Kompleksy typu gość-gospodarz: Różnice pomiędzy wersjami
[wersja nieprzejrzana] | [wersja nieprzejrzana] |
Struktura DNA bez związku z kompleksami HG, usuwam; wstawiam szablony Fakt, równania chemiczne w szablony chem2, int. |
drobne techniczne |
||
Linia 10: | Linia 10: | ||
== Historia == |
== Historia == |
||
Oddziaływania międzycząsteczkowe były postulowane przez holenderskiego fizyka i chemika [[Johannes Diderik van der Waals|J. D. van der Waals'a]] już w 1873, natomiast w 1894 niemiecki chemik [[Hermann Emil Fischer|Hermann Fischer]] stworzył filozoficzne podwaliny dla chemii supramolekularnej. Przedstawił on model oddziaływania enzymów z ich substratami, w którym zachowują się one jak „klucz i zamek”<ref>{{Cytuj |autor = Norman Tran, Todd Holyoak |redaktor = European Biophysical Societies, Gordon Roberts, Anthony Watts |tytuł = Molecular Recognition: Lock-and-Key, Induced Fit, and Conformational Selection |data = 2021 |data dostępu = 2024-06-10 |isbn = 978-3-642-35943-9 |miejsce = Berlin, Heidelberg |wydawca = Springer Berlin Heidelberg |s = 1–6 |doi = 10.1007/978-3-642-35943-9_468-1 |url = http://link.springer.com/10.1007/978-3-642-35943-9_468-1 |język = en}}</ref>. Dalsze badania nad oddziaływaniami niekowalencyjnymi zaowocowały w lepszym poznaniu struktur białek i kwasów nukleinowych, w tym także pomogły w odkryciu struktury [[Kwas deoksyrybonukleinowy|DNA]] w 1953. W 1967, Charles Pedersen (pracujący ówcześnie dla firmy [[DuPont]]) odkrył nową klasę związków organicznych: [[etery koronowe]]. Wyizolował on pierwszy eter koronowy, czyli [2,8]dibenzo[18]korona[6], który był pierwszym przykładem związku kompleksującego kation metalu alkalicznego, w tym przypadku sodu<ref>{{Cytuj |autor = Charles J. Pedersen |redaktor = R. M. Izatt, J. S. Bradshaw |tytuł = The Discovery of Crown Ethers |data = 1992 |
Oddziaływania międzycząsteczkowe były postulowane przez holenderskiego fizyka i chemika [[Johannes Diderik van der Waals|J. D. van der Waals'a]] już w 1873, natomiast w 1894 niemiecki chemik [[Hermann Emil Fischer|Hermann Fischer]] stworzył filozoficzne podwaliny dla chemii supramolekularnej. Przedstawił on model oddziaływania enzymów z ich substratami, w którym zachowują się one jak „klucz i zamek”<ref>{{Cytuj |autor = Norman Tran, Todd Holyoak |redaktor = European Biophysical Societies, Gordon Roberts, Anthony Watts |tytuł = Molecular Recognition: Lock-and-Key, Induced Fit, and Conformational Selection |data = 2021 |data dostępu = 2024-06-10 |isbn = 978-3-642-35943-9 |miejsce = Berlin, Heidelberg |wydawca = Springer Berlin Heidelberg |s = 1–6 |doi = 10.1007/978-3-642-35943-9_468-1 |url = http://link.springer.com/10.1007/978-3-642-35943-9_468-1 |język = en}}</ref>. Dalsze badania nad oddziaływaniami niekowalencyjnymi zaowocowały w lepszym poznaniu struktur białek i kwasów nukleinowych, w tym także pomogły w odkryciu struktury [[Kwas deoksyrybonukleinowy|DNA]] w 1953. W 1967, Charles Pedersen (pracujący ówcześnie dla firmy [[DuPont]]) odkrył nową klasę związków organicznych: [[etery koronowe]]. Wyizolował on pierwszy eter koronowy, czyli [2,8]dibenzo[18]korona[6], który był pierwszym przykładem związku kompleksującego kation metalu alkalicznego, w tym przypadku sodu<ref>{{Cytuj |autor = Charles J. Pedersen |redaktor = R. M. Izatt, J. S. Bradshaw |tytuł = The Discovery of Crown Ethers |data = 1992 |isbn = 978-94-011-2532-1 |miejsce = Dordrecht |wydawca = Springer Netherlands |s = 7–10 |doi = 10.1007/978-94-011-2532-1_1 |język = en}}</ref>. Następnie w 1969 [[Jean-Marie Lehn]] zaprezentował cząsteczki analogiczne do eterów koronowych, które nazwał [[Kryptandy|kryptandami]]. Są to związki bicykliczne lub tricykliczne zdolne do tworzenia [[Chelaty|związków chelatowych]], w których kompleksowany jon lub atom centralny otoczony jest ze wszystkich stron w tzw. „krypcie”. W tym samym czasie [[Donald Cram|Donald J. Cram]] zajmował się eterami koronowymi, uzyskując różne struktury trójwymiarowe, a jego prace były dużym krokiem naprzód w badaniach nad cząsteczkami imitującymi enzymy. W 1987 Pedersen, Lehn oraz Cram zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii za ich wkład w rozwój chemii supramolekularnej<ref>{{Cytuj |tytuł = The Nobel Prize in Chemistry 1987 |data dostępu = 2024-06-10 |opublikowany = NobelPrize.org |url = https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1987/summary/ |język = en}}</ref>. W 2016, Bernard L. Feringa, Sir J. Fraser Stoddart oraz Jean-Paul Sauvage otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za projektowanie i syntezę [[Maszyna molekularna|maszyn molekularnych]], w których to jedną z kluczowych ról odgrywają właśnie oddziaływania niekowalencyjne<ref>{{Cytuj |tytuł = The Nobel Prize in Chemistry 2016 |data dostępu = 2024-06-10 |opublikowany = NobelPrize.org |url = https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2016/summary/ |język = en}}</ref>. |
||
== Termodynamika oddziaływań gość–gospodarz == |
== Termodynamika oddziaływań gość–gospodarz == |
Wersja z 21:09, 17 cze 2024
Kompleksy typu gość–gospodarz[1] – obszar chemii supramolekularnej zajmujący się kompleksami złożonymi z dwóch lub więcej indywiduów chemicznych (cząsteczek obojętnych lub jonów), które oddziałują za sobą w sposób niekowalencyjny[2]. Chemia gość–gospodarz leży u podstaw rozpoznania molekularnego, które jest kluczowe dla wielu procesów zachodzących w układach biologicznych, np. wiązanie się ligandów do białek. Główne rodzaje oddziaływań niekowalencyjnych to: oddziaływania elektrostatyczne, wiązania wodorowe, oddziaływania van der Waals’a oraz oddziaływania hydrofobowe[3].
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/aa/Encapsulating_Assembly_ChemEurJ_1996_v2_p989.jpg/220px-Encapsulating_Assembly_ChemEurJ_1996_v2_p989.jpg)
Cząsteczka tzw. „gospodarza” wiąże jon lub cząsteczkę tzw. „gościa” tworząc kompleks. „Gospodarz” i „gość” oddziałują ze sobą w sposób niekowalencyjny, najczęściej przy pomocy wiązań wodorowych. Oddziaływanie to może być wysoce selektywne i jest wtedy nazywane rozpoznaniem molekularnym. Równanie reakcji powstania (i rozpadu) takiego kompleksu można zapisać w następujący sposób[potrzebny przypis]:
- H + G ⇄ HG
gdzie H to „gospodarz” (ang. host), G to „gość” (ang. guest), HG to kompleks „gospodarz–gość”.
Zwykle większe indywiduum określa się mianem „gospodarza”, a mniejsze „gościa”.
Historia
Oddziaływania międzycząsteczkowe były postulowane przez holenderskiego fizyka i chemika J. D. van der Waals'a już w 1873, natomiast w 1894 niemiecki chemik Hermann Fischer stworzył filozoficzne podwaliny dla chemii supramolekularnej. Przedstawił on model oddziaływania enzymów z ich substratami, w którym zachowują się one jak „klucz i zamek”[4]. Dalsze badania nad oddziaływaniami niekowalencyjnymi zaowocowały w lepszym poznaniu struktur białek i kwasów nukleinowych, w tym także pomogły w odkryciu struktury DNA w 1953. W 1967, Charles Pedersen (pracujący ówcześnie dla firmy DuPont) odkrył nową klasę związków organicznych: etery koronowe. Wyizolował on pierwszy eter koronowy, czyli [2,8]dibenzo[18]korona[6], który był pierwszym przykładem związku kompleksującego kation metalu alkalicznego, w tym przypadku sodu[5]. Następnie w 1969 Jean-Marie Lehn zaprezentował cząsteczki analogiczne do eterów koronowych, które nazwał kryptandami. Są to związki bicykliczne lub tricykliczne zdolne do tworzenia związków chelatowych, w których kompleksowany jon lub atom centralny otoczony jest ze wszystkich stron w tzw. „krypcie”. W tym samym czasie Donald J. Cram zajmował się eterami koronowymi, uzyskując różne struktury trójwymiarowe, a jego prace były dużym krokiem naprzód w badaniach nad cząsteczkami imitującymi enzymy. W 1987 Pedersen, Lehn oraz Cram zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii za ich wkład w rozwój chemii supramolekularnej[6]. W 2016, Bernard L. Feringa, Sir J. Fraser Stoddart oraz Jean-Paul Sauvage otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za projektowanie i syntezę maszyn molekularnych, w których to jedną z kluczowych ról odgrywają właśnie oddziaływania niekowalencyjne[7].
