Química supramolecular

La química supramolecular es la rama de la química que estudia las interacciones supramoleculares, esto quiere decir entre moléculas. Su estudio esta inspirado por la biología y esta basada en los mecanismos de la química orgánica e inorgánica sintética.

La química supramolecular estudia el reconocimiento molecular y la formación de agregados supramoleculares lo que nos da paso para comprender e interfasear el mundo biologico, los sistemas complejos y la nanotecnología.La química Supramolecular se define como:

"La química supramoelcular es la química de los enlaces intermoleculares, curbiendo las estrcuturas y funcionesde las entidades formadas por asociacion de dos o mas especies químicas" J-M- Lehn​

"La química supramolecular se define como la química más alla de la molecular, una química de interacciones intermoleculares diseñadas" F. Vögtle ​

Los agregados supramoleculares que son objeto de estudio por la química supramolecular son muy diversos, pudiendo abarcar desde sistemas biológicos donde intervienen un número elevado de moléculas que se organizan espontáneamente formando estructuras más grandes,​ como monocapas, bicapas, micelas,​ complejos enzimáticos y lipoproteínas, hasta conjuntos de pocas moléculas que sufren un fenómeno de autoensamblaje molecular,​ como los catenanos, rotaxanos, poliedros moleculares y otras arquitecturas afines.

Historia

El concepto de química supramolecular fue definido por primer vez en 1978 por el Premio Nobel Jean-Marie Lehn, que la define como “la química de los enlaces intermoleculares” pero antes se realizaron diversos trabajos que llevaron al desarrollo de la química supramolecular a como la concoemos hoy día.

En 1810 Humphry Davy demuestra que el cloro es un elemento químico y le da ese nombre debido a su color amarillo verdoso. En 1823 los estudios en cloro continuan y Michael Faraday diseña la formula de los hidratos de cloro. En 1891 los cientificos Villiers y Hebd desarrollan una investigación donde descubren las ciclodextrinas, las cuales son consideradas como moléculas anfitrionas; estos conceptos dieron paso a las contribuciones mas importantes como la que realiza Alfred Werner en 1893 introduciendo el termino de química de coordinación, concepto básico para entender la química supramolecular

La existencia de fuerzas intermoleculares fue postulada por primera vez por Johannes van der Waals en 1873 las cuale. Sin embargo, el premio Nobel Hermann Emil Fischer fue el que desarrolló las raíces filosóficas de la química supramolecular. En 1894,​ Hermann Emil Fischer sugirió que las interacciones enzima-sustrato se asemejan a una interacción "cerradura-llave", principio fundamental del reconocimiento molecular y la química hospedador-huésped (del inglés host-guest) supramolecular. A principios del siglo XX los enlaces no covalentes se entendieron con más detalle, como el enlace de hidrógeno que describieron 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 vio que hay dos cadenas distintas de nucleótidos conectadas a través de enlaces de hidrógeno. El uso de enlaces no covalentes es esencial para la replicación, ya que permiten que las hebras se separen y se utilizan para nueva plantilla de ADN de doble cadena. Al mismo tiempo, los químicos empezaron a reconocer y estudiar estructuras sintéticas sobre la base de interacciones no covalentes, tales como micelas y microemulsiones.

Con el tiempo, los químicos fueron capaces de tomar estos conceptos y aplicarlos a los sistemas sintéticos. El avance se produjo en la década de 1960 con la síntesis de los éteres corona por Charles J. Pedersen. A raíz de este trabajo, otros investigadores como Donald James Cram, Jean-Marie Lehn y Fritz Vogtle continuaron trabajando con esta química a lo largo de la década de 1980, lo que les permitió ganar el Premio Nobel de Química en 1987.

Reconocimiento Molecular

El reconocimiento molecular explica las uniones que se desarrollan de manera especifica en una molécula hacia su receptor molecular. Las moléculas que logran un reconocimiento eficiente y selectivo se llaman moléculas anfitrión (host) las cuales pueden ser compuesto cíclicos llamados macrocilos que tienen cavidades de tamaños específicos en su interior, útiles para albergar a otras moléculas mas pequeñas definidas como huéspedes (huest). Arriaga, 2009 ​

Este reconocimiento molecular esta relacionado con los procesos catalíticos ya sea mediante el uso de catalizadores sintéticos o naturales como las enzimas que formaran compuestos supramoleculares en conjunto con el sustrato a través de tres pasos esenciales que son:

• Reconocimiento molecular entre catalizador y sustrato para formar un complejo, se define la selectividad del catalizador.
• La velocidad de reacción se acelera mientras que la energía de activación disminuye con el fin de estabilizar la reacción y definir el estado de transición.
• Regeneración del catalizador con la liberación del productor dando inicio a un nuevo ciclo, donde la velocidad definirá el numero de ciclos catalíticos a realizar por unida de tiempo.

Un concepto que explica de manera concreta el reconocimiento molecular es el modelo de llave-cerradura propuesto en 1884 por el bioquímico alemán E.Fisher

Interacciones supramoleculares

Las interacciones supramoleculares nos sirven para entender como es que las especies se mantiene unidas mediantes una variedad de interacciones no covalentes donde su fuerza va de 2-300 kJmol-1. Las interaccione sno covalentes utilziadas en la química supramolecular son:

• Iónicas

Ión-Ión: Esta interacción se presenta cuando dos especies con cargas opuestas estan en contacto, por lo que no presentan dependencia de la direccionalidad. Un aspecto que afecta la estabilidad de la interacción es la fuerza iónica del medio, la cual puede ser analizada empleando la ecuación de DebyeHückel. Para el desarrolo de estas interacción se suele utilizar disolventes con constantes dielectricas bajas como el cloroformo,acetonitrilo o diclorometano y evitar el agua en el medio ya es altamente competitivo.

ión-dipolo: Estas interacciones se establcen entre una especie neutra y otra que estará cargada por lo que mostraran dependecia a la otrientación del dipolo de tal manera que cuando la mlécula orienta su dipolo hacia la especie cargada resulta una fuerza de enlace de alrededor de 5-200 kJmol-1

En la químcia Supramolecular existen sistemas que explican esta interacción como los complejos formados por éteres corona con diferentes derivados de amonio, donde la interaccion se establcera entre los oxígenos del éter y el hidrógeno del huésped que estará cargado positivamente y la complejación de los anfitriones con metales alcalinos y alcalinos-térreos. También se ha observado al formación de rotaxanos a traves de ciclodextrinas utilizadas como macrocilos y como ejes los cationes bipiridino.

• Dipolares

Dipolo-dipolo: Existen dos tipos de interacciones dipolo-dipolo, una es cuando las dos moleculas adyacentes alinean sus dipolos donde solo es necesario que solo una de las moléculas se otiente adecuadamente, el otro tipo es cuando simultáneamente ambas móleculas se alinean sus dos momentos dipolares, en este caso se es dependiente de la direccionalidad. Los sistemas que mas frecuentemente se detectan como formadores de estas interacciones son neutros polares y por lo regular son los que presentan grupos carbonilo, nitro y aminas, como por ejemplo C=O/C=O,C=O/CN,

• de van der Waals

Dentro de estas interacciones existen tres tipos de de asociaciones entre dipolos, las cuales surgen a partir de las fluctuaciones de la distribución de electrones entre dos especies que se encuentran cercanas; estas interacciones van a mostrar dependencia a la polarizacion de las moléculas, siendo las mas polarizables las que forman las interacciones fuertes.

La interacción de Keersom es cuando las moleculas se encuentran interactuando a ciertas distancias poseen dipolos permanentes por lo que se alinean a esos dipolos de manera atractiva, por otro lado cuando una molécula con un dipolo permanente induce un dipolo en otra cercana se conocen como interacción de Debye y por último la interacción entre dos moléculas no polares pero polarizables es conocida como interacción de London.

En la química supramolecular, mas específicamente en sistemas anfitri: Exisón-huésped, estas interacciones juegan roles importantes.

• Interacciones π-π de apilamiento

Representacion de Puente de Hidrogeno

• puente de hidrógeno

Esta interaccion ocurre entre especies donadoras parcialmente negativas con otras aceptoras de protones y un hidrogeno localizado entre ellas. Se considera que los puentes de hidrogenos con geometría lineal son más fuertes por loq ue el requisito de direccionalidad lo hace selectivo al momento de formar complejos por lo que dentro de la química Supramolecular se considera la inteaccion que sera responsable de un ensamble organizado y estable pero es dificil hacerlo en un sistema acuoso dado a que el agua es un excelente donarod y aceptor de puentes de hidrógeno

Agregados supramoleculares

A modo de ejemplo:

• Macrociclo
• Criptando
• Enzima
• Coloide
• Micela
• Ciclodextrina
• Liposoma
• Membrana plasmática
• Lipoproteína
• Ribosoma
• Cromatina
• Ciclofano
• Podando

Véase también

• Portal:Química. Contenido relacionado con Química.
• Autoensamblaje molecular

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Química supramolecular.