Self-assembly of supermolecular species directed by hydrogen bonding and aromatic π-π stacking interactions

A new Cu(II) trimers, [Cu3(dcp)2(H2O)8]. 4DMF, with the ligand 3,5-pyrazoledicarboxylic acid monohydrate (H3dcp) has been prepared by solvent method. Its solid-state structure has been characterized by elemental analysis, thermal analysis (TGA and DSC), and single crystal X-ray diffraction. X-ray crystallographic studies reveal that this complex has extended 1-D,2-D and 3-D supramolecular architectures directed by weak interactions (hydrogen bond and aromatic π-π stacking interaction) leading to a sandwich solid-state structure.

A self-repairing, supramolecular polymer system: healability as a consequence of donor-acceptor pi-pi stacking interactions

A novel supramolecular polymer system, in which the terminal pyrenyl groups of a polyamide intercalate into the chain-folds of a polyimide via electronically-complementary pi-pi stacking, shows both enhanced mechanical properties relative to those of its individual components and facile healing characteristics as a result of the thermoreversibility of non-covalent interactions.

A supramolecular polymer based on tweezer-type pi-pi stacking interactions: molecular design for healability and enhanced toughness

An elastomeric, healable, supramolecular polymer blend comprising a chain-folding polyimide and a telechelic polyurethane with pyrenyl end groups is compatibilized by aromatic pi-pi stacking between the pi-electron-deficient diimide groups and the pi-electron-rich pyrenyl units. This interpolymer interaction is the key to forming a tough, healable, elastomeric material. Variable-temperature FTIR analysis of the bulk material also conclusively demonstrates the presence of hydrogen bonding, which complements the pi-pi stacking interactions. Variable-temperature SAXS analysis shows that the healable polymeric blend has a nanophase-separated morphology and that the X-ray contrast between the two types of domain increases with increasing temperature, a feature that is repeatable over several heating and cooling cycles. A fractured sample of this material reproducibly regains more than 95% of the tensile modulus, 91% of the elongation to break, and 77% of the modulus of toughness of the pristine material.

Donor-acceptor π−π stacking interactions: from small molecule complexes to healable supramolecular polymer networks

This chapter presents selected literature examples to review the development of the use of donor–acceptor π–π stacking interactions as transient cross-links in supramolecular polymer networks. The chapter examines notable examples of these highly specific and directional interactions and illustrates how they can be utilised to reliably produce functional supramolecular, self-assembled systems. Knowledge gained from these fundamental studies has enabled the design, synthesis and application of donor–acceptor stacked supramolecular motifs in non-covalent polymer networks, which is exemplified through detailing the production, physical properties and optimisation of healable materials.

DNA with Hydrophobic Base Substitutes: A Stable, Zipperlike Recognition Motif Based On Interstrand-Stacking Interactions

No Abstract

A healable supramolecular polymer blend based on aromatic π-π stacking and hydrogen bonding interactions

An elastomeric, supramolecular healable polymer blend, comprising a chain-folding polyimide and a telechelic polyurethane with pyrenyl endgroups, is compatibilised by aromatic π−π stacking between the π-electron-deficient diimide groups and the π-electron-rich pyrenyl units. This inter-polymer interaction is key to forming a tough, healable, elastomeric material. Variable temperature FTIR analysis of the bulk material also conclusively demonstrates the presence of hydrogen bonding, which complements the π–π stacking interactions. Variable temperature SAXS analysis shows that the healable polymeric blend has a nanophase-separated morphology, and that the X-ray contrast between the two types of domain increases with increasing temperature, a feature that is repeatable over several heating and cooling cycles. A fractured sample of this material reproducibly regains more than 95% of the tensile modulus, 91% of the elongation to break, and 77% of the modulus of toughness of the pristine material.

Rational modification of the hierarchy of intermolecular interactions in molecular crystal structures by using tunable halogen bonds

A family of 16 isomolecular salts (3-XpyH)(2)[MX'(4)] (3-XpyH=3-halopyridinium; M=Co, Zn; X=(F), Cl, Br, (I); X'=Cl, Br, I) each containing rigid organic cations and tetrahedral halometallate anions has been prepared and characterized by X-ray single crystal and/or powder diffraction. Their crystal structures reflect the competition and cooperation between non-covalent interactions: N-H center dot center dot center dot X'-M hydrogen bonds, C-X center dot center dot center dot X'-M halogen bonds and pi-pi stacking. The latter are essentially unchanged in strength across the series, but both halogen bonds and hydrogen bonds are modified in strength upon changing the halogens involved. Changing the organic halogen (X) from F to I strengthens the C-X center dot center dot center dot X'-M halogen bonds, whereas an analogous change of the inorganic halogen (X') weakens both halogen bonds and N-H center dot center dot center dot X'-M hydrogen bonds. By so tuning the strength of the putative halogen bonds from repulsive to weak to moderately strong attractive interactions, the hierarchy of the interactions has been modified rationally leading to systematic changes in crystal packing. Three classes of crystal structure are obtained. In type A (C-F center dot center dot center dot X'-M) halogen bonds are absent. The structure is directed by N-H center dot center dot center dot X'-M hydrogen bonds and pi-stacking interactions. In type B structures, involving small organic halogens (X) and large inorganic halogens (X'), long (weak) C-X center dot center dot center dot X'-M interactions are observed with type I halogen-halogen interaction geometries (C-X center dot center dot center dot X' approximate to X center dot center dot center dot X'-M approximate to 155 degrees), but hydrogen bonds still dominate. Thus, minor but quite significant perturbations from the type A structure arise. In type C, involving larger organic halogens (X) and smaller inorganic halogens (X'), stronger halogen bonds are formed with a type II halogen-halogen interaction geometry (C-X center dot center dot center dot X' approximate to 180 degrees; X center dot center dot center dot X'-M approximate to 110 degrees) that is electrostatically attractive. The halogen bonds play a major role alongside hydrogen bonds in directing the type C structures, which as a result are quite different from type A and B.

Influence of perylenediimide–pyrene supramolecular interactions on the stability of DNA-based hybrids: Importance of electrostatic complementarity

Aromatic pi–pi stacking interactions are ubiquitous in nature, medicinal chemistry and materials sciences. They play a crucial role in the stacking of nucleobases, thus stabilising the DNA double helix. The following paper describes a series of chimeric DNA–polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) hybrids. The PAH building blocks are electron-rich pyrene and electron-poor perylenediimide (PDI), and were incorporated into complementary DNA strands. The hybrids contain different numbers of pyrene–PDI interactions that were found to directly influence duplex stability. As the pyrene–PDI ratio approaches 1:1, the stability of the duplexes increases with an average value of 7.5 °C per pyrene–PDI supramolecular interaction indicating the importance of electrostatic complementarity for aromatic pi–pi stacking interactions.

2-(2-Nitroanilino)-5,6,7,8-tetrahydro-4H-cyclohepta[b]thiophene-3-carbonitrile

The title compound, C(16)H(15)N(3)O(2)S, was synthesized by the reaction of 2-amino-5,6,7,8-tetrahydro-4H-cyclohepta[b]thiophene-3-carbonitrile and o-fluoronitrobenzene. The thiophene and nitrophenyl rings and amino and carbonitrile groups are coplanar with a maximum deviation of 0.046 (2) angstrom and a dihedral angle of 0.92 (6)degrees between the rings. The cyclohepta ring adopts a chair conformation. Intramolecular N-H center dot center dot center dot O and C-H center dot center dot center dot S interactions occur. In the crystal, the molecules form layers that are linked by pi-pi stacking interactions between the thiophene and benzene rings [centroid-centroid distances = 3.7089 (12) and 3.6170 (12) angstrom].

Aminotriazines as locking fragments in macrocyclic synthesis

The macrocyclic compounds (6-(4',6'-diamino-1',3',5'-triazinyl)-1,4,6,8,11-pentaazacyclotetradecane)copper(II) triperchlorate dihydrate, [Cu(HL2)](ClO4)(3). 2H(2)O, (6-(6'-amino-4'-oxo-1'H-1',3',5'-triazinyl)-1,4,6,8,11-pentaazacyclotetradecane)copper(II) diperchlorate hydrate, [CuL3](ClO4)(2). H2O, and [(6-(4',6'-dioxo-1'H-1',3',5'-triazinyl) 1,4,6,8,11-pentaazacyclotetradecane)copper(II)] diperchlorate, [CuL4](ClO4)(2), have been synthesized. The macrocycles synthesized contain respectively pendant melamine, ammeline,and ammelide rings. The X-ray cyrstallographic analyses of [Cu(HL2)](ClO4)(3). 2H(2)O, triclinic, space group P (1) over bar, a = 9.489(10) Angstrom, b = 12.340(2) Angstrom, c = 24.496(4) Angstrom, alpha = 87.74(10)degrees beta = 85.51(10)degrees gamma = 70.95(10)degrees and Z = 4, and {[CuL3](ClO4)(2). H2O}2, monoclinic, space group C2/c, a = 18.624(8) Angstrom, b = 17.160(2) Angstrom, c = 15.998(6) Angstrom, beta = 117.82(2)degrees, and Z = 4, are reported. The structure of [Cu(HL2)](ClO4)(3). 2H(2)O shows the formation of linear tapes, formed by a combination of hydrogen bonds and pi-pi stacking interactions. The structure of [CuL3](ClO4)(2). H2O displays formation of dimers, formed by a coordinate bond from the oxygen in one molecule to the copper atom of another. The tautomeric forms of the ammeline and ammelide moieties have been determined. The potential of these compounds as subunits for cocrystallization has been investigated.

Growth and functionalization of carbon nanotubes on quartz filter for environmental applications

Background: Air pollution has become an important issue worldwide due to its adverse health effects. Among the different air contaminants, volatile organic compounds (VOCs) are liquids or solids with a high vapor pressure at room temperature that are extremely dangerous for human health. Removal of these compounds can be achieved using nanomaterials with tailored properties such as carbon nanotubes. Methods: Vertically-aligned multiwall carbon nanotubes (CNTs) were successfully grown on quartz filters by means of plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Furthermore, a plasma treatment was performed in order to modify the surface properties of the CNTs. The adsorption/desorption processes of three chlorinated compounds (trichloroethylene, 1,2-dichlorobenzene and chloroform) on the CNTs were studied using mass spectrometry measurements with a residual gas analyzer. Results: The adsorption capability of the CNTs increased after functionalization of their surface with a water plasma treatment. In addition, it was found that the presence of aromatic rings, water solubility and polarity of the VOCs play an important role on the adsorption/desorption kinetics at the CNTs surface. Conclusions: This study demonstrates the applicability of CNTs deposited on quartz filters for the removal or selective detection of volatile organic compounds (VOCs). The presence of aromatic rings in VOCs results in π -stacking interactions with a significant increase of their adsorption. On the other hand, it was found that CNTs surface interactions increase with water solubility and polarity of the VOC.

A mechanistic approach to methylene blue sorption on two vegetable wastes: Cork bark and grape stalks

Two vegetable wastes, cork bark and grape stalks, were investigated for the removal of methylene blue from aqueous solution. The effects of contact time, dye concentration, pH, and temperature on sorption were studied relative to adsorption on a commercially-activated carbon. The highest adsorption yield was obtained within the pH range 5 to 10 for grape stalks and 7 to 10 for cork bark. The sorption kinetics of dye onto activated carbon and grape stalks was very fast. Kinetics data were fitted to the pseudo-first and second order kinetic equations, and the values of the pseudo-second-order initial rate constants were found to be 1.69 mg g-1 min-1 for activated carbon, 2.24 mg g-1 min-1 for grape stalks, and 0.90 mg g-1 min-1 for cork bark. Langmuir maximum sorption capacities for activated carbon, grape stalks, and cork bark for methylene blue estimated by the Orthogonal Distance Regression method (ODR) were 157.5 mg g-1, 105.6 mg g-1, and 30.52 mg g-1, respectively. FTIR spectra indicated that carboxylic groups and lignin play a significant role in the sorption of methylene blue. Electrostatic forces, n-p interactions, cation-p, and p-p stacking interactions contribute to methylene blue sorption onto grape stalks and cork bark. Grape stalks can be considered an efficient biosorbent and as a viable alternative to activated carbon and ion-exchange resins for the removal of methylene blue

Synthesis, properties and characterization of N-Alkyl substituted b-Diketiminato copper(I) Complexes

