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. 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.

Spis treści

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–Blodgett 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