Железо и кислород взаимодействуют во всех тканях организма. Наиболее известно то, что железо связывает дикислород, то есть два атома кислорода, в гемоглобине, который переносит кислород в крови. Но оксосоединения железа, как их называют, встречаются и во многих других тканях организма. Например, высокореактивное оксосоединение железа входит в состав ферментов печени, которые участвуют в метаболизме лекарств.
Химика из Университета Райса Рауля Эрнандеса Санчеса интересовало, как кислород может вступать в реакцию с другими типами металлов — теми, что находятся в нижней части периодической таблицы, так называемыми металлами f-блока, к которым относятся лантаноиды в верхнем ряду и актиноиды в нижнем. Он предположил, что если лантаноиды могут связываться с кислородом, то образуется высокореактивное лантаноидо-оксосоединение, которое потенциально можно использовать в качестве синтетической замены железо-оксосоединения, что откроет новые возможности для химиков, изучающих низкомолекулярные соединения.
Проблема заключается в том, что металлы f-блока, особенно лантаноиды, не могут взаимодействовать с небольшими молекулами, такими как кислород, посредством пи-взаимодействий — типа взаимодействия, необходимого для биологических материалов, таких как белки. В недавней публикации в Journal of the American Chemical Society Эрнандес Санчес и его команда описали способ обеспечения пи-взаимодействия между кислородом и лантаноидом неодимом, что позволяет создавать лантаноидоксиды.
«Несколько лет назад мы разработали платформу для лигандов, — рассказывает Эрнандес Санчес, доцент кафедры химии. — Можно представить ее как корзину, которая позволяет захватывать металлы и располагать их таким образом, чтобы стимулировать определенные типы связей».
Корзина была достаточно большой, чтобы вместить один атом металла из f-блока. Исследовательская группа расположила две корзины друг напротив друга, а между ними — 6 тщательно подобранных атомов, в том числе молекулу кислорода, которая соединила два атома неодима. Таким образом была создана октакоординированная лигандная среда, с помощью которой можно регулировать положение металлов.
«После того как лантаноид оказался в нашей "корзине" лигандов, мы начали изучать его взаимодействие с низкомолекулярными субстратами, пока не нашли оптимальные условия для беспрецедентного получения диоксигена», — рассказывает Хонг-Лей Сюй, автор статьи.
Как оказалось, вопреки предыдущим представлениям, при определенных условиях между неодимом и кислородом возникают пи-взаимодействия, в результате которых образуется молекула лантаноидоксида. Теперь химики могут приступить к испытаниям, чтобы выяснить, можно ли использовать эти высокореактивные молекулы в качестве синтетической замены оксосоединения железа, и если да, то какие преимущества они дают по сравнению с ним.
Хотя в статье рассматривался только неодим, команда Эрнандеса Санчеса предполагает, что аналогичную химическую реакцию можно провести с большинством лантаноидов и, вероятно, актиноидов, используя тот же лиганд.
«Способность связывать кислород с металлами f-блока и разрывать связь между двумя атомами кислорода позволяет нам потенциально получать высокореактивные оксиды лантаноидов и создавать химические вещества с высокой добавленной стоимостью. Мы можем открыть новую главу в химии лантаноидов», — сказал Эрнандес Санчес.
