Harnessing Cavitand Chemistry: Polymers, Receptors and Self-Assembly on Silicon

Abstract

La chimica supramolecolare, sfruttando da un lato una vasta gamma di componenti molecolari e dall’altro una serie di interazioni secondarie mediante le quali legare tali componenti, costituisce un potente strumento per la realizzazione di materiali funzionali. La sapiente manipolazione delle interazioni non covalenti, consente di creare sistemi supramolecolari complessi, confacenti alle proprietà desiderate. Il presente lavoro di tesi si colloca in tale contesto nell’ambito di tre linee principali di ricerca: 1) la preparazione e caratterizzazione di sistemi polimerici supramolecolari, basati su interazioni non covalenti singole, di tipo host-guest, o sulla combinazione di due interazioni secondarie distinte, quali legami a idrogeno e forze di π-π stacking; 2) la sintesi e lo studio delle proprietà di legame di recettori, quali cavitandi a base resorcinarenica o macrocicli a base calixpirrolica, volta alla realizzazione di accettori per coppie ioniche; 3) lo sviluppo di una nuova metodologia per il self-assembly gerarchico di strutture supramolecolari reversibili su strato di silicio. Le tematiche sopra esposte sono state sviluppate approfondendo la chimica dei cavitandi. L’uso combinato di diverse tecniche complementari, sia in soluzione che allo stato solido, ha permesso la caratterizzazione accurata dei sistemi realizzati, sia a livello molecolare che di materiale.

Supramolecular chemistry is a powerful tool to generate functional materials, thanks to the large variety of molecular components and interaction codes available. Moreover, the mastering of weak interactions offers the possibility to design complex supramolecular systems according to the envisioned properties. The present thesis takes its place in this context, and it deals with three main topics: 1) the realization and characterization of supramolecular polymeric networks, by exploiting host-guest complexation or simultaneous hydrogen-bonding and solvophobic interactions; 2) the design, synthesis and binding ability investigation of ion-pair receptors, based on resorcinarene and calix[4]pyrrole scaffolds; 3) the development of a new hierarchical self-assembly protocol to form complex architectures on silicon wafers. All the topics have been developed moving in the frame of cavitand chemistry. The combined use of several complementary techniques, both in solution and in the solid state, allowed the thorough characterization of the realized systems, both at the molecular and material level.