Podstawy chemii supramolekularnej

Nowoczesna i intensywnie rozwijająca się technika, jaką jest chemia supramolekularna, obejmuje swoim zainteresowaniem otrzymywanie złożonych układów do specyficznych zastosowań. Układy te czasami nazywane są supercząsteczkami. Synteza funkcjonalnych układów supramolekularnych polega na wzajemnym łączeniu tzw. bloków budulcowych, czyli fragmentów cząsteczek. Ich cechą charakterystyczną jest duża złożoność zarówno składu chemicznego, jak i budowy przestrzennej. Wielowymiarowe cząsteczki, którymi zajmuje się chemia supramolekularna, przyjmują postać klatek, drabinek, warstw, helis, nanorurek i wielu innych. Chemia supramolekularna odnosi się do obszaru chemii, który koncentruje się na interakcjach niekowalencyjnych połączeń między cząsteczkami. Podczas gdy tradycyjna chemia skupia się na wiązaniach kowalencyjnych, chemia supramolekularna bada słabsze i odwracalne niekowalencyjne oddziaływania. Siły te obejmują: wiązania wodorowe, koordynację metali, siły hydrofobowe, siły van der Waalsa, interakcje π-π oraz efekty elektrostatyczne. Dziedzina ta uwzględnia szeroki zakres zagadnień – od asocjacji dwóch cząsteczek wodoru, po wysoce specyficzne asocjaty, występujące w układach biologicznych. Badania z zakresu chemii supramolekularnej doprowadziły do wielu odkryć, głównie w dziedzinach chemii i biologii. Wśród tych o największym znaczeniu naukowym należy wymienić opracowanie schematu syntezy kationowych i anionowych receptorów molekularnych, które spełniają ważne funkcje w medycynie, a także poznanie mechanizmów samoorganizacji cząsteczek w roztworach, co ma kluczowe znaczenie dla biochemii.

Jedną z najbardziej użytecznych technik analitycznych służących do badania układów supramolekularnych jest spektrometria mas. Decyduje o tym szereg jej zalet, w tym przede wszystkim dokładność i wysoka skuteczność. Szeroki wachlarz metod jonizacji pozwala na wybór właściwej, dopasowanej do danej cząsteczki. Zwykle wybierane są łagodne techniki jonizacji, aby wszystkie pożądane fragmenty cząsteczki przeprowadzić w jony, a jednocześnie nie doprowadzić do jej rozbicia na fragmenty. Jednymi z najczęściej stosowanych są: bombardowanie szybkimi atomami, FAB oraz jonizacja przez elektrorozpylanie (ESI). Wykorzystanie spektrometrii mas w chemii supramolekularnej dostarcza informacji o stechiometrii połączeń, budowie kompleksów, składzie elementarnym jonów, ilości ładunków obecnych na jonach itp.

Supercząsteczki

Pozyskiwanie innowacyjnych materiałów supramolekularnych jest ściśle powiązane z supramolekułą, inaczej nazywaną supercząsteczką. Supercząsteczki to układy zbudowane z co najmniej dwóch (lub więcej) fragmentów odznaczających się precyzyjnym dopasowaniem przestrzennym. Elementy tworzące supercząsteczkę utrzymywane są razem przez siły międzycząsteczkowe. Tworzą się w wyniku odwracalnego procesu łączenia, często określanego jako relacja gość-gospodarz. Co ważne, oddziaływania pomiędzy nimi nie mają charakteru wiązań kowalencyjnych. Supercząsteczki nie ulegają przekształceniom chemicznym, a każdy z elementów wchodzących w ich skład zachowuje swoje indywidualne właściwości. Do najważniejszych funkcji supercząsteczek należy rozpoznawanie i afiliowanie molekuł wybranych substratów, udział w transformacjach supramolekularnych, transport substancji itp.

Praktyczne zastosowanie chemii supramolekularnej

Czujniki supramolekularne

W szerokim znaczeniu czujniki reprezentują klasę „urządzeń”, które są zdolne do wykrywania określonych jednostek chemicznych lub monitorowania zmian w otaczającym środowisku. Czujniki supramolekularne wykorzystują koncepcję gospodarz-gość (cząsteczka gospodarza posiada na swojej powierzchni wnękę i rozpoznaje oraz wiąże cząsteczkę gościa), a także zjawisko fluorescencji. Stanowią systemy zaprojektowane w celu wiązania się z docelowymi analitami poprzez interakcję niekowalencyjne, aby wywołać dostrzegalną zmianę w profilu emisji przyłączonego fluoroforu. Typowe czujniki supramolekularne tworzone są zgodnie ze schematem: fluorofor – łącznik – receptor. Każdy z tych elementów pełni ważne funkcje w czujniku. Układy te zdobywają coraz większe znaczenie w wielu dziedzinach naukowych ze względu na ich wszechstronność oraz łatwość użytkowania.

Obrazowanie do zastosowań biomedycznych

W ostatnich latach nastąpił ogromny postęp w dziedzinie obrazowania biomedycznego, a chemia supramolekularna odgrywa kluczową rolę w ewolucji nowoczesnych technik obrazowania. Wykorzystanie w tym celu supramolekularnych układów daje szansę na wielowymiarową wizualizację, wykrywanie oraz charakterystykę procesów biologicznych w czasie rzeczywistym. Połączenie chemii supramolekularnej i obrazowania molekularnego daje ogromną szansę rozwoju nowych koncepcji chemicznych do walidacji in vivo. Techniki chemii supramolekularnej można zastosować do stworzenia sond, których celem będzie wykorzystanie lub zakłócenie pożądanych interakcji, co da potencjał zarówno diagnostyczny, jak i terapeutyczny. Czułość takich technik oznacza, że do organizmu można wprowadzać mniejsze dawki i oceniać ich stabilność, biodystrybucję oraz farmakokinetykę, w celu określenia ich właściwości. Wykorzystując swoje unikalne zalety, w tym odwracalne struktury, dobrą biokompatybilność, łatwą funkcjonalizację oraz wysoką wrażliwość na bodźce biologiczne, biomateriały supramolekularne znalazły szerokie zastosowanie w biomedycynie.

Systemy dostarczania leków

Racjonalne projektowanie systemów dostarczania leków wykorzystujących chemię supramolekularną wzbudza duże zainteresowanie ze względu na możliwość udoskonalenia środków terapeutycznych. Stosując specyficzne interakcje niekowalencyjne, można zrealizować inżynieryjne podejście do dostarczania leków. Pewne zalety takiego rozwiązania to: kontrola składu na poziomie molekularnym, ulepszone sposoby celowania leków oraz nowe strategie tworzenia nośników, które reagują na wskaźniki fizjologiczne. Struktury supramolekularne o największym znaczeniu, czyli kompleksy gospodarz – gość, umożliwiają zastosowanie w systemach dostarczania w przypadku używania leku jako gościa. Wykorzystanie układów supramolekularnych może ponadto dać początek materiałom dedykowanym do kontrolowanego kapsułkowania i uwalniania środków terapeutycznych. Modułowość oddziaływań supramolekularnych ułatwia również łączenie wielu leków w ramach jednej platformy dostarczania.