Induzione di chiralità in sistemi supramolecolari: memoria e separazione enantiomerica
I chimici studiano la conversione della materia, che essa si trovi semplicemente nello stato condensato o che sia un sistema più complesso altamente organizzato; essi lo fanno per avere una percezione più chiara, per fare un'analisi più approfondita e poter, successivamente, applicare le informazioni ottenute in laboratorio. La chimica tradizionale, chiamata anche chimica molecolare, tramite atomi collegati tra loro da legami covalenti, ha creato una vasta gamma di molecole e materiali sempre più raffinati sviluppando un elevato numero di procedure utili al loro ottenimento. Nonostante ciò, non siamo ancora pienamente consapevoli delle forze e delle regole che controllano l'assemblaggio di sistemi molto complessi come i sistemi viventi. La natura by-passa i limiti della chimica molecolare usando una logica specifica: quando il complesso raggiunge una particolare complessità, usando i legami covalenti, costruisce sistemi più complessi usando le molecole come elementi costitutivi e i legami non covalenti (elettrostatici, legami a idrogeno, interazioni di tipo donatore accettore) come colla per costruire i cosiddetti sistemi supramolecolari. La branca della chimica che studia i sistemi supramolecolari è chiamata chimica supramolecolare. La chimica supramolecolare ha spianato la strada all'apprendimento della chimica come scienza basata sull'implementazione delle informazioni molecolari, con l'obiettivo di ottenere un controllo progressivo sulle caratteristiche spaziali (strutturali) e temporali (dinamiche) della materia e, sulla sua complessazione attraverso l'auto-organizzazione, lo stimolo che porta alla creazione della “vita”. Alla base dell'approccio supramolecolare vi sono le conoscenze di chimica organica, chimica fisica, chimica di coordinazione, studio teorico delle interazioni ma anche biochimica e processi biologici. La progettazione di un complesso supramolecolare con le opportune proprietà e funzionalità richiede una profonda conoscenza di i) componenti molecolari (strutture e siti di interazione), ii) tipo di processi coinvolti nel loro assemblaggio e, naturalmente, iii) le proprietà supramolecolari del complesso risultante. Solo in questo modo è possibile ottenere la stereochimica necessaria nell’aggregato progettato, che avrà le funzionalità ricercate, come ad esempio la capacità di riconoscere un substrato più di un altro o di dare una risposta diversa quando sottoposto a cambiamenti chimico-fisici (forza ionica, pH o variazione di potenziale ecc.). Quando i cambiamenti nell'ambiente intorno al sistema supramolecolare, causano in esso delle variazioni, se la risposta all'input è facilmente valutabile mediante, ad esempio, tecniche spettroscopiche quali assorbimento, fluorescenza o altre; ciò permette di utilizzare l'assemblato come device molecolare. L'obiettivo dei chimici supramolecolari è ottenere le condizioni ottimali che consentono ai singoli componenti di autoassemblarsi e formare l'architettura supramolecolare desiderata. Per questo motivo se i componenti possiedono le corrette informazioni (elettronica, energetica e sterica), semplicemente miscelando i vari componenti si avrà il riconoscimento e la conseguente formazione dell'aggregato supramolecolare desiderato. Questo processo si chiama autoassemblaggio e i sistemi derivanti possono essere definiti come sistemi supramolecolari programmati. Se la forza guida, in un processo di autoassemblaggio è il riconoscimento molecolare, una volta ottimizzati tutti i parametri coinvolti nel processo, l'aggiunta del giusto reagente fa si che il sistema evolva autonomamente nella costruzione del complesso supramolecolare, evitando così di procedere con i tradizionali processi di sintesi che richiedono molto tempo. Inoltre, se la formazione del complesso supramolecolare è guidata dal controllo gerarchico, è possibile gestire più finemente le caratteristiche finali del complesso. Uno dei vantaggi della chimica supramolecolare, rispetto all'approccio molecolare è la possibilità di indurre e/o trasferire le proprietà dai singoli componenti al complesso supramolecolare. Una delle proprietà che da un singolo componente, può essere trasferita all'intero sistema multicomponente, è la chiralità. La chiralità è una caratteristica che ha origine a livello elettronico (natura elicoidale della disposizione elettronica durante una transizione nei cromofori chirali), essa può trasferirsi alla disposizione tridimensionale dell'atomo o di entità supramolecolari. L'esplorazione dei diversi livelli di informazione può portare a molteplici applicazioni tecnologiche, dall'attivazione di effetti ottici non lineari, ai recettori molecolari per un elevato numero di funzioni (risoluzione racemica, sensori chirottici ecc.). La progettazione, la sintesi e la caratterizzazione dei complessi supramolecolari chirali sono ancora poco studiate, il loro approfondimento è utile, non solo per la loro conoscenza ma anche perché rappresentano un passo importante per comprendere meglio la nascita e lo sviluppo della chiralità nei sistemi viventi. La chiralità è una caratteristica fondamentale della materia vivente e della natura. Durante l'evoluzione della vita sul nostro pianeta, la natura ha preferito sviluppare un solo tipo di chiralità, selezionando in tal modo gli L-aminoacidi (ad eccezione della glicina) come componente principale delle proteine e degli enzimi e gli zuccheri D come componenti principali del DNA e RNA. Inoltre, la chiralità è universale, essa può essere osservata a qualsiasi livello, dal subatomico al molecolare, al supramolecolare, nanoscopico ed infine galattico. Nonostante vi sia un grande interesse in questa branca della scienza e, nonostante le affascinanti prospettive e gli stimoli che essa può offrire, siamo ancora molto lontani dalla comprensione dei meccanismi e delle forze che guidano i processi di autoassemblaggio e trasferimento di chiralità. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di approfondire le conoscenze sui fenomeni di trasferimento supramolecolare della chiralità in aggregati porfirinici, usando come templanti chirali sia polielettroliti che singoli amminoacidi. le prospettive future sono quelle di poter investigare la relazione tra la chiralità supramolecolare e l’arrangiamento spaziale dei monomeri nei complessi usando le più avanzate tecniche microscopiche. Negli ultimi due capitoli, si trova una panoramica sulle applicazioni della chimica supramolecolare nei campi del sensing e dell’energy storage .
Supramolecular chemistry, Chirality, Porphyrins, Chimica supramolecolare, Chiralità, Porfirine
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