Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

На самом деле Шарплесс, формулируя перечисленные выше требования, имел в виду не всю химию вообще, он мысленно ориентировался на биохимические исследования. Особую ценность найденной реакции придает то обстоятельство, что азиды и триазолы (участники клик-реакции) не встречаются в живых организмах и инертны к веществам, которые присутствуют в биологических средах. Поэтому если в природную молекулу ввести ацетиленовый фрагмент – С≡СН, то органический азид N₃–R будет присоединяться исключительно к этой определенной молекуле. При этом присоединившийся азид может содержать метку: например, такую, которая флуоресцирует в ультрафиолетовом свете. Специалисты по клик-реакциям называют подобные «довески» молекулами-репортерами, которые позволяют следить за объектом и при этом не нарушают идущие в нем процессы (в отличие от обычной жизни, где различные репортеры иногда мешают какому-нибудь мероприятию ☺).

В результате клик-реакции нашли множество применений: зондирование и ингибирование ферментов, наблюдение за синтезом протеинов и ДНК, прикрепление флуоресцентных меток к вирусам и многое другое.

Тем не менее найденный метод, превосходно «работающий» на препарированных образцах, оказался непригоден для изучения живых организмов, поскольку катализаторы – соединения Cu⁺ – токсичны. Эту трудность удалось преодолеть; оказалось, что если изменить строение реагента, содержащего ацетиленовый фрагмент, например ввести – C≡C- в состав восьмичленного углеродного цикла, то клик-реакция протекает столь же быстро и однозначно без катализаторов (рис. 6.7).

В результате появилось направление «клик-химия без меди» (Copper-free Click Chemisty). В настоящее время созданы крупные базы исходных реагентов для клик-реакций, содержащих фрагменты аминокислот, нуклеотидов, флуоресцентных красителей. Все это позволяет направленно модифицировать биологические объекты и наблюдать за их превращениями в клетках.

Клик-реакции «вошли» также в полимерную химию, в этом случае присутствие каталитических ионов меди уже не было препятствием. При взаимодействии молекул, содержащих по две реагирующие группы (две азидных и две ацетиленовых группировки), образуются полимерные молекулы. Это особый способ формирования полимерных цепей, отличающийся от традиционных, таких как полимеризация кратных связей или поликонденсация, которая сопровождается выделением побочных продуктов, а при использовании клик-реакции побочные продукты отсутствуют (рис. 6.8).

Если каждый исходный реагент содержит не две, а три реагирующие группы, то их взаимодействие приводит к образованию сшитой полимерной сетки (рис. 6.9).

Попутно выяснилось, что в качестве катализатора можно использовать также металлическую медь. Благодаря этому скорость образования сшитых полимерных цепей можно весьма эффектно продемонстрировать: на торцевую поверхность медного цилиндра наносят азидсодержащий реагент, а на торец второго цилиндра – ацетиленсодержащий, затем торцы плотно соединяют. Склеивание происходит почти мгновенно, а получающийся шов необычайно прочен.

Если в прежние годы имя Шарплесса связывали с асимметрическим катализом окисления, то в настоящее время Барри Шарплесса и Валерия Фокина называют создателями клик-химии.

Создать главу в химической науке

Из предыдущего раздела вы узнали, как возник новый раздел в химической науке – клик-химия (click-chemistry), но это не единственный пример того, как «увенчанный лаврами» ученый добивается очередного успеха.

Французский химик Жан-Мари Лен (рис. 6.10) получил прекрасную научную подготовку. Защитив в Страсбургском университете диссертацию (1963), он год стажировался в лаборатории Р.Б. Вудворда (нобелевский лауреат 1965 г.) в Гарвардском университете, где принял участие в выдающемся предприятии Вудворда – знаменитом синтезе витамина В₁₂.

Кроме того, он прослушал курс квантовой химии и выполнил первые вычисления под руководством Р. Хоффмана (лауреат Нобелевской премии 1981 г.). Можно сказать, что два нобелевских лауреата подготовили нового будущего обладателя этой премии.

Солидный багаж приобретенных знаний сделал Лена специалистом, который мог сочетать знание органической и квантовой химии и физических методов исследования. Предстояло лишь найти точку приложения накопленного научного потенциала.

Емкости для ионов