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

07.08.2020 16:00:00

Планета Проксима b не случайно привлекает пристальное внимание астрономов. Ведь сразу после ее открытия выяснилось, что это почти Земля: массу оценили в 1,3 земных, причем расположена планета в обитаемой зоне, где возможна жидкая вода. Теперь же к расследованию присоединился точнейший спектрограф ESPRESSO.

>>
07.07.2020 18:00:00

…проект ИТЭР по созданию крупнейшего в мире термоядерного реактора прошел важную веху — на место установлено основание криостата, самая большая и тяжелая часть токамака...

…созданы структуры для фотосинтеза, более эффективного, чем природный, — капли размером с клетку, содержащие мембраны хлоропластов шпината и компоненты ферментативного цикла для синтеза органических молекул из углекислого газа…

…каждая третья женщина европейского происхождения имеет «неандертальский» вариант рецептора гормона прогестерона, связанный с повышенной рождаемостью, более редким кровотечением на ранних сроках беременности и меньшим количеством выкидышей…


>>
20.05.2020 18:30:00

Вакцины – какие, сколько и на какой стадии?

Даже когда острая фаза пандемии COVID-19 закончится и меры карантина больше не будут нужны, сам вирус никуда не денется, а продолжит жить среди нас. Самый эффективный способ от него защититься – сделать вакцину.

>>
18.05.2020 19:00:00

Коронавирусы: в семье не без урода

Найдены молекулярные отличия более патогенных коронавирусов от менее патогенных. Пока не вполне ясно, как эти отличия работают. Но возможно ученые смогут понять, почему настолько похожие инфекционные агенты приводят к таким разным последствиям для человека.

>>
13.05.2020 17:00:00

…из-за снижения транспортных потоков во время пандемии коронавируса уменьшились сейсмические шумы в коре Земли; специалисты считают, что это облегчит мониторинг слабых землетрясений, вулканической активности и других сейсмических событий...

…6 марта с мыса Канаверал стартовала миссия Space X CRS-20, которая доставит на МКС 250 пробирок со стволовыми клетками человека; на протяжении месяца они будут развиваться в кости, хрящи и другие ткани в условиях невесомости...

…по мере того как на рынок выходят художественные произведения, разработанные с помощью генеративных алгоритмов и когнитивной робототехники, встает вопрос об авторском праве на них…

>>