초분자화학

3. 주요 개념

초분자 화학의 주요 개념은 다음과 같다.

• 분자 자기 조립: 외부 지시 없이 분자들이 비공유결합 상호 작용을 통해 스스로 조립되어 초분자 조립체를 형성하는 현상이다. 미셀, 세포막, 소포, 액정 등의 구조를 만들 수 있으며, 결정 공학에 중요하다.^[22]
• 분자 인식: 특정 분자(게스트)가 상보적인 분자(호스트)와 특이적으로 결합하여 호스트-게스트 복합체를 형성하는 현상이다. 분자 센서 및 촉매 구축에 응용된다.
• 템플릿 지향 합성: 분자 인식과 자기 조립을 이용하여 화학 반응을 위한 시스템을 미리 구성하는 방법이다. 반응물과 템플릿 사이의 비공유 결합을 통해 반응을 촉진하며, 큰 매크로사이클 제조 등에 유용하다.
• 기계적으로 맞물린 분자 구조: 공유 결합 없이 토폴로지(topology)에 의해서만 연결된 분자 구조이다. 카테난, 로탁산, 분자 매듭, 분자 Borromean 링 등이 이에 해당한다.^[27][28]
• 생체 모방: 생물학적 시스템의 기능을 모방하는 인공 초분자 시스템을 설계하는 것이다. 광전기화학 시스템, 촉매 시스템, 단백질 설계, 자기 복제 등이 있다.^[30]
• 분자 각인: 분자 종을 템플릿으로 사용하여 호스트를 구성하고, 템플릿을 제거하여 특정 분자에 결합하는 호스트를 만드는 과정이다.^[31]
• 분자 기계: 선형 또는 회전 운동, 스위칭 등의 기능을 수행하는 분자 또는 분자 집합체이다. 초분자 화학과 나노기술의 경계에 있으며, 장피에르 소바주, J. 프레이저 스토다트 경, 베르나르트 페린하가 2016년 노벨 화학상을 수상했다.^[33]

3. 1. 분자 자기 조립

3. 2. 분자 인식 및 복합체 형성

3. 3. 템플릿 지향 합성

3. 4. 기계적으로 맞물린 분자 구조

3. 5. 생체 모방

3. 6. 분자 각인

3. 7. 분자 기계

4. 구성 요소

초분자 시스템은 화학자들이 잘 연구된 구조적, 기능적 구성 요소를 사용하여 더 큰 기능적 구조를 만들 수 있도록 해준다. 이러한 구성 요소들은 다양한 형태로 존재하며, 필요한 특성에 맞게 선택할 수 있다.

4. 1. 합성 인식 모티프

• 파이-파이 전하 이동 상호작용은 다이옥시아렌 또는 디아미노아렌과 바이피리디늄의 기계적으로 맞물린 시스템 구축과 결정 공학에 널리 사용되어 왔다.
• 크라운 에테르와 금속 또는 암모늄 양이온의 결합은 초분자 화학에서 매우 흔하게 사용된다.
• 카르복실산 이합체 및 기타 간단한 수소 결합 상호 작용의 형성.
• 착물화는 바이피리딘 또는 터피리딘과 루테늄, 은 또는 기타 금속 이온의 배위로, 많은 개별 분자의 복잡한 구조를 구축하는 데 매우 유용하다.
• 포르피린 또는 프탈로시아닌이 금속 이온 주위에 착물을 형성하면 착물화 자체 외에도 촉매, 광화학 및 전기화학적 특성을 얻을 수 있다. 이러한 단위체는 자연에서 매우 많이 사용된다.

4. 2. 매크로사이클

• 사이클로덱스트린, 칼릭스아렌, 쿠커비투릴 및 크라운 에테르는 대량으로 쉽게 합성되므로 초분자 시스템에 사용하기 편리하다.
• 더 복잡한 사이클로판 및 크립탄드는 맞춤형 인식 특성을 제공하기 위해 합성할 수 있다.
• 초분자 금속고리는 고리 내에 금속 이온이 있는 매크로사이클 집합체로, 종종 각진 모듈과 선형 모듈로 형성된다.^[34] 이러한 유형의 응용 분야에서 흔히 사용되는 금속고리 형태에는 삼각형, 사각형 및 오각형이 있으며, 각 도형은 "자가 조립"을 통해 조각을 연결하는 작용기를 가지고 있다.^[35]
• 금속크라운은 융합된 킬레이트 고리에서 유사한 자가 조립 방식을 통해 생성된 금속매크로사이클이다.

