Дизайн координационных соединений

Типы химического дизайна

Под «дизайном» обычно имеют в виду проектирование объектов, направленных на использование в сфере промышленности, быта или архитектуры. Этот термин имеет также смысл процесса, направленного на достижение максимальной эффективности взаимодействия потребительских свойств и эстетических качеств среды или объекта. Термин берет свое начало в технической эстетике и означает также художественное конструирование в области эргономики, материаловедения, электротехники и др. Безусловно, проектирование неразрывно связано с технологическими процессами, по крайней мере в промышленности.

В сфере дизайна выделяют несколько категорий: образ, функцию, морфологию, технологическую форму и эстетическую ценность. При этом под образом имеют в виду замысел дизайнера, его представление об объекте дизайна. Функция определяет назначение этого объекта, морфология имеет смысл органического сочетания формы и функции, а технологическая форма — прообраза изделия с учетом технологии производства. Наконец, эстетическую ценность определяет потребитель при использовании объекта дизайна^[1].

О химическом дизайне вначале заговорили химики-органики, которые, исходя в первую очередь из эстетических соображений, попытались получить необычные для своего времени трехмерные углеродсодержащие соединения типа кубана. Что касается химии координационных соединений, то использование этого термина началось в середине 1980;х гг.^[2]

Итак, предметом химического дизайна является конструирование (сборка) соединений из неких молекулярных фрагментов (блоков) типа детского конструктора. Отметим, что к понятию «химический дизайн» близко словосочетание «получение вещества (или материала) с заданными свойствами», но без выраженной эстетической составляющей.

При рассмотрении проблемы химического дизайна необходимо знать хотя бы общие се черты и ответить на вопрос о целесообразности проведения конкретной работы. Второй вопрос: что же в настоящее время известно о сути проблемы и есть ли она вообще? Мы полагаем (и это показано ниже), что проблема все же существует, а это предполагает рассмотрение соответствующих методических приемов синтеза. Так как в настоящем пособии методы синтеза координационных соединений принципиально не рассматриваются из-за невозможности охвата всего круга важных и интересных объектов координационной химии, очертим общие приемы, применяемые при проведении работ по дизайну.

Как отмечают В. Смит, А. Бочков и Р. Кейпл^[3], одной из главных задач химика-синтетика является выбор реакции, наиболее подходящей для создания нужной связи (или связей) в требуемом месте собираемой молекулы. Комплектация сложных молекул может проводиться ступенчато, т. е. постадийно, причем на каждой отдельной ступени образуется только один компонент искомой структуры. Иначе говоря, в основе дизайна любого сложного соединения лежит структура, т. е. этот аспект является базисным.

Заметим, что при этом вовсе не обязательно, чтобы собственная устойчивость каждого отдельного фрагмента была высока. Вполне достаточно, чтобы ее хватило для встраивания этого фрагмента в финальный объект, т. е. здесь можно говорить об определенной стабилизации отдельного фрагмента в конечной структуре. Смит, Бочков и Кейпл отмечают, что иногда нет необходимости в отдельном формировании собираемых фрагментов. Они приводят пример полимеризации этилена: получение полимера происходит одномоментно (одностадийно). Среди координационных соединений можно также найти множество подобных примеров. Те же химики, констатируя отсутствие общераспространенной формулировки термина «молекулярный дизайн», для удобства выделяют два направления, сложившиеся в этой области, и которые они называют «структурно-ориентированным дизайном» и «функционально-ориентированным дизайном».

К структурно-ориентированному дизайну они относят «работы по созданию молекул с необычными структурными характеристиками, причем не обязательно в связи с какими-то полезными свойствами получающихся новых веществ… Цель исследований в этом направлении состоит в том, чтобы придумать и затем синтезировать некоторые нетривиальные молекулы, имеющие определенные уникальные особенности». Уникальность рассматриваемого подхода состоит не только в поиске путей реализации совершенной формы искомой молекулы, но и в том, что их прямым результатом является существенное расширение многообразия изучаемых объектов, что может быть важно, в том числе, и для прикладных целей.

Функционально-ориентированный дизайн нацелен на получение соединений, обладающих набором заранее заданных свойств, для реализации такого строения (или структуры) искомого соединения, чтобы в нем реализовался максимально возможный эффект для выполнения требуемой функции. Это могут быть такие важные физические свойства, как, например, электропроводность, магнитные свойства, способность образовывать жидкие кристаллы, каталитическая активность (например, подобная активности биологических катализаторов — ферментов), или просто реакционная способность, отвечающая тем или иным нуждам синтеза, или биологическая активность.

Достаточно часто в начале подобных проектов применяют методы молекулярного моделирования, позволяющие устанавливать набор структурных параметров, наличие которых может обеспечить искомому соединению способность выполнять заданную функцию. Результаты пробных экспериментов используют далее для уточнения исходных планов и дальнейшей фокусировки направлений исследования.

• [1] См., например, сайты: http://www.az-studio-art.ru/design, http://www.contractdesign.ru/content2.php, http://www.chem.isu.ru/lcos/base/glmcd. html.
• [2] См., например, подборку статей в Жури. Всесоюзн. хим. общества им. Д. И. Менделеева за 1991 г. Т. 36. jN°3.
• [3] Смит В., Бочков А., Кейпл Р. Органический синтез. Паука и искусство. М. :Мир, 2001. С. 367−541.