Molecular containers based on calix[4]pyrrole scaffolds

Abstract

Aquesta tesi compren la síntesi i l'estudi de diferents contenidors moleculars basats en una estructura macrocíclica de calix[4]pirrol. Els contenidors moleculars poseeixen cavitats polars funcionalitzades ideals per al reconeixement de molècules polars p.ex. anions, N-òxids… La creació de contenidors amb cavitats permanents (cavitants) dona lloc a la formació de complexos termodinàmica i cinèticament molt estables. Les conformacions adoptades en dissolució pels complexos així com la geometria en estat sòlid es discuteixen en detall. També s'aprofundeix en l'estudi de contenidors moleculars amb estructura auto-ensamblada. Es descriu la formació de complexos de co-encapsulació ordenats de clorur i una molècula neutra a l'interior de càpsules moleculars basades en unitats de calixpirrol. En un gran esforç sintètic, es va preparar un contenidor molecular amb topologia de bis[2]catenà format per dos hemisferis de calixpirrol i calixarè units mecànicament. La cavitat anisòtropa va permetre la co-encapsulació de N-òxids petits amb una molècula de dissolvent. La gran estabilitat cinètica dels complexos formats va permetre l'estabilització d'un N-òxid inestable. L'estabilitat termodinàmica del complex supramolecular va ser relacionat amb la cinètica de descomposició de l'N-òxid observat mitjançant els models cinètics. Finalment, s'estudia la sintesí i propietats de contenidors moleculars amb estructura covalent. La preparació de carcerands formats per la unió (Hay coupling) de dues unitats de tetra-alquinil calixpirrol va donar lloc a la inesperada formació de tetràmers amb estructura anàloga a un nus de vuit. L'ensamblatge de càpsules covalents dinàmiques amb enllaços reversibles del tipus imina també va ser estudiat emprant un tetra-formil calixpirrol com esquelet. En ambdos casos, la presència de una molècula plantilla que preorganitzi el sistema es fonamental per a dur a terme una síntesi eficient dels contenidors.

Esta tesis comprende la síntesis y el estudio de diferentes contenedores moleculares basados en una estructura macrocíclica de calix[4]pirrol. Los contenedores moleculares poseen cavidades polares funcionalizadas ideales para el reconocimiento de moléculas polares i.e. aniones, N-oxidos… La creación de contenedores con cavidades permanentes (cavitandos) da lugar a la formación de complejos termodinámica y cinéticamente muy estables. Las conformaciones adoptadas en disolución por los complejos así como la geometría en estado sólido se discuten en detalle. También se profundizó en el estudio de contenedores moleculares con estructura auto-ensamblada. Se describe la formación de complejos de co-encapsulación ordenados de cloruro y una molécula neutra en el interior de capsulas moleculares basadas en unidades de calixpirol. En un gran esfuerzo sintético, se preparó un contenedor molecular con topología de bis[2]catenano consistente en dos hemisferios de calixpirrol y calixareno unidos mecánicamente. La cavidad anisótropa permitió la co-encapsulación de N-oxidos pequeños con una molécula de disolvente. La gran estabilidad cinética de los complejos formados permitió la estabilización de un N-oxido inestable. La estabilidad termodinámica del complejo supramolecular se relacionó con la cinética de descomposición del N-oxido observado mediante modelos cinéticos. Finalmente, se estudia la síntesis y propiedades de contenedores moleculares con estructura covalente. La preparación de carcerandos formados por la unión (Hay coupling) de dos unidades de tetra-alquinil calixpirrol dio lugar a la formación inesperada de tetrámeros con estructura análoga a un nudo de ocho. El ensamblaje de capsulas covalentes dinámicas que contengan enlaces reversibles de tipo imina también se estudió usando un tetra-formil calixpirrol como esqueleto. En ambos casos se observó que el papel de una molécula plantilla que preorganice el sistema es fundamental para la síntesis eficiente de los contenedores.

This thesis comprises the synthesis and study of different molecular containers based on calix[4]pyrrole scaffolds. The molecular containers possess polar functionalized cavities ideal for the recognition of anions or N-oxides. The preparation of containers with enforced cavities (cavitands) results in the formation of highly stable (both thermodynamic and kinetically) complexes. The conformations adopted in solution by the host and the solid-state geometry are discussed in detail. Furthermore, we also explore the host-guest chemistry of self-assembled molecular containers. We describe the formation of ordered co-encapsulation complexes of chloride with neutral guests within self-assembled hydrogen-bonded molecular capsules having a calix[4]pyrrole core. In a great synthetic effort, a bis[2]catenane molecular container was prepared by the mechanical link of a calixpyrrole and a calixarene hemisphere. The anisotropic cavity of the bis[2]catenane allowed for the co-encapsulation of small N-oxides along with a solvent molecule. The high kinetic stability of the host-guest complexes allowed for the stabilization of a reactive propargylic N-oxide. The observed kinetic stability was related to the thermodynamics of the host-guest complex by a kinetic model. Finally, we studied the synthesis and properties of covalent molecular containers. The preparation of carcerand-like compounds by the Hay coupling of a tetra-alkynyl calix[4]pyrrole afforded the unexpected formation of a figure-of-eight-like structure. The assembly of dynamic covalent capsules bearing reversible imine bonds was also explored using a tetra-aldehyde calix[4]pyrrole as scaffold. In both cases, it was found that the role of the template was vital in the efficient synthesis of the containers.