شیمی سوپرا مولکول

شیمی سوپرا مولکول (Supramolecular chemistry) به دامنه (قلمرو) شیمی فراتر از مولکول اشاره و تمرکزمی کند. برروی سیستم های شیمیایی ساخته شده از تجمع یک تعدادی گسسته اجزاء یا زیر واحد مولکولی است.

پیشتر در مورد مولکول که مجموعه ای از اتم های یک ماده  مشخص که با یکدیگر پیوند برقرار می کنند و دارای فرمول شیمیایی هستند و یک مولکول را ایجاد می کنند آشنا شده اید. کلمه مولکول از زبان لاتین گرفته شده و به معنی توده کوچکی از مواد می باشد. در حقیقت ذره ای است که دارای قابلیت حرکت و ایجاد واکنش شیمیایی با مواد دیگر است، در حالی که اتم از ذرات کوچک ثابت تری تشکیل شده و جا به جایی آن ها نیازمند انرژی بسیار زیادی است که برای انجام واکنش های هسته ای ضروری است.

وجود نیروهای بین مولکولی برای اولین بار توسط یوهانس دیدرک وان دروالس در سال 1873 مطرح شد. با این حال برنده جایزه صلح نوبل هرمان امیل فیشر ریشه های علمی شیمی سوپرا مولکول را توسعه بخشید.
درسال 1894 هرمان امیل فیشر پیشنهاد کرد که برهمکنش های بستر- آنزیم از قفل و کلید، ازاصول اساسی تشخیص مولکولی و شیمی میزبان و میهمان گرفته شده است.

دراوایل قرن بیستم پیوندهای غیر کووالانسی به تدریج درجزئیات بیشتر با پیوند هیدروژنی که توسط لاتیمر و رودباش درسال 1930 شرح داده شد قابل فهم بود. استفاده ازاین اصول به درک فراینده ای از ساختار پروتئین و دیگر فرایندهای بیولوژیکی منجر شده است. به عنوان مثال پیشرفت مهمی که به ما اجازه داد تا ساختار دو مارپیج DNA راکشف کنیم به طوری که متوجه شدیم آن از دورشته جداگانه نوکلئوتید متصل شده ازطریق پیوند هیدروژنی ایجاد شده است.

ژان-ماری لن شیمی سوپرا مولکول را به این صورت تعریف کرد یک زمینه بسیار مشترک از علم که شیمی، فیزیک و اشکال بیولوژیکی گونه های شیمیایی با پیچیدگی بالا را می پوشاند و آنها را کنار هم نگه می دارد و سامان دهی می کند و آنها را به وسیله برهمکنش های بین مولکولی (غیرکو والانسی) زمینه های جدید هیجان انگیز، امکان خود مرتب شدن زیر واحد ها در طول فرایند خود تجمعی را معرفی می کنند.

مکانیزم پلیمریزاسیون سوپرامولکول:

مکانیزم پلیمریزاسیون غیرکووالانسی د رشیمی سوپرا مولکول وابستگی زیادی به برهمکنش هایی که در فرایند خود تجمعی بازی می کند دارد.
برخلاف پیوندهای کووالانسی برهمکنش های غیر کووالانسی وابسته به دما، غلظت و در جایی تحت تاثیر میزان پلیمریزاسیون است.

مکانیزم های پلیمریزاسیون سوپرا مولکولی می تواند به سه طبقه عمده تقسیم شوند:

ایزودسمیک، تعاونی و تعادل زنجیر- حلقه.

پلیمریزاسیون ایزودسمیک زمانی اتفاق می افتد که قدرت برهمکنش های غیر کو والانسی بین مونومرها تحت تاثیر طولی زنجیره قرار نگیرد. از آن جایی که هیچ دمای بحرانی یا غلظت مونو مرها برای این که پلیمریزاسیون اتفاق بیفتد نیاز است، در عوض طول زنجیر پلیمر همان طور که غلظت مونومرها افزایش می یابد در محلول یا همان طور که دما کاهش می یابد افزایش می یابد.

