Estructuras supramoleculares ensambladas por sonicación
La sonicación es una herramienta potente y versátil de la química supramolecular, que permite un control preciso de los procesos de ensamblaje no covalentes, a menudo sensibles a parámetros cinéticos y termodinámicos. La aplicación de ultrasonidos potentes a un medio líquido afecta a las interacciones moleculares, acelerando el autoensamblaje, mejorando la mezcla y promoviendo la reorganización estructural a nanoescala.
Cómo influye la sonicación en el ensamblaje supramolecular
En los sistemas supramoleculares, donde las interacciones débiles como los enlaces de hidrógeno, el apilamiento π-π, la coordinación metálica y las fuerzas de van der Waals rigen la formación de estructuras, los ultrasonidos pueden influir selectivamente en las vías de ensamblaje. Permite la nucleación homogénea, ayuda a la dispersión de los bloques de construcción y facilita la formación de arquitecturas metaestables o cinéticamente atrapadas, a menudo inaccesibles en condiciones convencionales. Además, la sonicación puede modular el equilibrio entre los estados de ensamblaje y desensamblaje, ofreciendo un medio dinámico de controlar los sistemas supramoleculares reversibles.
Más allá de sus efectos físicos, la sonoquímica ofrece un enfoque respetuoso con el medio ambiente y eficiente desde el punto de vista energético. – a menudo se realizan en condiciones suaves o sin disolventes – lo que la hace atractiva para la síntesis de geles supramoleculares, nanofibras, complejos huésped-huésped y nanoestructuras híbridas. Como resultado, la sonicación no es sólo una técnica de preparación de muestras, sino un motor mecanoquímico central en el diseño racional y el procesamiento de materiales supramoleculares.
Sonicator UP400ST para la síntesis eficaz de estructuras supramoleculares
Síntesis de supramoléculas por ultrasonidos
La sonicación puede impulsar la formación, estabilización o transformación de una amplia gama de sistemas supramoleculares mediante cavitación acústica, gradientes de cizalla transitorios e impactos de microchorros. Las siguientes categorías ilustran estructuras típicas obtenidas o influidas por el autoensamblaje asistido por ultrasonidos:
- Complejos supramoleculares huésped-invitado
Complejos de inclusión de ciclodextrina
Sistemas huésped-huésped basados en el cucurbiturilo
Conjuntos de calixareno y pilar[5]areno
Moléculas mecánicamente entrelazadas (rotaxanos, catenanos) - Óxido de grafeno supramolecular e híbridos 2D
- Complejos cromóforos de óxido de grafeno apilados π-π
- Híbridos supramoleculares de óxido de grafeno y polímeros
- Funcionalización no covalente con porfirinas, fullerenos o péptidos
- Nanofibras y nanotubos supramoleculares
- Nanofibras anfifílicas peptídicas
- nanofibras π-conjugadas (por ejemplo, derivados de perileno bisimida, porfirina o cianina)
- Nanotubos unidos por hidrógeno o apilados π-π
- Geles supramoleculares (Sonogeles)
- Organogeles e hidrogeles activados o estabilizados por ultrasonidos
- Transiciones sol-gel inducidas mediante calentamiento localizado y cizallamiento
- Redes supramoleculares reversibles (enlace H, metal-ligando o iónico)
- Agregados y conglomerados supramoleculares
- Micelas y vesículas formadas por moléculas anfifílicas
- Coacervados y conjuntos coloidales
- Conglomerados quirales y ensamblajes polimórficos influidos por el aporte de energía ultrasónica
- Nanoesponjas supramoleculares y estructuras porosas
- Nanoesponjas a base de ciclodextrinas
- Marcos metalorgánicos (MOF) y marcos orgánicos covalentes (COF) generados por sonoquímica
- Redes supramoleculares porosas para catálisis o carga de fármacos
- Otras arquitecturas supramoleculares sensibles a los ultrasonidos
- Cápsulas supramoleculares y nanocápsidas
- Monocapas y multicapas autoensambladas (SAM)
- Estructuras supramoleculares basadas en el ADN
- Polímeros de coordinación y metaloelementos
(Estudio y película: Rutgeerts et al., 2019)
Aplicaciones ultrasónicas en el ensamblaje supramolecular
Los ultrasonidos influyen en el autoensamblaje supramolecular mediante efectos mecánicos, térmicos y cavitacionales.
Estos procesos clave incluyen:
- Emulsificación y formación de nanoemulsiones
- Facilita la encapsulación supramolecular en sistemas aceite/agua
- Favorece la mezcla homogénea de fases inmiscibles
- Reducción del tamaño de las partículas y desagregación
- Rompe los agregados o cristales supramoleculares de mayor tamaño.
- Controla la morfología y la polidispersidad
- Dispersión y homogeneización
- Mejora la dispersión de nanopartículas o bloques de construcción supramoleculares en disolventes.
- Mejora la uniformidad en la formación de gel o material híbrido
- Mejora de la encapsulación y la complejación
- Acelera la inclusión de huéspedes en ciclodextrinas o sistemas micelares
- Promueve la formación de nanocápsulas para la administración de fármacos o la catálisis
- Empalme de fibras / Reducción de longitud
- Acortamiento de nanofibras peptídicas o poliméricas por cizallamiento cavitacional
- Fragmentación controlada de filamentos supramoleculares y nanotubos
- Cristalización y control de polimorfos
- Nucleación asistida por ultrasonidos para el crecimiento controlado de cristales
- Generación de polimorfos supramoleculares metaestables o cinéticamente favorecidos
- Reticulación y formación de redes
- Induce la reorganización de enlaces en redes de enlaces de hidrógeno o metal-ligando.
- Inicia la formación de marcos supramoleculares metal-orgánicos (MOF)
- Promueve la formación de hidrogeles supramoleculares y sonogeles
- Activación y funcionalización sonoquímica
- Inicia reacciones de modificación supramolecular
- Permite la unión no covalente de moléculas funcionales a andamiajes anfitriones.
- Degradación y desmontaje reversible
- Energía ultrasónica para desmontar construcciones supramoleculares de forma reversible
- Liberación controlada de especies encapsuladas bajo estimulación ultrasónica
Obtenga el mejor sonicador para supramoléculas
Los sonicadores de Hielscher son sistemas ultrasónicos tipo sonda de alto rendimiento diseñados específicamente para suministrar energía de forma precisa en procesos en fase líquida, lo que los hace excepcionalmente adecuados para el ensamblaje sonoquímico y supramolecular de arquitecturas complejas. Su control preciso de la amplitud, el tiempo, el modo de pulso y la temperatura permite una dinámica de cavitación reproducible que favorece una mezcla eficaz, una transferencia de masa mejorada y la activación de interacciones no covalentes esenciales para la organización supramolecular. En sonoquímica, esta cavitación acústica controlada puede acelerar el autoensamblaje, facilitar la complejación huésped-huésped e influir en la morfología o estabilidad de los agregados supramoleculares. La robustez, escalabilidad y monitorización digital del proceso de los dispositivos Hielscher permiten además ajustar con precisión las condiciones de reacción desde los experimentos de laboratorio a pequeña escala hasta la síntesis industrial, tendiendo un puente entre la investigación supramolecular fundamental y la fabricación de materiales aplicados.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 0,5 a 1,5 mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min. | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min. | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 a 150L | De 3 a 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | mayor | Grupo de UIP16000hdT |
Diseño, fabricación y consultoría – Calidad Made in Germany
Los ultrasonidos de Hielscher son conocidos por sus elevados estándares de calidad y diseño. Su robustez y fácil manejo permiten una integración sin problemas de nuestros ultrasonidos en las instalaciones industriales. Los ultrasonidos de Hielscher soportan sin problemas las condiciones más duras y los entornos más exigentes.
Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonidos de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonidos de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.
La emulsificación ultrasónica favorece el ensamblaje de estructuras supramoleculares
Literatura / Referencias
- Di Giosia, Matteo; Bomans, Paul; Bottoni, Andrea; Cantelli, Andrea; Falini, Giuseppe; Franchi, Paola; Guarracino, Giuseppe; Friedrich, Heiner; Lucarini, Marco; Paolucci, Francesco; Rapino, Stefania; Sommerdijk, Nico; Soldà, Alice; valle, Francesco ; Zerbetto, Francesco; Calvaresi, Matteo (2018): Proteins as Supramolecular Hosts for C60: A True Solution of C60 in Water. Nanoscale 10(21); 2018.
- Fatemeh Shahangi Shirazi, Kamran Akhbari (2016): Sonochemical procedures; the main synthetic method for synthesis of coinage metal ion supramolecular polymer nano structures. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 31, 2016. 51-61.
- Rutgeerts LAJ , Soultan AH , Subramani R , Toprakhisar B , Ramon H , Paderes MC , De Borggraeve WM , Patterson J . (2019): Robust scalable synthesis of a bis-urea derivative forming thixotropic and cytocompatible supramolecular hydrogels. Chem Commun (Camb). 2019 Jun 20;55(51):7323-7326.
Preguntas frecuentes
¿Qué es una Supramolécula / Supermolécula?
Una supramolécula, o supermolécula, es un conjunto químico discreto de dos o más entidades moleculares unidas por interacciones no covalentes, como los enlaces de hidrógeno, el apilamiento π-π, la coordinación metálica o las fuerzas de van der Waals. A diferencia de las moléculas con enlaces covalentes, estas estructuras surgen mediante procesos de autoensamblaje reversibles y a menudo muy selectivos, dando lugar a arquitecturas complejas con propiedades emergentes.
¿Cuáles son los métodos básicos de la química supramolecular?
Los métodos básicos de la química supramolecular giran en torno al reconocimiento molecular y la autoorganización. La química huésped-huésped, la síntesis templada, la química de coordinación y el autoensamblaje impulsado por fuerzas intermoleculares débiles constituyen la base conceptual y experimental. Herramientas analíticas como la espectroscopia de RMN, la calorimetría de valoración isotérmica y la cristalografía de rayos X son fundamentales para estudiar cuantitativa y estructuralmente estas interacciones.
¿Qué es un dispositivo supramolecular?
Un dispositivo supramolecular es un sistema funcional en el que los componentes moleculares se organizan mediante interacciones no covalentes para realizar tareas específicas, como la transducción de señales, la conmutación molecular, la catálisis o la conversión de energía. Estos dispositivos suelen imitar las funciones biológicas, aprovechando el movimiento molecular controlado y la reversibilidad a nanoescala.
¿Son los MOF estructuras supramoleculares?
Los marcos metalorgánicos (MOF) pueden considerarse estructuras supramoleculares, ya que sus extensas redes cristalinas se construyen mediante enlaces de coordinación entre iones o clústeres metálicos y enlaces orgánicos. Aunque estos enlaces tienen un carácter parcialmente covalente, la naturaleza modular y autoensamblada de los MOF y su dependencia de interacciones direccionales y reversibles los sitúan conceptualmente en el ámbito más amplio de la química supramolecular.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.