Kimia supramolekul adalah bidang ilmu yang melampaui partikel yang berfokus pada sistem ilmiah yang terdiri dari sejumlah subunit atau komponen rakitan yang terpisah. Gaya yang bertanggung jawab untuk organisasi spasial dapat berkisar dari lemah (ikatan elektrostatik atau hidrogen) hingga kuat (ikatan kovalen) asalkan tingkat hubungan elektronik antara komponen molekul tetap kecil dalam kaitannya dengan parameter energi yang sesuai dari zat tersebut.
Konsep penting
Sementara kimia konvensional berfokus pada ikatan kovalen, kimia supramolekul mengeksplorasi interaksi non-kovalen antar molekul yang lebih lemah dan dapat dibalik. Gaya-gaya ini termasuk ikatan hidrogen, koordinasi logam, himpunan van der Waals hidrofobik, dan efek elektrostatik.
Konsep penting yang didemonstrasikan menggunakan inidisiplin ilmu termasuk perakitan mandiri parsial, pelipatan, pengenalan, tuan rumah-tamu, arsitektur yang digabungkan secara mekanis, dan ilmu kovalen dinamis. Studi tentang jenis interaksi non-kovalen dalam kimia supramolekul sangat penting untuk memahami banyak proses biologis dari struktur seluler hingga penglihatan yang bergantung pada kekuatan ini. Sistem biologis sering menjadi sumber inspirasi untuk penelitian. Supermolekul adalah untuk molekul dan ikatan antarmolekul, seperti partikel untuk atom, dan tangensial kovalen.
Sejarah
Keberadaan gaya antarmolekul pertama kali didalilkan oleh Johannes Diederik van der Waals pada tahun 1873. Namun, peraih Nobel Hermann Emil Fischer mengembangkan akar filosofis kimia supramolekul. Pada tahun 1894, Fisher menyarankan bahwa interaksi enzim-substrat mengambil bentuk "gembok dan kunci", prinsip-prinsip dasar pengenalan molekul dan kimia tuan rumah-tamu. Pada awal abad ke-20, ikatan non-kovalen dipelajari secara lebih rinci, dengan ikatan hidrogen yang dijelaskan oleh Latimer dan Rodebush pada tahun 1920.
Penggunaan prinsip-prinsip ini telah menghasilkan pemahaman yang lebih dalam tentang struktur protein dan proses biologis lainnya. Misalnya, terobosan penting yang memungkinkan penjelasan struktur heliks ganda dari DNA terjadi ketika menjadi jelas bahwa ada dua untai nukleotida terpisah yang terhubung melalui ikatan hidrogen. Penggunaan hubungan non-kovalen sangat penting untuk replikasi karena memungkinkan untaian untuk dipisahkan dan digunakan sebagai cetakan untuk yang baru. DNA untai ganda. Secara bersamaan, ahli kimia mulai mengenali dan mempelajari struktur sintetis berdasarkan interaksi non-kovalen, seperti misel dan mikroemulsi.
Akhirnya, ahli kimia dapat mengambil konsep ini dan menerapkannya pada sistem sintetis. Sebuah terobosan terjadi pada 1960-an - sintesis mahkota (eter menurut Charles Pedersen). Setelah pekerjaan ini, peneliti lain seperti Donald J. Crum, Jean-Marie Lehn, dan Fritz Vogtl menjadi aktif dalam sintesis reseptor selektif ion bentuk, dan selama tahun 1980-an, penelitian di bidang ini mendapatkan momentum. Para ilmuwan bekerja dengan konsep-konsep seperti interlocking mekanis dari arsitektur molekul.
Pada tahun 90-an, kimia supramolekul menjadi lebih bermasalah. Para peneliti seperti James Fraser Stoddart mengembangkan mekanisme molekuler dan struktur pengorganisasian diri yang sangat kompleks, sementara Itamar Wilner mempelajari dan menciptakan sensor dan metode untuk interaksi elektronik dan biologis. Selama periode ini, motif fotokimia diintegrasikan ke dalam sistem supramolekul untuk meningkatkan fungsionalitas, penelitian dimulai pada komunikasi yang mereplikasi diri secara sintetis, dan pekerjaan dilanjutkan pada perangkat untuk memproses informasi molekuler. Ilmu nanoteknologi berkembang juga memiliki dampak yang kuat pada topik ini, menciptakan blok bangunan seperti fullerene (kimia supramolekul), nanopartikel, dan dendrimer. Mereka berpartisipasi dalam sistem sintetis.
Kontrol
Kimia supramolekul berhubungan dengan interaksi halus, dan karena itu mengontrol proses yang terlibatmungkin membutuhkan ketelitian yang tinggi. Secara khusus, ikatan non-kovalen memiliki energi yang rendah, dan seringkali tidak ada cukup energi untuk aktivasi, untuk pembentukan. Seperti yang ditunjukkan persamaan Arrhenius, ini berarti bahwa, tidak seperti kimia pembentuk ikatan kovalen, laju pembentukan tidak meningkat pada suhu yang lebih tinggi. Faktanya, persamaan kesetimbangan kimia menunjukkan bahwa energi rendah menyebabkan pergeseran menuju penghancuran kompleks supramolekul pada suhu yang lebih tinggi.
Namun, derajat rendah juga dapat menimbulkan masalah untuk proses tersebut. Kimia supramolekul (UDC 541–544) mungkin memerlukan molekul yang terdistorsi menjadi konformasi termodinamika yang tidak menguntungkan (misalnya, selama "sintesis" rotaxanes dengan slip). Dan itu mungkin termasuk beberapa ilmu kovalen yang konsisten dengan di atas. Selain itu, sifat dinamis kimia supramolekul digunakan dalam banyak mekanika. Dan hanya pendinginan yang akan memperlambat proses ini.
Dengan demikian, termodinamika adalah alat penting untuk merancang, mengontrol, dan mempelajari kimia supramolekul dalam sistem kehidupan. Mungkin contoh yang paling mencolok adalah organisme biologis berdarah panas, yang benar-benar berhenti bekerja di luar kisaran suhu yang sangat sempit.
Lingkungan lingkungan
Lingkungan molekuler di sekitar sistem supramolekul juga sangat penting untuk operasi dan stabilitasnya. Banyak pelarut memiliki ikatan hidrogen yang kuat, elektrostatiksifat dan kemampuan untuk mentransfer muatan, dan karena itu mereka dapat memasuki kesetimbangan kompleks dengan sistem, bahkan menghancurkan kompleks sepenuhnya. Untuk alasan ini, pemilihan pelarut menjadi sangat penting.
Perakitan sendiri molekul
Ini adalah membangun sistem tanpa bimbingan atau kontrol dari sumber luar (selain untuk menyediakan lingkungan yang tepat). Molekul diarahkan untuk pengumpulan melalui interaksi non-kovalen. Self-assembly dapat dibagi menjadi antarmolekul dan intramolekul. Tindakan ini juga memungkinkan pembangunan struktur yang lebih besar seperti misel, membran, vesikel, kristal cair. Ini penting untuk rekayasa kristal.
MP dan kompleksasi
Pengenalan molekuler adalah pengikatan spesifik partikel tamu ke host komplementer. Seringkali definisi spesies mana itu dan mana "tamu" tampaknya sewenang-wenang. Molekul dapat mengidentifikasi satu sama lain menggunakan interaksi non-kovalen. Aplikasi utama di area ini adalah desain sensor dan katalisis.
Sintesis Sutradara Template
Pengenalan molekuler dan self-assembly dapat digunakan dengan zat reaktif untuk mengatur sistem reaksi kimia (untuk membentuk satu atau lebih ikatan kovalen). Ini dapat dianggap sebagai kasus khusus dari katalisis supramolekul.
Ikatan non-kovalen antara reaktan dan "matriks" menjaga lokasi reaksi tetap berdekatan, mempromosikan kimia yang diinginkan. Metode inisangat berguna dalam situasi di mana konformasi reaksi yang diinginkan secara termodinamika atau kinetik tidak mungkin, seperti dalam produksi makrosiklus besar. Pengorganisasian pra-diri dalam kimia supramolekul ini juga memiliki tujuan seperti meminimalkan reaksi samping, menurunkan energi aktivasi, dan memperoleh stereokimia yang diinginkan.
