Kommunikation uden kommunikation • Alexey Paevsky • Videnskabeligt populære opgaver på "Elements" • Kemi

Kommunikation uden kommunikation

opgave

I skolen blev vi undervist, at atomer i molekyler er forbundet med kemiske bindinger. For eksempel kovalent, ionisk eller metallisk. En hvorvidt dele af et molekyle at holde sammen uden en kemisk binding? tilbud mulige mønstre af sådanne molekyler.


hjælpe

Løsningen på dette problem, mærkeligt nok, er ikke inden for kemi, men snarere inden for matematik. Og endnu mere præcist – geometrien og topologien.


beslutning

Du kan komme med flere svar på spørgsmålet i problemet.

Sammen er vi magt. Ud over de klassiske bindinger – kovalent, ionisk, metal – er der obligationer og svagere. For eksempel hydrogen. Deres energi er meget mindre end "almindelig" og de "break" nemt ved stuetemperatur. Derfor kan hydrogenbindinger ikke fastholde to dele af molekylerne. Sandt nok er det netop hydrogenbindinger, som vi f.eks. Skylder vandets uregelmæssige egenskaber, som har et meget højt kogepunkt.

Men hvad nu hvis der er mange sådanne forbindelser? Selvfølgelig har molekylet også en stor til dette … Ja, det er i DNA'et, at de to kæder er forbundet i en spiral af disse svage led.

For at holde to eller flere dele af molekyler sammen, kan du dog ikke bruge nogen links. Og mulighederne her er mange.

Fugl i et bur. Her er det første eksempel.Hvis en fugl låst inde i et bur, kan fuglen og buret ikke være relateret til hinanden, men ved at flytte buret, vil du samtidig flytte fuglen: det simpelthen ikke er nogen måde at komme ud og være uafhængig af de omkringliggende barer. Kan denne analogi anvendes på molekylær konstruktion? Det er endda muligt. Nobelpristageren i kemi, Donald Kram, opfandt og syntetiserede en ny type molekyler, der kaldes carcarands (se Carcerand). Ja, ordet "strafcelle" er ikke tilfældigt her. Disse molekyler er en reel "celle", hvor du kan låse et lille molekyle – en lille organisk forbindelse eller endda et inert gasatom. Det er vigtigt, at størrelsen og formen af ​​"burets hulrum" passer til "fuglen".

Nitrobenzenmolekyle ("fugl"), indeholdt i et carcaranda-molekyle ("celler")

Der er også enklere og mindre holdbare komplekser – for eksempel cavitands (se Cavitand), med et åbent hulrum. Men der er mindre stabile komplekser.

cavitand

To ringe. En anden måde at mekanisk forbinde dele af et molekyle mekanisk er de såkaldte catenans. To cykler gik gennem hinanden – her har du den enkleste catenane, eller [2] -catenan. Der er [3] catenans og mere.

[2] -katenan

Og molekylet, hvor fem ringe er forbundet, blev kaldt … Olympiadan.

Hjul på akslen. Her er historien anderledes. Du kan tage et langt molekyle, der bliver en akse, tag en ret stor cyklus – "hjulet", skub den ene ind i den anden og hæng massive grupper på kanterne af "aksen", der forhindrer "hjulet" i at glide. Her har du en rotaxan (fra ordene rotere – "rotere" og akse – "akse").

rotaxane

Borromeanringe. Og her kommer topologien til spil. Ud fra synspunktet af rækkefølgen af ​​atomforbindelserne er de borromeanske molekylringe ikke forskellige fra [3] catenan. Kun i de borromeanske ringe er hver ring tilsluttet et par andre (men det er ikke fastgjort til en af ​​dem individuelt).

og – [3] -katenan, b – ring Borromeo


efterskrift

Et rimeligt spørgsmål kan opstå: Hvorfor er alt dette nødvendigt? Nå, hydrogenbinding, DNA, grundlaget for livet, selvfølgelig. Men alle disse stoffer, i hvilke dele holdes rent mekanisk – hvorfor er de? Eller er det bare resultatet af tankespillet af kemikere til deres egen fornøjelse?

På ingen måde! Mange af disse stoffer har den mest direkte anvendelse i praksis. Carrantrades tillader f.eks. At organisere transport af et lægemiddel til en tumor eller at isolere et ustabilt molekyle fra "udenforverdenen" og studere det.

Rotaxaner er fremtidens elementer i molekylære maskiner og nanoroboter … Nå hvem sagde, at sindsspil er dårlige? Komplekse rettede synteser af katenaner, rotaxaner, borreringe er udviklingen af ​​nye metoder til organisk syntese, som senere bruges til at skabe nye stoffer og nanomachiner.

Se også:
A. Paevsky "Molekyler uden kemiske bindinger" // Popular Mechanics, No. 6, 2015.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: