Molekuła Miesiąca – halloweenowy makrocykl

W 1905 roku trzej niemieccy chemicy, Behrend, Meyer i Rusche, poprzez kondensację glikolurylu i formaldehydu dokonali syntezy nowej fascynującej cząsteczki. Udało im się określić wzór całkowity krystalicznego osadu związku – C₁₀H₁₁N₇O₄ x2H₂O. Na początku XX wieku brakowało jednak nawet najprostszych technik analitycznych, które pozwoliłyby powiedzieć cokolwiek o bardziej szczegółowo o strukturze tej substancji. Na to musiała czekać kolejnych 76 lat.

W 1981 roku amerykańska grupa badaczy powtórzyła doświadczenia Behrenda i uzyskała kryształy związku makrocyklicznego tworzonego przez sześć jednostek glirolurylu połączonych dwunastoma metylenowymi mostkami i oddziałujących z kationami wapnia obecnymi w miksturze poprzez dwie karbonylowane krawędzie. W pracy opisującej tę cząsteczkę autorzy napisali:

„[Dla związku] proponujemy trywialną nazwę kukurbituryl, ponieważ CB przypomina kształtem tykwę lub dynię (rodzina Cucurbitacea), a także poprzez podobieństwo z podobnie nazwaną (i ukształtowaną) częścią alembiku.”

Kukurbituryl nie jest jednak pojedyczną cząsteczką – w istocie nazywa się tak całą gamę cząsteczek makrocyklicznych różniących się ilością glikolurylowych monomerów. Po dziś dzień udało się uzyskać i opisać kukurbituryle składające się z 5, 6, 7, 8 oraz 10 podjednostek. Na opisanie wciąż czeka nonamer.

Kukurbituryle, pomimo swojej nieco frywolnej nazwy i natury, mają jednak wiele poważnych zastosowań. Wykorzystuje się je w procesach rozpoznawania molekularnego. Są to metody detekcji cząsteczek polegające na tym, że w jakimś mało reaktywnym medium zawieszone są cząsteczki-biorcy, które reagują wybiórczo z innymi cząsteczkami. Te specyficzny oddziaływania są najczęściej uwarunkowane odpowiednim kształtem: cząsteczki-biorcy mają zazwyczaj jakiś rodzaj wgłębienia, w które pasują cząsteczki szukane. Tak się składa, że wielka dziura w środku kukurbiturylu jest do takiej metody detekcji idealna.

Te właściwości kukurbituryli były też brane pod uwagę przy rozważaniach nad ich zastosowaniem jako nośników leków – czyli cząsteczek, które stosowane są do transportu leków do wnętrza organizmu, tudzież komórek, wówczas gdy lek sam w sobie ma mało korzystne właściwości – jest na przykład słabo rozpuszczalny albo przez wzgląd na swą strukturę ma problemy z przenikaniem błon komórkowych. I tak na przykład kukurbit[7]uryl był testowany jako nośnik dla oksaliplatyny, związku stosowanego w chemioterapii nowotworów.

Na koniec zostawiłem jednak dwa najciekawsze moim zdaniem zastosowania kukurbituryli. Po pierwsze, mogą być one stosowane do wzmacniania, tudzież kontrolowania właściwości różnych barwników. Okazuje się, że takie dobrze zdefiniowane chemicznie i przestrzennie środowisko, jakie zapewnia wnętrze kukurbituryli może wzmacniać jasność barwników, zwiększać ich fotostabilność i czas życia fluorescencji. Odpowiada też (w tym przypadku oczywiście) za zjawisko solwatochromizmu, nieobce zapewne czytelnikom bardziej obeznanym z chemią. W skrócie chodzi o to, że pewnie barwniki (chromatofory) mogą zmieniać barwę wraz ze zmieniającą się polarnością otoczenia. Ponieważ wnętrze kukurbiturylu polarne specjalnie nie jest, wpłynąć na to tzw. przesunięcie solwatochromowe.

Drugim nietypowym zastosowaniem jest zaproponowane przez Balzaniego z kolegami (w pracy, którą mogę na prośbę podesłać) użycie kukurbituryli jako elementów maszyn molekularnych. Dla przykłady, kompleks kukurbit[5]urylu i kukurbit[10]urylu ma ciekawe właściwości. Ze względu na bardzo do siebie pasujące rozmiary oraz właściwości chemiczne tych cząsteczek, mniejszy CB[5] sadowi się w centrum większego CB[10]. Gdy zaś się tam znajdzie, posiada znakomitą swobodę ruchów. A przynajmniej obrotów. Dzięki temu właśnie zachowaniu kompleks ten został przez Balzaniego sklasyfikowany jako molekularny żyroskop. A przykładów badacze podają w swojej pracy więcej.

Większość jednak zastosowań kukurbituryli to na razie tylko pojedyncze wojaże niektórych badaczy w krainę chemii supramolekularnej. Ma to związek oczywiście z późnym opisaniem struktury kolejnych kukurbituryli, które w większości zostały scharakteryzowane dopiero w ostatniej dekadzie. Ale chociaż trudno na razie szukać aplikacji kukurbituryli na skalę przemysłową, jest to jednak klasa cząsteczek, której warto się w przyszłości bliżej przyglądać.