Saturday, May 04, 2013

Química Supramolecular, Ingeniería de Cristales


La química supramolecular es un área multidisciplinaria enfocada al estudio y empleo de ensambles moleculares unidos a través de interacciones no-covalentes, tales como puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones catión-π, etcétera. Esta área puede verse como una extensión de la química clásica del enlace covalente, que une átomos para formar moléculas, a una química del enlace no-covalente, que une moléculas, y con frecuencia la etiquetan, siguiendo a J.-M. Lehn, sencillamente como “química más allá de la molécula”. 

Un ejemplo claro de este estudio, es el análisis de complejos cristalinos  inorgánicos, los cuales están formados a través de asociación de moléculas por fuerzas intermoleculares, y pueden en principio considerarse como gigantescas supramoléculas con estructura periódica.

Lo nuevo que se ha introducido en el área de la química del estado sólido gracias al desarrollo de la química supramolecular es el uso amplio del concepto del reconocimiento molecular para el ajuste predecible de los bloques constructores de la red cristalina, y así la creación de las estructuras cristalinas con propiedades deseadas. De esta manera nació la ingeniería de cristales, la cual se define como:

“La comprensión de las interacciones intermoleculares en el contexto del empaquetamiento de los cristales y el empleo de este conocimiento en el diseño de sólidos nuevos con propiedades físicas y químicas deseables”.

Los elementos estructurales que realizan el reconocimiento molecular entre moléculas que forman la red cristalina se llaman sintones supramoleculares. Un aspecto importante es que hay sintones basados en interacciones intermoleculares muy débiles, como C-HO o C-HN,  los cuales casi no contribuyen al reconocimiento molecular en disolución. La razón de esto es que las interacciones de menor energía que las energías de movimiento térmico de translación y rotacional no son significativas en fase líquida y gaseosa, pero en fase cristalina estos movimientos desaparecen y las interacciones de energías aún muy bajas contribuyen notablemente. 

El modo de operación de los sintones supramoleculares está ilustrado en la figura 12 empleando como ejemplo las estructuras formadas por ácidos carboxílicos con diferente número de grupos carboxilo. El ácido benzoico con sólo un grupo puede formar únicamente un dímero considerado como cero-dimensional. El ácido tereftálico puede formar una cadena unidimensional. El ácido trimésico con tres grupos carboxilo forma una estructura policíclica plana bidimensional. Mientras que el ácido 1,3,5,7-tetracarboxílico adamantano es capaz de formar una estructura tridimensional. 

Las “propiedades deseadas” de un sólido cristalino pueden ser muy diferentes, incluyendo, por ejemplo, la presencia de poros, jaulas o canales del tamaño definido para la absorción selectiva de moléculas huéspedes; propiedades magnéticas, ópticas, etcétera. 

Como podemos observar, a química supramolecular, específicamente la ingeniería de los cristales, no es únicamente un campo de estudio, sino un enfoque general a la disciplina entera de la química. Su mérito principal es la introducción, en la química clásica, de los conceptos de organización y funcionamiento de los sistemas biológicos y el uso amplio de las interacciones no-covalentes para mejorar la selectividad y la eficiencia de diferentes procesos químicos, el diseño de ensambles moleculares funcionales y el control del empaquetamiento de los cristales. Además, su desarrollo nos permite la comprensión teórica profunda de la naturaleza de las interacciones intermoleculares.

Si se desea profundizar más sobre el tema, puede consultar el texto completo, el cual se encuentra en:

EMC=COSMOS. Enciclopedia de las Ciencias y la Tecnología en México.
Yatsimirsk, Anatoly K. 

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