Hóa học siêu phân tử là một lĩnh vực liên quan đến các hệ thống hóa học bao gồm các phân tử rời rạc dựa vào các tương tác không cộng hóa trị để tổ chức không gian. Không giống như hóa học truyền thống tập trung vào liên kết cộng hóa trị, hóa học siêu phân tử nhấn mạnh vào các tương tác giữa các phân tử yếu và thuận nghịch. Các lực này bao gồm liên kết hydro, phối hợp kim loại, lực kỵ nước, lực van der Waals và hiệu ứng tĩnh điện điện tử. Dựa trên nghiên cứu trong lĩnh vực này, có thể hiểu được nhiều quá trình sinh học quan trọng dựa vào những tương tác này để duy trì cấu trúc và chức năng.
Các khái niệm quan trọng trong hóa học siêu phân tử bao gồm sự tự lắp ráp phân tử, sự gấp nếp phân tử, nhận dạng phân tử, hóa học vật chủ-khách, cấu trúc phân tử liên kết cơ học và hóa học cộng hóa trị động.
Nguồn gốc của hóa học siêu phân tử có thể bắt nguồn từ năm 1873, khi Johannes Diderik van der Waals lần đầu tiên đề xuất sự tồn tại của lực liên phân tử. Sau đó, vào năm 1894, người đoạt giải Nobel Hermann Emile Fisher đã đề xuất mô hình "khóa và chìa khóa" của tương tác enzyme-cơ chất, mô hình này trở thành cơ sở cho nhận dạng phân tử và phản ứng hóa học giữa vật chủ và khách. Theo thời gian, các nhà khoa học dần dần cải thiện sự hiểu biết của họ về liên kết không cộng hóa trị, đặc biệt là vào những năm 1920, khi mô tả về liên kết hydro của Latimer và Rodbush đã nâng cao hơn nữa lĩnh vực này.
Năm 1987, ba nhà khoa học Donald J. Cram, Jean-Marie Leon và Charles J. Pedersen đã đoạt giải Nobel Hóa học vì sự phát triển và ứng dụng của họ trong các phân tử tương tác có cấu trúc cụ thể.
Tự lắp ráp phân tử đề cập đến sự lắp ráp tự phát của các phân tử thông qua các tương tác không cộng hóa trị mà không có sự hướng dẫn hoặc quản lý từ bên ngoài. Hiện tượng này không chỉ áp dụng cho sự hình thành các tổ hợp siêu phân tử mà còn liên quan đến quá trình gấp nếp của các đại phân tử sinh học. Tự lắp ráp cũng có thể xây dựng các cấu trúc lớn hơn, chẳng hạn như vi tế bào, màng và tinh thể lỏng, có ý nghĩa quan trọng đối với kỹ thuật tinh thể.
Nhận dạng phân tử đề cập đến sự liên kết cụ thể của phân tử khách với phân tử vật chủ bổ sung để tạo thành phức hợp vật chủ-khách. Quá trình này thường được sử dụng trong thiết kế cảm biến phân tử và chất xúc tác.
Có thể sử dụng khả năng nhận dạng phân tử và tự lắp ráp để sắp xếp trước các chất phản ứng nhằm đưa các vị trí phản ứng đến gần hơn nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng hóa học, đặc biệt là khi gặp phải các phản ứng khó xảy ra về mặt nhiệt động hoặc động học.
Cấu trúc phân tử liên kết cơ học bao gồm các phân tử được liên kết với nhau một cách đơn giản bằng cấu trúc liên kết. Việc tạo ra các cấu trúc như vậy thường dựa vào các tương tác không cộng hóa trị và các ví dụ bao gồm các phân tử được liên kết, phân tử quay và các nút thắt phân tử.
Máy móc phân tử đề cập đến các phân tử hoặc cụm phân tử có thể thực hiện các chức năng như chuyển động tuyến tính hoặc chuyển động quay. Khái niệm này chiếm một vị trí quan trọng trong hóa học siêu phân tử và công nghệ nano.
Hóa học siêu phân tử đã đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển các vật liệu mới, đặc biệt là thông qua quá trình tự lắp ráp phân tử, phương pháp tổng hợp từ dưới lên cho phép các nhà hóa học dễ dàng xây dựng các cấu trúc lớn.
Thiết kế chất xúc tác là một trong những ứng dụng chính của hóa học siêu phân tử, trong đó các tương tác không cộng hóa trị đóng vai trò chính trong sự liên kết của các chất phản ứng.
Thiết kế dựa trên hóa học siêu phân tử đã thúc đẩy việc tạo ra các vật liệu sinh học chức năng và tác nhân trị liệu, bao gồm protein, hệ thống vòng lớn và liên kết hydro dựa trên sự kết hợp siêu phân tử. Những vật liệu này đã cho thấy tiềm năng đáng kể trong y sinh.
Ở quy mô phân tử, hóa học siêu phân tử đã được sử dụng để chứng minh khả năng tính toán và chứng minh các thành phần sử dụng tín hiệu hóa học hoặc quang học có thể hỗ trợ việc lưu trữ và xử lý dữ liệu trong tương lai.
Do ảnh hưởng của hóa học siêu phân tử, nhiều ứng dụng công nghệ sinh học trong tương lai đã mở ra cánh cửa, thúc đẩy sự phát triển của các vật liệu và thuốc mới. Khi nghiên cứu tiếp tục, liệu hóa học siêu phân tử có thực sự thay đổi được bối cảnh công nghệ sinh học của chúng ta không?