Kemia ya ziada ya molekuli ni fani ya sayansi ambayo inapita zaidi ya chembe zinazoangazia mifumo ya kisayansi inayoundwa na idadi tofauti ya vitengo vidogo vilivyounganishwa au vijenzi. Vikosi vinavyohusika na mpangilio wa anga vinaweza kuanzia dhaifu (vifungo vya umeme au hidrojeni) hadi vikali (vifungo shirikishi) mradi tu kiwango cha uhusiano wa kielektroniki kati ya viambajengo vya molekuli kisalie kuwa kidogo kuhusiana na vigezo vya nishati vinavyolingana vya dutu hii.
Dhana muhimu
Ingawa kemia ya kawaida inaangazia dhamana shirikishi, kemia ya ziada ya molekuli huchunguza mwingiliano dhaifu na unaoweza kutenduliwa usio na ushirikiano kati ya molekuli. Nguvu hizi ni pamoja na uunganishaji wa hidrojeni, uratibu wa metali, seti za hidrofobic van der Waals, na athari za kielektroniki.
Dhana muhimu ambazo zilionyeshwa kwa kutumia hiitaaluma ni pamoja na kujikusanya kwa sehemu, kukunja, utambuzi, mwenyeji-mgeni, usanifu uliounganishwa kimitambo, na sayansi dhabiti ya ushirikiano. Utafiti wa aina zisizo za ushirikiano za mwingiliano katika kemia ya ziada ya molekuli ni muhimu ili kuelewa michakato mingi ya kibiolojia kutoka kwa muundo wa seli hadi maono ambayo hutegemea nguvu hizi. Mifumo ya kibaolojia mara nyingi ni chanzo cha msukumo wa utafiti. Supermolecules ni kwa molekuli na vifungo vya intermolecular, kama vile chembe kwa atomi, na tangency covalent.
Historia
Kuwepo kwa nguvu kati ya molekuli kulitolewa kwa mara ya kwanza na Johannes Diederik van der Waals mnamo 1873. Hata hivyo, mshindi wa Tuzo ya Nobel Hermann Emil Fischer alianzisha mizizi ya falsafa ya kemia ya ziada ya molekuli. Mnamo 1894, Fisher alipendekeza kwamba mwingiliano wa enzyme-substrate uchukue fomu ya "kufuli na ufunguo", kanuni za kimsingi za utambuzi wa molekuli na kemia ya mwenyeji-mgeni. Mapema karne ya 20, vifungo visivyo na ushirikiano vilichunguzwa kwa undani zaidi, huku kifungo cha hidrojeni kikielezwa na Latimer na Rodebush mwaka wa 1920.
Matumizi ya kanuni hizi yamesababisha uelewa wa kina wa muundo wa protini na michakato mingine ya kibiolojia. Kwa mfano, mafanikio muhimu ambayo yaliwezesha ufafanuzi wa muundo wa helix mbili kutoka kwa DNA ilitokea wakati ikawa wazi kwamba kulikuwa na nyuzi mbili tofauti za nyukleotidi zilizounganishwa kupitia vifungo vya hidrojeni. Matumizi ya mahusiano yasiyo ya ushirikiano ni muhimu kwa urudufishaji kwa sababu huruhusu nyuzi kutenganishwa na kutumika kama kiolezo cha mpya. DNA iliyofungwa mara mbili. Sambamba na hilo, wanakemia walianza kutambua na kusoma miundo ya sintetiki kulingana na mwingiliano usio na ushirikiano, kama vile micelles na microemulsions.
Hatimaye, wanakemia waliweza kuchukua dhana hizi na kuzitumia kwenye mifumo ya sintetiki. Mafanikio yalitokea katika miaka ya 1960 - muundo wa taji (ethers kulingana na Charles Pedersen). Kufuatia kazi hii, watafiti wengine kama vile Donald J. Crum, Jean-Marie Lehn, na Fritz Vogtl walianza kufanya kazi katika usanisi wa vipokezi vya kuchagua-fomu, na katika miaka ya 1980, utafiti katika eneo hili ulipata kasi. Wanasayansi walifanya kazi na dhana kama vile uunganishaji wa kiufundi wa usanifu wa molekuli.
Katika miaka ya 90, kemia ya ziada ya molekuli ilizidi kuwa na matatizo. Watafiti kama vile James Fraser Stoddart walitengeneza mifumo ya molekuli na miundo changamano ya kujipanga, wakati Itamar Wilner alisoma na kuunda vitambuzi na mbinu za mwingiliano wa kielektroniki na kibaolojia. Katika kipindi hiki, motifu za picha ziliunganishwa katika mifumo ya ziada ya molekuli ili kuongeza utendaji, utafiti ulianza juu ya mawasiliano ya syntetisk ya kujinakilisha kibinafsi, na kazi iliendelea kwenye vifaa vya kuchakata habari za Masi. Sayansi inayoendelea ya nanoteknolojia pia imekuwa na athari kubwa kwa mada hii, ikitengeneza vizuizi vya ujenzi kama vile fullerenes (kemia ya ziada ya molekuli), nanoparticles na dendrimers. Wanashiriki katika mifumo ya sintetiki.
Dhibiti
Kemia ya ziada ya molekuli huhusika na mwingiliano wa hila, na kwa hivyo udhibiti wa michakato inayohusika.inaweza kuhitaji usahihi mkubwa. Hasa, vifungo visivyo na covalent vina nguvu za chini, na mara nyingi hakuna nishati ya kutosha kwa ajili ya uanzishaji, kwa ajili ya malezi. Kama mlinganyo wa Arrhenius unavyoonyesha, hii ina maana kwamba, tofauti na kemia ya uundaji wa dhamana shirikishi, kasi ya uundaji haiongezi kwa viwango vya juu vya joto. Kwa hakika, milinganyo ya msawazo wa kemikali huonyesha kwamba nishati ya chini husababisha kuhama kuelekea uharibifu wa changamano za ziada za molekuli kwa viwango vya juu vya joto.
Hata hivyo, digrii za chini pia zinaweza kuleta matatizo kwa michakato kama hii. Kemia ya Supramolecular (UDC 541–544) inaweza kuhitaji molekuli kupotoshwa katika miunganisho isiyofaa ya thermodynamically (kwa mfano, wakati wa "muundo" wa rotaxanes na kuteleza). Na inaweza kujumuisha sayansi fulani ya ushirika ambayo inalingana na hapo juu. Kwa kuongeza, asili ya nguvu ya kemia ya supramolecular hutumiwa katika mechanics nyingi. Na kupoeza pekee ndiko kutapunguza kasi ya michakato hii.
Kwa hivyo, thermodynamics ni zana muhimu ya kubuni, kudhibiti na kusoma kemia ya ziada ya molekuli katika mifumo hai. Labda mfano unaovutia zaidi ni viumbe hai vya damu joto, ambavyo huacha kabisa kufanya kazi nje ya safu nyembamba sana ya halijoto.
Mazingira
Mazingira ya molekuli karibu na mfumo wa ziada wa molekuli pia ni ya umuhimu mkubwa kwa uendeshaji na uthabiti wake. Vimumunyisho vingi vina vifungo vikali vya hidrojeni, umememali na uwezo wa kuhamisha malipo, na kwa hiyo wanaweza kuingia katika usawa tata na mfumo, hata kuharibu kabisa complexes. Kwa sababu hii, uchaguzi wa kutengenezea unaweza kuwa muhimu.
Kujikusanya kwa molekuli
Hii ni kujenga mifumo bila mwongozo au udhibiti kutoka kwa chanzo cha nje (zaidi ya kutoa mazingira sahihi). Molekuli huelekezwa kwenye mkusanyiko kupitia mwingiliano usio na ushirikiano. Mkusanyiko wa kujitegemea unaweza kugawanywa katika intermolecular na intramolecular. Kitendo hiki pia kinaruhusu ujenzi wa miundo mikubwa kama vile miseli, utando, vesicles, fuwele za kioevu. Hii ni muhimu kwa uhandisi wa fuwele.
MP na utata
Utambuaji wa molekiuli ni uunganisho mahususi wa chembe ya mgeni kwa mpangishaji kamilishano. Mara nyingi ufafanuzi wa ni spishi gani na ni "mgeni" gani inaonekana kuwa ya kiholela. Molekuli zinaweza kutambuana kwa kutumia mwingiliano usio na ushirikiano. Programu kuu katika eneo hili ni muundo wa kihisi na kichocheo.
Muhtasari Unaoongozwa na Kiolezo
Utambuaji wa molekuli na kujikusanya kunaweza kutumika pamoja na dutu tendaji kupanga mapema mfumo wa mmenyuko wa kemikali (kuunda vifungo shirikishi moja au zaidi). Hii inaweza kuchukuliwa kuwa kesi maalum ya kichocheo cha ziada cha molekuli.
Vifungo visivyo na mshikamano kati ya viitikio na "matrix" huweka tovuti za maitikio karibu pamoja, hivyo basi kukuza kemia inayohitajika. Mbinu hiini muhimu hasa katika hali ambapo mwitikio unaohitajika wa mmenyuko hauwezekani thermodynamically au kinetically, kama vile katika uzalishaji wa macrocycles kubwa. Mpangilio huu wa awali katika kemia ya ziada ya molekuli pia hutumikia madhumuni kama vile kupunguza athari za upande, kupunguza nishati ya kuwezesha, na kupata stereochemistry inayohitajika.