Setelah proses berlalu, pola mungkin tetap di tempatnya, dihapus secara paksa, atau "otomatis" didekomplekskan karena berbagai properti pengenalan produk. Polanya bisa sesederhana ion logam tunggal atau sangat kompleks.
Arsitektur molekul yang saling berhubungan secara mekanis
Mereka terdiri dari partikel yang hanya terhubung sebagai konsekuensi dari topologinya. Beberapa interaksi non-kovalen mungkin ada antara komponen yang berbeda (seringkali yang digunakan dalam konstruksi sistem), tetapi ikatan kovalen tidak ada. Sains - kimia supramolekul, khususnya sintesis yang diarahkan pada matriks, adalah kunci untuk peracikan yang efisien. Contoh arsitektur molekul yang saling berhubungan secara mekanis termasuk catenanes, rotaxane, knot, cincin Borromean, dan ravel.
Kimia Kovalen Dinamis
Di dalamnya ikatan dihancurkan dan dibentuk dalam reaksi reversibel di bawah kendali termodinamika. Sementara ikatan kovalen adalah kunci dari proses ini, sistem didorong oleh gaya non-kovalen untuk membentuk struktur energi terendah.
Biomimetika
Banyak supramolekul sintetissistem dirancang untuk menyalin fungsi bidang biologis. Arsitektur biomimetik ini dapat digunakan untuk mempelajari model dan implementasi sintetiknya. Contohnya termasuk fotoelektrokimia, sistem katalitik, rekayasa protein, dan replikasi diri.
Teknik Molekuler
Ini adalah rakitan parsial yang dapat melakukan fungsi seperti gerakan linier atau rotasi, beralih dan mencengkeram. Perangkat ini ada di perbatasan antara kimia supramolekul dan nanoteknologi, dan prototipe telah didemonstrasikan menggunakan konsep serupa. Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart dan Bernard L. Feringa berbagi Hadiah Nobel Kimia 2016 untuk desain dan sintesis mesin molekuler.
Makrosiklus
Makro sangat berguna dalam kimia supramolekul karena menyediakan seluruh rongga yang dapat sepenuhnya mengelilingi molekul tamu dan dimodifikasi secara kimia untuk menyempurnakan sifat mereka.
Siklodekstrin, kaliksarena, cucurbituril, dan eter mahkota mudah disintesis dalam jumlah besar dan oleh karena itu nyaman digunakan dalam sistem supramolekul. Siklofan dan kriptan yang lebih kompleks dapat disintesis untuk memberikan sifat pengenalan individu.
Metalocycles supramolekul adalah agregat makrosiklik dengan ion logam di dalam cincin, sering terbentuk dari modul sudut dan linier. Bentuk metalocycle umum dalam jenis aplikasi ini termasuk segitiga, bujur sangkar, dansegi lima, masing-masing dengan kelompok fungsional yang menghubungkan bagian-bagian melalui "perakitan sendiri".
Metallaccrowns adalah metallomacrocycles yang dihasilkan menggunakan pendekatan serupa dengan cincin khelat yang menyatu.
Kimia supramolekul: benda
Banyak sistem seperti itu membutuhkan komponennya untuk memiliki jarak dan konformasi yang sesuai satu sama lain, dan dengan demikian diperlukan unit struktural yang mudah digunakan.
Biasanya, spacer dan grup penghubung termasuk poliester, bifenil dan trifenil serta rantai alkil sederhana. Kimia untuk membuat dan menggabungkan perangkat ini sangat dipahami dengan baik.
Permukaan dapat digunakan sebagai perancah untuk mengatur sistem yang kompleks, dan untuk menghubungkan elektrokimia dengan elektroda. Permukaan biasa dapat digunakan untuk membuat rakitan mandiri monolayer dan multilayer.
