К комплексам неприменимы обычные представления о химических связях. Поэтому говорят, что они — настоящее чудо химического мира. И в чем тут дело, какие силы удерживают лиганды вокруг комплексообразователи, до конца не выяснено.
«Комплексное соединение — очень сложное «содружество», в нем каждый из «союзников» испытывает влияние своего соседа… Все составные части комплекса перестраиваются, приспосабливаясь к совместному существованию… Комбинируя атомы металлов с разными атомами, нонами, молекулами, способными выступать в роли лигандов, можно получать необычные, иногда очень денные вещества, и число таких комбинаций может быть как угодно большим», — пишет член-корреспондент Академии наук УССР К. Яцимирский.
Комплексы мы найдем в солях морской воды и минералах, в крови и хлорофилле — в природе живой и неживой. Более того, усложненные молекулы — комплексы — неизбежный спутник множества реакций. Можно сказать, что и мы построены из комплексов и с комплексами имеем дело на каждом шагу.
Стоит заменить какую-либо из частей, его образующих, и резко меняются свойства. Нерастворимое становится растворимым, появляется другая окраска, меняются электрические и магнитные свойства. Потому-то, имея дело с комплексами, легко получать совершенно необычные вещества.
Связывая в комплекс ионы, можно удалить соли и из жесткой воды сделать мягкую. Комплексные соединения — иониты — легко притягивают и задерживают и золото из морской воды, и любой другой драгоценный металл, где бы он ни находился. Чистый уран стали извлекать из руд именно с помощью комплексов. Мы не познакомились бы ни с редкоземельными, ни с трансурановыми элементами, не приди нам на подмогу комплексы.
Теперь — мостик в будущее. Где химия комплексов найдет себе место? Всюду, где будут добывать рассеянные, редкие элементы. Полем деятельности для нее станут океан и земные недра.
Но это далеко не все. Она уже сейчас дает самые разные и притом необыкновенно полезные вещества — от антистарителей для полимеров до катализаторов, от присадок к бензину против детонации до консервантов, сохраняющих масло, фрукты, мясо и даже кровь. Среди комплексов — наилучшие красители, яркие и стойкие. И, конечно, комплексы найдут широкое применение в малой, бытовой химии и в медицине. Они способны, например, удалять из организма сильнейшие яды. Комплексы станут орудием тонкого химического анализа.
Из газа этилена, не прибегая к сильному нагреву и давлениям — этим обычным орудиям химиков, заставляющим молекулы вступать в реакции, можно получить твердый полиэтилен. Такое удивительное превращение происходит в присутствии катализатора-комплекса. Кто знает, быть может, среди комплексов найдутся ускорители и для других реакций полимеризации?
Оказалось, что в многообразном мире всевозможных искусственных соединений существуют удивительные молекулярные постройки без химических связей.
Впервые, впрочем, о них узнали полтора века назад, но как-то даже не поверили, что такое может быть. А факты накапливались. Наконец, уже специально синтезировали соединение, которого в природе никогда еще не встречали и которое построено иначе, чем все другие.
Оно образовалось не под действием обычных химических сил. Молекулы в нем соединены, как звенья цепочки. Можно все сооружение сделать из колец, причем сцеплять их по-разному, например закручивая и переплетая цепи в узлы.
Химия до сих пор такого строительного принципа не знала. Катенанами (от слова «катена» — цепь) назвали эти удивившие химиков соединения.
Здесь химия неожиданно нашла союзника в математике, в той ее области, которая казалась до сих пор весьма и весьма отвлеченной, далекой от практики, — в топологии.
Топологию интересует, каковы формы различных фигур, как они могут взаимно располагаться, как преобразовать их, не разрывая. Это похоже даже на фокус. И действительно, среди тех хитроумных геометрических построений, которыми занимается топология, часто встречаются математические головоломки. Из ленты, перекрутив ее и склеив концы, получают необыкновенное кольцо (кольцо Мебиуса). Если ленту теперь разрезать пополам вдоль, она не распадется на два кольца, а превратится в более узкое перекрученное кольцо. Если же разрезать ленту по трети ширины, получится два сцепленных кольца, подобно катенану. Кольца могут быть соединены и более сложно.
Катенаны — одно из самых молодых детищ химического синтеза. Их нужно искать в природе — они там должны быть. Их свойства нужно изучать, потому что необычное строение этих цепочек может очень многое дать и химии, и физике, и биологии.