I rotaxani sono strutture supramolecolari in cui in una molecola ciclica vi è un frammento molecolare lineare che lo attraversa da parte a parte che termina con gruppi voluminosi all'estremità.
Si differenziano dai catenani che sono idrocarburi che hanno due o più anelli collegati come anelli di una catena, senza che tra i due anelli sia presente un legame covalente. I catenani sono la classe più semplice di molecole interbloccate meccanicamente che comprendono due o più anelli. Essi sono permanentemente interconnessi a meno non si rompa un legame di uno degli anelli.
I rotaxani e i catenani sono di natura molecolare, in quanto conformi alla definizione della I.U.P.A.C. secondo cui una molecola è una entità indivisibile in entità più semplici senza la scissione di un legame chimico
Struttura
La struttura di un rotaxano ricorda la forma di un manubrio con un anello intrappolato tra le due estremità.
La loro struttura è confermata da diffrattometria a raggi X a cristallo singolo, spettroscopia NMR e UV-vis.
Il macrociclo può ruotare attorno all'asse del manubrio come un volano. Il controllo della posizione del macrociclo consente al rotaxano di funzionare come interruttore molecolare. Ad ogni possibile posizione del macrociclo corrisponde un diverso stato dell'interruttore. Queste macchine possono essere manipolate sia mediante azione chimica che fotochimica.
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Sintesi dei rotaxani
Esistono fondamentalmente tre metodi per sintetizzare i rotaxani ovvero definite threading, clipping, e slipping
Il metodo threading prevede l'inserimento di una molecola nella cavità dell'anello. Successivamente sono posti i gruppi voluminosi alla sua estremità
Con il metodo clipping la molecola che entra nell'anello contiene già gli ingombri voluminosi e inserita nel macrocilo aperto che subisce quindi una reazione di chiusura dell'anello attorno alla molecola
Il metodo slipping prevede lo slittamento del macrociclo sulla molecola ospite già ingombrata. Questo processo, tuttavia, non è favorevole da un punto di vista cinetico e pertanto è necessaria un'energia esterna come l'irradiazione a microonde o l'alta temperatura
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Applicazioni
Le molecole meccanicamente interbloccate come rotaxani e catenani hanno un grande potenziale in diversi campi della chimica. Le loro proprietà variano in base alle strutture specifiche, dinamiche interne, comportamento di risposta agli stimoli.
Sono utilizzati per influenzare, potenziare o bloccare l'azione di agenti terapeutici per consentire la somministrazione mirata di farmaci.
È previsto il loro utilizzo come componenti elettronici molecolari in qualità di interruttori molecolari e come navette molecolari.
Potrebbero essere eccellenti nanomacchine negli interruttori molecolari e nelle applicazioni di memoria. Il macrociclo del rotaxano, infatti, può muoversi in modo reversibile tra lungo il suo asse sotto stimoli esterni, risultando in due configurazioni molecolari stabili note come stati “ON” e “OFF” dell'interruttore
