Краун-эфиры

Молекулярные контейнеры • Библиотека

Краун-эфиры

Традиционно химики заняты связыванием атомов между собой. При этом обычно атомы скрепляют сильными, так называемыми ковалентными связями. Однако в природе существуют и силы послабее, такие как водородные связи, электростатические и диполь-дипольные взаимодействия, ван-дер-ваальсовы силы.

Они связывают уже не атомы, а целые молекулы.

И возникает заманчивый вопрос, а нельзя ли этот отряд слабых связей также поставить на службу химии? Например, сделать так, чтобы крупная молекула могла с помощью слабых сил удерживать в своих «объятиях» ион или даже другую молекулу? Сегодня химики доказали: это возможно.

Из всех связей наиприятнейшей является связь между хозяином и гостем.
Эсхил, древнегреческий поэт и драматург

Как здание строится из кирпичей, так ткани живых существ состоят из клеток. К примеру, организм взрослого человека искусно смонтирован из 100 триллионов (!) клеток.

Подобно тому как организм состоит из отдельных органов, клетка сконструирована из многих структур, ответственных за питание, размножение, выделение… Она обладает даже «эрудицией» и «умом». Клеточная «эрудиция»? Это хранение большого набора программ целесообразного реагирования на внешние сигналы.

А «ум»? Способность включать соответствующие программы по мере надобности. Что это за программы? Какие биомолекулы в клетке их осуществляют?

Хоровод калия с натрием

Когда-то на нашей планете бурлил Первоокеан. В нём возникли и плавали первые биомолекулы. Однако хитроумной Природе этого показалось мало.

И она в какой-то момент решила собрать биомолекулы в сгустки и создать для них особые искусственные условия существования. Так, должно быть, и возникла первая живая клетка.

Внутри биологической мембраны, которая огораживает пределы клетки, царит особый мир, комфортный для «клеточных» биомолекул.

Что это за условия? В любой клетке ионов калия (К+) всегда гораздо больше, чем ионов натрия (Na+). Вне её всё наоборот: здесь преобладает натрий. Впрочем, вот точные цифры.

В клетке, точнее, во внутриклеточной жидкости, например, эритроцитов человека концентрация калия (в условных единицах) К+ — 92, натрия Na+ — 11. А вне клетки (в межклеточной жидкости, скажем в плазме крови) К+ — всего 5, а Na+ — 152 единицы.

В нервной же клетке (нейроне) неравенство концентраций ещё более ощутимо: К+ — 300, Na+ — 10. Снаружи нейрона напротив: К+ — 22, Na+ — 440.

Какие преимущества это даёт живой клетке? Такое неоднородное распределение катионов щелочных металлов по обе стороны клеточной мембраны создаёт трансмембранный электрический потенциал, как в батарейке. Эта разность потенциалов, её энергия, используется, среди прочего, при передаче информации по нейронам в нервной системе.

Разность концентраций ионов К+ и Na+ по обе стороны мембраны играет ключевую роль не только в проведении нервных импульсов, но и в регуляции клеточного осмотического давления и водно-солевого обмена.

Например, с помощью встроенных в мембраны клеток особых ферментов (К+, Na+ — АТФаз) морские птицы умеют опреснять для себя солёную воду.

Так что вода, попадающая во внутриклеточное пространство, уже пресная.

Таким образом, биомембраны клеток способны отличать ионы калия от ионов натрия, хотя эти ионы имеют близкие размеры и одинаковый положительный заряд. Более того, в мембрану живой клетки как будто встроен и действует особый «насос»: он непрерывно выкачивает из клетки натрий и накачивает в неё калий, организуя особое действо — калий-натриевый обмен.

Проблема активного переноса ионов через биологические мембраны сотню лет волновала умы исследователей. Разгадка пришла примерно полвека назад. Большой вклад в эти исследования внесли советские учёные.

Ионофоры

В 1959 году в Академии наук СССР был создан Институт химии природных соединений АН СССР, возглавил его академик Михаил Михайлович Шемякин (1908–1970).

Сотрудники нового института начали с самого простого — с низкомолекулярных соединений в ткани живого, с изучения того, как антибиотики, витамины и прочие биорегуляторы воздействуют на клетки живого организма, с исследования молекулярных механизмов их действия.

Шемякин раньше других уловил момент оформления новой науки и со свойственным ему темпераментом принялся насаждать её на доступном ему пространстве. В частности, как и учёные других научных учреждений мира, шемякинцы занялись проблемой валиномицина.

Антибиотик валиномицин впервые был выделен из экстракта штамма бактерий Streptomyces fulvissimus австрийским исследователем Г. Брокманом в 1954–1955 годах. А в 1963 году в лаборатории М. М. Шемякина установили химическую структуру этого соединения.

