सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री विज्ञान का एक क्षेत्र है जो उन कणों से परे जाता है जो इकट्ठे सबयूनिट्स या घटकों की असतत संख्या से बनी वैज्ञानिक प्रणालियों पर केंद्रित होते हैं। स्थानिक संगठन के लिए जिम्मेदार बल कमजोर (इलेक्ट्रोस्टैटिक या हाइड्रोजन बॉन्ड) से लेकर मजबूत (सहसंयोजक बंधन) तक हो सकते हैं, बशर्ते कि आणविक घटकों के बीच इलेक्ट्रॉनिक संबंध की डिग्री पदार्थ के संबंधित ऊर्जा मापदंडों के संबंध में छोटी बनी रहे।
महत्वपूर्ण अवधारणा
जबकि पारंपरिक रसायन विज्ञान सहसंयोजक बंधन पर केंद्रित है, सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान अणुओं के बीच कमजोर और प्रतिवर्ती गैर-सहसंयोजक बातचीत की पड़ताल करता है। इन बलों में हाइड्रोजन बॉन्डिंग, धातु समन्वय, हाइड्रोफोबिक वैन डेर वाल्स सेट और इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रभाव शामिल हैं।
महत्वपूर्ण अवधारणाएं जो इसका उपयोग करके प्रदर्शित की गईंविषयों में आंशिक स्व-संयोजन, तह, मान्यता, मेजबान-अतिथि, यांत्रिक रूप से युग्मित वास्तुकला और गतिशील सहसंयोजक विज्ञान शामिल हैं। सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान में गैर-सहसंयोजक प्रकार की बातचीत का अध्ययन सेलुलर संरचना से दृष्टि तक की कई जैविक प्रक्रियाओं को समझने के लिए महत्वपूर्ण है जो इन बलों पर निर्भर हैं। जैविक प्रणालियाँ अक्सर अनुसंधान के लिए प्रेरणा का स्रोत होती हैं। सुपरमोलेक्यूल्स अणुओं और इंटरमॉलिक्युलर बॉन्ड के लिए होते हैं, जैसे कण परमाणुओं के लिए होते हैं, और सहसंयोजक स्पर्शरेखा।
इतिहास
अंतर-आणविक बलों के अस्तित्व को पहली बार जोहान्स डिडेरिक वैन डेर वाल्स ने 1873 में प्रतिपादित किया था। हालांकि, नोबेल पुरस्कार विजेता हरमन एमिल फिशर ने सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान की दार्शनिक जड़ें विकसित कीं। 1894 में, फिशर ने सुझाव दिया कि एंजाइम-सब्सट्रेट इंटरैक्शन "लॉक एंड की" का रूप लेता है, आणविक मान्यता और मेजबान-अतिथि रसायन विज्ञान के मूलभूत सिद्धांत। 20वीं सदी की शुरुआत में, गैर-सहसंयोजक बंधों का अधिक विस्तार से अध्ययन किया गया था, जिसमें 1920 में लैटिमर और रोडबश द्वारा वर्णित हाइड्रोजन बंधन का वर्णन किया गया था।
इन सिद्धांतों के उपयोग से प्रोटीन संरचना और अन्य जैविक प्रक्रियाओं की गहरी समझ पैदा हुई है। उदाहरण के लिए, डीएनए से डबल हेलिक्स संरचना को स्पष्ट करने में सक्षम एक महत्वपूर्ण सफलता तब हुई जब यह स्पष्ट हो गया कि हाइड्रोजन बांड के माध्यम से जुड़े न्यूक्लियोटाइड के दो अलग-अलग स्ट्रैंड थे। प्रतिकृति के लिए गैर-सहसंयोजक संबंधों का उपयोग आवश्यक है क्योंकि वे किस्में को अलग करने और एक नए के लिए एक टेम्पलेट के रूप में उपयोग करने की अनुमति देते हैं।डबल फंसे डीएनए। इसके साथ ही, रसायनज्ञों ने गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाओं, जैसे कि मिसेल और सूक्ष्म इमल्शन के आधार पर सिंथेटिक संरचनाओं को पहचानना और उनका अध्ययन करना शुरू किया।
