Хіміки вперше змусили катенани самособратися у воді

Хіміки з Техаського університету в Остіні та університету штату Техас міста Сан-Маркос вперше продемонстрували самозбірку тривимірного органічного катенану у водному середовищі. Подібні структури іноді зустрічаються в природі, проте досі вченим не вдавалося повторити «природний» синтез. Результати роботи опубліковані в.

Катенани (від латинського «ланцюг») - клас хімічних сполук, що складаються з кільцевих молекул, зчеплених механічно. У природі існує кілька прикладів подібних структур: вони знайдені в мітохондріальній ДНК «безсмертних» клітин, а також у лейкозних клітинах. Зазвичай хімія катенанів відноситься до органічної: синтези сполук виробляються в різних органічних розчинниках, та й самі замкнуті молекули найчастіше є органічними. Однак будь-які біологічні застосування передбачають переважно водне середовище, тому для синтезу дослідники використовували водорозчинні реагенти.

Хіміки використовували реакцію конденсації альдегіду і складної похідної гідразину (з докладним синтезом прекурсорів можна ознайомитися тут), у кожній з молекул яких є по три активних центри. У результаті одностадійної реакції, що протікає в кислому водному середовищі і носить характер самозбірки, утворюється складна тривимірна замкнута структура з порожниною всередині. Структура утворена двома взаємно замкнутими циклічними продуктами конденсації.

Вчені підтвердили структуру отриманого з'єднання за допомогою рентгенівської дифракції, ядерного магнітного резонансу і методу мас-спектрометрії. Високий вихід реакції (відношення практично отриманої маси речовини до теоретично можливої) свідчить про термодинамічну стабільність катенану у воді; цей факт дослідники пояснюють гідрофобними ефектами (органічні молекули в полярній воді) і почесно донорно-акцепторними взаємодіями (велика кількість пов'язаних зв'язків).

Для підтвердження гіпотези про кінетичну стабілізацію катенану у воді вчені провели досвід з додаванням до розчинника ДМСО (диметилсульфоксиду, розчинника, що необмежено змішується з водою). Підвищення змісту ДМСО призводить до дисоціації катенана на олігомери, облога і повторне розчинення яких знову призводить до утворення замкнутої структури. Зміна кислотності середовища у бік підвищення pH також руйнує структуру катенана.

Дослідники вважають, що вивчення складних молекулярних структур в умовах, що імітують біологічні, дозволить краще зрозуміти механізми освіти олігонуклеотидів з нетривіальною топологією, що зустрічаються в природі.