упоминалось о существовании олигомеров с n > 2; методом электронной микроскопии
удается отчетливо зарегистрировать не только катенановые тримеры, тетрамеры,
пентамеры, но даже и гептамеры.
5.4. Принципиальные схемы синтеза катенанов
Статистические методы. Эти методы включают образование катенанов наряду с
их молекулярными составляющими в определенном соотношении согласно законам
статистики. Определяющими факторами являются размер и структура исходного
продукта, конформационные условия, стерические затруднения и т. п. Это означает, что
выход катенана в данной химической системе может меняться в зависимости от условий
эксперимента. Поскольку теория конформационного поведения больших молекул, как
циклических, так и открытых, в растворе еще недостаточно разработана, невозможно
сделать определенных предсказаний относительно вероятности образования катенанов.
IV
94

Группой Люттрингхауза было предложено несколько теоретически надежных
путей статистического синтеза катенанов. Все они основаны на простом допущении
образования сцепленных циклов, если молекула с открытой цепью «продевается» через
цикл. Ими предложено четыре основные схемы синтеза.
Схема 1. Циклизация молекулы с длинной цепью, содержащей терминальные
функциональные группы X, в присутствии макроцикла может привести к катенану, если в
момент замыкания цикла цепь принимает интрааннулярное положение. Вероятность
образования катенана таким способом невелика, но может быть увеличена за счет
дополнительных стерических факторов и путем временной связи макроцикла с
длинноцепочечной молекулой, как это обсуждается в схеме 2.
Схема 2. Соединение с открытой длинной цепью присоединяется к циклу
посредством вспомогательной связи (показана пунктиром) с образованием двух типов
аддуктов со внутренним и внешним расположением длинной цепи. Таким образом
достигается вынужденное тесное сближение двух молекул. Подбирая подходящую
вспомогательную связь, можно влиять на конформационное равновесие между этими
аддуктами. Циклизация приведет к образованию связанных между собой циклов и
прекатенана, которые при разрыве вспомогательных связей превращаются в два
изолированных макроцикла и катенан, соответственно.
Схема 3. Макроцикл с интрааннулярным мостиком присоединяется по
мостиковому положению к одной из концевых функциональных групп соединения с
длинной цепью. Циклизация образующегося при этом соединения должна дать
экстрааннулярно связанное соединение и прекатенан. Разрыв вспомогательных связей
приводит к катенану и его молекулярным составляющим.
Схема 4. Эта схема похожа на схему 2. Две длинноцепочечные молекулы,
имеющие концевые функциональные группы, соединяются с образованием соединения.
Поскольку последующая циклизация осуществляется в две стадии, по существу создаются
95

те же условия, что и в схеме 2, за исключением того, что дополнительно образуется
мостиковый макроцикл, который после расщепления вспомогательной связи дает
макроцикл.
Схема 5. В рассмотренных схемах (за исключением схемы 3) имеется сходство:
циклы прекатенана соединены только одной связью. Если же использовать
множественные вспомогательные связи, вероятность образования катенана может
существенно возрасти. Соединение с длинной открытой цепью, имеющее концевые
функциональные группы Y, и макроцикл с функциональной группой X соединяются,
образуя продукты и с различным положением заместителя. Характер концевых
функциональных групп Y должен быть таким, чтобы они могли реагировать с X, но не
друг с другом. Продукты циклизации после разрыва вспомогательных связей и связи
заместителя X с макроциклом должны превращаться в катенан и его молекулярные
составляющие.
Во всех рассмотренных статистических методах синтеза наряду с катенаном
образуются и его молекулярные составляющие. Строго говоря, статистическим является
лишь первый из приведенных методов, так как в остальных случаях делаются попытки
влиять на статистику созданием благоприятных стерических условий. По этой причине
Люттрингхауз и Изеле ввели термин «полустатистический» для тех методов, в которых
делаются попытки влиять на образование катенанов созданием стерических условий
замыкания цикла путем выбора соответствующих компонентов.
Направленный синтез заключается в создании такого пространственного взаимного
расположения потенциальных составляющих катенана, при котором интрааннулярная
циклизация с образованием прекатенана является единственной возможностью замыкания
96

цикла. Такие схемы достаточно сложны и могут быть найдены в соответствующих
публикациях.
5.5. Геликаты
Самособирающаяся структура двойной спирали ДНК явилась толчком к появлению
еще одной области супрамолекулярной самосборки, а именно — к использованию ионов
металлов для темплатирования сборки органических «нитей» в спирали. Спиральные
координационные комплексы, замечательные по своей сути, были использованы в
качестве отправной точки для получения широкого ряда молекулярных узлов, например
трилистных. Фундаментальным свойством спирального соединения является хиральность,
обусловленная направлением закручивания вокруг его оси. Степень этого закручивания
определяется шагом спирали: расстоянием между двумя ее витками. Спиральные
комплексы практически всегда состоят из «молекулярных нитей», представляющих собой
удлиненные полидентатные мостиковые лиганды с более чем одним «связывающим
доменом», т.е. с более чем одним набором донорннх атомов, способных хелатировать
различные металлические центры. Связывающим доменом может служить 2,2'-
бипиридиновая или 1,10-фенантролиновая V единица, так что нить будет формироваться
из 2,2':6',2":6",2'"-кватерпиридина (VIa), состоящего из двух бипиридильных
связывающих доменов.
R R R R
N
N
N
V
N
N
N
VIa R=H
VIb R=Me
Спиральные металлосоединения и их лиганды имеют номенклатуру, аналогичную
номенклатуре криптандов и криптатов, катенанов и катенатов. Так, молекулярные нити
(лиганды) типа (VIa), которые могут образовывать спиральные комплексы, называют
геликандами, а их металлокомплексы - геликатами. В принципе, существуют три способа,
при помощи которых лиганды, подобные (VIa), могут связывать
четырехкоординированный металлический центр. Эти лиганды могут давать
моноядерный плоскоквадратный комплекс 1:1, биядерный неспиральный комплекс 2:2
или комплекс 2:2 в виде двойной спирали, обычно с тетраэдрической координационной
геометрией металла. В присутствии шестикоординированного металла могут также
образовываться комплексы с тройной спиралью, если три геликанда смогут уместиться
около металлических центров.
Рис.5.1. Комплексы двухдоменного геликанда
а) моноядерный, б) биядерный неспиральный, в) двухспиральный и г) трехспиральный.
97

Одиночные спирали противоположной хиральности не могут объединяться с
образованием двойной спирали. Основной чертой двойных спиралей является
хиральность спирального витка, что приводит к существованию левовращающих (М-) и
правовращающих (Р-) форм, рис.5.2.
Рис.5.2. Хиральность двойных геликатов
Таким образом, и одиночные, и двойные спирали существуют как энантиомерные
пары, но, в отличие от обычной комбинации двух хиральных фрагментов, двойная
спираль не существует в виде двух диастереомеров, потому что гетерохиральное (левая,
правая) комбинирование двух одиночных спиралей не дает двойной спирали.
Для экспериментальной проверки хиральности металлогеликатов использовали
методы РСА и ЯМР-спектроскопии в растворе. Введение хиральных сдвигающих
реагентов, таких, как [Eu(tfc) ] (где tfc — 3-(трифторметилгидроксиметилен-(+)-
камфорат), в раствор геликатов приводило к расщеплению некоторых сигналов лиганда в
результате образования диастереомерных комплексов со сдвигающим реагентом. Такое
расщепление не наблюдается для свободных лигандов, которые ахиральны.
5.5. Геликаты: синтетические аспекты
Значительное число геликатов получено самосборкой, и поэтому они представляют
собой структуры с термодинамическим минимумом. Это означает, что вся информация о
сборке спирали должна быть заложена в самой системе, как это имеет место в случае
ДНК. Для рассматриваемой системы можно говорить о том, что алгоритм сборки
диктуется или металлом, или лигандом. Под «диктатурой» металла мы понимаем такие
фундаментальные свойства, как предпочтительное координационное число металла и его
координационная геометрия, а также другие характеристики, например расстояния металл
— лиганд. С одной стороны, металлы с плоскоквадратной координационной геометрией,
такие, как Pd(II) и Pt(II), имеют склонность к образованию моноядерных неспиральных
соединений, в которых все донорные атомы геликандов типа (VI) расположены в одной
плоскости, что препятствует спирализации. С другой стороны, металлы с тетраэдрической
координационной геометрией, например Cu(I), образуют двойные геликаты, потому что
спейсер между связывающими доменами лиганда редко бывает достаточно гибким для
того, чтобы два домена смогли расположиться строго ортогонально относительно друг
друга.
Для придания лиганду спиральности он должен быть предорганизован (обычно
стерически). Макроциклический лиганд (VII) уже обладает спиральностью вследствие
фиксированных ориентаций бинафтильных заместителей и образует моноядерный катион
с двойной спиралью [Cu(VII)]+. Аналогично лиганд (VIII) уже готов к образованию
спирали благодаря жесткости своего каркаса, состоящего из конденсированных
шестичленных колец. В этой структуре два концевых кольца сильно сближены, однако во
избежание крайне невыгодных стерических взаимодействий плоскость лиганда
претерпевает спиральные искажения.
98

VII
VIII
IX
Действительно, связывание с ионами натрия приводит к образованию различных
спиральных структур (Т. Bell and Н. Jousselin, 1994). В частности, мононатриевый
комплекс содержит однотяжную спираль, которая медленно рацемизуется при комнатной
температуре. Замещенный тетрапиридиновый лиганд VIb в некоторой степени
предрасположен к спиральности из-за невыгодных стерических взаимодействий между
метильными заместителями. Это приводит к тому, что два центральных пиридиновых
кольца ориентируются некопланарно, нарушая плоскоквадратную координацию, хотя этот
лиганд может принимать и псевдопланарную геометрию в случае Cu(II)-комплексов.
Хиральный одиночный геликат может образоваться даже из незамещенных
полипиридиновых лигандов, таких, как 2,2'.6',2":6",2'":6'",2""-пентапиридин (IX), в
результате невыгодных стерических взаимодействий между его концами.
[4~4]Геликаты. При взаимодействии геликанда (VI6), спиральная
предорганизация которого обеспечивается стерическими отталкиваниями между
метильными группами, с Cu(I) (в основном в форме относительно лабильных
предшественников типа [Cu(MeCN) 4 ] + ) быстро образуется биядерный геликат
[Cu 2 (VIb) 2 ] 2+ , кристаллическая структура которого представлена на рис. 5.3.
Рис.5.3. Кристаллическая структура [Cu 2 (VIb) 2 ] 2+
99

Биядерный комплекс [Cu 2 (VIb) 2 ] 2+ является примером [4+4]геликата, в котором
[n+m] представляют собой координационные числа двух металлических центров (для
каждого центра — четыре). В данном случае и тетраэдрические металлические центры, и
стерически предорганизованный лиганд предрасположены к образованию геликата.
Поэтому комплекс можно рассматривать как комплементарную систему для образования
геликата. Напротив, Cu(II) в основном имеет искаженную эффектом Яна — Теллера
октаэдрическую или квадратно-пирамидальную геометрию, менее подходящую для
синтеза геликата. Этот факт был использован и получили интересные результаты.
Одноэлектронное окисление Cu(I)-центров в [Cu 2 (VIb) 2 ] 2+ до Cu(II) приводит к геликату
Cu(I) — Cu(II) со смешанной валентностью. При дальнейшем окислении геликат
разлагается с образованием моноядерного Cu(II)-соединения. Использование геликанда
VIa, имеющего меньшие стерические ограничения (и поэтому менее
предорганизованного), также приводит к двойному спиральному Cu(I)-комплексу, причем
тетраэдрической координационной геометрии иона металла вполне достаточно для
темплатирования образования геликата. Интересно, что расстояние Cu···Cu (которое
соответствует шагу спирали) в неметилированном комплексе равно 3.17 Å в
противоположность 3.90 Å в [Cu 2 (VIb) 2 ] 2+ . В аналогичном Ag(I)-комплексе [Ag 2 (VIa) 2 ] 2+
это расстояние составляет 3.10 Å. Следовательно, шаг спирали в большей степени
определяется метильными группами, чем предорганизацией лиганда. Ясно также, что
наличие метильных групп благоприятствует образованию двойной спирали, а для лиганда
без метильных групп образования интермедиата со смешанной валентностью
[Cu I Cu II (VIa) 2 ] 3+ не наблюдали. Тот факт, что шаг в Ag(I)-комплексе (VIa) короче, чем в
аналогичном соединении на основе Cu(I), можно объяснить похожестью спирали на
пружину. Увеличение длины связи металл — лиганд для соответствия большему иону
металла приводит к растяжению спирали перпендикулярно ее оси и, следовательно, к
компенсационному сжатию шага вдоль этой оси.
Контрольные вопросы
1. В чем принципиальное отличие катенанов и ротаксанов от обычных соединений?
Опишите историю вопроса.
2. Дайте определение катенанам, приведите пример и название катенана.
3. Приведите основные характеристики строения катенанов.
4. Опишите первые работы по изучению свойств природных катенанов.
5. Приведите методы синтеза катенанов.
6. Какие соединения называют геликатами, их строение, свойства и номенклатура.
7. Опишите синтетические аспекты геликатов.
100

Лекция 6. Инженерия кристаллов
6.1. Общие вопросы
Основная идея ″инженерии кристаллов″ — конструирование периодических
структур с желаемой супрамолекулярной организацией, позволяющей реализовать или
модифицировать в ожидаемом материале желаемое свойство. В основе такого
″конструирования″ лежит возможность предвидеть особенности структуры и некоторые
свойства конечного материала, исходя из природы и строения ″элементарных блоков″,
образующих кристаллическую фазу, т.е. молекул, ионов, координационных центров,
лигандов или их простейших ассоциатов.
Концепция инженерии кристаллов была обоснована Г. Шмидтом, указавшим на
определяющее влияние взаимного расположения молекул в конденсированной фазе на их
реакционную способность и стереохимию образующихся продуктов. Таким образом, с
помощью одних только невалентных взаимодействий оказалось возможным
целенаправленно изменять химические свойства соединений.
Ярким примером супрамолекулярного контроля химических свойств служат реакции
фотодимеризации молекул коричной кислоты и ее производных, рис.6.1. транс-о-
Этоксикоричная кислота I существует в виде трех кристаллических модификаций
(полиморфы α, β и γ). В полиморфах α и β двойные связи соседних молекул находятся в
непосредственной близости, поэтому при облучении этих твердых фаз молекулы в них
димеризуются. В α-полиморфе молекулы упакованы ″хвост к голове″, и продуктом
реакции является 2,2′-диэтокси-α-труксилловая кислота II, тогда как в β-полиморфе
молекулы упакованы ″голова к голове″, и продуктом реакции является 2,2′-диэтокси-βтруксиновая
кислота III. В γ-полиморфе расположение молекул неблагоприятное, и
реакция не происходит.
II
III
Рис.6.1. Фотодимеризация коричной кислоты в кристаллическом состоянии в зависимости от модификации
Использование для фотохимических реакций специально сконструированных
кристаллов имеет ряд очевидных преимуществ перед использованием менее
упорядоченных сред (растворов или аморфных фаз). Как правило, реакции в кристаллах
стереоспецифичны, количественны и просты в исполнении.
Универсального решения основополагающей проблемы инженерии кристаллов —
каким необходимо сконструировать элементарный блок, чтобы получить кристалл с
желаемыми структурой и свойствами, — на сегодняшний день не существует. Вместе с
тем, имеется ряд полезных подходов, среди которых наиболее известны принцип
плотной упаковки Китайгородского (для молекулярных кристаллов), правила М. Эттер
(для кристаллов, построенных на водородных связях), концепция супрамолекулярного
синтона — характерного способа связности между функциональными группами
101

соседних молекул (для органических кристаллов) и концепция тектона — молекулы,
образующей в кристалле сильные направленные взаимодействия (для органических
кристаллов).
Введение в кристалл дополнительных компонентов значительно расширяет
возможности инженерии кристаллов. Очень часто второй (гостевой) компонент
используется в качестве темплата, чтобы расположить молекулы первого (хозяйского)
компонента желаемым образом. Этот метод широко применяется при производстве
синтетических цеолитов и других соединений, но требует развития имеющихся и создания
новых ″инженерных″ подходов и экспериментальных методов. Инженерии кристаллов
посвящен один из томов ″Общей супрамолекулярной химии″ и другие публикации общего
плана.
Подобно тому, как традиционная химия с помощью химических связей из
ограниченного набора элементов создает бесконечное многообразие молекул, так
супрамолекулярная химия с помощью невалентных взаимодействий из одних и тех же
молекул создает разнообразные олигомолекулярные образования (супермолекулы) и
полимолекулярные ассоциаты (супрамолекулярные ансамбли). В супрамолекулярной
химии определяющую роль играют размер и форма или геометрическая
комплементарность молекул, а не их реакционная способность. Супрамолекулярные
принципы позволяют объединить координационно-насыщенные молекулы, не
вступающие в химическое взаимодействие друг с другом, в новые химические объекты,
обладающие индивидуальным набором физических и химических свойств.
Межмолекулярные взаимодействия определяют структуру молекулярных
кристаллов - огромного класса органических веществ, молекулы которых образованы с
помощью ковалентных связей.
6.2. Концепция (принцип) плотной шаровой упаковки
Для молекулярных кристаллов А.И. Китайгородским был выведен так называемый
принцип плотной упаковки, определяющий закономерности их образования. В основе
этого принципа лежит стремление молекул в кристалле наиболее эффективно заполнить
пространство, что обеспечивает наибольшее количество энергетически выгодных
межмолекулярных ван-дер-ваальсовых контактов.
Для устойчивости системы атомов или ионов стремятся занять как можно меньший
объем, окружив себя при этом максимально возможным количеством других атомов или
противоионов. Эта тенденция присуща веществам со всеми типами связей (кроме
ковалентной), но особенно применима к металлам и ионным кристаллам.
Для шаров в одном слое наиболее экономична очевидная упаковка, рис.6.2.
Атомы второго слоя должны попасть лунки первого слоя, но поскольку лунок
вдвое больше шаров: в структуре обнаруживаются два типа пустот: тетраэдрические (Т) и
октаэдрические (О). При этом количество октаэдрических пустот равно числу атомов
второго слоя, а количество тетраэдрических – вдвое больше (так же и для бесконечной
структуры). Для третьего слоя возможны две ориентации:
(АБА)БАБ… - гексагональная плотная шаровая упаковка (ГПУ); она характерна для
металлов Mg, Be, Zn, Cd, Tl, Ti, Zr, Hf, Sr, Os,…, интерметаллидов AgCd, AgCd 3 , AuCd,
CuZn 3 …
(АБВ)АБВ… - кубическая плотная шаровая упаковка (ГЦК); она характерна для Cu,
Au, Ag, Al, Pb, -Fe, Ca, Sr, Th, Pb, Nb, -Co, Ni, Rh, Pd, Jr, Pt.
Существуют и более сложные: четырех-, пятислойные и т.п.
Для обеих упаковок степень уплотнения равна 74,05%, что больше, чем для
остальных вариантов. Например, в объемно-центрированной кубической структуре (ОЦК)
плотность всего 68%.
102

О
Т
Рис.6.2. Построение пространственных структур по принципу плотной шаровой
упаковки и пустоты в них
Плотнейшие упаковки составляют основу строения большинства представителей
минерального мира; более того, значительная часть существующих в природе упаковок
является либо гексагональными, либо кубическими. В ионных кристаллах плотнейшую
упаковку образуют анионы, а катионы заполняют октаэдрические или тетраэдрические
пустоты. Различия между отдельными видами минералов требуют задания:
1) типа плотнейшей упаковки;
2) сортности и числа заселенных катионами пустот;
3) если заселены не все пустоты данного сорта, - то закона, узора, по которому
происходит отбор между заселенными и незаселенными пустотами.
Таблица 6.1.
Типы заполнения пустот в структурах с плотной шаровой упаковкой
Вещество Упаковка анионов Заполнение пустот катионами
MgO, NaCl ГЦК
Все О-пустоты
СdCl 2
Половина О – чередующиеся слои
K 2 O
Все Т
ZnS
Все Т вершинами вверх
(сфалерит)
Zn(CN) 2
¼ Т вершинами вверх и ¼ Т вершинами
вниз
NiAs
ГШУ
Все О
Al 2 O 3
2/3 O
CdJ 2
½ О чередующиеся слои
ZnS (вюрцит)
Все Т вершинами вверх
В случае неорганических кристаллов часто можно выделить специфические
фрагменты структур, среди которых – тетраэдры (соответствуют sp 3 -гибридизации
центрального атома) или (дополняющие их в случае ПШУ) октаэдры (sp 3 d 2 –
гибридизация), рис.6.3.
Рис.6.3. Построение построенных структур координационными полиэдрами
103

Эти полиэдры в зависимости от состава вещества могут быть объединены друг с
другом различными способами, образуя либо плотные шаровые упаковки, либо
структуры, содержащие полости определенного размера и пространственной
конфигурации; соответственно, они могут контролировать строение супрамолекулярных
систем, включающих другие молекулы, находящиеся между этими полиэдрами.
Среди большого разнообразия супрамолекулярных неорганических соединений
имеется большая группа фаз, в которых трехмерный каркас построен на основе линейно
координированных атомов ртути и тетраэдрически координированных атомов VA
подгруппы. В зависимости от топологии и заряда решетки «хозяина» его полости могут
быть заполнены галогенно-металлическими анионами различной природы, формы и
размера. Анионы «гостя» связываются с каркасом большим числом слабых
электростатических взаимодействий, в большинстве случаев обеспечивая образование
хорошо упорядоченных супрамолекулярных комплексов. Октаэдрические,
тетраэдрические, пирамидальные или треугольные «гостевые» анионы приводят к
образованию различных супрамолекулярных ансамблей. Например, октаэдрические
4
2
«гости» стабилизируют симметричные катионы [ Hg 6 Pn4
] , а катионы [ Hg 6 Pn2
]
стабилизируются тетраэдрическими «гостями» (здесь Pn = P, As и Sb). Природа металла,
образующего соответствующий комплекс при этом не играет такой роли, как размер и
форма аниона. Это подтверждается существованием изоструктурных комплексов
[ Hg 6 As4](
InCl6)
Cl , [ Hg 6 As4
]( MoCl6]
Cl и [ Hg 6 As4
]( CrBr6
) Br с октаэдрическим
строением ионов «гостей». При уменьшении размеров тетраэдрических анионов, которое
может быть достигнуто заменой атомов галогенов, изменяется и состав «хозяина»,
наилучшим образом подходящего для образования супрамолекулярного комплекса. В
ряду:
[ Hg 2 As][
ZnI4
] [ Hg 23 As12
][ ZnBr4
] [ Hg 13 As8][
ZnCl4
]
взаимное регулирование подструктур хозяина и гостя связей между атомами мышьяка.
Кристаллическая структура соединения [ Hg 6 As4][
CuBr3
] 2 , рис.6.4, включает две
подрешетки – анионной (отмечена объединенными в цепь тетраэдрами) и катионной,
образованной атомами мышьяка и ртути.
Рис.6.4. Строение кристаллов [ Hg 6 As4][
CuBr3
] 2
104

6.3. Кристаллы, построенные на водородных связях
В одной из основополагающих работа M. Эттер поставила вопрос о том,
существует ли возможность для предсказания характера образования водородных связей
между органическими молекулами, определяющими их кристаллическую структуру в
твердом состоянии. Доказано, что бензойная кислота (как и другие монокарбоновые
кислоты) образует димеры благодаря двум межмолекулярным водородным связям:
O
H
O
O H O
Димер бензойной кислоты
Но если в этом случае строение димера инвариантно, то в случае салициловой
кислоты возможны три варианта образования внутримолекулярной водородной связи, из
которых первый вариант предпочтительнее вследствие более высокой кислотности
протона карбоксильной группы.
O
O
O
H
O
O H
O
O H
O H
O H
H
I
II
III
Внутримолекулярная связь в молекуле салициловой кислоты
Но когда переходят к более сложным структурам, содержащим несколько
донорных и акцепторных центов, то возникают существенные проблемы. Например, для
диацетамида можно предложить несколько различных вариантов образования водородных
связей в твердом состоянии, четыре из которых представлены ниже:
O
O
N
H
N
H
O
O
O
O
O
N
H
O
N
H
O
O
O
N
H
O
N
H
O
N
H
O
O
H
N
O
I II III IV
Возможные структуры с участием диацетамида
Из этих структур только две (I и III) найдены в двух полиморфных модификациях
кристаллических структур диацетамида. Но это соединение способно к сокристаллизации
с другими молекулами, способными вступать в образование водородных связей.
Анализируя множественные экспериментальные данные, собранные в базе
кристаллографических данных Кембриджа, Эттер показала, что существую эмпирические
правила, определяющим предпочтительные тип для образование водородных связей
105

образующихся в случае присутствия различных функциональных групп, как доноров, так
и акцепторов при образовании водородной связи.
Для нахождения эмпирических, наиболее часто встречающихся в известных
структурах, типов структур, был предложен анализ на базе топохимического подхода. В
предложенной терминологии приняты следующие буквенные обозначения:
С – chain – цепь;
R – ring – кольцо;
D – димер или другой конечный тип структуры;
S – single – внутримолекулярная водородная связь.
Число доноров (d) и акцепторов (a) в каждом типе соединения обозначается
нижним и верхним индексами, соответственно; размер (или степень), определяющий
число атомов в повторяющейся структурной единице, указывается числом в скобках.
Обозначения структур диацетамида, представленных выше (I-IV) приведено в табл.6.2.
Таблица 6.2. Топологические обозначения структур с водородными связями
Соединение
(номер, стр. )
Характер связи
Число доноров
Число
акцепторов
Обозначение
I Кольцо 1 2 2
R 1 (6)
II Цепь 1 1 C (4)
III Цепь 1 1 C (4)
IV Кольцо 2 2 2
R 2 (8)
V Кольцо 4 2 2
R 4 (8)
VI
Внутримолекулярная
связь, кольцо
1 1 S (6)
Еще две структуры, для которых приведено символическое обозначение,
представлены ниже. Это структуры с водородными связями – циклическая и
внутримолекулярная.
N
O
H H
O
O O
H
H H
O
N
R
V
VI
Правила для предсказания типа структур с водородными связями, образование
которых наиболее вероятно, для молекул, содержащих типичные акцепторные и донорные
группы, были предложены М. Эттер. Они содержат самые общие правила и частные,
применимые к некоторым конкретным случаям.
Правила М. Эттер.
А. Общие правила
1. Все активные протонодоноры и акцепторы вовлекаются в образование
водородных связей (ВС).
2. Шестичленный цикл в случае образования внутримолекулярной ВС
предпочтительнее межмолекулярных ВС.
3. Все наиболее активные протонодоноры и акцепторы, остающиеся после
образования внутримолекулярных ВС связей вовлекаются в межмолекулярные ВС.
106

B. Дополнительные правила для специфических классов функциональных групп
Нитроанилины
4. Протоны аминогруппы образуют ВС с нитрогруппами
5. Одна или более межмолекулярных ВС может быть образована.
6. Суммарно тип структур, образованных за счет межмолекулярных связей для
мета- и пара-изомеров, будет ацентрическим.
7. Взаимодействия между амино- и нитро-группами обычно является
трехцентровыми:
2
1
R (4) :
O
N
H
O
8. Для орто-замещенных первичных нитроанилинов образование двухцентровых
межмолекулярных ВС предпочтительнее трехцентровых:
O H
2
R 2 (6)
N N
O H
Диарилмочевины
4. Протоны двух имино-групп образуют трехцентровые связи с атомом кислорода
карбонильной групп соседней молекулы:
N
O
1
R 2
С (4)[ (6)] :
N
H
O
N
H
N
H
N
H
5. Сокристаллизация благоприятна в том случае, когда в арильной группе имеется
электроноакцепторные группы в мета-положении, а в другой молекуле имеются
более сильные акцепторы.
1
6. Если сокристаллизация происходит, то предпочтительным является тип R 2 (6)
.
7. Нитро-группы мета-нитрозамещенных диарилмочевин обычно не используются
в качестве акцепторов водорода в присутствии других сильных акцепторов.
Сокристаллы карбоциклических кислот с 2-аминопиримидином
4. Оба протона NH_групп и оба атома азота участвуют в образовании ВС.
5. 2-аминопиримидин (2AP) предпочтительно образует водородные связи с
кислотами, а не между другими молекулами пиримидинов.
2
6. 2AP образует циклические R 2 (8)
структуры и с кислотами и сами с собой.
7. Два протона NH не обязательно должны образовывать связи с идентичными
группами (акцепторами). То же справедливо и по отношению к атомам азота.
8. По протонно-акцепторной способности атомы азота располагаются в ряд:
N(1) > N(3) > карбонильный атом кислорода кислоты > N(2) or N(4)
(4)
N H
(1)
(3)
H
N H
(2)
H
N N
N
N
(1)
(3)
(2)
107

9. По протонодонорной активности группы располагаются в ряд:
кислотная OH-группа > NH(1) > NH(3) > NH(2)
Подобные правила предложены также и для азотистых оснований и некоторых
других типов соединений.
6.4. Концепция супрамолекулярного синтона
Супрамолекулярные синтоны, введенные в химию по предложению Desiraju и
сотр. – мельчайшие структурные единицы, в которых кодируется вся информация о
структурном распознавании, приводящем в конечном итоге к образованию супрамолекул,
т.е. кристаллов. Ключевой аспект инженерии кристаллов состоит в разложение целевой
структуры на супрамолекулярные синтоны и не столь критические фрагменты
(молекулярные синтоны), которые определяют строение кристаллов. Такое разделение
упрощает анализ, позволяя распознать взаимозаменяемость супрамолекулярных синтонов
в семействе родственных структур. Такая заменяемость объясняет экспериментально
известные факты о том, что молекулы с большим различием функциональных групп
имеют довольно близкие кристаллические структуры. Более того, супрамолекулярные
синтоны могут быть заменены на молекулярные синтоны так, что еще более
различающиеся по функциональным группам соединения будут иметь сходное
кристаллическое строение.
Неорганические трехмерные сетки, имеющие большие полости могут иметь особое
значение в химии органических материалов. Например, такие структуры могут быть
своего рода органическими цеолитами. В числе прочих супрамолекулярный синтез
органических алмазоподобных структур (симметрии S(4)) по мнению Desiraju и сотр.
привлекает специальное внимание:
1) поскольку они представляют семейство органических молекул «хозяев», строение
кристаллических структур которых определяется молекулярной симметрией;
2) поскольку синтез и исследование таких структур позволяет проверить действенности
идеи о супрамолекулярных синтонах, особенно для молекул со слабым
межмолекулярным взаимодействием;
3) по причине химической эстетической привлекательность таких соединений.
Первым органические алмазоподобные структуры исследовал Эммер, который
показал, что кристаллы адамантан-1,3,5,7-теракарбоновой кислоты, и метантетрауксусной
кислоты построены благодаря димерным синтонам (VII).
O
H
O
N
H
O
O H N
O
H
VII
O
O
H
VIII
N
IX
Metal N C N Br
C
X
H
XI
Br
XII
X
C
C
H
H
N
Br
Br
C
Br
Br
XIII XIV XV
Рис.6.5. Супрамолекулярные синтоны
108

Очевидно, что для обоих указанных выше соединений, или любого другого с
аналогичной симметрией расположения функциональных групп будут получены сходные
кристаллические структуры. Эта же концепция была использована Wuest и сотр., которые
ввели родственный рассмотренному выше синтону – цис-амидный димерный синтон
(VIII). Zaworotko и сотр. аналогичным способом использовали синтон (IX) для
металлоорганических молекул с симметрией S 4 , объясняющий тераэдрическую
координацию и жесткую линейную свзяь между ними, а Robson и сотр. сообщали о
подобных структурах, основанных на синтоне (X).
6.5. Концепция супрамолекулярных тектонов
Подобный рассмотренным выше, но более общий подход предложен M.W.
Hosseini; он получил название супрамолекулярных тектонов. Учитывая, что кристалл,
по определению является компактной периодической решеткой, компоненты которой
находятся в тесном контакте. Эти контакты возможны благодаря комплементарности
(молекулярного распознавания) соответствующих центров соседних фрагментов.
Исследованием таких соответствий можно построить модель кристалла в трехмерном
пространстве.
Молекулярная тектоника предполагает генерацию молекулярных решеток. Она
основана на тектонах, которые являются активными строительными единицами,
несущими информацию, позволяющую обнаружить комплементарные сайты молекул.
Важно, что такие контакты являются обратимыми, позволяющими восстановление
системы после некоторых воздействий. Комплементарность может быть обеспечена
различными видами взаимодействий, среди которых Hosseini выделяет Ван-дер-
Ваальсовы, электростатические, π-π-взаимодействия, водородные и координационные
связи, рис.6.6.
D-H
B
Водородная связь
+ -
Ионная связь
π – π
π - катион
π – Н-С
Ван-дер-Ваальсовы
взаимодействия
М
М
X
М
Y
Металлическая связь
Координационная связь
Рис.6.6. Комплементарность или тип распознавания функциональных групп
Эти распознавания позволяют организовывать кристаллические решетки из
различных тектонов простой трансляцией составляющих их тектонов. Пример таких
взаимодействий, в начертании автора (Hosseini), представлен на рис.7.7. Тектоны Т 1 и Т 2
позволяют собрать одномерный кристалл К 1 . Тектоны Т 2 и Т 3 – двухмерный кристалл К 2 ,
а тектоны Т 4 и Т 5 – двухмерный кристалл с более жесткой ориентацией тектонов К 3 .
109

6.6. «Неправильные» формы и «неправильный» подбор
Правила плотной упаковки кристалла гласят, что даже в отсутствие особых,
сильных, взаимодействий притяжения дисперсионные силы и силы Ван-дер-Ваальса все
равно заставят молекулы упаковаться так плотно, как только это возможно. Это
неизбежно приводит к тому, что плотность органических кристаллов является довольно
постоянной и составляет примерно 1.4 - 1.6 г/см 3 . Органические молекулы часто
несимметричны и имеют неправильную форму, однако, несмотря на это, они способны
упаковываться сравнительно правильно; при этом большинство из них демонстрируют
достаточно высокую кристалличность без включения молекул растворителя. Это
происходит благодаря конформационной гибкости таких молекул и «мягкой» природе
взаимодействий Ван-дер-Ваальса в сочетании с, как правило, выпуклой формой молекул,
которая, в первом приближении, является сферической. Наблюдаемое при образовании
многих хозяев-клатратов включение растворителя очень часто — это следствие того
факта, что такие клатрат-образующие компоненты имеют неправильную (часто вогнутую)
форму (например, каликсарены, три-о-тимотид). Поскольку они не в состоянии
упаковаться эффективно, то должны включать так называемые молекулы-наполнители,
чтобы заполнить такие зазоры. Это простое соображение часто используют при
инженерии кристаллов, когда специально синтезируют молекулы, обладающие
«неправильной» формой. В частности, молекулы типа «колесо - ось», подобные
молекулам XVI и XVII, имеющие узкий линейный ацетиленовый спейсер и объемистые
концевые группы, способны в твердом состоянии выполнять роль хозяев для целого ряда
гостей, поскольку необходимо заполнить пустой зазор между двумя объемистыми
«колесами».
OH
OH
XVI
XVII
Совершенно иной подход к проблеме «неправильных» молекул был выбран Дж.
Стидом (J. Steed) при инженерии кристаллов путем объединения водородными связями
множества донорно-акцепторных единиц. Взаимодействие аквакомплексов металлов,
используемых в качестве доноров, образующих направленные водородные связи и
обладающих неправильной формой, со стерически «неподходящими» акцепторами
протонов, в частности с краун-эфирами, приводит к получению целого ряда
высоконесимметричных структур. Эти соединения характеризуются присутствием в
кристаллографической несимметричной ячейке множества молекул, неэквивалентных по
симметрии. Такая ситуация возникает из-за необходимости химически идентичных
субъячеек принимать различные формы для их объединения в кристаллы, чтобы
максимизировать межмолекулярные взаимодействия, реализуемые с помощью
водородных связей. Подобная структура, образовавшаяся при взаимодействии
гидратированного уранилхлорида UO 2 Cl 2 (H 2 O) 3 в качестве донора с 15-краун-5 в качестве
акцептора, замечательна тем, что она содержит 16 неповторяющихся комплексов
уранилхлорида и 16 неповторяющихся молекул краун-эфиров, расположенных в виде
решетки 4х4 в асимметричной ячейке, представляющей собой неповторяющуюся часть
элементарной ячейки кристалла. Структура состоит из бесконечных цепей, в которых
каждая пара уранилхлорид — краун-эфир воспроизводит себя в каждом четвертом
комплексе, рис.6.7.
110

Такая структура комплекса — прямое следствие противоречия между
требованиями симметрии нелинейных векторов Н 2 О - U - ОН (~140 и 152 о ) и
конформацией 15-краун-5, в которой каждый макроцикл предоставляет две свои
поверхности: одну с тремя доступными атомами кислорода, а вторую — с двумя.
Результатом этого является нерегулярная цепь четвертого порядка, состоящая из четырех
пар комплексов уранилхлорид — краун-эфир, в которой ориентация предыдущей пары
определяет направление подхода следующей.
Рис.6.7. Элементарная ячейка цепной структуры с водородными связями [UO 2 Cl 2 (H 2 O) 16·(15-краун-5) 16
Макроциклы краун-эфиров одной из цепей четвертого порядка несимметрично
сцепляются с соседними цепочками вдоль кристаллографического направления b. После
сцепления четырех цепочек пятая начинает воспроизводить следующую такую (4x4)-
структуру.
Концептуально сходные результаты были обнаружены для заряженных систем,
таких, как 1,2-диаминобензол Н 2 SO 4·Н 2 O, в которых содержится всего восемь структурно
неповторяющихся бензолдиаммониевых доноров и сульфатных акцепторов.
6.7. Координационные полимеры
Большинство исследований по инженерии кристаллов посвящено действию
«классических», сравнительно слабых межмолекулярных сил, которые «собирают» тот
или иной кристалл или же участвуют в его «самосборке» при помощи ван-дер-ваальсовых
сил, обеспечивающих получение плотной упаковки и дополненных «направляющим»
влиянием водородных связей, п-стэкинг-взаимодействий и т.п.
Недавние исследования в области конструирования неорганических кристаллов
положили начало рассмотрению значительно более сильных и направленных
координационных взаимодействий металл — лиганд в качестве средства для создания
прочных кристаллических конструкций. Идея образования подобных полимерных
молекул, удерживаемых вместе за счет бесконечных цепей с координационными
взаимодействиями, восходит к химии цеолитов и клатратов хофмановского типа. Эти
соединения — одни из первых представителей координационных полимеров, для которых
также характерны взаимодействия типа «хозяин — гость». Конструирование
молекулярных или супрамолекулярных материалов, содержащих микроскопические поры
или обладающих канальной структурой, представляет собой сложную, но необыкновенно
плодотворную область исследований. Подобные материалы могут найти применение в
111

нефтехимической промышленности, в экологии — для очистки окружающей среды,
например для разрушения летучих органических соединений. Возможность
осуществления направленных химических реакций на твердой матрице уже была показана
для соединений включения мочевины. В то же время привлекательный
энантиоспецифический синтез на хиральных каркасах еще не реализован. К настоящему
времени в перечисленных выше областях широко используют кремнеземы и
алюмосиликаты, обладающие микропористой структурой, подобной структуре цеолитов,
из-за их термической устойчивости (даже в отсутствие молекул — гостей), а также из-за
возможности изменять размеры каркасных молекул при темплатном синтетическом
подходе. К сожалению, этот метод не позволяет создавать более универсальные хозяева,
включая хиральные хозяева, вследствие слишком простой природы строительных блоков
4
(тетраэдрические фрагменты, подобные SiO 4 ). Проведенные исследования показали,
что более разнообразные каркасные структуры хозяев можно получить при использовании
неорганических координационных полимеров. Конструирование жестких лигандов с
расходящимися, точно позиционированными центрами связывания предоставляет
огромные возможности для синтеза специальных пористых материалов. Ранее этот
принцип был реализован группой О. Яги (О. Yaghi) из Государственного университета
штата Аризона (США). Эти исследователи получили, слоистый координационный
полимер на базе бензол-1,3,5-трикарбоновой кислоты, (Yaghi et al., 1995):
Спейсерами (S) служили два пиридиновых лиганда, а весь ансамбль представлял
собой двухмерный координационный полимер слоистой структуры. Каждый слой
взаимодействовал с такими же слоями выше и ниже себя за счет слабых π - π-стэкингвзаимодействий
пиридиновых ароматических колец. Термогравиметрический анализ
этого соединения показал, что при 190 о С оно способно обратимо высвобождать
ароматические молекулы-гости из своих пор-каналов, тогда как общая кристаллическая
структура хозяина сохраняется вплоть до 350 'С. Это было показано рентгеновской
дифракцией порошкообразного образца и при изучении кристаллов с помощью
оптического микроскопа. Молекулы-гости могут быть вновь внедрены в освободившиеся
каналы хозяина. Однако обнаруженные термическая устойчивость и обратимость
связывания позволяют надеяться на то, что эти системы могут оказаться весьма
востребованными с точки зрения их практического применения.
В принципе, конструирование пористых координационных полимеров является
столь же простым делом, что и выбор комбинации лиганда с более чем одним центром
связывания, неспособного к хелатированию (расходящиеся центры связывания), и
металла, имеющего комплементарные расходящиеся центры связывания. Результатом
подобного сочетания и будет координационный полимер. Этот подход получил развитие в
ходе своего широкомасштабного применения для синтеза самособирающихся дискретных
молекулярных структур. Если лиганд достаточно большой, то между соседними
металлическими центрами будут оставаться полости. Однако на самом деле ситуация не
столь проста. Взаимодействия металл — лиганд зачастую являются сильными и,
следовательно, нелабильными. В результате этого продукты могут быстро осаждаться в
виде аморфных порошков; при этом образуются в основном кинетические продукты,
112

обладающие нерегулярной структурой. Проблемы такого рода могут быть частично
преодолены за счет применения методик выращивания кристаллов, в которых
используются процессы диффузии, нагревания раствора и гелевой проницаемости. Более
того, геометрию взаимодействий металл — лиганд не всегда легко предсказать; при этом
даже если пористая структура образована, то нет никакой гарантии, что эти поры
окажутся доступными для молекул-гостей, находящихся вне кристалла. Тем не менее, это
необходимое условие для использования подобных конструкционных материалов при
ионном обмене или в реакциях включения. Несмотря на указанные трудности, в
инженерии пористых твердых веществ был достигнут значительный прогресс.
6.8. Биомиметические (биоподражательиые) структуры
В природе были обнаружены неорганические материалы, называемые
биоминералами, которые образуются путем осаждения кристаллических неорганических
соединений на органических темплатах, например на коллагеновых волокнах. Из
биоминералов состоят, в частности, кости и зубы, осуществляющие такие важные
функции, как опорная и защитная (например, скелет, яичная скорлупа и т.д.), основанные
на твердости неорганического компонента. В табл. 6.3 приведен перечень наиболее
важных биоминералов. Фактически подобные материалы «сделаны» как из органического,
так и из неорганического «сырья». Сравнительно быстро образующиеся хитиновые
(полисахаридные) структуры беспозвоночных и скелеты акул состоят преимущественно
из органического материала. Однако кости позвоночных «построены» из
гидроксилапатита Са 10 (ОН) 2 (РО 4 ) 6 ; при этом в состав органической матрицы входят
коллагеновые волокна, гликопротеины и мукополисахариды. Неорганический компонент
придает этим материалам твердость и сопротивление давлению, тогда как присутствие
органической матрицы обеспечивает эластичность, а также прочность на разрыв, на изгиб
и сопротивление разрушению. Органический компонент часто выполняет также
темплатную функцию, вынуждая неорганический твердый компонент принимать
подходящую структуру в соответствии с генетической предрасположенностью.
Таблица 6.3.
Некоторые важные биоминералы
Состав Минеральная форма (фаза) Местонахождение, применение
Карбонат кальция,
CaCO 3
Кальцит
Арагонит
Фатерит
Аморфная
Внешние скелеты (например,
яичная скорлупа, кораллы,
раковины моллюсков), весовые
датчики
Фосфат кальция
Са 10 (ОН) 2 (РО 4 ) 6
Гидроксиапатит
Внутренние скелеты (кости и
зубы позвоночных)
Оксалат кальция Уэвеллит
Камни в почках,
СаС 2 O 4 nН 2 O
Уэдделлит
аккумулирование кальция
Сульфаты металлов
CaSO 4 2Н 2 О
SrSO 4
BaSO 4
Гипс
Целестин
Барит
Весовые датчики
Внешние скелеты
Весовые датчики
Аморфный кремнезем
SiО 2 nН 2 O
Аморфная
Створки диатомей и радиолярий;
защитные функции в растениях
(=SiO n (OH) 4-2n )
Оксиды железа Магнетит Магнитные датчики, зубы
Fe 3 O 4
хитонов
α,γ-Fe(O)OH
Гетит,
Зубы хитонов
Лепидокрокит
5Fe 2 O 3·9Н 2 О Ферригидрит Аккумулирование железа
113

Для биоминерала существенными являются низкая растворимость при
физиологических условиях и хорошая биологическая доступность, поскольку требуются
его значительные количества. Интересный пример — наличие целестина SrSO 4 во
внешних скелетах некоторых морских организмов. Морская вода не насыщена этим
минералом и поэтому его накопление возможно только с помощью специальных
молекулярных устройств типа ионных насосов. После смерти морского организма его
внешний скелет быстро растворяется. Биоминералы выполняют несколько важных
функций:
механическая опора и защита;
инструменты и оружие (например, зубы);
сенсоры (например, плотные (2.9 г/см 3 ) веретенообразные отложения кальцита во
внутреннем ухе способны улавливать ускорение);
аккумулирование;
детоксификация (осаждение токсических веществ, например СdS).
Биоминералы могут образовываться внутриклеточно, на клеточной мембране
(эпиклеточно) или во внеклеточном пространстве. Наиболее примитивная форма
биоминерализации — это биологически индуцированная минерализация (в бактериях и
водорослях). Биоминералы образуются путем самопроизвольной, беспорядочной
кристаллизации во внеклеточном пространстве, часто — за счет газов, вовлеченных в
биологические процессы.
Многие важные процессы включают направленный рост биоминералов за счет
использования органической темплатной матрицы, позволяющей контролировать процесс
кристаллизации, причем нуклеация и рост кристалла происходят в условиях пересыщения,
активно поддерживаемого самим организмом. Одна из возможных моделей образования
зародышей кристаллизации и контролируемого (темплатного) роста кристаллов –
образование центров кристаллизации на соответствующих активных центрах стенок
некоторой полости заданной формы и размера с последующим заполнением этого
пространства возникающей фазой.
Кости, подобные человеческой бедренной кости, почти на 30% состоят из
фибриллярного белка (коллаген) и неорганических компонентов, внедренных в
цементирующие гликопротеины. Минеральные фазы включают в основном
гидроксилапатит, а также небольшие количества карбоната кальция, кремнезема,
карбоната магния, ионов других металлов и цитрата. Нити коллагена переплетаются друг
с другом и образуют волокна размером 1.3×300 нм. С помощью 31 Р ЯМР-спектроскопии
было показано, что кислые функциональные группы фосфатов служат для «привязки»
этого белка к неорганическому компоненту, в результате чего образуется правильная
минералоподобная цепочка ионов Са 2+ (рис.6.8).
Рис.6.8. Темплатное биоосаждение кристаллического гидроксилапатита
Получение искусственных органических — неорганических темплатных
материалов по технологии, описанной выше, представляет собой интересную, но сложную
114

задачу. Конструирование нано- и микрометровых неорганических частиц, имеющих
отчетливо выраженную структуру, может найти широкое применение при создании
миниатюрных деталей и механизмов, а также привести к новым открытиям в области
биосинтеза природных «композиционных материалов». За эту задачу взялся Дж. Озин (G.
Ozin) из Университета Торонто (Канада). Он решил воссоздать красивейшие природные
кремнийсодержащие микроскелеты морских организмов, таких, как диатомеи и
радиолярии. Эту область химии называют морфосинтезом, что означает получение
веществ заданной конфигурации или формы. Используя дифильные молекулы, например
дигидрофосфат дециламмония, состоящие из длинного липофильного «хвоста» и
гидрофильной аммониевой «головки», Озин и сотрудники наблюдали в растворе
образование сферических везикул. При этом происходила агломерация молекул дифилов
таким образом, что их липофильные участки оказывались направленными внутрь, к
центру каждой везикулы, а группы NH 4 + , наоборот, были направлены наружу, для того
чтобы взаимодействовать с водной средой. Если эту реакцию проводят в смешанном
растворителе вода — гликоль в присутствии соединения алюминия (AIPO 4 ), то
неорганический алюминий-содержащий компонент будет осаждаться на поверхности
каждой везикулы, образуя биомиметические формы изумительной красоты. Озину
посчастливилось на базе фосфата алюминия впервые получить твердые образования
миллиметровых размеров (сфероиды и полые раковины), имеющие микрометровые
поверхностные узоры или фигуры: поры, чашевидные углубления, криволинейные
мозаики, звездчатые додекаэдры и т.д.
Интересно, что эти структуры, образовавшиеся на везикулярных темплатах,
отлично воспроизводятся (всегда образуются сфероиды или раковины), однако они не
обнаруживают дальнего порядка, что вполне согласуется с динамической природой
образующихся в растворе везикул. Озин объяснил эти результаты двумя причинами. Вопервых,
многофункциональной ролью гликоля - сорастворителя, а во-вторых, влиянием
процессов, напоминающих динамику клеток, когда везикулы слипаются друг с другом,
распадаются на более мелкие, меняют форму и, наконец, разрушаются. Озин полагает, что
все эти события, происходящие с везикулами, могут так или иначе влиять на
поверхностные узоры образующихся макроскопических форм.
6.9. Смешанные кристаллы: включения типа «песочные часы»
Когда говорят о кристаллах, то обычно подразумевают чистые кристаллы, хотя
иногда они содержали два или более компонентов. Тем не менее, известно, что случайный
выбор между кристаллическими решетками двух компонентов может привести к
нестехиометрическим фазам, в которых одна кристаллическая решетка является
темплатной для образования другой. Так, например, цинковый купорос, ZnSO 4·7H 2 O,
образует непрерывный ряд твердых растворов с изоморфным ему магниевым купоросом,
MgSO 4·7H 2 O. Но в случае CuSO 4·5H 2 O, при преобладании медной соли (от 84 до 100%)
образуются триклинные кристаллы, характерные для медного купороса, в то время при
уменьшении этой доли до 16 - 33 % образуются моноклинные кристаллы, характерные для
гептагидрата. В этих случаях компонент, находившийся в большем количестве, выступает
в качестве темплата для образования конечной структуры.
В тех случаях, когда два указанных компонента не разделены на четко видимые
домены, можно прийти к ошибочному выводу о полном беспорядке в системе, поскольку
исследования строения кристаллов дают структуры, усредненные по всем элементарным
ячейкам данного кристалла. Поведение подобного рода — причина такого явления, как
изомерия, обусловленная растяжением связей, которое было обнаружено в конце 1980-х
годов. Однако, когда это явление становится более отчетливо выраженным, оно приводит
к образованию смешанных кристаллов с очень интересными свойствами, в особенности в
случае неорганических полупроводниковых систем.
115

Одним из наиболее наглядных примеров смешанных кристаллов являются
соединения включения типа «песочные часы» (HI). Соединения включения типа
«песочные часы» образуются за счет вкрапления небольших количеств растворимых в
воде молекул органических красителей типа арилсульфонатов XVIII и XIX, в
кристаллическую решетку таких неорганических веществ, как К 2 SO 4 или КН 2 РО 4 .
XVIII
XIX
Включение подобного красителя, которое является нестехиометрическим и обычно
имеет место в одной из тысячи элементарных ячеек, легко обнаружить по окраске
определенных областей неорганического кристалла, которая придает этому кристаллу
форму «песочные часы»:
Схема расположения окрашенных и неокрашенных участков в соединениях включения
типа «песочных часов».
Данные о включении дихроичного фуксина (XVIII) в кристаллическую решетку
сульфата калия были впервые опубликованы Х. Бакли (Н. Buckley) в 1934 г., хотя
соединения включения типа «песочные часы» известны с 1854 г. Появление современных
методов исследования структуры позволило провести тщательный анализ известных
соединений включения этого типа, а также получить новые. Этот краситель встраивается
в растущую грань {110} кристалла К 2 SO 4 благодаря соответствию расположения групп
-
SO 3 красителя положениям сульфатных групп в кристаллической решетке К 2 SO 4 . Эта
жесткая неорганическая решетка вынуждает молекулы красителя осаждаться и
удерживаться в четко определенной организации лишь на комплементарных гранях.
Измерение поляризационных спектров поглощения для кристаллов с соединениями
включения типа «песочные часы», ориентированных известным образом, позволило Б.
Кару (В. Kahr) и его сотрудникам из Университета Вашингтона (США) сопоставить
экспериментальные и рассчитанные спектры поглощения и на этом основании
подтвердить модель «соответствия центров», описывающую процесс включения данного
красителя в данную неорганическую матрицу. Вооружившись сведениями о размерах и
геометрии центра, который включает молекулу красителя, Кар продолжил работу по
подбору следующего красителя — (XIX), который, как оказалось, еще лучше подходил к
данной неорганической решетке (рис. 6.9). Так удалось получить соединение включения с
молекулой этого красителя, и это был первый синтез соединения включения типа
«песочные часы». Более поздние исследования были посвящены получению соединений
включения этого типа с целым рядом красителей, которые поглощались различными
гранями растущих кристаллов сульфата калия в зависимости от того, соответствуют ли
положения сульфонатных групп того или иного красителя положениям сульфат-ионов в
кристаллической решетке K 2 SO 4 .
116

Контрольные вопросы
Рис.6.9. Соответствие решеток K 2 SO 4 в красителя XIX
1. В чем смысл основной идеи «инженерии кристаллов»? Концепция идеи «инженерии
кристаллов» Г. Шмидта.
2. Перечислите основные подходы, которые необходимо реализовать, чтобы получить
кристалл с желаемыми структурой и свойствами.
3. В чем заключается концепция (принцип) плотной шаровой упаковки А.И.
Китайгородского?
4. Какие кристаллы могут быть построены на водородных связях? Опишите работы M.
Эттера.
5. Перечислите правила М. Эттера и дополнительные правила для специфических
классов функциональных групп.
6. В чем заключается концепция супрамолекулярного синтона.
7. Суть концепции супрамолекулярных тектонов.
8. Как используется при инженерии кристаллов подход «неправильные» формы и
«неправильный» подбор?
9. Какие структуры называют биомиметическими (биоподражательиыми)? Как они
построены?
10. Как построены смешанные кристаллы: включения типа «песочные часы»?
117

Лекция 7. Самосборка в супрамолекулярные ансамбли
7.1. Общие вопросы
С каждой стадией традиционного органического синтеза все больше и больше
продукта теряется, даже на относительно высокопроизводительных этапах, а цена и
материалов, и труда специалиста, осуществляющего синтез, — резко возрастает. В то же
время создание больших молекулярных агрегатов (одна из основных задач
супрамолекулярной химии), которое может проложить путь к конструированию новых
ультраминиатюрных компонентов для компьютерных, электронных и оптических
устройств, по обычной схеме должно включать множество стадий. Поэтому в
супрамолекулярной химии должен быть реализован совершенно иной принцип синтеза. К
настоящему времени уже проделана огромная работа по созданию
«запрограммированнных систем», в которых небольшие, легко получаемые
молекулярные компоненты автоматически собираются вместе, образуя намного более
крупные и более сложные агрегаты.
Под термином «запрограммированная система» подразумевается такая
химическая система, в природе молекулярных строительных блоков которой (в смысле
размера, формы, симметрии и электронных свойств их активных центров) содержится вся
информация, необходимая для получения желаемой суперструктуры.
Такой супрамолекулярный ансамбль собирается самостоятельно, т.е. без участия
(использования) каких-либо внешних воздействий (факторов). Этот подход имеет
принципиальное значение для понимания соотношения между размерами структур и
компонентов, которые, с одной стороны, принадлежат к миру молекул, а с другой —
используются в современной литографической технике (в частности, в электронной
промышленности). Производство электронных молекулярных устройств должно вызвать
небывалый скачок в скорости и вычислительных возможностях компьютеров, а также
расширить области применения таких устройств из-за их небольших размеров. В самом
деле, компьютерный жесткий диск уже имеет считывающую головку, располагающуюся
на высоте всего 25 нм (или 200 атомов) над его поверхностью. Для функционирования
молекулярные бистабильные устройства (переключатели) должны быть снабжены
инфраструктурой вход/выход, необходимой для их соединения с внешним миром. Более
того, они должны быть полностью управляемыми, обратимыми и удобными в обращении
в течение миллионов циклов «вкл. — выкл.». С одной стороны, современная
литографическая гравировальная техника позволяет производить компоненты кремниевых
плат размером примерно до 0,1 мкм (т.е. 1000 Å, или 100 нм). И даже на этом уровне мы
сталкиваемся с проблемами туннелирования электронов и трудностями отвода тепла, а
также с более тонкими эффектами, такими, как квантово-механические ограничения по
носителям заряда, т.е. с влиянием размера компонента на энергетическую диаграмму. С
другой стороны, наибольшая на сегодняшний день синтезированная и охарактеризованная
супрамолекула имеет размеры -10 нм и обладает некоторыми полезными свойствами.
Однако их недостаточно для выполнения тех условий, которые требуются при
производстве реальных приборов. Это предполагает, что точка пересечения между миром
электронной технологии и миром химического синтеза находится в области размерности
10 — 1000 нм, в которой функциональные супрамолекулы с четко определенными
структурой и связями могут стать основой для электронного конструирования нового
типа. Прецедент уже имеется в мире молекулярной биологии, где функциональные
молекулярные устройства размерами 1-10000 нм регулируют всю химию жизни. В самом
деле, не существует фундаментальной причины, почему искусственные молекулярные
устройства не могут действовать подобным образом. Подавляющее большинство таких
118

биохимических систем образуется путем самосборки, что обеспечивает экономное
потребление генетической информации, необходимой для их синтеза.
Нековалентные взаимодействия играют критическую роль в биологии живых
организмов. Так, всего небольшого числа строительных блоков и цепочек нуклеиновых
кислот достаточно для хранения огромного количества информации, а также для
использования для репликации этой информации только за счет образования водородных
связей. Далее большой ряд сигнальных молекул внутри клетки распознает даже
незначительные различия в поверхностной структуре белков. Супрамолекулярная химия
предполагает использование аналогичных принципов в молекулярной химической
информации. Цель этого направления – контроль пространственного (структурного) или
временного (динамического) состояния материи за счет самоорганизации (самосборки).
Это было впервые применено для дизайна и исследования предорганизованных
молекулярных рецепторов, которые были бы способны к специфическому связыванию
субстратов с высокой эффективностью и селективностью. На этом построен большой
раздел в хроматографии, названный аффинной хроматографией.
Три основных направления развития супрамолекулярной химии:
1) Дизайн молекулярного распознавания между синтетическими рецептором и
субстратами на основе предорганизации (хранение информации и ее использование).
2) Дизайн самоорганизации (самосборки) для достижения самопроизвольного но
контролируемого связывания в супрамолекулярные ансамбли (в том числе и
препрограммирование).
3) Адаптация и развитие супрамолекулярных ансамблей в направлении химического
разнообразия.
С концепцией самосборки перекликается идея самовоспроизводства (репликация):
возможности молекулы или организма создавать собственную копию. Аналогия с
биологическим (неполовым) воспроизводством очевидна, и возможность
самовоспроизводства была предложена в качестве основного критерия жизни. Огромное
количество примеров в природе демонстрирует, что самовоспроизводство - это реальное и
на самом деле ничем не примечательное событие на молекулярном уровне. Деление
биологической клетки включает расплетение двойной спирали ДНК и темплатный синтез
дочерней цепи путем спаривания оснований за счет межцепных водородных связей. В
результате образуется точная копия каждой отдельной цепи, а следовательно, и две новые
двойные спирали. Единичная цепь ДНК содержит всю необходимую информацию для
образования своей точной копии без ошибок и вариаций. Для сравнения: обычный синтез
даже небольшого полинуклеотида постадийной конденсацией фосфатных остатков
представляет собой фундаментальную задачу. В самом деле, решение этой задачи при
синтезе олигонуклеотида путем полимеразной цепной реакции (polymerase chain reaction,
PCR) — процесса, при котором небольшие количества олигонуклеотидов темплатируют
образование большого числа собственных копий, — послужило основанием для
присуждения в 1993 г. Нобелевской премии по химии К. Мюллису (К. Mullis) за его
работу в этой области. Мы уже ознакомились с действием темплатного эффекта, когда
катион металла используется в качестве простой сферической матрицы для сборки
макроциклических органических лигандов.
Большая часть терминологии супрамолекулярной химии все еще не устоялась, и
многие термины еще не имеют четких определений. Ж.-М. Лен (J.-М. Lehn) предложил
иерархический порядок терминов «темплатирование» (супрамолекулярное содействие
синтезу, шаблонирование), «самосборка» и «самоорганизация». Вместе эти термины
охватывают процессы, предоставляющие возможность запрограммированным
молекулярным компонентам, или тектонам (от греч. «tekton» — строитель), объединяться
самопроизвольно, строго определенным путем, образуя ансамбли, организация которых
происходит в одном, двух или трех измерениях и, возможно, (хотя и не обязательно) во
времени.
119

