En chimie supramoléculaire., la chimie hôte-invité décrit des complexes qui sont composés de deux ou plusieurs molécules ou ions qui sont maintenus ensemble par des forces autres que celles des liaisons covalentes. La chimie hôte-invité englobe l'idée de la reconnaissance moléculaire et des interactions par liaison non-covalente. Cette dernière est essentielle pour maintenir la de grandes molécules, telles que les protéines, et est impliquée dans de nombreux processus biologiques dans lesquels de grandes molécules se lient spécifiquement mais de manière transitoire les unes aux autres.
Bien que les interactions non-covalentes puissent être grossièrement divisées en celles ayant des contributions plus électrostatiques ou dispersives, il existe d'autres types d'interactions non-covalentes : liaison ionique, liaison hydrogène, forces de van der Waals et interactions hydrophobes.
vignette|250x250px|Structure cristalline d'un complexe hôte-invité avec un p-xylylènediammonium lié dans un cucurbiturile. vignette|307x307px|Un invité N2 est lié dans une capsule hôte par liaison hydrogène.
Aperçu La chimie hôte-invité est une branche de la chimie supramoléculaire dans laquelle une molécule hôte forme un composé chimique avec une molécule ou un ion invité. Les deux composants du complexe sont maintenus ensemble par des forces non-covalentes, le plus souvent par liaison hydrogène. La liaison entre l'hôte et l'invité est généralement très spécifique aux deux parties concernées. La formation de ces complexes est au cœur du sujet de la reconnaissance moléculaire.
Il existe un équilibre entre l'état non lié, dans lequel l'hôte et l'invité sont séparés l'un de l'autre, et l'état lié, dans lequel ils forment un complexe hôte-invité défini structurellement :
H = « hôte », G = « invité », HG = « complexe hôte-invité »
Le composant « hôte » peut être considéré comme la plus grande molécule, et il englobe la plus petite molécule « invitée ». Dans les systèmes biologiques, les termes analogues d'hôte et d'invité sont communément appelés « enzyme » et « substrat ».
Afin de concevoir des systèmes synthétiques qui exécutent des fonctions et des tâches spécifiques, il est très important de comprendre la thermodynamique de la liaison entre l'hôte et l'invité. Les chimistes se concentrent sur l'échange d'énergie de différentes interactions de liaison et tentent de développer des expériences scientifiques pour quantifier les origines fondamentales de ces interactions non-covalentes en utilisant diverses techniques telles que la , la spectroscopie ultraviolet-visible et la calorimétrie de titrage isotherme. L'analyse quantitative des valeurs constantes de liaison fournit des informations thermodynamiques utiles.
Principes thermodynamiques des interactions hôte-invité Les avantages thermodynamiques de la chimie hôte-invité viennent de l'idée qu'il existe une énergie libre de Gibbs globale plus faible en raison de l'interaction entre les molécules hôtes et invitées. Les chimistes tentent de mesurer l'énergie et les propriétés thermodynamiques de ces interactions non-covalentes; et ce faisant, nous espérons avoir un meilleur aperçu du résultat combinatoire de ces nombreuses petites forces non-covalentes qui sont utilisées pour générer un effet global sur la structure supramoléculaire.
Une constante d'association peut être définie par l'expression
où {HG} est l'activité thermodynamique du complexe à l'équilibre. {H} représente l'activité de l'hôte et {G} représente l'activité de l'invité. Les quantités , et sont les concentrations et est un quotient des coefficients d'activité.
En pratique, la constante d'équilibre est généralement définie en termes de concentrations :
Lorsque cette définition est utilisée, il est sous-entendu que le quotient des coefficients d'activité a une valeur numérique de 1. Il apparaît alors que la constante d'équilibre a la dimension 1/concentration, mais cela ne peut pas être vrai puisque le changement d'énergie libre standard de Gibbs, est proportionnel au logarithme de K.
Ce paradoxe est résolu lorsque la dimension de est définie comme l'inverse de la dimension du quotient des concentrations. Le facteur est considéré comme ayant une valeur constante dans toutes les conditions expérimentales pertinentes. Néanmoins, il est courant d'attacher une dimension, telle que millimole par litre ou micromole par litre, à une valeur de K qui a été déterminée expérimentalement.
Une grande valeur de indique que les molécules hôtes et invitées interagissent fortement pour former le complexe hôte-invité.
Détermination des valeurs de constantes de liaison
Complexation simple hôte-invité Lorsque les molécules hôtes et invitées se combinent pour former un seul complexe, l'équilibre est représenté par
et la constante d'équilibre, K, est définie comme
où [X] désigne la concentration d'une espèce chimique X (tous les coefficients d'activité sont supposés avoir une valeur numérique de 1). Les équations, à tout point de données,
où et représentent les concentrations totales de l'hôte et de l'invité, peuvent être réduites à une seule équation quadratique et, par exemple, [G] et peuvent donc être résolues analytiquement pour toute valeur donnée de K. Les concentrations [H] et [HG] peuvent alors être dérivées.
La prochaine étape consiste à calculer la valeur, , d'une quantité correspondant à la quantité observée . Ensuite, une somme de carrés, U, sur tous les points de données, np, peut être définie comme
et cela peut être minimisé par rapport à la valeur de constante de stabilité, K, et à un paramètre tel que le déplacement chimique du complexe HG (données RMN) ou son absorbance molaire (données UV/visible). La minimisation peut être effectuée dans une application de feuille de calcul telle qu'Excel à l'aide de l'utilitaire Solver intégré.
Cette procédure ne doit être utilisée que lorsqu'il est certain que l'adduit 1:1 est la seule espèce complexe formée. Un simple contrôle de la validité de cette assertion est que les résidus devraient montrer une distribution aléatoire ; sinon, la formation d'une seconde espèce doit être envisagée.
Calorimétrie La chaleur dégagée lorsqu'une aliquote de solution hôte est ajoutée à une solution contenant l'invité est la somme des contributions de chaque réaction telle que
où est une valeur de changement de chaleur mesurée (corrigée pour toutes les contributions de chaleur étrangères) au point de données j. est la quantité de chaleur absorbée ou émise lorsqu'une mole du ième produit de réaction est formée et est le changement réel du nombre de moles de ce produit à ce point de données. est calculé en résolvant les équations du bilan massique avec des valeurs données des constantes d'équilibre. Si les valeurs de la constante d'équilibre sont connues, le changement d'enthalpie standard peut être calculé par un processus linéaire des moindres carrés, sinon une méthode non linéaire d'ajustement des données doit être utilisée.
La calorimétrie par titrage isotherme est couramment utilisée pour déterminer les valeurs à la fois d'une constante d'équilibre et de l'enthalpie de réaction standard correspondante. Les fabricants d'instruments fournissent certains logiciels avec lesquels ces quantités peuvent être obtenues à partir de valeurs de données expérimentales.
Réaction de complexation générale Pour chaque équilibre impliquant un hôte, H, et un invité G :
la constante d'équilibre, , est définie comme
Les valeurs des concentrations libres et sont obtenus en résolvant les équations avec des valeurs connues ou estimées pour les constantes de stabilité.
Ensuite, les concentrations de chaque espèce complexe peuvent également être calculées comme . La relation entre la concentration d'une espèce et la quantité mesurée est spécifique à la technique de mesure, comme indiqué dans chaque section ci-dessus. En utilisant cette relation, l'ensemble de paramètres, les valeurs de constantes de stabilité et les valeurs de propriétés telles que l'absorbance molaire ou les déplacements chimiques spécifiés, peuvent être affinés par un processus de raffinement non linéaire des moindres carrés. Pour une présentation plus détaillée de la théorie, voir Détermination des constantes d'équilibre. Certains programmes informatiques dédiés sont répertoriés dans des logiciels.
Techniques expérimentales
Résonance magnétique nucléaire La résonance magnétique nucléaire (RMN) est l'une des techniques spectroscopiques les plus puissantes en chimie analytique. C'est un outil important pour l'étude des complexes hôte-invité, pour élucider les structures des différents complexes existant sous forme d'agrégats, de paires d'ions ou de systèmes encapsulés. Comme son nom l'indique, la RMN identifie les différents noyaux des molécules (le plus souvent, le proton), en mesurant leur déplacement chimique. L'association entre deux molécules entraîne une modification considérable de leurs environnements électroniques. Cela conduit à un déplacement des signaux dans le spectre RMN, et ce principe de base est utilisé pour étudier les phénomènes de chimie hôte-invité. Les forces motrices de la liaison hôte-invité sont les diverses interactions secondaires entre les molécules, telles que la liaison hydrogène et l'. Ainsi, la RMN sert également de technique importante pour établir la présence de ces interactions dans un complexe hôte-invité.
vignette|300x300px|Dendrimères utilisés pour les applications de délivrance de médicaments (seuls les groupes finaux sont indiqués pour simplifier) et les médicaments courants. La nature de la liaison entre le médicament et le dendrimère est importante pour une libération efficace de médicaments dans l'organisme.
Des études de RMN ont donné des informations utiles sur la liaison de différents invités aux hôtes. Fox ont calculé les interactions de liaison hydrogène entre les molécules de pyridine et de dendrimère poly(amidoamine) (PAMAM), sur la base du déplacement chimique de l'amine et des groupes amide. Dans une étude similaire, Xu titré le dendrimère G4 PAMAM à base de carboxylate (l'hôte) avec divers médicaments à base d'amine (les invités) et surveillé les déplacements chimiques du dendrimère. En conjonction avec les techniques de RMN 2D-NOESY, ils ont pu localiser précisément la position des médicaments sur les dendrimères et l'effet de la fonctionnalité sur l'affinité de liaison des médicaments. Ils ont trouvé des preuves concluantes pour montrer que les molécules de médicaments cationiques se fixent à la surface des dendrimères anioniques par des interactions électrostatiques, alors qu'un médicament anionique se localise à la fois dans le noyau et la surface des dendrimères, et que la force de ces interactions dépend des valeurs de pKa des molécules.
Dans une autre étude, Sun ont étudié la chimie hôte-invité des molécules de ruthénium trisbipyridyl-viologène avec le cucurbiturile. Tout en étudiant le changement des déplacements chimiques des protons de pyridine sur le viologène, ils ont constaté que les modes de liaison pour les sont complètement différents pour les différentes molécules de cucurbiturile.
Un facteur important à garder à l'esprit lors de l'analyse de la liaison entre l'hôte et l'invité est le temps nécessaire à l'acquisition des données par rapport au temps de l'événement de liaison. Dans de nombreux cas, les événements de liaison sont beaucoup plus rapides que l'échelle de temps d'acquisition des données, auquel cas le résultat est un signal moyenné pour les molécules individuelles et le complexe. L'échelle de temps RMN est de l'ordre de la milliseconde, ce qui dans certains cas lorsque la réaction de liaison est rapide, limite la précision de la technique.
Spectroscopie ultraviolet-visible gauche|vignette|300x300px|Liaison entre viologène et cucurbiturile.