Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин - Михаил Левицкий

Б. Л. Феринга – голландец, самый молодой из трех лауреатов, родился в 1951 г., ученую степень по химии получил в 1978 г. В интервью он сказал, что, создавая молекулярные машины, химики не копируют процессы, происходящие в живой природе. Например, создавая летательные аппараты, люди не стали копировать птиц и строить самолеты из тех же материалов. Боинг сделан из металла, зато он может перевозить сотни людей. Свою работу Феринга сравнил с игрой в молекулярный конструктор лего. В заключение нобелевской лекции он показал слайд с 36 портретами коллег: стажеров, студентов и научных сотрудников из Европы, Китая и Индии.

Все три лауреата в своих докладах отдали дань уважения создателю первого катенана Г. Шиллу (о нем рассказано в начале этой главы).

Названия упомянутых молекул, естественно, вызывают зрительные ассоциации: наручники, крендель, кольца Борромео, олимпиадан, мускул, челнок, мотор. В использовании таких названий нет ничего неожиданного: давать образные имена различным молекулам – давняя традиция химии, о чем подробнее рассказано в главе "Образный язык химиков".

Завершая рассказ о катенанах, ротаксанах и молекулярных моторах, отметим, что синтез новых переплетенных структур будет постоянно привлекать химиков. В качестве примера на рис. 3.25 показана не полученная пока молекула, представляющая собой кольцо, вплетенное в кольцевой узел.

Сразу постараемся ответить на вопрос, для чего нужно получать такое соединение. Вероятнее всего, для его получения потребуется разработать новые методики синтеза, что обогатит органическую химию, и фундамент науки будет упрочен. Решая вопрос об ожидаемой пользе, обратимся к афоризму в самом начале главы. Будущие исследователи, «встав на плечи» нобелевских лауреатов, о которых рассказано в этой главе, а возможно, и других «гигантов», найдут такие области применения, которые наша фантазия пока не в силах вообразить.

Есть еще одна неочевидная польза от получения подобных соединений – чувство большой творческой радости, когда после длительных размышлений, обдумывания плана синтеза и проведения экспериментальной работы приходит долгожданный результат.

Фундамент всей химии – химические элементы, из которых собраны молекулы всех веществ. В свою очередь, атомы элементов содержат протоны и нейтроны в составе ядра и электроны во внешней оболочке. Для химии самая важная частица – электрон. Образование химических связей и их разрыв происходят исключительно благодаря участию валентных электронов, то есть находящихся на внешних – наиболее далеких от ядра – электронных оболочках. Именно электроны определяют химические свойства молекул и их возможные превращения.

До открытия электронов атом считался неделимым, и потому химические свойствах элементов и соединений не имели объяснения. Электроны были открыты Джозефом Джоном Томсоном в 1897 г. при работе с газоразрядными трубками. Было также установлено, что эти частицы обладают отрицательным зарядом. За это открытие Томсон в 1906 г. получил Нобелевскую премию по физике. Открытие позволило Томсону предложить модель строения атома, получившую название "пудинг с изюмом". Это некая булочка сферической формы, имеющая положительный заряд по всему объему, а внутри расположены, как изюминки, отрицательно заряженные электроны (рис. 4.1а). Благодаря опытам Эрнеста Резерфорда в 1911 г. модель была изменена: вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, занимающем очень маленький объем. Вокруг ядра по кольцевым орбитам вращаются электроны, и объем ядра в тысячи раз меньше размера атома. Это так называемая планетарная модель строения атома, поскольку она напоминает Солнечную систему, где вокруг массивного Солнца по круговым орбитам вращаются далеко отстоящие планеты (рис. 4.1б). На сегодня модель Резерфорда устарела, однако до сих пор ее используют как один из символов химии.

Современное изображение расположения электронов вокруг ядра выглядит иначе. Давайте посмотрим, «в каких условиях живут» электроны. В нашем путешествии будет полезен некий путеводитель, и у химика он почти всегда под рукой. Это все та же присутствующая во всех учебниках, висящая на видном месте во всех химических кабинетах и аудиториях, украшающая стены любой лаборатории таблица Менделеева. Разместите таблицу поблизости, и дальнейший рассказ будет существенно интереснее. Обычно целые группы клеток с элементами в таблице раскрашены в разные цвета, что помогает нам ориентироваться. Таблица удобна тем, что порядковый номер элемента точно указывает заряд ядра, то есть число положительно заряженных протонов. Поскольку атом электронейтрален, это число соответствует числу отрицательно заряженных электронов, расположенных вокруг ядра.

Основной язык химиков – химические формулы, которые могут указывать только состав – например, H2CO3, – это брутто-формулы. Кроме того, существуют структурные формулы, которые показывают не только состав, но и порядок соединения атомов, – например, пероксид водорода H-O-O-H. Чтобы изобразить молекулу в трехмерном пространстве, часто используют шаростержневые модели. На рис. 4.2 показаны молекулы метана и серной кислоты.

Существует еще один способ изображения молекул, которые можно увидеть, например, на обложках некоторых учебников химии. Это своеобразные конструкции, представляющие собой полупрозрачные каплеобразные формирования, частично пересекающиеся с шарами (рис. 4.3).

Именно об этих изображениях пойдет речь далее. Вначале напомним, что ту область пространства, которую занимает электрон, находящийся в атоме или в молекуле, называют орбиталью. Ее изображают в виде полупрозрачного облака с размытыми краями. Такие конструкции по-своему привлекательны и вполне могут украсить обложку печатного издания. Расположенные внутри тетраэдров удлиненные надувные капли, соприкасающиеся с небольшими полупрозрачными сферами, даже отдаленно не похожи на встречающиеся в быту устройства и превосходят фантазии художников, создающих различные картины или фильмы на космические темы. Иногда природа опережает нашу фантазию и предлагает свои решения в дизайне.