Development of flexible cavitand receptors based on calix[5]arene. Rational design, synthesis and study of their properties

Abstract

Cavitands are macromolecules with a permanent cavity where smaller molecules or ions can be accommodated. The hydrophobic cavity of these supramolecules allows the binding of other molecules though non-covalent interactions, resulting in host-guest complexation. This behavior is very similar to the one that enzymes have toward their substrates, and for this reason cavitands are considered good candidates for biological mimesis. The most common and studied cavitands are the derivatives of resorcin[4]arene. Some of these cavitands present the ability to self-fold into a stabilized closed conformation that defines a deep cavity, through an intramolecular hydrogen bond network. Having proven useful in countless applications and a wide range of fields, such as molecular recognition or biomimetic and supramolecular catalysis, resorcin[4]arene cavitands have been presented as the pinnacle of this discipline. Nevertheless, our research group has identified some limitations of this scaffold. First, resorcin[4]arene cavitands have a reduced volume, limiting the variety of viable guests to small molecules or ions of lesser relevance. And second and most remarkable, these cavitands have high structural rigidity, lacking the ability to adapt to bound guests and hence hindering the applications inspired on biological systems. Due to these disadvantages, we have conceived a completely new family of cavitands based on calixarene macrocycles with expanded and flexible cavities, featuring self-¬folding properties and genuine induced fit behavior. This new approach promises to enable the development of applications with a more diverse and significant variety of guests and/or substrates. The main goals set within the context of this thesis were the development of a novel self--folding family of receptors with expanded and flexible binding sites, and the consolidation of the basis for the diversification of the structure in order to access a variety of features and characteristics within the same scaffold

Els cavitands són macromolècules amb una cavitat permanent on es poden allotjar molècules o ions més petits . La cavitat hidrofòbica d’aquests receptors permet la unió amb altres molècules a traves de forces no covalents, resultant en la formació de complexos hostatger hoste (host guest). Aquest és un comportament similar al dels enzims amb els seus substrats, i per aquesta raó els cavitands son considerats un bons candidats per a la mimesi biològica. Els cavitans més recurrents, i alhora més estudiats, són els derivats de resorcin[4]arè. Alguns d’aquests cavitands presenten la capacitat d’auto plegar se (self folding) gràcies a una xarxa d’enllaços d’hidrogen intramoleculars, i d’aquesta manera estabil itzar ne la conformació còncava. Havent demostrat ser útils en innumerables aplicacions i multitud d’àmbits com ara el reconeixement molecular o la catàlisi biomimètica, els cavitands derivats de resorcin[4]arè es presenten com la cúspide d’aquesta discipl ina. No obstant això, el nostre grup de recerca ha identificat algunes limitacions d’aquesta estructura. En primer lloc, els cavitands de resorcin[4]arè presenten un volum reduït, la qual cosa limita la varietat d'hostes a molècules petites de rellevància limitada. I en segon lloc, i més remarcable, tenen una alta rigidesa estructural, mancant los la capacitat d'adaptar se als hostes i, per tant, dificultant les aplicacions inspirades en els sistemes biològics. A causa d'aquests inconvenients, el nostre gru p de recerca ha concebut una nova família de cavitands basada en macrocicles de calix[5]arè amb cavitats expandides i flexibles. Aquest receptors presenten la propietat d'auto plegar se i un comportament d'encaix induït (induced fit) genuí. Es preveu que a questa nova aproximació permeti el desenvolupament d'aplicacions amb una varietat més diversa d'hostes i substrats significatius. Els objectius principals establerts en aquesta tesi van ser el desenvolupament d'una nova família de receptors d'auto plegables amb cavitats eixamplades i flexibles, conjuntament amb la consolidació dels fonaments que ens permetin diversificar l’estructura i accedir a una varietat de característiques diferents emprant la mateixa base de construcció