Молекулярні «гарбузи», що захоплюють молекули й пришвидшують реакції

Коротко:

• Кукурбітурили — порожнисті молекули у формі гарбуза, здатні захоплювати інші молекули всередині.
• Усередині кукурбітурилу гнучкі молекули набувають форми, яка зближує їхні реактивні частини.
• Такі молекулярні «пастки» можуть пришвидшувати реакції утворення кілець до 10 000 разів і діяти як каталізатори.

Хитрість чи частування? У нашій лабораторії Хелловін триває щодня, адже ми працюємо з крихітними молекулами у формі гарбуза, які називаються кукурбітурилами. Замість цукерок вони можуть захоплювати всередині себе інші молекули! Чому це цікаво? Деякі молекули можуть замикатися в кільця лише тоді, коли вони згинаються так, щоб їхні кінці зблизилися, але зазвичай вони надто гнучкі, щоб зробити це самостійно. Коли такі молекули ховаються всередині наших «молекулярних гарбузів», їх м’яко стискає до ідеального положення, у якому потрібні частини можуть прореагувати й утворити кільце — іноді в тисячі разів швидше, ніж коли молекула вільно перебуває в розчині. Вивчаючи цю особливу хитрість захоплення, ми вчимося перетворювати повільні реакції на швидкі та ефективні, даючи науковцям нові методи створення функціональних молекул у чистіший та інноваційніший спосіб.

Створення молекул: чому форма має значення

Хіміки — це молекулярні архітектори: вони проєктують і створюють молекули, які використовують у ліках, матеріалах, паливі та технологіях. Але створити потрібну молекулу не завжди легко. Подібно до будівельних блоків, молекули мають певні місця, де вони можуть з’єднуватися. Їх називають реактивними частинами. Коли реактивні частини утворюють нове з’єднання, яке називається хімічним зв’язком, молекула реагує й перетворюється на нову молекулу. Однак деякі молекули гнучкі, наче крихітні шматочки мотузки, тому їхні реактивні частини не завжди зближуються та правильно вирівнюються. Тож хіміки шукають хитрі способи спрямувати молекули до форм, потрібних для з’єднання цих частин. У цій статті ми покажемо, як молекули у формі гарбуза можуть допомогти розв’язати цю проблему.

Знайомтеся: молекулярні гарбузи!

У нашій хімічній лабораторії Хелловін триває цілий рік, але гарбузи, які ми наповнюємо, призначені не для цукерок, а для молекул. Ці особливі гарбузи називаються кукурбітурилами [1]. Кукурбітурили (CB) отримали таку назву, бо їхня форма нагадала хімікам гарбузи, які належать до родини гарбузових (Cucurbitaceae). У лабораторії їх уперше створили понад 100 років тому, у 1905 році, але їхню структуру повністю зрозуміли значно пізніше — у 1981 році, коли вони й отримали цю назву. Хіміки часто описують їх як такі, що мають форму гарбуза, адже вони круглі, порожнисті та мають отвори зверху й знизу (рисунок 1A), трохи нагадуючи вирізані гарбузи. Тому ми часто називаємо їх молекулярними гарбузами.

![Наукова схема будови кукурбітурилу. На панелі A показано молекулярний вигляд CB збоку та згори. На панелі B зображено повторювану хімічну одиницю CB і різні розміри CB[5 , CB[6 та CB7 зі схематичними й молекулярними виглядами згори.

CB можуть мати різні розміри, які позначають числом у квадратних дужках, наприклад CB[5], CB[6], CB[7] або CB[8]. Це число показує, скільки повторюваних одиниць, або будівельних блоків, утворюють молекулярний гарбуз (рисунок 1B). Наприклад, CB[7] складається із семи повторюваних одиниць, тому розмір його порожнини є проміжним між меншою CB[6] і більшою CB[8].

CB також мають моторошну здатність: вони можуть захоплювати інші молекули всередині себе, наче відерце у формі гарбуза для збору цукерок на Хелловін. У науці це називається хімією «гість — господар» [2]: CB є господарем, а захоплена молекула — гостем. Більші CB можуть захоплювати більших гостей, тоді як менші вміщують маленьких гостей.

Але чому вони взагалі захоплюють молекули? Тому що крихітні простори можуть змінювати поведінку молекул…

Виклик: допомогти молекулам утворювати кільця

В одній особливій реакції, яку ми вивчаємо, молекула має зігнутися й скрутитися так, щоб два її реактивні кінці, з’єднані ланцюгом, зустрілися й утворили нове кільце. Ця реакція допомагає хімікам створювати важливі кільцеподібні молекули, які містяться в багатьох ліках, природних продуктах і корисних матеріалах. Але згинання до потрібної форми потребує енергії, тому багато молекул не набувають необхідної форми легко. Натомість вони тримають свої реактивні кінці далеко один від одного й залишаються нереактивними.

Уявіть опудало, яке стоїть у полі. Його руки — наші реактивні кінці — широко розведені. Саме так зазвичай виглядають наші вільні молекули в розчині (рисунок 2). Щоб реакція відбулася, ці «руки» мають поплескати одна об одну, але спонтанно це трапляється рідко. Найчастіше вони залишаються розведеними. Якщо ми зможемо допомогти цим реакціям відбуватися швидше й легше, то, можливо, зможемо ефективніше створювати цінні молекули. Тож як допомогти нашому опудалу поплескати в долоні? Ми поміщаємо його в молекулярний гарбуз!

