Química host-guest
En química supramolecular,[1] la química anfitrión-huésped describe complejos compuestos por dos o más moléculas o iones unidos en una relación estructural única sostenida por fuerzas diferentes a los enlaces covalentes.
La química anfitrión-huésped abarca la idea del reconocimiento molecular a través de interacciones no covalentes.
Dichas interacciones son críticas para mantener la estructura tridimensional de moléculas grandes (como proteínas) y está involucrada en diversos procesos biológicos en los que moléculas grandes se unen a otras de manera específica pero temporal.
A pesar de que las interacciones no covalentes pueden dividirse de forma general entre las principalmente electrostáticas y las principalmente dispersivas, hay algunos tipos de interacciones que cabe resaltar.
Algunas de las interacciones enlistadas pueden combinarse en cierto grado.
Ambos componentes del compuesto están unidos mediante interacciones no covalentes, usualmente puentes de hidrógeno.
La unión entre el anfitrión y el huésped usualmente es altamente específica para ambas partes.
Existe un equilibrio entre la forma libre en la que el huésped y el anfitrión están separados, y la forma conjunta, en la que existe un complejo estructuralmente definido que contiene al huésped y al anfitrión.
En sistemas biológicos, los términos análogos a huésped y anfitrión son enzima (anfitrión) y substrato (huésped).
[5] Para diseñar sistemas sintéticos que lleven a cabo funciones específicas, es importante entender la termodinámica de la unión entre el anfitrión y el huésped.
Los químicos se enfocan en el intercambio de energía de diferentes interacciones enlazantes y se intentan desarrollar experimentos que cuantifiquen los orígenes fundamentales de estas interacciones no covalentes mediante el uso de técnicas como la resonancia magnética nuclear, espectroscopía UV-visible y calorimetría de titulación isotérmica.
Los químicos supramoleculares se dedican a medir la energía y las propiedades termodinámicas de estas interacciones no covalentes con el objetivo de ampliar la visión acerca de los resultados de la combinación de todas las pequeñas fuerzas no covalentes que se usan para generar un efecto total sobre la estructura supramolecular.
Una constante de asociación K°a puede ser definida por la expresión
Donde {HG] es la actividad termodinámica del complejo al equilibrio.
Por lo tanto, se observa que la constante de equilibrio Ka tiene unidades de [concentración]-1, sin embargo, esto no puede ser posible pues el cambio en la energía libre de Gibbs en condiciones estándar es proporcional al logaritmo de Ka y los logaritmos no tienen unidades.
Esto implica que Γ tiene un valor constante bajo todas las condiciones experimentales relevantes.
Sin embargo, es común que se le asigne una dimensión como milimol/litro o micromol/litro a un valor de K que ha sido determinado experimentalmente.
Un valor grande de Ka indica que el anfitrión y el huésped interactúan fuertemente para formar el complejo.
[5] Cuando el anfitrión y el huésped se combinan para formar un complejo único, el equilibrio se representa de la siguiente manera:
Y la constante de equilibrio K se define como:
Las ecuaciones del balance de masa son:
Estas ecuaciones pueden ser reducidas a una sola ecuación cuadrática en, por ejemplo, [G], y tienen solución analítica para cualquier valor de K. Las concentraciones [H] y [HG] posteriormente pueden ser deducidas.
Entonces, la suma de cuadrados U sobre todos los puntos puede definirse como:
El procedimiento solo es válido cuando se tiene la certeza de que el producto 1:1 es el único complejo formado.
Una forma de validar la suposición es comprobar que los residuales
muestren una distribución aleatoria; de lo contrario, se debe considerar la formación de especies con otras estequiometrías.
Con espectros de RMN, el desplazamiento químico observado
es el desplazamiento químico de la i-ésima especie que contiene el núcleo analizado y
es la concentración expresada en fracción mol, la cual se calcula de la siguiente manera:
La expresión tiene la misma forma que la ley de Beer.
