Sveučilište u Zagrebu

PRIRODOSLOVNO-MATEMATIČKI FAKULTET

Kemijski odsjek

Poslijediplomski sveučilišni studij Kemije

Smjer: Organska kemija

Kemijski seminar I:

Autokataliza i samoreplicirajući supramolekularni sustavi

Tomislav Gregorić

U Zagrebu, srpanj 2017.

SADRŽAJ

1. UVOD ............................................................................................................................................... 3

2. SUPRAMOLEKULARNA KEMIJA ........................................................................................................ 3

3. SYSTEM CHEMISTRY ........................................................................................................................ 6

4. ZAKLJUČAK ....................................................................................................................................... 8

5. LITERATURA ..................................................................................................................................... 9

3

1. UVOD

U ovom seminarskom radu ukratko ću prezentirati svoju odabranu temu za kemijski seminar I

pod naslovom Autokataliza i samoreplicirajući supramolekularni sustavi. Ključne rijeći koje

se nalaze u odabranoj temi su supramolekularna kemija, kataliza, autokataliza.

2. SUPRAMOLEKULARNA KEMIJA

Da bi se nešto moglo reći o gore navedenoj temi naravno potrebno je krenuti od početka, a

početak je supramolekularna kemija. To je kemija koja se bavi sustavima iznad molekula

točnije nekovaletnim interakcijama između molekula. Možemo reći da supramolekularna

kemija, od sastavnih dijelova kao što su molekule uz pomoć nekovalentnih interakcija može

izgraditi kompleksne sustave na razini molekula jer molekule služe kao gradivni blokovi.

Veza između tih dviju molekula ili više molekula nije „fizička“ kao na primjer kod

kovalentne veze nego je povezana kao dva građevna bloka na temelju veze na „daljinu“.

Najčešće nekovalentne interakcije koje dolaze u kompleksnim sustavima su: elektrostatske

interakcije (ion-ion, ion-dipol, dipol-dipol), vodikove veze, π- π interakcije, van Der Walsove

interakcije, te veze su puno slabije od kovaletnih veza te na nijh možemo utjecati dodavanjem

energije (kao toplinska, elektična, mehanička i mnoge druge) u sustav1. Dodavanjem energije

na nekovaletne interacije najčešće djelujemo destruktivno također možemo reći da

nekovaletne inetracije su reverzibilne odnosno da oduzimanjem energije se mogu i vratiti. Još

jedno svojstvo nekovalentnih interacije je da finim dodavanjem enerije možemo različito

utjecati na stvaranje istih i tako ih dovesti u neka metastabilna stanja2.

Priroda je supramolekularnu kemiju davno diplomirala (enzimi, DNK, RNK…) do

znanstvenici su tek počeli krajem 1960-ih i početkom 1970-ih godina prošlog stoljeća

znanstvenici su se dosjetili povezati dvije molekule tako da je jedna molekula domaćin

(organska molekula), a druga molekula gost (ion) kao kod krunastih etera (slika 1) za što je

godine 1987. dodjeljena Nobelova nagrada za kemiju znanstvenicima Donald J. Cram, Jean-

Marie Lehn i Charles J. Pedersen. Krunsti eteri imaju mogučnosti zbog različite veličine

makrocikličkog prstena zarobiti ione kao što su Na+, K

+ i druge male molekule

3.

4

Slika 1. Primjeri krunastih etera

Naravno organski sintetičari su vidjeli mogući veliki potencijal ovih molekula za upotrebu te

su krenuli u sintezu i drugih derivata, a i novih drugačih koncepata kao kriptandi, rotaksani,

sferandi, kaliksareni i mnogi drugi. U primjeni ovi spojevi našli su svoje mjesto kao

katalizatori, kao sredstvo za otapanje soli u organskim otapalima4. Danas se radi na primjeni

na osjetljivim senzorima, u medicini kao ljekovi i za dostavu lijekova te biološkim

istraživanjima.

Dio supramolekularne kemije je i samo-organizacija molekula kao na primjer u gelu gdje

povezivanjem molekula dolazi do nakupljanja ili priblizavanja molekula jednu do druge zbog

svoje kompatibilnosti (npr. donor vodikove veze, aceptor vodikove veze) i ostavljajući

dovoljno prostora za zarobljavanjem molekula otapala i time tvoreći gel to jest gelske niti5.

Slika 2. Prikaz stvaranje gela grijanjem i hlađenjem

Pripremiti gel je najlakše hlađenjem iz vruče otopine molekula gelatora (oko 2 % m.m) u

odabranom otapalu naravno može se i pripremiti drugim metodama kao što je uz pomoć ultra-

-zvučnih valova, uz pomoć ultraljubičastog svijetla i mnoge druge naćine (slika 2). Ta

samoorganizacija ovisi o mnogim faktorima, a ponaviše o strukturi gelatora koji mora

ostvarivati takve nekovaletne interakcije između molekula koje su nužan preduvijet

5

približavanja odnosno organizacije u otapalu za stvaranje gel6. Prema otapalima razlikujemo

dvije vrste gelova, a to su hidrogelovi (otapalo: voda), organogelovi (otapalo: organska

otapala). Povezujući gel sa prethodim tvrdnjama od razaranju nekovaletnih interakcija,

zagrijavanjem gel prelazi u sol fazu odnosno otopinu gelatora u gelskom otapalu. Stanje gela

je vrlo interesantno stanje jer se nalazi između stanja krutine (kristala) i otopine pa možemo

reći da je to metastabilno stanje koje se lako može destabilizirati7. Važno je napomenuti da

unutara stanica u oragnizmu unutarstanična tekučina se nalazi u stanju gela i time poboljšava

metaboličke procese u stanici. Supramolekularna kemija se još uvijek smatra mladom

(nedovoljno istraženom) znanosti te njezina primjena će još uvijek ima bezbroj mogućnosti

(slika 3).

SUPRAMOLEKULARNA KEMIJA

Slika 3. Prikaz dva principa supramolekularne kemije

Također priroda je usavršila drugu navedenu ključnu riječ, a to je kataliza u smislu savršenih

katalizatora, enzima, te autokatalizu za sintezu nukleinskih kiselina. Definiciju katalize to jest

katalizatora već svi znadu, ali ne šteti ju ponoviti, je povećanje brzine reakcije uz pomoć

katalizatora koji se u reakciji ne troši. Za nakadno prezentirane radove možemo reći

spajanjem supramolekularne kemije i katalize dobijemo autokatalizu. U autokatalizi do

povećanja brzine reakcije dolazi zbog nastanka produkta u reakciji, a utječe na brzinu raznim

mehanizmima. Mehanizam autokatalize zbog nekovaletnih interakcija je čest u organskog

sintezi ponajviše u sintezi raznih derivata peptida i peptidomimetika. G. von Kiedrowski sa

suradnicima objavljuje rad se zbog povoljne orijentacije molekula i ostvarivanje vodikovih

veza dolazi do povečavanja brzine reakcije u sintezi prikazanih derivata8 (slika 4).

domaćin-gost samorganizacija

6

Slika 4. Autokataliza uz pomoć nekovaletnih interakcija

3. SYSTEM CHEMISTRY

Kao što sam i rekao priroda je ove pojmove usavršila i znanstvenici žele imitirati prirodu, a i

bolje ju razumjeti. Za znanstvenike je problem što priroda radi na kompleksnoj razini odnosno

ne može se gledati individualno svaku jedinicu posebno nego komplekse individue koje

međusobno stvaraju interakcije. Mlada grana kemije koja želi proučavati molekule na takvoj

kompleksnoj razini je eng. „System chemistry“ koja proučava molekulske interakcije i

karakteristike sustava koje proizlaze iz takvih interakcija9. System chemistry je usko

povezana sa istraživanjima podrijetlom života (eng. Origin of life) kako su iz malih molekula

su nastale složenije molekule kakve danas poznajemo u životnim procesima. Prvi rad koji ću

predstavit je rad izašao 2009. godine od znantvenika Gonena Ashkenasy i njegovih suradnika

(Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6683 –6686), a bavi se autokatalizom malih peptida u

oligopeptid. Naime zamišljeni oligopeptid koji ostavaruje takve interacije između molekula da

može tvoriti β-naboranu ploču, motiv koji nalazimo u sekundarnoj strukturi proteina.

Znanstvenici su podijeli su oligopeptid na dva dijela tako da u rekcije između ta dva dijela

može tvoriti zamišljeni oligopeptid. Osnova rada je da su mjerili brzinu reakcije između

gradivnih blokova oligopeptida, a kontolna reakcija je bila reakcija između gradivnih blokova

oligopeptida bez dodatka oligopetida. Kada su u reakciju dodali oligopeptid dobili su

7

povečanje brzine reakcije zbog toga što je oliopeptid u mogućnosti stvarati nekovaletne

interakcije između molekula i na taj način dolazi do približavanja reaktanata (reaktanti imaju

dijelove strukture oligopeptida) i time se reakcija ubrzava (slika 5). S tim možemo zaključiti

da β-naborana ploča može replicirati sama sebe te možemo povući paralelu da prve molekule

odnosno peptidi su se mogli zbog autokatalize stvarati male segmente proteina koji su se

kasnije razvili u cijele proteine10

.

Slika 5. Ilustracijki prikaz autokatalize β-nabrane ploče

Jedan od zanimljivh radova iz područja supramolekularne autoreplikacije je rad Sijbren Otto-a

i njegovih suradnih (Science 327, 1502 (2010)), a radi se o molekuli koja se može reverzibilno

kovaletno povezivati u makrocikle različite veličine prstena (slika 6).

Slika 6. Mogući makrociklički produkti u prikazanoj rekaciji

Kontrolna reakcija je reakcija miješanja u puferu spoja 2 i nakon 15 dana potvrđene su

molekule sa tri i četri gradivna bloka u prstenu. Dok kod spoja 1 koji ima sposobnost

međusobno povezivati se β-naboranu ploču, zbog peptidnog bočnog lanca, u otopini u

najvećem postotku nalazili su se makrocikli s sedam molekula u prstenu i to tek nakon četri

dana miješanja, a kada se makne bilo kakvo miješanje distribucija je jednako kako kod

mješanja spoja 2 samo makrocikli sam tri i četri gradivan bloka. Provedeni su i drugi

eksperimenti koji istražuju utjecaj načina miješanja (trešnja, miješanje i utjecaj dodatka

8

produkta). Zbog razlika u mehanici miješanja reakcija i samoorganizacije molekula dobiveni

su različiti makrocikli različite distribucije i njihovo stvaranje tek započinje nakon nekoliko

dana što dokazuje da se makrocikli samorepliciraju nakon početnog stvaranja i promoviraju

svoje stvaranje. Također je primiječeno da makrocikli se slažu u obliku stupca koji kada

dosegne maksimalnu duljinu dolazi do njegovog cijepanja (slika 7)11

.

Slika 7. Ilustracijski prikaz samoreplikacije makrocikla

Spajajući autokatalizu, supramolekularne sustave sa kemiju sistema (eng. system chemistry)

važno je i spomenuti i autokatalitičke setove12

. Naime ako se želi proučavati postanak života

čak i ljudski metabolizam, također razvitak bolesti mora se uzeti u obzir složenost sustava

reakcija koje su međusobno povezane i imaju interakciju između sebe to jest komuniciraju

međusobno13

. Da bi se nešto prikazalo kao autokatalitički set mora se zadovoljiti određeni

uvjeti a to su: svaka reakcija u setu je katalizirana sa jednom od molekula te svaka molekula

može biti proizvedena iz hrane preko različiti reakcije u setu. Prvo ovakvo razmišljanje

predstavio je Stuart A. Kauffman dok danas razvijaju se algoritmi za detektiranje

autokatalitičkih setova u sve složenijim sustavima što teorijskim što stvarnim kao u ljudskom

organizmi te u postanku života14

.

4. ZAKLJUČAK

Možemo zaključiti da istraživanje samoreplikacije može nam dati važne inforamcije ili

zaključke o tome kako je naš život na zemlji nastao i što više možemo ta saznanja iskoristiti

za nove tehnologije koje će nam unaprijediti način života. Također iz prikazanih radova

autokataliza se temelji na nekovaletnim interacijama koje omogučuje da se molekule ili

gradivni blokovi približe ili bolje reći zbog komplemetarnosti agregiraju i time stvaraju nove

supramolekularne sustave. Ti možemo graditi različite motive gradivnih blokova samo ako

9

dobro dizajniramo gradivne blokove koristeći znanja iz elemetarne kemije, organske kemiji i

svih drugih grana prirodnih znanosti , a ponajviše potražiti inspiraciju u prirodi.

5. LITERATURA 1 J. W. Steed, J. L. Atwood, Supramolecular chemistry, p. 4-5, Wiley, 2000.

2 O.Gronwald, E. Snip i S. Shinkai, Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 7 (2002) 148156

3 C.J. Pedersen, J. Am. Chem. Soc., 89 (1967) 7017–7036.

4 J.A. Joule i K. Mills, Heterocyclic Chemistry, Wiley-VCH, 5th Ed, 2010.

5 E. Busseron, Y. Ruff, E. Moulina i N. Giuseppone, Nanoscale, 5 (2013) 70987140

6 N. M. Sangeetha iU. Maitra, Chem. Soc. Rev.,34 (2005) 821836

7 Yury E. Shapiro, Prog. Polym. Sci. 36 (2011) 1184– 1253

8 A.Terfort i G. von Kiedrowski, Angew. Chem. int. Edn eng., 31 (1992), 654656.

9 G. Ashkenasy, T. M. Hermans, S. Otto i A. F. Taylord, Systems chemistry, Chem. Soc.

Rev., 2017, 46, 25432554.

10 B, Rubinov, N. Wagner, H. Rapaport i G. Ashkenasy, Angew. Chem. Int. Ed. 48 (2009)

66836686.

11 J. M. A. Carnall, C. A. Waudby, A. M. Belenguer, M. C. A. Stuart, J. J.-P. Peyralans i

S.Otto, Science, 327 (2010), 1502.

12 W. Hordijk, J. Hein i M. Steel, Entropy 12, (2010) 17331742.

13 W.Hordijk, BioScience, 63 (2011) 877881.

14 W.Hordijk, J. Theor. Biol. 224 (2004) 451-456.