Supramolecular Chemistry: Chemistry Beyond the Molecule
La química supramolecular es definida como "la química más allá de la molécula". Está basada en procesos de ensamblaje molecular por medio de enlaces intermoleculares y ha permitido sintetizar arquitecturas fascinantes con aplicaciones muy importantes en Biología, en Ciencias de los Materiales y en Catálisis.
Palabras clave: Química supramolecular, Autoensamblaje, Polímeros de coordinación, Estructuras Metalo-orgánicas.
Supramolecular chemistry is defined as “chemistry beyond the molecule”. It is based on molecular assemblies by means of intermolecular bonds. Supramolecular chemistry has enhanced the synthesis of amazing supramolecular architectures with important applications in biology, material science and catalysis.
Keywords: Supramolecular chemistry, Self-assembly, Coordination polymer, Metal-organic frameworks.
“La Química, como ciencia de la estructura y transformación de la materia, otorga los medios para interrogar el pasado, explorar el presente y construir puentes hacia el futuro”1-Jean-Marie Lehn, Premio Nobel de Química, 1987.
¿Quién no se ha divertido jugando con piezas de LEGO® (Figura 1) al crear estructuras de torres, castillos o trenes con un poco de imaginación, paciencia y esfuerzo? Pues bien, la construcción de estas estructuras es posible gracias a procesos de autoensamblaje (Whitesides, 2002).
Figura 1. Piezas de Lego.
Fuente:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/41/Colores_con_luz_mediaI%C3%B1aki_Otsoa._CC._By_ShA_%24no-.tif/lossy-page1-531px-Colores_con_luz_media._-I%C3%B1aki_Otsoa._CC._By_ShA_%24no-.tif.jpg
Pero, ¿qué es el autoensamblaje? El autoensamblaje puede definirse como la organización autónoma de componentes en patrones o estructuras; estos procesos son comunes en toda la naturaleza y la tecnología, e implican componentes desde el nivel molecular hasta sistemas de escala planetaria (Figura 2) (Whitesides, 2002).
Figura 2. Sistema solar.
Fuente:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5d/Solar_system_scale-2.jpg/799px-lar_system_scale-2.jpg
El concepto de química supramolecular fue introducido en 1978 por el Premio Nobel Jean-Marie Lehn y la define como “la química de los enlaces intermoleculares” o, dicho de otra manera, “la química más allá de la molécula” (Lehn, 2002).
La química supramolecular tiene como objetivo descubrir y adquirir la capacidad de crear nuevas formas complejas (Fernández-González, 2007).
El paso de moléculas (unidades base) a supramoléculas (Figura 3) da lugar a la formación espontánea de una serie de especies nuevas y fascinantes en una, dos y tres dimensiones ( Wu, 2013) ( Pioquinto-Mendoza, 2013).
Figura 3. Estructuras supramoleculares de compuestos de plata (arriba) y de níquel (abajo) ( Wu, 2013) ( Pioquinto-Mendoza, 2013).
Así mismo, el proceso de autoensamblaje es el responsable de la generación de numerosas estructuras biológicas; por ejemplo, la estructura de doble hélice de los ácidos desoxirribonucleicos (ADN) se da a través del reconocimiento de unidades púricas y pirimidínicas (Figura 4) (Whitesides, 2002).
Figura 4. Estructura de doble hélice del ADN.
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El reconocimiento molecular puede describirse como la unión específica de una molécula dada a un receptor molecular. A las moléculas que pueden reconocer a otras en formas eficientes y selectivas se les denomina moléculas anfitrión y aquellas que son reconocidas son nombradas moléculas huésped (Ariga, 2009).
Un anfitrión puede ser un compuesto cíclico que posee una cavidad y que puede albergar una molécula más pequeña. Este tipo de moléculas reciben por nombre macrociclos (Figuras 5 y 6) (Ariga, 2009).
Figura 5. Ciclodextrina
Figura 6. Éter corona.
La química supramolecular permite la generación de arquitecturas supramoleculares bien definidas a partir de iones metálicos y ligantes orgánicos ( Wu, 2013) (Biradha, 2009).
Para nombrar estas estructuras, en la literatura se han descrito diversas terminologías, como polímeros de coordinación o bien redes metalo-orgánicas (MOFs, por sus siglas en inglés, metal-organic frameworks) (Biradha, 2009).
Un polímero de coordinación (Figura 7) es el término dado en química inorgánica a aquellos compuestos de coordinación en donde un ligante actúa como un puente entre centros metálicos: cada centro metálico se enlaza a más de un ligante, lo que da como resultado la repetición de las entidades de coordinación en una, dos o tres dimensiones. Esta definición abarca de manera muy amplia a las estructuras basadas en iones metálicos enlazados en una cadena infinita, en un plano, o en una arquitectura tridimensional por ligantes puente. El término MOF es más utilizado para nombrar redes tridimensionales y no es apropiado para nombrar estructuras unidimensionales extendidas o redes bidimensionales (Biradha, 2009).
Figura 7. Polímero de coordinación en una dimensión ( Wu, 2013).
La capacidad de controlar los procesos de autoensamblaje para llevar a cabo la síntesis de arquitecturas macromoleculares ha permitido la síntesis de nuevos materiales inteligentes. Desde hace algunas décadas, la construcción de polímeros de coordinación ha resultado de gran interés no sólo por las formas y estructuras fascinantes que se pueden obtener sino también por sus aplicaciones importantes en la fabricación de materiales con propiedades semiconductoras, luminiscentes y catalíticas, ampliamente usadas en campos como el de la optoelectrónica ( Wu, 2013) ( Ariga, 2009).Finalmente, debido a que la química supramolecular permite la fabricación de materiales de tamaño nanométrico (10−9 m), ella se ha convertido en una herramienta importante en el desarrollo de la nanotecnología (Figura 8); se espera que este desarrollo impacte de forma benéfica en nuestras vidas en un futuro cercano.
Figura 8. Materiales nanométricos.
Ariga , K., & Kunitake, T. (2009). Supramolecular chemistry, fundamentals and applications. Tokyo: Springer.
Biradha, K., Ramanan, A., & Vittal, J. J. (2009). Coordination Polymers Versus Metal-Organic Frameworks. Cryst. Growth Des., 9, 2969–2970.
Fernández-González, A., & Guardia, L. (2007). Reconocimiento molecular mediante materiales Biomiméticos: impresión molecular. An. Quím., 103, 14-22.
Lehn, J.-M. (2002). Toward complex matter: Supramolecular chemistry. PNAS, 99, 4763-4768.
Pioquinto-Mendoza, J., Mendoza-Olvera, D., Andrade-López, N., Alvarado-Rodríguez, J., Moreno-Esparza, R., & Flores-Álamo, M. (2013). Synthesis and structural characterization of mono- and dinuclear NiII and PdII complexes derived from tetradentate 1,7-bis(pyridin-2-yl)-2,6-diaza-1,6-heptadiene. J. Coord. Chem., 66, 2477-2488.
Whitesides, G. M., & Grzybowski, B. (2002). Self-Assembly at All Scales. Science, 295, 2418-2421.
Wu, J.-Y., Chao, T.-C., & Zhong, M.-S. (2013). Influence of Counteranions on the Structural Modulation of Silver−Di(3-pyridylmethyl)amine Coordination Polymers. Cryst. Growth Des., 13, 2953−2964.
[a] Estudiante de Maestría en Química. Área Académica de Química (AAQ). correo-e: joy-126@hotmail.com.
[b] Profesor investigador. Área Académica de Química (AAQ). correo-e: jgar@uaeh.edu.mx