სუპრამოლეკულური ქიმია არის მეცნიერების დარგი, რომელიც სცილდება ნაწილაკებს, რომლებიც ფოკუსირებულია სამეცნიერო სისტემებზე, რომლებიც შედგენილია აწყობილი ქვედანაყოფის ან კომპონენტების დისკრეტული რაოდენობისგან. სივრცის ორგანიზაციაზე პასუხისმგებელი ძალები შეიძლება მერყეობდეს სუსტიდან (ელექტროსტატიკური ან წყალბადის ბმები) ძლიერებამდე (კოვალენტური ბმები) იმ პირობით, რომ მოლეკულურ კომპონენტებს შორის ელექტრონული კავშირის ხარისხი რჩება მცირე ნივთიერების შესაბამის ენერგეტიკულ პარამეტრებთან მიმართებაში.
მნიშვნელოვანი ცნებები
მიუხედავად იმისა, რომ ჩვეულებრივი ქიმია ფოკუსირებულია კოვალენტურ კავშირზე, სუპრამოლეკულური ქიმია იკვლევს უფრო სუსტ და შექცევად არაკოვალენტურ ურთიერთქმედებებს მოლეკულებს შორის. ეს ძალები მოიცავს წყალბადის კავშირს, ლითონის კოორდინაციას, ვან დერ ვაალსის ჰიდროფობიურ კომპლექტს და ელექტროსტატიკური ეფექტებს.
მნიშვნელოვანი ცნებები, რომლებიც აჩვენეს ამის გამოყენებითდისციპლინებში შედის ნაწილობრივი თვითშეკრება, დასაკეცი, ამოცნობა, მასპინძელი-სტუმარი, მექანიკურად დაწყვილებული არქიტექტურა და დინამიური კოვალენტური მეცნიერება. სუპრამოლეკულურ ქიმიაში ურთიერთქმედების არაკოვალენტური ტიპების შესწავლა გადამწყვეტია მრავალი ბიოლოგიური პროცესის გასაგებად, უჯრედული სტრუქტურიდან მხედველობამდე, რომლებიც ეყრდნობა ამ ძალებს. ბიოლოგიური სისტემები ხშირად კვლევის შთაგონების წყაროა. სუპერმოლეკულები მოლეკულებთან და მოლეკულათაშორის ბმებთან, ისევე როგორც ნაწილაკები ატომებთან და კოვალენტური მიზიდულობით.
ისტორია
ინტერმოლეკულური ძალების არსებობა პირველად გამოაცხადა იოჰანეს დიდერიკ ვან დერ ვაალსმა 1873 წელს. თუმცა, ნობელის პრემიის ლაურეატმა ჰერმან ემილ ფიშერმა განავითარა სუპრამოლეკულური ქიმიის ფილოსოფიური ფესვები. 1894 წელს ფიშერმა შესთავაზა, რომ ფერმენტ-სუბსტრატის ურთიერთქმედება იღებს "ჩაკეტვისა და გასაღების" ფორმას, მოლეკულური ამოცნობისა და მასპინძელი-სტუმრის ქიმიის ფუნდამენტური პრინციპები. მე-20 საუკუნის დასაწყისში არაკოვალენტური ბმები უფრო დეტალურად იქნა შესწავლილი, წყალბადის ბმა აღწერილი იქნა ლატიმერისა და როდბუშის მიერ 1920 წელს.
ამ პრინციპების გამოყენებამ განაპირობა ცილის სტრუქტურისა და სხვა ბიოლოგიური პროცესების უფრო ღრმა გაგება. მაგალითად, მნიშვნელოვანი გარღვევა, რომელმაც შესაძლებელი გახადა დნმ-დან ორმაგი სპირალის სტრუქტურის გარკვევა, მოხდა, როდესაც გაირკვა, რომ არსებობდა ნუკლეოტიდების ორი ცალკეული ჯაჭვი, რომლებიც დაკავშირებულია წყალბადის ბმებით. არაკოვალენტური ურთიერთობების გამოყენება აუცილებელია რეპლიკაციისთვის, რადგან ისინი საშუალებას აძლევს ძაფებს განცალკევდნენ და გამოიყენონ ახლის შაბლონად.ორჯაჭვიანი დნმ. პარალელურად, ქიმიკოსებმა დაიწყეს არაკოვალენტური ურთიერთქმედების საფუძველზე სინთეზური სტრუქტურების ამოცნობა და შესწავლა, როგორიცაა მიცელები და მიკროემულსიები.
