Химики нашли «ключ» к иону-«замку»

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета и Томского политехнического университета применили разработанную в XIX веке концепцию «ключ-замок» к сложным неорганическим молекулам — полиоксометаллатам (ПОМ) — и нашли, что соединения катионов иодония могут быть для них «ключом», запуская избирательное взаимодействие между ионами. Благодаря этому можно создавать материалы с заданными свойствами и новые катализаторы. Результаты исследования опубликованы во флагманском научном журнале Королевского химического общества Chemical Science.

Взаимодействие ферментов и субстратов в химии описал немецкий ученый Эмиль Фишер в 1894 году. Фишер заметил, что ферменты (биологические катализаторы) взаимодействуют со своими субстратами (молекулами, на которые они воздействуют) очень специфическим образом. Он сравнил это взаимодействие с ключом, который подходит только к определенному замку.

Эта аналогия помогла объяснить, почему ферменты так избирательны в своей работе. Подобно тому, как ключ должен иметь правильную форму, чтобы открыть замок, молекула субстрата должна точно соответствовать активному центру фермента, чтобы произошла химическая реакция.

Концепция «ключ-замок» используется химиками до сих пор. Более того, она развивается и нашла применение в различных областях химии, в том числе в неорганической химии. Ученые СПбГУ и ТПУ применили принцип «ключ-замок» к сложным неорганическим молекулам — полиоксометаллатам (ПОМ). ПОМ — это крупные анионные кластеры, состоящие из атомов кислорода и переходных металлов, таких как молибден или вольфрам. Они обладают уникальными свойствами и находят применение в катализе, материаловедении и даже медицине.

«В ходе исследования ученые обнаружили, что определенный тип ПОМ — анион [β-Mo₈O₂₆]⁴⁻ — проявляет избирательность во взаимодействии с катионами иодония. Это взаимодействие можно описать, используя аналогию "ключ-замок". В данном случае катион иодония выступает в роли "ключа", а анион ПОМ — в роли "замка". Интересно, что эта избирательность проявляется только для одного изомера (вида) ПОМ», — рассказал один из ключевых авторов исследования почетный профессор СПбГУ, академик РАН Вадим Кукушкин.

По его словам, это взаимодействие обусловлено образованием особого типа межмолекулярных взаимодействий между катионом и анионом — галогенных связей. Галогенные связи в последние годы привлекают все больше внимания исследователей из-за их уникальных свойств и потенциального применения в создании новых материалов.

Ученые отмечают, что данное исследование демонстрирует фундаментальные принципы, такие как концепция «ключ-замок». Полученные результаты могут найти неожиданное применение в современной химии. В перспективе это открытие дает новые возможности для создания материалов с заданными свойствами, основанных на специфических взаимодействиях между ионами. Например, такие системы могут быть использованы для создания новых типов сенсоров, способных селективно распознавать определенные ионы в растворе.

Другой важный горизонт, который открывает эта работа, — разработка новых катализаторов. ПОМ уже используются в катализе, но возможность точно контролировать их взаимодействие с другими молекулами открывает путь к созданию еще более эффективных и селективных катализаторов.

Данная работа стала возможна благодаря коллаборации специалистов различных областей СПбГУ и ТГУ в рамках научно-образовательного кластера «Менделеев». СПбГУ выступает координатором, содействует в разработке и реализации проектов, требующих объединения потенциалов и ресурсов организаций — участников кластера «Менделеев».

«Подобно принципу "ключ-замок" в молекулярном мире сотрудничество между ТПУ и СПбГУ университетами демонстрирует комплементарность в науке. ТПУ с техническим опытом выступает "ключом", а СПбГУ с фундаментальной базой — "замком". Их взаимодействие, как идеальное молекулярное соответствие, создает синергию, открывая новые перспективы в исследовании химических процессов и создании инновационных материалов», — отметил Вадим Кукушкин.

Сотрудничество химиков ТПУ и СПбГУ продолжается более четырех лет. За это время они успели опубликовать более 20 совместных работ в авторитетных международных журналах. Синергетический эффект от взаимодействия способствовал успешной реализации семи проектов РНФ, гранта президента РФ и мегагранта Правительства РФ.

Кроме того, химики сотрудничают и в образовательной компоненте, проводя активный обмен студентами и аспирантами, стажировки сотрудников, а также взаимные визиты представителей администрации.

Плодом сотрудничества стала также конференция «Нековалентные взаимодействия в синтезе, катализе и кристаллохимическом дизайне», организованная представителями ТПУ и СПбГУ совместно с ведущими научными организациями страны.