Exploiting Chirality in Self-Assembled Molecular Cages

In the recent years, the research group in which this thesis has been carried out, has reported the synthesis of novel molecular cages based on tris(2-pyridylmethyl)amine (TPMA) complexes. These architectures have shown peculiar recognition properties for several molecules containing carboxylate anions. This Ph.D. project has the aim to extend the applications of these supramolecular architectures in the field of chiral sensing taking advantage from molecular confinement, and to synthetize novel chiral structures for future applications in asymmetric catalysis. The introduction has the purpose to cover how chirality has been exploited in confined systems. While the first part regards the methodologies which have been used to prepare chiral architectures, in the second part of this chapter, the applications of chiral confined systems in asymmetric catalysis, guests recognition and sensing, and chiral amplification or induction have been explored. In the final part of the introduction, an overall overview of recent works regarding the synthesis and applications of supramolecular cages based on TPMA complexes ,developed in the research group in which this thesis has been carried out, have been presented. In Chapter 1 the self assembly capability of the supramolecular cage in the presence of complex matrixes has been investigated. In this study, complex mixtures like wines and fruit juices have been employed in order to test if the cage could be able to selectively encapsulate and discriminate the dicarboxylic acids (tartaric, malic, and succinic acids) present in these matrixes. Moreover, the synthesis of a novel chiral zinc-TPMA complex has been reported, and the capability of the resulting chiral cage to act as Chiral Solvating Agent (CSA) for chiral dicarboxylic acids has been evaluated. This feature has been further exploited for the discrimination of the enantiomers of malic and tartaric acids present in wines and fruit juices using NMR. In Chapter 2 the capability of the supramolecular architecture to act as stereodynamic probe for the recognition of chiral dicarboxylate anions has been explored employing circular dichroism. In particular, the cage showed a chiroptical enhancement of the dichroic signal in the presence of the tartrate anion as guest (viz. one order of magnitude higher than the other dicarboxylic acids). To investigate this phenomenon, a meticulous computational study was carried out. Moreover, stereodynamic properties of the cage combined with the capability to self-assemble in presence of complex mixtures has allowed the quantification of tartaric acid content in wines using circular dichroism. In Chapter 3 the possibility to tune guests uptake or release from the cage has been explored. A novel approach based on the capability of 9,10-phenanthrenequinone to react with diamines subcomponents, thus allowing their selective removal or replacement has been developed. Using this procedure, reversible assembly and disassembly of the supramolecular architecture has been performed. Moreover, cage to cage conversions changing the size or the chirality of the diamine linkers were achieved, leading the selective uptake and release of (a)chiral guests. In Chapter 4 a novel methodology based on [3,3]-sigmatropic Diaza-Cope rearrangement has been developed to obtain novel hydrolytically-stable chiral TPMA-based architectures. A detailed mechanistic study has been carried out in order to explain the effect of the guest length in the final thermodynamic distribution of the species involved during the reaction.

Negli ultimi anni, il gruppo di ricerca presso il quale è stata svolta questa tesi ha sviluppato nuove gabbie supramolecolari basate su complessi di tris(2-piridilmetil)ammina (TPMA). Queste strutture hanno dimostrato interessanti proprietà di riconoscimento verso diverse molecole contenenti anioni carbossilato. Questo progetto di dottorato ha lo scopo di estendere le applicazioni di queste architetture supramolecolari nel campo del riconoscimento chirale traendo vantaggio dal confinamento molecolare, e di sintetizzare nuove strutture chirali per future applicazioni in catalisi asimmetrica. L’introduzione ha la scopo di esporre come la chiralità sia stata impiegata in sistemi confinati. Mentre la prima parte riguarda le metodologie utilizzate per preparare strutture chirali, nella seconda parte di questo capitolo sono state esplorate le applicazioni di sistemi chirali confinati in catalisi asimmetrica, riconoscimento e sensing di molecole, e amplificazione o induzione di chiralità. Nella parte finale dell’introduzione è stata presentata una panoramica generale dei recenti lavori, riportati dal gruppo di ricerca presso il quale è stata svolta la tesi, sulla sintesi e applicazioni di gabbie supramolecolari basate su complessi di TPMA. Nel Capitolo 1 è stata investigata la capacità di auto-assemblaggio della gabbia in presenza di matrici complesse. In questo studio, miscele complesse come vini e succhi di frutta sono state impiegate allo scopo di testare se la gabbia fosse in grado di incapsulare selettivamente e discriminare gli acidi dicarbossilici (tartarico, malico e succinico) presenti in queste matrici. È stata inoltre riportata la sintesi di un nuovo complesso di zinco-TPMA chirale, ed è stata valutata la capacità della gabbia chirale risultante di agire come Agente Chirale Solvatante (CSA) nei confronti di acidi dicarbossilici chirali. Questa caratteristica è stata poi sfruttata per la discriminazione degli enantiomeri dell’acido malico e tartarico presenti nei vini e nei succhi di frutta attraverso l’uso dell’NMR. Nel Capitolo 2 è stata esplorata la capacità dell’architettura supramolecolare di agire come sensore stereodinamico per il riconoscimento di anioni dicarbossilato chirali utilizzando il dicroismo circolare. In particolare, la gabbia ha mostrato un’amplificazione del segnale chirottico in presenza dell’anione tartrato (un ordine di grandezza maggiore rispetto a quello degli altri acidi dicarbossilici). Per investigare questo fenomeno è stato effettuato uno studio computazionale approfondito. Combinando le proprietà stereodinamiche della gabbia con le capacità di auto-assemblarsi in presenza di matrici complesse è stato possibile quantificare il contenuto di acido tartarico nei vini utilizzando il dicroismo circolare. Nel Capitolo 3 è stata esplorata la possibilità di modulare l’incapsulamento e il rilascio di molecole dalla gabbia. È stato quindi sviluppato un nuovo approccio basato sulla capacità del 9,10-fenantrenchinone di reagire con i componenti diamminici, permettendo così la loro rimozione o sostituzione selettiva. Utilizzando questa procedura è stato possibile ottenere il disassemblaggio/assemblaggio reversibile dell’architettura supramolecolare. Sono state inoltre effettuate trasformazioni gabbia-gabbia cambiando la grandezza o la chiralità della diammina, che hanno portato al rilascio o all’incapsulamento selettivo di specifiche molecole (a)chirali. Nel Capitolo 4 è stata sviluppata una nuova metodologia basata sul riarrangiamento [3,3]-sigmatropico di Diaza-Cope allo scopo di ottenere nuove strutture basate su leganti TPMA idroliticamente stabili. Uno studio meccanicistico dettagliato è stato effettuato per spiegare l’effetto della lunghezza dell’ospite all’interno della gabbia sulla distribuzione termodinamica finale delle specie coinvolte durante la reazione.