N.º 10 (2017)
Enseñanza ISSN: 1989-7189

TALLER Y LABORATORIO tocondrial. Se podría pensar que macroscópicamente

parece una bola colocada sobre un palo. La subunidad F1
consta de 6 cadenas proteicas dispuestas de forma alter-
SÍNTESIS DE [2]CATENANOS Y [2]
na formando una subunidad hexamérica mientras que la
ROTAXANOS POR EFECTO PLANTILLA
unidad F0 es un segmento hidrofóbico que contiene el
MEDIANTE ENLACES DE HIDRÓGENO
canal de protones del complejo.
Ambas subunidades están unidas por un tallo central
INTRODUCCIÓN y una columna externa (Figura 2). Las partes móviles de
El premio Nobel de Química del año 2016 fue otorgado este rotor son la subunidad F0 y el tallo que une ambas
a Sir Fraser Stoddart, Jean-Pierre Sauvage y Bernard L. subunidades, siendo el resto de la molécula estática. La
Feringa (Figura 1) por su contribución al desarrollo, di- fuerza protón motriz es la que impulsa el motor y las
seño y síntesis de las llamadas máquinas moleculares moléculas de ADP y fosfato son captadas por la parte
[1]. estacionaria de la molécula (F1) cuyas subunidades se
abren y cierran para dejar pasar y salir las moléculas de
Estas máquinas están formadas por moléculas com-
ADP, fosfato y ATP.
binadas entre ellas de manera que pueden generar tra-
bajo mediante un estímulo externo. Sus dimensiones son A finales de los años cincuenta el premio Nobel de
como es lógico pensar, moleculares, es decir nanoscópi- Física, Richard P. Feynman, se planteó la posibilidad de
cas (10-9 m). Los ganadores del premio Nobel se inspira- poder diseñar y fabricar nanomáquinas, cuando dijo en
ron en las máquinas moleculares que existen en la natu- su conferencia en la Asociación de Física Americana
raleza, tales como puede ser uno de los músculos de “There is plenty of room at the bottom: Now let us talk
nuestro cuerpo o la maquinaria de la ATP sintasa [2]. La about the possibility of making machines with movable
ATP sintasa es un complejo enzimático que se encuentra parts, which are very tiny” [3]. Ya en los años 80, con la
en la membrana mitocondrial interna y se compone de llegada de la química supramolecular, es decir, la quími-
dos subunidades F0 y F1. La subunidad F0 está integrada ca más allá de la molécula, tal y como la definió el Pre-
en la membrana y la F1 se proyecta hacia la matriz mi- mio Nobel de Química en 1988, Jean-Marie Lehn, la li-

Figura 1. Premios Nobel de Química 2016. Sir Fraser Stoddart (izquierda), Jean Pierre Sauvage (centro) y Bernard L. Feringa
(derecha). Fuente: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016.


274 Enseñanza
 Figura 4. Imagen de microscopia electrónica del ADN circular
con la topología del catenano. Fuente: Angew. Chem. Int. Ed.
English 54, 6110-6150 Copyright © 2015 Wiley-VCH.

formación de compuestos de cadenas alquílicas de 34

átomos de carbono. Y más tarde en 1967, Harrison et al.
Figura 2. Representación de la ATP sintasa. Fuente: Biochim. [7] describieron el primer rotaxano simplemente desli-
Biophys. Acta (BBA) - Bioenergetics© 2000 Elsevier Science zando una molécula linear por un macrociclo similar al
B.V.
de Wasserman (Figura 5).
teratura química comenzó a llenarse de ejemplos de
supramoléculas o agregados moleculares, unidos bien
por enlaces de hidrógeno, fuerzas de van der Waals, in-
teracciones hidrofóbicas o electróstaticas [4].
Los rotaxanos y catenanos [5] son moléculas mecá-
nicamente entrelazadas como se puede ver en la Figura
3. Los catenanos tienen una topología similar a la de los Figura 5. Catenano de Wasserman (izquierda) y rotaxano de
eslabones de una cadena mientras que los rotaxanos son Harrison (derecha).
parecidos a una mancuerna, en la que se ha insertado Ya en los años ochenta varios grupos sintetizaron los
una anilla, que a nivel molecular es un macrociclo en- primeros catenanos y rotaxanos sintéticos que constitu-
trelazado con una molécula linear o hilo molecular con yen la base química de las máquinas moleculares más
dos grupos voluminosos en sus extremos de manera que avanzadas.
el macrociclo no pueda deslizarse a través de ellos.
Uno de los primeros ejemplos de catenanos y me-
En la naturaleza podemos encontrar ejemplos de mo- diante autoensamblaje con efecto plantilla usando inte-
léculas con esta topología. En 1967, se observó median- racciones no covalentes fue el catenano sintetizado por
te microscopia electrónica un catenano formado por
ADN circular que se aisló de las mitocondrias de células
HeLa y de leucocitos de leucemia humana (Figura 4).
Estas topologías se forman por acción de las enzimas
telomerasas.
Los primeros ejemplos de moléculas con esta topolo-
gía datan de los años 60 cuando el grupo de Wasserman
[6] describió el primer catenano sintético mediante la

