Полициклические ароматические углеводороды представляют собой достаточно распространённый и при этом опасный класс конденсированных циклических соединений природного происхождения. Имеются многочисленные свидетельства в пользу того, что полициклические ароматические углеводороды, которые можно обнаружить не только в нефти каменном угле, но и применяющемся в пищевой промышленности растительном масле, могут способствовать развитию опухолевых заболеваний или хромосомных мутаций. Решая проблему очистки материалов от полициклических ароматических углеводородов, исследователи синтезировали химическое вещество, которое, связываясь с этими соединениями, может понизить их содержание в окружающей среде.

Руководитель нового исследования, Фрейзер Штоддарт (J. Fraser Stoddart) из Северо-западного Университета США отмечает, что поиск веществ, селективно связывающихся с полициклическими ароматическими углеводородами продолжается уже много лет, но все системы, которые были обнаружены до настоящего времени, обладают какими-то недостатками – некоторые слишком дороги для промышленного производства, а некоторые связываются только с определенными типами полициклических ароматических углеводородов.

В лаборатории Штоддарта изучали положительно заряженные молекулы, состоящие из шести циклически связанных бензольных или пиридильных колец – такие молекулы могут служить «хозяевами» при образовании комплексов типа «гость-хозяин» для ряда молекул, в том числе и простейшего полициклического ароматического углеводорода – нафталина.

Последнее обстоятельство натолкнуло исследователей на мысль – а не смогут ли их соединения стать «гостями» и для других полициклических ароматических углеводородов, если в структуру гостя добавить еще два цикла.

Рис. 1. Свободная структура циклического соединения
ExBox (зеленый) образует прозрачные кристаллы (слева).
Когда ExBox инкапсулирует полициклический ароматический
углеводород коронен (черный), кристаллический комплекс
гость-хозяин приобретает оранжевую окраску. (Рисунок из J.
Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/ja307360n).

Исследователи синтезировали восьмичленный аналог ранее изученных соединений, получивший рабочее название ExBox с помощью обычных химических превращений исходя из недорогих исходных материалов. В зависимости от аниона, компенсирующего положительный заряд макроцикла, соли ExBox могут растворяться как в воде, так и неполярных органических растворителях.

Исследователи смешивали растворы ExBox и 11 полициклических ароматических углеводородов, от бициклического азулена до гептациклического коронена. Наблюдалось, что при связывании ExBox с полициклическим ароматическим углеводородом бесцветный раствор приобретал окраску, которая менялась в от желтой до коричневой. Исследователи предполагают, что новое соединение позволит детектировать полициклические ароматические углеводороды визуально – по изменению окраски. Исследователям удалось выделить кристаллы окрашенных комплексов и определить их структуру, подтвердив, что ExBox может инкапсулировать каждый из 11 проверенных полициклических ароматических углеводородов за счет небольшого изменения структуры «хозяина» и оптимизации электронного взаимодействия.

Для проверки того, может ли ExBox сохранять сродство к полициклическим ароматическим углеводородам в сложных системах, они добавили водный раствор ExBox к образцу сырой нефти. После ажитации смеси водный раствор быстро окрасился в желтый цвет, что позволяло предположить инкапсуляцию полициклических ароматических углеводородов клеткой ExBox. Затем исследователи отобрали водный раствор пипеткой и добавили к дихлорметану, который связывается с полициклическими ароматическими углеводородами прочнее, чем ExBox, что позволило высвободить «гостя» ExBox для дальнейшего применения. После испарения дихлорметана было обнаружено, что ExBox «вытянул» 1,2 мг полициклических ароматических углеводородов из 150 мкл сырой нефти, то есть – большую часть этих соединений из образца.