Hóa học siêu phân tử là một lĩnh vực khoa học vượt ra ngoài các hạt mà tập trung vào các hệ thống khoa học được tạo thành từ một số lượng rời rạc của các tiểu đơn vị hoặc thành phần được lắp ráp. Các lực chịu trách nhiệm về tổ chức không gian có thể từ yếu (liên kết tĩnh điện hoặc hydro) đến mạnh (liên kết cộng hóa trị) với điều kiện là mức độ liên hệ điện tử giữa các thành phần phân tử vẫn nhỏ so với các thông số năng lượng tương ứng của chất.
Khái niệm quan trọng
Trong khi hóa học thông thường tập trung vào liên kết cộng hóa trị, hóa học siêu phân tử khám phá các tương tác không cộng hóa trị yếu hơn và thuận nghịch giữa các phân tử. Các lực này bao gồm liên kết hydro, phối trí kim loại, bộ van der Waals kỵ nước và hiệu ứng tĩnh điện.
Các khái niệm quan trọng đã được chứng minh bằng cách sử dụng nàycác ngành bao gồm tự lắp ráp từng phần, gấp, nhận dạng, chủ-khách, kiến trúc kết hợp cơ học và khoa học cộng hóa trị động. Việc nghiên cứu các loại tương tác không cộng hóa trị trong hóa học siêu phân tử là rất quan trọng để hiểu được nhiều quá trình sinh học từ cấu trúc tế bào đến thị lực dựa vào các lực này. Các hệ thống sinh học thường là nguồn cảm hứng cho nghiên cứu. Siêu phân tử là đối với phân tử và liên kết giữa các phân tử, cũng như các hạt với nguyên tử và tiếp tuyến cộng hóa trị.
Lịch sử
Sự tồn tại của lực liên phân tử được Johannes Diederik van der Waals đưa ra lần đầu tiên vào năm 1873. Tuy nhiên, người đoạt giải Nobel Hermann Emil Fischer đã phát triển nguồn gốc triết học của hóa học siêu phân tử. Năm 1894, Fisher đề xuất rằng tương tác enzym-cơ chất có dạng "khóa và chìa khóa", các nguyên tắc cơ bản của nhận dạng phân tử và hóa học vật chủ - khách. Vào đầu thế kỷ 20, các liên kết không cộng hóa trị đã được nghiên cứu chi tiết hơn, với liên kết hydro được Latimer và Rodebush mô tả vào năm 1920.
Việc sử dụng các nguyên tắc này đã giúp hiểu sâu hơn về cấu trúc protein và các quá trình sinh học khác. Ví dụ, một bước đột phá quan trọng giúp làm sáng tỏ cấu trúc chuỗi xoắn kép từ DNA đã xảy ra khi người ta thấy rõ rằng có hai chuỗi nucleotide riêng biệt được kết nối thông qua liên kết hydro. Việc sử dụng các mối quan hệ không cộng hóa trị là cần thiết để sao chép vì chúng cho phép các sợi được tách ra và được sử dụng làm khuôn mẫu cho một sợi mới. DNA sợi kép. Đồng thời, các nhà hóa học bắt đầu nhận ra và nghiên cứu các cấu trúc tổng hợp dựa trên các tương tác không cộng hóa trị, chẳng hạn như các mixen và vi nhũ tương.
Cuối cùng, các nhà hóa học đã có thể lấy những khái niệm này và áp dụng chúng vào các hệ thống tổng hợp. Một bước đột phá đã xảy ra vào những năm 1960 - sự tổng hợp của các vương miện (ete theo Charles Pedersen). Sau công trình này, các nhà nghiên cứu khác như Donald J. Crum, Jean-Marie Lehn, và Fritz Vogtl đã trở nên tích cực trong việc tổng hợp các thụ thể chọn lọc hình thức-ion, và trong suốt những năm 1980, nghiên cứu trong lĩnh vực này đã đạt được động lực. Các nhà khoa học đã làm việc với các khái niệm như sự liên kết cơ học của kiến trúc phân tử.
Vào những năm 90, hóa học siêu phân tử thậm chí còn trở nên khó khăn hơn. Các nhà nghiên cứu như James Fraser Stoddart đã phát triển cơ chế phân tử và cấu trúc tự tổ chức rất phức tạp, trong khi Itamar Wilner nghiên cứu và tạo ra các cảm biến và phương pháp tương tác điện tử và sinh học. Trong thời kỳ này, các mô-típ quang hóa được tích hợp vào các hệ thống siêu phân tử để tăng chức năng, nghiên cứu bắt đầu về giao tiếp tự tái tạo tổng hợp và tiếp tục nghiên cứu các thiết bị xử lý thông tin phân tử. Khoa học ngày càng phát triển của công nghệ nano cũng có tác động mạnh mẽ đến chủ đề này, tạo ra các khối xây dựng như fullerenes (hóa học siêu phân tử), hạt nano và dendrimers. Chúng tham gia vào các hệ thống tổng hợp.
