Chimica supramolecolare

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Esempio di assemblaggio supramolecolare riportato da Jean-Marie Lehn.

La chimica supramolecolare è una branca interdisciplinare, organizzatasi sistematicamente e razionalmente verso la fine degli anni sessanta, che riprendendo princìpi e concetti della chimica moderna rappresenta oggigiorno un campo di ricerca in forte espansione.

L'attuale definizione largamente accettata di chimica supramolecolare risale a Jean-Marie Lehn (1978) ed è la seguente:[1]

« Chimica degli aggregati molecolari di più alta complessità risultanti dall'associazione di due o più specie chimiche legate assieme da forze intermolecolari. »
(Jean-Marie Lehn)

Questa disciplina, volendone esemplificare gli scopi di studio, tende a focalizzarsi sui sistemi multimolecolari piuttosto che sulle molecole. Importanza basilare assumono i calcoli di chimica teorica per la progettazione di nuovi composti e l'ausilio della meccanica molecolare per la determinazione della struttura spaziale tridimensionale. La chimica supramolecolare è una componente fondamentale delle nanotecnologie.

Principi fondamentali[modifica | modifica sorgente]

  • Concetto di recettore: le molecole non esplicano la loro azione se non sono legate tra loro.
  • Principio di riconoscimento molecolare (modello chiave-serratura): nella formazione di un composto supramolecolare la specie ospite deve avere una geometria strutturale complementare a quella del recettore. I composti ospitanti, in relazione alla relazione spaziale ospite-ospitante, si suddividono in cavitandi o clatrandi. I cavitandi sono caratterizzati dall'avere una cavità intramolecolare che, essendo una caratteristica peculiare, si ritrova sia allo stato solido che in soluzione. I clatrandi possiedono invece cavità extramolecolari generate da uno spazio tra due o più molecole ospitanti e pertanto tali cavità possono esistere solamente allo stato solido cristallino. Una ulteriore suddivisione è dovuta alle forze che interagiscono tra ospite ed ospitanti: se l'aggregato si regge su forze elettrostatiche (legame idrogeno, ione-dipolo, dipolo-dipolo ecc.) si ha un complesso mentre se entrano in gioco forze meno specifiche e di minore entità (interazioni idrofobiche, forze di Van der Waals, di Heitler-London, impacchettamento cristallino ecc.) si parla di cavitato e clatrato.
  • Teoria della coordinazione: gli ioni metallici vengono coordinati da una sfera di leganti, tramite legame di coordinazione, come effetto che la selettività del legame implica attrazione o mutua affinità chimica ospite-ospitante.
  • Pre-organizzazione: consiste nel mantenimento della conformazione originaria della molecola ospitante quando lega la specie ospitata. Questo è molto spesso il principale fattore determinante la stabilità del composto supramolecolare.
  • Auto-assemblaggio: è l'associazione spontanea di molecole o macromolecole, in determinate condizioni ambientali, che genera una nuova macrostruttura. Un esempio classico è rappresentato dalle micelle lipidiche. In biochimica rappresenta uno dei fenomeni fondamentali per la vita.

Esempi di composti supramolecolari[modifica | modifica sorgente]

Innumerevoli specie e processi possono considerarsi supramolecolari.

In biochimica si pensi solamente alle macromolecole proteiche, agli acidi nucleici, i complessi enzimi-recettori, i sistemi porfirinici quali l'eme, la clorofilla, il citocromo, ecc.

In chimica inorganica si pensi ai clatrati idrati (es. Cl2(H2O)7,25), alla chimica di coordinazione, alle inclusioni in solidi cristallini, ai composti di argon, kripton e xeno ottenuti ad alte pressioni con fenolo e pirocatecolo, ecc.

In chimica organica gli eteri corona complessano cationi metallici, la ciclodestrina dà un cavitato con acido p-idrossibenzoico, clatrati idrati quale (H2O)6 (CH4), composti ottenuti da analoghi dell'urea con n-alcani e tante altre specie.

Applicazioni[modifica | modifica sorgente]

La chimica supramolecolare e i processi di auto-assemblaggio trovano applicazione nello sviluppo di nuovi materiali. È possibile ottenere grandi strutture utilizzando una sintesi bottom-up a partire da molecole più piccole. Questo genere di approccio viene sfruttato dalla nanotecnologia.

Un'altra principale applicazione della chimica supramolecolare consiste nella catalisi, dove le interazioni non covalenti hanno un ruolo importante nel favorire percorsi di reazione a minore energia di attivazione. Inoltre vengono utilizzati sistemi quali le micelle e i dendrimeri per creare dei microambienti di reazione.

La chimica supramolecolare è importante anche per lo sviluppo di nuove terapie formacologiche basate sulla comprensione delle interazioni col sito di legame del farmaco. In questo campo viene applicata anche per realizzare meccanismi di rilascio mirato dei farmaci.

Le macchine molecolari sono in grado di eseguire funzioni di calcolo su scala molecolare, agendo da dispositivi in grado di trasdurre il segnale in risposta a uno stimolo fotonico, chimico o elettrico. In questo modo si rende possibile l'immagazzinamento e l'elaborazione dei dati.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Jean-Marie Lehn, From supramolecular chemistry towards constitutional dynamic chemistry and adaptive chemistry in Chem. Soc. Rev., vol. 36, n. 2, 2007, pp. 151-160. DOI:10.1039/B616752G.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • Peter J. Cragg, A practical guide to supramolecular chemistry, Wiley & Sons Ltd., 2005, ISBN 0470866535

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