У школі ми вчили на уроках хімії, що атоми в молекулах утримуються хімічним зв'язком: ковалентного полярної, ковалентного неполярной ... Буває іонна зв'язок - в кристалах, бувають зв'язку двухцентровие і багатоцентрові. А чи можна побудувати класичну молекулу, наприклад, органічної речовини, без хімічного зв'язку? Як не дивно, правильну відповідь на це питання «частково - так». Бувають молекули, різні частини яких утримуються виключно механічно. Але про все по порядку.
Супрамолекулярна хімія
Можна сказати, що такі молекули, де одна частина утримується в інший чисто механічно, випадково синтезував в 1967 році співробітник компанії DuPont Чарльз Педерсен. Він отримав знамениті краун-ефіри, які як корона «надягають» на великий іон лужного металу і утворюють стійкі комплекси. Однак, звичайно, не дивлячись на Нобелівську премію з хімії 1987 года, яку отримав Педерсен, назвати зовсім механічної такий зв'язок не можна - взаємодія в комплексі відбувається між атомами кисню або азоту і лужними металами.
Трохи більш жорсткими ці комплекси зробив другий лауреат того ж року - Жан-Марі Лен, який створив криптандів. Його речовини були вже не короною, а цілої чашкою - рівно на один або два іона. Проте взаємодія між гостем і господарем в комплексі було все ще не тільки механічним. Однак саме Льон дав назву науці, яка займається подібними речовинами, Супрамолекулярна хімія - «хімія, вийшла за межі молекули».
криптандів
Зробити те, про що ми говоримо, зміг третій лауреат 1987 года, Дональд Джеймс Крам, який, розвиваючи ідею комплексів «гість-господар», створив новий тип молекул - карцеранди. Ця органічна молекула являє собою «клітку», «карцер», всередині якого міститься інша молекула, будь то великий атом інертного газу або, скажімо, маленька молекула органічної речовини.
Однак хочеться чогось більшого: в карцеранде частини молекули нерівноправні, одна «захована» всередині іншої. Можна уявити собі ще більш чудові варіанти. Існує цілих чотири типи молекул зі справжньою механічним зв'язком, і всі вони були синтезовані в лабораторіях. Для них навіть була придумана загальна абревіатура MIMA. У перекладі на російську - «механічно замкнені молекулярні архітектури» (mechanically interlocked molecular architectures).
Карцеранд
Ось ці чотири типи: Катена, ротаксани, молекулярні вузли та молекулярні кільця Борромео. Всі ці молекули відрізняє те, що їх частини утримує разом виключно механічне взаємодія - фізичне зіткнення частин не дає їм розпастися або змінити взаимоположение. Давайте подивимося, що це за молекули.
катена
Дійсно, Катена - це два або більше замкнутих циклу, просмикнутих один в одного.
Перші синтези катенанів представляли собою реакції циклізації довгих ланцюжків в присутності інших кільцевих молекул. Сподівалися лише на випадок: раптом якась частина молекул під час замикання циклів виявиться протягнутої в уже існуючий цикл. Однак виходи таких реакцій завжди виявляються мікроскопічними.
Тому Готфрідом Шиллі, першопрохідцем цієї теми, був розроблений спрямований метод синтезу, коли спершу майбутні кільця з'єднані перемичками, а після того як два або три ланки ланцюжка кілець зібрані, перемички руйнувалися. Перший [2] -катенан (два просмикнутих один в одного кільця) вийшло «побудувати» ще до синтезу перших краун-ефірів, в 1964 році. У 1969 році з'явився і [3] -катенан. Знову ж працями Шилла.
катена
За наступні роки прогрес в синтезі катенанів виявився величезним. Наприклад, сер Джеймс Фрезер Стоддарт (який отримав лицарське звання за свої успіхи в органічному синтезі) в 1994 році зумів поєднати, подібно відомої емблемі, п'ять кілець. Зрозуміло, цей [5] -катенан назвали «олімпіаданом». А рекордна кількість ланок в таких ланцюжках поки що дорівнює семи.
Крім того, з'явилися нові типи катенанів: претцелани, в яких кільця протягнуті один в одного, але ще і з'єднані молекулярним містком. Також синтезовані «Катена в формі наручників» (цілком офіційна назва - handcuff-shaped catenanes). Чому вони так названі, можна зрозуміти, подивившись на їх топологію.
До речі, існують Катена і в природі - молекулярним біологам давно відомі катенановие ДНК.
ротаксани
ротаксани
Такі молекули являють собою довгу молекулярну ланцюжок, протягнути крізь цикл. Однак зісковзнути з осі циклу заважають масивні групи атомів на кінцях ланцюга. Піонером тут теж виявився Готфрід Шилл - перший спрямований синтез ротаксана він провів ще в 1968 році.
Зараз саме ротаксани стали об'єктом пильної уваги і біологів, і нанотехнологів. Сучасні вчені розглядають такі структури як елементи молекулярних машин - вже побудовані ротаксановие молекулярні перемикачі, «молекулярні м'язи», які дозволяють здійснювати механічне рух частин молекул і на їх основі будувати найменші нанороботи. Крім того, молекулярні біологи вже виявили аналоги ротаксанов в природі - на ротаксановом принципі побудовано дію так званих ласо-пептидів, які охоплюють свою мету, стягуючи цикл. Серед таких пептидів виявлені і нові антибіотики.
Молекулярні кільця Борромео
Прості кільця Борромео бачили все, хоча і не знали, що вони так називаються. Це просто три кільця, попарно протягнуті один в одного. Термін походить від назви браслета, що належав італійського аристократичного сімейства Борромео.
Порівняно недавно хіміки навчилися синтезувати і такі молекули. Ось, подивіться на структуру. У 2004 році Джеймс Фрезер Стоддарт зумів шляхом красивою збірки з 18 компонентів отримати цю складну молекулу. Роком пізніше знаменита медіакомпанія Thomson Reuters навіть пророкувала Стоддарта Нобелівську премію з хімії за сукупністю фантастичних синтезів, але поки що це пророцтво не збулося.
молекулярні вузли
молекулярні вузли
Тут все просто: молекула являє собою нерозривний замкнуту структуру, до того ж зав'язаний у вузол. Хіміки називають такі молекули кнотанамі - від англійського слова knot - «вузол». Органіки навчилися синтезувати і таке, і навіть кілька вузлів одночасно. Перший вузол в формі трилисника був синтезований французьким хіміком Жаном-Полем Саважа в 1989 році. Існують і біологічні «вузли». Серед них - досить важливий людський глікопротеїн лактоферрин, який зустрічається в молоці, сльозах і інших виділених людини.
Стаття «Молекули без хімічних зв'язків» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №6, червень 2015 ).
А чи можна побудувати класичну молекулу, наприклад, органічної речовини, без хімічного зв'язку?