En 1987 el químico francés J.-M. Lehn fue galardonado con el Premio Nobel de Química junto con D. J Cram y C. J. Pedersen por sus estudios sobre las interacciones entre moléculas que determinan la estabilidad de ciertas asociaciones de varias especies químicas. En concreto desarrollaron una nueva rama de la química, de marcado carácter interdisciplinar, que actualmente se conoce como química supramolecular[1]. Como su propio nombre indica (supra hace referencia a superior o por encima de), en esta disciplina se estudian interacciones intermoleculares como los enlaces de hidrógeno, las interacciones de Van der Waals o las interacciones π-π, a veces denominadas genéricamente débiles, en contraposición al enlace químico (covalente, iónico o metálico). La química supramolecular ha ido desarrollando un lenguaje propio para describir aquellas estructuras estables objeto de su estudio que permanecen unidas mediante este tipo de interacciones intermoleculares.
De este modo, se han acuñado términos como reconocimiento molecular, que hace referencia a la capacidad que tienen algunas especies químicas de mostrar una gran selectividad entre ellas, como ocurre en muchas biomoléculas; el de química de anfitrión-huésped (host-guest chemistry) para describir complejos formados por dos o más entidades químicas unidas en una relación estructural específica y estable por fuerzas no covalentes; o el de ingeniería de cristales, que consiste en usar un conocimiento detallado de las interacciones intermoleculares para diseñar un sólido molecular con unas determinadas propiedades deseadas, es decir, en cierto modo extender el concepto de reconocimiento molecular a un sistema periódico infinito.
Otro concepto clave, objeto de esta sección, es el del autoensamblado o autoensamblaje molecular, que es un fenómeno que se da entre varias especies moleculares cuando adquieren espontáneamente una distribución espacial que no es aleatoria debido a interacciones intermoleculares directas o indirectas inducidas a través de su entorno. Estos autoensamblados pueden ser de una, dos o tres dimensiones según su estructura, y los más estudiados son los bidimensionales, ya que a menudo se pueden generar encima de un sustrato metálico o en una interfase líquida. A este tipo de autoensamblados se les denomina monocapas moleculares autoensambladas y son objeto recurrente de estudio en nanotecnología.
A la hora de estudiar los autoensamblados moleculares, a veces se recurre a los sintones, un concepto heredado de la química orgánica que sirve para describir las estructuras que forman los autoensamblados. Hay que tener en cuenta que estos ensamblados se generan gracias a interacciones intermoleculares, cuya magnitud (2–20 kJ mol–1) es mucho menor que la del enlace químico. Sin embargo, es suficiente para ordenar estas estructuras supramoleculares alejándolas de una distribución aleatoria.
Como es sabido, una de las interacciones intermoleculares más comunes es la de los enlaces de hidrógeno, que se forman entre un átomo muy electronegativo como el O, el N o el F y un átomo de hidrógeno unido covalentemente a otro átomo electronegativo, debido a la diferencia de electronegatividad tan acusada entre el hidrógeno y esos átomos. En las moléculas en las que el H está unido al elemento electronegativo la carga del enlace covalente se distribuye de forma marcadamente asimétrica, lo que genera un dipolo eléctrico causante de la interacción. Hay muchos grupos funcionales orgánicos que poseen este tipo de enlaces covalentes (ácidos carboxílicos, aminas, amidas, alcoholes, etc.), por lo que son muchas las moléculas apropiadas para formar monocapas moleculares autoensambladas. No significa que no pueda haber otros grupos susceptibles de formar autoensamblados, como pueden ser nitrilos, halogenuros, tioles o compuestos aromáticos, pero aquí nos centraremos en describir algunos ejemplos de autoensamblados moleculares gobernados por enlaces de hidrógeno.
Un ejemplo típico es el de moléculas que presentan varios de estos grupos funcionales distribuidos simétricamente, como es el caso del ácido trimésico o ácido benceno-1,3,5-tricarboxílico, que posee tres grupos funcionales dispuestos simétricamente y susceptibles de enlazarse a otras moléculas iguales mediante enlaces de hidrógeno dobles, por lo que resultan particularmente estables. En la figura 10.12 se muestra el autoensamblado más común de ácido trimésico sobre superficies metálicas. Como se aprecia, se trata de una estructura con motivos hexagonales y con un tamaño de poro bien definido que puede oscilar entre 10 y 15 Å según el tipo de sustrato. En la figura 10.12 se observa esta estructura obtenida sobre la superficie (111) de un cristal de oro revelada mediante microscopía de efecto túnel.
Los autoensamblados moleculares poseen estructuras de gran simetría y con orden de largo alcance, por lo que pueden servir como plantillas o patrones para la deposición posterior de otras especies, por ejemplo en los poros de la estructura. Como tanto la simetría como el tamaño del poro están bien definidos por las moléculas que se usen para construir el autoensamblado, se puede alcanzar una alta selectividad con respecto a las nuevas especies que se alojen en los poros. Es decir, tomando las moléculas apropiadas para construir un autoensamblado se pueden generar patrones con distinta simetría o con la misma simetría pero con un tamaño de cavidad distinto.
Esta versatilidad se muestra en los ejemplos de la figura 10.13. Como ya hemos indicado, el autoensamblado molecular de ácido trimésico da lugar a una estructura hexagonal con una cavidad de 1,0-1,5 nm, mientras que si se usa la molécula señalada en (b), con la misma simetría pero con una extensión mayor, se genera la misma red ordenada pero con un tamaño de cavidad de 2,8 nm. Se utilizarían los mismos sintones pero modificando la separación entre ellos. Alternativamente, otras moléculas como la (d) pueden dar lugar a otros autoensamblados con formas ligeramente distintas. Como es fácil de imaginar, las combinaciones son prácticamente ilimitadas.
[1] Como se trata de un campo extenso para una discusión en mayor profundidad puede consultarse: J.-M. Lehn. Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives. VCH-Wiley (1995). O la más extensa monografía J. W. Steed y J. L. Atwood. Supramolecular Chemistry. 2ª ed. John Wiley & Sons (2009).
[2] El esquema está adaptado de S. Griess et al. Single Mol. 3 (2002) 25-31. https://doi.org/10.1002/1438-5171(200204)3:1<25::AID-SIMO25>3.0.CO;2-K; las imágenes de microscopía de efecto túnel son de V. Iancu et al. Langmuir 29 (2013) 11593-11599. https://doi.org/10.1021/la402282x.
[3] J. Teyssandier et al. Chem. Commun. 52 (2016) 11465-11487. https://doi.org/10.1039/C6CC05256H.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
