Структурообразование в растворах хиральных биомиметиков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

На правах рукописи

СТОВБУН Сергей Витальевич

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В РАСТВОРАХ ХИРАЛЬНЫХ БИОМИМЕТИКОВ

01.04.17-химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

2 3 МАЙ 2013

Москва -2012

005059928

005059928

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук

Официальные оппоненты:

Бучаченко Анатолий Леонидович

академик РАН, доктор химических наук, профессор

Институт проблем химической физики Российской академии наук

Яковенко Леонид Владимирович

доктор физико-математических наук, профессор

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Ванин Анатолий Федорович

доктор биологических наук, профессор

Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук

Защита диссертации состоится «15» мая 2013 года в И часов на заседании диссертационного совета Д 002.012.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук (ИХФ РАН) по адресу: 119991, Москва, ул. Косыгина, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук (ИХФ РАН) Автореферат разослан « 15» апреля 2013 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.012.02 кандидат физико-матем этических наук

Голубков М. Г.

Введение. Хиральные соединения (аминокислоты, углеводы, фосфолипиды и др.) составляют молекулярную основу всех живых систем - от клеточного до биосферного уровня. Гомохиральность этих соединений определяет стереоспецифичную идентичность межмолекулярных взаимодействий в процессах преобразования энергии, вещества и информации, а также морфогенетическую специфичность клеточных органелл, клеток и тканей. Принципиально, что все специфические молекулярные и надмолекулярные конструкции: одномерные (пептидные цепи белков и цепочки нуклеиновых кислот), двумерные (мембраны), трехмерные (цитоскелет, органеллы) представляют собой гомохиральные структуры.

Фундаментальная роль гомохиральности в кинетике формирования макромолекулярных предбиологических систем была отмечена академиком В.И. Гольданским с сотрудниками [1], а роль хиральности в предбиологической эволюции в сопряжении с клеточной ионной асимметрией впервые установлена в работах В.А. Твердислова и сотрудников [2]. Ими была сформулирована новая общая синергетическая закономерность: эволюционирующая система может многократно изменять тип симметрии внутри одного иерархического уровня, повышая свою «сложность», а при переходе на более высокий уровень - знак хиральности со сменой функциональной роли энантиоморфа. Фундаментальное значение смены знака хиральности, или ЬЛЗ-стратификации, в самоорганизующихся системах состоит в разделении дискретных иерархических уровней и является необходимым условием их эволюции [2].

В этой связи принципиальным является вопрос, в какой мере наблюдаемые структурные закономерности гомохиральных биологических систем и высказанные выше соображения об их свойствах могут быть отнесены к относительно простым физико-химическим системам как имеющим отношение к механизмам биопоэза. Представляется необходимым изучение предельно упрощенных модельных систем, имитирующих особенности структурообразования в биологических системах — биомиметиков. При этом модельные молекулярные носители хиральных свойств могут существенно отличаться по химическому составу от своих биологических прообразов. Так, известно, что в достаточно

простых искусственных супрамолекулярных системах хиральность молекул становится важным фактором самоорганизации, проявляющейся в виде структурирования или гелеобразования при достаточно низких их концентрациях (10"2-10"3 М) [3]. Такие хиральные растворы или гели имеют все свойства "мягких" фаз, которые наблюдаются у живых систем: они реализуют структурообразование в микро- и макроскопических масштабах, размерность и геометрию супрамолекулярных форм, имеют значительную анизотропию, анизометричны на масштабах до -0,1 см при ползучих течениях и характеризуются высокой плотностью фрустраций.

За последние годы было синтезировано значительное количество подобных низкомолекулярных хиральных гелаторов, что позволило осуществить выполнение настоящей работы как актуального систематического исследования.

Актуальность настоящей работы определяется в первую очередь, фундаментальностью исследуемой проблемы: принципиально важным для всей биологии является вопрос, в какой мере возникновение хиральной асимметрии могло сказаться на механизмах и функциональной значимости формирования одномерных, двумерных и трехмерных структур, составивших начальные стадии биопоэза. В этом отношении низкоконцентрированные гомохиральные растворы, в силу их биологической универсальности, могут быть адекватными моделями для выявления роли молекулярной хиральности при самоорганизации в искусственных и природных системах.

Несмотря на важность проблемы, структурообразование в низкоконцентрированных гомохиральных растворах недостаточно изучено. Данное направление химической физики можно рассматривать как развитие прямого моделирования процессов структурообразования в предбиологических системах. Разумеется, что в условиях de novo сформировавшейся планеты Земля заведомо не могло спонтанно возникнуть сочетание из гомохиральных растворов чистых веществ в органических или полярных растворителях. Тем не менее, как принято в физических исследованиях, для выявления принципиальных закономерностей, используются предельно «упрощенные» системы, в чистом виде в

природе не встречающиеся, но отражающие системные особенности межмолекулярных взаимодействий. Подобные наборы веществ и растворителей могут служить биомиметическими системами. Имеются основания считать, что хиральность может кардинальным образом влиять на процессы самоорганизации, связанные с формированием вторичных, третичных и четвертичных супрамолекулярных и макромолекулярных структур — спиралей, двойных спиралей, замкнутых везикул, спикул в мембранных системах и пр. В свою очередь, и хиральность амфифильных молекул, формирующих моно- и бислои на границах раздела фаз в биомиметиках [4], как в случае фосфолипидов в биомембранах, может в значительной степени определять характер образующихся структур. Таким образом, с точки зрения фундаментальных природных закономерностей, исследование структурообразования и формирования гомохиральной среды в модельных физико-химических хиральных системах является весьма актуальным.

Выявление механизмов образования хиральных гелей или хиральных нанорешеток в растворах при низких концентрациях также является новым диверсифицированным нанотехнологическим направлением.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было выявление механизмов структурообразования в хиральных низкоконцентрированных растворах биомиметиков и оценка возможной роли гомохиральности на химической стадии эволюции. Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы следующие задачи:

- провести научно обоснованный выбор молекулярной модели биомиметика;

- экспериментально исследовать структурно-динамические механизмы образования дисперсной анизометрической и изометрической фаз растворов;

- исследовать свойства симметрий, образующихся в процессе самосборки супрамолекулярных структур, а также их иерархий;

- определить кинетические параметры, исследовать нуклеацию, структурную макрокинетику и кооперативные процессы в растворах ТФААС, построить микроскопическую модель струны; обрисовать сценарий образования гомохиральных структур

макромолекулярного масштаба на стадии предбиологической химической эволюции;

- оценить применимость биомиметической модели к изучению процессов на химической стадии предбиологической эволюции.

Объект и предмет исследования. ТФААС являются одними из наиболее простых известных синтетических аналогов хиральных биологических молекул. Их молекулярные массы составляют -200 Да и менее [5]. Молекулярный дизайн ТФААС обеспечивает структурные возможности проявления всего спектра межмолекулярных взаимодействий, что позволяет использовать растворы ТФААС в качестве моделей (биомиметиков) структурообразования. Изометричность ТФААС позволяет минимизировать влияние ахиральных радикалов.

Методология и методы. В работе были использованы стандартные физико-химические подходы и экспериментальные методы. Охарактеризованы все физические масштабы, соответствующие рассматриваемой системе. Все основные результаты диссертации имеют адекватную и обоснованную физико-химическую интерпретацию.

На защиту выносятся: феноменология и механизм формирования упругих антисегнетоэлектрических струн с инертной боковой поверхностью в хиральных растворах; эффекты суперспирализации и хиральная иерархичность струн; обоснование необходимости хиральности и гомохиральности для образования струн в низкоконцентрированных растворах; экспериментальные и теоретические исследования пороговых эффектов образования струн, пограничных и коллективных явлений; особенности структурной макрокинетики, макроскопическая и микроскопическая модели гомохиральной струны; интерпретация явления физико-химической аннигиляции антиподов и новый сценарий возникновения гомохиральных структур макромолекулярного масштаба в рацемическом мире на стадии химической эволюции, моделирование метрик, масштабов, симметрии и динамики добиологической стадии эволюции; опыт создания новых хиральных лекарств и материалов.

Научная новизна. Выявлены и изучены основные структурные элементы анизометрических гелей - упругие супрамолекулярные (с дальним порядком) антисегнетоэлектри-ческие струны с инертной боковой поверхностью, разномасштабный хаос которых приводит к макроскопическому отверждению ниже перколяционного порога.

Экспериментально исследованы процессы формирования иерархических хиральных структур и установлены различные макрокинетические режимы и механизм роста струн.

Построены макроскопическая и микроскопическая модели, которые описывают феномен формирования струн. Исследовано взаимодействие струн с поверхностью твердого тела. Выявлен эффект образования доменов параллельных струн и исследован механизм их формирования.

Разработана биомиметическая модель, соответствующая масштабам, размерностям, динамике, структурной макрокинетике и симметрии биологических структур. На примере биомиметической модели показана смена знака хиральности при переходе на следующий структурный уровень как иллюстрация общей синергетической закономерности.

Экспериментально установлено явление физико-химической аннигиляции антиподов. Предложен новый сценарий возникновения гомохиральных структур макромолекулярного масштаба в низкоконцентрированных растворах на стадии химической эволюции в рацемическом мире. Развиты инновационные физико-химические подходы, направленные на создание новых хиральных лекарств и материалов.

Практическая значимость. Исследованы процессы формирования низкомолекулярных хиральных гелей в растворах (углеводородов, нефти, воды и др.), что может найти широкое применение в технике, экологических технологиях и медицине. Установлены физико-химические особенности механизмов действия лекарств в СНД. Разработано и внедрено противовирусное лекарство «Панавир» с активностью в области СНД и фармакологическая субстанция «Ампассе» с ноотропной и нейропротекторной активностью; предложены подходы для

разработки получения гомогенных матриц из хиральных полимеров (нитроцеллюлозы) и олигомеров для низкофоновых детекторов ядерных излучений. Проведены измерения a-излучателей в районе ЧАЭС в 1986 - 1988 г.г., для чего разработан полимерный детектор с подтвержденной в 2011г. рекордной чувствительностью к протонам отдачи.

Личный творческий вклад. Выбор темы, постановка задачи и целей исследования, обсуждение и обобщение всех полученных результатов, формулирование научных положений и выводов, которые выносятся на защиту, принадлежат лично автору настоящей работы. Все работы, описанные в диссертации, выполнены автором лично или при его решающем участии при определении физических моделей.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований, представленных в диссертации были доложены и обсуждались на: XXIII-M симпозиуме «Современная химическая физика» (г. Туапсе, 2011), XIX-M Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), Юбилейной научной конференции «Химическая физика вчера, сегодня, завтра», посвященной 80-летию ИХФ РАН (Москва, 2011), П-й Международной Интернет-конференции «Актуальные проблемы биохимии и бионанотехнологии» (Казань, 2011), 25th International Conference on Nuclear Tracks in Solids (2011 Puebla, México), 11th ECNP Regional Meeting (14-16 April 2011, St. Petersburg, Russia), 14th European Behavioral Pharmacology Society (EBPS) Meeting (26 - 28 August 2011, Amsterdam - Netherlands), IV-m Съезде Биофизиков России - Симпозиум II «Физические основы физиологических процессов» (Нижний Новгород, 2012), XXIV-m симпозиуме «Современная химическая физика» (г. Туапсе, 2012).

По материалам диссертации опубликовано 37 работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, содержит 113 рис., 15 табл., 293 стр.

Содержание Введения подробно отражено выше.

В первой главе описаны экспериментальные методы и материалы, используемые в работе.

Вторая глава посвящена экспериментально и теоретически обоснованному выбору модели (биомиметика) и содержит критический обзор исследований хиральных гелаторов.

Хиральные низкоконцентрированные растворы, гели и их элементы являются адекватными синтетическими аналогами природных систем.

Рис. 1. Соединения, образующие гели при низких концентрациях.

Однако проблемы изучения таких полидисперсных хиральных мягких сред, по-видимому, связаны со сложностью интерпретации экспериментальных данных с помощью физических моделей [6]. Так, известные из литературы результаты исследований хиральных гелей в основном сводятся к получению разрозненных эмпирических результатов. Действительно, важным достижением исследований за последние 20 лет явилось установление значительного химического разнообразия гелирующих низкомолекулярных [(102-103) Да] соединений. Всего в настоящее время известно не менее сотни таких соединений, примеры которых приведены на рисунках 1 и 2.

