Pyridinium-based Building Blocks for Rotaxanes inSupramolecular Dynamic Systems

Abstract

[Resumen] La presente tesis doctoral describe la síntesis y estudio de compuestos derivados de sales de piridinio, así como su aplicación en sistemas dinámicos supramoleculares. En el primer capítulo se aborda el autoensamblaje dirigido por centros metálicos de Pd(II) y Pt(II), de ligandos bidentados nitrogenados con diferentes unidades hidrofóbicas que conducen a metalociclos dinucleares rectangulares. A continuación, se estudió el equilibrio dinámico establecido entre las especies metalocíclicas discretas y los pseudorrotaxanos del tipo “anillo dentro de anillo”. La especiación del sistema puede modificarse siguiendo el principio de Le Chatelier, o mediante la adición de un sustrato complementario de la cavidad metalocíclica que conduce a la formación del correspondiente complejo de inclusión. En el siguiente capítulo se llevó a cabo la síntesis de sustratos piridinícos con grupos carboxilato en los extremos, y con un núcleo central aromático apropiado para la complejación del macrociclo cucurbit[7]urilo. La posición y número de estos grupos ácidos permite la modulación, en función del pH, de parámetros termodinámicos y cinéticos del equilibrio de formación del [2]pseudorrotaxano El tercer capítulo describe la preparación en medio acuoso de un nuevo [2]rotaxano, utilizando la química covalente dinámica de las iminas y la complementariedad de las sales de bifenilpiridinio con el macrociclo cucurbit[7]urilo. El comportamiento dinámico del [2]rotaxano provoca la disociación en sus componentes, la cual se favorece en condiciones ácidas mientras que se bloquea aumentando el pH, cambiando el disolvente, o mediante la eliminación del grupo carbonilo en la estructura del eje. En la última parte de la tesis, se diseñaron tres componentes lineales diferentes que presentan una unidad naftalénica, dos unidades de viológeno y una cadena de polietilenglicol de longitud variable que las conecta. El autoensamblaje con cucurbit[8]urilo conduce a una supraestructura en forma de brida, debido a la inclusión simultánea de la unidad de naftalénica y uno de los viológenos. Este sistema puede controlarse externamente en función del disolvente, dando lugar a una estructura de [2]pseudorrotaxano. Asimismo, mediante el potencial eléctrico, se induce la transición entre los estados de “tensada” y “relajada” de la brida molecular.

[Resumo] A presente tese doutoral describe a síntese e o estudo de compostos derivados de sales de piridinio, así como a súa aplicación en sistemas dinámicos supramoleculares. O primeiro capítulo aborda a autoensamblaxe dirixida por centros metálicos de Pd (II) e Pt (II), de ligandos bidentados nitroxenados con diferentes unidades hidrofóbicas que conducen a metalociclos dinucleares rectangulares. A continuación, estudouse o equilibrio dinámico establecido entre especies metalocíclicas discretas e pseudorotaxanos tipo "anel dentro de anel". A especiación do sistema pódese modificar seguindo o principio de Le Chatelier, ou engadindo un substrato complementario da cavidade metalocíclica que leva á formación do correspondente complexo de inclusión. No seguinte capítulo, levouse a cabo a síntese de substratos piridínicos con grupos carboxilatos nos extremos, e cun núcleo central aromático axeitado para a súa complexación polo macrociclo cucurbit[7]urilo. A posición e número destes grupos ácidos permite a modulación, en función do pH, de parámetros termodinámicos e cinéticos do equilibrio de formación do [2]pseudorotaxano. O terceiro capítulo describe a preparación en medio acuoso dun novo [2]rotaxano, utilizando a química covalente dinámica das iminas, e a complementariedade das sales de bifenilpiridinio co macrociclo cucurbit[7]urilo. O comportamento dinámico do [2]rotaxano provoca disociación nos seus compoñentes, o que se favorece en condicións ácidas mentres se bloquea aumentando o pH, cambiando o disolvente ou eliminando o grupo carbonilo na estrutura do eixe. Na última parte da tese deseñáronse tres compoñentes lineais diferentes que presentan unha unidade de naftaleno, dúas unidades de violoxeno e unha cadea de polietilenglicol de lonxitude variable que os conecta. A autoensamblaxe con cucurbit[8]urilo leva a unha superestrutura en forma de brida, debido á inclusión simultánea da unidade de naftaleno e un dos violóxenos. Este sistema pódese controlar externamente dependendo do disolvente, dando lugar a unha estrutura de [2]pseudorotaxano. Do mesmo xeito, mediante o potencial eléctrico indúcese a transición entre os estados " axustado" a "relaxado" da brida molecular.

[Abstract] This dissertation describes the synthesis and study of compounds derived from pyridinium salts, as well as their application in supramolecular dynamic systems. The first chapter addresses the Pd(II) and Pt(II)-directed self-assembly of nitrogenous bidentate ligands, owning different hydrophobic units and that lead to rectangular dinuclear metallocycles. Then, the dynamic equilibrium established between discrete metallocyclic species and "ring-within-ring" pseudorotaxanes was studied. In that regard, the speciation of the system can be modified following the Le Chatelier principle, or by adding a complementary substrate to the metallocyclic cavity, which leads to the formation of the corresponding inclusion complex. In the next chapter, we tackled the synthesis of pyridinic substrates capped with carboxylate end groups, and owning an appropriate aromatic central nucleus for the complexation of the macrocycle cucurbit[7]uril. The position and number of these acid groups allows the modulation, as a function of pH, of thermodynamic and kinetic parameters of the equilibrium of formation of [2]pseudorotaxanes. The third chapter describes the preparation of a new [2]rotaxane in aqueous medium, using the dynamic covalent chemistry of imines and the complementarity of biphenylpyridinium salts with the cucurbit[7]uril host. The dynamic behaviour of the obtained [2]rotaxane causes the dissociation in its components, which is favoured under acidic conditions while it is blocked by increasing the pH, changing the solvent, or by eliminating the carbonyl group in the axle component. In the last part of the thesis, three different linear components were designed that present a naphthalene unit, two viologen moieties and a polyethylene glycol chain of variable length that connects them. Self-assembly with cucurbit[8]uril leads to a zip tie-shaped superstructure, due to the simultaneous inclusion of the naphthalene unit and one of the viologens. This system can be externally controlled depending on the solvent, resulting in a [2]pseudorotaxane structure. Likewise, by means of modulation of the electric potential, the transition between the states of "tight” and "relaxed” of the molecular zip tie can be induced.