Супрамолекулярная химия относится к разделу химии , изучающему химические системы , состоящие из дискретного числа молекул . Сила сил, ответственных за пространственную организацию системы, варьируется от слабых межмолекулярных сил , электростатического заряда или водородной связи до сильной ковалентной связи , при условии, что сила электронной связи остается небольшой по сравнению с энергетическими параметрами компонента. [1] [2] [ нужна страница ] В то время как традиционная химия концентрируется на ковалентной связи, супрамолекулярная химия исследует более слабые и обратимые нековалентные взаимодействия между молекулами. [3] Эти силы включают водородную связь, координацию металлов , гидрофобные силы , силы Ван-дер-Ваальса , пи-пи-взаимодействия и электростатические эффекты. [4]
Важные концепции, выдвинутые супрамолекулярной химией, включают молекулярную самосборку , молекулярное сворачивание , молекулярное распознавание , химию хозяин-гость , механически взаимосвязанные молекулярные архитектуры и динамическую ковалентную химию . [5] Изучение нековалентных взаимодействий имеет решающее значение для понимания многих биологических процессов, структура и функции которых зависят от этих сил. Биологические системы часто служат источником вдохновения для супрамолекулярных исследований.
Существование межмолекулярных сил было впервые постулировано Йоханнесом Дидериком ван дер Ваальсом в 1873 году. Однако нобелевский лауреат Герман Эмиль Фишер развил философские корни супрамолекулярной химии. В 1894 году [13] Фишер предположил, что взаимодействия фермент-субстрат принимают форму «замка и ключа», что является фундаментальным принципом молекулярного распознавания и химии хозяин-гость. В начале двадцатого века нековалентные связи постепенно стали пониматься все более подробно, а водородная связь была описана Латимером и Родебушем в 1920 году.
Использование этих принципов привело к лучшему пониманию структуры белков и других биологических процессов. Например, важный прорыв, позволивший объяснить двойную спиральную структуру ДНК , произошел, когда было обнаружено, что существуют две отдельные цепи нуклеотидов, соединенные водородными связями. Использование нековалентных связей имеет важное значение для репликации, поскольку они позволяют разделить нити и использовать их для создания матрицы новой двухцепочечной ДНК. Одновременно химики начали распознавать и изучать синтетические структуры, основанные на нековалентных взаимодействиях, такие как мицеллы и микроэмульсии .
В конце концов химики смогли взять эти концепции и применить их к синтетическим системам. Прорыв произошел в 1960-х годах с синтезом краун -эфиров Чарльзом Дж. Педерсеном . После этой работы другие исследователи, такие как Дональд Дж. Крам , Жан-Мари Лен и Фриц Фёгтле, начали активно заниматься синтезом рецепторов, избирательных по форме и ионам, и на протяжении 1980-х годов исследования в этой области набрали быстрый темп с появлением таких концепций, как механически взаимосвязанные рецепторы. появляются молекулярные архитектуры.
Важность супрамолекулярной химии была подтверждена Нобелевской премией по химии 1987 года, которая была присуждена Дональду Дж. Крэму, Жану-Мари Лену и Чарльзу Дж. Педерсену в знак признания их работы в этой области. [14] В частности, важным вкладом была названа разработка селективных комплексов «хозяин-гость», в которых молекула-хозяин распознает и избирательно связывает определенного гостя.
В 1990-х годах супрамолекулярная химия стала еще более сложной: такие исследователи, как Джеймс Фрейзер Стоддарт, разработали молекулярные механизмы и очень сложные самоорганизующиеся структуры, а Итамар Уилнер разработал датчики и методы электронного и биологического взаимодействия. В этот период электрохимические и фотохимические мотивы были интегрированы в супрамолекулярные системы с целью повышения функциональности, начались исследования синтетической самовоспроизводящейся системы и началась работа над устройствами молекулярной обработки информации. Развивающаяся наука о нанотехнологиях также оказала сильное влияние на эту тему: такие строительные блоки, как фуллерены , наночастицы и дендримеры , стали участвовать в синтетических системах.
Супрамолекулярные комплексы образуются в результате нековалентных взаимодействий между двумя химическими фрагментами, которые можно описать как хозяина и гостя. Чаще всего взаимодействующие частицы удерживаются вместе водородными связями . Из определения исключаются соединения, образующиеся в результате электростатических взаимодействий, которые называются ионными парами .
