1. Self-assembly
Supramolecular self-assembly concerns the spontaneous
association of either a few or many molecular components
resulting in the generation of either discrete oligomolecular
supermolecules or extended polymolecular assemblies (layers,
films, membranes…).
The final product is obtained entirely spontaneously when the
components are mixed together in the correct ratios under a
given set of conditions (solvent, temperature, pH, …).
The formation of supermolecules results from the recognition-
directed spontaneous association of a well-defined and limited
number of molecular components under the intermolecular
control of the noncovalent interactions that hold them
together.
J.-M. Lehn, Science 2002, 295, 2400
3. Self-Assembly
Molecole di DNA
Timina Adenina
Citosina Guanina
Driving force: legami idrogeno
4. Le proteine si ripiegano e formano strutture molto specifiche
5. Self-assembly del Virus Tobacco Mosaic
Formato da 2130 subunità proteiche + 1 molecola di RNA
virale
6. Self-Assembly
Reversibilità
L’utilizzo di legami non-covalenti nel self-assembly offre alcuni
importanti vantaggi.
Il legame è reversibile
A+B⇔A B Non-covalente
A+B⇒A B⇒ C+D Covalente
Nell’unione di più unità, la combinazione di molte interazioni deboli
è migliore della formazione di pochi legami forti: interazioni deboli si
possono combinare per dare un legame forte in una particolare
geometria ma legami deboli nelle altre geometrie.
7. Self-Assembly
Self-Repair & Replication
La reversibilità permette di ottenere sistemi organizzati con la
capacità di self-repair e self-replication.
Il self-repair permette la
sostituzione del componente
Stimolo distruttivo
danneggiato riparando così la
+B supermolecola.
A B A B+B
A B
Quando uno dei componenti di
un sistema sovramolecolare
Stimolo distruttivo viene alterato si può perdere la
complementarietà.
+B
B +B
A B A I sistemi naturali si replicano e
A B
si riparano continuamente.
Nessuna reazione
8. Riconoscimento molecolare
Legame selettivo di un substrato con un recettore
Interazione = Selezione =
ENERGIA INFORMAZIONE
Per ottenere un riconoscimento molecolare efficace, il recettore e il substrato
devono avere
1) Complementarità sterica (forma e dimensione)
2) Complementarità di interazione
3) Grandi superfici di contatto
4) Siti di interazione multipli
5) Legame complessivo forte
Struttura cristallina del complesso K+ [18]crown-6
9. Self-assembly e la seconda legge della termodinamica
I processi di self-assembly sono caratterizzati dalla formazione spontanea di “ordine”
Questo non è in contrasto con la seconda legge della termodinamica
Infatti i sistemi reali non sono isolati dall’intorno. Il self-assembly conferisce un elevato
grado di ordine locale spontaneo. Per fare questo è necessario scambiare calore ed
entropia con l’intorno.
G = H – TS
La condizione che l’entropia del sistema e dell’intorno sia massima equivale alla
condizione che l’energia libera del solo sistema sia minima.
10. Self-assembly di molecole anfifiliche in acqua
Specie anfifiliche: una molecola che contiene una
testa polare, idrofila (di solito, un gruppo carico) e
una coda a-polare (di solito, una catena
idrocarburica)
Fosfolipide: molecole anfifiliche costituite da una
testa di fosfato carico e una coda idrocarburica. Le
membrane biologiche (ad es. le membrane cellulari)
sono costituite da fosfolipidi
In acqua, le molecole anfifiliche si auto-assemblano
per formare strutture con varie morfologie.
Il self-assembly è determinato principalmente dall’
effetto idrofobico, ossia dalla termodinamica di
solvatazione
11. Self-assembly di molecole anfifiliche in acqua
L’aggregazione anfifilica in soluzione acquosa inizia sopra una certa
concentrazione (concentrazione di aggregazione critica, CAC). La morfologia
che si ottiene dipende dalla combinazione di tre termini energetici:
1) contributi favorevoli che derivano dal clustering delle parti idrofobe della
molecola;
2) l’equilibrio fra la tendenza delle molecole ad impaccarsi densamente (per
minimizzare le interazioni sfavorite idrocarburo-acqua) e quella ad
allontanarsi in seguito alla repulsione elettrostatica fra le teste, gli effetti di
idratazione e l’impedimento sterico. Per questo motivo non si ottengono
grossi cristalli tridimensionali;
3) un termine di impaccamento, che richiede che i nuclei idrofobi degli
aggregati escludano l’acqua e le teste polari, limitando quindi le possibili
geometrie di aggregazione.
12. Molecole surfattanti : Costituenti Olio-Acqua
Surfattante CH3
CH2
Oil CH2
Coda apolare
Interfaccia Olio-Acqua CH2
CH2
Water CH2
Testa polare
OSO3-
Formazione monostrato
Micelle - nano-reattori, mezzi per drug delivery, e cleaning agents
13. Strutture auto-assemblate da anfifili
Semplice modello geometrico: il modello di Israelachvili
Anfifili con una grossa testa e una coda corta e spessa: p piccolo
Parametro di
Anfifili con una piccola testa e una coda lunga e sottile: p grande
impaccamento
14. Liposomi
I liposomi sono strutture sferiche costituite da membrane bistrato di
molecole anfifiliche. Si auto-assemblano in acqua e contengono acqua al loro
interno.
La dimensione dei liposomi può
andare da 10 nm a 10 μm. Immagine al microscopio
elettronico a trasmissione
(TEM) di un liposoma
Possono contenere una, parecchie, o monostrato.
molte membrane concentriche Scala, 200 nm
15. Micelle in soluzioni di bulk
Formazione di aggregati stabili alla cmc.
bassa concentrazione alta concentrazione
16. Micelle
Superficie “polare” water-like
10-100 nm
Interno “apolare” oil-like
Normale in acqua Invertito in olio Solubilizzazione
Nanoreattori
Recupero olio
Drug Delivery
18. Self-assembled monolayers (SAMs) su superfici
Il termine self-assembled monolayers (SAMs) viene usato per descrivere insiemi molecolari
organizzati (con lo spessore di una molecola) la cui formazione spontanea e stabilità dipendono
dalle interazioni intermolecolari favorevoli, e dalle forze fra ogni singola molecola e il substrato
solido.
I SAMs sono insiemi organici
formati dall’adsorbimento sulla
superficie di metalli, ossidi
metallici e semiconduttori, sia
allo stato solido che liquido
(ad es. mercurio), di
opportune molecole da
soluzione o fase gas.
Le molecole che formano i
SAMs hanno una funzionalità
chimica, o “testa”, con affinità
specifica per un substrato.
La tabella riporta le più comuni
associazioni di adsorbati e
substrati che formano SAMs.
19. Self-assembled monolayers su superfici di Au
Il tipo di SAM più comune è quello formato dal chemisorbimento di lunghe catene di alcantioli su
superfici pulite di oro. Le principali forze che guidano questo processo di self-assembly sono: (i) la
formazione di legami S–Au (energia di legame stimata dell’ordine di 40-50 kcal/mol), e (ii) le
interazioni laterali di Van der Waals fra le catene alifatiche di alcantioli vicini.
Questi SAMs vengono preparati esponendo una superficie pulita di oro ad una soluzione di
alcantioli. Non sono necessarie apparecchiature o condizioni speciali (ad es. UHV). Per alcantioli
con catene più lunghe di 10 atomi di carbonio, in genere:
1) Si forma istantaneamente un monostrato stabile, organizzato e densamente impaccato sulla
superficie di Au.
2) Lo spessore del monostrato è direttamente proporzionale alla lunghezza della catena di
alcantiolo. Spessori tipici vanno da 1 a 3 nm.
3) Gli assi principali delle singole molecole sono piegate con un angolo di ca. 30° rispetto alla
normale alla superficie.
20. SAM Zolfo
Idrogeno
Carbonio
alcantiolo
+
Fisisorbimento (126 kJ/mol) Chemisorbimento
-29 kJ/mol
• Il monostrato si forma all’interfaccia aria-solido (oro, argento, etc.)
• Monostrato altamente organizzato.
