supramolecolare, chimica

Parte della chimica che si occupa della struttura, delle proprietà, della progettazione e della sintesi delle supermolecole, costituite da molecole associate mediante legami non covalenti (legami idrogeno, legami di van der Waals ecc.).

Supermolecole

La chimica s. trae ispirazione dalla conoscenza dei meccanismi di riconoscimento, di catalisi, di trasporto cellulare che coinvolgono, in sistemi biologici, entità supermolecolari. A questi fenomeni sono affidate fondamentali funzioni vitali come la trasformazione stereospecifica e stereoselettiva dei metaboliti cellulari, l’ordinato susseguirsi dei passaggi metabolici, il trasporto selettivo attraverso le membrane cellulari, la trasmissione degli impulsi nervosi e di messaggi fra esseri viventi.

Le singole supermolecole hanno una struttura generata dai legami covalenti fra i loro atomi costituenti, ma si distinguono per il fatto di possedere una particolare struttura di ‘siti’ in grado di riconoscere in modo altamente selettivo altre molecole o ioni (riconoscimento molecolare) e di interagire con essi senza la formazione di nuovi legami covalenti. Da questo punto di vista, pur potendo essere di non elevato peso molecolare, le supermolecole si avvicinano alle proteine enzimatiche, che svolgono funzioni catalitiche proprio attraverso il riconoscimento molecolare; tuttavia molte supermolecole si distinguono da questo tipo di proteine per avere proprietà, spesso straordinarie, di autoassociazione.

Criptanti

fig. 1

La chimica s. ha prodotto dagli anni 1970 una serie di molecole artificiali, come i criptanti, gli eteri corona (➔ crown ethers), in grado di simulare più o meno efficacemente il comportamento di supermolecole operanti in sistemi biologici. Sono molecole dotate di cavità al cui interno possono essere ospitate altre specie chimiche. Le dimensioni e la forma delle cavità molecolari determinano le specie chimiche ammesse nel sistema supermolecolare, la stabilità di quest’ultimo e le sue proprietà. Sono state progettate e sintetizzate molecole con cavità sferiche particolarmente adatte a riconoscere le dimensioni di un catione alcalino o alcalino terroso (fig. 1). I criptanti A, B, C danno i loro criptati più stabili rispettivamente con gli ioni Li+, Na+ e K+ (fig. 1D). È chiaro che un catione criptato ha proprietà molto diverse da quelle originarie in quanto a reattività, potenziale redox ecc., e rende molto diverse anche le proprietà della specie chimica da cui deriva. Così, per es., pur essendo la maggior parte dei sali inorganici insolubile in solventi organici, la presenza di un criptante, indebolendo le interazioni elettrostatiche fra il catione criptato e il suo controione, rende solubile nel solvente organico il sale. Il controanione, d’altra parte, è ‘nudo’ e questo ha l’effetto di aumentare la velocità delle sue reazioni come base, come nucleofilo, come agente alchilante. Una specie ionica criptata può essere trasportata attraverso una membrana lipofila che non potrebbe attraversare, invece, come ione libero. I criptanti sono stati usati in processi di analisi e di estrazione selettiva, di separazione isotopica, di eliminazione di metalli nocivi.

fig. 2A

Sono state sintetizzate molecole la cui cavità riconosce e ospita specie con ibridazione tetraedrica (fig. 2A) o specie di forma cilindrica. Alcuni criptanti hanno cavità abbastanza spaziose da ospitare molecole organiche: il catione diammonico +NH3−(CH2)n−NH3+ può essere criptato selettivamente, al variare di n, in criptandi in cui i ponti R abbiano lunghezze adatte (fig. 2B). Nella supermolecola di fig. 2C i ponti sono costruiti con due sistemi metalloporfirinici: la sintesi di specie s. di questo tipo può essere di aiuto nella progettazione di sistemi artificiali in grado di mimare i siti metalloenzimatici. La caratteristica più pregiata di un sito enzimatico consiste nel fatto che esso è una cavità chirale attrezzata per eseguire trasformazioni chimiche. In un sistema biologico esistono migliaia di questi ‘micro-reattori’, ognuno dei quali esegue miliardi di volte consecutive un solo tipo di trasformazione su uno dei tanti metaboliti cellulari, una molecola per volta, a temperatura ordinaria, in ambiente acquoso, a pH neutro. L’obiettivo più ambizioso della chimica s. è quello di riuscire a riprodurre tale livello di selettività ed efficacia. La supermolecola di fig. 2D è un passo avanti in questa direzione: il criptante possiede un anello di cui fanno parte due molecole di acido D-(+)-tartarico L-cisteinil derivato che rendono chirale la sua cavità. Al suo interno la reazione di idrolisi dell’estere p-nitrofenilico (PNP) mostra selettività di substrato, subendo catalisi con forte aumento di velocità nel caso dell’estere PNP della glicilglicina: per un analogo estere tripeptidico la funzione esterea è già troppo esterna rispetto alla cavità per subire idrolisi catalizzata. Come riprova del fatto che la reazione ha carattere s. si ha l’inibizione da parte dei cationi K+ i quali competono con l’estremità ammonica del peptide nell’occupare il sito interno del criptante. Quest’ultimo mostra anche elevate capacità di riconoscimento enantiomerico fra l’estere PNP del dipeptide della L-fenilglicina e quello della D-fenilglicina, reagendo il primo 50 volte più velocemente del secondo.

Abstract di approfondimento da Chimica supramolecolare di Jean-Marie Lehn (Enciclopedia della Scienza e della Tecnica)

La chimica supramolecolare (o supermolecolare o sopramolecolare) tratta di entità organizzate di elevata complessità che derivano dall’associazione di due o più specie chimiche, tenute assieme da forze intermolecolari. Il suo sviluppo richiede l’impiego di tutte le risorse teoriche e sperimentali della chimica molecolare combinate con manipolazioni ben progettate delle interazioni non covalenti, in modo tale da formare entità chiamate supramolecolari ovvero supramolecole (o supermolecole o sopramolecole) con caratteristiche ben definite. Si potrebbe affermare che le supramolecole stanno alle molecole e al legame intermolecolare, così come le molecole stanno agli atomi e al legame covalente. Le associazioni tra le molecole sono state individuate e studiate da molto tempo e il termine Übermolekül, cioè supramolecola, era stato introdotto già verso la metà degli anni Trenta del Novecento per descrivere entità dotate di un elevato grado di organizzazione, che derivavano dall’associazione di specie sature in maniera coordinata. Le entità associate in una specie supramolecolare sono state chiamate recettore molecolare e substrato. Quest’ultimo, in genere, è il componente più piccolo con il quale si cerca di ottenere un legame.Le interazioni molecolari sono alla base di una serie di fenomeni estremamente specifici di riconoscimento, di reazione, di trasporto, di regolazione, e altro; di processi tipici della biologia, quali, per esempio, il legame tra un substrato e una proteina recettrice, le reazioni enzimatiche, la costituzione di complessi proteina-proteina, le associazioni immunologiche tra antigeni e anticorpi, i riconoscimenti intermolecolari, la traduzione e la trascrizione del codice genetico, la trasmissione di segnali attraverso neurotrasmettitori e il riconoscimento cellulare. La progettazione di molecole recettrici artificiali, abiotiche, caratterizzate da efficienza e selettività elevatissime, richiede una corretta manipolazione delle proprietà energetiche e stereochimiche delle forze intermolecolari non covalenti, quali le interazioni elettrostatiche, il legame a idrogeno, le forze di van der Waals.Il legame di un substrato s con il suo recettore r porta alla formazione di una supramolecola rs e implica un processo di riconoscimento molecolare. Se, oltre ai siti di legame, il recettore possiede anche funzioni reattive, esso può causare una trasformazione chimica sul substrato legato, comportandosi come un reagente o un catalizzatore supramolecolare. Un recettore lipofilico, solubile nelle membrane, può agire da trasportatore del substrato. Pertanto, il riconoscimento molecolare, la trasformazione e la ricollocazione, rappresentano le funzioni di base delle specie supramolecolari. Funzioni più complesse potrebbero risultare dall’azione associata di diverse subunità leganti in un corecettore politopico. In associazione con organizzazioni e fasi polimolecolari (strati, membrane, vescicole, cristalli liquidi), le supramolecole potrebbero portare alla formazione di dispositivi molecolari.