Supramolekulární chemie

Supramolekulární chemie

Podstata života v self-assembly? 2

Definice supramolekulární chemie 1986- Nobelova cena Jean Marie Lehn: Chemie molekulárních uspořádání a intermolekulárních vazeb Jiné definice: Chemie nekovalentních vazeb, nemolekulární chemie, chemie přesahující molekulu - Definice nelze brat doslova, enormní nárůst prací, velká diversita systémů 3

V supramolekulární fotochemii i jiné definice: Supramolekulární slouč. = skupina molek. složek, které přispívají svými vlastnostmi k celému uspořádání (např. zcela kovalentní molekula chromofor + spacer + redox centrum) Optické senzory: např. porphyrin+spacer+kalixaren 4

V nejjednodušším smyslu je SCH chemií host-guest host molekula váže guest molekulu za tvorby host-guest komplexu (supramolekuly) host - obvykle velká molekula nebo agregát (enzym, syntetická cyklická molekula atd. obsahující dutinu guest - monoat. kation, anion, ale i větší molekuly (hormon, neurotransmiter atd.) 5

Formálně: Host =molekul. entita mající konvergentní vazebná místa (Lewisovy bazic. donor. at., donory H-vazeb atd.) Guest = molekul. entita mající divergentní vazebná místa, často sférická (Lewisově kyselé kovové ionty, donory H-vazeb (halogen.anionty atd.) Host-guest komplex 6

7

Definice dle Donalda Crama (1986): Komplexy jsou tvořeny 2 a více molekuly nebo ionty a jsou vázány unikátními strukturními vztahy a především elekrostatickými silami (jinými než v plně kovalentní vazbě). Molekulární komplexy jsou obvykle drženy H-vazbou, iont. párováním, vazbou kov-ligand, reorganizací rozpouštědla a van der Waals síly. Vysoký stupeň organizace komplexu, více vazeb. míst. 8

Supramolekulární komplex- alespoň jedna host a jedna guest částice - vztah zahrnuje komplementární stereoelektronické uspořádání vazebných míst v host (konvergující v.m.) a guest (divergující v.m.) částici - host nejen organická molekula, ale i zeolity, polyoxovanadičnany, hydrotalcity, organokovové komplexy atd. 9

Host-guest přirovnání ruka-míč - ruka ( host ) obalí míč ( guest ), poskytne fyzickou (sterickou) bariéru zabraňující jeho upuštění (disociaci) pojem inkluzní chemie 10

Klasifikace supramolekulárních host-guest sloučenin -podle stability v roztocích: Klatráty host většinou stabilní pouze v pevném stavu Např. plynové hydráty (Cl 2.10 H 2 O, 9 0 C), močovinové klatráty, krystalické solváty atd. Molekulární host-guest sloučeniny host silně váže molekulu jak v roztoku tak v pevném stavu ( Host : crown ethery, kryptandy, sferandy, karcerandy a kryptofany) 11

Klasifikace Host-guest sloučenin - podle topologického vztahu host-guest : KAVITANDY- host molekuly mající intramolekulární dutiny, v roztoku i pev. stavu KLATRANDY - host molekuly s extramolekulárními dutinami, pouze v krystal. nebo pev.stavu host-guest s kavitandy KAVITÁTY host-guest s klatrandy KLATRÁTY 12

Schematické znázornění kavitátů (a) a klatrátů (b). 13

Další rozdělení na základě vaz. sil mezi host - guest : Je-li agregát držen převážně elektrostat. silami (ion-dipol, dipol-dipol, H-vazba) termín komplex Je-li agregát držen méně specifickými (většinou slabšími), nesměrovanými silami (hydrofobní efekt, van der Waals sily, krystalové zbalení = crystal close-packing effect přednost termín kavitát nebo klatrát 14

Host - guest 15

Další termíny pro speciální topologie host-guest. 16

Receptory, koordinace, analogie klíč a zámek Host-guest chemie založena na 3 historických postulátech: 1) 1906 Paul Ehrich: Molekuly nepůsobí, pokud Biol. receptor se neváží koncept biol.receptoru Supramol. chemie Koord. chemie Enzymsubstrát 17

2) 1894 Emil Fischer pojem klíč a zámek v rámci studia receptor-substrát vazby u enzymů 3)1893 Alfred Werner teorie koordinační chemie 18

