Sintesi multicomponente di piccole librerie di [n]Rotassani

Rotaxanes are chemical species in which one or more macrocycles are threaded onto a linear component, de-threading from which is prevented by bulky “stoppers”. Although macrocycle and thread are not covalently connected, rotaxanes are better express as molecules rather than supramolecular complexes, since covalent bonds need to be broken to separate their components. One way to construct [2]Rotaxane (one tread, one macrocycle) involved the construction of an aromatic tetra-amide that is supramolecularly templated over a fumaramide station. In our work we describe our results on the synthesis of [2]-, [3]-, and [4]rotaxanes that are formed under a combinatorial synthesis starting for a mixture composed by bulky amines and fumaryl chloride. In a first part of our work we were able to generate in a single step a library of six axles (stations), starting from three different bulky secondary amines as dioctylamine, dicyclohexylamine and N-p-azobenezene-N’-benzylamine and fumaryl chloride. The overall synthesis was monitored by HPLC, Mass spectrometry and NMR and after several optimizations of the reaction condition it was possible to detect all of the six axles synthetized. Successively, to the axels mixture the two macrocyclic precursors, named isophthaloyl chloride and xylene diamine were simultaneously and slowly added. During time the mixture was monitored by HPLC Mass spectrometry, unraveling the formation of all corresponding six [2]Rotaxanes. After a flash chromatography all the six [2]Rotaxane were successfully separated, characterized by NMR, and after crystallization characterized at the solid state level by X-Ray. Five of the six possible structures were crystallography solved. All of the structures shown that the fumardiamide is an excellent station for the supramolecular construction of the aromatic tetra amide ring, despite the proximity of the bulky stoppers. For all of the [2]rotaxanes the ring is held in place by two sets of hydrogen bonds from the two NH groups of each of its two isophthaldiamide moieties to each of the two double-acceptor fumardiamide carbonyl groups. The overall architecture is further stabilized by two xylylene···olefin···xylylene (macrocycle···axle···macrocycle) -stacking interaction. The inner cavity of the macrocycle is roughy rectangular, and the lumen of the wheel is significantly smaller than the overall space occupied by the bulky stoppers. In addition, we report the generation of a second library where we succeeded in the formation of [2], [3], and [4]Rotaxane in a single multicomponent reaction. Finally we report the 3D structure at the solid state level of a novel [2]Rotaxane which axel is composed by three conjugated olefins.

I rotassani sono specie chimiche in cui uno o più macrocicli sono inseriti su una componente lineare, la cui sfilatura è impedita da “tappi” ingombranti. Sebbene il macrociclo e il filo non siano collegati covalentemente, i rotassani si definiscono più correttamente come specie molecolari piuttosto che come complessi supramolecolari, poiché i legami covalenti devono essere rotti per separare le loro componenti. Un modo per costruire [2]Rotassani (un asse, un macrociclo) prevede la costruzione di una tetra-ammide aromatica modellata supramolecolarmente su una stazione fumarammidica. Nel nostro lavoro descriviamo i nostri risultati sulla sintesi di [2]-, [3]- e [4]rotassani che si formano durante una sintesi combinatoriale a partire da una miscela composta da ammine secondarie altamente ingombrate, e dal cloruro fumarilico. In una prima parte del nostro lavoro siamo stati in grado di generare in un unico passaggio una libreria di sei assi (stazioni), a partire da tre diverse ammine secondarie come la diottilammina, la dicicloesilammina e la N-p-azobenezene-N'-benzilammina, che sono state fatte reagire con il cloruro fumarilico. La sintesi complessiva è stata monitorata mediante HPLC, spettrometria di massa e NMR. Dopo diverse ottimizzazioni delle condizioni di reazione è stato possibile rilevare tutti i sei assi sintetizzati. Successivamente alla miscela degli assi sono stati addizionati contemporaneamente e lentamente i due precursori macrociclici, l’isoftaloil cloruro e la xilene diammina. Nel corso del tempo la miscela è stata monitorata mediante spettrometria di massa ed HPLC, rivelando la formazione di tutti i sei [2]Rotaxani corrispondenti. Dopo una cromatografia su silice tutti e sei i [2]Rotaxani sono stati separati con successo, caratterizzati mediante NMR, e dopo la cristallizzazione anche caratterizzati al livello di stato solido mediante diffrazione dei Raggi-X. Cinque delle sei strutture possibili sono state risolte mediante cristallografia. Tutte le strutture hanno dimostrato come la stazione fumar-diammidica sia un'ottima stazione per la costruzione supramolecolare dell'anello tetra-ammidico aromatico, nonostante la vicinanza dei terminali ingombranti. Per tutti i [2]rotassani l'anello è tenuto in nella sua posizione sopra l’asse da due serie di legami idrogeno che coinvolgono i due gruppi NH (come donatori) di ciascuna delle porzioni isoftaldiammidiche e ciascuno dei gruppi carbonilici fumar-diammidici che fungono da doppi accettori. L'architettura complessiva è ulteriormente stabilizzata dall'interazione -stacking di due xililene···olefina···xililene (macrociclo···asse···macrociclo). La cavità interna del macrociclo è approssimativamente rettangolare e il lume della ruota è significativamente più piccolo dello spazio complessivo occupato dalle estremità ingrobranti. Inoltre, si riporta la generazione di una seconda libreria in cui si formano [2], [3] e [4]Rotassani in un'unica reazione multicomponente. Infine viene riportata la struttura 3D a livello di stato solido di un nuovo [2]Rotaxano il cui l’asse è composto da tre olefine coniugate.