Супрамолекулярная химия (стр. 3 )

Супрамолекулярная химия — следующий шаг в направлении услож­нения изучаемых систем от молекул к супермолекулам и организованным полимолекулярным системам, удерживаемым вместе нековалентными взаимодействиями.

Супрамолекулярная химия — своеобразная молекулярная социология. Нековалентные взаимодействия определяют связи между компонентами и реакции между ними, другими словами, — поведение молекулярных ин­дивидуумов и популяций: социальную и "классовую" структуру организо­ванного сообщества индивидуумов, его устойчивость и хрупкость, стрем­ление индивидуумов к объединению и обособлению, их избирательность, "эффективное сродство", способность узнавать друг друга, их динамику, напряжения, движения и переориентацию, их взаимодействия, взаимо­влияние и взаимные превращения, а также подвижность или жесткость границ между объединениями и кастами.

Взаимодействия молекул лежат в основе высокоспецифических процес­сов распознавания, реагирования, транспорта, регуляции — процессов, встречающихся в биологических системах. К числу таких процессов относятся связывание субстрата с белком-рецептором, ферментативные реакции, образование мультипротеиновых комплексов, иммунологическая ассоциация антиген — антитело, матричный биосинтез, трансляция и транскрипция генетического кода, регуляция экспрессии генов белками, взаимодейству­ющими с ДНК, проникновение вируса в клетку, передача нервного импуль­са нейротрансмиттерами, распознавание на клеточном уровне и т. д. Со­здание искусственных, абиотических систем, обладающих высокой селек­тивностью и эффективностью, требует умения правильно манипулировать энергетикой и стереохимией нековалентных, межмолекулярных сил (элект­ростатических взаимодействий, водородных связей, ван-дер-ваальсовых сил и т. д.) в пределах определенной молекулярной архитектуры. Стремясь к этой цели, химик черпает вдохновение в биологических объектах, показыва­ющих, насколько высокие эффективность, селективность и скорость процес­сов могут быть реально достигнуты. В то же время круг объектов химии шире, чем биологии; она способна создавать новые виды и изобретать новые процессы.

Супрамолекулярная химия — в высшей степени междисциплинарная область науки, включающая химические, физические, биологические аспек­ты рассмотрения более сложных, чем молекулы, химических систем, связан­ных в единое целое посредством межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий. Эта сравнительно молодая область оформилась как само­стоятельное, целостное и одновременно хорошо структурированное направ­ление со своими концепциями. Корнями Супрамолекулярная химия уходит: в органическую химию — науку о синтезе молекул; в координационную химию, изучающую комплексы ион металла — лиганд; в физическую химию, экспериментально и теоретически изучающую взаимодействия; в биохимию, рассматривающую биологические процессы, каждый из которых начинается с распознавания и связывания субстрата; в материаловедение и науку о механических свойствах твердых тел. Отличительная особенность супрамолекулярной химии — широкий спектр возможностей, открыва­ющихся из-за взаимообогащения и "перекрестного опыления" химии, био­логии, физики. Охватывая разнообразные явления из различных обла­стей — от физики организованных конденсированных фаз до биологии больших молекулярных ансамблей. Супрамолекулярная химия вырастает до супрамолекулярной науки. Столь широкие горизонты не могут не волно­вать творческое воображение химика.

Итак, Супрамолекулярная химия стремительно расширяет границы хи­мической науки до физических и биологических явлений.

В любой области науки новое связано со старым. Как глубоко уходят корни супрамолекулярной химии? Может быть, следует начать с работ Пауля Эрлиха, который провозгласил, что молекулы не реагируют друг с другом, если не вступают в связь, тем самым, введя понятие рецептора. Однако связывание должно быть не любым, а селективным. Это подчеркивал Эмиль Фишер еще в 1894 г., сформулировав очень образный прославленный принцип "ключ — за­мок" — принцип, предполагающий, что в основе молекулярного распозна­вания лежат стерическое соответствие, геометрическая комплементарность рецептора и субстрата. Наконец, селективное связывание требует взаимо­действия, сродства между партнерами, и корни этой идеи можно искать в теории координации, предложенной Альфредом Вернером, что дела­ет супрамолекулярную химию в этом отношении обобщением и развитием координационной химии.

