Połączone acz nie powiązane

Chemia organiczna jest dziedziną tak obszerną, że można z niej czerpać niemal w nieskończoność.
Toteż i czerpię.

Z pewnością ze szkoły przypominacie sobie że atomy w cząsteczkach mogą być powiązane na trzy podstawowe sposoby - wiązaniami kowalencyjnymi, jonowymi i koordynacyjnymi. Zapewne mówiono tam także o wiązaniach wodorowych, zazwyczaj słabych i pomiędzy różnymi cząsteczkami, choć niekiedy na tyle silnych aby można było uznać powiązane cząsteczki za jeden związek. Oprócz tego istnieje kilka typów słabych wiązań, znanych tylko specjalistom, jak wiązania międzyhalogenowe, oddziaływania Pi-kation i tym podobne.
Jest jednak pewien typ szczególny - związek dwóch cząsteczek, nie związanych żadnym wiązaniem, a mimo to połączonych nierozerwalnie.

Łańcuch
Katenany to związki złożone z pierścieni makrocyklicznych, splecionych ze sobą niczym ogniwa łańcucha. Bez rozrywania prawdziwych wiązań któregoś z pierścieni nie da się oddzielić jednego od drugiego. Najprostsza forma to dwa pierścienie:

[1]

Istnieją oczywiście inne formy, na przykład cząsteczki z wielu połączonych liniowo pierścieni, czyli polikatenany, mające postać łańcucha.
Inny typ nieoficjalnie nazywany pretzelanami, to cząsteczka w której dwa pierścienie połączone są zarówno normalnie jak i przez przeplot:

[2]

Kolejny typ to katenany "kajdankowe" w którym pierścień jednej części jest połączony z dwoma pierścieniami drugiej:

[3]

Pierwsze syntezy takich układów opierały się na przeprowadzaniu reakcji zamknięcia pierścienia w mieszaninie cząsteczek pierścieniowych i liniowych. Z czystej statystyki wynikało, że raz na jakiś czas podłużna cząsteczka wchodzi w otwór pierścienia, i wobec tego czasem może dojść do zamknięcia jej w pierścień w takim położeniu. Wydajność reakcji była tak niska (rzędu 0,0001%) że aby wydzielić rozsądną ilość produktu, przeprowadzono ją w zbiorniku wielkości wanny. Poza potwierdzeniem, że takie związki mogą istnieć, nie pozwalało to na dalsze badania.
Bardziej pomocne okazały się reakcje, w których reagujące cząsteczki były ustawione przed zamknięciem pierścienia przez utworzenie kompleksu, przykładem taka reakcja w której dwie cząsteczki pochodnej fenantroliny z grupami fenolowymi złożono w kompleks z solami miedzi. Geometria kompleksu wymagała aby cząsteczki ustawiły się pod kątem, częściowo zazębiając boczne grupy. W takim ustawieniu można było zamienić je w pierścieniowe etery:

Zmiana warunków usuwająca wiążący atom metalu powodowała oddzielenie splecionych ogniw. W niektórych przypadkach wykorzystanie takich oddziaływań ustawiających cząsteczki przez spierścienieniem pozwala osiągnąć wydajność do 90%

Pierścienie mogą obracać się względem siebie, zwykle w niskich temperaturach ruch jest zablokowany, lecz zmiana warunków uruchamia ruch. Niejednokrotnie geometria powoduje że jeden pierścień obraca się wobec drugiego tylko w jedną stronę. Stąd pomysły zastosowania w maszynach molekularnych.

Turbinka
Drugi typ mechanicznych powiązań, to rotaksany, przywodzące na myśl oś koła przewleczoną przez piastę. Ich cząsteczki składają się z pierścienia nawleczonego na cząstkę podłużną, zawierającą na końcach grupy tak duże, iż pierścień nie może się przez nie przesunąć. I znów bez rozrywania pierścienia lub odrywania końcowych grup nie da się składowych jednostek oderwać od siebie.

