Химики СПбГУ и ТПУ 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.
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.
Результаты исследования опубликованы во флагманском научном журнале Королевского химического общества Chemical Science.
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.
Почетный профессор СПбГУ, академик РАН 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.