№ Изображение молекулы, собранное из сфер Изображение молекулы, собранное из стерженьков № Изображение молекулы, собранное из сфер Изображение молекулы, собранное из стерженьков

1 сУ^ 5 Ф

2 6 М: 1 ъкшГ

3 7

4 8 <-1

Рис.2. Изображения молекул ТФААС с учетом Ван-дер-Ваалъсовых радиусов атомов, построенные методом МД. Дипольные моменты соединений (вДебаях):

1-4,08 2-4,26 3-3,85 4-3,94 5-3,59 6-3,85 7-4,09 8-3,92

О гелеобразовании обычно судят качественно по отсутствию перетекания в перевёрнутой ёмкости с образцом (гелем) или по подвижности положенного на поверхность образца шарика и редко по соотношению параметров вязкости и упругости (несмотря на то, что есть "реологическое" определение геля); температуру

гелеобразования в некоторых работах определяют с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии.

Строение конденсированной фазы геля исследуют, используя методы аналитической химии (ИК-спектроскопия, ЯМР, масс-спектрометрия, оптическая спектроскопия - спектры поглощения в УФ и оптическом диапазонах, спектры флуоресценции), а также рентгеновскую дифракцию на гелях, ксерогелях, порошках и, в некоторых случаях, микрокристаллах гелаторов. Морфологию гелей исследуют с помощью микроскопии (электронной, атомной сканирующей - на ксерогелях, оптической, в т.ч. поляризационной и флуоресцентной), методами исследования дисперсной фазы (нейтронным и рентгеновским малоугловым рассеянием, динамическим рассеянием света); некоторые структурные свойства исследуют с помощью рентгеновской дифракции.

Необходимо отметить, что такие гели не являются молекулярно изотропными и образуются значительно ниже перколяционного порога [7]. Так, на большинстве опубликованных микрофотографий видны анизометрические структуры с поперечными размерами до 10 нм (тканеподобные, состоящие из различных нитей, лент, трубок и др.), терминология для их описания окончательно не устоялась, а перколяционные модели не рассматриваются. В некоторых работах говорят о соединительных зонах (junction zones) таких анизометрических структур, и используется термин string (струна), который будет использоваться и в настоящей работе. Основной результат исследований с помощью малоуглового рассеяния - вывод об одномерном характере структур в геле, толщине нитей, её дисперсии. Поскольку практически все низкомолекулярные гелаторы и их гели обладают хиральной асимметрией, во многих работах исследуют оптическую активность образцов, а именно, спектры кругового дихроизма. Из подобных измерений получают отдельные данные о кинетике, структуре образований, составляющих гель, влиянии температуры, концентрации гелатора, скорости охлаждения системы при создании геля. При этом, однако, не учитывают компенсационный эффект и слабую полихронность кинетических параметров [4], что не всегда позволяет получить корректные результаты. На основе полученных данных (в первую очередь, о морфологии и имеющихся в структурах геля связях), в некоторых работах графически

изображают наиболее вероятную микроскопическую структуру и молекулярную архитектуру "элементов" геля, например, его супрамолекулярных структур. В теоретических исследованиях, посвященных взаимодействию ориентированных и хиральных молекул (например, при численном моделировании жидкокристаллической среды) обычно используются модели, опирающиеся на простейшие геометрические образы, отражающие тип симметрии или характер нарушения симметрии, которые представляются существенными для физической интерпретации: например, цепочка атомов, спирально расположенных вокруг оси длинной молекулы [8].

Анализируя известные экспериментальные данные, следует отметить, что они получены исключительно для гелей. При этом гелаторы имеют принципиально различный химический дизайн, а гели - различную морфологию. Во многих работах авторы не учитывали неравновесность гелей и, соответственно, кинетические особенности проведения экспериментов, а выбор супрамолекулярной архитектуры был чрезвычайно субъективным, так как не использовались полноценные методы молекулярного моделирования, учитывающие растворитель. Кроме того, не были построены кинетические и макрокинетические модели образования таких систем и их структурных элементов.

Таким образом, к моменту постановки настоящей работы не были систематически исследованы структура, физико-химические механизмы и динамика образования супрамолекулярных анизометрических элементов решетки геля. С другой стороны, экспериментальные данные указывали на образование супрамолекулярных структур макроскопических масштабов при весьма низких концентрациях (10"3 М), однако отсутствовала интерпретация элементов метрик и аналогов природных форм, какой-либо анализ иерархичности самоорганизующихся структур и т.д.

В настоящей работе для адекватного описания взаимодействия молекул гелаторов методом МД были определены их Ван-дер-Ваальсовы радиусы и дипольные моменты.

Проведенные теоретические расчеты показали, что величины дипольных моментов известных из литературы гелаторов лежат в диапазоне б ~ 3,5—4,5 Д, что согласуется с экспериментальными

данными для дипольных моментов молекул ТФААС, полученных методом Гедестранда. Этот результат указывает на существенную роль диполь-дипольного взаимодействия при формировании анизометрических структур.

Наличие значительных по размерам боковых радикалов (рис.1), как показал анализ литературных данных, приводило к образованию тканеподобных или волокнистых трудно идентифицируемых текстур. Напротив, для малых Я гель был образован элементами «простой» геометрии - упругими струнами, а величины ср пороговой концентрации имели значительно меньшие значения.

На рис.2 приведены объемные изображения гомологического ряда молекулярно-изометрических ТФААС с учетом Ван-дер-Ваальсовых радиусов образующих их атомов, а также рассчитанные методом МД соответствующие им дипольные моменты <1 ~ (3,5—4,2)

д.

Результаты экспериментального исследования ксерогелей ТФААС (рис.2), в которых реализуются все типы межмолекулярных взаимодействий, в том числе и стекинг (ТФААС-7) показали:

1) в гомохиральных растворах гептана, нонана, бензола, кумола и циклогексана ТФААС-1,3,4,5,6,7 образуются струны с «идеальной геометрией», с коэффициентом анизометрии А~103-104;

2) в ахиральном ТФААС-2 и рацемическом ТФААС-1 и ТФААС-5 струны не образуются;

3) в двухиральном ТФААС-4 струны, как правило, образуются при больших концентрациях раствора, чем для однохиральных ТФААС;

4) в полярных растворителях (спирты, ацетон, диметилсульфоксид) с гомохиральными ТФААС-3,4,5,6,7 также, в основном, образуются тканеподобные структуры, дендриты и скелетоны с А~ 10;

5) в водных растворах ТФААС-8 образуются хорошо визуализируемые струны. (Например, анизометрические структуры в ксерогеле водного раствора фенилаланина визуализируются значительно сложнее).

Как будет показано далее, эта простая экспериментальная оценка позволила выбрать в качестве модели гель (гелатор-растворитель) с хорошо микроскопически различимыми Ы-

элементами, с макроскопическим масштабом, отвечающим принципу экономии вещества в природе. При этом изометричность молекул ТФААС позволяла избежать маскирующего влияния боковых радикалов на эффекты, обусловленные хиральностью.

Таким образом, молекулярный дизайн биомиметика (ТФААС) отражает основные, с точки зрения автора, физические параметры низкомолекулярных моделей предбиологических растворов, а именно:

а) псевдоскалярность, связанную с хиральностью, и обусловленную наличием хирального атома углерода в молекулах растворенных соединений;

б) локальную анизотропию (т.е. локальное отклонение от инвариантности по отношению к группе вращений), отвечающую большим, по молекулярным масштабам, расстояниям, начиная от 1 нм и более, косвенно связанную с хиральностью и обеспечиваемую, прежде всего, дальнодействующим и сильно ориентационно зависимым диполь-дипольным взаимодействием молекул.

Оценка энергии диполь-дипольного взаимодействия Ед ~ кТ, приводит к величине дипольного момента молекулы биомиметика не менее ~ЗД, который и моделировался СБз-группой, имеющей дипольный момент ~3,5Д. Сами биомиметики химически инертны, а их молекулярный дизайн позволяет исследовать практически весь спектр межмолекулярных взаимодействий. Развитый в работе физический подход позволяет учесть локальные симметрийные свойства подобных квазибиологических растворов, псевдоскалярность или хиральность, а также анизотропию, которые проявляются на молекулярном масштабе и за пределами молекулы.

В третьей главе дано феноменологическое описание струн и рассмотрены особенности макрокинетики их формирования. Исследовались растворы ТФААС-1 - ТФААС-8 (рис.2) в различных органических растворителях (гептане, гексане, циклогексане, изопропаноле, кумоле, бензоле, четыреххлористом углероде, хлороформе, метиловом, этиловом спиртах, ацетоне, диметилсульфоксиде и др.) и в воде.

Рис. З а

Рис. 36

Рис.Зв

Рис. За. КОС, штрих 200 мкм. Жидкий р-р ТФААС-4 в ЦГ, 1 мг/мл. Система струн.

Рис. 36. КОС, штрих 400 мкм. Жидкий р-р ТФААС-5 в гептане, 0.4 мг/мл. Система струн.

Рис. Зв. ОМ, штрих 100 мкм. Замороженный гель р-ра ТФААС-8 в воде, 2,5 мг/мл. Скол льда. Обрывы струн.

Рис. Зг Рис. Зд Рис. Зе

Рис. Зг. ОМ, штрих 100 мкм. Ксерогелъ р-ра ТФААС-5 в бензоле, 7 мг/мл. Ветвление и обрывы струн.

Рис. З.д. ОМ, штрих 500 мкм. Ксерогель р-ра ТФААС-5 в бензоле, 0.3 мг/мл. Струны и изометрические структуры.

Рис. Зе. ОМ, штрих 100 мкм. Ксерогель р-ра ТФААС-5 в хлороформе, 20 мг/мл. Щетки, дендриты.

Гомохиральные растворы отверждались (при комнатной температуре) при концентрации (10"3-10"2)М, что значительно ниже перколяционного порога:

ср=(0.1-0.2), (1)

где ср - объемная доля растворенного вещества, соответствующего бесконечному кластеру на молекулярной решетке (вне зависимости от молекулярного дизайна) с шагом ~ 10Ä. Действительно, в гелях наблюдается дисперсная анизометрическая фаза (от ~10 мкм и более), формирующая видимую решетку связей (рис.За-г).

Очевидно, что геометрия такой решетки с очень небольшим собственным объемом соответствует бесконечному кластеру с порогом образования с « с„. На масштабах более- 0,1 см такой анизометрический гель изотропен и однороден. В гомохиральных растворах была измерена скорость ультразвука в диапазоне концентраций ТФААС -0,05-3,0 мг/мл. Имело место значительное (более 10%) скачкообразное изменение скорости звука при малом варьировании концентрации раствора. При этой же (пороговой) концентрации визуально наблюдалось гелеобразование. Частота (6 МГц), на которой наблюдался эффект, отвечает длине ультразвуковой полуволны ~ 80 мкм и согласуется с параметром микроскопической решетки геля 50 - 150 мкм, отвечающей этой концентрации ТФААС.

Оценка энергии активации обратимого гелеобразования из условия кинетического равновесия, определяемого по его порогу, дает величину:

W = k Т In (2 1* v / 3 D а2 пр) = (0.2-0.5) эВ, (2)

(к - постоянная Больцмана, Т - температура, D - коэффициент диффузии, 1* - параметр клеточной модели жидкости, размер клетки, v - частота термически активированных колебаний молекулы, связанной в конденсированной фазе, а -диаметр молекулы, nD - концентрация гелеобразования), что характерно для супрамолекулярных низкоконцентрированных гелей.

В неполярных растворителях (циклогесан, гептан, нонан, четыреххлористый углерод) спонтанно формируются нерегулярные решетки "идеальных" струн. Их длина в экспериментах составляет до 1-Ю"1 см и более, диаметр d-Ю"4 см, постоянен вдоль струны d=inv., а параметр анизометричности не менее A=l/d~10 . Струны прямолинейны на масштабах до 10"2см и более, что указывает на их механическую упругость (рис. За-б). В растворителях, более активно конкурирующих за образование межмолекулярных связей

(бензол, метиловый, этиловый и пропиловый спирты, хлороформ, ацетон, диметилсульфоксид, вода), наблюдаются обрывы и ветвление струн (рис. Зв-д), вплоть до образования дендритов, щеток и т.д. (рис. Зе), а анизометрия, соответственно, может быть существенно меньше - А~10-Ч02.

Растворы ахирального ТФААС-2 с дипольным моментом с!=4Д в этом диапазоне концентраций гели не образуют (Рис.4 а,б), их ксерогели содержат слабо анизометричные структуры - А~ 5. Соответственно, макроскопические масштабы фазы в растворах ахирального ТФААС-2 также не возникают. Таким образом, хиральность молекул принципиально важна для формирования макроскопических струн в низкоконцентрированных растворах.

Наблюдаемое после длительного вакуумирования при 10"4 тор. по данным АСМ отсутствие сорбированной воды на поверхности гомохиральных струн в ксерогеле (гептан) свидетельствует о слабой полярности и «компактизации» водородных связей внутрь струны, тогда как поверхности рацемических гранул и гранул ахирального ТФААС частично покрыты водой (рис.4б).

