I dendrimeri sono molecole di dimensioni nanometriche, a simmetria radiale con una struttura ben definita, omogenea e monodispersa costituita da rami ad albero. Queste molecole iperramificate furono scoperte per la prima volta da Fritz Vogtle nel 1978, da Donald Tomalia e collaboratori all’inizio degli anni ’80 e, contemporaneamente, ma indipendentemente, da George R. Newkome.
I dendrimeri sono macromolecole, dette anche “molecole a cascata” contengono unità di ramificazione simmetriche costruite attorno a una piccola molecola o a un nucleo polimerico lineare. I dendrimeri presentano i gruppi terminali che possono essere funzionalizzati, modificando così le loro proprietà fisico-chimiche o biologiche.
Le caratteristiche uniche dei dendrimeri, come l’iperramificazione, la struttura sferica ben definita e l’elevata compatibilità con i sistemi biologici, sono responsabili della loro vasta gamma di applicazioni, comprese le aree mediche e biomediche. In particolare, la struttura tridimensionale dei dendrimeri può incorporare un’ampia varietà di farmaci per formare coniugati di farmaci biologicamente attivi.
Classificazione dei dendrimeri
La struttura dei dendrimeri presenta un atomo centrale o un gruppo di atomi che costituiscono il nucleo. Da questa struttura centrale si dipartono i rami che sono unità ripetitive e gruppi terminali che influenzano la funzionalità delle molecole.
I gruppi funzionali terminali sono posizionati alla periferia dello scaffold dendrimerico e sono il fattore più importante, che determina le proprietà dei dendrimeri. La loro classificazione può essere fatta sulla base della loro struttura o sulla base delle loro proprietà. Sulla base della loro struttura possono possono essere distinti in base alla loro forma, ai gruppi funzionali terminali e alle cavità interne ed essere classificati come dendrimeri:
- semplici basati sulla sostituzione simmetrica dell’estere dell’acido benzentricarbossilico. Questi materiali sono costituiti da 4, 10, 22 e 46 anelli benzenici collegati simmetricamente
- costituiti da cristalli liquidi che formano una fase smettica nell’intervallo di temperature compreso
carbossilani tra 17°C e 130°C. costituiti da monomeri mesogenici ottenuti dalla funzionalizzazione del carbossilano
- chirali in cui sono presenti 4 rami costituzionalmente diversi ma chimicamente simili legati a un nucleo achirale, ad esempio i dendrimeri chirali ottenuti dal pentaeritritolo, poliolo la cui struttura è quella di un neopentano avente un gruppo ossidrile su ciascuno dei quattro atomi di carbonio terminali
- micellari con disposizione micellare unimolecolare. Sono dendrimeri aromatici e solubili in acqua che formano un insieme di catene polimeriche aromatiche in grado di generare un ambiente che assomiglia ad alcune strutture micellari, che forma un complesso con piccole molecole organiche nell’acqua.
- ibridi con un’architettura complessa ben definita caratterizzata da un dominio centrale e rami biforcati con due sequenze dendritiche diverse per la loro configurazione atomica e gruppi funzionali alla periferia.
- anfifilici, classe di dendrimeri globulari contenenti unità sia idrofile che idrofobe, in grado
dendrimeri anfifilici di formare aggregati ordinati mediante interazioni intermolecolari non covalenti tra le unità dendrimeriche.
- metallici che contengono un metallo situato nell’unità di ripetizione, nel nucleo o alle estremità come gruppo terminale. L’incorporazione di specie metalliche nelle molecole dendritiche è di particolare interesse perché l’aggiunta di proprietà caratteristiche dei complessi metallici, come proprietà magnetiche, elettroniche e foto-ottiche, così come la reattività, può portare alla realizzazione di nuovi dendrimeri funzionalizzati.
Sintesi
Vie sono due vie sintetiche dette rispettivamente sintesi divergente in cui si parte dal nucleo e sintesi convergente che parte dalla periferia e procede verso l’interno. Ciascuno di questi due approcci comporta notevoli distinzioni: la selezione di una strategia adeguata rappresenta un fattore fondamentale, poiché definirà le caratteristiche distintive della macromolecola .
Nella sintesi divergente riportata da Tomalia si ha crescita graduale dei dendrimeri, a partire da un nucleo contenente diversi gruppi leganti. Vengono quindi eseguite reazioni sequenziali per espandere il dendrimero nel corso di diverse generazioni, a seconda delle sequenze specifiche applicate.
Queste reazioni possono coinvolgere vari gruppi funzionali, come ammine, acidi boronici, alcoli, tra gli altri, ma tutte seguono una procedura simile. Il processo inizia con una reazione sul nucleo, che impiega gruppi funzionali non reattivi che si legano alla periferia della macromolecola appena formata. Successivamente, viene fatta una fase di deprotezione o attivazione per convertire questi gruppi periferici in entità reattive, per facilitare la reazione successiva. Questo processo iterativo viene ripetuto per le generazioni successive fino al raggiungimento del dendrimero finale.
Il vantaggio principale di questa metodologia sta nella sua capacità di generare strutture vaste e complesse attraverso la crescita esponenziale del dendrimero in ogni generazione. Tuttavia, c’è deriva la possibilità che si verifichino reazioni collaterali ad ogni passaggio. Ciò è attribuito al numero crescente di gruppi reattivi in ogni generazione successiva. Di conseguenza si possono formare dendrimeri con difetti strutturali dovuti alla presenza di sottoprodotti.
Per contrastare l’aumento esponenziale dei gruppi reattivi e minimizzare la formazione di sottoprodotti, è quindi necessario l’uso di un eccesso di monomeri in ogni fase che garantisce che le reazioni desiderate siano favorite e aiuta a ridurre quelle collaterali indesiderate.
Questa metodologia, inizialmente riportata da Craig Hawker e Jean Fréchet nel 1990, prevede la formazione graduale di diversi rami, noti come dendri, che culmina infine nella sintesi della macrostruttura finale del dendrimero tramite un legame finale con il nucleo.
La sintesi convergente avviene a partire dai gruppi finali e procedendo verso l’interno. Quando i bracci polimerici ramificati in crescita, sono abbastanza grandi, sono attaccati alla molecola centrale multifunzionale. Questo metodo consente un migliore controllo sulla struttura del dendrimero e richiede meno quantità di monomero in ogni fase della sintesi con conseguente ridotta formazione di sottoprodotti durante le reazioni. Il controllo migliorato consente inoltre l’introduzione precisa dei gruppi funzionali desiderati alla periferia del dendrimero, il che ha un impatto significativo sulle proprietà finali della macromolecola.
Tuttavia, un notevole inconveniente è l’ingombro sterico incontrato durante l’accoppiamento finale dei dendri con il nucleo. Le grandi dimensioni dei dendri impediscono la reazione di altri bracci ramificati, limitando la formazione di dendrimeri con meno generazioni rispetto all’approccio divergente.
Nonostante questa limitazione, l’approccio convergente rimane una strategia preziosa per costruire dendrimeri con strutture controllate e funzionalità desiderabili. Offre vantaggi significativi in applicazioni specifiche in cui il controllo meticoloso e la riduzione al minimo dei sottoprodotti costituiscono una condizione fondamentale.