Хіміки знайшли серед мільйонів молекулярних вузлів шість стійких

Італійські хіміки за допомогою комп'ютерного моделювання визначили найбільш вигідні структури молекулярних вузлів, які можна синтезувати за допомогою сучасних методів самозбірки з невеликого числа елементів. Виявилося, що, крім уже синтезованих вузлів з трьома, чотирма, п'ятьма і вісьмома перехрестями, стійкою структурою також повинні володіти молекулярні системи з 10 і 15 перетинами, пишуть вчені в.

Молекулярний вузол являє собою замкнутий молекулярний ланцюжок, в якому кілька петель перетинаються таким чином, що без розриву хімічних зв'язків змінити цю структуру перетинів неможливо. Такі структури отримують з витягнутих органічних молекул з ароматичними групами, які надають скелету молекули жорсткість і змушують прийняти потрібну геометрію. Такі молекули не тільки становлять фундаментальний інтерес, але й можуть застосовуватися, наприклад, як керовані каталізатори для органічного синтезу. Найпростіша з молекул такого типу має торичну структуру і містить три перехрестя молекулярного скелета. Також до теперішнього моменту вченим вже вдалося синтезувати молекулярні торичні вузли з п'ятьма і вісьмома перехрестями, а також скручений вузол з чотирма перехрестями.

Як правило, для кожного молекулярного вузла можливість отримання стійкої структури спочатку передбачається теоретично, а потім вузол намагаються відтворити в лабораторних умовах. Синтез зазвичай відбувається з використанням методів самозбірки: спочатку отримують окремі невеликі елементи зі спіральною геометрією, які потім з'єднуються між собою за допомогою спеціальних зшивок, в ролі яких виступають іони металів. При цьому структуру кожного нового вузла доводиться досліджувати окремо і ніякої загальної схеми для синтезу цих систем поки не вироблено. Щоб полегшити подальший синтез молекулярних вузлів, група італійських хіміків під керівництвом Крістіана Мікелетті (Cristian Micheletti) з Міжнародної школи передових досліджень СІССА вивчила стійкість цих систем за допомогою комп'ютерного моделювання, враховуючи при цьому використовуваний в експерименті спосіб отримання.

Для визначення найбільш вигідних з точки зору термодинаміки і кінетики структур автори роботи використовували комбінований метод комп'ютерного моделювання, який поєднував у собі методи Монте-Карло і молекулярної динаміки. У початковому стані досліджувана система включала в себе від трьох до п'яти елементарних фрагментів (ці фрагменти могли відрізнятися один від одного за ступенем закрученості і хіральності), які потім за рахунок механізмів самозбірки скріплювалися кінцями і з'єднувалися в єдину вузлову структуру. Для аналізу систем, що утворилися, також використовувався чисельний метод, який дозволяв оцінити структуру коси, що відповідає кожному вузлу.

Проаналізувавши фракційний склад молекул, авторам роботи вдалося встановити, вузли з якою структурою виявляються найбільш стійкими і які з них можуть бути синтезовані в лабораторних умовах. Виявилося, що серед мільйонів можливих конфігурацій вузлів лише близько десятка володіють стійкою структурою. Насамперед це отримані раніше вузли з трьома, чотирма, п'ятьма і вісьмома перехрестями. Крім них, вчені виявили ще два типи простих вузлів з десятьма і п'ятнадцятьма перехрестями (10₁₂₄ and 15n₄₁₁₈₅), які володіють вигідною топологією і можуть бути отримані експериментально.

У порівнянні з відомими раніше структурами два нових типи вузлів мають значно більшу складність, при цьому утворюються вони з елементів з виділеною хіральністю (тобто якщо всі молекулярні елементи закручені тільки в праву сторону або тільки в ліву). Тим не менш, властивостями цих типів вузлів близькі до властивостей вже синтезованих структур: по-перше, вони мають замкнуту структуру з циклічною симетрією, а по-друге - володіють квазідвумерну структуру. За словами вчених, діапазон можливих молекулярних вузлів, які можуть бути отримані з п'яти або менше елементів, обмежується шістьма знайденими типами вузлів (чотири відомих раніше і два нових типи). Також авторам роботи вдалося визначити класи вузлів, які можна синтезувати з більшого числа елементів.

Автори зазначають, що отримані ними результати можна використовувати, зокрема, для розробки методів синтезу супрамолекулярних систем на основі ДНК та інших молекул з вираженою спіральною структурою.

Молекулярні вузли - не єдиний тип органічних молекул з топологічним зв'язком. Ще один досить поширений тип з'єднань з подібною структурою - катенани, молекулярні ланцюжки, що складаються з окремих пов'язаних між собою ланок. З таких ланцюжків на основі ароматичних молекул або елементів ДНК вчені отримують досить складні механічні молекулярні системи, наприклад, молекулярні турнікети або молекулярні мотори.