Chelátové a makrocyklické efekty značný zájem o konstrukci supramolek. host molekul díky součtovým a multiplikačním interakcím lze vytvořit stabilní host-guest komplex díky většímu počtu často slabých nekovalentních interakcí v řadě případů synergický (multiplikační) efekt = extra stabilizace na základě chelátového a makrocyklického efektu 19

Chelátový efekt: - znám z koordinační chemie, např. metalokomplexy bident. ligandů (1,2- diaminoethan) jsou stabilnější než s analog. unident. ligandy (NH 3 ) - z reakce vyplývá, že chelát je 10 8 x stabilnější než komplex s unidentátními ligandy 20

Při reakci (1.1) se zvýší počet volných částic (4 7) příznivý entropický příspěvek ( S ) Entropický příspěvek zesílen statistickým příspěvkem. Aby komplex disocioval, obě vazby kov-donor.at musí disociovat současně. Maximalizace konformačních a elektrostatických aspektů interakcí kov- ligand příznivá entalpie reakce ( H ) Volná energie reakce: G = H - T S 21

Kinetické hledisko: pravděpodobné, že reakce kovu s ligandem L probíhá stejnou rychlostí jako vazba na 1. donor. at. chelatujícího ligandu LL. Vazba na 2. donor.at. probíhá ale podstatně rychleji (vyšší efektivní koncentrace) X Problémy s porovnáním: 2. dílčí (konsekutivní) konstanta stability β12 pro vazbu dvou unidentátních ligandů L nemá stejný rozměr jako konstanta stability pro bidentátní ligand LL 22

X -téměř vždy platí: v kapalné fázi chelátové ligandy nahradí monodentátní analoga V SCH termodynamická stabilita zesílena chelátovým efektem. Ligand. donor. at. = host vazeb. místa (různé povahy), kov = generalizován jako guest 23

Chelátový efekt pozorován hlavně u podantů Stabilizace chelátovým efektem závisí na velikosti chelátového kruhu. Většinou optimální 5-členný kruh, malé pnutí kruhu Větší pnutí kruhu menší pravděpodobnost připoj. obou donor. at. vliv na entrop. člen optim. velikost musí mít i guest (kov) malé kationty (B 3+, Be 2+ ) 6-ti členný kruh větší kationty 5-ti členný kruh 24

Makrocyklický efekt Makrocyk. ligandy poskytují stabilnější komplexy, než odpovídá chelát. efektu Stabilita komplexu závisí na chelataci guest pomocí několika vazebných míst host a preorganizaci vazebných míst v prostoru -neztrácí se energie nutností obalit guest Energie (ethalpický příspěvek) nutná k fixaci donor. at. blízko sebe byla již vynaložena při syntéze host molekuly. 25

Cyklické host molekuly jako KORANDY (např. crown ethery) 10 4 x stabilnější než acyklické PODANDY 26

Cabbiness a Margerum (1970)- studium vazeb.konstant metalokomplexů. 27

Enthalpický zisk: makrocykly obvykle méně solvatovány (poskytují méně povrchu přístupného solventu) je třeba přerušit méně vazeb solvent- ligand Entropický zisk: makrocykly méně konformačně flexibilní ztrácejí méně stupňů volnosti při komplexaci - entropické penále zaplaceno při syntéze makrocyklu Bicyklické KRYPTANDY ještě stabilnější tzv. makrobicyklický efekt 28

Komplementarita a preorganizace Komplementarita Host molekula musí obsahovat vaz. místa správného elektronického charakteru (polarita, akceptor/donor H-vazby, Lewisova kys./báze atd.) Vazebná místa musí mít vhodnou vzdálenost v prostoru pro interakci ve vaz. konformaci s guest molekulou Obě kriteria komplementarita 29

Preorganizace - jestliže host molekula nepodléhá značné konformační změně během vazby s guest molekulou je preorganized - hlavní zvýšení celkové volné energie během komplexace. Se zanedbáním solvatač.efektů: 1) Tvorba aktiv. stavu. Energeticky nevýhodná. Host molekula podléhá reorganizaci (konfor.změnám). Současně minimalizace interakce vaz. míst. Komplementárně u guest molekul organizace vaz.míst. 30

2) vazba host-guest se ziskem energie (více vaz.míst) Celková bilance: rozdíl příspěvků -větší preorganizace reorganizace nižší Např.: sferandy x korandy-10 10 x větší afinita ke kationtům alk. kovů 31

