Сегодня в Стокгольме объявили лауреатов Нобелевской премии по химии 2016 года. Ими стали Жан-Пьер Соваж, Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринга — люди, которых можно назвать пионерами одной из самых интересных областей химии: молекулярных машин и топологических молекул. Мы разобрались в том, как можно завязать молекулу в узел, сделать из нее поршень или построить на ее основе линию по сборке других молекул.

Концепция молекулярного автомобиля, использующего четыре ротора для движения. Francis Villatoro / Youtube

Начнем, пожалуй, с краткой биографии лауреатов — например, интересно отметить, что один из них ни много ни мало рыцарь-бакалавр.

Первый из лауреатов, Жан-Пьер Соваж — 71-летний французский химик, получивший докторскую степень в Университете Страсбурга в 1971 году. Его исследования относились к области координационной химии — так, в рамках работы над диссертацией ученый участвовал в первом синтезе криптандов. Это необычные молекулы, содержащие внутри себя полости, которые хорошо подходят для того,чтобы в них можно было поместить ион металла или другую молекулу. Сейчас Жан-Пьер — сотрудник Института супрамолекулярной инженерии при Национальном центре научных исследований Франции, а также является почетным профессором Университета Страсбурга.

Сэр Джеймс Фрейзер Стоддарт родился в 1942 году в Эдинбурге. Докторскую степень химик получил в 1966 году, в Университете Эдинбурга, а в 1996 году королева Елизавета II посвятила ученого в рыцари-бакалавры. Кстати, Стоддарт —пятый обладатель Нобелевской премии по химии, получивший рыцарское звание до присуждения ему награды шведской Королевской академии наук. Компанию ему составили Гарольд Крото, Норман Хиншельвуд, Роберт Робинсон и Уильям Рамзай. Сейчас Стоддарт руководит группой механостереохимии в Северо-западном университете (США).

Бернард Лукас Феринга — голландец, самый молодой из лауреатов этого года, ему «всего» 65 лет. Докторскую степень химик получил в1978 году за работы по асимметрическому окислению фенолов. Последнее приводилок «склеиванию» двух молекул — такой результат отдаленно напоминает первые молекулярные роторы, которые и принесли ученому Нобелевскую премию.

Официальная формулировка премии звучит так: «За проектирование и синтез молекулярных машин». Вместе с тем, работы ученых берут свое начало немного в другой области, имеющей дело с топологически связанными молекулами.

Традиционная химическая связь выглядит как пружинка,связывающая два атома в молекуле. Такая связь позволяет молекуле быть отчасти гибкой и даже допускает вращение некоторых ее фрагментов. К примеру, если взять молекулу воды H2O, то окажется, что связи в ней колеблются. Вместе с тем, химические связи мешают частям молекулы свободно перемещаться друг относительно друга.

Многие крупные молекулы можно представить себе в виде цепочек, состоящих из атомов — с различными ответвлениями и зацикливаниями. Представим себе две таких цепочки, лежащие рядом, но не связанные между собой. Теперь завернем обе цепочки в кольца — при этом проденем одну из цепочек через другую. В результате мы получили неразделимую пару цепочек. Они связаны между собой не химической связью, а геометрически — не разорвав одно из колец, их не удастся расцепить. Такую связь химики назвали механической, или топологической.

Представить себе такие молекулы довольно легко, но их синтез оказался непростой задачей. Одним из подходов к их получению был «статистический»синтез. Представьте себе, что на концах каждой из цепочек находятся магниты. Возьмем очень много таких цепочек, положим в коробку и потрясем. Если после этого аккуратно разобрать получившийся комок, не размыкая магнитов, то можно будет найти несколько «правильно» соединившихся цепочек. Очевидно, что выход таких синтезов очень мал — надежно подтвердить образование катенанов, или сомкнутых пар колец,было невозможно.

В 1960-х годах немецкий химик Готтфрид Шилл нашел способ увеличить вероятность «правильного» смыкания цепочек. Для этого химик заранее замыкал одну из цепочек в кольцо и «приклеивал» к нему середину другой цепочки(тоже с группами-магнитами). После того как магниты сцеплялись, группа Шилла убирала «клей», позволяя цепочкам свободно двигаться относительно друг друга. Так впервые были получены катенаны, состоявшие из пары и тройки сомкнутых колец.

