Supercząsteczki i suprachemia - Instytut Chemii Fizycznej PAN

www.portalwiedzy.pan.pl
13 stycznia 2010r.
Prof. Janusz Lipkowski, Instytut Chemii Fizycznej PAN
Supercząsteczki
i
suprachemia
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.
MoŜliwe są geometrycznie bardzo róŜne typy takich tworów, ale ich wspólną cechą
charakterystyczną jest, Ŝe 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,
wraŜliwych na czynniki zewnętrzne, jest jednym z niezwykle waŜnych poŜytków i
wykorzystywane jest na ogromną skalę. KaŜdy 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 uŜytku w produktach
Ŝywnościowych, lekach doustnych, w kosmetyce i wielu innych stanowią juŜ 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 niŜ jedną funkcję, np. związanie i
przekształcenie chemiczne, albo związanie i transport, zbliŜa chemię do tworzenia urządzeń
supramolekularnych tak, jak to czyni Natura w skomplikowanych układach biologicznych. Z
tym, Ŝe układy syntetyczne nie są ograniczone do funkcjonowania w warunkach
fizjologicznych, moŜna zatem budować n.p. urządzenia sensorowe dostosowane do kaŜdych
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.