Appunti di Chimica inorganica superiore su riconoscimento molecolare

Riconoscimento molecolare

Dalla chimica molecolare alla chimica supramolecolare

La transizione concettuale dalla Chimica Molecolare alla Chimica Supramolecolare fu formalizzata da J.-M. Lehn nel 1978. Mentre la chimica molecolare si concentra sui legami covalenti, la chimica supramolecolare si occupa delle interazioni che portano alla formazione di Supermolecole (assemblaggi di due o più componenti molecolari tenuti insieme da legami intermolecolari deboli). I concetti chiave in questo campo includono l'interazione tra recettore e substrato, il riconoscimento, la trasformazione, la traslocazione, l'auto-assemblaggio (self-assembly), l'auto-organizzazione (self-organization) e la sintesi di dispositivi molecolari e supramolecolari.

Dalla chimica molecolare alla chimica supramolecolare

CHEMISTRY MOLECULAR SUPRAMOLECULAR SELF-ASSEMBLY SELF-ORGANIZATION RECOGNITION RECEPTOR MOLECULAR AND SYNTHESIS INTERACTION SUPRAMOLECULAR SUPERMOLECULE TRANSFORMATION DEVICES covalent Intermolecular bonds SUBSTRATE bonds TRANSLOCATION FUNCTIONAL J.-M. Lehn, 1978 COMPONENTS

Riconoscimento molecolare

Il Riconoscimento Molecolare è definito come l’interazione selettiva di un recettore con un substrato in presenza di altri substrati. Si tratta, quindi, di un processo altamente selettivo di interazione, dove un legante o un recettore interagisce preferenzialmente con un substrato specifico, distinguendolo da altri substrati. È fondamentale notare che per parlare di riconoscimento molecolare in senso stretto, è necessario che il processo sia selettivo, ovvero che vi sia una capacità di distinguere tra più opzioni; in assenza di altri substrati, il concetto perde di significato.

Perché si realizzi un riconoscimento molecolare efficace, sono necessari alcuni requisiti fondamentali:

• Complementarietà strutturale.
• Complementarietà elettronica.
• Molti siti di legame e/o ampie superfici di contatto.

Riconoscimento molecolare

Il Riconoscimento molecolare è l’interazione selettiva di un recettore con un substrato in presenza di altri substrati.

Per ottenere un efficace riconoscimento molecolare sono necessari alcuni requisiti:

• Complementarietà strutturale.
• Complementarietà elettronica.
• Molti siti di legame e/o ampie superfici di contatto.

Complementarietà molecolare

La Complementarietà Molecolare si articola in due aspetti principali:

1. Complementarietà Strutturale: Riguarda le dimensioni e la forma (conformazioni) dei partner, la presenza e l'orientazione dei gruppi funzionali. Le forme devono essere compatibili, in modo che la cavità del legante ospiti al meglio la specie ospite, massimizzando la superficie di contatto.
2. Complementarietà Elettronica: Prevede che i gruppi funzionali del recettore siano elettronicamente compatibili con quelli del substrato. Include tutte le forme di interazione intermolecolare debole, come le interazioni di van der Waals, i legami a idrogeno, le interazioni fra dipoli e le interazioni π-stacking.

Complementarietà molecolare strutturale ed elettronica

STRUTTURALE ELETTRONICA

Include: Include: Interazioni di van der Waals Dimensioni Legami a idrogeno Forma (conformazioni) Interazioni fra dipoli Presenza di gruppi funzionali π-stacking Interazioni Orientazione dei gruppi funzionali

Entrambe le complementarietà devono essere rispettate: le interazioni deboli sono valide solo se i partner sono disposti in maniera tale da poter interagire (ben collocati), garantendo buona complementarietà strutturale ed elettronica. Per esempio, due complessi possono presentare ottima complementarietà strutturale, ma se il complesso presenta una peggiore complementarietà elettronica, la sua stabilità finale sarà minore. Come riportato nella slide, il complesso (a) presenta una peggiore complementarietà elettronica rispetto a (b). Ciò si traduce in una minore stabilità del complesso.

