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.

Разные разности
28.01.2023
Милосердный пожар
Команда исследователей из Университета Миссури изучила, как почва после лесного пожара, насыщенная д...
10.01.2023
Лед озадачивает
Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Как выяснили химики, секрет кроетс...
09.01.2023
Пишут, что...
…волнистая рябь на поверхности сосулек связана с наличием примесей в воде, из которой сосулька о...
19.12.2022
Пишут, что...
…бездействующая черная дыра в созвездии Змееносца примерно в 10 раз массивнее Солнца и расположе...