上級 · 30分

2つの環、1つの機械的結合：カテナン

[2]カテナンを回転させる——共有結合なしで鎖の環のように絡まった2つの大環——化学者がその機械的自由度を分子モーターに変える様子を見る。

目的

2つの環が機械的に絡み合う（切断なしに分離不可能）ことを確かめ、認識ステーションを見つけ、酸化還元駆動の環回転を想像する。

器具と試薬

仮想分子モデル：大環にラベルを付けた [2]カテナン。ロタキサンのトピックシミュレーションと組み合わせて機械的結合の型を比較する。

手順

ゆっくり回転し、2つの環が外れないことを確かめる。環Bのあらゆる経路は環Aに塞がれる——共有結合の代わりにトポロジーが働く。
環Aの青い窒素原子を見つける。これらは第二の環が水素結合や金属配位で留まりやすい「ステーション」である。
1つのステーションを酸化したと想像する。その結合選好が変わるため、環Bはもう一方のステーションへ回る——分子モーターの半回転である。
ロタキサン（栓つき軸上の環）と頭の中で比較する。どちらの構造がシャトル運動を、どちらが回転運動をできるか。

観察すること

環をつなぐ結合はないのに、分子は一つの連結体である。機械的結合は電子的ではなくトポロジー的である。
環Bが環Aの孔を貫いているのは特定の視角でのみ明確に見える——絡み合いの証拠である。
ヘテロ原子（青い N、赤い O）が環の対称性を崩す。実際のカテナンはこのような区別化ステーションで運動を方向づける。

解説

カテナンの構成要素はトポロジーで保たれる。連結数はエネルギー揺らぎでは変えられない性質なので、環は一分子の部品として振る舞いつつ大振幅運動を保つ。Sauvage は（1983）環を金属イオンに通してから閉環する鋳型合成でカテナンを高収率で得られることを示した。化学的に異なる2つのステーションを加えればスイッチになる。Stoddart と Feringa のグループはこれを筋肉・エレベーター・光駆動モーターに拡張し、2016年のノーベル賞を得た。

ゆかりの化学者

ジャン＝ピエール・ソヴァージュ J・フレイザー・ストッダートベン・フェリンガ