Supramolekulaarinen kemia

Supramolekulaarinen kemia on orgaanisen kemian osa-alue, joka tutkii molekyylejä ja niiden yhdistymistä isommiksi molekyylirakenteiksi. Yksittäisten molekyylien rakentuminen voi tapahtua heikon (vetysidos, elektronegatiivinen sidos, molekyylien väliset voimat) tai vahvan vuorovaikutuksen (kovalenttinen sidos) avulla. Supramolekulaarinen kemia keskittyy heikkoihin ei-kovalenttisiin vuorovaikutuksiin eli puhutaan supramolekulaarisista vuorovaikutuksista. Tyypillisiä ei-kovalenttisia sidoksia vetysidosten ohella ovat myös niin sanotut halogeenisidokset.

Määritelmä ja lähtökohtia

Jean-Marie Lehn on määritellyt supramolekulaarisen kemian "molekyylien välisten voimien muodostamien molekyyliyksiköiden kemiana". Supramolekulaarinen rakenne voi olla täysin kovalenttinen molekyyli, jos se pystyy saavuttamaan ei-kovalenttisia ominaisuuksia. Perinteisen määritelmän mukaan supramolekulaarinen kemia kuitenkin rajoittuu vain ei-kovalenttisiin sidoksiin.
Supramolekulaarisen kemian tavoitteena on luoda molekyylejä, jotka toimivat ennakolta määritetyllä tavalla. Tämä on mahdollista, koska eri alkuaineiden ja molekyylien keskinäisten reaktioiden tavat tunnetaan nykyisin tarkasti. Operaation toteuttavia molekyylejä kutsutaan älykkäiksi molekyyleiksi.

Supramolekulaarisen kemian historia ja kehitys

Professori Jonathan W. Steedin mukaan supramolekulaarisen kemian filosofisen perustan määritti aikanaan saksalainen Hermann Emil Fischer (1852–1919). Alan ensimmäisiä tutkijoita olivat amerikkalaiset Wendell H. Latimer (1893–1955) ja Worth H. Rodebush (1887–1959), jotka tutkivat vetysidoksia vuonna 1920. 1960-luvulla amerikkalainen kemisti Charles J. Pedersen teki supramolekulaarikemiallista tutkimusta ja kehitti niin kutsutut kruunueetterit. Hän sai tutkimuksestaan kemian Nobel-palkinnon v. 1987. Palkinnon hänen kanssaan jakoivat Jean-Marie Lehn ja Donald J. Cram, jotka ovat myös olleet merkittäviä supramolekulaarisen kemian tutkijoita. Sekä Lehn että Cram tutkivat niinkutsuttuja isäntä- ja vierasmolekyylejä, Lehn erityisesti kryptandeja ja Cram karserandeja.
1970-luvulta lähtien supramolekulaarisen kemian tutkimus on kasvanut nopeasti ja se on eräs orgaanisen kemian nopeimmin kehittyviä aloja. Nykyisin tutkimusta tehdään useissa maissa. Alan viimeisin painopiste on ollut kehittää ennalta määritettyjä operaatioita suorittavia molekyylejä. Esimerkkejä näistä sovelluksista ovat nanomittakaavan kytkimet, moottorit ja kuljettimet. Molekyylit voivat kuljettaa energiaa kemiallisen energian muodossa.
Kansainvälisesti merkittävä tutkija on brittiläinen Jonathan W. Steed, joka on kirjoittanut tai toimittanut useita alan perusteoksia. Suomessa alan pioneeri on professori Kari Rissanen. Rissanen on tutkinut varsinkin halogeenisidoksia.

Tutkimuskohteet ja sovellukset

Supramolekulaarisessa kemiassa molekyyli synnytetään esimerkiksi yhdistämällä metalli-ioni ja ligandi toisiinsa. Myös kemiallinen katalyysi perustuu monissa tapauksissa supramolekulaarisiin vuorovaikutuksiin. Eräs supramolekulaarisen kemian sovellutuksista on myös niin kutsuttu isäntä-vieras-kemia.
Supramolekyylikemialla on monenlaisia käytännön sovellutuksia. Tutkimustuloksia sovelletaan varsinkin nanotieteessä. Molekyyli voi esimerkiksi toimia ikään kuin anturina, joka auttaa solun rakenteen kuvantamisessa. Professori Kari Rissasen tutkimusryhmä on kehittänyt molekyylin, joka yhdistyessään pyrofosfaattiin fluoresoi voimakkaasti ja pystytään sen jälkeen havaitsemaan elävistä soluista fluoresenssimikroskopian avulla. Uusi sensorimolekyyli pyrosfosfaatin havainnointiin.
Supramolekulaarisen kemian tutkimustuloksia voidaan soveltaa esimerkiksi lääketeollisuudessa. Tutkimuskohde voi esimerkiksi olla kemiallinen lääkeaine, joka vaikuttaa tietyllä tavalla. Molekyyli kuljettaa lääkkeen verenkierron mukana esimerkiksi aivoihin tai maksaan, jossa se vapauttaa aineen. Molekyyli voi toimia myös monivaiheisesti: ensin se ottaa mukaansa tietynlaisia molekyylejä ja vapauttaa ne sitten halutussa paikassa. Tätä ratkaisua voidaan soveltaa esimerkiksi, jos kehosta halutaan poistaa haitallisia aineita.
Viimeisimpiä supramolekulaarisen kemian keksintöjä edustavat niin sanotut dendrimeerit. Dendrimeerit ovat nanomolekyylejä, jotka kykenevät kuljettamaan DNAta solujen sisälle. Aiemmin kuljettajina on käytetty viruksia, jotka voivat olla haitallisia solulle. Dendrimeerit ovat professori Rissasen mukaan vaarattomia.