საბოლოოდ, ქიმიკოსებმა შეძლეს ამ ცნებების აღება და მათი გამოყენება სინთეზურ სისტემებზე. გარღვევა მოხდა 1960-იან წლებში - გვირგვინების სინთეზი (ეთერები ჩარლზ პედერსენის მიხედვით). ამ სამუშაოს შემდეგ, სხვა მკვლევარები, როგორებიცაა დონალდ ჯ. კრუმი, ჟან-მარი ლენი და ფრიც ვოგტლი, გააქტიურდნენ ფორმა-იონ-სელექტიური რეცეპტორების სინთეზში და 1980-იანი წლების განმავლობაში ამ სფეროში კვლევებმა იმპულსი მოიპოვა. მეცნიერები მუშაობდნენ ისეთ ცნებებზე, როგორიცაა მოლეკულური არქიტექტურის მექანიკური გადაკეტვა.
90-იან წლებში სუპრამოლეკულური ქიმია კიდევ უფრო პრობლემური გახდა. მკვლევარებმა, როგორიცაა ჯეიმს ფრეიზერ სტოდარტმა, შეიმუშავეს მოლეკულური მექანიზმები და უაღრესად რთული თვითორგანიზების სტრუქტურები, ხოლო იტამარ ვილნერმა შეისწავლა და შექმნა ელექტრონული და ბიოლოგიური ურთიერთქმედების სენსორები და მეთოდები. ამ პერიოდის განმავლობაში, ფოტოქიმიური მოტივები ინტეგრირებულ იქნა სუპრამოლეკულურ სისტემებში ფუნქციონირების გაზრდის მიზნით, დაიწყო კვლევა სინთეზური თვითგამრავლების კომუნიკაციაზე და მუშაობა გაგრძელდა მოლეკულური ინფორმაციის დამუშავების მოწყობილობებზე. ნანოტექნოლოგიის განვითარებადმა მეცნიერებამ ასევე დიდი გავლენა მოახდინა ამ თემაზე, შექმნა სამშენებლო ბლოკები, როგორიცაა ფულერენი (სუპრამოლეკულური ქიმია), ნანონაწილაკები და დენდრიმერები. ისინი მონაწილეობენ სინთეზურ სისტემებში.
კონტროლი
სუპრამოლეკულური ქიმია ეხება დახვეწილ ურთიერთქმედებებს და, შესაბამისად, აკონტროლებს ჩართულ პროცესებსშეიძლება მოითხოვოს დიდი სიზუსტე. კერძოდ, არაკოვალენტურ ბმებს აქვთ დაბალი ენერგიები და ხშირად არ არის საკმარისი ენერგია აქტივაციისთვის, ფორმირებისთვის. როგორც არენიუსის განტოლება აჩვენებს, ეს ნიშნავს, რომ კოვალენტური ბმის ფორმირების ქიმიისგან განსხვავებით, შექმნის სიჩქარე არ იზრდება მაღალ ტემპერატურაზე. სინამდვილეში, ქიმიური წონასწორობის განტოლებები აჩვენებს, რომ დაბალი ენერგია იწვევს ცვლას სუპრამოლეკულური კომპლექსების განადგურებისკენ მაღალ ტემპერატურაზე.
თუმცა, დაბალმა ხარისხებმაც შეიძლება პრობლემები შეუქმნას ასეთ პროცესებს. სუპრამოლეკულურ ქიმიას (UDC 541-544) შეიძლება მოითხოვდეს მოლეკულების დამახინჯება თერმოდინამიკურად არახელსაყრელ კონფორმაციებში (მაგალითად, როტაქსანების სრიალის "სინთეზის" დროს). და ის შეიძლება მოიცავდეს ზოგიერთ კოვალენტურ მეცნიერებას, რომელიც შეესაბამება ზემოთ მოყვანილს. გარდა ამისა, სუპრამოლეკულური ქიმიის დინამიური ბუნება გამოიყენება ბევრ მექანიკაში. და მხოლოდ გაგრილება ანელებს ამ პროცესებს.
ამგვარად, თერმოდინამიკა მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტია ცოცხალ სისტემებში სუპრამოლეკულური ქიმიის დიზაინის, კონტროლისა და შესწავლისთვის. ალბათ ყველაზე ნათელი მაგალითია თბილსისხლიანი ბიოლოგიური ორგანიზმები, რომლებიც სრულიად წყვეტენ მუშაობას ძალიან ვიწრო ტემპერატურის დიაპაზონის მიღმა.
გარემოს სფერო
სუპრამოლეკულური სისტემის ირგვლივ მოლეკულურ გარემოს ასევე უდიდესი მნიშვნელობა აქვს მისი მუშაობისა და სტაბილურობისთვის. ბევრ გამხსნელს აქვს ძლიერი წყალბადის ბმები, ელექტროსტატიკურითვისებები და მუხტის გადაცემის უნარი და, შესაბამისად, მათ შეუძლიათ შევიდნენ სისტემასთან კომპლექსურ წონასწორობაში, თუნდაც მთლიანად გაანადგურონ კომპლექსები. ამ მიზეზით, გამხსნელის არჩევანი შეიძლება იყოს კრიტიკული.
მოლეკულური თვითშეკრება
ეს არის სისტემების აშენება გარე წყაროდან ხელმძღვანელობისა და კონტროლის გარეშე (გარდა სწორი გარემოს უზრუნველყოფისა). მოლეკულები მიმართულია შეგროვებისკენ არაკოვალენტური ურთიერთქმედების გზით. თვითშეკრება შეიძლება დაიყოს ინტერმოლეკულურად და ინტრამოლეკულურად. ეს მოქმედება ასევე იძლევა უფრო დიდი სტრუქტურების აგების საშუალებას, როგორიცაა მიცელები, გარსები, ვეზიკულები, თხევადი კრისტალები. ეს მნიშვნელოვანია კრისტალური ინჟინერიისთვის.
MP და კომპლექსურობა
მოლეკულური ამოცნობა არის სტუმარი ნაწილაკის სპეციფიური შეკავშირება დამატებით მასპინძელთან. ხშირად განმარტება, თუ რომელი სახეობაა ეს და რომელია „სტუმარი“, თითქოს თვითნებურია. მოლეკულებს შეუძლიათ ერთმანეთის იდენტიფიცირება არაკოვალენტური ურთიერთქმედების გამოყენებით. ძირითადი აპლიკაციები ამ სფეროში არის სენსორის დიზაინი და კატალიზება.
შაბლონის მიმართული სინთეზი
მოლეკულური ამოცნობა და თვითშეკრება შეიძლება გამოყენებულ იქნას რეაქტიულ ნივთიერებებთან ქიმიური რეაქციის სისტემის წინასწარ მოწყობისთვის (ერთი ან მეტი კოვალენტური ბმის შესაქმნელად). ეს შეიძლება ჩაითვალოს სუპრამოლეკულური კატალიზის განსაკუთრებულ შემთხვევად.
არაკოვალენტური ბმები რეაგენტებსა და "მატრიცას" შორის ინარჩუნებს რეაქციის ადგილებს ერთმანეთთან ახლოს, რაც ხელს უწყობს სასურველ ქიმიას. ეს მეთოდიგანსაკუთრებით სასარგებლოა სიტუაციებში, როდესაც სასურველი რეაქციის კონფორმაცია თერმოდინამიკურად ან კინეტიკურად ნაკლებად სავარაუდოა, მაგალითად, დიდი მაკროციკლების წარმოებაში. ეს წინასწარი თვითორგანიზება სუპრამოლეკულურ ქიმიაში ასევე ემსახურება ისეთ მიზნებს, როგორიცაა გვერდითი რეაქციების მინიმუმამდე შემცირება, აქტივაციის ენერგიის დაქვეითება და სასურველი სტერეოქიმიის მიღება.
პროცესის გავლის შემდეგ, ნიმუში შეიძლება დარჩეს ადგილზე, იძულებით მოიხსნას ან "ავტომატურად" გაურთულდეს სხვადასხვა პროდუქტის ამოცნობის თვისებების გამო. ნიმუში შეიძლება იყოს ისეთივე მარტივი, როგორც ერთი ლითონის იონი ან უკიდურესად რთული.
მექანიკურად ურთიერთდაკავშირებული მოლეკულური არქიტექტურები
ისინი შედგება ნაწილაკებისგან, რომლებიც დაკავშირებულია მხოლოდ მათი ტოპოლოგიის შედეგად. ზოგიერთი არაკოვალენტური ურთიერთქმედება შეიძლება არსებობდეს სხვადასხვა კომპონენტებს შორის (ხშირად ისინი, რომლებიც გამოიყენება სისტემის მშენებლობაში), მაგრამ კოვალენტური ბმები არ არსებობს. მეცნიერება - სუპრამოლეკულური ქიმია, კერძოდ, მატრიცაზე მიმართული სინთეზი არის ეფექტური შერწყმის გასაღები. მექანიკურად ურთიერთდაკავშირებული მოლეკულური არქიტექტურის მაგალითებია კატენები, როტაქსანები, კვანძები, ბორომის რგოლები და რაველები.
დინამიური კოვალენტური ქიმია
მასში ბმები ნადგურდება და წარმოიქმნება შექცევად რეაქციაში თერმოდინამიკური კონტროლის ქვეშ. მიუხედავად იმისა, რომ კოვალენტური ბმები პროცესის გასაღებია, სისტემას ამოძრავებს არაკოვალენტური ძალები, რათა შექმნას ყველაზე დაბალი ენერგეტიკული სტრუქტურები.
ბიომიმეტიკა
ბევრი სინთეზური სუპრამოლეკულურისისტემები შექმნილია ბიოლოგიური სფეროების ფუნქციების კოპირებისთვის. ეს ბიომიმეტური არქიტექტურები შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც მოდელის, ასევე სინთეზური განხორციელების შესასწავლად. მაგალითები მოიცავს ფოტოელექტროქიმიურ, კატალიზურ სისტემებს, ცილების ინჟინერიას და თვითრეპლიკაციას.
მოლეკულური ინჟინერია
ეს არის ნაწილობრივი შეკრებები, რომლებსაც შეუძლიათ შეასრულონ ისეთი ფუნქციები, როგორიცაა ხაზოვანი ან ბრუნვითი მოძრაობა, გადართვა და დაჭერა. ეს მოწყობილობები არსებობს სუპრამოლეკულური ქიმიისა და ნანოტექნოლოგიის საზღვარზე და პროტოტიპები აჩვენეს მსგავსი კონცეფციების გამოყენებით. ჟან-პიერ სოვაჟმა, სერ ჯ. ფრეიზერ სტოდარტმა და ბერნარ ლ. ფერინგამ გაიზიარეს 2016 წლის ნობელის პრემია ქიმიაში მოლეკულური მანქანების დიზაინისა და სინთეზისთვის.
მაკროციკლები
მაკროციკლები ძალიან სასარგებლოა სუპრამოლეკულურ ქიმიაში, რადგან ისინი უზრუნველყოფენ მთლიან ღრუებს, რომლებსაც შეუძლიათ მთლიანად შემოიფარონ სტუმრის მოლეკულები და ქიმიურად შეიცვალონ მათი თვისებების გასაუმჯობესებლად.
ციკლოდექსტრინები, კალიქსარენები, კუკურბიტურილები და გვირგვინის ეთერები ადვილად სინთეზირდება დიდი რაოდენობით და ამიტომ მოსახერხებელია სუპრამოლეკულურ სისტემებში გამოსაყენებლად. უფრო რთული ციკლოფანები და კრიპტანდები შეიძლება სინთეზირდეს ინდივიდუალური ამოცნობის თვისებების უზრუნველსაყოფად.
სუპრამოლეკულური მეტალოციკლები არის მაკროციკლური აგრეგატები ლითონის იონებით რგოლში, რომლებიც ხშირად წარმოიქმნება კუთხოვანი და ხაზოვანი მოდულებიდან. ამ ტიპის აპლიკაციებში გავრცელებული მეტალოციკლის ფორმები მოიცავს სამკუთხედებს, კვადრატებს დახუთკუთხედები, თითოეულს აქვს ფუნქციური ჯგუფები, რომლებიც აკავშირებენ ნაწილებს "თვითშეკრების" საშუალებით.
მეტალაგვირგვინები არის მეტალომაკროციკლები, რომლებიც წარმოიქმნება მსგავსი მიდგომის გამოყენებით შერწყმული ქელატური რგოლებით.
სუპრამოლეკულური ქიმია: ობიექტები
ბევრი ასეთი სისტემა მოითხოვს, რომ მათ კომპონენტებს ჰქონდეთ შესაბამისი მანძილი და კონფორმაციები ერთმანეთთან შედარებით და, შესაბამისად, საჭიროა ადვილად გამოსაყენებელი სტრუქტურული ერთეულები.
როგორც წესი, spacers და დამაკავშირებელი ჯგუფები მოიცავს პოლიესტერს, ბიფენილს და ტრიფენილს და მარტივ ალკილის ჯაჭვებს. ამ მოწყობილობების შექმნისა და გაერთიანების ქიმია ძალიან კარგად არის გასაგები.
ზედაპირები შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ხარაჩოები რთული სისტემების შესაკვეთად და ელექტროქიმიკატების ელექტროდებთან დასაკავშირებლად. რეგულარული ზედაპირები შეიძლება გამოყენებულ იქნას მონოფენების და მრავალშრიანი თვითშეკრების შესაქმნელად.
მყარ სხეულებში ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედების გაგებამ მნიშვნელოვანი რენესანსი განიცადა ბოლო ათწლეულის განმავლობაში სხვადასხვა ექსპერიმენტული და გამოთვლითი ტექნიკის წვლილის გამო. ეს მოიცავს მაღალი წნევის კვლევებს მყარ სხეულებში და ნაერთების in situ კრისტალიზაციას, რომლებიც სითხეებია ოთახის ტემპერატურაზე, ელექტრონის სიმკვრივის ანალიზის, კრისტალური სტრუქტურის პროგნოზირებისა და მყარი მდგომარეობის DFT გამოთვლების გამოყენებასთან ერთად ბუნების, ენერგეტიკისა და ტოპოლოგიის რაოდენობრივი გაგების დასაშვებად.
ფოტოელექტროქიმიურად აქტიური ერთეული
პორფირინებს და ფტალოციანინებს აქვთ მაღალი რეგულირებაფოტოქიმიური ენერგია, ისევე როგორც კომპლექსების წარმოქმნის პოტენციალი.
ფოტოქრომულ და ფოტოიზომერიზირებად ჯგუფებს აქვთ უნარი შეცვალონ ფორმა და თვისებები სინათლის ზემოქმედებისას.
TTF-ს და ქინონებს აქვთ ერთზე მეტი სტაბილური დაჟანგვის მდგომარეობა და, შესაბამისად, მათი გადართვა შესაძლებელია შემცირების ქიმიის ან ელექტრონული მეცნიერების გამოყენებით. სხვა ერთეულები, როგორიცაა ბენზიდინის წარმოებულები, ვიოგენური ჯგუფები და ფულერენი, ასევე გამოიყენება სუპრამოლეკულურ მოწყობილობებში.
ბიოლოგიურად მიღებული ერთეული
ძალიან ძლიერი კომპლექსი ავიდინსა და ბიოტინს შორის ხელს უწყობს სისხლის შედედებას და გამოიყენება როგორც ამოცნობის მოტივი სინთეზური სისტემების შესაქმნელად.
ფერმენტების შეერთება მათ კოფაქტორებთან გამოიყენებოდა, როგორც გზა მოდიფიცირებული, ელექტრული კონტაქტის და თუნდაც ფოტოგადამრთველი ნაწილაკების მისაღებად. დნმ გამოიყენება როგორც სტრუქტურული და ფუნქციური ერთეული სინთეზურ სუპრამოლეკულურ სისტემებში.
