RICERCA ITALIANA     

Self-assembly gerarchico di architetture supramolecolari multi-componente

Università degli Studi di Catania

Abstract

Questo progetto di ricerca si propone di realizzare la sintesi non-covalente di sistemi supramolecolari complessi, mediante l’impiego di svariati tipi di “mattoni molecolari” (porfirine, ftalocianine, calixareni, sali di alchildiammonio, complessi fenantrolinici e dipiridilici del rutenio). Sarà perseguito il self-assembly gerarchico di aggregati supramolecolari “intelligenti” (memoria chirale) derivanti da interazioni elettrostatiche tra omo- ed etero-componenti con cariche opposte e la formazione di specie nanostrutturate (polimeri supramolecolari) generate da processi iterativi di inclusione intermolecolare host/guest.
Alcuni dei temi specifici che intendiamo approfondire nel corso degli studi riguardano: il controllo della stechiometria, la modulazione del grado di aggregazione/polimerizzazione in risposta a stimoli chimici, la cristallizzazione automatizzata su microscala, la caratterizzazione strutturale di intermedi e prodotti finali in soluzione ed allo stato solido, la separazione/segregazione di coppie ioniche, il controllo della stereochimica e l’induzione/amplificazione della chiralità. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Roberto Purrello Università degli Studi di CATANIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

L’obiettivo centrale del presente programma di ricerca è la progettazione, sintesi e caratterizzazione, sia in soluzione che allo stato solido, di aggregati supramolecolari omo-molecolari (porfirine:porfirine e calixareni:calixareni) ed etero-molecolari (calixareni:porfirine). Il self-assembly gerarchico, il controllo della stechiometria, la modulazione del grado di aggregazione/polimerizzazione tramite stimoli chimici, la cristallizzazione automatizzata su microscala, la separazione/segregazione di coppie ioniche, la complementarità sterica ed elettronica, il controllo della stereochimica e l’induzione/amplificazione della chiralità saranno i temi specifici che saranno affrontati nel corso di questo progetto.
La collaborazione tra le Unità di Catania, Messina e Trieste nasce non solo dalla condivisione di temi ed interessi di ricerca, ma anche dalla complementarità delle competenze strumentali e sintetiche che permetteranno, grazie ad una sinergia metodologica, di progettare, preparare, caratterizzare e studiare nuove entità supramolecolari. Si impiegheranno, infatti, due approcci sintetici paralleli: la sintesi classica, e la sintesi non-covalente. Quest’ultima si affianca, in termini di potenzialità, alla tradizionale chimica dei legami covalenti e si coniuga ad essa durante la progettazione e la sintesi razionale degli opportuni mattoni molecolari che individuano e determinano la specificità desiderata a livello supramolecolare.
Le tre Unità affronteranno le sintesi non-covalenti di:
1) sistemi chirali di porfirine;
2) self-assembly di sistemi calixarenici.

Sistemi chirali auto-organizzati di porfirine in soluzione acquosa.

Gli obiettivi che saranno perseguiti in questa parte del programma di ricerca sono i seguenti:
a) Modulazione della memoria chirale in soluzione acquosa.
Diversi lavori hanno evidenziato che, i complessi risultanti da interazione tra porfirine recanti gruppi con cariche opposte, sono cineticamente inerti e, se formatisi in presenza di templati chirali, possono dar luogo al fenomeno noto con il nome di “memoria chirale”. Uno degli obiettivi di questo progetto è la progettazione, la sintesi e la caratterizzazione in soluzione ed allo stato solido (in collaborazione con l’Unità di Trieste) di complessi di porfirine per i quali si possa modulare la chiralità indotta da opportuni templati (aggregati di amminoacidi) e memorizzata dagli stessi aggregati porfirinici.
b) Autoassemblaggio in soluzione acquosa di porfirine anioniche o cationiche con calixareni (chirali e non) di carica opposta.
Il controllo gerarchico a cui è soggetta la complessazione tra porfirine tetra-cationiche e calixareni otta-anionici ha consentito la costruzione “step-by-step” di una serie di complessi che partendo da un rapporto porfirina:calixarene 1:4 consente di arrivare a specie discrete con stechiometria 7:4. Il controllo cinetico ha consentito anche di ottenere complessi in cui si ha la contemporanea presenza di diverse porfirine, complessate secondo una progettazione antecedente la sintesi. In questo progetto si propone di studiare la sintesi di complessi tra porfirine anioniche e calixareni otta-cationici (sintetizzati dall’Unità di Messina). L’Unità di Trieste, continuando una collaborazione già in atto su questo tema, provvederà allo studio allo stato solido. Questi studi sono preliminari alla costruzione di specie più complesse in cui si prevede la formazione di complessi misti tra calixareni cationici e porfirine anioniche con i complessi analoghi ma recanti cariche opposte sui singoli componenti. Saranno studiate anche le complessazioni tra calixareni chirali e porfirine di carica opposta. L’importanza dell’induzione di chiralità in questi complessi sarà discussa nelle sezioni successive, ma vale la pena di anticipare che questi complessi rappresenterebbero uno dei primi esempi di specie complesse, ottenute per via non-covalente, per le quali si avrebbe il controllo di sequenza, stechiometria e chiralità. Anche in questo caso la collaborazione tra le tre Unità è indispensabile per assicurare la buona riuscita del progetto.
c) Complessi ibridi, chirali organici-inorganici.
Questa parte di progetto è relativa allo studio strutturale e spettroscopico delle specie derivanti dal self-assembly (guidata da interazioni elettrostatiche) di complessi chirali del Rutenio (cationici) con porfirine o ftalocianine (anioniche). In questa fase si utilizzeranno i complessi del Rutenio(II) già noti e caratterizzati, quali quelle formati con fenantrolina o dipiridile. La presenza dello complesso metallico oltre ad indurre chiralità sui macrocicli legati, dovrebbe consentire l’attivazione di processi di trasferimento di energia dal metallo centrale alle porfirine e/o ftalocianine.

Self-assembly di calixareni.

Gli obiettivi di questa parte di programma sono i seguenti:
a) Sintesi di monomeri calix[5]arenici auto-assemblanti.
Per la loro preparazione si sfrutterà la nota tendenza dei p-terz-butilcalix[5]areni a riconoscere ed includere selettivamente nella loro cavità ioni alchilammonio lineari. I precursori di questi monomeri dovranno possedere una cavità calix[5]arenica pi-greco ricca bloccata a cono ed una funzionalità alchilamminica di lunghezza appropriata al bordo inferiore. L'ammino-calixarene potrà poi essere trasformato, per semplice protonazione, nel corrispondente derivato alchilammonio. Questo, grazie alla sua natura eteroditopica, dovrebbe essere in grado di assolvere alla duplice funzione di host e di guest, promuovendo la formazione di specie supramolecolari polimeriche non-covalenti attraverso processi iterativi di inclusione endo-cavità.
b) Formazione di polimeri calixarenici chirali non-covalenti.
La chiralità sarà indotta e/o amplificata utilizzando opportune miscele di monomeri ureido-alchilammonio-calix[5]arenici chirali ed achirali (principio "del sergente e dei soldati"). In alternativa, amminoacidi o carbossilati (enantiopuri), utilizzati come controioni dei monomeri ureido-alchilammonio-calix[5]arenici achirali, potranno funzionare da promotori chirali.
c) Sintesi di sistemi supramolecolari derivanti da bis-calix[5]areni a cavità divergenti e ioni alchildiammonio.
In questo contesto, si prevede di studiare polimeri non-covalenti ottenuti da unità omoditopiche complementari, cioè recettori bis-calix[5]arenici e ioni alfa,omega-alchildiammonio. I bis-calixareni di prima generazione verranno costruiti con differenti orientazioni spaziali delle cavità (ponte o-xililico o m-xililico), quelli di seconda generazione saranno ulteriormente funzionalizzati al bordo superiore con siti di binding ureidici che, catturando i controioni, faciliteranno la formazione del polimero.
d) Sintesi di calix[4]areni chirali e non, solubili in acqua.
Ciò comporterà la derivatizzazione esaustiva del bordo superiore del calix[4]arene con gruppi solfonato o tetralchilammonio e quella del bordo inferiore con residui amminoacidici o piridinici. I derivati multi-carica così ottenuti saranno poi impiegati come agenti templanti per l’assemblaggio non-covalente di sistemi poliporfirinici di carica opposta.

