Комбинация теоретических и экспериментальных методов позволило исследователям из Соединенных Штатов, Японии и Франции показать, как молекула воды (гость) располагается внутри молекулы каликсарена, представляющего собой самую маленькую чашу для воды в мире.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований показывают, что молекула воды располагается в полости каликсарена, а не вне, как предполагалось на результатах основе проведенных ранее исследований.

Рис. 1. Самая маленькая чаша для воды в мире (рисунок из Journal of Physical Chemistry A 114(9):2967; DOI:10.1021/jp902967q).

Размещение молекулы гостя влияет на различие в физических и химических свойствах хозяина. Результаты исследования также предостерегают от применения обычных упрощенных методов моделирования, которые применяются для моделирования поведения систем гость-хозяин в водной среде.

Исследователи в области биологии и смежных областей должны обладать информацией об относительной прочности взаимодействия различных функциональных групп биологически активной молекулы с водой. Результаты нового исследования позволяют ответить на вопрос – почему вода связывается с определенными структурными элементами гостя. «Выбор» гостя основывается на двух факторах – одним фактором является водородное связывание, другим – взаимодействие молекулы воды с ароматическими системами хозяина. Изучение таких взаимодействий на примере простых молекул важно, так как на его примере моделируется взаимодействие воды с биологически активными молекулами, например белками, и появляется возможность ответить на вопрос о том, какая из двух составляющих – гидрофильная или гидрофобная – будет доминировать.

Для начала анализа исследователями был выбран каликсарен, молекула, которая часто используется в качестве модели белков в супрамолекулярной химии. На примере каликсарена достаточно просто изучать различные сценарии связывания, и их влияние на функциональную селективность молекулы в водной среде. Наибольший интерес, бесспорно, представляло исследование конкуренции двух типов взаимодействий.

Исследователи из Японии получили комплексы каликсаренов с водой. Они изучали строение подобных комплексов с помощью таких экспериментальных методик, как массо-селективная резонансная двухфотонная спектроскопия (mass-selected resonant two-photon ionization spectroscopy), инфракрасно-ультрафиолетовая спектроскопия двойного резонанса (infrared-ultraviolet double resonance spectroscopy) и инфракрасная спектроскопия фотодиссоциации (infrared photodissociation spectroscopy).

Французские исследователи выполнили предварительные квантово-химические расчеты с помощью метода DFT (B3LYP), их коллеги из США провели более сложные и более точные расчеты, воспользовавшись моделью MP2/aug-cc-pVQZ.

Результаты экспериментальных исследований и расчетов сходятся во мнении о том, что вода занимает место в полости каликсарена, делая это соединение действительно не просто чашей, но и самой маленькой чашей для воды в природе.

Результаты исследования важны для исследователей по двум причинам.

• Во-первых, использование каликсарена в качестве модельного хозяина позволяет проводить количественные оценки взаимодействия гость/хозяин функциональных материалов.
• Во вторых, результаты исследования представляют собой стандарт для определения точности методов, обычно применяющихся для моделирования поведения биологических систем в водном окружении. Например, результаты исследования показывают, что самый часто применяющийся расчетный метод – метод функционала плотности (DFT) дает неправильную картину относительной прочности гидрофобных и гидрофильных взаимодействий по сравнению с электронными корреляциями по теории возмущений Меллера-Плессета.

Статья подготовлена Филипповым Ю.П. по материалам: