Органики-ювелиры
Органические соединения — это настоящее искусство. Иногда химикам хочется побыть художниками и сотворить что-то прекрасное. У них это прекрасно получается, и произведения химического искусства ищут или уже нашли важные области применения. Здесь вы встретите несколько удивительных по своей структуре органических соединений, которые смогли синтезировать учёные.
Цепочки из органических цепочек
Многие из вас представляют, как выглядят цепочки из кости или дерева. Каждое звено сплошное, оно не размыкается. Такие изделия вырезают из цельного куска. Сначала мастер аккуратно намечает, как будут располагаться сплетения, а потом убирает лишний материал. Эта задумка очень понравилась немецким химикам Г. Шиллу и А. Люттрингхаусу. Они решили синтезировать соединения, по своей структуре похожие на такие цепи, и успешно воплотили свою идею в жизнь. Такие соединения получили название катенаны. Но о том, как они впервые были получены, мы поговорим позже. Сейчас же мы расскажем о неудачной попытке синтеза катенанов.
Получить катенаны пытались многие учёные, но им это не удавалось, потому что они хотели собрать цепь путём размыкания кольцевых молекул и «продевания» одной молекулы через другую. Конечно, сомкнуть и разомкнуть циклическую молекулу особого труда не составляет, а вот продеть одну молекулу через другую, к сожалению, оказалось практически невозможно. Поэтому многим известным учёным, таким как Р. Вильштеттер (получил Нобелевскую премию в 1915 году за исследование строения растительных пигментов) и И. Л. Кнунянц, не удалось синтезировать желаемое соединение.
В 1957 году немецкие химики А. Колер и Г. Дитрих сообщили о том, что наконец-то смогли синтезировать катенан. Но оказалось, что синтезированная цепь существовала лишь в их мыслях , а в реальности открытие подтвердить не удалось.
Как же Г. Шилл и А. Люттрингхаус впервые синтезировали катенан?
Для того, чтобы добиться главной цели — получить катенан, нужно было подробно расписать план синтеза. Учёные предложили такой путь: они решили сделать кольца с общим центром, а после удалить перемычки; для начала им пришлось оценить нужный размер молекулы, чтобы её «хватило» на образование колец. Оказалось, что в органической цепочке должно быть не менее 20 атомов углерода.
Итак, рассмотрим подробнее процесс синтеза. Одной из молекул, принимающих участие в реакции, было бензольное кольцо с двумя реакционными группами (a,c), к нему присоединены два длинных «хвоста» с реакционными группами (e). Второй молекулой была длинная органическая цепь, в середине которой расположена реакционная группа b. В ходе взаимодействия двух соединений образуется связь бензольного кольца с соединением d. Было предусмотрено, чтобы d располагалось перпендикулярно плоскости бензольного кольца.
На следующем этапе реакционная группа c реагирует с двумя группами d, тем самым образуя первый цикл катенана.
Далее реагируют две группы e, длина хвостов такая, чтобы они могли соединиться друг с другом. Так образуется второе кольцо.
Но если вы внимательно взглянете на последнее соединение, то увидите, что два кольца не свободны, они соединены двумя связями, которые можно разорвать, и тогда образуется конечное соединение:
Этот синтез был впервые проведён в 1964 году, после чего многие учёные начали экспериментировать с получением других, не менее интересных соединений.
Необычный символ
«Кольца Борромео» — это особенное сплетение трёх колец, которое обладает необычным свойством: никакие два кольца из трёх не сплетены, но все втроём они сцеплены. Проще говоря, если убрать одно кольцо из этой конструкции, то она развалится. Такое необычное сцепление названо в честь семьи Борромео, на гербе которой был изображён этот символ. Но впервые рисунки таких колец встречаются на камнях, изображения датируются седьмым веком.
Конечно же, столь необычная конструкция привлекла химиков, поэтому они захотели синтезировать борромеевы кольца. Впервые публикация о том, что учёным удалось получить их, появилась в 2004 году. Синтез был осуществлён в Калифорнийском университете командой, возглавляемой Дж. Ф. Стоддартом.
Вот какие «строительные блоки» использовали химики:
Сделать так, чтобы блоки реагировали ровно по двое, помог Zn (2+), который благодаря координационному взаимодействию располагает их в нужной ориентации, в результате чего и получаются борромеевы кольца:
Органические соединения можно использовать для составления очень необычных фигур и сплетений в пространстве. Сейчас катенаны, а также другие, не менее красивые соединения, активно изучают. Органики-ювелиры же оттачивают своё мастерство, ища новые дизайнерские решения конструкций.
Побольше о катенанах вы сможете найти здесь:
«Карнавал молекул» Михаил Левицкий
Вики
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16556-3
«Супрамолекулярная химия» Стид
Автор статьи: Новик Арина