Química Supramolecular

Enviado por Javier Hernández Obregón

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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.

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