సుప్రామోలిక్యులర్ కెమిస్ట్రీ

సుప్రామోలిక్యులర్ కెమిస్ట్రీ (Supramolecular chemistry) అనేది రసాయన శాస్త్రం (Chemistry) లో ఒక ముఖ్యమైన విభాగం. ఇది ఒక నిర్దిష్ట సంఖ్యలో ఉండే అణువుల (Molecules) ద్వారా ఏర్పడిన రసాయన వ్యవస్థల గురించి అధ్యయనం చేస్తుంది. సాధారణ రసాయన శాస్త్రం ప్రధానంగా అణువు లోపల ఉండే బలమైన సమసంయోజనీయ బంధం (Covalent bond) గురించి వివరిస్తుంది. కానీ, సుప్రామోలిక్యులర్ కెమిస్ట్రీ అనేది అణువుల మధ్య ఉండే బలహీనమైన శక్తుల గురించి వివరిస్తుంది.

ఈ వ్యవస్థలను కలిపి ఉంచే శక్తులలో హైడ్రోజన్ బంధాలు, స్థిర విద్యుత్ ఆవేశాలు (Electrostatic charges), మరియు వాన్ డెర్ వాల్స్ శక్తులు ఉన్నాయి. ఈ బంధాలు సమసంయోజనీయ బంధాల కంటే బలహీనంగా ఉండటం వల్ల, వీటిని సులభంగా విడదీయవచ్చు మరియు తిరిగి కలపవచ్చు. దీనినే "రివర్సిబుల్" (Reversible) లేదా ఉత్క్రమణీయత అని అంటారు. శాస్త్రవేత్తలు దీనిని తరచుగా "అణువుకు ఆవల ఉన్న రసాయన శాస్త్రం" (Chemistry beyond the molecule) అని పిలుస్తారు.

ముఖ్యమైన ఉదాహరణలు

సుప్రామోలిక్యులర్ కెమిస్ట్రీ చాలా క్లిష్టమైన ఆకారాలను సృష్టించగలదు. అణువులు ఒకదానికొకటి ఎలా "సరిపోతాయి" (Fit) అనే అంశంపై ఆధారపడి ఈ ఆకారాలు ఏర్పడతాయి.

• 
  ఒక వృత్తాకార డబుల్ హెలికేట్. ఇది చిన్న భాగాల నుండి స్వయంగా నిర్మించుకునే ఒక క్లిష్టమైన ఆకారం.
• 
  ఒక రోటాక్సేన్. ఇది మధ్యలో ఒక రింగ్ చిక్కుకుపోయిన డంబెల్ ఆకారంలో ఉండే అణువు.
• 
  ఒక హోస్ట్-గెస్ట్ కాంప్లెక్స్. ఇందులో ఒక అణువు మరొక అణువుకు పాత్రలా (Container) పనిచేస్తుంది.
• 
  ఒక ఫోల్డామర్. మన శరీరంలోని ప్రోటీన్ల వలె ఈ అణువు ఒక నిర్దిష్ట 3D ఆకారంలోకి ముడుచుకుంటుంది.

చరిత్ర

అణువుల మధ్య ఉండే శక్తుల గురించిన ఆలోచన 1873లో జోహన్నెస్ డిడెరిక్ వాన్ డెర్ వాల్స్ ద్వారా ప్రారంభమైంది. ఆ తర్వాత 1894లో, శాస్త్రవేత్త హెర్మన్ ఎమిల్ ఫిషర్ "తాళం మరియు కప్ప" (Lock and key) సిద్ధాంతాన్ని ప్రతిపాదించారు. ఎంజైమ్‌లు (Enzymes) వాటి లక్ష్యాలను ఒక తాళం చెవి ఒక నిర్దిష్టమైన తాళానికి ఎలా సరిపోతుందో, అలాగే ఖచ్చితంగా కలిసి ఉండాలని ఆయన చెప్పారు. ఇదే పరమాణు గుర్తింపు (Molecular recognition) కు ప్రాథమిక ఆలోచన.