Темплатный синтез. Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Этот подход к синтезу был достаточно сложным, и использовать его для получения заметных количеств катенанов было неудобно. В 1983 году одиниз нынешних лауреатов, Жан-Пьер Соваж, разработал сходный, но гораздо более практичный метод синтеза катенанов, которым химики пользуются до сих пор. Он получил название темплатный («созданный по шаблону»).

Соваж взял за основу цепочки, на которых, как бусины, располагались атомы с большой электроотрицательностью — кислород и азот. Такие цепочки могут связываться с положительно заряженными катионами металлов, занимая вокруг них строго заданное пространственное положение.

В первой работе, описывающей темплатный метод, группа Жан-Пьера связала одну такую замкнутую цепочку (кольцо) с катионом меди. Размер цепочки был достаточно велик, чтобы она могла полностью окружить медь — около катиона осталось немного места для еще одной молекулы. Поместив в раствор еще одноорганическое вещество (производную фенантролина), которое можно представить себе как половину будущего кольца катенана, химики получили заготовку для целевой молекулы. В отличие от подхода Шилла, геометрия этой заготовки решала самую сложную задачу синтеза катенанов — фрагмент второго кольца уже был продет сквозь кольцо исходной цепочки. Добавив к получившейся заготовке вторую половину кольца и убрав из молекулы катион меди, Соваж получил катенан, состоявший из двух геометрически сцепленных колец. При этом его метод обеспечивал высокий выход катенанов из исходных молекул.

Молекулярные «мышцы». Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Темплатный метод позволил химикам легко модифицировать структуру катенана — подобно цепям, состоящим из звеньев-колец, химики получали катенаны с тремя, четырьмя, и пятью кольцами. Интересно, что последний результат принадлежит сэру Фрейзеру Стоддарту. Аналогичным образом химики научились получать молекулярные узлы и другие нетривиальные объекты.

Топологические структуры: трехлистник (или простой узел), кольцо Борромео, соломонов узел. Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Помимо синтеза второго важного класса топологических соединений, ротаксанов, Стоддарт продемонстрировал важное для молекулярных машин явление, трансляционную изомерию. Ротаксаны представляют собой цепочку,на которую надето кольцо небольшого диаметра. Для того чтобы кольцо не могло слететь с цепочки, на ее концах находятся специальные большие группы атомов, стопоры.

Трансляционная изомерия ротаксанов заключалась в том, что кольцо могло перемещаться вдоль цепи, находясь в одном из нескольких устойчивых положений. В 1994 году Стоддарт и Соваж независимо показали, что этой изомерией можно управлять. Для этого было достаточно поместить положительно заряженное кольцо на цепочку, содержавшую два возможных центра связывания. Добавляя окислители или восстановители, ученые увеличивали «желание» кольца оказаться на одном из этих центров связывания. В результате на ротаксанах Стоддарта кольца «прыгали» то в одном, то в другом направлении, наподобие поршня, а кольца катенанов Соважа начали вращаться друг относительно друга. Так в мире химии появились первые молекулярные машины.

Движение кольца на ротаксане и вращение кольца в катенане. NobelPrize.org

##

Говоря о сходстве микроскопических молекулярных машин с привычными нам устройствами следует иметь ввиду принципиальную разницу в механике их работы. В отличие от обычных, макроскопических машин, молекулы почти не имеют инерции и не способны сохранять импульс движения — слишком мала их масса. Они могут отталкиваться, притягиваться и совершать значительную даже в больших масштабах работу. Однако все это происходит без сохранения и передачи кинетической энергии — того, что составляет суть работы привычных трансмиссий, маховиков, маятников и т. д. Движение частей молекулярных машин неинерционно, поэтому они всегда совершают работу пошагово: от одного положения к другому. Это отличает любые молекулярные машины, как искусственные, так как и природные: жгутики бактерий, рибосомы, пары актина и миозина в мышцах, АТФ-синтетазы и так далее.