Валиномицин представляет собой депсипептид, свёрнутый в кольцо. Он стал «фирменным блюдом» института, но его успешный синтез доставил советским учёным немало хлопот.

Дело в том, что немецкие химики, устанавливая строение валиномицина, ошибочно решили, что его кольцо содержит не 12, а 8 остатков. Следуя их формуле, шемякинцы получили то, что не имело ничего общего с природным антибиотиком.

Понадобилась интеллектуальная смелость, чтобы предположить ошибку в размере кольца.

Между тем прошло несколько лет, и слово «валиномицин», ранее известное лишь узкому кругу «пептидчиков», внезапно заполонило страницы биологических журналов.

Началось это с открытия способности валиномицина стимулировать перенос ионов калия через биологические мембраны. Вскоре американцы П. Мюллер и Д. Рудин предположили, что валиномицин играет роль контейнера для переноса ионов.

Согласно их гипотезе, ион калия переправляется через мембрану, спрятавшись внутри гораздо большей по размеру молекулы антибиотика.

В короткое время Михаилу Шемякину удалось развернуть в Институте химии природных соединений исследования самых разных аспектов этой проблемы. Изучением закономерностей связи между структурой и функцией валиномицина и родственных ему веществ в той же лаборатории занялся и будущий академик и вице-президент Академии наук СССР Юрий Анатольевич Овчинников (1934–1988).

В те годы Юрий Овчинников занимался синтезом тетрациклинов. И был неприятно удивлён, когда Шемякин предложил ему сменить тему и заняться химией пептидов.

После сложнейших схем синтеза тетрациклинов пептидная химия, в основе которой лежало наращивание полипептидных цепей однотипными аминокислотами, показалась талантливому учёному пресной, малотворческой.

Потребовались долгие уговоры, дискуссии, приведение веских доводов, чтобы убедить Овчинникова и пришедших с ним выпускников МГУ в актуальности, сложности и своеобразии предлагаемой им темы исследований.

Вскоре вслед за валиномицином удалось обнаружить и другие, подобные ему вещества природного происхождения — вкупе весь этот класс соединений получил в науке название «ионофоры».

Благодаря их открытию и изучению был сделан решающий шаг в познании механизмов переноса ионов сквозь биологические мембраны. За большой вклад в эти исследования в 1978 году Ю. А.

 Овчинников и член-корреспондент АН СССР Вадим Тихонович Иванов были удостоены Ленинской премии.

Итоги работы советских учёных докладывались на многих международных конференциях и были суммированы в обзорах и монографии «Мембранно-активные комплексоны» (валиномицин и вообще все ионофоры называли также комплексонами).

Стоит отметить, что лужайку перед главным входом в Институт биоорганической химии АН СССР (ныне — РАН) украшает не бюст какого-нибудь именитого учёного, а скульптурная композиция, изображающая изящную пространственную структуру калиевого комплекса валиномицина.

Примеры валиномицина и других ионофоров, казалось бы, должны были настроить работу химиков-органиков на определённую волну. Разве не заманчиво было бы тотчас заняться синтезом хитроумных «ловушек» не только катионов, но и анионов, и даже молекул?

Увы! Тогда этого не произошло, хотя молекулами с циклической структурой, где могли бы «спрятаться» катион или анион металлов, химиков не удивишь. Природа предоставила немало примеров. Макроциклически построены молекулы хлорофилла, гемоглобинов, цитохромов, витамина B12. Всюду здесь план кольцевой макроструктуры налицо. И в её центре обязательно красуется атом того или иного металла.

Уже знакомый нам валиномицин также представляет собой макроциклическое соединение, скроенное из шести α-аминокислот и шести α-гидроксикислот, соединённых друг с другом попеременно амидными и сложноэфирными связями.

Таким образом, идея макроциклического комплексообразования буквально стучалась в умы исследователей. И, казалось бы, наличествовали научные предпосылки для подобных разработок.

Ощущалась и потребность — такие вещества были остро необходимы (об этом мы ещё будем говорить).

И всё ж требовался случай, неожиданная находка, которая начала бы лавинообразное развитие исследований в данной области, как позднее и случилось.

Золотая жила Чарльза Педерсена

Сын норвежца и японки Чарльз Педерсен родился 1904 году в Корее.

Отучившись четыре года в Дейтоне (США) и год в аспирантуре Массачусетского технологического института (МТИ, США), Педерсен, несмотря на уговоры своего научного консультанта, не остался в МТИ для получения степени доктора философии. Молодому человеку не терпелось начать зарабатывать на жизнь самостоятельно. В 1927 году Педерсен устроился на работу в компанию «Дюпон».