1960వ దశకంలో, చార్లెస్ జె. పెడెర్సెన్ క్రౌన్ ఈథర్లను కనుగొన్నారు. ఇవి ఉంగరం ఆకారంలో ఉండి లోహపు పరమాణువులను "పట్టుకోగలవు". ఆ తర్వాత జీన్-మేరీ లెన్ మరియు డొనాల్డ్ జె. క్రామ్ ఈ "హోస్ట్" అణువులలో మెరుగైన రకాలను తయారు చేశారు. వీరి ముగ్గురికి 1987లో రసాయన శాస్త్రంలో నోబెల్ బహుమతి లభించింది.

2016లో, జీన్-పియర్ సావేజ్, ఫ్రేజర్ స్టోడార్ట్, మరియు బెన్ ఫెరింగాలకు మరో నోబెల్ బహుమతి లభించింది. వీరు సుప్రామోలిక్యులర్ కెమిస్ట్రీని ఉపయోగించి పరమాణు యంత్రాలను (Molecular machines) నిర్మించారు. ఇవి మోటార్లు లేదా ఎలివేటర్ల వలె కదలగల చిన్న అణు యంత్రాలు.

కీలక భావనలు

పరమాణు స్వయం-అసెంబ్లీ (Molecular Self-assembly)

పరమాణు స్వయం-అసెంబ్లీ అంటే బయటి సహాయం లేకుండా అణువులు తమంతట తామే ఒక నిర్మాణంగా ఏర్పడటం. చివరి ఆకారం చాలా స్థిరంగా (Stable) ఉంటుంది కాబట్టి అణువులు ఇలా చేస్తాయి. ప్రకృతిలో ఇది ఎప్పుడూ జరుగుతూనే ఉంటుంది. ఉదాహరణకు, కణ త్వచాలు ఏర్పడటం లేదా DNA జంటలుగా మారడం వంటివి ఈ పద్ధతిలోనే జరుగుతాయి.

హోస్ట్-గెస్ట్ కెమిస్ట్రీ (Host–Guest Chemistry)

ఇందులో ఒక పెద్ద అణువు (దీనిని హోస్ట్ లేదా యజమాని అంటారు) ఒక చిన్న అణువు (దీనిని గెస్ట్ లేదా అతిథి అంటారు) పట్టేంత ఖాళీని లేదా "జేబును" కలిగి ఉంటుంది. ఈ రెండు అణువులు వాటి ఆకారాలు మరియు బలహీనమైన రసాయన శక్తుల వల్ల కలిసి ఉంటాయి. కొన్ని రసాయనాలను "వాసన చూడటానికి" లేదా గుర్తించడానికి సెన్సార్లను తయారు చేయడంలో దీనిని ఉపయోగిస్తారు.

యాంత్రికంగా బంధించబడిన అణువులు (Mechanically Interlocked Molecules)

సాధారణంగా అణువులు రసాయన బంధాల ద్వారా కలిసి ఉంటాయి. కానీ, కొన్ని సుప్రామోలిక్యులర్ నిర్మాణాలు వాటి ఆకారం ద్వారా కలిసి ఉంటాయి. ఉదాహరణకు, ఒక కాటెనేన్ అనేది గొలుసు లాగా అనుసంధానించబడిన రెండు రింగుల ద్వారా తయారవుతుంది. వాటి మధ్య రసాయన బంధం లేకపోయినా, వాటిని విడదీయడం సాధ్యం కాదు.

బయోమిమెటిక్స్ (Biomimetics)

చాలా మంది శాస్త్రవేత్తలు ప్రకృతిని కాపీ చేయడానికి ప్రయత్నిస్తారు. జీవకణాలలో ఉండే వ్యవస్థల వలె పనిచేసే కృత్రిమ వ్యవస్థలను వారు నిర్మిస్తారు. ఇది మన శరీరం ఎలా పనిచేస్తుందో అర్థం చేసుకోవడానికి మరియు మెరుగైన మందులను తయారు చేయడానికి సహాయపడుతుంది.