Termodynamika oddziaływań gość–gospodarz
Termodynamikę procesów tworzenia się kompleksów gospodarz–gość najczęściej bada się przy pomocy spektroskopii NMR, spektroskopii UV-vis, spektrofluorymetrii oraz kalorymetrii, wykonując odpowiednie miareczkowania[8]. Każda z powyższych metod oferuje pewne zalety i posiada specyficzne ograniczenia. Celem eksperymentów miareczkowania jest wyznaczenie parametrów termodynamicznych badanego układu, przede wszystkim stechiometrii powstających kompleksów oraz ich stałej trwałości K. Dla najprostszego przypadku, powstawania kompleksu o stechiometrii 1:1, równanie zachodzącej reakcji kompleksowania to[potrzebny przypis]:
- H + G ⇄ HG
gdzie H to „gospodarz” (ang. host), G to „gość” (ang. guest), HG to kompleks „gospodarz–gość”.
Stała równowagi tej reakcji K (inaczej stała kompleksowania) opisana jest wtedy wzorem[potrzebny przypis]:
Równania bilansu mas dla takiego układu to:
gdzie i to całkowite stężenie odpowiednio gospodarza i gościa.
W przypadku, gdy kompleksowaniu ulegają dwie cząsteczki gościa przez jedną cząsteczkę gospodarza zachodzi reakcja opisana równaniem[potrzebny przypis]:
- H + 2G ⇄ HG
2
Stała kompleksowania dla tej reakcji wynosi:
Na powyższą reakcję składają się dwa etapy, dla których można zapisać oddzielne stałe równowagi[potrzebny przypis]:
- H + G ⇄ HG
- HG + G ⇄ HG
2
przy czym
Powyższe rozważania można uogólnić do przypadku gdy cząsteczek gospodarza reaguje z cząsteczek gościa[potrzebny przypis]:
- xH + yG ⇄ H
xG
y
Wtedy dla powyższego procesu stała kompleksowania wynosi:
Przykłady układów gość–gospodarz
Etery koronowe
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/04/Crown_ether.jpg/181px-Crown_ether.jpg)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/63/18-crown-6-potassium.png/182px-18-crown-6-potassium.png)
Są to cząsteczki makrocykliczne zdolne do selektywnego wiązania jonów metali alkalicznych, np. potasu. Zbudowane są z powtarzających się grup eterowych i w zależności od liczby połączonych z sobą podjednostek tworzą cykliczne związki o różnej średnicy. Pozwala to na dopasowanie średnicy eteru koronowego, tak aby oddziaływał on selektywnie z danym kationem metalu alkalicznego (posiadają one różne promienie jonowe) lub innym indywiduum.
Eter koronowy | Wielkość luki molekularnej [Å][9] | Selektywnie wiązany kation[10] | Promień jonowy kationu [Å][11] |
---|---|---|---|
12-korona-4 | 0,6-0,75 | Li+ | 0,76 |
15-korona-5 | 0,86-0,92 | Na+ | 1,02 |
18-korona-6 | 1,34-1,55 | K+ | 1,38 |
21-korona-7 | 1,7-2,1 | Cs+ | 1,67 |
Cyklodekstryny
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/51/Cyclodextrin.svg/399px-Cyclodextrin.svg.png)
Cyklodekstryny (CD) składają się z kilku jednostek glukozy połączonych wiązaniami glikozydowymi. Najczęściej spotykanymi są α-, β- i γ- cyklodekstryny, które składają się z odpowiednio 6,7 lub 8 podjednostek glukozy i tworzą strukturę makrocykliczną. CD posiadają luką molekularną o różnej średnicy (α około 5 Å, β około 6 Å, γ około 8 Å), która posiada cechy hydrofobowe. Dzięki temu CD są w stanie wiązać w wodzie hydrofobowe cząsteczki gości tworząc kompleksy gość–gospodarz. Kompleksy te pozostają rozpuszczalne w wodzie przez co znajdują one zastosowanie w systemach do dostarczania leków[12].
