Еще недавно то, о чем будет сказано ниже, могло казаться лишь фантазией.
С юности мы усваиваем из школьного курса химии, что сернокислый барий в воде практически нерастворим, а бензол не смешивается с водой и всегда образует с ней двухфазную систему, но…
Представим себе, что мы находимся в современной химической лаборатории. Экспериментатор насыпает в стакан сернокислый барий, добавляет к нему обычную дистиллированную воду, немного какого-то белого порошка, и на наших глазах происходит удивительное событие: бариевая соль серной кислоты растворяется в водной среде. Вскоре на дне стакана не остается ни грана соли, раствор становится гомогенным. Экспериментатор берет другой стакан, наливает в него воду, добавляет к ней бензол и мы наблюдаем знакомые два слоя. И снова добавляет в стакан какое-то вещество и опять на наших глазах происходит чудо: два слоя исчезают, образуется гомогенный раствор бензола в воде.
Чудес, конечно, не бывает. Экспериментатор демонстрировал достижения современной химии макроциклов, успешно развивающейся в последние годы. Именно макроциклы позволили провести эти красивые и на первый взгляд таинственные опыты.
В 1955 г. ученый из ФРГ Г. Брокманн открыл новый антибиотик — к валиномицин. Этим веществом занялись в различных лабораториях мира, в том числе и в Москве. В лаборатории академика М. М. Шемякина (Институт биоорганической химии АН СССР) ими занялся молодой сотрудник, будущий академик, и вице-президент АН СССР Ю. А. Овчинников. В 1963 г. была установлена химическая формула валиномицина, а в 1969 г. — его пространственная структура. Оказалось, что это необычное макроциклическое соединение: его молекула устроена так, что представляет собой своеобразную ловушку для иона калия. Валиномицин способен захватывать этот ион в свою внутреннюю полость и сравнительно крепко удерживать его, Кроме того, удалось доказать, что валиномицин способен переносить ион калия через биологические мембраны в организме.
Вещества, подобные валиномицину, относят к группе мембранно-активных комплексонов, или ионофоров, соединений, совершивших переворот в ряде отраслей человеческого знания. Вскоре за валиномицином были найдены и другие подобные вещества природного происхождения: нонактин, эниатин и т. д. Все они представляют собой нейтральные макроциклические соединения, обладающие удивительной способностью эффективно связывать ионы. Сами молекулы таких соединений нейтральны, а вот ионы, включенные во внутреннюю полость молекулы-носителя, удерживаются там благодаря взаимодействию с несколькими полярными группировками, входящими в состав макроцикла. Комплексы, образуемые нейтральными макроциклами с ионами металла, заряжены, но ионы в них экранированы от взаимодействия с растворителем и, противоионами (ионами противоположного знака). Все это придает таким комплексам особые, уникальные свойства: способность растворяться в неполярных растворителях, в первую очередь в жирах, проникать сквозь биологические и искусственные липидные мембраны.
Советская школа химиков — основательница этого нового научного направления. Советские биоорганики, изучающие ионофоры природного происхождения и молекулярные механизмы действия биологических мембран, занимают ведущее место в мире. Благодаря открытию ионофоров сделан новый, принципиально важный шаг в решении на молекулярном уровне сложнейшего вопроса физико-химической биологии — в познании механизма переноса ионов через биологические мембраны. Исследование и применение ионофоров позволили Ю. А. Овчинникову разработать исключительно важную теорию двух механизмов переноса ионов через биологические мембраны: с помощью ионофоров и посредством передвижения ионов по специальным встроенным в мембрану молекулярным каналам. Природа этих каналов сложнее, чем природа ионофоров, но принципы их построения сходны.
За эти выдающиеся фундаментальные открытия академик К. А. Овчинников и член-корреспондент АН СССР В. Т. Иванов были в 1978 г. удостоены Ленинской премии.
Интерес к иоиофорам во всем мире — велик. Современники видят в этом научном направлении одну из важнейших страниц замечательной книги познания самых сокровенных тайн природы. Многочисленные научные лаборатории, объединения, университеты, промышленные фирмы и проектные организации включились а эту работу во многих странах. Как часто бывает в науке, впечатляющие успехи в области изучения ионофоров природного происхождения вызвали у химиков стремление смоделировать эти вещества, попробовать сконструировать модели попроще, но сохраняющие основные черты природных ионофоров. Так возникла химия синтетических макроциклов (макрогетероциклов).
Большинство полученных к настоящему времени синтетических ионофоров принадлежит к одному из двух типов. Первый из них — мапроциклические полиэфиры. Подобные вещества называют краун-эфирами или коронами. Название было дано по внешнему сходству этих веществ со стилизованным изображением короны.
К другому типу синтетических ионофоров относятся макрогетеробициклические соединения, получившие наименование криптандов (от греческого слова, означающего пещеру, тайник).
Сейчас синтетических ионофоров получено очень много, и их число быстро растет, хотя все они в конечном счете либо моноциклы, как краун-эфиры, либо бициклические соединения, как криптанды. Среди них появляются все более сложные структуры — плоды фантазии химических архитекторов и результат работы виртуозов органического синтеза: «корзины», «щетки», «осьминоги» и т. п. (рис. 3).
По устройству молекул и их свойствам краун-эфиры и криптанды похожи на валиномицин и его аналоги, поэтому их можно рассматривать как модели природных ионофоров. Они, конечно, дешевле и проще в изготовлении, хотя преуменьшать трудности их получения не стоит. Только химики конца XX в., вооруженные мощной техникой, могут решать задачи синтеза, изучения Механизма действия и путей применения макроциклов. Синтетическими ионофорами широко занимаются практически в большинстве высокоразвитых стран мира: в СССР, США, ФРГ, Франции, Японии, Польше, Венгрии и др.
Макроциклические ионофоры природного происхождения и их синтетические аналоги широко используют в биологических исследованиях. Они позволяют решать не только важнейшие теоретические, но и чисто практические задачи. Например, на их основе в животноводстве были созданы эффективные добавки к кормам, которые регулируют обмен ионов и таким путем значительно улучшают усвоение корма животными. Некоторые ионофоры оказались мощными пестицидами, высокоспецифичными и не загрязняющими окружающую среду. И здесь их действие связано с влиянием на ионный обмен, на проницаемость биологических мембран.
В последние годы начали вырисовываться новые очень перспективные области применения макроциклов, что вызвало большое внимание к ним не только химической, но и других отраслей промышленности. Их с успехом, применяют для экстракционного и хроматографического разделения ионов металла и солюбилизации солей в органической фазе; для разделения смесей ценных веществ, которые не удается разделить другими методами; для очистки отходов производства; в качестве специфических и высокоэффективных катализаторов, позволяющих значительно понизить затрату энергии на осуществление химических процессов; как новые высокоэффективные и удобные реагенты; для разделения стереоизомеров и воздействия на, пространственную специфичность химических реакций; для создания высокоселективных ион-чувствительных датчиков и получения ионообменных и подобных им материалов.
Даже этот список возможных приложений химии макрогетероциклов впечатляет своей широтой и богатством возможностей. Использование этих реагентов приводит к разработке принципиально новых технологических процессов, а значит — решению таких задач, которые раньше наука не могла решить. Вот лишь несколько примеров.
С конца 90-х годов прошлого века известно, что некоторые реакции, которые как будто должны идти, не проходят из-за пространственных затруднений, из-за неблагоприятного расположения в пространстве реагирующих группировок атомов. Классическим примером такой реакции была реакция омыления (гидролиза) сложного эфира орто-ортодиметил бензойной кислоты. В этом случае метальные группы загромождают пространство около карбометоксильной группы СООСН3, не давая молекулам едкого кали к ней приблизиться, поэтому обычная и типичная для сложных эфиров реакция гидролиза, или омыления, не происходит.
Механизм реакции омыления эфиров довольно сложен, реакция проходит через несколько стадий, в ходе которых образуются ионы, ионные пары. В присутствии же макроциклов эта реакция осуществляется легко, эфир орто-ортодиметилбензойной кислоты омыляется почти со 100%-ным выходом.
Возникает вопрос: почему? Может быть, неверны представления о пространственных влияниях? Ответ прост. В присутствии макроцикла молекулу эфира атакуют несольватированные гидроксильные ионы. Они меньшего размера, чем сольватированные, и поэтому атака удается. Таким образом, удалось обойти пространственные препятствия, уменьшить объем атакующего реагента, Такой же подход можно использовать и в других реакциях. Больше тою, такого типа процессы поддаются математическому анализу!
Окисление органических веществ всегда было сложной задачей. Как правило, эта реакция сопровождается побочными процессами, а отсюда — невыгодность таких технологических операций. А в присутствии макроциклов окисление происходит гладко и почти со 100%-ным выходом — благодаря тому, что макроциклы комплексуют катион, и химическую атаку осуществляет несольватированный анион (в то время как действие сольватированных анионов не специфично и зависит от степени сольватации).
Благодаря использованию краун-эфиров или других макроциклов легче стало получать некоторые фторорганические соединения, что еще недавно было очень сложным делом. Вот схемы двух реакций, ставших возможными только потому, что краун-эфиры захватывают в свою внутреннюю полость ионы калия, и анионы фтора могут атаковать соответствующее вещество (без краун-эфира этот процесс затруднен).
