Книга: Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин
Назад: Топология – «пластилиновая» наука
Дальше: Продолжение эстафеты
От химии к механике
Метод синтеза катенанов, предложенный Саважем, другие исследователи начали применять для получения разнообразных конструкций со всевозможными переплетениями. Все же оставалось неясным, существуют ли у этих молекул какие-то достоинства. Саваж сумел найти ответ. Ранее было сказано, что циклы в катенане свободно перемещаются относительно друг друга. А можно ли управлять процессом? Для этого был синтезирован «специальный» катенан из двух различных циклов. Первый цикл (рис. 3.14а) представляет собой замещенный фенантролин с замыкающей цепочкой из фрагментов – (СН2)2-О-. Второй цикл отличается от первого тем, что, помимо замещенного фенантролина, он включает цепочку, содержащую три бензольных ядра с атомами азота (на рис. 3.14б).
По общей схеме был получен катенан, содержащий оба указанных цикла. Координирующий центр – вновь катион Сu+. Молекула «собралась» таким образом, что катион Сu+ оказался координационно связанным с двумя фрагментами фенантролина, присутствующими в обоих циклах (рис. 3.15, слева). Это было ожидаемо и многократно отмечено – катион Сu+ предпочитает именно такой лиганд. Затем катион Сu+ электрохимически окислили, то есть забрали у него один электрон, и он стал катионом Сu2+. Предполагалось, что катион Сu2+ иначе организует свое координационное окружение, что и подтвердилось. В результате цикл с утолщенными связями повернулся внутри всей конструкции и предоставил катиону Сu2+ три атома азота вместо двух (3.15, справа). При электрохимическом восстановлении (переход от Сu2+ к Сu+) все возвращается в исходное состояние.
Скромный на первый взгляд опыт показал химикам нечто важное – катенаном можно манипулировать, не затрагивая химические связи и лишь изменяя взаиморасположение колец. Получается, что это типичное механическое устройство.
Далее Саваж решил, что полученный результат можно использовать не только для поворота цикла, но и для его поступательного движения. Он синтезировал двойной ротаксан, в котором ось, проходящая через один цикл, присоединена к другому циклу (рис. 3.16). Строительный материал тот же, что в предыдущем синтезе, – фенантролин, фрагменты с двумя азотами, терпиридиновые фрагменты с тремя азотами и ветви – (СН2)2-О-. Оба цикла содержали фенантролин, а в структуре осей присутствовали и фенантролин, и фрагмент с тремя атомами N. Синтез с «главным организатором» – Cu+ – позволил получить двойной ротаксан, в котором ионы меди практически окружили себя только молекулами фенантролина. Далее следовал вполне естественный расчет: если окислить ионы меди до Cu2+, то они передвинутся по оси в поисках фрагмента с тремя атомами N, по аналогии с предыдущим синтезом. Этот процесс оказался возможным, но протекал очень медленно. Однако когда ионы меди заменили ионами цинка, перемещение произошло сразу же, и цинк передвинул кольцо таким образом, что теперь его окружали пять атомов N – два от фенантролина и три от второго фрагмента (рис. 3.16).
Саваж назвал полученное соединение молекулярным мускулом (molecular muscle), поскольку все это напоминало работу мышц при их растяжении и сжатии.
Назад: Топология – «пластилиновая» наука
Дальше: Продолжение эстафеты
