Studies on Molecular Cavities: Synthesis, Characterization and Applications

• Autores: Elena Sanna Martínez
• Directores de la Tesis: Antoni Costa Torres (dir. tes.), Maria del Carmen Rotger Pons (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat de les Illes Balears ( España ) en 2016
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Christopher A. Hunter (presid.), Antonio Frontera Beccaria (secret.), Pablo Gaviña Costero (voc.)
• Materias:
  • Química
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: RepositoriUIB
• Resumen
  • español

    Esta tesis describe compuestos que presentan diferentes tipos de cavidades para llevar a cabo estudios supramoleculares. Especificamente, el trabajo aquí descrito se encuentra dividido en cinco capítulos. Capítulo 1. La introducción general ofrece una descripción general de la química supramolecular. Para ello, se describen las propiedades de las principales interacciones no covalentes y su importancia en la química de huésped:hospedador al igual que en procesos de auto-ensamblaje. Este capítulo también describe las características de las escuaramidas ya que el grupo escuaramida se ha utilizado repetidamente en esta tesis para la obtención de nuevos compuestos con aplicaciones supramoleculares. Capítulo 2. Se han estudiado las propiedades en disolución de un cavitando profundo funcionalizado con grupos 2-aminobenzimidazol previamente sintetizado en nuestro laboratorio. El cavitando encapsula compuestos trimetilamonio como colina y acetilcolina con constantes de asociación del orden de 104 M en mezclas MeCN:H2O. Como prueba de concepto, las propiedades catalíticas del cavitando se han aplicado en el estudio de la hidrólisis del p-nitrofenilcarbonato de colina. En este caso, el proceso de hidrólisis tiene lugar en tres pasos que fueron monitorizados por UV-vis y espectroscopia de RMN. El primer paso de la hidrólisis consiste en el reconocimiento del carbamato de colina por parte de la cavidad, seguido de la carbamoilación del cavitando y la hidrólisis de este intermedio para dar colina. La formación del derivado de cabamoil se completó tras 18 horas de reacción mientras que el último paso resultó ser un proceso muy lento que tenía lugar en unos 30 días. Estos resultados sugieren que el cavitando actúa como mímico de un inhibidor de acetilcolinesterasas. Capítulo 3. Se ha sintetizado una nueva familia de compuestos macrocíclicos basados en enlaces imina como resultado de la condensación de dos aldehídos aromáticos (isoftalaldehído y tereftalaldehído) con 1,3- y 1,4-propargildiaminas en varios disolventes como AcOEt o MeOH. La cicloimina resultante de la reacción entre tereftalaldehído y 1,3-fenilen-bis-propargildiamina cristaliza generando una estructura porosa que se mantiene tras la desolvatación. Los canales del cristal pueden ser ocupados por moléculas de diferente tamaño y que presentan diferentes grupos funcionales, como nitrometano, escuarato de dietilo, p-xileno, etilenglicol, p-anisaldehído, cis-estilbeno, (R)-(+)-limoneno, (S)-(-)-nicotina o ftalato de dietilo. En general, este material puede utilizarse como soporte sólido para la determinación estructural de moléculas huésped mediante el método de la esponja cristalina desarrollado por Fujita et al. Además, se han llevado a cabo estudios de selectividad utilizando mezclas 1:1 v/v de diferentes ftalatos: ftalato de dietilo, ftalato de dibutilo, ftalato de butil bencilo y ftalato de di-2-etilhexilo. En estas condiciones, el compuesto cristalino ha mostrado selectividad por ftalato de dietilo frente a los otros derivados de ftalato. Capítulo 4. Se han preparado compuestos supramoleculares basados en escuaramidas análogos a los multifarenos mediante la reacción de 1,3-dibromobenzilo con una escuaramida bicíclica en DMF en presencia de Cs2CO3. Sin embargo, el proceso sintético generó una mezcla de productos inseparables con un número variable de unidades escuaramida. Durante el proceso de síntesis, inesperadamente, se observó la formación de compuestos escuarimida aromáticos monofuncionalizados. Estos productos, raramente descritos en la bibliografía, se produjeron con rendimientos aceptables mediante la reacción de benzilos 4,4’- funcionalizados con escuaramida o N,N-dietilescuaramida en medio básico. Esta reacción implica la rotura del enlace intercarbonílico del derivado de benzilo. El pH del grupo NH de las escuarimidas resultantes determinado en mezclas H2O:MeCN 9:1 v/v resultó ser más ácido que el NH análogo de los derivados de escuaramida. Capítulo 5. Se ha diseñado y parcialmente preparado un conjunto de compuestos dendriméricos basados en grupos amina y escuaramida para posteriores aplicaciones biológicas. Para este fin, se eligieron cuatro poliaminas con cadenas de diferente tamaño y con diferente nivel de ramificación como moléculas centrales y dos unidades de crecimiento funcionalizadas con grupos escuaramida con longitud de cadena diferente. Así, se han podido aislar y caracterizar satisfactoriamente varias primera y segunda generaciones a partir de la reacción de una molécula central con una unidad de crecimiento en medio alcohólico. Los mejores resultados se lograron con las unidades más grandes y flexibles dado que permiten acomodar mejor la tercera y cuarta generación de dendrímeros.

  • català

    Aquesta tesi descriu composts que presenten diferent tipus de cavitats per a dur a terme estudis supramoleculars. Específicament, el treball aquí descrit es troba dividit en cinc capítols. Capítol 1. La introducció general ofereix una descripció general de la química supramolecular. Així, es descriuen les propietats de les principals interaccions no covalents i la seva importància en la química hoste:hospedador al igual que en processos d’auto-assemblatge. Aquest capítol també descriu les característiques de les escuaramides ja que el grup escuaramida s’ha emprat repetidament en aquesta esta tesi per a l’obtenció de nous composts amb aplicacions supramoleculars. Capítol 2. S’han estudiat les propietats en dissolució d’un cavitand profund funcionalitzat amb grups 2- aminobenzimidazol prèviament sintetitzat al nostre laboratori. El cavitand encapsula composts trimetilamoni com colina i acetilcolina amb constants d’associació de l’ordre de 104 M en mescles MeCN:H2O. Com a proba de concepte, les propietats catalítiques del cavitand s’han aplicat en l’estudi de la hidròlisis del p-nitrofenilcarbonat de colina. En aquest cas, el procés de hidròlisis té lloc en tres passes que varen ser monitoritzades per UV-vis i espectroscòpia de RMN. El primer pas de la hidròlisis consisteix en el reconeixement del carbamat de colina per part de la cavitat, tot seguit de la carbamoïlació del cavitand i la hidròlisis d’aquest intermedi per a donar colina. La formació del derivat de cabamoïl es va completar després de 18 hores de reacció mentre que la darrera passa va resultar un procés molt lent que tenia lloc en uns 30 dies. Aquests resultats suggereixen que el cavitand actua como a mímic d’un inhibidor de acetilcolinesterases. Capítol 3. S’ha sintetitzat una nova família de composts macrocíclics basats en enllaços imina como a resultat de la condensació de dos aldehids aromàtics (isoftalaldehid i tereftalaldehid) amb 1,3- y 1,4- propargildiamines en varis dissolvents com AcOEt o MeOH. La cicloimina resultant de la reacció entre tereftalaldehid y 1,3-fenilen-bis-propargil diamina cristal·litza generant una estructura porosa que es mantén després de la desolvatació del producte. Els canals del cristall poden ser ocupats per molècules de diferent mida i que presenten diferents grups funcionals, como nitrometà, escuarat de dietil, p-xilè, etilenglicol, p-anisaldehid, cis-estilbè, (R)-(+)-limonè, (S)-(-)-nicotina o ftalat de dietil. En general, aquest material pot ser emprat como a suport sòlid per a la determinació estructural de molècules hoste mitjançant el mètode de l’esponja cristal·lina desenvolupat per Fujita et al. A més, s’han duit a terme estudis de selectivitat emprant mescles 1:1 v/v de diferents ftalats: ftalat de dietil, ftalat de dibutil, ftalat de butil bencil y ftalat de di-2-etilhexil. En aquestes condicions, el compost cristal·lí ha mostrat selectivitat per ftalat de dietil en front a la resta de derivats de ftalat. Capítol 4. S’han preparat composts supramoleculars basats en escuaramides anàlogues als multifarens mitjançant la reacció de 1,3-dibromobenzil amb una escuaramida bicíclica en DMF en presencia de Cs2CO3. Però, el procés sintètic va generar una mescla de productes inseparables amb un número variable de unitats escuaramida. Durant el procés de síntesis, inesperadament, es va observar la formació de composts escuarimida aromàtics monofuncionalizats. Aquests productes, rarament descrits a la bibliografia, es varen produir amb rendiments acceptables mitjançant la reacció de benzils 4,4’- funcionalitzats amb escuaramida o N,N-dietilescuaramida en medi bàsic. Aquesta reacció implica la ruptura de l’enllaç intercarbonílic del derivat de benzil. El pH del grup NH de les escuarimides resultants determinat en mescles H2O:MeCN 9:1 v/v va resultar ser més àcid que el mateix NH dels derivats d’escuaramida. Capítol 5. S’ha dissenyat i parcialment preparat un conjunt de composts dendrimérics basats en grups amina i escuaramida per a posteriors aplicacions biològiques. Amb aquest fi, es varen elegir quatre poliamines amb cadenes de diferent mida i amb diferent nivell de ramificació com a molècules centrals i dues unitats de creixement funcionalitzades amb grups escuaramida amb longitud de cadena diferent. Així, s’han pogut aïllar i caracteritzar satisfactoriament vàries primera i segona generacions a partir de la reacció d’una molècula central amb una unitat de creixement en medi alcohòlic. Els millors resultats es varen aconseguir amb les unitats més grans i flexibles degut a que poden acomodar millor la tercera i quarta generació de dendrímers.

