Химики из Германии использовали молекулярную машину для синтеза топологически связанной молекулы — катенана. Движение машины закручивало связанный с ней органический фрагмент, образовывая перекрестия между двумя цепочками атомов. Это позволило получить два механически связанных между собой углеродных цикла. Ранее использовать молекулярные машины для направленного синтеза химики не умели, пишут авторы статьи в Science.
Молекулярные моторы Феринги могут направленно вращаться при облучении светом. Они состоят из двух органических фрагментов-лопастей, соединенных двойной связью — осью вращения. При облучении двойная связь изомеризуется, и две лопасти поворачиваются относительно друг друга. После вращения образуется неустойчивый изомер, который постепенно релаксирует в устойчивый. В результате две лопасти проворачиваются относительно друг друга на 180 градусов. Этот цикл облучения-релаксации можно повторять сколько угодно раз, и лопасти будут проворачиваться только в одну сторону.
Именно такую молекулярную машину использовали химики под руководством Михаэля Катана (Michael Kathan) из Берлинского университета имени Гумбольдта. Они синтезировали молекулярный мотор, в котором две лопасти были соединены не только двойной связью, но и двумя углеродными цепочками. Эти две цепочки ученые решили завязать за счет движения лопастей.
Сначала химики облучали свою молекулярную машину светом, чтобы выяснить, не мешают ли два дополнительных углеродных цикла вращению. С помощью ЯМР-спектроскопии и жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией они выяснили, что вращение происходит, и каждый поворот на 180 градусов приводит к возникновению одного перекрестия между двумя цепочками, связывающими лопасти. При этом им удалось получить продукты с одним, двумя и тремя перекрестьями. А продукт с четырьмя перекрестьями был неустойчив и быстро разворачивался обратно.
Тогда химики взяли продукт с двумя перекрестьями и провели с ним две реакции. Они соединили атомы углерода одной из цепочек между собой с помощью реакции метатезиса, а потом разорвали связи между образовавшимся циклом и лопастями молекулярного двигателя с помощью восстановления сложноэфирных групп. В результате, как показали полученные ЯМР- и масс-спектры, образовался катенан, в котором два цикла были сплетены между собой.
Так химики показали, что молекулярные машины можно использовать для синтеза катенанов, которые обычно получают с помощью темплатного синтеза. Авторы статьи считают, что их подход в будущем поможет получать и другие механически связанные молекулы, в частности, молекулярные узлы и ротаксаны.
Ранее мы рассказывали о том, как с помощью темплатного синтеза химики получили молекулярный узел с 12 перекрестьями. А еще мы писали о том, как химики синтезировали топологически хиральный узел с 14 перекрестьями.