Книга: Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин
Назад: Продолжение эстафеты
Дальше: Глава 4 Самая главная частица и ее жилище
Совсем другой подход
При создании молекулярных механических устройств Саваж и Стоддарт брали за основу катенаны и ротаксаны. Оказалось, что существует другой подход к решению проблемы: его продемонстрировал голландский химик Бернард Феринга. Он показал, что можно управлять подвижностью отдельных частей молекулы совершенно иным образом.
Известно, что отдельные фрагменты молекулы могут свободно поворачиваться вокруг одинарной связи – например, в этане (рис. 3.21а), однако вращение вокруг двойной связи (этилен) невозможно (рис. 3.21б).
Феринга преодолел этот запрет. Он синтезировал молекулу, в которой двойная связь находится между двумя плоскими фрагментами, собранными из спаянных двух бензольных ядер и циклогексанового цикла. К этим фрагментам присоединены метильные группы СН3, роль которых очень важна: они частично заслоняют бензольные ядра из соседних фрагментов (рис. 3.22а). При действии импульса ультрафиолета двойная связь ослабляется и немного растягивается, и становится возможным взаимоповорот присоединенных блоков вокруг связи на 180о (рис. 3.22б). Из-за удлинения связи метильные группы перестают быть препятствием, а двойная связь играет роль поворотной оси. Затем связь вновь укорачивается, после чего поворот невозможен (рис. 3.22в). Молекула разворачивается таким образом, что метильные группы оказываются удаленными друг от друга (рис. 3.22 г). Если воздействовать очередным импульсом УФ-облучения, то вновь произойдет поворот, причем в ту же сторону. Метильные группы играют роль храпового механизма (защелки), позволяющего вращаться только в одну сторону.
После экспериментирования с различными вариантами Феринга выбрал строение «мотора», показанное на рис. 3.23. Он прикрепил четыре такие молекулы к жесткой раме, похожей на автомобильное шасси. Роль условных колес стали выполнять молекулы флуорена: фактически каждое колесо напоминало вращающуюся лопатку.
Однако сделать автомобиль с колесами – полдела, надо было изготовить для него шоссе. Сложность состояла в том, что вся работа проходила на молекулярном уровне. Изготовить гладкую поверхность из атомов невозможно, так как внешние размеры атомов определяются электронной оболочкой, которая близка к сферической. В конечном итоге "шоссе" было создано из тонкой пленки напыленного золота – из него достаточно легко сделать напыленное покрытие, и к тому же оно химически инертно, так что "колеса" не должны были к нему прилипать. На рис. 3.24 молекулярный автомобиль изображен в виде объемной модели – его движение начинается при УФ-облучении. Естественно, наблюдать это движение было возможно только при использовании сканирующего туннельного микроскопа, ощупывающего поверхность с помощью иглы и передающего изображение на монитор. Машина двигалась по бугристой поверхности, изображая неприхотливый вездеход.
Реальные способы применения такого автомобиля пока неясны. Возможно, это будет транспортировка лекарственных средств внутри биологических объектов. Ситуация несколько напоминает период расцвета паровых двигателей, а позднее – двигателей внутреннего сгорания; в те времена электромоторы рассматривались как интересные игрушки. Никто не мог предвидеть появления трамваев, троллейбусов, электричек, пылесосов и стиральных машин, снабженных электродвигателями. Похожая судьба, вероятнее всего, ожидает молекулярные машины. Развитие науки найдет широкое применение этой необычной, только зарождающейся области химии.
Высшее признание
В этой главе подробно рассказано о работах Ж.-П. Саважа из Страсбургского университета, Ф. Стоддарта из Северо-Западного университета в Иллинойсе и Б. Л. Феринги из Гронингенского университета, Голландия. Эти трое ученых в 2016 г. были удостоены Нобелевской премии «За проектирование и синтез молекулярных машин».
Жан-Пьер Саваж – французский химик, родился в 1944 г., начинал свою работу под руководством будущего нобелевского лауреата Ж.-М. Лена, которого Саваж со словами благодарности назвал в нобелевской лекции своим учителем и другом. Сейчас Саваж – сотрудник Института супрамолекулярной инженерии при Национальном центре научных исследований Франции, а также почетный профессор Страсбургского университета.
Джеймс Фрейзер Стоддарт родился в 1942 г. в Эдинбурге, Шотландия. Ученую степень он получил в 1966 г. в Эдинбургском университете. В настоящее время возглавляет группу механостереохимии в Северо-Западном университете в США. За долгие годы работы он руководил работой студентов и коллег более чем из тридцати различных стран. В одном из интервью он сказал: «Наука глобальна и не знает пути назад».
Б. Л. Феринга – голландец, самый молодой из трех лауреатов, родился в 1951 г., ученую степень по химии получил в 1978 г. В интервью он сказал, что, создавая молекулярные машины, химики не копируют процессы, происходящие в живой природе. Например, создавая летательные аппараты, люди не стали копировать птиц и строить самолеты из тех же материалов. Боинг сделан из металла, зато он может перевозить сотни людей. Свою работу Феринга сравнил с игрой в молекулярный конструктор лего. В заключение нобелевской лекции он показал слайд с 36 портретами коллег: стажеров, студентов и научных сотрудников из Европы, Китая и Индии.
Все три лауреата в своих докладах отдали дань уважения создателю первого катенана Г. Шиллу (о нем рассказано в начале этой главы).
Названия упомянутых молекул, естественно, вызывают зрительные ассоциации: наручники, крендель, кольца Борромео, олимпиадан, мускул, челнок, мотор. В использовании таких названий нет ничего неожиданного: давать образные имена различным молекулам – давняя традиция химии, о чем подробнее рассказано в главе "Образный язык химиков".
Завершая рассказ о катенанах, ротаксанах и молекулярных моторах, отметим, что синтез новых переплетенных структур будет постоянно привлекать химиков. В качестве примера на рис. 3.25 показана не полученная пока молекула, представляющая собой кольцо, вплетенное в кольцевой узел.
Сразу постараемся ответить на вопрос, для чего нужно получать такое соединение. Вероятнее всего, для его получения потребуется разработать новые методики синтеза, что обогатит органическую химию, и фундамент науки будет упрочен. Решая вопрос об ожидаемой пользе, обратимся к афоризму в самом начале главы. Будущие исследователи, «встав на плечи» нобелевских лауреатов, о которых рассказано в этой главе, а возможно, и других «гигантов», найдут такие области применения, которые наша фантазия пока не в силах вообразить.
Есть еще одна неочевидная польза от получения подобных соединений – чувство большой творческой радости, когда после длительных размышлений, обдумывания плана синтеза и проведения экспериментальной работы приходит долгожданный результат.
Назад: Продолжение эстафеты
Дальше: Глава 4 Самая главная частица и ее жилище
