Кіріспе
Ковалентті байланыстардан басқа күштермен бірге ұсталып тұрған супермолекулалық құрылымдар. Супермолекулалық химияда «хост-меймана» химиясы екі немесе одан көп молекулалар немесе иондардан тұратын, толық ковалентті байланыстардан өзгеше, ерекше құрылымдық қатынастармен бірге ұсталып тұратын кешендерді сипаттайды. «Хост-меймана» химиясы молекулалық тану және ковалентті емес байланыстар арқылы өзара әрекеттесу идеясын қамтиды. Ковалентті емес байланыстар үлкен молекулалардың, мысалы, ақуыздардың үш өлшемді құрылымын сақтауда маңызды рөл атқарады және ірі молекулалардың бірімен-бірі нақты, бірақ уақытша байланысатын көптеген биологиялық процестерге қатысады. Ковалентті емес өзара әрекеттесулер шамамен электростатикалық немесе дисперсиялық сипаттамаларына бөлінсе де, ковалентті емес өзара әрекеттесулердің бірнеше жиі кездесетін түрлері бар: иондық байланыс, сутекті байланыс, Ван дер Ваальс күштері және гидрофобтық өзара әрекеттесулер. «Хост-меймана» өзара әрекеттесуі ашылғаннан бері зор қызығушылық тудырды. Бұл маңызды сала, себебі көптеген биологиялық процестерге «хост-меймана» өзара әрекеттесуі қажет, сондай-ақ ол кейбір материалдарды жасауда да пайдалы болуы мүмкін. Циклодекстрин, тәждік эфир сияқты бірнеше типті хост молекулалары бар және т.б.
In supramolecular chemistry, host–guest chemistry describes complexes that are composed of two or more molecules or ions that are held together in unique structural relationships by forces other than those of full covalent bonds. Host–guest chemistry encompasses the idea of molecular recognition and interactions through non covalent bonding. Non covalent bonding is critical in maintaining the 3D structure of large molecules, such as proteins and is involved in many biological processes in which large molecules bind specifically but transiently to one another. Although non covalent interactions could be roughly divided into those with more electrostatic or dispersive contributions, there are few commonly mentioned types of non covalent interactions: ionic bonding, hydrogen bonding, van der Waals forces and hydrophobic interactions. Host guest interaction has raised dramatical attention since it was discovered. It is an important field, because many biological processes require the host guest interaction, and it can be useful in some material designs. There are several typical host molecules, such as, cyclodextrin, crown ether, et al.
Өзін-өзі сауықтыру
thumb|308x308px|А) қожайынның кіші қонақ молекуласын және Б) қожайын полимерін пайдалану арқылы қожайын-қонақ өзара әрекеттесуінің өзін-өзі жазу механизмі. Түпнұсқадан қайта салынған.
Қожайын-қонақ өзара әрекеттесуінің коваленттік емес сипатының арқасында полимерлік тізбек диффузияға жеткілікті икемділікке ие болады. Егер материалда жарық пайда болса, жарықтың екі жағынан материалды қысып, қожайын-қонақ молекулалық құрылымының жылдам алмасуы нәтижесінде жарық қайтадан бірігіп, жақсы өзін-өзі жазу қасиеттерін көрсетеді. Харада және авторлар винил тобымен модификацияланған циклодекстрин және адамантаннан жасалған өзін-өзі жазу гидрогелі туралы хабарлады. Тағы бір стратегия – полимерлік тізбек пен қожайын молекуласының өзара әрекеттесуін пайдалану (қожайын молекуласы полимерге тіркеледі). Егер тіркеу процесі жеткілікті жылдам болса, өзін-өзі жазуға да қол жеткізілуі мүмкін, онда фосфор қонақ ретінде қолданылады. Мысалы, 4 фенилпиридиум туындылары CB-мен өзара әрекеттесіп, акриламидпен сополимерленеді. Нәтижесінде алынған полимердің фосфоресценция ұзақтығы ~2 секундты құрады. Сонымен қатар, Чжу және авторлар полимерді өзгерту үшін тәж эфирі мен калий ионын пайдаланып, фосфоресценцияның шығарылуын күшейтті.
Because of the non covalent host guest interaction, the polymer backbone can have enough flexibility to diffuse. If a crack exists in the materials, after compressing the two materials around the crack, because of the fast exchange of the host guest molecular structure, the crack will rejoin again revealing good self healing properties. Harada et al reported a self healing hydrogel constructed by vinyl group modified cyclodextrin and adamantane. Another strategy is to use the interaction between the polymer backbone and host molecule (host molecule threading onto the polymer). If the threading process is fast enough, self healing can also be achieved. in which the phosphor is served as a guest to interact with the host. For example, 4 phenylpyridium derivatives interacted with CB, and copolymerize with acrylamide. The resulting polymer yielded ~2 s of phosphorescence lifetime. Additionally, Zhu et al used crown ether and potassium ion to modify the polymer, and enhance the emission of phosphorescence.
Стимулдарға жауап беретін материалдар
Кейбір қонақ молекулалары зарядталған қосылыстар болып табылады, олар белгілі бір химиялық заттармен тотығуы немесе тотығу-тотықсыздануы мүмкін. Мұндай қонақ молекулалары тотығу-тотықсыздануға жауаптылық танытуы мүмкін. Кейбір қабылдаушы молекулалары (мысалы, α CD) немесе қонақ молекулалары (мысалы, тетра-аммоний ионы) pH-қа сезімтал, әртүрлі pH деңгейлері әртүрлі түралардың пайда болуына әкелуі мүмкін, бұл байланыс мінез-құлқына маңызды әсер етеді, соның нәтижесінде материал pH-қа жауап беретін қасиеттерге ие болады. Кейбір қонақ молекулалары әртүрлі жарық шарттарында өз конфигурацияларын өзгерте алады, бұл материалды жарыққа жауап беретін етеді. Цай және авторлар қабылдаушы-қонақ жүйесін дайындау үшін галогендік байланысты пайдаланды, ал материалдар ұзаққа созылған тұрақты эмиссиямен жылуға және механикалық әсерге жауап береді.
Шифрлау
Пилар[5]арен, спиропиран және пентаненитрил (бос күйде және полимерге жабыстырылған) қолданылып, Ван және әріптестерімен шифрлеу жүйесі құрастырылды. Күлдін сәулесінен кейін спиропиран мероцианинге айналады. Материалға көрінетін жарық түсіргенде, пилар[5]ареннің бос пентаненитрил кешеніне жақын мероцианин спиропиранға жылдам түрленеді; ал пилар[5]аренге жабыстырылған пентаненитрил кешеніне жақын мероцианиннің түрлену жылдамдығы айтарлықтай төмендеу. Бұл спиропиран-мероцианин түрленуін хабарламаны шифрлеу үшін пайдалануға болады. Тағы бір стратегия металл қосқыштар мен полициклді ароматты көмірсутектерге негізделген. Кешен мен қосқыштар арасындағы флуоресценциялық эмиссияның айырмашылығы ақпаратты шифрлеуге мүмкіндік береді.
Механикалық қасиеттері
Кейбір қабылдаушы-қонақ өзара әрекеттесулері күшті болмаса да, қабылдаушы-қонақ өзара әрекеттесу мөлшерін арттыру материалдардың механикалық қасиеттерін жақсарта алады. Мысалы, қабылдаушы молекулаларды полимер тізбегіне тізу полимердің механикалық қасиеттерін арттырудың көп қолданылатын стратегияларының бірі болып табылады. Қабылдаушы молекулалардың полимерден ажырауына уақыт керек, бұл энергияны тарату жолы болуы мүмкін. Тағы бір әдіс – баяу алмасуға ие қабылдаушы-қонақ өзара әрекеттесуін пайдалану. Баяу алмасу механикалық қасиеттерді жақсартса да, сонымен бірге материалдың өзін-өзі жазылу қасиеттерінен айырылуына әкеледі.
Сенсорлық
Дәстүрлі түрде химиялық сезімталдық зерттеулері рецепторға сілтеме арқылы ковалентті байланысқан индикаторды қамтитын жүйемен жүргізілген. Аналит байланысқаннан кейін индикатор түсін өзгертеді немесе люминесценция көрсетеді. Бұл техника индикатор-сілтеме-рецептор (ISR) тәсілі деп аталады. ISR-ден өзгеше, индикатор ығыстыру әдісі (IDA) рецептор (қабылдаушы), индикатор және анализдеуші (қонақ) арасындағы ковалентті емес өзара әрекеттесуді пайдаланады. ISR сияқты, IDA да колориметриялық (C IDA) және флуоресценциялық (F IDA) индикаторларды қолданады. IDA әдісінде рецептор индикатормен инкубацияланады. Аналит қоспаға қосылғанда индикатор ортаға босатылады. Босатылғаннан кейін индикатор түсін өзгертеді (C IDA) немесе люминесценция көрсетеді (F IDA). сурет|300px|оң|Химосенсорлардың түрлері. (1.) Индикатор-сілтеме-рецептор (ISR) (2.) Индикатор ығыстыру әдісі (IDA)
IDA offers several advantages versus the traditional ISR chemical sensing approach. First, it does not require the indicator to be covalently bound to the receptor. Secondly, since there is no covalent bond, various indicators can be used with the same receptor. Lastly, the media in which the assay may be used is diverse. thumb|175px|left|Indicator Displacement Assay Indicators. (1.) Azure A (2.) thiazole orange
Chemical sensing techniques such as C IDA have biological implications. For example, protamine is a coagulant that is routinely administered after cardiopulmonary surgery that counter acts the anti coagulant activity of herapin. In order to quantify the protamine in plasma samples, a colorimetric displacement assay is used. Azure A dye is blue when it is unbound, but when it is bound to herapin, it shows a purple color. The binding between Azure A and heparin is weak and reversible. This allows protamine to displace Azure A. Once the dye is liberated it displays a purple color. The degree to which the dye is displaced is proportional to the amount of protamine in the plasma. F IDA has been used by Kwalczykowski and co workers to monitor the activities of helicase in E. coli. In this study they used thiazole orange as the indicator. The helicase unwinds the dsDNA to make ssDNA. The fluorescence intensity of thiazole orange has a greater affinity for dsDNA than ssDNA and its fluorescence intensity increases when it is bound to dsDNA than when it is unbound.
IDA дәстүрлі ISR химиялық сезімталдық тәсілімен салыстырғанда бірнеше артықшылықтар ұсынады. Біріншіден, индикатордың рецепторға ковалентті байланысуын қажет етпейді. Екіншіден, ковалентті байланыс болмағандықтан, бір рецептормен әртүрлі индикаторларды пайдалануға болады. Соңғысы, әдіс қолданылатын орта алуан түрлі болуы мүмкін. сурет|175px|сол|Индикатор ығыстыру әдісінің индикаторлары. (1.) Азур A (2.) тиазол апельсіні
IDA offers several advantages versus the traditional ISR chemical sensing approach. First, it does not require the indicator to be covalently bound to the receptor. Secondly, since there is no covalent bond, various indicators can be used with the same receptor. Lastly, the media in which the assay may be used is diverse. thumb|175px|left|Indicator Displacement Assay Indicators. (1.) Azure A (2.) thiazole orange
Chemical sensing techniques such as C IDA have biological implications. For example, protamine is a coagulant that is routinely administered after cardiopulmonary surgery that counter acts the anti coagulant activity of herapin. In order to quantify the protamine in plasma samples, a colorimetric displacement assay is used. Azure A dye is blue when it is unbound, but when it is bound to herapin, it shows a purple color. The binding between Azure A and heparin is weak and reversible. This allows protamine to displace Azure A. Once the dye is liberated it displays a purple color. The degree to which the dye is displaced is proportional to the amount of protamine in the plasma. F IDA has been used by Kwalczykowski and co workers to monitor the activities of helicase in E. coli. In this study they used thiazole orange as the indicator. The helicase unwinds the dsDNA to make ssDNA. The fluorescence intensity of thiazole orange has a greater affinity for dsDNA than ssDNA and its fluorescence intensity increases when it is bound to dsDNA than when it is unbound.
