Self-assembly

Supramolecular self-assembly concerns the spontaneousassociation of either a few or many molecular componentsresulting in the generation of either discrete oligomolecularsupermolecules 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 limitednumber of molecular components under the intermolecularcontrol of the noncovalent interactions that hold themtogether.

J.-M. Lehn, Science 2002, 295, 2400

Nanostruttura auto-assemblata: DNA

Driving force: legami idrogeno

SelfSelf--Assembly Assembly Molecole di DNA

Timina AdeninaCitosina Guanina

Driving force: legami idrogeno

Le proteine si ripiegano e formano strutture molto specifiche

Self-assembly del Virus Tobacco Mosaic

Formato da 2130 subunità proteiche + 1 molecola di RNA virale

L’utilizzo di legami non-covalenti nel self-assembly offre alcuniimportanti vantaggi.

SelfSelf--AssemblyAssemblyReversibilità

A + B ⇔ A B Non-covalente

A + B ⇒ A B ⇒ C + D Covalente

Il legame è reversibile

Nell’unione di più unità, la combinazione di molte interazioni deboliè migliore della formazione di pochi legami forti: interazioni deboli sipossono combinare per dare un legame forte in una particolaregeometria ma legami deboli nelle altre geometrie.

La reversibilità permette di ottenere sistemi organizzati con lacapacità di self-repair e self-replication.

A B + B

Stimolo distruttivo

Nessuna reazione

SelfSelf--AssemblyAssemblySelf-Repair & Replication

A B+B

A B

A B A B +B A B + B

Il self-repair permette la sostituzione del componentedanneggiato riparando così la supermolecola.

Quando uno dei componenti di un sistema sovramolecolareviene alterato si può perdere la complementarietà.

I sistemi naturali si replicano e si riparano continuamente.

Stimolo distruttivo

Riconoscimento molecolare

Legame selettivo di un substrato con un recettore

Interazione =ENERGIA

Selezione =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 contatto4) Siti di interazione multipli5) Legame complessivo forte

Struttura cristallina del complesso K+ [18]crown-6

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.

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

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.

Molecole surfattanti : Costituenti Olio-Acqua

Formazione monostratoMicelle - nano-reattori, mezzi per drug delivery, e cleaning agents

Interfaccia Olio-Acqua

Oil

Water

Surfattante

Testa polare

Coda apolare

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

OSO3-

Strutture auto-assemblate da anfifili

Semplice modello geometrico: il modello di Israelachvili

Parametro di impaccamento

Anfifili con una grossa testa e una coda corta e spessa: p piccoloAnfifili con una piccola testa e una coda lunga e sottile: p grande

I liposomi sono strutture sferiche costituite da membrane bistrato di molecole anfifiliche. Si auto-assemblano in acqua e contengono acqua al loro interno.

Liposomi

Immagine al microscopio elettronico a trasmissione(TEM) di un liposomamonostrato.Scala, 200 nm

La dimensione dei liposomi può andare da 10 nm a 10 μm.

Possono contenere una, parecchie, o molte membrane concentriche

Micelle in soluzioni di bulk

Formazione di aggregati stabili alla cmc.

bassa concentrazione alta concentrazione

Micelle

Superficie “polare” water-like

Interno “apolare” oil-like

10-100 nm

Normale in acqua Invertito in olio SolubilizzazioneNanoreattoriRecupero olioDrug Delivery

Formazione monostrato

I surfattanti possono adsorbirsi all’interfaccia aria-acqua

Self-assembled monolayers (SAMs) su superficiIl 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 funzionalitàchimica, o “testa”, con affinitàspecifica per un substrato.

La tabella riporta le più comuni associazioni di adsorbati e substrati che formano SAMs.

Self-assembled monolayers su superfici di AuIl 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 alcantiolicon 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.

+

Chemisorbimento

ZolfoIdrogeno

Carbonioalcantiolo

Fisisorbimento (126 kJ/mol)-29 kJ/mol

SAM

• 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.

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 H2gassoso, un’altra possibilità è che venga convertito ossidativamente in acqua per reazione con O2. E’ difficile anche distinguere fra idrogeno ancora legato allo S oadsorbito 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 SAMsreali formati su substrati policristallini

superficie Au(111)

Configurazione finale

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.