В растворе хозяин H, гость G и комплексы H p G q будут находиться в равновесии друг с другом. В простейшем случае p=q=1 равновесие можно записать как
Значение константы равновесия K для этой реакции в принципе можно определить любым из методов, описанных ниже. Некоторые примеры показаны в следующей таблице. [15]
Изменение свободной энергии Гиббса для этой реакции представляет собой сумму энтальпийного и энтропийного членов .
Оба значения и могут быть определены при заданной температуре с помощью изотермической титрационной калориметрии . Например, см. Сесслер. и другие. [16] В этом примере макроциклическое кольцо с 4 протонированными атомами азота инкапсулирует хлорид-анион; иллюстрации данных ITC и кривая титрования воспроизведены в Steed&Atwood. [15] (стр. 15–16) Было обнаружено, что значение константы равновесия и стехиометрия образующихся частиц сильно зависят от растворителя. Для растворов нитрометана были получены значения ΔH = 8,55 кДжмоль -1 и ΔS = -9,1 ДжК -1 моль -1 .
Молекулярная среда вокруг супрамолекулярной системы также имеет первостепенное значение для ее функционирования и стабильности. Многие растворители обладают сильными водородными связями, электростатическими свойствами и способностью переносить заряд и, следовательно, способны вступать в сложные равновесия с системой, даже полностью разрушая комплексы. По этой причине выбор растворителя может иметь решающее значение.
Молекулярная самосборка — это построение систем без руководства или управления из внешнего источника (кроме обеспечения подходящей среды). Молекулы направляются на сборку посредством нековалентных взаимодействий. Самосборку можно разделить на межмолекулярную самосборку (с образованием супрамолекулярной сборки ) и внутримолекулярную самосборку (или сворачивание , как это демонстрируют фолдамеры и полипептиды). Молекулярная самосборка также позволяет создавать более крупные структуры, такие как мицеллы , мембраны , везикулы , жидкие кристаллы , и важна для кристаллической инженерии . [17]
Молекулярное распознавание — это специфическое связывание молекулы гостя с комплементарной молекулой хозяина с образованием комплекса хозяин-гость. Часто определение того, какой вид является «хозяином», а какой «гостем», является произвольным. Молекулы способны идентифицировать друг друга с помощью нековалентных взаимодействий. Ключевыми приложениями в этой области являются создание молекулярных сенсоров и катализ . [18] [19] [20] [21]
Молекулярное распознавание и самосборка могут использоваться с химически активными веществами для предварительной организации системы для химической реакции (для образования одной или нескольких ковалентных связей). Его можно считать частным случаем супрамолекулярного катализа . Нековалентные связи между реагентами и «матрицей» удерживают реакционные центры реагентов близко друг к другу, способствуя желаемому химическому взаимодействию. Этот метод особенно полезен в ситуациях, когда желаемая конформация реакции термодинамически или кинетически маловероятна, например, при получении больших макроциклов. Эта предварительная организация также служит таким целям, как минимизация побочных реакций, снижение энергии активации реакции и получение желаемой стереохимии . После того, как реакция прошла, матрица может оставаться на месте, быть принудительно удалена или может быть «автоматически» раскомплексована из-за различных свойств распознавания продукта реакции. Шаблон может быть простым, как одиночный ион металла, или может быть чрезвычайно сложным. [ нужна цитата ]
Механически взаимосвязанные молекулярные архитектуры состоят из молекул, которые связаны только благодаря своей топологии. Между различными компонентами (часто теми, которые использовались при построении системы) могут существовать некоторые нековалентные взаимодействия, а ковалентные связи — нет. Супрамолекулярная химия и, в частности, синтез, направленный на матрицу, являются ключом к эффективному синтезу соединений. Примеры механически взаимосвязанных молекулярных архитектур включают катенаны , ротаксаны , молекулярные узлы , молекулярные кольца Борромео [22] и равелы. [23]
В динамической ковалентной химии ковалентные связи разрываются и образуются в ходе обратимой реакции под термодинамическим контролем. Хотя ковалентные связи играют ключевую роль в этом процессе, система направляется нековалентными силами на формирование структур с самой низкой энергией. [24]
Многие синтетические супрамолекулярные системы созданы для копирования функций биологических систем. Эти биомиметические архитектуры можно использовать для изучения как биологической модели, так и ее синтетической реализации. Примеры включают фотоэлектрохимические системы, каталитические системы, дизайн белков и самовоспроизведение . [25]
Молекулярный импринтинг описывает процесс, посредством которого хозяин создается из небольших молекул с использованием подходящего молекулярного типа в качестве матрицы. После построения шаблон удаляется, остается только хост. Шаблон для создания хоста может незначительно отличаться от гостя, к которому привязан готовый хост. В своей простейшей форме импринтинг использует только стерические взаимодействия, но более сложные системы также включают водородные связи и другие взаимодействия для улучшения прочности и специфичности связывания. [26]
Молекулярные машины — это молекулы или молекулярные сборки, которые могут выполнять такие функции, как линейное или вращательное движение, переключение и захват. Эти устройства существуют на границе между супрамолекулярной химией и нанотехнологиями , а прототипы были продемонстрированы с использованием супрамолекулярных концепций. [27] Жан-Пьер Соваж , сэр Дж. Фрейзер Стоддарт и Бернард Л. Феринга получили Нобелевскую премию по химии 2016 года за «разработку и синтез молекулярных машин». [28]
Супрамолекулярные системы редко проектируются на основе первых принципов. Скорее, у химиков есть ряд хорошо изученных структурных и функциональных строительных блоков, которые они могут использовать для создания более крупных функциональных архитектур. Многие из них существуют как целые семейства аналогичных устройств, из которых можно выбрать аналог с точными желаемыми свойствами.
Макроциклы очень полезны в супрамолекулярной химии, поскольку они образуют целые полости, которые могут полностью окружать гостевые молекулы и могут быть химически модифицированы для точной настройки их свойств.
Многие супрамолекулярные системы требуют, чтобы их компоненты имели подходящие расстояния и конформации относительно друг друга, и поэтому требуются легко используемые структурные единицы. [31]
Супрамолекулярная химия нашла множество применений, [33] в частности, процессы молекулярной самосборки были применены для разработки новых материалов. Доступ к крупным структурам можно легко получить с помощью восходящего синтеза, поскольку они состоят из небольших молекул, требующих меньшего количества шагов для синтеза. Таким образом, большинство восходящих подходов к нанотехнологиям основаны на супрамолекулярной химии. [34] Многие умные материалы [35] основаны на молекулярном распознавании. [36]
Основным применением супрамолекулярной химии является разработка и понимание катализаторов и катализа. Нековалентные взаимодействия чрезвычайно важны в катализе, связывая реагенты в конформации, пригодные для реакции, и снижая энергию переходного состояния реакции. Темплатно-ориентированный синтез представляет собой частный случай супрамолекулярного катализа. Системы инкапсуляции , такие как мицеллы , дендримеры и кавитанды [37] , также используются в катализе для создания микросреды, подходящей для протекания реакций (или стадий реакций), которую невозможно использовать в макроскопическом масштабе.
Дизайн, основанный на супрамолекулярной химии, привел к многочисленным применениям в создании функциональных биоматериалов и терапевтических средств. [38] Супрамолекулярные биоматериалы предоставляют ряд модульных и обобщаемых платформ с настраиваемыми механическими, химическими и биологическими свойствами. К ним относятся системы, основанные на супрамолекулярной сборке пептидов, макроциклах «хозяин-гость», высокоаффинных водородных связях и взаимодействиях металл-лиганд.
Супрамолекулярный подход широко использовался для создания искусственных ионных каналов для транспорта ионов натрия и калия в клетки и из них. [39]
Супрамолекулярная химия также важна для разработки новых фармацевтических методов лечения, поскольку позволяет понять взаимодействие в месте связывания лекарств. В области доставки лекарств также достигнуты важные успехи благодаря супрамолекулярной химии, обеспечивающей механизмы инкапсуляции и целевого высвобождения. [40] Кроме того, были разработаны супрамолекулярные системы для нарушения белок-белковых взаимодействий , которые важны для клеточного функционирования. [41]
Супрамолекулярная химия использовалась для демонстрации вычислительных функций на молекулярном уровне. Во многих случаях в этих компонентах использовались фотонные или химические сигналы, но электрическое взаимодействие этих блоков также было показано с помощью супрамолекулярных устройств передачи сигналов . Хранение данных было достигнуто за счет использования молекулярных переключателей с фотохромными и фотоизомеризуемыми элементами, электрохромными и редокс -переключаемыми элементами и даже за счет молекулярного движения. Синтетические молекулярные логические вентили были продемонстрированы на концептуальном уровне. Даже полномасштабные вычисления были достигнуты с помощью полусинтетических ДНК-компьютеров .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )