Супрамолекулын хими нь салангид тооны угсарсан дэд нэгж эсвэл бүрэлдэхүүн хэсгүүдээс бүрдсэн шинжлэх ухааны системд төвлөрдөг бөөмсөөс давсан шинжлэх ухааны салбар юм. Орон зайн зохион байгуулалтыг хариуцах хүч нь тухайн бодисын харгалзах энергийн параметртэй харьцуулахад молекулын бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хоорондын электрон харилцааны зэрэг нь бага хэвээр байвал сул (цахилгаан статик эсвэл устөрөгчийн холбоо) -аас хүчтэй (ковалентын холбоо) хүртэл байж болно.
Чухал ойлголтууд
Уламжлалт хими нь ковалент холбоонд анхаарлаа хандуулдаг бол молекулын супрамолекулын хими нь молекулуудын хоорондын илүү сул, буцах боломжтой ковалент бус харилцан үйлчлэлийг судалдаг. Эдгээр хүчинд устөрөгчийн холбоо, металлын зохицуулалт, гидрофобик ван дер Ваалсын багц, электростатик нөлөө орно.
Үүнийг ашиглан харуулсан чухал ойлголтуудХэсэгчилсэн өөрөө угсрах, нугалах, таних, зочин-зочин, механик хосолсон архитектур, динамик ковалент шинжлэх ухаан зэрэг салбарууд орно. Супрамолекулын хими дэх ковалент бус харилцан үйлчлэлийн төрлийг судлах нь эсийн бүтцээс эхлээд алсын хараа хүртэлх эдгээр хүчинд тулгуурладаг биологийн олон процессыг ойлгоход чухал ач холбогдолтой юм. Биологийн систем нь ихэвчлэн судалгааны урам зоригийн эх үүсвэр болдог. Супермолекулууд нь молекулууд ба молекул хоорондын холбоо, бөөмс нь атомуудтай адил ба ковалент шүргэгч юм.
Түүх
Молекул хоорондын хүч байдаг гэдгийг анх 1873 онд Йоханнес Диедерик ван дер Ваальс дэвшүүлсэн. Гэсэн хэдий ч Нобелийн шагналт Герман Эмиль Фишер молекулын дээд химийн шинжлэх ухааны гүн ухааны үндсийг боловсруулсан. 1894 онд Фишер фермент-субстратын харилцан үйлчлэл нь молекулыг таних, зочин-зочин химийн үндсэн зарчмууд болох "түгжээ ба түлхүүр" хэлбэрээр явагдахыг санал болгов. 20-р зууны эхээр ковалент бус холбоог илүү нарийвчлан судалж, устөрөгчийн холбоог 1920 онд Латимер, Родебуш нар тайлбарласан.
Эдгээр зарчмуудыг ашигласнаар уургийн бүтэц болон бусад биологийн үйл явцын талаар илүү гүнзгий ойлголттой болсон. Жишээлбэл, устөрөгчийн холбоогоор холбогдсон нуклеотидын хоёр тусдаа хэлхээ байгаа нь тодорхой болсон үед ДНХ-ээс давхар спираль бүтцийг тодруулах боломжийг олгосон чухал нээлт болсон. Ковалентын бус харилцааг ашиглах нь репликацийн хувьд зайлшгүй чухал бөгөөд учир нь тэдгээр нь хэлхээг салгаж, шинээр үүсгэх загвар болгон ашиглах боломжийг олгодог.давхар хэлхээтэй ДНХ. Үүний зэрэгцээ химичүүд мицел болон микроэмульс зэрэг ковалент бус харилцан үйлчлэлд суурилсан синтетик бүтцийг таньж, судалж эхэлсэн.
Эцэст нь химич нар эдгээр ойлголтуудыг авч синтетик системд хэрэглэх боломжтой болсон. 1960-аад онд нээлт болсон - титэмүүдийн синтез (Чарльз Педерсений хэлснээр эфир). Энэ ажлын дараа Дональд Ж. Крам, Жан-Мари Лен, Фриц Фогтл зэрэг бусад судлаачид форма-ион-сонгомол рецепторуудын нийлэгжилтэнд идэвхтэй оролцож, 1980-аад оны үед энэ чиглэлийн судалгаа хүчээ авчээ. Эрдэмтэд молекулын архитектурын механик холболт гэх мэт ухагдахуунууд дээр ажилласан.
