Дизайн и создание молекулярных сосудов

«Дизайн молекулярных гостей, хозяев и их комплексов» - название Нобелевской лекции Дональда Крама. Десятью годами ранее в обзоре «Дизайн комплексов между синтетическими хозяевами и органическими гостями» он привел список указаний (целых восемнадцать!) по рациональному дизайну «хозяев». Среди них наиболее важной, решающей была общая концепция создания структуры лигацда («хозяина»), содержащей жесткую трехмерную матрицу с размещенной на ней системой комплексующих сайтов, организованной так, чтобы они соответствовали связывающим сайтам «гостя». Выбор возможных кандидатов на реализацию и оптимизация их структурных параметров потребовали кропотливой работы с молекулярными моделями. В указанной выше лекции Крам заявил: «С самого начала мы пользовались молекулярными моделями Кори-Полинга-Колтана (КПК), служившими нам компасом в плаваньи без карты по морю потенциально возможных целевых структур. Мы провели сотни часов за строительством КПК моделей потенциальных комплексов и ранжированием их по степени привлекательности как целей исследования».

Среди многочисленных типов «хозяев», разработанных группой Крама, особенно впечатляющими и многообещающими представляются сферанды. В основе этих лигандов лежит система из шести связанных по мета-положениям ароматических ядер, несущих шесть кислородных центров. Неудивительно, что такое расположение донорных центров особенно благоприятно для образования комплексов с неорганическими катионами подходящих размеров. Замечательно при этом, что, согласно данным ренттеноструктурного анализа, конформации свободного сферавда и его литиевых или натриевых комплексов практически идентичны, тогда как во всех ранее описанных случаях подобное комп- лексообразование (например, в краун-эфирах) влечет за собой значительное изменение конформации. В первой публикации в этой области указано: «Таким образом, вся работа по сборке и организации связывающих сайтов этого сферавда перенесена с процесса комплексообразования на синтез лигандной системы, конформация которой упрочнена жесткой опорой». Действительно, именно это обстоятельство послужило главной причиной выбора такой молекулярной системы в качестве первоначальной цели синтеза.

Размер центральной полости и жесткость конформации молекулы делает соединение превосходным «хозяином» для малых катионов, таких, как и но этот лиганд полностью «отвергает» другие катионы в качестве «гостей». Эта селективность воистину беспрецедентна: так, способность связывать Nа+ на 10 порядков величины выше его сродства к К+. Это свойство побудило авторов работы использовать структурную основу соединения для разработки хромогенного лиганда как специфического индикатора на ионы лития и натрия. Этот сферанд содержит в пара-положении к гидроксильной группе дополнительный азо-заместитель в качестве хромофора. Его растворы окрашены бледно-желтый цвет, который при ионизации фенольного гидроксила немедленно изменяется на зеленый и далее на глубокий синий. Прибавление К+, Mg2+ или Са2+ не оказывает заметного влияния на рК соединения. Таким образом, заметное изменение цвета легко происходит, когда в слабощелочной среде приходит в контакт со следовыми количествами Na+ или Li+, способными к образованию комплекса, в то время как ионы К+ никакого влияния на цвет раствора не оказывают. Чувствительность этой цветной реакции поразительна: она позволяет обнаружить катионы первых двух щелочных металлов при концентрациях вплоть до 10-8 М в присутствии других катионов. Это означает, что растворы с концентрацией натриевых солей даже 5 * 10-5 мг/л оказываются слишком грязными для использования этого реагента. Такая чувствительность создает довольно необычные трудности при работе с реактивом. Обычные органические растворители, в том числе СНСl3 или CH2Cl2, хранившиеся в стеклянных сосудах, могут, как оказалось, содержать достаточно ионов натрия для того, чтобы изменять цвет добавляемых к ним следовых количеств. Поэтому приходилось принимать специальные меры предосторожности при работе с этим сферандом, направленные на устранение подобных загрязнений из растворителей и реагентов (между прочим, кому бы раньше могло придти в голову, что хлороформ нужно очищать от примеси . натрия?!), а все операции выполнять только в кварцевой, полипропиленовой или тефлоновой аппаратуре. Очевидно, насколько важным может быть такой сверхчувствительный и строго селективный реагент для аналитической химии. Вот прямой практический результат молекулярного дизайна!