Рис. 4а Рис. 46

Рис. 4а. ОМ, штрих 10 мкм. Ксерогелъ р-ра ахирального ТФААС-2 в ЦГ. Изометрические гранулы.

Рис. 46. АСМ, РФК. Оси абсцисс и ординат — мкм, дополнительная - угловые градусы. Ксерогелъ р-ра ахирального ТФААС-2 в гептане. Изометрические гранулы и конгломераты гранул, покрытые атмосферной водой.

В растворах ТФААС при формировании анизометрических гелей наблюдаются множественные супрамолекулярные струны, образующие нерегулярные, визуально связанные решетки, заполняющие весь объем.

45

25

\

5

..... ^Ь—-1--_____......^

Рис. 4в

Рис.4в. Зависимость пороговой концентрации образования струн С* (в мг/10мл, вертикальная ось) от доли д (в процентах, горизонтальная ось) левого энантиомера в растворе ТФААС-5 в гептане при 22 °С: экспериментальные данные (указаны вертикальными интервалами) и апроксимирующая их однопараметрическая кривая С* = Сь * (100/5).

Рис. 5. ОМ, штрих 100 мкм. Жидкий р-р ТФААС-5 в изопропаноле. Уединенная струна в кап, шпяре.

Следует отметить, что обнаруженный феномен формирования уединенной струны в капилляре (рис. 5) демонстрирует, что струна выступает как отдельное (дискретное) структурное образование, не связанное с гелеобразованием. Так, уединенная струна длиной примерно 700 мкм и диаметром ё-Змкм, сформировавшаяся в растворе изопропанола с нормальной вязкостью в запаянном стеклянном капилляре, показана на рис.5.

Рацемические растворы ТФААС-1 в гептане при любой концентрации гомохирального ТФААС-1 остаются жидкими, ксерогели содержат только изометрические элементы с А~ (1,0-3,0). Концентрационные пороги образования струн всех хиральных ТФААС в гептане составляют ~ 0,1 мг/мл, за исключением ТФААС-7 (с фенольным радикалом) ~0,025мг/мл. Пороги образования струн в смесях различных ТФААС хиральности одного знака не аддитивны, причем порог в составном растворе всегда меньше (примерно в 2-3 раза) суммы порогов в растворах гомохиральных компонентов (минимальный вклад дает ТФААС-7). В смеси различных энантиомеров разной хиральности (ТФААС-5, -3) гель и струны при пороговых концентрациях не образуются. В ахиральном ТФААС и его эквимолярной смеси с гомохиральным ТФААС-5 струны не образуются. В воде концентрационный порог образования струн для ТФААС-8 значительно выше —5,0 мг/мл.

Зависимость порога образования струн в гептане от доли Ь-энантиомера в растворе, содержащем Ь,0-энантиомеры ТФААС-5 в разном массовом соотношении, приведена на (рис.4в). Имеется острый максимум при концентрациях Ь=Б, и при превышении концентрации всего на ~ 10% порог стремится к порогу гомохирального раствора.

В растворах при различных концентрациях расстояния между струнами, как правило, составляют десятки микрон и более, т.е. они практически не взаимодействуют вне малых участков непосредственного механического контакта (рис.За-г). Таким образом, отверждение растворов ТФААС является тривиальным следствием образования в них множества упругих струн, имеющих длину вплоть до макроскопической. При концентрациях, больших 1,0 мг/мл в органических растворителях и 80 мг/мл в воде, растворы ТФААС обладают вязко-упругими свойствами и седиментационной устойчивостью в течение многих суток. При этом, время

седиментации т уединенной струны радиуса г на высоту Ь задается соотношением х = у т] Ь / (8р) % г , где г) - вязкость растворителя, (5р) - превышение плотности струны над плотностью растворителя, $ -ускорение свободного падения, у ~ 10"1 - коэффициент, зависящий от наклона струны и слабо (логарифмически) от степени ее анизотропии, и при Ь = 1 см оно составляет для типичных струн с радиусом 1 мкм: т~103 с. Следовательно, седиментационная устойчивость такого геля доказывает, что в нем образовалась решетка физически взаимодействующих струн.

При меньших концентрациях происходит нелокальное концентрирование ТФААС, которое оптически визуализируется как изотропное перемещение струн к центру лабораторного объема ~ 1 см.

Струны в гептане, гексане, бензоле, изопропаноле и воде окружены мезофазой, имеющей отличную от них оптическую плотность (рис. 6а), в циклогексане и СС14 видимой мезофазы не наблюдается. Мезофаза смачивает струны и, по-видимому, характеризуется ориентационным порядком (см. гл. 4), о чем свидетельствует появление шлирен-текстуры с характеристическим размером I ~ 0,5 мкм, а также многочисленных дисклинаций (/ ~ 1 мкм) при наблюдении в линейно поляризованном свете (рис. 6 б-в), а также наличие текучести. Струны при расплетении в мезофазе непрерывно переходят в дисклинации (рис. 7). Дисклинации имеют размерность -Ы и образуются, как известно, в областях фрустраций мезофазы [6].

Спиральная структура струн выявляется на всех масштабах от с!—0.1 мкм и менее до с1~10 мкм и более («гигантских», формирование которых в растворах занимает несколько суток) (рис. 6а,8,9), при этом диаметр, шаг и длина струн зависят от их истории. Наблюдаются также двунитяные ДНК-подобные спиральные структуры (рис. 10), связанные мезофазой.

Приведенные микрофотографии демонстрируют феномен

суперспирализации: сплетение спиральных струн меньшего

диаметра в спиральные структуры большего диаметра, повторяющееся на нескольких иерархических уровнях.

Рис. 6а

Рис. 66

Рис. бе

Рис. 6а. КОС, штрих 20 мкм, поляризованный свет. Жидкий р-р ТФААС-4 в гептане, 0.4 мг/мл. Фрагмент струны. Видна окружающая струну мезофаза. Рис. 6 б-в. ИОМ Leica DMI6000, штрих 3 мкм, жидкий р-р ТФААС-4 в гептане, 0.4 мг/мл.

6 6- фрагмент струны крупным планом и мезофаза; многочисленные дисклинации и «мальтийские кресты» указывают на жидкокристаллический характер мезофазы;

6 в — «мальтийский крест» крупным планом; многочисленные дисклинации с характерной длиной около микрона, пронизывающие раствор.

Рис. 7

Рис. 7. ИОМ Leica DMI 6000, штрих 3 мкм. При расплетении струны с d~l мкм тонкие струны заканчиваются дисклинациями мезофазы. ТФААС-4 в гептане, 1 мг/мл.

4.4 4,6 4,8 5.0 5,2 Aim

Рис. 8

Рис. 8. ACM. Горизонтальная и вертикальная шкалы градуированы - мк, дополнительная ось — нм. Слюда. Ксерогель ТФААС-5 в гептане. Струна, спиральным образом сформированная из более тонких струн.

Рис. 9а-б. КОС, поляризованный свет, жидкий р-р ТФААС-4 в гептане, 0.4 мг/мл.

9 а. Штрих 20 мкм. Цифровой фильтр. Фрагмент струны. Спиральная структура струны.

9 б. Шрих 100 мкм. Гигантская струна, свитая из трех основных струн и разветвляющаяся на них.

Рис. 10. ОМ. Штрих 100 мкм. Р-р ТФААС в изопропаноле. Две пары струн, образующих свободные ДНК-подобные спирали.

Рис. 11. Ксерогелъ р-ра ТФААС-4 в ЦГ. Дифрактограмма, полученная непосредственно после высыхания раствора. Ось абсцисс —угловые градусы, ось ординат — доли приведенной интенсивности.

Рис.12 а. ОМ, штрих 100 мкм. Ксерогелъ р-ра ТФААС-6 в бензоле, 5 мг/мл. Инициирование роста струн локальными (точечными, 0-мерными) флуктуациями концентрации ТФААС.

Рис.12 б. ОМ, штрих 100 мкм, ксерогелъ р-ра ТФААС-7 в кумоле. 1-мерное

инициирование роста струн: цепочка расположенных вдоль 1-мерной линии

центров 0-мерной конденсации, из которых растут веера струн.

Рис.12 в. ОМ, штрих 100 мкм. Жидкий раствор ТФААС в гептане.

Инициирование роста струн 2-мерной поверхностью раздела фаз.

Рис.12 г. ОМ, штрих 100 мкм, ксерогелъ р-ра ТФААС-5 в гексане.

Инициирование роста струн во всем объеме (3-мерное).

Рис.12 д. ОМ, штрих 100 мкм. Ксерогелъ р-ра ТФААС-3 в ЦГ, 3.5 мг/мл.

Инициирование роста струн вброшенными в раствор микрокристаллами

ТФААС-3.

Процесс спонтанного формирования струн в растворе инициирован структурами или нуклеациями, имеющими визуально

Для толстых струн температура исчезновения таких нуклеаций выше и растет с увеличением диаметра струны. Порог образования струн не зависит от температуры примерно от 20°С до 50°С. Невоспроизводимость и стохастичность формирования струн при нагреве (плавлении) и последующем охлаждении растворов также свидетельствует о флуктуационном или микроскопическом механизме их образования.

Рис. 13а-б. ОМ, поле зрения 147 мкм X117 мкм, жидкийр-р ТФАЛС-4 в ЦГ, 0.4 мг/мл. Проверка эффекта памяти. 06разец13а нагревался до температуры 41 °С (до визуально наблюдаемого разрушения струн) и естественным путем охлаждался до 19 Итог - 13 б.

признаки разных метрик: нуклеации с размерностью-Оё, линейными структурами- 1с1, поверхностью раздела фаз-2с1, или объемно -Зс1 (рис. 12 а-г), а также затравочными микрокристалликами (рис. 12 д).

В циклах нагревание-охлаждение происходит микроскопически наблюдаемое исчезновение и последующее формирование мезофазы, струны и геля, что приводит к температурному гистерезису интенсивности ИК- поглощения и флюоресценции (см. главу 4). При этом положение отдельных струн воспроизводится покоординатно точно (например, на образце (рис. 13 а-б) до температуры ~41,4°С), пока не исчезает субмикроскопическая -0.1 мкм анизотропная нуклеация.

Рис. 13а

Рис.136

Экспериментально при 20-25°С были обнаружены три различных макрокинетических режима формирования струн с диаметром с! -1-2 мкм, отличающиеся не только скоростью, но и особенностями структурной макрокинетики:

1) в виде правильного идеального цилиндра постоянного диаметра ~ 1мкм (рис.16), торец которого перемещается с постоянной скоростью у=0,1-0,3 мкм/с (циклогексан, ТФААС-5);

2) путем сборки тонких струн с диаметром-0,1 мкм в обратный конус с телесным углом - (0,1-1)я (рис 96,14), при этом точка сборки микроскопической струны или ее торец перемещается скачками, с остановкой - 5-10 с, однонаправленно быстро растущими тонкими струнами V-1,0-10 мкм/с (гептан, ТФААС-4);

3) в воде (ТФААС-8) соответствует модели «цилиндра» на масштабе - 50 мкм, после чего происходит остановка торца струны (3-5 сек), далее неподвижный торец струны выполняет роль зоны нуклеации (точка распада) сразу множества струн, формирующихся со скоростью у=10-15 мкм/с в телесный угол -я/2 (рис.15).

Отметим, что для предельно тонких струн, наблюдаемых как протяженные источники света (в режиме ультрамикроскопии), были зафиксированы скорости роста не менее 0,2 см/с (гептан, ТФААС-

4).

Экспериментально было показано, что формирование струн в электрическом поле ~104в/см не сопровождалось их ориентацией. Характеристическое время установления ориентационного равновесия х для струн с длиной Ь, при вращательной диффузии в вязкой стоксовой жидкости составляет:

т«Ьг|Ь3/кТ (3)

где Ь~1 - численный коэффициент, Г| - коэффициент вязкости жидкости (для органических растворов и воды т| ~ 0.01 г / см с). Струна при росте в растворе успевает сориентироваться в поле при условии: х < Ь / V или

т]Ь3/кТ<Ь/у, откуда [поскльку V = (10"5- 1) см /сек]:

Ь < и ~ (к Т / Ь г| у)ш я (0.02 - 5) мкм. (4)

Для такой струны выполняется условие изотропности ориентации в поле Б0 Е « к Т, где Б0 - дипольный момент струны

длины L0. При этом заряд на ее торце, выраженный в единицах элементарного заряда, составляет <~ (10"1 - 10~3), т.е. дипольные моменты молекул, образующих струну, противоположно направлены на масштабе ~1нм, а сами струны, следовательно, антисегнетоэл ектричны.

