QUÍMICA SUPRAMOLECULAR

Revista Iberoamericana de Polímeros
Vázquez Tato
Volumen 6(1), Febrero de 2005
Química Supramolecular
QUÍMICA SUPRAMOLECULAR
José Vázquez Tato
Departamento de Química Física. Universidad de Santiago de Compostela. Lugo. España
¿Quién no ha crecido, o al menos no ha jugado con su descendencia, con los ladrillos
de la firma danesa LEGO, los cuales, con imaginación, paciencia y esfuerzo permiten
construir torres, castillos o trenes? En la actualidad, la afición a la construcción no queda
limitada a los menores por cuanto que está ampliamente arraigada y difundida entre los
adultos, como veremos inmediatamente.
Quizá pueda parecer publicidad gratuita o falta de rigurosidad suficiente el que en un
artículo de la categoría que se le debe suponer a ésta, aparezca en su título el nombre de una
marca comercial. Pero en este caso, la denominación LEGO ha trascendido más allá de la
marca acabando por definir un tipo de producto o juego. Otro ejemplo bien conocido es el
Rimel para las pestañas ya que actualmente existen muchas marcas de “rimel”.
En cualquier caso, vaya en mi descargo, que mi atrevimiento es ínfimo comparado con
el de Brendan Powell1 quien ha recreado la Biblia. Ejemplo de su esfuerzo es La Ultima Cena
que, sin intención de ofender ninguna sensibilidad, permítaseme, que la compare con otras
ilustres “Ultimas Cenas” y aunque aquí sólo ilustro la comparación con las Ghirlandaio,
Bassano, Dali y Florea, también podría compararse con las de Leonardo da Vinci, El Greco,
Tiziano, Murillo, Sassu o Warhol.
Brendan Powell , La última Cena
1
www.thebricktestament.com
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D. Bigordi “El Ghirlandaio”, 1480 ca.
S. Dalí. "La comunión debe ser simétrica“.1955
B. Florea, 1994
J. Bassano , 1542
No debe sorprender la afirmación de que con estos ladrillos se hayan construido los
objetos más diversos. Entre ellos me gustaría resaltar algunos objetos matemáticos como la
banda de Moebius, el punto de silla (muy útil para explicar el estado de transición de una
reacción química), Burt Simpson, El Pensador de Rodin, una mesa de despacho y otras que
veremos más adelante, de las que son autores Andrew Lipson2 y Eric Harshbarger3.
Banda de Moebius
Punto de silla
Mesa de despacho
Burt
El pensador Rodin
En la actualidad LEGO vende en torno a 200 millones de juegos al año en más de cien
países y tiene más de 8.000 empleados4. Fue fundada en 1932 por Ole Kirk Christiansen, en
Billund (Dinamarca), aunque tal nombre fue adoptado en 1934. El mismo procede de las
palabras danesas "LEg GOdt" que significa “jugar bien”. Lo curioso del caso es que en latín
lego significa “leer” y “reunir.” Por la denominación utilizada y para los propósitos de este
artículo, es interesante resaltar que el predecesor del actual y familiar ladrillo fue creado bajo
2
http://www.lipsons.pwp.blueyonder.co.uk/lego.htm
http://www.ericharshbarger.com/lego/
4
J. M. Bustamante, El ladrillo de plástico que conquistó el mundo, El Mundo, 21-12-2003.
3
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el nombre de Ladrillos Enlazantes Automáticos y destaco la palabra enlazante por sus
evidentes connotaciones químicas.
Primer éxito. Este pato de
madera fue líder de ventas en
Dinamarca en 1935.
Ole Kirk Christiansen, maestro
carpintero fundador de LEGO,
(en 1934, Billund).
Ladrillos
enlazantes
automáticos
El LEGO revolucionó el mundo del juguete ya que el jugador podía crear y crecer sin
necesidad de seguir unas líneas marcadas de antemano. También deseo remarcar las palabras
crear y crecer por cuanto han de ser las definidoras de toda actividad humana: musical,
artística, artesanal,... y ¿cómo no? de la ciencia y la investigación. Desafortunadamente no
siempre es así, por cuanto, no sólo es difícil ser creativo, sino que también lo es analizar el
valor final al que puede dar origen la creatividad. Permítanme que les manifieste que tengo la
sensación personal de que muchas de las ideas que han dado origen a realidades cotidianas
actuales, que en su momento representaron novedades insospechadas, posiblemente no fuesen
financiadas en estas latitudes. Sin ánimo de extenderme en este punto, me atrevo a afirmar
que parte de la razón estriba en la forma con la que se escriben y analizan los proyectos de
investigación. Se escriben con la rigidez clásica del soneto (14 versos endecasílabos o
alejandrinos, con rima consonante repartida en dos cuartetos y dos tercetos de la forma ABBA
ABBA CDC ECE del que el famoso “Érase un hombre a una nariz pegado...” de Francisco de
Quevedo5 es quizá el ejemplo más difundido), y se analizan con parámetros históricos como
experiencia previa o publicaciones en el tema objeto del proyecto, del que, como es obvio, si
5
Érase un hombre a una nariz pegado,
érase una nariz superlativa,
érase una nariz sayón y escriba,
érase un pez espada muy barbado.
Éra un reloj de sol mal encarado,
érase un alquitara pensativa,
érase un elefante boca arriba,
era Ovidio Nasón más narizado.
Érase un espolón de una galera,
érase una pirámide de Egipto,
las doce tribus de narices era.
Érase un naricísimo infinito,
muchísima nariz, nariz tan fiera,
que en la cara de Anás fuera delito.
Francisco de Quevedo
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es novedoso, difícilmente alguien tendrá mucha experiencia o publicaciones previas. De no
cumplir estas premisas, las posibilidades de recibir financiación son nulas.
La propia ejecución de un proyecto ya financiado sigue siendo muy rígida porque la
misma ha de, necesariamente, someterse a la consecución de los objetivos enumerados en el
proyecto. Con esta metodología el investigador se va autoencorsetando, autorrestringiendo su
creatividad y ejecutando la ciencia más estándar posible que, sin duda, si se analiza desde la
visión del egoísmo personal, es la más rentable. Gerd Binning6 lo expresa de una manera
simbólica al afirmar “construye una pirámide, vive dentro de ella por un tiempo y luego
abandónala”. Desde aquí propongo que debemos dejar volar la imaginación y dedicar un
porcentaje (cualquiera que sea su valor numérico) a proyectos imaginativos que pretendan dar
saltos cuantitativos en el mundo de la ciencia. Estoy totalmente convencido de que sus
diseñadores y ejecutores alcanzarán siempre resultados magníficos aunque no correspondan
en absoluto a su idea original.
Ahora bien, la sociedad tiene que estar dispuesta a financiar la creatividad, la
imaginación. Confieso que, salvo momentos esporádicos, mi vida universitaria ha estado
siempre más pendiente de decidir si puedo o no comprar una bombona de argón que de
analizar el que dos moléculas se ensamblen. Es urgente que España duplique, al menos, sus
gastos de investigación, atendiendo a las infraestructuras y al gasto ordinario, pero sobre todo
al personal investigador, que es quien, en definitiva, puede poner la imaginación. De no
hacerlo así se verificarán las palabras de Salvador Moncada (el segundo científico más citado
de los últimos veinte años): “Si no financiamos la investigación, nuestros mejores cerebros se
dedicarán a jugar en bolsa” 7.
Aparcaré, al menos momentáneamente, la reflexión anterior y volveré a mi juguete.
Para mis propósitos analizaré en primer lugar cómo es el sistema de ensamblaje de las piezas
del LEGO. En pocas palabras podemos decir que se basa en el viejo sistema de
machihembrado tan común en carpintería y ebanistería (no sin razón, Ole Kirk Christiansen
era maestro carpintero) y en el simple hecho de que cada pieza posee simultáneamente la
dualidad macho-hembra. Como veremos, en Química Supramolecular, al macho suele
denominársele huésped o donante y a la hembra hospedador o aceptor. Tal dualidad, en la
misma pieza, permite que, después de un ensamblaje, la pieza resultante mantenga la
6
7
Gerd Binning, “Desde la Nada”. Premio Nobel de Física de 1986.
Entrevista a Salvador Moncada publicada en El País Semanal del 4-1-2004.
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característica dual macho-hembra tal y como muestra la figura. La figura muestra también el
sistema de engarce mecánico entre las piezas, el cual permite que se mantengan unidas y
estables en su posición, ilustrando cómo encajan macho y hembra tras su unión.
Hem
o
ch
Ma
bra
Sistema de encaje
macho-hembra
Montaje
resultante
de la unión
vertical de
dos piezas
2×2
El catálogo de piezas del sistema LEGO es muy amplio, manteniendo todas ellas el
mencionado sistema de ensamblaje. Si se descartan las piezas especiales para acabados, de
carácter técnico (como ruedas), accesorios temáticos, puertas, ventanas, tejados, etc.,
observamos que pueden clasificarse como piezas de la forma m×n donde m varía entre 1 y 2,
y n entre 1 y 8. Si m supera el valor de 2 y n supera el valor de 8, normalmente se habla de
plataformas.
Me detendré por un momento en la pieza 1×1. Es obvio que sólo permite construir
columnas monodimensionales. Si cada pieza 1×1 recibe el nombre de monómero, la columna
resultante es un polímero. La diferencia entre un polímero químico convencional y la columna
del LEGO es que, en el polímero, el monómero ha perdido su verdadera identidad. Por
ejemplo, el monómero estireno origina por polimerización radical el poliestireno (altamente
utilizado como aislante térmico o para las conocidas bandejas blancas para la fruta y la carne
de cualquier tienda o supermercado). La diferencia no es sólo radica en la nomenclatura, sino
también en su estructura química y de sus propiedades físicas, químicas y biológicas. Así, el
estireno (monómero) es cancerígeno, mientras que el poliestireno no lo es. Precisamente uno
de los retos que han de afrontar los fabricantes de poliestireno expandido es la de garantizar
que no permanezcan residuos de monómero en el producto final.
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Obtención de poliestireno (PS)
n
H2C CH
H2C CH2
n
La reacción implica la conversión
de un enlace sp2 en uno sp3.
Enlace amida
O-
O
R
N
R'
R
N+
R'
Estructura primaria de una proteína
ala
arg
leu
lis
cis
met
glu
...
Las proteínas son un excelente ejemplo de polímero macho-hembra. En ellas los
distintos aminoácidos se unen entre sí mediante enlaces amida resultado de la unión del grupo
ácido de un residuo con el grupo amino del residuo adyacente. Esta secuencia de aminoácidos
constituye la estructura primaria de la proteína. Por lo tanto, las piezas LEGO 1×1, en las que
cada color podría representar un aminoácido diferente, sólo permiten dar cuenta de la
estructura primaria de la proteína. Ello es debido a la rigidez de los ensamblajes en el LEGO,
rigidez parcialmente ausente en una proteína como consecuencia del giro, relativamente libre,
entorno a los enlaces. Las interacciones internas (electrostáticas, enlaces de hidrógeno,
hidrófobas o enlaces bisulfuro) permiten comprender las estructuras secundaria y terciaria de
las proteínas.
Decía que en un polímero químico convencional el monómero ha perdido su verdadera
identidad. Esto no es así en un polímero supramolecular. Un ejemplo lo clarificará mejor. La
molécula que muestro a continuación está formada por dos residuos macho-hembra, esto es,
huésped-hospedador. En este caso, el hospedador es la β-ciclodextrina y el huésped el grupo
adamantilo. El producto se obtuvo por reacción de un derivado aminado de la β-ciclodextrina
con un cloruro de ácido del adamantano, originando el puente de unión amida, el mismo que
he comentado para las proteínas. En la figura de la derecha muestro una representación
esquemática del derivado. Si el mecanismo de machihembrado comentado para el LEGO
funciona en el ladrillo químico, la columna resultante sería la que recojo esquemáticamente en
la figura y que también puede modelarse con las manos. Debo remarcar que, como en el caso
del LEGO, la columna resultante mantiene la característica dual macho-hembra, huéspedhospedador.
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Ejemplo de molécula ladrillo
Grupo adamantilo
Puente de
unión: grupo
amida
Resultado
previsible del
ensamblaje de la
molécula ladrillo
O
NH
Residuo de β-ciclodextrina
Modelo manual de
machi-embrado
en un polímero
supramolecular
Columna o
polímero
supramolecular
Ahora bien, el engarce en el LEGO es de carácter mecánico pero ¿cuál es el engarce
en el LEGO químico? Obviamente la respuesta son las fuerzas intermoleculares de las que la
más importante es la formación de enlaces de hidrógeno al que le dedicaré una atención
especial un poco más tarde. Para comprender mejor el proceso de machihembrado químico
dedicaré unos minutos a analizar la estructura, propiedades y aplicaciones de la βciclodextrina.
Las ciclodextrinas son un grupo de moléculas naturales cíclicas constituidas por
unidades de glucopiranosa unidas por enlaces α (1,4). Se obtienen por degradación enzimática
del almidón, fueron descubiertas en 1891 por Villiers8 y los primeros detalles para su
preparación y separación fueron descritos por Schardinger9 en 1903. Las ciclodextrinas
naturales tienen 6, 7 u 8 unidades denominándose, respectivamente, α-, β- y γ-ciclodextrina10.
Aquí me centraré fundamentalmente en el derivado β. La figura muestra su estructura
troncocónica hueca y valor aceptado para el diámetro de la cavidad. Asimismo, debo destacar
que todos los grupos hidroxilo secundarios están situados en uno de los bordes del cono (parte
ancha) y todos los hidroxilo primarios en el otro (parte estrecha). El interior de la cavidad está
rodeada por los átomos de hidrógeno y los oxígenos glucosídicos, teniendo un fuerte carácter
hidrófobo. La estructura es bastante rígida como consecuencia de la formación de enlaces de
hidrógeno entre los grupos hidroxilo de unidades de glucopiranosa adyacentes.
8
Villiers, A. C. R. Acad. Sci. Paris, 1891, 112, 536.
Schardinger, F.; Unters, Z. Nahrungs-Genussmittel Gegrauchs-gegenstande, 1903, 6, 865.
10
Wenz, G. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1994, 33, 803.
9
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Cavidad hidrófoba
Cavidad y cinturón de hidroxilos
Secundarios
Formación de
un complejo
de inclusión
φ, β-CD
6,3 Å
Complejación
(ensamblaje)
+
Hospedador
(hembra)
Primarios
Huésped
(macho)
Complejo
Aplicaciones tecnológicas de las ciclodextrinas
! control de la solubilidad
! liberación controlada de sustancias
! extracción de componentes
! estabilización de sustancias frente al calor o la luz
! enmascaramiento de malos olores y sabores
! reducción de la volatilidad
! conducción de procesos químicos
! eliminación de turbidez en líquidos
Todas ellas operaciones importantes para las industrias farmacéutica, alimentaria, productos
de limpieza, química, agroquímica, conservación del medio ambiente...
Debido a su peculiar estructura cíclica hueca, las ciclodextrinas pueden hospedar
distintos compuestos formando complejos de inclusión cuya estequiometría más usual es 1:1.
La formación de estos complejos facilita, en algunos casos, la solubilización de sustancias
poco solubles en disolución acuosa, y en otros, por el contrario, la precipitación de algún
componente de una disolución o suspensión. La formación del complejo colesterol-βciclodextrina, que precipita en disolución acuosa, es un ejemplo del segundo tipo de casos.
Esta característica ha permitido utilizar la β-ciclodextrina en la extracción del colesterol de
alimentos como la mantequilla11.
En definitiva, esta peculiar característica de formar complejos de inclusión estables,
permite que las ciclodextrinas tengan multitud de aplicaciones en farmacología,
biotecnología, tecnología de alimentos, cosmética, química analítica, etc. Las fuerzas
intermoleculares que hacen posible que se forme el complejo son fuerzas de Coulomb, dipolodipolo, van der Waals, enlaces de hidrógeno, etc. que impiden la separación de los
componentes. Las moléculas incluidas están normalmente orientadas de modo que se alcance
el máximo contacto entre la parte hidrófoba de la molécula huésped y la cavidad de la
ciclodextrina apolar. Además la formación de un complejo de inclusión requiere de una
compatibilidad geométrica, esto es, las ciclodextrinas son capaces de formar complejos de
inclusión con componentes que tienen un tamaño comparable a las dimensiones de su
cavidad. En términos ebanísticos, la caja no puede tener un diámetro menor que la espiga. Al
11
Bayol, A.; Frankinet, J.; González, B.; Maffrand, J. P. EP 0-326-469-A1; Roderbourg, H.; Dalemans, D.;
Bouhon, R. EP 0-387-708-A1; Graille, J.; Pioch, D.; Serpelloni, M.; Mentink, L. EP 0-406-101-A1. Graille, J.;
Pioch, D.; Serpelloni, M.; Mentink, L. EP 0-408-411-A1. Montet, J. C.; Lindheimer, M. H.; Brun, B.; Frankinet,
J.; Molard, F.; EP 0-350-379-A1. Courregelongue, J.; Maffrand, J. P. EP )-256-911-A1. Oakenfull, D. G.; Sidhu,
G. S.; Rooney, M. L. AU-A-54768/90. Sirotech, AU-A-55112/90.
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tener distinto diámetro interno, la α- β- y γ son capaces de acomodar moléculas de distinto
tamaño. Por ejemplo, el naftaleno es demasiado voluminoso para la α-ciclodextrina y el
antraceno solo puede penetrar dentro de la γ-ciclodextrina. El ácido propiónico es compatible
con la α-ciclodextrina, pero no penetra satisfactoriamente en cavidades más grandes. La
formación de complejos con moléculas significativamente más grandes que la cavidad sólo es
posible si existen grupos o cadenas laterales que puedan penetrar en la cavidad de la
ciclodextrina.
La aplicación de las ciclodextrinas en la industria se debe principalmente al hecho de
que aumentan la estabilidad física y química (frente a la oxidación, descomposiciones
térmicas o fotoquímicas, etc.), la solubilidad, y biodisponibilidad de muchos compuestos,
permiten transformar los compuestos líquidos en formas cristalinas sólidas, permiten mezclar
dos compuestos incompatibles en una misma formulación, se reducen los efectos secundarios
no deseables, evitan malos sabores y olores, reducen la volatilidad de ciertos solutos (por
ejemplo, aromas), extraen componentes no deseados (como por ejemplo, colesterol de
mantequilla12), etc. Asimismo, la adición de ciclodextrinas o complejos apropiados pueden
modificar favorablemente propiedades físicas como retención de agua, estabilidad de una
emulsión, textura, etc.
Vista a lo largo del eje b
Columnas de polímero obtenidas
por el sistema de machi-embrado
Vista a lo largo del eje a
Ubicación de la
dimetilformamida
12
El método consiste básicamente en la licuación de la mantequilla a una temperatura cercana a los 60 ºC y la
adición de una disolución acuosa de ciclodextrina (1-10%, usualmente β-ciclodextrina). Se forma entonces un
precipitado (complejo colesterol-β-ciclodextrina) que se separa por centrifugación. Posteriomente la mantequilla
ha de ser reconstituida. Algunos ensayos realizados en nuestro laboratorio permitieron extraer hasta un 75% de
colesterol con una sola extracción. Variantes del proceso pueden verse en las distintas patentes reseñadas en el
pié de figura anterior. El proceso es tan simple que puede realizarse como práctica de laboratorio.
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Es hora de que vuelva a la columna química LEGO. En primer lugar se disolvió el
producto en la mínima cantidad posible de DMD y a continuación se recristalizó en agua. La
resolución del cristal13 ha permitido poner de manifiesto los siguientes hechos fundamentales:
1)
Obtención de un polímero supramolecular en forma de columna
como consecuencia del autoensamblaje del ladrillo básico, en el que
el grupo adamantilo (macho) se inserta en la cavidad de la
ciclodextrina (hembra) de una molécula adyacente, entrando por el
lado más amplio de la ciclodextrina,
2)
En el presente caso, la interacción huésped-hospedador es debida
a fuerzas de van der Waals,
3)
Entre el grupo adamantilo y la cavidad de la ciclodextrina se
ubica una molécula de DMF que apantalla el grupo hidrófobo
adamantilo de los grupos hidroxilo, hidrófilos, de la cara primaria. La
distancia entre átomos de nitrógeno de dos moléculas de DMF
equivalentes en la misma columna es de 17,650 Å. La mitad de este
valor es lógicamente un poco mayor que la altura aceptada para el
cono truncado de la ciclodextrina (7,9 Å)14, y
4)
En la cavidad de la ciclodextrina no existe ninguna molécula de
agua, estando todas ellas ubicadas en el espacio existente entre las
columnas de polímero.
En definitiva el sistema LEGO también funciona en química.
En el catálogo LEGO no se ofertan piezas macho-macho ni hembra-hembra, a pesar de
que con ellas se podrían obtener los mismos ensamblajes y por lo tanto las mismas estructuras
finales. La razón parece obvia por cuanto que ello obligaría a LEGO a disponer de dos tipos
de piezas que en realidad cuando se ensamblan se transforman en un montaje con terminales
macho-hembra. Así que no merece la pena multiplicar el número de piezas básicas de un
modo innecesario.
13
V. H. Soto Tellini, A. Jover, L. Galantini, F. Meijide y J. Vázquez Tato “Crystal structure of the
supramolecular linear polymer formed by the self-assembly of mono-6-deoxy-6-adamantylamide-βcyclodextrin”, Steroids 2004, 69, 379.
14
W. Saenger, J. Jacob, K. Gessler, T. Steiner, D. Hoffmann, H. Sanbe, K. Koizumi, S. M. Smith y T. Takaha.
Chem. Rev. 1998, 98, 1787.
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Ensamblaje LEGO de una pieza doble-macho con una doble-hembra
Resultado: una pieza
macho-hembra
+
O
Obtención de un monómero héterodual a
partir de dos monómeros homoduales
O
HOC-(CH2)4C-OH + H2N(CH2)6NH2
O
O
HOC-(CH2)4C-NH(CH2)4NH2 + H2O
Obtención del nylon a partir de dos monómeros poliduales
O
O
O
n HOC-(CH2)4C-OH + nH2N(CH2)6NH2
O
+ 2nH2O
HNC-(CH2)4C-NH(CH2)4
n
El balance estequiométrico entre monómeros debe ser perfecto: Si uno de los
dos reactivos está en exceso un 2% (con un rendimiento de la reacción del 98%),
el peso molecular del polímero se reduce en un 33%.
Pero en Química Supramolecular las piezas duales huésped-huésped y hembra-hembra
pueden ofrecer ventajas. En primer lugar, en este tipo de piezas, al ser idénticas las dos
posiciones de ensamblaje, los acoplamientos por uno u otro lado son indistinguibles. La
consecuencia es una simplificación15 elevada de las ecuaciones definitorias de los equilibrios
químicos implicados. En segundo lugar, la síntesis de especies simétricas es mucho más fácil
que la de especies asimétricas, entre otras razones, por la ausencia de selectividades
específicas. La obtención del polímero molecular nylon-6,6 a partir de la hexametilendiamina
y el ácido adípico es un ejemplo de este tipo de situaciones ya que el polímero se obtiene por
reacción de dos especies homoduales16 macho-macho y hembra-hembra. Merece la pena
destacar que, como en el caso del LEGO, después de una monoadición, convertimos al
oligómero en un aminoácido o especie heterodual (macho-hembra). En cualquier caso,
también pueden aparecer problemas. Así, si la relación estequiométrica entre ambos tipos de
monómeros no es perfecta, el tamaño o peso molecular del polímero resultante baja
drásticamente17.
En lo que se refiere a la Química Supramolecular en la figura muestro un esquema
indicativo de la obtención de un polímero supramolecular lineal al utilizar dos monómeros
homoduales con funciones complementarias. El grupo de investigación que tengo el honor de
dirigir tiene amplia experiencia en la síntesis de diversos monómeros homoduales que
posteriormente son complejados con dímeros de ciclodextrina. Aquí, y por semejanza con la
15
K. A. Connors, D. D. Pendergast. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 7607.
En este contexto monómero heterodual, se refiere a un monómero que tiene dos funciones diferentes y
complementables (por ejemplo, un aminoácido), mientras que monómero homodual es aquel monómero que
tiene dos funciones idénticas (por ejemplo, una diamina o un diácido como el adípico).
17
J. K. Stille, J. Chem. Educ. 1981, 58, 862.
16
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Química Supramolecular
molécula macho-hembra ya estudiada nos limitamos a reflejar un dímero de adamantano
perfectamente soluble en agua. Su imaginación puede hacer el resto. Sin embargo, para
ayudarla les mostraré algunos de los polímeros lineales ya publicados con una especie natural,
no sintética pero dual (o ditópica) como el desoxicolato sódico. Es una especie dual porque
forma con monómeros de β-ciclodextrina complejos de estequiometría 1:218. Ya no les
sorprenderá el hecho de que con dímeros de ciclodextrina forme polímeros supramoleculares
lineales19.
Esquema de síntesis de obtención de monómeros monoduales y
ensamblaje de los mismos
Síntesis
monómero homodual
doble-huésped (-macho)
Monómero monodual
derivado del adamantano
(doble huésped)
O
O
HO
monómero
homodual
doble-hospedador
(-hembra)
Síntesis
Complejación
N
OH
N
O
O
NH
HN
Ensamblaje
polímero supramolecular lineal
Decía que con las unidades 1×1 de LEGO sólo se pueden construir columnas
monodimensionales, o lo que es lo mismo, para ejecutar diseños bi- y tridimensionales
necesitamos recurrir a piezas m×n con m o n mayores que 1. Algún fan del LEGO afirma que
la mejor pieza es la 1×3. En Química Supramolecular, para obtener estructuras no lineales, es
necesario disponer de oligómeros de orden superior al dímero. Un trímero es más que
suficiente. Un simple análisis predictivo de la estructura que puede originar un trímero
homohembra con un dímero macho conduce a la formación de los denominados árboles de
Cayley. Así que, puestos manos a la obra, en el seno del grupo se sintetizó un trímero de
ciclodextrina y como huésped ditópico se consideró que el propio desoxicolato sódico, que
tan buenos resultados había proporcionado anteriormente, podría ser una elección suficiente.
18
P. Ramos Cabrer, E. Alvarez-Parrilla, W. Al-Soufi, F. Meijide, E. Rodríguez Núñez, J. Vázquez Tato.
Supramol. Chem. 2003, 15, 33.
19
a) P. Ramos Cabrer, E. Alvarez-Parrilla, F. Meijide, J.A. Seijas, E. Rodríguez Núñez, J. Vázquez Tato.
Langmuir, 1999, 15, 5489; b) E. Alvarez Parrilla, P. Ramos Cabrer, A.P. Singh, W. Al-Soufi, F. Meijide, E.
Rodríguez Núñez, J. Vázquez Tato. Supramol. Chem., 2002, 14, 397.
55
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El resultado obtenido fueron las estructuras fractales que se muestran en la fotografía de la
figura que sugieren la obtención del árbol de Cayley20.
Complejación del desoxicolato
sódico por β-ciclodextrina
HO
Arbol de Cayley
CO2-
+NaDC
NH
O
O
HO
Supramol Chem 2003, 15, 33
NH
HN
O
Polímeros supramoleculares
HN
O
O
Df 1,48
NH
HO
CO2-
HO
HN
O
O
25 µ
NH
HO
CO2-
Df 1,58
HO
HN
O
O
NH
Supramol Chem 2002, 14, 397
Langmuir 1999, 15, 5489
Estructuras
fractales
Df: dimensión fractal
Angew Chem Int Ed 2000, 39, 2856
La característica esencial del LEGO, que lo distingue de otros juegos, es el hecho de
que sus piezas, excluidas las específicas, tienen validez universal, esto es, pueden ser
utilizadas en la construcción de cualquier objeto, independiente de su forma y estructura final.
¿Está esta característica presente en la Química Supramolecular? Adelanto el sí como
respuesta pero antes de comentar algún ejemplo es necesario que diga algunas breves palabras
sobre el enlace de hidrógeno como fuerza intermolecular que es de importancia trascendental.
El enlace de hidrógeno es posiblemente la fuerza intermolecular de mayor
importancia. Puede ser considerado como un caso especial de interacción dipolo-dipolo que
aparece entre grupos funcionales D-H y A cuando D y A son átomos muy electronegativos
(N, O, F, Cl). Al átomo o grupo D, al cual, está unido covalentemente el átomo de hidrógeno
se le denomina donante mientras que al A se le conoce como aceptor. La distancia típica entre
donante y aceptor está comprendida entre 2,8 y 3,1 Å y su energía de enlace es
aproximadamente 20 kJ/mol, es decir, del orden de la vigésima parte de la energía del enlace
covalente oxígeno-hidrógeno. Se introdujo en 1920 para describir la estructura interna del
agua. En el hielo cada átomo de oxígeno interviene en la formación de cuatro enlaces de
hidrógeno, haciéndolo en dos como donante y en los otros dos como aceptor. A medida que la
temperatura aumenta el número de enlaces de hidrógeno promedio por molécula de agua
desciende y así, a 10ºC el promedio es 2,3. Los enlaces de hidrógeno se forman y rompen
20
E. Alvarez Parrilla, P. Ramos cabrer, W. Al-Soufi, F. Meijide, E. Rodríguez Núñez, J. Vázquez Tato, Angew.
Chem. Int. Ed., 2000, 39, 2856.
56
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continuamente y en agua el tiempo de vida de los mismos es aproximadamente 9,5 ps. Es el
responsable fundamental de la estructura secundaria (α-hélice o β-laminar) de las proteínas.
Para nuestros propósitos la característica fundamental del enlace de hidrógeno es su
direccionalidad muy útil para diseño de arquitecturas supramoleculares.
Las fuerzas intermoleculares son fuerzas atractivas
entre moléculas
Enlace de hidrógeno
Es un caso especial de interacción dipolo-dipolo que
aparece entre grupos funcionales D-H y A cuando D
y A son átomos muy electronegativos (N, O, F, Cl...)
q-
D
H
donante
q+
q-
El hidrógeno unido al donante
(enlace covalente), interacciona
fuertemente con el aceptor.
A
aceptor
Distancia de enlace (2,8-3,1 Å)
Energía del enlace: ≈20 kJ/mol (≈ 1/20 del enlace covalente O-H)
Se introdujo en 1920 para describir
la estructura
Structure
of Water interna del agua
Es responsable fundamental de la
estructura secundaria de las proteínas
β-laminar
En el hielo:
4 EH / H2O
α-hélice
A 10ºC:
sólo quedan 2,3
ice
hielo
•Estas estructuras se deben a la formación de
enlaces de hidrógeno entre el -C=O y el -NH-.
El promedio de
vida de un EH
es 9,5 ps
Carácter direccional : muy útil para diseño
de arquitecturas supramoleculares
Para ilustrar la intercambiabilidad de las piezas y, al mismo tiempo, destacar el papel
del enlace de hidrógeno debo comentar los trabajos de diversos autores en los que se forman
algunos hexámeros cíclicos. La figura adjunta muestra un ejemplo en el que se incorpora la
secuencia aceptor-aceptor-donante de la citosina y la secuencia complementaria donantedonante-aceptor de la guanina, orientadas mutuamente a 120º. Entre paréntesis en la
nomenclatura de las secuencias anteriores podría sustituirse donante por macho y aceptor por
hembra. La estructura fue determinada por R-X21 y se mantiene unida gracias a los 18 enlaces
de hidrógeno formados. En cualquier caso, debo hacer notar que ninguna de las secuencias es
100% donante ni 100% aceptora lo que permite un recocimiento entre las moléculas más
seguro.
Enlace de hidrógeno (EH) y ensamblaje
O
H
H
O
HN
H
N
H3C(H2C)6
H
N
H
O
N
H
N
O
H
N
HN
N
H3C(H2C)6
H
21
N
H
(CH2)6CH3
H
N
O
H
N
H
N
H
H
O
H
O
N
H
H
N
O
N
N
H
H
N
O
H
H
N
N
H
H
O
H
H
N
H
N
N
N
N
H
Donante EH
N
N
N
H
H
H
R
Aceptor EH
O
H
H
(CH2)6CH3
N
NH
N
H
O
N
H
N
N
NH
O
18 EH
H
N
H
(CH2)6CH3
H
O
H
(CH2)6CH3
M. Mascal, H. M. Hest, R. Warmuth, M. H. Moore, J. P. Turkenburg. Angew. Chem. Int. Ed. 1996, 35, 2204.
57
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Con variantes mínimas la misma unidad básica ensamblante ha sido utilizada para la
formación de nanotubos. En la figura observamos de nuevo la formación de un rosetón de seis
unidades con 18 enlaces de hidrógeno22. Los rosetones se apilan formando un nanotubo con
doce canales periféricos (formados por los éteres corona, sobre los que volveremos más
adelante) que pueden servir como canales de iones. El diámetro interior del rosetón es de 11
Å. La estructura del tubo se mantiene por las interacciones electrostáticas, hidrófobas y de
apilamiento. Como el aumento de la temperatura conduce a la formación de tubos más largos,
el proceso de auto-ensamblaje es entrópicamente favorable, aspecto bastante general en el
ensamblaje.
Nanotubos de rosetones
Rosetón formado por un
macrociclo de seis unidades
Diámetro interior 11 Å;
Longitud: varios micrómetros
El tercer ejemplo es, sin duda, el más conocido de todos: hablo del DNA. Como es
bien conocido su estructura fue propuesta por Watson y Crick, y permítanme que resalte la
contribución, no reconocida en un primer momento, de Rosalind Franklin. Menos conocido es
el hecho, según historia apócrifa, de que antes de que propusieran la estructura en doble
hélice, habían visitado las escaleras de Santo Domingo de Bonaval. Algunas de las imágenes
aquí presentadas pueden verse en movimiento en la página web que se indica y que
recomiendo visita23r. En cualquier libro de texto de Bioquímica aparecen indefectiblemente
los enlaces de hidrógeno entre la timina y la adenina y entre la citosina y la guanina.
22
23
H. Fenniri, B.-L. Deng, A. E. Ribbe, K. Hallenga, J. Jacob, P. Thiyagarajan. PNAS 2002, 99, 6487.
http://www.ehu.es/biomoleculas/AN/an4-1.htm
58
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DNA
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S. Domingo
de Bonaval
Esqueleto
desoxiribosafosfato
Crick
Enlaces de
hidrógeno
Repulsión
electrostática
Bases
nitrogenadas
Watson
Rosalind
Franklin
A: adenina
G: guanina
C: citosina
T: timina
Exterior
hidrófilo
Interior
hidrófobo
http://www.ehu.es/biomoleculas/AN/an4-1.htm
Imagen de difracción
de rayos X del DNA
10,85 Å
H
N H
N
Rd
O
2,92 Å
N H
N
N
10,85 Å
2,84 Å
O
N
Rd
2,91 Å
N
N
N
H N
O
dR
N
Me
N
2,84 Å H
G-C
N H
H
dR
N
H N
O
Me
2,82 Å
A-T
Aquí me limitaré a reseñar los hechos fundamentales de la estructura del DNA, que
por otra parte son bien conocidos:
•
Las dos cadenas están enrolladas una alrededor de la otra formando una doble cadena
helicoidal girando en torno a un eje imaginario. Ambas cadenas se mantienen
equidistantes a 11 Å una de la otra.
•
La esqueleto helicoidal de la parte exterior de la molécula está formado por una secuencia
alternante de desoxirribosa y fosfato, unidos por enlaces fosfodiéster 5'-3'.
•
Las cadenas están unidas entre sí mediante pares de bases que se dirigen desde cada
cadena al eje central imaginario. Las bases de cada par están en el mismo plano, el cual es
perpendicular al eje de la hélice. La adenina se empareja siempre con la timina mediante
dos enlaces de hidrógeno, mientras que la citosina se empareja siempre con la guanina por
medio de 3 enlaces de hidrógeno. Debido a este reconocimiento molecular mutuo, las
secuencias de bases de ambas cadenas son complementarias. Esta es básicamente las
interacciones o piezas que he mostrado en los ejemplos anteriores.
•
Los pares de bases presentan una rotación de 36º con respecto al par adyacente, de forma
que hay 10 pares de bases por cada vuelta de la hélice, dato particularmente interesante
para lo que mostraré a continuación.
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Giro de la hélice erróneo
Necesidad de un eje central soporte
Versión sin columna central
- Sentido de giro correcto
- 10 pares de bases por vuelta
completa de la hélice
He dicho que en el DNA real las dos cadenas están enrolladas en torno a un eje
imaginario. En una primera versión del DNA, Harshbarger necesitó un eje físico que sirviese
de soporte estructural de la doble hélice. La hélice tiene un diámetro de 64 “LEGO bricks” y
1,20 m de altura. Las cadenas laterales (azules) tienen una altura de tres unidades. Cada base
está identificada por un color diferente: amarillo, verde, roja y naranja. Debo hacer notar que
hay un fallo de construcción: el sentido de giro de la hélice es inverso al correcto. Sin
embargo, Harshbarger, a requerimiento de un editor de una revista de genética que la deseaba
para ilustrar una portada, construyó una nueva versión que no necesita la columna vertical
para mantenerse erguida. De este modelo merece la pena que destaque que tiene “10,5 pares
de bases por una vuelta completa de la hélice”. Según el propio autor “¡no lo había
planificado!”.
Antes de continuar me gustaría comentar aquí que muy recientemente ha sido
publicada24 una doble hélice de DNA con una espiral que es un 20% más ancha que la natural.
Ello se consiguió gracias a la adición de un anillo bencénico a la adenina (A) y a la timina (T)
resultando bases expandidas xA y xT. Los autores han encontrado que estas bases extendidas
se hibridan con las naturales originando el DNA expandido o xDNA. La figura adjunta es
autoexplicativa. Las dobles hélices de xDNA son más estables termodinámicamente que el
DNA natural lo que ha sido atribuido a las interacciones de apilamiento o interacciones π-π
24
H. Liu, J. Gao, S.R. Lynch, Y.D. Saito, L. Mard, E.T. Kool, Science 2003, 302, 868.
60
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entre los anillos aromáticos, es decir, el mismo tipo de interacciones que aparecen en el
grafito y que explican la estructura cristalina en forma de espina de pescado del benceno.
Como las nuevas bases son fluorescentes podrán ser utilizadas para marcar y observar el
DNA.
Interacciones π-π
π
xDNA
H. Liu, J. Gao, S. R. Lynch, Y. D. Saito, L.
Mard, E. T. Kool, Science 2003, 302, 868.
Son interacciones que aparecen entre
moléculas que tienen anillos aromáticos.
Apilamiento de
las bases.
Interacciones π-π
π
Benceno cristalino
Estructura del grafito
Estructura en espina
La capacidad del DNA para formar estructuras supramoleculares es casi ilimitada.
Veamos algunos ejemplos. Siguiendo a Seeman25, a la hora de hacer nanoconstrucciones, el
DNA tiene una serie de ventajas sobre otros sofisticados diseños ensamblables. 1) El
ensamblaje en el DNA se reduce a la simple regla A con T y G con C, como ya he comentado,
2) Se puede disponer de cualquier secuencia arbitraria, 3) El DNA puede ser manipulado y
modificado gracias a una gran batería de enzimas incluyendo DNA-ligasa, exonucleasas y
endonucleasas de restricción, y 4) De una tres vueltas la doble hélice es un polímero rígido y
estable, y tiene un código externo que puede ser leído por proteínas y ácidos nucleicos.
Para comprender alguno de estos diseños es necesario conocer en primer lugar la
unión Holliday que es posiblemente el intermedio de DNA más importante en la
recombinación genética ya que está implicada en la recombinación específica local y
probablemente en la recombinación homóloga. En la figura recojo un ejemplo de unión
25
N.C. Seeman, H. Wang, X. Yang, F. Liu, C. Mao, W. Sun, L. Wenzler, Z. Shen, R. Sha, H. Yan, M.H. Wong,
P. Sa-Ardyen, B. Liu, H. Qiu, X. Li, J. Qi, S.M. Du, Y. Zhang, J.E. Mueller, T.-J. Fu, Y. Wang, J. Chen. New
Motifs In DNA Nanotechnology. Fifth Foresight Conference on Molecular Nanotechnology.
http://www.islandone.org/Foresight/Conferences/MNT05/Papers/Seeman/index.html
61
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Holliday que muestra que los parámetros geométricos de la misma son perfectamente
conocidos26. Esta unión consiste en cuatro cadenas de DNA emparejadas en cuatro ramales de
dobles hélices en torno a un punto de ramificación. Si en el entorno del punto de ramificación,
las cadenas tienen una secuencia simétrica, entonces puede ocurrir la relocalización del punto,
fenómeno que se denomina migración ramal. La mayoría de la información acerca de los
puntos de unión ramificados procede de estudios de uniones ramificadas de DNA
inmovilizadas constituidas por complejos de cuatro cadenas en las que se ha eliminado la
secuencia simétrica. Ello fija el punto. La figura27 muestra en movimiento cómo ocurre esta
migración ramal. Es claro que una imagen vale más que mil palabras.
Unión Holliday
DN Gopaul, F Guo, GD van Duyne, EMBO J. 1998, 17, 4175
Consiste en cuatro cadenas de DNA
emparejadas en cuatro ramales de dobles
hélices en torno a un punto de ramificación.
Es el intermedio de DNA más importante en la
recombinación genética
Migración ramal:
relocalización del punto
http://engels.genetics.wisc.edu/Holliday/index.html
http://www.sdsc.edu/journals/mbb/ruva.html
A partir de la unión Holliday se pueden construir redes. Obviamente, es necesario que
las terminales de cada cadena tengan complementariedad entre las bases (indicado mediante
la utilización de la misma letra con o sin comilla) y el cierre de las uniones se consigue
mediante una DNA-ligasa. Como las terminales de las uniones mantienen siempre las
valencia abiertas, la estructura se puede extender mono- y bidimensionalmente por adición de
más monómeros.
26
27
D.N. Gopaul, F. Guo, G.D. van Duyne, EMBO J. 1998, 17, 4175.
http://www.sdsc.edu/journals/mbb/ruva.html http://engels.genetics.wisc.edu/Holliday/index.html
62
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Formación de un red
Unión Holliday
Para el crecimiento de la estructura
las terminales de cada cadena han
de tener complementariedad
La unión (covalente) se
hace mediante DNA-ligasa
Ensamblaje 1-D
Ensamblaje 2-D
Al utilizar DNA doblemente entrecruzado, conocido simplemente como DX y que
corresponde a pares de uniones ramificadas de cuatro brazos que han sido ligadas a dos brazos
adyacentes, Seeman ha podido conseguir nuevos diseños. Aunque puede sorprender, existen
únicamente cinco isómeros posibles, de los que tres tienen dominios paralelos (y que son
relevantes en procesos biológicos) y dos son antiparelos, mucho más estables en sistemas con
poca separación entre los entrecruzamientos. En la figura recojo estos cinco dominios. A
partir de los mismos se pueden conseguir estructuras más complejas (véanse el esquema y
fotografía de la figura). Seeman también ha desarrollado ensamblajes con moléculas de DNA
triplemente entrecruzadas aunque de las mismas no muestro ningún ejemplo.
Isómeros de moléculas de DNA doble-entrecruzadas
http://seemanlab4.chem.nyu.edu/homepage.html
Flechas(externas) o puntos: indican simetría
D:doble-entrecruzadas. A: antiparalelo; P:Paralelo: orientación
relativa de los dos dominios de las dobles hélices. E (even): par;
O (odd): impar: Nº de medias vueltas entre los cruces
N
W
Cuarta letra: describe moléculas entrecruzadas paralelas con un
nº impar de medias vueltas entre los cruces. La media vuelta
extra puede corresponder a separación mayor (wide, W) o menor
(narrow, N).
Estructuras derivadas
A y B* son dos moléculas derivadas del DNA que
pueden interaccionar a través de sus extremos
complementarios (y engarzables).
4 nm
2 nm
16 nm
En disolución originan formaciones bidimensionales
a través de enlaces de hidrógeno. La separación
entre los engarces (rayas) es aprox. 32 nm.
cientos
de nm
33nm
Varias µm
63
El * indica que B
contiene engarces
que se proyectan
fuera del plano de
las hélices.
Actúan como
marcadores en la
técnica AFM
(atomic force
microscopy).
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Química Supramolecular
Para terminar con el capítulo del DNA mostraré las topologías que Seeman ha
conseguido con una única cadena. Pueden ser cuatro: círculo, trébol con nudos negativos,
ocho y trébol con nudos positivos.
Topologías de una sola cadena de DNA
Una cadena puede originar cuatro estados topológicos
dependiendo de las condiciones de unión.
B-DNA
[-]
Nudo [-]
Nudo [+]
CIRCULO
Z-DNA
TREBOL [-]
[+]
Esqueleto
en zig-zag
UNA
CADENA
OCHO
Mano derecha Mano izquierda
TREBOL [+]
Trébol
Existen dos tipos de nudos: positivos y negativos. El DNA natural, denominado BDNA es una molécula con hélices que giran a derechas (como los tornillos). Los
entrecruzamientos de las dos cadenas generan nudos negativos. Existe otra forma de DNA,
denominado Z-DNA, cuya hélice gira a izquierdas por lo que sus nudos son positivos.
Aunque, desde un punto de vista topológico el B-DNA y el Z-DNA son imágenes
especulares, en la realidad tridimensional esto no es así porque este último tiene una
estructura en zig-zag. El B-DNA puede sufrir una transformación B → Z y originar Z-DNA
La tendencia de un segmento de DNA a sufrir una transformación B → Z depende de dos
variables: secuencia de dinucleótidos y modificación de las bases (por ejemplo introduciendo
un grupo metilo en la posición 5 de la citosina). La figura adjunta muestra una molécula con
dos pares de dominios, cada uno de ellos conteniendo un giro completo de la doble hélice.
Cada uno de estos cuatro dominios (o regiones complementarias) es capaz de sufrir la
transición B → Z, aunque uno de ellos la experimenta con mayor facilidad. Así:
1) A baja fuerza iónica: ninguno de los dominios forma dobles hélices resultando
topología del círculo.
64
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2) A mayor fuerza iónica, ambos dominios forman B-DNA, resultando el trébol con
nodos negativos. ¿Cómo no? ¡también tenemos el trébol en LEGO!
3) En condiciones medias de promoción Z, el dominio más sensible se convierte en
Z-DNA, resultando el ocho.
4) Finalmente, en condiciones más vigorosas de promoción Z, el segundo dominio
también se convierte en Z-DNA, y origina el trébol con nodos positivos.
La interconversión entre las distintas topologías está catalizada por DNATopoisomerasas I y III.
Es interesante, en relación con lo que decía al principio de la conferencia, lo que
Seeman recuerda de los intentos de publicar sus primeros trabajos hace aproximadamente
veinte años. Al utilizar el DNA como una herramienta química, los revisores o editores de las
revistas indefectiblemente preguntaban ¿dónde está la genética? y no publicaban sus trabajos.
Eran demasiado novedosos. Pasaré ahora a otro capítulo.
Ruedas y ejes
http://www.lego.com/eng
Conexiones
Motor
Neumática
Unidad energética
Para la construcción de objetos temáticos o específicos, LEGO dispone de un catálogo
ampliamente surtido comprendiendo piezas técnicas como ruedas, ejes, engranajes, motores,
fuentes de energía, neumática, etc.28 ¿Qué nos ofrece la química supramolecular en este
terreno?.
28
Figuras tomadas de la página web de LOGO: http://www.lego.com/eng/
65
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Química Supramolecular
Para contestar a esta pregunta tengo que retroceder a los años 60 y observar el trabajo
de Pedersen29, a quien por cierto, no le gustaba escribir trabajos científicos. En su
trascendental trabajo que consta de veinte páginas describe la síntesis, identificación,
estructura y propiedades de 33 poliéteres cíclicos a los que denominó éteres corona.
Asimismo describe la preparación de complejos estables entre estos éteres y cationes como
Li+, Na+ y otros. Por lo tanto, el éter juega el papel de hospedador o hembra y el catión el de
huésped o macho. Está universalmente reconocido que el trabajo de Pedersen es uno de los
pilares iniciales de la Química Supramolecular. Pedersen compartió el premio Nobel de
Química de 1987 con Donald J. Cram y Jean-Marie Lehn. Su descubrimiento fue serendípico,
esto es por casualidad. El propio Pedersen lo describe así:
“Mi descubrimiento tuvo mucho de casual. Realizando una reacción, observé la
aparición de un subproducto blanco, fibroso y cristalino. Una vez que lo aislé, observé
que este material era capaz de combinarse con sales inorgánicas como el NaCl y el
KCl, haciendo que fuesen solubles en líquidos orgánicos en una forma que antes no
había sido posible. Después fui capaz de obtener el producto intencionadamente y
diseñar una síntesis sistemática. Se trataba de un poliéter cíclico que al combinarse
con la sal inorgánica formaba un complejo en el que el éter cíclico se coloca alrededor
del catión metálico de la sal. ¡Fue claramente un descubrimiento serendípico!” .
Lo importante del caso es que el rendimiento de este producto secundario era tan sólo
el 0,4%, un nivel de impurezas al que se exige hoy día a un reactivo comercial de calidad.
P
e
d
e
r
s
e
n
Eteres corona
OH
2
O
+ 2
OH
H+
Et2O
NaOH
n-BuOH
O
O
O
2
1
OH
Cl
Cl
O
O
O
O
O
O
O
O
+
H /MeOH
n-BuOH
OH
O
HO
O
+
O
O
O
2
O
O
O
3
Partiendo del producto 1 Pedersen esperaba obtener el producto 2 pero estaba impurificado
con catecol desprotegido y obtuvo un 0,4 % de 3. El producto 3 con KMnO4 da un color púrpura
en benceno o cloroformo
Muralla romana de Lugo
29
C.J. Pedersen “Cyclic poliethers and their complexes with metal salts”, J. Am. Chem. Soc., 1967, 89, 7017.
66
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La denominación de los nuevos compuestos como éteres corona supuso una
simplificación enorme en la denominación de estos compuestos, no extrañándome que, como
Pedersen confiesa, tuviese dificultades para recordarlos. Así el nombre sistemático del primer
éter corona que descubrió, cuya imagen tenemos en la figura, es: ¡2,3,11,12-dibenzo1,4,7,10,13,16-hexaoxacyclooctadeca-2,11-dieno! Lo que nunca confesó Pedersen ¡es que
había estado en Lugo y observado la ciudad rodeada por la Muralla!.
Entre las aplicaciones de su descubrimiento puedo citar rápidamente: mejora de la
reactividad química en reacciones de sustitución nucleófica, eliminación, oxidación,
hidrólisis, etc., obtención de aniones desnudos (con lo cual se aumenta su reactividad),
extracción selectiva de iones, aplicaciones biológicas dado que pueden actuar como canales
sintéticos de cationes para atravesar membranas biológicas (recordando en este sentido a
ionóforos naturales como nonactina y valinomicina que son capaces de incorporar Na+, K+,
en su interior y transportarlos a través de membranas), análisis químico, etc.
En la figura muestro dos ejemplos de las últimas aplicaciones citadas. Así, el
[21]corona-7 L-fenilalanina se incorpora a un péptido α-hélice de 21 aminoácidos y 15
residuos hidrófobos de L-leucina30. Los residuos del éter corona están ubicados en la cadena
de modo tal que pueden alinearse para formar un canal. El canal fue incorporado a una bicapa
lipídica sintética y se demostró que los iones la atravesaban. El éter corona fue elegido de
modo tal que no formase complejos fuertes con el K+ (lo que sí ocurriría con el [18]corona-6)
y así evitar el bloqueo del canal.
Canales sintéticos para cationes
para atravesar membranas
biológicas
O
Ionóferos naturales
* O
*
O
O
*
O
O
HN
H
O
* *
O
O
*
N
H O
*
*
O
O
*
HN
O
*
*
NH
O
O
*
*
O
*
O *
*
NH
O
*
HN
O
*
O
*
O
H
N
O
*
O
*
O
valinomicina
Problema
Medir K+ en presencia de
grandes cantidades de Na+.
O
O
O
O
N
N
O
K+
O
*
O
O
O
nonactina
O
O
* O
* O O
* * O *
O
O
O
O
*
En presencia de K+ el
grupo cromóforo del
criptando adjunto,
fluoresce con una
intensidad proporcional a
la concentración de K+.
O
O
O
Concentraciones de Na+ (145mM)
no afectan el análisis.
30
OR
O
N. Voyer, Preparation of supramolecular devices using peptide synthesis: design and synthesis of a tubular
hexa-crown molecule, J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 1818.
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+
El segundo de los ejemplos se refiere al problema de medir K en presencia de grandes
+
cantidades de Na . El problema puede resolverse gracias al criptando adjunto cuyo grupo
+
cromóforo fluoresce con una intensidad proporcional a la concentración de K . Además,
+
concentraciones de Na hasta 145 mM no afectan el análisis. Una de sus aplicaciones
+
concretas se refiere a la determinación de K en sangre para lo cual se fija la molécula a un
polímero que permite la construcción de un dispositivo que, de un modo continuo, determina
+
el K en sangre31. En el párrafo anterior he utilizado la palabra criptando. Y es que el
descubrimiento de Pedersen desencadenó la obtención de toda una cascada de nuevos
contenedores de iones y complejos, algunos de los cuales tienen denominaciones que
servirían como títulos de películas de terror: esferandos, criptandos, sepulcrandos,
sarcofaguina, calixarenos, sideróforos, etc. En el diseño de los nuevos compuestos se buscaba,
entre otros aspectos, que la constante de equilibrio fuese cada vez mayor, eliminando efectos
entrópicos desfavorables y una menor reorganización de la estructura del receptor o, recuerdo,
hembra. Entre los valores más altos figura la complejación de Ag+ por oxaza-éteres corona ya
que en agua el logaritmo decimal de la constante es 7,80. Ello se debe a que la existencia de
heteroátomos donantes más blandos aumenta, de acuerdo con el principio HSAB, la afinidad
de la corona por los metales de transición.
Esferandos
Influencia del heteroátomo
Me
O
Log K
O
O
Ag+
O
O
O
O
N
H
O
H
N
1,60
7,80
Ligandos
preorganizados
Me
O
O
O
Me
Me
O
O
O
Me
Me
O
O
Catión
Li+
Na+
Log K
>7×1016 1,2 × 1014
CDCl3
La complejación de cationes por esferandos permitió aumentar el valor de la constante
de equilibrio en varios órdenes de magnitud. Así la constante de equilibrio de formación del
complejo de Li+ con el esferando de la figura supera el valor de 1016 mol.dm-3. Este hecho es
consecuencia de que el ligando (hembra) está preorganizado, es decir, no necesita
reordenamiento para complejar el catión o, en otros términos, alojar al macho. El ligando es
además rígido para evitar que autorrellene la cavidad.
31
J.E. Trend, C.A. Kipke, M. Rossmann, M. Yafuso, S.L. Patil, 1993, US patent 5,474,743.
68
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Sin embargo, estos valores no son nada al compararlos con algunas constantes de
complejación del hierro por sideróforos. El hierro es un elemento esencial para la vida. Sin
embargo, para las bacterias y los hongos es muy difícil de obtener debido a que la hidrólisis
del hierro (III) limita su concentración a un valor tan bajo como 10-18 mol.dm-3 a pH 732. Para
atraparlo estos microorganismos producen agentes complejantes denominados sideróforos.
Así, la Enterobactina, una bacteria siderófora, forma complejos extremadamente estables con
el hierro (III) ya que la constante de equilibrio para el complejo que mostramos en la figura
alcanza el estimable valor de 1052 mol.dm-3. El triéster cíclico porta tres catecoles (ligados vía,
como no, enlaces amida) que forman una configuración ∆ en torno al metal. Una vez dentro
de la bacteria, un enzima rompe el esqueleto de la enterobactina y libera el hierro.
¿Puede conseguirse un valor todavía más alto? Esta pregunta retórica tiene la obvia
respuesta afirmativa. Pero antes de mostrarla tengo que volver a hacer un paréntesis y hablar
de los metalfulerenos endohédricos33.
Sideróforos
3+
OH
HO
OH
O
HN
OH
O
O
Fe(III)
O
HN
O
O
enterobactina
O
O
O
O
OHN O
O
O
NHO O
O
NH
O
Κeq=1052 M
HO
O
O
O
HN
O
O
Fe
O
HO
El buckminsterfulereno (nombre original) o fulereno C60 es una molécula constituida
por sesenta átomos de carbono. Es esférica y está formada por doce pentágonos y veinte
hexágonos. Cada átomo de carbono ocupa un vértice y se une a otros tres átomos, lo que
origina una molécula con un elevado grado de simetría. Es una tercera forma alotrópica del
carbono (las otras son el grafito y el diamante), descubierta en 1985 por los premios Nobel de
Química H. W. Kroto, R. F. Curl y R. E. Smalley34. Su estructura recuerda un balón de fútbol,
una piedra del neolítico o las obras de marquetería de Giovanni. Su nombre original
constituye un homenaje al arquitecto Richard Buckminister Fuller quien desarrolló la
32
P.D. Beer, P.A. Gale, D.K. Smith, Supramolecular Chemistry, Oxford Science Publications. Oxford, 1999.
H. Shinohara, Rep. Prog. Phys. 2000, 63, 843.
34
H.W. Kroto, R.F. Curl, R. E. Smalley. C60: buckminsterfullerene. Nature, 1985, 318, 162.
33
69
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estructura del domus geodésico. En la actualidad existen otros fulerenos (C70, C76, C84, etc.)
que son menos simétricos que el C60 por lo que sus propiedades físicas son inferiores a las de este
último.
F
u
l
e
r
e
n
o
s
Domus geodésico.
Richard Buckminister Fuller
Piedra del neolítico
Giovanni
Las propiedades de estas moléculas son realmente sorprendentes y de importancia
crucial: superconductividad, ferromagnetismo, actividad óptica no lineal, luminiscencia,
médicas, almacenamiento de gases, etc. Para ilustrarlas me detendré en las últimas
mencionadas, al mismo tiempo que respondo a la pregunta ¿de qué podríamos llenar la
cavidad vacía de los fulerenos y en particular del C60?. Algunos autores han decidido rellenar
la cavidad con diferentes elementos o iones de la tabla periódica35 existiendo ya diversos
aproximaciones a su síntesis36. De este modo surgen los denominados metalfulerenos
endohédricos.
Para tomar buenas imágenes mediante la técnica de resonancia magnética de imagen
(MRI)37 es necesario utilizar agentes de contraste. De este modo las imágenes son brillantes y
35
L.J. Wilson, Medical Applications of Fullerenes and Metallofullerenes.The Electrochemical Society.
Interface.Winter 1999
36
H. Shinohara, Rep. Prog. Phys. 2000, 63, 843
37
E. M. Haacke, R.W. Brown, M.R. Thompson, R. Venkatesan, Magnetic Resonance Imaging. Physical
Principles and Sequence Design. Wiley-Liss, Nueva York, 1999.
70
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contrastadas. El fenómeno físico que los explica es la disminución de la relajación de los
protones del agua cercana al agente de contraste. Con este fin se utilizan diversos iones,
destacando el gadolinio (III) que se utiliza en forma de quelatos de los que el más difundido
comercialmente es, con diferencia, el Magnevist. Pues bien, ya se ha conseguido introducir el
Gd (III) en el interior del C60 siendo sus características fundamentales las siguientes:
2
1) El caparazón C60 posee una gran superficial (> 200 Å ) y su diámetro interior es 7-
8 Å capaz de acomodar lantánidos.
2) La superficie carbonada admite modificaciones químicas lo que se traduce en la
capacidad de ampliar su gama de posibles aplicaciones.
3) Una vez encapsulado el ion, este no puede salir, es decir, su constante de
disociación es cero. Se ha superado a los sideróforos38.
4) El fulereno, al secuestrar el ion, impide su toxicidad.
5) La carga del complejo es cero.
6) La relajatividad del Gd@C82(OH)x es cinco veces mayor que la del Magnevist
posiblemente debido a que el complejo relaja los protones de las moléculas de
agua con enlaces de hidrógeno sobre la enorme superficie del fulereno que ya he
reseñado.
Metalfulerenos endohédricos
Fulereno encapsulando un lantánido
-El fulereno secuestra el ion (Kdis=0) impidiendo su
toxicidad
Gd@C82(OH)x
-La relajatividad del Gd@C82(OH)x es cinco veces
mayor que la del Magnevist
De todas formas la mínima cantidad sintetizada de estos productos hace que tenga un
precio estimado en torno al ¡millón de dólares por gramo! Algún día otros países incluyendo
el nuestro pagarán esta investigación.
38
Este es un excelente ejemplo de enlace mecánico. Otros ejemplos se analizan más abajo y corresponden a los
denominados rotaxanos y catenanos.
71
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La segunda forma de llenar la cavidad es con un gas y parece lógico empezar por el
hidrógeno. Esto ha sido llevado a cabo muy recientemente por Komatsu y colaboradores39.
Estos autores sintetizan un fulereno abierto, cuya boca es lo suficientemente grande como
para permitir la entrada de una molécula de hidrógeno. Llenan la cavidad del fulereno tras
exponerlo al gas a 800 atm y 200ºC durante 8 horas, siendo el rendimiento de la
encapsulación del 100%. A temperatura ambiente no existe pérdida del hidrógeno, pero al
elevar la temperatura hasta 160ºC se produce una liberación lenta del gas. Los mencionados
autores también detectaron que la irradiación con laser cierra el fulereno con el hidrógeno en
su interior, obteniéndose el complejo H2@C60. En cualquier caso este complejo simplemente
ha sido detectado por masas en fase gaseosa.
Almacenes de hidrógeno
K Komatsu, Y Murata, M Murata,
JACS 2003, 125, 7152
Fulereno abierto que
permite la inserción de una
molécula de hidrógeno.
Aparentemente me he desviado de la trayectoria que me había marcado pero no es así.
Cuando el huésped o macho es estrecho y largo (que nadie entienda connotaciones
sexuales en esta afirmación) los éteres corona forman los denominados rotaxanos40. Estos
rotaxanos los forman también las ciclodextrinas.
El término rotaxano se aplica a complejos químicos que tienen la particularidad de que
una parte de los mismos (rueda) puede girar en torno a un componente lineal (eje). Como
ruedas podemos utilizar cualquier compuesto cíclico como éteres corona, ciclodextrinas41,
cucurbituril, calixarenos, etc. y como eje cualquier molécula lineal. En la figura represento
esquemáticamente un rotaxano que muestra que el compuesto lineal (macho), puede terminar
en grupos voluminosos que impiden la salida del macrociclo. Es obvio que entre ambos
39
K. Komatsu, Y. Murata, M. Murata, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 7152
H.W. Gibson, M.C. Bheda, P. T. Engen, Prog. Polym. Sci. 1994, 19, 843.
41
El primer rotaxano obtenido con ciclodextrinas se debe a H. Ogino J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 1303.
40
72
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componentes no existe ninguna unión covalente. La bibliografía es rica en diversos tipos de
rotaxanos: según la naturaleza de los grupos terminales del eje, cabezas terminales diferentes
o no (es decir, simétricos o asimétricos), la estructura química del eje y la rueda, o el número
de ruedas por eje. En este último caso se denominan polirrotaxanos de los que hablaré más
abajo.
R
o
t
a
x
a
n
o
s
Eje
Rueda
Grupos
terminales
Un ejemplo significativo de las interacciones que se producen entre ambos
componentes del rotaxano se debe a Yonemura y colaboradores quienes estudiaron la
interacción entre α-, β- y γ-ciclodextrina con viológeno-carbazol42. Mediante experimentos de
RMN estos autores determinaron la estructura más estable del complejo al observar la
existencia de una interacción entre los protones del grupo carbazol y la superficie externa de
la α- ciclodextrina. Este resultado es importante porque implica que la cadena alquílica se
encuentra en el interior de la ciclodextrina. Alcanzar esta estructura final requiere que los
anillos aromáticos del viológeno hayan pasado a través del anillo de la ciclodextrina. Los
autores determinaron entonces los parámetros termodinámicos de activación de la cinética de
formación del complejo los cuales indican que el paso de los grupos aromáticos a través del
anillo de la α-ciclodextrina es más desfavorable que a través del anillo de la β-ciclodextrina
debido al mayor diámetro del anillo de esta última. Estimaron la diferencia en 27 kJ/mol.
Como corolario a esta conclusión cabría esperar que la γ-ciclodextrina no ofreciese un
impedimento significativo al paso del grupo viológeno como realmente ocurre. En la figura
representamos esquemáticamente el perfil energético de la reacción que sugieren los
42
H. Yonemura, M. Kasahara, H. Saito, H. Nakamura, T. Matsuo, J. Phys. Chem. 1992, 96, 5765.
73
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anteriores comentarios. Un segundo ejemplo, que no muestro por no ser reiterativo fue
logrado aquí en Lugo al estudiar la complejación del CHAPS (un derivado del ácido cólico)43.
H Yonemura, M Kasahara, H Saito, H Nakamura,
T Matsuo, J. Phys. Chem. 1992, 96, 5765.
Interacciones entre componentes
n=4,6,8,10,12
+
+
N(CH2)nN
N(CH2)2CH3
2Br-
Datos en kJ/mol
α-CD 75
β-CD 48
Parámetros de activación para los
procesos de formacióndescomposición del complejo
En la siguiente figura resumo los diferentes tipos de polirrotaxanos de los que tengo
referencia. En el campo de las ciclodextrinas sólo se han obtenido los indicados en primer y
segundo lugar.
Para obtener los polirrotaxanos lineales es necesario utilizar un eje polimérico como
por ejemplo polietilenglicol, polipropilenglicol, poliisobutileno, etc.44 La estructura y
estequiometría de los complejos formados están perfectamente determinadas. Así, la
estequiometría del polirrotaxano oligoetilenglicol-α-ciclodextrina es 2:1, es decir, dos
unidades de etilenglicol por cada ciclodextrina. Este dato está completamente de acuerdo con
las dimensiones moleculares del etilenglicol (6,6 Å) y la altura del cono truncado de la αciclodextrina (6,7 Å). Análogamente, la estequiometría del complejo poli(isobutileno)-γciclodextrina es 3:1, es decir, tres unidades de isobutileno por cada ciclodextrina, estando, de
nuevo, en concordancia con las dimensiones moleculares de tres unidades de isobutileno y la
altura de la γ-ciclodextrina. En definitiva las ciclodextrinas (perlas) están atravesadas por un
polímero (hilo) por lo que Harada bautizó a este tipo de compuestos con el nombre de
collares. En comparación con la formación de complejos con huéspedes simples, la formación
43
A. Jover, R.M. Budal, F. Meijide, V.H. Soto, J. Vázquez Tato. Determination of microscopic equilibrium
constants for the complexation of ditopic guests by cyclodextrins from NMR experiments, enviado para su
publicación.
44
A. Harada, J. Li, S. Suzuki, M. Kamachi, Macromolecules 1993, 26, 5267.; A. Harada, J. Li, M. Kamachi,
Nature, 1994, 370, 126.; A. Harada, J. Li, M. Kamachi, Macromolecules, 1994, 27, 4538; A. Harada, J. Li, M.
Kamachi, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 3192.
74
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de collares puede ser enormemente lenta abarcando periodos de varios meses de duración. El
rendimiento en su obtención ha llegado hasta valores tan altos como el 68%.
Polirrotaxanos
collares
O2N
NH
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
NH
NO2
NO2
O2N
A Harada, J Li, M Kamachi, JACS 1994, 116, 3192
M Born, T Koch, H Ritter,
Acta Polymer. 1994, 45, 68
Otros polirrotaxanos
Como continuación de su trabajo Harada tuvo la idea de unir covalentemente las
ciclodextrinas insertadas y retirar posteriormente el polímero. El resultado fue la formación de
una estructura tubular45 de masa molecular aproximadamente 2×104 g/mol, consistente con la
masa molecular del polirrotaxano de partida. Por lo tanto, el tubo tiene del orden de 15
unidades de α-ciclodextrina.
Dejaré ahora aparcadas las ruedas.
Estructura tubular generada a partir de ciclodextrinas
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
En una conferencia pronunciada a finales de diciembre de 1959 Richard Philips
Feynman afirmó lo siguiente: “De lo que quiero hablar es del problema de manipular y
45
A. Harada, J. Li, M. Kamachi, Nature, 1993, 364, 516. El experimento los autores lo describen como sigue: Al
hacer reaccionar el rotaxano, previamente formado, con epiclorohidrina en disolución de NaOH 10%, y posterior
neutralización con HCl, se forma un precipitado amarillento que por posterior hidrólisis, en medio fuertemente
básico (NaOH 25%) a 45ºC, para eliminar los grupos terminales da origen a la estructura tubular.
75
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controlar objetos a muy pequeña escala. Tan pronto como lo menciono, se me habla de
miniaturización y hasta dónde se ha llegado en la actualidad. Se me habla de motores
eléctricos del tamaño de una uña o del dedo meñique. Ya existe este dispositivo en el
mercado, se me dice. Se me dice que se puede escribir una oración al Señor en la cabeza de un
alfiler. Pero eso no es nada, eso es lo más arcaico. Un mundo asombrosamente pequeño
subyace debajo. Hacia el año 2000, cuando se mire hacia esta época, se preguntarán por qué
no fue hasta el año 1960 cuando alguien comenzó a moverse seriamente en esa dirección...”
Ya he mostrado algunos ejemplos de ese nanomundo al que Feynman se estaba
refiriendo y, aunque son muchos los aspectos que hemos tenido que ir dejando en el tintero,
para no agotar su paciencia e ir finalizando, hablaré de máquinas moleculares. Personalmente
prefiero llamarlos simplemente motores porque, como rezan los libros de “Conocimiento del
medio” de mis hijas “los motores son máquinas que transforman la energía en movimiento”.
También ya les he mostrado algunas imágenes de los motores de LEGO. ¿Qué nos ofrece la
Química Supramolecular?
La metodología a seguir se resume en el esquema adjunto46 en el que muestro que al
recibir un estímulo externo (químico, electroquímico, fotoquímico, cambio de pH, etc.) una
entidad supramolecular puede transformar su estructura y alcanzar una nueva geometría
implicando un movimiento translacional o rotario de sus componentes. Además, el proceso ha
de ser reversible, esto es, volver a su posición de partida cuando el estímulo es retirado o la
molécula recibe un contraestimulo. De este modo, el mecanismo funciona de una forma
cíclica que es lo requerido por cualquier motor termodinámico o electromagnético. Ahora les
mostraré algunos ejemplos.
Máquinas moleculares
Estado inicial
Estímulo
Estado final
Estímulo: químico, electróquímico, luz, pH
Así, existe un motor relacionado con el isomerismo traslacional47. El esquema
simplificado de la figura muestra un rotaxano cuyo macrociclo puede anclarse en dos
posiciones diferentes, exhibiendo un movimiento de vaivén. En el ejemplo, un ciclofano
tetracatiónico (hembra u hospedador) hospeda un huésped que posee dos unidades
46
47
V. Balzani, M. Gómez-López, J.F. Stoddart, Acc. Chem. Res. 1998, 31, 405
R.A. Bissell, E. Córdova, A.E. Kaifer, J.F. Stoddart, Nature 1994, 369, 133.
76
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diferenciadas: una unidad bencidínica y un bifenol, siendo la primera de ellas más rica en
electrones. Gracias a la interacción electrostática el ciclofano (recordemos tetracatiónico) se
ubica sobre la unidad bencidínica, siendo esta ubicación del 100% en acetonitrilo a -44ºC. Por
protonación de la bencidina, convertimos esta unidad en un catión por lo que se produce una
repulsión electrostática que debilita la interacción huésped-hospedador haciendo que el
ciclofano se traslade hacia la posición del bifenol. La conversión en catión de la unidad
bencidínica puede conseguirse por protonación, que representa un estímulo químico, o por
oxidación de la misma mediante un estímulo electroquímico o químico. Si se invierte el
proceso, esto es, desprotonación o reducción de la bencidina, el sistema recobra su posición
inicial. En definitiva el proceso es reversible.
Rotaxano
Estímulo
Ciclofano tetracatiónico
N+
N+
Si
O
O
NH O
O HN
O
Si
O
O
O
O
O Si
O
O
O Si
bifenol
N+
Estímulo
O
O
bencidina
N+
Conversión en
catión de la
bencidina
O H2N+
NH O
O
N+
N+
O
N+
O
N+
El segundo de los ejemplos corresponde a un catenano. Los catenanos se forman por
la unión mecánica de al menos dos compuestos cíclicos como muestro en la figura. Para
conseguir el motor uno de los dos eslabones de la cadena debe girar siguiendo el aro del otro
eslabón, exhibiendo un movimiento rotatorio. En este ejemplo48 el eslabón de la cadena que
gira consiste en un éter corona que posee dos residuos diferentes ricos en electrones π: uno de
ellos es un tetratiafulvaleno disustituido, al que denominaré abreviadamente TTF) y el otro es
el residuo 1,5-dioxinaftaleno. En su estado más estable, la unidad TTF se ubica en el interior
de la cavidad del ciclofano tetracatiónico. La oxidación química y/o electroquímica del TTF
48
M. Asakawa, P.R. Ashton, V. Balzani, A. Credi, C. Hamers, G. Mattersteig M. Montalti, A.N. Shipway, N.
Spencer, J.F. Stoddart, M.S. Tolley, M. Venturi, A.J.P. White, D.J. Williams, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1998,
37, 333.
77
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da un radical monocatiónico TTF+ o un dicatión TTF2+ por lo que, debido a la repulsión
electrostática es expulsado de la cavidad tetracatiónica y reemplazado por el anillo neutro del
dioxonaftaleno. En definitiva, se produce la rotación del poliéter macrocíclico. Esta acción va
acompañada por un dramático cambio de color desde el verde (que corresponde a la situación
inicial) hasta el púrpura (que corresponde al estado final). Si posteriormente se produce una
reducción, química o electroquímica, se recupera el estado original.
Catenanos
Poliéter-macrociclo
O
O
O
Dioxinaftaleno
DNP
O
N+
O
N+
S
S
S
ciclofano
tetracatiónico
S
O
O
O
N+
O
N+
O
Tetratiafulvaleno, TTF
Movimiento rotatorio
+
+
Estímulo
+
+
-e
+ +
+ .
+
+
Expulsión del TTF+
de la cavidad
tetracatiónica
Recuperación del
estado original
+
+
Oxidación:
TTF→TTF+
+
+
+e
Reducción:
TTF+ → TTF
+. +
+
+
+
la cavidad tetracatiónica pasa a ser
ocupada por el anillo neutro
El último de los ejemplos, diferente a los anteriores, corresponde al DNA e implica la
utilización de la interconversión del B → Z del DNA, de la que ya he hablado con
anterioridad. Para ello se conectan dos dobles moléculas entrecruzadas (en rojo y azul) a
través de un segmento que contiene una región que permite la interconversión B → Z (en
amarillo). La interconversión se consigue mediante la adición de cloruro de hexaaminocobalto
(III) y el proceso se invierte por la extracción de este reactivo. En la figura los círculos
indicados representan colorantes fluorescentes unidos al dispositivo que permiten demostrar
la interconversión. Aunque no me detendré en ellos el DNA permite la consecución de otros
dispositivos mecánicos49.
49
H Yan, X Zhang, Z Shen, NC Seeman, Nature, 2002, 45, 62
78
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DNA: Dispositivos mecánicos
Región (en amarillo) que sufre transiciones B-Z
Hace un momento afirmé que he tenido que dejar muchas cosas en el tintero. Por no
mencionar más que algunas citaré las clásicas micelas, vesículas o membranas y los procesos
de reconocimiento molecular, ensamblaje e interacción entre macromoléculas como proteínas
y DNA tan importantes para la vida por estar relacionadas con aspectos como catálisis
enzimática, encefalopatías espongiformes transmisibles (incluyendo la enfermedad de
síndrome de Creutzfel-Jakob), etc. Tampoco he mencionado los procesos de autorreplicación
o los fenómenos de cooperatividad que surgen en los procesos de ensamblaje. Al fin y al
cabo, la química supramolecular no es más que una sociología molecular50 y, en este contexto,
un virus no es más que una estructura supramolecular. Si espero haber puesto de manifiesto la
importancia de la Química Supramolecular en relación con las denominadas nanotecnologías.
Permítaseme que finalice con las palabras de Jean-Marie Lehn referidas a lo que el
futuro demandará de esta Química LEGO. Afirma este premio Nobel de Química que “hasta
fechas recientes la Química no ha ahondado en la respuesta a las preguntas
-¿Cómo se vuelve compleja la materia?
-¿Cómo ha sido la evolución hacia sistemas más complejos, incluyendo los
organismos inteligentes?
¿Qué otras formas de materia compleja pueden ser desarrolladas y creadas?
50
J.M. Lehn, Supramolecular Chemistry. Concepts and Perspectives, VCH, 1995.
79
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Química Supramolecular
Como ciencia de la estructura y transformación de la materia, la Química otorga
medios para interrogar el pasado, explorar el presente y construir puentes hacia el futuro” 51.
Fin de la cita.
En este camino a recorrer, será necesario diseñar y obtener compuestos cada vez más
complejos. Cuando la Química Supramolecular afronta sistemas mayores y más complejos, el
esfuerzo sintético se expande y el tiempo y el dinero representan aspectos de importancia
creciente52.
En cualquier caso, urge que España fomente la investigación en Química
Supramolecular o perderá una vez más el tren en un campo de investigación del que, desde
que se asentó de un modo definitivo la denominación supramolecular, no han pasado más que
veinticinco años. Apenas aparecen nombres de españoles en esta investigación y algunos de
ellos se encuentran asentados en el extranjero. Así que como he vuelto al comienzo de mi
exposición, excluída la anacrusa referida al LEGO, al demandar más esfuerzo social dirigido a
la investigación, me he convertido en una máquina parlante cíclica que, a menos que las
autoridades académicas detengan no se callará nunca.
Agradecimientos. El autor agradece al MEC (Proyecto MAT2001-2911) y a la Xunta
de Galicia (proyecto PGIDIT02PXIC26202PN) la financiación recibida.
Este artículo corresponde a la lección magistral impartida por el Prof. José Vázquez
Tato en la Facultad de Ciencias de Lugo de la Universidad de Santiago con motivo de la
celebración de la festividad de Santo Tomás de Aquino el 28 de Enero de 1983.
51
Jean-Marie Lehn, PNAS 2002, 99, 4763.
“Puede ser fácil diseñar en el papel un hospedador que posea una lista óptima con todas las funcionalidades
deseadas. Uno puede imaginarse por ejemplo una aldolasa con una docena de grupos catalíticos y enlazantes
exquisitamente ordenados en el espacio tridimensional. El problema es, por supuesto, sintetizar tal molécula.
¿Merece la pena que muchas personas durante muchos años se dediquen a preparar tan maravillosa molécula,
mientras se preguntan si, al final, será una fracaso debido a las incertidumbres o desórdenes en la geometría del
complejo huésped-hospedador? Me refiero a este problema porque es universal. Cuando la Química
Supramolecular afronta sistemas mayores y más complejos, el esfuerzo sintético se expande. El tiempo y el
dinero representan aspectos de importancia creciente, sobre todo en aquellos que potencialmente tienen
importancia comercial. [...] los mecanismos biológicos, que han tenido milllones de años de evolución,
probablemente nunca serán verdaderamente emulados.” F.M. Menger, PNAS 2002, 99, 4818.
52
80