Figura 6. Catenano de J.-P. Sauvage. Síntesis por efecto plantilla

mediante la complejación de Cu(I) formando un complejo de
Figura 3. Representaciones gráficas de los catenanos (izquierda) coordinación tetrahédrico que se somete posteriormente a una
y rotaxanos (derecha). Adaptada de: Chem. Soc. Rev. 46, 2577 macrociclación mediante formación de éteres. Adaptado de:
© The Royal Society of Chemistry 2017. Tet. Lett. ©1983 Copyright Elsevier.


275 Enseñanza
el grupo de J.-P. Sauvage [8]. Para su síntesis se partió isoftaloilo y p-tritilanilina a una disolución del macro-
de un ligando de 2,9-bis(4-hidroxifenil)-1,10-fenantro- ciclo (Figura 8).
lina (dpp) y el macrociclo que forma un complejo de En esta práctica de laboratorio se sintetizarán un ca-
coordinación tetraédrico con un catión Cu(I). Con este tenano y un rotaxano por efecto plantilla mediante el
complejo se lleva a cabo una reacción de formación autoensamblaje de dos o tres moléculas por formación
de dos enlaces éter para formar el [2]catenano con un de enlaces de hidrógeno. Este [2]-catenano fue descu-
rendimiento del 42 %. El catión Cu(I) puede eliminarse bierto por el grupo del profesor David Leigh [11] en 1995
con cianato para obtener el catenano libre de metal (Fi- al intentar sintetizar un macrociclo tetrabenzamídico
gura 6). mediante la condensación de cloruro de isoftaloilo y
El grupo del profesor Stoddart [9] sintetizó un cate- 1,4-bis(aminometil)-benceno. En 2001, el mismo grupo
nano por efecto plantilla utilizando interacciones tipo sintetizó el rotaxano usando como plantilla un hilo de
dador-acceptor con sistemas en los que un macrociclo fumaramida [12] con un rendimiento del 97%.
deficiente en electrones (Figura 7 azul) se entrelaza con
un macrociclo con unidades de dialcoxibenceno, dado- PRÁCTICAS DE LABORATORIO
ras de electrones (en negro).
Reactivos Material de Laboratorio
Matraz de fondo redondo de
Trietilamina
tres bocas de 500 mL
Vasos de precipitados de
Cloruro de isoftaloilo
150 mL
Dos jeringuillas de vidrio de
Cloruro de fumarilo
50 mL
2,2-difenil-1-etanamina Dos motores eléctricos
1,4-bis(aminometil)-benceno Una pieza de agitación
Cloroformo estabilizado con Un embudo de separación
amilenos de 500 mL
Dimetilformamida Dos tubos de RMN
Cloroformo deuterado
Pipetas Pasteur
(CDCl3)
Dimetilsulfóxido deuterado Dos matraces de fondo
Figura 7. Catenano dador-acceptor de Stoddart. Adaptado de: (DMSO-d6) redondo 250 mL
Angew. Chem. Int. Ed. English Copyright © 1989 Wiley-VCH
Verlag.
Síntesis del catenano de amidas bencílicas por
Uno de los primeros ejemplos de rotaxanos formados efecto plantilla y autoensamblaje
por efecto plantilla es el que se muestra en la Figura 8,
Se prepara una disolución de trietilamina (1.19 g, 11.8
sintetizado en el grupo del profesor Vögtle [10]. En este mmol) en cloroformo anhidro estabilizado con amileno
caso se sintetizó el macrociclo tetraamídico en dos pasos (130 mL) a la cual se añaden simultáneamente durante
para después mediante la adición lenta de cloruro de 30 minutos bajo atmósfera de argón, 0.87 g (4.3 mmol)

Figura 8. Rotaxano de Vögtle. Adaptado de: Liebigs Annalen Copyright ©1995 John Wiley & Sons.


