Как управлять материей на молекулярном уровне

Технологический прогресс, основанный на достижениях прежде всего физики — фундамент развития человеческой цивилизации. От открытия колеса к созданию паровых двигателей, двигателей внутреннего сгорания и автомобилей, от открытия электричества к созданию компьютеров, человечество шло по пути понимания и использования законов природы. Все эти открытия формировали этапы развития технологической цивилизации. Сейчас человечество находится на этапе, связанном с развитием нанотехнологий — способов управления материей на молекулярном уровне. Достижения в этой области определяют, в частности, и современный цифровой мир.

Технологическое развитие цивилизации основано, конечно, на успехах физических и инженерных наук, но не следует забывать, что за каждой новой технологией стоит химия как способ конструирования и изучения новых веществ и новых материалов. А многие из достижений химии основаны на исследованиях процессов, протекающих в живой природе, поэтому вдохновение, подчерпнутое у молекул жизни, может стать основой новых технологий.

Одно кольцо, чтобы править всеми

Белки, липиды и углеводы как строительные материалы и энергоносители клеток и живых тканей, а также нуклеиновые кислоты — хранители и переносчики генетической информации — это известные из школьных биологии и химии важнейшие классы органических молекул, на которых базируется функционирование всех живых существ. Однако перечень молекул жизни будет неполным без еще одного семейства веществ — порфиринов.

Само это слово, происходящее от греческого πορφυρα — пурпурный, не на слуху, хотя представители порфиринов также хорошо известны. Прежде всего, это содержащие магний зеленые пигменты растений — хлорофиллы, вещества, играющие одну из ключевых ролей в процессе фотосинтеза. Другой пример — содержащий железо красный пигмент крови — гем b. В составе белка гемоглобина гем переносит кислород, а в составе других белков — цитохромов — гем отвечает за важные процессы метаболизма. Содержащий кобальт витамин В12 действует как переносчик групп между молекулами органических веществ в биосинтезе, его недостаток в организме вызывает тяжелые анемические заболевания.

Общий структурный фрагмент всех этих соединений — это макрокольцо, состоящее из четырех пиррольных групп — собственно, порфирин, также называемый тетрапиррольным макроциклом, а в центре этого кольца располагается атом металла. В молекуле витамина B12 тетрапиррольное кольцо немного модифицировано, но тоже вполне узнаваемо. Несмотря на такое структурное родство, функции порфиринов в природе очень разнообразны, именно это разнообразие и стало источником вдохновения для химиков, использующих тетрапиррольную платформу для создания новых материалов и технологий.

Непростое украшение

Создание материалов на основе тетрапирролов включает как синтез непосредственно макроциклов, так и получение комплексов, в том числе и с металлами, которые не нашли применения в живой природе — сейчас известны порфириновые комплексы практически со всеми металлами периодической таблицы, вплоть до радиоактивных трансурановых элементов. Некоторые из полученных химиками соединений представляют чисто фундаментальный интерес, но ряд веществ используется в уже существующих технологических процессах или может стать основой новых технологий. Среди таких соединений особое внимание привлекают синтетические аналоги порфиринов — фталоцианины.

Образование этих соединений как яркоокрашенных примесей в синтезе производных фталевой кислоты наблюдали различные исследователи, однако никто не придавал им внимания, пока сотрудники компании Scottish Dyes Ltd, занимавшейся получением пигментов, не разглядели в этих красивых темно-синих веществах коммерческий потенциал. К 1928 году были разработаны методы получения, выделения и использования таких пигментов, и хотя их химическое строение оставалось неизвестным, эти технологические процессы были запатентованы. Но по-настоящему химия фталоцианинов начала развиваться лишь в 1934 году, когда ею занялся британский исследователь сэр Патрик Линстед, который установил их структуру и отметил ее удивительное сходство со строением природных порфиринов. Он же и предложил название этого нового класса соединений, соединив греческие корни ναφθα — нефть и κυανος — темно-синий.

Фундаментальное свойство всех порфиринов и их производных, отраженное даже в их названиях — яркая окраска, именно это свойство определяет использование тетрапирролов в качестве светочувствительных компонентов в самых различных областях. Так, фталоцианины относятся к наиболее важным синим и зеленым пигментам для окрашивания текстиля, кожи, стройматериалов и т. п., а названия комплексов меди «фталоцианиновый синий» и «фталоцианиновый зеленый» закреплены за строго определенными цветами. По объемам ежегодного производства с фталоцианинами как с продуктами промышленного органического синтеза могут соперничать разве что полимеры.

Другие области применения тетрапирролов основаны на процессах, которые происходят после того, как молекулы вещества получат энергию от квантов света и перейдут в так называемое возбужденное состояние. Находясь в этом состоянии, молекулы могут отдавать электроны другим молекулам — акцепторам, и при определенных условиях движение электронов в таких системах становится привычным нам электрическим током. Это свойство роднит синтетические тетрапирролы с их природными предшественниками — хлорофиллами. Разница лишь в том, что при фотосинтезе энергия Солнца конвертируется в энергию химических связей, а синтетические порфирины используют в качестве компонентов солнечных батарей, использующих свет для получения электроэнергии.

Наконец, способность тетрапирролов переносить энергию возбуждения на другие молекулы лежит в основе применения этих соединений в качестве фотосенсибилизаторов в фотодинамической терапии — методе лечения, введенном в стандарты медицинской помощи при лечении ряда онкозаболеваний в России. Принцип применения основан на том, что поглотившая свет молекула сенсибилизатора переносит приобретенную энергию на молекулу кислорода, переводя его в реакционноспособную форму — так называемый синглетный кислород. Некоторые тетрапирролы при введении в организм имеют склонность накапливаться в раковых клетках, поэтому облучение светом опухоли, накопившей такой фотосенсибилизатор, приводит к гибели раковых клеток из-за их повреждения синглетным кислородом. Следует отметить отечественные разработки в этой области — применяемые в клинической практике фотосенсибилизаторы порфиринового ряда, например, Фотодитазин и водорастворимый фталоцианинат алюминия — Фотосенс.

По аналогичному принципу возможно использование тетрапирролов для фотоинактивации патогенных микроорганизмов, в том числе и антибиотик-резистентных. В настоящее время эта актуальная тематика активно развивается во всем мире, в ИФХЭ РАН поиск новых эффективных фотосенсибилизаторов и изучение молекулярных механизмов их воздействия на патогенные микроорганизмы ведутся при поддержке Российского научного фонда под руководством члена-корреспондента РАН Юлии Горбуновой (грант №19-13-00410).

Наконец, порфирины и фталоцианины можно использовать для получения других веществ по аналогии с метаболическими процессами с участием гема и витамина B12. Одна из таких возможностей уже реализована в промышленном масштабе — фталоцианинат кобальта используют в мерокс-процессе — окислении кислородом серосодержащих соединений для их удаления из нефтепродуктов.

Когда сумма больше слагаемых

Наконец, тетрапирролы вполне могут стать основой технологий будущего. Чтобы понять, как это возможно, нужно снова вернуться к тому, как порфирины функционируют в природе. Можно заметить, что эти молекулы никогда не работают в одиночку. Так, гем в принципе способен переносить кислород и участвовать в окислении органических веществ, но он делает это гораздо эффективнее, когда связан с молекулами белка, образуя таким образом гемоглобин или цитохромы. Этот пример показывает, насколько шире могут стать возможности новых технологий, если перейти от самостоятельных тетрапирролов к гибридным материалам. В них каждый из компонентов отвечает за свою функцию, но совокупный функционал гибридного материала — это больше, чем сумма отдельных функций. Например, связывание тетрапиррольных фотосенсибилизаторов с другими функциональными молекулами позволяет создавать так называемые тераностические агенты для одновременного проведения терапии и диагностики. Так, фотоактивные тетрапиррольные комплексы, связанные с магнитоконтрастными комплексами гадолиния или наночастицами, могут быть использованы для проведения фотодинамической терапии под контролем распределения вещества в организме с помощью метода магнитно-резонансной томографии — МРТ.

Взаимодействия, которые удерживают порфирины в сложных фото- и биосинтетических системах, подобны тем, что удерживают вместе спирали ДНК. Изучением этих слабых, но очень важных для биологии взаимодействий занимается один из самых молодых, но быстро развивающихся разделов современной химии — супрамолекулярная химия. Использование подходов этой химии к конструированию материалов на основе тетрапирролов позволяет создавать «умные материалы» — молекулярные переключатели, меняющие свои свойства под действием внешних факторов, таких как облучение, воздействие электрического тока или взаимодействие с другими веществами.

Так, на основе порфиринов и фталоцианинов создают высокочувствительные сенсорные системы, в которых эти соединения меняют цвет в присутствии солей тяжелых металлов, например, высокотоксичной ртути. Изменение оптических свойств комплексов под действием света может быть использовано для создания материалов для записи и хранения информации. С этой же целью активно исследуются соединения, проявляющие так называемый молекулярный магнетизм — способности отдельных молекул под действием магнитного поля приобретать намагниченность и сохранять ее продолжительное время. То есть такие элементы становятся отдельными элементами памяти, наименьшими из возможных! Одним из самых ярких достижений в этой области стало открытие молекулярного магнетизма у так называемого сэндвичевого, или двухпалубного комплекса, образованного именно фталоцианиновыми макроциклами. Кстати, впервые такие комплексы были получены советскими исследователями в 1960-х годах (И. С. Кириным и П. Н. Москалевым из Института ядерной физики им. Б. П. Константинова). А в настоящее время исследования молекулярного магнетизма активно развиваются в ИФХЭ РАН при поддержке Российского научного фонда в рамках гранта поддержки группы молодых исследователей под моим руководством (грант №18-73-10174).

А. Г. Мартынов, доктор химических наук, старший научный сотрудник лаборатории новых физико-химических проблем, Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской академии наук