მასალის ტექნოლოგია
სუპრამოლეკულურმა ქიმიამ იპოვა მრავალი გამოყენება, კერძოდ, შეიქმნა მოლეკულური თვითშეკრების პროცესები ახალი მასალების შესაქმნელად. დიდ სტრუქტურებზე წვდომა შესაძლებელია ქვემოდან ზევით პროცესის გამოყენებით, რადგან ისინი შედგება მცირე მოლეკულებისგან, რომელთა სინთეზისთვის ნაკლები ნაბიჯებია საჭირო. ამრიგად, ნანოტექნოლოგიის მიდგომების უმეტესობა დაფუძნებულია სუპრამოლეკულურ ქიმიაზე.
კატალიზი
ეს არის მათი განვითარება და გაგება, რომელიც არის სუპრამოლეკულური ქიმიის მთავარი გამოყენება. არაკოვალენტური ურთიერთქმედებები ძალზე მნიშვნელოვანიაკატალიზი რეაქციისთვის შესაფერის კონფორმაციებში შეკავშირებით და ენერგიის დაქვეითებით გარდამავალ მდგომარეობაში. შაბლონის მიმართული სინთეზი არის სუპრამოლეკულური პროცესის განსაკუთრებული შემთხვევა. კაპსულაციის სისტემები, როგორიცაა მიცელი, დენდრიმერები და კავიტანდები, ასევე გამოიყენება კატალიზში, რათა შეიქმნას რეაქციისთვის შესაფერისი მიკროგარემო, რომელიც არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას მაკროსკოპული მასშტაბით.
მედიცინა
სუპრამოლეკულურ ქიმიაზე დაფუძნებულ მეთოდს მოჰყვა მრავალი გამოყენება ფუნქციური ბიომასალებისა და თერაპიული საშუალებების შექმნაში. ისინი უზრუნველყოფენ მოდულურ და განზოგადებულ პლატფორმებს მორგებადი მექანიკური, ქიმიური და ბიოლოგიური თვისებებით. ეს მოიცავს პეპტიდების შეკრებაზე დაფუძნებულ სისტემებს, მასპინძელთა მაკროციკლებს, წყალბადის მაღალი აფინურობის ობლიგაციებს და ლითონ-ლიგანდის ურთიერთქმედებებს.
სუპრამოლეკულური მიდგომა ფართოდ გამოიყენებოდა ხელოვნური იონური არხების შესაქმნელად ნატრიუმის და კალიუმის უჯრედებში და გარეთ გადასატანად.
ასეთი ქიმია ასევე მნიშვნელოვანია ახალი ფარმაცევტული თერაპიების განვითარებისთვის წამლის დამაკავშირებელ ადგილზე ურთიერთქმედების გაგებით. ნარკოტიკების მიწოდების სფერომ ასევე გადადგა კრიტიკული ნაბიჯები სუპრამოლეკულური ქიმიის შედეგად. ის უზრუნველყოფს ინკაფსულაციისა და მიზნობრივი განთავისუფლების მექანიზმებს. გარდა ამისა, ასეთი სისტემები შექმნილია იმისთვის, რომ დაარღვიოს ცილა-პროტეინის ურთიერთქმედება, რაც მნიშვნელოვანია უჯრედული ფუნქციისთვის.
შაბლონის ეფექტი და სუპრამოლეკულური ქიმია
მეცნიერებაში შაბლონური რეაქცია არის ლიგანდებზე დაფუძნებული ქმედებების ნებისმიერი კლასი. ისინი წარმოიქმნება ორ ან მეტ მიმდებარე კოორდინაციის ადგილს შორის ლითონის ცენტრში. ტერმინები „თარგის ეფექტი“და „თვითშეკრება“სუპრამოლეკულურ ქიმიაში ძირითადად გამოიყენება კოორდინაციის მეცნიერებაში. მაგრამ იონის არარსებობის შემთხვევაში, იგივე ორგანული რეაგენტები იძლევა სხვადასხვა პროდუქტს. ეს არის შაბლონის ეფექტი სუპრამოლეკულურ ქიმიაში.
