I macrocicli in chimica supramolecolare
Buongiorno,

dopo aver fatto una rassegna delle interazioni deboli in chimica supramolecolare passiamo ai macrocicli usati in questa branca della chimica. Premesso che questo è un campo di ricerca relativamente nuovo e in continuo sviluppo, qui saranno elencati non i più recenti macrocicli ma alcuni dei più noti e usati.
Essi sono i seguenti:

- Eteri corona
- Criptandi
- Sferandi
- Ciclodestrine
- Calixareni

ETERI CORONA

Sono polieteri ciclici in cui ogni ossigeno è separato dall'altro da un gruppo etilene ( -CH2CH2- ) ( anche se sono stati realizzati eteri corona differenti ). La nomenclatura prevede che il nome inizi col n° di atomi totali seguito da " corona " e poi il n° di atomi di ossigeno. Il n° di atomi totali è sempre il triplo di quelli di ossigeno ( per questi etilenici ). Pioniere nella sintesi e nello studio degli eteri corona fu il dott. C. Pedersen, a cui insieme a J.M. Lehn e D.J. Cram fu insignito del premio Nobel per la chimica nel 1987. Qui in foto in ordine da sinistra a destra, all'etá in cui ricevettero il premio:

           

   

Gli eteri corona complessano, tramite interazione ione - dipolo e legame a H, in maniera specifica cationi alcalini e ioni ammonio. La selettività dell'etere corona verso lo ione alcalino dipende dalla grandezza del macrociclo e dello ione, quando i diametri dei due sono comparabili allora si ha una complessazione ottimale in cui il catione sta al centro dell'etere corona disposto in maniera quasi planare. Ne viene che il 12-corona-4 è specifico per il litio, il 15-corona-5 per il sodio, il 18-corona-6 per il potassio, il 21-corona-7 per il cesio. Sotto una tabella di valori dimensioni ione-etere:

   

Quando i diametri dello ione alcalino e dell'etere corona non sono comparabili si ha una complessazione non ottimale che puó essere in due modi. Ad esempio se mettiamo il cloruro di sodio col 18-corona-6 nell'opportuno solvente avremo che l'etere, dato lo ione troppo piccolo, si contorcerá per avvicinare il piú possibile gli atomi di ossigeno allo ione. Se invece lo ione é troppo grande, come nel caso del tiocianato di cesio e 18-corona-6, l'etere complesserá tenendo fuori lo ione alcalino. In particolare, 2 ioni cesio vengono complessati da due eteri corona che si disporranno con gli ossigeni verso l'esterno come una vera e propria corona, mentre nel mezzo stanno due controioni tiocianato a ponte. Non ho un programma per fare un disegno ma penso sia abbastanza chiaro. Sotto una tabella di costanti di complessazione. Badate che é logK non pK, quindi piú é alto il valore piú é grande la costante di complessazione:

   

La sintesi degli eteri corona non é nulla di straordinario. Si fa reagire un polietilenglicole con un numero di carbonio pari alla metá di quelli dell'etere corona desiderato con il medesimo polietilenglicole sostituito alle estremitá da buoni gruppi uscenti quali cloro o tosile in ambiente basico. Per sostituzione nucleofila si forma il ciclo. Vi allego una immagine ma potete vedervene altre su OrgSyn:

   

Gli eteri corona sono degli ottimi agenti sequestranti ma non è questo il loro uso più importante bensì solubilizzare sali alcalini in solventi organici. Ad esempio la reazione seguente pressapoco non avverrebbe senza l'etere corona mentre con esso procede in maniera quantitativa.

