Фуллерены представляют собой одну из форм существования элемента углерода

Фуллерены представляют собой одну из форм существования элемента углерода, отличающуюся от привычных графита и алмаза. Они были открыты в 1985 году группой ученых во главе с Х.В. Крото, Дж.Р. Хитом, Ш.К. О’Брайеном, Р.Ф. Керлом и Р.Э. Смолли, удостоенных впоследствии Нобелевской премии за это открытие [20]. В 1990 г. В. Кречмером, Л.Д. Лэмбом, К. Фостиропулосом и Д.Р. Хаффманом был разработан препаративный способ получения фуллерена, в котором использовался электродуговой разряд в парах графита в разреженной инертной атмосфере [19]. Устойчивость фуллереновой структуры обусловлена не только геометрией молекулы, но и особенностями распределения электронных состояний, в частности, наличие замкнутой сферической поверхности приводит к снижению локальных напряжений в углеродном каркасе, что повышает термодинамическую стабильность системы. Эти свойства делают фуллерены уникальными среди других углеродных наноструктур и определяют их широкое применение в различных областях химии и материаловедения.

Фуллерены занимают особое место среди аллотропных модификаций углерода, поскольку их структура принципиально отличается от привычных кристаллических форм, например графита и алмаза. В отличие от плоской слоистой структуры графита или трехмерной тетраэдрической решетки алмаза, фуллерены представляют собой замкнутые молекулярные образования, обладающие высокой симметрией и устойчивостью. Уникальная геометрия приводит к формированию специфической электронной структуры, в которой наблюдается значительная делокализация π-электронов, что, в свою очередь, определяет высокую реакционную способность молекулы при сохранении ее общей устойчивости. Важно отметить, что открытие фуллеренов стало отправной точкой для развития целого направления нанохимии, связанного с изучением углеродных наноструктур различной размерности и конфигурации.

Фуллерены отличаются геометрией, которую трудно спутать с другими формами углерода. Молекула выглядит как замкнутый сферический каркас, собранный только из атомов углерода. Эти атомы стоят в вершинах многоугольников, а не образуют плоский слой, как в графите. У C₆₀ структура особенно узнаваема. Она соответствует усеченному икосаэдру, где есть 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. На бытовом уровне подобную форму часто сравнивают с футбольным мячом, но химически здесь интереснее не сходство, а устойчивость каркаса. В ряду C₇₀, C₇₆, C₇₈, C₈₀, C₈₄ именно C₆₀ считается наиболее стабильной структурой [13-15, 30, 31]. Необычная форма C₆₀ сразу отражается на его свойствах. В молекуле нет случайного набора углеродных связей, так как весь каркас подчинен строгой геометрии. Каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами и находится в трижды координированном состоянии. За счет этого возникает единая π-электронная система, распределенная по поверхности молекулы. Здесь C₆₀ отличается от алмаза и графита. В алмазе углеродная сетка жесткая и трехмерная, а в графите слои плоские. У фуллерена поверхность изогнута, поэтому электронное строение становится менее простым. Именно эта кривизна делает молекулу химически более напряженной и более готовой к присоединению реагентов [13-15].

В обзорах А.В. Елецкого и Б.М. Смирнова показано, что кривизна поверхности C₆₀ влияет на электронный каркас молекулы [14, 15]. Речь идет не о небольшой геометрической детали, а о факторе, который меняет направление орбиталей. Из-за сферической формы появляется регибридизация между состояниями, близкими к sp² и sp³. В плоской ароматической системе перекрывание орбиталей проще, так как атомы лежат почти в одной плоскости. У C₆₀ подобного условия нет. Электронные облака вынуждены подстраиваться под изгиб поверхности, и это меняет распределение электронной плотности. В итоге фуллерен нельзя полностью описывать как обычную ароматическую систему, хотя делокализация π-электронов в нем действительно выражена [14, 15].

Регибридизация связана с окружением атома углерода. Когда меняется геометрия соседних атомов, меняется и ориентация химических связей. Для C₆₀ это особенно заметно - каркас состоит сразу из пятиугольников и шестиугольников. Пятиугольники вносят напряжение в сферическую поверхность, а шестиугольники поддерживают более привычный для углерода фрагмент сетки, это сочетание создает неодинаковые реакционные участки на одной и той же молекуле. По мнению А.В. Елецкого и Б.М. Смирнова, именно связь между топологией каркаса и электронным строением объясняет высокую способность фуллерена присоединять свободные радикалы [14, 15].

π-сопряжение в C₆₀ не совпадает с классической картиной бензола или других плоских ароматических соединений. У бензола шесть атомов углерода лежат в одной плоскости, а π-электроны распределены над и под этим кольцом. У C₆₀ поверхность замкнутая и изогнутая, поэтому перекрывание p-орбиталей происходит в более сложной геометрии. Электронная плотность не сосредоточена на одной связи и не принадлежит отдельному фрагменту каркаса, она распределяется по всей молекуле, но локальные напряжения все равно остаются. Вследствие этого фуллерен хорошо вступает в реакции присоединения, особенно если рядом находится частица с неспаренным электроном. Сопряженная π-система формирует электронное облако, охватывающее почти всю поверхность C₆₀, это удачный образ, но его нельзя понимать слишком грубо. Электронная плотность распределена не идеально равномерно, так как пятиугольники и шестиугольники задают разное локальное окружение атомов. Даже небольшое искажение каркаса может изменить степень делокализации электронов, например, при присоединении радикала один участок поверхности теряет часть ненасыщенного характера, а соседние связи перестраиваются, поэтому реакционная способность фуллерена определяется не одной двойной связью, а поведением всего электронного каркаса. Для расчетной химии это принципиально, поскольку локальную реакцию приходится рассматривать вместе с изменением всей молекулы.

Жесткий σ-каркас выполняет роль основы молекулы, он удерживает сферическую форму и связывает каждый атом углерода с тремя соседями. Подобный остов отвечает за механическую устойчивость C₆₀ и объясняет, почему молекула сохраняет форму даже при функционализации. Но одна только σ-система не объясняет химическую активность фуллерена, в молекуле также есть негибридная орбиталь, содержащая один π-электрон, она располагается перпендикулярно локальной плоскости углеродного остова. Перекрывание подобных p-орбиталей создает систему сопряженных π-связей, охватывающую поверхность фуллерена [13-15, 30, 31]. π-электроны в этой системе не закреплены за конкретными связями, они делокализованы по всей молекуле, поэтому C₆₀ часто сравнивают с крупной ароматической системой, но это сравнение условное. Фуллерен не является плоской молекулой, а его полициклический каркас содержит ненасыщенные связи между атомами углерода. Именно подобная конфигурация усиливает поляризуемость и делает молекулу чувствительной к радикальным частицам. У C₆₀ много эквивалентных реакционных центров, и это резко отличает его от малых органических молекул, где активный участок часто один или два. Для свободного радикала подобная поверхность выглядит как набор доступных точек атаки [13-15, 30, 31].

Основные реакции фуллеренов обычно идут по двойным связям. К ним относятся нуклеофильное присоединение, радикальное присоединение и циклоприсоединение, это логично, так как именно ненасыщенные участки каркаса легче вовлекаются в образование новых связей. При функционализации фуллерены делят на две группы. Эндоэдральные производные содержат частицы внутри углеродной оболочки, например атомы металлов или небольшие молекулярные фрагменты, а экзоэдральные производные имеют заместители снаружи молекулы. На практике чаще рассматриваются именно экзоэдральные соединения, потому как присоединить группу к внешней поверхности химически проще, чем поместить частицу внутрь замкнутого каркаса. Данное разделение хорошо показывает двойственную природу фуллерена. С одной стороны, σ-каркас дает молекуле устойчивость и сохраняет сферическую форму, с другой - π-электронная оболочка делает ее реакционноспособной. Для взаимодействия со свободными радикалами это особенно заметно, радикал атакует не просто отдельный атом углерода, а участок электронной системы, где возможна перестройка плотности. После присоединения меняется не только локальная связь, но и распределение электронов в соседних фрагментах, поэтому C₆₀ удобнее рассматривать как единую электронно-структурную систему, где стабильность и химическая активность существуют одновременно, но выполняют разные функции.

