Многие биологически активные молекулы обладают хиральностью, то есть симметричны, как пара перчаток. Вроде полностью идентичны, но надеть правую перчатку на левую руку не получится. Так, природные молекулы аминокислот имеют преимущественно L (левую) — конфигурацию, а сахаров — D (правую). Их молекулы, молекулы ферментов, антител с другой (не природной) конфигурацией либо имеют пониженную биологическую активность, либо вообще не работают. По этой причине получение хиральных соединений имеет большое значение для фармацевтической промышленности.
Хиральный аэрогель на основе винной кислоты
Получение хиральных соединений — одна из наиболее сложных задач современной органической химии. Существует несколько подходов к синтезу таких соединений, а наиболее перспективным на сегодня считается применение хиральных катализаторов, сразу приводящих к желаемому продукту, минуя стадию дорогостоящего разделения хиральных (оптических) изомеров.
Коллективом исследователей из ИФАВ РАН и ИОНХ РАН в рамках проекта Российского научного фонда (№14-13-01150) впервые в мире были получены аэрогели, поверхность которых модифицирована хиральными органическими кислотами — молочной, винной, некоторыми природными аминокислотами. Благодаря этому аэрогели приобрели оптическую активность и могут послужить основой для создания хиральных катализаторов, которые позволят проводить стереоселективные реакции, то есть реакции, в которых образуется один из двух оптических изомеров той или иной органической молекулы.
Носителями для хиральных катализаторов были выбраны аэрогели — уникальные материалы с огромной поверхностью, которая может превышать 1 тыс. м2/г. Сами аэрогели получают методом сверхкритической сушки, удаляя растворитель при температуре выше, чем его критическая температура. При таких условиях растворитель не обладает поверхностным натяжением и не разрушает даже самые ажурные и непрочные материалы, такие как аэрогели. Их структура представляет собой сетку из наночастиц (от 2 до 5 нм) с огромным количеством чрезвычайно маленьких пор (10–100 нм). Фактически аэрогели на 95–99% состоят из воздуха, благодаря чему обладают практически самой низкой плотностью среди твердых веществ (2,9 кг/м3).
Теперь проблема хиральных катализаторов принципиально решена. Например, палладийсодержащий катализатор, полученный на основе таких оптически активных аэрогелей, позволил с высокой селективностью гидрировать двойную связь в стероидах. Подобные катализаторы на основе хиральных аэрогелей могут быть использованы для селективного получения и других оптически активных соединений, в частности лекарственных препаратов, что должно повлечь за собой снижение стоимости их производства.