90-ээд онд супрамолекулын хими улам л асуудалтай болсон. Жеймс Фрейзер Стоддарт зэрэг судлаачид молекулын механизм, өөрийгөө зохион байгуулах маш нарийн төвөгтэй бүтцийг боловсруулсан бол Итамар Вилнер электрон болон биологийн харилцан үйлчлэлийн мэдрэгч, аргуудыг судалж, бүтээжээ. Энэ хугацаанд үйл ажиллагааг нэмэгдүүлэхийн тулд фотохимийн хээг супрамолекулын системд нэгтгэж, нийлэг өөрийгөө хуулбарлах холбооны судалгааг эхлүүлж, молекулын мэдээллийг боловсруулах төхөөрөмж дээр үргэлжлүүлэн ажиллав. Хөгжиж буй нанотехнологийн шинжлэх ухаан мөн энэ сэдэвт хүчтэй нөлөө үзүүлж, фуллерен (супрамолекулын хими), нано бөөмс, дендример зэрэг барилгын блокуудыг бий болгосон. Тэд синтетик системд оролцдог.
Хяналт
Молекулын дээд хими нь нарийн харилцан үйлчлэлийг авч үздэг тул холбогдох үйл явцыг хянадаг.өндөр нарийвчлал шаардаж магадгүй. Ялангуяа ковалент бус холбоо нь бага энергитэй байдаг ба идэвхжүүлэх, үүсэхэд хангалттай энерги байдаггүй. Аррениусын тэгшитгэлээс харахад энэ нь ковалент холбоо үүсгэгч химээс ялгаатай нь өндөр температурт үүсэх хурд нэмэгддэггүй гэсэн үг юм. Үнэн хэрэгтээ химийн тэнцвэрийн тэгшитгэл нь бага энерги нь өндөр температурт супрамолекулын цогцолборыг устгахад хүргэдэг болохыг харуулж байна.
Гэхдээ бага зэрэг нь ийм үйл явцад асуудал үүсгэж болзошгүй. Супрамолекулын хими (UDC 541-544) нь молекулуудыг термодинамикийн хувьд тааламжгүй хэлбэрт оруулахыг шаардаж болно (жишээлбэл, гулсалт бүхий ротаксануудыг "нийлэгжүүлэх" үед). Дээр дурдсантай нийцэх зарим ковалент шинжлэх ухааныг багтааж болно. Үүнээс гадна супрамолекулын химийн динамик шинж чанарыг олон механикт ашигладаг. Зөвхөн хөргөх нь эдгээр процессыг удаашруулна.
Тиймээс термодинамик нь амьд систем дэх супрамолекулын хими зохиох, хянах, судлах чухал хэрэгсэл юм. Магадгүй хамгийн тод жишээ бол маш нарийн температурын хязгаараас гадуур ажиллахаа бүрэн зогсоодог халуун цуст биологийн организмууд юм.
Байгаль орчны хүрээ
Молекулын дээд системийн эргэн тойрон дахь молекул орчин нь түүний үйл ажиллагаа, тогтвортой байдалд хамгийн чухал ач холбогдолтой. Олон уусгагчид хүчтэй устөрөгчийн холбоо, электростатик байдагшинж чанар, цэнэгийг дамжуулах чадвартай тул тэдгээр нь системтэй нарийн төвөгтэй тэнцвэрт байдалд орж, бүр цогцолборыг бүрмөсөн устгадаг. Ийм учраас уусгагчийг сонгох нь маш чухал юм.
Молекулын өөрөө угсралт
Энэ нь гадны эх сурвалжаас удирдамж, хяналтгүйгээр (зөв орчныг бүрдүүлэхээс бусад) системийг бий болгох явдал юм. Молекулууд нь ковалент бус харилцан үйлчлэлээр цуглуулахад чиглэгддэг. Өөрөө угсралтыг молекул хоорондын болон молекул доторх гэж хувааж болно. Энэ үйлдэл нь мицелл, мембран, цэврүү, шингэн талст гэх мэт илүү том бүтцийг бий болгох боломжийг олгодог. Энэ нь болор инженерийн хувьд чухал юм.
МП ба цогцолбор
Молекулыг таних нь зочин бөөмсийг нэмэлт хосттой холбох онцлог юм. Ихэнхдээ энэ нь аль төрөл, аль нь "зочин" гэсэн тодорхойлолтыг дур зоргоороо хийдэг мэт санагддаг. Молекулууд нь ковалент бус харилцан үйлчлэлийг ашиглан бие биенээ таних боломжтой. Энэ талбарт хэрэглэгдэх гол хэрэглээ нь мэдрэгчийн дизайн ба катализ юм.
Загварт чиглэсэн синтез
Молекулыг таних, өөрөө угсрах аргыг химийн урвалын системийг урьдчилан зохион байгуулахад (нэг буюу хэд хэдэн ковалент холбоо үүсгэх) реактив бодисуудтай хамт хэрэглэж болно. Үүнийг молекулын дээд катализын онцгой тохиолдол гэж үзэж болно.
Урвалж буй бодисууд болон "матриц"-ын хоорондох ковалент бус холбоо нь урвалын цэгүүдийг ойр байлгаж, хүссэн химийг дэмжинэ. Энэ аргаХүссэн урвалын хэлбэр нь термодинамик эсвэл кинетикийн хувьд магадлал багатай нөхцөлд, тухайлбал том макроцикл үйлдвэрлэхэд ашигтай байдаг. Супрамолекулын химийн энэхүү урьдчилан зохион байгуулалт нь гаж урвалыг багасгах, идэвхжүүлэх энергийг бууруулах, хүссэн стереохимийг олж авах зэрэг зорилготой.
Үйл явц дууссаны дараа хээ нь байрандаа үлдэж, хүчээр устгагдах эсвэл янз бүрийн бүтээгдэхүүнийг таних шинж чанаруудын улмаас "автоматаар" задлах боломжтой. Загвар нь нэг металлын ион шиг энгийн эсвэл маш нарийн төвөгтэй байж болно.
Механик харилцан уялдаатай молекулын архитектур
Тэдгээр нь зөвхөн топологийн үр дагавараар холбогдсон бөөмсөөс тогтдог. Зарим ковалент бус харилцан үйлчлэл нь өөр өөр бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хооронд (ихэвчлэн системийг барихад ашигладаг) байж болох ч ковалент холбоо байхгүй. Шинжлэх ухаан - супрамолекулын хими, ялангуяа матрицаар удирдуулсан синтез нь үр дүнтэй нэгдлийн түлхүүр юм. Механик байдлаар харилцан уялдаатай молекулын архитектурын жишээнд катен, ротаксан, зангилаа, Борромын цагираг, равель орно.
Динамик ковалент хими
Түүний доторх холбоо нь устаж, термодинамикийн хяналтан дор урвуу урвалаар үүсдэг. Ковалент холбоо нь үйл явцын гол түлхүүр боловч систем нь ковалент бус хүчээр хөдөлж, хамгийн бага энергийн бүтцийг бий болгодог.
Биомиметик
Олон синтетик супрамолекулсистемүүд нь биологийн бөмбөрцгийн функцийг хуулбарлах зориулалттай. Эдгээр биомиметик архитектуруудыг загвар болон синтетик хэрэгжилтийг судлахад ашиглаж болно. Жишээ нь фотоэлектрохими, каталитик систем, уургийн инженерчлэл, өөрийгөө хуулбарлах зэрэг орно.
