Связь без связи

Решение этой задачи, как ни странно, находится не в области химии, а, скорее, в области математики. И даже точнее — геометрии и топологии.

На поставленный в задаче вопрос можно придумать несколько вариантов ответа.

Вместе мы — сила. Помимо классических связей — ковалентных, ионных, металлических — существуют связи и более слабые. Например, водородные. Их энергия намного меньше «обыкновенных» и они легко «рвутся» при комнатной температуре. Поэтому водородные связи не могут прочно удерживать две части молекул. Правда, именно водородным связям мы обязаны, например, аномальными свойствами воды, которая имеет весьма высокую температуру кипения.

Но что если таких связей будет много? Конечно, и молекула для этого нужна большая... Да, именно в ДНК две цепочки соединены в спираль этими слабенькими связями.

Однако для того, чтобы удерживать две или больше частей молекул вместе, можно вообще не пользоваться никакими связями. И вариантов здесь — много.

Птичка в клетке. Вот вам первый пример. Если птичку запереть в клетке, то птичка и клетка никак не будут связаны друг с другом, но, перемещая клетку, вы будете одновременно перемещать птицу: у нее просто нет путей выбраться наружу и оказаться независимой от окружающих ее прутьев. Можно ли эту аналогию применить к молекулярному строительству? Очень даже можно. Нобелевский лауреат по химии Дональд Крам придумал и синтезировал новый тип молекул, которые называются карцерандами (см. Carcerand). Да, слово «карцер» тут не случайно. Эти молекулы представляют собой настоящую «клетку», в которую можно запереть маленькую молекулу — небольшое органическое соединение или даже атом инертного газа. Важно, чтобы размеры и форма полости «клетки» подходили «птичке».

Молекула нитробензола («птичка»), заключенная внутри молекулы карцеранда («клетки»)

Бывают и более простые и менее прочные комплексы — например, кавитанды (см. Cavitand), с открытой полостью. Но там и комплексы менее устойчивые.

Кавитанд

Два кольца. Еще один способ чисто механически соединить части молекулы — это так называемые катенаны. Два продетых друг в друга цикла — вот вам и простейший катенан, или [2]-катенан. Есть еще [3]-катенаны и даже больше.

[2]-катенан

А молекулу, в которой соединены пять колец, назвали... олимпиаданом.

Колесо на оси. Здесь история другая. Можно взять длинную молекулу, которая станет осью, взять достаточно большой цикл — «колесо», просунуть одно в другое, а на края «оси» навесить массивные группы, которые бы не давали «колесу» соскользнуть. Вот вам и ротаксан (от слов rotate — «вращать» и axis — «ось»).

Ротаксан

Кольца Борромео. А вот тут уже вступает в дело топология. С точки зрения порядка соединения атомов молекулярные кольца Борромео ничем не отличаются от [3]-катенана. Только в кольцах Борромео каждое кольцо зацеплено за пару других (но при этом не зацеплено ни за одно из них по отдельности).

а — [3]-катенан, б — кольцо Борромео

Резонно может возникнуть вопрос: зачем это всё надо? Ну, водородная связь, ДНК, основа жизни, понятно. Однако все эти вещества, в которых части удерживаются чисто механически — зачем они? Или это просто результат игры ума химиков для их собственного удовольствия?

Отнюдь! Многие из этих веществ имеют самое прямое применение на практике. Карцеранды позволяют, например, организовать транспорт лекарства в опухоль или изолировать от «внешнего мира» малостабильную молекулу и ее изучить.

Ротаксаны — это будущие элементы молекулярных машин и нанороботов... Ну и потом, кто сказал, что игры ума — это плохо? Сложные направленные синтезы катенанов, ротаксанов, колец Борромео — это разработка новых методов органического синтеза, которые впоследствии используются для создания новых лекарственных препаратов и наномашин.

См. также:
А. Паевский «Молекулы без химических связей» // «Популярная механика» №6, 2015.