Self-assembled monolayersI SAM sono un potente mezzo per ottenere modifiche chimiche di una superficie, e sono adatti per studi in nanoscienza e tecnologia perché1) 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.

SAM funzionalizzatiFra le applicazioni, i SAM funzionalizzatipossono 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’impaccamentodel 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 impaccasmentostretto degli adsorbati.

c) Gruppi terminali grossi (peptidi, proteine, anticorpi, ecc) con un grande ingombro stericoperturbano la struttura e danno strutture pià disordinate e meno dense.

Esempi di SAM per applicazioni in sensoristica

Chemisorbimento

Reazione chimica fra i costituenti e il substrato solido

X

X

X

X

X

X

X

X X X X X X X X XSito reattivo

Spontaneoirreversibile

Superficie funzionalizzata

OTS su vetro

S i

C lC lC l

S i

C lC lC l

S i

C lC lC l

S i

C lC lC l

OTS– octadeciltriclorosilano

OHOH OHOH

S i

C lC lC l

S i

C lC lC l

S i

C lC lC l

S i

C lC lC l

OHOH OHOH

superficie substrato ricoperta di OTS

OTS su vetro

Interazioni non covalenti (“deboli”)

Forze di Van der Waals (London e dipolo-dipolo)

Interazioni ione-ione e ione-dipolo

(5-50 kJ/mol)

(50-200 kJ/mol)

Legame idrogeno(4-120 kJ/mol)

Interazioni catione-π(5-80 kJ/mol)

π-π Stacking

(1-50 kJ/mol)

InterazioniInterazioni intermolecolariintermolecolariDriving 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 sommadi tutte le forze che si esercitano fra loro.

Legame ionico

+catione anione

DNA

legame-H

legameionico

proteinasale(e.g. NaCl)

-

NH3+ O C

OCH2

H2C C

O

O- NH3+

(CH2)4

Ione - ione

+ -

Può essere un legame molto forte - in alcuni casi anche più forte dei legamicovalenti.Può essere una forza attrattiva o repulsiva.Forza non-direzionaleA lungo raggio (1/r)Altamente dipendente dalla costante dielettrica del mezzo E =

12

221

reZkZ

ε

Ione - dipolo

O

δ+

δ−

Na+

θ

Forza direzionalePuò essere attrattiva o repulsivaRange medio (1/r2)Significativamente più debole delle interazioni ione-ione

E =

Massima quando θ = 0 o 180°Zero quando θ = 90°u = q * l (momento di dipolo)l = lunghezza del dipoloq = carica parziale sul dipolor = distanza dalla carica al centro del dipoloQ = carica sullo ione

2cosr

kQuε

ϑ−

dipolo - dipolo

O

δ+

δ−

O δ−

δ+

θ1 θ2

φ

Forza direzionalePuò essere attrattiva o repulsivaA corto raggio (1/r3)Significativamente più debole delle interazioni ione-dipolo

E =

Massima nella configurazione allineata con θ = 0

Si semplifica a:

ϕϑθϑϑε

coscoscos2 2121321 sinsin

ruku

−−

3212

ruku

ε−

• 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 nubielettroniche (energia potenziale ~r-12)

dipolotransiente

Interazioni di van der Waals (0.4-4 kJ/mol)

E = B/r12 - A/r6 Potenziale di Lennard-Jones

dipolotransiente

dipolotransiente

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 sonoresponsabili del comportamento lubrificantedella grafite. Analogamenteinterazioni π-stacking aiutano a stabilizzare la doppia elica del DNA

interazioni catione - π

Na+ RN

H

HH

+

δ− H

HH

H

H Hδ+

δ+

δ+

δ+

δ+ δ+

π - π stacking

δ− H

HH

H

H Hδ+

δ+

δ+

δ+

δ+ δ+H

HEdge-to-face

HH

HH

π - π stacking

HH

HH

Offset, face-to-face

Face to face, sfavorita

Interazioni idrofobe (<40 kJ/mol)

Non si tratta di una forza intermolecolare

Legami idrogeno (12-30 kJ/mol)

Questa interazione è molto importante per mantenere la struttura sovramolecolare dellemolecole biologiche

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 elettronegativosu una molecola o gruppo funzionale adiacente

H

O

O

C

H

O

N

H

N

O