Search

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq The following work presents the synthesis of molecular thread and molecules of rotaxanes containing two stations, succinamide and oxoalkyl-triazole. The synthetic process of the molecular thread was carried out by “click” reactions involving cycloaddition [3+2] of azides and terminal alkynes copper catalyzed (CuAAC), resulting in yields of 55–83%. The formation of rotaxanes molecules was based on the clipping methodology, consisting in a multicomponent reaction with isolated product yields ranging from 8–25%. The synthesized molecules were identified and characterized by 1H and 13C Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy in one- and two-dimensional experiments, infrared (IR) spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA), liquid chromatography/tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), high resolution mass spectroscopy (HRMS), melting point and single crystal X-ray diffraction (SC-XRD), when possible. The [2]rotaxanes molecules were studied by 1H NMR experiments at variable temperatures. Studies carried out with temperatures variations between -20 to 40 °C revealed the position of the macrocycle over the succinamide station at low temperatures is favored and showing a possible shuttling to the oxoalkyl-triazole station with increasing temperature. This event was observed through variations in chemical displacement of the hydrogens present in the molecular thread station, which suffer a shielding effect due to the formation of hydrogen bonds with the macrocycle. The formation of [3]rotaxanes molecules was not observed for the proposed models. Therefore, alteration in the spacer chain of the oxoalkyl-triazole station is not enough to favor the synthesis of [3]rotaxanes molecules. O presente trabalho apresenta a síntese de eixos moleculares e moléculas de rotaxanos contendo duas estações, succinamida e oxoalquil-triazol. O processo sintético dos eixos moleculares foi realizado por reações do tipo click, envolvendo a cicloadição [3+2] de azidas com alcinos terminais catalisados por cobre, resultando em rendimentos de 55–83%. A formação das moléculas de rotaxanos baseou-se na metodologia de clipping, consistindo em uma reação multicomponente com rendimentos dos produtos isolados variando de 8–25%. As moléculas sintetizadas foram identificadas e caracterizadas por espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) de 1H e 13C utilizando experimentos uni e bidimensionais, espectroscopia de infravermelho (IV), análise termogravimétrica (TGA), cromatográfica líquida acomplada a espectroscopia de massas (LC-MS/MS), espectroscopia de massas de alta resolução (HRMS), ponto de fusão e difração de raios X em monocristal (SC-XRD), quando possível. As moléculas de [2]rotaxanos foram estudados por experimentos de RMN de 1H em temperaturas variáveis. Estudos realizados com variação de temperaturas entre -20 a 40 °C evidenciaram que posicionamento do macrociclo sobre a estação succinamida a baixas temperaturas é favorecido e apresentando um possível deslocamento para a estação oxoalquil-triazol com o aumento de temperatura. Este fenômeno foi estudado através de variações de deslocamento químico dos hidrogênios presentes nas estações do eixo molecular, que sofrem efeito de blindagem decorrente da formação das ligações de hidrogênio com o macrociclo. A formação de moléculas de [3]rotaxanos não foi observada para os modelos propostos. Logo, alteração na cadeia espaçadora da estação oxoalquil-triazol não é suficiente para favorecer a síntese de moléculas de [3]rotaxanos.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Rotaxanes are widely studied for their ability to move one component relative to another. Intercomponent interactions are widely studied in solution and have been gaining more field in the crystalline solid state. Intermolecular interactions in rotaxanes are still a field to be explored. This emphasizes the importance of studying intercomponent and intermolecular interactions to understand the behavior of these molecules in the crystalline solid state. Therefore, this thesis uses rotaxanes as models to understand the formation of different crystalline phases and evaluate the influence of intercomponent and intermolecular interactions in the crystallization process. For a series of rotaxanes containing Leigh-type macrocycle, self-assembly, solvates, and the formation of different polymorphic phases were evaluated. A new series of [2]- and [3]rotaxanes with two stations was synthesized and evaluated regarding intercomponent and intermolecular interactions. The studied rotaxanes showed similar general stages of crystallization, in which in the first stage there is the formation of one-dimensional nuclei and, in less cases, dimers. A wide molecular complementarity was observed, with a high contact area and a large number