Kryptofany
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a6/Fig_2_Sample_of_some_macrocyclic_rings.png/398px-Fig_2_Sample_of_some_macrocyclic_rings.png)
W swojej strukturze zawierają 6 pierścieni fenylowych, zazwyczaj połączonych na 4 sposoby. Wnętrze tych związków jest wysoce hydrofobowe, stąd mogą one być używane do wiązania niepolarnych związków, np. węglowodorów. Innym zastosowaniem kryptofanów jest wiązanie ksenonu w roztworach wodnych, co jest pomocne w badaniach biologicznych[13].
Rezorcyareny
Makrocykliczne związki chemiczne powstałe na skutek kondensacji rezorcyny z aldehydem. Rezorcyareny ulegają samoorganizacji w roztworach tworząc supramolekuły połączone wiązaniami wodorowymi, np. 6 cząsteczek rezorcyarenu tworzy heksamer o wewnętrznej objętości luki molekularnej równej jednemu nanometrowi sześciennemu[14].
Kukurbituryle
Kukurbituryle (CB) są złożone są z podjednostek glikourylowych połączonych mostkami metylenowymi. Tworzą one związki przypominające dynię (stąd nazwa pochodząca od łacińskiej nazwy dla rodziny dyniowatyach), a ich wymiary to około 10 Å. Na przykład, kukurbit[6]uril (czyli związek złożony z 6 podjednostek) posiada wymiary około: 9,1 Å wysokości, 5.8 Å średnicy zewnętrznej oraz 3.9 Å średnicy wewnętrznej[15].
Wybrane zastosowania
Materiały samonaprawiające się
Ze względu na niekowalencyjną naturę oddziaływania gość-gospodarz szkielet polimeru supramolekularnego może względnie łatwo dyfundować. W rezultacie materiał wykazuje właściwości samonaprawiające się. Po pojawianiu się pęknięcia w strukturze materiału i ponownym ściśnięciu go, pęknięcie zanika. Dzieje się tak dzięki szybkiej wymianie cząsteczek gości i gospodarzy w obszarze pęknięcia. Przykładem tego jest samonaprawiający się hydrożel złożony z zmodyfikowanych cyklodekstryn i adamantanu[16].
Fosforescencja w temperaturze pokojowej
Zazwyczaj nie jest łatwo osiągnąć fosforescencję w układach jedynie organicznych, głównie ze względu na niestabilność stanów trypletowych (są one łatwo wygaszane przez wilgoć i tlen zawarte w powietrzu). Kompleksy gość–gospodarz zapewniają sztywny szkielet, który jest w stanie chronić stany trypletowe przed wygaszeniem. W tym celu można zastosować CD i CB jako cząsteczkę gospodarza[17][18].
Układy reagujące na bodźce
Jednym z wielu bodźców, które mogę służyć do kontroli nad materiałem jest pH. Niektóre cząsteczki gospodarzy są czułe na pH, np. po podniesieniu pH część donorów wiązań wodorowych w cząsteczce gospodarza może zostać zdeprotonowana przez co nie będzie on mógł oddziaływać z cząsteczką gościa[19]. Innym często stosowanym bodźcem jest światło. Łatwość w sterowaniu nad dostarczaniem fotonów do systemu czyni ten bodziec bardzo użytecznym. Niektóre cząsteczki gospodarzy mogą zmieniać swoją konfigurację E/Z pod wpływem światła o określonej długości fali (energii). Przykładowo jeśli tylko jeden z izomerów danego związku (gospodarza) jest w stanie oddziaływać z cząsteczką gościa to zmieniając konfigurację można „włączać” lub „wyłączać” to oddziaływanie[19].
Przypisy
- ↑ Grzegorz Schroeder: Kompleksy typu gość-gospodarz. 2003. [dostęp 2024-06-17]. [zarchiwizowane z tego adresu (2024-04-22)]. (pol.).
- ↑ Jonathan W. Steed , J.L. Atwood , Supramolecular chemistry, wyd. 2nd ed, Chichester, UK: Wiley, 2009, s. 1002, ISBN 978-0-470-51233-3, OCLC 251208094 [dostęp 2024-06-10] .
- ↑ Harvey Lodish (red.), Molecular cell biology, wyd. 6. ed, New York, NY: Freeman, 2008, ISBN 978-0-7167-7601-7 [dostęp 2024-06-10] .
- ↑ Norman Tran , Todd Holyoak , Molecular Recognition: Lock-and-Key, Induced Fit, and Conformational Selection, European Biophysical Societies, Gordon Roberts, Anthony Watts (red.), Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2021, s. 1–6, DOI: 10.1007/978-3-642-35943-9_468-1, ISBN 978-3-642-35943-9 [dostęp 2024-06-10] (ang.).
