Введение

Супрамолекулярные структуры, удерживаемые вместе не ковалентными связями.
В супрамолекулярной химии химия хозяин-гость описывает комплексы, состоящие из двух или более молекул или ионов, связанных в уникальных структурных отношениях силами, отличными от сил полноценных ковалентных связей. Химия хозяин-гость охватывает идею молекулярного распознавания и взаимодействий посредством нековалентных связей. Нековалентные связи критически важны для поддержания трехмерной структуры крупных молекул, таких как белки, и участвуют во многих биологических процессах, в которых крупные молекулы специфически, но временно связываются друг с другом. Хотя нековалентные взаимодействия можно условно разделить на взаимодействия с преобладающим электростатическим или дисперсионным вкладом, выделяют несколько общепринятых типов нековалентных взаимодействий: ионные связи, водородные связи, силы Ван-дер-Ваальса и гидрофобные взаимодействия. Взаимодействие хозяин-гость привлекло значительное внимание с момента своего открытия. Это важная область, поскольку многие биологические процессы требуют взаимодействия хозяин-гость, и оно может быть полезно при создании некоторых материалов. Существует несколько типичных молекул-хозяев, таких как циклодекстрины, краун-эфиры и другие.

Самовосстанавливается

thumb|308x308px|Механизм самовосстановления при взаимодействии "хозяин-гость" а) с использованием малых молекул-гостей и б) с использованием полимерного "хозяина". Перерисовано из [источник].

Благодаря нековалентному взаимодействию "хозяин-гость", полимерная цепь может обладать достаточной гибкостью для диффузии. Если в материале возникает трещина, после сжатия двух частей материала вокруг трещины, благодаря быстрой рекомбинации молекулярной структуры "хозяин-гость", трещина снова закроется, демонстрируя хорошие самовосстанавливающиеся свойства. Харада и др. сообщили о самовосстанавливающемся гидрогеле, созданном на основе циклодекстрина, модифицированного винильной группой, и адамантана. Другая стратегия заключается в использовании взаимодействия между полимерной цепью и молекулой-"хозяином" (когда молекула-"хозяин" внедряется в полимерную цепь). Если процесс внедрения достаточно быстр, также можно добиться самовосстановления, в котором фосфор выступает в роли "гостя", взаимодействующего с "хозяином". Например, 4 производных фенилпиридина взаимодействовали с циклодекстрином (CB) и сополимеризовались с акриламидом. Полученный полимер демонстрирует время жизни фосфоресценции около 2 секунд. Кроме того, Чжу и др. использовали краун-эфир и ионы калия для модификации полимера и усиления эмиссии фосфоресценции.

Материалы, реагирующие на стимулы

Некоторые молекулы-гости являются заряженными соединениями, которые могут окисляться или восстанавливаться под воздействием определенных химических веществ. Этот тип молекул-гостей может проявлять редокс-чувствительность. Некоторые молекулы-хозяева (например, α-циклодекстрин) или молекулы-гости (например, тетрааммонийный ион) чувствительны к pH, различные значения pH могут приводить к образованию разных видов, что существенно влияет на поведение при связывании и наделяет материал pH-чувствительными свойствами. Некоторые молекулы-гости могут изменять свою конфигурацию под воздействием различного освещения, что делает материал фоточувствительным. Cai et al. использовали галогенную связь для создания системы "гость-хозяин", и полученные материалы обладают тепловой и механической чувствительностью, а также длительным послесвечением.

Шифрование

Система шифрования, созданная на основе пилар[5]арена, спиропирана и пентаненитрила (в свободном состоянии и привитом к полимеру), была разработана Ван и др. После УФ-облучения спиропиран превращается в мероцианин. При облучении материала видимым светом мероцианин, находящийся вблизи комплекса пилар[5]арена и свободного пентаненитрила, быстрее возвращается в форму спиропирана, тогда как мероцианин, находящийся вблизи комплекса пилар[5]арена и привитого пентаненитрила, трансформируется значительно медленнее. Данное превращение спиропирана в мероцианин и обратно может быть использовано для шифрования сообщений. Другой подход основан на использовании металлических каркасов и полициклических ароматических углеводородов. Различия в флуоресцентном излучении комплекса и каркасов позволяют шифровать информацию.

Механические свойства

Хотя некоторые взаимодействия между хозяином и гостем не отличаются высокой прочностью, увеличение интенсивности этих взаимодействий может улучшить механические свойства материалов. Например, нанизывание молекул-хозяев на полимерную цепь – одна из распространенных стратегий повышения механических свойств полимера. Отделение молекул-хозяев от полимера требует времени, что может служить механизмом диссипации энергии. Другой подход заключается в использовании взаимодействий хозяина и гостя с замедленной скоростью обмена. Хотя замедленный обмен и улучшает механические свойства, одновременно с этим снижаются самовосстанавливающиеся свойства материала.

Ощущение

Традиционно, химическое зондирование осуществлялось с использованием системы, содержащей индикатор, ковалентно связанный с рецептором через линкер. После связывания аналита индикатор изменяет цвет или флуоресцирует. Этот метод называется подходом «индикатор-спейсер-рецептор» (ISR). В отличие от ISR, анализ вытеснения индикатора (IDA) использует нековалентное взаимодействие между рецептором (хозяином), индикатором и аналитом (гостем). Подобно ISR, IDA также использует колориметрические (C IDA) и флуоресцентные (F IDA) индикаторы. В анализе IDA рецептор инкубируется с индикатором. При добавлении аналита в смесь индикатор высвобождается в окружающую среду. После высвобождения индикатор либо изменяет цвет (C IDA), либо флуоресцирует (F IDA). Изображение|300px|right|Типы хемосенсоров. (1.) Индикатор-спейсер-рецептор (ISR) (2.) Анализ вытеснения индикатора (IDA)

IDA предлагает несколько преимуществ по сравнению с традиционным подходом химического зондирования ISR. Во-первых, он не требует ковалентной связи индикатора с рецептором. Во-вторых, поскольку ковалентной связи нет, с одним и тем же рецептором можно использовать различные индикаторы. В-третьих, разнообразна среда, в которой может применяться анализ. Изображение|175px|left|Индикаторы анализа вытеснения индикатора. (1.) Азур A (2.) Тиазоловый оранжевый

Методы химического зондирования, такие как C IDA, имеют биологическое значение. Например, протамин – это коагулянт, который обычно вводят после кардиопульмональной хирургии для нейтрализации антикоагулянтной активности гепарина. Для количественного определения протамина в образцах плазмы используется колориметрический анализ вытеснения. Краситель Азур A имеет синий цвет в несвязанном состоянии, но становится фиолетовым при связывании с гепарином. Связывание между Азуром A и гепарином слабое и обратимое. Это позволяет протамину вытеснять Азур A. После высвобождения краситель приобретает фиолетовый цвет. Степень вытеснения красителя пропорциональна количеству протамина в плазме. F IDA был использован Квалчиковски и его коллегами для мониторинга активности геликаз в E. coli. В этом исследовании они использовали тиазоловый оранжевый в качестве индикатора. Геликаза раскручивает двухцепочечную ДНК (dsDNA) для образования одноцепочечной ДНК (ssDNA). Интенсивность флуоресценции тиазолового оранжевого выше для двухцепочечной ДНК, чем для одноцепочечной ДНК, и увеличивается при связывании с двухцепочечной ДНК по сравнению с несвязанным состоянием.

Конформационная переключение

Кристаллическое твердое вещество традиционно рассматривалось как статичная система, в которой движения его атомных компонентов ограничены колебаниями вокруг положения равновесия. Как показывает трансформация графита в алмаз, превращение одного твердого вещества в другое может происходить под воздействием физического или химического давления. Предполагается, что переход из одной кристаллической структуры в другую происходит кооперативно. Большинство этих исследований были сосредоточены на изучении органических или металлоорганических каркасов. Помимо исследований превращения кристаллических макромолекул, существуют также исследования отдельных молекул, образующих монокристаллы, которые могут изменять свою конформацию в присутствии органических растворителей. Показано, что органометаллический комплекс может изменять свою ориентацию в зависимости от воздействия паров растворителя.

Применение в окружающей среде

Системы "хозяин-гость" используются для удаления опасных веществ из окружающей среды. Они могут быть изготовлены в различных размерах и формах для захвата широкого спектра химических соединений-гостей. Одним из примеров применения является способность п-трет-бутилкаликса[4]арена захватывать ионы цезия. Цезий-137 радиоактивен, и существует необходимость в эффективном удалении его из ядерных отходов. Химия "хозяин-гость" также применяется для удаления канцерогенных ароматических аминов и их N-нитрозопроизводных из воды. Эти отходы используются во многих промышленных процессах и содержатся в различных продуктах, таких как пестициды, лекарственные препараты и косметика.