Супрамолекулярная химия
Другие рефераты
Оглавление
|Cупрамолекулярная химия. Предыстория |3 |
| | |
|Исследования, заложившие основы супрамолекулярной химии |5 |
| | |
|История изучения некоторых типичных объектов супрамолекулярной |8 |
|химии | |
| | |
|Cовременное состояние и тенденции развития супрамолекулярной |10 |
|химии | |
Проанализировано развитие области науки, называемой супрамолекулярной
химией. Даны основные определения и понятия этой дисциплины. В историческом
контексте рассмотрены исследования, заложившие основы супрамолекулярной
химии. Приведены примеры некоторых ее типичных объектов – клатратов и
циклодекстринов. Отмечается, что последние достижения в супрамолекулярной
химии и наиболее перспективные области ее использования связаны с
процессами самосборки и самоорганизации, которые, в частности, могут быть
реализованы в супрамолекулярном синтезе и создании молекулярных и
супрамолекулярных устройств.
Cупрамолекулярная химия. Предыстория
Супрамолекулярная химия – одна из самых молодых и в то же время бурно
развивающихся областей химии. За 25 – 30 лет своего существования она уже
успела пройти ряд важных этапов, но в то же время основные идеи и понятия
этой дисциплины еще не являются общеизвестными и общепринятыми. В
предлагаемом обзоре мы стремились проследить развитие области науки,
называемой супрамолекулярной химией, выявить наиболее удачные определения
ее основных задач и важнейших понятий, а также обрисовать современное
состояние и перспективы.
Термин «супрамолекулярная химия» и основные понятия этой дисциплины
были введены французским ученым Ж.-М. Леном в 1978 г. [1, 2] в рамках
развития и обобщения более ранних работ [3] (в частности, в 1973 г. в его
трудах появился термин «супермолекула»). Супрамолекулярная химия
определялась словами: «Подобно тому как существует область молекулярной
химии, основанной на ковалентных связях, существует и область
супрамолекулярной химии, химии молекулярных ансамблей и межмолекулярных
связей». Впоследствии это первое определение много раз переформулировалось.
Пример другого определения, данного Леном: «супрамолекулярная химия – это
«химия за пределами молекулы», изучающая структуру и функции ассоциаций
двух или более химических частиц, удерживаемых вместе
межмолекулярнымисилами» [4].
Во многих случаях компоненты, образующие супрамолекулярные системы,
можно называть (по аналогии с системами, рассматриваемыми в молекулярной
биологии) молекулярными рецептором и субстратом, причем последний является
меньшим по размеру компонентом, связывания которого и необходимо добиться
[2].
Для того чтобы адекватно описать химический объект, необходимо указать
его элементы и типы связей между ними, а также пространственные
(геометрические, топологические) характеристики. Объекты супрамолекулярной
химии, супермолекулы, обладают такой же определенностью, как и составляющие
их отдельные молекулы. Можно сказать, что «супермолекулы представляют собой
по отношению к молекулам то же, что молекулы – по отношению к атомам,
причем роль ковалентных связей в супермолекулах играют межмолекулярные
взаимодействия» [5].
Согласно Лену, супрамолекулярную химию можно разбить на две широкие,
частично налагающиеся друг на друга области [4]:
– химию супермолекул – четко обозначенных олигомолекулярных частиц,
возникающих в результате межмолекулярной ассоциации нескольких компонентов
– рецептора и его субстрата (субстратов) и строящихся по принципу
молекулярного распознавания;
– химию молекулярных ансамблей – полимолекулярных систем, которые
образуются в результате спонтанной ассоциации неопределенного числа
компонентов с переходом в специфическую фазу, имеющую более или менее четко
обозначенную микроскопическую организацию и зависимые от ее природы
характеристики (например, клатраты, мембраны, везикулы, мицеллы).
