Молекулярная клетка для хлорид-иона

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.