Towards Recognition of Polar Molecules in Water Using Calix[4]pyrrole Based Receptors

Abstract

Aquesta tesi s’ocupa del disseny, síntesi i estudis d’unió de receptors amfifílics solubles en aigua per a la unió selectiva de molècules o residus polars neutres relacionats amb la salut humana. Amb aquesta finalitat, es van seleccionar receptors basats en calix[4]pirrol aril-estesos. Aquests andamis presenten una cavitat còncava tancada en un extrem per quatre grups polars (NHs de pirrol) i oberta al seu extrem oposat. Aquestes característiques permeten que les interaccions polars i no polars operin en sinergia per obtenir alts nivells d’afinitat i selectivitat. Específicament, es descriu el disseny, la síntesi i els estudis d’unió de tres generacions d’una nova família d’andamis calix[4]pirrols aril-estesos cavitats mitjançant grups fosfonat per a la unió selectiva de creatinina. Es descriuen les modificacions estructurals i les conclusions extretes de cada generació. Tot i que no es va aconseguir la selectivitat esperada, es van obtenir valors rellevants de constants d’unió per a alguns dels receptors estudiats (Ka ≈ 1000 M-1). Per a comprendre millor com funcionen aquests tipus de receptors en aigua, es va realitzar un estudi exhaustiu de les seves propietats d'unió utilitzant una sèrie d’hostes polars neutres. Els resultats derivats d’aquests estudis mostren que els receptors calix[4]pirrol son excel·lents amfitrions d’amides, urees i N-òxids de piridina en aigua, obtenint valors de constant d’unió majors que 100000 M-1. Es va demostrar que els receptors calix[4]pirrol són millors donadors d’enllaç d’hidrogen que l’aigua. També es descriu el disseny i la síntesi de dos nous receptors calix[4]pirrol amb tirants que presenten terminacions dendrítiques ionitzables per a la unió selectiva de monosacàrids. L’estratègia sintètica optimitzada es discuteix en detall. Es van realitzar estudis d’unió amb un dels receptors sintetitzats amb octil-D-glucòsid en medi orgànic. Els resultats extres d’aquests experiments representen un bon auguri per a la seva transferència a solució aquosa.

Esta tesis se ocupa del diseño, síntesis y estudios de unión de receptores anfifílicos solubles en agua para la unión selectiva de moléculas o residuos polares neutros relacionados con la salud humana. Con este fin, se seleccionaron receptores basados calix[4]pirrol aril-extendido. Estos andamios presentan una cavidad cóncava cerrada en un extremo por cuatro grupos polares (NHs de pirrol) y abiertos en su extremo opuesto. Estas características permiten que las interacciones polares y no polares operen sinérgicamente para obtener altos niveles de afinidad y selectividad. Específicamente, describimos el diseño, síntesis y estudios de unión de tres generaciones de una nueva familia de andamios calix[4]pirroles aril-extendidos cavitados mediante grupos fosfonato para la unión selectiva de creatinina. Se describen las modificaciones estructurales y las conclusiones extraídas de cada generación. Aunque no se logró la selectividad esperada, se obtuvieron valores relevantes de constantes de unión para algunos de los receptores estudiados (Ka ≈ 1000 M-1). Para comprender mejor cómo funcionan estos tipos de receptores en el agua, realizamos un estudio exhaustivo de sus propiedades de unión utilizando una serie de huéspedes neutros polares. Los resultados derivados de estos estudios mostraron que los receptores calix[4]pirrol son excelentes anfitriones de amidas, ureas y N-óxidos en agua, obteniendo valores de constante de unión mayores de 100000 M-1. Pudimos demostrar que los receptores calix[4]pirrol son mejores dadores de enlaces de hidrógeno que el agua. También describimos el diseño y la síntesis de dos nuevos receptores calix[4]pirrol con tirantes que presentan terminaciones dendríticas ionizables para la unión selectiva de monosacáridos. La estrategia sintética optimizada se discute en detalle. Realizamos estudios de unión con uno de los receptores sintetizados en medio orgánico con octil-D-glucósido. Los resultados extraídos de estos experimentos representan un buen augurio para su transferencia a solución acuosa.

This thesis deals with the design, synthesis and binding studies of water-soluble amphiphilic receptors for the selective binding of polar neutral molecules or residues related to human health. To do so, we selected aryl-extended calix[4]pyrrole based receptors. These scaffolds deliver a concave cavity closed at one end by four polar groups (pyrrole NHs) and opened at their opposite end. These features allow polar and non-polar interactions to operate synergistically to obtain high levels of affinity and selectivity. Specifically, we describe the design, synthesis and binding studies of three generations of a novel family of phosphonate cavitands based on aryl-extended calix[4]pyrrole scaffolds for the selective binding of creatinine. The structural modifications and the conclusions extracted from each generation are described. Although the expected selectivity was not accomplished, large binding constants were obtained for some of the studied receptors (Ka ≈ 1000 M-1). In order to better understand how these types of receptors function in water, we performed a thorough study of their binding properties using a series of polar neutral guests. The results derived from this studies showed that calix[4]pyrroles are excellent hosts for amides, ureas and N-oxides in water, reaching binding constant values larger than 100000 M-1. We could demonstrate that calix[4]pyrrole receptors are better hydrogen bonding donors than bulk water. We also report the design and synthesis of two novel strapped calix[4]pyrroles featuring ionizable dendritic terminations for the selective binding of mono-saccharides. The optimized synthetic strategy is discussed in detail. We performed binding studies with one of the synthesized receptors in organic media with octyl-D-glucoside. The extracted results from these experiments augur well for its transfer to aqueous solution.