Supercząsteczki i suprachemia - Wszechnica PAN

Gdy co najmniej dwie cząsteczki chemiczne się spotkają i pozostają złączone bez tworzenia wiązań chemicznych, to mówimy wówczas o powstaniu układu (kompleksu) supramolekularnego, a powstały twór nazywa się czasem supercząsteczką. Właściwości takich układów są niezwykle atrakcyjne dla rozmaitych zastosowań, a projektowanie ich i konstrukcje są dla chemika nader ciekawym zadaniem. Ta dziedzina chemii rozpoczęła intensywną fazę rozwoju około 40 lat temu a obecnie jest w fazie rozkwitu.
Głównym wątkiem wykładu będą supercząsteczki zawierające t.zw. wiązanie topologiczne. Możliwe są geometrycznie bardzo różne typy takich tworów, ale ich wspólną cechą charakterystyczną jest, że o sile związania składników nie decydują siły oddziaływania między nimi a energia najsłabszego wiązania w strukturze jednego z nich. Omówionymi przykładami będą katenany (cząsteczki powiązane jak ogniwa w łańcuchu), rotaksany (okrągła cząsteczka nanizana na łańcuch) oraz klatraty (cząsteczka gościa uwięziona w klatce gospodarza). Atrakcyjność zastosowań supercząsteczek wynika ze stosunkowo słabych oddziaływań między ich składnikami, które zachowują swoje charakterystyczne właściwości gdy są chwytane w kompleks i gdy z niego wychodzą. Przechowanie cząsteczek reaktywnych, wrażliwych na czynniki zewnętrzne, jest jednym z niezwykle ważnych pożytków i wykorzystywane jest na ogromną skalę. Każdy z nas n.p. zetknął się, prawdopodobnie wielokrotnie (choć o tym nie wiedząc), z lekami, środkami zapachowymi czy smakowymi związanymi w cyklodekstrynach – cząsteczkach o budowie pierścieniowej, produkowanych ze skrobi w specjalnych procesach fermentacyjnych. Dopuszczone do użytku w produktach
żywnościowych, lekach doustnych, w kosmetyce i wielu innych stanowią już rynek wartości ponad 500 mln USD rocznie, ze stałym trendem wzrostowym.
Przechowywanie naturalnego gazu (metanu) w wodnych klatkach zawiera ogromny zapas paliwa na przyszłość, paliwa zgromadzonego na dnie mórz.
Konstrukcje supercząsteczek, które mogą pełnić więcej niż jedną funkcję, np. związanie i przekształcenie chemiczne, albo związanie i transport, zbliża chemię do tworzenia urządzeń supramolekularnych tak, jak to czyni Natura w skomplikowanych układach biologicznych. Z tym, że układy syntetyczne nie są ograniczone do funkcjonowania w warunkach fizjologicznych, mo na zatem budować n.p. urządzenia sensorowe dostosowane do każdych
warunków, w których istnieją cząsteczki chemiczne.
Chemia supramolekularna wytwarza obiekty w skali nano, w tym nanokapsuły,
nanosensory, nanoreaktory chemiczne i jest pomostem między chemią a biologią
molekularną. Zaś perspektywy zastosowań praktycznych ograniczone są tylko wyobraźnią
projektanta.

dodane przez Wszechnica PAN