Супрамолекулярная химия
дигму так, чтобы новая дисциплина могла найти отклик
не только среди занимающихся непосредственно ею специалистов, но и в
близких (и не очень близких) областях науки. Так произошло и с
супрамолекулярной химией, насколько можно судить по стремительным темпам ее
развития и проникновения в другие дисциплины за последние 25 лет».
По мнению Лена, «…супрамолекулярная химия в том виде, в каком мы знаем
ее сегодня, началась с изучения селективного связывания катионов щелочных
металлов природными и синтетическими макроциклическими и
макрополициклическими лигандами, краун-эфирами и криптандами» [12].
Среди подобного рода природных соединений прежде всего следует указать
на антибиотик валиномицин. Расшифровка его структуры в 1963 г., в которую
большой вклад внесли советские ученые во главе с Ю. А. Овчинниковым [13],
вышла далеко за рамки обычного открытия. Этот циклический депсипептид (он
построен из остатков амино- и оксикислот, соединенных между собой амидными
и сложноэфирными связями) оказался первым среди мембрано-активных
комплексонов, или ионофоров. Такие названия отражают способность этих
веществ давать комплексные соединения со щелочными катионами в растворах и
переносить связанный катион через биологические мембраны. С открытием
ионофоров стала реальной возможность целенаправленного регулирования ионных
потоков в живых системах. За работы в области мембрано-активных
комплексонов Овчинникову с сотрудниками в 1978 г. была присуждена Ленинская
премия [14].
Следующий важный этап в становлении супрамолекулярной химии связан с
открытием Ч. Педерсеном в 1962 г. краун-эфиров [15]. Пытаясь синтезировать
ингибиторы, стабилизирующие нефтяные масла от автоокисления, Педерсен
получил побочный продукт, который сейчас называется дибензо-18-краун-6.
Впоследствии Педерсен синтезировал и изучил примерно 60 макроциклических
полиэфиров с числом кислородных атомов от 4 до 20 и размером цикла от 12-
до 60-членного. Он обнаружил, что краун-эфиры образуют с катионами щелочных
и щелочноземельных металлов прочные комплексы, которые можно выделить в
кристаллическом виде [16].
В 1966 г. Ж.-М. Лен заинтересовался процессами, происходящими в нервной
системе, и задался вопросом: может ли химия внести вклад в изучение этих
высших биологических функций [4]? Электрические процессы в нервных клетках
основаны на изменениях в распределении ионов калия и натрия в клеточных
мембранах. В опубликованных в то время научных работах было показано, что
валиномицин может посредничать при переносе иона калия в митохондрии. Это
навело Лена на мысль, что подходящие искусственно созданные циклопептиды
или их аналоги могут явиться средством изучения распределения катионов в
мембране и их переноса через мембрану. Такие свойства проявляли также и
другие нейтральные антибиотики энниатиновой и актиновой групп, что
объяснялось избирательным образованием комплексов с катионами щелочных
металлов [13]. Однако возникла необходимость синтеза молекул химически
менее активных, чем циклические пептиды. Важную роль для осуществления
такого синтеза сыграло открытие Ч. Педерсена. Краун-эфиры стали
рассматриваться как вещества, в которых сочетаются комплексообразующая
способность макроциклических антибиотиков и устойчивые функции эфира.
В то же время стало ясно, что соединения, имеющие трехмерную
сфероидальную полость, которая целиком охватывает связанный ион, должны
образовывать более прочные комплексы, чем макроциклы с плоской формой.
Работа над этой проблемой началась в октябре 1967 г., а осенью 1968 г. был
получен первый трехмерный аминоэфир, названный Леном криптандом [4] (рис.
2, m=n=1). Сразу же была отмечена его способность прочно связывать ионы
калия, и полученному комплексу была приписана криптатная (клеточная)
структура. Были синтезированы и другие криптаты. Их строение было
подтверждено путем определения кристаллической структуры ряда комплексов
[4] (рис. 3).
