Language
Country/Area
No result found
Очарование супрамолекулярной химии: почему слабые связи между молекулами так важны?
В мире химии традиционная точка зрения обычно сосредоточена на прочных ковалентных связях. Однако супрамолекулярная химия изучает эти, казалось бы, слабые, но весьма влиятельные нековалентные взаимодействия. То, как эти слабые связи формируют сложность и разнообразие химических систем, открывает безграничные возможности для науки.
Супрамолекулярная химия — это область, изучающая химические системы, состоящие из конечного числа молекул, в которых прочность пространственной организации возникает за счет слабых межмолекулярных сил.
Прелесть супрамолекулярной химии заключается в том, что она изучает не только связи между молекулами, но и то, как эти связи влияют на структуру и функцию синтеза. Благодаря нековалентным взаимодействиям химики могут разрабатывать новые материалы, лекарства и устройства, имеющие важные области применения — от биомедицины до материаловедения.
История супрамолекулярной химии
Корни супрамолекулярной химии можно проследить до 19 века. В 1873 году Иоганнес Дидерик ван дер Ваальс предложил концепцию межмолекулярных сил, а лауреат Нобелевской премии Герман Эмиль Фишер в 1894 году описал «взаимодействие» между ферментами и субстратами. Взаимодействие «замка и ключа» лежит в основе основных принципов молекулярного распознавания.
Поскольку нековалентные взаимодействия становятся более понятными, ученые начинают подчеркивать их важность для биологических систем.
С постепенным пониманием нековалентных связей, таких как водородные связи, в начале 20 века развитие супрамолекулярной химии ускорилось. Открытие краун-эфиров Чарльзом Педерсеном в 1967 году раздвинуло границы химии и положило начало новому направлению исследований, кульминацией которых стало присуждение трем ученым Нобелевской премии в 1987 году за их вклад в супрамолекулярную химию. После этого в 2016 году разработка и синтез выдающихся молекулярных машин вновь привлекли внимание, и трое ученых совместно сформировали будущее супрамолекулярной химии.
Важные концепции
Молекулярная самосборка
Молекулярная самосборка — это процесс построения системы, который не требует внешнего руководства и направляет молекулярную сборку посредством нековалентных взаимодействий. Этот процесс можно далее разделить на межмолекулярную самосборку и внутримолекулярную самосборку. Первая приводит к образованию супрамолекулярных комбинаций, а вторая — к запутыванию или сворачиванию.
Молекулярное распознавание и координация
Молекулярное распознавание относится к специфическому связыванию одной молекулы с другой комплементарной молекулой с образованием комплекса хозяин-гость. Этот процесс имеет решающее значение для создания молекулярных датчиков и катализаторов.
Синтез на основе шаблонов
Супрамолекулярный катализ является частным случаем этого процесса, в котором для удержания активных центров реагентов вместе с целью облегчения химических реакций используются нековалентные связи. Этот процесс не только эффективен, но и снижает вероятность побочных реакций.
Механически связанная молекулярная архитектура
Гениальность этих структур заключается в том, что их формирование зависит исключительно от их топологии, а не от ковалентных связей. Катенаны, ротаксаны и молекулярные узлы являются типичными примерами механически связанных молекул.
Динамическая ковалентная химия
В этом процессе ковалентные связи обратимо разрываются и формируются под термодинамическим контролем. Нековалентные силы направляют систему к структуре с наименьшей энергией.
Биологическое моделирование
Многие синтетические супрамолекулярные системы разработаны для имитации функций биологических систем. Такие биомиметические архитектуры не только помогают понять биологические механизмы, но и способствуют развитию синтетических технологий.
Приложения
Технология материалов
Супрамолекулярная химия преуспевает в области материаловедения и технологии. Ее процесс самосборки применяется для разработки новых материалов. Строительство крупных структур часто требует меньшего количества шагов, что делает возможным метод синтеза нижнего уровня.
Конструкция катализатора
Одним из важных приложений супрамолекулярной химии является разработка катализаторов. Нековалентные взаимодействия играют решающую роль в связывании реагентов, что делает их по сути важными в исследованиях катализа.
Медицинские приложения
Разработка в этой области породила множество инноваций в функциональных биоматериалах и терапевтических технологиях, особенно демонстрирующих захватывающий потенциал в области высвобождения лекарственных средств и имитации функций биомолекул.
Хранение и обработка данных
Применение супрамолекулярной химии также включает вычислительные функции на молекулярном уровне, а технология хранения и обработки данных с помощью фотохимических или химических сигналов стремительно развивается.
Как супрамолекулярная химия может произвести дальнейшую революцию в нашем понимании и применении химии и использовать ее потенциал для новых технологических разработок?