Solvatace zesiluje efekt preorganizace, stabilizuje volnou host molekulu. Preorganizace se projeví v kinetice hostguest vazby - rigidně preorganizované host molekulypomalá kinetika komplexace 32

Termodynamická a kinetická selektivita cíl návrhu supramolekulární host molekuly dosáhnout selektivity = rozlišení mezi guest molekuly Termodynamická selektivita: poměr vazebných konstant = K guest1 /K guest2 K v = [Host-Guest] / ( [Host] x [Guest] ) 33

Kinetická selektivita souvisí s rychlostí transformace soutěžících substrátu podél reakční cesty Směrování průběhu procesů řídí supramolekulární (např.enzymatickou) katalýzu,detekce/signalizaci guest molekuly Selektivita spíše větší pro guest molekulu, která se transformuje nejrychleji Velké K v na překážku, inhibitory v časově rozlišených procesech. 34

Např.enzymy komplementární pro daný stav substrátu, nejsou rigidně preorg., adaptace rychlá katalýza Arteficiální katalytické systémy - velice obtížné navrhnout časově závislou selektivitu (přizpůsobování se guest molekule měnící se během reakční cesty) 35

Vazebné konstanty (formační, asociační konstanty, konstanty stability) Typické hodnoty: crown ethery kovy, v H 2 O: 10 1-10 2 (v CH 3 OH: až 10 6 ), kryptandy kovy: 10 10 36

Konsekutivní (dílčí, postupné) vaz. konstanty: β 12 = K 11 x K 12, obecně β mn = [M m L n ]/ ([M] m [L] n ) log β 12 = log(k 11 x K 12 )= log K 11 + log K 12 37

Vztah k volné energii Gibbsova rovnice G = - RT ln K (komplex. energie) cca od 20-100 kj mol -1 K v lze definovat podle rychl. konstant komplexace a dekomplexace: 38

Měření K v : - všechny exper. techniky vedoucí k informaci o koncentraci [ML] (komplexu) jako funkci měnící se koncentraci [M] (obecně host či guest ) i) Potenciometrická titrace: např. u makrocyklů donor. at. schopné protonace vliv na tvar titr. křivek, pk a K v ii) NMR: ze závislosti δ host molekuly na koncentraci guest molekuly (i opačně) - navíc informace o regioselektivitě vazby 39

Fluores.titrace -měření celk. fluores. intenzity na koncentraci fluoroforu. Pro 1:1 komplex: F=k G [G] + k 11 [HG] k G a k 11 konstanty úměry pro G a HG -v nepřítom. H: F 0 = k G 0 G t - obecně: G t = [G] + [HG] platí: F/F 0 = {k G / k G0 + (k 11 / k G0 ) K 11 [H]}/(1+ k 11 [H]) 40

Obvykle G nebo HG nefluoreskuje, tj. k G nebo k 11 = 0 zjednodušení rovnice Např. k G =k G0, k 11 = 0 pak platí: F 0 /F = 1 + K 11 [H] graf závislosti F 0 /F proti [H] směrnice = K 11 Často používané fluores. značky, např. ANS (8-anilino-1-naftalensulfonát) 41

UV-Vis titrace- klasická metoda X nutná změna abs. v závislosti na koncentraci komplexu 0.2 A= A B K v [CD]/(1+K v [CD]) 0,15 A 0.0 A 0,10-0.2 400 425 450 Wavelength [nm] 0,05 0,00 0,0 1,0x10-3 2,0x10-3 c Host [mol x dm -3 ] Dif. abs. spektra Vazebná izotherma 42

1/ (A 0 -A Host ) = 1/{K v [Host] (A 0 -A B )}+1/(A 0 -A B ) 25 0,4 b a 1/(A 0 -A Host ) 20 15 10 A 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 x Guest b a 5 0 500 1000 1500 2000 1/c Host [M -1 ] Benesi-Hildebrandova a Jobova závislost (výpočet K v a stechiometrie) 43

Vytěsňovací efekt ( Displacement effect ) 0,6 0,4 host-guest interaction -red shift displacement by ACA -blue shift ACA= COOH A 0,2 H H H 0,0 400 420 440 Wavelength [nm] Vypočet K v, orientační test modu interakce 44