Kiểm soát
Hóa học siêu phân tử giải quyết các tương tác tinh vi, và do đó kiểm soát các quá trình liên quancó thể yêu cầu độ chính xác cao. Đặc biệt, các liên kết không cộng hóa trị có năng lượng thấp và thường không có đủ năng lượng để hoạt hóa, để hình thành. Như phương trình Arrhenius cho thấy, điều này có nghĩa là, không giống như hóa học hình thành liên kết cộng hóa trị, tốc độ tạo không tăng ở nhiệt độ cao hơn. Trên thực tế, các phương trình cân bằng hóa học cho thấy rằng năng lượng thấp dẫn đến sự chuyển dịch theo hướng phá hủy các phức chất siêu phân tử ở nhiệt độ cao hơn.
Tuy nhiên, mức độ thấp cũng có thể tạo ra vấn đề cho các quá trình như vậy. Hóa học siêu phân tử (UDC 541–544) có thể yêu cầu các phân tử bị bóp méo thành các dạng bất lợi về mặt nhiệt động lực học (ví dụ, trong quá trình "tổng hợp" các rotaxan có hiện tượng trượt). Và nó có thể bao gồm một số khoa học cộng hóa trị phù hợp với điều trên. Ngoài ra, bản chất động lực học của hóa học siêu phân tử được sử dụng nhiều trong cơ học. Và chỉ có làm mát mới làm chậm quá trình này.
Vì vậy, nhiệt động lực học là một công cụ quan trọng để thiết kế, điều khiển và nghiên cứu hóa học siêu phân tử trong các hệ thống sống. Có lẽ ví dụ nổi bật nhất là các sinh vật máu nóng, hoàn toàn ngừng hoạt động bên ngoài một phạm vi nhiệt độ rất hẹp.
Quả cầu môi trường
Môi trường phân tử xung quanh một hệ thống siêu phân tử cũng có tầm quan trọng hàng đầu đối với hoạt động và sự ổn định của nó. Nhiều dung môi có liên kết hydro mạnh, tĩnh điệnđặc tính và khả năng truyền điện tích, và do đó chúng có thể đi vào trạng thái cân bằng phức tạp với hệ, thậm chí phá hủy hoàn toàn các phức chất. Vì lý do này, việc lựa chọn dung môi có thể rất quan trọng.
Tự lắp ráp phân tử
Đây là xây dựng hệ thống mà không có hướng dẫn hoặc kiểm soát từ nguồn bên ngoài (ngoài việc cung cấp môi trường phù hợp). Các phân tử được hướng đến sự thu thập thông qua các tương tác không cộng hóa trị. Tự lắp ráp có thể được chia nhỏ thành liên phân tử và nội phân tử. Hành động này cũng cho phép xây dựng các cấu trúc lớn hơn như mixen, màng, túi, tinh thể lỏng. Điều này rất quan trọng đối với kỹ thuật pha lê.
MP và độ phức tạp
Nhận dạng phân tử là sự liên kết cụ thể của một hạt khách với một vật chủ bổ sung. Thường thì việc xác định đó là loài nào và đâu là "khách" dường như là tùy ý. Các phân tử có thể xác định nhau bằng cách sử dụng tương tác không cộng hóa trị. Các ứng dụng chính trong lĩnh vực này là thiết kế cảm biến và xúc tác.
Tổng hợp được hướng dẫn theo mẫu
Sự nhận biết và tự lắp ráp phân tử có thể được sử dụng với các chất phản ứng để sắp xếp trước một hệ thống phản ứng hóa học (để tạo thành một hoặc nhiều liên kết cộng hóa trị). Đây có thể coi là một trường hợp đặc biệt của xúc tác siêu phân tử.
Liên kết không cộng hóa trị giữa các chất phản ứng và "ma trận" giữ các vị trí phản ứng gần nhau, thúc đẩy hóa học mong muốn. Phương pháp nàyđặc biệt hữu ích trong các tình huống mà hình dạng phản ứng mong muốn là không thể xảy ra về mặt nhiệt động lực học hoặc động học, chẳng hạn như trong sản xuất các bánh xe lớn. Sự tự tổ chức trước trong hóa học siêu phân tử này cũng phục vụ các mục đích như giảm thiểu phản ứng phụ, giảm năng lượng hoạt hóa và thu được hóa học lập thể mong muốn.
