Самая длинная молекулярная цепь
Название «катенаны» произошло от латинского слова catena — «цепь». В этих соединениях макроциклы соединяются друг с другом не за счет химических связей, а сцепляясь механически, подобно звеньям цепи. До недавнего времени, однако, это были скорее коротенькие обрывки цепей — самые длинные катенаны состояли не более чем из десятка звеньев. Но теперь появился катенан-рекордсмен из 130 механически сцепленных макроциклов («Science», 2017, doi: 10.1126/science.aap7675).
Катенаны обладают необычными свойствами, которые стали предметом исследования сравнительно недавно. Потенциальные области их применения — создание катализаторов, средств для адресной доставки лекарственных препаратов, а также молекулярных машин (см. «Химию и жизнь», 2016, 11). Многие полагают, что сходство катенанов с металлическими цепями, одновременно гибкими и прочными, позволит изготавливать на их основе отличные ударопоглощающие материалы.
Однако получение полимерных катенанов, в которых многочисленные звенья-макроциклы соединены только механическим сцеплением, — непростая задача. Самая длинная до недавних пор цепь катенана получена еще двадцать с лишним лет назад, и она состоит всего из семи колец («Angewandte Chemie. Int. Ed.», 1997, 36, 2070—2072,doi:10.1002/anie.199720701) — едва ли такая структура заслуживает аффикса «поли». В новой работе исследователи из группы Стюарта Рована, работающего в Университете Чикаго, смогли получить линейный катенан из 26 макроциклов и разветвленные катенановые цепи, в состав которых входит до 130 элементов.
Ключом к успеху стала методика синтеза, которую разработал нобелевский лауреат 2016 года Жан-Пьер Саваж (см. «Химию и жизнь», 2016, 11), а также способ очистки, предложенный Рованом с коллегами. Для очистки поликатенанов после окончания реакции исследователи прибавляли к реакционной смеси ионы цинка(II). Эти ионы предпочитают взаимодействовать с теми макроциклами, которые механически связаны с другими макроциклами (так называемый катенандовый эффект). Более длинные цепи накапливают больше ионов цинка и выпадают в осадок, в то время как мономеры и короткие олигомеры остаются в растворе. Рован с коллегами уверены, что их подход со временем позволит получить поликатенаны с еще большим количеством звеньев.