Супрамолекулярные образования могут быть охарактеризованы
пространственным расположением компонентов, их архитектурой,
«супраструктурой», а также типами межмолекулярных взаимодействий,
удерживающих компоненты вместе. Супрамолекулярные ансамбли обладают вполне
определенными структурными, конформационными, термодинамическими,
кинетическими и динамическими свойствами, в них могут быть выделены
различные типы взаимодействий, различающиеся своей силой, направленностью,
зависимостью от расстояний и углов: координационные взаимодействия с ионами
металлов, электростатические силы, водородные связи, ван-дер-ваальсовы
взаимодействия, донорно-акцепторные взаимодействия и т. д. Сила
взаимодействий может варьировать в широком диапазоне, от слабых или
умеренных, как при образовании водородных связей, до сильных и очень
сильных, как при образовании координационных связей с металлом. Однако в
целом межмолекулярные взаимодействия слабее, чем ковалентные связи, так что
супрамолекулярные ассоциаты менее стабильны термодинамически, более
лабильны кинетически и более гибки динамически, чем молекулы [6].
Таким образом, супрамолекулярная химия охватывает и позволяет
рассмотреть с единых позиций все виды молекулярных ассоциатов, от
наименьшего возможного (димер) до наиболее крупных (организованных фаз)
[6]. При этом необходимо еще раз подчеркнуть, что объекты супрамолекулярной
химии обязательно содержат части (подсистемы), не связанные ковалентно.
Переход от молекулярной к супрамолекулярной химии Лен предложил
иллюстрировать схемой, представленной на рис. 1 [2].
Основные функции супермолекул: молекулярное распознавание, превращение
(катализ) и перенос [7]. Функциональные супермолекулы наряду с
организованными полимолекулярными ансамблями и фазами могут быть
использованы для создания молекулярных и супрамолекулярных устройств [4].
Кроме Лена следует также назвать Ч. Дж. Педерсена и Д. Дж. Крама,
работы и исследования которых сыграли важную роль в становлении
супрамолекулярной химии. В 1987 г. эти трое ученых были удостоены
Нобелевской премии по химии (за определяющий вклад в развитие химии
макрогетероциклических соединений, способных избирательно образовывать
молекулярные комплексы типа «хозяин-гость») [1].
Исследования, заложившие основы супрамолекулярной химии
Истоки основных понятий супрамолекулярной химии можно найти в работах,
выполненных еще в прошлом и самом начале нынешнего века. Так, П. Эрлих в
1906 г. [8] фактически ввел понятия рецептора и субстрата, подчеркивая, что
молекулы не реагируют друг с другом, если предварительно не вступают в
определенную связь. Однако связывание должно быть не любым, а селективным.
Это подчеркивал Э. Фишер еще в 1894 г. [9], сформулировав свой принцип
«ключ – замок» – принцип, предполагающий, что в основе молекулярного
распознавания лежит стерическое соответствие, геометрическая
комплементарность рецептора и субстрата. Наконец, селективное связывание
требует взаимодействия, сродства между партнерами, и корни этой идеи можно
искать в трудах А. Вернера [10], что делает супрамолекулярную химию в этом
отношении обобщением и развитием координационной химии.
Как считает Ж.-М. Лен, эти три понятия – фиксация (связывание),
распознавание и координация – заложили фундамент супрамолекулярной химии
[6].
Некоторые другие понятия супрамолекулярной химии также давно известны.
Даже термин «Ьbermolecule», т.е. супер-, или сверхмолекула, был введен уже
в середине 30-х гг. нашего столетия [11] для описания более высокого уровня
организации, возникающего из-за ассоциации координационно насыщенных
молекул (например, при образовании димера уксусной кислоты). Была хорошо
известна важнейшая роль супрамолекулярной организации в биологии [6].
Однако возникновение и развитие супрамолекулярной химии как
самостоятельной области в системе химических наук произошло значительно
позднее. Вот что пишет по этому поводу Ж.-М. Лен в своей книге [6]: «…для
возникновения и бурного развития новой научной дисциплины требуется
сочетание трех условий. Во-первых, необходимо признание новой парадигмы,
показывающей значение разрозненных и на первый взгляд не связанных
наблюдений, данных, результатов и объединяющей их в единое когерентное
целое. Во-вторых, нужны инструменты для изучения объектов данной области, и
здесь для супрамолекулярной химии решающую роль сыграло развитие
современных физических методов исследования структуры и свойств (ИК-, УФ- и
особенно ЯМР-спектроскопия, масс-спектрометрия, рентгеновская дифракция и
др.), позволяющих изучать даже сравнительно лабильные супрамолекулярные
ансамбли, характеризуемые низкоэнергетическими нековалентными
взаимодействиями. В-третьих, необходима готовность научного сообщества
воспринять новую пара
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