Sau khi quá trình kết thúc, mẫu có thể vẫn ở nguyên vị trí, bị loại bỏ một cách cưỡng bức hoặc "tự động" được hoàn thiện do các đặc tính nhận dạng sản phẩm khác nhau. Mô hình có thể đơn giản như một ion kim loại đơn lẻ hoặc cực kỳ phức tạp.
Các kiến trúc phân tử liên kết với nhau về mặt cơ học
Chúng được tạo thành từ các phần tử chỉ được kết nối như một hệ quả của cấu trúc liên kết của chúng. Một số tương tác không cộng hóa trị có thể tồn tại giữa các thành phần khác nhau (thường là những tương tác được sử dụng trong việc xây dựng hệ thống), nhưng liên kết cộng hóa trị không tồn tại. Khoa học - hóa học siêu phân tử, đặc biệt là tổng hợp theo hướng ma trận, là chìa khóa để tạo ra hợp chất hiệu quả. Ví dụ về các kiến trúc phân tử liên kết với nhau về mặt cơ học bao gồm các phân tử, rotaxan, nút thắt, vòng Borromean và rãnh.
Hóa học cộng hóa trị động
Trong đó các liên kết bị phá hủy và hình thành theo phản ứng thuận nghịch dưới sự kiểm soát nhiệt động lực học. Trong khi các liên kết cộng hóa trị là chìa khóa của quá trình, hệ thống được điều khiển bởi các lực không cộng hóa trị để tạo thành các cấu trúc năng lượng thấp nhất.
Mô phỏng sinh học
Nhiều siêu phân tử tổng hợpcác hệ thống được thiết kế để sao chép các chức năng của các quả cầu sinh học. Các kiến trúc phỏng sinh học này có thể được sử dụng để nghiên cứu cả mô hình và việc thực hiện tổng hợp. Ví dụ bao gồm quang điện hóa, hệ thống xúc tác, kỹ thuật protein và tự sao chép.
Kỹ thuật phân tử
Đây là các cụm lắp ráp từng phần có thể thực hiện các chức năng như chuyển động thẳng hoặc quay, chuyển đổi và kẹp chặt. Những thiết bị này tồn tại ở ranh giới giữa hóa học siêu phân tử và công nghệ nano, và các nguyên mẫu đã được chứng minh bằng cách sử dụng các khái niệm tương tự. Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart và Bernard L. Feringa cùng nhận giải Nobel Hóa học năm 2016 cho việc thiết kế và tổng hợp máy phân tử.
Macrocycles
Macrocycles rất hữu ích trong hóa học siêu phân tử vì chúng cung cấp toàn bộ các khoang có thể bao quanh hoàn toàn các phân tử khách và được sửa đổi về mặt hóa học để tinh chỉnh các đặc tính của chúng.
Cyclodextrin, calixarenes, bầu bí và ete vương miện dễ dàng tổng hợp với số lượng lớn và do đó thuận tiện để sử dụng trong hệ thống siêu phân tử. Các cyclophanes và cryptand phức tạp hơn có thể được tổng hợp để cung cấp các thuộc tính nhận dạng riêng lẻ.
Vòng kim loại siêu phân tử là những tập hợp đa vòng với các ion kim loại trong vòng, thường được hình thành từ các môđun góc và môđun tuyến tính. Các hình dạng vòng tròn kim loại phổ biến trong các loại ứng dụng này bao gồm hình tam giác, hình vuông vàngũ giác, mỗi ngũ giác có các nhóm chức năng kết nối các bộ phận thông qua "tự lắp ráp".
Metallacrowns là các siêu vòng sao được tạo ra bằng cách tiếp cận tương tự với các vòng chelate hợp nhất.
Hóa học siêu phân tử: vật thể
Nhiều hệ thống như vậy yêu cầu các thành phần của chúng phải có khoảng cách phù hợp và sự phù hợp so với nhau, và do đó cần có các đơn vị cấu trúc dễ sử dụng.
Thông thường, chất đệm và nhóm kết nối bao gồm polyester, biphenyls và triphenyls và chuỗi alkyl đơn giản. Hóa học để tạo ra và kết hợp các thiết bị này được hiểu rất rõ.
Bề mặt có thể được sử dụng như giàn giáo để sắp xếp các hệ thống phức tạp và để giao tiếp điện hóa với các điện cực. Các bề mặt thông thường có thể được sử dụng để tạo các lớp đơn và các khối tự lắp ghép nhiều lớp.
Sự hiểu biết về tương tác giữa các phân tử trong chất rắn đã trải qua một thời kỳ phục hưng đáng kể do sự đóng góp của các kỹ thuật tính toán và thí nghiệm khác nhau trong thập kỷ qua. Điều này bao gồm các nghiên cứu áp suất cao trong chất rắn và kết tinh tại chỗ của các hợp chất là chất lỏng ở nhiệt độ phòng, cùng với việc sử dụng phân tích mật độ điện tử, dự đoán cấu trúc tinh thể và tính toán DFT trạng thái rắn để cho phép hiểu định lượng về bản chất, năng lượng và cấu trúc liên kết.
Đơn vị hoạt động điện hóa quang
Porphyrin và phthalocyanines có khả năng điều tiết caonăng lượng quang hóa, cũng như tiềm năng hình thành phức hợp.
Nhóm quang sắc và quang hóa có khả năng thay đổi hình dạng và đặc tính của chúng khi tiếp xúc với ánh sáng.
TTF và quinon có nhiều hơn một trạng thái oxy hóa ổn định và do đó có thể được chuyển đổi bằng cách sử dụng hóa học khử hoặc khoa học điện tử. Các đơn vị khác như dẫn xuất benzidine, nhóm viologen và fulleren cũng đã được sử dụng trong các thiết bị siêu phân tử.
Đơn vị có nguồn gốc sinh học
Sự phức hợp cực kỳ mạnh mẽ giữa avidin và biotin thúc đẩy quá trình đông máu và được sử dụng như một mô-típ nhận biết để tạo ra các hệ thống tổng hợp.
Sự liên kết của các enzym với các đồng yếu tố của chúng đã được sử dụng như một lộ trình để thu được các hạt đã biến đổi, tiếp xúc điện và thậm chí có thể chụp ảnh. DNA được sử dụng như một đơn vị cấu trúc và chức năng trong hệ thống siêu phân tử tổng hợp.
Công nghệ Vật liệu
Hóa học siêu phân tử đã tìm thấy nhiều ứng dụng, đặc biệt, quá trình tự lắp ráp phân tử đã được tạo ra để phát triển các vật liệu mới. Có thể dễ dàng tiếp cận các cấu trúc lớn bằng quy trình từ dưới lên, vì chúng được tạo thành từ các phân tử nhỏ cần ít bước tổng hợp hơn. Do đó, hầu hết các phương pháp tiếp cận công nghệ nano đều dựa trên hóa học siêu phân tử.
Xúc tác
Chính sự phát triển và hiểu biết của họ là ứng dụng chính của hóa học siêu phân tử. Tương tác không cộng hóa trị là cực kỳ quan trọng trongxúc tác bằng cách liên kết các chất phản ứng trong các cấu trúc phù hợp với phản ứng và hạ thấp năng lượng ở trạng thái chuyển tiếp. Tổng hợp theo hướng tiêu bản là một trường hợp cụ thể của quá trình siêu phân tử. Các hệ thống đóng gói như mixen, dendrimers và cavitand cũng được sử dụng trong xúc tác để tạo ra môi trường vi mô phù hợp cho các phản ứng xảy ra mà không thể sử dụng ở quy mô vĩ mô.
Thuốc
Phương pháp dựa trên hóa học siêu phân tử đã dẫn đến nhiều ứng dụng trong việc tạo ra các vật liệu sinh học chức năng và phương pháp điều trị. Họ cung cấp một loạt các nền tảng mô-đun và tổng quát hóa với các đặc tính cơ học, hóa học và sinh học có thể tùy chỉnh. Chúng bao gồm các hệ thống dựa trên sự lắp ráp peptit, các chu trình vĩ mô của vật chủ, các liên kết hydro có ái lực cao và các tương tác kim loại-phối tử.
Phương pháp siêu phân tử đã được sử dụng rộng rãi để tạo ra các kênh ion nhân tạo để vận chuyển natri và kali vào và ra khỏi tế bào.
Hóa học như vậy cũng rất quan trọng đối với sự phát triển của các liệu pháp dược phẩm mới bằng cách hiểu được các tương tác của vị trí liên kết thuốc. Lĩnh vực phân phối thuốc cũng đạt được những bước tiến quan trọng do kết quả của quá trình hóa học siêu phân tử. Nó cung cấp cơ chế đóng gói và phát hành có mục tiêu. Ngoài ra, các hệ thống như vậy đã được thiết kế để phá vỡ sự tương tác giữa protein với protein rất quan trọng đối với chức năng tế bào.
Hiệu ứng mẫu và hóa học siêu phân tử
Trong khoa học, phản ứng mẫu là bất kỳ loại hành động dựa trên phối tử nào. Chúng xảy ra giữa hai hoặc nhiều vị trí phối trí liền kề trên tâm kim loại. Các thuật ngữ "hiệu ứng khuôn mẫu" và "tự lắp ráp" trong hóa học siêu phân tử chủ yếu được sử dụng trong khoa học phối hợp. Nhưng trong trường hợp không có ion, các thuốc thử hữu cơ giống nhau sẽ cho các sản phẩm khác nhau. Đây là hiệu ứng khuôn mẫu trong hóa học siêu phân tử.
