Diverse roles of noncovalent interactions in supramolecular systems based on resorcinarenes and calix[4]pyrroles.

Abstract

Tässä väitöskirjassa tutkitaan kahden erilaisen makrosyklisten luokan yhdisteiden, kaliks[4]resorsinareenien ja kaliks[4]pyrrolien synteesiä, rakenteellista käyttäytymistä ja isäntä-vieras-sitoutumisominaisuuksia. Nämä yhdisteet kuuluvat laajempaan kaliksareenien yhdisteryhmään. Väitöskirjan ensimmäinen osa antaa yleiskatsauksen kalikspyrrolien ja resorsinareenien kemiaan näyttäen kehityksen sen juurilta nykyaikaisiin edistysaskeleihin. Tekstissä tarkastellaan yhdisteiden synteesiä ja sitoutumisominaisuuksia erityyppisten substraattien, kuten anionien, kationien ja pienten orgaanisten molekyylien kanssa, korostaen synteettisten strategioiden ja funktionalisoinnin merkitystä anioneja sitovien ominaisuuksien ja selektiivisyyden parantamisessa mahdollisissa sovelluksissa, kuten kontrolloiduissa tunnistamisessa tai kalvon läpi tapahtuvassa kuljetuksessa. Lisäksi teksti korostaa kaliks[4]pyrroli- ja resorsinareeniyksiköiden kykyä järjestäytyä hallitusti supramolekulaariksi dimeerisiksi kapseleiksi, jotka osoittavat niiden potentiaalin luoda dynaamisia ja palautuvia kapselointijärjestelmiä, joissa on erilaisia toimintoja. Kokeellisen ensimmäisen osa korostaa kahden kaliksi[4]resorsinareeni-johdannaisen synteesiä ja konformaatiodynamiikkaa. Erityisesti podandi <b>5</b>, joka sisältää sulfonyyliryhmän kiinnittyneenä sen 1,2-dioksietaaniketjuun, esiintyy selkeästi venekonformaatiossa, jossa aromaattinen onkalo sisällyttää 1,2-dioksietaaniketjun molekyylin sisäisessä inkluusiossa C-H⋅⋅⋅π-vuorovaikutusten ohjaamana. Toisaalta podandi <b>6</b>, josta puuttuu vetysidosakseptoriryhmät, osoittaa vähentyneen aromaattisen onkalon koon erilaisista käsivarren konformaatioista johtuen. Vaihtuvan lämpötilan ¹H NMR -kokeet paljastivat vaihdon venekonformaatiosta toiseen ja 1,2-dioksietaaniketjun inkluusion dynamiikkaa liuoksessa, joissa molemmilla podandilla oli samanlaiset energiavallit. Toinen osa keskittyy aryylipidennetyn <i>meso-p </i>-hydroksifenyyli-kaliks[4]pyrrolin synteesiin, jossa <i>p</i>-hydroksiasetofenoni reagoi kondensaatioreaktiolla pyrrolin kanssa, ja reaktiotuotteesta erotetaan selektiivisesti <i>αααα</i>-isomeeri. Röntgenkristallografialla ja spektroskooppisilla tekniikoilla saadut tulokset paljastivat erilaisia supramolekulaarisia rakenteita yhteiskiteytyksessä eri anionien ja neutraalien polaaristen vieraiden kanssa. NMR-titraukset osoittivat vahvaa vetysidoksiin perustuvaa vuorovaikutusta anionien kanssa. Tuloksia tukevat laskennalliset tutkimukset, jotka korostavat dispersiivisten vuorovaikutusten ja ekso-ontelokonfiguraatioiden roolia. Viimeisessä osassa tarkastellaan kaksihaaraisten kaliksi[4]pyrrolien synteesiä keskittyen niiden anionien sitoutumisominaisuuksien karakterisointiin. Massaspektrometrian tukemat sitoutumistutkimukset paljastivat urearyhmiä sisältävän <i>cis</i>-<b>13</b>:n selektiivisen kompleksinmuodostuksen ja laajemman affiniteetin kloridi-ioneihin. Lusigeniinimäärityksellä arvioitu kloridin kuljetusaktiivisuus osoitti tehokkaan Cl^-/NO₃^- antiporttimekanismin mallilipidivesikkeleissä <i>cis</i>-<b>13</b>:lle, vaikka <i>cis</i>-<b>10</b> ilman urearyhmiä osoitti vähäistä aktiivisuutta. Vähentynyt kuljetustehokkuus SO₄^2-:lla vahvisti ehdotetun mekanismin.

Avainsanat: resorsinareeni, kaliks[4]pyrroli, supramolekulaarinen kemia, anionin sitoutuminen, anionin kuljetus, liposomi

The following thesis investigates the synthesis, structural behavior, and host-guest binding characteristics of two distinct classes of macrocyclic compounds: calix[4]resorcinarenes and calix[4]pyrroles, which belong to the broader family of calixarenes. The first part of the thesis gives an overview of the evolution of calixpyrrole and resorcinarene chemistry from its roots to modern advancements. The text explores their synthesis and binding properties with different types of substrates such as anions, cations, and small organic molecules, emphasizing the importance of synthetic strategies and functionalization in enhancing anion-binding properties and selectivity with potential applications in controlled recognition or transmembrane transport. Additionally, the text highlights the ability of calix[4]pyrrole and resorcinarene units to controlled assembly into supramolecular dimeric capsules showcasing their potential in creating dynamic and reversible encapsulation systems with diverse functionalities. The first part of the experimental section highlights the synthesis and conformational dynamics of two calix[4]resorcinarene derivatives. Notably, podand <b>5</b>, containing a sulfonyl group attached to its 1,2-dioxyethane chain, adopts a distinctive boat conformation with an aromatic cavity filled through intramolecular self-inclusion driven by C−H⋅⋅⋅π interactions. Conversely, podand <b>6</b>, lacking hydrogen bond acceptor groups, shows a reduced aromatic cavity due to different arm conformations. Variable-temperature ¹H NMR experiments revealed the dynamics of the boat-to-boat exchanges and self-inclusion phenomena in solution, with similar energy barriers for both podands. The second part focuses on the synthesis of aryl-extended <i>meso-p</i>-hydroxylphenylcalix[4]pyrrole via the condensation of pyrrole with <i>p</i>-hydroxyacetophenone, where the <i>αααα</i>-isomer was selectively separated. Results obtained via X-ray crystallography and spectroscopic techniques revealed diverse supramolecular structures upon co-crystallization with various anions and neutral polar guests. NMR titrations indicated strong hydrogen bonding interactions with anions, supported by computational studies emphasizing the role of the dispersive interactions and the exo-cavity configurations. The final section explores the synthesis and characterization of two-armed calix[4]pyrroles, with a focus on their anion-binding properties. Binding studies supported with mass spectrometry revealed selective complexation and broader binding tendencies towards chloride ions by <i>cis</i>-<b>13</b> appended with urea groups. Chloride transport activity, assessed via lucigenin assay, demonstrated efficient Cl^-/NO₃^- antiport mechanisms in model lipid vesicles for <i>cis</i>-<b>13</b>, while <i>cis</i>-<b>10</b> lacking the urea groups showed minimal activity. Reduced transport efficiency with SO₄^2- confirmed the proposed mechanism.

Keywords: resorcinarene, calix[4]pyrrole, supramolecular chemistry, anion binding, anion transport, liposome