Five-membered heterocycles as novel molecular scaffolds for targeting triplehydrogen bonding interactions

(eng) Due to its prominent directionality and strength, H-bonds are ones of the most widely used non-covalent interactions in supramolecular chemistry. Despite its relative high strength (energy of an H-bond in the gas phase typically ranges between 0−5 Kcal mol−1) in comparison with other non-covalent interactions, association of two molecules by means of a single H-bond leads to complexes displaying low thermodynamical stabilities, thus limiting their exploitation in the non-covalent synthesis of functional materials for real-world applications. Thereby, when stronger interactions are required, the general engineering approach focuses on the covalent synthesis of rigid planar molecular scaffolding in which several H-bonding donating (D) and accepting (A) moieties are arranged into a so-called ‘H-bonding array’. Due to the selective recognition processes and to the tunability of their association strength, multiple H-bonding arrays have become an indispensable molecular module in the tool-box of supramolecular chemists, allowing, through selective self-assembly and/or self-organization processes, the bottom-up preparation of functional materials such as liquid crystals, patterned surfaces and supramolecular polymers. In principle, the stability of H-bonded supramolecular complexes could be modulated in an indefinite number of ways. For example, when stronger interactions (e.g., higher association constant values) are required, the increase of the number of the H-bonding sites represents one of the efficient strategy to reinforce the stability of the ultimate assembly. Nevertheless, a strong Ka value is not always requested. In fact, whilst highly stable complexes are required in the field of supramolecular polymers, whose properties at the molecular level (such as degree of polymerization, Dp, and viscosity) result linearly correlated to the Ka values, these may instead be detrimental for the construction of more sophisticated hierarchized nano-architectures, arising from a delicate interplay between internal (e.g. ii stacking, solvophobic/solvophilic interactions) and external (e.g. time, temperature, concentration, etc.) factors. The aim of this thesis is to design and synthesize novel triple H-bonding arrays (DAD, ADD and DDD) based on five-membered heteroaromatic rings. The proposed use of thiolyl, oxolyl, azolyl, and triazolyl scaffoldings for recognition systems, it is intended as a mean to better achieve the control on the binding properties and selectivity of triple H-bondind recognition arrays, allowing an easy tunability of the binding motifs. With the variation of the substituents and the heteroatom onto the hetero-aromatic rings, it has been intended to create a selection of versatile, structurally similar, host-guest pairs complexes that display different association constants (Ka) in order to better match the requirements of different supramolecular applications. Focusing on the most relevant factors that influence the association constants of hydrogen bonded complexes, in the first part of Chapter 1 the reader is introduced on how specific H-bonding arrays, featuring wide ranges of Ka values (spanning among eight orders of magnitude) can be designed. Subsequently, the second part is focused on the physical and chemical properties of a large variety of H-bonding assembled molecular modules that upon self-assembly and self-organization processes opened new ways towards novel fascinating applications. Figure 1 Designed H-bonding arrays based on 5-membered heterocycles. Chapter 2 deals with the description of the synthetic efforts undertaken towards the preparation of the DAD and DDD H-bonding arrays. The first two subsections (2.1-2) describe the rethrosynthetic approaches and the results of the unsuccessful methodological routes (through Buchwald-Hartwig amidation cross-coupling reactions, reduction of azido-derivatives and nucleophilic addition of organo-metallic reagents to isocyanate derivatives as produced through Curtius rearrangement) tackled to introduce amidic and/or ureidic functions at the 2-position of five-membered heteroaromatic rings. Several DAD H-bonding arrays based on thiolyl scaffolding were successfully synthesized (sections 2.3). Figure 2 Synthesized thiolyl DAD H-bonding arrays. In section 2.4 are presented the synthetic step undertaken in the attempt to generate DAD arrays based on oxalyl derivatives. Unfortunately the introduction of electron-donating groups such as amidic or carbamic functions to the ring led to very unstable intermediates, and thus the amido-oxolyl derivatives capable of recognition mediated by triple H bonding were never isolated. Figure 3 Synthesized oxolyl-protected DAD H-bond array. The synthetic strategies towards the synthesis of DDD arrays based on of azolyl scaffolding are described in section 2.5. Protected azolyl module 182 (see Figure 4) was synthesized in thirteen steps starting from the pyrrole module. Unfortunately, due to the complications encountered in the cleavage of the N-azolyl protecting group, the synthesis of the azolyl DDD H-bonding arrays based could not be finally accomplished. Figure 4 Synthesized azolyl-protected DDD H-bond array. Section 2.6 presents the synthesis of newly designed self-adapting ADD/DDD H-bonding array based on ureido-triazolyl scaffoldings. Exploiting the prototropic equilibrium of the triazole nucleus the modules synthesized are expected to show an ADD or a DDD arrangement of the binding sites depending on the H-bonding functionalities of the complementary guest used for the complexation. Figure 5 Synthesized triazolyl-based ureido H-bonding arrays. Prototropic self-adapting properties: from a DDD to a ADD H-bonding array. Due to solubility limitations in common organic solvents (e.g., CDCl3 and CD2Cl2), the molecular recognition ability in solution could not be studied and further modifications of the molecular structural properties are required.

(fre) Grâce à leur directionnalité proéminente ainsi qu’à leur force, les ponts hydrogène sont l’une des interactions non-covalentes les plus exploitées en chimie supramoléculaire. Malgré leur force relativement élevée en comparaison avec d’autres interactions non-covalentes (l’énergie d’un pont hydrogène en phase gazeuse se situe typiquement entre 0 et 5 Kcal mol-1), l’association de deux molécules au moyen d’un pont hydrogène simple mène à des complexes présentant des stabilités thermodynamiques faibles, limitant ainsi leur exploitation dans la synthèse non-covalente de matériaux fonctionnels menant à de réelles applications. Dès lors, lorsque des interactions plus fortes sont nécessaires, l’approche d’ingénierie habituelle se concentre sur la synthèse covalente d’échafaudages moléculaires rigides et planaires dans lesquels plusieurs fonctionnalités donneurs (D) et accepteurs (A) de ponts hydrogènes sont arrangées dans ce que l’on appelle un ‘réseau de ponts hydrogène’. Grâce aux procédés de reconnaissances spécifiques et au contrôle de leur force d’association, les réseaux de ponts hydrogène multiples sont devenus des modules moléculaires indispensables dans la boîte à outils des chimistes supramoléculaires, permettant, via des procédés sélectifs d’auto-assemblage et/ou auto-organisation, la préparation bottom-up de matériaux fonctionnels tels que des cristaux liquides, des surfaces à motifs et des polymères supramoléculaires. En principe, la stabilité des complexes supramoléculaires à base de ponts hydrogène peut être modulée d’un nombre infini de manières. Par exemple, lorsque des interactions plus fortes (e.g., des valeurs de constante d’association élevées) sont requises, augmenter le nombre de sites de ponts hydrogène représente une stratégie efficace pour renforcer la stabilité de l’assemblage final. Néanmoins, une valeur élevée de Ka n’est pas toujours nécessaire. En effet, alors que des complexes hautement stabilisés sont requis dans le domaine des polymères supramoléculaires, dont les propriétés à l’échelle moléculaire (tel que le degré de polymérisation Dp, et la viscosité) corrèlent linéairement aux valeurs des Ka, ces dernières peuvent également être néfastes à la construction de nano-architectures hiérarchisées plus sophistiquées, résultant d’une interaction délicate entre des facteurs internes (comme par exemple du π−π stacking, des interactions solvophobiques/solvophiliques) et externes (tels que le temps, la température, la concentration etc.). L’objectif de cette thèse est l’élaboration et la synthèse de nouveaux réseaux de ponts hydrogène (DAD, ADD, DDD) basés sur des cycles hétéroatomiques à cinq chaînons. Nous proposons l’utilisation d’échafaudages thiolyl, oxolyl, azolyl, et triazolyl comme systèmes de reconnaissance, afin de réaliser un meilleur contrôle des propriétés de liaison et de la sélectivité des réseaux de reconnaissance à ponts hydrogène triples, permettant ainsi une transformation aisée des motifs de liaison. La variation des substituants et de l’hétéroatome sur les cycles hétéroaromatiques permettrait de créer une sélection de complexes de paires host-guest versatiles et de structure similaire, présentant ainsi différentes constantes d’association (Ka) pour mieux répondre aux différentes demandes d’applications supramoléculaires. Se concentrant sur les facteurs les plus pertinents qui influencent les constantes d’association des complexes à base de ponts hydrogène, le lecteur est introduit dans la première partie du Chapitre 1 sur la façon dont peuvent être élaborés des réseaux spécifiques à base de ponts hydrogène présentant une large gamme de valeurs de Ka (s’étendant sur un ordre de huit de magnitude). Ensuite, la deuxième partie traite des propriétés physiques et chimiques d’une grande variété d’assemblages par ponts hydrogène de modules moléculaires qui après auto-assemblage et auto-organisation ont ouvert de nouvelles voies à l’élaboration de nouvelles applications fascinantes. Figure 1 Réseaux de ponts hydrogène élaborés sur base d’hétérocycles à 5 membres. Le Chapitre 2 présente la description des efforts synthétiques réalisés pour la préparation des réseaux de ponts hydrogène DAD et DDD. Les deux premières sous-sections (2.1-2) décrivent les approches rétrosynthétiques et les résultats des voies méthodologiques non fructueuses (via des réactions de cross-coupling d’amidation de Buchwald-Hartwig, réduction de dérivés azido et addition nucléophile de réactifs organométalliques à des dérivés isocyanate comme produit par le réarrangement de Curtius) entreprises pour introduire les fonctions amidiques et/ou uréidiques en position 2 des cycles hétéroaromatiques à cinq chaînons. Plusieurs réseaux de ponts hydrogène DAD à base de thiolyl ont été synthétisés avec succès (section 2.3). Figure 2 Réseaux de ponts hydrogène DAD synthétisés, protégés par du thiolyl. Dans la section 2.4 sont présentées les étapes synthétiques réalisées pour générer les réseaux DAD à base de dérivés oxalyl. Malheureusement, l’introduction sur le cycle de groupements électrodonneurs tels que des fonctions amidiques ou carbamiques a mené à des intermédiaires très instables. Dès lors, les dérivés amido-oxolyl capables de reconnaissance via des ponts hydrogène triples n’ont jamais été isolés. Figure 3 Réseau de ponts hydrogène DAD oxolyl-protégé synthétisé. Les stratégies synthétiques menant à la synthèse des réseaux DDD à base d’azolyl sont décrites dans la section 2.5. Le module protégé par le groupemement azolyl 182 (voir Figure 4) a été synthétisé en treize étapes à partir du module pyrrole. Malheureusement, à cause de complications rencontrées lors du clivage du groupement protecteur N-azolyl, la synthèse des réseaux de ponts hydrogènes DDD protégés par l’azolyl n’a finalement pu être réalisée. Figure 4 Réseau de ponts hydrogène DDD azolyl-protégé synthétisé. La Section 2.6 présente la synthèse de réseaux de ponts hydrogène auto-adaptant ADD/DDD, nouvellement élaborés à partir d’échafaudages ureido-triazolyl. Grâce à l’équilibre prototropique du noyau triazole, nous nous attendons à ce que les modules synthétisés présentent un arrangement des sites de liaisons ADD ou DDD, selon les fonctionnalités ponts hydrogène des guest complémentaires utilisés pour la complexation. Figure 5 Réseaux de ponts hydrogène ureido synthétisés à base de triazole. Propriétés auto-adaptantes prototropiques: d’un réseau ponts hydrogène DDD à ADD. Dû aux limitations de solubilité dans les solvants organiques communs (tels que CDCl3 et CD2Cl2), la capacité de reconnaissance moléculaire en solution n’a pu être étudiée. De plus amples modifications des propriétés moléculaires structurelles sont dès lors nécessaires.