Supramolekulární chemie

2

• Podstata života v „self-assembly“ ?

3

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

4

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

5

• 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.)

6

• 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 (Lewisověkyselé kovové ionty, donory H-vazeb (halogen.anionty atd.)

Host-guest komplex

7

8

• 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.

9

• 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.

10

• „Host-guest“ přirovnání ruka-míč- ruka („host“) obalí míč („guest“), poskytne fyzickou (sterickou) bariéru zabraňující jeho upuštění (disociaci)→ pojem inkluzníchemie

11

Klasifikace supramolekulárních„host-guest sloučenin“

-podle stability v roztocích:• Klatráty

„host“ většinou stabilní pouze v pevném stavuNapř. plynové hydráty (Cl2.10 H2O, 9 0C),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)

12

• 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

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

14

• 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-packingeffect“→ přednost termín „kavitát“ nebo „klatrát“

15

Host - guest

16Další termíny pro speciální topologie „host-guest“.

17

Receptory, koordinace, analogie „klíč a zámek“

• „Host-guest“ chemie založena na 3 historických postulátech:

1) 1906 Paul Ehrich: „Molekuly nepůsobí, pokud se neváží“ –koncept biol.receptoru Supramol.

chemie

Koord. chemie

Biol.receptor

Enzym-substrát

18

2) 1894 Emil Fischer – pojem „klíč a zámek“ v rámci studia receptor-substrát vazby u enzymů

3)1893 Alfred Werner – teorie koordinační chemie

19

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

20

• Chelátový efekt:- znám z koordinační chemie, např. metalokomplexy bident. ligandů (1,2-diaminoethan) jsou stabilnější než s analog. unident. ligandy (NH3)

- z reakce vyplývá, že chelát je 108 x stabilnější než komplex s unidentátními ligandy

21

• 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°

22

• 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

23

X- téměř vždy platí: v kapalné fázi chelátovéligandy nahradí monodentátní analoga

• V SCH termodynamická stabilita zesílena chelátovým efektem. Ligand. donor. at. = „host“ vazeb. místa (různé povahy), kov = generalizován jako „guest“

24

• 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. členoptim. velikost musí mít i „guest“ (kov)malé kationty (B3+, Be2+) → 6-ti členný kruhvětší kationty → 5-ti členný kruh

25

• Makrocyklický efekt

• Makrocyk. ligandy poskytují stabilnějšíkomplexy, 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.

26

Cyklické „host“ molekuly jako KORANDY (např. crown ethery) 104 x stabilnější než acyklické PODANDY

27

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

28

• 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

29

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“ molekulouObě kriteria → komplementarita

30

• 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.

31

2) vazba „host-guest“ se ziskem energie (více vaz.míst)Celková bilance: rozdíl příspěvků-větší preorganizace → reorganizace nižšíNapř.: sferandy x korandy-1010 x větší afinita ke kationtům alk. kovů

32

• Solvatace zesiluje efekt preorganizace, stabilizuje volnou „host“ molekulu.

• Preorganizace se projeví v kinetice „host-guest“ vazby- rigidně preorganizované „host“ molekuly-pomalá kinetika komplexace

33

Termodynamická a kinetická selektivita

cíl návrhu supramolekulární „host“ molekulydosáhnout selektivity = rozlišení mezi „guest“

molekuly• Termodynamická selektivita:poměr vazebných konstant = Kguest1/Kguest2

Kv = [Host-Guest] / ( [Host] x [Guest] )

34

• Kinetická selektivitasouvisí s rychlostí transformace soutěžících substrátu podél reakční cesty

• Směrování průběhu procesů→ řídísupramolekulární (např.enzymatickou) katalýzu,detekce/signalizaci „guest“ molekuly

• Selektivita spíše větší pro „guest“ molekulu, která se transformuje nejrychleji

• Velké Kv na překážku, inhibitory v časově rozlišených procesech.

35

Např.enzymy komplementární pro daný stav substrátu, nejsou rigidně preorg., adaptace → rychlá katalýza

• Arteficiální katalytické systémy- velice obtížné navrhnout časově závislouselektivitu (přizpůsobování se „guest“ molekule měnící se během reakční cesty)

36

• Vazebné konstanty (formační, asociační konstanty, konstanty stability)

Typické hodnoty:crown ethery – kovy, v H2O: 101-102

(v CH3OH: až 106), kryptandy – kovy: 1010

37

•Konsekutivní (dílčí, postupné) vaz. konstanty:

β12 = K11 x K12 , obecně βmn = [MmLn]/ ([M]m[L]n)log β12 = log(K11 x K12)= log K11+ log K12

38

• Vztah k volné energii – Gibbsova rovnice∆G° = - RT ln K (komplex. energie)cca od 20-100 kJ mol-1

• Kv lze definovat podle rychl. konstant komplexace a dekomplexace:

39

• Měření Kv :- 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 makrocyklůdonor. at. schopné protonace → vliv na tvar titr. křivek, pKa → Kv

ii) NMR: ze závislosti ∆δ „host“ molekuly na koncentraci „guest“ molekuly (i opačně)- navíc informace o regioselektivitě vazby

40

• Fluores.titrace- měření celk. fluores. intenzity na koncentraci fluoroforu. Pro 1:1 komplex:F = kG[G] + k11[HG]kG a k11 konstanty úměry pro G a HG- v nepřítom. H: F0 = kG

