Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин

Топология изучает свойства различных фигур и объемных тел, которые не изменяются при различных деформациях. Рассматриваются только такие деформации, которые не нарушают целостность поверхности – то есть не образуют новых отверстий – и не устраняют имеющиеся. Топологию находят необычайно интересной люди, которым нравится решать задачи, требующие пространственного воображения. Предположим, мы имеем эластичный резиновый шнур в форме кольца. Расположим его на столе в виде окружности. Разрешаются любые деформации шнура, нельзя только его разрывать. Разнообразные деформации кольца приводят к квадрату, треугольнику, кольцевой шнур даже можно завязать в узел. Все фигуры, показанные на рис. 3.10, топологически эквивалентны. А вот изображенный ранее узел на рис. 3.7 принципиально отличается от того, что показано на рис. 3.10, поскольку его невозможно разложить на столе в виде простой окружности.

При переходе к объемным телам следует представить себе, что они сделаны из пластилина. Разрешается как угодно деформировать тело, делать в нем вмятины, любые выпуклости. Нельзя лишь проделывать новые сквозные отверстия и залеплять уже имеющиеся. Стало быть, куб, пирамида, цилиндр и яблоко с характерной для него вмятиной и торчащей веточкой тоже топологически эквивалентны (рис. 3.11).

Совсем другую группу образуют тела, имеющие сквозное отверстие. Бублик, труба, компакт-диск образуют топологическое семейство, называемое обобщающим термином «тор» (рис. 3.12).

Теперь, используя наши скромные знания топологии, попробуем решить задачу. Что является топологическим эквивалентом тела человека? Не будем принимать во внимание внутреннее пространство организма, где различные органы имеют свои полости. Рассмотрим лишь поверхность тела с учетом тех отверстий, которые выходят наружу. Прежде всего ротовое отверстие, которое, переходя в пищевод и далее в кишечник, заканчивается анальным отверстием. Следовательно, это труба. Мочеиспускательный канал можно не принимать во внимание, поскольку он соединен с замкнутым мочевым пузырем, что аналогично наличию вмятины на поверхности яблока, о чем мы упоминали выше. Эта «вдавленность» не меняет топологических свойств, поэтому ее можно не учитывать. То же самое можно сказать об ушных каналах. А вот ноздри необходимо учесть, так как они соединены с ротовой полостью. Снабдим упомянутую трубу с одного конца заглушкой с тремя отверстиями, которыми будут рот и две ноздри. Сделаем трубу короче и изменим форму трех отверстий. Получим красивую симметричную фигуру – эмблему автомобильной компании «Мерседес». Несколько неожиданный топологический эквивалент человеческого тела, однако это именно так (рис. 3.13).

Существует бесчисленное множество топологических семейств, некоторые реализованы в форме молекул – например, тело произвольной формы внутри полой сферы. Подобные структуры получены, их называют «птичками в клетке». Кроме того, была синтезирована скрученная лента, имеющая одностороннюю поверхность, – лента Мёбиуса, и ее также синтезировал Саваж.

Вернемся к катенанам. Две структуры, показанные на рис. 3.9, по мнению любого химика, представляют собой абсолютно разные соединения, но, с точки зрения "катенанщиков", это всего лишь два решения одной задачи – синтеза двойного катенана. Первым такую задачу решил Саваж.

От химии к механике

Метод синтеза катенанов, предложенный Саважем, другие исследователи начали применять для получения разнообразных конструкций со всевозможными переплетениями. Все же оставалось неясным, существуют ли у этих молекул какие-то достоинства. Саваж сумел найти ответ. Ранее было сказано, что циклы в катенане свободно перемещаются относительно друг друга. А можно ли управлять процессом? Для этого был синтезирован «специальный» катенан из двух различных циклов. Первый цикл (рис. 3.14а) представляет собой замещенный фенантролин с замыкающей цепочкой из фрагментов – (СН₂)₂-О-. Второй цикл отличается от первого тем, что, помимо замещенного фенантролина, он включает цепочку, содержащую три бензольных ядра с атомами азота (на рис. 3.14б).

По общей схеме был получен катенан, содержащий оба указанных цикла. Координирующий центр – вновь катион Сu⁺. Молекула «собралась» таким образом, что катион Сu⁺ оказался координационно связанным с двумя фрагментами фенантролина, присутствующими в обоих циклах (рис. 3.15, слева). Это было ожидаемо и многократно отмечено – катион Сu⁺ предпочитает именно такой лиганд. Затем катион Сu⁺ электрохимически окислили, то есть забрали у него один электрон, и он стал катионом Сu²⁺. Предполагалось, что катион Сu²⁺ иначе организует свое координационное окружение, что и подтвердилось. В результате цикл с утолщенными связями повернулся внутри всей конструкции и предоставил катиону Сu²⁺ три атома азота вместо двух (3.15, справа). При электрохимическом восстановлении (переход от Сu²⁺ к Сu⁺) все возвращается в исходное состояние.