Similar presentations:
Супрамолекулярная химия
1.
СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯХИМИЯ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ
Типы взаимодействий
Условия образования супрамолекулы
2.
Литература3.
4.
Супрамолекулярная химия:• Разработка высокоэффективных селективных реагентов и
катализаторов;
• Создание сенсоров различного типа;
• Синтез новых лекарственных препаратов;
• получение новых миниатюрных приборов для записи и
хранении информации
5.
Супрамолекулярнаяхимия – это «химия за
пределами молекулы»,
изучающая структуру и
функции
двух
ассоциаций
или
более
химических
частиц,
удерживаемых
вместе
межмолекулярными
силами (. Ж.-М. Лен)
6.
7.
Современное определениеСупрамолекулярная (надмолекулярная) химия (Supramolecular
chemistry) — междисциплинарная область науки, включающая
химические, физические и биологические аспекты рассмотрения
более сложных, чем молекулы, химических систем, связанных в
единое целое посредством межмолекулярных (нековалентных)
взаимодействий. (″химия за пределами молекулы″)
• объекты классической химии — молекулы
• объекты супрамолекулярной химии —
супермолекулы и их ансамбли
7
8.
• «Супермолекулы представляют собой по отношению к молекулам тоже, что молекулы по отношению к атомам, причем роль ковалентных
связей в супермолекулах играют межмолекулярные взаимодействия»
9.
Согласно Ж.-М. Лену, супрамолекулярную химию можно разделить 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 (хозяина и гостя – по другой терминологии) 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.
• Основные функции супермолекул: молекулярное распознавание,
превращение (катализ) и перенос.
10.
Природа супрамолекулярных взаимодействий11.
Ион-ионныевзаимодействия.
Структура хлорида
натрия
Схема образования координационных
связей в краун-эфире
12.
Диполь-дипольные взаимодействияДиполь-дипольные
взаимодействия
(энергия
связи
5–50
кДж/моль)
могут возникать при ориентации одного диполя относительно другого.
При этом притягиваются либо два полюса соседних молекул (I тип),
либо два диполя (II тип). Такое поведение характерно, в частности, для
органических
карбонильных
соединений.
13.
Катион- -взаимодействияВзаимодействия катионов щелочных и щелочноземельных металлов с
двойной
связью
С
С
=
носят
название
«катион-π-
взаимодействия» (энергия связи 5–80 кДж/моль). Они играют очень
важную
роль
в
биологических
системах.
14.
Рис. Схема образования комплексаазотсодержащего лиганда с мочевиной
за счёт водородных связей
Рис. Комплекс катиона
аммония с краун-эфиром
15.
Рис. Два основных типа - -стэкинг взаимодействия16.
Рис. структуры белка17.
18.
Рис. Наиболее известные рецепторы19.
Основные разновидности молекулхозяев20.
Рис. Основные классы соединений «хозяин –гость»
21.
Соединения-хозяева могут быть разделены на два главных класса всоответствии
с
топологической
взаимосвязью
между
хозяином
и гостем.
- Кавитандами
называются
молекулы-хозяева
с внутримолекулярными полостями.
Способность полости связывать молекулу-гостя в этом случае –
неотъемлемое свойство хозяина и проявляется как в твердом состоянии, так
и
в
растворе.
- Клатрандами
называют хозяев с межмолекулярными полостямизазорами между двумя или более молекулами хозяина, существующими
только в кристаллическом или твердом состоянии.
- Агрегат «хозяин – гость», образованный кавитандом, называют
кавитатом,
образованный
клатрандом
–
клатратом.
22.
23.
24.
Механизм образования супрамолекулГлавное - размер и форма или геометрическая комплементарность
(геометрическая и химическая взаимодополняемость) молекул, а не
их реакционная способность.
Химия типа «хозяин-гость»:
Размер полости хозяина
определяет размер
«желанного» гостя; чем точнее
соответствие «гость-хозяин»,
тем выше устойчивость
ансамбля.
24
25.
Механизм образования супрамолекул• Во всех супрамолекулярных системах рецептор (хозяин) содержит
молекулярные центры (точно так же как замок – замочную скважину),
нацеленные на селективное связывание определенного субстрата-«ключа»
(или «гостя»).
• В «супермолекулах» удерживание отдельных фрагментов происходит за счет
невалентных межмолекулярных взаимодействий, к которым относятся
водородные связи, электростатические силы и лиофильные-лиофобные
взаимодействия.
• Способность биологических молекул к самоорганизации и селективному
взаимодействию с другими частицами, называемая молекулярным
распознаванием основана на принципе “ключ-замок”. Причем каждому
замку соответствует строго определенный ключ.
25
26.
Процессы распознавания в супрамолекулярной химии итипы рецепторов
«молекулярное распознавание» Э. Фишер,1894 г. :
стерическое соответствие рецептор–субстрат по форме и
геометрии в виде образа «замочек–ключик»
27.
Условия образования супрамолекулы- Пространственная комплементарность, т.е. возможность субстрату
подойти к рецептору.
- Комплиментарность на уровне возможности осуществления
взаимодействия.
Так, если рецептор положительно заряжен, то субстрат должен обладать
отрицательным зарядом. Донор взаимодействует с акцептором, диполь - с
диполем.
- Стабильность молекулярных ансамблей. Поскольку
межмолекулярные
взаимодействия являются слабыми, то множественность
взаимодействий
обеспечивает прочность межмолекулярным ансамблям.
- Эффект растворителя. Важно учитывать эффект среды, поскольку
межмолекулярные связи не должны разрушаться при взаимодействии
со
средой.
28.
Геометрическое соответствие29.
Природное соответствие30.
Хелатный и макроциклический эффекты31.
Предорганизация32.
ПредорганизацияРецепторы делятся на эндорецепторы, втягивающие
субстрат внутрь
своей полости, и экзорецепторы, в которых связывающие
центры
находятся снаружи.
33.
34.
35.
36.
37.
ПОДАНДЫПодандами называются ациклические хозяева с
центрами связывания в виде подвесок.
Простейшие
поданды
–
ациклические
аналоги
краун-эфиров
38.
Лариат-эфирыЛариат-эфирами называют макроциклические
соединения краун-типа с подандной боковой цепью.
Лариат-эфиры, имеющие две подандные боковые цепи,
называют бибрахиальными.
39.
Криптанды40.
Сферанды и кавитандыРис. Предорганизованные структуры кавитанда (а) и сферанда (б)