В химии супрамолекулярная совокупность — это структура, состоящая из молекул , скрепленных нековалентными связями . Хотя супрамолекулярная сборка может состоять просто из двух молекул (например, двойной спирали ДНК или соединения включения ) или из определенного числа стехиометрически взаимодействующих молекул внутри четверичного комплекса, ее чаще используют для обозначения более крупных комплексов, состоящих из неопределенного числа. молекул, которые образуют сферы, стержни или листы. Коллоиды , жидкие кристаллы , биомолекулярные конденсаты , мицеллы , липосомы и биологические мембраны являются примерами супрамолекулярных ансамблей [3] , и область их изучения известна как супрамолекулярная химия . Размеры супрамолекулярных ансамблей могут варьироваться от нанометров до микрометров. Таким образом, они позволяют получить доступ к наноразмерным объектам, используя подход «снизу вверх», за гораздо меньшее количество шагов, чем к одной молекуле аналогичных размеров.
Процесс образования супрамолекулярной сборки называется молекулярной самосборкой . Некоторые пытаются рассматривать самосборку как процесс, посредством которого отдельные молекулы образуют определенный агрегат. Таким образом, самоорганизация — это процесс, посредством которого эти агрегаты создают структуры более высокого порядка. Это может оказаться полезным, когда речь идет о жидких кристаллах и блок-сополимерах .
Как изучалось в координационной химии , ионы металлов (обычно ионы переходных металлов ) существуют в растворе, связанном с лигандами. Во многих случаях координационная сфера определяет геометрию, способствующую реакциям либо между лигандами, либо с участием лигандов и других внешних реагентов.
Хорошо известный шаблон ионов металлов был описан Чарльзом Педерсеном при синтезе различных краун-эфиров с использованием катионов металлов в качестве шаблона. Например, 18-краун-6 прочно координирует ион калия, поэтому его можно получить путем синтеза эфира Вильямсона с использованием иона калия в качестве темплатного металла.
Ионы металлов часто используются для сборки крупных супрамолекулярных структур. Металлоорганические каркасы (MOF) являются одним из примеров. [4] MOF представляют собой бесконечные структуры, в которых металл служит узлами для соединения органических лигандов. ПКК представляют собой дискретные системы, в которых выбранные металлы и лиганды подвергаются самосборке с образованием конечных супрамолекулярных комплексов [5] , обычно размер и структура образующегося комплекса могут определяться угловатостью выбранных связей металл-лиганд.
Супрамолекулярная сборка с помощью водородных связей — это процесс сборки небольших органических молекул с образованием крупных супрамолекулярных структур за счет взаимодействий нековалентных водородных связей. Направленность, обратимость и прочная природа водородной связи делают ее привлекательным и полезным подходом в супрамолекулярной сборке. Функциональные группы, такие как карбоновые кислоты , мочевины , амины и амиды, обычно используются для сборки структур более высокого порядка при водородных связях.
Водородные связи играют важную роль в сборке вторичных и третичных структур крупных биомолекул. Двойная спираль ДНК образуется за счет водородных связей между нуклеиновыми основаниями : аденин и тимин образуют две водородные связи, а гуанин и цитозин образуют три водородные связи (рис. «Водородные связи при образовании дуплекса ДНК (а)»). Другим ярким примером сборки с помощью водородных связей в природе является образование вторичных структур белков. И α-спираль , и β-лист образуются за счет водородных связей между амидным водородом и амидным карбонильным кислородом (рис. «Водородные связи в структуре β-листа белка (b)»).
В супрамолекулярной химии водородные связи широко применяются в кристаллической инженерии , молекулярном распознавании и катализе . [6] [7] Водородные связи являются одними из наиболее часто используемых синтонов в восходящем подходе к конструированию молекулярных взаимодействий в кристаллах. Типичные структуры водородных связей для супрамолекулярной сборки показаны на рисунке «Репрезентативные структуры водородных связей в супрамолекулярной сборке». [8] Смесь циануровой кислоты и меламина в соотношении 1:1 образует кристалл с очень плотной сеткой водородных связей. Эти супрамолекулярные агрегаты использовались в качестве шаблонов для создания других кристаллических структур. [9]
Супрамолекулярные ансамбли не имеют конкретного применения, но являются предметом многих интригующих реакций. Было показано , что супрамолекулярная сборка пептидных амфифилов в форме нановолокон способствует росту нейронов. [10] Преимущество этого супрамолекулярного подхода заключается в том, что нановолокна будут распадаться обратно на отдельные пептидные молекулы, которые могут расщепляться организмом. Путем самосборки дендритных дипептидов можно получить полые цилиндры. Цилиндрические сборки обладают внутренним спиральным порядком и самоорганизуются в столбчатые жидкокристаллические решетки. При внедрении в везикулярные мембраны пористые цилиндрические образования обеспечивают транспорт протонов через мембрану. [11] Самосборка дендронов приводит к образованию массивов нанопроволок. [12] Электронодонорно-акцепторные комплексы образуют ядро цилиндрических супрамолекулярных ансамблей, которые в дальнейшем самоорганизуются в двумерные столбчатые жидкокристаллические решетки. Каждая цилиндрическая супрамолекулярная сборка функционирует как отдельный провод. Были получены высокие подвижности носителей заряда для дырок и электронов.
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )