Supramolecular studies on the behaviour of different chiral cycloalkane-based compounds as receptors, gelators and surfactants

Abstract

En aquesta tesi, s’han estudiat quatre diferent sistemes supramoleculars com a receptors, gelificadors o tensioactius. S’ha analitzat la influència de diferents factors estructurals de la molècula senzilla en la seva propietat supramolecular final. S’han utilitzat diferents estratègies per a preparar els compostos estudiats. La combinació de diferents tècniques ens ha permès entendre millor aquests sistemes obtenint un resultat sinèrgic. Els resultats d’aquesta tesi estan dividits en quatre capítols:

1) Diferents receptors d’anions tripodals s’han sintetitzat i la seva complexació amb diferents anions s’ha estudiat. Fent servir RMN, les energies de Gibbs de complexació s’han calculat i la seva afinitat de cordinació s’ha estudiat. Mitjançant càlculs teòrics, l’estructura dels diferents complexes s’ha predit. També, la termodinàmica dels sistemes estudiats s’ha calculat. Els càlculs teòrics ens han permès entendre i racionalitzarels resultats experimentals.

2) Tres famílies diferents de gelificadors basats en carbocicles que contenen dos grups amida s’han estudiat per tal de determinar la influència de la mida de l’anell, les substitucions de l’anell i l’estereoquímica de la molècula en les seves habilitats gelificants. Usant el test de la inversió del tub i racionalitzant-lo amb diferents paràmetres de solubilitat, les habilitats gelificants dels diferents compostos s’han determinat. Aquest estudi s’ha acompanyat amb RMN d’alta resolució. L’agregació s’ha estudiat mitjançant càlculs teòrics, els quals estan en acord amb els espectres de dicroïsme circular obtinguts dels xerogels. Finalment, fent servir SEM, s’ha determinat la morfologia dels agregats.

3) Quatre diferents tensioactius tipus bola s’han sintetitzat i el seu caràcter com a tensioacitus s’ha estudiat per tal de determinar la influència de l’esteroquímica i la regioquímica en el seu comportament com a tensioactius. Fent servir el mètode de la gota penjatn, la variació de la tensió superficial amb la concentració s’ha analitzat. Hem desenvolupat un nou mètode per predir l’estructura dels tensioactius agregats a la superfície. Finalment, les tècniques de cryoTEM i SAXS ens han permès estudiar la morfologia i la mida dels agregats.

4) Al darrer capítol, qutre tensioactius depenents del pH s’han sintetitzat. L’estudi supramolecular de les seves propietats s’ha dut a terme usant diverses tècniques. Aquests tensioactius mostren un interessant comportament àcid-base adequat per a possibles aplicacions biològiques. És per això que s’han estudiat com a possibles nous vectors no-virals per a teràpia gènica fent servir diferents tècniques biofísiques i biològiques. Els resultats mostren que no són tòxics i que tenen propietats interessants per ser usats com a vectors.

In this thesis, four different supramolecular systems were studied as receptors, gelators or surfactants. The influence of different structural factors of the single molecule on the final supramolecular properties was analysed. Different strategies were used to prepare the studied compounds. The combination of different techniques leads us to better understand these systems obtaining synergistic results. Results of this thesis are divided in four chapters:

1) Different tripodal anion receptors were synthesised and their complexation with different anions were studied. Using NMR, complexation Gibbs energies were calculated and the binding affinity were studied. Using theoretical calculations, the structure of the complexes were predicted. Also, thermodynamics of the host-guest system were calculated and theoretical calculations lead us to rationalise the experimental results.

2) Three different families of cycloalkane diamide-based gelators were studied to determine the influence of the ring size, the substitutions of the ring and the stereochemistry on the final gelation abilities. Using the tube inversion test and rationalising it with different solubility parameters, the gelation ability was determined. This study was accompanied by high resolution NMR. Self-assembly was studied using theoretical calculations and circular dichroism. Results show that all of the studied gels are chiral despite some of the monomers are meso compounds. Then, using SEM, the morphology of the aggregates was determined.

3) Four different bolaform amphiphiles were synthesised and their behaviour as surfactants were studied to determine the influence of the stereochemistry and the regiochemistry on the final surfactant behaviour. Using the pendant drop method, the variation of the surface tension with the concentration was analysed. We developed a new method to predict the structure of the self-assembled surfactants at the surface. CryoTEM and SAXS were used to determine the morphology and size of the aggregates.

4) In the last chapter, four pH-dependent β-amino acid-based surfactants were synthesised. Supramolecular properties of these systems were studied using pendant drop method, cryoTEM, theoretical calculations, different physicochemical titrations, circular dichroism, UV-vis absorption and DLS. These surfactants show interesting acid-base behaviour suitable for biological applications. They have been studied as potential new non-viral vectors for gene therapy using different biophysical and biological techniques. Results show that these surfactants are not toxic and they have interesting features to be used as vectors.