आखिरकार, रसायनज्ञ इन अवधारणाओं को लेने और उन्हें सिंथेटिक सिस्टम पर लागू करने में सक्षम थे। 1960 के दशक में एक सफलता मिली - मुकुटों का संश्लेषण (चार्ल्स पेडर्सन के अनुसार पंख)। इस काम के बाद, डोनाल्ड जे। क्रुम, जीन-मैरी लेहन और फ्रिट्ज वोग्टल जैसे अन्य शोधकर्ता फॉर्म-आयन-चयनात्मक रिसेप्टर्स के संश्लेषण में सक्रिय हो गए, और 1980 के दशक के दौरान, इस क्षेत्र में अनुसंधान ने गति प्राप्त की। वैज्ञानिकों ने आणविक वास्तुकला के यांत्रिक इंटरलॉकिंग जैसी अवधारणाओं के साथ काम किया।
90 के दशक में सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री और भी ज्यादा समस्याग्रस्त हो गई। जेम्स फ्रेजर स्टोडडार्ट जैसे शोधकर्ताओं ने आणविक तंत्र और अत्यधिक जटिल आत्म-आयोजन संरचनाएं विकसित कीं, जबकि इतामार विल्नर ने इलेक्ट्रॉनिक और जैविक बातचीत के लिए सेंसर और विधियों का अध्ययन और निर्माण किया। इस अवधि के दौरान, फोटोकैमिकल रूपांकनों को कार्यक्षमता बढ़ाने के लिए सुपरमॉलेक्यूलर सिस्टम में एकीकृत किया गया, सिंथेटिक स्व-प्रतिकृति संचार पर शोध शुरू हुआ, और आणविक जानकारी के प्रसंस्करण के लिए उपकरणों पर काम जारी रहा। नैनोटेक्नोलॉजी के विकसित विज्ञान का भी इस विषय पर एक मजबूत प्रभाव पड़ा है, फुलरीन (सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री), नैनोपार्टिकल्स और डेंड्रिमर जैसे बिल्डिंग ब्लॉक्स का निर्माण। वे सिंथेटिक सिस्टम में भाग लेते हैं।
नियंत्रण
सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान सूक्ष्म अंतःक्रियाओं से संबंधित है, और इसलिए इसमें शामिल प्रक्रियाओं पर नियंत्रण होता हैबड़ी सटीकता की आवश्यकता हो सकती है। विशेष रूप से, गैर-सहसंयोजक बंधनों में कम ऊर्जा होती है, और अक्सर सक्रियण के लिए, गठन के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं होती है। जैसा कि अरहेनियस समीकरण से पता चलता है, इसका मतलब है कि, सहसंयोजक बंधन बनाने वाले रसायन विज्ञान के विपरीत, उच्च तापमान पर निर्माण की दर में वृद्धि नहीं होती है। वास्तव में, रासायनिक संतुलन समीकरण बताते हैं कि कम ऊर्जा उच्च तापमान पर सुपरमॉलेक्यूलर कॉम्प्लेक्स के विनाश की ओर ले जाती है।
हालाँकि, निम्न डिग्री भी ऐसी प्रक्रियाओं के लिए समस्याएँ पैदा कर सकती हैं। सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री (UDC 541-544) को अणुओं को थर्मोडायनामिक रूप से प्रतिकूल अनुरूपताओं में विकृत करने की आवश्यकता हो सकती है (उदाहरण के लिए, पर्ची के साथ रोटैक्सेन के "संश्लेषण" के दौरान)। और इसमें कुछ सहसंयोजक विज्ञान शामिल हो सकते हैं जो उपरोक्त के अनुरूप हैं। इसके अलावा, कई यांत्रिकी में सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान की गतिशील प्रकृति का उपयोग किया जाता है। और केवल शीतलन इन प्रक्रियाओं को धीमा कर देगा।
