Кіріспе
Топологиясы бойынша байланысқан молекулалар. Химияда механикалық түрде өзара байланысқан молекулалық архитектуралар (МИМА) – бұл олардың топологиясының нәтижесінде байланысқан молекулалар. Молекулалардың осы байланысы кілт сақинасындағы кілттерге ұқсас. Кілттер тікелей кілт сақинасына байланыспаған, бірақ сақинаны бұзбастан оларды бөліп алу мүмкін емес. Молекулалық деңгейде өзара байланысқан молекулаларды біріктірген молекулаларды құрайтын ковалентті байланыстарды бұзбастан ажыратуға болмайды; мұны механикалық байланыс деп атайды. Механикалық түрде өзара байланысқан молекулалық архитектуралардың мысалдары: катанеандар, ротаксандар, молекулалық түйіндер және молекулалық Борромея сақиналары. Осы саладағы еңбектер 2016 жылы Бернард Л. Феринга, Жан-Пьер Соваж және Дж. Фрейзер Стоддартқа химия саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Мұндай өрілген архитектуралардың синтезі супрамолекулалық химияны дәстүрлі ковалентті синтезбен үйлестіру арқылы тиімді болды, алайда механикалық түрде өзара байланысқан молекулалық архитектуралардың қасиеттері "супрамолекулалық жиынтықтардан" және "ковалентті байланысқан молекулалардан" өзгеше. "Механикалық байланыс" термині механикалық түрде өзара байланысқан молекулалық архитектуралардың компоненттері арасындағы байланысты сипаттау үшін қолданылады. Механикалық түрде өзара байланысқан молекулалық архитектураларды зерттеу көбінесе жасанды қосылыстарға бағытталған, бірақ көптеген мысалдар биологиялық жүйелерде де табылды, мысалы: цистиндік түйіндер, циклотидтер немесе микроцин J25 сияқты лассо пептидтері (олар ақуыздар) және әртүрлі пептидтер.
In chemistry, mechanically interlocked molecular architectures (MIMAs) are molecules that are connected as a consequence of their topology. This connection of molecules is analogous to keys on a keychain loop. The keys are not directly connected to the keychain loop but they cannot be separated without breaking the loop. On the molecular level, the interlocked molecules cannot be separated without the breaking of the covalent bonds that comprise the conjoined molecules; this is referred to as a mechanical bond. Examples of mechanically interlocked molecular architectures include catenanes, rotaxanes, molecular knots, and molecular Borromean rings. Work in this area was recognized with the 2016 Nobel Prize in Chemistry to Bernard L. Feringa, Jean Pierre Sauvage, and J. Fraser Stoddart. The synthesis of such entangled architectures has been made efficient by combining supramolecular chemistry with traditional covalent synthesis, however mechanically interlocked molecular architectures have properties that differ from both "supramolecular assemblies" and "covalently bonded molecules". The terminology "mechanical bond" has been coined to describe the connection between the components of mechanically interlocked molecular architectures. Although research into mechanically interlocked molecular architectures is primarily focused on artificial compounds, many examples have been found in biological systems including: cystine knots, cyclotides or lasso peptides such as microcin J25 which are proteins, and a variety of peptides.
Қалдық топология
Қалдық топология – ковалентті байланыстарды бұзбай экспериментте ажырату мүмкін емес, бірақ математикалық топологияның қатаң ережелері ажыратуға рұқсат беретін, бір-бірімен торығып, өзара байланысқан молекулаларды жіктеуге арналған сипаттамалық стереохимиялық термин. Мұндай молекулаларға ротаксандар, ковалентті байланысқан сақиналары бар катенандар (прецеландар деп аталады) және ақуыздарда кең таралған ашық түйіндер (псевдотүйіндер) жатады. "Қалдық топология" термині осы қосылыстардың катенандар мен түйіндер (молекулалық түйіндер) сияқты белгілі топологиялық ерекшеліктері бар түрлермен айқын ұқсастығын ескере отырып ұсынылған. Қалдық топологиялық изомеризм идеясы молекулалық графтарды өзгертудің тиімді жолын ұсынады және механикалық байланысқан және көпірленген молекулаларды жүйелеуге жасалған бұрынғы тыраштандыруларды кеңейтеді.
Тарих
Эксперименттік тұрғыдан алғанда, механикалық өзара байланысқан молекулалық архитектуралардың алғашқы мысалдары 1960 жылдары пайда болды, катенандар Вассерман мен Шилл, ал ротаксандар Харрисон мен Харрисон жасады. MIMA химиясы Sauvage үлгілеу әдістерін қолданып, олардың синтезін дамытқанда толыққанды қалыптасты. 1990 жылдардың басында MIMA-ның пайдалылығы және тіпті олардың болуы күмәндалған еді. Соңғы алаңдаушылықты рентген кристаллографы және құрылымдық химик Дэвид Уильямс шешті. [5]катенанды (олимпиаданды) жасауға белсенді түрде кіріскен екі докторантурадан кейінгі зерттеуші MIMA-ның синтезделетін күрделілігінің шегін кеңейтті, ал олардың табысы 1996 жылы Дэвид Уильямс жүргізген қатты күйдегі құрылымдық талдаумен расталды.
Механикалық байланысу және химиялық реактивтілік
Механикалық байланыстың енгізілуі ротаксандар мен катенандардың құрамына кіретін бөлікшелердің химиялық қасиеттерін өзгертеді. Реакцияға қабілетті функционалдық топтардың кеңістіктік кедергісі артады, ал компоненттер арасындағы ковалентті емес байланыстардың күші өзгереді.
Ковалентті емес өзара әрекеттесулерге механикалық байланысу әсері
Механикалық байланысы жоқ аналогтарға қарағанда, механикалық байланысы бар молекулалық архитектурадағы ковалентті емес өзара әрекеттесулердің күші артады. Бұл күшейтілген күш, катенендерден металл ионын алу үшін, олардың механикалық байланысы жоқ аналогтарына қарағанда қатал жағдайлардың қажеттілігімен көрсетіледі. Бұл құбылыс "катенендік эффект" деп аталады. Бір-бірімен байланысқан жүйелердегі күшейтілген ковалентті емес өзара әрекеттесулер, зарядталған түрлердің кең ауқымын күшті және таңдамалы түрде байланыстыруда пайдалы болып табылады, бұл тұздардың алуы үшін бір-бірімен байланысқан жүйелерді жасауға мүмкіндік береді. Ковалентті емес өзара әрекеттесулердің күшінің артуы, механикалық байланыс пайда болғанда еркіндік дәрежесінің төмендеуімен байланысты. Кішірек байланысқан жүйелерде, еркіндік дәрежесінің өзгеруі аз болатын үлкен механикалық байланысқан жүйелерге қарағанда, күш артуы көбірек байқалады, себебі оларда еркіндік дәрежесінің жоғалуы күштірек. Сондықтан, ротаксандағы сақина кішірейтілсе, ковалентті емес өзара әрекеттесулердің күші артады, сондай-ақ жіп кішірейтілген жағдайда да осы эффект байқалады.
Механикалық байланысудың химиялық реактивтілікке әсері
Механикалық байланыс өнімдердің кинетикалық реактивтілігін төмендетуі мүмкін, бұл кеңістіктік кедергінің жоғарылауымен байланысты. Осы эффектінің салдарынан ротаксан нитіндегі алкеннің гидрленуі, байланыспаған нитке қарағанда айтарлықтай баяу жүреді. Бұл эффект, әдетте реактивті болатын аралық заттарды бөліп алуға мүмкіндік береді. Ковалентті құрылымын өзгертусіз реактивтілікті өзгерту қабілеті МИМА-лардың көптеген технологиялық қолданыстарда зерттелуіне себеп болды.
Химиялық реактивтілікті бақылауда механикалық байланыстырудың қолданылуы
Механикалық байланыстың реактивтілікті төмендету және осылайша қажетсіз реакциялардың алдын алу мүмкіндігі көптеген салаларда қолданылған. Оның ең ерте қолданылуының бірі – органикалық бояуларды сыртқы ортаның бұзуынан қорғау болды.