🧬
Со школы мы знаем, что молекулы образуются за счёт возникновения химических связей между атомами. Например, молекула воды H₂O существует благодаря ковалентным связям между атомами водорода H и кислорода O, в кристаллы поваренной соли NaCl сформированы за счет ионной связи между хлорид-ионами и натрием.
Но можно ли построить молекулу без химических связей? Неожиданный ответ — отчасти да, можно. Этой идеей загорелись ученые еще в прошлом веке — и у них получилось синтезировать молекулы, разные части которых удерживаются исключительно механически. Давайте посмотрим, что это за молекулы.
Первыми были получены катенаны. Представьте себе звенья цепи — кольца, соединенные друг с другом ⛓ А теперь представьте молекулу, которая имеет аналогичное строение — две циклические структуры, продетые друг в друга. Длинная органическая цепочка состоит из атомов, соединенных химической связью, но между собой кольца соединены лишь механически — как два обруча, продетых друг в друга 🔗 На картинке молекула катенана схематически изображена слева.
Первые синтезы катенанов опирались на принципы вероятности. Бралась реакционная смесь из длинных молекул, которые могли при определенных условиях образовывать кольцо, и надеялись: вдруг какая-то из них во время замыкания окажется продетой в уже существующий цикл и получится два звена, соединенных между собой. Чисто статистически катенаны действительно образовывались — их удавалось зафиксировать, но содержание было чрезвычайно мало (около 0,0001%).
Другой тип молекул — ротаксаны — представляет собой структуры, состоящие из гантели и надетного на нее обруча ⭕️ В данном случае соскользнуть с перекладины кольцу мешают массивные группы на концах📍На картинке модель молекулы ротаксана находится справа.
Первые синтезы ротаксана так же были предложены на основе статистики: какая-то доля циклических молекул в смеси могла замкнуться вокруг гантелевидных молекул.
Существуют катенаны с большим числом звеньев и ротаксаны с большим числом надетых колец, а так же другие типы молекул с механическим взаимодействием: узлы и молекулярные кольца. Синтез подобных веществ представляет собой интересную задачу. В настоящее время никто не надеется на авось — разработаны новые методы направленного синтеза.
Также хочу сказать пару слов о применении полученных экзотических соединений. Ротаксаны стали объектом внимания и биологов, и нанотехнологов. Современные ученые рассматривают такие структуры как элементы молекулярных машин — уже построены ротаксановые молекулярные переключатели, «молекулярные мышцы» и нанороботы. Наука не стоит на месте👩🔬
