Doutoramento em QuímicaNesta tese, desenvolvida no âmbito do Programa Doutoral em Química da Universidade de Aveiro, foram desenvolvidos novos receptores sintéticos construídos a partir da plataforma macrocíclica tetraazacalix[2]areno[2]triazina ou do fragmento de isoftalamida. Ambas as unidades estruturais foram decora-das com grupos de reconhecimento molecular baseados em grupos amida e/ou ureia com o objectivo de actuarem como receptores selectivos de aniões com importância biológica ou farmacológica, incluindo acetato, oxalato, malo-nato, succinato, glutarato, diglicolato, L- e D-NHBoc-alanina, (S)- e (R)-fenilpro-panoato, (S,S)- e (R,R)-tartarato, fumarato, maleato, Cl-, HCO3-, H2PO4-, HSO4- e SO42-.
No Capítulo 1 é efectuada uma revisão bibliográfica dos desenvolvimentos recentes na síntese, caracterização estrutural e aplicações de receptores fun-cionais relacionados com os desenvolvidos no âmbito desta tese, com especial incidência para aqueles que foram estudados como receptores de aniões. Neste domínio, enquanto que receptores derivados da isoftalamida têm sido bastante estudados ao longo das últimas décadas, o desenvolvimento de receptores de aniões inspirados em heteracalix[2]areno[2]triazinas ainda se encontra a dar os primeiros passos.
No Capítulo 2 é apresentada a síntese de quatro novos macrociclos derivados de tetraazacalix[2]areno[2]triazina incorporando um ou dois braços de L-alanina (A1, A2) ou de L-leucina (L1, L2) nos anéis benzénicos, e derivados com grupos amida como unidades de reconhecimento. Adicionalmente, são também apresentados dois novos azacalix[2]areno[2]triazinas contendo um (U1) ou dois (U2) braços com grupos ureia substituídos com um grupo (S)-metilbenzílico. Foram ainda preparados os macrociclos A2Me4 e U2Me4 por metilação dos átomos de azoto em ponte de A2 e U2, os quais foram posterior-mente utilizados em estudos de associação. Os compostos sintetizados foram caracterizados através de técnicas espectroscópicas, complementadas por difracção de raios X de cristal único no caso de U2Me4.
O Capítulo 3 contempla os estudos de reconhecimento molecular entre os macrociclos A2Me4 e U2Me4 e os aniões derivados de ácidos mono- e dicarbo-xílicos alifáticos, ácidos carboxílicos isoméricos (enantiómeros e isómeros geométricos), aminoácidos e polioxaniões acima referidos, excepto HCO3-. Os estudos de associação foram realizados através de técnicas de titulação por RMN 1H com determinação das respectivas constantes de afinidade. Todas as associações estudadas apresentaram uma estequiometria receptor-substrato 1:1 com excepção das associações formadas entre A2Me4 e U2Me4 com H2PO4- (1:2). Os complexos A2Me4∙SO42- e U2Me4∙(H2PO4-)2 são os mais
estáveis com constantes de associação de 7,4 × 104 M-1 e superior a 105 M-2, respectivamente. O reconhecimento dos dicarboxilatos ocorreu através dos dois braços do macrociclo, com os aniões com grupos carboxilato separados por cadeias alifáticas mais compridas (glutarato e diglicolato) apresentando um melhor ajuste aos braços de A2Me4 e U2Me4. Não foi observado reconheci-mento enantiosselectivo de aniões. Em contraste, as constantes de afinidade para as associações com os aniões dos isómeros cis (maleato) e trans (fumarato) do ácido but-2-enodióico, de 89 e 4920 M-1 para A2Me4 e 481 e 4007 M-1 para U2Me4, respectivamente, sugerem selectividade de ambos os receptores para o fumarato.
No Capítulo 4 é descrita a síntese de nove receptores acíclicos incorporando a unidade de isoftalamida (Iso-1 a Iso-9) e braços laterais com grupos de reconhecimento de aniões. Enquanto que o receptor Iso-1 possui como unida-des de reconhecimento apenas grupos amida, os receptores Iso-2, Iso-3, Iso-5, Iso-6, Iso-7 e Iso-9 possuem grupos amida e ureia, e os derivados Iso-4 e Iso-8 grupos amida e sulfonilureia. Em cada um destes compostos, os grupos de reconhecimento estão separados por uma cadeia etilénica cuja flexibilidade confere um melhor ajuste com os aniões. Os derivados de isoftalamida preparados foram caracterizados através de técnicas espectroscópicas.
No Capítulo 5 são apresentados os estudos de associação realizados por técnicas de titulação por RMN 1H entre Iso-1, Iso-2, Iso-4, Iso-6 e Iso-8 com os aniões H2PO4-, HCO3-, Cl- e oxalato. Os receptores Iso-1, Iso-2 e Iso-6 apresentaram maior afinidade para o dianião, com valores de Kass de 6100, 7800 e 9800 M-1 respectivamente, e menor para Cl- (17 < Kass < 19 M-1). Foram sempre formadas associações mais estáveis com H2PO4- (294 < Kass < 427 M-1) comparativamente a HCO3-, sendo que a associação mais forte com este últi-mo foi determinada com Iso-2 (Kass = 95 M-1). As moléculas de Iso-4 e Iso-8 sofreram desprotonação dos grupos sulfonilureia na presença de todos os aniões excepto de Cl-.
No Capítulo 6 apresentam-se as conclusões gerais e no Capítulo 7 descrevem-se os procedimentos experimentais e também os dados espectroscópicos dos produtos obtidos.In this thesis, developed within the PhD Program in Chemistry of the University of Aveiro, new synthetic receptors containing the macrocyclic platform tetraazacalix[2]arene[2]triazine or the isophthalamide scaffold were synthesized. Both structural units contain amide and urea as binding units for pharmacologically or biologically relevant anions, such as acetate, oxalate, malonate, succinate, glutarate, diglycolate, L- and D-alanine, (S)- and (R)-phenylpropanoate, (S,S)- and (R,R)-tartarate, fumarate, maleate, Cl-, HCO3-, H2PO4-, HSO4- and SO42-.
Chapter 1 is dedicated to the state of art in the synthesis, structural characterization and applications of functional receptors related with the synthetic molecules developed within the scope of this thesis, with special attention to the ones that have been studied as anion receptors. While isophthalamides have been quite exploited in the anion recognition chemistry throughout the last 20 years, receptors inspired in the azacalix[2]arene[2]triazine moiety are still giving their first steps.
In Chapter 2 is presented the synthesis of four new azacalix[2]arene[2]triazines bearing one or two L-alanine (A1, A2) or L-leucine (L1, L2) arms based in amide groups as recognition units, which are attached to the macrocyclic benzyl rings. Two other azacalix[2]arene[2]triazines containing one (U1) or two (U2) arms bearing urea groups, previously prepared by coupling (S)-methylbenzyl isocyanate and ethanolamine, are also presented. The bridging NH groups of azacalixarenes A2 and U2 were subsequently methylated, yielding A2Me4 and U2Me4. Only the anion affinity of these two molecules was investigated. The synthesized compounds were characterized through spectroscopic techniques, complemented by single crystal X ray diffraction in the case of U2Me4.
The 3rd Chapter comprises the molecular recognition studies between both macrocycles A2Me4 and U2Me4 and the anions derived from mono- and dicarboxylic aliphatic acids, isomeric carboxylic acids (enantiomers and geometrical isomers), amino acids and also polioxanions, except for HCO3-. These studies were carried out through 1H NMR titration techniques with determination of their binding constants. All associations presented a 1:1 receptor-substrate stoichiometry except for the ones between A2Me4 and U2Me4 with H2PO4- (1:2). It was determined that the most stable complexes were A2Me4∙SO42- and U2Me4∙(H2PO4-)2, with stability constants of 7,4 × 104 M-1 and higher than 105 M-2, respectively. The recognition of the aliphatic dicarboxylates occurred through both arms of the macrocycle, with the carboxylate groups separated by the longest aliphatic chains (glutarate and diglycolate) yielding the best fine-tuned associations. No enantiosselective recognition was observed with the studied chiral anions. In contrast, the affinity
constants for the associations with both the cis (maleate) and trans (fumarate) anionic isomers of but-2-enedioic acid, of 89 and 4920 M-1 for A2Me4 and 481 and 4007 M-1 for U2Me4, respectively, suggest that both receptors show selectivity towards fumarate.
In Chapter 4 is described the synthesis of nine new acyclic isophthalamide receptors (Iso-1 – Iso-9) bearing lateral arms with anion recognition groups. While Iso-1 has recognition units based only on amide groups, Iso-2, Iso-3, Iso-5, Iso-6, Iso-7 and Iso-9 have both amide and urea units, and Iso-4 and Iso-8 have amide and sulfonylurea as binding units. All of these compounds contain a flexible ethylene spacer between the recognition groups of each arm, thus furnishing fine-tuned adjustments with the anions. The synthesized isophthalamide derivatives were characterized by spectroscopic techniques.
Chapter 5 covers the 1H NMR association studies carried out between Iso-1, Iso-2, Iso-4, Iso-6 and Iso-8 with Cl-, H2PO4-, HCO3- and oxalate anions. Iso-1, Iso-2 and Iso-6 formed the strongest associations with oxalate, with association constants (Kass) of 6100, 7800 and 9800 M-1, respectively, and the weakest with Cl- (17 < Kass < 19 M-1). H2PO4- always formed stronger associations (294 < Kass < 427 M-1) than HCO3-, with the latter assembling preferably with Iso-2 (Kass = 95 M-1). The sulfonylurea groups of Iso-4 and Iso-8 were deprotonated in the presence of all anions, apart from Cl-.
In Chapter 6, the main conclusions from this PhD research program are presented, and, at last, Chapter 7 describes all experimental procedures as well as the spectroscopic data of the synthesized compounds
