Molecular containers based on aryl-extended calix[4]Pyrroles

Abstract

Aquesta Tesi s'ocupa del disseny i síntesi de receptors còncaus que posseeixen cavitats hidrofíliques: receptors covalents, caixes metàl·liques i càpsules no covalents. Per a la seva construcció, triem la bastida de calix[4]pirrol aril-estès (C[4]P-AE), que proporciona una cavitat aromàtica profunda tancada en un extrem per un lloc d'unió polar i oberta a l'extrem oposat. També investiguem les propietats de reconeixement dels receptors sintetitzats en dissolvents orgànics així com en aigua. Específicament, descrivim un mètode sintètic per l'allargament de la cavitat de C[4]P-AEs que condueix a derivats súper aril-estesos (C[4]P-SAE). Primer, vam preparar un C[4]P-SAE tetra-èster i realitzem estudis d'enllaç amb una sèrie de N-òxids en dissolució de cloroform. Els complexos del C[4]P-SAE tenien una estequiometria 1:1 i eren termodinàmicament i cinèticament altament estables. Els resultats destaquen les propietats d'unió superiors del receptor C[4]P-SAE davant l'inicial aril-estès. A continuació, sintetitzem C[4]P-SAEs amb vuit grups ionitzables (octa-àcid) o carregats (octa-piridini). Els últims C[4]P-SAEs eren solubles en aigua bàsica o neutra. Nosaltres vam determinar l'estabilitat termodinàmica dels seus complexos d'inclusió amb una sèrie de N-òxids de piridina, que tenien diferents residus no polars en la seva posició per. En base a aquests resultats, quantifiquem la magnitud de l'efecte hidrofòbic que opera a aquests complexos de C[4]P-SAE. També reportem l'auto-assamblatge de caixes metàl·liques i càpsules, que presenten cavitats tancades. Referent a això, vam mostrar que un lligant C[4]P-SAE tetra-piridina s'auto-assembla en una caixa mono-metàl·lica de Pd(II)/Pt(II). Estudiem l'encapsulació de substrats polars de mida considerables en la cavitat de la caixa. Els resultats obtinguts en la caracterització cinètica dels complexos de la caixa ens van permetre proposar mecanismes d'inclusió/intercanvi dels substrats. Finalment, descrivim els estudis de dimerització d'una tetra-urea basada en un SAE-C[4]P per donar càpsules no covalents estabilitzades per enllaços d'hidrogen.

Esta Tesis se ocupa del diseño y síntesis de receptores cóncavos que poseen cavidades hidrofílicas: receptores covalentes, cajas metálicas y cápsulas no covalentes. Para su construcción, elegimos el andamio de calix[4]pirrol aril-extendido (C[4]P-AE), que proporciona una cavidad aromática profunda cerrada en un extremo por un sitio de unión polar y abierta en el extremo opuesto. Nosotros investigamos las propiedades de reconocimiento molecular de los receptores sintetizados tanto en disolventes orgánicos como en agua. Específicamente, describimos un método sintético para el alargamiento de la cavidad de C[4]P-AEs que conduce a derivados súper aril-extendidos (C[4]P-SAE). Primero, preparamos un C[4]P-SAE tetra-éster y realizamos estudios de enlace con una serie de N-óxidos en disolución de cloroformo. Los complejos del C[4]P-SAE tenían una estequiometría 1:1 y eran termodinámicamente y cinéticamente altamente estables. Los resultados destacan las propiedades de unión superiores del receptor C[4]P-SAE frente al inicial aril-extendido. A continuación, sintetizamos C[4]P-SAEs con ocho grupos ionizables (octa-ácido) o cargados (octa-piridinio). Los últimos C[4]P-SAEs eran solubles en agua básica o neutra. Nosotros determinamos la estabilidad termodinámica de sus complejos de inclusión con una serie de N-óxidos de piridina, que tenían diferentes residuos no polares en su posición para. En base a estos resultados, cuantificamos la magnitud del efecto hidrofóbico que opera en estos complejos de C[4]P-SAE. También reportamos el auto-ensamblaje de cajas metálicas y cápsulas no covalentes, que presentan cavidades cerradas. A este respecto, mostramos que un ligando C[4]P-SAE tetra-piridina se auto-ensambla en una caja mono-metálica de Pd(II)/Pt(II). Estudiamos la encapsulación de substratos polares neutros en la cavidad de la caja. Los resultados obtenidos en la caracterización cinética de los complejos de la caja nos permitieron proponer mecanismos para los procesos de inclusión/intercambio de los sustratos. Finalmente, describimos los estudios de dimerización de un SAE-C[4]P tetra-urea en cápsulas diméricas estabilizadas a través de interacciones de enlaces de hidrógeno.

This Thesis deals with the design and synthesis of concave receptors possessing hydrophilic cavities: covalent receptors, metallo-cages and non-covalent capsules. For their construction, we chose the aryl-extended calix[4]pyrrole scaffold (AE-C[4]P), which delivers a deep aromatic cavity closed at one end by a polar binding site and opened at the opposite end. We investigated the binding properties of the synthesized receptors in both organic solvents and water. Specifically, we describe a synthetic approach for the elongation of the cavity of AE-C[4]Ps leading to super aryl-extended derivatives (SAE-C[4]P). First, we prepared a tetra-ester SAE-C[4]P and conducted binding studies with a series of N-oxides in chloroform solution. The SAE-C[4]P complexes had 1:1 stoichiometry and were thermodynamically and kinetically highly stable. The results highlight the superior binding properties of the SAE-C[4]P receptor versus the parent aryl-extended. Next, we synthesized SAE-C[4]Ps bearing eight ionizable (octa-acid) or charged (octa-pyridinium) groups. The later SAE-C[4]Ps were soluble in basic or neutral water. We determined the thermodynamic stability of their inclusion complexes with a series of pyridyl N-oxides, having different non-polar residues at their para-position. Based on these results, we quantified the magnitude of the hydrophobic effect operating in these SAE-C[4]P complexes. We also report the self-assembly of metallo-cages and non-covalent capsules, featuring enclosed cavities. In this regard, we show that a tetra-pyridyl SAE-C[4]P ligand self-assembles into a mono-metallic Pd(II)/Pt(II)-cage. We studied the encapsulation of neutral polar guests in the cage’s cavity. The results obtained in the kinetic characterization of the cage complexes allowed us to propose viable mechanisms for the guest inclusion/exchange processes. Finally, we describe the dimerization studies of a tetra-urea SAE-C[4]P into dimeric capsules stabilized through hydrogen-bonding interactions.