В организме железо взаимодействует с кислородом во всех тканях. Широко известно, что железо соединяет с собой две молекулы кислорода в гемоглобине, обеспечивая тем самым перенос кислорода кровью. Однако оксосоединения железа, как их называют в научной литературе, присутствуют и в других тканях. Так, например, высокоактивное оксосоединение железа является частью ферментов печени, участвующих в метаболизме лекарственных препаратов.
Химик Рауля Эрнандеса Санчеса, работающий в Университете Райса интересовало, в связи с тем, как кислород взаимодействует с другими металлами, расположенными в нижней части периодической таблицы, известными как металлы f-блока (включая лантаноиды в верхнем ряду и актиноиды в нижнем), возникла гипотеза о возможности образования высокореакционного лантаноидного оксосоединения. Это соединение может послужить альтернативой железо-оксосоединению и предоставит новые перспективы для химиков, занимающихся исследованием соединений с низкой молекулярной массой.
Суть проблемы заключается в том, что металлы f-блока, в особенности лантаноиды, не способны к взаимодействию с малыми молекулами, например с кислородом, посредством π-взаимодействия – типа связи, который необходим для биологически активных веществ, таких как белки. В недавно опубликованной работе Journal of the American Chemical Society Эрнандес Санчес и его коллеги разработали метод, позволяющий добиться π-взаимодействия между кислородом и неодимом, что открывает путь к синтезу лантаноидоксидов.
«Несколько лет назад нами была создана платформа для лигандов, — поясняет Эрнандес Санчес, доцент кафедры химии. — Ее можно представить как некий контейнер, который дает возможность связывать металлы и упорядочивать их таким образом, чтобы способствовать формированию определенных типов химических связей».
Конструкция позволяла вместить один атом металла из f-блока. Ученые разместили две такие конструкции напротив друг друга, расположив между ними шесть атомов, отобранных с особой тщательностью. Среди них была молекула кислорода, соединившая два атома неодима. Это позволило сформировать октакоординированную лигандную среду, которая обеспечивает возможность управления положением металлов.
«После добавления лантаноида в комплекс лигандов мы приступили к изучению его воздействия на небольшие молекулы, и в итоге выработали идеальные условия для ранее невозможного синтеза диоксигена», — поясняет Хонг-Лей Сюй, автор публикации.
Вопреки ранее существовавшим представлениям, исследования показали, что при соблюдении определенных условий между неодимом и кислородом могут формироваться π-взаимодействия, приводящие к образованию молекулы лантаноидоксида. Теперь ученые смогут провести эксперименты, чтобы определить, можно ли применять эти высокореактивные молекулы в качестве альтернативы оксосоединениям железа, и какие преимущества они могут предоставить.
Исследование, посвященное неодиму, позволило команде Эрнандеса Санчеса предположить, что схожая химическая реакция может быть осуществлена с применением того же лиганда и для других лантаноидов, а также, скорее всего, актиноидов.
«По словам Эрнандеса Санчеса, возможность взаимодействия кислорода с металлами f-блока и расщепление связи между двумя атомами кислорода открывает потенциал для получения высокореактивных оксидов лантаноидов и разработки химических соединений с высокой добавленной стоимостью. Это может ознаменовать собой новую эру в химии лантаноидов.
[Фото: Raúl Hernández Sánchez/Rice University]