Рис. 14а Рис.146 Рис.14в

Рис. 14 а-в. КОС, жидкийр-р ТФААС-4 в гептане, 0.4 мг/мл. а - штрих 40 мкм, струны в окружении мезофазы. Конусы тонких струн, завершающие более толстые струны.

б— штрих 20 мкм, растущая струна, имеющая широкий конус, в - штрих 20 мкм, растущие струны, указанные стрелками 1 и 2, имеющие

Рис.14 г - штрих 200 мкм, крупная струна, имеющая хорошо различимую спиральную структуру, очень широкий конус (с углом раствора, близким к 4п) на одном (дальнем) конце и умеренно широкий конус на другом (ближнем) конце.

Рис.14 д. ИОМLeica DMI 6000, штрих 3 мкм, жидкий р-р ТФААС-4 в гептане, 0.4 мг/мл. Подробная структура расходящегося конуса тонких струн. Струна окружена мезофазой (многочисленные «мальтийские кресты»).

Рис. 15 а-б. ОМ, штрих 100 мкм. Р-р ТФААС-8 в воде, 10мг/мл. а - две группы струн, растущих навстречу друг другу; б - последовательное ветвление струны.

Рис. 16. КОС, штрих 40 мкм. Р-р ТФААС-4 в ЦГ, 0.4 мг/мл. Растущие струны, указанные стрелками 1 и 2, вид, близкий к цилиндрической геометрии.

Рис. 156

Рис. 16

Рис. 15а

Рис. 17а

Рис. 176

Рис. 17а. ОМ, штрих 100 мкм. Жидкий раствор ТФААС-4 в гептане, 0.4 мг/мл. Домен параллельных струн.

Рис. 176. КОС, штрих. 100 мкм. Жидкий р-р ТФААС-4 в гептане, 0.4 мг/мл. Домен хаотически ориентированных струн.

В гептане, нзопропаноле и воде наблюдаются домены хаотических и параллельных струн размером 102-103 мкм и более (рис. 17а-б), в циклогексане домены параллельных струн отсутствуют.

Домены взаимно не ориентированы. Наличие доменов с параллельными струнами указывает на проявление эффектов макроскопического дальнодействия при образовании струн. Выраженные границы доменов отсутствуют.

Струны не образуются в приграничном к проводящей подложке

(зеркало, графит) слое растворителя (-300 мкм), а при испарении растворителя гомохиральный ТФААС конденсируется в виде изометрических гранул (рис.18 а).

Струны стабильно и воспроизводимо формируются на слюде (изолятор, рис. 8 а-б), относительно стабильно, но с меньшей плотностью - на кремнии (полупроводник с узкой запрещенной зоной (1.09 эВ при 300 К) (рис. 8 в), нестабильно (неравномерно) на стекле (кластерная структура поверхностной прыжковой проводимости, (рис.18 б).

Рис. 18а. АСМ, РФК. Оси абсцисс и ординат - мкм, дополнительная-угловые градусы. Графитовая подложка. Ксерогель гомохирального раствора ТФААС-5 в гептане. Изометрические гранулы. Полное отсутствие струн. Рис. 186. ОМ, штрих 100 мкм. Ксерогель р-ра ТФААС-7 в бензоле, 0.8 мг/мл, на неоднородной стеклянной подложке с нанесенными на ней царапинами. Существенно различный характер формирования и разная концентрация струн в областях, разделенных царапинами.

Рис. 19. КОС, штрих 100 мкм, жидкий р-р ТФААС-4 в гептане, 0.4 мг/мл. Гигантская (диаметром — 50 мкм) струна, состоящая из большого количества (~l(f) неплотно расположенных тонких (диаметром ~0.1 мкм) струн, окруженных мезофазой.

Полное отсутствие струн над проводящей подложкой можно, по-видимому, объяснить термически активируемой рекомбинацией электронов проводимости из подложки и молекулярных диполей, образующих струну, что нарушает скомпенсированность дипольных моментов внутри струны, после чего кулоновское расталкивание (на расстояниях ~10А: 1.5 эВ и более), разрушает ее конструкцию (энергия активации 0.5 эВ).

Возникающее за счет Ван-дер-Ваальсовых сил подтягивание струны к подложке также может приводить к обрыву струн, что

объясняет их отсутствие в приповерхностных слоях над металлическим зеркалом, когда величина константы Гонакера существенно больше, чем в случае диэлектрика. Для струн без мезофазы этот эффект выражен значительно сильнее, что согласуется с предложенным механизмом.

В заключение заметим, что приращение диаметра струны с1 лимитируется дискретной нуклеацией тонких струн, что подтверждается структурой «гигантских» струн (рис. 19) диаметром с1г~10-50мкм, состоящих из ~102-103 тонких струн диаметром ~0,1мкм (рис.14 д), и экспериментально установленным условием постоянства диаметра струны по ее длине сЫпу.

Средняя плотность струн в условии гелеобразования логарифмически слабо зависит от концентрации ТФААС и сильно от вида растворителя: для ксерогеля раствора ТФААС-5 (2 мг/мл) достоверно больше (в расчете на поле ~0,7 10б мкм2) в циклогексане (5000), чем в бензоле (1000), где существенная доля ТФААС, по-видимому, «расходуется» на мезофазу.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования микроскопических свойств дисперсной фазы хиральных низкоконцентрированных растворов. Вещество в квазиодномерных струнах характеризуется дальним порядком, на что указывают хорошо выраженные пики дифрактограммы ксерогелей ТФААС, отвечающие основным межплоскостным расстояниям (рис.11). При этом кристалличность в струнах ксерогелей (ТФААС-5,8) значительно дольше сохраняется (~ 2 месяца), чем в случае ТФААС-4 (менее суток).

Дифрактограммы гомохиральных ксерогелей ТФАС-4, ТФААС-5, ТФААС-8, полученные из различных растворителей (циклогексан, гептан, вода), не зависят от растворителя, несмотря на совершенно различную морфологию и макрокинетику струн, микроскопируемых в разных растворителях.

Это означает, что идентичный (для конкретного ТФААС) дальний порядок, а, возможно, и кристаллическая упорядоченность молекул формируется еще в жидких (или гелеобразных) растворах, в тонких (предположительно элементарных) струнах, из которых состоят микроскопические струны. При этом очевидно, что

молекулы растворителя не входят в молекулярную решетку тонкой струны. Понятно, что именно такую тонкую струну, состоящую исключительно из молекул ТФААС, имеет смысл считать элементарной, её диаметр, оцененный при расплетении "толстой" микроскопической струны имеет величину менее 0,1 мкм. Различие в морфологии микроскопических струн вероятнее всего определяется соотношением силы Ван-дер-Ваальсова взаимодействия элементарных струн, зависящей от окружающего их растворителя и упругих сил возникающих при суперспирализации.

Ксерогели растворов ТФААС-ЗО, ТФААС-50(Ь) и их эквимолярной смеси принципиально отличаются дифрактограммами и имеют индивидуальные решетки.

Исследование дисперсного состава раствора методом ДРС показало наличие многомодального распределения, характерного для гомохиральных растворов (с максимумуми~1-10нм, 10-100 нм, и 1000 нм и более), и одномодального для ахирального раствора ТФААС (с максимумом -100-1000 нм) и для рацемата, что согласуется с описанной ранее изотропной конденсацией в ахиральных и рацемических растворах.

Наличие трех разрешенных максимумов свидетельствует о различной физической природе дисперсной фазы: наноразмерной , бесструктурной капли, имеющей размер 10-100 нм (а Б / N к Т ~ 1, где а — коэффициент поверхностного натяжения, Б - площадь поверхности капли, N - число молекул в капле), и микронной, сопоставимой с размером мезофазы -1000 нм и более. МД расчет показал, что в каплях дисперсной фазы диаметром с!-(2-3) нм молекулы ТФААС высоко подвижны, так как связаны Ван-дер-Ваальсовым и диполь-дипольным взаимодействием, величина которого всего лишь несколько превышают тепловую энергию - кТ.

Мезофаза струны, по-видимому, характеризуется ориентационным порядком (см. гл.2), о чем свидетельствует также ускоренное вращение стабильных нитроксильных радикалов, введенных в раствор ТФААС, при повышении его концентрации до вязко-упругого состояния плотного геля.

Результаты измерения осмотического давления в растворах ТФААС при концентрациях и выше показывают, что более

80% ТФААС сконденсировано в дисперсной фазе.

Как известно, хиральность вещества характеризуется направлением вращения плоскости поляризации света (ВПП). Так, например, измерение углов ВПП и КД для растворов правого и левого энантиомеров ТФААС-5 демонстрирует зеркальность эффектов (рис.20).

Де 8 б 4

2 О

-2 -4 -6 -8

x, нм 240 260 280 300 320 340 360 380

Рис.20. Спектр КД образцов (длина волны в нм) гомохиральных растворов ТФААС-5 в гептане, 0.4 мг/мл, 40°С.

Типичные результаты эксперимента по измерению вращения плоскости поляризации на четырех длинах волн (406 ,436, 546, 578 нм) в растворах ТФААС-3 в циклогексане приведены на графике (рис.21а). Удельное вращение [а] раствора ТФААС-3 в циклогексане растет с увеличением концентрации от 0.3 мг/мл до 0.6 г/мл, при этом сама величина [а] соответствует типичным для оптически активных растворов значениям (Рис. 21а). Отметим, что величины с порядка 0.1 мг/мл находятся на пределе чувствительности прибора. Таким образом, уже при низких концентрациях и небольших значениях удельного вращения [а] не выполняется закон Био о линейной зависимости угла поворота плоскости поляризации от концентрации. Из графика Рис. 216 видно, что в растворе ТФААС-5Ь в гептане закон Био выполняется при концентрациях с < 0.05 мг / мл и существенно не выполняется при концентрациях уже 0.1 мг/мл. Очевидно, что такое отклонение от закона Био может быть связано с хиральным порядком мезофазы в каплях, а выше пороговой с* >0,1-0,2 мг/мл с экспериментально наблюдаемым образованием супрамолекулярных хиральных струн. При дальнейшем увеличении

концентрации угол поворота плоскости поляризации 2 раза последовательно меняет знак, причем синхронно для длин волн в диапазоне Х,=(406-578) нм (рис. 21). При этом удельное вращение растет от: [а] = 40 град см3/дм г до [а] = 700 град см3 /дм г и [а] = 4 ООО град см3 /дм г. Полученные значения имеют величины в ~103 меньше, чем [а] для дифракционного вращения в холестерических жидких кристаллах, поэтому шаг спирали и средний размер вращающего элемента имеют размер много меньше длины волны 1. В свою очередь, это означает, что смена знака ВПП связана с изменением хиральности вращающего элемента и, соответственно, хиральности струн в силу их непрерывности на масштабе 1 » X и

Рис.21а. Зависимость удельного вращения (в град см3 / дм г) от концентрации гелатора (в мг/мл) в образце гомахиралъного раствора ТФААС-3 в ЦГ для 4 значений длины проходящей волны (1 — 406 нм, 2 — 436 нм, 3 — 546 нм, 4-578 нм).

Рис.216. Зависимость угла поворота (град) от концентрации (мг/10мл) в растворе ТФААС-5Ь в гептане, кювета 2 дм

Рис.22. Спектры КД образца (длина волны дана в нм) гомохирального раствора ТФААС-3 в ЦГ при различной концентрации гелатора (1 - 1.275мг/мл, 2 - 0.425мг/мл, 3 — 0.6мг/мл, 4 — 0.850мг/мл, 5 — 1.6мг/мл) при Т=23°С.

Типичные зависимости КД приведены для ТФААС-3 (рис. 22). По кривым КД было экспериментально установлено, что для гомохиральных растворов ТФААС величина Д= А0 - Аь где А0, Аь - поглощение света соответственно, с левой и правой круговыми поляризациями при с < 0,85 мг/мл в максимуме поглощения света >.=220-230 нм, зависит от концентрации как:

Д= До(с-скд), (5)

где значения пороговой концентрации Скд для различных исследованных растворов находятся в пределах Свд = (0.1 - 0.2) мг/мл и соответствуют пороговой концентрации образования струн с*. Отметим, что наряду с инверсией спектра КД при увеличении концентрации (рис. 22) наблюдалась и его инверсия при увеличении температуры. При этом температурно-зависимые эффекты исчезают при температуре выше ~45°С, что отвечает температуре плавления струн. Таким образом, изменение знака ВПП и КД с увеличением концентрации ТФААС соответствует формированию иерархической структуры струн или суперспирализации (гл. 3), сопровождающейся неоднократным изменением знака хиральности.