Хитрість

Коли молекула входить у CB, їй потрібно зігнутися, щоб пройти крізь маленький отвір і поміститися всередині порожнини. Її «руки» — реактивні кінці — зближуються, а саме це й потрібно для реакції!

Усередині CB молекула утримується саме в такій формі, яка потрібна для реакції (рисунок 3). Коли вона набуває цієї особливої геометрії, реакція відбувається до 10 000 разів швидше. Це все одно що перетворити повільне повзання на блискавичний спринт! Отже, гарбуз не виконує реакцію сам. Він лише трохи підштовхує молекулу до правильної форми, у якій реакція може відбутися.

Чому молекули люблять заходити всередину CB?

Ми проводимо експерименти у воді, але багато молекул, з якими ми працюємо, не люблять воду. Вони воліють уникати її й залишатися сухими. Внутрішня частина CB — це простір, який не любить воду (це називається гідрофобністю, що буквально означає «страх води») [3]. Тому, коли гідрофобна молекула помічає цей ідеальний сховок, вона швидко пірнає всередину, щоб утекти від навколишнього водяного моря. Усередині молекула залишається сухою, а також м’яко підштовхується до правильної форми для реакції: її два реактивні кінці зближуються, і реакція пришвидшується.

Наука за цією хитрістю

Тепер, коли ви знаєте, що відбувається, ми розповімо, чому це відбувається.

Подумайте про свою кімнату. Перед грою вона має ідеально охайний вигляд: кожна іграшка лежить у своїй коробці. Але після деякого часу гри іграшки опиняються всюди: на підлозі, під ліжком, між ковдрами. Є багато способів зробити кімнату безладною, але мало способів утримувати її охайною. Слово, яким називають ці можливі розташування та пов’язаний із ними порядок або безлад, — ентропія [4]. Охайна кімната має нижчу ентропію, а дуже безладна — вищу.

Наші молекули поводяться подібним чином. У розчині вони вільно скручуються й розтягуються. Це їхній стан «безладної кімнати». Їм подобається мати простір і бути гнучкими, наче наше опудало, яке радісно широко розкинуло руки. Але щоб реакція відбулася, молекула має зберігати певну форму: її дві реактивні «руки» повинні зблизитися. Досягнення цієї конкретної форми потребує енергії, адже молекула має відмовитися від багатьох можливих форм. За аналогією з кімнатою це схоже на прибирання: способів розташувати все охайно менше, ніж способів створити безлад. Тому більшість часу молекула обирає простий варіант: залишатися розтягнутою і, отже, нереактивною.

Саме тут гарбуз розкриває свою хитрість захоплення.

Коли молекула протискається в CB, у неї раптом стає набагато менше простору для руху, і вона може набути лише кількох форм. Гарбуз утримує реактивні кінці ближче один до одного, допомагаючи молекулі досягти ідеальної форми для реакції. Іншими словами, гарбуз допомагає молекулі «навести лад», завдяки чому реакція відбувається в тисячі разів швидше.

Ця ідея називається ефектом Цирцеї — на честь Цирцеї, чаклунки з давньогрецької міфології, яка запрошувала гостей до свого дому й перетворювала їх, коли вони опинялися всередині. Наш CB робить щось подібне на молекулярному рівні: захоплює гнучку молекулу у своїй порожнині й утримує її у формі, яка краще підходить для реакції.

Завдяки цій хитрості захоплення молекула, яка зазвичай відмовляється реагувати, стає швидкою, ефективною та готовою до реакції — і все це всередині крихітного молекулярного гарбуза.

Зазирнімо до лабораторії

Звідки ми знаємо, що все це відбувається? У нашій лабораторії ми використовуємо спеціальні інструменти, які допомагають «побачити», що роблять молекули в розчині, хоча вони надто малі, щоб бути видимими неозброєним оком. Один із таких інструментів називається спектроскопією ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Її можна уявити як надпотужний сканер відбитків пальців молекул. ЯМР допомагає побачити, чи є молекула вільною у воді, захопленою всередині CB або вже прореагувала.

Коли реакція відбувається поза гарбузом, вона дуже повільна — іноді настільки, що продукт неможливо виявити за прийнятний час за допомогою ЯМР. Але щойно ми додаємо CB, усе змінюється. Ми можемо виявити нові сигнали, які показують, що молекула увійшла в порожнину CB і прореагувала, утворивши потрібний продукт. Те, на що раніше були потрібні тижні або місяці, тепер може відбутися лише за кілька годин!

Найкраще те, що молекулярний гарбуз не витрачається. Допомігши одній молекулі прореагувати, CB може вивільнити новий продукт назад у воду, а потім допомогти іншій молекулі, і наступній. Речовини, які пришвидшують реакції, не витрачаючись, називаються каталізаторами.

Чому це важливо: хитрощі природи в нашій лабораторії

Природа вже має власні суперкаталізатори: ферменти [5]. Ферменти — це особливі білки в нашому організмі, які пришвидшують реакції, не витрачаючись самі, утримуючи молекули саме в потрібному положенні — так само, як це роблять наші CB.

Вивчаючи молекулярні гарбузи, ми вчимося наслідувати ферменти за допомогою простих синтетичних контейнерів. Це не лише покращує наше розуміння природних систем, а й допомагає хімікам проєктувати кращі реакції, створювати нові молекули та матеріали ефективнішими способами.

Отже, хитрість чи частування? Із CB ми отримуємо і те, і інше: хитрість наслідування ферментів і частування у вигляді утримування молекул усередині наших синтетичних зачарованих гарбузів, де їхні реактивні частини зближуються в потрібному положенні, щоб з’єднатися й утворити кільця набагато швидше.