Pemahaman interaksi antarmolekul dalam padatan telah mengalami kebangkitan yang signifikan karena kontribusi dari berbagai teknik eksperimental dan komputasi dalam dekade terakhir. Ini termasuk studi tekanan tinggi dalam padatan dan kristalisasi in situ senyawa yang cair pada suhu kamar, bersama dengan penggunaan analisis kerapatan elektron, prediksi struktur kristal, dan perhitungan DFT keadaan padat untuk memungkinkan pemahaman kuantitatif tentang alam, energi, dan topologi.
Unit foto-elektrokimia aktif
Porfirin dan ftalosianin memiliki regulasi yang sangat tinggienergi fotokimia, serta potensi pembentukan kompleks.
Grup photochromic dan photoisomerizable memiliki kemampuan untuk mengubah bentuk dan sifat mereka ketika terkena cahaya.
TTF dan kuinon memiliki lebih dari satu keadaan oksidasi stabil dan oleh karena itu dapat dialihkan menggunakan kimia reduksi atau ilmu elektron. Satuan lain seperti turunan benzidin, gugus viologen, dan fullerene juga telah digunakan dalam perangkat supramolekul.
Satuan turunan biologis
Kompleksasi yang sangat kuat antara avidin dan biotin meningkatkan pembekuan darah dan digunakan sebagai motif pengenalan untuk membuat sistem sintetis.
Pengikatan enzim ke kofaktornya telah digunakan sebagai rute untuk mendapatkan partikel yang termodifikasi, berkontak secara elektrik, dan bahkan dapat difoto. DNA digunakan sebagai unit struktural dan fungsional dalam sistem supramolekul sintetik.
Teknologi Material
Kimia supramolekul telah menemukan banyak aplikasi, khususnya, proses perakitan mandiri molekuler telah dibuat untuk mengembangkan bahan baru. Struktur besar dapat dengan mudah diakses menggunakan proses bottom-up, karena terdiri dari molekul kecil yang membutuhkan langkah lebih sedikit untuk mensintesis. Dengan demikian, sebagian besar pendekatan nanoteknologi didasarkan pada kimia supramolekul.
Katalisis
Pengembangan dan pemahaman merekalah yang merupakan aplikasi utama kimia supramolekul. Interaksi non-kovalen sangat penting dalamkatalisis dengan mengikat reaktan dalam konformasi yang sesuai untuk reaksi dan menurunkan energi dalam keadaan transisi. Sintesis terarah template adalah kasus khusus dari proses supramolekul. Sistem enkapsulasi seperti misel, dendrimer, dan kavitas juga digunakan dalam katalisis untuk menciptakan lingkungan mikro yang cocok untuk reaksi berlangsung yang tidak dapat digunakan pada skala makroskopik.
Kedokteran
Metode berdasarkan kimia supramolekul telah menghasilkan banyak aplikasi dalam pembuatan biomaterial fungsional dan terapi. Mereka menyediakan berbagai platform modular dan dapat digeneralisasikan dengan sifat mekanik, kimia, dan biologis yang dapat disesuaikan. Ini termasuk sistem berdasarkan perakitan peptida, makrosiklus inang, ikatan hidrogen afinitas tinggi, dan interaksi logam-ligan.
Pendekatan supramolekul telah banyak digunakan untuk membuat saluran ion buatan untuk mengangkut natrium dan kalium masuk dan keluar sel.
Kimia tersebut juga penting untuk pengembangan terapi farmasi baru dengan memahami interaksi situs pengikatan obat. Bidang penghantaran obat juga telah membuat langkah penting sebagai hasil dari kimia supramolekul. Ini menyediakan enkapsulasi dan mekanisme rilis yang ditargetkan. Selain itu, sistem tersebut telah dirancang untuk mengganggu interaksi protein-ke-protein yang penting untuk fungsi seluler.
Efek template dan kimia supramolekul
Dalam sains, reaksi templat adalah salah satu kelas aksi berbasis ligan. Mereka terjadi antara dua atau lebih situs koordinasi yang berdekatan di pusat logam. Istilah "efek template" dan "perakitan sendiri" dalam kimia supramolekul terutama digunakan dalam ilmu koordinasi. Tetapi dengan tidak adanya ion, reagen organik yang sama memberikan produk yang berbeda. Ini adalah efek template dalam kimia supramolekul.
