Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Химики СПбГУ связали супрамолекулярный узел

...воспользовавшись для этого необычным типом галогенной связи.

Схематическое изображение молекул, объединённых в двумерную структуру за счёт «супрамолекулярного узла» из четырёх атомов брома (отмечены красным цветом). Источник: Chemistry — A European Journal.

Обычно химию определяют как науку, изучающую превращения веществ. Например, смешали два бесцветных раствора и получили какую-нибудь цветную жидкость. Химия? Несомненно. Однако если вместо колб и пробирок вы возьмёте мышку и дадите ей кусочек сахара, то происходящие в маленьком грызуне процессы тоже будут «химией», только с приставкой –био. Впрочем, не только химию, но и многие другие традиционные науки можно комбинировать друг с другом самыми разными способами: геохимия, химическая физика и физическая химия или астробиология. Но что тогда изучает такая необычная область, как супрамолекулярная химия, коль скоро химики из города на Неве научились плести затейливые супрамолекулярные узлы?

Представьте, что вы пришли в библиотеку, чтобы почитать, скажем, роман Льва Толстого «Война и мир». Но вместо книги загадочный библиотекарь выдал вам большую коробку с ворохом мелких бумажек, на каждой из которых напечатано лишь по одной единственной букве. По счастью, вместе с вами пришло трое ваших друзей, с энтузиазмом вызвавшихся помочь прочесть произведение. Первый из них берёт из общей кучи буквы и собирает отдельные слова, например, «Безухов» или даже незнакомое Льву Николаевичу слово «электроотрицательность». Он даже может из одного слова составить несколько поменьше, или выложить друг за другом одинаковые слова, насколько хватит букв в коробке. Примерно так очень упрощённо можно представить себе предмет «классической» химии – синтез отдельных веществ и превращение одних молекулы в другие. Другой ваш друг отодвигает в сторону коробку с буквами, но говорит, что знает, что в первой части третьего тома в романе рассказывается о вторжении некоего Наполеона в Россию. В этом случае мы проводим аналогию с биохимией – той части химии, которая изучает сложные процессы в живых организмах, но не может в деталях «увидеть» все процессы на уровне превращения отдельных молекул.

Но остался ещё один друг, который до этого момента скромно молчал. Он, как и первый, берёт из коробки буквы, но собирает не отдельные слова, а уже соединяет слова друг с другом. Например, он говорит, что слово «Пьер» сочетается со словом «Безухов», а «Наташа» с «Ростова», но совсем не с «Бонапарт». Или что словосочетание «старый князь» существует, а вот «армии мнению» – нет. Так вы поняли, что ваш третий друг занимается супрамолекулярной химией. Этот раздел химии изучает не отдельные молекулы, а более сложные системы, в которых молекулы связаны между собой не за счёт химических связей, а с помощью более слабых межмолекулярных взаимодействий. Но именно за счёт этих межмолекулярных связей вещество обретает более сложную структуру и интересные свойства. Также как и отдельные слова объединяются в осмысленные словосочетания в нашей вольной литературной аналогии.

Вернёмся же к супрамолекулярной химии. Несколько десятилетий назад химики ввели в свой химический обиход такое понятие, как «галогенная связь». Ею описывается такой неочевидный на первый взгляд эффект, как притяжение между отрицательно заряженным атомом галогена в одной молекуле и отрицательно заряженным атомом из другой молекулы. Мы привыкли считать, что одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Т.е. условный «минус» отталкивается от «минуса» и притягивается к «плюсу». Однако в молекуле атомы лишь очень упрощённо можно считать точечными зарядами или заряженными шариками. На деле заряд может быть весьма замысловатым образом «размазан» по всей молекуле. Сложная структура распределения электронной плотности в молекулах и даёт своеобразный зелёный свет для не очень обычных, с точки зрения классической химии, взаимодействий между молекулами.

Один из таких вариантов и использовали химики из Санкт-Петербургского государственного университета, для того чтобы связать отдельные молекулы в молекулярный слой. У них получилось создать неизвестный ранее «узел», состоящий из четырёх атомов брома, принадлежащих четырём разным молекулам. Четыре атома брома, несмотря на свой отрицательный заряд, образуют связанную структуру. Двух- и трёхцентровые структуры с участием атомов брома уже были известны, но вот четырёхцентровой узел удалось получить впервые. За счёт таких узлов молекулы самоорганизуются в слой. Т.е. конфигурация узла служит своего рода инструкцией к сборке супрамолекулярной структуры – слоя. Результаты работы группы исследователей опубликованы в журнале Chemistry — A European Journal.

Какое применение может быть у супрамолекулярных структур? Например, с их помощью можно создавать молекулярные контейнеры для доставки в организм лекарственных препаратов, в которых целевая молекула удерживается за счёт таких вот межмолекулярных связей. Другая область применения связана с возможностью самоорганизации таких супрамолекулярных ансамблей. Такие молекулы могут образовывать двумерные структуры вроде того же молекулярного слоя. Самое интересное, что такие структуры можно разбирать и собирать обратно много раз, изменяя, например, внешние условия. Это возможно, поскольку у такого материала меняется не его химический состав – с самими молекулами вещества ничего не происходит, а изменяется то, как молекулы связываются между собой. Возвращаясь к аналогии из литературы, нам пока ещё очень далеко до того, чтобы самим создавать что-то наподобие «Войны и мира», но осмысленно связывать слова мы уже научились.

По материалам Chemistry — A European Journal

Автор: Максим Абаев

Источник: Наука и жизнь (nkj.ru)

Статьи по теме