Química Supramolecular (página 2)

Reconocimiento
Molecular

El concepto de
reconocimiento molecular surge formalmente en la Química a partir de
los años 70, con la profundización que realizaron
Cram y Lehn en la Química Supramolecular. Sin embargo,
este concepto, quizás aun ignorado por muchos
químicos, ha sido ampliamente utilizado por los
biólogos desde la época de Fischer. Sin este
concepto la Biología
tendría un gran vacío. Quizás lo mismo
sucedería en la Química pero algunos de sus
seguidores han logrado encontrar la forma de prescindir de este
valioso concepto, aunque no de su esencia.

Sin embargo, ya hoy ello no es posible. La
Química moderna no puede existir sin tomar en cuenta el
reconocimiento molecular. Ello se debe, entre otras numerosas
razones, al hecho de la cada vez mayor confluencia entre la
Química y la Biología.

El reconocimiento molecular es un concepto de la
Química Supramolecular que corresponde a la capacidad que
tienen las moléculas de reconocerse mutuamente y viene
definido por la energía y la información involucradas en el enlace (no
covalente) y selección
del sustrato por una molécula receptora determinada. La
interacción sustrato-receptor debe basarse
en la afinidad entre ambos en cuanto a forma, tamaño,
conformación, polaridad, polarizabilidad, fuerzas de van
der Waals, etc. La afinidad entre dos moléculas en estas
propiedades es una expresión de la complementariedad
existente entre ellas. Esta afinidad o complementariedad expresa
una información física y/o
química a transmitirse entre las moléculas
involucradas. A su vez, esta información molecular se
revierte en el compuesto supramolecular formado.

El reconocimiento molecular entre sustrato y receptor no
tiene realmente la naturaleza
estática y rígida enunciada por
Fischer. Puede darse el caso que si analizamos al sustrato o
huésped y al receptor u hospedero por separados no exista
la necesaria complementariedad entra ambas moléculas como
para que tenga lugar en reconocimiento molecular. Sin embargo,
sí podemos analizar lo que ocurre en una y otra
molécula cuando se aproximan entre sí. Veremos que
a una cierta distancia una o ambas se pueden modificar para
poder alcanzar
esa complementariedad.

En ese momento ha ocurrido el referido intercambio de
información. ¡Ojo! Estamos hablando de
moléculas, por lo tanto de objetos inanimados. Por esa
razón, la referida transmisión de
información no es ni remotamente como la realizamos los
seres vivientes. Y sin embargo, existe. ¿Cómo ello
es posible?

Al aproximarse sustrato y receptor pueden ocurrir (y
generalmente tienen lugar) variaciones de polaridad en uno u otro
por el efecto electrostático, formación de puentes
de hidrógeno, etc, que provoque un cambio en la
conformación de uno o ambos. En el epígrafe 2.5
veremos como un éter corona cambia su conformación
de ovalada a circular ante la presencia de un ion metálico
como el sodio. Y ese es un sistema bien
simple.

Mientras más susceptible sea el receptor a
modificar su forma ante la presencia de sustratos, o sea, que sea
más flexible, menos selectivo resulta. Este último
elemento es de suma importancia en el caso de una enzima, que
debe caracterizarse por una elevada selectividad. Sin embargo,
puede darse la situación de que un receptor manifieste
elasticidad o
flexibilidad sólo ante un determinado sustrato y en tal
caso la selectividad no se pierde; por el contrario, puede llegar
a acentuarse.

El proceso
mediante el cual el receptor modifica su estructura o
conformación ante la proximidad o presencia del sustrato
se denomina preorganización. Ello significa que el
receptor debe invertir una determinada cantidad de energía
para adoptar la forma más adecuada para recibir al
sustrato. En esta interacción mutua esta implícita
la información mutua que se transmite entre sustrato y
receptor.

La complementariedad entre sustrato y receptor puede
llegar a expresar un efecto cooperativo entre ambos o entre dos
sustratos retenidos por un mismo receptor.

Como la interacción sustrato – receptor
tiene lugar mediante fuerzas no-covalentes, es relativamente
débil. Por ello, se requiere de una amplia superficie o
puntos múltiples de interacción.

Así pues, el reconocimiento molecular implica el
reconocimiento y la fijación del sustrato
por el receptor, previa preorganización de este
último, mediante la coordinación
no-covalente. Este proceso tiene una naturaleza dinámica e implica un propósito, una
finalidad.

La unidad y antagonismo armónico existente entre
la rigidez y flexibilidad que puede alcanzar el receptor u
hospedero es determinante en el reconocimiento molecular que
puede presentar, unido al tamaño y forma de la cavidad. La
rigidez de la molécula receptora define su selectividad,
mientras que la flexibilidad es la propiedad que
define la estabilidad de la interacción receptor –
sustrato. Una mayor flexibilidad permite al receptor ajustar su
forma a la del sustrato y, de esa forma, formar un sistema
supramolecular más estable. Cuando la flexibilidad del
receptor se encuentra en función
del medio (polaridad, pH, temperatura,
etc.) el reconocimiento molecular será susceptible a estas
variables.

En las enzimas el
principio lock and key (cerradura y llave) planteado por
E. Fischer tiene su máxima expresión. Este
principio, muy revolucionario en su momento, tiene un enfoque muy
estático del reconocimiento molecular de la enzima sobre
el sustrato. Se obvia la flexibilidad en la conformación
de la enzima. Esta última, como toda proteína, se
caracteriza por una conformación bastante rígida.
Sin embargo, esta conformación, dependiente de los puentes
de hidrógeno formados entre los residuos de amino ácidos,
así como de puentes disulfuro, -S-S-, puede variar
ligeramente cuando se aproxima el sustrato o cuando cambian las
condiciones del medio.

El principio lock and key (cerradura y llave)
debe interpretarse hoy en día como un proceso
dinámico que tiene lugar en cuanto la "llave" (sustrato)
se encuentre en las cercanías de la "cerradura" (receptor)
de forma que puedan interactuar mutuamente. Este proceso provoca
la necesaria modificación en la conformación del
receptor, proceso denominado preorganización, con lo cual
adopta la geometría necesaria para el óptimo
reconocimiento del sustrato.

Un caso muy interesante tiene lugar en los sistemas
biológicos cuando una enzima esta constituida por
más de una proteína y la más mínima
modificación en una de las subunidades puede afectar a las
otras a través de los puentes de hidrógeno que
mantienen unido al conglomerado. En este caso el proceso
preorganizativo se transmite de una sección del receptor a
las demás. A este fenómeno se denomina efecto
cooperativo.

Un buen ejemplo de efecto cooperativo lo constituye la
hemoglobina, compuesta por cuatro subunidades, cada una de ella
conteniendo un grupo hemo y
una globina (proteína). Cuando el hierro(II) del
grupo hemo de una de las subunidades coordina una molécula
de dioxígeno, O2, la proteína (globina)
coordinada al metal se desplaza ligeramente, con lo cual logra
modificar ligeramente la conformación de la globina
vecina. Aunque el desplazamiento es mínimo (unos 0.8
Å) es suficiente para permitir una conformación en
esta proteína vecina que favorezca el acceso de una
molécula de dioxígeno. Así pues, las cuatro
subunidades de la hemoglobina se comportan como los cuatro
cilindros del motor de un
carro, donde el efecto cooperativo lo realizan la viela, en la
transmisión diferenciada del movimiento
mecánico, y el delco, en la distribución de la corriente
eléctrica.

En la formación de un compuesto supramolecular,
tal y como se ha expresado varias veces, intervienen
interacciones poco fuertes. Termodinámicamente se ha
explicado la estabilidad de compuesto formado para el caso en que
intervienen un apreciable número de tales interacciones
más o menos débiles. Sin embargo, esa interpretación es sólo
parcial.

Desde el punto de vista termodinámico la
formación de un producto
químico debe cumplir con la condición de que
disminuya la energía libre (D
G) del sistema y mientras más negativo sea el valor,
más favorecido esta el proceso químico. Este
parámetro se encuentra relacionado con otros dos mediante
la ecuación siguiente:

D G =
D H – TD
S

D H corresponde a la
variación de entalpía en el proceso de
formación, o sea, a la energía liberada o consumida
en el proceso. Por su parte, D S
corresponde a la variación de entropía, un parámetro que mide el
grado de desorden que se alcanza en el proceso. Para que
D G tenga un valor negativo, en una
primera aproximación, D H debe
ser negativo y D S positivo. Si las
interacciones son débiles el valor de D H será pequeño. Por esa
razón se dice que la entropía juega, generalmente,
un papel determinante en la formación de los compuestos
supramoleculares.

La variación de energía libre, D G, en los receptores sintéticos, oscila
entre -3.1 y -4.6 kcal/mol. Para la asociación
supramolecular de sistemas sustrato-enzima D G = -5.1 kcal/mol, como promedio, mientras que
para moléculas orgánicas simples reconocidas por
anticuerpos el valor de D G llega a
-10 kcal/mol. Para sistemas anticuerpo-antígeno la energía libre promedio
es de 11.1 kcal/mol.

Cuando receptor y sustrato interaccionan para formar un
compuesto supramolecular lo hace a partir de la
interacción de dos especies para formar una sola. Desde
ese punto de vista la entropía del sistema
disminuiría por disminuir el número de especies en
el proceso químico. Sin embargo, el receptor generalmente
presenta asociado un apreciable número de moléculas
del solvente, agua por
ejemplo. Este proceso se puede representar
esquemáticamente en la reacción
siguiente:

R.n(solvente) + sustrato = compuesto
supramolecular + n(solvente)

En este proceso, que corresponde a un equilibrio
totalmente reversible, reaccionan dos especies para formar n + 1
especies, por lo que el incremento de entropía debe ser
apreciable. El supramencionado equilibrio, correspondiente a la
formación del complejo de inclusión y la constante
que lo caracteriza se denomina constante de inclusión o
acomplejamiento. Este parámetro no es
termodinámico, rigurosamente hablando.

Los valores de las
constantes de inclusión de moléculas
orgánicas simples en receptores sintéticos,
oscilan, como promedio entre 102.1 y 103.4
mol-1.L (M-1). Son escasos los valores de
constantes de inclusión superiores a 104
M-1. Sin embargo, en los receptores naturales las
constantes de inclusión pueden alcanzar valores superiores
a ese y hasta 1016 M-1.

Un papel importante en la estabilización de un
compuesto supramolecular mediante la inclusión del
sustrato dentro de la cavidad del receptor lo juega la
hidrofobicidad.

Todas las cavidades de los receptores
síntéticos conocidos tienen la
característica de ser hidrofóbicas. Más
aún, los receptores naturales, como los anticuerpos,
proteínas, enzimas, etc., la
condición de hidrofibicidad es imprescindible. En medio
acuoso la hidrofobicidad de la cavidad del receptor motiva que
el agua no
pueda competir en el equilibrio de formación del complejo
de inclusión, con el correspondiente incremento en la
estabilidad. Por esa razón, en los sistemas
(molécula orgánica) – (receptor
orgánico sintético) en medio acuoso el valor medio
de D G es de -4.6 kcal/mol, en
solvente orgánico es de -3.1 kcal/mol.

Autoensamblaje (self-assembly)

El reconocimiento molecular es clave en un compuesto
supramolecular. Sin embargo, no es el único concepto
utilizado. Otro muy importante es el auto-ensamblaje.

El autoensamblaje (en inglés:
self-assembly) es el concepto que expresa que las
moléculas que son complementarias y se reconocen
molecularmente, que pueden asociarse sin barreras
cinéticas. El concepto de autoensamblaje expresa, por
tanto, la espontaneidad con que se puede formar organizadamente
un compuesto supramolecular. El autoensamblaje implica
auto-organización y reversibilidad y,
por tanto, labilidad cinética e interacción
relativamente débil. Así, por ejemplo, la
formación de macrociclos no constituye un proceso de
autoensamblaje porque dicho proceso no es reversible
químicamente.

El proceso de autoensamblaje implica el reconocimiento
molecular y, por ello, la auto-organización responde a la
información, tanto del hospedero como del
huésped.

Mientras que el reconocimiento molecular implica una
complementariedad entre hospedero y huésped, en el
autoensamblaje este proceso de reconocimiento ocurre
repetitivamente. Este último aspecto constituye la
principal particularidad del autoensamblaje.

Así, el autoensamblaje implica la
asociación supramolecular entre varias especies para
formar un agregado de mayor tamaño y, generalmente, de una
arquitectura
más compleja, tal y como se representa
esquemáticamente en la Figura 1. Ello significa que en el
autoensamblaje tiene lugar un proceso de reconocimiento molecular
repetitivo, dando lugar a un compuestos supramolecular
tridimensional. Tales compuestos son de mucha mayor complejidad
que el que se forma a partir del simple reconocimiento
molecular.

Cada unidad participante en el proceso de autoensamblaje
se denomina building block si esta constituida por
más de una molécula. Por cierto, a este concepto
aun no se le ha dado una traducción generalizada en español.
Literalmente sería "bloques de construcción", aunque conceptualmente
quizás "unidad básica" o "bloque molecular" se
ajuste más a la definición. No obstante, la
mayoría de los autores de habla hispana usan el
término en inglés. Ese tipo de anglicismo es muy
frecuente en los términos científicos introducidos
en los últimos años. Tal pareciera como si las
Ciencias si
desarrollaran más rápidamente que los idiomas, a lo
cual no falta la verdad.

El autoensamblaje entre los building blocks puede
igualmente tener lugar mediante la formación de enlace
covalente, y no sólo por reconocimiento molecular como se
ha representado en la Figura 1.

El concepto de building block ha rebasado las
fronteras de la Química Supramolecular y es cada vez
más utilizado en procesos de
síntesis en que se realizan numerosos pasos
de reacción. En tales casos lo más conveniente es
realizar varios pasos de síntesis y obtener un building
block, y repetir ese proceso hasta obtener los necesarios
building blocks y entonces enlazarlos entre sí. De esta
forma, si un paso de la reacción sale mal sólo se
afecta una unidad de building block y no el proceso
completo.

Imagínense el lector una síntesis
química de doce pasos en que el último no se
obtenga el producto deseado o el rendimiento sea muy bajo. En tal
caso se pierden los once pasos anteriores. Si la síntesis
se hubiera realizado mediante la formación de building
blocks de cuatro pasos de síntesis cada uno, sólo
se pierden como máximo esas cuatro reacciones.

El concepto de autoensamblaje ha sido ampliamente
utilizado en la modificación de superficies de electrodos
y superficies sólidas planas y en la estabilización
de nanopartículas. Estas superficies, cuando son metales nobles
como el oro y la
plata, se pueden recubrir químicamente con otras
sustancias, fundamentalmente derivados sulfurados, tioles o
ditiocarbamatos. Producto de la interacción el metal se
oxida (M ® M+) y en la
superficie del electrodo o nanopartícula se adsorbe
(más bien, se quimisorbe) el derivado sulfurado. Realmente
ha ocurrido una reacción química de
oxidación – reducción en fase
heterogénea. Como se trata de un fenómeno
superficial sólo es posible la formación de una
monocapa autoensamblada, que en inglés se denomina
Self-Assemblied Monolayer y se representa por las siglas
SAM.

Analicemos una superficie metálica de una
lámina, considerando que esta constituida por una serie de
esferas, correspondientes a los átomos del metal, ubicadas
una al lado de la otra. Si esa lámina metálica se
introduce en una solución que contenga un determinado
alcanotiol, que sea pequeño en tamaño, ocurre la
oxidación del metal de M a M+.

El grupo tiol, -SH, libera el protón y se forma
el grupo tiolato, -S-, el cual se asocia al ion
M+ formado en la superficie de la lámina.
Así pues, por cada M sólo se puede asociar un
alcanotiolato. Sin embargo, si el tamaño de M+
es menor, lo cual es lo más común, que el volumen que ocupa
cada alcanotilato, ni siquiera es posible establecer una
asociación de relación molar 1:1. Ello significa
que lo más común es que, al ocurrir el
auto-ensamblaje de alcanotiol sobre la superficie de M, sobre la
misma se encuentren más átomos de M que
moléculas de alcanotiolato autoensambladas. Lo que
sí no puede ocurrir es que la cantidad de moléculas
de alcanotiolato exceda al de los átomos de M por el
simple y sencillo hecho que no se quedarían fijadas a la
superficie. Por esa razón, el autoensamblaje tiene
naturaleza de una capa monomolecular. Esta característica
hace que el cambio de coloración en la superficie del
metal sea poco significativa, a veces imperceptible. Por ello,
comprobar el auto-ensamblaje de la monocapa sobre una
lámina metálica no debe hacerse a simple vista sino
mediante el estudio de una determinada propiedad física
para ver si ha ocurrido algún cambio.

Puede darse el caso, que es lo más común,
de que después de formarse la monocapa queden "huecos", o
sea espacios en que no se ensamblaron moléculas de
alcanotiol. Las moléculas de alcanotiol ya ensambladas
tienden a repeler a las otras moléculas que se aproximan a
la superficie. Este fenómeno de repulsión es el que
puede provocar que queden huecos sin cubrir sobre la superficie
metálica. Esos huecos constituyen defectos del
autoensamblaje y muchas veces son inevitables pero que en la
práctica pueden afectar.

Cuando analizamos la superficie de la lámina como
totalmente plana hemos hecho una gran aproximación.
Realmente a ese nivel atómico pueden aparecer las
más diversas irregularidades. Ello es especialmente
acentuado cuando la lámina se ha raspada
mecánicamente, ya no sólo con una lima o papel de
lija, sino hasta mediante la frotación de la superficie
con alúmina
(Al2O3), un procedimiento muy
utilizado en este tipo de trabajos de limpieza de
superficies.

Aunque los derivados sulfurados, como los alcanotioles,
forman monocapas estables sobre la superficie de metales, como el
oro, esta fijación tiene una naturaleza muy
dinámica. Así, si una superficie metálica,
con una monocapa de un determinado alcanotiol, se introduce en
una solución, que contenga otro alcanotiol, tiene lugar un
intercambio entre ambos.

Las monocapas más ordenadas, compactas y
regulares se forman con alcanotioles de cadenas largas, con ocho
o más átomos de carbono.
Aparentemente las propias cadenas carbonadas de naturaleza
hidrofóbica interactúan entre sí,
atrayéndose y compactándose, en proceso de
auto-organización.

En lo sucesivo utilizaremos las siglas SAM para
identificar la formación de monocapas autoensambladas,
como es costumbre en la literatura
internacional.

Hemos estado
analizando en detalle procesos de autoensamblaje entre metales
nobles, como el oro, y alcanotioles. Sin embargo, ese no es el
único tipo de monocapas que se pueden formar por
autoensamblaje. Óxidos metálicos, vidrio, silicio,
etc. pueden servir de base para formar monocapas autoensambladas
(SAM) con una amplia variedad de sustancias. Superficies de
óxidos metálicos o de silicio, SiO2,
pueden reaccionar químicamente con moléculas que
contengan grupos fosfato,
por ejemplo, lo cual es muy beneficioso en el caso del
autoensamblaje de biomoléculas, como el DNA y
RNA.

Efecto Macrocíclico

Se denomina macrociclo a aquella molécula que
forma un ciclo y consta de no menos de 9 átomos, y donde
al menos 3 de ellos se pueden comportar como donantes
electrónicos. Tales ciclos, pueden "acomodar" o fijar en
el interior del ciclo a un ion metálico (o de otra
naturaleza) de dimensiones adecuadas. Cuando ello ocurre se
alcanza una estabilización superior a la esperada por el
efecto quelato (cuando una molécula se enlaza a un metal
por más de una posición).

El efecto quelato se basa en un aumento de
entropía por aumentar el desorden del sistema, al
sustituir un ligando quelato a dos o más de la esfera de
coordinación interna del complejo. Veamos.
Si el ion cobre(II) en
solución acuosa se encuentra en forma de
Cu(H2O)42+ al interactuar con la
molécula (ligando), que se encuentra a la izquierda en la
Figura 2, tendrá lugar la reacción
siguiente:

Cu(H2O)42+ + L ® CuL2+ + 4
H2O

Puede observarse perfectamente que al reaccionar dos
moléculas dan lugar a cinco. Como
termodinámicamente la entropía es el
parámetro que mide el desorden de un sistema, al aumentar
el número de partículas, aumenta el desorden. En
esta reacción el ligando es un quelato con cuatro
átomos donantes, cada uno de los átomos de
nitrógeno de los grupos aminos, -NH2, que
presenta.

El efecto macrocíclico es fundamentalmente
entrópico, ya que el ion metálico pierde las
moléculas de agua que presenta coordinadas. A su vez, el
macrociclo puede contener, lo cual es lo más frecuente,
una cierta cantidad de moléculas de agua en su interior,
la mayoría de las cuales salen del interior del anillo al
enlazar al ion metálico.

Por otra parte, el efecto macrocíclico
también tiene una importante componente entálpica.
El macrociclo no presenta la misma conformación cuando se
encuentra libre a cuando contiene a un ion metálico y en
ese proceso consume energía.

Veamos lo anteriormente expresado en un ejemplo concreto. El
ligando representado a la derecha en la Figura 2, al igual que el
de la izquierda, presenta cuatro átomos donantes. Por
ello, al reaccionar con el
Cu(H2O)42+ también hace
aumentar el número de partículas presentes en la
solución acuosa y ello provoca un aumento de
entropía. Ahora bien, en este último caso, como el
metal se fija en el anillo, éste último no requiere
de un alto consumo de
energía para reordenarse geométricamente para
poderse coordinar al metal. El ligando lineal representado a la
izquierda en la Figura 2 requiere de un significativo
reordenamiento para pasar de lineal a la forma de herradura, y de
forma tal que los cuatro átomos de nitrógeno queden
orientados hacia un mismo lado.

El ajuste del ion metálico dentro del anillo del
macrociclo implica un reconocimiento molecular dado por las
geometrías del macrociclo y del ion metálico. Si el
tamaño del metal es menor que el diámetro del
anillo la coordinación es débil y requerirá
que el macrociclo reajuste su conformación para adoptar la
forma de anillo menor. Por el contrario, si el metal es mayor
dimensión que el anillo igualmente la estabilidad
será baja, pero el metal tenderá a ubicarse fuera
del plano del macrociclo, como si estuviera coronado por
éste último. En el reconocimiento molecular el
macrociclo se comporta como hospedero o endoreceptor, mientras
que el ion metálico hace las funciones de
huésped o sustrato.

Veamos el ejemplo representado en la Figura 2. La
molécula a la izquierda en la Figura 2 se comporta como un
quelato ya que puede coordinarse al cobre(II) mediante los cuatro
átomos de nitrógeno de los grupos amino. Para que
se formen esos cuatros enlaces la molécula debe ir
modificando su conformación, de lineal a la forma de
herradura, como se representa en la Figura 2. En ello consume
energía entálpica (D H).
En el caso del macrociclo (molécula de la derecha en la
Figura 2) no se requiere de ningún reordenamiento
conformacional para que pueda asociarse a un ion metálico;
sólo basta que el metal quepa dentro del anillo o
macrociclo. Por ello, este último proceso
energéticamente se encuentra más
favorecido.

Los macrocíclos, aunque aumentan la estabilidad
termodinámica en la coordinación del
metal, disminuyen grandemente la cinética del proceso de
coordinación, así como el de disociación.
Esquemáticamente, estas variaciones en estabilidad
termodinámica y cinética, se representan a en la
Tabla 1.

Tabla 1. Comparación de las
características termodinámicas y cinéticas
de complejos simples, quelatos y macrocíclicos.

El efecto macrocíclico es de gran importancia
práctica, sobre todo en los sistemas biológicos.
Macrociclos constituidos por cuatro pirroles son las porfirinas y
las corrinas. La clorofila es un complejo de magnesio con
porfirina, mientras que con el grupo hemo (de la hemoglobina) lo
es del hierro(II). La clorofila, esa sustancia que le confiera la
coloración verde a las plantas y permite
que la planta sintetice carbohidratos
a partir del CO2 del aire, esta
constituido por un macrociclo denomina porfirina, con un ion
magnesio ubicado en el centro. Si ese mismo macrociclo
porfirínico fuera una molécula lineal no
existiría la clorofila ni podría realizar la
fotosíntesis. Por esa razón la
clorofila constituye el mejor ejemplo de los que significa el
efecto macrocíclico.

La vitamina B12 es un complejo de cobalto con
una corrina, que tiene un menor grado de deslocalización
electrónica que la porfirina. Por esa misma
razón, la corrina es mucho más flexible que la
porfirina y tiende a adoptar una configuración menos
planar.

Éteres Coronas

Los primeros compuestos supramoleculares estudiados
fueron los que forman los éteres corona (en inglés:
crown ethers) con los metales alcalinos. Estos compuestos fueron
obtenidos accidentalmente por Pedersen en 1960 (uno de los tres
que obtuvo el Premio Nobel) tratando de sintetizar el
bis[2-(o-hidroxi-fenoxi)etil)éter.

Con mucha frecuencia al relatarse las historias de los
grandes descubrimientos tiende fácilmente a catalogarlos
como producto de la accidentalidad. "Accidentes" en
los procesos de investigación ocurren con mucha facilidad:
el sistema se calentó en demasía, no se usaron los
reactivos previstos, el recipiente donde se realizó no
estaba lo suficientemente limpio, etc. Lo que diferencia a los
grandes descubridores científicos del resto delos
trabajadores de las ciencias estriba en que los primeros son
capaces de sacar máximo provecho de esos "errores" y no
desechar el experimento porque no se obtuvo lo esperado. En lo
inesperado esta la gloria.

Se denominan "éteres" porque contienen enlaces
–C-O-C- y "corona" porque los átomos se ubican entre
sí de una forma zigzagueante y pueden "asentarse" sobre el
ion metálico como una corona sobre la cabeza del monarca.
Realmente en la inmensa mayoría de los casos el
éter corona no se asienta sobre el ion metálico,
sino que este último queda incluido dentro de la cavidad
bidimensional. Sin embargo, el 18-crown-6 sí se asienta
sobre el cesio(I) como una verdadera corona, considerando al ion
metálico como la cabeza del monarca.

En estos compuestos el tamaño del macrociclo,
respecto al tamaño del ion, define la estabilidad del
compuestos supramolecular formado. La estabilidad no es alta, ni
compleja la geometría,
que tiende a ser cuasi-planar, pero el enlace M-L tiene un pobre
carácter covalente. Por estas razones los
compuestos macrocíclicos se definen como
supramoleculares.

Las constantes de estabilidad (que corresponden a
constantes de equilibrio entre el ion metálico y el
éter corona y el complejo asociado) de los éteres
coronas (Tabla 2) con los metales alcalinos no son elevadas, pero
sí lo suficiente para ser utilizados en diferentes
procedimientos
de síntesis, incluso catálisis. Los éteres
corona permiten disolver iones metálicos en solventes
orgánicos.

Analizando la Figura 3 y los datos que
aparecen en la Tabla 2, puede observarse cómo la
estabilidad de los compuestos que forman los éteres
coronas con los metales es baja y depende de la concordancia
entre el tamaño del anillo y el ion
metálico.

Los éteres corona se nombran comenzando por el
nombre de los sustituyentes, si los hubiera, después el
número total de átomos que forman el macrociclo,
seguido de la palabra "crown" (corona) y finalmente el
número de átomos donantes presentes en el
ciclo.

Tabla 2. Éteres coronas y metales
alcalinos afines.

En la Tabla 2 se da un intervalo de diámetros
para cada éter corona porque sólo la presencia del
catión le da una geometría circular definida al
macrociclo. Sin el catión, el macrociclo tiende a ser
ovalado por la formación de puentes de hidrógeno
entre grupos opuestos geométricamente.

El complejo que forma el Cs+ con el
18-crown-6 (log K = 4.62) no es nada planar. El Cs+ se
ubica fuera del plano, como si lo estuviera usando como una
verdadera corona.

Con este mismo éter corona el Na+
tampoco forma un complejo plano, al tender el macrociclo a
envolver al metal, de menor radio que el
hueco del macrociclo. Por esa razón, el complejo de
Na+ con 18-crown-6 es relativamente poco estable (log
K = 4.32). Con estos dos ejemplos se evidencia cómo las
propiedades del macrociclo y el metal deben complementarse,
reconocerse moleculamente, para formar el complejo
supramolecular. No se trata de un mero "llave y cerradura". El
macrociclo adopta la conformación necesaria para cada ion
metálico en cuestión.

El complejo más estable del 18-crown-6 es el
formado con el K+ (log K = 6.10) por ser el
catión metálico que mejor se ajusta al
tamaño del anillo. Por su parte, la Ag(I) forma un
complejo poco estable con el 18-crown-6 (log K = 1.60). Si uno de
los átomos de oxígeno
del referido éter corona se sustituye por un grupo NH la
estabilidad del complejo de K+ decae (log K = 3.90)
mientras que el de Ag+ aumenta (log K = 3.30). Si se
realiza una nueva sustitución de un átomo de
oxígeno por NH, en trans respecto al primer grupo NH, la
variación continua: log K(K+) = 2.04 y log
K(Ag+) = 7.80. Así, sustituyendo uno o
más átomos de oxígeno de un éter
corona por átomos de azufre o grupos NH se puede variar la
afinidad del macrociclo por diferentes tipos de iones
metálicos, representativos o de
transición.

Criptandos

Los criptatos fueron desarrollados por Lehn. Los
primeros reportes datan de 1969. 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. Veamos el ejemplo representado en la
Figura 4.

El criptando representado en la Figura 4 varía su
selectividad atendiendo a la dimensión de la cavidad, esto
es, a los valores de "n" y "m".

Para m = 0 y n = 1 es muy selectivo por el
Li+.

Para m = 1 y n = 0 es muy selectivo por el
Na+.

Para m = 1 y n = 1 es muy selectivo por el K+
(log K = 10.4 en metanol), con mucha más estabilidad que
con los éteres corona. Este criptando igualmente presente
una gran afinidad por los por los metales
alcalino-terreos:

Ba2+ > Sr2+ >>
Ca2+.

También puede incluir establemente al ion amonio
mediante la formación de puentes de hidrógeno
N-H…….N.

En lugar de átomos de oxígeno como
donantes puede haber grupos NH. Cuando predominan éstos
últimos (NH) el criptando puede incluir aniones, donde
igualmente la inclusión se estabiliza mediante la
formación de puentes de hidrógeno.

Los sepulcratos vienen a casos particulares de
criptandos que sólo contienen grupos NH y N como donantes,
tal y como se aprecia en la Figura 5.

Ambas denominaciones, criptando (proviene de "cripta") y
sepulcrato, son de naturaleza mortuoria, ya que de lo se trata es
de "enterrar" al ion dentro de su cavidad central.

Esferandos

Los esferandos fueron desarrollados por Donald Cram
(UCLA, Estados
Unidos).

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. Así, por ejemplo, el
esferando representado en la Figura 6 forma un complejo con
Li+ con log K ~ 16 y con Na+ la log K ~14.
Con K+ prácticamente no hay inclusión.
Por ésta razón este esferando pudiera ser utilizado
para eliminar las impurezas de Li+ de una muestra de
K+.

A partir de estos tres tipos básicos de
macrociclos: éteres coronas, criptatos y esferandos, se
han desarrollado posteriormente combinaciones con unos y otros.
Tal es el caso de los criptoesferandos, como el representado en
la Figura 7.

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.

Los calixarenos (denominación que proviene de la
palabra "caliz" por tener aspecto de copa) constituyen un caso
particular de cavitandos donde los anillos aromáticos
presentes son fenoles. Los grupos –OH de estos fenoles
forman entre sí, cuando todos están orientados
hacia el mismo extremo, puentes de hidrógeno que hacen que
los anillos se mantengan formando una cavidad cónica
rígida. Cuando los grupos OH de los fenoles se encuentran
sustituidos formando alcóxidos esta rigidez se pierde y
uno o varios anillos se pueden presentar de forma
alternada.

Estos ligandos macrocíclicos se obtienen por la
condensación de fenoles para-sustituidos y
formaldehído. Con la modificación del sustituyente
en "para" al grupo –OH, así como del grado de
condensación (pueden condensarse de 4 a 8 moléculas
de fenoles) puede alcanzarse una gran diversidad de calixarenos.
Los calixarenos se nombran anteponiendo los sustituyentes del
fenol y a continuación la palabra calix[n]areno,
donde "n" indica el número de fenoles que participan en la
formación del cavitando.

En la Figura 8 se representa el calix[6]areno. El
término "calix" es haciendo referencia a la forma
geométrica de esta molécula, que se asemeja a una
cáliz. Por su parte, el término "areno", que es el
segundo componente de la palabra, india el
carácter aromático del compuesto.

Los calixarenos desprotonados pueden coordinar metales
alcalinos en el borde inferior (donde están los grupos OH)
y actuar como sus carriers (portadores). Incluso, estos grupos OH
se pueden transformar en ésteres. En el caso del
calix-4-areno el tetraester formado puede coordinar
Na+ con ocho átomos de oxígeno
coordinados al catión metálico.

La cavidad aromática del calixareno permite la
inclusión de moléculas huésped de
tamaño relativamente pequeño, como el catión
cesio, Cs+.

Mediante la condensación de los grupos fenoles de
dos calixarenos se puede obtener los denominados
cálix[n]tubos.

Compuestos supramoleculares tridimensionales
complejos

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:

• Los rotaxanos
• Los catenandos
• 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:

1. En la que después de sintetizada la
   molécula-eje se introduce en la molécula-buje,
   aún sin ciclarse y después se procede a
   ciclarla.
2. En la que la molécula-eje se incluye dentro de
   la molécula-buje y entonces se le enlazan los
   stoppers.
3. En la que se sintetiza la molécula-eje con los
   stoppers ya enlazados y entonces se incluyen dentro de la
   molécula-buje.

Estas tres alternativas están representadas en la
Figura9.

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.

Ya se han obtenido helicatos sin la participación
de un ion metálicos, verdaderos miméticos del
DNA.

Ciclodextrinas

Las ciclodextrinas (CDs) constituyen un grupo de
oligosacáridos cíclicos no reductores, compuestos
de 6, 7, u 8 unidades de glucopiranosa unidas por enlaces
a (1®
4) y denominadas a -, ß-, y
g –CD
respectivamente. La primera referencia a las CDs se remonta a
1891, cuando Villiers aisló una sustancia cristalina que
denominó celulosina a partir de un cultivo de Bacillus
macerans en almidón. En 1903, Schardinger
publicó los resultados de sus investigaciones
sobre la ß-CD, que coincidieron con los de Villiers para la
celulosina. A Schardinger se le deben los primeros estudios sobre
estas sustancias y es por ello que también se les puede
encontrar en la literatura con el nombre de "dextrinas de
Schardinger".

Las CDs son obtenidas por conversión
enzimática del almidón de la papa en dextrinas
lineales y cíclicas que son posteriormente separadas. La
enzima empleada, la ciclodextrin-transglicosilasa (CTGasa), es
obtenida a partir de diversos microorganismos. Mediante ingeniería genética
se han logrado obtener enzimas más eficientes y
selectivas, con lo cual se han abaratado mucho los costos de
producción de las CDs. La separación de las
tres CDs es el paso determinante en el costo de producción. La b
-CD es la más barata de las tres y la g -CD, la más cara.

Las CDs poseen una forma tridimensional que recuerda a
un cono anular truncado. Los grupos hidroxilo de las posiciones
2, 3 y 6 de las unidades de glucopiranosa están situados
formando dos anillos en ambos bordes de la cavidad, los
secundarios hacia el borde más ancho y los primarios hacia
el más estrecho (Figura 13). La existencia de puentes de
hidrógeno intramoleculares entre los átomos de
hidrogeno de
los grupos hidroxilo de la posición 3 y los átomos
de oxigeno de la
posición 2 de la unidad adyacente contribuyen a darle una
estabilización adicional a la molécula. Las
características de la cavidad central están
determinadas por los átomos de hidrógeno de las
posiciones 3 y 5 y los pares de electrones libres de los enlaces
glicosídicos que, orientados directamente hacia su
interior, dan a la cavidad una alta densidad
electrónica y un carácter marcadamente
hidrófobo.

El resultado es una molécula con una cavidad
central esencialmente apolar y un exterior con grupos hidroxilo
disponibles para la interacción hidrofílica por
formación de puentes de hidrógeno. Las dimensiones
de la cavidad, que dependen del número de unidades de
glucopiranosa, son tales que las CDs pueden dar cabida a una
molécula orgánica de tamaño
adecuado.

Las ciclodextrinas son sólidos cristalinos e
incoloros, solubles en agua. Sus propiedades físicas
fundamentales se resumen en la Tabla 3.

Tabla 3. Propiedades físicas de las
ciclodextrinas.

El descubrimiento del poder acomplejante de las CDs se
debe a Prigsheim en 1920, aunque el término "complejo de
inclusión" fue acuñado por Schlenk 30 años
después.

La formación de los CI requiere que las
dimensiones de la molécula huésped sean compatibles
con los de la cavidad. Como quiera que el interior de la cavidad
es esencialmente apolar, se requiere además una
molécula preferentemente hidrófoba o que posea, al
menos, grupos hidrófobos. Si la molécula posee
además grupos polares que puedan interactuar con los
grupos hidroxilo exteriores por formación de puentes de
hidrogeno, el CI resultante será más estable por la
combinación de ambos tipos de interacciones. Desde el
punto de vista energético, la formación de un CI
esta favorecida por el desplazamiento, por parte del
huésped, de moléculas de agua que se encuentran en
el interior de la cavidad en posiciones entrópicamente
desfavorables, dado el carácter poco polar del
microentorno donde se sitúan.

En solución, pueden coexistir varios equilibrios
que involucran al CI, por ejemplo:

Que el equilibrio 1 se encuentrte más o menos
desplazado a la derecha dependerá, en gran medida, de las
características de la molécula X. Si X es una
molécula muy pequeña, pueden formarse CI de
estequiometría CD:X = 1:2 (equilibrio 2),
pero, por el contrario, si las dimensiones de X son tales que
permiten su interacción con dos moléculas de CD, se
obtendrán complejos 2:1 (equilibrio 3). Por último,
si el CI es muy soluble el equilibrio 4 prácticamente no
existirá, de lo contrario precipitará.

Como consecuencia de la inclusión se producen
cambios reversibles en las propiedades de la molécula
incluida, tales como corrimientos espectrales y cambios de
intensidad de las bandas de los espectros UV-Vis, de RMN, de
dicroismo circular o de fluorescencia.

Estos cambios tienen gran importancia ya que permiten
realizar estudios estructurales y/o hacer determinaciones
cinéticas y termodinámicas. Otras propiedades como
la solubilidad en agua, la volatilidad y la fotosensibilidad son
alteradas al formarse el CI. De esta forma se ha logrado
solubilizar drogas muy
poco solubles en agua, estabilizar sustancias volátiles o
protegerlas contra la oxidación.

En el laboratorio
que dirige el autor de este libro
(Laboratorio de Bioinorgánica, Facultad de Química,
Universidad de La
Habana) se han desarrollado numerosos trabajos sobre la
química supramolecular de compuestos derivados de
ciclodextrinas.

Química Supramolecular y
catálisis

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. 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. 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. 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.

Estos tres pasos están representados
esquemáticamente en la Figura 14.

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.

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.

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 cada vez
más complejos.

Bibliografía y Sitios Web

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   transition metal colloids: a novel family of reusable
   catalysts? Chem. Rev. 2002, 102, 3757-3778.

Como esta temática se encuentra
íntimamente relacionada con la Química de los
Compuestos de Coordinación se recomienda:

8. Cao, R.; Fernández, N.; López, J. M.
   Compuestos de Coordinación. Ed. Pueblo y Educación. La Habana. 1988.

Sitios web:

www.aist.go.jp/NIMC/MPG/member/tamki/project/polymer

Autor:

Lic. Javier Hernández
Obregón