Особенностью фуллерена также является объем, находящийся внутри углеродного скелета молекулы. Он дает возможность размещения в нем небольших атомов или ионов. По данным А.Р. Хаматгалимова и В.И. Коваленко, диаметр молекулярной полости C₆₀ может варьировать от 0,7 до 1,0 нм в зависимости от типа гибридизации [34]. Фуллерены, которые размещают в своей полости частицы, называются эндоэдральными. В исследовании А.Р. Хаматгалимова и В.И. Коваленко также показано, что внедрение атома внутрь фуллерена может сопровождаться переносом заряда между фуллереном и заключенной частицей, что изменяет электронную структуру и энергетические уровни π-электронной системы [34]. Подобным способом можно изменять физико-химические параметры эндоэдрального фуллерена в сторону большей или меньшей реакционной способности. В целом, фуллерены могут взаимодействовать с биологическими системами благодаря двум свойствам. Первое связано с углеродным каркасом, второе с высокой способностью принимать радикальные частицы. Антиоксиданты нейтрализуют свободные радикалы и тем самым уменьшают повреждение клеточных структур при окислительном стрессе [11, 24, 37, 38]. Свободные радикалы появляются при метаболизме кислорода, а также под действием внешних факторов, например ультрафиолетового излучения. Их опасность не абстрактная, они способны повреждать ДНК, белки и липидные мембраны, а подобные повреждения связаны с развитием рака, сердечно-сосудистых заболеваний и процессов старения. Фуллерены интересны тем, что могут работать как электронные акцепторы и присоединять активные формы кислорода. За счет множества реакционных центров молекула C₆₀ воспринимается не как обычный антиоксидант с одной активной группой, а как углеродная поверхность, способная связывать несколько реакционноспособных частиц. В живой системе поведение фуллеренов становится сложнее, чем в расчетной модели из одной молекулы. Молекула оказывается рядом с водой, белками, липидами и заряженными группами биомолекул, каждый из этих компонентов меняет доступность реакционных центров. Например, гидрофобный C₆₀ плохо распределяется в водной среде, а функционализированные производные уже могут образовывать контакты с полярными фрагментами. Антиоксидантная активность определяется не только электронным строением углеродного каркаса, на нее влияют растворимость, агрегация, ориентация молекулы у мембраны и количество присоединенных функциональных групп. Именно степень функционализации задает, будет ли молекула доступна для биологической среды или останется почти нерастворимым углеродным объектом [1, 12, 26, 32].

На фоне традиционных антиоксидантов фуллерен выглядит иначе. Витамин C, витамин E, каротиноиды и полифенолы обычно нейтрализуют свободные радикалы через передачу электрона или атома водорода. После этого молекула антиоксиданта часто сама переходит в окисленное состояние и постепенно расходуется. У фуллерена преимущество связано со сферическим каркасом и большим числом близких по активности участков. Он может присоединять несколько радикальных частиц, а не ограничиваться одним элементарным актом взаимодействия, поэтому его антиоксидантное действие логично рассматривать через поверхность молекулы, а не через единственный реакционный центр. В работе Г.В. Андриевского, В.И. Брускова, А.А. Тихомирова и С.В. Гудкова были показаны антиоксидантные и радиопротекторные эффекты гидратированных наноструктур C₆₀. В обзоре М.А. Думпис, Д.Н. Николаева, Е.В. Литасовой, В.В. Ильина, М.А. Брусиной и Л.Б. Пиотровского отдельно рассмотрены биологическая активность производных фуллеренов и перспективы их применения в медико-биологических работах [1, 12, 26]. Для терапевтического применения одной антиоксидантной активности недостаточно. Вещество должно попасть к клетке, пройти через биологические барьеры или хотя бы закрепиться в нужной области мембраны. Клеточная мембрана состоит из двух слоев липидных молекул. Ее внутренняя часть гидрофобна, поэтому многие полярные и крупные соединения проходят через нее плохо. Здесь появляется проблема гидрофильно-липофильного баланса, который показывает соотношение взаимодействия вещества с водой и липидной фазой [12, 26, 32]. Слишком гидрофобная молекула плохо распределяется в водной среде, а слишком гидрофильная может быстрее выводиться и слабее проникать в липидные области. Для фуллеренов эта граница особенно заметна, поскольку исходный C₆₀ склонен к агрегации в воде. Образующиеся агрегаты уже не равны отдельным молекулам и могут иметь собственный размер, заряд поверхности и биологическую активность.

Агрегация меняет реальную концентрацию активных частиц. Формально в растворе может быть внесено одно количество фуллерена, но доступных молекул окажется меньше. Агрегаты способны вести себя как наночастицы, а не как индивидуальные соединения, это усложняет оценку токсичности, антиоксидантного действия и способности проникать к мембранам, поэтому при обсуждении биомедицинских применений нельзя ограничиваться формулой C₆₀ или C₆₀(OH)n, нужно учитывать среду, pH, ионный состав, наличие белков и липидных структур. В реальной биологической жидкости молекула почти никогда не существует в идеальной изолированной форме. Она сразу попадает в многокомпонентную систему, где слабые взаимодействия могут менять ее поведение сильнее, чем ожидается по простой структурной формуле [12, 26, 32].

Гидрофильно-липофильный баланс можно оценивать через вклад гидрофильной части в общую массу молекулы. В учебном примере при молярной массе гидрофильной части 100 г/моль и общей молярной массе 200 г/моль расчет записывается как ГЛБ = 20 × 100 / 200. Результат равен 10, а не 0,5, если используется стандартный множитель 20, это принципиальная арифметическая деталь, так как ошибка в двадцать раз меняет интерпретацию результата. Значение ГЛБ показывает, насколько молекула смещена в сторону гидрофильного или липофильного поведения. Для фуллеренов данный показатель особенно полезен при сравнении производных с разным числом заместителей, так как сам C₆₀ в воде растворяется плохо, а функционализированные формы уже могут взаимодействовать с полярной средой [12, 26]. Увеличить гидрофильность фуллерена можно через присоединение функциональных групп. Наиболее понятные примеры включают гидроксильные группы -OH и карбоксильные группы -COOH, они повышают способность молекулы взаимодействовать с водой и могут снижать токсичность за счет лучшей диспергируемости. Для C₆₀ это особенно удобно, так как большая углеродная поверхность позволяет вводить несколько заместителей, при этом число групп имеет решающее значение - одна или две полярные группы не превращают весь каркас в хорошо растворимое соединение. Соединение C₆₀(OH)₂₄ уже содержит 24 гидроксильные группы, поэтому его свойства заметно отличаются от исходного фуллерена. Фуллеренол-24 рассматривается как один из устойчивых представителей водорастворимых производных C₆₀ [12, 26, 40].

Фуллеренол-24 интересен не только растворимостью. Его молекула сочетает гидрофильную оболочку и гидрофобный углеродный каркас. Гидроксильные группы C₆₀(OH)₂₄ обеспечивают контакт с водой, а участки фуллеренового скелета сохраняют сродство к липидным и гидрофобным фрагментам биомолекул, поэтому соединение можно рассматривать как амфифильную структуру. Для фармакологии и медицины это удобно, так как одна и та же молекула потенциально способна взаимодействовать и с водной фазой, и с мембранными областями. Антиоксидантное действие фуллеренола-24 связано с улавливанием радикалов, которые участвуют в повреждении клеточных компонентов. В данном случае термин ловушка радикалов отражает не образное сравнение, а реальную способность молекулы связывать реакционноспособные частицы [1, 12, 26, 32, 40].

Функционализация может усиливать не только гидрофильные, но и липофильные свойства производных фуллерена. Углеводородные радикалы повышают сродство к липидной фазе и могут способствовать накоплению молекулы в мембранном бислое. Для биологического действия это имеет практический смысл. Если производное фуллерена должно работать рядом с мембраной, ему нужна не максимальная растворимость в воде, а баланс между удержанием в водной среде и проникновением в липидную область. Аминокислотные и пептидные фрагменты тоже способны менять липофильность за счет формирования пространственной архитектуры молекулы. Они могут задавать ориентацию заместителей, создавать дополнительные слабые контакты и влиять на распознавание биомолекулами [12, 26].

Медицинский потенциал фуллеренов связан с антиоксидантной активностью, радиопротекторными эффектами и возможностью химической модификации, но этот потенциал нельзя считать полностью реализованным. Для введения в организм нужны данные о токсичности, стабильности, распределении по тканям и путях выведения. В литературе подробно описаны отдельные эффекты, однако универсальной схемы применения для всех производных фуллерена нет. Разные заместители меняют растворимость, размер агрегатов и взаимодействие с белками, поэтому каждое соединение приходится рассматривать отдельно. Для фуллеренола-24 ключевым становится вопрос о том, как именно гидроксильная оболочка и углеродный каркас участвуют в связывании радикала [1, 12, 26, 32, 40].

Для получения сведений об электронной структуре и реакционной способности молекул применяются квантово-химические расчеты. Основные подходы включают неэмпирические методы ab initio, полуэмпирические методы, теорию функционала плотности DFT, пост-Хартри-Фоковские методы и молекулярную механику. Выбор зависит от размера системы, требуемой точности и доступных вычислительных ресурсов. Для фуллеренола-24 задача осложняется большим числом атомов и возможных конфигураций OH-групп, поэтому расчетный метод должен описывать не только общую энергию, но и локальные особенности электронной плотности. В этом отношении сочетание DFT и квантовой теории атомов в молекулах QTAIM выглядит наиболее оправданным для анализа комплексов с радикалами. DFT позволяет сравнивать энергетическую выгодность разных конфигураций, а QTAIM дает информацию о природе химических контактов. Для наноуглеродных систем данное сочетание особенно полезно. Энергия показывает, какая структура устойчивее, но не объясняет сама по себе, почему возникает связь. Топологический анализ электронной плотности помогает определить критические точки связи, плотность в этих точках и характер взаимодействия между атомными бассейнами, в результате описание становится количественным, а не только качественным. Для комплексов C₆₀(OH)₂₄ с OH-радикалом это дает возможность связать геометрию присоединения, перераспределение заряда и антиоксидантное действие в одной расчетной схеме.

Фуллеренол может взаимодействовать с OH-радикалом несколькими путями. Первый путь связан с образованием новой связи C-O между углеродным каркасом и кислородом радикала. Второй путь предполагает водородную связь между радикалом и уже имеющейся OH-группой на поверхности C₆₀(OH)₂₄. Третий вариант включает перераспределение заряда без формирования классической ковалентной связи. В реальной системе эти каналы не изолированы друг от друга. Радикал может сначала удерживаться гидроксильной оболочкой, а затем перейти к более прочному контакту с каркасом, поэтому слабый первичный комплекс можно рассматривать как промежуточную стадию перед образованием устойчивого продукта. Вклад каждого канала зависит от локального строения поверхности фуллеренола. Открытый углеродный атом будет вести себя иначе, чем область, закрытая несколькими гидроксильными группами, а пространственная ориентация радикала около поверхности тоже меняет путь реакции. Если OH-радикал расположен кислородом к углеродному каркасу, повышается вероятность образования C-O-связи, а ориентация водородом к кислородсодержащему заместителю чаще ведет к первичному водородному связыванию. Геометрия начального сближения не является второстепенной деталью, она задает направление развития комплекса в сторону химической нейтрализации или слабого удержанного состояния. При присоединении второго радикала возрастает роль стерических факторов, первый радикал уже меняет локальную геометрию поверхности, перераспределяет электронную плотность и влияет на соседние связи.

Термин нейтрализация в работе используется в расчетно-химическом смысле. Он не означает, что вся система полностью теряет химическую активность. Речь идет о переходе радикального фрагмента в более стабильное связанное состояние. Переход должен сопровождаться изменением заряда, электронной плотности и характера связи. Подобная трактовка подходит для квантово-химического моделирования, так как позволяет связать молекулярный механизм с конкретными расчетными параметрами. Если QTAIM показывает критическую точку связи, а DFT-расчет дает снижение энергии комплекса, появляется основание говорить не только о сближении частиц, но и о химически значимом взаимодействии. Гидроксильный радикал OH представляет собой нейтральную частицу с одним неспаренным электроном. Среди активных форм кислорода он считается одним из наиболее агрессивных окислителей. Причина связана с тем, что OH-радикал может атаковать органические молекулы почти без выраженной селективности. В биологических системах подобные частицы образуются при радиолизе воды, реакциях Фентона и других процессах, где возникают высокоактивные кислородсодержащие фрагменты. Именно поэтому взаимодействие фуллеренола-24 с OH-радикалом представляет интерес не только как модельная реакция, но и как способ понять возможную защиту биомолекул от окислительного повреждения [5, 7, 11, 24, 37, 38].

Антиоксидантное действие вещества может идти по нескольким механизмам. Возможны прямое присоединение радикала, перенос электрона, перенос атома водорода, образование менее активного радикального интермедиата или комплексообразование, ограничивающее дальнейшую реакционную способность частицы. Для фуллеренолов наиболее реалистичной выглядит совокупность этих путей. Углеродный каркас способен принимать электронную плотность и связывать радикальные частицы. Гидроксильная оболочка, в свою очередь, участвует в водородном переносе, стабилизирует поляризованные состояния и влияет на ориентацию OH-радикала около поверхности, поэтому антиоксидантный механизм C₆₀(OH)₂₄ нельзя свести к одной простой реакции. Как пишут М.А. Думпис, Д.Н. Николаев, Е.В. Литасова, В.В. Ильин, М.А. Брусина и Л.Б. Пиотровский, молекула фуллерена C₆₀ способна присоединять до 15 радикалов. Именно это свойство стало причиной появления образного названия губка для радикалов. Для исходного C₆₀ подобная емкость связана с протяженной π-системой и множеством реакционных участков на углеродной поверхности. Но у C₆₀(OH)₂₄ ситуация сложнее. Радикальная емкость определяется не только числом двойных связей, но и расположением OH-групп, сетью водородных связей, степенью экранирования каркаса и стерическими ограничениями, поэтому фуллеренол-24 нужно рассматривать как функционализированную поверхность, а не как простую копию C₆₀ с добавленными заместителями [12, 26].

Согласно Г.В. Андриевскому, фуллерены и их производные могут взаимодействовать с радикалами по двум основным механизмам. Первый механизм связан с прямым присоединением к углеродному каркасу. Второй предполагает физическое удержание радикальной частицы за счет полярных контактов [1]. В рамках QTAIM эти варианты можно различать по топологическим параметрам электронной плотности. Ковалентные связи обычно характеризуются отрицательным лапласианом электронной плотности и отношением |V|/G > 1. Замкнутооболочечные контакты, включая водородные и слабые межмолекулярные взаимодействия, чаще имеют положительный лапласиан [3, 35]. По Р.Ф.В. Бейдеру, отрицательный заряд атомного бассейна связан с накоплением электронной плотности в области соответствующего атома. Анализ атомных бассейнов дает количественный способ оценить перенос заряда между фрагментами системы [3], это особенно полезно для комплексов фуллеренола-24 с OH-радикалами, где визуального описания связи недостаточно. Как показывают данные, обсуждаемые М.А. Думпис с соавторами и Е.Г. Якимовой с соавторами, антиоксидантную активность нельзя оценивать только по факту образования контакта. Нужно учитывать устойчивость комплекса, распределение заряда и характер связи, поэтому в работе сопоставлены системы с одним и двумя OH-радикалами, что позволяет проверить способность C₆₀(OH)₂₄ к последовательной нейтрализации активных частиц [12, 40].