К середине 40-х годов прошлого века Педерсен был уже зрелым специалистом, попробовавшим себя во многих областях.

И его ждало дело всей жизни — открытие краун-эфиров — первых синтетических аналогов природных веществ, осуществляющих перенос ионов щелочных металлов через клеточную мембрану.

Открытие, сделавшее его не только нобелевским лауреатом (1987 год, вместе с Дональдом Крамом и Жан-Мари Леном), но и родоначальником гигантского пласта исследований и открытий.

Свою эпохальную работу Педерсен сделал в 1962 году, однако целых пять лет не спешил публиковаться, а синтезировал всё новые и новые краун-эфиры. В полученных учёным соединениях фигурировали несколько атомов кислорода, связанных мостиками CH2CH2, которые, образуя кольцевую цепь (макроцикл того или иного размера), могут создавать прочные комплексы с ионами щелочных металлов.

В общей сложности Педерсен к 1967 году, моменту первой публикации в журнале Американского химического общества, синтезировал более 60 полиэфиров с числом кислородных атомов от 4 до 20 и размером цикла от 12- до 60-членного.

Похоже, он уже тогда чувствовал, что копает золотую жилу.

Интуитивная прозорливость

Что, собственно, сделал Чарльз Педерсен? Он синтезировал соединение, названное им краун-эфиром за особенность его структуры: она представляла собой пустое внутри и подвижное кольцо из углеродных атомов, связанное через мостики кислородными атомами. Варьируя размер цикла, учёный установил, что краун-эфиры способны избирательно связывать некоторые катионы, помещая их в центр своей «короны».

Тут уместно привести небольшую цитату, она взята из Нобелевской лекции, прочитанной Педерсеном в Стокгольме: «Мои первые действия мотивировались скорее эстетикой, чем наукой. Мне доставляло большое эстетическое наслаждение созерцать построенную компьютером трёхмерную модель структуры…

Какой простой, изящный и эффективный способ улавливания доселе непокорённого катиона щелочного металла! Я принял эпитет «crown» («корона») для первого представителя этого класса, потому что его молекулярная модель выглядела именно так, и с ним катион мог быть коронован и декоронован без какого-либо физического ущерба для обоих».

Теперь подробности того, как было сделано Педерсеном открытие. Исследователь пытался создать ингибиторы (замедлители) аутоокисления нефтяных масел. Намерение было скромным и чисто прикладным. К разочарованию учёного, в результате произведённого им эксперимента образовался смолистый продукт, а вместо ожидаемого соединения выделилось ничтожное количество (

Источник: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431120/Molekulyarnye_konteynery

КРАУН-ЭФИРЫ

Краун-эфиры
статьи

  • Номенклатура краун-эфиров.
  • Свойства краун-эфиров.
  • Получение краун-эфиров.

КРАУН-ЭФИРЫ (от англ.

crown – корона) – крупные циклические молекулы (макроциклы), которые состоят из чередующихся этиленовых мостиков –СН2–СН2– и атомов кислорода. В некоторых случаях часть атомов О заменена атомами N или S.

Форма таких молекул напоминает корону, что и определило их название (англ. crown – корона).

Номенклатура краун-эфиров

Рис. 1. СОСТАВЛЕНИЕ НАЗВАНИЙ ДЛЯ КРАУН-ЭФИРОВ

Свойства краун-эфиров

Формально все краун-эфиры можно отнести к классу гетероциклических соединений, однако необычные свойства таких соединений позволили выделить их в самостоятельный класс, в связи с чем для составления названий были предложены специальные правила.

Название содержит слово «краун», цифра перед этим словом обозначает общее число атомов в цикле, а цифра в конце названия указывает на количество гетероатомов O, N и S (рис.1).

В названии не указывают наличие в цикле атомов О (это подразумевается), но если в цикле есть иные гетероатомы (кроме кислорода), например, азот или сера, то их количество указывают, добавляя к названию приставки ди- или три-, а положение в цикле – с помощью числовых индексов, предварительно нумеруются все атомы в цикле.

Краун-эфиры содержат фрагмент С–О–С, характерный для простых эфиров, а также могут включать фрагменты амина C–NH–C, или тиоэфира C–S–C (см. СЕРАОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ).

Характерное свойство этих классов соединений – образовывать комплексы за счет неподеленных электронных пар кислорода, азота и серы. Это свойство многократно усилено в краун-эфирах из-за большого числа гетероатомов в цикле, к тому же неподеленные электронные пары ориентированы внутрь цикла.