Il ruolo delle Unità di Catania e Trieste sarà fondamentale per lo studio esauriente dei quattro punti descritti in questa parte di progetto. In particolare, l’Unità di Catania caratterizzerà i complessi in soluzione tramite misure di fluorescenza e di dicroismo circolare, mentre sarà compito dell’Unità di Trieste la caratterizzazione allo stato solido. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il riconoscimento molecolare è senza dubbio tra le più eleganti e specifiche forze guida che la Natura ha selezionato per organizzare e fare funzionare il “life machinery”. La specificità dei processi di bio-riconoscimento e di bio-organizzazione è controllata e regolata da interazioni non covalenti (di natura essenzialmente elettrostatica) e si basa su un elevato grado di complementarietà tra le specie interagenti. Le interazioni non covalenti giocano un ruolo essenziale in processi biologici rilevanti quali il dogma centrale della genetica molecolare (replicazione?trascrizione?traslazione), la trasduzione dei segnali, il trasporto selettivo attraverso le membrane di ioni metallici e piccole molecole, reazioni enzimatiche o formazione di aggregati. Dall’elevata specificità dei suddetti processi, risulta evidente che la complementarietà interessa non solo le dimensioni e la morfologia delle specie molecolari interagenti, ma anche le rispettive distribuzioni di carica (netta o parziale). La chimica supramolecolare o, come è stata definita da J.-M. Lehn (1), la chimica “oltre la molecola” ha fatto propri questi principi evidenziando come i processi di riconoscimento molecolare da motivo di studio potessero diventare approccio metodologico per la progettazione di specie aventi specifiche proprietà chimico-fisiche. Particolare attenzione è stata rivolta alla sintesi non covalente di specie supramolecolari (attraverso processi di self-assembly) guidata da interazioni non covalenti quali forze di van der Waals, legami ad idrogeno, interazioni p-p, coordinazione di ioni metallici e interazioni tra cariche opposte. In questo caso, a differenza della più classica sintesi covalente, la specificità della morfologia (ad esempio la chiralità intrinseca o indotta) e della funzione risultante (sensori, recettori, canali selettivi, etc. ) viene ad essere controllata dalle proprietà dei singoli componenti molecolari; cioè sono le proprietà molecolari che definiscono e modulano quelle supramolecolari. La natura della specie finale è quindi determinata in maniera univoca dalle “istruzioni” (elettroniche, magnetiche, chirali) che ciascun componente “porta” con sé e che influirà sulle proprietà della specie risultante. La chiralità è, in particolare, una delle proprietà strutturali con notevoli ricadute, non solo sui processi di riconoscimento molecolare, ma anche sulle proprietà spettroscopiche, magnetiche ed elettriche. Il suo controllo a livello supramolecolare è quindi un obiettivo d’estrema importanza poiché le potenziali applicazioni di complessi supramolecolari chirali sono molteplici ed applicabili in diversi campi: dalla sintesi di nuovi materiali (per esempio, è stato dimostrato che il carattere metallico dei nanotubi di carbonio dipende dalla loro chiralità (2) o che l’organizzazione supramolecolare chirale comporta un notevole aumento di effetti ottici non lineari del secondo ordine, (3)) a possibili usi biomedici (per esempio la costruzione di “protein detecting arrays”,(4)). Il controllo della chiralità nella sintesi non-covalente si può esercitare in diversi modi (5-22), ma il metodo più semplice e diretto é indurre la dissimmetria a livello supramolecolare utilizzando, in uno degli step sintetici, un componente molecolare chirale. E’ stato dimostrato che l’induzione di chiralità in complessi supramolecolari cineticamente inerti permette di “memorizzare” la chiralità indotta formando così delle specie intrinsecamente chirali costituite da singoli componenti molecolari non chirali (18-22). Il fenomeno della memoria chirale è reso possibile dal fatto che alcuni processi di complessazione sono sotto controllo gerarchico (in questi casi essenzialmente cinetico). Una reazione controllata a livello gerarchico è un processo nel quale l’auto-organizzazione dei singoli componenti molecolari dipende da una specifica sequenza di diversi singoli eventi di complessazione che porta alla formazione di specie assemblate multi-componenti (23-25). Il controllo a livello cinetico è molto importante in un processo di self-assembly che richiede diversi passaggi sintetici (cioè la formazione di specie supramolecolari multi-componenti). L'inerzia cinetica, infatti, impedisce alle singole specie supramolecolari intermedie di dissociarsi e quindi di dare vita, nei successivi processi sintetici, a specie con una sequenza molecolare non controllabile. Quindi la chimica supramolecolare si affianca, in termini di potenzialità, alla tradizionale chimica dei legami covalenti e si allea con essa per progettare la sintesi degli opportuni mattoni molecolari che individuano e determinano la specificità desiderata a livello supramolecolare.
In particolare, la sintesi non-covalente di aggregati di porfirine presenta diversi aspetti interessanti per le possibili applicazioni tecnologiche (quali l’ottenimento di dispositivi molecolari quali sensori (26), o per effetti ottici non-lineari, (27) e biomediche (per esempio nella terapia dei tumori (28), o per la sintesi di modelli di proteine,(29). Le porfirine sono molecole molto interessanti da diversi punti di vista. Infatti, questi macrocicli hanno un elevato coefficiente d’estinzione molare che consente di lavorare in un intervallo di concentrazioni micromolari. Inoltre, le loro proprietà spettroscopiche (sia in assorbimento che in emissione) possono essere modulate o dall'introduzione di uno ione metallico nel core oppure dalla funzionalizzazione (essenzialmente in posizione meso-) con vari gruppi che, se carichi, conferiscono a queste molecole una buona solubilità in soluzione acquosa. A questo proposito, è importante sottolineare che la presenza di questi sostituenti rende questi macrocicli solubili in acqua, ma non idrofilici (vista la larga superficie aromatica). Ciò costituisce un ulteriore vantaggio perché consente di poter modulare il loro stato di aggregazione, in soluzione acquosa, modificando: i) il numero ed il tipo di sostituenti, oppure, ii) le condizioni sperimentali, quali la forza ionica, il pH (cioè il loro grado di protonazione), etc .
E’ stato recentemente mostrato che i processi di aggregazione delle porfirine sono guidati da specifici processi di riconoscimento molecolare, sia in presenza (30) che in assenza (31) di templati.
Per quanto riguarda i templati, sono stati utilizzati sia biopolimeri che i classici recettori politopici quali i calixareni. L’uso di templati nella sintesi non-covalente è di notevole rilevanza perché il templato non solo organizza le porfirine, ma impartisce agli aggregati caratteristiche strutturali quali la chiralità. Infatti, un’eventuale interazione delle porfirine (non chirali) con matrici chirali è evidenziata dalla comparsa di un segnale CD indotto (ICD) nella regione della banda di Soret (la caratteristica banda di assorbimento nel visibile). Ciò costituisce un vantaggio considerevole nello studio di queste interazioni anche perché la forma e l'intensità degli spettri sono correlate al tipo d’interazione ed allo stato di aggregazione della porfirina nel complesso. Recentemente sono stati anche intrapresi studi originali di sistemi ancora più complessi, che prevedono l'interazione di porfirine eventi carica opposta in presenza di un templato organizzatore. A differenza di studi precedenti che riguardavano l'interazione tra porfirine con sostituenti carichi e matrici aventi cariche di segno opposto, questi lavori partono dall'intuizione che una volta formatosi il complesso, per esempio, tra porfirine cationiche e la matrice anionica, è possibile fare formare un complesso ternario aggiungendo alla soluzione una porfirina anionica come ultimo componente. In questo caso le repulsioni tra i due componenti di carica eguale sono schermate dalla presenza del componente cationico e ciò consente la formazione di specie non più binarie ma ternarie (32). I complessi risultanti da quest’ultimo approccio sono cineticamente inerti e danno luogo al fenomeno noto con il nome di “memoria chirale”.(17, 18, 22)
Il ruolo delle matrici è quindi di fondamentale importanza per guidare la sintesi non-covalente verso un controllo raffinato delle caratteristiche chimico-fisiche e strutturali dei prodotti.
In particolare, calix[4]areni idrosolubili sono stati utilizzati come agenti templanti per l'organizzazione e l'assemblaggio di specie supramolecolari etero-componenti calixarene/porfirina. La peculiarità di questi complessi è che costituiscono il primo esempio di aggregati di porfirine per i quali è possibile predeterminare il numero di macrocicli coinvolti nei complessi e la loro la sequenza (33). Gli studi in soluzione ed allo stato solido hanno consentito di determinare la loro struttura e di sfruttare l’elevata stabilità per progettare complessi multi-metalloporfirinici. Le possibili applicazioni di queste specie supramolecolari sono numerose e tutte rilevanti.
Negli ultimi decenni i calixareni (34) hanno assunto un’elevata importanza nel campo della chimica host-guest e supramolecolare grazie alla possibilità di ottenere recettori altamente specifici per specie cationiche e neutre. Il loro impiego in processi di estrazione selettiva, come sensori o come fasi stazionarie cromatografiche si estende dal settore analitico ed ambientale a quello alimentare e diagnostico medico (35).
I calixareni rivestono inoltre un ruolo di importanza fondamentale nello sviluppo di sistemi multi-componente non covalenti nanostrutturati con potenziali proprietà funzionali (polimeri non covalenti, nano-network, nano-tubi, macchine molecolari). La potenzialità dei calixareni nello sviluppo di sistemi nanostrutturati è già stata documentata da diversi autori (36-39) e da recenti studi sulla ‘costruzione' di policapsule, derivanti dal riconoscimento molecolare di ioni alchildiammonio da parte di unità bis-calix[5]areniche (40). In quest’ultimo caso la formazione di questi aggregati si avvale di un insieme di interazioni deboli (catione-p, p-p, van der Waals, legame idrogeno) che si instaurano spontaneamente tra le cavità calixareniche ed il dicatione impiegato come connettore intermolecolare. Da quanto ci risulta, la formazione di architetture supramolecolari mediata dall'inclusione selettiva di un dato substrato è stata, fino ad oggi, poco studiata. ed esiste ancora un vasto ed inesplorato campo di ricerca che necessita indagini addizionali. <<<