  • English

    This PhD thesis involves compounds that present various types of cavities intended for supramolecular studies. Specifically, the work is divided into five chapters. Chapter 1.The general introduction offers a general description of the supramolecular chemistry. There is a description of the properties of the fundamental non-covalent interactions and their relevance in host-guest chemistry as well as in self-assembly. This chapter also details the features of the squaramides as the squaramide moiety is a motif repeatedly used in this work to obtain new squaramido-based compounds for supramolecular applications. Chapter 2. The properties of a 2-aminobenzimidazole functionalized deep cavitand previously synthesized in our laboratory have been studied in solution. The cavitand encapsulates trimethylammonium compounds such as choline and acetylcholine with association constants on the order of 104 M in MeCN:H2O mixtures. As a proof of concept, the catalytic properties of the cavitand have been applied to the study of the hydrolysis of p-nitrophenyl choline carbamate. In this case, the hydrolysis was achieved in three steps that were monitored by UV-vis and 1 H-NMR spectroscopy. The first step was the recognition of the choline carbamate by the cavity, followed by the carbamoylation of the cavitand compound and the hydrolysis of this intermediate to yield choline. The formation of the carbamoyl derivate was completed after 18 h while the last step was a very slow process that proceeds in around 30 days. These results suggest that the cavitand acts as a mimic of an acetylcholinesterase inhibitor. Chapter 3. A new family of imine-based macrocyclic compounds has been synthesized by the condensation of two aromatic dialdehydes (isophthalaldehyde and terephthalaldehyde) with 1,3- and 1,4-propargyldiamines in various solvents such as EtOAc or MeOH. The cycloimine that result of the reaction between terephthaladehyde and 1,3-phenylene-bis-propargylic diamine crystallizes giving a porous structure that is maintained after desolvation. The apohost was filled with guest molecules of different size and featuring a variety of functional groups, such as nitromethane, diethyl squarate, pxylene, ethylene glycol, p-anisaldehyde, cis-stilbene, (R)-(+)-limonene, (S)-(-)-nicotine or diethyl phthalate. Overall, this material can be used as a solid support for the structure determination of guest molecules by the crystalline sponge method developed by Fujita et al. Also, preliminary selectivity studies have been conducted using 1:1 v/v mixtures of four phthalates, namely: diethyl phthalate, dibutyl phthalate, benzyl butyl phthalate and di(2-ethylhexyl) phthalate. Under these conditions, the crystal compound has shown selectivity for diethyl phthalate over the other phthalate derivatives. Chapter 4. Squaramide-based macrocycles analogs to multifarenes have been prepared by reaction of 1,3-dibromobenzil with a bicyclic squaramide derivative in DMF in the presence of Cs2CO2. However, the synthetic process yielded an inseparable mixture of oligomeric compounds featuring a variable number of squaramide units. In the course of these reactions, unexpectedly, it was observed the formation of aromatic mono-substituted squarimide compounds. These compounds, rarely described in the literature, were produced in fairly good yields by the reaction between 4,4’-benzils with squaramide or N,N-diethyl squaramide in basic medium. This reaction implied the cleavage of the inter-carbonyl bond of the benzil derivative. The pH of the NH group of the resulting squarimides determined in H2O:MeCN 9:1 v/v mixtures resulted more acidic than the equivalent NH of plain squaramide derivatives. Chapter 5. A new set of squaramido-amino-based dendrimeric compounds intended for future biological applications has been designed and partially prepared. As part of this work, four polyamines with variable chain lengths and branching units were chosen as core molecules. Moreover, two squaramidebased growing units with different chain length were synthesized. First and second generation compounds could be successfully isolated and characterized by the reaction of each core molecule with the growing units in an alcoholic medium. The larger and more flexible building blocks have been the most promising candidates because they enable a better accommodation of the more branched third and fourth generations of the dendrimers.