of interaction paths in the formed nuclei, which prevent the occurrence of specific interactions capable of directing the formation of crystals. This behavior can be explained by the intrinsic molecular topology of rotaxane molecules. The participation of the solvent during crystallization was evaluated and showed that the solvent can be easily trapped between the one-dimensional and dimeric nuclei during the last stages of crystallization. In one example, it was observed that its topology favored the entrapment of water molecules between the rotaxanes that form the one-dimensional nucleus in the first crystallization stage, and not because of the nuclei approximation. Initial insights into the contribution of solvents to the stabilization energy of solvates have been provided. Different polymorphic forms, with the solvent and temperature conditions to obtain each phase, were reported. The key to understand the existence of polymorphs at room temperature lies in the first crystallization nuclei to be formed, as both have similar stabilization energies at this point. The two-station thread allowed to obtain molecules of [2]- and [3]rotaxanes as a function of small modification in the stoppers groups. New parameters and approaches at the intercomponent and intermolecular level, to guide the interpretation of self-assembly, solvates, and polymorphs of rotaxane molecules, have been provided. Os rotaxanos são amplamente estudados devido sua capacidade de um componente mover-se em relação ao outro. As interações intercomponentes são amplamente estudadas em solução e vem ganhando mais campo no estado sólido cristalino. Já as interações intermoleculares em rotaxanos permanecem ainda como um campo a ser explorado. Com isso, ressalta-se a importância de estudar as interações intercomponentes e intermoleculares como forma de entender o comportamento destas moléculas no estado sólido cristalino. Sendo assim, esta tese utiliza rotaxanos como modelos para compreender a formação de diferentes fases cristalinas e avaliar a influência das interações intercomponentes e intermoleculares no processo de cristalização. Para uma série de rotaxanos, contendo macrociclo do tipo Leigh, foram avaliadas a autoassociação, a formação de solvatos, a formação de diferentes fases polimórficas. Uma nova série de [2]- e [3]rotaxanos com duas estações foi sintetizada e avaliada as interações intercomponentes e intermoleculares. Os rotaxanos estudados apresentaram estágios gerais de cristalização semelhantes, em que no primeiro estágio ocorre a formação de núcleos unidimensionais e, em menos casos, de dímeros. Foi observado uma grande complementaridade molecular, com alta área de contato e grande número de caminhos de interação nos núcleos formados, o que dificulta a ocorrência de interações específicas capazes de direcionar a formação de cristais. Este comportamento pode ser explicado pela topologia molecular intrínseca das moléculas de rotaxano. A participação do solvente na cristalização foi avaliada e mostrou que o solvente pode ser facilmente preso entre os núcleos unidimensionais e diméricos durante as últimas etapas de cristalização. Em um exemplo, foi observado que a topologia favoreceu o aprisionamento de moléculas de água entre as moléculas de rotaxanos que formam o núcleo unidimensional no primeiro estágio de cristalização e não por consequência da aproximação dos núcleos. Percepções iniciais da contribuição de solventes na estabilização energética de solvatos foram fornecidas. Diferentes formas polimórficas, juntamente com as condições de solvente e temperatura para obter cada fase, foram reportadas. A chave para entender a existência dos polimorfos à temperatura ambiente está no primeiro núcleo de cristalização a ser formado, já que ambos têm energias de estabilização semelhantes neste ponto. O modelo de eixo molecular de duas estações permitiu a obtenção de moléculas de [2]- e [3]rotaxanos em função de pequena modificação no grupo volumoso terminal. Novos parâmetros e abordagens no nível intercomponente e intermolecular, para guiar a interpretação da autoassociação e da formação de solvatos e polimorfos de moléculas de rotaxanos, foram fornecidos.

Rotaxanes are currently one of the most promising objects of study in the field of artificial molecular machines. A rotaxane molecule is composed by two or more molecular components that are connected by a mechanical bond. 51 years ago, the first synthesis of this type of molecules was performed, since then, there has been a great effort in obtaining new models to study its molecular movements and application as molecular machines. Here, we present an overview of intercomponent interactions in rotaxanes and how these interactions affect the major movements presented by this class of molecules. For this, different approaches to assess these interactions are discussed, both in solution and solid state.

Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul - FAPERGS This dissertation describes the synthesis of molecular the threads ((E)-1,4-bis(4-benzydrylpiperazin-1-yl)but-2-ene-1,4-dione, 1,4-bis(4-benzydrylpiperazin-1-yl)butan-1,4-dio ne, (E)-1,4-bis(dibutylamine)but-2ene-1,4-dione and 1,4-bis(dibutylamine)butan-1,4-dione) in order to obtain [2]rotaxanes molecules ([2]-[(E)-1,4-bis(4-benzydrylpiperazin-1-yl)but-2-en-1,4-dione]-rotaxa-[1,7,14,20-tetraaza-2,6,15,19-tetraoxo-3,5,9,12,16,18,22,25-tetrabenzocycl exacosane] and [2]-[1,4-bis(1,4-bis(4-benzydrylpiperazin-1-yl)butan-1,4-dione]-rotaxa-[1,7, 14,20-tetraaza-2,6,15,19-tetraoxo-3,5,9,12,16,18,22,25-te trabenzocycleexacosane]) having as common factor the presence of 1-benzhydrylpiperazine as stopper. In addition, it was proposed to synthesize a new class of [2]rotaxanes, containing an unprecedented tetralactam macrocycle, which contain a bicycle. The synthetic process goes through the synthesis of molecular threads, by means of an acyl nucleophilic substitution reaction, culminating in the formation of [2]rotaxane molecules, which were subjected to the clipping method in a multicomponent reaction. From the [2]rotaxanes obtained, there were yields between 7 – 22 %, however it was not possible to observe the formation of the [2]rotaxanes bearing bicycles in the macrocycle. The synthesized molecules were identified and characterized by 1H and 13C Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy, in one and two-dimensional experiments, mass spectrometry, infrared spectroscopy and, in some cases, single crystal X-ray diffraction (SCXRD). The molecular environment of some compounds was studied in solution, by NMR techniques and in solid state, through the data obtained from the SCXRD. It was possible to determine the rotational energy barrier of two [2]rotaxanes by 1H NMR experiments with temperature variation. Esta dissertação descreve a síntese dos eixos moleculares ((E)-1,4-bis(4-benzidrilpiperazin-1-il)but-2-eno-1,4-diona, 1,4-bis(4-benzidrilpiperazin-1-il)butan-1,4-diona, (E)-1,4-bis(dibutila mina)but-2-en-1,4-diona e 1,4-bis(dibutilamina)butan-1,4-diona) visando a obtenção dos [2]rotaxanos ([2]-[(E)-1,4-bis(4-benzidrilpiperazin-1-il)but-2-en-1,4-diona]-rotaxa-[1,7,14,20 -tetraaza-2,6,15,19-tetraoxo-3,5,9,12,16,18,22,25-tetrabenzocicloexacosano] e [2]-[1,4-bis(4-benzidrilpiperazin-1-il)butan-1,4-diona]-rotaxa-[1,7,14,20-tetraaza-2,6,15,19-tetraoxo3,5,9,12 ,16,18,22,25-tetrabenzocicloexacosano]), possuindo como fator comum a presença de 1-benzidrilpiperazina como stopper. Além disso, foi proposta a síntese de uma nova classe de [2]rotaxanos contendo um macrociclo de tetralactama inédito, o qual possui um biciclo. O processo sintético perpassa a síntese dos eixos moleculares, por meio de uma reação de substituição nucleofílica acílica, culminando na formação das moléculas de [2]rotaxanos, que foram obtidos pelo método de clipping, em uma reação multicomponente. Dos [2]rotaxanos obtidos, houve rendimentos entre 7 – 22 %, entretanto não foi possível observar a formação dos [2]rotaxanos contendo biciclos no macrociclo. As moléculas sintetizadas foram identificadas e caracterizadas por espectroscopia por Ressonância Magnética Nuclear (RMN) de 1H e 13C com experimentos uni e bidimensionais, espectrometria de massas, espectroscopia no infravermelho, e em alguns casos, difração de raios X (DRX) em monocristal. O ambiente molecular de alguns compostos foi estudado em solução, por meio de técnicas de RMN e no estado sólido, através dos dados obtidos na DRX em monocristal. Foi possível determinar a barreira energética rotacional para dois exemplares de [2]rotaxanos por meio de experimentos de RMN de 1H em temperaturas variáveis.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This work presents the study of intramolecular and intermolecular interactions in tetraalkylsuccinamide[2]rotaxanes. These compounds have two submolecular components interlocked being obtained through a supramolecular self-arrangement. The submolecular components are: a thread, equipped with succinamide stations (R1R2NC(O)CH2CH2C(O)NR1R2) and different stoppers (R1R2: Pr, Bu, i-Bu and CH2Cy/CH2Ph); and a macrocyclic component derived from tetralactam. The molecular environment study of these compounds was analyzed in the solid state by data obtained by X-ray diffraction and in the liquid state by variable temperatures NMR experiments. The solid state study was carried out through several tools including maps of molecular electrostatic potential, calculations of quantum mechanics and Quantum Theory of Atoms in Molecules. In the liquid state the [2]rotaxanes behave as Molecular Machines because of the ability of the macrocyclic component to rotate around the