Как видим, огромные возможности макроциклов позволяют создавать принципиально новые химико-технологические процессы.
Теперь, когда читатель получил общее представление об этих необычных соединениях, можно объяснить те «чудеса», с описания которых мы начали свой рассказ. Сернокислый барий растворился в воде потому, что к нему был добавлен краун-эфир, хорошо комплексующий ион бария. Этот ион захватывается во внутреннюю полость молекулы краун-эфира, и образуется ионная пара: роль катиона в ней играет барий вместе с макроциклом, в полости которого он находится («контейнерный» катион), а роль аниона — SO42- . Сам же краун-эфир в воде растворим, благодаря чему растворяется и «контейнерный» катион.
Не обошлось без синтетических ионофоров и во втором примере — с бензолом и водой. Только в этом случае был использован криптанд, обладающий способностью захватывать в свою внутреннюю полость молекулы воды. В бензоле, следовательно, растворялась не сама вода, а своеобразный «пирожок» — криптанд с водяной начинкой.
Другой пример. Если осуществить реакцию обхвата иона натрия криптандом, то образуется сложный катион, который можно назвать «супертяжелым» катионом щелочного металла. Если бы взаимодействующий с ним анион был электроном, то такое соединение можно было бы назвать очень большим «щелочным металлом» с низким потенциалом ионизации. Как показал французский химик Ж. М. Лен, такой «металл» должен обладать сильными окислительными свойствами и иметь почти свободный электрон. В эксперименте было показано, криптанд сильно увеличивает растворимость щелочных металлов во многих органических растворителях (например, бензоле, толуоле). При низкой исходной концентрации растворы содержат катионы и сольватированные электроны, а также свободные лиганды. При дальнейшем растворении электроны исчезают и появляются анионы щелочных металлов (Na—, например), которые можно рассматривать как продукт окисления атома металла сольватированным анионом.
Соли, содержащие катион и анион Na— — это красивые блестящие, похожие на металл, кристаллы золотистого цвета.
В нашей стране работы в области макроциклов идут во многих лабораториях и институтах. На Украине такие работы проводятся в Институте органической химии АН УССР; в Институте физико-органической химии и углехимии АН УССР, в Институте физической химии имени Л. В. Писаржевского АН УССР. Физико-химический институт АН УССР в Одессе — один из центров таких исследований, причем у нас проблемы химии макроциклов составляют главное направление работы института, охватывая все его отделы. Уже сейчас сделано немало нового и интересного как в области синтеза (получение новых краун-эфиров, криптандов и им подобных веществ, изучение их стереохимии и свойств), так и в применении макроциклов на практике. Например, группа наших исследователей во главе с Н. Г. Лукьяненко осуществила «прививку» макроцикла на неорганическую матрицу. К кристаллической решетке неорганического вещества был химически присоединен краун-эфир. Ситуация напоминает гамак, повешенный между двумя деревьями. Такие краун-эфиры оказались хорошими катализаторами многочисленных химических реакций, причем катализаторами многократного действия и к тому же легко регенерирующими.
Заметим, что в этом проявилась аналогия с иммобилизованными ферментами. Нетрудно понять, что такие новые системы составляют основу для оригинальных видов хроматографии, новых типов молекулярных сит и т. д.
Можно без преувеличения сказать, что химия и технология макроциклов — это та новая область знания, возникшая и развивающаяся на стыке ряда наук, которая способна внести принципиальные изменения в самые различные технологические процессы.
Будущее химии макроциклов перспективно. Во-первых, все шире будет развиваться и применяться сугубо теоретический подход к решению задач направленного синтеза ионофоров. Математическое моделирование специфических макроциклов для комплексообразования с ионами и молекулами сейчас делает лишь первые шаги. Учет не только стерических (пространственных), но и электронных факторов позволит значительно продвинуться вперед в этом направлении. Моделирование, в свою очередь, откроет новую перспективу для синтеза.
Во-вторых, исключительно интересны разнообразные Новые возможности применения макроциклов. О некоторых из них говорилось выше. Следует, однако, иметь в виду: то, что сделано до сих пор, — лишь самые первые шаги на пути реального внедрения в науку и технику макроциклов. Макроциклы будут играть ведущую роль в решении разнообразных задач — от создания минимизированных электронных схем до производства лекарств типа «магической пули», доставляемых системой мембранного транспорта к пораженному органу.
В-третьих, для осуществления всех теоретических и практических целей следует ожидать большого развития молекулярного конструирования (молекулярного дизайна) ионофорных структур (в том числе не только циклических) для решения задач комплексирования и переноса ионов и молекул. Расцвет синтеза таких структур на основе молекулярного дизайна и математического моделирования еще впереди.
Автор: А. В. Богатский, академик АН УССР