text size

Synthesis of cyclodextrin derivatives for practical applications

Notice: I hereby declare that I am aware that the information acquired from theses published by Charles University may not be used for commercial purposes or may not be published for educational, scientific or other creative activities as activities of person other than the author.
Title:
Synthesis of cyclodextrin derivatives for practical applications
Title (in czech):
Syntéza cyklodextrinových derivátů pro praktické aplikace
Type:
Dissertation
Author:
Mgr. Martin Popr
Supervisor:
doc. RNDr. Jindřich Jindřich, CSc.
Opponents:
Mgr. Tomáš Kraus, Ph.D.
doc. Ing. Vladimír Šindelář, Ph.D.
Thesis Id:
92886
Faculty:
Faculty of Science (PřF)
Department:
Department of Organic Chemistry (31-270)
Study programm:
Organic Chemistry (P1402)
Study branch:
-
Degree granted:
Ph.D.
Defence date:
30/01/2017
Defence result:
Pass
Language:
English
Keywords (in czech):
Cyklodextriny, Tetraalkylamoniové deriváty, Kationické látky, Monosubstituce, Regioselektivita, Host-guest komplexace, Termální stabilita, Pevný povrch, Inkluzní komplexy
Keywords:
Cyclodextrins, Tetraalkylammonium derivatives, Cationic, Monosubstitution, Regioselectivity, Host-guest complex, Thermal stability, Solid surface, Inclusion properties
Abstract (in czech):
Syntéza cyklodextrinových derivátů pro praktické aplikace Abstrakt První část této disertační práce je zaměřena na syntézu série monosubstituovaných tetraalkylamoniových derivátů cyklodextrinů (CD). Důraz byl kladen především na možné rozšíření syntetického procesu na přípravu látek v multigramovém, případně i průmyslovém měřítku. Základní výchozí látky byly připraveny monotosylací přírodních cyklodextrinů (α-, ϐ- ,-) na primárním okraji makrocyklu. Deriváty nesoucí substituent s jednou kationickou skupinou byly připraveny reakcí s vodným roztokem trimethylaminu. Reakce mono-Ts-CD s N,N,N‘- trimethylethan-1,2-diaminem nebo N,N,N‘-trimethylpropan-1,3-diaminem následovaná methylací vedla k derivátům se substituentem nesoucím dvě kationické skupiny (PEMEDA- a PEMPDA-β- CD). Analoga se substituentem opatřeným třemi tetraalkylamoniovými funkčními skupinami byly syntetizovány pomocí reakce mono-Ts-CD s bis(3-aminopropyl)aminem následovanou kvarternizací methyljodidem. 1,3-Dipolární cykloadice mono-6-azido-ϐ-CD s diaminoacetyleny, následovaná methylací poskytla deriváty s variabilní vzdáleností permanentně nabitého substituentu od makrocyklu CD. Většina reakcí vykazovala relativně vysoké výtěžky produktů, bez nutnosti použití chromatografických separačních postupů, k jejich přečištění. Druhá část práce se zabývá určováním vlastností vybraných připravených látek. Nejprve byla studována teplotní stabilita dvou vybraných analogů (PEMEDA-β-CD a PEMPDA-β-CD), které se liší délkou linkeru spojujícího nabité atomy dusíku v substituentu. Měření kinetiky Hofmannovy eliminace ukázalo, že PEMPDA-β-CD, mající propylenový linker, je stabilnější než PEMEDA-β-CD s ethylenovým linkerem, a proto byla vybrána jako vhodná hostitelská molekula pro další experimenty. Komplexační vlastnosti nabitého derivátu PEMPDA-β-CD byly ověřeny ve vodném prostředí se třemi modelovými aromatickými hosty (kyselinou salicylovou, p- methoxyfenolem and p-nitroanilinem). Pomocí izotermální titrační mikrokalorimetrie (ITC) byly získány hodnoty vazebných konstant (Ks) a byly porovnány s hodnotami naměřenými pro nesubstituovaný β-CD. Trvale nabité kationické deriváty CD byly úspěšně ukotveny na pevnou fázi anionického polymeru (Nafion® 117) pomocí elektrostatických interakcí. Kinetika depozice na povrch a stupeň pokrytí byly určeny pomocí ELSD. Schopnost iontového seskupení na pevném povrchu enkapsulovat aromatické hosty z vodného roztoku byla zkoumána pomocí UV/Vis spektrometrie. Získané výsledky naznačují, že připravené kationické deriváty CD si zachovávají schopnost komplexovat vhodné aromatické molekuly v roztoku i ukotvené na pevnou fázi. Klíčová slova: Cyklodextriny, Tetraalkylamoniové deriváty, Kationické látky, Monosubstituce, Regioselektivita, Host-guest komplexace, Termální stabilita, Pevný povrch, Inkluzní komplexy
Abstract:
Synthesis of cyclodextrin derivatives for practical applications Abstract The first part of this PhD thesis is focused on the synthesis of a series of monosubstituted tetraalkylammonium cyclodextrin (CD) derivatives. The emphasis was placed on the possible applicability of the synthetic process to multigram or even industrial scale. Monotosylation of the native cyclodextrins (α-, ϐ-, -) on the primary side of the macrocycle afforded the starting materials. Derivatives with one cationic group were prepared by the reaction with aqueous trimethylamine. The reaction of the mono-Ts-CD with neat N,N,N‘-trimethylethane-1,2-diamine or N,N,N‘-trimethylpropane-1,3-diamine and subsequent methylation led to derivatives with the substituent bearing two cationic groups (PEMEDA- and PEMPDA-β-CD). Analogs bearing a moiety with three tetraalkylammonium sites were synthesized by reaction of mono-Ts-CD with bis(3-aminopropyl)amine with subsequent methylation. 1,3-Dipolar cycloaddition of mono-6- azido-ϐ-CD with diaminoacetylenes followed by methylation led to analogs with a avariable distance of the charged substituent from the CD core. Majority of the presented reactions are straightforward, relatively high-yielding and the workup does not require chromatographic steps. The second part of the work is dealing with the determination of properties of the selected prepared derivatives. Thermal stability of the two charged analogs PEMEDA-β-CD and PEMPDA-β-CD, which differ in the substituent linker length (ethylene and propylene 1H respectively) was studied by NMR experiment. The measured kinetics of the Hofmann degradation proved PEMPDA-β-CD to have higher thermal stability and was selected as the most suitable host molecule for further measurements. The inclusion capabilities of permanently charged PEMPDA-β-CD in aqueous solution with three model aromatic guests (salicylic acid, p- methoxyphenol and p-nitroaniline) were determined by isothermal titration microcalorimetry (ITC) and the obtained values of stability constants (Ks) compared to the ones of native β-CD. Permanently charged cationic CD derivatives were successfully deposited on the anionic solid surface of polymeric Nafion® 117 membrane via electrostatic interactions. Deposition kinetics and coverage of the surface were determined by ELSD. The ability of the ionic assembly on the solid surface to encapsulate aromatic compounds from aqueous solution was measured by UV/Vis spectrometry. The results indicate that prepared cationic derivatives maintain the ability to form inclusion complexes with a suitable guest in solution and also when deposited on an anionic surface. Keywords: Cyclodextrins, Tetraalkylammonium derivatives, Cationic, Monosubstitution, Regioselectivity, Host-guest complex, Thermal stability, Solid surface, Inclusion properties
Documents
Download Document Author Type File size
Download Text of the thesis Mgr. Martin Popr 3.33 MB
Download Abstract in czech Mgr. Martin Popr 264 kB
Download Abstract in english Mgr. Martin Popr 182 kB
Download Autoreferat / doctoral thesis summary Mgr. Martin Popr 2.13 MB
Download Supervisor's review doc. RNDr. Jindřich Jindřich, CSc. 46 kB
Download Opponent's review Mgr. Tomáš Kraus, Ph.D. 951 kB
Download Opponent's review doc. Ing. Vladimír Šindelář, Ph.D. 167 kB
Download Defence's report 603 kB