Супрамолекулярная химия - NiNa.Az

Супрамолекулярная (надмолекулярная) химия (Supramolecular chemistry, Супермолекулярная химия) — междисциплинарная область науки, включающая химические, физические и биологические аспекты рассмотрения более сложных, чем молекулы, химических систем, связанных в единое целое посредством межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий. Объекты супрамолекулярной химии — , из комплементарных, то есть имеющих геометрическое и химическое соответствие фрагментов, подобно самопроизвольной сборке сложнейших пространственных структур в живой клетке. Одной из фундаментальных проблем современной химии является направленное конструирование таких систем, создание из молекулярных «строительных блоков» высокоупорядоченных супрамолекулярных соединений с заданной структурой и свойствами. Супрамолекулярные образования характеризуются пространственным расположением своих компонентов, их архитектурой, «супраструктурой», а также типами межмолекулярных взаимодействий, удерживающих компоненты вместе. В целом межмолекулярные взаимодействия слабее, чем ковалентные связи, так что супрамолекулярные менее стабильны термодинамически, более лабильны кинетически и более гибки динамически, чем молекулы.

Пример супрамолекулярного ансамбля, представленного Жан-Мари Леном

Супрамолекулярный комплекс иона хлора, кукурбит[5]урила и кукурбит[10]урила.

Пример механически-скреплённого молекулярного ансамбля ротаксана.

Соединение типа гость-хозяин p-ксилиламмония, связанного с кукурбитурилом.

Внутримолекулярный ансамбль самопроизвольной сборки Жан-Мари Лена

Согласно терминологии супрамолекулярной химии, компоненты супрамолекулярных ассоциатов принято называть рецептор (ρ) и субстрат (σ), где субстрат — меньший по размеру компонент, вступающий в связь. Термины соединение включения, клатрат и соединение (комплекс) типа характеризуют соединения, существующие в твёрдом состоянии и относящиеся к твёрдым супрамолекулярным ансамблям.

Селективное связывание определённого субстрата σ и его рецептора ρ с образованием σρ происходит в результате процесса молекулярного распознавания. Если помимо центров связывания рецептор содержит реакционноспособные функциональные группы, он может влиять на химические превращения на связанном с ним субстрате, выступая в качестве супрамолекулярного катализатора. Липофильный, растворимый в мембранах рецептор может выступать в роли носителя, осуществляя транспорт, перенос связанного субстрата. Таким образом, молекулярное распознавание, превращение, перенос — это основные функции супрамолекулярных объектов.

Супрамолекулярную химию можно разделить на две широкие, частично перекрывающиеся области, в которых рассматриваются соответственно: 1) супермолекулы — хорошо определённые, дискретные олигомолекулярные образования, возникающие за счёт межмолекулярной ассоциации нескольких компонентов (рецептора и субстрата(ов)) в соответствии с некоторой «программой», работающей на основе принципов молекулярного распознавания; 2) супрамолекулярные ансамбли — полимолекулярные ассоциаты, возникающие в результате спонтанной ассоциации неопределённо большого числа компонентов в специфическую фазу, характеризуемую более или менее определённой организацией на микроскопическом уровне и макроскопическими свойствами, зависящими от природы фазы (плёнка, слой, мембрана, везикула, , кристалл и т. д.).

Для описания расположения субстрата(ов) относительно рецептора используется специальный формализм. Внешние комплексы-аддукты могут быть обозначены как [A,B], или [A//B]. Для обозначения комплексов включения σ в ρ и частичного пересечения σ и ρ используются математические символы включения ⊂ и пересечения ∩ — [A⊂B] и [A∩B], соответственно. В современной химической литературе наряду с символом ∩ так же часто используется альтернативный символ @.

Впервые термин «супрамолекулярная химия» был введен в 1978 г. лауреатом Нобелевской премии Жаном-Мари Леном и определен как «химия, описывающая сложные образования, которые являются результатом ассоциации двух (или более) химических частиц, связанных вместе межмолекулярными силами». Последующие годы были отмечены взрывообразным развитием этой молодой междисциплинарной науки. В 2016 году за исследования в этой области Нобелевскую премию по химии получили сэр  Джеймс Фрейзер Стоддарт, Жан-Пьер Соваж и Бернард Феринга.

Основные классы соединений

• Рецепторы:
  • Криптанды
  • Каликсарены

• Супермолекулы:
  • Ротаксаны
  • Катенаны

• Ансамбли:
  • Мицеллы
  • Липосомы
  • Мембраны
  • Жидкие кристаллы

• Твёрдые соединения включения:
  • Клатраты

Литература

• Лен Ж.-М. Супрамолекулярная химия. Концепции и перспективы. — Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1998. — 333 с.
• Стид Д. В., Этвуд Д. Л. Супрамолекулярная химия. В двух томах. — Москва, Академкнига, 2007. Том 1. — 480 с. Том 2. — 416 c.
• Зоркий П. М.. Лубнина И. Е. Супрамолекулярная химия: возникновение, развитие, перспективы. Вестн. Моск. Ун-та. Сер.2. Химия, 1999, Том.40. № 5. — с. 300—307.
• Пожарский А. Ф. Супрамолекулярная химия. Часть 2. Самоорганизующиеся молекулы. Соросовский образовательный журнал. 1997. Т. 9. — с. 40—47 (недоступная ссылка)
• Дядин Ю. А. Супрамолекулярная химия: контактная стабилизация молекул
• Дмитриев И. С. Молекулы без химических связей. — Л.: Химия, 1980. — 160 с.
• Фенелонов В. Б. Введение в физическую химию формирования супрамолекулярной структуры адсорбентов и катализаторов. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. — 414 с. (2-е изд., испр. и доп. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. — 442 c.)
• Шилл Г. Катенаны, ротаксаны и узлы. Пер. с англ. — М., 1973.

См. также

• Координационная химия
• Макромолекула
• Молекулярный компьютер
• Молекулярный переключатель
• Нанокомпьютер
• Нанотехнология
• Самоорганизация
• Супрамолекулярные гели
• Супрамолекулярный катализ
• Эволюционная химия

Ссылки

• Алексей Паевский. Существуют ли молекулы без химических связей?  (неопр.) Популярная механика №152 (30 августа).

Химический портал — мир химии, веществ и превращений на страницах Википедии.