В природе концепция хиральности, или «рукости», имеет фундаментальное значение для самой жизни, подобно тому как наши левая и правая руки — зеркальные отражения, которые невозможно идеально наложить друг на друга. Хиральность молекул играет решающую роль в биологических системах: одна и та же молекула с разной хиральностью может действовать как полезное или токсичное соединение.
Живые организмы прекрасно справляются с созданием хиральных полостей посредством молекулярной самоорганизации, позволяя белкам связываться и преобразовывать субстраты с высокой селективностью.
Несмотря на интенсивные исследования в области синтетической химии, искусственное воспроизведение таких универсальных хиральных полостей остаётся сложной задачей, особенно при использовании подхода с самосборкой. Существующие подходы часто требуют поэтапного синтеза жёстких хиральных полостей, что ограничивает их применимость.
Одним из заметных препятствий было индуцирование хиральности посредством слабых взаимодействий в высокосимметричных молекулах, таких как те, что используются в передовых материалах и катализаторах. В частности, металлосодержащие красители трудно «хирализовать» из-за их жёсткой и плоской структуры.
Исследовательская группа под руководством профессора Мичито Ёсизавы и доцента Юя Танака из Лаборатории химии и наук о жизни Института комплексных исследований Института науки Токио (Science Tokyo), Япония, разработала инновационный подход для преодоления этих ограничений.
Их исследование, опубликованное в Journal of the American Chemical Society, сообщает о создании хиральных капсул, которые могут придавать сильные хиральные свойства изначально нехиральным металлосодержащим красителям.
Исследовательская группа разработала изогнутые амфифильные молекулы, то есть молекулы, имеющие как водолюбивые, так и водобоязненные части. Они были получены из 1,1′-бинафтил-2,2′-диола или BINOL, хорошо известного хирального ароматического компонента. При растворении в воде молекулы спонтанно самоорганизуются в сферические хиральные капсулы диаметром примерно 3 нанометра.
В отличие от предыдущих систем, эти капсулы создают закрытые, но гибкие хиральные полости, которые могут адаптивно инкапсулировать различные металлосодержащие красители, включая металлопорфирины, металлофталоцианины и металлоноркорорлы.
После оптических экспериментальных анализов исследователи обнаружили, что инкапсулированные красители проявляют сильную хиральную активность, эффективно взаимодействуя с поляризованным светом на уровне, которого ранее невозможно было достичь без прямой химической модификации.
«Насколько нам известно, нынешние капсулы — это первые молекулярные инструменты, позволяющие индуцировать хиральные свойства в обычных металлосодержащих красителях путём простого инкапсулирования», — говорят Танака и Ёсизава.
Команда успешно продемонстрировала индукцию хиральности в нескольких типах металлосодержащих красителей, включая металлофталоцианины, которые, как известно, трудно хирализовать из-за их относительно жёсткой и полностью плоской структуры.
Более того, исследователи обнаружили, что хиральные свойства инкапсулированных красителей можно регулировать с помощью термических стимулов. Применяя контролируемый нагрев, они могли необратимо регулировать интенсивность индуцированной хиральности в зависимости от красителей.
Эта термическая чувствительность превращает капсулу в сложный наноинструмент, позволяющий точно контролировать важные молекулярные свойства.
В целом, нынешняя технология может оказаться полезной в различных областях — от фундаментальной химии до прикладных наук, где точный контроль над хиральностью молекул имеет важное значение.
«Наш новый метод позволяет внедрять хиральные функции в металлосодержащие красители без процедур многостадийного синтеза и сложного разделения. Он открывает большие перспективы для разработки передовых фотофункциональных материалов и асимметричных катализаторов», — заключают Танака и Ёсизава.
Предоставлено Институтом науки Токио.