నిర్మాణ భాగాలు (Building Blocks)

రసాయన శాస్త్రవేత్తలు సుప్రామోలిక్యులర్ వ్యవస్థలను నిర్మించడానికి కొన్ని తెలిసిన యూనిట్లను ఉపయోగిస్తారు:

మాక్రోసైకిల్స్: సైక్లోడెక్స్ట్రిన్లు మరియు క్రౌన్ ఈథర్ల వంటి పెద్ద రింగ్ అణువులు.

ఫుల్లెరిన్లు: సాకర్ బాల్ ఆకారంలో ఉండే కార్బన్ అణువులు.

డెండ్రిమర్లు: చెట్టు కొమ్మల వలె ఉండే అణువులు.

DNA: అణువులు ఎక్కడికి వెళ్లాలో చెప్పే ఒక "కోడ్" వలె దీనిని ఉపయోగిస్తారు.

ఉపయోగాలు

వైద్యం మందుల పంపిణీ

మెరుగైన మందులను తయారు చేయడానికి సుప్రామోలిక్యులర్ కెమిస్ట్రీని ఉపయోగిస్తారు. ఉదాహరణకు, ఒక మందును "హోస్ట్" అణువు లోపల దాచవచ్చు. ఆ హోస్ట్ అణువు మందును శరీరంలోని సరైన భాగానికి చేరే వరకు రక్షిస్తుంది, అక్కడకు చేరాక మందును విడుదల చేస్తుంది. దీనివల్ల దుష్ప్రభావాలు (Side effects) తగ్గుతాయి. మన శరీరం సోడియం మరియు పొటాషియం వంటి అయాన్లను ఎలా రవాణా చేస్తుందో అధ్యయనం చేయడానికి కూడా ఇది ఉపయోగపడుతుంది.

ఉత్ప్రేరణ (Catalysis)

ఒక ఉత్ప్రేరకం రసాయన చర్య వేగంగా జరగడానికి సహాయపడుతుంది. సుప్రామోలిక్యులర్ ఉత్ప్రేరకాలు కృత్రిమ ఎంజైమ్‌ల వలె పనిచేస్తాయి. ఇవి రసాయన చర్యలో పాల్గొనే పదార్థాలను సరైన స్థితిలో ఉంచుతాయి, తద్వారా చర్య సులభంగా జరుగుతుంది.

సెన్సార్లు (Sensors)

హోస్ట్ అణువులు తాము పట్టుకునే పదార్థాల పట్ల చాలా ఖచ్చితంగా ఉంటాయి కాబట్టి, ఇవి అద్భుతమైన సెన్సార్లుగా పనిచేస్తాయి. నీటిలో ఉన్న కాలుష్య కారకాలను కనుగొనడానికి లేదా రక్త నమూనాల ద్వారా వ్యాధులను గుర్తించడానికి వీటిని ఉపయోగిస్తారు.

నానోటెక్నాలజీ (Nanotechnology)

స్వయం-అసెంబ్లీ పద్ధతిని ఉపయోగించి, శాస్త్రవేత్తలు సాధారణ పనిముట్లతో తయారు చేయలేనంత చిన్న నిర్మాణాలను నిర్మించగలరు. ఇందులో చాలా సన్నని వైర్లు మరియు కేవలం కొన్ని పరమాణువుల వెడల్పు ఉండే కంప్యూటర్ భాగాలు కూడా ఉంటాయి.

సుప్రామోలిక్యులర్ కెమిస్ట్రీ అనేది భవిష్యత్తులో నానో మెషీన్లు మరియు స్మార్ట్ మెటీరియల్స్ తయారీలో ఎంతో కీలకం కానుంది.

ఇవి కూడా చూడండి

కేంద్రక రసాయన శాస్త్రం

కర్బన రసాయన శాస్త్రం

భౌతిక రసాయన శాస్త్రం

ఘనస్థితి రసాయన శాస్త్రం

బయటి లింకులు

సుప్రామోలిక్యులర్ కెమిస్ట్రీ – ఈ అంశంపై ఓపెన్ యాక్సెస్ జర్నల్ వ్యాసాలు.