Супрамолекулярная химия

Супрамолекулярной химией называют раздел, описывающий сложные образования, которые являются результатом ассоциации двух и более химических частиц, связанных вместе межмолекулярными силами. Иными словами, супрамолекулярная химия – это химия молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей. Основоположник этой науки лауреат Нобелевской премии французский ученый Жан-Мари Лен в 1978 г ввел термин «супрамолекулярная химия», определяя его как «химия за пределами молекулы». В 1987 году Ж.-М. Лен был удостоен Нобелевской премии по химии(совместно с Ч.Дж. Педерсоном и Д.Дж. Крамом) «за разработку и применение молекул со структурно-специфическими взаимодействиями с высокой селективностью». Примерами супрамолекулярных ансамблей служат соединения включения, клатраты, биядерные и полиядерные криптаты. Компоненты супрамолекулярных систем принято называть рецепторами и субстратами, где субстраты (гости) – меньшие по размеру компоненты, вступающие в связь. Внутри рецептора (хозяина) и субстрата (гостя) существуют ковалентные связи, а между ними – слабые межмодекулярные взаимодействия. Важную роль в таких системах играет принцип комплементарности, предполагающий геометрическое, топологическое и зарядовое соответствие гостя и хозяина.

Супрамолекулярная химия изучает:

1) Особенности нековалентных взаимодействий и структур возникших на их основе

2) Принципы образования супрамолекулярных ансамблей и их устойчивость

3) Свойства и возможности применения супрамолекулярных ансамблей

Селективное связывание субстрата и рецептора с образованием макромолекулы происходит в результате молекулярного распознавания. Оно осуществляется путем межмолекулярного взаимодействия субстрата и рецептора. Возникающий в результате этого супрамолекулярный ансамбль обладает функциями распознавания, трансформации и переноса. Рецептор может выступать и в роли носителя, осуществляющего транспорт связанного субстрата. Принцип самосборки супрамолекулярных структур из отдельных компонентов, приводящий к супрамолекулярным устройствам,  образно уподобляют сборке бытовых приборов из различных составных частей.

Объектами изучения супрамолекулярной химии служат комплексы металлов с краун-эфирами, криптандами, каликсаренами, а также катенаны и ротаксаны. Примером молекулы, изменяющей свою конформацию под действием света, служит азобензол, содержащий циклические полиэфирные группы. Известно, что краун-эфиры эффективно координируют ионы щелочных металлов, а азосоединения под действием света изомеризуются из транс-формы в цис. Согласованное действие света и введения катиона щелочного металла приводит к существенному изменению конформации молекулы, которая изгибается ,захватывая ион металла, аналогично пинцету. Супрамолекулярные устройства, разработанные на этом принципе, предложены для контроля скорости транспорта различных ионов через мембраны. 

Катенаны – циклические молекулы, составленные из двух колец, одетых одно на другое. Примером служит цикл, содержащий три пиридильных фрагмента, фрагмент фенантролина и группировку, под действием света легко переходящую в возбужденное состояние, то есть выполняющую роль антенны. В исходной частице ион меди(I) координирован двумя молекулами фенантролина двух колец, образующими тетраэдр. При фотохимическом окислении меди до Cu(II) происходит вращение одного кольца таким образом, что атом меди оказывается координирован тремя атомами азота пиридиновых фрагментов и одной молекулой фенантролина. При восстановлении меди до +1 молекула приобретает исходную конформацию. Такого рода системы, существующие в двух различных состояниях, взаимопревращающихся под действием света или электрического поля, в будущем могут быть использованы для хранения информации в двоичных кодах, в качестве сенсоров, молекулярных «выключателей» и других типов супрамолекулярных устройств.

Литература:

Ж.-М. Лен, Супрамолекулярная химия, Новосибирск, Наука, 1998

Неорганическая химия (под редакцией Ю.Д. Третьякова), том 3. А.А. Дроздов, В.П. Зломанов, Г.Н. Мазо, Ф.М. Спиридонов, Химия переходных элементов, книга 2, М., Академия, 2008, с. 246.