Книга: Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин
Назад: Предисловие
Дальше: Топология – «пластилиновая» наука
Ион металла все упростил
Ионы металлов охотно образуют координационные связи, то есть они подтягивают к себе органические молекулы, которые содержат атомы с неподеленной электронной парой – N, O, S и другие. Притягиваемые ионами металлов органические молекулы, содержащие такие атомы, называют лигандами (от лат. ligare – «связывать»), и ион металла располагает вокруг себя лиганды строго определенным образом.
Эти знания позволили французскому химику Ж.-П. Саважу получить катенан всего за три стадии. В качестве лиганда он выбрал молекулу, содержащую атомы азота в составе бензольных циклов и две гидроксильные группы НО на концах молекулы (рис. 3.4а). В структуре соединения рамкой выделен фрагмент, называемый фенантролином, – именно он является тем участком лиганда, который играет решающую роль в сборке молекулы.
Второй реагент – цепочка из групп CH2, перемежающихся атомами О (рис. 3.4б). Задача этого реагента – замыкать фрагменты в циклы. В качестве иона металла, играющего роль координирующего центра, был выбран Cu+.
Сборка катенана происходит следующим образом. Две молекулы лиганда притягиваются катионом меди и располагаются так, что условные плоскости полумесяцев становятся взаимно перпендикулярны. В таком положении они фиксируются образующимися координационными связями, которые показаны пунктиром (рис. 3.5а). Затем вводится второй реагент, НО-группы которого конденсируются с НО-группами лиганда с выделением воды (рис. 3.5б, в). Происходит замыкание циклов. Катенан практически готов, осталось удалить ион меди действием KCN, и кольца начинают свободно перемещаться (рис. 3.5в).
Синтезировав ротаксан, Саваж сумел доказать, что его метод универсален. У молекулы, показанной на рис. 3.6, ось, на которую надето кольцо, содержит весьма объемистые заглушки на концах – и она изломана, что несущественно. Главное – основная цель достигнута.
Кроме того, удалось синтезировать хитроумно заплетенную конструкцию – кольцевую молекулу, завязанную в узел (рис. 3.7). Это древний символ северных народов Европы, который использовался в орнаментах и высекался на камне. В процессе синтеза переплетение создавалось из тех же реагентов, которые были использованы при получении катенана с участием фенантролина. Такие молекулы назвали кнотанами (англ. кnot – «узел»).
Не менее оригинальна конструкция, представляющая собой тройной катенан, причем два кольца связаны перемычкой. Вероятно, пряча улыбку, Саваж назвал ее «наручниками» (handcuff-like compound) и упомянул это название в заголовке статьи для авторитетного научного журнала Chemical Communications. Исходные заготовки для строительства – те же самые фрагменты с фенантролином, координационно связанные с ионом меди (рис. 3.8).
Казалось бы, смелая фантазия ученых и искусство синтеза открыли новые горизонты для создания необычных конструкций, однако природа давно опередила воображение химиков. Биологи установили, что молекула белка лактоферрина, присутствующего в молоке, слюне и желчи, представляет собой кольцевую молекулу, завязанную в узел (как на рис. 3.7). Найдены также катенановые молекулы ДНК. Кроме того, обнаружены аналоги ротаксанов – лассо-пептиды (название удачно передает принцип их действия). Они обхватывают другую молекулу полипептида, а затем их цикл стягивается, действуя как лассо.
Назад: Предисловие
Дальше: Топология – «пластилиновая» наука
