Сторінка
1

Супрамолекулярна хімія

План

1. Перехід кількості в якість.

2. Класичні об'єкти супрахімії.

Подібно до того, як існує область молекулярної хімії, що ґрунтується на ковалентних зв'язках, існує й область супрамолекулярної хімії — хімії молекулярних ансамблів і міжмолекулярних сполук.

Ж.-М. Лен

Класична хімія, при всій розмаїтості й складності її об'єктів, здатна вмістити не все. Намагаючись з її допомогою змоделювати процеси, що відбуваються в живій природі, учені зазнали невдачі. Традиційним «лабораторним» молекулам не вистачає головного: вони не вміють самоорганізовуватися й розпізнавати інші частинки й молекули. А тим часом у живих організмах відбуваються хімічні реакції саме такого типу. Класичні приклади — утворення подвійної спіралі ДНК, розпізнавання рецепторами ферментів, реакції антиген — антитіло. Хімі­ки протягом довгого часу лише мріяли про щось подібне. З кінця 60-х років XX століття ситуація почала швидко змінюватися. Спочатку були відкриті молеку­ли, здатні до розпізнавання інших молекул, потім учені синтезували і сполуки, здатні до самоорганізації.

На межі 80—90-х років сформувалася нова область знань — «супрамолекулярна хімія». Вперше цей термін ввів у 1978 році лауреат Нобелівської премії Жан-Марі Лен, визначивши її як «хімію за межами молекули», «хімію молекулярних ансамблів і міжмолекулярних зв'язків» — тобто хімію, що вивчає речовини, утво­рені не ковалентними зв'язками, а міжмолекулярними взаємодіями (їх виявилася величезна кількість). Нова наука, власне, не зовсім хімія, оскільки знаходиться на стику хімії, фізики й біології. За її допомогою вдалося пояснити й змоделювати багато тонких процесів, що відбуваються в живій і неживій природі.

Супрамолекулярна хімія бурхливо розвивається: з 1980 року відбулося більше 25 міжнародних симпозіумів, семінарів і шкіл, присвячених різним її розділам, і схоже, що поки видно тільки верхівку айсберга.

ПЕРЕХІД КІЛЬКОСТІ В ЯКІСТЬ

Звичайно, цілий розділ хімії не міг виникнути за один день. Напевно, ще двісті років тому вчені спостерігали й описували об'єкти, які сьогодні називають гарним словом «супрамолекули». У 1906 році П. Ерліх фактично ввів поняття рецептора й субстрату, стверджуючи, що молекули не реагують одна з одною, якщо не вступають у якийсь зв'язок. Те, що зв'язування молекул відбувається вибірково, сформулював в 1894 році Е. Фішер: в основі молекулярного розпіз­навання лежить просторова і геометрична відповідність рецептора й субстрату. І нарешті, фундаментом нової науки стали знання, накопичені координаційною хімією. Як вважає Ж.-М. Лен, «супрамолекулярна хімія стоїть на трьох китах» — зв'язування, розпізнавання й координація.

Деякі інші поняття супрамолекулярної хімії також давно відомі. І все-таки для появи супрамолекулярної хімії як самостійної області повинна була склас­тися, образно кажучи, «революційна ситуація». У своїй книзі «Супрамолекуляр­на хімія», виданій в 1995 році, Ж.-М- Лен пише: «Для виникнення і бурхливого розвитку нової дисципліни потрібне поєднання трьох умов. По-перше, необхі­дним є визнання нової ідеї, що показує значення розрізнених і на перший погляд не пов'язаних спостережень і об'єднує їх у єдине ціле. По-друге, потрібні інструменти для вивчення об'єктів цієї області, і тут для супрамолекулярної хімії вирішальну роль зіграв розвиток сучасних фізичних методів дослідження структури та властивостей (ультрафіолетова і ядерно-магнітно-резонансна спе­ктроскопія, мас- і спектрометрія, рентгенівська дифракція та ін.), що дозволя­ють вивчати навіть порівняно рухливі супрамолекулярні ансамблі. По-третє, необхідною є готовність наукового товариства сприйняти нову ідею так, щоб нова дисципліна могла знайти відгук не тільки серед фахівців, що займаються безпосередньо нею, але й у близьких областях науки. Так трапилося і з супрамолекулярною хімією, наскільки можна судити за стрімкими темпами її розвитку й проникнення в інші дисципліни за останні 25 років».

Ж.-М. Лен розбив нову науку на дві широкі області, які, однак, частково перекривають одна одну. Перша — хімія молекулярних частинок, що виника­ють у результаті міжмолекулярного об'єднання декількох компонентів і будуються за принципом молекулярного розпізнавання. Друга — хімія полімолекулярних систем, що утворюються в результаті спонтанного об'єднання невизначеного числа компонентів із переходом у специфічну фазу, що має більш-менш чітко позначену мікроскопічну організацію і відповідні характеристики (це клітинні складові — мембрани, везикули та ін.).

Засновниками супрамолекулярної хімії вважають Ж.-М. Лена, а також Ч. Дж. Педерсена і Д. Дж. Крама. Головна заслуга цих видатних учених полягає в тому, що знання традиційної хімії, усе те, що вже було відомо нового ііро міжмоле­кулярні взаємодії, усю потужність сучасних фізичних методів досліджень вони об'єднали й спрямували на створення принципово нових хімічних об'єктів.

КЛАСИЧНІ ОБ'ЄКТИ СУПРАХІМІЇ

Супрамолекулярна хімія в тому вигляді, в якому ми її знаємо сьогодні, поча­лася з вивчення комплексів природних і синтетичних макроциклічних лігандів, краун-естерів і криптандів із катіонами лужних металів.

У 1967—1968 роках у журналі Американського хімічного товариства з'явилася серія статей Чарлза Педерсена. працюючого в компанії «Дюпон». Маловідомий вчений описав синтез нового типу сполук, які він одержав, намагаючись синтезу­вати інгібітори, що запобігають самоокисненню нафтових олій. У новій сполуці було кілька атомів Оксигену, зв'язаних містками СН2—СН2, що утворюють міцні комплекси з іонами лужних металів. Педерсенові здалося, що це схоже на корону, яка вінчає голову короля (поліестер ніби лежить на катіоні у вигляді корони). Тому він запропонував назвати їх краун-естерами (від англ. crown — корона). Загалом Педерсен одержав більше 60 поліестерів із числом атомів Оксигену від 4 до 20 і з розміром циклу від 12- до 60-членного. Комплекси металів із краун-естерами ста­ли першими добре вивченими об'єктами супрамолекулярної хімії.

Але найцікавішим виявився не синтез краун-естерів, а їхня здатність вибірково зв'язувати іони металів. Відповідно до принципу геометричної відповідновті, те, який саме іон зв'язується цим краун-естером, має залежати від розмірів і форм «го­стя» (іона) і порожнини «хазяїна» (макроциклу). Тепер учені знають, що залежність ця набагато складніша: на неї впливають не тільки геометричні, але й інші факто­ри, зокрема розчинник. Крім того, якщо порожнина для катіона занадто мала, то можуть утворюватися комплекси на зразок бутерброда, у яких катіон зв'язаний із двома молекулами краун-естеру. Якщо ж «хазяїн», навпаки, занадто великий, усе­редину нього можуть «проскочити» відразу два катіони.