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2013/2014 Artificial molecular structures forming stable pores in biological membranes may have important applications in the biomedical field and in the field of biotechnology, in particular as sensors. These structures have to meet specific characteristics of size, shape and solubility. In particular, they have to enter the membrane engaging hydrophobic interactions with the phospholipid bilayer and, at the same time, forming a polar conduit for the transport of the ions across the membrane. A molecular structure which meets these features is an amphipathic, rigid and tube-shaped one and, mostly important, long enough to span the entire membrane. The final goal of this thesis work is the design and preparation of structures that would reflect these characteristics obtained by the metal-mediated self-assembly of pyridylporphyrins. In particular to obtain structures long enough to span the membrane the focus was on the design of pyridylporphyrins equipped with complementary hydrogen bonding donor/acceptor moieties and of a polar subunit to increase membrane compatibility. Using transition metal complexes with an adequate geometry these “molecular panels” should self-assemble in metallasquares which, upon hydrogen-bonding driven dimerization in membrane, should form tubular empty structures long enough to span the phospholipid bilayer forming large pores. In the first part of the Thesis work, a versatile and straightforward synthetic strategy for the preparation of a library of amphiphilic trans-A2B2 and trans-A2BC dipyridylporphyrins directly from 5-(4-pyridyl)dipyrromethane has been developed and optimized. The major part of the porphyrins synthesized in this way are new compounds.The library members have been functionalized through different metal catalysed coupling reactions, showing their great potential and versatility towards the different employment which could be addressed, to obtain amphiphilic and dimeric derivatives, in some cases with very good and satisfying yields. The derivatization reactions have been performed on the free base porphyrins and, therefore, it has been necessary to carefully optimize the conditions of the metal catalysed reactions in order to avoid the insertion of the catalyst, or of the co-catalyst, in the porphyrin macrocycle. The functionalities that have been inserted into the dipyridylporphyrins scaffold are hydrogen-bonding complementary donor/acceptor moieties, like uracil and diacylaminopyridine, and an amphiphilic polyether chains. Starting from the porphyrin library and exploiting metal catalysed coupling reaction also three dipyridylporphyrins dimers have been prepared. The target amphiphilic dipyridylporphyrins have been principally utilized in self-assembly reactions exploiting the pyridyl groups present, in particular through the coordination-driven self-assembly approach, with cis-coordinating metal complexes like Re(CO)5Br and trans,cis,cis-[RuCl2(CO)2(DMSO-O)2], leading to the formation of molecular squares together with other kind of metallacyclic species. At the best of our knowledge, this is the first time that the Ru(II) complex have been employed for the self-assembly with trans-dipyridylporphyrins. The porphyrins, the dimers and supramolecules synthesized have been mainly characterized by mean of NMR spectroscopy, in particular through 1H, 13C, 1H-1H COSY, 1H-13C HSQC, 1H-DOSY. The latter technique, being more and more important and utilized in supramolecular chemistry either in the characterization either in the sample purity proof of the compounds, has been in fact thoroughly utilized both to confirm the dimensions in solution of all the molecules synthesized and to give an evidence of their purity. This last feature has been one of the more challenging to face because the sample purity was not so evident just analysing the 1H-NMR spectra due to the possible presence of isomers and conformers. In absence of X-ray spectroscopic and MS spectrometric data, PFG-NMR has been a powerful, helpful and straightforward way to rationalize the high complexity of the resonating signals pattern in these spectra and to confirm the higher molecular dimensions reached as relative to the parent porphyrins. Confirmation of the pyridyl-metal bond formation with the right configuration has come also from IR, UV-Vis and fluorescence emission spectra acquired both for the porphyrins and for the supramolecular metallacycles. Putting together all the data and although in some cases we were not able to unambiguously define the nuclearity of the metallacycle, the supramolecules synthesised have all cyclic and symmetric structure and retain the symmetry of their parent porphyrins.The most representative porphyrins, together with the supramolecular metallacycles have been then tested as transmembrane ion channels utilizing liposomes as model of biological membranes. Preliminary studies on the H+ transport assays have been reported. Le strutture molecolari artificiali capaci di formare nanopori stabili all’interno di una membrane biologica sono sempre più di ampio interesse, grazie alla possibilità di essere impiegate in campo biomedico e biotecnologico, soprattutto come sensori. Per poter formare nanopori questi sistemi devono soddisfare dei requisiti minimi in termini di forma, dimensioni e solubilità. Essi devono essere in grado di inserirsi facilmente in membrana tramite interazioni idrofobiche e al contempo formare condotti polari che consentano il passaggio degli ioni; quindi una struttura che presenti tali caratteristiche dovrà essere anfifilica, avere una forma allungata, essere abbastanza rigida e, soprattutto, essere sufficientemente lunga da attraversare completamente la membrana. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di realizzare sistemi che soddisfino queste esigenze sfruttando il metal-mediated self-assembly di piridilporfirine su centri metallici. In particolare, per ottenere strutture sufficientemente lunghe da attraversare completamente il doppio strato fosfolipidico, si è focalizzata l’attenzione sulla realizzazione di piridilporfirine equipaggiate con gruppi accettori e donatori di legami ad idrogeno e con un catena anfifilica che ne aumenti la compatibilità con la membrana. Utilizzando complessi di metalli di transizione con una geometria adeguata questi “pannelli molecolari” dovrebbero assemblarsi a dare metallacicli di forma approssimativamente cubica in grado di dimerizzare in membrana, grazie alla formazione di legami ad idrogeno, formando così strutture tubulari cave sufficientemente lunghe da attraversare completamente la membrana. Nella prima parte della Tesi è stata messa a punto ed ottimizzata una strategia sintetica per ottenere una libreria di derivati anfifilici di trans-A2B2 e trans-A2BC dipiridilporfirine direttamente a partire dal 5-(4-piridil)dipirrometano. La maggior parte delle porfirine sintetizzate in questo modo sono composti nuovi. I membri della libreria sono stati quindi funzionalizzati attraverso reazioni di coupling metallo-catalizzate per ottenere sia derivati anfifilici che dimerici, dimostrando così il loro potenziale e la loro versatilità verso l’utilizzo per diverse applicazioni. Le reazioni di funzionalizzazione sono state condotte sulle porfirine free-base ed è stato dunque necessario ottimizzare accuratamente le condizioni delle reazioni metallo-catalizzate in modo tale da evitare che il catalizzatore, o l’eventuale co-catalizzatore, si potesse inserire nel macrociclo porfirinico. Le funzionalità che sono state inserite nelle dipiridilporfirine sono molecole con gruppi donatori/accettori di legame idrogeno tra di loro complementari , in particolare, derivati dell’uracile e della diacilamminopiridina, e residui anfifilici come catene polieteree. Partendo dalla libreria di porfirine sono anche stati sintetizzati dei dimeri di dipiridilporfirine. Le dipiridilporfirine target sono state principalmente utilizzate in reazioni di auto-assemblaggio sfruttando i gruppi piridinici presenti, in particolare attraverso il metodo coordination-driven self-assembly con complessi metallici cis-coordinanti come Re(CO)5Br e trans,cis,cis-[RuCl2(CO)2(DMSO-O)2], ottenendo la formazione di quadrati molecolari insieme con altre specie metallacicliche. Al meglio delle nostre conoscenze, il complesso di Ru(II) è stato utilizzato per la prima volta per l’auto-assemblaggio con trans-dipiridilporfirine. Le porfirine, i dimeri e gli addotti supramolecolari ottenuti sono stati caratterizzati principalmente tramite spettroscopia NMR, in particolare attraverso 1H, 13C, 1H-1H COSY, 1H-13C HSQC, 1H-DOSY. Quest’ultima tecnica, essendo divenuta sempre più importante in chimica supramolecolare sia per la caratterizzazione sia per provare la purezza dei composti, è stata utilizzata a fondo per confermare le dimensioni in soluzione delle molecole sintetizzate e per avere una prova della purezza dei campioni. Quest’ultimo aspetto è stato uno dei più difficili da affrontare perché non era certo evidente analizzando i soli spettri 1H-NMR acquisiti per la possibile presenza di isomeri e confomeri. In assenza di dati spettroscopici a raggi X e di spettrometria di massa, la tecnica PFG-NMR è stata uno strumento potente, utile e diretto per razionalizzare l’elevata complessità del pattern dei segnali osservato in questi spettri e per confermare le più elevate dimensioni raggiunte da queste molecole relativamente alle porfirine di partenza. Conferma dell’avvenuta formazione dei legami metallo-piridina con la giusta configurazione è venuta anche dai dati spettroscopici IR, UV-Vis e di emissione di fluorescenza, acquisiti per le porfirine così come per i metallacicli supramolecolari. Anche se non è stato possibile in alcuni casi assegnare in maniera non ambigua la nuclearità di queste supramolecole, poiché la geometria molecolare sia di specie a nuclearità [3+3] che [4+4] può essere approssimata dalla medesima sfera, le supramolecole sintetizzate sono specie cicliche e simmetriche e preservano la simmetria molecolare delle specie di partenza.Le porfirine più rappresentative e gli addotti metallaciclici sono stati testati per la loro capacità di formare canali ionici transmembrana utilizzando liposomi come modelli delle membrane biologiche. Gli studi preliminari sull’attività di trasporto di ioni H+ sono riportati nella Tesi. XXVII Ciclo 1982

Preparation and characterization of a small library of symmetric trans-di(4-pyridyl)porphyrin dimers, obtained by either Glaser–Hay or Sonogashira coupling reactions from appropriately prepared trans-di-4-pyridylporphyrin precursors, is presented. The porphyrin dimers are differentiated by a phenyl-alkynyl bridge of increasing length at one meso-position, while for all the derivatives the two remaining opposite meso-positions are tailored with a phenyl moiety bearing a short polyether chain. Coordination of the four pyridyl groups with appropriate metal fragments may be exploited to construct tubular hollow structures, with varied internal sizes, depending on the choice of the porphyrin dimer component.

A small library of sugar-modified guanosine derivatives has been prepared, starting from a common intermediate, fully protected on the nucleobase. Insertion of myristoyl chains and of diverse hydrophilic groups, such as an oligoethylene glycol, an amino acid or a disaccharide chain, connected through in vivo reversible ester linkages, or of a charged functional group provided different examples of amphiphilic guanosine analogues, named G1-G7 herein. All of the sugar-modified derivatives were positive in the potassium picrate test, showing an ability to form G-tetrads. CD spectra demonstrated that, as dilute solutions in CHCl(3), distinctive G-quadruplex systems may be formed, with spatial organisations dependent upon the structural modifications. Two compounds, G1 and G2, proved to be good low-molecular-weight organogelators in polar organic solvents, such as methanol, ethanol and acetonitrile. Ion transportation experiments through phospholipid bilayers were carried out to evaluate their ability to mediate H(+) transportation, with G5 showing the highest activity within the investigated series. Moreover, G3 and G5 exhibited a significant cytotoxic profile against human MCF-7 cancer cells in in vitro bioassays.

The preparation and the full characterization, including the X-ray structure determination, of a polar trans -dipyridylporphyrin functionalized with two short polyoxyethylene chains is reported. Reaction of the porphyrin with a Re(I) complex yielded a 4+4 metallacycle showing an improved solubility and a lower tendency to aggregate with respect to analogous porphyrin cyclic derivatives. These properties allowed a full NMR characterization of the metallacycle including VT 1 H DOSY-NMR experiments and, for the first time, the recording of a 13 C-NMR spectrum giving further insight into the structural definition of these type of metallacycles. Spray deposition of the metallacycle on a heated mica substrate shows the formation of regular ring-like nano-structures which are not formed by the parent porphyrin.

The [Pd(dppp)(OTf)2] complex acts as an efficient transporter of halide anions, in particular the biologically relevant chloride anion, across a phospholipid bilayer.

Over the last two decades the metal-mediated directional-bonding has established as an efficient tool for the construction of complex and functional supramolecular architectures. The success of this approach has strongly benefited from design principles based on the known and fixed ligand and metal coordination geometry, thus ensuring a high level of control on the topology and energetics of the supramolecular adducts. Among them, self-assembled pyridylporphyrin metallacycles have attracted considerable attention due to their symmetric structure, to their peculiar optical and redox properties, to their large inner cavity, that can be easily addressed by axial ligation to metal ions inserted in the porphyrin ring. This review is focused on this particular subset of metal–organic architectures and in particular on discrete metallacyclic system with a 4 + 4 and 2 + 2 metal/ligand stoichiometry formed by coordination of 4-pyridylporphyrins with different metal ions (Pd(II), Pt(II), Ru(II), Re(I)). Their synthesis, characterization and applications in the field of catalysis, molecular recognition, sensing and ionophoric behavior will be reviewed with the aim to stimulate further interest on these versatile supramolecular systems.