Química+Supramolecular

 **INTEGRANTES:

Miriam Santos Ávila Paola SOlange Segura Cleque Angela Talavera Pardo Alicia Uzquiano Fuentes**


 * __INTRODUCCIÓN:__**

==== La quimica su  pramolecular constituye uno de los pilares más importante de las Nanociencias y, por tanto, de la Nanotecnología. Como este campo de la Química se basa en la interacción entre dos o más moléculas sin formar enlace quimico (covalente) es posible construir conglomerados de dimensiones nanométricas de varias moléculas que se asocien de una forma dinámica, mediante equilibrios. Estos elementos básicos: asociaciones moleculares con una naturaleza dinámica, con movimientos, son elementos muy necesarios en Nanotecnología. Es por esa razón que la Química Supramolecular se ha convertido en una base fundamental en el desarrollo de las Nanociencias. ====

==== La Química Supramolecular surge en los años 60 con los trabajos de los norteamericanos Pedersen y Cram, en los éteres corona y esferandos, respectivamente, y del francés Lehn, quien trabajó en los criptandos. Estos tres científicos recibieron en 1987 el Premio Nobel de Química, por el desarrollo de la Química Supramolecular como un nuevo campo de la Química. ==== ==== El término supramolécula ya fue introducido en los años 30, übermoleküle (en alemán), para definir el dímero formado entre dos moléculas de ácido acético y especies análogas. Sin embargo el concepto de supramolecularidad no se utiliza en la actualidad para casos de asociaciones entre moléculas tan pequeñas en dimensiones. ==== ==== El Prof. Jean-Marie Lehn, el único de los tres galardonados aun vivo, definió la Química Supramolecular como la química de los enlaces intermoleculares, que estudia las estructuras y funciones de entidades formadas por dos o más especies químicas. La Química Supramolecular es la química que se encuentra por encima de las moléculas, es una química intermolecular. ==== ==== El enlace en la Química Supramolecular no es covalente. Las especies químicas constituyentes de un agregado o entidad supramolecular no se enlazan covalentemente entre sí. Se asocian por su afinidad geométrica y/o electrónica, por reconocerse molecularmente. Ello tiene una gran importancia desde el punto de vista nanotecnológico ya que significa que las interacciones entre las moléculas, para formar el compuestos supramolecular, son dinámicas y reversibles. ====


==== **//ËTERES CORONA//**: Hay éteres que contienen más de un grupo funcional éter (poliéteres) y algunos de éstos forman ciclos; estos poliéteres se denominan **éteres corona**. ==== ==== Pueden sintetizarse de distintos tamaños y se suelen emplear como ligandos, para acomplejar compuestos de este tipo. Suelen servir como transporte de cationes alcalinos para que puedan atravesar las membranas celulares y de esta forma mantener las concentraciones óptimas a ambos lados. Por esta razón se pueden emplear como antibióticos, como por ejemplo, la valiminocina . ==== ==== Otros compuestos relacionados son los criptatos, que contienen, además de átomos de oxígeno, átomos de nitrógeno. A los criptatos y a los éteres corona se les suele denominar ionosforos. ==== ==== //**C****RIPTANDOS**//**:** El macrociclo se denomina **criptando** y consta de oxígeno y nitrógeno como átomos donantes. Sus anillos son mayores que los éteres coronas y tienen naturaleza tridimensional. Pueden ser utilizados para metales de transición y representativos voluminosos. ====


==== //<span style="color: #000000; font-family: Georgia,serif; font-size: 13.5pt;">Cavitandos: // Los cavitandos están constituidos por anillos aromáticos, a semejanzas de los esferandos, pero enlazados entre sí por grupos metilenos que le confieren más flexibilidad a las estructura. Los cavitandos pueden formar una cavidad semiesférica hidrofóbica donde se pueden incluir moléculas orgánicas de naturaleza semejante y voluminosa. El reconocimiento molecular tiene lugar solamente por el extremo más amplio del cavitando. ====

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====<span style="color: #000000; font-family: 'Times New Roman',Times,serif;"> **ESFERANDOS**: Estos receptores, que contienen anillos aromáticos, se caracterizan por su alta rigidez estructural y ordenamiento octaédrico. Los anillos aromáticos representados en la Figura 6 se alternan por encima y por debajo del plano formando una esfera, y de ahí su nombre. Las constantes de estabilidad de los compuestos de inclusión con diferentes iones pueden alcanzar valores muy elevados. ====

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==== La Química Supramolecular ha dejado de ser un nuevo juguete en la Química para convertirse en una herramienta muy útil para obtener nuevos compuestos con propiedades singulares. Con ello se han sembrado las bases de la Nanotecnología. Existe una amplia variedad de compuestos supramoleculares de geometría tridimensional en que los diferentes componentes moleculares poseen la propiedad de movimiento relativo de suma importancia práctica. Entre éstos cabe mencionar: ==== ====<span style="font-family: 'Times New Roman',Times,serif;"> ·<span style="font-family: 'Times New Roman'; font-size-adjust: none; font-size: 7pt; font-stretch: normal; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; line-height: normal;"> Los rotaxanos  ==== ====<span style="font-family: 'Times New Roman',Times,serif;"> ·<span style="font-family: 'Times New Roman'; font-size-adjust: none; font-size: 7pt; font-stretch: normal; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; line-height: normal;"> Los catenandos  ==== ====<span style="font-family: 'Times New Roman',Times,serif;"> ·<span style="font-family: 'Times New Roman'; font-size-adjust: none; font-size: 7pt; font-stretch: normal; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; line-height: normal;"> Los helicatos  ====

==== Los rotaxanos son compuestos supramoleculares que asemejan un eje introducido dentro de un buje. Como tal puede haber una libre rotación relativa entre la molécula que actúa como eje y la que se comporta como buje. Para que esta molécula-eje no se salga de la molécula-buje (que debe ser cíclica) debe tener enlazado en los extremos dos moléculas voluminosas denominadas “stopper” (paradores o frenadores) por tener la función de frenar la salida de la molécula-eje de la molécula-buje. Puede darse el caso que el movimiento no sea rotatorio entre la molécula – buje y la molécula – eje, sino de traslación relativa a lo largo del eje. A este tipo específico se denomina “pseudo-rotaxano”. ====

Existen tres alternativas de síntesis de rotaxanos:
==== a.<span style="font-family: 'Times New Roman'; font-size-adjust: none; font-size: 7pt; font-stretch: normal; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; line-height: normal;"> En la que después de sintetizada la molécula-eje se introduce en la molécula-buje, aún sin ciclarse y después se procede a ciclarla. ==== ==== b.<span style="font-family: 'Times New Roman'; font-size-adjust: none; font-size: 7pt; font-stretch: normal; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; line-height: normal;"> En la que la molécula-eje se incluye dentro de la molécula-buje y entonces se le enlazan los stoppers. ==== ==== c.<span style="font-family: 'Times New Roman'; font-size-adjust: none; font-size: 7pt; font-stretch: normal; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; line-height: normal;"> En la que se sintetiza la molécula-eje con los stoppers ya enlazados y entonces se incluyen dentro de la molécula-buje. ====

En la Figura 10 se presenta un ejemplo específico de obtención de rotaxano a partir de ciclodextrina.
==== Los catenandos corresponden a compuestos supramoleculares en forma de cadenas, siendo cada molécula cíclica un eslabón de la cadena. Para indicar el número de eslabones que constituyen el catenando se precede este nombre con el número entre corchetes. Así, en la Figura 11(a) se representa la formación de un [2]catenando. Se han obtenido [5]catenandos, o sea de hasta cinco eslabones, nombrados simpáticamente **olimpiandos**. ====

En el caso (b) lo que se forma es un nudo y así se denomina: knot. Vale la pena señalar que las moléculas “nudo” son muy poco frecuentes en la práctica.
==== Los catenandos y los rotaxanos tienen en común el que son estructuras con grupos interpenetrados. Así, si los dos grupos son cíclicos y están cerrados como eslabones de una cadena se trata de un catenando. Si, por el contrario, uno de los grupos presenta una estructura abierta y el otro cerrado, formando un ciclo que contiene al primero, se trata de un rotaxano. ==== ==== Los helicatos están constituidos por dos o tres moléculas largas que se enrollan entre sí en forma helicoidal. En la Figura 12 se representa este proceso de formación en que un ion metálico, representado como una esfera provoca el enrollamiento helicoidal. En este proceso pueden participar dos [c] o tres hebras [d] (Figura 13). El ion metálico, representado por una esfera, es el encargado de mantener las hebras unidas en la forma indicada. La geometría del helicato depende tanto de la naturaleza del metal como de la molécula orgánica. La geometría preferencial del metal es la que puede provocar el enrollamiento helicoidal del polímero, en dependencia de los átomos donantes que presente. Por ejemplo, con Ni(II), un metal que tiende a formar geometría octaédrica, se favorece la formación de un helicato de tres hebras. Por el contrario, la Ag(I), de geometría lineal, tiende a formar helicatos de dos hebras solamente. ====

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==== La Químca Supramolecular se encuentra íntimamente relacionada con los procesos catalíticos, sean mediante el uso de catalizadores sintéticos o naturales (muy especialmente en las enzimas). Ello se debe a que un proceso catalítico normalmente se basa en la formación de compuestos supramoleculares entre el catalizador y el sustrato. En este tipo de proceso tienen lugar tres pasos básicos: ==== ==== 1.<span style="font-family: 'Times New Roman'; font-size-adjust: none; font-size: 7pt; font-stretch: normal; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; line-height: normal;"> El reconocimiento molecular entre el catalizador y el sustrato, con la formación del correspondiente complejo. Este paso es el que define la selectividad del catalizador. ==== ==== 2.<span style="font-family: 'Times New Roman'; font-size-adjust: none; font-size: 7pt; font-stretch: normal; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; line-height: normal;"> El favorecimiento del estado de transición mediante su estabilización, para disminuir la energía de activación y, con ello, acelerar la velocidad de reacción. Este paso determina la eficiencia del catalizador. ==== ==== 3.<span style="font-family: 'Times New Roman'; font-size-adjust: none; font-size: 7pt; font-stretch: normal; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; line-height: normal;"> Liberación del producto para regenerar el catalizador y así iniciar un nuevo ciclo, y cuya velocidad define el número de ciclos catalíticos s realizarse por unidad de tiempo. ====

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==== El reconocimiento molecular que tiene lugar entre el catalizador y el sustrato, que define la selectividad del catalizador, puede involucrar más de un sustrato, como es el caso representado en la Figura 14. En esta situación, que es bastante frecuente en las reacciones catalíticas, lo que ocurre es que mediante el reconocimiento molecular de ambos sustratos el catalizador los aproxima entre sí, favoreciendo la velocidad de la reacción. Este fenómeno se ha dado en llamar “efecto de agrupamiento vecinal” (neighboring group effect). ==== ==== El esquema representado en la Figura 14 corresponde al efecto catalítico sobe una reacción de primer orden, de descomposición en este caso. En la referida reacción (Figura 14) la interacción es entre el catalizador y el sustrato, con la única condición de que al final de la reacción (ciclo catalítico) el catalizador mantiene la misma composición y estructura que al inicio. Por tanto, igualmente en este caso, el proceso catalítico cumple con la condición de aproximar a los dos reaccionantes entre sí. Esta aproximación queda forzada por el reconocimiento molecular entre sustrato y catalizador. Sin este fenómeno, que fija a un reaccionante en la vecindad del otro, energéticamente no sería factible la reacción y, menos aún, de forma acelerada, tal y como debe cumplirse en un proceso catalítico. ==== ==== El reconocimiento molecular del catalizador sobre el sustrato esta presente en las enzimas. La carboxipeptidasa A, una enzima que hidroliza un enlace peptídico mediante el ataque sobre el grupo ester, ha sido ampliamente estudiada y constituye un buen ejemplo de lo tratado hasta aquí. El zinc(II) se encuentra en el centro activo de la carboxipeptidasa A. Este ion metálico, bajo condiciones normales de reacción, no es capaz de afectar un enlace peptídico. Sin embargo, cuando el sustrato es reconocido molecularmente en la cavidad del centro activo mediante la formación de puentes de hidrógeno con la Arg 145 y la Arg 127 (Figura 15) el grupo carbonilo se ubica muy próximo al zinc(II). Bajo esas condiciones el ion metálico sí puede interactuar electrónicamente con el grupo carbonilo del sustrato, paralelamente al efecto que ejerce la molécula de agua coordinada al zinc(II). El grupo Glu 270 cede un proton al grupo –NH- del sustrato y con ello se completa la ruptura del enlace –C-NH-, lo que implica la hidrólisis de ese enlace peptídico. ==== ==== En este caso del mecanismo de acción catalítica de la carboxipeptidasa A en apariencia el proceso es de primer orden, dependiente solamente del sustrato. Sin embargo, se pudo ver que también una molécula de agua participa en la reacción, pero por ser el propio solvente, y estar en exceso, no aparece en la expresión cinética del proceso. ====

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==== Las ciclodextrinas (CDs) constituyen un buen ejemplo de catalizadores basados en procesos supramoleculares y por ello, han sido ampliamente estudiadas como enzimas sintéticas. La literatura especializada abunda en ejemplos de modelos de proteasas, esterasas, transaminasas, ribonucleasas, descarboxilasas, metaloenzimas, flavoenzimas y otras. La estrategia consiste en unir a la cavidad uno o varios grupos que actúen como centro activo obteniéndose así un sistema que sea capaz de aceptar en la cavidad un sustrato orgánico y transformarlo mediante los grupos del sustituyente. ==== ==== Cabe señalar que las CDs sin sustituir son capaces de acelerar la hidrólisis de diversos ésteres derivados de ácidos que posean grupos hidrófobos como anillos bencénicos o cadenas alquílicas largas, siendo por tanto modelos de esterasas. ==== ==== El ejemplo mas simple es la hidrólisis del acetato de fenilo por la ß-CD que transcurre según un mecanismo de transacetilación, obteniéndose un derivado mono-acetilado que es luego hidrolizado para regenerar la ß-CD. A pH 10.2, y en presencia de ß-CD, esta reacción se acelera 25 veces respecto a la hidrólisis en presencia del buffer solamente. Numerosos estudios realizados con otros substratos han demostrado que el primer paso del mecanismo es siempre el acomplejamiento de la molécula en la cavidad y, en casos favorables se ha aislado el intermediario mono-acilado, comprobándose así el mecanismo propuesto. ==== ==== Ya vimos que es posible reemplazar con relativa facilidad los grupos hidroxilo por otros más complejos que posean mejores propiedades catalíticas. De esta forma se logra un aumento en varios ordenes de magnitud de la efectividad del catalizador o la obtención selectiva de un sólo producto de reacción. Un ejemplo clásico de este último aspecto resulta la hidrólisis de fosfatos cíclicos por el derivado 6A,6B-//bis//-imidazoil-ßCD que se comporta como una ribonucleasa artificial. En presencia de un fosfato cíclico derivado del catecol (análogo del substrato de la ARNasa), ocurre la apertura del ciclo obteniéndose el producto 2-fosforilado con un 95% de regioselectividad a pH 6. Esto se explica considerando la acción concertada de ambos grupos imidazol. El grupo imidazol protonado fija al sustrato a través del átomo de oxígeno cargado negativamente en una posición tal que sólo permite la hidrólisis del enlace P-O1, mientras el grupo libre favorece el ataque de una molécula de agua a este enlace. ==== ==== Se conocen numerosos ejemplos de modelos de metaloenzimas, como la ya vista carboxipeptidasa, en los que hay un átomo metálico coordinado a un sustituyente, que puede tener diversas funciones. Comúnmente, el metal provoca desplazamientos electrónicos que resultan en debilitamiento de enlaces O-H en el agua o los grupos hidroxilo lo que incrementa su basicidad y, por tanto, su poder hidrolítico. También puede ayudar a la fijación del sustrato en una posición más favorable para la reacción o favoreciendo la acción de los grupos catalíticos. ==== ==== La primera metaloenzima artificial fue descrita en 1970. Con el objetivo de mejorar las propiedades hidrolíticas de la ß-CD, Breslow sustituyó un grupo hidroxilo por un complejo de Ni(II). Este sistema acelera la hidrólisis del acetato de //p//-nitrofenilo 1000 veces más rápido que la ß-CD sin sustituir. La causa de este comportamiento es que el átomo de oxigeno del grupo oxima es más móvil y puede efectuar el ataque nucleofílico al sustrato con más facilidad que un grupo hidroxilo secundario, provocando un aumento de la velocidad de la reacción. ==== ==== Se conocen sistemas diméricos en los que dos anillos de CD están unidos por un espaciador alquílico o aromático. De esta forma se aumenta la capacidad acomplejante y catalítica de la CD y permite el estudio se substratos de mayor tamaño o que posean dos grupos hidrofóbicos. Por ejemplo, el complejo de La3+ con el dímero 4,4’-(6-deoxi-6-tio-ßCD)-2,2’-bipiridilo (Figura 16) catoliza la hidrólisis a pH 7 de fosfodiésteres aromáticos en presencia de H2O2 y resulta 108 veces más efectivo que el complejo sin CD. Se asume que en este caso ambos anillos de CD fijan al substrato cooperativamente junto al espaciador y permiten el ataque de una molécula de H2O2. ====

====<span style="font-family: 'Times New Roman',Times,serif;">Todos estos ejemplos demuestran la gran importancia de la cooperatividad entre el sustituyente y la cavidad de la CD para lograr mejores propiedades catalíticas y una alta selectividad en las enzimas artificiales. La versatilidad de las modificaciones químicas posibles en las CDs ofrece posibilidades ilimitadas en el diseño de sistemas catalíticos cada vez más eficientes y selectivos y en el estudio de fenómenos c ada vez más complejos. ====