Искривление помогло нанографену раствориться в воде

Химики из Японии и США получили искривленный нанографен, в котором в гексагональную структуру встраиваются дополнительные кольца, состоящие из 5 или 7 атомов углерода. За счет этого у нанографена сильно увеличивается растворимость в воде, что позволяет с помощью него убивать раковые клетки и получать люминесцентные изображения биологических объектов, пишут ученые в Angewandte Chemie.

Среди всех модификаций графена отдельный интерес представляет нанографен — небольшие участки графена, состоящие всего из пары десятков углеродных шестиугольников. Из-за того, что на краях нанографеновых молекул атомы углерода всегда связаны с различными органическими заместителями, такие структуры занимают промежуточное состояние между ароматическими органическими соединениями и одной из неорганических модификаций углерода (похожее положение и у молекул фуллерена, состоящих из относительно небольшого количества атомов углерода, связанных с помощью системы сопряженных двойных связей в единую структуру). Именно благодаря сочетанию возможности модификации органическими функциональными группами с некоторыми физическими свойствами, характерными для «большого» графена, нанографен перспективен, например, для изготовления элементов органических электронных устройств.

Основная проблема нанографена состоит в том, что при получении его из графита очень сложно контролировать точный органический состав молекул, а при синтезе из органических соединений образуются плоские частицы, которые склонны к агрегации и поэтому плохо растворяются в воде, образуя структуры в виде стопок. Именно низкая растворимость в воде, в частности, не дает использовать нанографен для биологических и медицинских приложений, в том числе для получения изображений биологических объектов, а также для фотодинамической или фототермической терапии при лечении раковых заболеваний.

Химики из Японии и США под руководством Кеничиро Итами (Kenichiro Itami) из Нагойского университета предложили для синтеза водорастворимого нанографена получать его не в плоском виде, а в искривленном. Это не дает молекулам в водных растворах сложиться в стопки и агрегировать. Чтобы получить молекулы нанографена в искривленном виде, химики ввели в его структуру циклы, состоящие из нечетного числа атомов. Аналогичным образом устроена и структура фуллеренов, в которых трехмерная молекула формируется из шестичленных и пятичленных циклов.

Для синтеза искривленного нанографена химики использовали реакцию борилирования, с помощью которой сначала получили небольшую молекулу с пятиугольным углеродным кольцом в центре, а после этого — дополнительно увеличили ее, введя в структуру молекулы еще пять семиугольных циклов. В результате ученые получили три модификации искривленного нанографена с различным типом заместителей, один из которых был гидрофильным и увеличивал растворимость соединений в воде.

Полученные гидрофильные молекулы нанографена действительно оказались растворимы не только в органических растворителях, но и в воде. Как и ожидалось, эти водные растворы обладают люминесцентными свойствами, поглощая в ультрафиолетовой части спектра и излучая в видимом диапазоне. Чтобы показать, что эти молекулы действительно можно использовать для биомедицинских приложений, ученые использовали их для получения микрофотографий раковых клеток линии HeLa с помощью конфокальной микроскопии, а также проверили возможность использования полученных углеродных молекул для фотодинамической терапии. Оказалось, что в достаточной концентрации (более одного микромоля на литр) при облучении лазером частицы нанографена приводят к гибели раковых клеток.

Ученые надеются, что в будущем такой искривленный водорастворимый нанографен будет широко использоваться для биологических и медицинских применений, в частности для создания фоточувствительных сенсоров, для фотодинамической и фототермической терапии при лечении раковых заболеваний.

Именно наличие пятиугольных граней в усеченном икосаэдре делает возможным существование объемной молекулы фуллерена C₆₀. Такую же геометрию имеет, например, футбольный мяч. Интересно, что на дорожных знаках в Великобритании для обозначения стадиона используют символ футбольного мяча, состоящего только из шестиугольников, который с точки зрения геометрии невозможен. А фуллерен состава C₅₀, несмотря на слишком большое количество в своей структуре пятичленных циклов, обладает свойствами частичной ароматичности, которая делает молекулу устойчивой.

Александр Дубов