Помимо химических методов управления, ученые нашли способ запускать и останавливать вращение с помощью света, электричества и тепла. В2000 году группа Саважа показала необычный гибрид между катенаном и ротаксаном— искусственную мышцу, способную сокращаться и растягиваться. Не отстававшая от нее группа Стоддарта к 2004 году разработала еще более хитрый механизм —молекулярный лифт. Для ротаксанов и катенанов было предложено множество разных применений, от переключателей в наноэлектронике и средств для хранения информации до молекулярных моторов.

Молекулярный лифт. Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Идея создания молекулярных машин пришла затем и в «мир» обычных, не топологически связанных молекул. За ней стояла очень простая идея: даже если ничего не делать с органическими молекулами, содержащими традиционную одинарную ковалентную связь, они будут очень быстро вращаться вокруг нее. Минус такого вращения — неконтролируемость, нельзя заранее сказать, в какую сторону повернется молекула относительно конкретной связи в следующий момент.

Именно здесь сыграл ключевую роль Бернард Феринга. Химик отказался от идеи вращения вокруг одинарной связи и использовал вместо нее двойную, в норме не допускающую вращения вокруг себя. Она устроена таким образом, что попытка повернуть вокруг нее один из фрагментов молекулы непременно разорвет связь. Тем не менее, этот оборот возможен при внешнем воздействии, например при облучении ультрафиолетом.

Молекулярный ротор. Каждый акт поворота связан с поглощением кванта света. Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Феринга использовал молекулы, в которых на разных концах двойной связи находились довольно объемные, мешающие друг другу, группы атомов— лопасти. Свет заставлял их поворачиваться друг относительно друга, частично сталкивая между собой и заставляя молекулу деформироваться и «доворачивать» лопасти до следующего удобного положения, используя для этого тепло окружающей среды. Следующий поглощенный квант света вынуждал молекулу продолжать поворачиваться в ту же сторону и вновь «доводить» лопасти до удобного положения. Повороты в обратную сторону при этом были гораздо более энергетически затратными для молекулы. Благодаря аккуратной проработке структуры молекулы, химики получили мотор, вращавшийся в строго определенном направлении. К 2014 году ученым удалось зафиксировать рекордные скорости — около 12 миллионов оборотов в секунду.

Молекулярные моторы удалось впоследствии использовать для вращения макроскопических тел, размеры которых в тысячи раз превышают размер самих «машин». Для этого надо просто закрепить одну из лопастей нананочастице золота или стеклянной бусине. В 2011 году группа Бернарда Феринга показала концепт молекулярного «автомобиля», состоящего из четырех моторов, вращающихся под действием электрических импульсов.

Молекулярный «автомобиль». Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Как отмечает пресс-релиз нобелевского комитета, сейчас молекулярные моторы находятся на том же уровне развития, что и электрические моторы в 1830-х годах. Ученые разрабатывают различные вращающиеся и движущиеся механизмы,не представляя себе, где их будут использовать десятки лет спустя.Сегодня мы ездим на работу на электричках, троллейбусах или даже электромобилях,используем стиральные машины и фены. На что может быть похоже будущее с молекулярными машинами?

Один из интересных объектов, уже созданных химиками, —искусственная рибосома, способная синтезировать олигопептиды (грубо говоря, очень короткие белки). Она представляет собой ротаксан, кольцо которого, перемещаясь вдоль цепи, собирает аминокислоты и объединяет их в пептид. Сейчас такая молекулярная машина еще не в состоянии обойти человека в скорости синтеза — квинтиллион таких машин может синтезировать миллиграммовые количества вещества, тратя по 12 часов на присоединение каждого нового аминокислотного остатка. Для сравнения, природные рибосомы за одну секунду наращивают цепь длиной 15–20 аминокислотных остатков.

Тем не менее, благодаря молекулярным машинам фабрики,создающие сложные вещества путем практически поатомной сборки, уже не кажутся абсолютной научной фантастикой. О том, какими будут молекулярные машины через 100 лет, можно только догадываться.

Автор: Владимир Королёв