Studies to unravel complexity in supramolecular architectures

Abstract 8 1 Einleitung 10 2 Ziel der Arbeit 11 3 Einführung in die Supramolekulare Chemie 11 3.1 Konzept der Selbstorganisation 12 3.2 Konzept der Selbstsortierung 14 3.3 Metallo-Supramolekulare Chemie 16 3.3.1 Funktionalisierung von metallo-supramolekularen Komplexen 18 3.3.2 Beschleunigung von Reaktionen durch diskrete dreidimensionale metallo- supramolekulare Komplexe 21 3.3.3 Selbstsortierung in der metallo- supramolekularen Chemie 23 3.3.4 Mechanistische Studien von metallo- supramolekularen Systemen in Lösung 24 3.4 Massenspektrometrie als geeignetes Werkzeug zur Untersuchung von supramolekularen Systemen in der Gasphase 26 3.4.1 Aufbau eines Massenspektrometers 27 3.4.2 Ionisierung mittels Elektrospray 28 3.4.3 Funktionsweise einer Ionen-Zyklotron-Resonanz-Zelle 29 3.5 Reaktivitätsuntersuchungen von metallo-supramolekularen Komplexen mittels Massenspektrometrie 30 4 Ergebnisse: Metallo-supramolekulare Komplexe 33 4.1 Reaktivitätsuntersuchungen von metallo-supramolekularen Polygonen und Polyedern in Lösung und in der Gasphase 33 4.1.1 Untersuchungen von Metallo- Polygonen in Lösung 33 4.1.2 Reaktivitätsuntersuchungen von Metallo-Polygonen in der Gasphase 38 4.1.3 Untersuchungen von Metallo-Polyedern in Lösung 44 4.1.4 Reaktivitätsuntersuchungen von Metallo-Polyedern in der Gasphase 46 4.2 Selbstsortierungsuntersuchungen in metallo-supramolekularen Komplexen 51 4.2.1 Synthese pyridyl-substituierter Liganden 51 4.2.2 Molecular Modelling der Liganden 56, 57 und 69 53 4.2.3 Selbstorganisation von Metallo-Makrozyklen: Studien zum konformativen Einfluss 54 4.2.4 Selbstorganisation von metallo- supramolekularen Polyedern: Studien zum konstitutiven Einfluss 59 4.2.5 Selbstsortierung in metallo-supramolekularen Polygonen und Polyedern 62 5 Einführung in die Multivalenz 66 6 Multivalenz in artifiziellen Systemen 68 7 Ergebnisse: Synthese multivalenter Bausteine 75 7.1 Synthese multivalenter Vorläufer 75 7.1.1 Synthese multivalenter Achsen 77 7.1.2 Synthese multivalenter Makrozyklen 80 7.1.3 Synthese halogenhaltiger Makrozyklen und deren Funktionalisierung 81 7.1.4 Synthese di-, tri- und tetravalenter makrozyklischer Wirte 83 7.1.5 Molekular Modelling von multivalenten Systemen 87 7.2 Synthese zweifach exo-substituierter Tetralactam-Makrozyklen: Erweiterung des modularen Ansatzes 90 8 Einführung in die Gasphasenuntersuchungen von Dendrimeren 94 9 Ergebnisse: Gasphasenuntersuchungen von Dendro-Isomeren 96 9.1 Im Rahmen einer Kooperation entstandene Studie: Gasphasen- untersuchungen von Sulfonimid-basierenden Dendrimeren 96 9.1.1 Gasphasenuntersuchungen mittels ESI-FTICR-MS-Experimenten 98 9.1.2 Gasphasenuntersuchungen mittels MALDI-TOF/TOF-Experimenten 100 10 Zusammenfassung 104 11 Ausblick 108 11.1 Metallo-Polygone: Darstellung von neuen Metallo-Makrozyklen 108 11.2 Erforschung und Anwendung des Multivalenzeffekts 110 12 Experimenteller Teil 112 12.1 Abkürzungen 112 12.2 Allgemeine Angaben 114 12.3 Darstellung der Ausgangsmaterialien 116 12.4 Synthesevorschriften 117 12.4.1 Synthese pyridyl-substituierter Liganden 117 11.4.2 Synthese von Metallo-Polygonen und Metallo-Polyedern 125 12.4.3 Synthese von dynamisch kombinatorischen Bibliotheken von zwei- und dreidimensionalen Metallo-Polygonen und Metallo-Polyedern 132 12.4.4 Synthese von selbstsortierenden Metallo-Polygonen und Metallo-Polyedern 137 12.4.5 Synthese des Schlüsselbausteins 101 140 12.4.6 Synthese multivalenter Achsen 145 12.4.7 Synthese exo-substituierter Tetralactam-Makrozyklen 150 12.4.8 Synthese multivalenter Tetralactam-Makrozyklen 158 13 Literaturverzeichnis 167Die durchgeführten Studien in der vorliegenden Arbeit leisten einen Betrag zur Entschlüsselung von Komplexität in supramolekularen Architekturen. So konnten im ersten Teil der Arbeit diskrete Metallo-Polygone und Metallo-Polyeder durch das Vorprogrammieren geeigneter Bindungsstellen beziehungsweise Geometrien in den eingesetzten Liganden und Metallionen erfolgreich dargestellt und sowohl in Lösung als auch in der Gasphase untersucht werden. Mittels zeitabhängigen 31P-NMR-spektroskopischen, ESI-massenspektrometrischen und 1H-H-Korrelations-(COSY)-NMR-Messungen konnte die Existenz mehrere Polygone in Lösung bestimmt werden. Im Besonderen wurde durch zeitabhängige 