Un campo de investigación reciente y muy interesante es el de las
máquinas moleculares. Inspirándose en la mecánica biológica, muchos han buscado
formar sistemas moleculares en movimiento para generar trabajo que promete
tener muchas aplicaciones. De interés especial para estos propósitos son un
tipo de moléculas llamadas Catenanos y Rotaxanos. Los Catenanos son estructuras
formadas por la interconexión de dos o más macrociclos para formar una especie
de cadena, con cada macro ciclos tomando el papel de un eslabón. Los Rotaxanos
son estructuras con una molécula en forma de mancuerna rodeada en el centro por
un macrociclos
Los
primeros Catenanos y Rotaxanos fueron sintetizados en la
década de 1960, pero
no fue sino hasta hace unos años que se empezaron a considerar estas
estructuras como posibles fuentes de una aplicación importante. Al principio,
la síntesis de este tipo de estructuras era muy difícil ya que se utilizaban
únicamente fuerzas intermoleculares e interacciones ácido-base para dirigir la
reacción.
Sin embargo, en la actualidad ya no existen ese tipo de impedimentos
ya que se han diseñado métodos de síntesis que incorporan metales de transición
para dirigir la reacción. Uno de los metales más empleados para esto es el
cobre en estado de oxidación
(I). Las estrategias más comunes consisten en
formar un complejo con fragmentos coordinantes acíclicos para luego cerrar los
fragmentos mediante una reacción de sustitución u otro tipo de reacción. El
centro metálico puede ser removido posteriormente formando una sal insoluble
con otro ligante para obtener el catenano libre. La idea de producir motores
moleculares con este tipo de estructuras proviene del estudio del mecanismo de
la contracción muscular. En las células musculares existen arreglos en forma de
fibras, con un filamento de miosina rodeado de filamentos de actina. El
movimiento ocurre por deslizamiento de los filamentos impulsado por la
hidrólisis del ATP. Haciendo una analogía con esta función biológica, se han
preparado estructuras moleculares que presenten este tipo de movimiento. Uno de
los sistemas más prometedores son los polipirroles que permiten doblar un
polímero sólido en una dirección u otra dependiendo de la corriente eléctrica
aplicada. Los rotoxanos se basan en el mecanismo de los sarcómeros del músculo,
y el ciclo central no permite que la cadena en forma de mancuerna se deslice
completamente fuera del sistema.
Sin embargo un método químico interesante
consiste en el intercambio de centros metálicos en un catenano. Para esto es importante
que los ciclos tengan varios átomos donadores. Es posible intercambiar un ion
metálico con un número de coordinación por otro con mayor número de
coordinación (por ejemplo Cu(I) y Zn(II)). Esto produce un movimiento de
estiramiento y contracción.