इस प्रकार, जीवित प्रणालियों में सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान को डिजाइन करने, नियंत्रित करने और अध्ययन करने के लिए थर्मोडायनामिक्स एक महत्वपूर्ण उपकरण है। शायद सबसे महत्वपूर्ण उदाहरण गर्म रक्त वाले जैविक जीव हैं, जो बहुत ही संकीर्ण तापमान सीमा के बाहर काम करना पूरी तरह से बंद कर देते हैं।
पर्यावरण क्षेत्र
एक सुपरमॉलेक्यूलर सिस्टम के आसपास का आणविक वातावरण भी इसके संचालन और स्थिरता के लिए सर्वोपरि है। कई सॉल्वैंट्स में मजबूत हाइड्रोजन बांड होते हैं, इलेक्ट्रोस्टैटिकगुण और चार्ज ट्रांसफर करने की क्षमता, और इसलिए वे सिस्टम के साथ जटिल संतुलन में प्रवेश कर सकते हैं, यहां तक कि परिसरों को पूरी तरह से नष्ट कर सकते हैं। इस कारण से, विलायक का चुनाव महत्वपूर्ण हो सकता है।
आणविक स्व-विधानसभा
यह एक बाहरी स्रोत से मार्गदर्शन या नियंत्रण के बिना सिस्टम का निर्माण कर रहा है (सही वातावरण प्रदान करने के अलावा)। अणुओं को गैर-सहसंयोजक बातचीत के माध्यम से संग्रह करने के लिए निर्देशित किया जाता है। स्व-संयोजन को इंटरमॉलिक्युलर और इंट्रामोल्युलर में विभाजित किया जा सकता है। यह क्रिया बड़ी संरचनाओं जैसे कि मिसेल, झिल्ली, पुटिका, लिक्विड क्रिस्टल के निर्माण की भी अनुमति देती है। यह क्रिस्टल इंजीनियरिंग के लिए महत्वपूर्ण है।
सांसद और जटिलता
आणविक मान्यता एक पूरक मेजबान के लिए अतिथि कण का विशिष्ट बंधन है। अक्सर यह कौन सी प्रजाति है और कौन "अतिथि" की परिभाषा मनमानी लगती है। अणु गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाओं का उपयोग करके एक दूसरे की पहचान कर सकते हैं। इस क्षेत्र में प्रमुख अनुप्रयोग सेंसर डिजाइन और उत्प्रेरण हैं।
टेम्पलेट निर्देशित संश्लेषण
आणविक पहचान और आत्म-संयोजन का उपयोग प्रतिक्रियाशील पदार्थों के साथ एक रासायनिक प्रतिक्रिया प्रणाली (एक या अधिक सहसंयोजक बंधन बनाने के लिए) को पूर्व-व्यवस्थित करने के लिए किया जा सकता है। इसे सुपरमॉलेक्यूलर कटैलिसीस का एक विशेष मामला माना जा सकता है।
अभिकारकों और "मैट्रिक्स" के बीच गैर-सहसंयोजक बंधन वांछित रसायन विज्ञान को बढ़ावा देने, प्रतिक्रिया साइटों को एक साथ पास रखते हैं। यह विधिउन स्थितियों में विशेष रूप से उपयोगी है जहां वांछित प्रतिक्रिया संरचना थर्मोडायनामिक या काइनेटिक रूप से असंभव है, जैसे कि बड़े मैक्रोसायकल के उत्पादन में। सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री में यह पूर्व-स्व-संगठन भी उद्देश्यों को पूरा करता है जैसे कि साइड रिएक्शन को कम करना, सक्रियण ऊर्जा को कम करना और वांछित स्टीरियोकेमिस्ट्री प्राप्त करना।
प्रक्रिया बीत जाने के बाद, पैटर्न यथावत बना रह सकता है, बलपूर्वक हटाया जा सकता है, या विभिन्न उत्पाद पहचान गुणों के कारण "स्वचालित रूप से" विघटित हो सकता है। पैटर्न एकल धातु आयन जितना सरल या अत्यंत जटिल हो सकता है।
