Syntéza sedmivazebných ligandů pro supramolekulární systémy

Ing. Petr Janovský, Ph.D.

Doctoral thesis

Synthesis of Heptatopic Ligands for Supramolecular Systems

Abstract:

Vědecký pokrok posledních desetiletí ukázal nezbytnost nekovalentních interakcí pro fungování složitých systémů. Biologické systémy představují příklady úžasných molekulárních strojů, jejichž funkce využívá právě nekovalentních interakcí. Enzymy jako ATP syntáza, DNA polymeráza, proteiny jako kinesiny nebo dyneiny a receptory s vysokou rozpoznávací schopností nám ukazují, že evolucí vyvinuté důmyslné molekuly jsou schopné provádět specifickou práci v reakci na podněty nebo konat mechanický pohyb. Supramolekulární chemie se snaží tyto systémy napodobit a využít nekovalentní interakce k výstavbě a fungování molekulových strojů. Postavit funkční umělý enzym se specifitou a regulačními mechanismy jako mají přírodní systémy je velmi složitý cíl, kterého se supramolekulární chemici snaží postupně dosáhnout. Jedním z logických směrů je využití makrocyklických sloučenin, které dokážou inkludovat do své kavity menší molekuly a tvořit s nimi stabilní komplexy typu hostitel-host. Vícevazebné ligandy jsou logickým pokračováním výzkumu hostitel-host systémů, jelikož čerpají z dosud nasbíraných poznatků o afinitě a selektivitě jednotlivých makrocyklů k vazebným místům. Skládání vazebných motivů do vícevazebných ligandů umožňuje tvořit velmi specifické systémy, které lze potenciálně využít jako spínače, katalyzátory a další funkční molekulární stroje. V této práci jsou prezentovány výsledky studia redoxně aktivního tritopického p-fenylendiaminového ligandu a jeho komplexů s CBn a CD. Experimentálně bylo potvrzeno, že p-fenylendiamin je vhodný motiv pro konstrukci redoxně aktivních vícevazebných ligandů, ve kterých může figurovat jako vazebné místo pro CB7 a CB8. Studovaný ligand tvořil binární komplexy s CBn, které selektivně okupovaly p-fenylendiaminová místa. Ligand také tvořil stabilní komplexy s přírodními cyklodextriny (alfa, beta, gama), které obsazovaly pouze bifenylový linker. Vzhledem k této selektivitě bylo možné vytvořit ternární komplexy, ve kterých byl cyklodextrin na ose ligandu zablokován navázanými cucurbit[n]urily. V oxidovaném stavu dikation diradikálu docházelo k ovlivnění stability systémů. Především komplexy cyklodextrinů měly po oxidaci vyšší vazebné konstanty. Studium vlivu komplexace na redoxní pochody ukázalo, že reaktivní kation radikály jsou stabilizovány kavitou cucurbit[7]urilu. Další část práce se věnuje sedmivazebným ligandům, které byly navrženy a zkonstruovány tak, aby bylo možné přeorganizovat makrocykly na ose ligandu a přecházet mezi dvěma stavy. V těchto stavech je uzamykán/odemykán cyklodextrin navázaný na ose ligandu pomocí dvou až čtyř jednotek cucurbit[n]urilů. K prozkoumání tohoto procesu bylo postupně připraveno 5 heptatopických ligandů lišících se strukturou vazebných motivů. Ligand první generace nebyl schopen vytvořit komplex s více jak dvěma navázanými makrocykly, především z důvodu nedostatečné protonace. Naproti tomu na ligandu druhé generace bylo možné provést plánovanou reorganizaci. CB7 vázající se na adamantanové vazebné místo dokázal "přetlačit" sousední CB8 na další vazebné místo v důsledku repulzivních sil mezi portály CBn. Tímto došlo k uzamčení cyklodextrinu na ose ligandu. Další studované ligandy, které obsahovaly Me2Ad motiv, měly umožnit provedení reorganizace pomocí CB8. Na systémech s tímto objemným motivem byl pozorován vliv drobných strukturních změn na průběh a výsledek komplexace s CBn. Přítomnost methylových skupin na terminálním motivu značně zpomalila průběh navázání a převlečení makrocyklu. Kvůli této kinetické bariéře nebylo možné vytvořit systém, který by analogickou reorganizaci provedl s pomocí CB8. Výsledky této práce jsou důl