Baada ya mchakato kupita, muundo unaweza kusalia mahali pake, kuondolewa kwa nguvu, au "kiotomatiki" kuharibika kwa sababu ya sifa mbalimbali za utambuzi wa bidhaa. Mchoro unaweza kuwa rahisi kama ayoni moja ya chuma au changamano sana.
Usanifu wa molekuli uliounganishwa kiutaratibu
Zimeundwa na chembechembe ambazo zimeunganishwa tu kama matokeo ya topolojia yao. Baadhi ya mwingiliano usio na ushirikiano unaweza kuwepo kati ya vipengele tofauti (mara nyingi hutumiwa katika ujenzi wa mfumo), lakini vifungo vya ushirikiano hazipo. Sayansi - kemia ya ziada ya molekuli, haswa usanisi unaoelekezwa kwa tumbo, ndio ufunguo wa ujumuishaji mzuri. Mifano ya usanifu wa molekuli zilizounganishwa kimitambo ni pamoja na catenanes, rotaxanes, knots, pete za Borromean na ravels.
Dynamic Covalent Chemistry
Ndani yake vifungo huharibiwa na kuunda katika athari inayoweza kutenduliwa chini ya udhibiti wa halijoto. Ingawa dhamana shirikishi ndio ufunguo wa mchakato, mfumo unaendeshwa na nguvu zisizo na ushirikiano kuunda miundo ya chini ya nishati.
Biomimetics
Nyingi za ziada za sintetiki za ziadamifumo imeundwa ili kunakili kazi za nyanja za kibiolojia. Usanifu huu wa kibiomimetiki unaweza kutumika kusoma modeli na utekelezaji wa sintetiki. Mifano ni pamoja na kemikali ya picha, mifumo ya kichochezi, uhandisi wa protini, na kujirudufisha.
Uhandisi wa Molekuli
Hizi ni mikusanyiko ambayo inaweza kutekeleza majukumu kama vile kusogea kwa mstari au kuzunguka, kubadili na kushikashika. Vifaa hivi vipo kwenye mpaka kati ya kemia ya supramolecular na nanoteknolojia, na prototypes zimeonyeshwa kwa kutumia dhana zinazofanana. Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart na Bernard L. Feringa walishiriki Tuzo ya Nobel ya Kemia 2016 kwa kubuni na kusanisi mashine za molekuli.
Baiskeli
Baiskeli nyingi ni muhimu sana katika kemia ya ziada ya molekuli kwani hutoa mashimo yote ambayo yanaweza kuzunguka molekuli za wageni na kurekebishwa kemikali ili kuboresha sifa zao.
Cyclodextrins, calixarenes, cucurbiturils na etha za taji huundwa kwa urahisi kwa idadi kubwa na kwa hivyo ni rahisi kutumika katika mifumo ya supramolecular. Saiklofani na nyimbo changamano zaidi zinaweza kuunganishwa ili kutoa sifa za utambuzi wa kibinafsi.
Baiskeli za metali za ziada za molekuli ni mijumuisho ya jumla iliyo na ayoni za chuma kwenye pete, mara nyingi huundwa kutoka kwa moduli za angular na mstari. Maumbo ya kawaida ya metallocycle katika aina hizi za maombi ni pamoja na pembetatu, mraba, napentagoni, kila moja ikiwa na vikundi vya utendaji vinavyounganisha sehemu kupitia "kujikusanya".
Metallacrowns ni baisikeli za metalloma zinazozalishwa kwa kutumia mbinu sawa na pete za chelate zilizounganishwa.
Kemia ya ziada ya molekuli: vitu
Mifumo mingi kama hii huhitaji vijenzi vyake kuwa na nafasi zinazofaa na miunganisho inayohusiana, na hivyo basi vitengo vya miundo vinavyoweza kutumika kwa urahisi vinahitajika.
Kwa kawaida, spacers na vikundi vya kuunganisha ni pamoja na polyester, biphenyls na triphenyls na minyororo rahisi ya alkili. Kemia ya kuunda na kuchanganya vifaa hivi inaeleweka vyema.
Nyuso zinaweza kutumika kama kiunzi kuagiza mifumo changamano, na kuunganisha kemikali za kielektroniki kwa kutumia elektrodi. Nyuso za kawaida zinaweza kutumika kuunda tabaka moja na mikusanyiko ya kibinafsi ya tabaka nyingi.