यांत्रिक रूप से परस्पर जुड़े आणविक वास्तुकला
वे कणों से बने होते हैं जो केवल उनके टोपोलॉजी के परिणाम के रूप में जुड़े होते हैं। विभिन्न घटकों (अक्सर सिस्टम के निर्माण में उपयोग किए जाने वाले) के बीच कुछ गैर-सहसंयोजक इंटरैक्शन मौजूद हो सकते हैं, लेकिन सहसंयोजक बंधन मौजूद नहीं हैं। विज्ञान - सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री, विशेष रूप से मैट्रिक्स-निर्देशित संश्लेषण, कुशल कंपाउंडिंग की कुंजी है। यांत्रिक रूप से परस्पर जुड़े आणविक आर्किटेक्चर के उदाहरणों में कैटेनेन्स, रोटैक्सेन, नॉट्स, बोरोमियन रिंग्स और रवेल्स शामिल हैं।
गतिशील सहसंयोजक रसायन
इसमें थर्मोडायनामिक नियंत्रण के तहत एक प्रतिवर्ती प्रतिक्रिया में बांड नष्ट हो जाते हैं और बनते हैं। जबकि सहसंयोजक बंधन प्रक्रिया की कुंजी हैं, सिस्टम सबसे कम ऊर्जा संरचनाओं को बनाने के लिए गैर-सहसंयोजक बलों द्वारा संचालित होता है।
बायोमिमेटिक्स
कई सिंथेटिक सुपरमॉलेक्यूलरप्रणालियों को जैविक क्षेत्रों के कार्यों की नकल करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इन बायोमिमेटिक आर्किटेक्चर का उपयोग मॉडल और सिंथेटिक कार्यान्वयन दोनों का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है। उदाहरणों में फोटोइलेक्ट्रोकेमिकल, कैटेलिटिक सिस्टम, प्रोटीन इंजीनियरिंग और स्व-प्रतिकृति शामिल हैं।
आणविक इंजीनियरिंग
ये आंशिक असेंबली हैं जो रैखिक या घूर्णी गति, स्विचिंग और ग्रिपिंग जैसे कार्य कर सकती हैं। ये उपकरण सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री और नैनोटेक्नोलॉजी के बीच की सीमा पर मौजूद हैं, और समान अवधारणाओं का उपयोग करके प्रोटोटाइप का प्रदर्शन किया गया है। जीन-पियरे सॉवेज, सर जे. फ्रेजर स्टोडडार्ट और बर्नार्ड एल. फेरिंगा ने आणविक मशीनों के डिजाइन और संश्लेषण के लिए रसायन विज्ञान में 2016 का नोबेल पुरस्कार साझा किया।
मैक्रोसाइकिल
मैक्रोसायकल सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री में बहुत उपयोगी होते हैं क्योंकि वे संपूर्ण गुहा प्रदान करते हैं जो अतिथि अणुओं को पूरी तरह से घेर सकते हैं और उनके गुणों को ठीक करने के लिए रासायनिक रूप से संशोधित किया जा सकता है।
Cyclodextrins, calixarenes, cucurbituril और क्राउन ईथर आसानी से बड़ी मात्रा में संश्लेषित होते हैं और इसलिए सुपरमॉलेक्यूलर सिस्टम में उपयोग के लिए सुविधाजनक होते हैं। व्यक्तिगत पहचान गुण प्रदान करने के लिए अधिक जटिल साइक्लोफेन और क्रिप्टैंड को संश्लेषित किया जा सकता है।
सुपरमॉलेक्यूलर मेटालोसायकल रिंग में धातु आयनों के साथ मैक्रोसाइक्लिक समुच्चय होते हैं, जो अक्सर कोणीय और रैखिक मॉड्यूल से बनते हैं। इस प्रकार के अनुप्रयोगों में सामान्य धातुचक्र आकृतियों में त्रिभुज, वर्ग, और शामिल हैंपेंटागन, प्रत्येक कार्यात्मक समूहों के साथ जो "स्व-असेंबली" के माध्यम से भागों को जोड़ते हैं।
Metallacrowns एक समान दृष्टिकोण का उपयोग करके फ्यूज़ किए गए chelate रिंगों के साथ उत्पन्न मेटालोमैक्रोसायकल हैं।
सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री: ऑब्जेक्ट
ऐसी कई प्रणालियों के लिए आवश्यक है कि उनके घटकों में एक दूसरे के सापेक्ष उपयुक्त रिक्ति और अनुरूपता हो, और इस प्रकार आसानी से प्रयोग करने योग्य संरचनात्मक इकाइयों की आवश्यकता होती है।
आमतौर पर, स्पैसर और कनेक्टिंग समूहों में पॉलिएस्टर, बाइफिनाइल और ट्राइफिनाइल और साधारण एल्काइल चेन शामिल हैं। इन उपकरणों को बनाने और संयोजित करने का रसायन बहुत अच्छी तरह से समझा जाता है।
सतहों को जटिल प्रणालियों को व्यवस्थित करने के लिए मचान के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, और इलेक्ट्रोड के साथ इलेक्ट्रोकेमिकल्स को इंटरफेस करने के लिए। मोनोलेयर और मल्टीलेयर सेल्फ-असेंबली बनाने के लिए नियमित सतहों का उपयोग किया जा सकता है।
पिछले दशक में विभिन्न प्रयोगात्मक और कम्प्यूटेशनल तकनीकों के योगदान के कारण ठोस पदार्थों में अंतर-आणविक अंतःक्रियाओं की समझ में एक महत्वपूर्ण पुनर्जागरण आया है। इसमें प्रकृति, ऊर्जावान और टोपोलॉजी की मात्रात्मक समझ को सक्षम करने के लिए इलेक्ट्रॉन घनत्व विश्लेषण, क्रिस्टल संरचना भविष्यवाणी, और ठोस राज्य डीएफटी गणना के उपयोग के साथ-साथ कमरे के तापमान पर तरल पदार्थों के ठोस और स्वस्थानी क्रिस्टलीकरण में उच्च दबाव अध्ययन शामिल हैं।
फोटो-इलेक्ट्रोकेमिकल रूप से सक्रिय इकाइयां
Porphyrins और phthalocyanines का अत्यधिक विनियमित होता हैफोटोकैमिकल ऊर्जा, साथ ही जटिल गठन की संभावना।
प्रकाश के संपर्क में आने पर फोटोक्रोमिक और फोटोसोमेरिजेबल समूहों में अपने आकार और गुणों को बदलने की क्षमता होती है।
TTF और quinones में एक से अधिक स्थिर ऑक्सीकरण अवस्था होती है और इसलिए इसे रिडक्शन केमिस्ट्री या इलेक्ट्रॉन विज्ञान का उपयोग करके स्विच किया जा सकता है। अन्य इकाइयाँ जैसे बेंज़िडाइन डेरिवेटिव, वायलोजन समूह और फुलरीन का उपयोग भी सुपरमॉलेक्यूलर उपकरणों में किया गया है।
जैविक रूप से व्युत्पन्न इकाइयां
एविडिन और बायोटिन के बीच अत्यधिक मजबूत जटिलता रक्त के थक्के को बढ़ावा देती है और सिंथेटिक सिस्टम बनाने के लिए एक पहचान रूपांकन के रूप में उपयोग की जाती है।
एंजाइमों को उनके सह-कारकों से बांधने का उपयोग संशोधित, विद्युतीय संपर्क और यहां तक कि फोटो स्विच करने योग्य कणों को प्राप्त करने के लिए एक मार्ग के रूप में किया गया है। सिंथेटिक सुपरमॉलेक्यूलर सिस्टम में डीएनए का उपयोग संरचनात्मक और कार्यात्मक इकाई के रूप में किया जाता है।
सामग्री प्रौद्योगिकी
सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री ने कई अनुप्रयोगों को पाया है, विशेष रूप से, आणविक स्व-संयोजन प्रक्रियाओं को नई सामग्री विकसित करने के लिए बनाया गया है। बॉटम-अप प्रक्रिया का उपयोग करके बड़ी संरचनाओं तक आसानी से पहुँचा जा सकता है, क्योंकि वे छोटे अणुओं से बने होते हैं जिन्हें संश्लेषित करने के लिए कम चरणों की आवश्यकता होती है। इस प्रकार, नैनोटेक्नोलॉजी के अधिकांश दृष्टिकोण सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री पर आधारित हैं।
उत्प्रेरण
यह उनका विकास और समझ है जो सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री का मुख्य अनुप्रयोग है। गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाएं अत्यंत महत्वपूर्ण हैंप्रतिक्रिया के लिए उपयुक्त अनुरूपताओं में अभिकारकों को बांधकर और संक्रमण अवस्था में ऊर्जा को कम करके उत्प्रेरण। टेम्पलेट निर्देशित संश्लेषण एक सुपरमॉलेक्यूलर प्रक्रिया का एक विशेष मामला है। इनकैप्सुलेशन सिस्टम जैसे कि मिसेल, डेंड्रिमर्स और कैविटैंड्स का उपयोग उत्प्रेरण में भी किया जाता है ताकि प्रतिक्रियाओं के लिए उपयुक्त माइक्रोएन्वायरमेंट बनाया जा सके जिसका उपयोग मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर नहीं किया जा सकता है।
दवा
सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री पर आधारित विधि ने कार्यात्मक बायोमैटिरियल्स और चिकित्सीय के निर्माण में कई अनुप्रयोगों को जन्म दिया है। वे अनुकूलन योग्य यांत्रिक, रासायनिक और जैविक गुणों के साथ मॉड्यूलर और सामान्यीकरण योग्य प्लेटफार्मों की एक श्रृंखला प्रदान करते हैं। इनमें पेप्टाइड असेंबली, होस्ट मैक्रोसाइकिल, हाई एफिनिटी हाइड्रोजन बॉन्ड और मेटल-लिगैंड इंटरैक्शन पर आधारित सिस्टम शामिल हैं।
कोशिकाओं के अंदर और बाहर सोडियम और पोटेशियम के परिवहन के लिए कृत्रिम आयन चैनल बनाने के लिए सुपरमॉलेक्यूलर दृष्टिकोण का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है।
ऐसी केमिस्ट्री ड्रग बाइंडिंग साइट इंटरैक्शन को समझकर नई फ़ार्मास्यूटिकल थैरेपी के विकास के लिए भी महत्वपूर्ण है। सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री के परिणामस्वरूप दवा वितरण के क्षेत्र में भी महत्वपूर्ण प्रगति हुई है। यह एनकैप्सुलेशन और लक्षित रिलीज तंत्र प्रदान करता है। इसके अलावा, ऐसी प्रणालियों को प्रोटीन-से-प्रोटीन इंटरैक्शन को बाधित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो सेलुलर फ़ंक्शन के लिए महत्वपूर्ण हैं।
टेम्पलेट इफेक्ट और सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री
विज्ञान में, एक टेम्पलेट प्रतिक्रिया लिगैंड आधारित क्रियाओं के किसी भी वर्ग में से एक है। वे धातु केंद्र पर दो या दो से अधिक आसन्न समन्वय स्थलों के बीच होते हैं। सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री में "टेम्पलेट इफेक्ट" और "सेल्फ-असेंबली" शब्द मुख्य रूप से समन्वय विज्ञान में उपयोग किए जाते हैं। लेकिन एक आयन की अनुपस्थिति में, वही कार्बनिक अभिकर्मक अलग-अलग उत्पाद देते हैं। यह सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री में टेम्प्लेट इफेक्ट है।
