El reconocimiento molecular y el autoensamblaje se emplean en la química supramolecular con el objetivo de desarrollar materiales innovadores a partir de bloques de construcción moleculares que están unidos por interacciones no covalentes. En particular, este campo utiliza motivos que presentan enlaces de hidrógeno robustos y reversibles, como en los sistemas biológicos. La icónica doble hélice del ADN ejemplifica esto, donde los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases de Watson-Crick dictan su estructura. Posteriormente, se descubrió que el ADN también puede adoptar configuraciones alternativas de enlaces de hidrógeno, como el cuarteto de guanina.

En este trabajo, hemos analizado la cooperatividad en una serie de cuartetos derivados de la guanina unidos por enlaces de hidrógeno mediante experimentos de química cuántica. Los sistemas están construidos a partir de dos bloques: un lado donador de enlaces de hidrógeno y un lado aceptor de enlaces de hidrógeno conectados con moléculas con conjugación π, lineales y rígidas, de diferentes longitudes (Figura 1). Todos los macrociclos muestran un efecto cooperativo, pero su magnitud disminuye, o sea, se vuelve menos estabilizante al aumentar el tamaño del conector de acetileno. Esto surge de nuestros cálculos de la teoría del funcional de densidad con corrección de dispersión (DFT-D) basados en la teoría cuantitativa de orbitales moleculares de Kohn-Sham y análisis de descomposición de la energía.

La cooperatividad en estas estructuras macrocíclicas surge de la transferencia de carga desde los orbitales σ ocupados de los aceptores de enlaces de hidrógeno a los orbitales σ desocupados de los donantes de enlaces de hidrógeno, lo que lleva a una mayor separación de cargas en el sistema. Esta separación hace que el aceptor del enlace de hidrógeno se cargue más negativamente, mientras que el donante del enlace de hidrógeno se cargue más positivamente. Esta transferencia de carga disminuye cuando se introduce un conector de acetileno más largo debido a la capacidad del conector para abstraer la densidad electrónica tanto del grupo donante como del aceptor del enlace de hidrógeno terminal.

Las conclusiones anteriores se extienden a los macrociclos con enlaces de hidrógeno previamente sintetizados basados en nucleósidos de guanosina y citidina, con el objetivo de establecer principios de diseño de macrociclos cooperativos para diferentes aplicaciones en química supramolecular (texto adaptado de la publicación: D. Almacellas, S. C. C. van der Lubbe, A. A. Grosch, I. Tsagri, P. Vermeeren, C. Fonseca Guerra, J. Poater, Eur. J. Org. Chem. 2024, e202301164).

Agradecimientos:

Soporte económico del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (PID2022-138861-I00 y María de Maeztu CEX-2021-001202-M), y la Generalitat de Catalunya (2021SGR442).