Uelewa wa mwingiliano wa baina ya molekuli katika yabisi umepata mwamko mkubwa kutokana na michango ya mbinu mbalimbali za majaribio na kukokotoa katika muongo uliopita. Hii ni pamoja na masomo ya shinikizo la juu katika vitu vikali na uangazaji wa fuwele za misombo ambayo ni vimiminika kwenye joto la kawaida, pamoja na matumizi ya uchanganuzi wa msongamano wa elektroni, ubashiri wa muundo wa fuwele, na hesabu za hali dhabiti za DFT ili kuwezesha uelewa wa kiasi wa asili, nishati na topolojia.
vizio vinavyotumika kwa kutumia kemikali za kielektroniki
Porphyrin na phthalocyanines zimedhibitiwa sananishati ya picha, pamoja na uwezekano wa uundaji changamano.
Vikundi vya Photochromic na vinavyoweza kusomeka vina uwezo wa kubadilisha umbo na sifa zao vinapoangaziwa.
TTF na kwinoni zina zaidi ya hali moja ya oksidi dhabiti na kwa hivyo zinaweza kubadilishwa kwa kutumia kemia ya kupunguza au sayansi ya elektroni. Vizio vingine kama vile viasili vya benzidine, vikundi vya violojeni, na fullerenes pia vimetumika katika vifaa vya ziada vya molekuli.
Vizio vinavyotokana na kibayolojia
Mchanganyiko mkali sana kati ya avidin na biotini huchangia kuganda kwa damu na hutumika kama motisha ya utambuzi kuunda mifumo ya sintetiki.
Kufunga vimeng'enya kwenye viambatanisho vyake kumetumika kama njia ya kupata chembe zilizorekebishwa, zinazogusana na umeme na hata chembe zinazoweza kubadilishwa kwa picha. DNA inatumika kama kitengo cha kimuundo na kazi katika mifumo ya sintetiki ya supramolecular.
Teknolojia Nyenzo
Kemia ya ziada ya molekuli imepata matumizi mengi, haswa, michakato ya kujikusanya kwa molekuli imeundwa ili kuunda nyenzo mpya. Miundo mikubwa inaweza kupatikana kwa urahisi kwa kutumia mchakato wa chini-juu, kwani huundwa na molekuli ndogo zinazohitaji hatua chache za kuunganisha. Kwa hivyo, mbinu nyingi za nanoteknolojia zinatokana na kemia ya ziada ya molekuli.
Catalysis
Ni ukuzaji na uelewa wao ambao ndio utumizi mkuu wa kemia ya ziada ya molekuli. Maingiliano yasiyo ya ushirikiano ni muhimu sana katikakichocheo kwa kufunga viitikio katika miunganisho inayofaa kwa mwitikio na kupunguza nishati katika hali ya mpito. Usanisi ulioelekezwa wa kiolezo ni kisa fulani cha mchakato wa ziada wa molekuli. Mifumo ya ujumuishaji kama vile micelles, dendrimers, na cavitand pia hutumika katika kichocheo ili kuunda mazingira madogo yanafaa kwa miitikio ambayo haiwezi kutumika kwa kipimo kikubwa.
Dawa
Njia inayozingatia kemia ya ziada ya molekuli imesababisha matumizi mengi katika uundaji wa nyenzo tendaji za kibayolojia na matibabu. Hutoa anuwai ya majukwaa ya msimu na ya jumla yenye sifa zinazoweza kubinafsishwa za kiufundi, kemikali na kibaolojia. Hii ni pamoja na mifumo inayotegemea uunganishaji wa peptidi, baisikeli kubwa za seva pangishi, bondi za hidrojeni zenye mshikamano wa juu, na mwingiliano wa chuma-ligand.
Mbinu ya ziada ya molekuli imetumiwa sana kuunda chaneli za ayoni bandia kusafirisha sodiamu na potasiamu ndani na nje ya seli.
Kemia kama hii pia ni muhimu kwa maendeleo ya matibabu mapya ya dawa kwa kuelewa mwingiliano wa tovuti unaofunga dawa. Uga wa utoaji wa dawa pia umepiga hatua muhimu kama matokeo ya kemia ya ziada ya molekuli. Inatoa encapsulation na mifumo ya kutolewa lengwa. Zaidi ya hayo, mifumo kama hii imeundwa ili kutatiza mwingiliano wa protini-kwa-protini ambao ni muhimu kwa utendaji kazi wa seli.
athari ya kiolezo na kemia ya ziada ya molekuli
Katika sayansi, kiolezo cha majibu ni aina yoyote ya vitendo vinavyotegemea kano. Zinatokea kati ya tovuti mbili au zaidi za uratibu zilizo karibu kwenye kituo cha chuma. Maneno "athari ya kiolezo" na "kujikusanya" katika kemia ya ziada ya molekuli hutumiwa hasa katika sayansi ya uratibu. Lakini kwa kukosekana kwa ion, vitendanishi sawa vya kikaboni hutoa bidhaa tofauti. Haya ndiyo madoido ya kiolezo katika kemia ya ziada ya molekuli.
