Новости химической науки > Механическое усилие может привести к циклизации

Механическое воздействие на молекулы может инициировать протекание химических реакций. Исследователи из Университета Бохум (Рур, Германия), вычислили, что ендииновые токсины, соединения, которые используются в качестве противораковых препаратов, могут подвергаться циклизации Бергмана в результате механического напряжения.

Незначительное механическое напряжение может приводить к деформации структуры и обусловить протекание неблагоприятной реакции без дополнительного нагрева. (Рисунок из J. Phys. Chem. Lett., 2014, 5, 905)

Доминик Маркс (Dominik Marx) с коллегами рассчитал, что если механофоры (названы по аналогии с механофорами) внедряются в структуру соединения, они могут вызывать химические изменения при приложении механического воздействия точно также как некоторые хромофоры могут вызвать изменение строение вещества в результате фотохимического инициирования. Маркс с коллегами изучил механофорный эффект в высокотоксичных противораковых препаратах, которые подвергаются циклизации Бергмана, протекающей с высвобождением активных 1,4-дидегидробензольных радикалов, которые разрушают ДНК и убивают раковые клетки. Результаты расчетов позволяют предположить, что приложенное механическое воздействие силой в один-два наноньютона может изменить структуру молекулы, значительно приближая ее к форме переходного состояния, необходимого для реакции циклизации.

Концепция механофоров, фрагментов химической структуры, которые могут меняться в результате механического воздействия и таким образом инициировать протекание химической реакции была впервые продемонстрирована в середине 2000-х годов. Тем не менее, контроль хода определенной реакции и тонкая настройка реагентов, содержащих в структуре механофоры до настоящего времени не была полностью реализована. Потенциальная ценность возможности такого контроля обуславливается тем, что управлять реакциями веществ, содержащие механофоры, можно при комнатной температуре, активируя такие маханоактивные реакционные группы, скажем, звуковыми волнами.

Маркс с коллегами определили зависимость поведения электронной структуры механофоров от механического воздействия и обнаружили, что структурные изменения в таких системах могут быть инициированы силами, величиной в наноньютоны. Подход, использованный в группе Маркса, позволил модифицировать квантовохимические расчеты, включив в алгоритм вычисления особенностей переходного состояния и координаты реакции влияние механического воздействия (для существующих методов компьютерного моделирования механохимических реакций влияние механического воздействия учитывалось только для определения структуры переходного состояния). Расчеты показали, что на координате реакции также должна существовать точка перегиба – направление растяжения, которое для определенных механофоров не приводит к уменьшению энергии активации реакции, а напротив – увеличивает активационный барьер.

Как отмечает Роман Булатов (Roman Boulatov) из Университета Ливерпуля отмечает, что полученные результаты ставят два глобальных вопроса как перед синтетиками, так и перед теоретиками – в первую очередь каким образом можно доказать экспериментально то, что в ряде случаев растяжение молекулы может подавлять, а не актировать ее фрагментацию. Он добавляет, что разработка эксперимента, который мог бы подтвердить парадоксальный результат компьютерного моделирования, является настоящим вызовом для специалистов по механохимии полимеров.

Источник J. Phys. Chem. Lett., 2014, 5, 905 (DOI: 10.1021/jz402644e)

метки статьи: #квантовая химия, #органическая химия, #природа химической связи