0 Gt

- obecně: Gt = [G] + [HG]platí:

F/F0 = {kG/ kG0 + (k11/ kG

0) K11 [H]}/(1+ k11 [H])

41

• Obvykle G nebo HG nefluoreskuje, tj.kG nebo k11 = 0 → zjednodušení rovniceNapř. kG=kG

0 , k11= 0 pak platí:F0/F = 1 + K11[H]graf závislosti F0/F proti [H]→ směrnice = K11

• Často používané fluores. značky, např. ANS (8-anilino-1-naftalensulfonát)

42

• UV-Vis titrace- klasická metoda X nutná změna abs. v závislosti na koncentraci komplexu

400 425 450

-0.2

0.0

0.2

∆A

Wavelength [nm]0,0 1,0x10-3 2,0x10-3

0,00

0,05

0,10

0,15

∆A

cHost [mol x dm-3]

∆A = ∆ABKv[CD]/(1+Kv[CD])

Vazebná izothermaDif. abs. spektra

43

0 500 1000 1500 20005

10

15

20

25

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

b

a

1/(A

0-AH

ost)

1/cHost [M-1]

b a

∆A

xGuest

1/ (A0 - AHost) = 1/{Kv [Host] (A0 - AB)}+1/(A0 - AB)

Benesi-Hildebrandova a Jobova závislost(výpočet Kv a stechiometrie)

44

Vytěsňovací efekt („Displacement effect“)

400 420 4400,0

0,2

0,4

0,6

displacement by ACA-blue shift

host-guest interaction-red shift

A

Wavelength [nm]

H

H

H

COOH

→Vypočet Kv, orientační test modu interakce

ACA=

45

Povaha supramolekulárníchinterakcí

Obecně nekovalentní interakce:I) Interakce ion-ion (100-350 kJ mol-1)

- typický je rozpad iontové mřížky při solvataci iontů

46

II) ion-dipól (50-200 kJ mol-1)- v pevném stavu i roztokunapř.: 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+

47

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

48

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 SChTypické vzdálenosti H vázaných O...O2.50 – 2.80 A, větší atomy jako Cl – delší a slabší H vazbaObecně velký rozsah délek, síly a geometrieH-vazba velmi důležitá např.: pro tvar, konformaci →vlastnosti, funkci proteinů, helix. strukturu DNA, rozpoznávání substrátůenzymy atd.

49

H-vazba→ vliv na fyzikální vlastnosti látek v pevném, kapalném i plynném stavuExistují i C-H…N a C-H…O, při připojeníelektroneg. at.→ kyselost C-H vazby

50

V) kation-π interakce (5-80 kJ mol-1)U přech. kovů Fe2+, Pt2+ atd. komplexy typu ferrocen [Fe(C5H5)2], Zeiseho sůl [PtCl3(C2H4)]-

-kovalentní charakter u kationtů s d orbitalyX

interakce alk. kovů a kovů alk.zemin→nekovalentní interakce

K+ - interakční energie s C6H6 : 80 kJ mol-1

s H2O : 75 kJ mol-1

Nemetalic. kationty (RNH3+) s dvoj.vaz.→

forma X-H…π vazby

51

VI) π – π stacking (0-50 kJ mol-1)- slabá elektrostat. interakce2 hl. typy (přímý překryv odpudivý):

„face-to-face“ (lubrik. vlastnost grafitu, stabilizace helixu DNA)

„edge-to-face“ (slabá forma H- vazby)

52

• Sanders a Hunter - model pro vysvětlení π-πinterakcí: - přitaž. síly mezi neg. nabitým el. oblakem jedné molekuly a poz. nabitou kostrou σ-vazebdruhé molekuly

• Přitaž. van der Waals interakce úměrné kontakt. poměru 2 π systémů.

• Relat. orientace 2 molekul dána repulzí dvou neg. nabitých π-systémů

53

VII) Van der Waalsovy síly (<5 kJ mol-1)polarizace elektron. mraku blízkýmijádry soused. molekul – slabá

elektrost.přitažlivost- nesměr. charakter (omezený význam pro designselekt. „host“ molekul)- především u “měkkých” – polarizovat. částicTéž ve vzácných plynech.V SCh nejdůležitější při tvorbě inkluzníchsloučenin malých org.molekulv krystal. mřížkách a molek. dutinách

54

Dva typy:Disperzní síly (Londonovy):interakce mezi fluktujícími multipóly sousedních

molekuladitivní ke každé vazbě

Výměnné-repulzní síly:určují tvar molekuly, vyrovnávají disperzi

55

VIII) „Close packing“ v pevném stavuStruktury v pevném stavu mají tendenci skládatmolekuly tak, aby bylo dosaženo maximamezimolek. 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)

56

IX) Hydrofobní efektNejde o síly, ale vyloučení velkých částic, čičástic slabě se solvatujících z polárního rozpouštědla (hl. H2O)Např. nemísitelnosti oleje a vody→ ženečástice stejné polarity k sobě• Zásadní důležitost v host-guest chemiicyklodextrinů a cyklofánů v H2OHydrofobní efekt často doprovází van der Waalsa π-π stacking interakce.

57

Příspěvek:• Enthalpický• Entropický