C IDA сияқты химиялық сезімталдық әдістерінің биологиялық маңызы бар. Мысалы, протамин – жүрек-өкпе хирургиясынан кейін әдетте қолданылатын, гепариннің антикоагулянттық әрекетін тежеуге арналған коагулянт. Плазма үлгілеріндегі протамин мөлшерін анықтау үшін колориметриялық ығыстыру әдісі қолданылады. Азур A бос күйде көк түсті, ал гепаринмен байланысқанда – қызғылт түсті болады. Азур A мен гепарин арасындағы байланыс әлсіз және қайтымды. Бұл протаминге Азур A-ны ығыстыруға мүмкіндік береді. Бояу босатылғаннан кейін қызғылт түске айналады. Бояудың ығысу дәрежесі плазмадағы протамин мөлшеріне пропорционалды. F IDA Kwalczykowski және оның әріптестері E. coli бактериясындағы геликазаның активтілігін бақылау үшін қолданды. Олар тиазол апельсіні индикатор ретінде пайдаланды. Геликаза қос спиральді ДНК-ны ашып, бір спиральді ДНК-ны құрайды. Тиазол апельсінінің флуоресценциясының қарқындылығы бір спиральді ДНК-ға қарағанда қос спиральді ДНК-ға жоғары, және ол қос спиральді ДНК-ға байланысқанда, бос күйдегіден гөрі күшейеді.
IDA offers several advantages versus the traditional ISR chemical sensing approach. First, it does not require the indicator to be covalently bound to the receptor. Secondly, since there is no covalent bond, various indicators can be used with the same receptor. Lastly, the media in which the assay may be used is diverse. thumb|175px|left|Indicator Displacement Assay Indicators. (1.) Azure A (2.) thiazole orange
Chemical sensing techniques such as C IDA have biological implications. For example, protamine is a coagulant that is routinely administered after cardiopulmonary surgery that counter acts the anti coagulant activity of herapin. In order to quantify the protamine in plasma samples, a colorimetric displacement assay is used. Azure A dye is blue when it is unbound, but when it is bound to herapin, it shows a purple color. The binding between Azure A and heparin is weak and reversible. This allows protamine to displace Azure A. Once the dye is liberated it displays a purple color. The degree to which the dye is displaced is proportional to the amount of protamine in the plasma. F IDA has been used by Kwalczykowski and co workers to monitor the activities of helicase in E. coli. In this study they used thiazole orange as the indicator. The helicase unwinds the dsDNA to make ssDNA. The fluorescence intensity of thiazole orange has a greater affinity for dsDNA than ssDNA and its fluorescence intensity increases when it is bound to dsDNA than when it is unbound.
Конформациялық ауысу
Кристалдық қатты дене дәстүрлі түрде өзгермейтін нәрсе ретінде қарастырылып келді, онда оның атомдық құрауыштардың қозғалысы тек тербеліс тепе-теңдігімен ғана шектелген. Графиттің алмазға айналуында көрінетіндей, қатты денеден қатты денеге өту физикалық немесе химиялық қысымның әсерінен пайда болуы мүмкін. Бір кристалдық құрылымнан екіншісіне өту кооперативтік түрде жүзеге асады деп ұсынылған. Осы зерттеулердің көп бөлігі органикалық немесе металл-органикалық құрылымдарды зерттеуге бағытталған. Макромолекулалық кристалдық өзгерулерді зерттеуге қоса, органикалық еріткіштердің әсерінен өз конформациясын өзгерте алатын жеке кристалдық молекулаларды зерттеулер де жүргізілуде. Органометалл кешенінің еріткіш буларына ұшырағанда немесе ұшырамағанда әртүрлі бағытта өзгеретіні көрсетілген.
Қоршаған ортаға қатысты қолдану
Қонақ-қожа жүйелері қоршаған ортадан зиянды материалдарды жою үшін қолданылған. Олар әртүрлі өлшемдерде және пішінде жасалып, түрлі химиялық қосылыстарды ұстауға мүмкіндік береді. Мысалы, p-трет-бутилкаликс[4]арен цезий ионын ұстай алады. Цезий-137 радиоактивті, сондықтан оны ядролық қалдықтардан тиімді жою қажеттігі бар. Қонақ-қожа химиясы канцерогендік ароматты аминдерді және олардың N-нитрозо туындыларын судан жою үшін де пайдаланылған. Бұл қалдықтар көптеген өнеркәсіптік процестерде қолданылады және пестицидтер, дәрілер мен косметика сияқты түрлі өнімдерде кездеседі.