پیوند هیدروژنی شاخه اصلی پلیمرهای سوپرامولکول:

ایجاد پلیمرهای سوپرامولکول:
درشیمی ماکرو مولکول واحدهای مونومری توسط پیوندهای کووالانسی در کنار یکدیگر نگه داشته می شوند. درسال 1990 ژان ماری لن یک ناحیه جدید در زمینه شیمی پلیمر توسط ایجاد پلیمری که در آن واحدهای مونومری توسط پیوند هیدروژنی در کنار یکدیگر نگه داشته می شوند معرفی کرد که به یک پلیمر سوپرا مولکول کریستال مایع منتج شد. این آغاز (شروع) زمینه شیمی پلیمر سوپرا مولکول بود. مواد با برهمکنش های برگشت پذیر ایجاد شد و در نتیجه فرصت تولید مواد با خواصی که غیر ممکن یا رسیدن به آن سخت است را معرفی کرد.

محیط زیست:

محیط مولکولی در اطراف یک سیستم سوپرا مولکول نیز از اهمیت ویژه ای در کارایی و پایداری آنها برخوردار است. بسیاری از حلال ها دارای پیوند هیدروژنی قوی الکتروستاتیک و قابلیت انتقال بار و در نتیجه قادر به درگیر شدن در تعادل پیچیده با سیستم هستند، حتی شکستن کمپلکس به طور کامل است. به همین دلیل انتخاب حلال می تواند مهم باشد.

دیدگاه آینده :

پیشرفت در زمینه های شیمی پلیمر و آلی، سنتز پلیمر و مونو مرهای پیچیده را قادر ساخته است. دانش ما در زمینه شیمی سوپرا مولکول کنترل بر روی سیستم های خود تجمعی را افزایش می دهد و راه را برای ایجاد مواد سوپرا مولکول بر اساس برهمکنش های غیر کووالانسی باز می کند. در دهه های گذشته، پیوند هیدروژنی به اثبات رسانده است که یک کاندیدای مناسب به حساب می آید. با افزایش دانش ما درباره موتیف های پیوند هیدروژنی و رفتار خود تجمعی آنها در محلول و در حالت جامد کشف سنتز سیستم های چند جزئی سوپرا مولکول با موتیف های سوپرا مولکول مختلف در سال های اخیر آغاز شد.

با استفاده از پیوند هیدروژنی خالص، سیستم های چند جزئی نتایج امیدوار کننده ای نشان دادند به عنوان مثال کوپلیمرهای دسته ای سوپرا مولکول و مواد زیستی زیست فعال.

در حال حاضر زمان به دست آوردن ساختارهای مولکولی خوب همچون ساختار سوپرا مولکول توسط ترکیب دانش گسترده در شیمی پلیمر سنتی با دانش فعلی شیمی سوپرا مولکول است. مرحله بعدی در توسعه پیوند هیدروژنی در شیمی پلیمر سوپرا مولکول به دست آوردن کنترل بر روی خود تجمعی است که با استفاده از گروه های حفاظتی سوپرا مولکول یا با روشن خاموش کردن پلیمریزاسیون سوپرا مولکول توسط تغییر موتیف های پیوند هیدروژنی بدست می آید.

این امر می تواند یک گام به سمت مواد با خواص خوب باشد. به عنوان یک مثال ما دانش علم پلیمر و شیمی سوپرامولکول را برای به دست آوردن نانو ذرات سوپرا مولکول بر اساس پیوند هیدروژنی ترکیب کردیم. با استفاده از شیمی پلیمر پلیمرهای کووالانسی با توزیع وزن مولکولی باریک سنتز شدکه متحمل  بخش های کوچکی از گروه های UPy محافظ کووالانسی بر روی زنجیره های جانبی شان  می شود. پس از حفاظت زدایی توسط نور UV، موتیف UPy روشن می شود و سوپرا مولکول کراسلینک شده توسط پیوند هیدروژنی UPy بدست می آید. با استفاده از شرایط رقیق، نانوذرات سوپرا مولکول تک زنجیره بدست می آید که شبیه به پروتئین های تا شده سوپرا مولکول است. این می تواند اولین قدم به سوی پروتئین های مصنوعی و آنزیم ها، امکانات بی شمار برای پلیمر سوپرا مولکول را نشان می دهد. علاوه بر این، دمای فیلم این نانو ذرات بالا می رود، پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی تشکیل می شوند و سیستم تبدیل به یک شبکه پیوند هیدروژنی سه بعدی می شود. بنابراین پتانسیل کامل برهمکنش های برگشت پذیر سوپرا مولکول ها در فرآیند مواد به کار می رود.