La chimica supramolecolare è emersa come un campo in rapida crescita negli ultimi decenni a causa delle sue affascinanti strutture e delle potenziali applicazioni inaccessibili ai singoli composti molecolari. Invece di concentrarsi sugli atomi e i legami covalenti all’interno di una molecola, la chimica supramolecolare analizza le interazioni tra molecole per formare strutture più grandi e complesse chiamate assemblaggi supramolecolari.
La nascita ufficiale della chimica supramolecolare è dovuta al chimico francese Jean-Marie Lehn per i suoi studi pionieristici in questo campo che è stato insignito del Premio Nobel per la chimica nel 1987 insieme a Charles J. Pedersen e Donald J. Cram «Per lo sviluppo e l’uso di molecole con interazioni strutturali specifiche ad alta selettività».
La chimica supramolecolare consente la progettazione e la sintesi di materiali con proprietà specifiche. Questi materiali possono essere utilizzati in elettronica, ottica, catalisi, dispositivi sensoriali, tecnologie dell’informazione. È utilizzata nella progettazione di nanomateriali, come nanoparticelle, nanotubi e nanocapsule, utilizzati in diverse applicazioni, come il rilascio di farmaci, per migliorarne la solubilità, la stabilità e l’efficacia.
Sistemi supramolecolari sono studiati per catturare e immagazzinare gas, come l’idrogeno, il metano o l’anidride carbonica, con applicazioni in ambito energetico e ambientale. Tali sistemi sono utilizzati in diverse applicazioni come la cattura e stoccaggio di gas serra per ridurre le emissioni nell’atmosfera e mitigare il cambiamento climatico, la cattura gas tossici o inquinanti per fini di sicurezza e decontaminazione ambientale.
Interazioni molecolari e chimica supramolecolare
La chimica supramolecolare studia le strutture e le funzioni delle supermolecole che risultano dalle interazioni di forze intermolecolari di due o più entità chimiche in modo organizzato.
Questa classe di interazioni abbraccia un’ampia gamma di energie di legame e comprende le interazioni elettrostatiche, come ad esempio, legame a idrogeno, legami chimici secondari come interazioni dipolo-dipolo e ione-dipolo e interazioni idrofobiche, interazioni π-π e interazioni di dispersione.
Le interazioni idrofobiche si verificano tra regioni idrofobe di molecole diverse che tendono a raggrupparsi insieme in ambiente acquoso. Esse costituiscono una delle principali forze non covalenti coinvolte nell’auto-assemblaggio di molecole per formare strutture supramolecolari ordinate come micelle, emulsioni, strati auto-assemblati e aggregati molecolari che sono stabilizzate dalle interazioni idrofobiche tra le molecole che riducono l’energia del sistema.
Le interazioni π-π sono un tipo di interazione non covalente che coinvolge le nuvole elettroniche dei legami π presenti in molecole che presentano sistemi coniugati di doppi legami o aromaticità e sono spesso sfruttate per la progettazione e la sintesi di materiali e sistemi supramolecolari con proprietà e funzionalità specifiche.
Le interazioni di dispersione sono il risultato delle fluttuazioni temporanee nella distribuzione delle cariche elettroniche all’interno delle molecole. Nonostante siano più deboli dei legami covalenti o delle interazioni ioniche, le interazioni di dispersione sono fondamentali per stabilire l’ordine e la struttura delle sostanze a livello molecolare e per influenzare le loro proprietà fisiche e chimiche.
Complessi di inclusione e chimica supramolecolare
I complessi di inclusione si formano quando una molecola ospite viene inglobata all’interno di una cavità di un’altra molecola chiamata molecola ospitante che ha una cavità tridimensionale, generalmente idrofobica con una struttura adatta come ad esempio la ciclodestrina, il calixarene e i cucurbiturili.
La molecola ospite è generalmente più piccola e può essere una specie chimica neutra o ionica. Questo processo di inglobamento può portare a un aumento della stabilità termodinamica del complesso rispetto alle singole molecole, poiché l’energia libera del sistema diminuisce quando la molecola ospite si trova all’interno della cavità della molecola ospitante.
I complessi di inclusione sono un esempio di come la chimica supramolecolare permetta la progettazione e la creazione di strutture molecolari complesse e funzionali, sfruttando le interazioni non covalenti per ottenere nuove funzionalità e applicazioni pratiche in diversi campi scientifici e industriali.
In campo farmaceutico sono utilizzati per migliorare la solubilità, la stabilità e la biodisponibilità di farmaci a bassa solubilità in acqua, nell’industria alimentare sono usati per rimuovere odori o sostanze indesiderate da prodotti alimentari o migliorare la stabilità dei nutrienti. Sono inoltre utilizzati come catalizzatori per migliorare la selettività e l’efficienza di reazioni chimiche specifiche e per rimuovere inquinanti o contaminanti da ambienti acquatici o terrestri.
Esempi di sistemi supramolecolari
Oltre ai complessi di inclusione vi sono i monostrati auto-assemblati, SAM (Self-Assembled Monolayer) che sono strati molecolari che si assemblano su una superficie per adsorbimento depositando molecole anfifiliche su una superficie solida.
I polimeri supramolecolari sono catene polimeriche che si auto-assemblano grazie a specifiche interazioni non covalenti tra i monomeri, formando strutture ordinate e funzionali che presentano eccezionali funzionalità come materiali polimerici, come le proprietà ottiche e elettroniche regolabili e l’elevata reattività agli stimoli esterni.
L’adattabilità dei polimeri supramolecolari è diventata una risorsa importante per nuove applicazioni, come per l’uso sostenibile dei polimeri, ma anche nella biomedicina e nell’elettronica, nonché nei materiali autorigeneranti.
È tuttavia la natura a fornire gli esempi più emblematici di chimica supramolecolare. Il complesso enzima-substrato, la struttura del DNA e i suoi meccanismi di impaccamento e replicazione e le interazioni tra le proteine sono tutti esempi di chimica supramolecolare. Supermolecole come la ferritina sono assemblate da molte subunità ripetute più piccole che contengono informazioni precise per la loro corretta integrazione nella struttura più grande.