Самосборка не обязательно должна включать стадию темплатирования с участием,
например, катиона металла. Поэтому собственно темплатный эффект еще не является
самосборкой, но, по определению Лена, ее можно рассматривать как «отдельную стадию
самосборки, которая содержит несколько стадий, протекающих спонтанно в рамках одной
операции». Среди процессов самосборки мы должны различать молекулярную
самосборку и супрамолекулярную самосборку.
Молекулярная самосборка включает образование ковалентных связей как часть
определенной химической процедуры, контролируемой стереохимическими параметрами
реакции и конформационными характеристиками интермедиатов, например при
получении макроциклов в результате конденсации аминов и альдегидов или криптандов.
Супрамолекулярная самосборка подразумевает основанную на узнавании
обратимую спонтанную ассоциацию ограниченного числа тектонов (молекулярные
компоненты), протекающую под контролем сравнительно лабильных межмолекулярных
нековалентных взаимодействий, таких, как координационные взаимодействия,
водородные связи и диполь-дипольные взаимодействия. Обратимость супрамолекулярной
самосборки — важное свойство конечных систем выбирать имеющиеся в распоряжении
компоненты для образования термодинамически наиболее выгодной структуры. Все это
обеспечивает возможность «залечивания» и самоисправления дефектов, как в
биологических системах.
Интересен граничный случай между молекулярной (ковалентной) и
супрамолекулярной самосборками при образовании фуллеренов, в частности С 60 и С 70 , и
родственных веществ, таких, например, как протяженные углеродные нанотрубки,
протекающем в парах углерода при высоких температурах. Хотя, строго говоря, это
пример необратимого образования ковалентных связей, однако в таких экстремальных
условиях возможно обратимое образование даже сильных ковалентных связей, что в
некоторой степени роднит их с более слабыми супрамолекулярными взаимодействиями,
реализующимися в обычных условиях. Наконец, термин самоорганизация включает и
взаимодействие между составными частями самособирающихся объектов, и объединение
этих взаимодействий, приводящее к явлениям коллективного характера, как, например,
при фазовых переходах.
7.2. Темплатный синтез
В начале 1960 года малоизвестный новозеландский химик Нейл Куртис произвел
нехитрый эксперимент — попытался растворить в ацетоне перхлорат mpuc(1,2-
этилендиамино)никеля(11). Удалившись после этого на некоторое время из лаборатории
(и соответственно оставив постоять получившийся раствор), он по возвращении с
удивлением для себя отметил, что из него выпали красивые ярко-желтые кристаллы.
Подобного развития событий он не ожидал, однако не оставил их без внимания и
посчитал, что здесь происходит изменение лигандов за счет хорошо известной реакции
конденсации и с изменением координационного числа центрального иона из-за
увеличения размеров лигандов:
H 2 N
H 2 N
NH 2
NH 2
Ni
NH 2
NH 2
+ 4 H 3 C
O
CH 3
-4H 2 O
H 3 C
H 3 C
CH 3
N
H 3 C
Ni
N
N
N
H 3 C
CH 3
CH 3
CH 3
+ en
Схема 1
120

Вскоре, однако, он установил, что схема 1 ошибочна. Оказалось, что в
координационной сфере никеля (II) образуются новые С-С связи; при этом получается
комплекс с циклическим тетрадентатным лигандом (возможны два изомера):
H 3 C
H 3 C
CH 3
NH
Ni CH 3
N
N
H 3 C NH
H 3 C
CH 3
H 3 C
CH 3
N
H 3 C
Ni
N
N
N
H 3 C
CH 3
CH 3
CH 3
H 3 C
H 3 C
CH 3
NH
Ni CH 3
N
NH
N
CH 3
CH 3
Схема 2
Спустя немного времени Дэрил Буш (США), занимаясь целенаправленным
синтезом макроциклических органических соединений, обратил внимание на
специфическое комплексообразование 2-аминобензальдегида с ионами ряда Зd-элементов.
К тому времени уже довольно давно была известна выраженная способность указанного
соединения к самоконденсации с образованием линейных и циклических полимеров.
Изучавшие этот процесс незадолго до Д. Буша его соотечественники Г. Эйхорн и P. Латиф
высказали мнение, что ионы Зd-элементов вступают в комплексообразование именно с
линейным тримером 2-аминобензальдегида. Однако Д. Буш показал, что в
действительности ситуация гораздо сложнее и интереснее: в присутствии Fe(II), Co(II),
Cu(II), Zn(II), Pd(II) или Pt(II) возникают координационные соединения указанных ионов
металлов с циклическим тетрамером 2-аминобензальдегида (схема 3, А), в присутствии
VО (II) с циклическим его тримером (Б), при наличии же ионов Ni(II) и Co(III) образуется
смесь комплексов обоих этих типов.
CHO
NH 2
H 2
N
M
CHO
N
N
M
N
N
OHC
NH 2
O
V
А
Схема 3
Б
Во всех этих синтезах можно выделить одну примечательную деталь: того
органического лиганда, который находится во внутренней координационной сфере
сформировавшегося в его результате хелатного комплекса, среди исходных веществ не
было — он образовался из более простых химических соединений, причем в присутствии
конкретного иона металла. Синтез металлохелатов осуществлен не по классической
схеме:
ион металла + лиганды = комплекс,
а по схеме:
ион металла + "осколки" лигандов = комплекс.
121

Отметим, что природа присутствующего в этих системах ионов металла оказывает
подчас решающее влияние не только на характер продуктов подобных синтезов, но и на
саму возможность их реализации, что, естественно, вносило свою интригу в
исследовательский процесс.
7.3. Немного об истории вопроса
В литературе по темплатному синтезу имеется много понятий и терминов. Отметим
некоторые из них, имеющие принципиальное значение.
Темплатный синтез — это процесс комплексообразования, в котором ион
металла с определенной стереохимией и электронным состоянием помимо своей основной
функции (комплексообразователя) выступает еще и в качестве своеобразного лекала или
шаблона для образования из соответствующих исходных веществ таких лигандов, синтез
которых при отсутствии иона металла либо затруднен, либо вообще не может быть
реализован. Характерным его признаком является то, что в подавляющем большинстве
случаев он приводит к появлению дополнительных металлоциклов, а при синтезе
макроциклических координационных соединений — к сшиванию этих циклов в
замкнутый контур.
Лигандный синтон (лигсон) - органическое соединение, выполняющее роль
одного из фрагментов (своеобразный строительный блок) при формировании лиганда в
процессе темплатного синтеза.
Темплатный центр (темплат) - ион металла или другая частица, способная
ориентировать и подготавливать реакционноспособные лигсоны к последующему их
взаимодействию.
Лигандный продукт (хелант) - органический лиганд, образующийся в результате
взаимодействия лигсонов.
Макроциклическое соединение — соединение с замкнутым контуром,
заключающее в себе девять или большее число атомов, минимум три из которых
выполняют функцию донорных центров.
Согласно указанному выше определению темплатного синтеза, лиганд, входящий в
состав возникающего в его ходе комплекса, не может быть получен при
непосредственном взаимодействии лигсонов, принимающих участие в данном синтезе. В
этой связи можно постулировать, что в темплатном процессе вообще и наиболее простом
его варианте — в тройных системах (ион металла — лигсон А — лигсон В) в частности и
вначале один из них с соответствующим набором донорных атомов, например А,
ориентируется определенным образом вблизи иона металла, после чего в дело вступает
лигсон В, выполняющий функцию некоего сшивающего агента. В результате этой сшивки
образуется металлохелат с таким хелантом во внутренней сфере, в котором либо:
а) сохраняются все те самые донорные атомы, через которые лигсон А координировался к
иону металла,
б) сохраняется лишь часть их,
в) происходит полная замена этих атомов на какие-либо другие.
Соответственно этому все реакции темплатного синтеза в тройных (да и с большим
числом исходных веществ) системах могут быть разделены на три категории. Такое
отнесение носит весьма условный характер, однако является, на наш взгляд, полезным для
систематизации подобных процессов. Данная систематика пригодна как в тех случаях,
когда темплатный процесс протекает без изменения степени окисления темплата, так и в
тех случаях, когда последняя меняется.
Термин «темплатный синтез» используется для определения особенностей ряда
современных технологий, таких как синтез специальных сорбентов, в том числе и
122

сорбентов с «молекулярными отпечатками», как отмечалось ранее, - краун-эфиров,
криптандов и т.д.
7.4. Варианты темплатного синтеза
Темплатный синтез на базе Шиффовой конденсации. Подавляющее
большинство изученных к настоящему времени реакций темплатного синтеза относятся к
типу так называемой конденсации Шиффа, в результате которой в щелочной среде из
альдегидов или кетонов и первичных аминов по общей схеме 6 образуются азометины
RNH 2 + O=CR 1 R 2 RN=CR 1 R 2
Первые в истории темплатные синтезы Н. Куртиса и Д. Буша являются, в
сущности, типичными примерами такой конденсации и в рамках указанной выше
систематики подпадают именно под первую категорию. Подобные примеры, однако,
далеко не единичны. Некоторое время спустя тот же Д. Буш показал, что в системах
Ni(II)-β-меркаптоэтиламин-α-дикетон происходит процесс образования (N, N, S, S)-
донорноатомного тетрадентатного лиганда во внутренней координационной сфере:
R 1
R 1
R 1 R 1
O
O
H 2 N
N
N
NH 2
S
Ni
Ni
S
S
S
Схема 4
В данном случае один из лигсонов, а именно β-меркаптоэтиламин, координируется
к Ni(II) через два донорных центра. В другой реакции из той же категории (схема 5) один
из лигсонов, будучи тетрадентатным лигандом, координируется к иону металла через
четыре таких атома.
N N
NH
HN
M 2+ M
+
HNNH 2 H 2 N
N NH
+
NH
H 3 C CH 3
O
H 3 C
CH 3
CH 3
Схема 5
До сих пор речь шла о реакциях, в которых темплатный синтез осуществлялся с
участием двух лигсонов. Хотя подобные реакции и составляют абсолютное большинство
из известных сегодня процессов комплексообразования этого типа, для строительства
макроциклических соединений могут быть одновременно задействованы три и большее
количество лигсонов.
Темплатный синтез без Шиффовой конденсации. Все описанные до сих пор
темплатные реакции так или иначе были связаны с процессами дегидратации.
Действительно, практически все известные вариации на тему темплатного синтеза
обязаны своему проявлению именно им. К числу немногочисленных исключений можно
123

отнести оригинальную реакцию Буша с участием Ni(II) и 1,2-дибром-1,2-
диметилбензолом по схеме 6:
R 1
R 2
N
N
Ni
S
S
+
BrCH 2
BrCH 2
R 1
R 2
N
N
Ni
S
S
Схема 6
Нельзя не упомянуть интересную и с практической точки зрения важную реакцию
получения фталоцианина Cu(II) из хлорида меди(11) и 1,2-дицианобензола (схема 7).
N
CN
4 + CuCl 2
CN
N
N
N
Cu
N
N
N
N
Схема 7
В этой связи следует отметить, что образование данного соединения было
зафиксировано в качестве побочного продукта при синтезе 1,2-дицианобензола из 1,2-
дибромбензола и цианида меди(1) в пиридине при 200'С еще в 1927 году, когда о
темплатном синтезе никто и не думал.
Роль иона металла. Даже при беглом взгляде на приведенные выше реакции
бросается в глаза выраженная ограниченность ассортимента участвующих в них
темплатов. Наиболее часто в подобной роли выступает Ni(II), реже - Сu(II), еще реже —
Fe(II), а другие ионы металлов упоминаются лишь эпизодически. Дело в том, что имеется
много факторов, наличие которых обязательно для претендентов на роль темплатного
центра: соответствие радиуса образующейся в ходе сборки хеланта внутренней полости
радиусу иона металла-комплексообразователя; соответствие числа донорных атомов
внутри этой полости тому координационному числу, которое характерно для данного
иона металла; определенное геометрическое расположение донорных атомов в полости,
соответствующее оптимальному координационному полиэдру для этого иона;
конформационная гибкость, позволяющая донорным атомам хеланта при минимальной
затрате энергии сориентироваться внутри полости так, чтобы могло выполняться
предыдущее условие. Это, так сказать, "геометрические" ограничения, и расчеты по
методу молекулярной механики показывают, что с данной точки зрения в описанных
реакциях наиболее подходят на роль темплатных центров как раз ионы 3d-элементов, а
среди них именно ионы перечисленных металлов.
Поскольку в большинстве случаев в полости хеланта имеются четыре донорных
атома, причем как минимум два из них — атомы элементов с высокой
электроотрицательностью, можно ожидать, что наиболее подходящими ионами металлов
для выполнения функций темплата окажутся так называемые жесткие и умеренно жесткие
кислоты Пирсона, для которых типичны либо плоская ромбическая, либо тетраэдрическая
координация донорных центров лиганда относительно иона-комплексообразователя. В
принципе не исключен и вариант октаэдрической координации, при которой
124

"экваториальная плоскость" октаэдра занята донорными центрами хеланта, а "аксиальные"
позиции — дозорными центрами каких-либо других лигандов. Немаловажное значение
имеют, однако, и электронные характеристики центрального иона металла, в частности
его способность к π-дативному взаимодействию, и эффективный заряд. Однако порой и
близкие по геометрическим и электронным параметрам ионы, выполняя функции
темплатного центра, приводят к весьма различным направлениям синтеза, а иногда
случается даже так, что ион металла, исполнив роль темплатного центра, вдруг
неожиданно покидает выстроенный им хоровод лигсонов. Вообще же нужно сказать, что
прогнозирование результатов темплатного синтеза даже с учетом всех поименованных
выше факторов, касающихся ионов металла, и по сей день представляет собой непростую
задачу, особенно в том случае, если неизвестны сколько-нибудь близкие аналоги
подобного процесса.
7.5. Биохимическая самосборка и связанные с ней вопросы
В настоящее время перспективы дальнейшего совершенствования интегральных
электронных схем связывают с развитием молекулярной наноэлектроники. Ее
концептуальная идея заключается в сборке конечного устройства из блоков
нанометрового масштаба. В основе такого подхода лежит самоорганизация органических
и неорганических молекул. В качестве матриц для создания наноэлектронных
комплектующих широко используются биологические макромолекулы, физические и
химические свойства которых оптимальны для этой цели. В частности, биомолекулы
могут служить каркасом при конструировании металлоорганических нанопроводников,
вольтамперные характеристики которых демонстрируют возможность их использования в
электронных схемах будущих наноприборов.
Экспериментальные исследования последних лет показали, что одной из наиболее
перспективных матриц для сборки токопроводящих наночастиц является молекула
дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта уникальная макромолекула обладает
свойствами, которые позволяют использовать ее в различных методах получения
функциональных композитов и наноструктур. Наличие специфических водородных связей
между нуклеотидами четырех типов играет ключевую роль в программируемых процессах
самоорганизации.
Важной особенностью двуспиральной ДНК является ее механическая жесткость.
Более того, ДНК обладает достаточно высокой стабильностью, что особенно
привлекательно при создании элементов электронных устройств, в частности,
ультратонких нанопроводов.
Однако, несмотря на то, что молекула ДНК является сильно заряженным
полиэлектролитом, ее собственная проводимость чрезвычайно мала. Поэтому ее
использование в электронных устройствах возможно лишь в сочетании с
соответствующими неорганическими веществами. Возможные типы взаимодействия
между ДНК и металлическими частицами хорошо известны.
При этом закономерности самосборки высокоупорядоченных металлсодержащих
наноструктур требуют углубленного теоретического и экспериментального исследования.
Для получения металлоорганического агрегата необходимо найти рациональный
способ связи атомов или наночастиц металла (НЧ) с матрицей ДНК. Ионы металлов
внедряются в молекулу-матрицу посредством ионного обмена или специфического
взаимодействия с азотистыми основаниями ДНК и затем путем химического (или иного)
восстановления получают нейтральные атомы. Что касается металлических НЧ,
возможные типы их взаимодействия с молекулой ДНК включают электростатические
силы, водородную связь и ковалентную модификацию. Однако в подавляющем
большинстве случаев практическая реализация перечисленных типов взаимодействия
предполагает предварительную функционализацию наночастиц, то есть присоединение к
125

их поверхности функциональных химических групп. Исключение составляет метод,
основанный на электростатическом взаимодействии матрицы и поляризованных
электронейтральных НЧ металла. В этом случае к матрице (чаще всего, углеродной
нанотрубке) прикладывается постоянное или переменное напряжение для создания сильно
неоднородного электрического поля вблизи матрицы. В результате НЧ с индуцированным
дипольным моментом притягиваются к поверхности матрицы и агрегируют на ней.
Молекула ДНК, являясь сильно заряженным полиэлектролитом, создает вокруг
себя неоднородное электрическое поле. Поляризация металлических НЧ в поле матрицы
приводит к взаимодействию отрицательно заряженных фосфатных групп ДНК с
индуцированными зарядами наночастиц. Возникает вопрос, возможна ли агрегация НЧ на
молекуле ДНК за счет электростатического притяжения? Необходимо заметить, что само
по себе электростатическое взаимодействие в данном случае может приводить лишь к
концентрации НЧ вокруг полианиона. «Склеивание» наночастиц в агрегате происходит
благодаря короткодействующим неэлектростатическим взаимодействиям типа «металлметалл».
8.6. Биохимическая самосборка
Важнм объектом, который наглядно демонстрирует важность такого понятия, как
самосборка, является вирус табачной мозаики. Эта система состоит из спиральных частиц
вируса размером -300 х 18 нм (рис.7.1). Центральная цепь PHK заключена в оболочку из
2130 идентичных белковых субъединиц, каждая из которых включает 158 аминокислот.
По сравнению с чисто химическим объектом этот вирус замечателен тем, что если его
разобрать на составные части и эти фрагменты смешать в физиологических условиях, то
частица вируса в точности вновь самособерется и вновь обретет присущие ей свойства.
Механизм этого впечатляющего примера самосборки хорошо известен и состоит в
образовании дисковидного модуля путем соединения двух слоев из оболочных белковых
субъединиц. Этот белковый диск затем преобразуется в два витка спирали при
продевании петли PHK в центральное отверстие диска. Процесс повторяется путем
нанизывания следующих дисков до тех пор, пока вирусная частица не будет полностью
сформирована.
Рис.7.1. Схематическое представление вируса табачной мозаики
Преимуществом такого модульного подхода к сборке вируса, при которой
идентичные субъединицы собираются в конечный объект, является то, что для
программирования сборки ансамбля требуется намного меньше генетической
информации, чем для кодирования локализации каждого остатка индивидуально.
Формирование вируса табачной мозаики служит иллюстрацией той роли, которую
в природе играют нековалентные взаимодействия. Весь процесс самосборки управляется
взаимодействиями, не более сильными, чем водородные связи, электростатические и
сольватофобные эффекты или другие очень слабые силы, действующие согласованно.
Конечная структура представляет собой термодинамически выгодный продукт, а сам
процесс имеет высокую константу равновесия (константа образования). Слабая природа
126

таких взаимодействий подразумевает, что если в процессе сборки будет совершена
ошибка, то она будет исправлена автоматически благодаря тому, что процесс обратим, а
«ошибочный» продукт просто не столь стабилен, как результат правильной сборки.
Из-за использования исключительно нековалентных взаимодействий самосборку
вируса табачной мозаики считают примером строгой самосборки, в противоположность
самосборке с ковалентной модификацией.
В процессе строгой самосборки конечный продукт образуется исключительно
самопроизвольно, если компоненты смешаны в правильных отношениях при
определенном наборе условий: температура, рН, концентрация и т.д. Образование
продукта должно быть полностью обратимым и термодинамически выгодным. В
сущности, вся информация, необходимая для протекания сборки, закодирована в ее
составных частях.
Самый знаменитый пример процесса строгой самосборки — образование двойной
спирали ДНК путем спонтанной ассоциации (за счет водородных связей)
комплементарных пар нуклеооснований, например, таких, как гуанин и цитозин.
Организация структуры двойной спирали типа «застежка-молния» очень интересна, так
как с термодинамической точки зрения ассоциация двух цепей спирали приводит к
термодинамически невыгодному понижению энтропии, означающему, что этот процесс
требует преодоления значительного термодинамического барьера.
Исследование сравнительно небольших модельных систем, например
комплементарной пары нуклеиновых кислот на основе аденина и урацила, (А) 17 и (U) 17 ,
показывает, что сплетение двух цепей с образованием двойной спирали — двухстадийный
процесс, на первой стадии которого происходит нуклеация (точка репликации), а на
второй — распространение процесса спаривания оснований до его завершения (рис.7.2).
Рис.7.2. Стадии самосборки двойной спирали нуклеиновых кислот
Первая стадия, обеспечивающая начальный контакт между двумя цепями, является
доминирующей с точки зрения термодинамически невыгодной энтропии, тогда как
выигрыш в энтальпии, обусловленный образованием водородных связей между
небольшим числом пар оснований, сравнительно незначителен. После завершения первой
стадии и образования контакта между цепями за счет объединения нескольких пар
оснований происходит ассоциация каждой новой пары оснований, что приводит к
дальнейшему увеличению выигрыша энтальпии с незначительным изменением энтропии
(рис.7.3). Так формируется двойная спираль.
127

Рис.7.3. Зависимость энергетических характеристик самосборки двойной спирали
Термин «самосборка с ковалентной модификацией» в основном применяют к
системам, в которых образование ковалентных связей является необратимым. Поэтому, в
отличие от точной самосборки, конечный продукт не обязательно должен быть системой с
термодинамическим минимумом. Два самособирающихся компонента не могут
провзаимодействовать, прежде чем не произойдет ковалентное химическое превращение
одного из них. Это может приводить к изменению его размера, формы или ориентации, а
также к удалению блокирующего элемента. После этого две субъединицы готовы к
самосборке. Самосборка с ковалентной модификацией может также включать
послесборочную обработку. В этом случае для сборки прекурсорного комплекса,
фиксируемого затем в желаемом состоянии ковалентной модификацией, используются
нековалентные силы. Такую процедуру можно рассматривать как разновидность
темплатного эффекта, когда части структуры, необходимые для темплатирования
исходной самосборки, можно впоследствии отщепить.
Превосходным биологическим примером этого является биосинтез гормона
млекопитающих — инсулина. Инсулин состоит из двух полипептидных цепочек (А и В),
связанных парой дисульфидных (-S-S-) мостиков. Восстановление этих мостиков ведет к
распаду молекулы инсулина. Однако, в противоположность вирусу табачной мозаики,
индивидуальные полипептидные цепочки не содержат информации, необходимой для
самосборки, и поэтому окисление продуктов восстановления не приводит к образованию
активного инсулина.
Фактически инсулин синтезируют из полипептида намного большего размера —
препроинсулина — в две стадии с посттрансляционной обработкой. Препроинсулин
способен к самосборке с использованием нековалентных сил в такой конформации, в
которой фрагменты А и В синтезируемого инсулина размещены в нужной относительно
друг друга ориентации. Затем две цепи необратимо сшиваются за счет образования двух
дисульфидных связей, при этом образуется проинсулин. Далее после надежного
соединения цепей избыточную часть полипептида можно удалить с образованием
конечного продукта, рис.7.4.
128

А
А
А
В
В
В
Рис.7.4. Биосинтез инсулина самосборкой
7.7. Органические супрамолекулы как темплаты
Следуя формальному «нано-критерию», к нанотехнологии можно отнести ряд
направлений генетической инженерии, микробиологии, вирусологии и фармакологии,
связанных с созданием биологически активных наноструктур, существующих или
отсутствующих в природе. Такой подход может вызвать возражения оппонентов,
рассматривающих нанобиотехнологию как область науки, создающую новые
бионеорганические наноматериалы и наноустройства (наноинструменты).
Рассмотрим ряд работ, выполненных в этой области с применением вирусов. К
сожалению, набор вирусов, применявшихся до сих пор в качестве объектов
нанотехнологии, очень ограничен. Наночастицы (вирионы) простых вирусов, содержащие
белок и нуклеиновую кислоту, построены симметрично. Несмотря на значительные
различия в размерах и морфологии вирусов, природа использовала сравнительно
небольшой набор «базовых структурных стратегий» при конструировании вирусных
частиц:
1. Палочковидные и нитевидные вирусы, которые построены на основе
трансляционно-ротационной симметрии. Геном (одноцепочечная РНК) вирусов со
спиральной структурой заключен в нуклеопротеиде, собранном на основе спиральной
симметрии из субъединиц белка оболочки (БО). Внешняя оболочка (капсид) простых
вирусов состоит из идентичных субъединиц БО, формирующих спиральную структуру.
Кинетической единицей вирусного раствора является весьма компактная и плотно
упакованная наночастица с некоторым количеством связанной с ней воды. Гидратация
частиц бывает выражена в разной степени и зависит от плотности их упаковки и свойств
вирусного БО. Было показано, что молекулярная структура вируса табачной мозаики
(ВТМ) остается неизменной независимо от содержания воды в препарате, а
взаимодействие вирусных частиц с водой носит исключительно поверхностный характер.
В вирионах «сложных» вирусов спиральный нуклеопротеид (нуклеокапсид) заключен в
липопротеидную мембрану.
2. Изометрические вирусы. Вирусный геном (РНК или ДНК) заключен внутри
«сферического» капсида, построенного из субъединиц БО в соответствии с требованиями
икосаэдрического 5:3:2 типа симметрии. Икосаэдрические структуры разных вирусов
различаются по степени сложности и размерам (18-500 нм). Легко убедиться, что
симметрично построенная икосаэдрическая частица должна содержать не менее 60
асимметричных субъединиц БО. Частицы «сферических» вирусов обычно менее
стабильны, чем спиральные, и подвержены деформациям. Нарушения структуры таких
вирусов нередко сопровождаются потерей нуклеиновой кислоты. Об относительной
неплотности некоторых «сферических» вирусов свидетельствует также тот факт, что их
РНК доступна гидролитическому действию рибонуклеазы. В вирионах «сложных»
вирусов икосаэдрический нуклеокапсид заключен в липопротеидную мембрану.
Вирусные частицы могут быть использованы в качестве своеобразных шаблонов
или матриц (scaffolds) для создания новых технологических материалов со спиральной
структурой. Палочковидные наночастицы (18 × 300 нм) наиболее известного и доступного
вируса – ВТМ состоят из 2100 идентичных субъединиц БО, упакованных в виде спирали с
шагом 2.3 нм и внутренним осевым каналом. Диаметр внутреннего канала ВТМ
129

составляет 40 Å. Цепь РНК расположена между витками субъединиц и следует их
укладке. Важной особенностью вирусов является возможность обратимой диссоциации
вирионов на БО и нуклеиновую кислоту (НК) и последующей самосборки вирусных
наноструктур. Частицы ряда вирусов могут быть «реконструированы» in vitro с
использованием препарата низкомолекулярного БО и нативной НК. В результате удается
восстанавливать структуру и биологическую активность вируса. Процедура самосборки
позволяет получать также «смешанные» частицы, состоящие из вирусного БО и
гетерологичной НК.
Самосборка (реполимеризация) низкомолекулярного БО может осуществляться
также в отсутствие РНК. Процесс реполимеризации БО протекает ступенчато с
образованием серии промежуточных белковых агрегатов возрастающих размеров и
заканчивается сборкой спиральных вирус-подобных частиц (ВПЧ), неограниченных по
длине из-за отсутствия РНК. Симметрично организованные вирусные частицы или
полученные на основе самосборки реполимеры вирусного БО могут применяться в
качестве строительных блоков-матриц для создания различных бионеорганических
материалов: нанотрубок, нанопроводников, наноэлектродов, наноконтейнеров для
инкапсидации неорганических соединений и получения неорганических нанокристаллов
контролируемых размеров. Новые материалы создаются при взаимодействии правильно
организованных белковых вирусных структур с неорганическими материалами
(наночастицы или атомы золота, платины и других металлов).
При этом вирусные структуры играют роль «металлизируемых» матриц, или
«строительных лесов» (scаffolds). Металлoсодержащие неорганические соединения
(хлориды серебра, золота, платины, окись железа, сульфиды кадмия или серы)
связываются с БО на поверхности вирусных наноструктур или аккумулируются во
внутренней полости капсида икосаэдрических вирионов и полых осевых каналах
спиральных частиц.
В результате могут быть созданы новые наноматериалы: поверхностно
декорированные и/или содержащие металл во внутренней осевой полости спиральные
наноструктуры, металлические наноикосаэдры и магнитные наночастицы
контролируемых размеров. Кроме того, вирусные структуры могут служить для
образования нано-паракристаллических структур и жидких кристаллов.
Структура белковых субъединиц ВТМ изучена достаточно детально, что позволяет
локализовать положение разных аминокислот на поверхности и внутри осевого канала
вирусных частиц. Это открывает возможности селективной модификации внешней
поверхности и осевого канала ВТМ специфическими реагентами. Для создания
неорганических нанопроводников на основе вирусов частицы платины связывали с
поверхностью ВТМ, а вирионы нитевидного бактериофага М13 были подвергнуты
металлизации золотом. При этом поверхность частиц ВТМ полностью покрывалась
платиной за 20 мин реакции с H 2 PtCl 6 . С применением проводников, созданных на основе
металлизированных наночастиц ВТМ, были изготовлены электроды для легких литийионных
аккумуляторов. Последнее связано с необходимостью снижения размеров и веса
батарей электропитания в микроэлектронике.
Металлизация ВТМ методом нанесения атомарных слоев заканчивалась
декорированием – образованием слоя Al 2 O 3 или TiO 2 на внешней поверхности и на
поверхности внутреннего канала вирусных частиц. Можно надеяться, что полученные
этим способом нанотрубки будут использоваться как жесткие «цельнометаллические»
проводники. Ниже кратко перечисляются некоторые варианты самосборки
нанопроводниковых систем, планируемых или разрабатываемых в настоящее время в
МГУ:
1. Применение препаратов низкомолекулярного БО, меченного атомами металла с
последующей самосборкой «металлизированных» ВПЧ. Такие опыты реальны при
использовании в качестве объектов БО ВТМ вируса мозаики папайи и вируса мозаики
130

ячменя. Можно ожидать, что это позволит повысить эффективность декорирования
металлом продуктов самосборки. В зависимости от условий модификации БО
декорирование может локализоваться на поверхности ВПЧ либо внутри осевого канала
наночастиц.
2. Показано, что ДНК и белок можно эффективно пометить платиной с помощью
комплексного соединения – хлордиэтилентриаминоплатины хлористой, (диен)Pt. По
нашим данным, аналогичным способом может быть получена вирусная РНК, меченная
(диен)Pt. Это позволяет полагать, что Pt-РНК и вирусный БО могут использоваться для
изготовления in vitro двух видов нанопроводников: во-первых, спиральных ВПЧ,
собранных из меченного (диен)Pt БО и не содержащих РНК; во-вторых, спиральных
псевдовирусных частиц (ПВЧ), содержащих меченную (диен)Pt РНК, «одетую» и
изолированную от внешней среды нативным вирусным БО.
Итак, вирусы со спиральной структурой обладают рядом достоинств как матрицы
для создания новых наноматериалов:
1) возможность получения меченных металлом нативных вирусных частиц;
2) возможность диссоциации вируса на белок и РНК с последующей реконструкцией –
самосборкой частиц, не отличимых от нативного вируса; возможность реконструкции
«смешанных» частиц, содержащих РНК, меченную атомами металла;
3) возможность самосборки (реполимеризации) меченного металлом вирусного БО в
отсутствие РНК с образованием частиц, идентичных вирусу по структуре, но не
ограниченных по длине;
4) возможность заполнения внутреннего осевого канала спиральных частиц солями
металлов для создания нанопроводниковых систем;
5) возможность ориентации вирусных частиц с образованием анизотропных гелей со
свойствами жидкого кристалла;
6) возможность получения микро-паракристаллов с использованием препаратов
спиральных вирусов или фибриллярных агрегатов вирусного белка.
При замещении вирусного генома гетерологичным материалом икосаэдрические
вирусы могут служить:
а) матрицами для декорирования металлом и получения магнитных вирусных наночастиц,
б) для заполнения капсида металлом с целью получения магнитных частиц и
металлических икосаэдрических нанокристаллов строго контролируемого размера и
в) контейнерами для хранения и доставки в клетки лекарственных препаратов и
«терапевтических» генов.
Вирионы «сферических» вирусов могут быть диссоциированы на БО и РНК с
последующей сборкой «пустых» капсид (ВПЧ) из БО в отсутствие РНК или
реконструкцией вируса. Частицы вируса хлоротической крапчатости коровьего горошка
(ВХККГ) приобретают состояние метастабильности (обратимо «разбухают») при
значениях рН >7.5 и отсутствии дивалетных катионов. Этот феномен облегчает процедуру
высвобождения вирусной РНК и введения в икосаэдрический вирусный капсиднаноконтейнер
разных материалов, включая анионные органические полимеры и ионы
металлов (железо, платина, палладий). Создание магнитных наночастиц (МНЧ)
посредством включения магнитного материала в вирусный капсид открывает
определенные перспeктивы применения МНЧ в нанотехнологии и медицине.
Предпочтительно для получения МНЧ применяется нетоксичный магнетит (Fe 3 O 4 ).
Внутренняя полость вирусного капсида заполняется окисью железа, которая затем
подвергается восстановлению. В результате вирусная РНК/ДНК замещается
ферромагнитным материалом. Размеры магнитных наночастиц определяются размером
частиц вируса.
Значительные трудности применения вирусных наноконтейнеров в медицине
связаны с необходимостью их направленной доставки. В ряде случаев наблюдалось
успешное применение системной иньекции и орального введения МНЧ (или
131

псевдовирусных частиц, несущих оболочку вируса со специфическим тропизмом). При
правильной доставке МНЧ магнитное поле может служить сигналом для высвобождения
терапевтического препарата из МНЧ в определенном субклеточном компартменте. Кроме
того, в случае доставки МНЧ в клетки пораженного органа возможно применение
гипертермальнй обработки (нагревание магнитных частиц в магнитном поле до ~42 °С)
для уничтожения пораженных клеток.
Некоторые особенности «сферического» вируса мозаики коровьего горошка
(ВМКК) делают его перспективным для применения в нанобиотехнологии. Вирус
стабилен при 37 о С и низких значениях рН, т.е. может использоваться в качестве
наноконтейнера для доставки терапевтических препаратов и вакцин в организм животных
«мукозным» путем через слизистую оболочку (mucosа) полости рта и пищевода.
Уникальной особенностью ВМКК является его способность связываться с клетками
млекопитающих и даже проникать в них. Этот эффект объясняется взаимодействием
капсидного белка ВМКК с 54 К белком плазматических мембран клеток грызунов и
человека. Было показано, что частицы ВМКК удается обнаружить в самых разных органах
животного, включая селезенку, печень, почки, желудок, кишечник, легкие, костный и
головной мозг. Последнее вовсе не означает, что ВМКК размножается в клетках
животных, однако он создает определенные возможности для целевой доставки к
слизистым оболочкам наноконтейнеров ВМКК с терапевтическим препаратом.
Недавно флуоресцентно-меченные наночастицы ВМКК (диаметр частиц ВМКК
составляет 31 нм) использовали для изучения и визуализации сосудов и тока крови
животных. Кроме того, флуоресцирующий ВМКК применили для наблюдения за
процессом ангиогенеза (греч. аngeon, «сосуд») с целью изучения состояния и диагностики
аномалий сосудов. В частности, этот метод был применен для исследования состояния
сосудов при развитии фибросаркомы человека.
Отличительной особенностью некоторых модифицированных вирусных частиц и
их компонентов является включение активного чужеродного белка/пептида в состав
субъединиц БО. Это позволяет использовать такие структуры в качестве
наноинструментов для прямой реализации активности чужеродного белка/пептида в
составе модифицированного вируса. Имеющиеся сведения о структуре БО многих
вирусов позволяют направленно присоединять целевой полипептид к С- или N-концевым
аминокислотам, локализованным на поверхности вирусной частицы. Так были
сконструированы частицы ВТМ, несущие на С-конце субъединиц БО крупный (133
аминокислоты) фрагмент протеина А, сохранивший способность связывать
моноклональные антитела при их очистке. Важной особенностью такого наноинструмента
является его инфекционность и способность накапливаться в растении в большом
количестве. Принципиально близкий подход был реализован для создания наночастиц Х-
вируса картофеля, частицы которого несли молекулы фермента липазы (33 К),
соединенные с N-концами субъединиц вирусного БО. Связанная с вирусом липаза
сохраняла активность. Таким образом, была продемонстрирована возможность создания
самореплицирующихся биокаталитических наночастиц на основе вируса.
Важным направлением практической реализации этих принципов является
создание вакцинных препаратов с использованием самореплицирующихся частиц,
несущих на своей поверхности в качестве целевого пептида антигенную детерминанту
(эпитоп) патогена либо иной функцонально активный полипептид.
Преимущества вакцин, созданных на основе включения эпитопа в ген БО перед
аттенуированными, химически инактивированными вирусами и субъединичными
вакцинами, определяются рядом причин:
1) этот подход исключает возможность реверсий и рекомбинаций патогена;
2) вакцинные препараты, полученные таким образом на основе вирусов растений,
безопасны для человека, так как растения и животные не содержат общих патогенов;
132

3) высокая иммуногенность вирусных частиц позволяет получить высокие титры антител
при иммунизации животных в отсутствие адьювантов.
Хорошие результаты были получены с использованием в качестве носителя
целевых эпитопов не инфекционных вирусов, а продуктов самосборки
модифицированного структурного белка. Недавно субъединицы БО вируса мозаики
папайи (см. ниже) были успешно использованы в качестве носителя эпитопа вируса
гепатита С после реполимеризации in vitro и иммунизации животных.
Рекомбинантный ядерный антиген вируса гепатита В (HBcAg) как наноноситель
чужеродных антигенных детерминант весьма перспективен для создания
высокоиммуногенных структур и продукции антител к целевому антигену. HBcAg
образует симметричные икосаэдрические (30 нм) частицы, придавая высокую
иммуногенность встроенным чужеродным антигенным детерминантам. Разрабатываемый
в Центре «Биоинженерия» РАН метод основан на продукции растительным вирусомвектором
рекомбинантного HBcAg-носителя со вставкой эпитопа вируса гепатита С.
Введение чужеродных пептидных фрагментов как в N-так и в С-концевую часть
HBcAg не нарушает процесс его самосборки, и при этом пептиды оказываются
экспонированными на поверхности молекулы.
Интерес для использования в качестве основы для получения новых
наноматериалов могут представлять самые разные вирусы и агрегаты вирусных белков.
Между тем, из множества вирусов, известных вирусологии, в нанотехнологии
используются несколько вирусов, включая палочковидный ВТМ, нитевидный,
бактериофаг М13, а также икосаэдрические фитовирусы (ВХККГ и вирус мозаики
коровьего горошка, ВМКГ).
Гордеивирус щтриховатой мозаики (ВШМЯ)
Жесткие, негнущиеся палочковидные вирионы со спиральной структурой.
Присутствуют три основных компонента наночастиц длиной около 140 нм, 130 нм и 110
нм при диаметре 18 нм. Капсид состоит из идентичных субъединиц БО с молекулярной
массой 23 К, уложенных в виде спирали с шагом 2.5-2.6 нм и внутренним каналом 3.4 нм.
Полимеризация БО ВШМЯ in vitro протекает ступенчато с образованием серии агрегатов
возрастающего размера (10 S, 20 S, 30 S). На электронных микрофотографиях 30 S
агрегаты имеют форму двуслойных дисков и групп дисков с диаметром частиц ВШМЯ.
Двуслойные 30S диски способны формировать на пленке-подложке кристаллические
структуры разного типа. Дальнейшая полимеризация приводит к образованию длинных
спиральных частиц двух типов:
1) спиральных агрегатов, неотличимых от вируса по структуре спирали, но не
ограниченных по длине и
2) агрегатов БО, построенных на основе двузаходной спирали.
В присутствии 0.05 М CaCl 2 pH 7.5 вирусные частицы и частицы
реполимеризованного белка образуют микропаракристаллы.
Потексвирусы
Х-вирус картофеля (ХВК) и вирус мозаики папайи (ВМПап) (papaya mosaic virus,
PapMV). Гибкие нитевидные вирионы со спиральной структурой. Длина частиц ХВК и
ВМПап 515 нм и 530 нм соответственно, при диаметре частиц 13.5 нм. Около 1300
идентичных субъединиц белка оболочки формируют полярную спираль ХВК с шагом 3.6
нм. Вирусная РНК заключена между витками этой спирали, каждый виток которой
состоит из 8-9 субъединиц БО. Частицы имеют полый центральный осевой канал с
диаметром 3 нм. РНК ХВК состоит из пяти генов; 5’-концевой ген кодирует 165-kDa
репликазу, а 3’-концевой – БО вируса.
Между концевыми генами расположен тройной блок генов, кодирующих три
транспортных белка (ТБ1, ТБ2 и ТБ3), которые вместе с БО ответственны за транспорт
вируса по растению. Особенностью БО ХВК является чрезвычайно низкая способность
реполимеризации. Неспособность БО ХВК к реполимеризации «компенсируется»
133

необычайно высокой эффективностью реполимеризации БО другого потексвируса –
вируса мозаики папайи (ВМПап). C другой стороны, ХВК был первым нитевидным
вирусом, реконструированным из БО и РНК. Данные оптической дифракции подтвердили
идентичность структуры нативных и реконструированных частиц ХВК.
С помощью атомно-силовой и электронной микроскопии показано, что первичным
продуктом сборки in vitro являются вирусные РНП-комплексы, в которых 5’-концевой
участок РНК защищен БО (частицы с «хвостом» свободной РНК и спиральной «головкой»
из молекул БО).
Контрольные вопросы
1. Что вкладывается в понятие «запрограммированная система» в супрамолекулярной
химии?
2. Перечислите и охарактеризуйте три основных направления развития
супрамолекулярной химии.
3. Объясните суть терминов супрамолекулярной химии: «темплатирование»,
«самосборка» и «самоорганизация».
4. Объясниете чем молекулярная самосборка отличается от супрамолекулярной.
5. Что такое темплатный синтез, лигандный синтон и темплатный центр, хелант?
6. Какие варианты темплатного синтеза Вам известны, опишите их?
7. Какие варианты биохимической самосборки Вам известны, опишите их.
8. Опишите использование органических супрамолекул в качестве темплаты.
134

