Энциклопедический словарь нанотехнологий - супрамолекулярная химия

Термин на английском

supramolecular chemistryСинонимы

Аббревиатуры

Связанные термины

биомиметика, ван-дер-ваальсово взаимодействие, водородная связь, гидрофобное взаимодействие, донорно-акцепторное взаимодействие, искусственный фотосинтез, клатратная структура, клатрат, молекулярный переключатель, ротаксаны, супрамолекулярная фотохимия, супрамолекулярные гели, супрамолекулярный катализ, темплат, темплатный эффект, хелаты, нанодиапазонОпределение

область химии, исследующая супрамолекулярные структуры (ансамбли, состоящие из двух и более молекул, удерживаемых вместе посредством межмолекулярных взаимодействий); "химия молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей" (определение Ж.-М. Лена).Описание

Традиционная химия основана на ковалентных связях между атомами. В то же время для синтеза сложных наносистем и молекулярных устройств, используемых в нанотехнологиях, возможностей одной ковалентной химии недостаточно, ведь такие системы могут содержать несколько тысяч атомов. На помощь приходят межмолекулярные взаимодействия – именно они помогают объединить отдельные молекулы в сложные ансамбли, называемые супрамолекулярными структурами.

Простейший пример супрамолекулярных структур – это комплексы типа «хозяин-гость». Хозяином (рецептором) обычно выступает большая органическая молекула с полостью в центре, а гостем – более простая молекула или ион. Например, циклические полиэфиры различного размера (краун-эфиры) довольно прочно связывают ионы щелочных металлов (рис. 1).

Для супрамолекулярных структур, характерны следующие свойства: 1) наличие не одного, а нескольких связывающих центров у хозяина. В краун-эфирах эту роль выполняют атомы кислорода, обладающие неподеленными электронными парами. 2) Комплементарность: геометрические структуры и электронные свойства хозяина и гостя взаимно дополняют друг друга. В краун-эфирах это проявляется в том, что диаметр полости должен соответствовать радиусу иона. Комплементарность позволяет хозяину осуществлять селективное связывание гостей строго определенной структуры. В супрамолекулярной химии это явление называют «молекулярное распознавание» (англ. – molecular recognition) (рис. 2). 3) Комплексы с большим числом связей между комплементарными хозяином и гостем обладают высокой структурной организацией.

Супрамолекулярные структуры очень широко распространены в живой природе. Все реакции в живых организмах протекают с участием ферментов – катализаторов белковой природы. Ферменты – идеальные молекулы-хозяева. Активный центр каждого фермента устроен таким образом, что в него может попасть только то вещество (субстрат), которое соответствует ему по размерам и энергии; с другими субстратами фермент реагировать не будет. Другим примером супрамолекулярных биохимических структур служат молекулы ДНК, в которых две полинуклеотидные цепи комплементарно связаны друг с другом посредством множества водородных связей. Каждая цепь является одновременно и гостем, и хозяином для другой цепи.

Основные типы нековалентных взаимодействий, формирующих супрамолекулярные структуры: ионные, ион-дипольные, ван-дер-ваальсовы, гидрофобные взаимодействия и водородные связи. Все нековалентные взаимодействия слабее ковалентных их энергия редко достигает 100 кДж/моль, однако большое число связей между хозяином и гостем обеспечивает высокую устойчивость супрамолекулярных ансамблей. Нековалентные взаимодействия слабы индивидуально, но сильны коллективно.

Формирование супрамолекулярных ансамблей может происходить самопроизвольно – такое явление называют самосборкой. Это – процесс, в котором небольшие молекулярные компоненты самопроизвольно соединяются вместе, образуя намного более крупные и сложные супрамолекулярные агрегаты. При самосборке энтропия системы уменьшается, ?S < 0, поэтому для того, чтобы процесс был самопроизвольным, то есть имел отрицательную энергию Гиббса:

?G = ?H – T?S < 0

необходимо, чтобы ?H < 0, и |?H| > |T?S|. Это означает, что самосборка происходит с выделением большого количества теплоты. Главной движущей силой самосборки служит стремление химических систем к понижению энергии Гиббса путем образования новых химических связей, энтальпийный эффект здесь преобладает над энтропийным.

Основные классы супрамолекулярных соединений - кавитанды, криптанды, каликсарены, комплексы "гость-хозяин", ротаксаны, катенаны, клатраты. К супрамолекулярным структурам можно также отнести мицеллы, липосомы, жидкие кристаллы.

Методы супрамолекулярной химии находят широкое применение в химическом анализе, медицине, катализе, фотохимии. Супрамолекулярные структуры основа многих современных технологий, таких как экстракция биологически активных веществ, создание фотои хемосенсоров, молекулярных электронных устройств, разработка нанокатализаторов, синтез материалов для нелинейной оптики, моделирование сложных биологических процессов (биомиметика).

• Еремин Вадим Владимирович, д.ф.-м.н.

Разделы

Нанокапсулирование лекарственных препаратов

Элементы солнечной энергетики

Органические светодиоды

Элементы или наборы элементов, контролируемо модифицированные функциональными молекулами, мицеллами или биологическими объектами субмикронных размеров

Нанотехнологии и наноматериалы в медицине (диагностика, системы доставки лекарств, эксипиенты, восстановление тканей и органов, другое)

Бионанотехнологии, биофункциональные наноматериалы и наноразмерные биомолекулярные устройства

Органические и полимерные наноматериалы и волокна

Молекулярная электроника и устройства на ее основе

Наноструктуры