Mašinos iš mėgintuvėlių: žavingas mikropasaulis, už kurį skirta 2016 Nobelio premija chemijos srityje (Video)

Pradėsime nuo trumpos laureatų biografijos — pavyzdžiui, įdomus faktas, kad vienas iš jų yra riteris.

Laureatai: Jean–Pierre Sauvage, škotas Sir J. Fraser Stoddart ir olandas Bernard Feringa

Pirmasis iš laureatų, Jean–Pierre Sauvage — 71 metų prancūzų chemikas, 1971 Strasburo universitete gavęs daktaro laipsnį. Jo tyrinėjo koordinacinę chemiją — tad, rengdamas disertaciją dalyvavo pirmojoje kriptandų sintezėje. Tai neįprastos molekulės, kurių viduje yra ertmės, į kurias patogu patalpinti metalo joną ar kitą molekulę. Dabar Jean–Pierre dirba Prancūzijos nacionalinio mokslinių tyrimų centro Supramolekulinės inžinerijos institute, o taip pat yra Strasburo universiteto garbės profesorius.

Seras James Fraser Stoddartas gimė 1942 metais Edinburge. Daktaro laipsnį chemikas pelnė 1966 metais Edinburgo universitete, o 1996 metais karalienė Elžbieta II įšventino jį į riterius. Beje, Stoddartas — penktasis Nobelio premijos chemijos srityje laureatas, gavęs riterio vardą už Švedijos Karališkosios mokslų akademijos jam skirtą premiją. Šioje kompanijoje dar Harry Kroto, Cyril Norman Hinshelwood, Robert Robinson ir William Ramsay. Dabar Stoddartas vadovauja mechanostereochemijos grupei Šiaurės Vakarų universitete (JAV).

Bernard Lucas Feringa — olandas, jauniausias šių metų laureatas, jam „vos“ 65 metai. Chemijos daktaro laipsnį jis gavo 1978 metais už darbus fenolių asimetrinio oksidavimo srityje. Taip dvi molekulės „susiklijuodavo“ — toks rezultatas šiek tiek primena pirmuosius molekulinius rotorius, pelniusius mokslininkui Nobelio premiją.

Oficialiai premija formuluojama taip: „Už molekulinių mašinų projektavimą ir sintezę“. Be to, šių mokslininkų darbai kilo ir iš kiek kitos, topologiškai susietų molekulių srities.

Įprasta cheminė jungtis primena spyruoklę, molekulėje jungiančią du atomus. Dėl tokio ryšio molekulė gali šiek tiek lankstytis, o kai kurie jos fragmentai gali netgi suktis. Pavyzdžiui, jei paimsime vandens molekulę H₂O, pamatysime, kad jos jungtys svyruoja. Tuo pačiu, cheminiai ryšiai neleidžia molekulės dalims laisvai judėti viena kitos atžvilgiu.

Daugelį stambių molekulių galima įsivaizduoti kaip atomų grandinėles — su įvairiausiais atsišakojimais ir сiklais. Įsivaizduokime dvi šalia viena kitos gulinčias, bet tarpusavyje nesujungtas grandinėles. Dabar sujunkime abi grandinėles į žiedus taip, kad vienas eitų per kitą. Gausime neišskiriamą grandinėlių porą. Jos tarpusavyje susietos ne chemiškai, o geometriškai — nenutraukus kurio nors žiedo, jų išskirti nepavyks. Tokį ryšį chemikai vadina mechaniniu arba topologiniu.

Tokias molekules įsivaizduoti paprasta, tačiau jas susintetinti – toli gražu. Vienas būdas buvo „statistinė“ sintezė. Įsivaizduokite, kad kiekvienos grandinėlės gale prikabinti magnetukai. Paimkime labai daug tokių grandinėlių, sudėkime į dėžutę ir papurtykime. Kruopščiai išskirstę – neatjungdami magnetų – gautą gniutulą, veikiausiai rasime kelias „teisingai“ susijungusias grandinėles. Akivaizdu tokios sintezės išeiga labai maža — patikimai patvirtinti katenanus – sujungtų žiedų poras – buvo neįmanoma.

Septintajame XX amžiaus dešimtmetyje vokiečių chemikas Gottfridas Schillas rado būdą padidinti „teisingo“ žiedų susinėrimo tikimybę. Tam chemikas iš anksto vieną grandinėlę sujungdavo į žiedą ir prie jo „priklijuodavo“ kitos grandinėlės (irgi su grupėmis–magnetais). Kai magnetai susijungdavo, Schillo grupė pašalindavo „klijus“, ir grandinėlė galėjo laisvai judėti viena kitos atžvilgiu. Taip pirmą kartą buvo gauti katenanai iš dviejų ir trijų sunertų žiedų.

Toks sintetinimas buvo gan sudėtingas ir naudoti jį didesniems katenanų kiekiams gauti buvo nepatogu. 1983 metais vienas iš šių metų laureatų, Jean-Pierre Sauvage, sukūrė panašų, bet daug praktiškesnį katenanų sintezės metodą, kurį chemikai naudoja iki šiol. Jis vadinamas templatiniu („sukurtu pagal šabloną“).

Sauvage paėmė grandinėle, ant kurių kaip karoliukai buvo smarkiai elektroneigiami atomai — deguoies ir azoto. Tokios grandinėlės gali jungtis su teigiamai įkrautais metalų katijonais ir išsidėstyti apie juos griežtai nustatytą padėtį erdvėje.

Pirmame templatinį metodą aprašančiame darbe Jean-Pierre grupė sujungė tokią uždarą grandinėlę (žiedą) su vario katijonu. Grandinėlės dydis buvo pakankamas, kad ji galėtų visiškai apsupti varį — šalia katijono liko šiek tiek vietos dar vienai molekulei. Įpylę į tirpalą dar vienos organinės medžiagos (fenantrolino produkto), kurį galima įsivaizduoti kaip būsimojo katenano žiedo puselę, chemikai gavo norimos sukurti molekulės ruošinį. Kitaip nei Schillo metodo atveju, tokio ruošinio geometrija išsprendė sudėtingiausią katenanų sintezės užduotį — antrojo žiedo fragmentas jau buvo įvertas į pradinės grandinėlė žiedą. Pridūręs prie ruošinio antrąją grandinėlės dalį ir pašalinęs iš molekulės vario katijoną, Sauvagas gavo dviejų geometriškai sujungtų žiedų katenaną. Be to, jo metodas užtikrino didelę katenanų išeigą iš pradinių molekulių.

Naudodami templatinį metodą, chemikai galėjo lengvai modifikuoti katenanų struktūrą — panašiai kaip grandines iš grandžių – žiedų, chemikai sukūrė katenanus iš trijų, keturių, penkių žiedų. Įdomu, kad pastarasis rezultatas priklauso serui Fraseriui Stoddartui. Analogiškai chemikai išmoko kurti molekulinius mazgus ir kitus neįprastus objektus.

Be antros svarbios topologinių junginių klasės, rotaksanų sintezės, Stoddartas pademonstravo svarbų molekulinių mašinų sukūrimui reiškinį, transliacinę izomeriją. Rotaksanai yra grandinėlės, ant kurių užmautas nedidelio diametro žiedas. Kad žiedas nenuslystų nuo grandinėlės, jos galuose yra specialios didelės atomų grupės.