Как мы учили в школе на уроках химии, атомы в молекулах удерживаются химической связью: ковалентной полярной, ковалентной неполярной… Бывает ионная связь — в кристаллах,— бывают связи двухцентровые и многоцентровые… Как же можно построить классическую молекулу, например, органического вещества, без химической связи? Мы задали этот вопрос главному редактору журнала «За науку» Алексею Паевскому, по образованию — химику-органику.
Как ни странно, правильный ответ на этот вопрос «отчасти – да». Бывают молекулы, разные части которых удерживаются исключительно механически.
Для начала вспомним одного из трех лауреатов Нобелевской премии по химии 1987 года Дональда Джеймса Крама, который, развивая идею комплексов «гость-хозяин», создал новый тип молекул, карцеранды — органическая молекула представляет собой «клетку», «карцер», внутри которого заключена другая молекула, будь то большой атом инертного газа или, скажем, нитробензол (рис.1).
Рисунок 1. Молекула нитробензола в полости карцеранда
Однако это все-таки не совсем то: части молекулы неравноправны, одна «спрятана» внутри другой. Возможны еще более восхитительные варианты. Существует (и синтезировано в лабораториях) целых четыре типа молекул с настоящей механической связью. Их называют катенаны, ротаксаны, молекулярные узлы и молекулярные кольца Борромео. Все эти молекулы отличает то, что некоторые связи между частями молекул исключительно механические, то есть физическое соприкосновение частей молекулы не дает им распасться или изменить взаимоположение. Давайте посмотрим, что это за молекулы.
Катенаны
Латинское слово «catena» означает «цепь». Именно это и отличает катенаны — они представляют собой два или более цикла, продетых друг в друга. Первые синтезы катенанов представляли собой реакции циклизации длинных цепочек в присутствии других кольцевых молекул. Надеялись лишь на случай: вдруг какая-то часть молекул во время замыкания циклов окажется продетой в уже существующий цикл. Однако выходы таких реакций всегда оказываются микроскопическими. Поэтому Генри Шиллом, первопроходцем этой темы, был разработан направленный метод синтеза, когда сперва будущие кольца были соединены перемычками, а посте того, как два или три звена цепочки колец собраны, перемычки разрушались.
За последние годы прогресс в синтезе катенанов оказался огромным. Ученые сумели соединить, подобно известной эмблеме, пять колец. Разумеется, такое вещество назвали «олимпиаданом».
Рисунок 2. Олимпиадан
Кроме того, появились новые типы катенанов: претцеланы, в которых кольца продеты друг в друга, но еще и соединены молекулярным мостиком. Также есть «катенаны в форме наручников» (это вполне официальное название — handcuff-shaped catenanes). Почему они так названы, можно понять, посмотрев на их топологию.
Рисунок 3. Топология обычного катенана
Рисунок 4. Топология претцелана
Рисунок 5. Топология катенана в форме наручников
Кстати, существуют катенаны и в природе — молекулярным биологам давно известны катенановые ДНК.
Ротаксаны
Это название образовано из двух слов: «rotor» — вращение и «axis» — ось. Такие молекулы представляют собой длинную молекулярную цепочку, продетую сквозь цикл. Однако соскользнуть с оси циклу мешают массивные группы атомов на концах цепи. Современные ученые рассматривают такие структуры как элементы молекулярных машин.
Молекулярные узлы
Здесь все просто — молекула представляет собой неразрывную замкнутую структуру, к тому же, завязанную в узел. Органики научились синтезировать и такое!
Рисунок 8. Молекулярные кольца Борромео
Молекулярные кольца Борромео
Простые кольца Борромео видели все, хотя и не знали, что они так называются. Это просто три кольца, попарно продетые друг в друга. Представляете себе, сравнительно недавно химики научились синтезировать и такие молекулы. Вот, посмотрите на структуру.
