Нобелевская премия-2025: создание умных молекул-«каркасов»

Нобелевская премия по химии 2025 года присуждена Сусуму Китагава, Ричарду Робсону и Омару Яги за открытие и развитие металлоорганических каркасов — особого класса соединений, в которых атомы металлов соединяются с органическими «линкерами», образуя устойчивые ажурные структуры. Эти каркасы обладают огромной внутренней площадью и способны избирательно поглощать молекулы, разделять газы, проводить химические реакции и служить контейнерами для лекарств. Благодаря им можно создавать таблетки, раскрывающиеся только в нужной среде, сверхчувствительные сенсоры и эффективные катализаторы, требующие меньше дорогих металлов. 

О том, как это работает, «Науке» рассказал эксперт:

Дмитрий Цымбаренко кандидат химических наук, старший научный сотрудник кафедры неорганической химии Химического факультета МГУ

Конструктор из узлов и «линий»

Металлоорганические каркасы — это такой класс материалов, в которых объединяются вместе металлические фрагменты, состоящие из нескольких атомов металла, и органические соединители.

Идея состоит в том, что в результате химической реакции формируется группа из нескольких атомов в виде правильной геометрической фигуры. Они могут иметь тетраэдрическую, октаэдрическую или более сложную форму, но главное, что эта группа атомов вполне устойчива. Мы, химики, можем объединять эти группы атомов в своеобразные узлы, которые называются «вторичные строительные блоки», с помощью органических соединителей — линкеров.

Эти органические соединители могут представлять собой довольно простые молекулы. Самое простое — это, например, бензолдикарбоновая кислота. Она содержит бензольное кольцо, очень жесткое, и две карбоксильные группы, которые в бензольном кольце стоят напротив друг друга. Такой органический линкер может соединить две группы атомов вместе, как в детском конструкторе.

Но главное, что подобный линкер имеет довольно протяженную длину: больше, чем размер «узла». Соответственно, когда мы два вторичных блока соединяем линкером, между ними образуется расстояние, они удалены друг от друга. К одному «узлу» может присоединяться несколько линкеров.

Например, если форма тетраэдрическая, то, соответственно, в разные стороны выходят четыре линкера. Формируется сетка из узлов, соединенных линкерами. Причем эта сетка не плотная, в ней есть пустоты. Конструкция получается довольно ажурной, похожей на то, как при строительстве собирают структуры из металлического профиля: они пустотелые внутри, но при этом довольно жесткие.

Особенностью этой конструкции является то, что эти пустоты могут поглощать довольно большое количество разных молекул.

Обычные кристаллы, которые мы синтезируем, имеют очень маленькую внутреннюю пористость, в них атомы упакованы плотно: атомы прижаты друг к другу, и там внутри ничего разместится. В металлоорганических каркасах же площади огромные: может доходить до нескольких тысяч квадратных метров на грамм!

Подбирая органические молекулы, мы можем менять размер этой пористости. То есть увеличивать или уменьшать расстояние между структурными блоками. И таким образом можно подгонять эту пору под размер другой молекулы, которую мы хотим, чтобы наш каркас поглотил. Это очень важно, когда нужно разделять какие-то смеси, например, газы.

Есть возможность, к примеру, подобрать размер пустоты таким образом, чтобы в сложной газовой смеси поглощался только один вид молекул, а другие проходили, не задерживаясь, или наоборот, — не проходили. Можно химически модифицировать органические молекулы так, чтобы происходило химическое связывание только с одним типом молекул.

Каким образом молекула запирается внутри каркаса? Здесь работает явление, что у всякой поверхности есть энергия: если есть открытая поверхность, она обязательно «хочет к себе что-то притянуть». Когда мы правильно подбираем поверхность, к ней — подходящее вещество, и у них хорошая площадь контакта, они тесно прижимаются друг к другу и удерживаются.

Применение

Это важно, например, для производства лекарственных соединений. Чувствительный сенсор химически связывается с определенными органическими молекулами или ионами и изменяется люминесценция. То есть, если каркас будет переключаться на зеленый или красный, это значит, что он связался с каким-то конкретным веществом. Также это можно применять для мониторинга окружающей среды.

Внутри таких каркасов, кроме того, можно проводить химические реакции: получается микро-реактор.

Или, если внутри находится какая-то молекула лекарственного соединения, ее можно там запереть, чтобы она выходила только в, например, кислой среде. Каркас наполненный лекарственными молекулами человек проглатывает в таблетке: во рту щелочная среда — лекарство не выходит, таблетка попадает в желудок, там кислая среда — контейнер открывается, лекарство выходит и работает, лечит. Это позволяет эффективно доставлять лекарство, соответственно, уменьшить дозировку и возможное вредное воздействие на организм.

Еще металлоорганические каркасы подходят для производства катализаторов. Поскольку поверхность очень большая, очень активная, мы можем разместить небольшое количество атомов на ней и — катализатор будет эффективно работать. Как правило, катализаторы дорогие, часто используются металлы платиновой группы. В этом случае их количество можно сильно сократить за счет большей активности.

Российские разработки

В России несколько университетов и институтов РАН работают в этой области. Например, в Новосибирске, в ИНХ СО РАН и НГУ группа академика Владимира Петровича Федина. У них большое количество работ по сенсорике, по каталитизу, по разделению смесей с помощью металлоорганических каркасов.

В МГУ на нашей кафедре неорганической химии мы также синтезируем металлоорганические каркасы. Мы хотели бы добиться масштабирования их производства. В промышленности какое-то практическое применение имеют вещи очень простые, которые можно производить тоннами. Мы взяли самые простые органические линкеры, терефталевую кислоту, которая производится миллионами тонн, потому что это основа для полиэтилентерефталата, из которого делают пластиковые бутылки.

Идея состоит в том, чтобы сделать на основе этой очень простой терефталевой кислоты металлоорганические каркасы, которые имеют функциональные свойства для катализа, сенсорики и так далее. И мы используем для этого, может быть, не совсем обычные методы синтеза. С помощью подбора условий пытаемся получить каркасы нового строения, которые можно потом будет масштабировать.

Одно из применений наших разработок, например, — это термочувствительная краска. Ее цвет меняется, если каркас нагреется до определенной температуры. Он еще и запоминает, что был нагрет именно до этой температуры, из него выходят молекулы. Таким образом становится понятно, что какую-то поверхность перегрели. Еще можно похожим образом контролировать чувствительность к кислой или щелочной среде.

Одно из направлений — это катализаторы, не содержащие платиновых металлов для дожига угарного газа в автомобилях. Сейчас там используются катализаторы на основе платины и палладия на алюминиевом носителе. Мы делаем каркас, который потом, сгорая, образует катализатор, работающий с кислородом воздуха и угарным газом. Они сгорают с образованием безвредного углекислого газа. Так потенциально можно заменить дорогой платиново-паладиновый катализатор.

«Нобелевку» по химии в 2025 году присудили за молекулы для захвата и хранения веществ

Тайна структуры белков: объявлены лауреаты Нобелевской премии 2024 года по химии

Как создание новых белков изменит будущее? О «нобелевских открытиях» этого года

Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram