Введение

Супрамолекулярная химия — это область химии, изучающая химические системы, состоящие из определенного числа молекул. Сила взаимодействий, ответственных за пространственную организацию системы, варьируется от слабых межмолекулярных сил, электростатического взаимодействия или водородных связей до сильных ковалентных связей, при условии, что величина электронной связи остается малой по сравнению с энергетическими параметрами компонентов. В то время как традиционная химия фокусируется на ковалентной связи, супрамолекулярная химия исследует более слабые и обратимые нековалентные взаимодействия между молекулами. К этим взаимодействиям относятся водородные связи, координационные связи с металлами, гидрофобные силы, силы Ван-дер-Ваальса, π-π взаимодействия и электростатические эффекты. Важными концепциями, развитыми супрамолекулярной химией, являются молекулярная самосборка, молекулярное сворачивание, молекулярное распознавание, химия хозяин-гость, механически взаимосвязанные молекулярные архитектуры и динамическая ковалентная химия. Изучение нековалентных взаимодействий имеет решающее значение для понимания многих биологических процессов, которые зависят от этих сил для поддержания структуры и функции. Биологические системы часто служат источником вдохновения для супрамолекулярных исследований.

История

Существование межмолекулярных сил впервые было постулировано Йоханнесом Дидериком ван дер Ваальсом в 1873 году. Однако нобелевский лауреат Герман Эмиль Фишер заложил философские основы супрамолекулярной химии. В 1894 году Фишер предположил, что взаимодействие фермента и субстрата происходит по принципу "замка и ключа", что стало фундаментальным принципом молекулярного распознавания и химии хозяина и гостя. В начале XX века нековалентные связи стали изучаться все более детально, а водородная связь была описана Латимером и Родебушем в 1920 году. Использование этих принципов привело к углублению понимания структуры белков и других биологических процессов. Например, важный прорыв, позволивший установить двойную спиральную структуру ДНК, произошел, когда стало ясно, что две отдельные цепи нуклеотидов соединены водородными связями. Нековалентные связи необходимы для репликации, поскольку они позволяют разделять цепи и использовать их в качестве матрицы для синтеза новой двухцепочечной ДНК. Параллельно химики начали изучать и синтезировать структуры, основанные на нековалентных взаимодействиях, такие как мицеллы и микроэмульсии. В конечном итоге, химики смогли применить эти концепции к синтетическим системам. Прорыв произошел в 1960-х годах с синтезом краун-эфиров Чарльзом Дж. Педерсеном. После этой работы другие исследователи, такие как Дональд Дж. Крам, Жан-Мари Лен и Фриц Вёгтле, активно занимались синтезом рецепторов, избирательных по форме и ионам, а в 1980-х годах исследования в этой области быстро развивались, появились такие концепции, как механически взаимосвязанные молекулярные архитектуры. Значимость супрамолекулярной химии была признана присуждением Нобелевской премии по химии в 1987 году Дональду Дж. Краму, Жан-Мари Лену и Чарльзу Дж. Педерсену за их вклад в эту область. Особенно важным достижением было развитие селективных комплексов "хозяин-гость", в которых молекула-хозяин распознает и избирательно связывает определенную молекулу-гостя. В 1990-х годах супрамолекулярная химия стала еще более сложной, исследователи, такие как Джеймс Фрейзер Стоддарт, разрабатывали молекулярные машины и высококомплексные самособирающиеся структуры, а Итамар Вильнер – сенсоры и методы электронного и биологического интерфейса. В этот период электрохимические и фотохимические фрагменты были интегрированы в супрамолекулярные системы для повышения их функциональности, начались исследования систем синтетического самовоспроизведения и разработка устройств для молекулярной обработки информации. Развивающаяся наука о нанотехнологиях также оказала сильное влияние на эту область, и такие строительные блоки, как фуллерены, наночастицы и дендримеры, стали использоваться в синтетических системах.

Термодинамика

Супрамолекулярные комплексы образуются в результате нековалентных взаимодействий между двумя химическими фрагментами, которые можно описать как хозяин и гость. Чаще всего взаимодействующие виды удерживаются вместе водородными связями. Из определения исключаются соединения, образованные электростатическими взаимодействиями, которые называются ионными парами. В растворе хозяин H, гость G и комплексы HpGq находятся в равновесии друг с другом. В простейшем случае, когда p=q=1, равновесие можно записать как:

Значение константы равновесия K для этой реакции, в принципе, может быть определено любым из методов, описанных ниже. Некоторые примеры приведены в следующей таблице. В качестве примера приводится макроциклическое кольцо с 4 протонированными атомами азота, инкапсулирующее анион хлорида; иллюстрации данных ИТК и кривая титрования воспроизведены в Steed&Atwood (стр. 15–16). Было обнаружено, что значение константы равновесия и стехиометрия образующихся видов сильно зависят от растворителя. При использовании растворов нитрометана были получены значения ΔH = 8,55 кДж/моль и ΔS = 9,1 Дж/(К·моль).

Окружающая среда

Молекулярная среда, окружающая сверхмолекулярную систему, также имеет первостепенное значение для ее функционирования и стабильности. Многие растворители обладают выраженными способностями к образованию водородных связей, электростатическому взаимодействию и переносу заряда, и поэтому способны вступать со системой в сложные равновесия, вплоть до полного разрушения комплексов. По этой причине выбор растворителя может быть решающим.

Молекулярная самосборка

Молекулярная самосборка – это создание систем без внешнего руководства или управления (за исключением обеспечения подходящей среды). Молекулы направляются к самоорганизации посредством нековалентных взаимодействий. Самосборку можно разделить на межмолекулярную самосборку (для формирования супрамолекулярных структур) и внутримолекулярную самосборку (или сворачивание, как демонстрируют фолдамеры и полипептиды). Молекулярная самосборка также позволяет создавать более крупные структуры, такие как мицеллы, мембраны, везикулы и жидкие кристаллы, и играет важную роль в кристаллической инженерии.

Молекулярное распознавание и комплексация

Молекулярное распознавание – это специфическое связывание молекулы-гостя с комплементарной молекулой-хозяином с образованием комплекса хозяин-гость. Зачастую определение того, какой вид является "хозяином", а какой – "гостем", является произвольным. Молекулы способны идентифицировать друг друга посредством нековалентных взаимодействий. Ключевыми областями применения этого направления являются создание молекулярных сенсоров и катализ.

Синтез, направленный на шаблон

Молекулярное распознавание и самосборка могут быть использованы с реакционноспособными частицами для предварительной организации системы для химической реакции (с образованием одной или нескольких ковалентных связей). Это можно рассматривать как частный случай супрамолекулярного катализа. Нековалентные связи между реагентами и "шаблоном" удерживают реакционные центры реагентов вблизи друг от друга, облегчая желаемую реакцию. Этот подход особенно полезен в случаях, когда желаемая реакционная конформация термодинамически или кинетически маловероятна, например, при синтезе крупных макроциклов. Такая предварительная организация также позволяет минимизировать побочные реакции, снизить энергию активации реакции и получить желаемую стереохимию. После завершения реакции шаблон может оставаться на месте, быть удален принудительно или "автоматически" диссоциировать из-за различных распознающих свойств продукта реакции. Шаблон может быть таким же простым, как один ион металла, или чрезвычайно сложным.

Механически взаимосвязанные молекулярные архитектуры

Механически взаимосвязанные молекулярные архитектуры состоят из молекул, связанных исключительно за счет своей топологии. Между различными компонентами могут существовать некоторые нековалентные взаимодействия (часто те, которые использовались при создании системы), но ковалентных связей нет. Супрамолекулярная химия, и особенно синтез с использованием матрицы, играет ключевую роль в эффективном синтезе этих соединений. Примеры механически взаимосвязанных молекулярных архитектур включают катенаны, ротаксаны, молекулярные узлы, молекулярные кольца Борромея и равели.

Динамическая ковалентная химия

В динамической ковалентной химии ковалентные связи разрываются и формируются в обратимой реакции под термодинамическим контролем. Хотя ковалентные связи играют ключевую роль в этом процессе, система направляется нековалентными взаимодействиями к образованию структур с минимальной энергией.

Биомиметика

Многие синтетические супрамолекулярные системы создаются для воспроизведения функций биологических систем. Эти биомиметические архитектуры позволяют изучать как биологический оригинал, так и синтетическую реализацию. Примеры включают фотоэлектрохимические системы, каталитические системы, разработку белков и саморепликацию.

Отпечатка

Молекулярный импринтинг – это процесс создания матрицы из небольших молекул с использованием подходящего молекулярного соединения в качестве шаблона. После создания шаблона его удаляют, оставляя только матрицу. Шаблон, используемый для создания матрицы, может незначительно отличаться от молекулы-гостя, к которой готовая матрица проявляет сродство. В простейшем варианте импринтинг использует только стерические взаимодействия, однако в более сложных системах также применяются водородные связи и другие взаимодействия для повышения прочности и специфичности связывания.

Молекулярные машины

Молекулярные машины – это молекулы или молекулярные комплексы, способные выполнять такие функции, как линейное или вращательное движение, переключение и улавливание. Эти устройства находятся на стыке супрамолекулярной химии и нанотехнологий, а прототипы были созданы на основе супрамолекулярных концепций. Жан-Пьер Соваж, сэр Дж. Фрейзер Стоддарт и Бернард Л. Феринга были удостоены Нобелевской премии по химии в 2016 году за «разработку и синтез молекулярных машин».

Строительные блоки

Супрамолекулярные системы редко разрабатываются, исходя из фундаментальных принципов. Чаще химики располагают набором хорошо изученных структурных и функциональных блоков, которые они используют для построения более сложных функциональных архитектур. Многие из этих блоков представлены целыми семействами подобных соединений, из которых можно выбрать аналог с требуемыми свойствами.

Мотивы для синтетического распознавания

Взаимодействие переноса заряда π-π между бипиридинием и диоксиаренами или диаминоаренами широко используется для создания механически взаимосвязанных систем и в кристаллической инженерии. Использование связывания с помощью краун-эфиров с металлами или аммониевыми катионами является повсеместным в супрамолекулярной химии. Происходит образование димеров карбоновых кислот и других простых взаимодействий посредством водородных связей. Комплексация бипиридинов или терпиридинов с рутением, серебром или другими ионами металлов чрезвычайно полезна при создании сложных архитектур, состоящих из множества отдельных молекул. Комплексация порфиринов или фталоцианинов вокруг ионов металлов обеспечивает доступ к каталитическим, фотохимическим и электрохимическим свойствам, помимо самой комплексации. Природа широко использует эти элементы.

Макроциклы

Макроциклы широко используются в супрамолекулярной химии, поскольку они образуют полости, способные полностью охватывать молекулы-гости, и могут быть химически модифицированы для точной настройки их свойств. Циклодекстрины, каликсарены, кукурбитурилы и краун-эфиры легко синтезируются в больших количествах, что делает их удобными для применения в супрамолекулярных системах. Для обеспечения более специфических свойств распознавания могут быть синтезированы более сложные циклофаны и криптанды. Супрамолекулярные металлоциклы – это макроциклические агрегаты, содержащие ионы металлов в цикле, часто формируемые из угловых и линейных модулей. Наиболее распространенные формы металлоциклов в подобных приложениях – треугольники, квадраты и пятиугольники, каждый из которых несет функциональные группы, соединяющие фрагменты посредством "самосборки". Металлокороны – это металломакроциклы, получаемые аналогичным методом самосборки из конденсированных хелатных циклов.

Структурные единицы

Многие сверхмолекулярные системы требуют, чтобы их компоненты имели подходящее взаимное расположение и конформацию, поэтому необходимы легко применимые структурные элементы. Обычно используемые спейсеры и соединительные группы включают полиэфирные цепи, бифенилы и трифенилы, а также простые алкильные цепи. Химия создания и соединения этих элементов хорошо изучена. Наночастицы, наностержни, фуллерены и дендримеры предоставляют структурные и инкапсулирующие элементы нанометрового размера. Поверхности могут использоваться в качестве каркасов для построения сложных систем, а также для организации взаимодействия электрохимических систем с электродами. Регулярные поверхности могут быть использованы для создания самособирающихся монослоев и многослойных структур. Понимание межмолекулярных взаимодействий в твердых телах значительно расширилось за последнее десятилетие благодаря новым экспериментальным и вычислительным методам. Это включает исследования при высоком давлении в твердых телах и кристаллизацию соединений, которые являются жидкостями при комнатной температуре, а также использование анализа электронной плотности, предсказания кристаллической структуры и расчетов DFT для твердого тела, что позволяет количественно оценить природу, энергетику и топологические свойства, связанные с такими взаимодействиями в кристаллах.

Фотохимически и электрохимически активные агрегаты

Порфирины и фталоцианины обладают высоко настраиваемой фотохимической и электрохимической активностью, а также способностью образовывать комплексы. Фотохромные и фотоизомеризуемые группы могут изменять свою форму и свойства, включая свойства связывания, под воздействием света. Тетратиофулвален (ТТФ) и хиноны имеют несколько устойчивых степеней окисления и, следовательно, могут использоваться в окислительно-восстановительных реакциях и электрохимии. Другие фрагменты, такие как производные бензидина, виогены и фуллерены, полезны в сверхмолекулярных электрохимических устройствах.

Биологически полученные единицы

Чрезвычайно прочная комплексообразование между авидином и биотином играет ключевую роль в свертывании крови и используется как распознающий мотив при создании синтетических систем. Связывание ферментов с их кофакторами применялось для получения модифицированных ферментов, ферментов с электрическим контактом и даже фотопереключаемых ферментов. ДНК используется как структурный и функциональный элемент в синтетических супрамолекулярных системах.

Технология материалов

Супрамолекулярная химия нашла множество применений, в частности, процессы молекулярной самосборки используются при разработке новых материалов. Большие структуры легко получить, используя синтез снизу вверх, поскольку они состоят из небольших молекул, синтез которых требует меньше стадий. Таким образом, большинство подходов к нанотехнологиям, основанных на синтезе снизу вверх, базируются на супрамолекулярной химии. Многие интеллектуальные материалы основаны на молекулярном узнавании.

Катализ

Основным применением сверхмолекулярной химии является разработка и понимание катализаторов и катализа. Нековалентные взаимодействия чрезвычайно важны в катализе, поскольку они связывают реагенты в конформации, благоприятные для протекания реакции, и снижают энергию переходного состояния. Синтез, направляемый шаблоном, является частным случаем сверхмолекулярного катализа. Системы инкапсулирования, такие как мицеллы, дендримеры и кавитанды, также используются в катализе для создания микроокружения, подходящего для протекания реакций (или стадий реакций), которое невозможно реализовать в макроскопическом масштабе.

Медицина

Дизайн, основанный на супрамолекулярной химии, привел к многочисленным применениям в создании функциональных биоматериалов и терапевтических средств. Супрамолекулярные биоматериалы предоставляют ряд модульных и универсальных платформ с регулируемыми механическими, химическими и биологическими свойствами. К ним относятся системы, основанные на супрамолекулярной сборке пептидов, макроциклах «хозяин-гость», высокоаффинных водородных связях и взаимодействиях металл-лиганд. Супрамолекулярный подход широко используется для создания искусственных ионных каналов для транспорта ионов натрия и калия внутрь и наружу клеток. Супрамолекулярная химия также играет важную роль в разработке новых фармацевтических препаратов, благодаря пониманию взаимодействий в месте связывания лекарства. Область доставки лекарств также добилась значительного прогресса благодаря супрамолекулярной химии, обеспечивающей инкапсуляцию и механизмы целевого высвобождения. Кроме того, супрамолекулярные системы были разработаны для нарушения белок-белковых взаимодействий, важных для клеточной функции.

Хранение и обработка данных

Супрамолекулярная химия использовалась для демонстрации вычислительных функций в молекулярном масштабе. Во многих случаях в этих компонентах использовались фотонные или химические сигналы, но электрическое подключение этих элементов также было продемонстрировано с помощью устройств супрамолекулярной передачи сигналов. Хранение данных осуществлялось с использованием молекулярных переключателей с фотохромными и фотоизомеризуемыми фрагментами, электрохромными и окислительно-восстановительными переключателями, и даже за счет молекулярного движения. Синтетические молекулярные логические элементы были продемонстрированы на концептуальном уровне. Даже полномасштабные вычисления были выполнены полусинтетическими ДНК-компьютерами.