• Modo veloce e semplice per formare un monostrato.
• Organizzazione molecolare estremamente buona.
• Specificità chimica.
21. La natura del legame S-Au non è ancora chiara. Si ritiene in genere di poter interpretare
il legame superficiale dei SAMs di alcantioli su Au in termini di un legame tiolato-oro.
Tuttavia, non si sa cosa accade all’idrogeno che verrebbe perso dal tiolo. La rilevazione
di questo idrogeno in soluzione può essere problematica: se non viene liberato come H2
gassoso, un’altra possibilità è che venga convertito ossidativamente in acqua per
reazione con O2. E’ difficile anche distinguere fra idrogeno ancora legato allo S o
adsorbito all’oro. In alcuni casi sono stati evidenziati tioli intatti adsorbiti sulla superficie
d’oro.
Illustrazione schematica di alcuni difetti intrinseci ed estrinseci che si osservano in SAMs
reali formati su substrati policristallini
22. superficie Au(111)
Per monostrati densamente impaccati su
Au(111), gli atomi di S si trovano nei buchi a
simmetria ternaria della superficie di oro, e quindi
sono direttamente in contatto con 3 atomi di Au.
Configurazione finale
23. Self-assembled monolayers
I SAM sono un potente mezzo per ottenere modifiche chimiche di una superficie, e sono
adatti per studi in nanoscienza e tecnologia perché
1) Sono facili da preparare;
2) Si formano su oggetti di tutte le dimensioni e sono essenziali per la stabilizzazione e/o
per aggiungere funzionalità a oggetti di scala nanometrica preformati, (ad es., film sottili,
nanofili, colloidi, e altre nanostrutture);
3) Sono in grado di accoppiare l’ambiente esterno con le proprietà elettroniche (risposte
corrente-tensione, elettrochimica) e ottiche (indice di rifrazione locale, frequenza del
plasmone di superficie) di strutture metalliche;
4) Legano strutture a livello molecolare a fenomeni macroscopici interfacciali, quali
bagnabilità, adesione e attrito.
Una modificazionechimica del tiolo permette di
attaccare gruppi funzionali (R) al monostrato.
24. SAM funzionalizzati
Fra le applicazioni, i SAM funzionalizzati
possono essere usati per controllare le
proprietà di bagnabilità della superficie, per
attaccare gruppi redox-attivi o fotoattivi a
distanze prefissate dalla superficie d’oro, e
per incorporare siti di legame che possono
portare al riconoscimento molecolare di
opportuni target.
Ovviamente, la presenza di gruppi
terminali può influenzare l’impaccamento
del sistema e portare a cambiamenti della
morfologia del film.
a) Gruppi terminali piccoli (ad es. –CH3, -CN. Ecc.) non disturbano l’organizzazione
secondaria dello strato organico e non hanno effetto sulla disposizione degli atomi di
zolfo.
b) Gruppi leggermente più grandi iniziano a distorcere l’organizzazione dello stato organico,
ma il legame zolfo-metallo energeticamente molto favorito, favorisce un impaccasmento
stretto degli adsorbati.
c) Gruppi terminali grossi (peptidi, proteine, anticorpi, ecc) con un grande ingombro sterico
perturbano la struttura e danno strutture pià disordinate e meno dense.
26. Chemisorbimento
Reazione chimica fra i costituenti e il substrato solido
X
Spontaneo
X
irreversibile
Superficie funzionalizzata
X
X
X
X
X
Sito reattivo
XXXXXXXXX
27. OTS su vetro
OTS– octadeciltriclorosilano
Si Si
Si Si
Cl Cl
Cl Cl Cl Cl
Cl Cl
Cl Cl
Cl Cl
OH OH
OH OH
28. OTS su vetro
superficie substrato ricoperta di OTS
Si Si
Si Si
Cl Cl
Cl Cl Cl Cl
Cl Cl
Cl Cl
Cl Cl
OH OH
OH OH
29. Interazioni non covalenti (“deboli”)
Forze di Van der Waals (London e (5-50 kJ/mol)
dipolo-dipolo)
Interazioni ione-ione e ione-dipolo (50-200 kJ/mol)
Legame idrogeno
(4-120 kJ/mol)
Interazioni catione-π
(5-80 kJ/mol)
π-π Stacking
(1-50 kJ/mol)
30. Interazioni intermolecolari
Driving Force per la formazione di strutture sovramolecolari
”interazione” iidrofoba <40 kJ/mol
interazione elettrostatica ~20 kJ/mol
legame idrogeno 12-30 kJ/mol
interazioni di van der Waals 0.4-4 kJ/mol
interazione catione –π 5-80 kJ/mol
π−π stacking 0-50 kJ/mol
La forza inter-molecolare totale fra due molecole è la somma
di tutte le forze che si esercitano fra loro.
31. Legame ionico
legame
ionico
catione anione
-
+
sale proteina
legame-H
(e.g. NaCl)
DNA
O
C CH2
+
O
NH3
+
- NH3 (CH2)4
O
H2C C
O
32. Ione - ione
-
+
Può essere un legame molto forte - in alcuni casi anche più forte dei legami
covalenti.
Può essere una forza attrattiva o repulsiva.
Forza non-direzionale
kZ1Z 2 e 2
A lungo raggio (1/r)
E=
Altamente dipendente dalla costante dielettrica del mezzo
ε r12
33. Ione - dipolo
Forza direzionale
Può essere attrattiva o repulsiva
θ
Range medio (1/r2)
δ−
Significativamente più debole delle interazioni ione-ione
O
kQu cosϑ
− Na+
E=
ε r2 δ+
Massima quando θ = 0 o 180°
Zero quando θ = 90°
u = q * l (momento di dipolo)
l = lunghezza del dipolo
q = carica parziale sul dipolo
r = distanza dalla carica al centro del dipolo
Q = carica sullo ione
34. dipolo - dipolo
Forza direzionale
Può essere attrattiva o repulsiva
A corto raggio (1/r3)
Significativamente più debole delle interazioni ione-dipolo
ku1u2
2 cosϑ1 cosϑ2 − sinθ1sinϑ2 cos ϕ
E=−
εr 3
θ2
θ1
δ−
δ+
O
Massima nella configurazione allineata con θ = 0
φ
δ+
ku1u2
−2
Si semplifica a: O
δ−
εr 3
35. Interazioni di van der Waals (0.4-4 kJ/mol)
• Per atomi con dipoli permanenti:
– Interazioni dipolo-dipolo (energia potenziale ~r-3)
– Interazioni dipolo-dipolo indotto (energia potenziale ~r-5)
• Per atomi senza dipoli permanenti:
– Fluttuazioni di carica inducono forze di dispersione o di
London (dipolo indotto-dipolo indotto) (energia potenziale ~r-6)
– Repulsione fra atomi dovuta alla sovrapposizione delle nubi
elettroniche (energia potenziale ~r-12)
Potenziale di Lennard-Jones
E = B/r12 - A/r6
dipolo dipolo
transiente transiente
36. Interazioni catione – π, π-π Stacking
Interazione catione – π (5 – 80 kJ/mol). Interazione di cationi di
metalli alcalini e terre alcaline con legami C=C doppi. Giocano un
ruolo importante nei sistemi biologici. L’energia di interazione fra K+ e
il benzene è circa 80 kJ/mol.
π – π stacking (0 – 50 kJ/mol). Debole interazione elettrostatica fra
anelli aromatici. Ne esistono due tipi: face-to-face e edge-to-face:
Le interazioni π-stacking
face-to-face sono
responsabili del
comportamento lubrificante
della grafite. Analogamente
interazioni π-stacking
aiutano a stabilizzare la
doppia elica del DNA
41. Legami idrogeno (12-30 kJ/mol)
Il legame idrogeno si può considerare come un tipo particolare di
interazione dipolo-dipolo in cui un atomo di idrogeno attaccato ad un
atomo elettronegativo viene attirato da un’altro atomo elettronegativo
su una molecola o gruppo funzionale adiacente
C
O N O
H H H
O O N
Questa interazione è molto importante per
mantenere la struttura sovramolecolare delle
molecole biologiche
