Введение
Молекулы, связанные благодаря своей топологии.
В химии механически взаимосвязанные молекулярные архитектуры (MIMA) – это молекулы, соединенные вследствие их топологии. Эта связь молекул аналогична ключам на кольце для ключей. Ключи не соединены напрямую с кольцом, но их нельзя разъединить, не разорвав само кольцо. На молекулярном уровне, взаимосвязанные молекулы нельзя разделить без разрыва ковалентных связей, составляющих объединенные молекулы; это называется механической связью. Примеры механически взаимосвязанных молекулярных архитектур включают катенаны, ротаксаны, молекулярные узлы и молекулярные кольца Борромея. Работа в этой области была отмечена Нобелевской премией по химии в 2016 году, которой были удостоены Бернард Л. Феринга, Жан-Пьер Саваж и Дж. Фрейзер Стоддарт. Синтез таких запутанных архитектур стал эффективным благодаря сочетанию супрамолекулярной химии с традиционным ковалентным синтезом, однако механически взаимосвязанные молекулярные архитектуры обладают свойствами, отличными как от "супрамолекулярных ансамблей", так и от "ковалентно связанных молекул". Термин "механическая связь" был введен для описания соединения между компонентами механически взаимосвязанных молекулярных архитектур. Хотя исследования механически взаимосвязанных молекулярных архитектур в основном сосредоточены на искусственных соединениях, многие примеры были обнаружены в биологических системах, включая цистиновые узлы, циклотиды или лассо-пептиды, такие как микроцин J25, являющиеся белками, и различные пептиды.
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.
Остаточная топология
Остаточная топология – это описательный стереохимический термин для классификации ряда переплетенных и взаимосвязанных молекул, которые нельзя разъединить в эксперименте без разрыва ковалентных связей, в то время как строгие правила математической топологии допускают такое разъединение. Примерами таких молекул являются ротаксаны, катенаны с ковалентно связанными кольцами (так называемые прецеланы) и открытые узлы (псевдоузлы), которые широко распространены в белках. Термин "остаточная топология" был предложен из-за поразительного сходства этих соединений с хорошо установленными топологически нетривиальными структурами, такими как катенаны и узлы (молекулярные узлы). Идея остаточного топологического изомеризма предлагает удобную схему модификации молекулярных графов и обобщает предыдущие попытки систематизации механически связанных и мостиковых молекул.
История
Первые примеры механически взаимосвязанных молекулярных архитектур появились в 1960-х годах, когда Вассерман и Шилл синтезировали катенаны, а Харрисон и Харрисон – ротаксаны. Химия механически взаимосвязанных молекулярных архитектур (MIMA) достигла зрелости, когда Соваж стал пионером в их синтезе, используя методы шаблонирования. В начале 1990-х годов полезность и даже само существование MIMA были поставлены под сомнение. Последнее опасение было развеяно рентгеноструктурным анализом, проведенным рентгеновским кристаллографом и структурным химиком Дэвидом Уильямсом. Два постдокторанта, принявшие вызов по синтезу [5]катенана (олимпиадана), расширили границы сложности MIMA, которые можно было синтезировать, и их успех был подтвержден в 1996 году анализом структуры в твердом состоянии, выполненным Дэвидом Уильямсом.
Механическая связь и химическая реактивность
Введение механической связи изменяет химию составляющих ротаксанов и катененов. Стерические затруднения для реакционноспособных функциональных групп возрастают, а сила нековалентных взаимодействий между компонентами изменяется.
Механические эффекты связывания на нековалентные взаимодействия
Сила нековалентных взаимодействий в механически взаимосвязанной молекулярной архитектуре возрастает по сравнению с немеханически связанными аналогами. Эта повышенная сила демонстрируется необходимостью более жестких условий для удаления иона металлического шаблона из катенанов, в отличие от их немеханически связанных аналогов. Этот эффект называется "катенановым эффектом". Усиленные нековалентные взаимодействия в взаимосвязанных системах по сравнению с не взаимосвязанными системами нашли применение в прочном и селективном связывании широкого спектра заряженных частиц, что позволило разработать взаимосвязанные системы для экстракции различных солей. Увеличение силы нековалентных взаимодействий объясняется уменьшением числа степеней свободы при образовании механической связи. Увеличение силы нековалентных взаимодействий более заметно в малых взаимосвязанных системах, где теряется больше степеней свободы, по сравнению с более крупными механически взаимосвязанными системами, где изменение числа степеней свободы меньше. Следовательно, если уменьшить размер кольца в ротаксане, сила нековалентных взаимодействий возрастет, и тот же эффект наблюдается при уменьшении размера нити.
Влияние механического соединения на химическую реактивность
Механическая связь может снизить кинетическую реакционную способность продуктов, что объясняется усилением стерических затруднений. Вследствие этого эффекта гидрирование алкена на нити ротаксана протекает значительно медленнее, чем гидрирование эквивалентной непереплетенной нити. Этот эффект позволил выделить неустойчивые, но реакционноспособные промежуточные соединения. Возможность изменять реакционную способность, не изменяя ковалентную структуру, привела к изучению MIMAs для различных технологических применений.
Применение механического сцепления для контроля химической реактивности
Способность механической связи уменьшать реакционную способность и, следовательно, предотвращать нежелательные реакции нашла применение в ряде областей. Одним из первых применений была защита органических красителей от разрушения под воздействием окружающей среды.