Молекулын инженерчлэл
Эдгээр нь шугаман болон эргэлтийн хөдөлгөөн, сэлгэн залгах, атгах зэрэг функцүүдийг гүйцэтгэх боломжтой хэсэгчилсэн угсралт юм. Эдгээр төхөөрөмжүүд нь молекулын дээд хими ба нанотехнологийн зааг дээр байдаг бөгөөд ижил төстэй ойлголтуудыг ашиглан прототипүүдийг харуулсан. Жан-Пьер Саувж, Сэр Ж. Фрейзер Стоддарт, Бернард Л. Феринга нар 2016 оны химийн салбарын Нобелийн шагналыг молекулын машин зохион бүтээж, нийлэгжүүлснийхээ төлөө хуваалцсан.
Макроцикл
Макроцикл нь зочны молекулуудыг бүрэн хүрээлж, шинж чанарыг нь нарийн тааруулахын тулд химийн хувьд өөрчлөгддөг бүхэл хөндийгөөр хангадаг тул молекулын дээд химийн шинжлэх ухаанд маш их хэрэгтэй.
Циклодекстрин, каликсарен, кукурбитурил, титэм эфир нь их хэмжээгээр амархан нийлэгдэгддэг тул молекулын дээд системд хэрэглэхэд тохиромжтой. Илүү нарийн төвөгтэй циклофан болон криптандуудыг нэгтгэж, хувь хүний таних шинж чанарыг хангах боломжтой.
Супрамолекул металлоциклууд нь гол төлөв өнцгийн болон шугаман модулиудаас үүсдэг цагирагт металл ионтой макроциклик агрегатууд юм. Эдгээр төрлийн хэрэглээнд түгээмэл хэрэглэгддэг металлоциклийн хэлбэрүүд нь гурвалжин, дөрвөлжин болонтаван өнцөгт, тус бүр нь "өөрийгөө угсрах" замаар эд ангиудыг холбодог функциональ бүлгүүдтэй.
Metallacrowns нь хайлсан хелат цагираг бүхий ижил төстэй аргыг ашиглан үйлдвэрлэсэн металломакроцикл юм.
Супрамолекулын хими: объект
Иймэрхүү олон систем нь эд ангиуд нь бие биенээсээ тохирох зай, зохицолтой байхыг шаарддаг тул ашиглахад хялбар бүтцийн нэгжүүд шаардлагатай.
Ерөнхийдөө холбогч ба холбох бүлэгт полиэфир, бифенил, трифенил, энгийн алкил гинж орно. Эдгээр төхөөрөмжийг бүтээх, хослуулах химийн арга нь маш сайн ойлгогдсон.
Гадаргууг нарийн төвөгтэй системийг захиалах, цахилгаан химийн бодисыг электродтой холбоход шат болгон ашиглаж болно. Энгийн гадаргууг нэг давхарга болон олон давхаргат өөрөө угсрахад ашиглаж болно.
Хатуу биет дэх молекул хоорондын харилцан үйлчлэлийн талаарх ойлголт сүүлийн 10 жилд янз бүрийн туршилтын болон тооцооллын техникүүдийн оруулсан хувь нэмрийн улмаас ихээхэн сэргэн мандалтад орсон. Үүнд хатуу биет дэх өндөр даралтын судалгаа, тасалгааны температурт шингэн бодис болох нэгдлүүдийн in situ талсжилтын судалгаа, мөн чанар, энерги, топологийн талаарх тоон ойлголтыг бий болгохын тулд электрон нягтын шинжилгээ, болор бүтцийг урьдчилан таамаглах, хатуу төлөвийн DFT тооцоолол зэрэг орно.
Фото-электрохимийн идэвхтэй нэгж
Порфирин ба фтаоцианин нь өндөр зохицуулалттай байдаг.фотохимийн энерги, түүнчлэн цогцолбор үүсэх боломж.
Фотохром болон фото изомержих бүлгүүд гэрэлд өртөх үед хэлбэр, шинж чанараа өөрчлөх чадвартай.
TTF болон хинонууд нь нэгээс олон тогтвортой исэлдэлтийн төлөвтэй байдаг тул ангижруулах хими эсвэл электрон шинжлэх ухааныг ашиглан сольж болно. Бензидиний дериватив, виологений бүлэг, фуллерен зэрэг бусад нэгжүүдийг молекулын супрамолекулын төхөөрөмжид мөн ашигласан.
