Un trabajo del grupo de investigación del CiQUS liderado por el Profesor Jesús Rodríguez Otero ha sido seleccionado como portada del último número de la revista Physical Chemistry Chemical Physics, de la Royal Society of Chemistry (RSC). El artículo (Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 6233-6241) propone, usando las herramientas de la química computacional, cómo diseñar receptores cóncavos para el reconocimiento de fulerenos.
Casi 30 años después de su descubrimiento, los fulerenos siguen atrayendo la atención de muchos investigadores en todo el mundo, debido a sus propiedades únicas y a sus aplicaciones en una amplia gama de campos, como la ciencia de materiales o la medicina. Hoy en día, uno de los campos más activos en la química de fulerenos es la búsqueda de receptores moleculares capaces de formar complejos estables con ellos. Estos receptores no sólo son útiles para aislar fulerenos del hollín, sino también para el desarrollo de nuevos materiales para la conversión de energía solar, la optoelectrónica, la catálisis o el desarrollo de interruptores moleculares.
Dado que las fuerzas de dispersión son predominantes en la estabilización de los complejos de fulereno, una estrategia clave para el diseño de nuevos receptores moleculares es hacer uso de la complementariedad cóncavo-convexa para maximizar estas fuerzas. Sin embargo, los ejemplos de receptores de fulereno cóncavos son relativamente escasos, ya que las moléculas curvadas no son siempre un objetivo sintético fácil, debido a sus estructuras tensionadas. En este contexto, los hidrocarburos aromáticos policíclicos en forma de cuenco, comúnmente conocidos como buckybowls o fragmentos de fulereno, parecen muy prometedores; varios buckybowls se han sintetizado en los últimos años, siendo su superficie cóncava muy adecuada para su colocación sobre la superficie convexa de los fulerenos, a través de interacciones π···π de tipo cóncavo-convexo "ball-and-socket". En los últimos años, el grupo del profesor Rodríguez Otero se ha dedicado al estudio de las interacciones cóncavo-convexo entre buckybowls y fulerenos, con el fin de encontrar los factores que maximizan sus interacciones.
En este trabajo, una serie de buckybowls con diferentes tamaños y estructuras han sido evaluados como posibles receptores de los fulerenos C60, C70 y C40. Entre estos cuencos están el coranuleno (C20H10), el sumaneno (C21H12), el pinakene (C28H14), el hemifulereno (C30H12), el circumtrindeno (C36H12), el pentaindenocoranuleno (C50H20) y derivados del hexabenzocoroneno con forma de cuenco. Los investigadores llevaron a cabo un estudio exhaustivo, teniendo en cuenta las diferentes orientaciones de los fulerenos, con el fin de obtener la disposición más favorable para la interacción con los cuencos.
Según los cálculos del grupo (realizados con el nivel B97-D2/TZVP), la dispersión juega un papel crucial en la energía de interacción en estos complejos: es responsable de la unión en ellos, y muestra una excelente correlación con la energía de interacción (las mínimas desviaciones se pueden explicar mediante un análisis cualitativo basado en la contribución de los efectos electrostáticos a la energía de interacción). Como era de esperar, un aumento en la energía de dispersión guarda una buena correlación con un aumento en el tamaño del cuenco.
Sin embargo, hay algunas desviaciones sustanciales que pueden atribuirse a la forma de dicho cuenco. De esta manera, los compuestos cuya estructura posee "aletas" en el borde del cuenco muestran una mayor capacidad para interactuar con los fulerenos: por lo tanto, parece que la adición de estas aletas en el borde del cuenco mediante benzannelation se ha revelado como una estrategia efectiva para aumentar la interacción con los fulerenos, proporcionando la suficiente flexibilidad para extender la superficie de contacto con todo el fulereno. En consecuencia, un derivado del hexabenzocoroneno con forma de cuenco (C72H24) mostró la mejor capacidad entre los buckybowls evaluados para la captura de los tres fulerenos. Cabe destacar que, para la interacción con C60, la energía de interacción obtenida es el triple de la correspondiente al buckybowl prototípico, el coranuleno; por el contrario, cuanto más rígida y compacta sea la estructura de un buckybowl, menor es su capacidad para interactuar con los fulerenos.
El trabajo destaca también que las energías de interacción de los complejos con C70 sólo muestran un pequeño aumento con respecto a los obtenidos con C60. Por el contrario, los complejos con C40 muestran una disminución significativa en sus energías de interacción, con diferencias lo suficientemente grandes como para permitir su separación selectiva de mezclas de fulerenos con C60 y C70.