Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин

Гиганты, о которых говорит Ньютон, – это знаменитые естествоиспытатели Г. Галилей и И. Кеплер, работы которых привели Ньютона к созданию теории гравитации. Оценивая свои заслуги, Ньютон ничуть не преувеличивает – его тоже можно назвать гигантом. Но как же остальные исследователи? Разве они не могут встать на плечи гигантов? Разумеется, могут, однако слово «гиганты», пожалуй, излишне торжественное. Все современные исследователи опираются на результаты работ предшественников, которые составляют фундамент науки, – многократно проверенные результаты и закономерности. Законы развития науки таковы, что фундамент не разбирается и не перекладывается, и новые открытия не отменяют старых. Иногда можно услышать, что законы механики, созданные Ньютоном, перечеркиваются теорией относительности Эйнштейна. На самом деле законы Ньютона вошли в теорию Эйнштейна как частный случай, и они очень хорошо работают, когда скорости движущихся тел далеки от скорости света. Если что-то приходится пересматривать и исправлять, то в фундамент науки это не входит.

Попробуем немного дополнить пафосное высказывание Ньютона. "Гигантов науки" можно сравнить с высочайшими вершинами мира – такими как Эверест и другие расположенные в Гималаях восьмитысячники. Однако эти вершины не стоят одиноко в степи или в пустыне – они подпираются горными массивами, то есть "стоят на плечах" более низких гор. В науке приблизительно такая же картина.

Предисловие

Химики постоянно используют результаты предшественников. Фундамент, созданный химической наукой, велик, и если возникает новая проблема, то часто оказывается, что в предыдущих работах уже имеются заготовки для реализации новых идей. Интересно, что авторы заготовок, решая различные конкретные задачи, не могли даже представить себе, для чего могут пригодиться их открытия: они просто пытались найти ответ на необычные вопросы, не думая, что это принесет пользу и будущим поколениям ученых.

Одна из подобных задач заключалась в поиске метода, который позволил бы соединить молекулы особым образом: связав их не химическими связями, а механически, как два кольца в цепочке. Впервые это удалось сделать в 1964 г. немецким химикам Г. Шиллу и А. Люттрингхаусу из Фрайбургского университета, что стало заметным событием в органической химии. Задолго до того, как были получены подобные соединения, химики предложили для них название "катенаны" (от латинского слова catena – «цепь»).

Основная часть колец набрана из 24 углеродных атомов (группы – СН₂–) (рис. 3.1), их размер был выбран так, чтобы кольца могли свободно перемещаться относительно друг друга. Синтез требовал тщательного планирования: вначале заготовки будущих колец соединяли перемычками, которые удерживали их в нужном положении, а после того, как кольца были собраны, перемычки удаляли. Полный синтез включал более 20 (!) стадий.

Вслед за этим, применяя разработанную схему, авторы получили более сложное соединение – три кольцевые молекулы, связанные по типу катенанов (рис. 3.2).

Удалось также реализовать принципиально иной способ соединения двух молекул – не химический, а механический. Это кольцевая молекула, собранная из 30 углеродных атомов и насаженная на ось с объемистыми заглушками на концах, которые не позволяют соскользнуть кольцу с оси (рис. 3.3). Соединение назвали ротаксаном (лат. rotare – «вращать», лат. axis – «ось»). Несмотря на то что катенаны и ротаксаны устроены по-разному, их обычно рассматривают совместно, поскольку логика синтеза приблизительно одинакова.

Полученные результаты были впечатляющими, а всю процедуру синтеза исследователи признали весьма оригинальной. Тем не менее немногие химики отважились продолжать работу в этом направлении из-за исключительно высокой сложности многостадийных синтезов.

За шесть лет до того, как был синтезирован первый катенан, американский физик Ричард Фейнман (лауреат Нобелевской премии 1965 г. по физике) выступил на заседании Американского физического общества с докладом о перспективах развития науки. В частности, он сказал: "Принципы физики не исключают возможности манипулировать с объектами на уровне отдельных молекул и атомов… это не попытка нарушить какие-либо законы – такое можно было сделать в принципе, но пока не было сделано, потому что мы сами слишком "крупные". Развитие в этом направлении, я думаю, неизбежно… там, внизу (то есть в микромире), еще много места"[8]. Предложение Фейнмана работать с молекулами как с материальными телами вполне естественно. Физиков мало интересуют разные химические реакции, зато перемещение различных тел в пространстве или подвижность отдельных фрагментов в устройствах – их любимая тема.

Синтез катенанов в скрытом виде содержал вариант решения предложенной Фейнманом проблемы, но химики, увлеченные возможностью получения необычных структур, некоторое время этого не замечали. Естественно, громоздкие методики синтезов Шилла и Люттрингхауса вынуждали искать более простые способы получения катенанов, и они были найдены.