Supramolecular sensing at the solid-liquid interface with phosphonate cavitands

Abstract

The base of supramolecular chemistry rests on molecular recognition, that is the selective recognition of substrate molecules (guest) by synthetic receptors (host). The present thesis deals with the selective recognition properties of tetraphosphonate cavitands towards N-methylpyridinium and N-alkylammonium salts. In the first part of the thesis an extensive study of the thermodynamics of the complexation properties of tetraphosphonate cavitands towards N-methylpyridinium salts in solution via Isothermal Titration Calorimetry (ITC) is reported. The information obtained by the ITC in the recognition process of the receptor towards N-methylpyridinium salts were then exploited for the design of a new type of non-covalently linked-cavitand-stopped rotaxane. In the second part of the work, the complexation properties of cavitands were assessed towards N-alkylammonium salts at the solid-liquid interface via microcantilevers reaching an unprecedented real-time label-free selectivity. ITC was used as an independent tool for confirmation and rationalization of the results obtained with microcantilevers-based sensor. This approach has been then benchmarked by differentiating biological important molecules like sarcosine and glycine in water, reaching unique performances. The results obtained for the N-alkylammonium salts series opened the route to use microcantilevers for the online monitoring and the label-free sensing of biologically active ammonium-based molecules like drugs. The first experiments performed to test the recognition properties of tetraphosphonate cavitands towards drugs at the solid-liquid interface are described.

La base della chimica supramolecolare risiede nel riconoscimento molecolare, cioè nel selettivo riconoscimento delle molecola di substrato (guest) da parte del recettore sintetico (host). La presente tesi si occupa delle selettive proprietà di riconoscimento dei cavitandi tetrafosfonati verso i sali di N-metilpiridinio e di N-alchilammonio. Nella prima parte della tesi è riportato uno studio estensivo relativo alla termodinamica delle proprietà complessanti dei cavitandi tetrafosfonati verso i sali di N-metilpiridinio tramite Titolazione Calorimetrica Isoterma (ITC). Le informazioni ottenute tramite ITC riguardanti il processo di riconoscimento del recettore con i sali di N-metilpiridinio sono state successivamente sfruttate per il design di una nuova tipologia di rotaxano, utilizzando i cavitandi come stopper non covalentemente legati all'asse. Nella seconda parte del lavoro sono state studiate le proprietà complessanti dei cavitandi nei confronti dei sali di N-alchilammonio all'interfaccia solido-liquido via microcantilever, raggiungendo una selettività label-free in tempo reale senza precedenti. La calorimetria, in questo caso, è stata usata come strumento indipendente per la conferma e la razionalizzazione dei risultati ottenuti tramite microcantilever. Questo approccio è stato poi testato differenziando molecole biologiche chiave come sarcosina e glicina in acqua, raggiungendo performance uniche. I risultati ottenuti per la serie di sali di N-alchilammonio ha aperto la strada per l'utilizzo dei microcantilever nel monitoraggio on-line e nel sensing label-free di molecole contenenti il gruppo amminico biologicamente attive come le droghe. Nell'ultima parte del lavoro vengono descritti gli esperimenti preliminari eseguiti per testare le proprietà di riconoscimento dei cavitandi tetrafosfonati verso le droghe all'interfaccia solido-liquido.