Complementarietà strutturale ed elettronica

Entrambi i complessi mostrano un’ottima complementarietà strutturale. Il complesso (a) presenta una peggiore complementarietà elettronica rispetto a (b), come evidenziato dalle interazioni elettrostatiche secondarie. Ciò si traduce in una minore stabilità del complesso. L’ipotetico complesso (c) rappresenterebbe un caso di ottima complementarietà strutturale ed elettronica.

(b) (a) A = accettore di repulsione legame H D = donatore di attrazione legame H (c) (a) (b)

Additività delle forze intermolecolari

W. L. Jorgensen, J. Pranata, J. Am. Chem. Soc., 1990, 112, 2008–2010.

Uno dei principi cardine della Chimica Supramolecolare è l’additività delle forze intermolecolari. Molte forze deboli possono sommarsi tra loro, generando interazioni forti tra l'host (recettore) e il guest (substrato).

Additività delle forze intermolecolari

Uno dei principi fondamentali della Chimica Supramolecolare è l’additività delle forze intermolecolari. Molte forze deboli possono sommarsi fra loro dando origine a forti interazioni fra host e guest.

BA C E = E + E + E + E + E + E + E K TOT A B C D F H K G D H H E F

Se si considerano n interazioni deboli tra recettore (R) e substrato (S), in prima approssimazione si potrebbe pensare che la variazione di energia libera totale (ΔG_t) per la formazione del complesso (S+R=SR) sia la somma delle singole variazioni di energia libera (ΔG_t=ΔG₁+ΔG₂+…+ΔG_n) e che la costante di equilibrio totale (K_t) sia il prodotto delle costanti associate alle singole interazioni (K_t=K₁×K₂×…×K_n).

Tuttavia, entrambe le equazioni (1) e (2) non sono corrette. L'equazione delle costanti di equilibrio (K_t=∏K_n) è dimensionalmente incongrua, poiché la K_t totale ha dimensione M⁻¹, mentre il prodotto delle n costanti isolate avrebbe dimensione M⁻ⁿ. Inoltre, l’addizione dei ΔG implicherebbe n contributi entropici derivanti dalla conversione di due specie in una, mentre per il ΔG_t totale vi è un solo contributo entropico di questo tipo.

Questo problema può essere aggirato esprimendo le concentrazioni in frazioni molari, che sono adimensionali. Per soluzioni sufficientemente diluite in acqua, dividendo le concentrazioni molari per 55.6 (moli di H₂O per dm³ di H₂O), si ottiene che, in caso di additività ideale, la costante di stabilità in molarità è: K_t=(55.6)ⁿ⁻¹K₁×K₂×K₃×…×K_n. Questo fattore moltiplicativo (55.6)ⁿ⁻¹ rende evidente come l'addizione delle forze deboli porti a un contributo enorme alla stabilità complessiva, spiegando il meccanismo della cooperatività.

Additività delle forze intermolecolari

Consideriamo la formazione di n interazioni deboli fra il recettore R ed il substrato S. Potremmo essere tentati di pensare che la variazione di energia libera (ΔG_t) per l’equilibrio S + R = SR sia la somma di n variazioni di energia libera associate alle n interazioni interpretate come equilibri di legame fra coppie di ipotetici individui recanti le funzioni interagenti.

ΔG_t = ΔG₁ + ΔG₂ + ΔG₃ + … + ΔG_n (1)

Quindi la costante di equilibrio K_t (ΔG_t = -RTlnK_t) sarebbe il prodotto di n ipotetiche costanti di equilibrio. K_t = K₁ × K₂ × K₃ ×…× K_n (2)

Dobbiamo notare, però, che entrambe le equazioni (1) e (2) non sono corrette. Infatti, nella (2) c’è incongruenza fra le dimensioni di K_t (M^-1) e le dimensioni di K₁ × K₂ × K₃ ×…× K_n (M^-n). Nella (1), invece, la somma ΔG₁ + ΔG₂ + ΔG₃ + … + ΔG_n implica n contributi entropici ciascuno dei quali si riferisce alla conversione di due specie in una, mentre per ΔG_t abbiamo un solo contributo entropico di questo tipo.

Questo problema può essere aggirato esprimendo le concentrazioni in frazioni molari, che sono adimensionali. Per