Abstract:

ežité pro konstrukci dalších multikomponentních systémů vícevazbených ligandů s CD a CBn. Studovaný mechanismus reorganizace a ovlivňování obsazení určitých vazebných motivů má potenciální využití pro konstrukci funkčních supramolekulárních strojů jako jsou například katalyzátory, sondy nebo spínače.

Abstract:

Within past decades, the scientific progress has demonstrated the necessity of non-covalent interactions for the functioning of complex systems. Biological systems represent amazing molecular machines, whose functions rely on non-covalent interactions. Enzymes like ATP synthase, DNA polymerase, proteins such as kinesins or dyneins, and receptors with high recognition capability demonstrate that these evolution-designed molecules can perform specific tasks in response to stimuli or carry out mechanical motion. Supramolecular chemistry aims to mimic these systems and utilize non-covalent interactions to construct molecular machines. The construction of functional artificial enzymes with the capabilities of natural ones is quite challenging, but chemists gradually strive to work towards such systems. One logical direction in this endeavour is the utilization of macrocyclic compounds, which can encapsulate smaller molecules into their cavities to form stable complexes. Multivalent ligands are a natural extension of research towards host-guest systems, drawing from the accumulated knowledge of affinities and the selectivities of individual macrocycles towards binding sites. Assembling binding motifs into multivalent ligands allows the formation of highly specific systems, which could potentially be utilized as switches, catalysts, and other functional molecular devices. This work presents the results of a study on the redox-active tritopic p-phenylenediamine based ligand and its complexes with CBn and CD. It was confirmed that p-phenylenediamine is a suitable motif for constructing redox-active multivalent ligands where it can serve as a binding site for CB7 and CB8. The studied ligand formed binary complexes with CBn units selectively occupying p-phenylenediamine sites. Additionally, the ligand formed stable complexes with natural cyclodextrins (alpha, beta, gamma), occupying only the biphenyl linker. Due to this selectivity, it was possible to create ternary complexes where the cyclodextrin on the ligand axis was blocked by bound cucurbit[n]urils. Studying the influence of complexation on redox processes revealed that reactive cation radicals are stabilized inside the cavity of cucurbit[7]uril. The next part of the work focuses on heptatopic ligands designed and constructed to enable the reorganization of macrocycles on the ligand axis, flipping between two states. In these states, a cyclodextrin is locked/unlocked at the ligand axis with the help of two to four cucurbit[n]uril units. To explore this process, five heptatopic ligands with varying structures of binding motifs were prepared. The ligand of the first generation was unable to form a complex with more than two bound macrocycles, likely due to insufficient protonation. Fortunately, the ligand of the second generation allowed for the planned reorganization. CB7 coming to the adamantane binding site was able to "push" the adjacent CB8 to neighbouring binding site due to repulsive forces between the portals of CBn. This process led to the locking of the cyclodextrin unit on the ligand axis. Further studied ligands containing the Me2Ad motif were intended to facilitate reorganization via CB8. Systems with this bulky motif showed the influence of minor structural changes on the course and outcome of complexation with CBn. Due to this kinetic barrier, it was not possible to create a system that would perform analogous reorganization via addition of CB8. The results of this work are important for the construction of further multicomponent systems of multivalent ligands with CD and CBn. The studied mechanism of reorganization and manipulation of the occupancy of specific binding motifs has potential applications in the construction of functional supramolecular machines such as catalysts, probes, or switches.

Keywords

hostitel-host systémy, vícevazebné ligandy, cucurbit[n]urily, cyklodextriny, molekulové stroje, redoxní systémy

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 27. 6. 2024

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds