![]() |
|
сделать стартовой | добавить в избранное |
![]() |
Супрамолекулярная химия |
ОГЛАВЛЕНИЕ Cупрамолекулярная химия. Предыстория Исследования, заложившие основы супрамолекулярной химии История изучения некоторых типичных объектов супрамолекулярной химии Cовременное состояние и тенденции развития супрамолекулярной химии Проанализировано развитие области науки, называемой супрамолекулярной химией. Даны основные определения и понятия этой дисциплины. В историческом контексте рассмотрены исследования, заложившие основы супрамолекулярной химии. Приведены примеры некоторых ее типичных объектов – клатратов и циклодекстринов. Отмечается, что последние достижения в супрамолекулярной химии и наиболее перспективные области ее использования связаны с процессами самосборки и самоорганизации, которые, в частности, могут быть реализованы в супрамолекулярном синтезе и создании молекулярных и супрамолекулярных устройств. CУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ ХИМИЯ. ПРЕДЫСТОРИЯ Супрамолекулярная химия – одна из самых молодых и в то же время бурно развивающихся областей химии. За 25 – 30 лет своего существования она уже успела пройти ряд важных этапов, но в то же время основные идеи и понятия этой дисциплины еще не являются общеизвестными и общепринятыми. В предлагаемом обзоре мы стремились проследить развитие области науки, называемой супрамолекулярной химией, выявить наиболее удачные определения ее основных задач и важнейших понятий, а также обрисовать современное состояние и перспективы. Термин «супрамолекулярная химия» и основные понятия этой дисциплины были введены французским ученым Ж.-М. Леном в 1978 г. в рамках развития и обобщения более ранних работ (в частности, в 1973 г. в его трудах появился термин «супермолекула»). Супрамолекулярная химия определялась словами: «Подобно тому как существует область молекулярной химии, основанной на ковалентных связях, существует и область супрамолекулярной химии, химии молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей». Впоследствии это первое определение много раз переформулировалось. Пример другого определения, данного Леном: «супрамолекулярная химия – это «химия за пределами молекулы», изучающая структуру и функции ассоциаций двух или более химических частиц, удерживаемых вместе межмолекулярнымисилами» . Во многих случаях компоненты, образующие супрамолекулярные системы, можно называть (по аналогии с системами, рассматриваемыми в молекулярной биологии) молекулярными рецептором и субстратом, причем последний является меньшим по размеру компонентом, связывания которого и необходимо добиться . Для того чтобы адекватно описать химический объект, необходимо указать его элементы и типы связей между ними, а также пространственные (геометрические, топологические) характеристики. Объекты супрамолекулярной химии, супермолекулы, обладают такой же определенностью, как и составляющие их отдельные молекулы. Можно сказать, что «супермолекулы представляют собой по отношению к молекулам то же, что молекулы – по отношению к атомам, причем роль ковалентных связей в супермолекулах играют межмолекулярные взаимодействия» . Согласно Лену, супрамолекулярную химию можно разбить на две широкие, частично налагающиеся друг на друга области : – химию супермолекул – четко обозначенных олигомолекулярных частиц, возникающих в результате межмолекулярной ассоциации нескольких компонентов – рецептора и его субстрата (субстратов) и строящихся по принципу молекулярного распознавания; – химию молекулярных ансамблей – полимолекулярных систем, которые образуются в результате спонтанной ассоциации неопределенного числа компонентов с переходом в специфическую фазу, имеющую более или менее четко обозначенную микроскопическую организацию и зависимые от ее природы характеристики (например, клатраты, мембраны, везикулы, мицеллы).
Супрамолекулярные образования могут быть охарактеризованы пространственным расположением компонентов, их архитектурой, «супраструктурой», а также типами межмолекулярных взаимодействий, удерживающих компоненты вместе. Супрамолекулярные ансамбли обладают вполне определенными структурными, конформационными, термодинамическими, кинетическими и динамическими свойствами, в них могут быть выделены различные типы взаимодействий, различающиеся своей силой, направленностью, зависимостью от расстояний и углов: координационные взаимодействия с ионами металлов, электростатические силы, водородные связи, ван-дер-ваальсовы взаимодействия, донорно-акцепторные взаимодействия и т. д. Сила взаимодействий может варьировать в широком диапазоне, от слабых или умеренных, как при образовании водородных связей, до сильных и очень сильных, как при образовании координационных связей с металлом. Однако в целом межмолекулярные взаимодействия слабее, чем ковалентные связи, так что супрамолекулярные ассоциаты менее стабильны термодинамически, более лабильны кинетически и более гибки динамически, чем молекулы . Таким образом, супрамолекулярная химия охватывает и позволяет рассмотреть с единых позиций все виды молекулярных ассоциатов, от наименьшего возможного (димер) до наиболее крупных (организованных фаз) . При этом необходимо еще раз подчеркнуть, что объекты супрамолекулярной химии обязательно содержат части (подсистемы), не связанные ковалентно. Переход от молекулярной к супрамолекулярной химии Лен предложил иллюстрировать схемой, представленной на рис. 1 . Основные функции супермолекул: молекулярное распознавание, превращение (катализ) и перенос . Функциональные супермолекулы наряду с организованными полимолекулярными ансамблями и фазами могут быть использованы для создания молекулярных и супрамолекулярных устройств . Кроме Лена следует также назвать Ч. Дж. Педерсена и Д. Дж. Крама, работы и исследования которых сыграли важную роль в становлении супрамолекулярной химии. В 1987 г. эти трое ученых были удостоены Нобелевской премии по химии (за определяющий вклад в развитие химии макрогетероциклических соединений, способных избирательно образовывать молекулярные комплексы типа «хозяин-гость») . ИССЛЕДОВАНИЯ, ЗАЛОЖИВШИЕ ОСНОВЫ СУПРАМОЛЕКУЛЯРНОЙ ХИМИИ Истоки основных понятий супрамолекулярной химии можно найти в работах, выполненных еще в прошлом и самом начале нынешнего века. Так, П. Эрлих в 1906 г. фактически ввел понятия рецептора и субстрата, подчеркивая, что молекулы не реагируют друг с другом, если предварительно не вступают в определенную связь. Однако связывание должно быть не любым, а селективным. Это подчеркивал Э. Фишер еще в 1894 г. , сформулировав свой принцип «ключ – замок» – принцип, предполагающий, что в основе молекулярного распознавания лежит стерическое соответствие, геометрическая комплементарность рецептора и субстрата. Наконец, селективное связывание требует взаимодействия, сродства между партнерами, и корни этой идеи можно искать в трудах А. Вернера , что делает супрамолекулярную химию в этом отношении обобщением и развитием координационной химии.
Как считает Ж.-М. Лен, эти три понятия – фиксация (связывание), распознавание и координация – заложили фундамент супрамолекулярной химии . Некоторые другие понятия супрамолекулярной химии также давно известны. Даже термин «?bermolecule», т.е. супер-, или сверхмолекула, был введен уже в середине 30-х гг. нашего столетия для описания более высокого уровня организации, возникающего из-за ассоциации координационно насыщенных молекул (например, при образовании димера уксусной кислоты). Была хорошо известна важнейшая роль супрамолекулярной организации в биологии . Однако возникновение и развитие супрамолекулярной химии как самостоятельной области в системе химических наук произошло значительно позднее. Вот что пишет по этому поводу Ж.-М. Лен в своей книге : « для возникновения и бурного развития новой научной дисциплины требуется сочетание трех условий. Во-первых, необходимо признание новой парадигмы, показывающей значение разрозненных и на первый взгляд не связанных наблюдений, данных, результатов и объединяющей их в единое когерентное целое. Во-вторых, нужны инструменты для изучения объектов данной области, и здесь для супрамолекулярной химии решающую роль сыграло развитие современных физических методов исследования структуры и свойств (ИК-, УФ- и особенно ЯМР-спектроскопия, масс-спектрометрия, рентгеновская дифракция и др.), позволяющих изучать даже сравнительно лабильные супрамолекулярные ансамбли, характеризуемые низкоэнергетическими нековалентными взаимодействиями. В-третьих, необходима готовность научного сообщества воспринять новую парадигму так, чтобы новая дисциплина могла найти отклик не только среди занимающихся непосредственно ею специалистов, но и в близких (и не очень близких) областях науки. Так произошло и с супрамолекулярной химией, насколько можно судить по стремительным темпам ее развития и проникновения в другие дисциплины за последние 25 лет». По мнению Лена, « супрамолекулярная химия в том виде, в каком мы знаем ее сегодня, началась с изучения селективного связывания катионов щелочных металлов природными и синтетическими макроциклическими и макрополициклическими лигандами, краун-эфирами и криптандами» . Среди подобного рода природных соединений прежде всего следует указать на антибиотик валиномицин. Расшифровка его структуры в 1963 г., в которую большой вклад внесли советские ученые во главе с Ю. А. Овчинниковым , вышла далеко за рамки обычного открытия. Этот циклический депсипептид (он построен из остатков амино- и оксикислот, соединенных между собой амидными и сложноэфирными связями) оказался первым среди мембрано-активных комплексонов, или ионофоров. Такие названия отражают способность этих веществ давать комплексные соединения со щелочными катионами в растворах и переносить связанный катион через биологические мембраны. С открытием ионофоров стала реальной возможность целенаправленного регулирования ионных потоков в живых системах. За работы в области мембрано-активных комплексонов Овчинникову с сотрудниками в 1978 г. была присуждена Ленинская премия . Следующий важный этап в становлении супрамолекулярной химии связан с открытием Ч.
Это исторически первое понятие философии было тождественно научному знанию вообще, его целесообразно квалифицировать как "протознание" ("прана-ука", "преднаука"). Предмет "протознания" был тогда интегрированным (вернее - нерасчлененным или слабо расчлененным) предметом всех наук, т.е. это была вся действительность. Именно из этого "протознания" (а не из философии) и выделялись отдельные науки. Наука в целом как социальный институт, общепризнанный фактор культуры сформировалась в период с середины XV в. до конца XVTI в. Вторая половина XVII в. была завершающей фазой этого процесса. Обрели самостоятельность механика, астрономия и математика, хотя первые намеки на возможность их отпочкования обнаружились еще в послеклассический (эллинистический) период древности. Процесс превращения химии в науку происходил с начала второй половины XVII в. до последней четверти XVIII в. Отделение геологии произошло в конце XVIII - начале XIX в.; наука биология была создана в XIX в. В самостоятельную науку с середины XIX в. стала превращаться антропология
2. Природные душистые вещества и современная химия
5. Химия в современном естествознании
9. Достижения современной селекции
10. О вопросе клонирования в современном естествознании
11. Концепции современного естествознания
12. Современные средства поражения
13. Современная политическая карта мира - учебник 10 класса - Максаковский - 30 тестов
14. Модель экономического развития Южной Кореи на современном этапе
15. Экономика, география, политическое устройство и место в современной мировой экономике Южной Кореи
16. Основные тенденции, перспективы развития современного мирового хозяйства
17. Некоторые проблемы современных гидрологических исследований на Алтае
18. Комплексный анализ современных ландшафтов и их эволюции на территории Катангского плато
19. Концепция современного естествознания на тему "симметрия кристаллов"
21. Современные подходы к пониманию государства
25. Современная законодательная база Украины в области страхования
26. Реформа федеративных отношений в современной России
27. Местное самоуправление в России: история и современное правовое регулирование
28. Анализ современных моделей реформирования налоговой системы
29. Судебная реформа в Российском государстве на современном этапе
30. Римское право, его значение в истории правового развития человечества и в современной юриспруденции
31. Пенсионная реформа в РФ на современном этапе развития
32. Типология государств в рамках формационного подхода и их современная оценка
33. Основные правовые системы современного мира
34. Трудовой договор, его значение и особенности в современных экономических условиях
35. Финансовая политика России на современном этапе развития
36. Глобальные проблемы современности
41. Виды перевода в современном мире
42. Новообразования в языке современной немецкой рекламы
43. Народные традиции в современном костюме
44. Митьки в современном обществе
45. Кровоточащие и плачущие изображения с точки зрения современного естествознания
47. Европейские университеты: исторические традиции и современность
48. О некоторых проблемах современной английской лексикографии
50. Речевой этикет в современном русском языке
51. Роман Ивана Сергеевича Тургенева "Отцы и дети" в аспекте современного изучения классики
52. Образ учителя в современной литературе
53. Способы образования неологизмов в терминологии в современном французском языке
57. Г.Г. Маркес – поэт мифов, «Сто лет одиночества» – величайший миф современности
59. Лексико-семантическое поле "женщина" в современном английском языке
61. Авторское музыкальное самодеятельное творчество: история и современность
62. Тенденции развития филармонического искусства в современной России
63. Краткое содержание книги И. Тэна "Происхождение современной Франции"
65. В.М.Головнин: История и современность
66. О кризисе современной исторической науки
68. Проблемы современной Москвы
69. Современные сетевые и информационные технологии
73. Современные системные платы
74. Защита информации от несанкционированного доступа методом криптопреобразования /ГОСТ/
75. Проектирование и создание современного web-сайта
76. Современные программные средства электронного документооборота
77. Современные криптографические методы
79. Современные представления о медиаторах лихорадки и их роль в патологии
80. Эвтаназия, как проблема современной медицины
81. Современные гормональные противозачаточные препараты
83. Современные методы электрокардиостимуляции
84. Современные иммуномодуляторы
85. Современные антибиотики в практике семейного врача
89. Терроризм в современном мире
90. Множество преступлений в современном уголовном праве
91. Некоторые вопросы понятия потерпевшего в современном уголовном процессе Российской Федерации
92. Компьютер в современном офисе и его экологическая безопасность
93. Химия и экология
94. Международные природоохранные организации и их роль в современном мире
97. Экологические проблемы современности
98. Современные теории получения экологически чистой энергии