- ↑ Charles J. Pedersen , The Discovery of Crown Ethers, R.M. Izatt, J.S. Bradshaw (red.), Dordrecht: Springer Netherlands, 1992, s. 7–10, DOI: 10.1007/978-94-011-2532-1_1, ISBN 978-94-011-2532-1 (ang.).
- ↑ The Nobel Prize in Chemistry 1987 [online], NobelPrize.org [dostęp 2024-06-10] (ang.).
- ↑ The Nobel Prize in Chemistry 2016 [online], NobelPrize.org [dostęp 2024-06-10] (ang.).
- ↑ Pall Thordarson , Determining association constants from titration experiments in supramolecular chemistry, „Chemical Society Reviews”, 40 (3), 2011, s. 1305–1323, DOI: 10.1039/C0CS00062K, ISSN 1460-4744 [dostęp 2024-06-10] (ang.).
- ↑ J.J. Christensen , R.M. Izatt , PREFACE, Reed M. Izatt, James J. Christensen (red.), Academic Press, 1978, ix–x, DOI: 10.1016/b978-0-12-377650-1.50005-8, ISBN 978-0-12-377650-1 [dostęp 2024-06-16] .
- ↑ Hans K. Frensdorff , Stability constants of cyclic polyether complexes with univalent cations, „Journal of the American Chemical Society”, 93 (3), 1971, s. 600–606, DOI: 10.1021/ja00732a007, ISSN 0002-7863 [dostęp 2024-06-16] (ang.).
- ↑ R.D. Shannon , Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides, „Acta Crystallographica Section A: Crystal Physics, Diffraction, Theoretical and General Crystallography”, 32 (5), 1976, s. 751–767, DOI: 10.1107/S0567739476001551, ISSN 0567-7394 [dostęp 2024-06-16] (ang.).
- ↑ Gaurav Tiwari , Ruchi Tiwari , AwaniK Rai , Cyclodextrins in delivery systems: Applications, „Journal of Pharmacy And Bioallied Sciences”, 2 (2), 2010, s. 72, DOI: 10.4103/0975-7406.67003, ISSN 0975-7406, PMID: 21814436, PMCID: PMC3147107 [dostęp 2024-06-16] (ang.).
- ↑ Comprehensive supramolecular chemistry II | WorldCat.org [online], search.worldcat.org [dostęp 2024-06-16] (ang.).
- ↑ Jerry L. Atwood , Leonard J. Barbour , Agoston Jerga , Organization of the interior of molecular capsules by hydrogen bonding, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America”, 99 (8), 2002, s. 4837–4841, DOI: 10.1073/pnas.082659799, ISSN 0027-8424, PMID: 11943875, PMCID: PMC122679 [dostęp 2024-06-16] (ang.).
- ↑ Jason Lagona i inni, The Cucurbit[ n ]uril Family, „Angewandte Chemie International Edition”, 44 (31), 2005, s. 4844–4870, DOI: 10.1002/anie.200460675, ISSN 1433-7851 [dostęp 2024-06-16] (ang.).
- ↑ Ryohei Ikura i inni, Design of self-healing and self-restoring materials utilizing reversible and movable crosslinks, „NPG Asia Materials”, 14 (1), 2022, s. 1–17, DOI: 10.1038/s41427-021-00349-1, ISSN 1884-4057 [dostęp 2024-06-16] (ang.).
- ↑ Xi Yan i inni, Recent Advances on Host–Guest Material Systems toward Organic Room Temperature Phosphorescence, „Small”, 18 (1), 2022, DOI: 10.1002/smll.202104073, ISSN 1613-6810 [dostęp 2024-06-16] (ang.).
- ↑ Wen‐Wen Xu i inni, Tunable Second‐Level Room‐Temperature Phosphorescence of Solid Supramolecules between Acrylamide–Phenylpyridium Copolymers and Cucurbit[7]uril, „Angewandte Chemie International Edition”, 61 (6), 2022, DOI: 10.1002/anie.202115265, ISSN 1433-7851 [dostęp 2024-06-16] (ang.).
- ↑ a b Jorn de Jong , Jasper E. Bos , Sander J. Wezenberg , Stimulus-Controlled Anion Binding and Transport by Synthetic Receptors, „Chemical Reviews”, 123 (13), 2023, s. 8530–8574, DOI: 10.1021/acs.chemrev.3c00039, ISSN 0009-2665, PMID: 37342028, PMCID: PMC10347431 [dostęp 2024-06-16] (ang.).