Wstęp do chemii supramolekularnej (wydanie II)
Nowe, zaktualizowane wydanie wprowadzenia do chemii supramolekularnej, uwzględniające najważniejsze dla tej dziedziny grupy związków tworzących
kompleksy inkluzyjne (
etery koronowe, kaliksareny, sferandy, karcerandy,
cyklodekstryny, fullereny, nanorurki, dendrymery, cyklofany) oraz agregaty molekularne (membrany lipidowe, micele, ciekłe kryształy, maszyny molekularne), samoorganizujące się makrocząsteczki w układach żywych (wirus mozaiki tytoniowej, DNA, błony komórkowe, receptory, układy porfirynowe, pompy protonowe), a także fascynujące układy supramolekularne (rozety, wstęgi, kapsułki, zeolity organiczne, łańcuchy, drabinki, klatki, struktury metaloorganiczne i ciekłe materiały porowate).
Ta dynamicznie rozwijająca się dziedzina, usytuowana pomiędzy chemią, biochemią, fizyką i technologią (w tym nanotechnologią), umożliwia projektowanie układów supramolekularnych o własnościach ściśle dostosowanych do potrzeb. Perspektywy jej zastosowań są niezwykle obiecujące. Rozwój chemii supramolekularnej ma coraz większy wpływ na przemysłową syntezę chemiczną, przemysł farmaceutyczny i elektroniczny oraz medycynę (opracowanie m.in. nowych metod podawania leków oraz stworzenie biokompatybilnych materiałów kompozytowych do stosowania jako implanty nowej generacji w stomatologii i chirurgii). W skład chemii supramolekularnej wchodzi również ważny obszar chemii biomimetycznej, pozwalającej zrozumieć molekularne podstawy działania organizmów żywych, a może nawet powstania życia na Ziemi. Znaczenie tej dziedziny zostało docenione dwukrotnie Nagrodą Nobla: w 1987 r. dla badaczy oddziaływań supramolekularnych i w 2016 roku za badanie maszyn molekularnych.
Publikacja stanowiąca zwartą, żywą prezentację aktualnego stanu wiedzy jest lekturą obowiązkową nie tylko dla naukowców i doktorantów prowadzących badania w tej dziedzinie, ale także dla niespecjalistów.
*********
Introduction to Supramolecular Chemistry. Second Polish Edition
New updated edition covering the most important compound groups that form
inclusion complexes (
crown ethers,
cyclodextrins) and molecular aggregates (lipid membranes, micelles, liquid crystals, molecular machines) as well as self-organizing macromolecules in living systems (DNA, receptors, proton pumps), and fascinating supramolecular systems (rosettes, ribbons, capsules, cages, metal-organic frameworks and liquid porous materials).
New updated edition of introduction to supramolecular chemistry covering the most important for this field compounds: those forming inclusion complexes (crown ethers, calixarenes, spherands, carcerands, cyclodextrins, fullerenes, nanotubes, dendrimers, cyclophanes) and molecular aggregates (lipid membranes, micelles, liquid crystals, molecular machines) as well as self-organizing macromolecules in living systems (tobacco mosaic virus, DNA, cell membranes, receptors, porphyrin systems, proton pumps), and fascinating supramolecular systems (rosettes, ribbons, capsules, organic zeolites, chains, ladders, cages, metal-organic frameworks, and liquid porous materials).
Supramolecular chemistry as a dynamically developing discipline at the intersection of chemistry, biochemistry, physics and technology (in particular nanotechnology) enables designing supramolecular systems with properties precisely tailored to needs. Its application potential is very promising. The development of supramolecular chemistry has an increasing impact on industrial chemical synthesis, the cosmetic, pharmaceutical and electronics industry and medicine (leading to new methods of drug administration and creation of biocompatible composite materials which will serve as new-generation implants in dentistry and surgery). An important component of supramolecular chemistry is biomimetic chemistry, a science which provides insight into the molecular basis for the functioning of living organisms and perhaps even the origin of life on Earth. The significance of this field was recognized by two Nobel Prizes in chemistry: in 1987 for the studies on
molecular recognition and in 2016 for the research on molecular machines.
The book, which is a concise and lively presentation of the current state of knowledge, is a must-read not only for scientists and PhD students involved in research in this domain, but also for non-specialists.
Przedmowa do drugiego wydania w języku polskim 9
Wstęp 11
Rozdział 1. Chemia supramolekularna. Co to jest? 13
Rozdział 2. Rozpoznawanie molekularne i chiralne. Samoorganizacja, autoasocjacja i preorganizacja 31
2.1. Rozpoznawanie molekularne i chiralne 31
2.2. Autoasocjacja i samoorganizacja 35
2.3. Rola preorganizacji w syntezie cząsteczek
topologicznych. Reakcje templatowe 37
2.4. Reakcja syntezy jednoreaktorowej. Autoasocjacja
kowalencyjna oparta na preorganizacji 42
Rozdział 3. Kompleksy inkluzyjne. Chemia kompleksów
gość–gospodarz 50
3.1. Początki chemii gość–gospodarz. Prace Pedersena
dotyczące eterów koronowych 50
3.2. Nomenklatura 56
3.3. Budowa kompleksów inkluzyjnych 59
3.4. Dynamiczny charakter kompleksów inkluzyjnych 61
3.5. Kompleksy z dopasowaniem wymuszonym i bez niego:
endohedralne kompleksy fullerenów, hemikarcerandy i
otrzymane przez zespół Rebeka niesztywne cząsteczki
gospodarza tworzące kompleksy przypominające piłki
tenisowe 63
Rozdział 4. Struktury mezoskopowe jako układy pośrednie pomiędzy cząsteczkami chemicznymi (skala mikro) a komórkami organizmów żywych (skala makro) 68
4.1. Wstęp 68
4.2. Agregaty molekularne o pośrednich rozmiarach 69
4.2.1. Filmy Langmuira i Langmuira–Blødgett oraz
inne warstwy autoasocjowane 71
4.2.2. Jedno- i dwuwarstwowe membrany lipidowe 73
4.2.3. Mikroemulsje, micele i pęcherzyki 74
4.2.4. Nanorurki 79
4.2.5. Włókna [74, 75] 83
4.2.6. Ciekłe kryształy [83–85] 83
Rozdział 5. Pomiędzy klasyczną chemią organiczną a biologią. Zrozumieć i naśladować przyrodę 90
5.1. Wstęp 90
5.2. Rola samoorganizacji i autoasocjacji w żywych
organizmach 91
5.2.1. Wirus mozaiki tytoniowej 91
5.2.2. Helikalna budowa DNA 93
5.2.3. Membrany komórkowe 93
5.3. Modelowanie procesów zachodzących w organizmach
żywych 94
5.3.1. Kompleksy gość–gospodarz jako układy
analogiczne do układu substrat–receptor w
biochemii 95
5.3.2. Zasady modelowania molekularnego początków
życia 95
5.3.3. Modelowanie samoreplikacji 96
5.3.4. Transport przez membrany. „Antybiotyki
transportowe”: walinomycyna, nonaktyna, monenzyna
i naśladujące je cząsteczki 97
5.3.5. Cyklodekstryny [57–60] jako układy
naśladujące enzymy 99
5.3.6. Układy porfirynowe modelujące zjawisko
fotosyntezy 100
5.3.7. Napędzana światłem pompa protonowa 102
5.3.8. Układy kumulujące żelazo przyczyniające się
do wzrostu mikroorganizmów. Syderofory 105
Rozdział 6. Na granicy pomiędzy chemią a technologią – nanotechnologia i inne przemysłowe zastosowania układów supramolekularnych 109
6.1. Wstęp 109
6.2. Pomiędzy chemią a fizyką ciała stałego –
inżynieria kryształów. Otrzymywanie kryształów o
pożądanych właściwościach 111
6.3. Nanotechnologia i inne zastosowania przemysłowe
układów supramolekularnych 118
6.3.1. Cząsteczki w ruchu: elementy maszyn i
silników składające się z pojedynczej cząsteczki
lub pojedynczego agregatu molekularnego oraz
maszyny molekularne [81–85] 121
6.3.2. Układy elektronowe oparte na cząsteczkach
organicznych lub ich agregatach – chemionika 123
6.3.3. Zastosowania w przemyśle farmaceutycznym,
kosmetycznym i spożywczym 135
6.3.4. Ochrona środowiska [168–175] 137