Биологийн гаралтай нэгж
Авидин болон биотин хоёрын хооронд маш хүчтэй нийлмэл бүтэц нь цусны бүлэгнэлтийг дэмжиж, синтетик системийг бий болгоход таних мотив болгон ашигладаг.
Ферментүүдийг кофакторуудтай холбох нь өөрчлөгдсөн, цахилгаанаар холбогддог, тэр ч байтугай гэрэл зураг солих боломжтой тоосонцорыг олж авах зам болгон ашигладаг. ДНХ-ийг синтетик супрамолекул системд бүтцийн болон үйл ажиллагааны нэгж болгон ашигладаг.
Материалын технологи
Супрамолекулын хими нь олон хэрэглээг олсон, ялангуяа шинэ материал боловсруулахын тулд молекулын өөрөө угсрах процессыг бий болгосон. Том бүтэц нь нийлэгжүүлэхэд цөөн алхам шаарддаг жижиг молекулуудаас бүрддэг тул доороос дээш үйл явцыг ашиглан хялбархан нэвтэрч болно. Иймээс нанотехнологийн ихэнх хандлага нь молекулын дээд хими дээр суурилдаг.
Катализ
Молекулын дээд химийн шинжлэх ухааны гол хэрэглээ нь тэдний хөгжил, ойлголт юм. Ковалентын бус харилцан үйлчлэл нь маш чухал юмурвалд тохирсон хэлбэрт орсон урвалжуудыг холбож, шилжилтийн төлөв дэх энергийг бууруулах замаар катализ. Загварт чиглэсэн синтез нь супрамолекулын үйл явцын онцгой тохиолдол юм. Макроскопийн хэмжээнд ашиглах боломжгүй урвал явагдахад тохиромжтой бичил орчныг бүрдүүлэхийн тулд мицел, дендример, кавитантууд зэрэг капсулжуулалтын системийг катализдаа мөн ашигладаг.
Анагаах ухаан
Супрамолекулын хими дээр үндэслэсэн арга нь функциональ биоматериал болон эмчилгээний бодисыг бий болгоход олон тооны хэрэглээнд хүргэсэн. Эдгээр нь механик, хими, биологийн шинж чанаруудыг өөрчлөх боломжтой модульчлагдсан, ерөнхийд нь нэгтгэх боломжтой платформоор хангадаг. Үүнд пептидийн угсралт, хостын макроцикл, өндөр хамааралтай устөрөгчийн холбоо, металл-лигандын харилцан үйлчлэлд суурилсан системүүд орно.
Супрамолекулын аргыг эс дотор болон гадагшлуулах натри, калийг зөөвөрлөх хиймэл ионы суваг үүсгэхэд өргөн хэрэглэгдэж ирсэн.
Ийм хими нь эм холбох хэсгийн харилцан үйлчлэлийг ойлгох замаар шинэ эмийн эмчилгээг хөгжүүлэхэд чухал ач холбогдолтой. Супрамолекулын химийн үр дүнд эмийн нийлүүлэлтийн салбар мөн чухал ахиц дэвшил гаргасан. Энэ нь капсулжуулалт болон зорилтот суллах механизмаар хангадаг. Нэмж дурдахад, ийм системүүд нь эсийн үйл ажиллагаанд чухал үүрэгтэй уураг-уургийн харилцан үйлчлэлийг тасалдуулах зорилготой юм.
Загвар эффект ба супрамолекулын хими
Шинжлэх ухаанд загвар урвал нь лиганд дээр суурилсан үйлдлүүдийн аль нэг анги юм. Эдгээр нь металлын төв дээрх хоёр ба түүнээс дээш зэргэлдээ зохицуулалтын газруудын хооронд үүсдэг. Супрамолекулын хими дэх "загвар эффект", "өөрийгөө угсрах" гэсэн нэр томъёог зохицуулалтын шинжлэх ухаанд голчлон ашигладаг. Гэхдээ ион байхгүй тохиолдолд ижил органик урвалжууд өөр өөр бүтээгдэхүүн өгдөг. Энэ бол супрамолекулын хими дэх загвар нөлөө юм.