thread. For the pirouetting movement the intramolecular interactions is broking. The data of the intramolecular interactions in solid state were correlated with the kinetic data for the pirouetting process of the macrocycle around the thread. The partitioning of the intramolecular interactions energy through the analysis of the Quantum Theory of Atoms in Molecules allied to the DFT calculations made it possible to identify the energy contribution of each fragment of the thread in the intramolecular interactions and in the Molecular Machine movements. The analysis of the molecular environment has shown that the variation of the stoppers in the thread affects the rates for the pirouetting movement since it modifies the intramolecular interactions between thread and macrocycle. The electrostatic potential maps demonstrated the electrostatic complementarity between the two interlocked submolecular components. For the study of the supramolecular environment, the supramolecular cluster was determined through the appropriate methodology. All the dimers were analyzed by calculations of quantum mechanics and data of the Quantum Theory of Atoms in Molecules. The partitioning of the energies of the interactions (by the Quantum Theory of Atoms in Molecules together with the DFT calculations) made it possible to analyze which of the submolecular components influences more effectively the crystal packing of these compounds. Intermolecular interactions were hierarchized according to their energies and crystallization mechanisms were proposed. The proposed mechanism of crystallization for the study compounds shows the differences between the [2]rotaxanes with Z '> 1 (solvates and confomers). The structure of the individual macrocyclic component was used in this study to compare with [2]rotaxane evidencing the effect of the thread in the crystal packing and crystallization mechanism. In the proposed mechanism of crystallization all the consequence dimers were considered. As an alternative method the crystalline retrosynthesis was proposed for a study compound model based on the principle of the supramolecular cluster decomposition according to the energy required to "break" the crystal along one direction. The energies of intramolecular and intermolecular interactions were obtained using the ωB97X-D/cc-pVDZ method with BSSE to reduce the overlapping error of the base set. O presente trabalho apresenta o estudo das interações intra e intermoleculares em tetraalquilsuccinamida[2]rotaxanos. Esses compostos possuem dois componentes submoleculares interligados, obtidos através de um auto arranjo supramolecular. Os componentes submoleculares são: um eixo molecular, equipado com estações succinamida (R1R2NC(O)CH2CH2C(O)NR1R2) e diferentes grupamentos terminais volumosos (R1R2: Pr, Bu, i-Bu e CH2Cy/CH2Ph); e um componente macrocíclico derivado de tetralactama. O estudo do ambiente molecular desses compostos foi analisado no estado sólido através de dados obtidos por difração de raios X e no estado líquido através de experimentos de RMN a temperaturas variáveis. O estudo no estado sólido utilizou diversas ferramentas teóricas e experimentais, incluindo mapas de potencial eletrostático molecular, cálculos de mecânica quântica e Teoria Quântica dos Átomos em Moléculas. No estado líquido, os [2]rotaxanos se comportam como Máquinas Moleculares devido a capacidade do componente macrocíclico girar em torno do eixo molecular, através do rompimento das interações intramoleculares. Os dados das interações intramoleculares no estado sólido foram correlacionados com os dados cinéticos para o movimento de rotação do macrociclo em torno do eixo molecular. O particionamento da energia das interações intramoleculares, através da análise da Teoria Quântica dos Átomos em Moléculas aliada aos cálculos DFT, possibilitou identificar a contribuição energética de cada fragmento do eixo molecular nas interações intramoleculares e nos movimentos das Máquinas Moleculares. A análise do ambiente molecular demonstrou que a variação dos grupamentos terminais volumosos nos eixos moleculares afeta as taxas para o movimento de rotação do macrociclo, pois modifica as interações intramoleculares entre eixo molecular e macrociclo. Os mapas de potencial eletrostático demonstraram a complementaridade eletrostática entre os dois componentes submoleculares interligados. Para o estudo do ambiente supramolecular, foi determinado o cluster supramolecular através da metodologia apropriada, e todos os dímeros foram analisados por cálculos de mecânica quântica e dados da Teoria Quântica dos Átomos em Moléculas. O particionamento das energias das interações (pela Teoria Quântica dos Átomos em Moléculas aliado aos cálculos DFT) possibilitou analisar qual dos componentes submoleculares influencia de forma mais efetiva no empacotamento cristalino desses compostos. As interações intermoleculares foram hierarquizadas de acordo com a suas energias e foram propostos mecanismos de cristalização. O mecanismo de cristalização proposto para os compostos de estudo evidencia as diferenças entre as moléculas de [2]rotaxanos com Z' > 1 (solvatos e confôrmeros). A estrutura do componente macrocíclico individual foi utilizada nesse estudo para efeitos de comparação com as moléculas de [2]rotaxanos, evidenciando o efeito dos eixos moleculares no empacotamento cristalino e no mecanismo de cristalização. Na proposta de mecanismo de cristalização, foram considerados todos os dímeros de consequência. Como método alternativo, foi proposto o mecanismo de retrossíntese cristalina para um modelo de composto de estudo, baseando-se no princípio da decomposição do cluster supramolecular de acordo com a energia necessária para "romper" o cristal ao longo de uma direção. As energias de interações intrae intermoleculares foram obtidas utilizando o método ωB97X-D/cc-pVDZ com BSSE para reduzir o erro de sobreposição do conjunto de bases.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES This work presents the synthesis of three new threads and three new [2]rotaxanes models that have asymmetric stopprs, which allows rotamers to be obtained. The synthesis of the [2]rotaxanes was performed by clipping reaction, where yields were obtained between 22-58%. The rotamers formed were quantified in solution (by 1H NMR spectroscopy) and by theoretical calculations, with the Gibbs free energy was obteined by the optimization of the structures. What can be observed is that the existence of the macrocycle around the thread causes changes in the ratio of rotamers. These changes can be explained by the different intramolecular interactions in the mechanically interlocked molecular. Topological and energetic approach provides information on the contact surface area, interactions energy and paths of interaction intramolecular and intermolecular. Experiments to obtain rotational barrier energy in [2]rotaxanes were carried showing different values for each rotamer of [2]rotaxanes studied. The conformational population and the pirouetting barrier of [2]rotaxanes were correlated with the intramolecular interaction paths, showing that for the [2]rotaxanes synthesized in this work the CH···π type interactions contribute significantly to the estabilization energy and pirouetting barrier. Furthermore, crystallization mechanisms were proposed for the threads and [2]rotaxanes of this work. Este trabalho apresenta a síntese de três novos eixos moleculares e três novos [2]rotaxanos, os quais possuem grupos volumosos assimétricos, o que permite a obtenção de rotâmeros. A síntese dos [2]rotaxanos foi realizada através da reação de clipping, onde se obteveram rendimentos entre 22-58%. Os rotâmeros formados foram quantificados em solução, através da espectroscopia de RMN de 1H, e por cálculos teóricos, com a obtenção da energia livre de Gibbs pela otimização das estruturas. O que pode ser observado, é que a existência do macrociclo em torno do eixo molecular causa mudanças na proporção dos rotâmeros. Estas mudanças podem ser explicadas pelas diferentes interações intramoleculares existentes na molécula entrelaçada. Estudos topológicos e energéticos forneceram informações sobre a área de contato, energia das interações e caminhos de interação intramoleculares e intermoleculares. Experimentos de obtenção da energia de barreira rotacional nos [2]rotaxanos foram realizados, exibindo valores distintos para cada rotâmero de [2]rotaxanos estudados. Os valores de população conformacional e barreira rotacional dos [2]rotaxanos foram correlacionados com os caminhos de interação intramoleculares, mostrando que, para os [2]rotaxanos sintetizados neste trabalho, as interações do tipo CH···π contribuem significativamente para o aumeto da energia de estabilização e a barreira rotacional. Ainda, mecanismos de cristalização foram propostos para os eixos moleculares e [2]rotaxanos deste trabalho.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico This work presents the synthesis of three series of trifluoromethylated heterocycles by using ultrasound irradiation, nomely pyrazolo[1,5-a]pyrimidines, 2,4- difluorophenylpyrazoles and pentafluorophenylpyrazoles. The reactions were performed between trifluoromethylated enones ([CF3C(O)CH=C(R)(OMe], where R = Me, Bu, i-Bu, Ph, 4-MeC6H4, 4-FC6H4, 4-ClC6H4, 4-BrC6H4, 4-IC6H4, thien-2-yl, naphthyl and biphenyl) with three different nucleophiles, nomely (3)(5)-amine-(5)(3)- methylpyrazole, 2,4-difluorophenylhydrazine hydrochloride and pentafluorophenylhydrazine. The trifluoromethylated pyrazolo[1,5-a]pyrimidines were obtained within 5 minutes, giving yields of 61-98 %. The series of 2,4- difluorophenylpyrazoles was obtained in good yields (54-85 %) within 15 minutes by acidifying the reaction medium with PTSA. In the case of the pentafluorophenylpyrazoles, two steps were needed: Firtly the respective 4,5- dihydropentafluorophenylpyrazoles were synthesised and then subsequently submitted to dehydration reactions using PTSA for 15 minutes, giving yields of 54-81 %. The synthesized compounds were identified by 1H and 13C, and by 19F NMR spectroscopy in the some case, mass spectrometry and X-ray diffraction. In some cases homo/heteronuclear spatial interactions involving fluorine atoms have been useful for confirming the identity of the obtained isomer. Another part of this tesis was the synthesis of four mechanically interlocked molecules. Two [2]rotaxanes carrying an ester group in the macrocycle unity were synthesized by using two threads (fumaramide and succinamide derivatives). Once synthesized these [2]rotaxanes were submmited to hydrolysis reactions to give [2]rotaxanes with acid carboxilic group. These macromolecules were synthesized aiming at the formation of MOFs (metal organic frameworks). The synthesis of this compound was carried out by using copper (II) and [2]rotaxane derivative fumaramide. This product was identified by X-ray diffractometry. Este trabalho apresenta a síntese de três séries de heterociclos trifluorometilados, utilizando irradiação de ultrassom (pirazolo[1,5-a]pirimidinas, 2,4-difluorofenilpirazóis e pentafluorofenilpirazóis). As reações foram realizadas entre enonas trifluorometiladas ([CF3C(O)CH=C(R)(OMe], onde R = Me, Bu, i-Bu, Ph, 4-Me-C6H4, 4-F-C6H4, 4-Cl-C6H4, 4-Br-C6H4, 4-I-C6H4, tien-2-il, bifen-2-il e naftil) e três dinucleófilos diferentes 3-amino-5-metilpirazol, cloridrato de 2,4-difluorofenilhidrazina e pentafluorofenilhidrazina. As pirazolo[1,5-a]pirimidinas trifluorometiladas foram obtidas em 5 minutos de reação com rendimentos de 61-98 %. A série de 2,4- difluorofenilpirazóis foi obtida, acidificando-se o meio de reação com APTS em 15 minutos de reação, e obtendo-se bons rendimentos (54-85 %) no processo. No caso dos pentafluorofenilpirazóis, foram necessárias duas etapas de reação: a primeira a síntese de 4,5-di-idropentafluorofenilpirazóis, e seguida de posterior reação de desidratação utilizando APTS em 15 minutos de reação, obtendo-se produtos com rendimentos de 54-81 %. Após a síntese desses compostos, os mesmos foram identificados por técnicas de RMN de 1H e 13C e de 19F, em alguns casos, espectrometria de massas e difratometria de raios-X. Em alguns casos, através de RMN, foi possível observar interações espaciais do tipo homo/heteronuclear envolvendo átomos de flúor, úteis na confirmação do isômero obtido. Em outra etapa deste trabalho foi desenvolvida a síntese de quatro moléculas mecanicamente entrelaçadas. Foram sintetizados dois [2]rotaxanos com grupamento éster no macrociclo, utilizando dois filamentos lineares (derivados da fumaramida de succinamida). Após a síntese desses [2]rotaxanos, foi realizada a reação de hidrólise dos grupamentos ésteres do macrociclo em grupamento ácidos. Essas macromoléculas foram sintetizadas visando à formação dos MOFs (Redes de metais orgânicas). A síntese desse composto foi realizada utilizando cobre (II) e o [2]rotaxano derivado da fumaramida. Esse produto foi identificado através de difratometria de Raios-X.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior This work presents the synthesis of five new planned [2]rotaxanes whith thread derivates succinamide [R1R2NC(O)CH2CH2C(O)NR1R2, where R1 = R2 = Pr, i-Pr, Bu, i-Bu e R1 = CH2Cy e R2 = CH2Ph]. The compounds were obtained by a five-component clipping reaction. Several studies have been conducted with these compounds such as: deslipping reactions, structural analysis, molecular dynamics by using solution 1H NMR spectroscopy and intra and intermolecular interactions using Hirshfeld surface. From these results, it was observed that the deslipping reaction was highly effective when microwave irradiation was employed and the reaction has shown to be an efficient model for the synthesis of macrocycles. Moreover, it was possible to calculate the rotational energy barrier of the macrocycle around the thread of [2]rotaxanes. In addition, when the Hirshfeld surface was used, it was possible to demonstrate all of the non-covalent interactions between the submolecular components as well as the intermolecular interactions of [2]rotaxane. Este trabalho apresenta a síntese planejada de cinco novos [2]rotaxanos com filamentos lineares derivados da succinamida [R1R2NC(O)CH2CH2C(O)NR1R2, onde R1 = R2 = Pr, i-Pr, Bu, i-Bu e R1 = CH2Cy e R2 = CH2Ph]. A síntese dos compostos foi realizada através de uma reação cinco componentes utilizando o método clipping. Diversos estudos foram realizados com esses compostos, como: dissociação dos subcomponentes moleculares (deslipping), estruturais, de dinâmica molecular utilizando RMN de 1H em solução e das interações inter/intramolecular utilizando superfície de Hirshfeld. Através dos resultados foi possível verificar que a reação de deslipping foi altamente eficiente quando utilizado irradiação de micro-ondas, sendo um ótimo modelo para a síntese de macrociclos. Além disso, foi possível calcular a energia da barreira rotacional do macrociclo ao redor do filamento linear para os [2]rotaxanos em questão. Com a utilização da superfície de Hirshfeld foi possível demonstrar todas as interações intra e intermoleculares para os [2]rotaxanos.

Neste trabalho foi realizado o estudo de síntese de álcoois secundários quirais utilizando nucleófilos organozinco e carboidratos como matérias primas (Esquema 1). Primeiramente foram estudadas reações de adição diastereosseletiva de reagentes alquinilzinco aos aldeídos derivados da Dribose e D-glicose, como substratos quirais. Porém, o produto desejado foi obtido com baixa seletividade [51 % rend., (2,4:1) r.d. (S:R)]. Os mesmos experimentos conduzidos na presença de ZnCl2, forneceram rendimentos mais elevados e uma diastereosseletividade moderada [62% rend., 3,3:1 r.d. (S:R)]. O comportamento da reação também foi avaliado na presença de ligantes quirais, mas este método conduziu aos produtos desejados apenas em baixos rendimentos e seletividade, devido a decomposição dos substratos, evidenciando a instabilidade dos aldeídos de partida. Além disso, estudou-se a possibilidade da adição de grupamento etila a partir de dietilzinco e alguns ligantes, além da arilação de duas novas estruturas de aldeídos derivados de carboidratos a partir de reagentes mistos arilzinco. Os produtos de arilação foram obtidos em bons rendimentos e elevada seletividade [r.d. >20:1 (S:R)]. Também foi estudada uma metodologia para a síntese de moléculas de rotaxanos a partir da reação de adição diastereosseletiva de reagentes organozinco a aldeídos aromáticos e derivados de carboidratos, na presença de um macrociclo (Esquema 2). Porém, a transferência do grupamento arila não ocorreu através do anel macrocíclico e assim, não foi possível a obtenção do produto desejado. Dessa maneira, foi sintetizada uma nova estrutura de rotaxano a partir de uma metodologia clássica de Template ativo (AT-CuAAC), envolvendo uma reação do tipo click entre uma azida aromática e um alcino derivado do aminoácido L-prolina, catalisada por Cu (I) (Esquema 3). A instabilidade da estrutura exigiu algumas modificações estruturais do alcino terminal, porém este material de partida não forneceu o produto desejado. In this study, the synthesis of chiral secondary alcohols using organozinc nucleofiles and sugars as raw materials (Scheme 1). Initially, a methodology from diastereosselective adition reactions of alkynylzinc reagents to D-ribose and D-glucose derivative sugars, using its structures of synthesized aldehydes as chiral substrates to drive the selectivity of the new stereogenic center formation was studied. But, the desired product with high selectivity [51 % yield (2,4:1) d.r. (S:R)], was not obteined. Therefore, new experiments were tested in the presence of ZnCl2 provides increased yields and moderate diastereoselectivity [62% yield, 3,3:1 d.r. (S:R)]. The reaction behavior was also been evaluated in the presence of chiral ligands, but this method led to the desired product just in low yield and diastereoselectivity wich was a result of the aldehydes decomposition and showing the fragility of these starting materials. Also, the possibility of adding ethyl group from diethylzinc and some binders was studied, and two new structures of aldehydes derived from sugars and arylzinc reagents was obtained. The arylation products were obtained in good yields and high selectivity [d.r. >20:1 (S:R)]. Was also studied a method for the synthesis of Rotaxanes from the diastereoselective addition reaction of organozinc reagents to aryl and sugar aldehydes in presence of a macrocycle (Scheme 2). However, the transfer of aryl group through the macrocyclic ring was not observed, therefare the product was not obtained. Thus, the conventional method named Active Template (AT-CuAAC), was used for the synthesis of a new rotaxane, involving a click reaction between an aryl azide and an alkyne amino acid derivative, catalyzed by Cu (I) (Scheme 3). The instability of the structure demanded a structural change of the starting alkyne, however this new substrate did not lead to the formation of the product.