31P-NMR- Experimente gezeigt, dass die größeren Polygone nur Zwischenstufen repräsentieren und nach ungefähr 24 Stunden in die entsprechenden, thermodynamisch stabileren, kleineren konvergieren. Im Falle der untersuchten Polyeder wurde in Lösung ein Gleichgewicht zwischen dem schalenförmigen M6L4-Komplex und dem kleineren käfigförmigen M3L2-Komplex mit M = PdII gefunden, wohingegen mit M = PtII nur der käfigförmige M3L2-Komplex beobachtet wurde.In den darauffolgenden Reaktivitätsuntersuchungen an diskreten MnLm- xOTf-Ionen (M = Pt(dppp)(OTf)2; L = pyridyl-funktionalisierte Liganden; OTf = SO3CF3; x = 2 oder 4; n = 3 oder 6; m = 3) konnte in der Gasphase eine Kontraktion der größeren Polygone in die korrespondierenden kleineren beobachtet werden. Des Weiteren wurde der gleiche Verengungsmechanismus als exklusiv ablaufender Fragmentierungsweg beim diskreten, dreidimensionalen, schalenförmigen M6L4-Komplex beobachtet. Dieser durchlief in der Gasphase eine doppelte Kontraktion und mündete in den diskreten, käfigförmigen M3L2-Komplex. Somit konnte mittels Tandem-MS-Experimente ein intramolekularer Prozess beobachtet werden, welcher in Lösung aufgrund konkurrierender intermolekularer Austauschprozesse schwer zu untersuchen wäre. Im zweiten Abschnitt dieser Arbeit wurde der konformative und konstitutive Einfluss von pyridyl- funktionalisierten Liganden auf den Prozess der Selbstsortierung in metallo- supramolekularen Komplexen studiert. Aus den Untersuchungen ging zwar hervor, dass der konformative Unterschied zwischen den zwei eingesetzten tetratopischen und dem ditopischen Liganden nicht ausreicht, um eine Präferenz zugunsten einer Homoselbstortierung oder Heteroselbstortierung in den entstandenen Metallo-Makrozyklen zu bewirken. Jedoch konnten diskrete Strukturen nachgewiesen und die Bildung von höheren Polygonen oder acyclischen Oligomeren ausgeschlossen werden. Damit wurde die Bildung einer dynamisch kombinatorischen Bibliothek von diskreten Metallo-Makrozyklen aufgezeigt. Hinsichtlich des konstitutiven Einflusses wurden drei unterschiedliche tritopische Liganden eingesetzt. Durch massenspektrometrische Untersuchungen konnte eine unvollständige Sortierung beobachtet werden, da zusätzlich zu den Homokomplexen ebenfalls Heterokomplexe entstanden waren. Schließlich konnte durch den gezielten Einsatz von Pyridyl-Liganden mit größeren geometrischen Unterschieden ausschließlich Homokomplexe und damit Selbstsortierung beobachtet werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde eine homologe Reihe von multivalenten Wirten und Gästen synthetisiert. Dazu konnte zunächst ein neuer Tetralactam-Makrozyklus mit einer aufgebaut. Die Synthese eines divalenten und tetravalenten Wirts, basierend auf koordinativen Bindungen, gelang durch die Kombination eines pyridinsubstituierten Makrozyklus mit 1,3-Bis(diphenylphosphino)propanplatin(II)-trifluormethansulfonat oder mit Tetrakis(acetonitril)-palladium(II)-tetrafluoroborat. Des Weiteren gelang durch die Einführung einer zweiten Arylhalogenid-Einheit am Makrozyklus die Darstellung von symmetrischen und unsymmetrischen funktionalisierten Makrozyklen. Für die Darstellung von multivalenten Achsen wurde der Schlüsselbaustein 101 (Abbildung 70) synthetisiert und unter palladiumkatalysierten Kreuzkupplungsbedingungen an unterschiedliche Linker- Einheiten geknüpft. Somit gelang die Darstellung von di-, tri- und tetravalenten Achsen. Darüber hinaus konnte anhand theoretischer Berechnungen gezeigt werden, dass die Länge der Linker in den synthetisierten multivalenten Achsen einen passenden Abstand bieten, um eine spannungsfreie Einfädlung der Achsen in die makrozyklischen Wirte zu gewährleisten. Mit den erhaltenen multivalenten Bausteinen bietet sich die Möglichkeit in späteren Studien den Multivalenzeffekt beispielsweise mittels ITC-Messungen zu ergründen. Im vierten Teil der vorliegenden Arbeit wurde das Fragmentierungsverhalten von Sulfonimid-Dendro-Isomeren in der Gasphase mittels Tandem-MS-Experimenten untersucht. Dabei konnten unterscheidbare MS/MS-Daktylogramme für Dendrimer- Ionen mit denselben elementaren Zusammensetzungen erhalten und somit die Unterscheidbarkeit von Dendo-Isomerenpaaren im direkten Vergleich erfolgreich gezeigt werden. Zusammenfassend konnten aus den präsentierten Studien wichtige Erkenntnisse über Selbstorganisations- und Selbstsortierungsprozesse gewonnen werden. Durch die Synthese multivalenter Bausteine wurde zusätzlich die Vorrausetzung geschaffen, um in näherer Zukunft einen Verständnisbeitrag zur Multivalenz zu leisten.The studies presented in this thesis deal with the challenging task of understanding complexity in supramolecular architectures. In the first part of the thesis, self-assembled polygons and polyhedra are constructed by smart design and investigated in solution and the gas phase. While in solution a detailed examination of intramolecular processes are obscured by intermolecular subunit exchanges, ESI-FTICR-MS experiments enable to scrutinize these processes in the gas phase. The investigation of several discrete MnLm-xOTf ions (M = dpppPt(II) or dpppPd(II), L = pyridine-based ligands, OTf = SO3CF3, x = 2, 3 or 4, n = 3 or 6, m = 3 or 4) in the gas phase revealed an interesting intramolecular process, which can be rationalized by a backside-attack mechanism (“neighboring group assistance”). For the bigger discrete M6L3-3OTf and M3L3-2OTf ions we observed a contraction into the smaller discrete M4L2-2OTf and M2L2-OTf ions. Moreover, for the three dimensional discrete M6L4-3OTf ion, a double contraction was observed, which disembogues into a three dimensional discrete M3L2-OTf ion. In the second part, two series of pyridine-based ligands were used to investigate the phenomenon of self-sorting when assembled with dpppPd(II) triflate. Conformational effects were studied for four self-assembled polygons upon mixing the metal complex with one ditopic and two tetratopic ligands in all possible combinations. The constitutional influence, on the other hand, was investigated on three different self-assembled cages with three different tritopic ligands. While the first series forms a statistical dynamic combinatorial library of all possible assemblies, the second series exhibits partial self-selection. Although mixed assemblies could be formed when all ligands are mixed, self-sorting between polygons and cages is observed here. In the third part of this thesis, a series of multivalent hosts and guests were synthesized. All multivalent hosts are based on the tetralactam macrocycle, which was first produced by Hunter et al. The use of a modular approach provided an efficient and easy access to construct multivalent hosts. In this approach, the key step is represented by an exo-functionalization of the macrocycle. Under cross-coupling conditions, these macrocycles were successfully transferred into di-, tri- and tetravalent macrocyclic hosts. In the key compound for constructing multivalent guests, we purposely combined a diamide unit with a biaryl unit substituted with an iodide. The diamide structural motif is known by literature to thread efficiently into the tetralactam macrocycle and generate a pseudorotaxane by an amide templated reaction. In this process, four hydrogen bonds are formed. The resulting energy from these hydrogen bonds can be used in later studies to quantify the multivalence effect and determine thermodynamic data (H and S) by isothermal titration calorimetric (ITC) measurements. The biaryl iodide structural motif was used to enable the reaction with linker units functionalized with acetylenes under Sonogashira cross-coupling conditions, which lead to a successful synthesis of di-, tri- and tetravalent axles. The multivalent guests obtained in this manner possess rigid linker units. On one hand, this characteristic is useful to minimize the loss of conformational freedom (entropy), which is expected to appear after the first axle is threaded into the multivalent macrocyclic host. On the other hand, the use of rigid linkers often requires a “perfect fit”, if a multivalent interaction is intended to be observed at all. To test the compatibility of these multivalent systems and to determine the optimal length of the linker, molecular modeling was used. Investigations of constitutional pairs of sulfonimide-based dendrimers in the gas phase by ESI-FTICR and MALDI-TOF/TOF MS experiments represent the last studies in this thesis. By performing tandem MS experiments and comparing the observed fragmentation pattern a direct differentiation of the investigated dendro-isomeric pairs was possible