Multivalenz, Kooperativität, Selbstorganisation und Selbstsortierung in synthetischen supramolekularen Architekturen

1 PREFACE.....14 2 INTRODUCTION AND OBJECTIVES.....15 3 THEORETICAL BACKGROUND.....21 3.1. Core Concept of Supramolecules: The Use of Non-Covalent Bonds.....21 3.2. The Role of Self-Assembly and Self-Sorting … .....33 3.3. … and the Impact of Multivalency and Cooperativity.....39 3.4. A “Supramolecular Exception”: The Mechanical Bond in Interlocked Molecules.....46 3.5. Analytical Methods in Supramolecular Chemistry.....58 4 RESULTS AND DISCUSSION.....72 4.1. Steric and Electronic Substituent Effects on Axle Binding in Amide Pseudorotaxanes: Comparison of NMR & ITC Titration Data.....72 4.2. Phenanthroline-Substituted Tetralactam Macrocycles: A Facile Route to Rigid Di- and Trivalent Receptors and Interlocked Molecules.....89 4.3. Synthesis of Multivalent Host and Guest Molecules for the Investigation in Multivalency and Cooperativity.....100 4.4. C-H•••O Hydrogen Bonds in “Clicked” Diketopiperazine-Based Amide Rotaxanes.....124 4.5. Effects of Subtle Differences in Ligand Constitution and Conformation in Metallo- Supramolecular Self-Assembled Polygons.....137 4.6. Thermodynamically controlled Self-Sorting of Heterobimetallic Metallo-Supramolecular Macrocycles: What a Difference a Methylene Groups makes!.....157 4.7. Gas- phase H/D-exchange experiments in supramolecular chemistry.....165 4.8. A one- dimensional analogue to the Grotthuss mechanism of proton transport through water: Gas-phase H/D-exchange reactions on resorcinarene and pyrogallarene capsules.....189 5 CONCLUSION AND PERSPECTIVES.....209 6 ACKNOWLEDGMENTS.....217 7 APPENDIX.....219 7.1. Curriculum Vitae.....219 7.2. List of Publications.....221The presented work deals with the investigation of the concepts “multivalency”, “cooperativity”, “self-assembly” and “self-sorting” that play a pivotal role in the research field of supramolecular chemistry. The aims and results of this work can be subdivided as follows: · The studies of „multivalency“ and „cooperativity“ are based on the use of the Vögtle/Hunter- type tetralactam macrocycle (TLM) as the host component and different dicarbonyl compounds that were implemented into the corresponding guest molecules. · At the beginning of this work the monovalent case was investigated using only one macrocycle and guest component. Thus, differently substituted guests bearing a diamide moiety (or station) as the binding motif were evaluated. Diamides that are substituted with simple alkyl chains bind stronger into the cavity of the macrocycle compared to their phenyl substituted analoga. In addition, substituents at the 4-position of the phenyl moiety have influence the binding behavior. Electronwithdrawing groups decrease the binding constant Ka while higher Ka values are observed for the phenyl substituted diamides bearing electron-donating groups. These observations were confirmed by both 1H NMR titrations and Isothermal Titration Calorimetry (ITC). · The ability of a similar binding motif to form host-guest complexes bearing a tetralactam macrocycle, the so-called diketopiperazine station, was also investigated. In addition, mechanically interlocked [2]rotaxanes were synthesized in good yields using the CuI-catalyzed [3+2]-cycloaddition (“click chemistry”). Herein, the spacer between the binding station and the stopper that prevents the deslipping of the axle compound from the macrocycle influences the hydrogen bonding between the axle and the macrocycle. Both (triazole)H•••O=C(TLM) und (diketopiperazine)C=O•••HN(TLM) hydrogen bonds can be confirmed by 1H and 1H ,1H-ROESY NMR in case of the [2]rotaxane bearing a triethylene glycol chain between the diketopiperazine station and the stopper. In case of the [2]rotaxane without this spacer only (diketopiperazine)C=O•••H-N(TLM) hydrogen bonds were observed. · A broad series of multivalent molecules was synthesized. On the one hand, a novel tetralactam macrocycle bearing a phenanthroline moiety could be obtained. The attachment of this ligand allows the synthesis of di- and trivalent host molecules through coordination chemistry using metal centers such as CuI, RuIICl2 or FeII. On the other hand, further multivalent host molecules were obtained using coupling reactions such as Suzuki or Sonogashira reaction. These molecules differ in the number and the position of the tetralactam macrocycles and allow therefore an extensive evaluation of “multivalency” in synthetical supramolecular systems. Additionally, the corresponding guests were obtained and first binding studies were performed using 1H NMR. Moreover, multivalent studies can also be performed using gold surfaces or nanoparticles, for example by single molecule force spectroscopy. Hence, macrocycles and guest compounds containing sulfur were synthesized. · The studies of „self-assembly“ and „self-sorting“ are based on two different systems: (1) metallo-supramolecular polygons, which can be obtained quantitatively using nitrogen-containing ligands and cis-blocked metal centers, and (2) hydrogen bonding bridged dimeric capsules bearing resorcinarenes (or pyrogallarenes) that are able to bind cations in their inner spheres. · Tetra- and bidentate ligands that were used for the synthesis of the metallosupramolecular polygons bear a 2,2‘-bipyridine skeleton (or biaryl in case of the bidentate ligands) that is substituted with 3- or 4-ethynylpyridinyl moieties at its 4,4’-positions. Taking this into account, these ligands differ in the position of the nitrogen atom in the pyridine moiety and therefore influence the thermodynamic minimum of the system if they form metallo-supramolecular polygons by mixing them with the cis-blocked metal center containing PtII in the right ratio. Smaller polygons could be observed exclusively using 1H and 31P NMR, and ESI MS if ligands with 4-ethynylpyridyl groups were used while the use of the ligands bearing 3-ethynylpyridyl groups results in equilibrium of smaller and bigger polygons. Corresponding tandem MS experiments lead to additional structural evidence. For example, some of the bigger polygons contract to the smaller ones in the gas phase in a specific way while several fragmentation pathways exist in case of other polygons. · A tetradentate ligand containing a 2,2‘-bipyridine skeleton substituted with 4-ethynylpyridines at its 4,4’-positions was used for the investigation into “self-sorting”. Herein, metal centers were used where the ligands that block the cis-position at the metal atoms were varied. Therefore, only one CH2 group is crucial for the fact whether the coordination takes place exclusively at the pyridine site or at both pyridine and bipyride site. By doing so, heterobimetallic polygons if defined position of the metal centers can be obtained. · The hydrogen-bonded dimeric capsules bearing differently sized cations were investigated in the gas phase of a mass spectrometer using hydrogen/deuterium exchange (HDX). A different exchange behavior was observed depending on the size of the cation under study. Taking this into account, the HDX allows to view on the gas phase structure of these capsules as a fast exchange can only takes place by an intact seam between the two halves of a capsule for mechanistic reasons. This is the case if smaller cations, e. g. Cs+ are included. Bigger cations as for example (CH3CH2)4N+ results in a so- called PackMan-shaped structure. The mechanism of the exchange of labile hydrogen atoms against deuterium in an intact seam can be considered as a one- dimensional Grotthuss Mechanism of proton transfer through water. · The use of this method in the research field of supramolecular chemistry was summarized in a review article.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erforschung von Konzepten “Multivalenz”, “Kooperativität”, “Selbstassemblierung“ und „Selbstsortierung“, welche eine bedeutende Rolle auf dem Gebiet der Supramolekularen Chemie spielen. Die Ziele sowie Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich wie folgt gliedern: · Als Grundlage für die Studien zur Untersuchung von „Multivalenz“ und „Kooperativität“ dienen der Tetralactam-Makrozyklus (TLM) nach Vögtle/Hunter als Wirtkomponente sowie verschiedene Dicarbonylverbindungen, welche in die entsprechenden Gastmoleküle implementiert wurden. · Zu Beginn dieser Arbeit wurde der monovalente Fall erforscht, bei dem Einfädelungsstudien von einem Makrozyklus und einer Gastkomponente durchgeführt wurden. Dabei wurden unterschiedlich substituierte Gäste, welche eine Diamid-Einheit (oder Station) als Bindungsmotiv enthalten, untersucht. Diamide, welche mit einfachen Alkylketten substituiert sind, binden stärker in den Makrozyklus als ihre phenylsubstituierten Analoga. Zusätzlich spielen die Substituenten an der 4-Position der Phenyleinheit eine Rolle. Elektronenziehende Reste setzten die Komplexbildungskonstante Ka herab, während höhere Ka-Werte bei phenyl-substituierten Diamiden mit elektronenschiebenden Resten beobachtet wurden. Diese Aussagen können auf der Basis von den Daten, welche aus 1H NMR Titrationen und Isothermaler Titrationskalorimetrie (ITC) gewonnen werden konnten, gemacht werden. · Die Fähigkeit eines ähnlichen Bindungsmotives zur Bildung von Wirt-Gast-Komplexen mit dem Tetralactam-Makrozyklus, der so genannten Diketopiperazin-Station, wurde ebenfalls untersucht. Zusätzlich konnten mechanisch verriegelte [2]Rotaxane unter Einsatz von CuI-katalysierten [3+2]-Cycloaddition („Click- Chemie“) in guten Ausbeuten hergestellt werden. Dabei beeinflusst der Spacer zwischen der Bindungsstation und den Stoppern, welche das Abfädeln der Achsenkomponente aus dem Makrozyklus verhindern, die Wasserstoffbrücken zwischen der Achsenkomponente und dem Makrozyklus. (Triazol)H•••O=C(TLM)- und (Diketopiperazin)C=O•••H-N(TLM)-Wasserstoffbrücken wurden auf Grundlage von 1H und 1H,1H-ROESY NMR bei dem [2]Rotaxan beobachtet, welches eine Triethylenglykol-Brücke zwischen der Diketopiperazin-Station und dem Stopper enthält. Bei dem [2]Rotaxan, welches diese Brücke nicht hat, wurden nur (Diketopiperazin)C=O•••H-N(TLM)-Wasserstoffbrücken beobachtet. · Es wurde eine Serie an multivalenten Molekülen synthetisiert. Einerseits wurde ein neuartiger Tetralactam-Makrozyklus hergestellt, welcher mit einer Phenanthrolin-Einheit substituiert wurde. Dieser Ligand erlaubt es, di- und trivalente Wirte über Metallkoordination an unterschiedliche Metallzentren wie CuI, RuIICl2 oder FeII herzustellen. Andererseits wurden weitere multivalente Wirte über Kupplungsreaktionen wie Suzuki- oder Sonogashira-Reaktion erhalten. Diese unterschieden sich in Anzahl und Position des Tetralactam-Makrozyklus und gestatten so eine umfassende Evaluierung von „Multivalenz“ in synthetischen supramolekularen Systemen. Entsprechende Gäste konnten ebenfalls synthetisiert und erste Bindungsstudien mittels 1H NMR durchgeführt werden. Ferner können Multivalenz-Studien auch auf Gold-Oberflächen oder -Nanopartikeln durchgeführt werden, zum Beispiel unter Einsatz von Einzelmolekülspektroskopie. Dafür wurden Schwefelhaltige Makrozyklen und Gastmoleküle hergestellt. · Als Grundlage für die Studien zur Untersuchung von „Selbstassemblierung“ und „Selbstsortierung“ dienten zwei unterschiedliche Systeme: (1) Metallo-supramolekulare Polygone, welche quantitativ aus Stickstoff-haltigen Liganden und cis-blockierten Metallzentren resultieren, und (2) wasserstoffverbrückte dimere Kapseln bestehend aus Resorcinarenen (oder Pyrogalloarenen), welche in ihrem Inneren ein Kation binden können. · Die vier- und zweizähnigen Liganden, welche für die Synthese metallosupramolekularer Polygone verwendet wurden, bestehen aus einem 2,2 ‘-Bipyridin-Gerüst (oder Biphenyl, wenn der Ligand zweizähnig ist), welches an den 4,4‘-Positionen mit 3- oder 4-Ethynylpyridinen substituiert wurde. Somit unterscheiden sich diese Liganden in der Position der Stickstoffatome der Pyridin-Einheit und beeinflussen so das thermodynamische Minimum des Systems, wenn sie in einem bestimmten Verhältnis mit einem cis-blockierten Metallzentrum, welches PtII als Metallatom enthält, metallo-supramolekulare Polygone bilden. Ausschließlich kleinere Polygone werden bei Liganden mit 4 -Ethylpyidin-Resten mittels 1H und 31P NMR, und ESI MS beobachtet, während bei Liganden mit 3-Ethylpyidin-Resten ein Gleichgewicht zwischen kleineren und größeren Polygonen resultierte. Entsprechende Tandem MS Experimente liefern weitere Strukturhinweise, beispielsweise zerfallen manche der größeren Polygone in der Gasphase hoch spezifisch zu kleineren, während andere dies über mehrere Fragmentierungswege tun. · Ein vierzähniger Ligand, bestehend aus einem 2,2‘-Bipyridin-Gerüst, welches mit 4-Ethynylpyridinen an den 4,4‘-Positionen substituiert wurde, wurde zu Untersuchung von „Selbstsortierung“ benutzt. Es wurden Metallzentren eingesetzt, bei denen der Ligand, welcher die cis-Position des Metallzentrums blockiert, variiert wurde. Dabei ist nur eine CH2-Gruppe entscheidend, ob die Koordination an der Pyridin- und Bipyridin-Seite oder selektiv nur an der Pyridin-Seite stattfindet. Somit sind auch heterometallische Polygone mit definierter Position der Metallzentren erhältlich. · Die wasserstoffverbrückten dimeren Kapseln, welche unterschiedlich große Kationen einlagern können, wurden mittels Wassersoff/Deuterium-Austausch (Hydrogen/Deuterium Exchange, HDX) in der Gasphase eines Massenspektrometers untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass ein unterschiedliches Austauschverhalten in Abhängigkeit von der Größe des Kations vorliegt. Somit kann mittels HDX Rückschlüsse auf die Gasphasenstruktur dieser Kapseln gezogen werden, da ein schneller Austausch aus mechanistischen Gründen nur dann vorliegt, wenn der Saum zwischen den beiden Hälften einer Kapsel intakt ist. Dies ist bei kleineren Kationen wie Cs+ der Fall, bei größeren wie (CH3CH2)4N+ liegt eine so genannte PacMan- Struktur vor. Mechanistisch gesehen kann ein Austausch von labilen Wasserstoffen gegen Deuterium in einem intakten Saum als ein eindimensionaler Grotthuss-Mechanismus betrachtet werden, welche eine entscheidende Rolle bei Protonentransport in Wasser spielt. · Über die Verwendung dieser Methode in der Supramolekularen Chemie wurde ein Review-Artikel verfasst