Química Supramolecular

1. Química Supramolecular
2. Conceptos introductorios
4. Autoensamblaje (self-assembly)
5. Efecto Macrocíclico
6. Éteres Coronas
7. Criptandos
8. Esferandos
9. Cavitandos
10. Compuestos supramoleculares tridimensionales complejos
11. Ciclodextrinas
12. Química Supramolecular y catálisis
13. Bibliografía y Sitios Web

Química Supramolecular

La Química Supramolecular constituye uno de los pilares más importante de las Nanociencias y, por ende, de la Nanotecnología. Como este campo de la Química se basa en la interacción entre dos o más moléculas sin formar enlace químico (covalente) es posible construir conglomerados de dimensiones nanométricas de varias moléculas que se asocien de una forma dinámica, mediante equilibrios. Estos elementos básicos: asociaciones moleculares con una naturaleza dinámica, con movimientos, son elementos muy necesarios en Nanotecnología. Es por esa razón que la Química Supramolecular se ha convertido en una base fundamental en el desarrollo de las Nanociencias.

Si se analiza la literatura a partir de mediados de los años noventa se verá que varios de los principales científicos que inicialmente trabajaron en el campo de la Química Supramolecular ahora son líderes en las Nanociencias, desarrollando novedosos dispositivos nanométricos. Resaltan los nombres de Stoddart, Balzani, Sauvage, Fabrizzi, Vögtle, Reinhoudt, etc. por sólo citar a varios de los más destacados.

Mediante la Química Supramolecular se pueden manipular las moléculas para formar asociaciones de dimensiones nanométricas. Como no se contempla la formación de enlace covalente es posible regular estas asociaciones de forma tal de crear movimientos intermoleculares.

Conceptos introductorios

La Química Supramolecular surge en los años 60 con los trabajos de los norteamericanos Pedersen y Cram, en los éteres corona y esferandos, respectivamente, y del francés Lehn, quien trabajó en los criptandos. Estos tres científicos recibieron en 1987 el Premio Nobel de Química, por el desarrollo de la Química Supramolecular como un nuevo campo de la Química.

Resulta interesante señalar que el término supramolécula ya fue introducido en los años 30, übermoleküle (en alemán), para definir el dímero formado entre dos moléculas de ácido acético y especies análogas. Sin embargo el concepto de supramolecularidad no se utiliza en la actualidad para casos de asociaciones entre moléculas tan pequeñas en dimensiones.

El Prof. Jean-Marie Lehn, el único de los tres galardonados aun vivo, definió la Química Supramolecular como la química de los enlaces intermoleculares, que estudia las estructuras y funciones de entidades formadas por dos o más especies químicas. La Química Supramolecular es la química que se encuentra por encima de las moléculas, es una química intermolecular.

El enlace en la Química Supramolecular no es covalente. Las especies químicas constituyentes de un agregado o entidad supramolecular no se enlazan covalentemente entre sí. Se asocian por su afinidad geométrica y/o electrónica, por reconocerse molecularmente. Ello tiene una gran importancia desde el punto de vista nanotecnológico ya que significa que las interacciones entre las moléculas, para formar el compuestos supramolecular, son dinámicas y reversibles.

En estas asociaciones no-covalentes tienen mucha importancia las atracciones electrostáticas y los puentes de hidrógeno. La energía que involucra la formación de un puente de hidrógeno, por ejemplo, es de sólo unos 10 – 30 kJ/mol. Las interacciones electrostáticas generalmente pueden llegar a duplicar esos valores energéticos. Esas magnitudes son muy pequeñas si se comparan con las energías de los enlaces covalentes que pueden formar entre sí dos átomos de carbono.

La energía de un enlace simple C-C es de unos 345 kJ/mol; la de un doble enlace de 609 kJ/mol; mientras que la del triple enlace es de 834 kJ/mol. Esos son valores muy superiores en magnitud al de la formación de puentes de hidrógeno. Sin embargo, cuando dos moléculas se asocian entre sí pueden formarse varios o, incluso, muchos puentes de hidrógeno. Por ejemplo, en el DNA las dos hebras se encuentran unidas entre sí por cientos de puentes. Entonces, ya no se trata de unos 10- 30 kJ/mol, sino puede llegar a ser una magnitud muy superior. Ahí esta el secreto.

Otro buen ejemplo lo constituye la celulosa, ese polímero base de todas las plantas y constituido por glucosa. La celulosa constituye alrededor del 60 % de la madera. Si los puentes de hidrógeno que mantienen unidas las moléculas de celulosa entre sí no fueran fuertes las fibras que forman no tendrían la consistencia mecánica que requieren las plantas para dar la necesaria rigidez a sus tallos, así como las conocidas propiedades de la madera.

La Química Supramolecular surge como resultado natural del proceso de imitación que durante siglos ha llevado el hombre sobre los fenómenos que ha visto en la Naturaleza. Las asociaciones no-covalentes entre moléculas es muy común en el sistema biológico. Como ya vimos en el DNA dos cadenas se unen por puentes de hidrógeno, sin formar enlace covalente. El sistema inmune se basa en el reconocimiento antígeno-anticuerpo. La especificidad de las enzimas se basa en una rigurosa identificación supramolecular del centro activo de la enzima sobre el sustrato. Y así existen infinidad de ejemplos, que el hombre ha tomado como modelo para sintetizar compuestos supramoleculares y desarrollar la Química Supramolecular.

La Química Supramolecular se basa en tres conceptos: fijación (receptor), reconocimiento y coordinación. Estos conceptos fueron establecidos a finales del siglo pasado por Paul Ehrlich (1898), Emil Fischer (1894) y Alfred Werner (1893), respectivamente. Estos tres distinguidísimos científicos fueron galardonados con el Premio Nobel en los años 1908, 1902 y 1913, respectivamente.

Ehrlich planteó que las moléculas se fijan en proximidades estéricas, unas respecto a otras, para poder interactuar químicamente. Fischer, por su parte, para explicar el funcionamiento de las enzimas introdujo el concepto de llave y cerradura (key and lock). Según este concepto, la enzima reconoce selectivamente al sustrato por presentar una geometría específica en el centro activo que le permite reconocer al sustrato, con geometría igual, tal y como una llave encaja en su cerradura. Ahora bien, este reconocimiento molecular no es meramente geométrico, implica además una interacción química y hasta un reordenamiento conformacional. Como, por definición, el enlace no es covalente, realmente lo que tiene lugar es una interacción del tipo de Van der Waals, formación de puentes de hidrógeno, etc. Este enlace no-covalente se ha denominado de coordinación, concepto introducido por Werner para interpretar los compuestos de coordinación de los metales. Por esa misma razón, como se verá posteriormente, cuando una molécula se incluye en otra formando un compuesto supramolecular, se denomina complejo (complex) de inclusión.

En la Química Supramolecular se utilizan los términos: receptor y sustrato (muy usados en Biología) o bien, hospedero y huésped (host and guest). Estos términos se utilizan para denominar a las moléculas que se asocian entre sí para formar una supramolécula y fue Cram quien primero los introdujo.

Generalmente se utiliza el término de receptor u hospedero a la molécula más grande que pudiera llegar a envolver (total o parcial) geométricamente a la otra molécula, el sustrato o huésped.

Cuando hablamos que el receptor u hospedero "envuelve" a la moléculas huésped o sustrato queremos decir que el primero (hospedero) presenta una cavidad en la cual se puede introducir total o parcialmente la molécula huésped. Cuando el receptor u hospedero presenta una cavidad intramolecular se denomina endoreceptor, que es el más común. Tal es el caso de los éteres coronas y las ciclodextrinas. Ambos tipos de receptores presentan "cavidades" donde reconocen molecularmente al sustrato.

En el macrociclo bidimensional la "cavidad" corresponde al área interior del anillo que forma el macrociclo.

Realmente la interacción hospedero – huésped (receptor – sustrato) no necesariamente tiene que ser de ese tipo, una molécula introducida en la otra (aunque sí es lo más frecuente), sino también puede ser "frontal" o externa. Tal es el caso del DNA en que ambas hebras se asocian frontalmente. Cuando la interacción es de naturaleza frontal generalmente no existen diferencias apreciables entre las dimensiones del hospedero y la molécula huésped. Así, por ejemplo, ambas hebras del DNA unidas entre sí mediante puentes de hidrógeno, son de igual longitud. Cuando la interacción del hospedero con el sustrato (o huésped) ocurre externamente, se trata de un exoreceptor.

Los receptores moleculares (hospederos) también se pueden clasificar en:

• monotópicos: cuando un receptor interactúa con un solo sustrato, que es el caso que más comúnmente se presenta.

• politópicos: cuando el receptor consiste de dos o más subunidades que fijan al sustrato.

A continuación se desarrollarán los conceptos de más amplio uso en la Química Supramolecular. Por tratarse de un campo nuevo de la Química la unificación total de criterios no se ha alcanzado aun, con diferencias de un autor a otro. Los conceptos que a continuación se exponen son los de mayor aceptación y con menores divergencias.