Chiral cyclobutane scaffolds: their application in the the development of new functionalized organogelators, organocatalysts and MRI contrast agents

Abstract

En aquesta tesi, diferent sistemes basats en la estructura del ciclobutà s’han sintetitzat i estudiat com a gelificadors, catalitzadors i agents de contrast. Els resultats d’aquesta tesi estan dividits en tres capítols. 1) Dos gelificadors basats en pèptids estudiats prèviament en el nostre grup de recerca han estat funcionalitzats amb un derivat de la terpiridina. La influencia d’aquesta nova funció en la habilitat gelificant ha estat investigada. Per a aquest estudi s’ha utilitzat el test de la inversió del tub, microscòpia electrònica, dicroisme circular i càlculs teòrics, suggerint que la agregació d’aquests nou compostos segueix una estructura helicoïdal. Finalment, els nous gelificadors s’han complexat amb alguns ions metàl·lics, però els complexos resultants no son capaços de gelificar cap dissolvent. Aquests resultats confirmen que el disseny racional de metal·logelificadors és un gran repte. 2) Diferents tripètids hídrids que contenen dos unitats de prolina i un aminoàcid ciclobutànic s’han sintetitzat i estudiat com a organocatalitzadors per a la reacció aldòlica. Notablement, la enantioselectivitat de la reacció aldòlica va ser invertida en la presència d’aigua. Els resultats s’han racionalitzat amb estudis conformacionals i mecanístics utilitzant RMN, dicroisme circular i càlculs teòrics. Els rendiments gairebé quantitatius i les bones enantioselectivitats aconseguides confereixen a aquests pèptids amb propietats interessants ha ser utilitzats en reaccions aldòliques i a ser estudiats més profundament en altres processos químics. 3) Dos nous lligands que contenen una diamina ciclobutànica s’han sintetitzat i complexat amb diferents ions metàl·lics paramagnètics. La estabilitat termodinàmica, la inertesa cinètica i el numero de hidratació d’aquests complexos s’ha investigat utilitzant diferent tècniques. Finalment, s’han estudiat com a potencials agents de contrast per a ressonància magnètica d’imatge utilitzant diferent metodologies de RMN. Globalment, els resultats suggereixen que un d’ells es un bon candidat per ser utilitzat clínicament.

In this thesis, different systems containing a cyclobutane-based scaffold were synthesized and studied as gelators, catalysts or contrast agents. Results of this thesis are divided in three chapters. 1) Two peptide-based low molecular weight gelators previously studied in our group were functionalized with a terpyridine derivative. The influence of this added moiety was determined in the final gelation behavior. This study was performed by tube inversion test, scanning electron microscopy, circular dichroism and theoretical calculations, suggesting that the aggregation of both compound followed a helical-like structure. These new gelators were complexed with some metal ions in order to obtain metallogelators, but the obtained complexes were not able to gelate any solvent, confirming that the rational design of metallogelators is still a big challenge. 2) Different new hybrid tripeptides containing two proline units and a cyclobutane-based amino acid were synthesized and studied as organocatalysts for aldol reactions. Noteworthy, the enantioselectivity in aldol reactions was reversed in the presence of water. Results were rationalized by conformational and mechanistic studies using NMR, circular dichroism and theoretical calculations. The almost quantitative yields and good enantioselectivities achieved under easy reaction conditions, confers these peptide catalysts with interesting properties to be employed in aldol reactions and to be further explored in other chemical processes. 3) Two new linear ligands containing a cyclobutane-based diamine were synthesized and complexed with different paramagnetic metal ions. The thermodynamic stability, kinetic inertness, and the hydration number of these complexes were investigated using different techniques. They were studied as potential contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI) using different NMR methodologies. Overall, results suggested that one of them is a good and safe candidate to be used as contrast agent for clinical MRI.