В результате ионы щелочных и щелочноземельных металлов входят внутрь цикла, образуя прочные комплексы. Меняя величину цикла и, соответственно, размер внутренней полости, можно точно настроить краун-эфир на удерживание катиона определенного размера, например, 12-краун-4 (рис.

1) наиболее прочно захватывает катион лития, 15-краун-5 соответствует по размеру катиону натрия, а 18-краун-6 «подходит по размеру» катиону калия (рис. 2).

Рис. 2. КОМПЛЕКСЫ КРАУН-ЭФИРОВ с катионами щелочных металлов (пунктирными линиями показаны координационные связи)

Более наглядно взаимосоответствие внутренней полости цикла и размера катиона можно показать с помощью объемных моделей (рис. 3).

У краун-эфиров склонность к «захвату» катионов выражена настолько сильно, что даже если катион не соответствует по размеру внутренней полости цикла, то все равно оказываются возможными варианты, при которых катион все же удерживаеся.

Например, если катион по размеру много больше внутренней полости, то он может окружить себя двумя молекулами краун-эфира, образуя подобие бутерброда (рис.

4А) если же ситуация обратная, то внутрь молекулы краун-эфира может поместиться два катиона (рис. 4Б).

Подобные комплексы менее устойчивы, чем те, у которых размер катиона точно соответствует величине внутренней полости.

Краун-эфиры открыли новые горизонты в синтетической органической химии, с их помощью оказалось возможным вводить в растворенном виде (т.е. гомогенно), неорганические реагенты в органическую среду.

Например, широко применяемый окислитель перманганат калия KMnO4 практически нерастворим в органических растворителях, но в присутствии 18-краун-6 он легко растворяется в бензоле, приобретая при этом высокую окисляющую способность.

Причина в том, что в водном растворе анионы MnO4–, осуществляющие окисление, окружены водной сольватной оболочкой, а в бензольном растворе они как бы обнажены и потому высокоактивны.

Получение краун-эфиров

При конденсации дихлоралкилов, содержащих в цепи простые эфирны группировки С–О–С, с полиэтиленгликолями протекает циклизация, приводящая к образованию краун-эфира (рис. 5А). В зависимости от длины цепочки исходных соединений получают краун-эфиры с различной величиной цикла.

Азотсодержащие краун-эфиры получают конденсацией диаминов, содержащих эфирные группировки, с хлорангидридами дикарбоновых кислот. В результате получаются циклические амиды, которые затем восстанавливают, при этом карбонильные группы С=О превращаются в метиленовые СН2 (рис. 5Б). Серосодержащие краун-эфиры получают по схеме А (рис.

5), при этом исходные соединения содержат тиоэфирные группировки С–S–С.

Применение краун-эфиров определяется, прежде всего, их избирательной способностью захватывать катионы определенного размера. Наибольшее распространение получили краун-эфиры, содержащие только гетероатомы О.

Их применяют в технологических процессах, связанных с выделением и очисткой солей щелочных и щелочноземельных металлов, в аналитических исследованиях и работах, связанных с синтезом, когда нужно перевести неорганические соединения из водной фазы в органическую среду.

Краун-эфиры обладают противомикробной и противопаразитарной активностью, кроме того, из организма с их помощью выводятся ионы токсичных тяжелых металлов, а также радиоактивных изотопов цезия и стронция.

В радиохимии краун-эфиры помогают решать проблему переработки отходов ядерных производств.

Первый этап – удаление с помощью краун-эфиров из переработанного ядерного горючего наиболее активных изотопов (стронций-90, цезий-137, технеций-99), на этой стадии предпочтительны S-содержащие краун-эфиры, поскольку они обладают повышенной радиационной стойкостью.

Извлеченные изотопы используются затем в установках радиодиагностики, заменяющих рентгеновские аппараты, а также при создании долговременных источников тока для метеостанций, метеозондов и космических аппаратов.

Следующий этап переработки ядерного топлива – извлечение с помощью краун-эфиров (специально подобранного состава) неизрасходованных урана и плутония, после чего объем подлежащих утилизации отходов становятся заметно меньше и к тому же отходы обладают слабой радиоактивностью.

На основе краун-эфиров созданы электропроводящие материалы нового типа (см. ЭЛЕКТРИДЫ).

За развитие химии макрогетероциклических соединений американский химик Ч.Педерсен, фактически создавший новый класс соединений – краун-эфиры, в 1987 (совместно Д.Крамом иЖ.Леном) был удостоен Нобелевской премии.

Михаил Левицкий

Источник: https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/KRAUN-EFIRI.html

Ваш педагог
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: