Secondo la I.U.P.A.C. i catenani sono idrocarburi che hanno due o più anelli collegati come anelli di una catena, senza che tra i due anelli sia presente un legame covalente.
I catenani sono la classe più semplice di molecole interbloccate meccanicamente che comprendono due o più anelli. Essi sono permanentemente interconnessi a meno non si rompa un legame di uno degli anelli.
Nomenclatura
Per la loro denominazione si antepone un numero che indica il numero di anelli interconnessi. Pertanto si gli anelli sono 2 si chiama [2]catenano e se sono 3 si chiama [3] catenano.
Per i catenani di ordine superiore si presentano isomeri topologici, un esempio dei quali sarebbe un [4]catenano. Questa molecola può avere una tipica connettività lineare comprendente quattro anelli interconnessi o, in alternativa, tre macrocicli interconnessi attorno ad un anello centrale. Per distinguere tra questi casi quest’ultimo è noto come [4]catenano radiale.
Proprietà dei catenani
La proprietà peculiare dei catenani è quella degli anelli di ruotare l’uno rispetto all’altro. Ciò può essere evidenziato dalla caratterizzazione tramite NMR. In genere il catenano può presentare una o più posizioni degli anelli termodinamicamente favorite rispetto ad altre.
Quando un catenano è sintetizzato tramite la coordinazione dei macrocicli attorno a uno ione metallico, la rimozione e il reinserimento dello ione metallico può attivare e disattivare il movimento libero degli anelli.
Se sono presenti più siti di riconoscimento è possibile osservare colori diversi a seconda del sito di riconoscimento occupato dall’anello e quindi è possibile cambiare il colore della soluzione di catenano cambiando il sito di riconoscimento preferito. Il passaggio tra i due siti può essere ottenuto mediante l’uso di metodi chimici, elettrochimici o anche basati sulla luce visibile.
Sintesi
Mezzo secolo dopo che i chimici Schill e Lüttringhaus effettuarono la prima sintesi di un [2]catenano, esistono ora una molte strategie per la costruzione di anelli molecolari interconnessi.
I catenani sono stati sintetizzati incorporando unità funzionali, come gruppi redox-attivi, gruppi che isomerizzano in presenza di luce, gruppi fluorescenti e gruppi chirali
Usi dei catenani
A causa della loro struttura ad anello, i catenani sono stati utilizzati in diversi assemblaggi e sensori del DNA e sfruttati in macchine molecolari come interruttori del DNA e motori rotativi.
Il loro utilizzo come interruttori è mediato dal cambio di posizione degli anelli, mentre la direzionalità o la rotazione degli anelli costituisce la base del loro utilizzo come motori. A causa della cavità all’interno della struttura ad anello, che consente l’alloggiamento di diverse molecole, la commutazione dei catenani può essere ottenuta mediante una serie di trigger, che vanno da coppie redox, cationi e anioni.
Le applicazioni chimiche di queste molecole vanno dai catalizzatori, sensori e polimeri. T
rovano applicazione anche in contesti biologici, come negli agenti di somministrazione di farmaci o come agenti di bioimaging ottico.
In questo ambito è stato assegnato il Premio Nobel per la Chimica 2016, a dimostrazione dell’elevato potenziale di queste molecole per applicazioni future. I chimici Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart e Bernard L. Feringa ricevettero l’ambito premio per lo sviluppo di molecole con movimenti controllabili, che possono svolgere un compito quando a queste molecole si aggiunge energia.