6.3.5. Mikroemulsje w procesach czyszczenia [188–
190] 139
6.3.6. Układy do ekstrakcji kationów – jonofory
[191] 140
6.3.7. Inne zastosowania układów
supramolekularnych 141
6.4. Kataliza supramolekularna 143
6.4.1. Wstęp 143
6.4.2. Układy naśladujące enzymy 145
6.4.3. Makrocykliczne cząsteczki gospodarza,
agregaty o pośrednich rozmiarach (mikroemulsje,
micele, pęcherzyki itp.) oraz materiały mezoporowe
jako katalizatory 148
6.4.4. Inteligentne materiały 150
6.5. Uwagi końcowe 150
Rozdział 7 Najciekawsze ligandy makrocykliczne, pełniące funkcję gospodarza w kompleksach inkluzyjnych 159
7.1. Etery koronowe i koronandy, kryptaty i kryptandy
[1–3] 159
7.1.1. Wstęp 159
7.1.2. Synteza eterów koronowych i kryptandów 162
7.1.3. Obliczenia teoretyczne dla eterów
koronowych i ich kompleksów 166
7.1.4. Alkalidy i elektrydy [32, 33] 166
7.1.5. Różnorodne cząsteczki zawierające etery
koronowe, kryptandy i ich fragmenty 169
7.2. Kaliksareny [1–6], hemisferandy i sferandy [7]
174
7.2.1. Synteza kaliksarenów 174
7.2.2. Konformacje kaliksarenów 178
7.2.3. Kaliksareny jako czynniki kompleksujące 180
7.2.4. Sferandy, hemisferandy i podobne cząsteczki
makrocykliczne zdolne do tworzenia kompleksów
inkluzyjnych [53] 182
7.3. Karcerandy, hemikarcerandy i nowatorskie
„probówki molekularne”, umożliwiające otrzymywanie i
stabilizację związków nietrwałych [1] 186
7.4. Cyklodekstryny i ich kompleksy [1–9] 196
7.4.1. Wstęp 196
7.4.2. Kompleksy cyklodekstryn jako rzadki
przypadek układów supramolekularnych, które
znalazły liczne zastosowania 203
7.4.3. Przewidywanie rozpoznawania molekularnego i
chiralnego w cyklodekstrynach na podstawie
obliczeń modelowych 205
7.5. Endohedralne kompleksy fullerenów 208
7.6. Nanorurki węglowe 221
7.7. Grafen 225
7.8. Dendrymery [1–5] 229
7.9. Cyklofany i steroidy, które mogą tworzyć
kompleksy inkluzyjne 240
7.9.1 Cyklofany [1, 2] 240
7.9.2. Steroidy [15] 241
7.10. Receptory wiążące aniony i receptory z
różnorodnymi centrami wiążącymi [1–10] 243
7.10.1. Kationowe receptory anionów 244
7.10.2. Obojętne receptory anionów [41, 42] 248
7.10.3. Receptory z kilkoma centrami wiążącymi 251
7.11. Cząsteczki gospodarza zawierające porfiryny 255
Rozdział 8 Inne fascynujące układy supramolekularne 261
8.1. Wstęp 261
8.2. Wykorzystanie zjawiska preorganizacji:
cząsteczki o nietypowej topologii [1–13] 262
8.3. Układy z dwoma i większą liczbą wiązań
wodorowych 275
8.3.1. Rozety, taśmy (wstęgi), włókna i sieci
dwuwymiarowe 275
8.3.2. Kapsułki z wiązaniam wodorowymi i inne
bardziej złożone układy [20, 21] 281
8.3.3. Klatraty hydratów gazów [38] 282
8.4. Układy zawierające wiązanie halogenowe [1–3] 288
8.5. Zeolity organiczne [1,2] 291
8.6. Sterowany metalem proces samoorganizacji
złożonych układów supramolekularnych: łańcuchy,
stojaki, drabinki, kratki, makrocykle, klatki,
nanorurki i przeplecione włókna – helikaty [1, 2] 298
8.6.1. Łańcuchy, stojaki, drabinki, kratki,
makrocykle i klatki [3] 298
8.6.2. Struktury metaloorganiczne oraz ciekłe
materiały porowate 304
8.6.3. Helikaty [38, 39] 305
Rozdział 9 Perspektywy dalszego rozwoju chemii supramolekularnej 311
Skorowidz 314
