Что лучше - потоп или метановая катастрофа? Супрамолекулярная химия

Впервые термин «супрамолекулярная химия» был введен в 1978 г. лауреатом Нобелевской премии Ж.-М. Леном и определен как «химия, описывающая сложные образования, которые являются результатом ассоциации двух (или более) химических частиц, связанных вместе межмолекулярными силами». Последующие годы были отмечены взрывообразным развитием этой молодой междисциплинарной науки.

Другое определение: «Подобно тому, как существует область молекулярной химии, основанной на ковалентных связях, существует и область супрамолекулярной химии, химии молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей».

Можно сказать, что «супермолекулы представляют собой по отношению к молекулам то же, что молекулы — по отношению к атомам, причем роль ковалентных связей в супермолекулах играют межмолекулярные взаимодействия».

В 1995 г. книга Ж.-М. Лена «Супрамолекулярная химия. Концепции и перспективы» вышла на английском языке. Русское издание опирается на концептуальное описание супрамолекулярной химии как химии программируемых высокоселективных нековалентных взаимодействий. Ее главными объектами являются супрамолекулярные «устройства» и ансамбли. Устройства определяются как структурно организованные системы, молекулярные компоненты которых обладают определенными электро-, ионо-, фото-, термохимическими и другими свойствами. Описывая простейшие устройства (например, молекулярные провода, переключатели), автор обсуждает пути построения на их основе многофункциональных химических «машин».

К природным соединениям такого рода относится антибиотик валиномицин, за расшифровку структуры которого и другие работы в области мембрано-активных комплексонов Ю. А. Овчинникову с сотрудниками в 1978 г. была присуждена Ленинская премия.

Валиномицин переносит ионы калия по его электрохимическому градиенту; он захватывает этот ион с одной стороны мембраны, диффундирует с ним через бислой и высвобождает его на другой стороне. Зачем это нужно? В любой клетке ионов калия (К+) всегда гораздо больше, чем ионов натрия (Na+). Вне ее преобладает натрий. Что это даёт клетке? Такое неоднородное распределение катионов щелочных металлов по обе стороны клеточной мембраны создаёт трансмембранный электрический потенциал, как в батарейке. Эта разность потенциалов, ее энергия, используется, среди прочего, при передаче информации по нейронам в нервной системе. Таким образом, тот факт, что мы иногда являемся соображающими людьми, есть следствие супрамолекулярной химии.

Клатратная химия — наиболее продвинутая часть супрамолекулярной химии. Клатраты — соединения, образованные путем включения молекул, называемых гостями, в полости каркаса, состоящего из молекул другого сорта, называемых хозяевами, или в полость одной большой молекулы-хозяина. Часто между гостями и хозяевами нет иных взаимодействий, кроме ван-дер-ваальсовых. Как говаривал Эсхил, «из всех связей наиприятнейшей является связь между хозяином и гостем». Название клатраты (от лат. clathratus — «сажать в клетку»), было дано Пауэллом в 1948 году.

Газовые гидраты (также гидраты природных газов или клатраты) — кристаллические соединения, образующиеся при определённых термобарических условиях из воды и газа. Они широко распространены в океанах и криолитозоне материков и нестабильны при повышении температуры и понижении давления. Сейчас природные газовые гидраты приковывают особое внимание как возможный источник ископаемого топлива, а также участник изменений климата. Во всяком случае, при повышении температуры на Земле не столько опасен потоп из-за таяния полярных льдов, сколько метановая катастрофа — высвобождение природных газов из клатратов и превращение Земли в аналог Венеры (температура 447 оС и давление 93 атмосферы).

Вот такая супрамолекулярная химия!

Работает в Центре фотохимии РАН, лаборатория синтеза и супрамолекулярной химии фотоактивных соединений (Москва). Можно почитать: Лен Ж.-М. Супрамолекулярная химия. Концепции и перспективы. Новосибирск: Наука, СО РАН, 1998.