276 Enseñanza
Figura 9. Esquema sintético para la síntesis del catenano tetrabenzamidíco.

de cloruro de isoftaloilo en 130 mL de cloroformo anhi- A

dro y 0.58 g (4.3 mmol) de 1,4-bis(aminometil)-benceno
en 130 mL de cloroformo anhidro usando jeringuillas
con émbolos acoplados a un motor eléctrico. Una vez
finalizada la adición, la mezcla de reacción se deja agi-
tando toda la noche y se filtra el residuo sobrenadante.
La disolución obtenida se lava con 3 x 200 mL de una
disolución de ácido clorhídrico 1 M y agua (3 × 200 mL). B
Se combinan las fracciones orgánicas y se secan sobre
sulfato sódico y se elimina el disolvente mediante desti-
lación a presión reducida. Se obtienen 0.23 g (20.1%) del
catenano (Figura 9). Se recristaliza en N,N-dimetilforma-
mida (DMF) / agua p.f. 315 °C (descompone).

Caracterización del catenano

En un tubo de RMN se disuelven 10 mg del catenano en
Figura 10. Espectros de 1H RMN del catenano tetrabenzamidíco
0,6 mL de DMSO-d6. En la Figura 10 se muestra el espec-
(A) y 13C (B) Fuente: Angew. Chem. Int. Ed. 1995 Copyright
tro obtenido VCH Weinheim.
1
H RMN (300 MHz, DMSO-d6) δ 8.62 (8H, s, H-d), 8.05
(4H, d, J ) 1 Hz, H-c), 7.88 (8H, dd, J ) 8, 1 Hz, H-b), 7.50 Preparación del hilo molecular (1)
(4H, t, J ) 8 Hz, H-a), 6.75 (16H, bs, H-f), 4.01 (16H, bs, En un matraz de fondo redondo se disuelven 1.0 g de
H-e) ppm; 13C NMR (75 MHz, DMSO-d6) δ 168.9, 141.3, 2,2-difenil-1-etanamina (5 mmol) en cloroformo
138.4, 133.7,132.4, 130.8, 130.0, 46.9 ppm. (60 mL) y se añade gota a gota mediante un embudo de
adición controlada durante 90 minutos una disolución
Método de preparación de los rotaxanos con de cloruro de fumarilo (0.27 mL, 0.4 g, 2.5 mmol) en
macrociclos de bencilamida basados en el hilo 40 mL de cloroformo. Una vez completada la adición, la
molecular de fumaramida mezcla de reacción se deja agitando 30 minutos adicio-

Figura 11. Esquema sintético para la síntesis del hilo molecular 1.


277 Enseñanza
nales, después se elimina el disolvente por destilación a
presión reducida hasta que la disolución se vuelva tur-
bia. Se calienta hasta que el residuo vuelva a estar en
disolución y se coloca en el congelador 24 horas. Un
sólido blanco cristalino, el hilo molecular 1, precipita
y se recoge por filtración con un rendimiento del 50%
(0.6 g).
p.f.: >250 °C; IR. ; cm-1: 3265, 3075, 1630, 1555, 1195,
695;
1
H RMN (400 MHz CDCl3): 7.4–7.2 (m, 20 H, ArH), 6.7 (s,
2 H, CHR), 5.7–5.6 (br s, 2 H, NH), 4.2 (m, 2H, CHAr2),
4.0 (m, 4H, CH2) ppm.
Figura 13. Montaje Experimental: jeringuillas con un motor que
empuja los émbolos para la adición lenta de las disoluciones
Síntesis del Rotaxano de fumaramida (2) de 1,4-fenilendimetamina y cloruro de isoftaloilo. Fuente: Org.
Synth. 2015, 92, 38-57 2015. Copyright American Chemical
0.474 g de la molécula hilo 1 (1 mmol) y 2.1 mL (15.7 Society.
mmol) de trietilamina) se disuelven en 100 mL de aceto-
nitrilo: cloroformo (1:9) estabilizado con amileno y se a temperatura ambiente y se obtienen cristales del ro-
coloca en una matraz de fondo redondo. Se coloca una taxano 2 con un rendimiento del 97% p.f. 355-356 °C
pieza de agitación magnética y se agita vigorosamente. (DMF/H2O).
Por otro lado, se preparan dos disoluciones, una de
1,4-bis(aminometil)-benceno (1.09 g, 4 equivalente) en Caracterización del Rotaxano de fumaramida (2)
45 mL de cloroformo y otra de cloruro de isoftaloilo El rotaxano se caracterizó mediante 1H RMN y su espec-
(1.62 g, 4 equivalentes) en 45 mL de cloroformo. Cada
tro se comparó con el del hilo 1 Para ello se disuelven en
disolución se coloca en una jeringuilla que se colocará
dos tubos de RMN, 10 mg de hilo 1 y de rotaxano 2 en
en un motor, y a través de una cánula de teflón se acopla
dimetilsulfóxido. En la Figura 14 puede verse como los
a la boca del matraz de fondo redondo mediante un sep-
protones del doble enlace se encuentran apantallados
tum perforado y se tapa la tercera boca con un tubo
por los anillos bencénicos del macrociclo y su desplaza-
desecante con cloruro de calcio, en un montaje similar
al que se muestra en la Figura 13. La adición tiene lugar miento químico varía.
en dos horas. 1
H RMN (400 MHz, DMSO-d6) δ 3.67 (dd, J ) 7.9, 5.9
Después de que se haya completado la adición, se Hz, 4H, CHCH2NH), 4.11 (t, J) 7.9 Hz, 2H, CH), 4.22 (d, J)
detiene la agitación y se elimina el disolvente mediante 5.0 Hz, 8H, HE), 5.66 (s, 2H, CH-d), 6.66 (s, 8H, ArH-F),
destilación a presión reducida utilizando un rotavapor. 7.12- 7.35 (m, 20H, ArH), 7.73 (t, J) 7.8 Hz, 2H, ArH-A),
El producto crudo se disuelve en la mínima cantidad de 8.01 (dd, J) 7.8, 1.4 Hz, 4H, ArHB), 8.15 (t, J) 5.0 Hz, 4H,
DMF y se añade una pequeña cantidad de agua, calen- NH-D), 8.53 (t, J) 5.9 Hz, 2H, NH), and 8.63 (s, b, 2H,
tando si la disolución muestra turbidez. Se deja reposar ArHC) ppm; 13C NMR (100 MHz, DMSO-d6) δ 43.6, 44.0,

Figura 12. Esquema sintético para la síntesis del rotaxano 2.


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 A

Figura 14. Espectro de 1H NMR 400 MHz del hilo 1 (a) y el rotaxano 2 (b) en DMSO-d6 Fuente: Copyright © 2001 American Chemical
Society.

50.3, 125.7, 126.9, 128.1, 128.77, 128.89, 129.45, 129.6, [3] Feynman RP (1960). There’s Plenty of Room at the
131.1, 134.6, 136.7, 143.0, 165.7, 166.1 ppm. Bottom. Engineering and Science 23, 22–36.
[4] Lehn J-M (2011). Supramolecular Chemistry: Con-
CONCLUSIONES cepts and Perspectives. John Wiley & Sons, Ho-
En esta práctica de laboratorio, el estudiante entrará en boken, New Jersey.
contacto con las moléculas entrelazadas mecánicamente [5] Gil-Ramirez G, Leigh DA, Stephens AJ (2015). An-
que son la base de muchas de las máquinas moleculares. gewandte Chemie International Edition in English
Los conceptos químicos asociados a los experimentos 54, 6110–6150; Erbas-Cakmak S, Leigh DA, McLen-
aquí descritos son los siguientes: nan CT, Nussbaumer AL (2015). Chemical Reviews,
115, 10081–10206.
1. Química supramolecular
2. Enlace topológico [6] Wasserman E (1960). Journal of the American Che-
3. Autoensamblaje molecular mical Society 82, 4433–4434.
4. Enlaces de hidrógeno [7] Harrison T, Harrison S (1967). Journal of the Ame-
5. Efecto plantilla rican Chemical Society 89, 5723–5724.
6. Máquinas moleculares [8] Dietrich-Buchecker C, Sauvage J-P, Kintzinger J-P
Por otro lado, con estos experimentos se iniciará a (1983). Tetrahedron Letters 24, 5095–5098.
los estudiantes en el uso de las siguientes técnicas: [9] Ashton PR, Brown CL, Chrystal EJT, Goodnow T,
1. Espectroscopía de resonancia magnética nuclear Kaifer AE, Parry KP, Philp D, Slawin AMZ, Spencer
2. Espectroscopía de Infrarrojos N, Stoddart JF, Williams DJ (1991). Journal of the
Con la realización de estos dos experimentos de la- Chemical Society, Chemical Communications 9,
boratorio se pretende iniciar a los estudiantes al estudio 634–639.
de una rama de la química, pluridisciplinar, la química [10] Vogtle E, Handel M, Meier S, Ottens-Hildebrandt S,
supramolecular, de gran importancia en el diseño de Ott E, Schmidt T (1995). Liebigs Annalen 739–743.
nuevos materiales, y en las industrias farmacéutica y del [11] Leigh DA, Pritchard RJ, Deegan MD (1995). An-
medio ambiente. gewandte Chemie, International Edition in English,
34, 1209–1212.
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ATP synthase. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) María de los Ángeles Farrán Morales
- Bioenergetics 1458, 374–386. Dpto. de Química Orgánica y Bio-Orgánica


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