Modeling the Self-Assembly of Cage Molecules

Abstract

Els materials moleculars porosos constituïts per cage molecules estan despertant l'interès de la comunitat científica a causa de les seves prometedores aplicacions entre les quals es troben les separacions químiques, adsorció de gasos o com agents per a augmentar la porositat en materials compostos. En els darrers anys, el desenvolupament de les organic cage molecules ha millorat enormement. La síntesi d'aquests compostos en reaccions one-pot que es basen en l'autoassemblatge dels monòmers constituents s’ha convertit en una pràctica habitual. S'han fet alguns passos per a entendre el mecanisme subjacent de l'autoassemblatge de la molècula, principalment per a metallocages, i per a veure quins paràmetres controlen el producte de la reacció, però encara queda molt per descobrir. En aquest treball es dóna un estudi detallat sobre la reacció de condensació d'imina que regeix l'autoassemblatge de les imine cages, en el qual s'aconsegueix reproduir dades cinètiques experimentals. A més, combinant química quàntica computacional i modelització cinètica presentem un model compatible amb els diferent reactors utilitzats per a la síntesi de la CC1 imine cage. D'aquest estudi combinat, deduim quins intermedis tenen un paper més important en el producte obtingut, així com de quina manera altres variables, concentracions inicials i temperatura, influeixen en el producte obtingut.

Los materiales moleculares porosos constituidos por cage molecules están despertando el interés the la comunidad cientifica a causa de sus prometedoras aplicaciones, como separaciones quimicas, adsorción de gases o como agentes para aumentar la porosidad en materiales compuestos. En los últimos años, el desarrollo de las organic cage molecules ha mejorado drásticamente. La síntesis de estos compuestos en reacciones one-pot que se basan en el autoensamblaje de los monomeros constituyentes se ha convertido en una práctica habitual. Se han dado algunos para entender el mecanismo del autoensambleje de la molécula, principalmente para metallocages, y para ver que parámetros controlan el producto de la reacción, pero aún queda mucho por descubrir. En este trabajo se da un estudio detallado sobre el mecanismo de reacción de la condensación de imina que gobierna el autoensamblaje de las imine cages, en el cual se consigue reproducir datos cinéticos experimentales. A continuación, combinando química quántica computacional y modelización cinética presentamos un modelo compatible con los differentes reactores utilizados para la síntesis de la CC1 imine cage. De este estudio combinado, derivamos que intermedios tienen un papel más importante en el producto obtenido así como en que manera otras variables, concentraciones iniciales y temperatura, influencian el producto obtenido.

Porous molecular materials constituted by cage molecules are gathering the interest of the scientific community due to their promising applications, like chemical separations, gas adsorption or as agents to increase the porosity in composite materials. In the recent years, the development of organic cage molecules has vastly improved. The synthesis of these compounds in one-pot reactions relying on the self-assembly of the constituting monomers is now a common practice. Some steps have been taken to understand the underlying mechanism of the molecule’s self-assembly, mostly for metallocages, and to see which parameters control the reaction outcome, but there is still much to uncover. In this work we provide a detailed study on the imine condensation reaction which governs the self-assembly of imine cages, in which reproduction of the raw experimental kinetic data is achieved. Then, through a combined approach of computational quantum chemistry and kinetic modeling we present a model compatible with the different reactor setups used for the synthesis of the CC1 imine cage. From this combined study, we derive which intermediates play a major role in the outcome product, as well as how other variables, initial concentrations and temperature, influence the outcome.