Двуликая молекула

Уникальное фторсодержащее соединение, связывающее и катионы, и анионы, синтезировали Дэвид О'Хаган и его коллеги из шотландского Сент-Эндрюсского университета («Nature Chemistry», 2015, 7, 467—468, doi: 10.1038/nchem.2240). О самой полярной алифатической молекуле 1,2,3,4,5,6 гексафторциклогексана, в которой все атомы фтора находятся в цис-положении, можно сказать, что у нее два лица — положительно и отрицательно заряженное. Последнее ответственно за связывание катионов, а молекула в целом может образовывать связь и с анионами («Journal of the American Chemical Society», 2016, doi: 10.1021/jacs.6b02856). Следует также отметить, что для этой молекулы наблюдается самая прочная связь между анионом и молекулой, полярность которой обеспечивается только ковалентными связями.

Новая молекула примечательна тем, что шесть входящих в ее состав атомов фтора расположены по одну сторону шестичленного кольца циклогексана, а шесть атомов водорода — по другую. Несмотря на кажущуюся простоту, соединение очень сложно синтезировать, поскольку для гексафторциклогексана может существовать девять изомеров, способных принимать до 15 различных конформаций. Получение молекулы, в которой все атомы фтора расположены с одной стороны от циклогексанового скелета, требует особого подхода — атомы фтора взаимно отталкиваются друг от друга, и энергия напряжения 1,2,3,4,5,6-цис-гексафторциклогексана вдвое больше, чем энергия напряжения любого другого его изомера.

Для получения такой напряженной молекулы О'Хаган с коллегами разработали специальную стратегию: использовали в качестве исходного вещества миоинозитол — шестиатомный спирт, содержащий циклогексановое кольцо. Новая синтезированная молекула 1,2,3,4,5,6-цис-гексафторциклогексана принимает конформацию «кресло», а ее дипольный момент составляет 6,2 Дебаев (к этому приводит противонаправленная ориентация атомов фтора и водорода). Нельзя сказать, что это рекорд для химии вообще — ионные соединения часто имеют и большие значения дипольного момента, но, безусловно, это рекорд для молекулярных соединений, образованных только ковалентными связями.

Фторсодержащее «лицо» 1,2,3,4,5,6-цисгексафторциклогексана связывается с ионами натрия, а водородное - с хлорид-ионами

Изучая свойства этой молекулы, О'Хаган и Теренс Макмэхон обнаружили, что она способна связывать катионы той стороной, где расположен фтор, и анионы — водородсодержащей. Исследователи сгенерировали в газовой фазе моно- и связанные комплексы ионов натрия и хлорид-ионов с 1,2,3,4,5,6-цисгексафторциклогексаном и изучили их с помощью масс-спектрометрии.

Как отмечают авторы, ни одно соединение (за исключением некоторых краун-эфиров и наиболее основных аминокислот) не имеет такую большую энергию связывания с ионами калия, как новая молекула. Энергия связывания этой молекулой хлорид-ионов также максимальна для соединений, не имеющих в составе свободных ионов. О'Хаган с коллегами предполагают, что их соединение сможет выступать в роли переносчика и катионов, и анионов как в полярной, так и в неполярной среде.