4. 3. 구조 단위

• 일반적으로 사용되는 스페이서 및 연결 그룹에는 폴리에테르 사슬, 바이페닐 및 트리페닐, 그리고 단순한 알킬 사슬이 있다.
• 나노입자, 나노로드, 풀러렌 및 덴드리머는 나노미터 크기의 구조와 캡슐화 단위를 제공한다.
• 표면은 복잡한 시스템을 구성하기 위한 틀로 사용될 수 있으며, 전극과 전기화학 시스템을 연결하는 데에도 사용될 수 있다. 규칙적인 표면은 자가 조립 단분자막 및 다층막을 구성하는 데 사용될 수 있다.
• 고체 내 분자간 상호 작용에 대한 이해는 지난 10년 동안 다양한 실험 및 계산 방법의 투입을 통해 주요한 발전을 이루었다. 여기에는 고체에서의 고압 연구와 실온에서 액체인 화합물의 "in situ" 결정화, 전자 밀도 분석, 결정 구조 예측 및 고체 상태에서의 DFT 계산을 사용하여 결정 내 이러한 상호 작용과 관련된 특성, 에너지학 및 위상학적 특성에 대한 정량적 이해를 가능하게 하는 것이 포함된다.^[37]

4. 4. 광화학 및 전기화학 활성 단위

• 포르피린과 프탈로시아닌은 광화학 및 전기화학적 활성을 조절할 수 있으며, 복합체를 형성할 가능성이 있다.^[1]
• 광변색 및 광이성질화 그룹은 빛에 노출되면 결합 특성을 포함하여 모양과 특성을 변경할 수 있다.^[1]
• 테트라티아풀발렌(TTF)과 퀴논은 여러 개의 안정적인 산화 상태를 가지므로 산화 환원 반응 및 전기화학에 사용할 수 있다.^[1]
• 벤지딘 유도체, 바이올로겐 및 풀러렌과 같은 다른 단위체는 초분자 전기화학 장치에 유용하다.^[1]

4. 5. 생물학 유래 단위

• 아비딘과 비오틴 간의 매우 강력한 복합체 형성은 혈액 응고에 중요한 역할을 하며, 합성 시스템 구축을 위한 인식 모티프로 사용되어 왔다.^[1]
• 효소와 보조 인자의 결합은 변형된 효소, 전기적으로 연결된 효소, 심지어 광 스위칭 가능한 효소를 생산하는 데 사용되었다.^[2]
• DNA는 합성 초분자 시스템에서 구조적 단위와 기능적 단위로 모두 사용되어 왔다.^[3]

5. 응용 분야

초분자 화학은 재료 과학, 촉매, 의약, 데이터 저장 및 처리 등 다양한 분야에 응용된다.

• 재료 과학: 분자 자기 조립을 통해 새로운 재료를 개발한다. 상향식 합성을 이용하여 큰 구조를 쉽게 만들 수 있어 나노 기술에 많이 활용된다. 많은 스마트 재료가 분자 인식에 기반을 두고 있다.
• 촉매: 촉매와 촉매 작용의 설계 및 이해에 중요한 역할을 한다. 비공유 결합은 반응물의 결합에 영향을 준다.
• 의약: 기능성 생체 재료 및 치료제 개발에 응용된다. 펩타이드의 초분자 조립, 호스트-게스트 매크로사이클 등을 통해 기계적, 화학적, 생물학적 특성을 조절할 수 있다. 인공 이온 채널을 만들어 세포 안팎으로 나트륨 및 칼륨 이온을 수송하는 데에도 사용된다. 약물 결합 부위의 상호 작용을 이해하여 새로운 약학 치료법을 개발하고, 약물 전달 분야에서 캡슐화 및 표적 방출 메커니즘을 제공한다. 세포 기능에 중요한 단백질-단백질 상호 작용을 방해하는 시스템도 설계한다.
• 데이터 저장 및 처리: 분자 수준에서 계산 기능을 시연하는 데 사용된다. 분자 스위치를 광변색 및 광이성질화 단위, 전기변색 및 산화 환원 스위치 가능 단위 등에 사용하여 데이터 저장을 한다. 합성 분자 논리 게이트가 개념적 수준에서 시연되었고, 반합성 DNA 컴퓨터로 완전한 규모의 계산을 하기도 하였다.

5. 1. 재료 과학

5. 2. 촉매

5. 3. 의약

5. 4. 데이터 저장 및 처리

참조

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_[8] 논문 A Cucurbituril-Based Gyroscane: A New Supramolecular Form
_[9] 논문 High Yielding Template-Directed Syntheses of [2]Rotaxanes
_[10] 논문 Assembly and Crystal Structure of a Photoactive Array of Five Porphyrins
_[11] 논문 Structures of the ''p''-xylylenediammonium chloride and calcium hydrogensulfate adducts of the cavitand 'cucurbituril', C₃₆H₃₆N₂₄O_12
[12] 논문 Helicity-Encoded Molecular Strands: Efficient Access by the Hydrazone Route and Structural Features
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