Для определения структурных особенностей

супрамолекулярной агрегации исследовали ИК-спектры растворов ТФААС. При этом установлено, что состояние связей характеризуется полосами поглощения, отвечающими группам, которые являются акцепторами или донорами Н: ~1700см" (-С=0), ~1200cm"'(-CF3) и ~(3300-3400)cm"' (-OH,-NH). Полоса 725 см"1 линейно растет с концентрацией, т.к., по-видимому, соответствует внутренней С-С-связи. По виду спектров было установлено, что

Рис.2 За Рис.236

Рис. 23. Зависимость коэффициента поглощения для разных полос от концентрации (мг/10мл) ТФААС-4 в гептане (гомохиральныйраствор). 23а - при комнатной температуре. 1 — 3440 см'1, 2 — 1734 см'1, 3 — 1213 см' ', 4— 1166 см'1, 5 - 3282 см'1, 6-1700 см'1, 7-1184 см'1. 236. - при 60°С. Полосы 3440, 1213, 1166, 1734 см'1 (снизу вверх).

Для раствора ТФААС-4 в гептане полосы ИК поглощения индивидуальных молекул ТФААС-4 Т(оо) отвечают пиковым

интенсивностям 3440, 1734, 1213 и 1166 см"1, а соответствующие коэффициенты поглощения (к, = -Г11п(Т(ю)/Т0(со)) линейны при низких концентрациях (рис. 23а). Действительно, закон Ламберта-Бера для них выполняется при 60°С для всех концентраций (рис. 236).

При увеличении концентрации ТФААС появляются новые полосы поглощения - 3282, 1700 и 1184 см"1, (рис. 23а), которые исчезают при 60°С (рис. 236). Очевидно, пороговый эффект (рис. 23 а) при сп ~ 0,1 мг/мл связан с супрамолекулярной агрегацией ТФААС. Одновременное образование водородных связей с участием функциональных групп: -С=0, -СБз и -ОН,-N11 (рис.23а) при конденсации ТФААС подтверждает многоцентровый характер межмолекулярного взаимодействия. Оценка, полученная из условия кинетического равновесия при сп =0.1 мг/мл (см. главу 5), показывает, что энергия связи молекул при этом многоцентровом взаимодействии составляет \У=(0,3-0,4)эВ.

100

90 80 70 60 50 40

20 30 40 50

Рис. 23в

Рис. 23в. Гистерезис ИК поглощения в гомохиралъном р-ре ТФААС-4 в гептане, 0.8 мг/мл, на полосе 1700 см'1, отвечающей ассоциатам, при нагреве (нижняя линия) и последующем охлаждении (верхняя линия) раствора.

При нагреве и последующем охлаждении раствора наблюдается гистерезис интенсивности ИК поглощения,

отвечающий температурам плавления и формирования струны (Рис.23в). Аналогичные зависимости получены и для ТФААС-6 в ЦГ.

Измерения спектров флюоресценции (при возбуждении в полосе -280 нм) также показали, что интенсивность флюоресценции имеет пороговую концентрационную зависимость (Сф~0,1 мг/мл), свидетельствующую об агрегации в растворах ТФААС. Зависимость интенсивности максимумов спектров флюоресценции имеет вид гистерезиса в циклах «нагрев-охлаждение» при тех же значениях температур.

Микрокалориметрия гелей, сделаная при высоких концентрациях ТФААС, показывает, что процесс гелеобразования сопровождается тепловыделением. Широкие пики на графиках микрокалориметрии соответствуют плавлению индивидуальных струн, отражая зависимости Тпл от диаметра в интервале температур (34 - 60°С). Это подтверждается прямыми микроскопическими наблюдениями. При этом если в ЦГ в фазу струны конденсируется практически -100% молекул ТФААС, то в гептане —20%, а в воде -1%. Полученный результат качественно согласуется с представлениями о формировании мезофазы в гептане и в воде, а также с величиной концентрационного порога образования струн.

В пятой главе рассмотрены макрокинетика и механизмы формирования струны, сформулирована микроскопическая модель струны.

Рассмотрено формирование протяженной цилиндрической струны (рис. За) с инертной боковой поверхностью (вероятность прилипания молекулы к которой в < d/L - 10"5), имеющей постоянный диаметр d, из анизотропной нуклеации (гл.2). При наблюдаемых скоростях (гл.З) и характеристических величинах числа Рейнольдса Re«l, жидкость фактически неподвижна. Электро-кинетическими явлениями, такими, как дрейф и вращение струны, можно пренебречь т.к. струны неподвижны в поле более ~104 в/см, что приводит к выводу о малости заряда на торце и к представлениям об антисегнетоэлектричности струны.

Кроме того, в условиях эксперимента значение числа Рэлея составляло /?<10"6, что указывает на отсутствии конвекции.

Таким образом, конденсация ТФААС на анизотропной нуклеации, обладающей феноменологическими свойствами струны радиусом г0, контролируется, в основном, диффузией молекул ТФААС с концентрацией п.

Полагая, что на торце образующейся струны радиусом г0 достигается концентрация вещества пь определяемая условиями баланса вещества в фазе струны и в растворе, находим распределение концентрации вокруг растущей струны из решения уравнения диффузии с соответствующими граничными условиями:

п=По-(по-пО(го/г1)ел:/?{-(у/О)г1Со82(01/2)}, (6)

2 2 2 1/2

где: Г1=[х +у +(г-у1) ] , 01 — угол отклонения от оси струны в движущейся с ростом струны системе координат.

Далее из материального баланса вещества, втекающего в сечение струны и пошедшего на ее формирование, определяется ее скорость, v:

v = 4 Б (п0 -п*)/ N(10 + 81/3), (7)

где: N — концентрация вещества в фазе струны, п* -концентрация, отвечающая равновесию между фазами раствора и струны, 1 = (5-7) А - размер клетки раствора (параметр клеточной модели).

Для струн, не являющихся предельно тонкими (при г0 » 1), (7) упрощается и принимает вид:

у=4(О/г0)(п0-п*)/М (8)

В условиях проводившихся экспериментов это дает для струн с радиусом 0,1-1 мкм скорость роста (для различных растворителей, что увеличивает разброс значений) от у~10"1 мкм/с до у~0.2 см/с, что соответствует экспериментально наблюдающимся скоростям. Заметим, что для предельно тонкой струны при г~2 нм

(минимальный размер, определяемый физико-геометрическими соображениями) максимально возможная величина скорости согласно (8) составляет у~0,1 -1,0 см/с.

Различие в структурной макрокинетике роста струны (гл.З) ТФААС-8, по сравнению с ТФААС-5, по-видимому, связано с диффузией воды внутрь и последующим распадом струны диаметром ~1мкм, что приводит к остановке роста и формированию новой точки роста тонких струн каждые 5-10 с. Особенности макрокинетики я-сборки ТФААС-4 объясняются ослаблением Ван-дер-Ваальсового (уменьшением констант Гонакера) взаимодействия реализующих ее тонких струн в гептане по сравнению с циклогексаном, в котором тонкие струны компактизированы.

При фиксировании одного из концов или части струны (рост из затравочного кристалла, ветвление и т.п.) в ней при формировании будут возникать скручивающие напряжения. Когда вращательный момент, приложенный к струне, превысит критическое значение

М* = 2 я А / Ь, (9)

где: А - изгибная жесткость [А = (я/4) Е Я4, Е - модуль Юнга], струна потеряет устойчивость и начнет изгибаться (Рис. Зг, 12).

При дальнейшем увеличении длины струны на ней начнут последовательно формироваться 1, 2, 3 и т.д. петли. Формирование каждой новой петли приводит к сбросу напряжений, так что для ее образования также необходим момент величиной ~ М*. При этом направление закручивания в петли противоположно исходному направлению закручивания струны внешним моментом сил, что отвечает общему правилу смены знака хиральности при переходе на следующий структурный уровень [2].

Ориентационный порядок в системе струн, Ь~10 -10 мкм устанавливается за время ~102-103с, что на 2-5 порядков меньше времени установления равновесия при вращательной диффузии в растворителе, как вязкой стоксовской жидкости, т=10 -10 с. Поэтому классическая теория Онсагера не объясняет данный тип ориентационного порядка. Однако образование доменов параллельных струн (гл.З) рационально объясняется в рамках

макрокинетики.

Действительно, при росте струны, имеющей обратный конус тонких струн на конце, симметрия пространственного распределения концентрации п также определяется, согласно (4), анизотропной нуклеацией. При этом преимущественные направления последовательно формирующихся струн (на расстоянии ~10 мкм и более) оказываются параллельными. Заметим, что в циклогексане рост струны не сопровождается я-сборкой и домены параллельных струн также не наблюдаются.

Причиной инициирования струн в растворе является флуктуация плотности или дисперсная фаза ТФААС (Рис. 12). Образующиеся струны состоят из множества тонких струн с с!<0,1 мкм, которые не содержит растворитель и при высыхании раствора сохраняет геометрию и дальний порядок.

Действительно, как видно (Рис.24,25) последовательные стадии высыхания нольмерной области инициирования (отдельной нуклеации) показывают, что струны и скелет капли имеют генетическую связь.

Таким образом, анизотропную нуклеацию можно рассматривать, как растущую элементарную струну или хаотический набор таких струн в мезофазе. В ксерогеле ТФААС может сконденсироваться на границе высохших капель в виде кольцевой системы нуклеаций (рис. 26)._

Рис. 24 Рис. 25 Рис. 26

Рис. 24. АСМ, РФК. Оси абсцисс и ординат мкм, дополнительная — угловые градусы. Ксерогель капли хирального ТФААС-4 в гептане. Вероятно, скелет из струн образовался по дисклинацииям.

Рис.25. ОЦМ NIKON, штрих 10 мкм. Частично высохший раствор ТФААС 5 в гексане. Нульмерная нуклеация, покрытая мезофазой.

Рис.26. АСМ. Изображения множественных нуклеации парных струн в ксерогеле водного раствора ТФААС-8. Все оси в мкм.

Возможность рождения струн из нуклеаций параллельными парами, по-видимому, объясняет наблюдаемый в ксерогелях статистически достоверный феномен парных параллельных струн (Рис.26, 27). Действительно, параллельные струны могут возникать при расплетении сложной микроскопической струны (Рис. 27).

На рис.28 для сравнения приведена капля сконденсировавшегося ахирального ТФААС (без нуклеаций и струн), поверхность которой состоит из доменов, как и в случае гомохиральных капель.

Рис.27 Рис.28

Рис.27. АСМ. Оси абсцисс и ординат - мкм, дополнительная - нм. Ксерогелъ раствора ТФААС-5 в гептане. Пара струн, на начальном этапе спирально сплетенная в более толстую струну, а далее сформировавшаяся в виде параллельных струн.

Рис.28. АСМ, РФК. Оси абсцисс и ординат - мкм, дополнительная - угловые градусы. Домены в капле ахирального ТФААС-2, ксерогель р-ра в гептане.

На основании полученных в работе результатов сформулирована микроскопическая модель элементарной струны. Итак, в струне молекулы связаны многоцентровыми межмолекулярными связями с энергией 0,3-0,4эВ. Стереоспецифичность многоцентрового взаимодействия, навязанная хиральностью, приводит к «стопочной» упаковке молекул с дальним, возможно, кристаллическим порядком. Это объясняет инвариантность диаметра и макроскопический масштаб прямолинейности струн. Симметрия упаковки молекул в «стопках» отвечает трансляции с поворотом и определяет спиральный мотив «стопок». Все водородные связи между молекулами ТФААС в основном находятся внутри струны, боковая поверхность струны инертна. Струны окружены мезофазой и взаимодействуют между

собой посредством Ван-дер-Ваальсовых сил и образуют суперспирализованные структуры.

В шестой главе в рамках рассматриваемой физической модели обсуждаются возможный сценарий и структурные элементы химической стадии добиологической эволюции. Экспериментально доказано (см. рис. 4в), что порог образования струн в растворе антиподов ТФААС-5 определяется выражением:

С* = Сь* (100 / 5), (10)

где: 8 - превышение концентрации одного антипода над другим в процентах, а подгоночный параметр, с учетом квазирацемичности раствора, Си* ~ 0.1 мг/мл с хорошей точностью соответствует пороговой концентрации в гомохиральном растворе, при 8=100%.

Связь (10) между С и 8, отвечающая порогу образования струн, преобразуется в следующую связь между концентрациями левых Сь и правых Со энантиомеров, также отвечающую этому порогу: Сь — С0 = Си*. Это означает, что Ь- и О-энантиомеры ТФААС, находящиеся в растворе, образуют ахиральный конденсат или, по терминологии Гольданского и Кузьмина, энантиомеры аннигилируют, так что раствор фактически становится гомохиральным с концентрацией Ь-энантиомера АС = Съ - С0 и образование струн зависит только от этой концентрации, так что пороговое соотношение имеет вид: АС = Сь*. Микроскопирование ксерогеля такого раствора также показывает, что частицы конденсата изометричны. В свою очередь, это означает, что найдена система, в которой физико-химическим механизмом аннигиляции антиподов является их изотропная агрегация.