Doutoramento em Química A aplicação de simulações de mecânica e dinâmica molecular ao estudo de sistemas supramoleculares tem adquirido, ao longo dos últimos anos, enorme relevância. A sua utilização não só tem levado a uma melhor compreensão dos mecanismos de formação desses mesmos sistemas, como também tem fornecido um meio para o desenvolvimento de novas arquitecturas supramoleculares. Nesta tese são descritos os trabalhos de mecânica e dinâmica molecular desenvolvidos no âmbito do estudo de associações supramoleculares entre aniões e receptores sintéticos do tipo [2]catenano, [2]rotaxano e pseudorotaxano. São ainda estudados complexos supramoleculares envolvendo receptores heteroditópicos do tipo calix[4]diquinona e pares iónicos formados por aniões halogeneto e catiões alcalinos e amónio. Os estudos aqui apresentados assentam essencialmente em duas vertentes: no estudo das propriedades dinâmicas em solução dos vários complexos supramoleculares considerados e no cálculo das energias livres de Gibbs de associação relativas dos vários iões aos receptores sintéticos. As metodologias utilizadas passaram por dinâmica molecular convencional e REMD (Replica Exchange Molecular Dynamics), para o estudo das propriedades em solução, e por cálculos de integração termodinâmica e MMPBSA (Molecular Mechanics – Poisson Boltzmann Surface Area), para a computação das energias livres de associação relativas. Os resultados obtidos, além de terem permitido uma visão mais detalhada dos mecanismos envolvidos no reconhecimento e associação dos vários receptores aos aniões e pares iónicos abordados, encontram-se, globalmente, de acordo com os análogos determinados experimentalmente, validando assim as metodologias empregadas. Em jeito de conclusão, investigou-se ainda a capacidade de um dos receptores heteroditópicos estudados para assistir favoravelmente na migração do par iónico KCl através da interface água-clorofórmio. Para tal, foram utilizadas simulações SMD (Steered Molecular Dynamics) para a computação do perfil de energia livre de Gibbs associada à migração do par iónico através da interface. The use of molecular mechanics and molecular dynamics simulations in the study of supramolecular systems has gained enormous relevance in the recent years. Its use not only has lead to a better understanding of the formation mechanisms of those systems, as has supplied a mean to the development of new supramolecular architectures. In this thesis are reported the molecular mechanics and molecular dynamics studies undertaken in the course of the investigations related with the supramolecular associations between several anions and synthetic receptors such as [2]catenanes, [2]rotaxanes and pseudorotaxanes. In addition, supramolecular complexes involving heteroditopic receptors, derived from calix[4]diquinone moieties, and ion-pairs formed by halide anions and ammonium and alkali cations are also studied. The studies hereby reported are essentially based on two approaches: on the study of the dynamical properties of the considered supramolecular complexes in solution and on the computation of the Gibbs relative association free energies of the several ions to the synthetic receptors. The methodologies employed encompass conventional molecular dynamics and REMD (Replica Exchange Molecular Dynamics) simulations, for the study of solution properties, and thermodynamic integration and MM-PBSA (Molecular Mechanics – Poisson Boltzmann Surface Area) calculations, for the computation of the relative association free energies. The obtained results, apart from allowing for an insightful understanding of the mechanisms involved in the recognition and association processes of the receptors to the anions and ion-pairs under study, are found, globally, to be in close agreement with experimentally determined counterparts, thus validating the employed methodologies. Finally, the capability of one of the studied heteroditopic receptors to favourably assist the migration of the KCl ion-pair through a water-chloroform interface was also evaluated. For that purpose, SMD (Steered Molecular Dynamics) simulations were employed for the computation of the Gibbs free energy profile associated with the migration of the ion-pair through the interface.