Эти три понятия — фиксация (связывание), распознавание и коор­динация — заложили фундамент супрамолекулярной химии. Почему же тогда потребовалось так много времени для ее рождения? Молекулярные ассоциаты были известны и изучались уже давно. Даже термин сверхмолекула был предложен еще в середине 30-х годов нашего столетия для описания более высокого уровня организации, возника­ющего из-за ассоциации координационно насыщенных молекул (например, при образовании димера уксусной кислоты). Была хорошо известна важнейшая роль супрамолекулярной организации в биологии. Однако для возникновения и бурного развития новой научной дисциплины требует­ся сочетание, по крайней мере, трех условий. Во-первых, необходимо при­знание новой парадигмы, показывающей значение разрозненных и, на первый взгляд, несвязанных наблюдений, данных, результатов и объединя­ющей их в единое когерентное целое. Во-вторых, нужны инструменты для изучения объектов данной области, и здесь для супрамолекулярной химии решающую роль сыграло развитие современных физических методов иссле­дования структуры и свойств (ИК-, УФ - и, особенно, ЯМР-спектроскопия, масс-спектрометрия, рентгеновская дифракция и др.), позволяющих изучать даже сравнительно лабильные супрамолекулярные ансамбли, характеризуе­мые низкоэнергетическими нековалентными взаимодействиями. В-третьих, необходима готовность научного сообщества воспринять новую парадигму, чтобы новая дисциплина могла найти отклик не только среди занимающихся непосредственно ею специалистов, но и в близких (и не очень близких) областях науки. Короче, новая наука заявляет о себе тогда, когда ее возникновение кажется очевидным, как "Эврика!". Так произошло и с супрамолекулярной химией, насколько можно судить по стремительным темпам ее развития и проникновения в другие дисциплины за последние 25 лет.

2.1 Понятия и язык супрамолекулярной химии

Собственный язык химии создается словарным запасом химических и структурных формул молекул и синтаксическими конструкциями их вза­имных превращений. Он описывает осязаемую реальность; это — "овещест­вление" слова и текста, его символы выгравированы в материи.

По мере того как возникает, растет и становится все более зрелой новая область науки, она вырабатывает свои основные понятия и создает свою новую терминологию, для того чтобы называть эти понятия, определять их и описывать объекты, лежащие в их основе.

Выделение понятий и создание для них терминов играет очень важную роль не только в оформлении новой области науки, но и в активизации творческого воображения исследователя. Для полета воображения бывает достаточно одного "волшебного", удачно подобранного слова. Удачный тер­мин сам стимулирует развитие понятия.

Любое определение имеет ясное крепкое ядро, но часто размытые границы там, где начинается взаимопроникновение и взаимопересечение понятий. Эта размытость границ также играет в действительности положительную роль, поскольку именно она часто способствует взаимному обогащению и "перекрестному опылению" различных областей науки. Все сказанное, безусловно, приложимо к супрамолекулярной химии и ее языку.

Супрамолекулярная химия в том виде, в каком мы знаем ее сегодня, началась с изучения селективного связывания катионов щелочных металлов природными и синтетическими макроциклическими и макро-полициклическими лигандами, краун-эфирами и криптандами. Область исследований расширялась, что привело к осознанию молекулярного распознавания как новой области химических иссле­дований, которая, поставив в центр внимания межмолекулярные взаимо­действия и процессы в общем, распространившись на целый спектр смежных областей, выросла в супрамолекулярную химию.

Термин "супрамолекулярная химия" и основные понятия этой дис­циплины были введены в 1978 г. в рамках раз­вития и обобщения более ранних работ, в которых уже было заложено это зерно. Супрамолекулярная химия определялась в них следу­ющим образом: "Подобно тому, как существует область молекулярной химии, основанной на ковалентных связях, существует и область супрамо­лекулярной химии, химии молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей"

Впоследствии это первое определение много раз переформулировалось по различным поводам. Один из примеров — определение супрамолекулярной химии как "химии за пределами молекулы", изучающей организован­ные ансамбли более высокого уровня сложности, такие как ассоциаты двух (и более) молекул, удерживаемые межмолекулярными силами.

Постепенно становились все более очевидными широта и объединяющая сила нового понятия, так что в последние годы супрамолекулярная химия переживает период бурного, взрывоподобного развития, о чем можно судить по количеству лабораторий, начинающих работать по данной проблематике, результаты исследований которых отражаются в стремительном росте числа публикаций, книг, журналов, совещаний и симпозиумов.

Таким образом, супрамолекулярная химия в результате своего развития превратилась в когерентный и чрезвычайно жизнеспособный организм, со своими понятиями и объектами исследования, постоянно расширяющий круг своих задач и включающий новые области науки. Был выработан специаль­ный язык, который, несмотря на то, что все еще остается далеко не совер­шенным и не до конца разработанным, начинает получать все большее распространение. Некоторые из терминов этого языка были заимствованы из других, ранее возникших дисциплин, в особенности из координационной химии и биологии.

Для того чтобы определить химические объекты, необходимо указать составляющие их элементы и типы связей между элементами, а также пространственные (геометрические, топологические) характеристики. Объекты супрамолекулярной химии, супермолекулы, обладают такой же определенностью, как и составляющие их отдельные молекулы. Можно сказать, что "супермолекулы представляют собой по отношению к молекулам то же, что молеку­лы по отношению к атомам, причем роль ковалентных связей в супермоле­кулах играют межмолекулярные взаимодействия" Таким обра­зом, супермолекулы представляют собой следующий уровень сложности организации материи, после элементарных частиц, ядер, атомов и молекул. Проводя параллели с языком, можно сказать, что атомы, молекулы и супермолекулы — это "буквы", "слова" и "предложения" языка химии!