Экспериментальная оценка, сделанная по данным микрокалориметрии рацемического раствора ТФААС-1, показала, что энергия связи димера составляет ~0.6 эВ. Расчет в рамках кинетической модели образования - распада димеров показывает, что в этом случае практически все мономеры (более 97%) в рацемическом растворе объединяются в димеры. Это соответствует экспериментально наблюдаемому отсутствию образования струн в рацемате.

Экспериментально обнаруженное физико-химическое явление аннигиляции антиподов позволяет с новых позиций рассмотреть проблему формирования гомохиральности в рацемическом мире,

являющуюся одной из центральных в общем вопросе происхождения жизни. Действительно, процесс аннигиляции помогает системе, слабо отклонившейся от рацемичности (в силу флуктуации или действия фактора преимущества, в том числе и локального) перейти в гомохиральное состояние. В этом сценарии химический этап эволюции позволяет получить гомохиральные растворы и гомохиральные структуры (струны) любого макромолекулярного масштаба, характерного для живой природы. Обнаруженная аннигиляция антиподов позволяет также объяснить явления макроскопической спиральности действием энантиомерного избытка, а также правило удвоенной растворимости рацематов Мейерхофера, образованием четных димеров антиподов.

В работе установлено формирование струн не только в биомиметических системах, но и в гомохиральном растворе фенилаланина, что указывает на возможную роль этого феномена в природных системах.

Вероятно, экспериментально установленная спиральность, иерархичность (суперспирализация) системы струн являются свойствами гомохиральных природных систем, принципиально отличающими их от нитевидных кристаллов и делающие их, по-видимому, «переходными матрицами» между небиологическими (физико-химическими) и собственно биологическими объектами.

Обнаруженные в системах струн эффекты суперспирализации и петлеобразования отражают более общие синергетические закономерности смены знака хиральности в дискретных иерархических переходах в неживой и живой природе, в частности, в молекулярно-биологических системах. В работе [2] сформулирована закономерность, имеющая общий физико-химический и биологический смысл: эволюционирующая система, обладающая запасом свободной энергии и элементами хиральной асимметрии, находясь в пределах одного иерархического уровня, способна в процессе самоорганизации изменять тип симметрии, повышая свою «сложность», но сохраняя знак преобладающей хиральности («правой» - О или «левой» - Ь закрученности). Та же система имеет тенденцию к спонтанному формированию последовательности иерархических уровней с чередующимся знаком хиральности заново образующихся структур и с увеличением их относительного масштаба.

В живых системах иерархичность сопряженных уровней макромолекулярных структур, начинающаяся с «нижнего» асимметричного углерода, служит антиэнтропийным фактором, а также структурной основой «выделенных механических степеней свободы» в молекулярных машинах. Прослеживается закономерное чередование знака хиральности Э-Ь-Э-Ь при переходе на более высокий уровень структурно-функциональной организации ДНК, так же как и смена знака хиральности Ю-Ю при переходе на более высокий уровень структурно-функциональной организации белковых структур.

Установленные механизмы взаимодействия струн с проводящими поверхностями позволяют рассматривать их и как эффективные элементы для контактных взаимодействий клеток и их структурных элементов, причем пространственное разрешение выбора домена может достигать величины ~10нм.

Механизм я-сборки струны (гл.2) может определить высокую точность и результативность коммутации при слабом таксисе. Экспериментально продемонстрировано, что гомохиральная (ТФААС-3) низкоконцентрированная обратная эмульсия (вода в гептане) позволяет моделировать разнообразные метрики и масштабы, коммутацию и динамику клеточного взаимодействия. Молекулярные моторы, построенные на принципе вращения струны при ее я-сборке, позволяют обеспечить частоты до~103с"1, соответствующие частоте вращения прокариотического жгутика. Фрактальность решетки -р (структуры) струны (ТФААС-8) приводит к исчезающе малой плотности вещества живой системы с увеличением ее размера. Спонтанное образование и агрегация струн в растворах в визуально различимые формы или каркасы с размером ~1 см занимает ~102 с, в то время как диффузионные времена составляют ~105 с, что может привести к уменьшению времен сборки на предбиологической стадии. Установленное экспериментально правило нестрого запрета (в ограниченном диапазоне концентраций) образования струн в эквимолярной смеси ТФААС различной хиральности (ТФААС-3 Ь и ТФААС-50) иллюстрирует известные в фармакологии эффекты биодискриминации, а также механизмы иммунной защиты бактерий, использующих О-аминокислоты.

В заключении коротко обсуждаются прикладные аспекты работы. Так, исследованные в работе эффекты гелирования воды и органических растворителей, очевидно, могут играть важную роль в прикладных задачах в медицине и промышленности.

На примере высокомолекулярного гетерогликозида «Панавира» показано действие наноразмерной формы в СНД. При этом сам механизм действия и известные эффекты СНД объясняются локальными фармакологическими концентрациями БАВ возникающими при растворении их наночастиц.

Исследована биодискриминация, структурообразование и биологическая активность растворов хиральной кальциевой соли 5-оксиникотиноил- Ь-глутаминовой кислоты (Ампассек).

Разработаны и зарегистрированы новые хиральные ЛС (Ампассе, Панавир).

Разработаны материалы полимерных детекторов ядерных излучений с рекордной чувствительностью, которые использовались автором при исследованиях в районах ЧАЭС в 1986-1990 гг.

Основные результаты и выводы

1. Обнаружен, исследован и описан феномен образования струн в низкоконцентрированных [(10"3-10~2) М] растворах гомохиральных ТФААС, не связанный с гелеобразованием. Систематически исследовано образование уединенных супрамолекулярных, антисегнетоэлекгрических упругих струн длиной Ь до 0,1 см и более и анизометрией Ь/<1 ~ (102-104), с дальним порядком и инертной боковой поверхностью. Установлено, что в рацемическом (ТФААС-1) и ахиральном (ТФААС-2) растворах в гептане струны не образуются, вплоть до величины предельной растворимости ТФААС, что сопровождается изометрической конденсацией и осаждением вещества.

2. Впервые на основании экспериментального исследования зависимости пороговой концентрации образования струн (ТФААС-5) от относительной доли антипода установлено, что в подпороговой области происходит аннигиляция антиподов-энантиомеров с образованием изометрической фазы. При этом концентрационный порог образования струн определяется исключительно избытком одного из энантиомеров.

В гомохиральных растворах ТФААС в гептане порог

образования струн составляет —0,1 мг/мл, в сложных растворах ТФААС одной хиральности с разными заместителями пороговая концентрация не аддитивна и ниже ~0,1 мг/мл, в воде порог равен ~5,0 мг/мл.

3. Впервые показано, что при увеличении концентрации ТФААС удельная вращательная способность раствора неоднократно меняет знак при X = (406-578) нм и слабо зависит от длины волны света. При этом ее величина в 102-103 раз меньше аналогичной для холестерических жидких кристаллов. Отклонение от линейного закона Био наступает при пороговой концентрации меньше ~0,1 мг/мл. Установлено, что струны диаметром от 0.1 мкм и менее до 10 мкм и более, и длиной до 0.1 см и более, являются иерархически сопряженными макроскопическими хиральными (спиральными) структурами: более толстые струны сплетаются из тонких (суперспирализация), а также образуют петли разного порядка.

4. Впервые исследовано взаимодействие струн с поверхностью твердых тел, обладающих электронной проводимостью различного типа (зонной и тунельно-активационной): при взаимодействии с проводником в приграничном слое раствора (100-300 мкм) струны не формируются; при взаимодействии с диэлектриком эффективно образуются; при взаимодействии с полупроводниками и стеклами с прыжковой проводимостью эффект имеет промежуточный характер, в последнем случае - доменный (размер домена —100 мкм).

5. Впервые экспериментально выявлены три различных макрокинетических режима роста струны: рост цилиндрической струны в циклогексане, феномен я-сборки струны из обратного конуса множества быстро растущих тонких струн с диаметром —0,1 мкм (расходящегося в телесный угол —7г) в гептане, а также режим периодически повторяющегося в ходе роста я-распада цилиндрической струны на множество струн в воде. Определен режим массопереноса (диффузионный) и построена макрокинетическая и микроскопическая модели струны. Получено выражение и определены расчетные величины скорости роста струн, согласующиеся с экспериментальными данными. Исследованы и классифицированы по размерности типы областей инициирования роста струн, охарактеризованы механизмы взаимодействия струн с дисклинациями мезофазы.

Показано, что домены параллельных струн размером ~10 мкм образуются вследствие одновременной взаимосогласованной я-сборки системы струн, формирующих домен.

6. Показано, что исследованные в работе молекулы ТФААС, имитирующие важнейшие биомолекулы преимущественно по признаку хиральности, могут служить их адекватными биомиметическими аналогами, воспроизводя иерархию биомакромолекулярных структур в соответствии с их метриками, масштабами, симметриями. Впервые экспериментально обосновано положение, согласно которому физико-химическая аннигиляция энантиомеров-антиподов (ТФААС-1, ТФААС-5) за счет их агрегации может приводить к образованию хирально чистой среды.

На примере ТФААС экспериментально обосновано эмпирическое правило изменения знака макроскопической хиральности при суперспирализации, которое соответствует фундаментальной синергетической закономерности - спонтанному формированию последовательности иерархических уровней с чередующимся знаком хиральности заново образующихся структур в биологических системах.

Список использованных сокращений

АСМ - атомно-силовая микроскопия БАВ - биологически активное вещество ВПП - вращение плоскости поляризации ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота ДРС - динамическое рассеяние света ИК - инфракрасный

ИОМ - инвертированный оптический микроскоп.

КД - круговой дихроизм

КОС - компьютерный оптический стенд.

JIC - лекарственное средство

МД - молекулярно-динамическое моделирование

ОМ - оптический микроскоп

РНК - рибонуклеиновая кислота

РСА - рентгено-структурный анализ

РФК - режим фазового контраста.

СНД - сверхнизкая доза

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия ТДЯИ - трековый детектор ядерных излучений ТФААС - трифторацетилированный аминоспирт УФ - ультрафиолетовый ЦГ - циклогексан

ЭПР - электронный парамагнитный резонанс

Список использованной литературы

1. В.И. Голъданский, В.В. Кузьмин. Спонтанное нарушение зеркальной симметрии в природе и происхождение жизни. // УФЫ. 1989. Т. 157.№ 1. В.А. Aeemucoe, В.И. Голъданский. Физические аспекты нарушения зеркальной симметрии биоорганического мира. // УФН. 1996. Т. 166.№ 8.

2. В.А. Теердислов. Хиральность как первичный переключатель иерархических уровней в молекулярно-биологических системах. //Биофизика. 2013. Т. 58. № 1. С. 159-164.

3. P. Terech, R.G. Weiss, Low Molecular Mass Gelators of Organic Liquids and the Properties of Their Gels, Chem. Rev. 1997, 97, 3133-3159.2.

4. А.И. Михайлов, С.H. Селезнев, M.K. Шведова, Биомембраны у истоков жизни на Земле//Наука в СССР, 1989, №3, Стр.41-45

5. R.G. Kostyanovsky, D.F. Lenev, O.N. Krutius, A. A. Stankevich II Mendeleev Commun. 2005. V. 15. Is. 4. P. 140

6. M. Клеман, Основы физики частично упорядоченных сред: пер. с англ. Е.Б. Логинова [и др.]; под ред. С.А. Пикина, В.Е. Дмитриенко //Физматлит р.2 2007 680 с.

7. П.Де Жен, Физика жидких кристаллов: Пер. с англ./ Под ред. A.C. Сонина. - М.: Мир, 1977. 400 с.

8. A.B. Емельяненко, Молекулярно-статистическая теория смектических состояний: диссертация доктора физико-математических наук: Московский государственный университет. Москва, 2009. 330 с.

Список публикаций по теме диссертации

1. C.B. Стовбун, «Формирование струн в слабых растворах хиральных веществ», М:Химическая физика, Т.ЗО, №8, 2011, с.3-10

2. C.B. Стовбун, О.М. Крутиус, Р.Г. Костяновский, «Экспериментальное наблюдение анизометрических структур в растворах с низким содержанием гелатора». М: Химическая физика, Т. 30, № 9, 2011, С. 63-66

3. C.B. Стовбун, A.M. Занин, A.A. Скоблин, А.И. Михайлов, Р.Г. Костяновский, М.В. Гришин, Б.Р. Шуб, «Макроскопическая хиральностъ струн», М: Химическая физика, Т.ЗО, №12, 2011 с.55-59

4. C.B. Стовбун., А.И. Михайлов, A.A. Скоблин, Е.Е. Брагина, М.А. Гомберг, «О супрамолекулярном механизме клеточной коммутации», М: Химическая физика, Т 31, № 1, 2012, с.55-59

5. C.B. Стовбун, JI.JI. Кашкаров, А.И. Михайлов, В.И. Гольданский, А.Д. Кунцевич, «Изучение физико-химических форм пространственного распределения альфа-излучателей в районах Чернобыльской АЭС в 1986-1987 гг. », М: Химическая физика, Т.31, №3, 2012, с. 51-59

6. C.B. Стовбун, A.M. Занин, Д.С. Скоробогатько, A.A. Скоблин, Я.А. Литвин, А.И. Михайлов, О.Н. Крутиус, Р.Г. Костяновский, «Хироптические явления в слабых растворах гелаторов», М: Химическая физика, Т.31, № 5, 2012, с. 11-17

7. С. В. Стовбун, А. А. Скоблин «Оценка оптических эффектов в хиральных растворах», М: Химическая физика, М: Химическая физика, Т.31,№7, 2012, с. 7-11

8. С. В. Стовбун, А. А. Скоблин, «Термодинамика растворов хиральных ассоциатов», М: Химическая физика, Т.31, №9, 2012, с.24-27

9. C.B. Стовбун, A.M. Занин, А. А. Скоблин, А.И. Михайлов, A.A. Берлин, «Феноменологическое описание спонтанного образования макроскопических струн в низкоконцентрированных хиральных растворах и формирования анизометрических гелей», М: Доклады Академии наук, Т.442, № 5, 2012, с. 645-648

10. C.B. Стовбун, А.И. Михайлов, A.A. Скоблин, A.M. Занин, М.В.

Гришин, A.A. Кирсанкин, Б.Р. Шуб «Явление взаимодействия струн, формирующихся в гомохиральных растворах, с поверхностью твердых тел», М: Доклады Академии наук, Т.448, №1, 2013, с. 56-58

11. C.B. Стовбун, A.A. Скоблин, А.И. Михайлов, М.В. Гришин, Б.Р. Шуб, A.M. Занин, Д.П. Шашкин «Экспериментальное исследование анизометрической хиральной фазы ксерогеля», Российские нанотехнологии, Т.7, №7-8, 2012, С.107-111.

12. C.B. Стовбун, A.A. Берлин, А.И. Михайлов, В.И. Сергиенко, В.М. Говорун, И.А. Демина, Т.С. Калинина, «Физико-химические свойства высокомолекулярного» растительного полисахарида класса гексозных гликозидов (панавир) с противовирусной активностью», Российские нанотехнологии, Т.7, №7-8, 2012, с.112-115

13. С.В Стовбун, A.M. Занин, A.A. Скоблин, Ф.В. Булыгин, B.C. Федоренко, В Л. Лясковский, И.А. Биленко, «Исследование структуры и динамики сложных химических соединений методом динамического рассеяния света», журнал «Измерительная техника», 2012, №6, с.70-72

14. C.B. Стовбун, A.M. Занин, JI.JI. Кашкаров, А.И. Михайлов, «Регистрационные характеристики нового пластикового трекового детектора типа CZ», журнал «Приборы и техника эксперимента», 2011, №4, с. 30-39.

15. C.B. Стовбун, A.A. Скоблин, «Струны, анизометрические гели и растворы в химических и биологических системах. Обзор», Вестник Московского университета, Серия 3,№4, 2012, С.3-15

16. C.B. Стовбун, A.A. Скоблин, «Молекулярные и супрамолекулярные структуры в биологических жидкостях и их гомохиральных моделях», Вестник Московского университета, Серия 3, 2012, №3, С. 35-38

17. C.B. Стовбун, A.A. Скоблин, «Хироптические явления в биологических жидкостях и их гомохиральных моделях», Вестник Московского университета, Серия 3, 2012, № 3, С. 39-42

18. C.B. Стовбун, «О необходимости хиральности и гомохиральности липидов для формирования ld-супрамолекулярных структур межклеточной коммуникации», Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, 2011.-N 7.-С.56-59.

19. C.B. Стовбун, A.A. Скоблин, «Физико-химическое

моделирование процессов межклеточной коммутации», Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, 2011.N. И. С.502-505

20. C.B. Стовбун, A.A. Скоблин, В.А. Твердислов, «Биологические жидкости как хиральные анизометрические среды», Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, 2011.-N 12.-С.643-646

21. C.B. Стовбун, A.B. Киселев, A.M. Занин, Т.С. Калинина, Т.А. Воронина, А.И. Михайлов, A.A. Берлин «Влияние физико-химических форм феназепама и панавира на их действие в сверхнизких дозах», Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, Т.153, № 4, 2012, С.441-444

22. C.B. Стовбун, A.A. Скоблин, A.M. Занин, А.И. Михайлов, В.А. Твердислов, Е.Е. Брагина, Ю.М. Рыбин, И.М. Агеев, Г.Г. Шишкин, «Метрическое подобие динамических процессов коммутации in situ и in vitro», Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, Т.153, №6, 2012, С.820-822

23. C.B. Стовбун, A.A. Скоблин, A.M. Занин, М.В. Гришин, Б.Р. Шуб, Ю.М. Рыбин, И.М. Агеев, Г.Г. Шишкин, В.А. Твердислов, « Суперсп ирализация хиралъных струн», Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, Т.154, №7, 2012, С.41-43

24. С.И. Кузина, C.B. Стовбун, А.Г. Салина, В.А. Кочуков, Н.Я. Кузнецова, А.И. Михайлов «Влияние у-излучения на свойства нитратцеллюлозного детектора» Химия высоких энергий, 1987, Т.21, № 5, С. 413-417.

25. C.B. Стовбун, А.Г. Салина, А.И. Кузаев, А.И. Михайлов «Эффект аномального микротравления нитратцеллюлозных детекторных пленок», Пластические массы, 1987. № 5, с. 3-7.

26. C.B. Стовбун, С.И. Кузина, А.Г. Салина, А.И. Кузаев, А.И. Михайлов «Изменение молекулярно-массового распределения полимерной основы нитрат-целлюлозного детектора при у-радиолизе» Химия высоких энергий, 1989г., Т. 23, № 4, с. 337-341

27. С.И. Кузина, C.B. Стовбун, А.Г. Салина, А.И. Кузаев, А.И. Михайлов «Влияние УФ-света на свойства нитратцеллюлозного детектора» Химия высоких энергий, 1989. Т. 23. № 1, с. 54-59

28. C.B. Стовбун, E.H. Прокудина, Г.А. Галегов, Н.П. Семенова, Т.А. Григорьева, Т.С. Калинина, A.A. Литвин, В.И. Сергиенко, «Влияние препарата Панавир на репродукцию вируса гриппа», Антибиотики и химиотерапия. Том. 51, №6, 2006г. С.7-10.

29. C.B. Стовбун, A.A. Литвин, П.В. Якимук, В.И. Сергиенко,

«Патент на изобретение № 2335289 «Биологически активный гетерогликозид для коррекции патологических состояний центральной нервной системы», Бюл. № 28 от 10.10.2008г.

30. С.В. Стовбун, А.А. Литвин, П.В. Якимук, «Патент на изобретение № 2314293 «Одно- и двухвалентные соли N-(5-гидроксиникотиноил)-Ь-глутаминовой кислоты, обладающее психотропным (антидепрессивным и анксиолитическим), нейропротекторным, геропротекторным и противоинсультным действием», Бюл. № 1 от 10.01.2008г.

31. Л.В. Колбухина, Н.Н. Носик, Л.Н. Меркулова, Д.М. Брагинский, Л.А. Лаврухина, Т.С. Калинина, С.В. Стовбун и др., «Динамика индукций лейкоцитарного интерферона при однократном и повторном применении Панавира», Цитокины и воспаление, т. 8, № 2, 2009г. С. 49-52.

32. А.А. Фирсов, Ю.А. Портной, С.А. Довженко, М.Б. Корбин, А.В. Киселев, С.В. Стовбун, Г.В. Долгова, Т.Я. Померанцева, «Фармакокинетические свойства N-(5- оксиникотиноил)-Ь-глутаминовой кислоты при внутривенном введении крысам и кроликам: межвидовая экстраполяция», Экспериментальная и клиническая фармакология, т. 73, № 12, 2010г. С. 31-35

33. V.I. Goldanski, A.I. Mihaylov, S.V. Stovbun, «Electron tunnel transfer effect in biocatalitic lignin degradation», IV International Symposium on Wood and Pulping Chem., 27-30, April 1978, p. 16671669, Paris

34. S.I. Kuzina, S.V. Stovbun, L.D. Kaplun, S.V. Demidov, E.I. Chupka, «New physico-chemical approach to the problems of wood and pulping chemistry (pi. lec.)», Intern. Symp. Wood and Pulping Chem. TAPPI Proceedings, 1989, p. 633-641, USA

35. S.V. Stovbun, N. N. Denisov, L.L. Alimova, A.I. Mikhailov «Some aspects of a-irradiation registration in liquid by track detectors», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 1991,V.58,1.2, P. 278-279

36. S.I. Kuzina, S.V. Stovbun, A.G Salina, V.A. Koshukov, N.Ya. Kuznetsova, A.I. Mikhailov, «Effect of y-rays on the properties of cellulose nitrate detector», Europ. Polym. J., 1991, v.27, № 7, p. 703706

37. L.L. Kashkarov, S.V. Stovbun, V.P. Perelygin, «Track parameters for the accelerated 20Ne- ions in the new CZ-type SSTD», Nuclear Tracks Radiat. Meas. 1993, V. 22, No 1-4, p. 129-130.

Подписано в печать 18.02.2013 г.

Формат 60x90/16. Заказ 1643. Тираж 150 экз.

Печать офсетная. Бумага для множительных аппаратов.

Отпечатано в ООО "ФЭД+", Москва, Ленинский пр. 42, тел. (495)774-26-96

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук

На правах рукописи

05201350792

СТОВБУН Сергей Витальевич

Структурообразование в растворах хиральных биомиметиков.

01.04.17- химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных

состояний вещества

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук.

Москва -2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список использованных сокращений 4

Введение. 5

Глава 1. Материалы и методы исследования. 10

1. ¡.Материалы. 10

1.2.Методы исследования. 13

Глава 2. Физико-химические оценки параметров модели. 26

2.1. Фундаментальные синергетические закономерности 26

предбиологической стадии эволюции.

2.2.Химическое разнообразие веществ, образующих гели в 27

низкоконцентрированных хиральных растворах.

2.3.Методы, используемые в исследованиях гелей. 31

2.4.Подробности исследования морфологии, оптической 34

активности, термодинамики и кинетики гелеобразования.

2.5.Полуэмпирическое правило дипольного момента. 46

Экспериментальные оценки свойств биомиметика.

2.6.Физико-химическая стадия образования гомохирального 49

мира.

Глава 3. Феноменологическое описание структурообразования в

хиральных растворах. 52

3.1. Отверждение. Струны. Анизометрические гели. 52

3.2. Уединенная струна. 68

3.3. Мезофаза. 75

3.4. Спиральная структура струн. Иерархия масштабов. 80

Суперспирализация. Петли.

3.5. Инициирование формирования струн. 88

3.6. Плавление струн. 92

3.7. Особенности структурной макрокинетики формирования 94

струн.

3.8.Поведение струн в электрическом поле. 101

Антисегнетоэлектричность струн .

3.9. Ориентационное упорядочение струн. 103

3.10. Взаимодействие струн с поверхностью твердого тела. 106

Глава 4. Микроскопическая структура дисперсной фазы растворов 116

ТФААС.

4.1. Характер упаковки молекул в конденсированной фазе 116

струны.

4.2. Дисперсная фаза раствора. 127

4.3. Хироптические явления в дисперсных растворах. Общее

описание. 133

4.4. Хироптические явления в дисперсных растворах.

Экспериментальные результаты. 139

4.5. Формирование решетки водородных связей и

структурный переход при образовании струн. 154

Глава 5. Макрокинетика и микроскопическая модель струны 163

5.1. Макрокинетика цилиндрической струны. 163

5.2. Динамика образования хиральных петель. 193

5.3. Ориентационный порядок в системе струн. 199

5.4.Молекулярное моделирование наноразмерных капель 205

ТФААС.

5.5. Микроскопическая стопочная модель гомохиральной 227

струны.

5.6. Механизм нуклеации струны. 239

Глава 6. Физическое моделирование структурообразования de-novo. 249

6.1. Физико-химическая аннигиляция антиподов.

Возникновение гомохирального мира. 249

6.2. Хиральные иерархии, метрики, масштабы, симметрия и

динамика в биомиметических системах. 257

6.3. Эмпирическое правило смены знака хиральности.

