Chimie supramoleculară

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Exemplu de asamblare supramoleculară raportat de Jean-Marie Lehn.

Chimia supramoleculară este o ramură interdisciplinară, organizată sistematic și rațional spre sfârșitul anilor șaizeci, care, luând în considerare principiile și conceptele chimiei moderne, reprezintă astăzi un domeniu de cercetare în expansiune rapidă.

Definiția actuală pe scară largă acceptată a chimiei supramoleculare datează de la Jean-Marie Lehn (1978) și este după cum urmează: [1]

"Chimia agregatelor moleculare de complexitate mai mare rezultată din asocierea a două sau mai multe specii chimice legate între ele prin forțe intermoleculare."

( Jean-Marie Lehn )

Această disciplină, dorind să exemplifice scopurile studiului, tinde să se concentreze asupra sistemelor multimoleculare, adică constând din mai multe molecule care interacționează. Calculele chimice teoretice sunt de o importanță fundamentală pentru proiectarea de noi compuși și ajutorul mecanicii moleculare pentru determinarea structurii spațiale tridimensionale. Chimia supramoleculară este o componentă fundamentală a nanotehnologiei .

Introducere

Forțele responsabile de organizarea spațială pot varia de la forțe slabe (intermoleculare, electrostatice sau de legare a hidrogenului) la puternice (legături covalente), cu condiția ca gradul de cuplare a electronilor între componenta moleculară să rămână mic în comparație cu parametrii energetici ai componentei. [2] [3] În timp ce chimia tradițională se concentrează pe legătura covalentă , chimia supramoleculară examinează interacțiunile non-covalente mai slabe și mai reversibile dintre molecule. Aceste forțe slabe sunt date de legături de hidrogen, coordonarea metalelor, forțe hidrofobe, forțe van der Waals și efecte electrostatice. Conceptele importante care au fost demonstrate de chimia supramoleculară includ auto-asamblarea moleculară, plierea, recunoașterea moleculară, chimia gazdă / gazdă, arhitecturi moleculare interconectate mecanic și chimia covalentă dinamică. [4] Studiul interacțiunilor non-covalente este crucial pentru înțelegerea multor procese biologice din structura celulară care se bazează pe aceste forțe. Sistemele biologice sunt adesea o sursă de inspirație pentru cercetarea supramoleculară.

Istorie

Existența forțelor intermoleculare a fost postulată de Johannes Diderik van der Waals în 1873. Cu toate acestea, laureatul Nobel Hermann Emil Fischer a dezvoltat baza teoretică a chimiei supramoleculare. [5] Fischer a sugerat că interacțiunile enzimă-substrat iau forma unei „chei” cu blocarea sa. Principiile de bază ale recunoașterii moleculare și ale chimiei gazdă / gazdă . La începutul secolului al XX-lea, legăturile non-covalente au fost înțelese în detaliu, de exemplu, legătura de hidrogen a fost descrisă de Latimer și Rodebush în 1920.

Utilizarea acestor principii a condus la o mai bună înțelegere a structurii proteinelor și a altor procese biologice. De exemplu, descoperirea importantă care a permis explicarea structurii dublei spirale a ADN-ului a avut loc atunci când s-a realizat că există două fire separate de nucleotide conectate prin legături de hidrogen . Utilizarea legăturilor non-covalente este esențială pentru replicare, deoarece acestea permit separarea firelor și utilizarea acestora pentru modelarea ADN-ului cu două fire. În același timp, chimiștii au început să recunoască și să studieze structuri sintetice bazate pe interacțiuni non-covalente, cum ar fi micelele și microemulsiile.

În cele din urmă, chimiștii au reușit să preia aceste concepte și să le aplice sistemelor sintetice. Punctul de cotitură a venit în 1960 cu sinteza eterilor coroanei de Charles J. Pedersen . În urma acestei lucrări, alți cercetători, cum ar fi Donald J. Cram , Jean-Marie Lehn și Fritz Vögtle, au devenit activi în sinteza receptorilor selectivi pentru ioni sau a receptorilor selectivi pentru formă. De-a lungul anilor 1980, cercetările din domeniu au explodat într-un ritm rapid cu concepte precum structuri moleculare care se inhibă mecanic.

Importanța chimiei supramoleculare a fost recunoscută cu Premiul Nobel pentru chimie din 1987, care a fost acordat lui Donald J. Cram, Jean-Marie Lehn și Charles J. Pedersen, ca recunoaștere a activității lor în acest domeniu. [6]

În anii 1990, chimia supramoleculară a devenit și mai sofisticată cu cercetători precum James Fraser Stoddart, care dezvoltă o mașină moleculară extrem de complexă și structuri de auto-asamblare și Itamar Willner dezvoltând senzori și metode de interfață electronică și biologică. În această perioadă, conceptele electrochimice și fotochimice se integrează în sistemele supramoleculare pentru a crește funcționalitatea. O știință emergentă, cum ar fi nanotehnologia, a avut o influență puternică asupra subiectului pentru producția de fulereni , nanoparticule și dendrimeri care sunt implicați în sistemele sintetice de fabricație.

Factori care afectează chimia supramoleculară

Termodinamica

Chimia supramoleculară se bazează pe interacțiuni slabe și controlul proceselor implicate. În special, legăturile necovalente au energii scăzute și nu au energie de activare pentru propria lor formare. După cum demonstrează ecuația Arrhenius, aceasta înseamnă că, spre deosebire de legătura covalentă, energia de formare a legăturii nu crește la temperaturi mai ridicate. De fapt, ecuația echilibrului chimic arată că nivelurile scăzute ale energiei de legare deplasează echilibrul reacției spre descompunerea complexelor supramoleculare la temperaturi mai ridicate. Cu toate acestea, temperaturile scăzute pot fi problematice pentru procesele supramoleculare. Chimia supramoleculară poate necesita molecule pentru a se rearanja în conformații nefavorabile termodinamic (de exemplu, în timpul sintezei rotaxanilor ). Natura dinamică a chimiei supramoleculare este utilizată în multe sisteme (de exemplu în mecanica moleculară ) și un sistem de răcire special conceput este utilizat pentru a încetini acest tip de procese.

Mediu inconjurator

Mediul molecular din jurul unui sistem supramolecular este de primă importanță pentru funcționare și stabilitate. Mulți solvenți creează legături de hidrogen, electrostatice și capacitățile de transfer al sarcinii pot fi implicate în echilibre complexe cu sistemul. Din acest motiv, alegerea solventului poate fi critică.

Principii fundamentale

  • Conceptul de receptor : moleculele nu își îndeplinesc acțiunea dacă nu sunt legate între ele.
  • Principiul recunoașterii moleculare (model key-lock): în formarea unui compus supramolecular specia gazdă trebuie să aibă o geometrie structurală complementară cu cea a receptorului. Compușii gazdă, în raport cu relația spațială gazdă-gazdă, sunt împărțiți în cavitandi sau clatrandi . Cavitandi se caracterizează prin prezența unei cavități intramoleculare care, fiind o caracteristică aparte, se găsește atât în ​​stare solidă, cât și în soluție. Pe de altă parte, clatrandurile posedă cavități extramoleculare generate de un spațiu între două sau mai multe molecule gazdă și, prin urmare, astfel de cavități pot exista doar în stare solidă cristalină. O altă subdiviziune se datorează forțelor care interacționează între gazdă și gazdă: dacă agregatul este susținut pe forțe electrostatice ( legătură de hidrogen , ion-dipol , dipol-dipol etc.) există un complex în timp ce, dacă intră în joc mai puține forțe specifice și într-o măsură mai mică ( interacțiuni hidrofobe , van der Waals , forțe Heitler-Londra , ambalaje cristaline etc.) vorbim de cavitate și clatrat .
  • Teoria coordonării : ionii metalici sunt coordonați de o sferă de liganzi , prin legătura de coordonare , ca efect că selectivitatea legăturii implică atracție sau afinitate chimică gazdă-gazdă reciprocă .
  • Preorganizarea : constă în menținerea conformației originale a moleculei gazdă atunci când aceasta leagă specia gazdă. Acesta este adesea principalul factor determinant al stabilității compusului supramolecular.
  • Auto-asamblare : este asocierea spontană a moleculelor sau macromoleculelor, în anumite condiții de mediu, care generează o nouă macrostructură. Un exemplu clasic este reprezentat de micelele lipidice. În biochimie reprezintă unul dintre fenomenele fundamentale pentru viață.

Exemple de compuși supramoleculari

Nenumărate specii și procese pot fi considerate supramoleculare.

În biochimie ne gândim doar la macromolecule proteice, acizi nucleici , complexe enzimă - receptor , sisteme porfirine precum hem , clorofilă , citocrom etc.

În chimia anorganică , gândiți-vă la clatrații hidrați (de exemplu Cl 2 (H 2 O) 7.25 ), chimia coordonării , incluziunile în solidele cristaline , compușii argonului , kriptonului și xenonului obținuți la presiuni ridicate cu fenol și pirocatecol etc.

În chimia organică, corona eteri cationi metalici complecși, ciclodextrina dă cu acid cavitate p - hidroxibenzoic, clatrații hidratate , cum ar fi (H2O) 6 (CH 4), compușii obținuți din uree analogi cu n- alcanii și multe alte specii.

Aplicații

Chimia supramoleculară și procesele de auto-asamblare își găsesc aplicarea în dezvoltarea de noi materiale. Structuri mari pot fi obținute folosind sinteza dejos în sus de la molecule mai mici. Acest tip de abordare este exploatat de nanotehnologie .

O altă aplicație principală a chimiei supramoleculare este în cataliză , unde interacțiunile non-covalente joacă un rol important în favorizarea căilor de reacție cu energie de activare mai mică. În plus, sisteme precum micele și dendrimeri sunt utilizate pentru a crea microambiente de reacție.

Chimia supramoleculară este, de asemenea, importantă pentru dezvoltarea de noi terapii medicamentoase bazate pe înțelegerea interacțiunilor locului de legare a medicamentelor . În acest domeniu se aplică, de asemenea, pentru implementarea mecanismelor de eliberare a medicamentelor.

Mașinile moleculare sunt capabile să îndeplinească funcții de calcul la scară moleculară, acționând ca dispozitive capabile să transducă semnalul ca răspuns la un stimul fotonic , chimic sau electric. Acest lucru face posibilă stocarea și procesarea datelor.

Notă

  1. ^ (EN) Jean-Marie Lehn , De la chimia supramoleculară la chimia dinamică constituțională și chimia adaptativă , în Chem. Soc. Rev. , vol. 36, n. 2, 2007, pp. 151-160, DOI : 10.1039 / B616752G .
  2. ^ Lehn, J., Chimie supramoleculară , în Știință , 1993.
  3. ^ Lehn, J, Chimie supramoleculară , în Wiley-VCH .
  4. ^ Oshovsky, GV; Reinhoudt, DN; Verboom, W., Chimie supramoleculară în apă , în Angewandte Chemie International Edition , 2007.
  5. ^ Fischer, E., Einfluss der Configuration auf die Wirkung der Enzyme , în Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. .
  6. ^ Schmeck, Harold M. Jr., Chemels and Physics Nobels Hail Discoveries on Life and Superconductors; Premiul Three Share pentru sinteza enzimelor vitale , în New York Times .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Chimie Portalul chimiei : portalul științei compoziției, proprietăților și transformărilor materiei
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Supramolecular_Chemistry&oldid=114013850 ”