Зв'язок без зв'язку • Олексій Паєвський • Науково-популярні завдання на "Елементи" • Хімія

Зв'язок без зв'язку

завдання

У школі нас учили, що в молекулах атоми пов'язані хімічними зв'язками. Наприклад, ковалентними, іонними або металевими. А чи можуть частини молекули утримуватися разом без хімічного зв'язку? запропонуйте можливі варіанти конструкції таких молекул.


Підказка

Вирішення цього завдання, як не дивно, знаходиться не в області хімії, а, скоріше, в області математики. І навіть точніше – геометрії і топології.


Рішення

На поставлене в завданні питання можна придумати декілька варіантів відповіді.

Разом ми сила. Крім класичних зв'язків – ковалентних, іонних, металевих – існують зв'язку і більш слабкі. Наприклад, водневі. Їх енергія набагато менше "звичайних" і вони легко "рвуться" при кімнатній температурі. Тому водневі зв'язки не можуть міцно утримувати дві частини молекул. Правда, саме водневим зв'язкам ми зобов'язані, наприклад, аномальними властивостями води, яка має досить високу температуру кипіння.

Але що якщо таких зв'язків буде багато? Звичайно, і молекула для цього потрібна велика … Так, саме в ДНК два ланцюжки з'єднані в спіраль цими слабкими зв'язками.

Однак для того, щоб утримувати дві або більше частин молекул разом, можна взагалі не користуватися ніякими зв'язками. І варіантів тут – багато.

Пташка в клітці. Ось вам перший приклад.Якщо пташку замкнути в клітці, то пташка і клітина ніяк не будуть зв'язані один з одним, але, переміщаючи клітину, ви будете одночасно переміщати птицю: у неї просто немає шляхів вибратися назовні і опинитися незалежної від оточуючих її прутів. Чи можна цю аналогію застосувати до молекулярного будівництва? Дуже навіть можна. Нобелівський лауреат з хімії Дональд Крам придумав і синтезував новий тип молекул, які називаються карцерандамі (див. Carcerand). Так, слово "карцер" тут не випадково. Ці молекули являють собою справжню "клітку", в яку можна замкнути маленьку молекулу – невелике органічна сполука або навіть атом інертного газу. Важливо, щоб розміри і форма порожнини "клітини" підходили "пташці".

Молекула нитробензола ( «пташка»), укладена всередині молекули карцеранда ( «клітини»)

Бувають і більш прості і менш міцні комплекси – наприклад, кавітанди (див. Cavitand), з відкритою порожниною. Але там і комплекси менш стійкі.

Кавітанд

Два кільця. Ще один спосіб чисто механічно з'єднати частини молекули – це так звані Катена. Два просмикнутих один в одного циклу – ось вам і найпростіший катена, або [2] -катенан. Є ще [3] -катенани і навіть більше.

[2] -катенан

А молекулу, в якій поєднані п'ять кілець, назвали … олімпіаданом.

Колесо на осі. Тут історія інша. Можна взяти довгу молекулу, яка стане віссю, взяти досить великий цикл – "колесо", просунути одне в інше, а на краю "осі" навісити масивні групи, які б не давали "колесу" зісковзнути. Ось вам і ротаксан (від слів rotate – "обертати" і axis – "вісь").

ротаксан

Кільця Борромео. А ось тут вже вступає в справу топологія. З точки зору порядку з'єднання атомів молекулярні кільця Борромео нічим не відрізняються від [3] -катенана. Тільки в кільцях Борромео кожне кільце зачеплений за пару інших (але при цьому не зачіпаючи ні за одне з них окремо).

а – [3] -катенан, б – кільце Борромео


Післямова

Резонно може виникнути питання: навіщо це все треба? Ну, воднева зв'язок, ДНК, основа життя, зрозуміло. Однак всі ці речовини, в яких частини утримуються чисто механічно – навіщо вони? Або це просто результат гри розуму хіміків для їх власного задоволення?

Ні в якому разі! Багато з цих речовин мають саме пряме застосування на практиці. Карцеранди дозволяють, наприклад, організувати транспорт ліки в пухлину або ізолювати від "зовнішнього світу" малостабільную молекулу і її вивчити.

Ротаксани – це майбутні елементи молекулярних машин і нанороботів … Ну і потім, хто сказав, що ігри розуму – це погано? Складні спрямовані синтези катенанів, ротаксанов, кілець Борромео – це розробка нових методів органічного синтезу, які згодом використовуються для створення нових лікарських препаратів і наномашин.

Див. також:
А. Паєвський "Молекули без хімічних зв'язків" // "Популярна механіка" №6, 2015.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: