SINTESI STEREOPROGRAMMATA DI SISTEMI [3]ROTASSANICI CALIXARENIC
VI.6 Navette supramolecolari basate su sistemi [3]rotassanici calixarenic
Al fine di studiare il movimento del macrociclo lungo il sistema lineare, è stata effettuata
una deprotonazione dei centri ammonici del derivato rotassanico 152+ seguendo il metodo
dello scambio del controione di recente riportato da Takata e collaboratori.84 In tal modo è
stato possibile ottenere il [3]rotassano neutro 19 (Schema 21).
Studi NMR condotti sulla specie 19, hanno evidenziato che in seguito a deprotonazione le ruote calixareniche si muovono dalle due iniziali stazioni alchilbenzilammoniche a due nuove posizioni in cui ancora una volta delle catene alifatiche sono presenti all‘interno della cavità del macrociclo.
Considerando i tre siti alifatici diversi lungo l'asse e le tre possibili orientazioni relative dei due macrocicli calixarenici, sarebbero possibili, in linea teorica, sette isomeri traslazionali.
Uno studio combinato 2D NMR85 (COSY-45, EXSY, e ROESY, in CDCl3 a 253 K) ha
evidenziato la presenza di due soli co-conformeri ed in particolare l‘isomero (T,T)-19 e (T,C)-19 (Schema 22) in rapporto 6:4 tra loro.
84 K. Nakazono, T. Takata, Chem. Eur. J. 2010, 16, 13783.
85 Tali studi sono riportati nella parte sperimentale del presente capitolo.
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Questo è imputabile ad un movimento combinato di traslazione seguita da un‘inversione del cono calixarenico, in stretta analogia con i sistemi [2]rotassanici precedentemente descritti (capitolo IV).
La maggiore stabilità di questi due isomeri traslazionali (co-conformeri) è in accordo con ricerche conformazionali Monte Carlo i quali evidenziano le specie (T, T)-19 e (T, C)-19 come gli isomeri a minore energia (0,00 e 0,72 Kcal/mol rispettivamente).
Inoltre, tali studi hanno evidenziato che le due nuove posizioni ―favorite‖ dai macrocicli calixarenici sono quelle delle catene alchiliche esterne, poiché stabilizzate dalla formazione
di legami ad idrogeno tra gli ossigeni del lower rim calixarenico e gli NH dei gruppi
carbammici della subunità lineare.
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149 L'influenza di tale tipo di interazione è stata inoltre provata anche mediante studi VT-
NMR86 condotti in THF-d8, un solvente competitivo accettore di legami ad idrogeno. In
questo caso, è stato osservato un complesso pattern di segnali, sia per i protoni alchilici
schermati che per i metileni a ponte dei macrocicli calixarenici, che è indicativo della presenza di quantità comparabili di diversi co-conformeri di stabilità simile.
Il comportamento di navetta delle due unità cicliche nel sistema calix[3]rotassanico 152+ è
stato confermato anche da uno studio di simulazione di dinamica molecolare (MD).
In particolare, alcuni parametri geometrici, come la distanza d (Å) tra i due macrocicli, il
numero di legami ad idrogeno ed il numero di anelli aromatici calixarenici invertiti sono stati monitorati in funzione del tempo.
L'analisi della distanza d tra i due calixareni è ampiamente rappresentativa del moto di
traslazione dei due macrocicli rispetto alla subunità lineare. In particolare, i dati ottenuti da una simulazione a 313 K hanno chiaramente evidenziato che la distanza tra i due macrocicli varia da un valore minimo di 8 Å a un valore massimo di 35 Å, confermando così il movimento di traslazione delle due ruote. È interessante sottolineare che circa il 60% dei
co-conformeri campionati durante l‘intera simulazione (30000 ps) mostra una distanza d
nell'intervallo di 30-40 Å rivelando così una chiara tendenza delle due ruote calixareniche a rimanere vicino alla stazione uretanica.
Questa preferenza è stata confermata anche grazie al monitoraggio della presenza di legami ad idrogeno nel sistema. In particolare, sono state osservate variazioni nel numero di queste interazioni durante la simulazione di dinamica molecolare ed è interessante notare come circa il 76% delle strutture campionate presenta un‘interazione del tipo CONH • • • O, confermando così il decisivo contributo alla stabilità di ciascuna struttura supramolecolare da parte di questo tipo di interazione.
Un altro aspetto considerato durante le simulazioni MD è stato quello dell‘inversione del cono calixarenico, in tal caso, le simulazioni effettuate sia a 313 e 450 K hanno mostrato diverse inversioni degli anelli aromatici calixarenici, con la prima che avviene dopo ca. 5000
ps. Il trattamento acido del sistema interbloccato 152+consente di ripristinare totalmente la
stereochimica di partenza, ciò conferma che tale sistema agisce da navetta molecolare di dimensioni nanometriche in cui i sistemi ciclici si muovono lungo un binario costituito da tre differenti stazioni.
Il movimento delle due ruote calixareniche è stato, inoltre, studiato per la specie
[3]rotassanica 182+ che è stata neutralizzata anch‘essa con il metodo dello scambio del
controione per dare il derivato interbloccato neutro 20.
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In analogia a quanto descritto per il sistema precedente, anche in questo caso studi di spettroscopia NMR combinati a studi di dinamica molecolare condotti sul derivato 20, hanno dimostrato che i due macrocicli calixarenici si spostano dalle stazioni alchilbenzilammoniche originarie in due nuove posizioni, in cui ancora una volta sono incluse nella cavità calixarenica delle catene alchiliche.
Un complesso studio 2D NMR (COSY-45, EXSY, e ROESY, effettuato in CDCl3 a 253
K) ha evidenziato la presenza di tre differenti isomeri traslazionali (T, T)-20, (T, C)- 20 e (C, C)-20 (Schema 23) in un rapporto di 55:25:20, rispettivamente.
Inoltre, ricerche conformazionali Monte Carlo hanno confermato l'ordine di stabilità osservato riscontrando dei valori di energia per i tre sistemi rispettivamente pari a 0,00, 0,54 e 0,76 kcal/mol (energie relative), valori nettamente inferiori a quelle calcolate per gli altri possibili co-conformeri. È importante sottolineare che, in questo caso, le interazioni di
legame ad idrogeno tra gli ossigeni del lower rim calixarenico ed l‘NH uretanico possono
aver luogo solo in seguito ad inversione della ruota calixarenica.
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151 Ciò comporta un passaggio dall‘iniziale orientamento coda-coda ad uno di tipo testa-testa. I dati sperimentali acquisiti sono state confermati da studi di dinamica molecoalre (10000 ps, 313 K), che hanno dato risultati molto simili a quelli relativi al derivato 19, evidenziando il movimento di traslazione e di inversione delle due ruote calixareniche e la loro tendenza ad interagire con la stazione uretanica.
Infine, il trattamento acido del [3]rotassano neutro 20, ha consentito il completo ripristino del sistema originario dimostrando la completa reversibilità dell‘ intero processo.
VI.7 Conclusioni
In conclusione, in questo capitolo è stato descritto lo studio del threading di derivati bis- ammonici alchilbenzilici, opportunamente funzionalizzati alle estremità, attraverso la cavità di macrocicli calixarenici. Le specie pseudorotassaniche ottenute sono state poi interbloccate a sistemi rotassanici mediante l‘introduzione di stoppers alle estremità.
Sia nell‘atto iniziale dell‘infilamento che in seguito a reazione di stoppering è stato sempre osservato un‘elevato stereocontrollo sui sistemi supramolecolari studiati. Questo, unito alla progettazione di opportuni derivati lineari, ha consentito la sintesi stereoprogrammata dei primi esempi di sistemi [3]rotassanici calixarenici.
In aggiunta, il trattamento acido/base di tali sistemi ha dimostrato che quest‘ultimi si comportano come navette molecolari, che si muovono su scala nanometrica.
Una variazione dell‘orientamento relativo tra le due unità cicliche, attualmente senza precedenti in letteratura, è stata osservata per i [3]rotassani neutri. Ciò è dovuto alle ridotte dimensioni dei sostituenti O-metilici calixarenici ed alla stabilizzazione mediante legami ad idrogeno con i siti uretanici del sistema lineare. In ogni caso, l'originale stereochimica di programmazione è stato sempre ricostituita dopo riprotonazione dei siti amminici neutri.
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