Komunikacja bez komunikacji • Alexey Paevsky • Zadania naukowo-popularne w "Elementach" • Chemia

Komunikacja bez komunikacji

Zadanie

W szkole uczono nas, że atomy w cząsteczkach są połączone wiązaniami chemicznymi. Na przykład kowalencyjny, jonowy lub metaliczny. A może części cząsteczki, które łączą się bez wiązania chemicznego? Zaproponuj możliwe projekty takich cząsteczek.


Podpowiedź

Rozwiązanie tego problemu, co dziwne, nie dotyczy dziedziny chemii, ale raczej matematyki. A jeszcze bardziej precyzyjnie – geometria i topologia.


Rozwiązanie

Możesz wymyślić kilka odpowiedzi na pytanie postawione w problemie.

Razem jesteśmy mocą. Oprócz klasycznych wiązań – kowalencyjnych, jonowych, metalowych – istnieją wiązania i słabsze. Na przykład wodór. Ich energia jest znacznie mniejsza niż "zwykła" i łatwo "pękają" w temperaturze pokojowej. Dlatego wiązania wodorowe nie mogą trwale utrzymać dwóch części cząsteczek. To prawda, że ​​to właśnie wiązania wodorowe zawdzięczamy, na przykład, anomalnym właściwościom wody, która ma bardzo wysoką temperaturę wrzenia.

Ale co, jeśli istnieje wiele takich połączeń? Oczywiście, cząsteczka również potrzebuje dużej do tego … Tak, to w DNA dwa łańcuchy są połączone spiralą przez te słabe ogniwa.

Jednakże, aby pomieścić dwie lub więcej części cząsteczek, nie można w ogóle używać żadnych łączy. A opcji tutaj jest wiele.

Ptak w klatce. Oto pierwszy przykład.Jeśli ptak jest zamknięty w klatce, to ptak i klatka nie będą ze sobą połączone, ale przesuwając klatkę, jednocześnie przesuniesz ptaka: po prostu nie ma sposobu, aby się wydostać i być niezależnym od otaczających go prętów. Czy tę analogię można zastosować do konstrukcji molekularnej? Jest to nawet możliwe. Nobel w dziedzinie chemii, Donald Kram, wynalazł i zsyntetyzował nowy typ cząsteczek, które nazywane są carcarandami (patrz Carcerand). Tak, słowo "kara komórka" nie jest tu przypadkowe. Te cząsteczki są prawdziwą "komórką", w którą można zablokować małą cząsteczkę – mały związek organiczny lub nawet atom gazu obojętnego. Ważne jest, aby rozmiar i kształt "klatki" pasowały do ​​"ptaka".

Cząsteczka nitrobenzenu ("ptak") zamknięta w cząsteczce karcarandy ("komórki")

Istnieją również prostsze i mniej trwałe kompleksy – na przykład kawitandy (patrz Cavitand), z otwartym wgłębieniem. Ale są mniej stabilne kompleksy.

Kavitand

Dwa pierścienie. Innym sposobem mechanicznego łączenia części cząsteczki mechanicznie jest tzw. Catenans. Dwa cykle nawleczone na siebie – tutaj masz najprostszą katenę lub [2] -catenan. Istnieje [3] catenans i więcej.

[2] -Katenan

A molekuła, w której połączono pięć pierścieni, została nazwana … Olimpiadą.

Koło na osi. Tutaj historia jest inna. Możesz wziąć długą cząsteczkę, która stanie się osią, wziąć dość duży cykl – "koło", wepchnąć jeden w drugi i powiesić masywne grupy na krawędziach "osi", które uniemożliwią ślizganie się "koła". Tutaj masz rotaxan (od słów obrócić – "obróć" i – "oś").

Rotaxan

Pierścienie borromee. I tu zaczyna się topologia. Z punktu widzenia kolejności związków atomowych, pierścienie molekularne boromejskie nie różnią się od [3] katenanu. Tylko w pierścieniach Borromee każdy pierścień jest podpięty do pary innych (ale nie jest podpięty do jednego z nich osobno).

a – [3] -Katenan, b – pierścień Borromeo


Posłowie

Może pojawić się uzasadnione pytanie: dlaczego to wszystko jest konieczne? Oczywiście, wiązanie wodorowe, DNA, podstawa życia. Jednak wszystkie te substancje, w których części są utrzymywane wyłącznie mechanicznie – dlaczego? A może jest to tylko wynikiem gry umysłowej chemików dla własnej przyjemności?

W żadnym wypadku! Wiele z tych substancji ma najbardziej bezpośrednie zastosowanie w praktyce. Carrantrades pozwalają, na przykład, zorganizować transport leku do guza lub wyizolować niestabilną cząsteczkę ze "zewnętrznego świata" i zbadać ją.

Rotaksany są przyszłymi elementami maszyn molekularnych i nanorobotów … Cóż, więc kto powiedział, że gry umysłowe są złe? Kompleksowe ukierunkowane syntezy katenanów, rotaksanów, pierścieni borowych są rozwinięciem nowych metod syntezy organicznej, które są później wykorzystywane do tworzenia nowych leków i nanomaszyn.

Zobacz także:
A. Paevsky "Cząsteczki bez wiązań chemicznych" // Popular Mechanics, No. 6, 2015.


Like this post? Please share to your friends:

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