Química supramolecular

Rama de la química

La química supramolecular se refiere a la rama de la química que se ocupa de los sistemas químicos compuestos por un número discreto de moléculas . La intensidad de las fuerzas responsables de la organización espacial del sistema varía desde fuerzas intermoleculares débiles , carga electrostática o enlaces de hidrógeno hasta enlaces covalentes fuertes , siempre que la fuerza de acoplamiento electrónico permanezca pequeña en relación con los parámetros energéticos del componente. ^{[1] [2] [ página necesaria ]} Mientras que la química tradicional se concentra en el enlace covalente, la química supramolecular examina las interacciones no covalentes más débiles y reversibles entre moléculas. ^[3] Estas fuerzas incluyen los enlaces de hidrógeno, la coordinación de metales , las fuerzas hidrofóbicas , las fuerzas de van der Waals , las interacciones pi–pi y los efectos electrostáticos . ^[4]

Los conceptos importantes propuestos por la química supramolecular incluyen el autoensamblaje molecular , el plegamiento molecular , el reconocimiento molecular , la química huésped-anfitrión , las arquitecturas moleculares entrelazadas mecánicamente y la química covalente dinámica . ^[5] El estudio de las interacciones no covalentes es crucial para comprender muchos procesos biológicos que dependen de estas fuerzas para la estructura y la función. Los sistemas biológicos son a menudo la inspiración para la investigación supramolecular.

Galería

• 
  Autoensamblaje de un doble helicato circular ^[6]
• 
  Complejo huésped-huésped dentro de otro huésped ( cucurbituril ) ^[7]
• 
  Moléculas entrelazadas mecánicamente ( rotaxano ) ^[8]
• 
  Un ejemplo de química anfitrión-huésped ^[9]
• 
  Complejo huésped-anfitrión con un p-xililendiaminotetraacético unido a un cucurbiturilo ^[10]
• 
  Autoensamblaje intramolecular de un foldámero ^[11]
• 
  Red interpenetrada 3D en la estructura cristalina del silsesquioxano ^[12]

Historia

La existencia de fuerzas intermoleculares fue postulada por primera vez por Johannes Diderik van der Waals en 1873. Sin embargo, el premio Nobel Hermann Emil Fischer desarrolló las raíces filosóficas de la química supramolecular. En 1894, ^[13] Fischer sugirió que las interacciones enzima-sustrato toman la forma de una "cerradura y llave", los principios fundamentales del reconocimiento molecular y la química anfitrión-huésped. A principios del siglo XX, los enlaces no covalentes se comprendieron gradualmente con más detalle, y el enlace de hidrógeno fue descrito por Latimer y Rodebush en 1920.

El uso de estos principios condujo a una mayor comprensión de la estructura de las proteínas y otros procesos biológicos. Por ejemplo, el importante avance que permitió la elucidación de la estructura de doble hélice del ADN se produjo cuando se descubrió que hay dos cadenas separadas de nucleótidos conectadas a través de enlaces de hidrógeno. El uso de enlaces no covalentes es esencial para la replicación porque permiten separar las cadenas y utilizarlas como plantilla para un nuevo ADN de doble cadena. Al mismo tiempo, los químicos comenzaron a reconocer y estudiar estructuras sintéticas basadas en interacciones no covalentes, como las micelas y las microemulsiones .

Finalmente, los químicos fueron capaces de tomar estos conceptos y aplicarlos a sistemas sintéticos. El gran avance se produjo en la década de 1960 con la síntesis de los éteres corona por parte de Charles J. Pedersen . Después de este trabajo, otros investigadores como Donald J. Cram , Jean-Marie Lehn y Fritz Vögtle se dedicaron a sintetizar receptores selectivos de forma e iones, y a lo largo de la década de 1980 la investigación en el área cobró un ritmo rápido con el surgimiento de conceptos como las arquitecturas moleculares entrelazadas mecánicamente.

La importancia de la química supramolecular fue establecida por el Premio Nobel de Química de 1987, otorgado a Donald J. Cram, Jean-Marie Lehn y Charles J. Pedersen en reconocimiento a su trabajo en esta área. ^[14] El desarrollo de complejos selectivos "huésped-anfitrión", en particular, en los que una molécula anfitriona reconoce y se une selectivamente a un determinado huésped, fue citado como una contribución importante.

En la década de 1990, la química supramolecular se volvió aún más sofisticada, con investigadores como James Fraser Stoddart desarrollando maquinaria molecular y estructuras autoensambladas altamente complejas , e Itamar Willner desarrollando sensores y métodos de interconexión electrónica y biológica. Durante este período, los motivos electroquímicos y fotoquímicos se integraron en los sistemas supramoleculares con el fin de aumentar la funcionalidad, comenzó la investigación en sistemas sintéticos autorreplicantes y se comenzó a trabajar en dispositivos de procesamiento de información molecular. La ciencia emergente de la nanotecnología también tuvo una fuerte influencia en el tema, con bloques de construcción como fulerenos , nanopartículas y dendrímeros que se involucraron en sistemas sintéticos.

Control

Termodinámica

Los complejos supramoleculares se forman por interacciones no covalentes entre dos fracciones químicas, que pueden describirse como un anfitrión y un huésped. Lo más común es que las especies que interactúan se mantengan unidas por enlaces de hidrógeno . La definición excluye los compuestos formados por interacciones electrostáticas, que se denominan pares iónicos .

En solución, el anfitrión H, el huésped G y los complejos H _p G _q estarán en equilibrio entre sí. En el caso más simple, p=q=1, el equilibrio se puede escribir como

${\displaystyle H+G\leftrightharpoons HG}$

El valor de la constante de equilibrio , K, para esta reacción puede, en principio, determinarse mediante cualquiera de las técnicas descritas a continuación. Algunos ejemplos se muestran en la siguiente tabla. ^[15]

El cambio de energía libre de Gibbs , , para esta reacción es la suma de un término de entalpía y un término de entropía . ${\displaystyle \Delta G}$ ${\displaystyle \Delta H}$ ${\displaystyle T\Delta S}$

${\displaystyle \Delta G=\Delta H-T\Delta S}$

Ambos valores se pueden determinar a una temperatura dada, , por medio de calorimetría de titulación isotérmica . Para un ejemplo, véase Sessler. et.al. ^[16] En ese ejemplo, un anillo macrocíclico con 4 átomos de nitrógeno protonados encapsula un anión cloruro; ilustraciones de datos de ITC y una curva de titulación se reproducen en Steed&Atwood. ^[15] (pp 15–16) Se encontró que el valor de la constante de equilibrio y la estequiometría de las especies formadas eran fuertemente dependientes del solvente. Con soluciones de nitrometano se obtuvieron valores de ΔH = 8,55 kJmol ⁻¹ y ΔS = -9,1 JK ⁻¹ mol ^{−1 .} ${\displaystyle \Delta G}$ ${\displaystyle \Delta S}$ ${\displaystyle T}$

Ambiente

El entorno molecular que rodea a un sistema supramolecular también es de suma importancia para su funcionamiento y estabilidad. Muchos disolventes tienen fuertes capacidades de enlace de hidrógeno, electrostáticas y de transferencia de carga y, por lo tanto, pueden participar en equilibrios complejos con el sistema, incluso rompiendo los complejos por completo. Por este motivo, la elección del disolvente puede ser crítica.

Conceptos

Un ribosoma es una máquina biológica que utiliza la dinámica de las proteínas a escala nanométrica.

Autoensamblaje molecular

El autoensamblaje molecular es la construcción de sistemas sin guía ni gestión de una fuente externa (excepto para proporcionar un entorno adecuado). Las moléculas se ensamblan mediante interacciones no covalentes. El autoensamblaje se puede subdividir en autoensamblaje intermolecular (para formar un ensamblaje supramolecular ) y autoensamblaje intramolecular (o plegamiento como lo demuestran los foldámeros y los polipéptidos). El autoensamblaje molecular también permite la construcción de estructuras más grandes como micelas , membranas , vesículas , cristales líquidos y es importante para la ingeniería de cristales . ^[17]

Reconocimiento molecular y complexación

El reconocimiento molecular es la unión específica de una molécula huésped a una molécula huésped complementaria para formar un complejo huésped-huésped. A menudo, la definición de qué especie es el "huésped" y cuál es el "huésped" es arbitraria. Las moléculas pueden identificarse entre sí mediante interacciones no covalentes. Las aplicaciones clave de este campo son la construcción de sensores moleculares y la catálisis . ^{[18] [19] [20] [21]}

Síntesis dirigida por plantillas

El reconocimiento molecular y el autoensamblaje se pueden utilizar con especies reactivas para preorganizar un sistema para una reacción química (para formar uno o más enlaces covalentes). Puede considerarse un caso especial de catálisis supramolecular . Los enlaces no covalentes entre los reactivos y una "plantilla" mantienen los sitios reactivos de los reactivos juntos, facilitando la química deseada. Esta técnica es particularmente útil para situaciones en las que la conformación de reacción deseada es termodinámica o cinéticamente improbable, como en la preparación de macrociclos grandes. Esta preorganización también sirve para propósitos tales como minimizar las reacciones secundarias, reducir la energía de activación de la reacción y producir la estereoquímica deseada . Después de que la reacción ha tenido lugar, la plantilla puede permanecer en su lugar, ser eliminada a la fuerza o puede ser descomplejada "automáticamente" debido a las diferentes propiedades de reconocimiento del producto de la reacción. La plantilla puede ser tan simple como un solo ion metálico o puede ser extremadamente compleja. ^{[ cita requerida ]}

Arquitecturas moleculares entrelazadas mecánicamente

Las arquitecturas moleculares entrelazadas mecánicamente consisten en moléculas que están unidas solo como consecuencia de su topología. Pueden existir algunas interacciones no covalentes entre los diferentes componentes (a menudo, las que se usaron en la construcción del sistema), pero no los enlaces covalentes. La química supramolecular, y la síntesis dirigida por plantillas en particular, es clave para la síntesis eficiente de los compuestos. Los ejemplos de arquitecturas moleculares entrelazadas mecánicamente incluyen catenanos , rotaxanos , nudos moleculares , anillos borromeos moleculares ^[22] y ravels. ^[23]

Química covalente dinámica

En la química covalente dinámica, los enlaces covalentes se rompen y se forman en una reacción reversible bajo control termodinámico. Si bien los enlaces covalentes son clave para el proceso, el sistema está dirigido por fuerzas no covalentes para formar las estructuras de menor energía. ^[24]

Biomimética

Muchos sistemas supramoleculares sintéticos están diseñados para copiar funciones de sistemas biológicos. Estas arquitecturas biomiméticas se pueden utilizar para aprender tanto sobre el modelo biológico como sobre la implementación sintética. Algunos ejemplos incluyen sistemas fotoelectroquímicos, sistemas catalíticos, diseño de proteínas y autorreplicación . ^[25]

Impresión

La impronta molecular describe un proceso mediante el cual se construye un huésped a partir de pequeñas moléculas utilizando una especie molecular adecuada como plantilla. Después de la construcción, la plantilla se elimina dejando solo el huésped. La plantilla para la construcción del huésped puede ser sutilmente diferente del huésped al que se une el huésped terminado. En su forma más simple, la impronta utiliza solo interacciones estéricas , pero los sistemas más complejos también incorporan enlaces de hidrógeno y otras interacciones para mejorar la fuerza de unión y la especificidad. ^[26]

Maquinaria molecular

Las máquinas moleculares son moléculas o conjuntos moleculares que pueden realizar funciones como movimiento lineal o rotacional, conmutación y atrapamiento. Estos dispositivos existen en el límite entre la química supramolecular y la nanotecnología , y se han demostrado prototipos utilizando conceptos supramoleculares. ^[27] Jean-Pierre Sauvage , Sir J. Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa compartieron el Premio Nobel de Química 2016 por el "diseño y síntesis de máquinas moleculares". ^[28]

Bloques de construcción

Los sistemas supramoleculares rara vez se diseñan a partir de principios básicos. En cambio, los químicos cuentan con una serie de bloques estructurales y funcionales bien estudiados que pueden utilizar para construir arquitecturas funcionales más grandes. Muchos de ellos existen como familias completas de unidades similares, de las cuales se puede elegir el análogo con las propiedades deseadas exactas.

Motivos de reconocimiento sintético

• Las interacciones de transferencia de carga pi-pi del bipiridinio con dioxiarenos o diaminoarenos se han utilizado ampliamente para la construcción de sistemas entrelazados mecánicamente y en ingeniería de cristales .
• El uso de la unión del éter corona con cationes metálicos o amonio es omnipresente en la química supramolecular.
• La formación de dímeros de ácido carboxílico y otras interacciones simples de enlaces de hidrógeno.
• La complejación de bipiridinas o terpiridinas con rutenio , plata u otros iones metálicos es de gran utilidad en la construcción de arquitecturas complejas de muchas moléculas individuales.
• La formación de complejos de porfirinas o ftalocianinas en torno a iones metálicos permite obtener propiedades catalíticas, fotoquímicas y electroquímicas además de la propia formación de complejos. Estas unidades son muy utilizadas por la naturaleza.

Macrociclos

Los macrociclos son muy útiles en la química supramolecular, ya que proporcionan cavidades enteras que pueden rodear completamente a las moléculas huésped y pueden modificarse químicamente para ajustar sus propiedades.

• Las ciclodextrinas , calixarenos , cucurbiturilos y éteres corona se sintetizan fácilmente en grandes cantidades y, por lo tanto, son convenientes para su uso en sistemas supramoleculares.
• Se pueden sintetizar ciclofanos y criptandos más complejos para proporcionar propiedades de reconocimiento más personalizadas.
• Los metalociclos supramoleculares son agregados macrocíclicos con iones metálicos en el anillo, a menudo formados a partir de módulos angulares y lineales. ^[29] Las formas comunes de metalociclos en este tipo de aplicaciones incluyen triángulos, cuadrados y pentágonos, cada uno con grupos funcionales que conectan las piezas a través del "autoensamblaje". ^[30]
• Las metalocoronas son metalomacrociclos generados a través de un enfoque de autoensamblaje similar a partir de anillos quelatos fusionados.

Unidades estructurales

Muchos sistemas supramoleculares requieren que sus componentes tengan un espaciamiento y conformaciones adecuados entre sí, y por lo tanto se requieren unidades estructurales fáciles de emplear. ^[31]

• Los espaciadores y grupos de conexión más utilizados son las cadenas de poliéter , los bifenilos y trifenilos y las cadenas de alquilo simples . La química para crear y conectar estas unidades se conoce muy bien.
• Las nanopartículas , nanobarras , fulerenos y dendrímeros ofrecen unidades de estructura y encapsulación de tamaño nanométrico.
• Las superficies se pueden utilizar como andamios para la construcción de sistemas complejos y también para interconectar sistemas electroquímicos con electrodos . Las superficies regulares se pueden utilizar para la construcción de monocapas y multicapas autoensambladas .
• La comprensión de las interacciones intermoleculares en sólidos ha experimentado un importante renacimiento a través de aportes de diferentes métodos experimentales y computacionales en la última década. Esto incluye estudios de alta presión en sólidos y cristalización "in situ" de compuestos que son líquidos a temperatura ambiente junto con el uso del análisis de densidad electrónica, predicción de la estructura cristalina y cálculos DFT en estado sólido para permitir una comprensión cuantitativa de la naturaleza, la energía y las propiedades topológicas asociadas con tales interacciones en cristales. ^[32]

Unidades fotoquímicamente y electroquímicamente activas

• Las porfirinas y las ftalocianinas tienen una actividad fotoquímica y electroquímica altamente ajustable, así como el potencial de formar complejos.
• Los grupos fotocrómicos y fotoisomerizables pueden cambiar sus formas y propiedades, incluidas las propiedades de unión, al exponerse a la luz.
• El tetratiafulvaleno (TTF) y las quinonas tienen múltiples estados de oxidación estables y, por lo tanto, pueden utilizarse en reacciones redox y electroquímica.
• Otras unidades, como los derivados de bencidina , los viológenos y los fulerenos , son útiles en dispositivos electroquímicos supramoleculares.

Unidades derivadas biológicamente

• La complejación extremadamente fuerte entre avidina y biotina es fundamental en la coagulación sanguínea y se ha utilizado como motivo de reconocimiento para construir sistemas sintéticos.
• La unión de enzimas con sus cofactores se ha utilizado como ruta para producir enzimas modificadas, enzimas en contacto eléctrico e incluso enzimas fotoconmutables.
• El ADN se ha utilizado tanto como unidad estructural como funcional en sistemas supramoleculares sintéticos.

Aplicaciones

Tecnología de materiales

La química supramolecular ha encontrado muchas aplicaciones ^[33] , en particular, los procesos de autoensamblaje molecular se han aplicado al desarrollo de nuevos materiales. Se puede acceder fácilmente a estructuras grandes mediante síntesis ascendente , ya que están compuestas de moléculas pequeñas que requieren menos pasos para sintetizarse. Por lo tanto, la mayoría de los enfoques ascendentes de la nanotecnología se basan en la química supramolecular ^[34] . Muchos materiales inteligentes ^[35] se basan en el reconocimiento molecular ^{[36] .}

Catálisis

Una de las principales aplicaciones de la química supramolecular es el diseño y la comprensión de los catalizadores y la catálisis. Las interacciones no covalentes son extremadamente importantes en la catálisis, ya que unen los reactivos en conformaciones adecuadas para la reacción y reducen la energía del estado de transición de la reacción. La síntesis dirigida por plantillas es un caso especial de catálisis supramolecular. Los sistemas de encapsulación como micelas , dendrímeros y cavitandos ^[37] también se utilizan en catálisis para crear microambientes adecuados para que progresen las reacciones (o los pasos de las reacciones) que no es posible utilizar a escala macroscópica.

Medicamento

El diseño basado en la química supramolecular ha dado lugar a numerosas aplicaciones en la creación de biomateriales funcionales y terapias. ^[38] Los biomateriales supramoleculares ofrecen una serie de plataformas modulares y generalizables con propiedades mecánicas, químicas y biológicas ajustables. Estas incluyen sistemas basados ​​en el ensamblaje supramolecular de péptidos, macrociclos huésped-huésped, enlaces de hidrógeno de alta afinidad e interacciones metal-ligando.

Se ha utilizado ampliamente un enfoque supramolecular para crear canales iónicos artificiales para el transporte de iones de sodio y potasio dentro y fuera de las células. ^[39]

La química supramolecular también es importante para el desarrollo de nuevas terapias farmacéuticas, ya que permite comprender las interacciones en el sitio de unión de un fármaco. El área de administración de fármacos también ha logrado avances críticos como resultado de la química supramolecular, que proporciona encapsulación y mecanismos de liberación dirigidos. ^[40] Además, se han diseñado sistemas supramoleculares para interrumpir las interacciones proteína-proteína que son importantes para la función celular. ^[41]

Almacenamiento y procesamiento de datos

La química supramolecular se ha utilizado para demostrar funciones computacionales a escala molecular. En muchos casos, se han utilizado señales fotónicas o químicas en estos componentes, pero también se ha demostrado la interconexión eléctrica de estas unidades mediante dispositivos de transducción de señales supramoleculares . El almacenamiento de datos se ha logrado mediante el uso de interruptores moleculares con unidades fotocrómicas y fotoisomerizables , mediante unidades electrocrómicas y redox -conmutables, e incluso mediante el movimiento molecular. Se han demostrado puertas lógicas moleculares sintéticas a nivel conceptual. Incluso se han logrado cálculos a escala real mediante computadoras de ADN semisintéticas .

Véase también

• Química orgánica
• Nanotecnología

Referencias

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Enlaces externos

• Modelos 2D y 3D de conjuntos dodecaédricos y cuneanos
• Química supramolecular y Química supramolecular II – Serie temática en la revista de acceso abierto Beilstein Journal of Organic Chemistry