Лекция 8. Молекулярные машины
8.1. Общие вопросы
Под термином «молекулярные машины» подразумевается дискретное число
молекулярных компонент, скомпонованных так, чтобы возникало механическое движение
как реакция в ответ на некоторое специфическое воздействие. Этот термин широко
используется в нанотехнологии, он применим по отношению к разнообразным сложным
специально сконструированным молекулярным ансамблям.
Наиболее привлекательными кандидатами для этих целей представляются
сблокированные молекулярные компоненты. В последнее время развитие структурного и
функционального проектирования таких систем привело к созданию и использованию
сложных молекулярных приборов и машин, которые способны в целом ряде случаев
выполнять особые задачи. Развитие человеческой цивилизации всегда было связано с
конструированием новых приборов и машин. В зависимости от области применения
приборы и машины могут быть очень большими или очень маленькими. Основной
тенденцией в наше время является стремление к уменьшению веса и размера
используемых компонентов насколько это возможно, в особенности, в области
информационных технологий.
Миниатюризация компонентов для создания приборов и машин осуществляется в
наши дни на основе подхода нисходящего проектирования. Этот подход, который
применяют физики и инженеры, заключается в манипулировании все более мелкими
компонентами материи с помощью фотолитографии и ей подобных технологий. Хотя
полупроводниковые машины с габаритными размерами 65 нм уже доступны на рынке, а
также сообщается о создании приборов с размерами в пределах 45 нм, становится ясно,
что метод нисходящего проектирования имеет очень существенные недостатки, включая
резкое увеличение затрат при приближении к наноразмерному измерению. «Там внизу все
еще много места» - утверждал Ричард П. Фейнман в своем знаменитом обращении к
Американскому физическому обществу от 29 декабря 1959 г., эта мысль до сих пор
остается актуальной. Науке и технологии надо искать новые пути для того, чтобы
продвигаться дальше в деле миниатюризации в наноразмерном диапазоне.
Многообещающей стратегией использования науки и технологии в наноразмерном
масштабе является подход восходящего проектирования, который предполагает работу
по созданию наностурктур из объектов с нано - или субнаноразмерами (а именно, из
атомов или молекул). В конце семидесятых годов, в рамках супрамолекулярной химии,
начали поводить исследования молекулярных электронных машин, и в недрах некоторых
лабораторий родилась идея о том, что молекулы могут быть значительно более удобными
строительными элементами, чем атомы, при создании наноразмерных машин и приборов.
Эта идея основывается на следующих положениях:
1) молекулы являются стабильными образованиями, в то время как с атомами справиться
нелегко;
2) в природе используются молекулы, а не атомы для строительства большого числа
разнообразных наноприборов и наномашин, которые поддерживают жизнь;
3) большинство лабораторных химических процессов имеют дело с молекулами, а не
атомами;
4) молекулы являются объектами, уже обладающими четкими формами и имеющими
свойства, необходимые для работы таких машин (например, свойства, которыми можно
манипулировать фотохимическими и электромеханическими методами); и
5) молекулы могут собираться самостоятельно или же их можно соединять для
образования более крупных структур.
135

В последующие годы супрамолекулярная химия очень быстро развивалась, и
вскоре стало ясно, что супрамолекулярный подход с продвижением снизу вверх
открывает практически безграничные возможности для проектирования и создания
искусственных молекулярных приборов и машин. Кроме того, становилось все очевиднее,
что такой подход может внести неоценимый вклад в наше понимание молекулярных
аспектов исключительно сложных приборов и машин, которые отвечают за биологические
процессы. Собственно говоря, эти системы представляют собой наглядную демонстрацию
осуществимости и эффективности нанотехнологии.
Молекулярные машины можно разделить на две широкие категории:
синтетической и биологической природы.
Исторически основой молекулярных машин стали умозрительные модели
Maxwell's demon и «Храповик Фейнмана» («Храповик Броуна»). Представим очень
простое устройство (рис.8.1), состоящее из двух шестеренок, закрепленных на одной оси,
но находящихся при двух различных температурах. Одна из шестеренок на лопастях (в
T2) имеет защелку, которая позволяет оси вращаться только по часовой стрелке, поднимая
при этом груз (m) вверх. Если температура T1 намного больше, тем T2, то кинетическая
энергия удар молекул газа (красные шары) о лопасти в этой части устройства будет
намного выше, чем в другой части устройства. Поэтому противодействие вращению оси в
направлении часовой стрелки за счет противоположных по напрвлению соударений
молекул газа о лопасти во второй части устройства будет очень малым.
Рис.8.1. Храповик Фейнмана
Макроскопические машины часто работают в газовой фазе и сопротивлением газа
(воздуха) можно пренебречь. В отличие от макроскопических систем молекулярные
системы постоянно подвергаются существенным воздействиям за счет броуновского
движения молекул, окружающих рассматриваемый молекулярный ансамбль. Причем эти
воздействия могут быть сопоставимыми по сравнению с воздействиями, которые могут
приложены к ансамблю в соответствующем устройстве. Соответственно, плодотворной
является стратегия использования энергии именно броуновского движения, а не
противодействие ему.
И хотя идея использования броуновским движением является своеобразным
вызовом природе, сама природа дает примеры таких устройств, создающих и
использующих неравновесные распределения, такие как, например, клеточные мембраны.
Липофильные мембраны позволяют создавать различные механические устройства,
движение которых основано на перемещении ионов между различными сторонами
мембраны.
В дизайне молекулярных устройств различают два различных важных типа:
молекулярные переключатели (molecular switches, или челноки, shuttles) и молекулярные
моторы. Принципиальное различие состоит в том, что молекулярные переключатели
действуют как функция состояния системы, тогда как в молекулярных машинах основное
действие определяется траекторий. Молекулярные переключатели подвержены
136

трансляционным перемещениям и после возврата их в исходное состояние не возникает
никакого механического движения – энергия выделяется в систему; они также не в
состоянии за счет использования химической энергии удалять систему от равновесного
состояния.
8.2. Биологические (природные) молекулярные машины
Создание молекулярных машин сегодня считается одной из важнейших задач
сурпамолекулярной и нанохимии. Однако, такие машины не являются выдумкой или
изобретением ученых – они давно и хорошо известны в биологии. Первая из таких машин
называется АТФ-синтаза. Она занимается в митохондриях синтезом
аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) из аденозиндифосфорной (АДФ) и
ортофосфорной (Н 3 РО 4 ) кислот; АТФ – это молекула, которая обеспечивает клетку
энергией.
NH 2
HO
OH OH OH
P
O
P O P O
O O O
OHOH
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)
Из АДФ и ортофосфорной кислоты получается АТФ, при этом образуется так
называемая макроэргическая связь, и на ее образование затрачивается 30,6 кДж/моль.
АТФ обеспечивает энергией большинство происходящих в клетке процессов, так как при
гидролизе макроэргической связи запасенная в ней энергия освобождается.
Как же синтезируется эта молекула, то есть, как образуется макроэргическая связь
между фосфатами? Это было одно время загадкой. Существовало предположение о том,
что есть какое-то вещество Х, химический посредник, осуществляет связь между
процессами, дающими энергию, то есть окислением питательных веществ до СО 2 и Н 2 О, и
каким–то образом энергия окисления (в своем роде медленное "горение" внутри
организма) переходит в энергию макроэргической связи в молекуле АТФ. Это
предположение о наличии химического посредника, которого никто найти не мог,
называлось гипотезой химического сопряжения.
Но в 1961 г. английский ученый Питер Митчелл предложил другое объяснение –
хемиосмотическую гипотезу, которая заключается в том, что вода, которая образуется в
процессе окисления, образуется не в виде молекулы воды, а виде протона H + и иона
гидроксила OH – . Энергия, получаемая при окислении, идет на то, чтобы продукты
реакции – протон и гидроксил – разделить в пространстве. Протон выбрасывается из
митохондрий через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство (сам по себе
протон не может проникнуть через мембрану митохондрии, эта мембрана непроницаема
для заряженных частиц), и гидроксид-ион, который остается внутри митохондрии.
В результате возникает разница концентраций ионов водорода (∆рН – то есть
кислотности среды) и разница потенциала: положительные заряды снаружи
митохондриальной мембраны, а отрицательный внутри. У митохондрий 2 мембраны,
причем внешняя в энергетических процессах такой важной роли, как внутренняя, не
играет. То есть энергия, полученная при окислении, запасена в виде электрохимической
энергии. Электрический потенциал на мембране митохондрий достигает 200 мВ, а
толщина мембраны не превышает 10 нм.
Питер Митчелл первый высказал предположение о том, что химические реакции в
клетке пространственно упорядочены, и продукты реакции распределяются
асимметрично: протон в одну сторону, гидроксил в другую. За счет этого появляется
O
N N
N
137

электрохимический потенциал на мембране, Δμ(Н). Он состоит из химической, ∆рН, и
электрической, Δφ (разница в величине заряда), компоненты: Δμ(Н) =∆рН + Δφ.
Электрохимический потенциал на мембране митохондрий – универсальная форма
запасания энергии клеткой.
Протоны могут перекачиваться через мембрану и при фотосинтезе в хлоропластах
или в клетках фотосинтезирующих бактерий.
Рис.8.2. Круговорот протонов в клетке
На рисунке представлена довольно простая система бактериального фотосинтеза,
сопряженного с синтезом АТФ на примере галобактерий. Галобактерии живут в Мертвом
море. Море настолько соленое, что соль выпадает в осадок, но в таких экстремальных
условиях галобактерии прекрасно себя чувствуют. Галобактерии используют фотосинтез
для получения энергии. Белок бактериородопсин под действием света выкачивает
протоны изнутри бактериальной клетки наружу, и на мембране снаружи избыток
протонов, и, соответственно, образуется положительный заряд. То есть в данном случае
электрохимический потенциал на мембране бактерии возникает не за счет окисления
веществ в процессе дыхания, а за счет работы, связанной со световой энергией.
Если протон "падает" сквозь мембрану внутрь митохондрии, при этом его
потенциальная энергия уменьшается, так как он "падает" в электрическом поле от
положительного заряда к отрицательному, и вдобавок по градиенту концентрации. Эта
энергия используется для синтеза АТФ.
Синтезом АТФ занимается молекулярная машина, которая называется АТФсинтаза.
Она состоит из двух частей. Первая погружена в мембрану называется F 0 (см.
рис.9.1). Она представляет собой протонный канал, то есть это дыра в мембране, по
которой протон может попасть внутрь митохондрии, но попадает он внутрь с потерей
энергии, которую улавливает вторая часть молекулярной машины, которая называется F 1 .
Эта часть АТФ-синтазы торчит внутрь митохондрии и использует энергию "падающих"
через F 0 протонов для того, чтобы аденозиндифосфат соединился с фосфатом посредством
макроэргической связи и образовал молекулу АТФ.
При синтезе АТФ АТФ-синтазой прежде всего совершается работа механическая,
так как для осуществления синтеза АТФ в АТФ-синтазе крутится белковая структура. Как
устроена АТФ-синтаза? Она состоит из двух частей – статора (синий цвет на рис.8.3), и
ротора (там же, красный цвет). Статор состоит из трех альфа субъединиц и трех бета
субъединиц – они занимаются химической частью работы: синтезом АТФ из АДФ и
фосфата. В собранном состоянии все вместе эти субъединицы по форме напоминают
слегка приплюснутый шар 8 нм в высоту и 10 нм в диаметре. К ним примыкает дельта
138

субъединица, и все вместе эта система образует F1 субъединицу молекулярной машины.
Здесь же есть опора, которая «якорит» всю систему в мембране.
Рис.8.3. Строение АТФ-синтазы
Мембрана образована фосфолипидами (на рисунке показаны желтым).
Гидрофильные "головки" фосфолипидов обращены в водную поверхность, а гидрофобные
"хвосты" погружены внутрь мембраны, и именно они препятствуют перемещению
заряженных частиц через мембрану. Вращающаяся часть машины, ротор, состоит из
гамма и эпсилон субъединиц. Эта конструкция погружена в структуру, сделанную из
одинаковых белков, они обозначаются буквой с. Статор держится в мембране, а ротор
крутится. И энергия протона используется на то, чтобы прокрутить ротор этой машины.
Молекулярная машина работает в обе стороны (так же как и катализаторы, которые
проводят реакцию как в прямую, так и в обратную стороны). Если течет протонный ток с
наружной мембраны внутрь, то синтезируется АТФ; если же протонного потенциала нет,
но подать с внутренней стороны АТФ, то машина начнет «выкачивать» протоны, создавая
протонный потенциал. При этом ротор также вращается.
Для того, чтобы доказать, что в АТФ синтазе вращается часть машины, F1
фрагмент перевернули, «пришили» к неподвижной подложке, а к гамма-субъединице
навесили искусственным образом нить актина (длинный белок, который можно было
увидеть в микроскоп, так как он был мечен флуоресцентной меткой). Затем подали к этой
системе энергию в виде АТФ, и оказалось, что при наличии АТФ гамма субъединица
начала крутиться. Все это сняли на пленку. Было видно, как крутится флуоресцентная
метка на актиновом хвостике, и было показано, что действительно происходит вращение
во время работы этой молекулярной машины (рис. 8.4)
Рис.8.4. «Молекулярный ротор»
139

Как же используется протонный ток, чтобы крутить мотор? В статоре имеется
протонный канал, т.е. такой белок, который образует проход для протона. Но этот канал
не сплошной. Если бы был канал, который пронизывал всю мембрану насквозь, то из-за
разницы потенциалов все протоны потекли бы внутрь митохондрии, и произошла бы
деэнергетизация мембраны, т.е. она бы разрядилась. Но канал устроен очень хитро. Он
состоит из двух половинок (полу-каналов), которые, к тому же, смещены одна
относительно другой. Структура этой машины такова, что протон проваливается через
полуканал с наружной стороны митохондриальной мембраны, но попасть внутрь
митохондрии он не может. Сваливается протон на подставленную ему аминокислоту
ротора и эту аминокислоту протонирует, то есть на аминокислоте появляется
дополнительный положительный заряд. Затем, когда протонированная аминокислота на
вращающемся роторе доедет до следующей половинки канала, ведущей уже внутрь
митохондрии (а внутри протонов мало и, кроме того, там протон поджидают отрицательно
заряженные ионы), то протон наконец "падает" внутрь и аминокислота освобождается от
положительного заряда. Заряды в роторе и статоре расположены таким образом, что
протонирование – депротонирование приводит к повороту машины. Таким образом,
протон в два приема проваливается внутрь митохондрии, и за счет этого мотор
проворачивается.
За объяснение ферментативного механизма, лежащего в основе синтеза АТФ, два
исследователя получили Нобелевскую премию: Пол Д. Бойер, США и Джон Э.
Уолкер, Великобритания (Нобелевская премия 1997 года).
Выше было рассказано, как мотор крутится, но не было объяснено, почему
синтезируется АТФ. Разрыв связи в молекуле АТФ приводит к образованию АДФ и
ортофосфорной кислоты;
NH 2
NH 2
HO
OH OH OH
P O P O P O
O O O
O
OHOH
N N
N
+OH -
-
- H 2 PO 4
HO
OH
P O
O
OH
P O
O
O
OHOH
N N
N
Собственно, почему при разрыве этой связи выделяется большое количество
энергии, поскольку хорошо известно, что разрыв связи обычно сопровождается
поглощением энергии? При разрыве образуется отрицательно заряженный фосфат,
который гидратируется, выделяя большое количество энергии. При этом синтез АТФ по
обратной реакции, но с использованием незаряженной ортофосфорной кислоты идет в
гидрофобной среде, то макроэргической эта реакция не является. Показано, что когда
происходит образование ковалентной связи между фосфатными группами молекул АДФ и
ортофосфорной кислоты, ферменту практически не требуется энергии. Реакции синтеза и
гидролиза ATP в каталитическом центре фермента активно идут при отсутствии внешнего
источника энергии. Условия, в которых находятся молекулы АДФ и Ф в каталитическом
центре, существенно отличаются от условий протекания реакции в водной среде,
благодаря чему образование молекулы АТФ в активном центре фермента может
происходить энергетически "бесплатно". Энергия "падающих" протонов тратится потом
на то, чтобы «выпихнуть» вон АТФ, отцепить его от каталитической субъединицы.
Таким образом, за счет электрохимического потенциала на внутренней мембране
митохондрий внутри клетки или митохондрий совершается механическая работа,
сопряженная с химическим синтезом. На рисунке виден срез митохондрии (рис. 8.5).
Внутри содержится матрикс и выросты (складки) – кристы, на которых и расположена
АТФ-синтаза. Зачем нужны складки? Чтобы увеличить площадь поверхности. Количество
складок внутри митохондрий зависит от того, насколько интенсивно ей приходится
140

работать, сколько энергии нужно клетке. Митохондрии в клетках печени имеют гораздо
меньше крист, чем, например, в клетках сердца.
Рис.8.5. Срез митохондрии
В хлоропластах происходит точно такой же процесс синтеза АТФ, также работает
АТФ-синтаза, как и в митохондриях, но источником протонного потенциала является
уловленная энергия света. Там тоже есть складки, они называются тилакоидами. Только в
хлоропластах все как бы вывернуто наизнанку. То есть протоны за счет энергии света
накапливаются снаружи этих образований.
Двигатель бактерий. Известно, что не все, но некоторые бактерии могут
двигаться. Для того чтобы двигаться, они вертят хвостом, т.е. жгутиком. Если жгутиков
несколько, то во время вращения они сплетаются в единый жгут, и вращаются, двигая
бактерию, примерно как лопасти у катера (рис. 8.6).
Рис.8.6. Движение бактерий
Расположение жгутиков на клетке кишечной палочки при их вращении против часовой стрелки (а) и
по часовой стрелке (б)
Жгутик очень маленький, в световой микроскоп его трудно увидеть. Для того
чтобы проверить, действительно ли жгутик вращается при движении бактерии,
бактериальную клетку за жгутик прикрепили к стеклу. В раствор добавили вещество,
которое она любит, например, сахар, и она начала вертеться, потому что она явно хотела
добраться до сахара, если не добавляли, то она вела себя более спокойно.
Для того чтобы жгутик вращался, в его основании находится так называемое
базальное тело, которое представляет собой электромотор (рис. 8.7). Его задача
заключается в том, чтобы крутить жгутик.
141

Рис.8.7. «Принципиальная схема жгутика»
На рисунке изображена мембрана бактериальной клетки (желтая), и части мотора
статор (синий) и ротор (зеленый). К ротору прикручен жгутик. Пока неизвестно, как
именно передается движение, но в этой молекулярной машине есть свои подшипники,
своя молекулярная смазка, и есть белок, в котором, также как и в АТФ-синтазе, имеются
два протонных полуканала, смещенных друг относительно друга. И принцип вращения
такой же: зарядка-перезарядка группы COOH в аминокислотах. Число протонов, которые
должны «провалиться» в канал за время одной прокрутки жгутика,- порядка тысячи;
остальные параметры приведены в табл.8.1.
Таблица 8.1.
Некоторые параметры жгутика как молекулярной машины
Движущая сила
Электрохимический градиент
(протонный или натриевый)
Число протонов на оборот ~ 1000
Энергия, освобождаемая на оборот ~ 2.5·10 -20
Максимальная скорость 300 Hz (H + ); 1700 Hz (Na + )
Максимальная мощность
~ 10 -35 Вт
Число шагов ротора на оборот ~ 50
В целом наиболее сложные молекулярные машины природного происхождения
обнаружены в живых клетках. Сюда следует включить моторные протеины, как,
например, миозин, отвечающий за сокращение мышц, микротрубочки клетки с
ассоциированными белками (динеином и кинезином) способны осуществлять работу по,
например, транспорту митохондрий, движению ресничек (волосоподобных выростов
клетокв эпителии легких, кишечника и яйцеводов).
8.3. Синтетические молекулярные машины
Молекулярные приборы и машины представляют собой химические системы и
поэтому функционируют с помощью химических реакций, которые, вообще говоря,
подразумевают как электронные, так и ядерные перестановки. В ряде случаев
выполняемая функция существенно основывается на переносе электронов или энергии
142

