Supramoleküler
kimya, Jean-Marie Lehn’in tanımına göre, supramoleküler yapıların incelenmesine
odaklanan bir kimya dalıdır; moleküler montajlar ve moleküller arası bağlar
kimyasıdır. (Supramoleküler yapı, iki veya daha fazla molekülün moleküllerarası
etkileşimlerle kararlı hale getirildiği montajlardır.)
Geleneksel kimya
kovalent atomik bağlara dayanır. Nanoteknolojide kullanılan karmaşık
nanosistemlerin ve moleküler cihazların sentezi, kovalent kimya özelliklerinden
daha fazlasını gerektirir, çünkü bu sistemler birkaç bin atom içerebilir.
Moleküller arası etkileşimler burada ortaya çıkar: bireysel moleküllerin,
supramoleküler yapılar denilen kompleks montajlar haline gelmesine yardımcı
olabilir.
Suramoleküler
yapıların en basit örneği bir konak-konuk (host-guest) kompleksidir. Konak (reseptör),
genellikle merkezinde bir boşluk bulunan büyük bir organik molekül, konuk ise
basit bir molekül veya iyondur. Örneğin, farklı boyutlardaki halkalı
poliesterler (crown eterler), alkali metal iyonları tarafından kuvvetle bağlanır
(Şekil-1).
Supramoleküler
yapıların temel özellikleri:
1. Konak (host)
birden fazla bağlanma sitesine sahiptir. Crown eterlerle bu rol yalnız elektron
çifti olan oksijen atomları tarafından oynanır.
2. Tamamlayıcılık:
Konak ve konuğun geometrik yapısı ve elektronik özellikleri karşılıklı olarak
tamamlayıcıdır. Crown eterler durumunda bu, boşluk çapının iyon yarıçapıyla
eşleşmesi sonucudur. Tamamlayıcılık, konak’ın yalnızca belli bir yapının
konuklarının seçici olarak bağlanmasını sağlar. Supramoleküler kimyada bu
fenomene moleküler tanıma (kovalent olmayan bağlarla iki veya daha fazla molekül
arasındaki spesifik etkileşim) denir (Şekil-2).
3. Tamamlayıcı konak
ve konuk arasında çok sayıda bağ içeren kompleksler, yüksek yapısal bir
organizasyona sahiptir.
Supramoleküler
yapılar doğada çok yaygındır. Canlı organizmalardaki tüm reaksiyonlar,
enzimler, protein katalizörleri doğal olarak meydana gelir. Enzimler mükemmel
konak moleküllerdir. Her enzimin aktif bölgeleri, sadece kendisine uygun boyut
ve enerjideki maddeyi (substrat) kabul edecek şekilde düzenlenmiştir, enzim ve
diğer substratlar arasında reaksiyon gerçekleşmez.
Biyokimyasal
supramoleküler yapılara diğer bir örnek bir DNA molekülüdür; iki polinükleotid
zincir, çok sayıda hidrojen bağlarıyla birbirlerini tamamlar. Her zincir, diğer
zincir için aynı anda, hem konak ve hem de konuktur.
Supramoleküler
yapıları oluşturan kovalent olmayan (non-kovalent) etkileşimlerin başlıca
türleri iyon, iyon-dipol, van der Waals, hidrofobik etkileşimler ve hidrojen
bağlarıdır. Tüm non-kovalent etkileşimler, kovalent bağlardan daha zayıftır;
enerjileri nadiren 100 kJ/mol’e ulaşır, fakat konak-konuk arasındaki çok
sayıdaki bağ supramoleküler montajın kararlı olmasını sağlar. Non-kovalent
etkileşimler bireysel bazda zayıftır fakat toplu haldeyken güçlüdür.
Supramoleküler
montaj rastgele meydana gelir. Bu fenomene self-montaj denir; küçük moleküler
bileşenlerin kendiliğinden birbirleriyle birleşip çok daha büyük ve daha
kompleks supramoleküler montajların oluştuğu bir prosestir. Self-montaj
sistemin entropisini düşürür, ΔS < 0, böylece prosesin kendiliğinden
oluşmasını sağlar; yani, Gibbs enerjisi negatiftir:
ΔG = ΔH - TΔS < 0
ΔH < 0 |ΔH| > |TΔS|
Diğer bir deyişle, self-montajda büyük miktarda ısı açığa
çıkar. Self-montajı destekleyen temel itici güç, kimyasal sistemlerin yeni
kimyasal bağlar oluşturarak Gibbs enerjisini düşürme eğilimidir; entalpi etkisi
burada entropiye hakimdir. Supramoleküler bileşiklerin ana sınıfları, kavitanlar,
kriptanlar, kaliksarenler, konak-konuk kompleksleri, rotaksanlar, katenanlar ve
klatratlardır. Miseller, lipozomlar ve sıvı kristaller de supramoleküler
yapılar olarak tanımlanabilir.
Supramoleküler kimya yöntemleri, kimyasal analiz, tıp,
kataliz ve fotokimyada yaygın olarak kullanılmaktadır. Supramoleküler yapılar
çok sayıda modern teknolojinin temelini oluşturmaktadır; biyolojik aktif
maddelerin ekstraksiyonu, foto-ve kemosensörlerin oluşturulması, moleküler
elektronik cihazlar, nanokatalizörlerin geliştirilmesi, doğrusal olmayan optik
materyallerin sentezi ve kompleks biyolojik prseslerin simülasyonu
(Biyomimetikler) gibi.
Şekil-1: Crown
eter ve alkali metal iyonlarından oluşan ‘konak-konuk’ kompleksler
Şekil-2: Hidrojen
bağlarını kullanarak moleküler tanıma
