La química supramolecular es una rama de la química que se ocupa del estudio de las interacciones intermoleculares y cómo estas interacciones afectan la estructura y la función de las moléculas. Se centra en las interacciones no covalentes, como las interacciones de hidrógeno, van der Waals y electrostáticas, que mantienen unidas a las moléculas en un complejo supramolecular. Los complejos supramoleculares se utilizan en una variedad de aplicaciones, incluyendo la síntesis de materiales, la medicina y la biología.
El prefijo "supra" proviene del latín y significa "sobre" o "encima de". En química supramolecular, se refiere a cómo las moléculas interactúan para formar estructuras más grandes y complejas que las moléculas individuales. Estas estructuras se denominan complejos supramolecu
lares y se forman a través de interacciones no covalentes. El prefijo "supra" se utiliza para indicar que estas estructuras son "sobre" o "encima" de las moléculas individuales que las componen.
Historia
La química supramolecular comenzó a desarrollarse en la década de 1960, cuando los químicos comenzaron a prestar atención a las interacciones no covalentes entre moléculas y su papel en la formación de complejos supramoleculares.
Uno de los primeros trabajos en esta área fue el trabajo de supramolecular de Jean-Marie Lehn, quien introdujo el término "supramolecular" y desarrolló la idea de que las moléculas pueden interactuar mediante interacciones no covalentes para formar complejos con estructura y función específicas. En sus trabajos, Lehn describió la química supramolecular como una nueva rama de la química que se enfoca en el estudio de las interacciones no covalentes entre moléculas y cómo estas interacciones afectan la estructura y la función de las moléculas. Enfatizó en el concepto de "moléculas receptoras" y "moléculas huéspedes" que se unen para formar complejos supramoleculares y en cómo estas interacciones no covalentes pueden ser utilizadas para diseñar moléculas con propiedades y funciones específicas.
Jean-Marie Lehn es ampliamente considerado como el "padre de la química supramolecular", debido a su trabajo pionero en el campo. Lehn introdujo el término "supramolecular" en el año 1987 y desarrolló la idea de que las moléculas pueden interactuar mediante interacciones no covalentes para formar complejos con estructura y función específicas. Lehn también desarrolló la idea de que estas interacciones no covalentes pueden ser utilizadas para controlar la estructura y función de los complejos supramoleculares, lo que dio lugar a un gran interés en el diseño y síntesis de moléculas con propiedades específicas, como sensores, catalizadores y materiales.
Otro pionero en el campo fue Derek Barton, quien recibió el premio Nobel de Química en 1969 por su trabajo en estereoquímica supramolecular.
A medida que la química supramolecular se desarrolló, se descubrió que las interacciones no covalentes pueden ser utilizadas para controlar la estructura y función de los complejos supramoleculares. Esto llevó a un gran interés en el diseño y síntesis de moléculas con propiedades específicas, como sensores, catalizadores y materiales.
En la actualidad, la química supramolecular sigue siendo un campo en constante evolución y se espera que continúe generando nuevos avances en diferentes campos, como la biología, la medicina, la química, la física y la tecnología.
Supramoleculas
Definición:
Una supramolécula es una estructura formada por la unión de varias moléculas mediante interacciones no covalentes, como enlaces de hidrógeno, interacciones electrostáticas y van der Waals. Estas interacciones son débiles en comparación con los enlaces covalentes pero son suficientes para mantener unidas a las moléculas en un complejo estable. Las supramoléculas son estructuras más grandes y complejas que las moléculas individuales que las componen, y pueden tener propiedades y funciones diferentes a las de las moléculas individuales. Por ejemplo, una supramolécula puede tener una afinidad selectiva por un ion o un compuesto específico, o puede tener una forma tridimensional específica que le permite interactuar con otras moléculas de una manera particular.
Las supramoléculas pueden ser creada mediante varios métodos, algunos de los cuales son los siguientes:
Síntesis química: Las supramoléculas pueden ser diseñadas y sintetizadas mediante la combinación de moléculas específicas mediante interacciones no covalentes. Esto puede ser logrado mediante la utilización de moléculas receptoras y moléculas huéspedes que se unen de manera específica para formar un complejo supramolecular.
Autoorganización: Las supramoléculas pueden formarse mediante la autoorganización de moléculas en solución. Esto puede ocurrir cuando las moléculas tienen una afinidad natural por unirse entre sí mediante interacciones no covalentes, como enlaces de hidrógeno o interacciones electrostáticas.
Templado: Las supramoléculas también pueden ser creadas mediante el uso de moléculas moldes o plantillas, que son utilizadas para orientar la disposición espacial de las moléculas receptoras y así formar un complejo supramolecular.
Self-Assembly: es otra forma de generar supramoléculas, es un proceso en el cual las moléculas se unen entre sí mediante interacciones no covalentes para formar una estructura más grande y compleja, esto sucede en condiciones específicas de temperatura, pH, y concentración.
Ejemplos de supramoleculas
Hay muchos ejemplos de supramoléculas en la naturaleza y en aplicaciones tecnológicas. Algunos ejemplos son:
Hemoglobina: Es una proteína que se encuentra en los glóbulos rojos y transporta oxígeno en la sangre. La hemoglobina es una supramolécula compuesta de cuatro moléculas de globina y cuatro moléculas de hemo, que se unen mediante enlaces de hidrógeno y electrostáticos.
DNA: Es la molécula portadora de la información genética. El ADN es una supramolécula compuesta de dos cadenas de nucleótidos que se unen mediante enlaces de hidrógeno y electrostáticos.
Microscopios de fuerza atómica: Estos instrumentos utilizan una aguja de un solo átomo para medir las fuerzas entre moléculas y las propiedades mecánicas de materiales a nivel molecular.
Sensores: Los sensores supramoleculares se basan en la interacción entre una molécula receptor y una molécula huésped, cuando un compuesto específico se une a la molécula receptor, esto causa un cambio en su estructura y/o propiedad, lo que se traduce en un cambio en la señal del sensor.
Materiales: Los materiales supramoleculares son compuestos por moléculas que están unidas entre sí mediante interacciones no covalentes, estos materiales tienen propiedades y funciones específicas, como por ejemplo, cambios en la conductividad eléctrica, la capacidad de actuar como catalizadores, entre otras.
Hay varios ejemplos de supramoléculas sintéticas que han sido diseñadas y sintetizadas en el laboratorio para tener propiedades y funciones específicas. Algunos ejemplos son:
Complejos de metales: Los complejos de metales son moléculas compuestas por un ion metálico y varias moléculas orgánicas, llamadas ligandos, que se unen mediante interacciones no covalentes. Estos complejos se utilizan en aplicaciones como catalisis, sensores y materiales magnéticos.
Polímeros supramoleculares: Son polímeros que se forman a partir de moléculas que se unen mediante interacciones no covalentes, estos polímeros tienen propiedades y funciones específicas como la capacidad de cambiar de forma y/o tamaño según las condiciones ambientales.
Complejos de ciclosporina: La ciclosporina es una molécula utilizada en medicina para inmunosuprimir al paciente, es capaz de formar complejos con proteínas llamadas calcineurina, estos complejos son utilizados para regular la actividad de ciertas proteínas.
Complejos de cucurbiturilo: Son complejos formados por moléculas de cucurbiturilo y moléculas huéspedes, estos complejos son utilizados como sensores, catalizadores y en la purificación de compuestos.
Complejos de calixareno: Son moléculas formadas por un anillo de ácido calixarénico y moléculas huéspedes, estos complejos se utilizan como sensores, catalizadores y en la separación de compuestos.
Estos son solo algunos ejemplos, la química supramolecular esta en un constante desarrollo y se están descubriendo nuevas supramoléculas sintéticas con propiedades y funciones cada vez más sofisticadas.
ESTRUCTRURA Y FISICOQUIMICA SUPRAMOLECULAR
Estructura Supramolecular
Una supramolécula se compone de varias partes:
Moléculas receptoras
En química supramolecular, un molecular anfitrión o receptora es una molécula específica que tiene la capacidad de reconocer y unirse a otra molécula, llamada molécula invitada o huésped. La molécula anfitriona es una molécula receptor, que tiene una estructura específica que permite su interacción con una molécula huésped específica. La molécula anfitriona puede tener una cavidad, un sitio de unión o una estructura complementaria que permite la interacción con la molécula huésped. La unión entre la molécula anfitriona y la molécula huésped se lleva a cabo mediante interacciones no covalentes, como enlaces de hidrógeno, interacciones electrostáticas y van der Waals.
La molécula anfitriona es un componente esencial en la formación de complejos supramoleculares, ya que es responsable de la afinidad selectiva y específica entre las moléculas receptoras y huéspedes, lo que permite la formación de complejos con estructura y función específicas.
Moléculas huésped
Una molécula huésped es una molécula específica que es reconocida y unida por una molécula receptor mediante interacciones no covalentes. La molécula huésped puede tener una estructura complementaria a la molécula receptor, o puede contener grupos funcionales específicos que interactúan con la molécula receptor.
La molécula huésped es esencial en la formación de complejos supramoleculares, ya que es reconocida y unida específicamente por la molécula receptor, lo que permite la formación de complejos con estructura y función específicas.
Interacciones moleculares
Las interacciones moleculares son las fuerzas que mantienen unidas a las moléculas en un compuesto. Estas interacciones son responsables de las propiedades físicas y químicas de un compuesto.
Existen varios tipos de interacciones moleculares, algunos de los cuales son:
Enlaces covalentes: son las interacciones más fuertes entre moléculas, en las que los electrones son compartidos entre dos átomos para formar una molécula.
Enlaces de hidrógeno: son interacciones débiles entre moléculas, en las que un átomo de hidrógeno está compartiendo electrones con otro átomo.
Interacciones electrostáticas: son interacciones débiles entre moléculas, en las que los átomos o iones comparten o intercambian electrones para crear una carga eléctrica.
Interacciones de van der Waals: son interacciones débiles entre moléculas, en las que los átomos o moléculas comparten electrones temporalmente para crear una carga eléctrica temporal.
Complejos supramoleculares
Un complejo supramolecular es una estructura formada por la unión de moléculas mediante interacciones no covalentes. Estas interacciones pueden ser enlaces de hidrógeno, interacciones electrostáticas o interacciones de van der Waals. Estas moléculas se llaman receptoras y huésped. Una molécula receptor es una molécula que tiene una estructura específica que permite su interacción con una molécula huésped específica, mientras que una molécula huésped es una molécula que es reconocida y unida específicamente por la molécula receptor.
Un complejo supramolecular tiene estructura y función específicas, dependiendo de las interacciones no covalentes y las moléculas involucradas. Los complejos supramoleculares pueden tener una variedad de aplicaciones en diferentes campos, como la biología, la medicina, la química, la física y la tecnología.
Reconocimiento Molecular
El reconocimiento molecular en química supramolecular se refiere a la capacidad de una molécula para identificar y unirse específicamente a otra molécula. Esto se logra mediante la interacción de moléculas receptoras y moléculas huéspedes, las cuales se unen mediante interacciones no covalentes como enlaces de hidrógeno, interacciones electrostáticas y van der Waals.
La molécula receptor tiene una estructura específica que permite su interacción con una molécula huésped específica. La molécula huésped es reconocida por la molécula receptor debido a la afinidad que existe entre ellas, pudiendo ser la forma, tamaño, carga, polaridad, entre otras características.
La capacidad de una molécula para reconocer molecularmente a otra molécula se debe a la presencia de grupos funcionales específicos en la molécula receptor. Estos grupos funcionales pueden ser átomos o grupos de átomos que tienen propiedades químicas específicas, como carga eléctrica o polaridad.
Por ejemplo, los grupos funcionales que contienen nitrógeno o oxígeno pueden tener una carga eléctrica negativa, mientras que los grupos funcionales que contienen carbono o hidrógeno pueden tener una carga eléctrica positiva. Estas cargas eléctricas pueden interactuar electrostáticamente con moléculas huésped específicas.
Otros grupos funcionales, como los anillos aromáticos o los grupos hidrofóbicos, pueden interactuar mediante interacciones de van der Waals con moléculas huésped específicas.
El reconocimiento molecular es una característica clave de la química supramolecular, ya que permite la formación de complejos supramoleculares con estructura y función específicas.
Autoensamblaje
El Autoensamblaje es un proceso mediante el cual las moléculas se organizan espontáneamente en una estructura específica mediante interacciones no covalentes.
En química supramolecular, el autoensamblaje se refiere a la capacidad de las moléculas para formar complejos supramoleculares sin la intervención de agentes externos, como catalizadores o agentes químicos. Algunas moléculas pueden autoensamblarse debido a las interacciones no covalentes presentes en sus estructuras y su capacidad para reconocer molecularmente a otras moléculas específicas, lo que permite la formación de complejos supramoleculares con estructura y función específicas.
El autoensamblaje se basa en la afinidad selectiva entre las moléculas, lo que permite que las moléculas se unan específicamente para formar complejos con estructura y función específicas. El autoensamblaje se puede utilizar para sintetizar complejos con estructuras controladas, como por ejemplo, polímeros y complejos metálicos, y para diseñar moléculas con propiedades específicas como sensores, catalizadores y materiales.
Existen varios ejemplos de moléculas que se autoensamblan, algunos de los cuales son:
Liposomas: son estructuras formadas por moléculas de lípidos que se autoensamblan para formar una bicapa lipídica que puede contener moléculas huésped en su interior.
Proteínas: muchas proteínas se autoensamblan para formar estructuras específicas como filamentos, esferas o hélices.
Polímeros: los polímeros pueden autoensamblarse para formar estructuras como redes o filamentos.
Peptidomiméticos : son moléculas sintéticas que se autoensamblan para formar estructuras similares a las proteínas
Moléculas orgánicas: moléculas orgánicas con una estructura específica pueden autoensamblarse para formar complejos supramoleculares con propiedades específicas.
Acidos Nucleicos: Moleculas como el ADN y el ARN pueden autoensamblarse incorporando una maquinaria molecular sofisticada.
Entropia
La entropía es una medida de la cantidad de desorden o incertidumbre en un sistema. En química supramolecular, la entropía juega un papel importante en la formación de complejos supramoleculares.
La entropía del sistema cambia cuando las moléculas se unen para formar un complejo supramolecular debido a la reducción de movilidad de las moléculas individuales. Sin embargo, esta reducción de movilidad es compensada por la ganancia de orden en la estructura del complejo supramolecular. En realidad estos dos fenomenos compiten en el cambio del orden del sistema.
La entropía también puede afectar la estabilidad de un complejo supramolecular. Los complejos con interacciones no covalentes más fuertes, como los enlaces de hidrógeno, suelen ser más estables debido a que tienen menor entropía asociada con la formación de la estructura.
En la formacion de complejos supramoleculares la entropia se reduce localmente en las proximidades de los complejos macromoleculares, pero la entropia del sistema aumenta globalmente por efectos de la segunda ley de la termodinamica
Temperatura
La temperatura puede tener un gran impacto en la formación de supramoléculas. A medida que aumenta la temperatura, las moléculas tienen más energía cinética, lo que aumenta su movimiento y la probabilidad de que se rompan las interacciones no covalentes que mantienen unidas a las moléculas en un complejo supramolecular.
A baja temperatura, las interacciones no covalentes son más estables y las moléculas están menos activas, lo que facilita la formación de complejos supramoleculares. Por lo tanto, a bajas temperaturas, es más probable que se formen complejos con una estructura y una función específicas.
A alta temperatura, las interacciones no covalentes son menos estables y las moléculas están más activas, lo que dificulta la formación de complejos supramoleculares. Por lo tanto, a altas temperaturas, es menos probable que se formen complejos con una estructura y una función específicas.
La temperatura tiene un impacto significativo en la formación de supramoléculas
APLICACIONES
la química supramolecular tiene una amplia variedad de aplicaciones en diferentes campos como biología, tecnologías de la información, medicina, química ambiental, y materiales. Los complejos supramoleculares son utilizados en la investigación de procesos biológicos, fabricación de dispositivos electrónicos, medicamentos y terapias, purificación del agua, y materiales
algunos de los cuales son:
Biología: los complejos supramoleculares se utilizan en la investigación de proteínas y enzimas, así como en la comprensión de procesos biológicos como la replicación del ADN y la señalización celular.
Tecnologías de la información: los complejos supramoleculares se utilizan en la fabricación de dispositivos electrónicos y sensores, así como en la investigación de materiales para la memoria y el almacenamiento de datos.
Medicina: los complejos supramoleculares se utilizan en la investigación de medicamentos y terapias, como los sistemas de liberación controlada de fármacos y los nanomateriales para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.
Química ambiental: los complejos supramoleculares se utilizan en la investigación de procesos de eliminación de contaminantes y en la purificación del agua.
Materiales: los complejos supramoleculares se utilizan en la investigación de materiales para aplicaciones como catalisis, polímeros, cerámica, y materiales magnéticos.
DESAFIOS ACTUALES
La química supramolecular presenta varios desafíos, incluyendo el control de estructura, complejidad, escala, estabilidad y aplicaciones prácticas. A pesar de estos desafíos, la química supramolecular es un campo en constante crecimiento con un gran potencial en una variedad de campos.
Algunos de los desafíos en su investigación y aplicación son los siguientes:
Control de estructura: uno de los mayores desafíos en la química supramolecular es controlar la estructura de los complejos supramoleculares para obtener propiedades específicas. Esto incluye el diseño de moléculas receptoras y huésped para que se unan específicamente y la manipulación de las condiciones para controlar la formación de los complejos.
Complejidad: los complejos supramoleculares pueden ser altamente complejos debido a la gran cantidad de moléculas involucradas y las diversas interacciones no covalentes que pueden estar presentes. Esto puede dificultar la comprensión de su estructura y función.
Escala: la química supramolecular se basa en interacciones no covalentes, lo que significa que las estructuras son frágiles y pueden descomponerse fácilmente. Esto dificulta la escalabilidad de los procesos, especialmente en la aplicación industrial.
Estabilidad: Algunos complejos supramoleculares pueden ser inestables y pueden descomponerse fácilmente. Esto puede ser un desafío en la investigación y aplicación de estos compuestos.
Aplicaciones prácticas: La química supramolecular es un campo emergente y aún se está investigando en gran medida, aún se está descubriendo muchas de sus posibles aplicaciones.
LECTURAS RECOMENDADAS
Si estás interesado en aprender más sobre la química supramolecular, te recomiendo leer los siguientes libros y artículos:
"Supramolecular Chemistry" de Jonathan W. Steed and Jerry L. Atwood. Este libro es una introducción general a la química supramolecular y cubre temas como la estructura, la función y las aplicaciones de los complejos supramoleculares.
"Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives" de Jean-Marie Lehn. Este libro es una introducción detallada a la química supramolecular y cubre temas como la estructura, la función y las aplicaciones de los complejos supramoleculares.
"Supramolecular Chemistry: From Molecules to Nanomaterials" de Fritz Vögtle, Jürgen-Hinrich Fuhrhop y E. W. Meijer. Este libro es una introducción detallada a la química supramolecular y cubre temas como la estructura, la función y las aplicaciones de los complejos supramoleculares.
"Chemical Reviews" es una revista científica que publica artículos sobre una amplia variedad de temas en química, incluyendo la química supramolecular. Puedes encontrar artículos recientes sobre química supramolecular en el sitio web de la revista.
"Journal of the American Chemical Society" es otra revista científica que publica artículos sobre una amplia variedad de temas en química, incluyendo la química supramolecular. Puedes encontrar artículos recientes sobre química supramolecular en el sitio web de la revista.
REFERENCIAS
https://medcraveonline.com/JNMR/the-role-of-entropy-in-molecular-self-assembly.html
Lehn, J.-M (2002). Toward complex matter: Supramolecular chemistry. PMID 11929970. doi:10.1073/pnas.072065599.
↑ Vögtle, Fritz (15 de junio de 2000). Dendrimers II: Architecture, Nanostructure and Supramolecular Chemistry (en inglés). Springer Science & Business Media. ISBN 9783540670971. Consultado el 30 de noviembre de 2015.
↑ Arquitecturas supramoleculares generadas por nuevos derivados de ciclodextrinas y ácidos biliares. Antelo Queijo, Álvaro Editor Universidad de Santiago de Compostela. Pág. 7
↑ Estudio estructural y dinámico de sistemas organizados mediante sondas fluorescentes. Reija Otero, Belén. Universidad de Santiago de Compostela. Pág. 46
↑ Estudios sobre el comportamiento de complejos metálicos con bases de Schiff compartimentales en la obtención de compuestos polinucleares. Ocampo Prado, Noelia. Universidad de Santiago de Compostela. Pág. 4
↑ Katsuhiko, Ariaga (2009). Supramolecular chemistry, fundamentals and applications.. Springer.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/sc/d2sc03154j
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