Молекулярная клетка для хлорид-иона

Курамшин А.И.
(«ХиЖ», 2019, №7)

pic_2019_07_10-2.jpg

Так схематично выглядит молекула криптанда — ловушка для хлорид-ионов. В этой клетке, идеально подходящей по размеру, ионы Cl надежно удерживаются благодаря обрамлению — девяти атомам водорода из связей С–Н криптанда

Исследователи из Университета Индианы (США) разработали и синтезировали необычное соединение, с помощью которого можно извлекать хлорид натрия и другие хлориды из растворов, о чем и сообщили в журнале «Science» в мае этого года. Опреснение воды — важная задача для человечества, и авторы этой работы внесли в ее решение свой скромный вклад. Десять лет назад в Университете Индианы уже разработали материал, экстрагирующий хлорид-ионы из воды, но экстракционная способность новой молекулы выше в десять миллиардов раз.

По словам участников работы, если растворить один микрограмм нового вещества в тонне воды, все молекулы этого микрограмма свяжут хлорид-ионы. Соединение-экстрагент, которое в соответствии с правилами номенклатуры называется трис-[(1-бензил-1H-1,2,3-триазол-4-ил)метил]амин, представляет собой криптанд — макрогетероциклическое соединение из нескольких циклов, способное связываться с подходящими по размеру и заряду ионами.

Самый известный хлорид — NaCl, пищевая или столовая соль, которая в больших количествах содержится в морской воде. Однако криптанд-комплексообразователь может связывать и другие хлориды — калия, кальция, аммония.

Рост численности человечества заставляет задумываться об удалении солей из воды, в настоящее время непригодной для питья. Речь идет не только об опреснении морской воды — ежегодно в воду озер и рек из-за промышленных сбросов, аварий на водоочистных сооружениях и обработки дорог противогололедными реагентами попадают сотни тонн водорастворимых солей.

Новый экстрагент хлорид-ионов, синтезированный в Университете Индианы, содержит шесть триазоловых фрагментов — пятичленных циклов, состоящих из трех атомов азота и двух атомов углерода. Триазоловые фрагменты образуют трехмерную клетку, идеально подходящую по размеру хлорид-иону. В 2008 году один из авторов новой работы, Амар Флуд, уже пытался построить ловушку для хлорид-ионов, используя три триазоловых фрагмента. Три дополнительных триазоловых цикла вывели плоскую молекулу в третье измерение, и ее эффективность в связывании хлорид-ионов выросла в 1010 раз.

Еще одна уникальная особенность «триазоловой клетки» в том, что она «подхватывает» хлорид-ион за счет связей углерод — водород. Взаимодействие между атомами водорода связей С–Н и галогенид-ионами ранее считали слишком слабым, и в прежних работах, посвященных связыванию иона Cl, полагались на взаимодействие хлорид-иона со связями N–H. Однако вопреки ожиданиям результаты квантово-химических расчетов и изучение комплекса нового экстрагента с хлоридом натрия с помощью рентгеноструктурного анализа (см. рисунок) показали, что хлорид-иону выгоднее находиться в обрамлении атомов водорода связей С–Н. Эксперименты по переносу хлорид-иона и других ионов из воды в неполярный дихлорметан показали, что константа устойчивости комплекса равна 1017. Новый экстрагент может связывать и другие однозарядные анионы, селективность связывания убывает в ряду: Cl → Br → NO3 → I.

Клетка, захватившая анион, жесткая, и переход между различными конформациями криптанда весьма затруднен. Жесткость позволяет молекуле сохранять форму после принудительного удаления хлорид-иона из клетки (с помощью комплексообразующего агента, который прочно его связывает). Это важный плюс: другие молекулы, способные связывать галогениды, после отрыва аниона «схлопываются», их нельзя использовать повторно. Кроме того, синтез криптанда относительно прост, и он может ингибировать коррозию.



Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 7/2019) на с. 10 — 11.

123

Разные разности

01.12.2020 17:00:00

Когда некий объект, оснащенный искусственным интеллектом, что-то сделал — как ответить на вопрос, вынесенный в заголовок? Оказывается, правильный ответ будет вероятностным и выбор его формулировки зависит от того, в каких выражениях до людей доводят информацию о творениях этого ИИ.

>>
02.11.2020 17:00:00

…в жарких и влажных прибрежных пустынях можно выращивать солеустойчивые сорта овощей, используя для орошения морскую воду и влагу, полученную из воздуха, в оранжереях, которые преобразуют избыточное тепло в электричество…

…создана электронная искусственная кожа, которая реагирует на боль от давления, жара или холода так же, как настоящая кожа человека…

…исследование геномов 18 видов пингвинов позволило реконструировать порядок, время и географические точки их расхождения; установлено, что пингвины возникли в миоцене в Новой Зеландии и Австралии…


>>
30.10.2020 16:00:00

Информационная эра человечества преобразует материю в информацию, и процесс этот идет с пугающей скоростью. О масштабе бедствия помогают судить рассуждения Мелвина Вопсона из Портсмутского университета.

>>
13.10.2020 18:00:00

Первую половину 2020 года астрофизики потратили на поиск объяснения феномена затемнения Бетельгейзе. Успеха, похоже, достигли исследователи из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики.

>>
05.10.2020 16:00:00

…мегалиты, из которых построен Стоунхедж, происходят из леса Вест-Вудс в графстве Уилтшир, расположенного в 25 км к северу от этого археологического памятника…

…свойства позитрония — экзотического атома, состоящего из электрона, связанного с позитроном, — значительно отличаются от теоретических предсказаний, и это может быть признаком появления новых частиц или явлений, выходящих за рамки Стандартной модели…

…возможно, еще один человек на Земле полностью излечился от ВИЧ-инфекции, причем без пересадки костного мозга…


>>