Не только экономия времени и реагентов
На первый взгляд может показаться, что новая методика позволяет всего лишь экономить время, затраченное на эксперимент, и уменьшить расход реагентов (это особенно важно для ферментов, которые часто весьма дефицитны). Однако значение предложенного метода гораздо шире.
В химии часто возникает вопрос, насколько та или иная смесь аминокислот или белков, получаемая на разных стадиях производства различных препаратов, по составу близка к эталонному составу. По методике динамической комбинаторной химии составляют набор из определенных флуоресцентных красителей – органических комплексов металлов, таких, например, как Cu и Ni, затем снимают спектр смеси. После этого к одной порции смеси красителей добавляют эталонную смесь аминокислот (или белков), а к другой – исследуемую. Белки избирательно «выдергивают» ионы металлов из молекул красителей, в результате часть красителей разрушается и спектр смеси меняется. Сравнение спектров (фактически это всего два измерения) позволяет точно оценить, насколько близки по составу смеси, при этом не приходится проводить детальный химический анализ. В этой методике уже нет никаких аминов, альдегидов и иминов, просто использована сама идея динамической комбинаторной химии.
Та же идея нашла применение и в полимерной химии. Взаимодействие аминов и альдегидов, содержащих по две реагирующие группы (т. е. диамин и диальдегид), приводит к образованию полимерных цепочек. На рисунке 6.19 показан полимер, полученный из диамина и диальдегида, он представляет собой гибкую прозрачную пленку (гибкость обеспечивают силоксановые звенья – Si – O – Si–), однако такой полимер непрочен.
На рисунке выделены те атомы О и N, которые участвуют в образовании иминных группировок. Из другой пары реагентов образуется полимер, дающий жесткие хрупкие пленки (рис. 6.20).
Если к первому полимеру добавить определенные количества исходных реагентов, использованных при получении второго полимера, произойдет частичная перестройка цепей (благодаря мобильности иминных групп) и получится полимер, дающий прочные и одновременно гибкие пленки (рис. 6.21). По существу, это новый «комбинаторный» способ модификации полимеров.
Найден также иной способ «комбинаторного» воздействия на структуру полимеров. На рисунке 6.22 показана смесь двух полимеров. Самое главное, в каждом полимере фрагменты соединены участками, содержащими уже знакомые нам мобильные иминные группы (как показано в верхней части рисунка).
При нагревании такой полимерной смеси происходит разрыв и последующее образование новых иминных групп, что приводит к взаимопересечению цепей, при этом некоторые фрагменты одной цепи входят в состав другой цепи и наоборот. Свойства полимерной смеси заметно меняются.
Обратите внимание, в обоих показанных способах модификации полимеров решающую роль играют иминные группировки. Это не случайно: автор обеих работ – Ж.-М. Лен, и, вероятно, имины – его «излюбленный объект». Итак, Лен не остановился на том, что сформулировал новое направление, он постарался широко развить его экспериментально. Найдены также другие реакции, удовлетворяющие требованиям динамической комбинаторной химии, дорога для ее развития открыта.
Итак, основная идея комбинаторной динамической химии – предоставить реагентам «самостоятельно найти» оптимальный вариант. Эту идею применил профессор Ю.А. Устынюк (рис. 6.23) с химического факультета МГУ; вместе с сотрудниками он решил использовать «подвижность» реакции получения иминов для синтеза органических циклов. Было взято всего два соединения, у каждого из них находилось по две реакционные группы, т. е. исходные соединения – диамин и диальдегид. Как уже было сказано, такие соединения при взаимодействии образуют цепочки, но у них в запасе есть еще одна возможность – при подходящих условиях они могут замыкаться в циклы. «Организаторами» при сборке циклов выступают введенные в смесь неорганические анионы, они «подтягивают к себе» фрагменты собирающегося цикла с помощью водородных связей NH – анион. Оказалось, что сульфат-анион собирает вокруг себя цикл из двух диаминов и двух диальдегидов, а более крупный фосфат-анион составляет цикл из трех пар таких же реагентов. На рисунке 6.24 выделены те атомы азота, которые участвуют в образовании иминов – CH=N–, а удерживающие водородные связи показаны пунктиром.
Таким образом, подвижная система позволила получать циклические молекулы различной величины, способные удерживать анионы. Фактически, анион сам собирает вокруг себя цикл, который более всего походит ему по размеру, что напоминает индивидуальный пошив одежды по предварительно снятой мерке. Такой подход к синтезу соединений, когда реагирующей системе позволяют самоорганизоваться, представляет собой одну из характерных примет современной химии.
Циклические соединения, подобные показанным выше, нужны для извлечения из смесей анионов определенного размера: например, радиоактивного аниона технеция TcO4- из отходов ядерных производств.
Динамическая комбинаторная химии привела ученых также к некоторым выводам более общего характера. Ранее было сказано, что при работе с 10 аминами и 10 альдегидами теоретически можно обойтись всего одним опытом, однако современные спектральные методы не позволяют точно разобраться в столь сложной смеси. Но то, что не могут аналитические методы, легко реализует природа. В живой клетке одновременно присутствует множество реагентов, которые, в отличие от лабораторных синтезов, никто не перегоняет, не очищает и не изолирует от посторонних веществ. Можно полагать, что нужные соединения получаются сами в результате обратимых реакций по схеме динамической комбинаторной химии. Таким образом, новая химия, созданная Жаном-Мари Леном, приближает нас к пониманию того, как именно протекают химические процессы в живой природе.
В заключение позволим себе осторожный прогноз. Осмелимся предположить, что создание новых разделов химии вполне заслуживает Нобелевской премии. Возможно, через несколько лет мы увидим решение Нобелевского комитета с формулировкой: «Премия присуждается Барри Шарплессу и Валерию Фокину, а также Жану-Мари Лену за создание новых направлений в химической науке: клик-химия и динамическая комбинаторная химия». Как знать, может быть, Шарплессу и Лену удастся повторить рекорд английского биохимика Ф. Сенгера, ставшего единственным в истории дважды лауреатом Нобелевской премии по химии: в 1958 г. (в возрасте 40 лет) и в 1980 г. (в возрасте 62 лет). Разумеется, Фредерик Сенгер также пример ученого, который не пожелал почивать на лаврах.
