Química supramolecular

Anatoly K. Yatsimirsky

La química supramolecular es un área multidisciplinaria enfocada al estudio y empleo de ensambles moleculares unidos a través de interacciones no-covalentes, tales como puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones catión-π, etcétera. Esta

área puede verse como una extensión de la química clásica del enlace covalente, que une átomos para formar moléculas, a una química del enlace no-covalente, que une moléculas, y con frecuencia la etiquetan, siguiendo a J.-M. Lehn, sencillamente como “química más allá de la molécula”.

En comparación con los enlaces covalentes, las interacciones intermoleculares son débiles y tradicionalmente atraen la atención de los químicos en relación con procesos en los cuales participan grandes cantidades de especies; por ejemplo, solvatación, fenómenos superficiales, comportamiento físico de gases a alta presión, etcétera. Sin embargo, analizando algunos sistemas biológicos, vemos que varios procesos fundamentales como la replicación, las interacciones anticuerpo-antígeno, la catálisis enzimática, se realizan con asombrosa eficiencia debido a una acción muy bien organizada de las fuerzas intermoleculares entre sólo dos moléculas. El desarrollo de la química supramolecular está fuertemente ligado a los estudios de sistemas biológicos, que se refleja también en la terminología usada en esta área. El descubrimiento de la importancia de las interacciones no-covalentes para el mantenimiento de estructuras de moléculas biológicas, y para su funcionamiento, estimuló los estudios sobre la naturaleza de estas interacciones y, por otro lado, intentos de reproducir algunos procesos biológicos; por ejemplo, el transporte iónico a través de membranas celulares o catálisis enzimática, en sistemas químicos, llevaron al desarrollo de nuevos principios de diseño de reactivos analíticos, catalizadores, fármacos, etcétera.

El fenómeno de interacción no-covalente fuerte y específica se llama reconocimiento molecular. Los componentes de esta interacción se llaman receptor (el componente que se emplea para reconocer una especie blanco) y ligante o sustrato (especie blanco). Con frecuencia, el receptor es una molécula grande que posee una cavidad o una grieta capaz de incorporar a la molécula más pequeña. En este caso el receptor se llama anfitrión (host), el ligante huésped (guest) y el producto de asociación entre ellos se llama complejo de inclusión. En fase sólida, el complejo de inclusión se puede formar cuando la red cristalina de una sustancia contiene túneles o canales suficientemente amplios para atrapar un huésped. Si el huésped atrapado está bloqueado por todos lados, el complejo de inclusión se llama clatrato o compuesto jaula. Algunos anfitriones de volumen suficientemente grande pueden formar clatratos aún en disolución.

A pesar de que algunos ejemplos de formación de complejos de inclusión fueron reportados en los años treinta del siglo pasado, y de que en este mismo periodo ya existieron enfoques importantes al tratamiento teórico de las interacciones no-covalentes, la química supramolecular se formó como un área independiente solamente en el transcurso de los años setenta y ochenta. Históricamente tuvo un gran impacto en esta área la entrega del Premio Nobel en química en 1987 a Donald J. Cram (University of California, Los Ángeles, eua), Jean-Marie Lehn (Université Louis Pasteur Strasbourg, Collège de France, París, Francia) y Charles J. Pedersen (Du Pont, Wilmington, eua) “por el desarrollo y empleo de moléculas con interacciones específicas de alta selectividad” (for their development and use of molecules with structure-specific interactions of high selectivity). Actualmente, la química supramolecular es un área muy desarrollada que cuenta con revistas especializadas (Supramolecular Chemistry, Taylor & Francis; Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry, Springer; Journal of Molecular Recognition, Wiley; CrystEngComm, Royal Society, y otras), y una extensa literatura monográfica, enciclopédica y libros de texto.

Interacciones intermoleculares

El tipo de interacción intermolecular más sencillo y en ciertas condiciones más fuerte es la interacción inter-iónica entre especies A y B con cargas enteras zA y zB. Esta interacción, que puede ser atractiva o repulsiva, sigue a la ley de Coulomb (1) con energía E proporcional al producto de cargas y a la distancia r y constante dieléctrica del medio ε inversos:

E = zAzB/εr       1)

La energía de atracción entre dos iones de carga opuesta que se encuentran en contacto en el vacío es muy grande. Por ejemplo, la energía de formación de un par iónico Na+Cl- a partir de iones aislados en acuerdo con la ecuación (1) es 490 kJ/mol. Es una energía del mismo orden que las energías de enlaces covalentes típicos; sin embargo, en contraste, los enlaces covalentes, los enlaces iónicos carecen de direccionalidad, ya que el campo eléctrico de cada ion está distribuido uniformemente alrededor del mismo. Por esto, los compuestos iónicos, en lugar de formar moléculas discretas tienen estructuras cristalinas con iones empacados en redes infinitas donde cada catión está rodeado por el número máximo posible de aniones y viceversa.

En disolución acuosa, la energía libre de formación de pares iónicos entre monocationes y monoaniones es muy baja, pero la asociación entre iones policargados puede ser bastante fuerte y específica. Típicamente la entalpía de asociación iónica es cercana a cero, y la contribución principal al cambio de la energía libre se debe a un cambio positivo de la entropía. Este cambio se atribuye al efecto de liberación de moléculas de agua de las esferas de hidratación de los iones que acompañan la formación de un par iónico de contacto. Las ecuaciones de Bjerrum y de Fuoss permiten una estimación razonablemente exacta de las constantes de estabilidad de los pares iónicos, pero sólo para iones esféricos. Por otro lado, debido a la dependencia relativamente débil de la energía de atracción electrostática con la distancia, aun para iones poliatómicos de estructura compleja, como carboxilatos, fosfatos y aminas protonadas, se cumple con buena precisión una correlación empírica (2) para la constante de asociación a fuerza iónica cero.

logK = 0.04 + 0.57zAzB    2)

En la ecuación (2) zA y zB son las cargas totales del catión y del anión. Por ejemplo, para la asociación entre un dicatión y un dianión obtenemos logK = 2.3, y comparando con los valores experimentales para iones de muy diferentes tipos vemos que resultan cercanos a esta predicción; por ejemplo, para [Ca2+][SO42-] logK=2.3, para [H3N(CH2)4NH32+][HPO42-] logK=2.6, para [H3N(CH2)2NH32+] [CH2(CO2)CHOH(CO2)2-] logK=2.1. Otra forma de estimar los valores de las energías libres de asociación, útil en particular para el análisis de la asociación entre poliaminas protonadas y polianiones como arn o adn, es sumar las contribuciones de las interacciones interiónicas por pares, asignando a cada puente salino un valor de ΔG=-8 kJ/mol a fuerza iónica cero. Además, hay que tomar en cuenta la notable disminución de la energía libre de la interacción interiónica con el aumento de la fuerza iónica de la disolución. Así, en una disolución acuosa con fuerza iónica 0.1 M, el valor de ΔG por

un puente salino es igual a sólo -5 kJ/mol,

y la pendiente en la ecuación (2) disminuye hasta 0.33.

Otro tipo de interacción es la carga-dipolo, la cual es de menor energía que la interacción carga-carga. La interacción carga-dipolo es el principal tipo de interacción responsable de la solvatación de especies iónicas y de la formación de complejos de metales alcalinos y alcalinotérreos con receptores neutros tipo éteres corona. Un dipolo molecular se orienta en el campo eléctrico de tal manera que su carga opuesta a la carga del ion está dirigida hacia el ion y la carga similar a la carga del ion se orienta a la dirección contraria. Así se logra la energía de interacción máxima, que por supuesto es menor que la energía de la interacción carga-carga. Por ejemplo, la energía libre de interacción entre el catión Na+ y éter dimetílico (CH3OCH3) en fase gas es -74 kJ/mol, un orden de magnitud menor que la energía de formación del par iónico Na+Cl- (ver arriba). La energía de interacción carga-dipolo disminuye con la distancia más rápido que

la energía de la interacción interiónica, como 1/r2 en lugar 1/r. La interacción dipolo-dipolo es aún más débil y depende de la distancia como 1/r3. En todos estos tipos de interacciones son de importancia los efectos de polarización que pueden aumentar un momento dipolar ya existente e inducir un momento dipolar en una especie que no lo tiene. Finalmente, las fuerzas más débiles, pero más universales, llamadas fuerzas de dispersión de London o fuerzas de Van der Waals (este último término a veces se emplea para referirse a todas las interacciones dipolares) involucran interacciones entre dipolos instantáneos y dipolos inducidos. La energía de interacción de este tipo es proporcional a la energía de ionización y de polarizabilidad en el cuadrado de especies y depende fuertemente de la distancia como 1/r6 debido a que es de importancia

sólo a distancias muy cortas. En la química supramolecular, las interacciones relacionadas con la polarizabilidad de especies son las de mayor importancia para el reconocimiento de moléculas aromáticas. En particular atrae mucho la atención la interacción llamada catión-π que involucra la atracción de moléculas aromáticas a

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