Фундаментальная синергетическая закономерность. 263

Заключение. 266

Основные результаты и выводы. 272

Список использованной литературы. 275

Список использованных сокращений

АСМ - атомно-силовая микроскопия

БАВ - биологически активное вещество

BIIII - вращение плоскости поляризации

ДИК - двойного интерференционного контраста (метод)

ДМСО - диметилсульфоксид

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

ДР- дифракция рентгеновская

ДРС - динамическое рассеяние света

ДСК- дифференциальная сканирующая калориметрия

ИК - инфракрасный

ИОМ - инвертированный оптический микроскоп КД - круговой дихроизм

ККМ-критическая концентрация мицеллообразования

КОС - компьютерный оптический стенд.

JIC - лекарственное средство

МД - молекулярной динамики (метод)

ММР - молекулярно-массовое распределение

РФР-радиальная функция распределения

НЦ - нитроцеллюлоза

ОМ - оптический микроскоп

ОЦМ - оптический цифровой микроскоп

ПМЗ - парамагнитный зонд

ПР - Панавир

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия

РД - рентгеновская дифракция

РНК - рибонуклеиновая кислота

РСА - рентгеноструктурный анализ

РФК - режим фазового контраста.

СНД - сверхнизкая доза

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия ТДЯИ - трековый детектор ядерных излучений ТФААС - трифторацетилированный аминоспирт УЗ - ультразвуковой УФ - ультрафиолетовый ФП - феназепам ЦГ - циклогексан

ЧАЭС - Чернобыльская атомная электростанция ЭПР - электронный парамагнитный резонанс ЯМР - ядерный магнитный резонанс

BDS - Broadband Dielectric Spectroscopy (метод широкодиапазонной диэлектрической спектроскопии)

Введение.

Хиральные соединения (аминокислоты, углеводы, фосфолипиды и др.) составляют молекулярную основу всех живых систем - от клеточного до биосферного уровня. Гомохиральность этих соединений определяет стереоспецифичную идентичность межмолекулярных взаимодействий в процессах преобразования энергии, вещества и информации, а также морфогенетическую специфичность клеточных органелл, клеток и тканей. Принципиально, что все специфические молекулярные и надмолекулярные конструкции: одномерные (пептидные цепи белков и цепочки нуклеиновых кислот), двумерные (мембраны), трехмерные (цитоскелет, органеллы) -построены из молекул одного знака хиральности.

Фундаментальная роль гомохиральности в кинетике формирования макромолекулярных предбиологических систем была показана академиком В.И. Гольданским [1,2], а роль хиральности в предбиологической эволюции в сопряжении с клеточной ионной асимметрией впервые установлена в работах В.А. Твердислова и сотрудников [3,4]. Ими была сформулирована новая общая синергетическая закономерность: эволюционирующая система может многократно изменять тип симметрии внутри одного иерархического уровня, повышая ее «сложность», а при переходе на более высокий уровень - знак хиральности со сменой функциональной роли энантиоморфа. Фундаментальное значение смены знака хиральности или ЬЛ)-стратификации в самоорганизующихся системах состоит в разделении дискретных иерархических уровней и является необходимым условием их эволюции [3,4]. Переключение знака хиральности макроскопических объектов обеспечивает эволюционную необратимость стратификации. Хиральность биологических структур разного уровня делает процесс стратификации по ЫТ>-принадлежности универсальным, а иерархические уровни -детерминированными, устойчивыми. В этой связи принципиальным является вопрос, в какой мере наблюдаемые структурные закономерности гомохиральных биологических систем и высказанные выше соображения относительно их свойств могут быть отнесены к достаточно простым физико-химическим системам, как имеющим отношение к механизмам биопоэза.

Представляется необходимым изучение предельно упрощенных модельных систем, имитирующих особенности структурообразования в биологических системах — биомиметиков. При этом модельные молекулярные носители хиральных свойств могут существенно отличаться по химическому составу от своих биологических прообразов. Так, известно, что в относительно простых искусственных супрамолекулярных системах хиральность молекул становится важным фактором самоорганизации, проявляющейся в виде структурирования

2 3

или гелеобразования при достаточно низких их концентрациях (10' -10" М) [5]. Такие хиральные растворы или гели имеют все свойства "мягких" фаз, которые наблюдаются у живых систем: микро- и макроскопические масштабы, метрики и геометрию супрамолекулярных форм, имеют значительную анизотропию, анизометричны на масштабах до ~0,1см при ползучих течениях и характеризуются высокой плотностью фрустраций.

За последние годы было синтезировано значительное количество подобных низкомолекулярных хиральных гелаторов, что также стимулировало выполнение настоящей работы как систематического исследования.

Актуальность настоящей работы определяется тем, что принципиально важным для всей биологии является вопрос, в какой мере возникновение фундаментальной хиральной асимметрии могло сказаться на механизмах и функциональной значимости формирования одномерных, двумерных и трехмерных структур, составивших начальные стадии биопоэза. В этом отношении низкоконцентрированные гомохиральные растворы, в силу их биологической универсальности, могут быть адекватными моделями для выявления роли молекулярной хиральности при самоорганизации в искусственных и природных системах [6].

Несмотря на важность проблемы, структурообразование в низкоконцентрированных гомохиральных растворах недостаточно изучено. Данное направление химической физики можно рассматривать как развитие прямого моделирования процессов структурообразования в предбиологических системах. Разумеется, что в условиях de novo сформировавшейся планеты Земля заведомо не могло спонтанно возникнуть сочетание из гомохиральных растворов чистых веществ в органических или

б

полярных растворителях. Тем не менее, как принято в физических исследованиях, для выявления принципиальных закономерностей, используются предельно «упрощенные» системы, в чистом виде в природе не встречающиеся, но отражающие основные особенности межмолекулярных взаимодействий. Такие наборы веществ и растворителей могут служить модельными биомиметическими системами [7].

Очевидно, что хиральность может кардинальным образом влиять на процессы самоорганизации, связанные с формированием спиралей, двойных спиралей, замкнутых везикул, спикул в мембранных системах и пр. Хиральность амфифильных молекул, формирующих моно- и бислои на границах раздела фаз в биомиметиках, как в случае фосфолипидов в биомембранах, может в определенной степени определять характер структурных изменений и регуляторные функции липидной матрицы.

Выявление механизмов образования хиральных гелей или хиральных нанорешеток в растворах при низких концентрациях также является новым диверсифицированным нанотехнологическим направлением.

Целью настоящей работы было выявление механизмов структурообразования в хиральных низкоконцентрированных растворах биомиметиков и оценка возможной роли гомохиральности на химической стадии эволюции. Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы (и решены) следующие задачи:

- проведение научно обоснованного выбора молекулярной модели4 биомиметика;

- экспериментальное исследование структурно-динамических механизмов образования дисперсной анизометрической и изометрической фаз растворов;

- исследование симметрий образующихся в процессе самосборки супрамолекулярных структур, а также их иерархий;

- определение кинетических параметров, исследование нуклеации, структурной макрокинетики и кооперативных процессов в растворах ТФААС, построение микроскопической модели струны; написание сценария образования гомохиральных структур макромолекулярного масштаба на стадии предбиологической химической эволюции;

7

- оценка применимости биомиметической модели к изучению процессов на химической стадии предбиологической эволюции.

ТФААС являются одними из наиболее простых известных хиральных синтетических аналогов биологических молекул. Их молекулярные массы составляют ~ 200 Да и менее [8,9]. Молекулярный дизайн ТФААС обеспечивает структурные возможности проявления всего спектра межмолекулярных взаимодействий, что позволяет использовать растворы ТФААС в качестве моделей (биомиметиков) структурообразования. Изометричность ТФААС позволяет минимизировать влияние ахиральных радикалов. В работе были использованы стандартные физические подходы и экспериментальные методы, а в отдельных случаях при исследовании БАВ -экспериментальная техника и методики, принятые в биофизике и фармакологии. В работе охарактеризованы физические масштабы, соответствующие рассматриваемой системе. Все основные результаты диссертации получили адекватную физическую интерпретацию.

На защиту выносятся феноменология и механизм формирования упругих антисегнетоэлектрических струн с инертной боковой поверхностью в хиральных растворах; эффекты суперспирализации и хиральная иерархичность струн; обоснование необходимости хиральности для образования струн в низкоконцентрированных растворах; экспериментальные и теоретические исследования пороговых эффектов образования струн, пограничных и коллективных явлений; особенности структурной макрокинетики, макроскопическая и микроскопическая модели гомохиральной струны; интерпретация явления физико-химической аннигиляции антиподов и новый сценарий возникновения гомохиральных структур макромолекулярного масштаба в рацемическом мире на стадии химической эволюции, моделирование метрик, масштабов, симметрии и динамики добиологической стадии эволюции; опыт создания новых хиральных лекарств и материалов.

В работе выявлены и изучены основные структурные элементы анизометрических гелей - упругие супрамолекулярные (с дальним порядком) антисегнетоэлектрические струны с инертной боковой поверхностью,

разномасштабный хаос которых приводит к макроскопическому отверждению ниже перколяционного порога.

Экспериментально исследованы процессы формирования иерархических хиральных структур и установлены различные макрокинетические режимы и механизм роста струн.

Построены макроскопическая и микроскопическая модели, которые описывают феномен формирования струн. Исследовано взаимодействие струн с поверхностью твердого тела. Выявлен эффект образования доменов параллельных струн и исследован механизм их формирования.

Разработана биомиметическая модель, соответствующая масштабам, размерностям, динамике, структурной макрокинетике и симметрии биологических структур. На примере биомиметической модели показана смена знака хиральности при переходе на следующий структурный уровень как иллюстрация общей синергетической закономерности.

Экспериментально установлено явление физико-химической аннигиляции антиподов. Предложен новый сценарий возникновения гомохиральных структур макромолекулярного масштаба в низкоконцентрированных растворах на стадии химической эволюции в рацемическом мире. Развиты инновационные физико-химические подходы, направленные на создание новых хиральных лекарств и материалов.

Практическая значимость работы состоит в том, что исследованы процессы формирования низкомолекулярных хиральных гелей в растворах (углеводородов, нефти, воды и др.), что может найти широкое применение в технике, экологических технологиях и медицине. Установлены физико-химические особенности механизмов действия лекарств в СНД. Разработано и внедрено противовирусное лекарство «Панавир» с активностью в области СНД и фармакологическая субстанция «Ампассе» с ноотропной и нейропротекторной активностью; предложены подходы для разработки получения гомогенных матриц из хиральных полимеров (нитроцеллюлозы) и олигомеров для низкофоновых детекторов ядерных излучений. Проведены измерения а-излучателей в районе ЧАЭС в 1986 - 1988 г.г., для чего разработан полимерный детектор с подтвержденной в 2011г. рекордной чувствительностью к протонам отдачи.

Глава 1. Материалы и методы исследования

1.1. Материалы

Исследовались растворы ряда хиральных и, для сравнения, некоторых ахиральных низкомолекулярных соединений в наборе растворителей.

В качестве растворяемых соединений в основном использовались трифторацетилированные аминоспирты (ТФААС). ТФААС синтезировались в Лаборатории стереохимии ИХФ РАН, зав. лаб. проф. Р.Г. Костяновский, методика получения и свойства ТФААС приведены в [8].

Структурные формулы указанных ТФААС, хиральности использовавшихся энантиомеров, молекулярные массы в дальтонах, наименования по номенклатуре ИЮПАК (ШРАС), и некоторые их дополнительные характеристики сведены в Таблице 1.1.1. Далее ТФААС будут нумероваться в соответствии с данной таблицей.

Молекулярные массы исследованных ТФААС лежат в пределах 159 -235 Дальтон. Рассматриваемые ТФААС являются эффективными гелаторами, притом имеют наименьшую молекулярную массу среди описанных в литературе гелаторов.

Все перечисленные ТФААС, кроме ТФААС-2, хиральны. ТФААС-2 ахирален. ТФААС-4 двухирален, то есть имеет два хиральных центра в молекуле. ТФААС-1 использовался в виде рацемической смеси, кроме исследования кругового дихроизма, где использовался гомохиральный ТФААС-1. Были синтезированы и использовались как гомохиральные оба энантиомера ТФААС-5. Остальные ТФААС использовались как гомохиральные при одной фиксированной хиральности (см. Табл. 1.1.1).

ТФААС-2^-8 представляют собой модифицированный >4-трифторацетилэтан-1-ол-2-амин, который мы будем называть основной структурой.

В Табл. 1.1.1 указано, какое именно производное основной структуры представляет данный ТФААС. Большую часть исследованных ТФААС можно расположить в гомологический ряд, как производные основной структуры:

Ме, Е^ 1