электронов без существенной ядерной перегруппировки. В других случаях
функционирование основывается на осуществлении более или менее существенных
ядерных перемещений, происходящих под воздействием перегруппировки электронов.
Как и в макроскопическом мире, приборы и машины молекулярного уровня нуждаются в
энергии для функционирования и сигналах для осуществления связи с оператором.
Энергия, необходимая для функционирования молекулярного прибора или машины,
может поставляться в виде:
1) химической (химического реактива),
2) квантов энергии (поглощенного фотона), или
3) электрохимической (добавления или удаления электрона – т.е. оксиления или
восставновления).
Принимая во внимание ограниченность химических видов топлива и
всевозрастающие проблемы с окружающей средой, идеальным первичным
энергетическим источником можно считать свет и наилучшими являются процессы, при
реализации которых не образуется отходов. В самом деле, даже в интеллектуальном
обществе потребление не возобновляемых энергетических ресурсов и накопление отходов
будет продолжаться и создавать очень существенные проблемы.
Для того чтобы осуществлять управление и контроль работы молекулярных
приборов или машин, необходим подходящий сигнал. Поскольку хотя бы один
молекулярный компонент системы изменяет свое состояние при выполнении требуемой
функции, можно использовать любой сигнал, связанный с таким изменением. В этом
отношении полезными могут оказаться самые различные химические или физические
методы. Чаще всего управление состоянием системы осуществляется с помощью
спектроскопического метода (ядерный магнитный резонанс - ЯМР, поглощение
ультрафиолетовой и видимой области спектра, люминесценция и т. д.). Для некоторых
систем, например, систем, основанных на донорно-акцепторном взаимодействии, можно с
успехом использовать электрохимические методы.
Поскольку прибор и машина должны работать с повторяющимися циклами,
важным требованием является перезагрузка. Это означает, что используемая при
выполнении данной операции химическая реакция должна быть обратимой. Хотя ни одна
из химических реакций не является полностью обратимой, это требование довольно
хорошо выполняется с помощью процессов передачи энергии, переноса электронов
(окисление-восстановление), и переноса протонов (кислотно-основной процесс), а также
некоторых видов фотоизомеризации и координационных реакций металл-лиганд.
Шкала продолжительности работы молекулярного прибора и машины может
находиться в диапазоне от пикосекунды до нескольких дней в зависимости от природы
осуществляемых процессов. Процессы переноса энергии, электронов и протонов, а также
реакции изомеризации могут протекать очень быстро, но крупные и сложные
перемещения составных частей могут происходить значительно медленнее. Информация о
константах скорости реакций может быть получена с помощью обычных кинетических
методов при реализации медленных процессов, с помощью электрохимии и
хроматографии с прерыванием потока при относительно быстрых процессах, и с
помощью спектроскопии вспышки (с разными временными шкалами) для очень быстрых
процессов.
Молекулярные приборы и машины могут выполнять очень разнообразные
функции. Они могут участвовать в передаче сигналов (в виде энергии, электронов,
протонов и т. д.), обработке информации (например, с помощью логической схемы
молекулярного уровня), преобразовании энергии (например, преобразовании света в
электрохимический потенциал или химическое топливо), и в целом ряде процессов
механического типа (например, перемещении вещества через мембрану).
Сообщается о попытках разработки набора компонентов молекулярного уровня для
обработки информации, эти химические соединения способные играть роль проводов,
143

выключателей, элементов памяти, сенсоров, антенн, вилок-розеток, систем
удлинительных кабелей, и логических схем для наноразмерных машин. В частности,
исследование молекулярных соединений, способных выполнять бинарные логические
операции, может привести к практическому применению, к такому как маркировка и
разметка очень маленьких объектов и, в конечном итоге, к проектированию и созданию
молекулярного компьютера. Следует отметить, что все фундаментальные логические
операции осуществлялись молекулярными системами, что позволило не так давно
провести лабораторную демонстрацию бинарной арифметики с помощью молекулярных
приборов: полного сумматора и полного вычитателя. Эти системы, в которых в качестве
входных/выходных сигналов используются свет, молекулы и ионы, действуют в растворе,
эти идеи позаимствованы из процессов обработки информации в живых организмах.
Независимо от возможности скорейшей реализации применения таких машин,
разработка набора приборов молекулярного уровня представляется достойным вложением
инвестиций. Имеется много обзоров по данному вопросу, и уже опубликована подробная
монография. В настоящем обзоре мы проиллюстрируем некоторые последние достижения
в этой области с использованием последних примеров создания молекулярных машин,
заимствованных из совместной работы с коллективом Дж. Фрейзера Стоддарта,
Университет шт. Калифорния, Лос Анжелес.
Целый ряд достаточно простых молекулярных машин был синтезирован
химическим путем. К настоящему времени созданы молекулярные машины, способные
перемещаться в пространстве под действием энергии извне, например, под действием
света или реакций с другими молекулами. Сюда входят как отдельные молекулы, но так и
большей частью механически переключаемые молекулярные архитектуры, такие как
катенаны и ротоксаны.
8.4. Химически управляемые молекулярные челноки и нанолифты
Молекулярные челноки (molecular shuttles) – устройства, в которых возможно
пространственное перемещение молекул или ионов в некоторой целостной системе между
различными возможными устойчивыми состояниями этой системы. Обычный
молекулярный челнок состоит из ротаксана, внутри которого макроцикл может
перемещаться между двумя (или более) положениями по цепи ротаксана.
Химически управляемой системой с хорошими рабочими параметрами с точки
зрения переключения и стабильности является соединение ротаксан 1-H 3+ , рис.9.7. Оно
состоит из гантелеобразного компонента, содержащего в цепи вторичную аминогруппу и
4,4′-бипиридиновый фрагмент, а в качестве кольцевого фрагмента использован дибензо-
24-краун-8 (DB24C8) – краун-эфиром, обладающим свойствами донора электронных пар.
В качестве ограничителя на конце этой сборной молекулы встроен антрацен. Этот
фрагмент важен, поскольку его адсорбционные, люминесцентные и окислительновосстановительные
свойства могут быть использованы для контроля за состоянием
системы. В связи с тем, что энергия связей атомов водорода протонированной
аминогруппы с краун-эфиром намного прочнее энергией взаимодействия этого
макроцикла краун-эфира с бипиридиновым фрагментом, ротаксан существует в виде
одиного из двух возможных изомеров (рис. 8.8a, положение 0). Депротонирование
аммониевого центра ротаксана 1-H 3+ (рис. 8.8b) ослабляет взаимодействия водородных
связей и вызывает перемещение кольца DB24C8 за счет броуновским движениям к звену
бипиридина (рис. 9.7c, положение 1). И наоборот, протонитрование ротаксана 1-1 2+
кислотой (рис. 9.7d) направляет кольцо обратно к аммониевому центру. Такой процесс
переключения исследовался в растворе методом ЯМР и с помощью электрохимических и
фотофизических измерений. Не так давно также была исследована кинетика кольцевого
челночного перемещения в растворе и свойства Ленгмюр-Блоджеттовских пленок,
содержащих 1-H 3+. Полная химическая обратимость этих реакций между кислотами и
основаниями обеспечивает обратимость механического движения, несмотря на
144

образование отходов. Следует отметить, что ротаксан является бистабильной системой и,
в принципе, его можно использовать для хранения бинарной информации.
Рис.8.8. Функционирование ротоксана 1-Н 3+
Путем включения архитектурных особенностей рассмотренного кислотнопереключаемого
ротаксана 1-H 3+ , был спроектирован и создан двухкомпонентный
молекулярный прибор 2-H 3 9+ (рис.8.9а).
Рис.8.9. Химическое строение и схема работы лифта 2-Н 3
9+
Данная наномашина, которая имеет размеры примерно 2,5 нм в высоту и диаметр
3,5 нм, состоит из компонента с тремя опорами, содержащими по две различные зоны:
одну в виде аммониевого центра и одну в виде соединения 4,4′-бипиридина. Опоры
соединены с тремя вершинами основным механизмом, который играет роль платформы,
которую можно останавливать на двух различных уровнях. Три опоры треноги снабжены
стопорами на концах, чтобы не допустить потери платформы. Изначально платформа
находится исключительно в «верхнем» положении, т. е. с тремя кольцами вокруг
аммониевых центров (рис. 8.9b, положение 0). Это происходит из-за образования
достаточно сильных водородных связей N + -H…O и слабых стабилизирующих π-π
взаимодействий между ароматическими ядрами платформы и ароматическими
компонентами вершины треноги. После добавления сильного, ненуклеофильного
фосфазенового основания к ацетонитрильному раствору 2-H 3 9+, происходит отрыв протона
от аммониевого центра и, в результате, платформа сдвигается на более «низкий» уровень,
т. е. на уровень где три DB24C8 кольца окружают звенья бипиридина (рис. 8.9с,
положение 1). Эта структура стаблизируется, в основном, за счет взаимодействий с
145

переносом заряда между богатыми электронами ароматическими соединениями
платформы и испытывающими нехватку электронов соединениями бипиридина треноги.
Последующее добавление кислоты к 2 6+ восстанавливает аммониевые центры, и
платформа двигается в обратном направлении на верхний уровень. Такое лифтовое
движение вверх вниз, которое соответствует количественному переключению и может
повторяться многократно, можно контролировать с помощью ЯМР спектроскопии,
методов электрохимии, абсорбционной спектроскопии и флуоресцентной спектроскопии.
Следует отметить, что механическое движение с кислотно-основным управлением
в 2-H 9+ 3 связано с представляющими интерес структурными модификациями, такими как
открытие и закрытие большой полости, и управление положением и свойствами
бипиридиновых ножек. В принципе, такое поведение можно использовать для управления
приемом и выпуском гостевой молекулы – функции, представляющей интерес для
разработки систем доставки лекарственных веществ.
8.5. Молекулярные челноки на солнечной энергии
Искусственные наномашины на химической энергии, описанные выше, не
являются автономными, поскольку, после того как химический ввод инициирует
механическое движение, необходим другой, противоположный химический ввод для
перезарядки, а это значит, что будут вырабатываться побочные вещества - отходы. Тем не
менее, добавление реагента (топлива) не является единственным способом, которым
можно доставить топливо в химическую систему. В самом деле, сама природа показывает,
что в зеленых растениях энергия, необходимая для поддержания жизни, в конечном счете,
поставляется солнцем. Введение энергии в виде фотонов может и в самом деле вызвать
механическое движение за счет обратимых химических реакций без образования отходов.
Как уже было упомянуто выше, использование возобновляемых энергетических
источников для снабжения наномашин энергией вполне целесообразно.
Проектирование и создание молекулярных челноков, снабжаемых только световой
энергией, является, таким образом, интересным и перспективным делом. Так, например,
был специально разработан ротаксан 3 6+ для достижения челночного движения кольца в
растворе за счет воздействия света, рис. 8.10.
Рис.8.10. Химический состав (a) и схематическое изображение (b) ротаксана 3 6+
Эта архитектура собрана из электронного донора, кольца (R), и гантелеобразного
компонента, содержащего несколько соединений: рутениево(II) полипиридиновый
комплекс (P 2+ ), который играет двойную роль энергетической установки и ингибитора p-
146

терфенилового типа (S), 4,4′-бипиридиновый фрагмент (A 1 2+ ) и 3,3′-диметил-4,4′-
бипиридиновый фрагмент (A 2 2+ ) в качестве акцепторов электронов, и тетраарилметановую
группу в качестве второго ингибитора (T). Стабильный переносной изомер ротоксана 3 6+
является образованием, в котором компонент R окружает соединение A 1 2+ , так как эта
станция является лучшим акцептором электронов во всей сложной молекуле.
Стратегия, разработанная для получения движение макроцикла R между
положениями A 1 2+ и A 2 2+ , представленная на рис.9.10, основана на следующих четырех
операциях:
a) под действием кванта света возбуждается фотоактивный фрагмент P 2+ (процесс 1); это
приводит к переносу одного электрона на «станцию A 1 2+ », которая до этого была
окружена кольцом R (процесс 2); при этом фрагмент A 1 2+ восстанавливается до состояния
A 1 1+ ; оба процесса завершаются релаксацией возбужденного окисленного состояния
концевого фотоактивного фрагмента P 2+ → Р 3+ (процесс 3);
b) восстановленный фрагмент A 1 1+ уже слабее взаимодействует с макроциклом по
сравнению с соседним акцептором A 2 2+ , что и является причиной перемещения кольца
(процесс 4) на 1.3 нм влево на рис.8.11. Эта стадия должна завершиться процессом
обратного переноса электрона с A 1
+
(все еще окруженного R) к окисленному соединению
P 3+ (процесс 5) вследствие дестабилизации такого состояния с уходом макроцикла;
c) далее происходит эта «перезарядка» (процесс 6), восстанавливающая исходное
соотношение акцепторной способности частей ротоксана, приводящая, в конечном счете к
возврату кольца на исходное положение.
Рис.8.11. Схема работы ротаксана 3 6+
Спектроскопические исследования в сочетании с электрохимическими,
проведенные в растворе в ацетонитриле, подтвердили, что при поглощении кванта света в
ротоксане 3 6+ происходят рассмотренные выше перемещения. По проведенным оценкам,
доля энергии возбужденного состояния, используемая для движения кольца, составляет
примерно 10%, и система может вырабатывать механическую энергию порядка 3•10 −17 Вт
на молекулу. Низкий квантовый выход челночного перемещения кольца (2% при 30°C)
компенсируется тем фактом, что исследуемая система вобрала в себя следующие черты:
1) она работает от энергии видимого света (другими словами, солнечного света);
2) она демонстрирует независимое поведение, подобно белкам;
3) она не создает отходов;
4) ее функционирование может зависеть только от внутримолекулярных процессов, в
принципе позволяя работать только на молекулярном уровне;
5) ее можно заставить работать при частоте примерно равной 1 кГц;
147

6) она работает в умеренных условиях окружающей среды (т. е. в жидком растворе при
температуре окружающей среды); и
7) она стабильна на протяжении, по крайней мере, 10 циклов.
Хотя система в ее нынешнем состоянии и не смогла выйти на полезную работу при
полном цикле эксплуатации, она показала, что структурная и функциональная интеграция
различных молекулярных соединений в многокомпонентную структуру представляет
собой эффективную стратегию для создания наноразмерных машин. Благодаря своей
модульной конструкции, ротаксан 3 6+ восприимчив к изменениям структуры для того,
чтобы попытаться улучшить его рабочие параметры при использовании в качестве
молекулярного челнока, работающего на световой энергии.
8.6. Молекулярные пропеллеры
Молекулярный двигатель (пропеллер, molecular propeller) – молекула, которая
может перемещать флюиды при вращении благодаря специальной форме, напоминающей
макроскопический пропеллер. Она имеет несколько молекулярных лопастей,
присоединенных под некоторым углом к наноси. Построение таких молекул может быть
основано на различных синтетических приемах, среди которых, выделяется получение
сложных конденсированных ароматических структур, строение которых не может быть
планарным вследствие стереохимических напряжений, рис.8.12.
Рис.8.12. Схема строения молекулярного пропеллера
В качестве оси такого пропеллера группа проф. Краля (Prof. P. Král) использовала
углеродную нанотрубку. Модуляция методами молекулярной механики показала, что
такие структуры могут служить эффективными насосами для перекачивания и
перемешивания жидкости. Их активность в этом отношении зависит от химических
свойств материала пропеллера. Для лопастей, изготовленных из гидрофобных материалов
эффективность перекачки воды оказывается высокой, но для гидрофильных материалов
вследствие сольватации этот эффект сильно ослабевает. Для вращения таких пропеллеров
могут быть использованы молекулярные моторы.
8.7. Молекулярные пинцеты
Молекулярные пинцеты (molecular tweezers) – молекулы (хозяева), которые
способны удерживать молекулы гостя между двух «рук». При открытой полости молекула
гостя связывается с пинцетом нековалентными связями, рис.8.13. Известны примеры
молекулярных пинцетов, сконструированных из ДНК и они называются ДНК-машинами.
148

а
б
Рис.8.13. Примеры строения молекулярных пинцетов
Молекулярный пинцет, предложенный Леном, рис 8.13а, образован двумя
антраценовыми «руками», между которыми может поместиться молекула гостя,
удерживаниясь за счет π-π-взаимодействий с каждой из «рук».
Другой класс молекулярных пинцетов состоит из двух замещенных порфириновых
макроциклов, объединенных амидной связью с варьируемой длиной этой связи. Этот
класс пинцетов обладает потенциальной мобильностью, поскольку параметры пинцета
могут определяться молекулой гостя.
Другая структура молекулярных пинцетов селективно связывает фуллерены и
называется лассо (buckycatcher); она образована двумя связанными фрагментами –
коранулена, повторяющими выпуклую поверхность фуллерена. Константа равновесия
захвата фуллерена-С60 этим пинцетом равна 8600 моль -1 . А. Sygula и сотр. синтезировали
это соединений по достаточно простой схеме:
2
O
+
CH 2 Cl 2
60 o C
92%
O
O
Схема синтеза молекулярного пинцета Sygula A.
8.8. Молекулярные роботы
Хотя сегодня имеются средства для манипуляций отдельными атомами, напрямую
применить эти методы для монтажа полезных веществ в сколько-нибудь заметных
количествах нельзя — слишком много атомов придется "монтировать". Однако
возможностей существующих технологий уже достаточно, чтобы соорудить из
нескольких молекул простейшие механизмы, которые смогут манипулировать другими
149

молекулами и создавать себе подобные устройства или более сложные механизмы. Те, в
свою очередь, смогут изготовить еще более сложные устройства. В конце концов этот
процесс приведет к созданию молекулярных роботов — механизмов, сравнимых по
размерам с крупной молекулой и обладающих собственным встроенным компьютером. В
создании таких молекулярных машин нет ничего фантастического, активные электронные
элементы таких размеров уже получены в лабораторных условиях.
Технология должна быть экономически выгодной, а производство деталей
молекулярных машин с помощью зондовых микроскопов требует гигантских денег.
Поэтому основное требование к молекулярным машинам — научиться воспроизводить
самих себя: как только будут получены первые такие машины, они сразу же начнут
производить свои копии, и микромир машин заживет своей автономной жизнью, не
требуя от нас особых затрат (по крайней мере, так планируют ученые).
Основные усилия брошены на создание так называемого сборщика — машины,
способной собирать другие молекулярные машины. Из опубликованных в открытой
печати проектов наиболее впечатляюще выглядит проект сборщика Xerox Corporation.
Работа сборщика основана на использовании своеобразного молекулярного аналога руки.
Молекулы будут захватываться "рукой", доставляться к определенному месту "сборочной
линии" и прикрепляться точно к нужному атому, наращивая тем самым очередную деталь
производимой на "конвейере" молекулярной машины.
Даже простейший сборщик имеет довольно сложную конструкцию в несколько
миллионов атомов. В качестве реального механизма для получения молекулярных машин
до того, как будет запущен процесс их самовоспроизводства, предложен "эволюционный"
подход, при котором сначала будут синтезированы самые простые детали, которые в
дальнейшем будут использованы для производства более сложных, и так до тех пор, пока
молекулярные машины не станут способны производить другие машины.
Радужные перспективы молекулярных машин — это только половина картины.
Опыт технологического прогресса показывает, что любое техническое достижение будет
прежде всего приспособлено для военного применения. То же самое, видимо, произойдет
и с нанотехнологией. А возможности испортить жизнь "потенциальному противнику" с
помощью молекулярных машин весьма разнообразны: от разведки до разрушения всего
подряд. Из современных достижений "военной мысли" на работу молекулярных
диверсантов больше всего похоже химическое или биологическое оружие (также
действующее на молекулярном уровне).
Основным фактором, сдерживающим развитие наномашин, является вовсе не
сложность их изготовления. Ученые уже умеют собирать атомы и молекулы в
определенные конструкции. Главная сложность состоит в том, что такую машину надо
сначала рассчитать, сконструировать. Моделирование такой конструкции — дело
настолько сложное, что для этого не хватает мощности даже современных
суперкомпьютеров. Дело в том, что на молекулярном уровне уже перестают действовать
обычные законы механики. Вместо этого вступают в действие законы квантовой
механики, которые приводят к совершенно неожиданным последствиям. А любая ошибка
в конструкции может стоить многих лет работы больших научных коллективов. Поэтому
пока основная работа идет над теоретическим обоснованием работоспособности
молекулярных устройств.
Основные работы в области вычислительной молекулярной нанотехнологии
ведутся в лабораториях NASA Ames Research Center и в Material Simulation Center, а также
в Institute for Molecular Manufacturing и Xerox Corporation. По прогнозам ученых, можно
ожидать появления молекулярных роботов лет через десять.
150

Контрольные вопросы
1. Что обозначает термином «молекулярные машины»?
2. Что обозначает подход «нисходящего проектирования»?
3. Перечислите основные положения подхода «восходящего проектирования»?
4. Какие две категории «молекулярных машин» Вам известны?
5. Какие биологические «молекулярные машины» Вы знаете. Принцип их действия
6. Синтетические «молекулярные машины» и принцип их работы.
7. Какие функции выполняют химически управляемые молекулярные челноки и
нанолифты?
8. Каков принцип работы молекулярных челноков на солнечной энергии?
9. Какова схема строения молекулярного пропеллера?
10. Что такое молекулярные пинцеты и их роль в молекулярных машинах?
11. Что вкладывают ученые в понятие «молекулярный робот»?
151

Лекция 9. Методы исследования супрамолекулярных ансамблей
9.1. О концепции токсикологических исследований
Бурное развитие новой отрасли промышленности — нанотехнологии (НТ), т.е.
технологий направленного получения, обработки и использования веществ и материалов в
диапазоне размеров до 100 нм, предопределяет широкие перспективы в производстве
материалов с новыми свойствами, такими, как уникальная механическая прочность,
особые спектральные, электрические, магнитные, химические, биологические
характеристики. Такие материалы могут найти и уже находят применение в
микроэлектронике, энергетике, строительстве, химической промышленности, научных
исследованиях. Уникальные свойства наноматериалов (НМ) и их биологическая
активность могут быть использованы, в частности, для адресной доставки лекарственных
препаратов, борьбы с онкологическими заболеваниями и инфекциями, для целей генной и
молекулярной инженерии, улучшения качества окружающей среды, в
парфюмернокосметической, пищевой промышленности и т. д.
В настоящее время в мире уже более 2000 компаний производят НМ, в том числе
около 200 компаний — НМ, предназначенные для использования в пищевой продукции.
Так, НТ используются для получения более легких, прочных, термически устойчивых и
оказывающих антимикробное действие упаковочных материалов; при обогащении
пищевых продуктов микронутриентами с целью улучшения их биодоступности;
использование наночипов предполагается для идентификации условий и сроков хранения
пищевой продукции и обнаружения патогенных микроорганизмов.
Ввиду того, что в перспективе ожидается значительное расширение ассортимента и
объемов производства НМ, представляется первостепенной задачей увеличение
масштабов воздействия указанных материалов на организм человека и его среду
обитания, изучение вопросов потенциальных рисков их использования. За рубежом
проблема безопасности НМ в настоящее время выдвигается на первый план;
предпринимаются попытки разработать концепцию оценки риска для здоровья человека
при воздействии НМ. Такие исследования проводятся в США, Евросоюзе, а также рядом
международных организаций.
В связи с этим в руководящих документах Роспотребнадзора обосновывается
необходимость развития концепции токсикологических исследований и методологии
оценки риска при получении, использовании и утилизации НМ и продукции НТ. В основе
разрабатываемой концепции лежит системный подход, основанный на особенностях
поведения веществ в наноразмерной форме, возможных путях их поступления в организм
и видах биологического воздействия.
Согласно данным о форме и химическом составе, можно выделить следующие
основные виды НМ: углеродные наночастицы (фуллерены, нанотрубки, графен,
углеродные нанопены), наночастицы простых веществ (не углерода), наночастицы
бинарных соединений, препараты наночастиц сложных веществ. Число известных НМ,
объем производства и область их использования постоянно расширяются. Наночастицы и
НМ характеризуются комплексом физических, химических свойств, а также
биологическим действием, часто радикально отличающимися от таковых этого же
вещества в форме сплошных фаз или макроскопических дисперсий. Данная специфика
НМ определяется известными законами квантовой физики. Можно выделить следующие
физико-химические особенности поведения веществ в наноразмерном состоянии:
увеличение химического потенциала веществ на межфазной границе высокой кривизны.
Большая кривизна поверхности наночастиц и изменение топологии связи атомов на
поверхности приводят к изменению их химических потенциалов. Вследствие этого
152

существенно изменяются растворимость, реакционная и каталитическая способность
наночастиц и их компонентов;
большая удельная поверхность НМ. Очень высокая удельная поверхность (в расчете на
единицу массы) НМ увеличивает их адсорбционную емкость, химическую
реакционную способность и каталитические свойства. Это может приводить, в
частности, к увеличению продукции свободных радикалов и активных форм кислорода
и далее — к поврежде-нию биологических структур (липиды, белки, нуклеиновые
кислоты, в частности ДНК);
небольшие размеры наночастиц и разнообразие их форм. Наночастицы вследствие
небольших размеров могут связываться с нуклеиновыми кислотами (вызывая, в
частности, образование аддуктов ДНК), белками, встраиваться в мембраны, проникать
в клеточные органеллы и тем самым изменять функции биоструктур. Следует обратить
внимание на то, что наночастицы могут и не вызывать иммунный ответ. Процессы
переноса наночастиц в окружающей среде с воздушными и водными потоками, их
накопление в почве, донных отложениях могут также значительно отличаться от
таковых для более крупных частиц;
высокая адсорбционная активность. Вследствие высокоразвитой поверхности
наночастицы обладают свойствами высокоэффективных адсорбентов, т.е. способны
поглощать на единицу массы во много раз больше адсорбируемых веществ, чем
макроскопические дисперсии. Возможны, в частности, адсорбция на наночастицах
различных контаминантов и облегчение их транспорта внутрь клетки, что резко
увеличивает токсичность последних. Многие НМ обладают гидрофобными свойствами
или являются электрически заряженными, что усиливает как процессы адсорбции на
них различных токсикантов, так и их способность проникать через барьеры организма;
высокая способность к аккумуляции. Возможно, что из-за малого размера наночастицы
могут не распознаваться защитными системами организма, не подвергаются
биотрансформации и не выводятся из организма. Это способствует накоплению НМ в
растительных,животных организмах, а также микроорганизмах, передаче по пищевой
цепи, что увеличивает их поступление в организм человека.
Таким образом, совокупность изложенных факторов свидетельствует о том, что
НМ могут характеризоваться совершенно иными физико-химическими свойствами и
биологическим (в том числе токсическим) действием, чем вещества в обычном физикохимическом
состоянии, в связи с чем все они должны быть отнесены к новым видам
материалов и продукции с обязательным определением их потенциального риска для
здоровья человека и состояния среды обитания.
Существующая методология оценки риска основывается на полной
токсикологической оценке конкретного вещества или соединения, определении
зависимости доза — эффект, данных о содержании вещества в объектах окружающей
среды и пищевых продуктах, расчете нагрузки на население, что позволяет рассчитать как
неканцерогенные, так и канцерогенные риски. Однако для НМ вследствие изложенной
выше специфики их свойств данная методология может быть неприменима (или
применима ограниченно) по следующим причинам:
токсичность наночастиц не может быть выведена по сравнению с аналогами в
макродисперсной форме или в виде сплошных фаз, так как токсикологические свойства
НМ — это результат не только их химического состава, но и других
особенностейтаких, как поверхностные характеристики, размер, форма, состав,
химическая реактивность и др.;
имеющиеся токсикологические методологии основаны на определении токсичности
вещества относительно массовой концентрации, что неприемлемо для НМ, для которых
основными определяющими свойствами могут быть величина площади поверхности
или число наночастиц;
153

отсутствуют стандартизованные индикаторы нанотоксичности, которые должны
обязательно учитывать вклад таких характеристик, как поверхностные свойства,
размер, форма, состав, химическая реактивность составляющих их частиц;
отсутствуют надежные данные об органах-мишенях действия конкретных НМ;
методы выявления, идентификации и количественного определения НМ в объектах
окружающей среды, пищевых продуктах и биосредах, которые могли бы достоверно
отличить их от химических аналогов в макродисперсной форме, недостаточно
разработаны;
отсутствуют или недоступны новые базы данных и математические модели,
опирающиеся на достижения биоинформатики и на экспериментальные данные о
токсичности отдельных НМ.
Несмотря на то что НМ используются уже более 10 лет, ни один их вид не изучен в
полном объеме на безопасность ни в одной из стран мира. Вследствие незначительного
количества таких исследований нет возможнсоти точно оценить потенциальные риски
использования НМ. Кроме того, требуется разработка высокочувствительных и
специфических методов обнаружения и идентификации НМ в объектах окружающей
среды, пищевых продуктах и биосредах. В настоящее время в мире разрабатываются
методы определения НМ, основанные на использовании масс-спектрометрии, матричноактивированной
лазерной десорбции/ионизации, электрических и белковых биосенсоров,
радиоактивных, стабильно-изотопных и спиновых меток, электронной микроскопии,
атомно-силовой микроскопии, рентгеновской эмиссионной спектрометрии, квазиупругого
лазерного светорассеяния, высокоэффективной обращенно-фазовой жидкостной
хроматографии, аналитического центрифугирования.
Пути поступления. Считается, что существуют 3 основных пути поступления НМ
в организм человека: ингаляционный, через кожу и пероральный. Возможно, есть и другие
пути (например, через обонятельный нерв непосредственно в мозг).
Распределение. В настоящее время нет надежных и убедительных данных о
распределении наночастиц и НМ по органам и тканям; отсутствуют достоверные данные
по критическим органам. Наиболее изучен ингаляционный путь поступления НМ. При
этом установлено, что некоторые НМ, поступающие с воздухом, в дальнейшем могут
определяться в различных органах и тканях, в том числе в мозге, что не исключает
возможности их проникновения через гематоэнцефалический барьер. Данные об их
распределении по органам и тканям при пероральном поступлении в настоящее время
отсутствуют. Выведение. Возможно, наночастицы могут экскретироваться с мочой, через
желчь, кишечник, с выдыхаемым воздухом. Данные в отношении их выделения с потом и
молоком отсутствуют. Приводим обобщенную схему путей поступления в организм
человека, НМ, их распределения и выведения. Токсичность. Немногие имеющиеся в этом
направлении исследования указывают на то, что НМ могут быть токсичными, тогда как их
эквивалент в обычной форме в этой же концентрации безопасен. Показано, что даже
однократная ингаляция углеродных нанотрубок и наночастиц некоторых других типов
вызывает у экспериментальных животных воспалительный процесс в легочной ткани с
последующей гибелью клеток и развитием фиброза, что, возможно, в дальнейшем
способно привести к раку легких. НМ обладают нейротоксичностью, в том числе, повидимому,
за счет прохождения через гематоэнцефалический барьер, вызывая
окислительный стресс в клетках мозга; кардиотоксичность и гепатотоксичность НМ также
определяются развитием окислительного стресса и воспалительной реакции, что приводит
к гибели клеток и некрозу тканей; имеются сведения о том, что наночастицы могут
неблагоприятно влиять на систему свертывания крови. Данные о влиянии НМ на
генотоксичность, гормональный и иммунный статус, аллергенность, тератогенность,
эмбриотоксичность,мутагенность, канцерогенность в литературе отсутствуют. Наряду с
выяснением токсических свойств рассматриваются также возможности применения НМ в
качестве селективных переносчиков лекарств к органам и тканям. Все больше разработок
154

посвящено изучению так называемой «нанопищи», т.е. возможности использования
некоторых нутриентов (главным образом жирорастворимых витаминов, макро- и
микроэлементов, биологически активных веществ) в виде наночастиц или в комплексе с
инертными НМ-носителями с целью обогащения как продуктов массового потребления,
так и специализированных продуктов питания для профилактики алиментарно-зависимых
состояний у населения. Пока эффективность использования в питании человека
продуктов, содержащих наночастицы пищевых веществ, практически не изучена. Это
обусловливает необходимость оценки биодоступности и усвояемости компонентов
пищевых продуктов, получаемых с помощью НТ.
Схема путей поступления, распределения и выведения НМ в организме человека
Таким образом, токсичность НМ, согласно имеющимся данным литературы,
обусловлена в первую очередь окислительным стрессом и повреждением ДНК, что может
приводить к развитию воспалительной реакции, гибели клеток и некрозу тканей. Нельзя
исключать, однако, и другие механизмы токсичности НМ, связанные, в частности, с
повреждающим действием на клеточные мембраны и органеллы, усилением транспорта
потенциально токсичных компонентов через барьеры организма, а также возможными
генотоксичностью и аллергизирующим действием.
В связи с этим система организации надзора и оценки риска для здоровья
населения НМ должна предусматривать 3 основных блока.
Первый блок включает создание и ведение регистра наночастиц и НМ,
организацию пострегистрационного мониторинга и аттестацию рабочих мест на
предприятиях, занимающихся производством НМ, Федеральной службой по надзору в
сфере защиты прав потребителей и благополучия человека. При этом разработчики и
производители НМ предоставляют методы обнаружения, идентификации и
количественного определения НМ в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и
биологических средах, позволяющие отличить НМ от их аналогов в традиционной, т.е.
макродисперсной форме.
Второй блок включает изучение воздействия НМ на биологические объекты, в том
числе:
155

изучение взаимодействия НМ с липидами, белками, нуклеиновыми кислотами (ДНК,
РНК, клеточными мембранами, рибосомами, ферментами, цитохромами Р-450) в
системах in vitro;
изучение механизмов проникновения НМ через биомембраны, связывания с
мембранными рецепторами в системе in vitro;
изучение изменения характеристик наночастиц (гидрофильности/гидрофобности,
адсорбционных характеристик, способности к образованию ассоциатов) в составе
модельных систем, воспроизводящих различные среды организма (желудочное и
кишечное содержимое, кровь, лимфа, желчь, моча и т.д.);
определение параметров острой, подострой и хронической токсичности,
органотоксичности (нейротоксичность, гепатотоксичность, кардиотоксичность,
иммунотоксичность, нефротоксичность и др.) и отдаленных эффектов (мутагенность,
эмбриотоксичность, тератогенность, канцерогенность), а также распределения НМ по
органам и тканям;
определение параметров I и II фазы метаболизма ксенобиотиков и системы
антиоксидантной защиты;
изучение влияния НМ на экспрессию генов, генотоксичность, апоптоз, протеомный и
метаболомный профили, потенциальную аллергенность;
изучение в моделях in vitro выживаемости пробиотических микроорганизмов
нормальной микрофлоры желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) в присутствии НМ,
процессов всасывания НМ в ЖКТ на моделях in situ и in vivo и определение влияния
НМ на микробиоценоз ЖКТ.
Третий блок включает оценку безопасности продукции, содержащей НМ (такой,
как фильтры для очистки воды, упаковочные материалы, пищевые продукты,
лекарственные препараты и вакцины, парфюмерно-косметическая и хозяйственнобытовая
продукция, дезинфекционные средства, средства защиты растений, ветеринарные
препараты и т.д.), а также оценку эффективности использования в питании человека
продуктов, содержащих наночастицы пищевых веществ, их биодоступности и
усвояемости.
Разрабатываемая система мер по оценке и контролю рисков, связанных с
использованием НМ, служит целям реализации государственной политики в области
охраны здоровья населения, развития инновационной инфраструктуры в сфере НТ,
поддержки проектов создания перспективных НТ и наноиндустрии.
9.2. Центры нанотехнологии в России: направления работы и достижения
Лаборатория синтеза и супрамолекулярной химии фотоактивных соедитенений ЦФ РАН
Заведующий лабораторией: член-корреспондент РАН, профессор по
специальности, док. хим. наук, профессор МИТХТ им. М. В. Ломоносова, профессор
МФТИ Громов Сергей Пантелеймонович.
Состав лаборатории: 7 сотрудников: 1 док. хим. наук, 4 канд. хим. наук, 1 аспирант
и 2 дипломника.
Научные направления:
1. Разработка методов синтеза новых типов непредельных соединений, способных к
обратимой транс-цис-фотоизомеризации, исследование влияния на нее
комплексообразования с ионами металлов, аммония и кукурбитурилами. (Отв.
исполнитель: вед. науч. сотр. А. И. Ведерников.)
2. Разработка синтеза новых типов краунсодержащих непредельных соединений,
исследование их самосборки в присутствии ионов металлов или с участием водородных
связей в супрамолекулярные комплексы и обратимой стереоселективной реакции [2+2]-
фотоциклоприсоединения. (Отв. исполнитель: вед. науч. сотр. А. И. Ведерников.)
156

3. Разработка методов синтеза новых типов краунсодержащих хромо- и
флуороионофоров для оптических хемосенсоров, исследование их комплексообразования с
ионами аммония и катионами металлов, в том числе тяжелых и переходных. (Отв.
исполнители: вед. науч. сотр. А. И. Ведерников, ст. науч. сотр. С. Н. Дмитриева.)
4. Разработка новой стратегии синтеза бензо- и дибензоазакраун-соединений
трансформацией макроцикла бензокраун-эфиров, исследование их комплексообразования с
ионами металлов и аммония. (Отв. исполнитель: ст. науч. сотр. С. Н. Дмитриева.)
5. Разработка методов синтеза производных нафталина трансформацией цикла
производных изохинолина, исследование их флуоресцентных свойств и
комплексообразования с циклодекстринами. Синтез люминофоров на основе комплексов
лантанидов. (Отв. исполнитель: ст. науч. сотр. М. В. Фомина.)
Основные достижения в нанотехнологии “снизу вверх” и супрамолекулярной химии:
1. Создание молекулярного конструктора позволяющего, используя самосборку
комплементарных непредельных и макроциклических соединений, получать
светочувствительные и светоизлучающие наноразмерные системы различной архитектуры
с заданными свойствами (премия РАН им. А. М. Бутлерова, 2006 г.).
2. Конструирование фотопереключаемых молекулярных устройств на основе анион-
“накрытых” комплексов краунсодержащих стириловых красителей (1991 г.).
3. Самосборка фотопереключаемых молекулярных устройств на основе обратимого
стереоспецифического [2+2]-фотоциклоприсоединения краунсодержащих стириловых
красителей (1993 г.).
4. Создание фотопереключаемых молекулярных устройств с использованием
фотоиндуцированной реакции рекоординации в комплексах краунсодержащих
непредельных красителей (1995 г.).
5. Синтез и исследование фотопереключаемых молекулярных пинцетов на основе
сэндвичевых комплексов бисстириловых красителей (1999 г.).
6. Использование супрамолекулярной самосборки для сильной стабилизации комплексов
с переносом заряда, которые предложены в качестве оптических молекулярных сенсоров
(1999 г.).
7. Конструирование фотоуправляемых молекулярных машин на основе комплексов
включения непредельных аналогов виологенов или стириловых красителей в полости
кукурбитурилов (2005 г.).
8. Построение светочувствительных монослоев Ленгмюра-Блоджетт на основе
амфифильных непредельных и макроциклических соединений (2005 г.).
9. Целенаправленное конструирование светочувствительных монокристаллов на основе
непредельных и макроциклических соединений, способных к реакциям
[2+2] фотоциклоприсоединения без их разрушения (2006 г.).
157

Лекция 10. Супрамолекулярная химия в Интернете
Основные принципы поиска научной информации с использованием магнитных
носителей можно разделить на несколько вариантов:
1. Поиск информайции реферативного характера на сайтах:
GOOGLE – содержит общую информацию, включая информацию научного и
популярного характера, а также торговую рекламную информацию;
YANDEX – содержит мало научной, но достаточно популярной информации и
рекламного характера материалы. Позволяет выходить на статьи в открытом
доступе на русском языке. Но тоже выполняет и Google.
158

GOOGLE SCHOLAR специализирован на информации научного характера;
SCIRUS – хорошая (вероятно, - наилучшая,т.е. наиболее полная) база данных
научного характера;
159

PUBMED хорошая бада данных научного характера с акцентом на медиколбиологическое
направление; удобна в пользовании, поскольку просто
определяются материалы, доступные бесплатно в полнотекстовом варианте.
2. Поиск реферативной информации на сайтах издательств, среди которых следует
выделить:
Elsevier
Springer
Blackwel Synergy
Wiley Interscience
Tailor & Francis и др.
Выход на сайты российских издательст мало продуктивен, поскольку если на
сайтах иностранных издательств бесплатно доступна вся реферативная
информация, то рефераты Российских издатьельств почти все платны (за
исключением бесплатно доступных полнотекстовых версий журналов и некоторых
журналов, например, «Журнала структурной химии»). Следует учесть, что на
сайтах иностранных издательств имеются номера для сводобного (бесплатного)
доступа, который в ряде случаев ежегодно сменяются.
3. Поиск реферативной информации на сайтах журналов (иностранных издательств –
Европы и США).
Среди журналов, посвященных тематике супрамолекулярной и нанохимии можно
выделить:
«Российский химический журнал» - Журнал Российского химического общества им.
Д.И. Менделеева; http://www.chem.msu.ru/rus/jvho/welcome.html
«Соросовский образовательный журнал», http://www.netbook.perm.ru/soj.html
«Нано Дайджест», интернет-журнал о нанотехнологиях; http://nanodigest.ru/
160

«Российские нанотехнологии», http://www.nanorf.ru/
«Нано и микросхемная техника» http://microsystems.ru/
«Accounts of Chemical Research», http://pubs.acs.org/journal/achre4
«Supramolecular Chemistry»; http://www.tandf.co.uk/journals/titles/10610278.html
«Journal of Supramolecular Chemistry»
linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1472786202000886
«Molecular and Supramolecular Materials», http://www.icmab.es/icmab/en/dep/mmols
AZoNano.com The A to Z of Nanotechnology (UK), http://www.azonano.com/
«International journal of nanoscience», World Scientific Publishing (USA),
http://www.worldscinet.com/ijn/ijn.shtml
«Journal of nanoparticle research», Springer, http://www.springerlink.com/content/103348/
«Journal of nanoscience and nanotechnology», ASP (USA), http://www.aspbs.com/jnn/
«Nano Letters», Journal, ACS (USA) [e] http://pubs.acs.org/journals/nalefd/index.html
«Nanostructures material», Elsevier (NL)
http://www.sciencedirect.com/science/journal/09659773
«Nanotechnology», IoP Journal (USA, UK), http://www.iop.org/EJ/journal/Nano
«Superlattice and microstructures», Elsevier (NL),
http://www.elsevier.com/wps/find/journaldescription.cws_home/622948/description
4. Поиск сигнальной информации на специализированных сайтах в Интернете
Существут большое число специализированных сайтов в Интернете, в том числе и по
супрамолекулярной и нано-химии. Например, только среди русско-язычных можно
выделить:
Нанометр (Нанотехнологическое общество) http://www.nanometer.ru/
Нанотехнологии (Научно-информационный портал по нанотехнологиям), http://nanoinfo.ru/
NNN (сайт о нанотехнологиях №1 в России), http://www.nanonewsnet.ru%5C/
5. Работа с инфомацией на компакт-дисках – в таком виде распространяется
отечественная реферативная информация; прямой выход на рефераты ВИНИТИ
является платным и может быть оформлен как в индивидуальном плане, так и
организацией.
Контрольные вопросы
1. Какие Вы знаете поисковые системы для научной информации?
2. Какие существую варианты получения полнотекстовых версий научных статей?
3. Какие возможности предоставляют магнитные носители для поиска и хранения
научной информации.
161