Д. Крам обратил внимание на существенный недостаток краун-эфиров и
криптандов, заключающийся в том, что и те и другие недостаточно хорошо
организованы для приема гостевых ионов: их структура как бы сморщена, но
выделить в кристаллическом виде [16]. не расправлена [16, 17] (рис. 4, а,
б). Поэтому при вхождении катиона внутрь полости необходимы энергетические
затраты на ее выравнивание (оптимизацию), и это сказывается на устойчивости
комплекса. Д. Крам решил сконструировать так называемые «молекулы-
контейнеры» с заранее предорганизованной структурой. В результате сложных
многостадийных синтезов в начале 1980-х гг. были получены сферанды и
кавитанды [17] (рис. 4 в, г) – своего рода молекулярные чаши, стенки
которых выложены ароматическими ядрами, а углубления, куда попадает частица-
гость, – кислородными атомами. У этих чаш имеются даже ножки – метильные
группы, связанные с фенильными радикалами. В ходе проведенных исследований
выяснилось, что полученные соединения образуют значительно более устойчивые
комплексы с катионами щелочных металлов, чем краун-эфиры и криптанды. В
чашу кавитанда могут попадать и прочно там удерживаться и небольшие
нейтральные молекулы, такие, как CH2Cl2, CH3CN, SO2.
Следует отметить, что более сложным соединениям присущ также и более
сложный процесс молекулярного распознавания. Если для простых криптатных
комплексов характерно наиболее простое – «сферическое» – распознавание, при
котором играет роль лишь размер сферы, аппроксимирующий субстрат, то для
сложных соединений молекулярное распознавание может быть «тетраэдрическим»
или «линейным» распознаванием, осуществляемым рецепторами разного типа [4].
В последующие годы были изучены все эти многочисленные разновидности
процессов молекулярного распознавания, причем участвующие в процессах
рецепторы принадлежали к самым разным классам соединений (краун-эфиры,
криптанды, сферанды, кавитанды, каликсарены, циклофаны, циклодекстрины,
криптофаны и др.). Как пишет Лен, «... область исследований расширялась,
что привело к осознанию молекулярного распознавания как новой области
химических исследований, которая, поставив в центр внимания межмолекулярные
взаимодействия и процессы в общем, распространившись на целый спектр
смежных областей, выросла в супрамолекулярную химию» [6, 12].
История изучения некоторых типичных объектов супрамолекулярной химии
В историческом контексте первыми изученными объектами супрамолекулярной
химии были соединения включения, названные впоследствии клатратами.
Клатраты – соединения, образованные путем включения молекул, называемых
гостями, в полости каркаса, состоящего из молекул другого сорта, называемых
хозяевами, или в полость одной большой молекулы-хозяина. Часто между
гостями и хозяевами нет иных взаимодействий, кроме ван-дер-ваальсовых.
Термодинамическая устойчивость таких соединений обеспечивается
благоприятной геометрией расположения молекул-гостей в полостях хозяйского
каркаса, вследствие чего слабые межмолекулярные взаимодействия приводят к
выигрышу энергии по сравнению с энергией составляющих исходных компонентов
в свободном состоянии [18]. При этом, как и для обычных химических
соединений, соотношения составляющих компонентов могут быть переменными,
как в случае клатратов гидрохинона с благородными газами, или строго
определенными, как в соединениях мочевины с парафинами и в большинстве
клатратных гидратов.
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 SO2.10H2O. 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
Cl2.10H2O, однако структура данного гидрата была установлена лишь в 1952 г.
М. Штакельбергом и Г. Мюллером [18,19].
Само понятие и термин «клатрат» в его современном толковании были
введены в 1947 г. Г. Пауэллом [20]. На рис. 5 в качестве примера приведена
структура клатратного комплекса тиомочевины с адамантаном 3:1 [21]. К
клатратным комплексам относятся также соединения включения циклодекстринов.
Циклодекстрины – это циклические олигосахариды, молекулы которых
построены из шести, семи или восьми (n=6, 7, 8) d-глюкопиранозных звеньев,
связанных между собой (-1,4- гликозидной связью [22] (рис. 6). Молекулы
циклодекстринов имеют форму усеченного конуса (ведрышка), полого внутри, в
котором по окружности нижнего основания расположены 6–8 первичных OH-групп,
а по окружности верхнего основания 12–16 вторичных ОН-групп [23].
Циклодекстрины были открыты в 1891 г. А.Вилиерсом [24], а первое подробное
описание их выделения опубликовано в 1903 г. Ф.Шардингером [25]. В 1938 г.
К. Фройденберг [18] определил строение циклодекстринов. С тех пор эти
существующие в природе (естественные) рецепторы использовались в различных
целях. Так, Ф. Крамер в 1954 г. впервые показал [26], что циклодекстрины
могут образовывать комплексы включения с широким набором субстратов. Их
роль как катализаторов была изучена И. Табуши и Бреслоу в 1982 г. [27].
Природа взаимодействий между циклодекстрином и «гостем&r
| |  скачать работу |
Супрамолекулярная химия |
