Химики впервые заставили катенаны самособраться в воде

Химики из Техасского университета в Остине и университета штата Техас города Сан-Маркос впервые продемонстрировали самосборку трехмерного органического катенана в водной среде. Подобные структуры иногда встречаются в природе, однако до сих пор ученым не удавалось повторить «естественный» синтез. Результаты работы опубликованы в Nature Chemistry.

Катенаны (от латинского «цепь») — класс химических соединений, состоящих из кольцевых молекул, сцепленных механически. В природе существует несколько примеров подобных структур: они найдены в митохондриальной ДНК «бессмертных» клеток HeLa, а также в лейкозных клетках.Обычно химия катенанов относится к органической: синтезы соединений производятся в различных органических растворителях, да и сами замкнутые молекулы чаще всего являются органическими. Однако любые биологические применения подразумевают преимущественно водную среду, поэтому для синтеза исследователи использовали водорастворимые реагенты.

Химики использовали реакцию конденсации альдегида и сложной производной гидразина (с подробным синтезом прекурсоров можно ознакомиться здесь), в каждой из молекул которых есть по три активных центра. В результате одностадийной реакции, протекающей в кислой водной среде и носящей характер самосборки, образуется сложная трехмерная замкнутая структура с полостью внутри. Структура образована двумя взаимно замкнутыми циклическими продуктами конденсации.

Ученые подтвердили структуру полученного соединения с помощью рентгеновской дифракции, ядерного магнитного резонанса и метода масс-спектрометрии. Высокий выход реакции (отношение практически полученной массы вещества к теоретически возможной) свидетельствует о термодинамической стабильности катенана в воде; этот факт исследователи объясняют гидрофобными эффектами (органические молекулы в полярной воде) и π донорно-акцепторными взаимодействиями (большое количество сопряженных связей).

Для подтверждения гипотезы о кинетической стабилизации катенана в воде ученые провели опыт с добавлением к растворителю ДМСО (диметилсульфоксида, растворителя, неограниченно смешивающегося с водой). Повышение содержания ДМСО приводит к диссоциации катенана на олигомеры, осаждение и повторное растворение которых вновь приводит к образованию замкнутой структуры. Изменение кислотности среды в сторону повышения pH также разрушает структуру катенана.

Исследователи полагают, что изучение сложных молекулярных структур в условиях, имитирующих биологические, позволит лучше понять механизмы образования олигонуклеотидов с нетривиальной топологией, встречающихся в природе.

Евгений Анохин