Povaha supramolekulárních interakcí Obecně nekovalentní interakce: I) Interakce ion-ion (100-350 kj mol -1 ) - typický je rozpad iontové mřížky při solvataci iontů 45

II) ion-dipól (50-200 kj mol -1 ) - v pevném stavu i roztoku např.: komplexy alk.kovů s crown ethery -patří sem i koord. vazby elektrostat. povahy (nepolariz. kov a tvrdá baze) ale i s kovalentní povahou-dativní vazby, např. [Ru(bpy) 3 ] 2+ 46

III) dipól-dipól interakce (5-50 kj mol -1 ) Typ I párování jednoho páru pólů Typ II zarovnání dipólů (20 kj mol -1 ) Např. organické karbonylové slouč., hlavně v pev. stavu 47

IV) vodíková vazba (4-120 kj mol -1 ) -speciální typ dipól-dipól interakce, H připojen k elekroneg. at. nebo EWG -silná, směrovaná interakce, klíčová interakce v SCh Typické vzdálenosti H vázaných O...O 2.50 2.80 A, větší atomy jako Cl delší a slabší H vazba Obecně velký rozsah délek, síly a geometrie H-vazba velmi důležitá např.: pro tvar, konformaci vlastnosti, funkci proteinů, helix. strukturu DNA, rozpoznávání substrátů enzymy atd. 48

H-vazba vliv na fyzikální vlastnosti látek v pevném, kapalném i plynném stavu Existují i C-H N a C-H O, při připojení elektroneg. at. kyselost C-H vazby 49

V) kation-π interakce (5-80 kj mol -1 ) U přech. kovů Fe 2+, Pt 2+ atd. komplexy typu ferrocen [Fe(C 5 H 5 ) 2 ], Zeiseho sůl [PtCl 3 (C 2 H 4 )] - -kovalentní charakter u kationtů s d orbitaly X interakce alk. kovů a kovů alk.zemin nekovalentní interakce K + - interakční energie s C 6 H 6 : 80 kj mol -1 s H 2 O : 75 kj mol -1 Nemetalic. kationty (RNH 3+ ) s dvoj.vaz. forma X-H π vazby 50

VI) π π stacking (0-50 kj mol -1 ) - slabá elektrostat. interakce 2 hl. typy (přímý překryv odpudivý): face-to-face (lubrik. vlastnost grafitu, stabilizace helixu DNA) edge-to-face (slabá forma H- vazby) 51

Sanders a Hunter - model pro vysvětlení π-π interakcí: -přitaž. síly mezi neg. nabitým el. oblakem jedné molekuly a poz. nabitou kostrou σ-vazeb druhé molekuly Přitaž. van der Waals interakce úměrné kontakt. poměru 2 π systémů. Relat. orientace 2 molekul dána repulzí dvou neg. nabitých π-systémů 52

VII) Van der Waalsovy síly (<5 kj mol -1 ) polarizace elektron. mraku blízkými jádry soused. molekul slabá elektrost.přitažlivost -nesměr. charakter (omezený význam pro design selekt. host molekul) -především u měkkých polarizovat. částic Též ve vzácných plynech. V SCh nejdůležitější při tvorbě inkluzních sloučenin malých org.molekul v krystal. mřížkách a molek. dutinách 53

Dva typy: Disperzní síly (Londonovy): interakce mezi fluktujícími multipóly sousedních molekul aditivní ke každé vazbě Výměnné-repulzní síly: určují tvar molekuly, vyrovnávají disperzi 54

VIII) Close packing v pevném stavu Struktury v pevném stavu mají tendenci skládat molekuly tak, aby bylo dosaženo maxima mezimolek. kontaktů. Kitaigorodsky- teorie maximalizace van der Waals interakcí Pouze vyjimečně obsahují struktury prázdný prostor. Tyto struktury mají velmi pevnou kostru schopnou odolat implozi, zajímavé vlastnosti v katalýze, separaci atd. (např. zeolity) 55

IX) Hydrofobní efekt Nejde o síly, ale vyloučení velkých částic, či částic slabě se solvatujících z polárního rozpouštědla (hl. H 2 O) Např. nemísitelnosti oleje a vody žene částice stejné polarity k sobě Zásadní důležitost v host-guest chemii cyklodextrinů a cyklofánů v H 2 O Hydrofobní efekt často doprovází van der Waals a π-π stacking interakce. 56

Příspěvek: Enthalpický Entropický 57