СУПРАМОЛЕКУЛЯ́РНАЯ ХИ́МИЯ

СУПРАМОЛЕКУЛЯ́РНАЯ ХИ́МИЯ, изу­чает об­ра­зо­ва­ние, струк­ту­ру и свой­ст­ва час­тиц, фор­ми­рую­щих­ся в ре­зуль­та­те из­би­ра­тель­ной ас­со­циа­ции двух и бо­лее мо­ле­кул или разл. фраг­мен­тов од­ной и той же мо­ле­ку­лы за счёт не­ва­лент­ных взаи­мо­дей­ст­вий: во­до­род­ных свя­зей, элек­тро­ста­ти­че­ских, дис­пер­си­он­ных и гид­ро­фоб­ных сил, об­ра­зо­ва­ния ме­тал­ло­ком­плек­сов, π-стэ­кин­га, ин­кап­су­ля­ции од­ной мо­ле­ку­лы др. мо­ле­ку­ла­ми и т. д. Та­кие час­ти­цы (мо­гут со­дер­жать сот­ни мил­лио­нов ато­мов) на­зы­ва­ют­ся суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ны­ми ан­самб­ля­ми. Т. о., тер­мин «С. х.» (букв. – над­мо­ле­ку­ляр­ная хи­мия) от­но­сит­ся к об­лас­ти зна­ний, ле­жа­щей за пре­де­ла­ми мо­ле­ку­ляр­ной (клас­си­че­ской) хи­мии (назв. про­изош­ло от лат. supra – над, сверх).

В при­ро­де суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ные объ­ек­ты встре­ча­ют­ся пре­им. в жи­вых ор­га­низ­мах, где бла­го­да­ря спе­ци­фи­че­ским струк­тур­ным осо­бен­но­стям вы­пол­ня­ют функ­ции хра­не­ния, пе­ре­да­чи и реа­ли­за­ции ге­не­тич. ин­фор­ма­ции, слу­жат пе­ре­нос­чи­ка­ми др. час­тиц, био­ка­та­ли­за­то­ра­ми, осу­ще­ст­в­ля­ют мат­рич­ный син­тез. Об­ра­зо­ва­ние суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ных струк­тур – за­ко­но­мер­ный ре­зуль­тат хи­мич. эво­лю­ции ма­те­рии: от эле­мен­тар­ных час­тиц до ато­мов и про­стей­ших мо­ле­кул, да­лее на оп­ре­де­лён­ном эта­пе к мо­ле­ку­лам, пре­ж­де все­го ор­га­ни­че­ским, про­яв­ляю­щим спо­соб­ность к мно­же­ст­вен­ным не­ва­лент­ным взаи­мо­дей­ст­ви­ям (коо­пе­ра­тив­ный эф­фект), обу­слов­лен­ным гео­мет­рич. и энер­ге­тич. со­от­вет­ст­ви­ем мо­ле­кул. Из­би­ра­тель­ность это­го про­цес­са по­зво­ля­ет мо­ле­ку­лам рас­по­зна­вать друг дру­га и са­мо­ор­га­ни­зо­вы­вать­ся, при­об­ре­тая оп­ре­де­лён­ные про­стран­ст­вен­ные фор­мы, спо­соб­ные к об­ра­ти­мым из­ме­не­ни­ям. При со­от­вет­ст­вую­щих внеш­них ус­ло­ви­ях из та­ких суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ных ан­самб­лей, спо­соб­ных са­мо­вос­про­из­во­дить­ся, фор­ми­ру­ют­ся жи­вые клет­ки.

В жи­вых ор­га­низ­мах функ­цио­ни­ру­ют ты­ся­чи разл. суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ных струк­тур (нук­леи­но­вые ки­сло­ты, фер­мен­ты, слож­ные бел­ки и т. д.) и реа­ли­зу­ет­ся ещё боль­шее чис­ло суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ных взаи­мо­дей­ст­вий. Важ­ней­ший при­мер ги­гант­ских суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ных струк­тур – де­зок­си­ри­бо­нук­леи­но­вые ки­сло­ты (кон­тур­ная дли­на дос­ти­га­ет 2 м), по­стро­ен­ные из двух ком­пле­мен­тар­но свя­зан­ных во­до­род­ны­ми свя­зя­ми по­ли­нук­лео­тид­ных це­пей, са­мо­ор­га­ни­зую­щих­ся в яд­ре жи­вой клет­ки в ком­пакт­ную над­мо­ле­куляр­ную струк­ту­ру. Со спо­соб­но­стью ДНК рас­по­зна­вать др. мо­ле­ку­лы свя­за­ны осн. ге­не­тич. про­цес­сы – ре­п­ли­ка­ция, транс­крип­ция и ре­ком­би­на­ция. Один из при­ме­ров мо­ле­ку­ляр­но­го рас­по­зна­ва­ния в жи­вой при­ро­де – спо­соб­ность ор­га­низ­ма под­дер­жи­вать свою це­ло­ст­ность и био­ло­гич. ин­ди­ви­ду­аль­ность пу­тём рас­по­зна­ва­ния, от­тор­же­ния и унич­то­же­ния мо­ле­кул чу­же­род­ных ве­ществ при уча­стии бел­ко­вых ре­цеп­то­ров (им­му­ни­тет).

Об­ра­зую­щие­ся за счёт сла­бых взаи­мо­дей­ст­вий суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ные струк­ту­ры вслед­ст­вие коо­пе­ра­тив­но­го эф­фек­та (на­ли­чия боль­шо­го чис­ла свя­зы­ваю­щих цен­тров) мо­гут быть очень ус­той­чи­вы­ми. При оп­ре­де­лён­ных ус­ло­ви­ях (дей­ст­вие ка­та­ли­за­то­ров, из­ме­не­ние рН сре­ды, ска­чок элек­трич. по­тен­циа­ла или пе­ре­пад дав­ле­ния) ан­самб­ли спо­соб­ны об­ра­ти­мо дис­со­ции­ро­вать (пол­но­стью или час­тич­но) на ин­ди­ви­ду­аль­ные ком­по­нен­ты, спо­соб­ные к са­мо­сто­ят. су­ще­ст­во­ва­нию.

С. х. – од­на из са­мых мо­ло­дых об­лас­тей хи­мии, стре­ми­тель­ное раз­ви­тие ко­то­рой свя­за­но в пер­вую оче­редь с на­ча­лом сис­те­ма­тич. изу­че­ния мак­ро­цик­ли­че­ских ком­плекс­ных со­еди­не­ний в 1960-х гг. (наи­боль­ший вклад в эту об­ласть вне­сли Ч. Пе­дер­сен, Д. Крам и Ж. М. Лен, удо­сто­ив­шие­ся в 1987 Но­бе­лев­ской пр.). Од­на­ко не­ко­то­рые пред­став­ле­ния и кон­цеп­ции С. х., а так­же мн. су­пра­мо­ле­ку­ляр­ные струк­ту­ры из­вест­ны зна­чи­тель­но рань­ше (ра­бо­ты Г. Дэ­ви, Ф. Вё­ле­ра, П. Эр­ли­ха, Й. Д. Ван дер Ва­аль­са и др.). К нач. 21 в. ла­бо­ра­тор­ным пу­тём син­те­зи­ро­ва­ны ты­ся­чи суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ных струк­тур и пред­ло­же­но их ис­поль­зо­ва­ние в мед. хи­мии (напр., для це­ле­вой дос­тав­ки в боль­ные клет­ки ле­карств), био­тех­но­ло­гии, ка­та­ли­зе, ин­фор­ма­ти­ке, ма­те­риа­ло­ве­де­нии, эко­ло­гии, ана­ли­тич. хи­мии и т. д. По­лу­че­ны но­вые клас­сы со­еди­не­ний, склон­ных к об­ра­зова­нию суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ных струк­тур: клат­ра­ты, кра­ун-эфи­ры, крип­тан­ды, ка­те­на­ны, ко­ор­ди­на­ци­он­ные по­ли­ме­ры, ден­д­ри­ме­ры и др.

Один из круп­ных раз­де­лов С. х. – т. н. кон­тей­нер­ная хи­мия, или хи­мия со­еди­не­ний, спо­соб­ных реа­ли­зо­вы­вать взаи­мо­дей­ст­вия ти­па «хо­зя­ин – гость». Син­те­зи­ро­ва­ны со­еди­не­ния, вы­пол­няю­щие роль «хо­зяи­на», т. е. спо­соб­ные к эф­фек­тив­но­му рас­по­зна­ва­нию и свя­зы­ва­нию разл. ка­тио­нов, анио­нов, ней­траль­ных мо­ле­кул. Напр., кра­ун-эфир с груп­пой NH₂ в бо­ко­вой це­пи (фор­му­ла I) в ней­траль­ной или ще­лоч­ной сре­де да­ёт ус­той­чи­вый ком­плекс с ио­на­ми K⁺ (II), но в ки­слой сре­де об­ра­зу­ет­ся ка­ти­он ти­па III и ион K⁺ вы­тес­ня­ет­ся из по­лос­ти эфи­ра ио­ном ам­мо­ния за счёт бoльшей ус­той­чи­во­сти трёх во­до­род­ных свя­зей N─ H···O. Эта суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ная струк­ту­ра ими­ти­ру­ет ра­бо­ту кле­точ­ной мем­бра­ны, ре­гу­ли­рую­щей кон­цен­тра­цию про­то­нов и ио­нов K⁺ (Na⁺) внут­ри клет­ки. Ком­плекс IV пред­ло­жен для очи­ст­ки жид­ких ра­дио­ак­тив­ных от­хо­дов от суль­фат-ио­нов. При­ме­ром свя­зы­ва­ния ней­траль­ных мо­ле­кул мо­жет слу­жить суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ный ан­самбль V: мо­ле­ку­ла фул­ле­ре­на удер­жи­ва­ет­ся, как пин­це­том, дву­мя цин­кпор­фи­ри­но­вы­ми фраг­мен­та­ми пред­по­ло­жи­тель­но за счёт π-стэ­кин­га (взаи­мо­дей­ст­вия π-элек­тро­нов).