Syntéza a studium fyzikálně-chemických vlastností 1-adamantylimidazoliových ligandů pro supramolekulární komplexy s cucurbit[n]urily a cyklodextriny

Ing. Andrea ČABLOVÁ

Doctoral thesis

Synthesis and study of physicochemical properties of 1-adamantylimidazolium ligands for supramolecular complexes with cucurbit[n]urils and cyclodextrins

Abstract:

Supramolekulární chemie je poměrně mladý obor, který nabízí vědcům široké spektrum možností v oblasti výzkumu nekovalentních vazebných mezimolekulárních interakcí. Předložená disertační práce pojednává ve své první části o syntéze a studiu fragmentačních cest bis(1-adamantylmethyl(benz)imidazoliových) solí značených ve specifických polohách deuteriem. U těchto značených solí bylo pomocí metody ESI-MS studováno jejich vazebné chování vůči cucurbit[7]urilu (CB7) v plynné fázi. Pomocí kolizně indukované disociace (CID), bylo zjištěno, že objemná adamantylmethylenová část molekuly může uvnitř CB7 oscilovat mezi dvěma polohami, což zřejmě umožňuje dvě rozdílné fragmentační dráhy ligandu. Způsob fragmentace je také ovlivňován sterickou náročností centrální části ligandu. V rámci druhé části práce byly syntetizovány imidazoliové a benzimidazoliové soli v jejichž struktuře byla zabudovaná karboxylová skupina, jakožto potencionální nástroj pro regulaci supramolekulárního chování pomocí změn pH. Vazebné chování vůči ligandům s terminální karboxylovou skupinou bylo studováno s cucurbit[n]urily, "alfa"-cyklodextrinem ("alfa"-CD) a "beta"-cyklodextrinem ("beta"-CD). Interakce ligandu a příslušné makrocyklické jednotky byla studována prostřednictvím isotermální titrační kalorimetrie (ITC) a nukleární magnetické resonance (NMR). Asociační konstanta ligandů byla měřena s jedním zástupcem cucur-bit[n]urilů, konkrétně s CB7. Protože nebyl nalezen vhodný kompetitor, lze pouze konstatovat, že hodnoty asociačních konstant převyšovaly 107 dm3.mol-1. Asociační konstanty "alfa"-CD i "beta"-CD byly stanoveny v řádu 104 dm3.mol-1. Pomocí 1H NMR spektroskopie bylo zjištěno, že adamantylme-thylenová část ligandu byla preferována makrocykly CB7, CB8 a "Beta"-CD. Uhlovodíkový řetězec ligandu byl obsazován "alfa"-CD. V rozporu s očekáváním bylo vazebné chování CB6, který se prakticky nevázal na uhlovodíkový řetězec ligandu v celém testovaném rozsahu pD prostředí. Struktura všech šesti připravených (benz)imidazoliových ligandů s karboxylovou terminální skupinou byla potvrzena pomocí difrakce Röntgenova záření (RTG) na vypěstovaném monokrystalu. V roce 2017 byla publikována doposud nejvyšší asociační konstanta pro 1:1 komplex diamoniového derivátu diamantanu s CB7. Substituce diamantanu v poloze C(4) a C(9) trimethylaniliniovým motivem by mohla vést k vytvoření zajímavého centrálního vazebného motivu pro vícevazebné ligandy. Pro tyto účely byla v rámci třetí části této práce optimalizovaná metoda syntézy komerčně nedostupného diamantanu. V poslední, čtvrté části práce byl připraven modelový ligand odvozený od 1-adamantylfenylového skeletu. Vzhledem k oddálení adamantanového mís-ta vazebného místa od kationtové skupiny 1,4-fenylenovým můstkem byla očekávána hodnota K ve středu intervalu 108 dm3.mol-1 (zanedbatelná ion-dipólová interakce) až 1012 dm3.mol-1 (maximální příspěvek ion-dipólové interakce). V souladu s očekáváním byla pomocí ITC zjištěna asociační kon-stanta vůči CB7 KCB7=3,4×1010 dm3.mol-1. Tento ligand vykazoval překvapivě vysokou afinitu k "beta"-CD (K"beta"-CD=7,9×105 dm3.mol-1). Bylo dokázáno, že vložení benzenového jádra mezi klec adamantanu a kvarterní amoniovou skupinu umožňuje očekávaným způsobem nastavit afinitu k CB7 za současného zachování velmi vysoké afinity k "beta"-CD.

Abstract:

Supramolecular chemistry is a rather new discipline, providing highly complex insight into reversible non-covalent interactions between molecules. The objective of the dissertation was to prepare and study multitopic ligands based on adamantane core. First, specific deuterium-labelled bis(1-adamantylmethyl(benz)imidazolium) salts were synthesized. Furthermore, ESI-MS data was used to determine a binding properties with cucurbit[7]uril. It was found on fragmentation pathways under collision-induced dissociation (CID) that 1-methyladamantane part of these molecules is able to oscillate inside of cavity CB7. This movement is related to two different fragmentation pathways, which can be also attributed to the different axel bulkiness of bisimidazolium salts. Within the second part of this work, imidazolium and benzimidazolium salts with aliphatic sidearms terminated with carboxylic acid functional group were synthesized. Proton transfer reaction was utilized to control the formation of negatively charged carboxylate as a response to pH changes. Binding strengths of imidazolium and benzimidazolium derivative guests were investigated with cucurbit[n]urils, "alfa"-cyclodextrin ("alfa"-CD) and "beta"-cyclodextrin ("beta"-CD). Because an appropriate competitor for measurements was not found, we can only roughly estimate association constant values of ligands with CB7 to be of the order >107 dm3.mol-1. Both "alfa"-CD and "beta"-CD bind the ligands with association constant values of 104 dm3.mol-1. According to 1H NMR spectroscopy, the lipophilic adamantylmethyl part of the ligands was complexed with CB7, CB8, "beta"-CD, while hydrocarbon chain was complexed with "alfa"-CD. Unexpectedly, the smallest tested macrocycle of cu-curbit[n]uril family, CB6, did not bind hydrocarbon chain with reasonable K value at any pH of the environment. Molecular structures of all prepared carboxylic acid derivatives were confirmed by single-crystal X-ray diffrac-tion analysis. The ever highest K value for 1:1 complex was reported in 2017 for a bis(trimethylammonio) derivative of diamantane. Therefore, we decided to prepare novel binding motif based on bis(4-aminophenyl)diamantane. Since the diamantane precursors are not available commercially, the synthesis of this intriguing cage hydrocarbon was adopted from literature and optimized within the third part of this work. Finally, trimethylanilinium salt based on adamantane core was synthe-sized. Due to 1,4-phenylene linker between the adamantine cadge and cationic trimethylammonium moiety, the association constant was expected to be in the range from 108 dm3.mol-1 (no ion-dipole interactions) to 1012 dm3.mol-1 (optimal ion-dipole interactions). As it was expected, the association constant with CB7 was found in the middle of the abovementioned range (KCB7=3,4×1010 dm3.mol-1) while binding constant value with "beta"-CD was unusually high. Thus it was demonstrated that phenylene linker be-tween ammonium group and the adamantane cage can be used as an efficient tool for tuning of the affinity towards CB7 preserving very high affinity to-wards "beta"-CD.

Keywords

adamantan, diamantan, cucurbit[n]uril, cyklodextrin, hostitel-host, více va-zebné supramoleulární ligandy

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 1. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 17. 3. 2021
• Supervisor: doc. Mgr. Robert Vícha, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Food Chemistry and Technology / Food Technology