Jeśli chodzi o syntezę, to jest tutaj kilka podejść - jedna wersja to nanizanie dziąki oddziaływaniom pierścienia na niedomkniętą oś, po czym zablokowanie drugiego końca. Inna metoda to przewleczenie przez pierścień swobodnej osi i dosztukowanie dużych grup na końcówkach. Kolejna to wykorzystanie zmian wielkości pierścienia w różnych warunkach - miesza się ze sobą podobną do hantli oś i pierścienie, po czym na przykład ogrzewa, pierścień przybiera konformację w której może wsunąć się na oś; po ochłodzeniu kurczy się i już nie może się uwolnić. Można też zamykać pierścień na osi, przytrzymując go za pomocą oddziaływań. Ostatni typ to sprzęganie połówek osi w kompleksie z pierścieniem:

Często oś główna zawiera ugrupowania oddziałujące z pierścieniem w sposób zależny od warunków, przez co przy ich zmianie przesuwa się z jednego położenia w drugie.

 Stąd bardzo obiecujące zastosowanie rotaksanów jako nanoczujników. Inny pomysł to ochrona wrażliwych barwników - w wielu z nich blaknięcie jest wywoływane przez atak utleniaczy na reaktywne ugrupowanie chromofora. Nanizany pierścień przesłania tą część zwiększając trwałość koloru.

Węzeł pierścieni
Kolejny interesujący typ to połączenie przynajmniej trzech pierścieni, spełniających zasady węzła Boromeuszy. Taki układ polega na tym, że z trzech pierścieni dwa nie są ze sobą splecione ani połączone, ponieważ jednak splatają się z trzecim, bez rozrywania go nie mogą być oderwane. Otrzymano kilka takich przykładów, tworząc pierścienie z cząsteczek liniowych ułożonych w przestrzeni za pomocą kompleksowania sześciu atomów metalu:

Pierścienie można połączyć na kilka różnych sposobów, czasem łącząc katenany i węzły, tu znalazłem jeszcze dwa ciekawe:

[4]

Nazwa bierze się od elementu na herbie rodu Boromeuszy, przedstawiającego trzy splecione w taki sposób pierścienia, zapewne naramienniki. Podobny kształt znany jest z rzeźbień i sztuki przedchrześcijańskiej Skandynawii, przedstawiając trzy splecione trójkąty. Uznając ich związek z rytuałami pogrzebowymi współcześni badacze nazwali go vallknuta to jest węzeł umarłych, zaś niekiedy neopoganie uznają go za symbol wiary, choć właściwie nie bardzo wiadomo co znaczył.

Czy da się stworzyć coś jeszcze? Z pewnością tak, zresztą wyobraźnia przestrzenna chemików potrafi wyprodukować na prawdę dziwaczne pomysły, które nieraz z samej tylko ciekawości są realizowane. Ja na przykład wymyśliłem sobie połączenie "pułapka na małpy" - jedna część w kształcie czaszy z otworem, wewnątrz cząsteczka podłużna, wystająca poza otwór, wewnątrz posiadająca zgrubienie większe niż otwór czaszy. Nazwa bierze się z indyjskich pułapek na małpy robionych ze skorup lub glinianych garnków, w których kładziono smakowity orzech. Małpa wsuwała łapę w wąski otwór, zaciskała pięść na orzechu i nie mogła jej ze środka wyjąć nie wyrzucając orzeszka. Jak donosili podróżnicy małpa mocowała się tak długo aż jej nie pochwycono.
Może kiedyś coś takiego zsyntetyzuję?
-----------
*http://www.org-chem.org/yuuki/catenane/catenane_en.html

[1] Patent  Anticancer agent EP 1724265 A1
[2]  Yi Liu , Scott A. Vignon , Xiyun Zhang , K. N. Houk and J. Fraser Stoddart, Conformational diastereoisomerism in a chiral pretzelane, DOI: 10.1039/B507679J (Communication) Chem. Commun., 2005, 3927-3929
[3]  http://www.xtl.ox.ac.uk/diamond-annual-review.html
[4]  David B. Amabilino and Lluïsa Pérez-García, Topology in molecules inspired, seen and represented, DOI: 10.1039/B806114A (Tutorial Review) Chem. Soc. Rev., 2009, 38, 1562-1571