Nel leggere le parole “gel a legame ad alogeno” si ha come una strana sensazione, un leggero smarrimento. Questo avviene quando ci si trova davanti ad una parola estremamente conosciuta e quasi quotidiana, gel, accostata ad un concetto che invece risulta praticamente ignoto, il legame ad alogeno; il risultato finale non può che essere il disorientamento.
E se per meglio spiegare il concetto si aggiungesse un’ulteriore parola per arrivare ad un risultato finale che assomigli a “gel supramolecolare a legame ad alogeno” la questione sfiorerebbe il drammatico.
Eppure si tratta proprio di questo, ed il concetto è molto più semplice di quanto possa sembrare. Per comprenderlo infatti basta rispondere ad alcune semplici domande: cos’è un gel supramolecolare, e a che serve?
Cos’è il legame ad alogeno?
Cos’è un gel supramolecolare, e a che serve?
Esistono molti tipi di gel con differenti caratteristiche ed applicazioni. Per esempio alcuni gel polimerici vengono realizzati utilizzando una sostanza ricavata dalla denaturazione del collagene (la gelatina) e la loro applicazione è rivolta principalmente al campo alimentare ma anche al mondo della cosmesi: la consistenza gelatinosa facilita, ad esempio, l’applicazione sui capelli di prodotti di bellezza.
Esistono però alcune applicazioni dei gel che sono probabilmente meno note ma non per questo meno importanti; una di queste è ad esempio l’utilizzo di gel nella preparazione di medicinali a rilascio modificato (drug delivery): formulazioni in grado di liberare il farmaco nell'organismo in quantità e velocità controllata.[2]
Sempre maggiore interesse sta inoltre riscuotendo l’applicazione di gel nello studio del polimorfismo di cristalli di molecole utilizzate come principi attivi nei farmaci.
In poche parole, si tratta di procedimenti che permettono di disciogliere un farmaco, “intrappolarlo” in una sostanza gelatinosa e poi riportarlo allo stato cristallino ottenendo delle strutture non ottenibili in condizioni di soluzioni fluide (perché condizionate dall’intorno gelatinoso).
Questo procedimento permette ad esempio di riottenere lo stesso farmaco ad un livello di purezza molto più elevato rispetto al prodotto di partenza.
Chiaramente, più si estendono le applicazioni dei gel e più si rendono necessarie nuove formulazioni, nuove molecole (diverse da quelle come la gelatina utilizzate nei gel polimerici) in grado di dare gel con caratteristiche differenti, più adattabili all’utilizzo che se ne vuole fare.
È proprio da questa necessità che nascono i gel supramolecolari.[3]
Questi gel vengono ottenuti a partire da una sostanza liquida (ad esempio acqua) che al suo interno contiene disciolte particolari molecole.
Anche se a occhio nudo pare non accadere nulla, in realtà nel corso di pochi minuti queste piccole molecole si organizzano tra loro, interagiscono e si autoassemblano a formare grandi strutture fibrose nanometriche (questo è il concetto di supramolecolare).
Sono proprio queste strutture fibrose (Fig.1) che intrappolano il solvente (ad esempio acqua) facendo sì che sia possibile capovolgere il contenitore del liquido senza che questo cada sul pavimento, perché non è più un liquido, è diventato gel, un gel supramolecolare (Fig.2).
Fig.1Figura 1 - Le molecole si autoassemblano fino a formare grandi strutture fibrose nanometriche
Fig.2Figura 2 - Il gel supramolecolare di colore bianco visibile nel contenitore capovolto.
Cos’è il legame ad alogeno?
Una volta introdotto il concetto generale di gel supramolecolare occorre chiedersi cosa spinge queste molecole a organizzarsi autonomamente in grandi strutture fibrose che come ragnatele pervadono tutto il liquido e permettono la formazione del gel.
Naturalmente la risposta è: un legame intermolecolare, ovvero una forza che spinga le molecole a interagire tra loro nel modo desiderato.
La novità assoluta delle ricerche condotte al Politecnico di Milano sta proprio nel fatto che per la prima volta è stata utilizzata una nuova interazione per questo scopo: il legame ad alogeno.[4]
Fratello gemello del più noto legame ad idrogeno (interazione che per esempio mantiene unite tra di loro le molecole di acqua o del DNA), il legame ad alogeno invece convolge gli atomi di alogeno, F, Cl, Br e I al posto dell’idrogeno.
Proprio recentemente l’International Union of Pure and Applied Chemistry, che è l’organizzazione internazionale che presiede alla definizione della nomenclatura dei prodotti chimici, ha concluso un progetto, coordinato da ricercatori del Politecnico di Milano, per la definizione di legame ad alogeno.[5]
Può essere utile citare che proprio il legame ad alogeno gioca un ruolo determinante nell’interazione tra gli ormoni tiroidei e la nostra tiroide, determinandone così la funzione.[6]
I vantaggi applicativi
Ma quali sono i vantaggi applicativi di questi nuovi materiali?
La possibilità di aggiungere alle possibili interazioni sfruttabili per l’ottenimento di gel supramolecolari anche il legame ad alogeno allarga enormemente il campo di applicazione di questi materiali.
Infatti il solvente da intrappolare, il tipo di farmaco da sciogliere o i cristalli che si possono formare dipendono dal tipo di gel che si utilizza e dalle interazioni supramolecolari in gioco.
Se ad esempio occorre uno studio di drug delivery oppure di cristallizzazione di un determinato principio attivo in uno specifico sistema gel, potrebbe accadere che tale principio attivo non sia compatibile con le molecole che formano il gel magari attraverso il comune legame ad idrogeno.
Grazie allo studio realizzato al Politecnico è ora possibile utilizzare il legame ad alogeno per produrre il gel ed evitare quindi “interferenze” tra il gel e il principio attivo solubilizzato nel gel stesso.
Inoltre, le caratteristiche di reversibilità del legame ad alogeno consentono di ottenere nuovi gel (anche a base acquosa) che possono essere formati o distrutti a comando interferendo con questa “colla” che unisce le molecole nelle fibre.
Bibliografia
[1] Meazza, L., Foster, J. A., Fucke, K., Metrangolo, P., Resnati, G. & Steed, J. W., Halogen-bonding-triggered supramolecular gel formation, Nature Chem., 2012, DOI: 10.1038/nchem.1496.
[2] Van Bommel, K. J. C., Stuart, M. C. A., Feringa, B. L. & van Esch, J., Two-stage enzyme mediated drug release from LMWG hydrogels, Org. Biomol. Chem., 2005, 3,2917–2920.
[3] Steed, J. W., Supramolecular gel chemistry: developments over the last decade, Chem. Commun., 2011, 47, 1379–1383.
[4] Metrangolo, P., Meyer, F., Pilati, T., Resnati, G. & Terraneo, G., Halogen bonding in supramolecular chemistry, Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 6114–6127.
[5] Metrangolo, P. & Resnati, G., Halogen and chalcogen team up, Nature Chem., 2012, 4, 437–438.
[6] Consultare http://www.iupac.org/home/projects/project-db/project-details.html?tx_wfqbe_pi1%5bproject_nr%5d=2009-032-1-100, www.halogenbonding.eu e http://www.iupac.org/home/publications/provisional-recommendations/currently-under-public-review/currently-under-public-review-container/definition-of-the-halogen-bond.html.
Lorenzo Meazza
Pierangelo Metrangolo
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