   

Complessando il potassio, l'etere corona ovviamente trascina pure il controione fluoruro ma questo si ritrova  desolvatato, nudo in un certo senso e per questo molto reattivo.
Concludiamo questa prima parte dedicata agli eteri corona con il video di una lectio tenuta dal prof. Lehn alla mia ormai ex-universitá. Buona visione !

https://www.youtube.com/watch?v=gZl9PfY0X6s

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(2017-11-01, 08:21)zodd01 Ha scritto: La selettività dell'etere corona verso lo ione alcalino dipende dalla grandezza del macrociclo e dello ione, quando i diametri dei due sono comparabili allora si ha una complessazione ottimale. Ne viene che il 12-corona-4 è specifico per il litio, il 15-corona-5 per il sodio, il 18-corona-6 per il potassio, il 21-corona-7 per il cesio.
In realtà non è così, non c'è una vera selettività.
Nella serie che hai elencato i macrocicli più grandi risultano avere un'affinità superiore per ciascun catione alcalino rispetto a quelli più piccoli, e comunque in genere il massimo di affinità per ciascun macrociclo è per il catione potassio.
Gli eteri corona non sono rigidi e planari come sembrerebbe osservando la formula di struttura, ma sono ripiegati su se stessi.
Si può avere un aumento di selettività rigidificando il macrociclo e rendendolo quindi preorganizzato per il binding dell'analita desiderato.
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Per selettivita' non intendo che un macrociclo complessa solo un determinato catione e gli altri no ma con uno di essi ha una logK più alta. Ovviamente c'è sempre una interazione, in particolare se il catione è molto più piccolo del macrociclo questo si accartoccia per avvicinare gli ossigeni, se paragonabile stanno con buona approssimazione planari, se troppo grande viene complessato da due macrocicli rimanendo fuori. Sì certo aumentando la rigidità aumentano le logK. Lo vedremo con gli sferandi, se mi riesce disegnarne uno in maniera comprensibile.
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CRIPTANDI

Salendo un gradino nella scala della preorganizzazione dei macrocicli in chimica supramolecolare, troviamo, al di sopra degli eteri corona, i criptandi.
I criptandi sono macrocicli biciclici polieterei in cui 2 atomi di ossigeno sono sostituiti da 2 atomi di azoto che fanno da testa di ponte per il secondo ciclo. Prendono il nome da cripta che significa grotta per ovvi motivi, la nomenclatura dei criptandi prevede la parola " criptando " e poi una numerazione che indica il numero di ossigeni a destra, sinistra e fra gli azoti teste di ponte ( in genere si mette come primo numero quello piú grande ).


       

Esattamente come gli eteri corona, i criptandi complessano ioni alcalini mediante interazione ione-dipolo. La selettivitá di un criptando verso gli ioni alcalini é uguale a quella dell'etere corona corrispondente al ciclo piú piccolo. Mi spiego meglio. Prendiamo un criptando. Per sapere subito verso quale ione alcalino ha una costante di complessazione piú grande sostituiamo mentalmente 2 ossigeni al nostro criptando. Poi contiamo quale dei due cicli é il piú piccolo e quale é l'etere corona corrispondente e dalla tabella sopra quale é lo ione preferito di questo etere corona corrispondente. Ad esempio, se facciamo questo giochino col criptando[2.2.2] viene fuori un 18-corona-6, quindi lo ione alcalino preferito é il potassio. 
Rispetto agli eteri corona corrispondenti, i criptandi hanno costanti di complessazione da 1000 a 10000 volte superiori. Ad esempio il 18-corona-6 ha una logK col potassio di 6,10 in etanolo, mentre il criptando[2.2.2] di 10,4. Ben 4 ordini di grandezza superiori. Questo é dovuto alla maggiore preorganizzazione, volgarmente detta rigiditá del criptando. La costante di complessazione é legata all'energia libera e questa é dovuta all'entalpia e l'entropia della complessazione. A paritá di legame debole, é l'entropia che fa la differenza fra criptandi e eteri corona. Un etere corona in soluzione, si piega si accartoccia, ha un certo grado di libertá. Quando complessa uno ione, si organizza attorno ad esso, in un modo o nell'altro, perdendo quel grado di libertá. Questo fatto ha un costo entropico. Il deltaS legato al macrociclo é negativo e quindi non favorito.
Il criptando invece per via del legame a ponte, é rigido. Le vibrazioni, le distorsioni sono ridotte. I gradi di libertá sono ridottissimi quindi la complessazione ha costo entropico quasi zero. Il deltaS legato al macrociclo é quasi zero. Ne viene che la costante di complessazione risulta piú grande.

Si sintetizzano similmente agli eteri corona. Partendo da un polietilenglicole amino terminale con un iodo terminale. Per Sn2, in soluzione diluita per evitare polimerizzazioni si ottiene il criptando.

   

Saluti,                                                                                                                                                                                                                       
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SFERANDI

Salendo ancora un gradino su per la scala della preorganizzazione, troviamo, al di sopra dei criptandi gli sferandi.
Sono macrociclici polieterei pure questi anche se composti da unitá feniliche e complessano sempre per interazione ione-dipolo ioni alcalini. Gli sferandi sono giá completamente bloccati nella conformazione esatta per coordinare lo ione alcalino. Sono talmente rigidi che complessando lo ione non pagano nessun costo entropico. Ció si riflette nelle enormi costanti di complessazione.
Il giá citato dottor Cram usó proprio gli sferandi per dimostrare l'importanza della preorganizzazione. Mise a confronto uno sferando con un etere corona ed un emisferando che é a metá strada fra i due, e le rispettive costanti di complessazione verso ioni litio e sodio:

       

Come vedete piú é rigido l'host piú é grande la costante. Nel caso dello sferando col sodio, con una logK di 14 abbiamo che una volta entrato lí, lo ione alcalino non lo si tira fuori piú manco col solfuro. Il che ci dá il problema opposto, cioé quello di avere uno sferando puro senza sodio dentro. Sapete, il sodio essendo un po' dovunque basterebbe che lo sferando venisse a contatto con l'acqua che ci ritroveremmo uno sferando complessato col sodio.

Saluti,

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CICLODESTRINE

Sono oligomeri ciclici di glucosio anomero alfa, cioé D-gluco-piranosile, in cui l'idrossile anomerico di una unitá é legato alla posizione 4 di un'altra unitá. A seconda del numero di unitá si parla di alfa, beta e gamma ciclodestrine ( in figura da sx a dx ). Hanno simmetria assiale.

           

Come vediamo dalla prossima figura, le ciclodestrine si dispongono in maniera da esporre gli idrossili verso l'esterno ( secondari al bordo superiore, primari al bordo inferiore ) e i C-H verso l'interno, rendendo la ciclodestrina idrofila all'esterno e idrofoba all'interno. Vista in forma stilizzata, una ciclodestrina é un macrociclo tridimensionale con una cavitá. Piú grande é la ciclodestrina piú é grande il diametro della cavitá e con essa la grandezza massima del guest che puó ospitare, nell'ordine:

alfaCDx --> benzene / fenolo

betaCDx --> naftalene

gammaCDx --> antracene / 12-corona-4

    

   

Per via del loro esterno idrofilo, le ciclodestrine sono solubili in acqua ma al contempo grazie alla cavitá idrofoba possono ospitare molecole apolari o substrutture apolari di molecole. A queste proprietá sono dovute tutte le applicazioni delle ciclodestrine, le quali trovano impiego sopratutto in chimica farmaceutica:

1. Inclusione di farmaci

Si include un farmaco in ciclodestrine per renderlo solubile, trasportabile dal sangue.

2. Agenti schermanti

Si include un farmaco in ciclodestrina per proteggerlo dagli enzimi e farlo arrivare al target intatto.

3. Agenti retard

Si include il farmaco in CDx per fare in modo che venga rilasciato lentamente.

C'é anche un uso piú chimico delle CDx che é la catalisi. Ad esempio si puó idrolizzare l'acetato di fenile con una alfaCDx. Essa include il fenile e cosí l'acetato si trova in posizione perfetta per essere transesterificato da un OH secondario del bordo superiore e poi fra vari equilibri si torna alla CDx intatta, acetato e fenato liberi fuori da essa.

Le CDx si preparano per degradazione enzimatica dell'amido. In questa reazione si formano tutte le ciclodestrine possibili ed é necessaria la separazione molto tediosa con lunghe colonne cromatografiche. Il punto debole delle CDx é proprio questo: la separazione dei prodotti. Problema che si riscontra pure nella funzionalizzazione e derivatizzazione.
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CALIXARENI

Sono macrocicli formati da unitá fenoliche legate tramite ponti metilenici in meta. La nomenclature prevede si chiamino calix[n]arene dove n indica il numero di unitá fenoliche. Si hanno da calix[4] a calix[8] ma i piú comuni sono quelli con numero pari. I calixareni sono molto versatili perché complessano molecole neutre, cariche e cationi metallici. Si funzionalizzano con reazioni semplici e rese alte. Si chiamano calix perché la loro conformazione sembra un cono, un calice o un vaso, sopratutto il calix[8] ha una forma che ricorda lo skyphos greco. Il bordo costituito dagli ossidrili é detto bordo inferiore o lower rim mentre l'altro é il bordo superiore o upper rim. Come macrocicli essi sono molto flessibili. A temperatura ambiente il calix[4] é in equilibrio conformazionale con il suo cono rovesciato. Questo movimento parte dagli ossidrili del bordo inferiore e attraverso diverse forme intermedie ( quelle in figura ) si ha un rovesciamento come un guanto. La grandezza e la natura del sostituente in para é completamente ininfluente.

       

L'inversione della forma a cono si puó bloccare derivatizzando gli ossidrili del bordo inferiore con gruppi piú grandi del metile. Derivatizzando parzialmente si ottiengono conformazioni bloccate parzialmente. L'equilibrio conformazionale si puó studiare all'NMR ma non mi dilungo su questo. 

Si sintetizzano a partire da un fenolo sostituito in para, formaldeide e soda con una reazione simile a quella per la produzione della bachelite. Ci sono diverse ricette ( Petrolite procedure e Zinke - Conforth ) che portano in maggioranza uno o un altro calix ma l'importante é che il sostituente in para nel fenolo di partenza sia elettron-donatore perché se il sostituente é attrattore la reazione non avviene. Un effetto uguale lo si ha se si usa un solvente polare al posto di uno apolare.

    

La reazione é una condensazione / disidratazione. In realtá il meccanismo di ciclizzazione non é ancora molto chiaro ma piú o meno il meccanismo generale lo possiamo pensare come segue.

   

Se si vuole, ottenuto il calix si puó liberare la posizione in para con una retroalchilazione di Friedel Crafts con alluminio cloruro e fenolo in toluene.

Sono stati fatti studi di riconoscimento molecolare di ioni ammonio in acqua con calixareni solfonati in para. Non ne scriveró, chi é interessato puó cercare i lavori del prof. Shinkai. Concludo dicendo che Jerry Hartwood ha inventato un metodo per separare il fullerene C60 dal C70 utilizzando un calix[8]arene.

Saluti e alla prossima
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Se non ricordo male, qui a Catania sono in corso un po' di ricerche sul self-assembly di calixareni sostituiti e metallo-porfirine varie in modo da determinarne la stechiometria di aggregazione, vedo se riesco a trovare il DOI e lo aggiungo, magari è interessante per qualcuno!

EDIT:
Ok, trovato, l'articolo in particolare parla della dipendenza rispetto al pH dei fenomeni di aggregazione porfirina-calixarene. Molto interessante soprattutto per farsi un idea di cosa possiamo creare con i nostri building blocks supramolecolari.

EDIT 2: non riesco ad aggiungere un doi funzionante, lascio il titolo dell'articolo per chi fosse interessato "Calixarene–Porphyrin Supramolecular Complexes: pH‐Tuning of the Complex Stoichiometry"
"Perennemente indeterminato come Heisemberg"
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E certo a Catania da tradizione si fa supramolecolare.
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Mercaptano
Esatto, in un certo senso è quasi un must esserne immersi qui. Non sono esattamente il mio topic principale (sono più orientato verso la componente prettamente bio-organica e bio-inorganica) ma c'è tanta di quella roba su cui lavorare che non posso fare a meno di esserne affascinato. Soprattutto per tutta la comprensione delle interazioni di non legame. Infatti questa discussione mi piace un sacco e l'ho seguita per molto tempo senza pubblicare risposte.

Per chi volesse ho altri paper a tema porfirine da consigliare, li lascio qui che penso non faccia male!

https://www.researchgate.net/publication...nal_States

https://www.mdpi.com/1420-3049/26/3/704
"Self-Assembly of Discrete Porphyrin/Calix[4]tube Complexes Promoted by Potassium Ion Encapsulation"
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