Le ligand nacnacxylH (xyl = C6Me2H3) et les ligands dikétimines N-alkyle substitués (nacnacCH(Me)PhH, nacnacBnH and nacnaciPrH) ont été préparés avec de bons rendements à l’exception du nacnaciPrH (23%) en utilisant un protocole en une étape et à l’aide d’un montage Dean-Stark. La réaction du S,S-nacnacCH(Me)PhH et du nacnacBnH avec le nBuLi dans le THF conduit au S,S-nacnacCH(Me)PhLi(THF) et au nacnacBnLi(THF). Les tentatives de bromation de ces composés par le N-bromosuccinimide conduisent plutôt aux ligands S,S-succnacnacCH(Me)PhH et succnacnacBnH (succ = succinimido) substitués par un groupement succinimido sur le carbone  La chloration par le N-chlorosuccinimide conduit au produit désiré, mais avec des impuretés. La réaction de ces ligands avec le CuOtBu (ou bien MesCu, où Mes = C6Me3H2, et une quantité catalytique de CuOtBu) en présence de bases de Lewis donne les (nacnacxylCu)2(-toluène), nacnacxylCuCNC6H3(Me)2, nacnacCH(Me)PhCuL (L = PPh3, PMe3, CNC6H3(Me)2, DMAP, lutidine, Py, MeCN), nacnacBnCuL (L = PPh3, CNC6H3(Me)2, styrène, trans-stilbene, phenylvinylether, acrylonitrile, diphenylacetylène), nacnaciPrCuL (L = PPh3, CNC6H3(Me)2, MeCN) et le succnacnacCH(Me)PhCuL (PPh3, CNC6H3(Me)2, pyridine). Tous ces complexes sont jaunes et sensibles à l’air et à l’humidité. En l’absence de fortes bases de Lewis, on n’observe pas de réaction entre les précurseurs de cuivre et les ligands N-alkyle substitués. Les études RMN des complexes dans le C6D6 ne présentent pas de complexe de toluène mais un mélange à l’équilibre du (nacnacxylCu)2(-C6D6) et nacnacxylCu(C6D6) dans une proportion de 2 pour 1. Alors que l’addition de plus de cinquante équivalents soit de THF, soit de toluène n’induit aucun changement des spectres RMN, l’addition de 2 équivalents de MeCN conduit instantanément au complexe nacnacxylCu(MeCN). De plus, le (nacnacxylylCu)2(-C6D6) ne se coordone ni ne réagit avec le N2O, même après avoir été chauffé à 60°C pendant treize jours. En présence de DPA (diphenylacétylène), la réaction du nacnacBnH avec le CuOtBu conduit au dimère ponté (nacnacBnCu)2(µ-DPA). L’addition d’un excès de DPA (10-12 équivalents) transforme le dimère ponté en complexe lié en position terminale nacnacBnCuDPA. Les nacnacRH (R = CH(Me)Ph et i-Pr) ne forment pas de complexe ni avec les oléfines ni avec le DPA. Une réactivité similaire a été observée avec les complexes de nacnacCH(Me)PhCu(NCMe) et nacnaci-PrCu(NCMe). Tandis que le complexe lié en position terminale par MeCN a été isolé et caractérisé, l’équilibre en solution nous laisse suspecter la formation d’un complexe d’acétonitrile ponté. Des études de réactivité comparatives ont été menées sur quelques complexes de cuivre. La Morpholine ne réagit pas avec le nacnacBnCu(acrylonitrile) contrairement à l’acrylonitrile libre. L’expérience de l’échange d’oléfine montre que l’acrylonitrile (une oléfine électro-attractrice) se lie plus fortement que les autres oléfines, mettant ainsi en évidence l’importance de la rétrodonation  face à la donation La rétrodonation est cependant faible comparée aux autres complexes de styrène structurellement caractérisés. Les complexes nacnacCH(Me)PhCuL (L = PPh3 et MeCN) ont été employés dans la cyclopropanation catalytique du styrène et dans l’addition conjuguée du ZnEt2 sur la 2-cyclohexénone, mais les résultats indiquent que le ligand dikétimine est éliminé avant son entrée dans le cycle catalytique. Par conséquent, il n’y a pas d’induction chirale. Les complexes tétra coordinées de cuivre avec les nacnacRCu(phen) (R = Bn, CH(Me)Ph et Phen = 1,10-phenanthroline, 2-Mes-1,10-phenanthroline, 2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline (dmp) et 2,9-diphenyl-1,10-phenanthroline (dpp)) ont été synthétisés. Ces complexes sont d’une intense couleur bleue et des interactions d’empilement entre l’un des cycles phényle des ligands nacnac et la phénanthroline ont été observées dans les structures à l’état solide. Les mesures en absorption UV-visible ont été effectuées dans le toluène et les bandes MLCT sont déplacées vers le rouge par rapport à celles des complexes de cuivre et bisphénanthroline. Tous ces composés émettent à l’état solide mais les complexes 1,10-phenanthroline et 2-Mes-1,10-phenanthroline n’émettent pas en solution. Pour renforcer les interactions d’empilement , les nouveaux ligands nacnacRH (R = CH2C6H2(OMe)3, CH2C6F5) et leurs complexes de cuivre respectifs ont été préparés avec du dmp et dpp. Afin de permettre la comparaison, le nacnaciBuCu(dmp) a été synthétisé. Alors que les complexes dmp montrent une augmentation des interactions intramoléculaires - avec les substituants phényle du ligand dikétimine et de la phénanthroline, les complexes dpp ne révèlent pas de telles interactions. Les complexes perfluorés montrent, en absorption et en émission, un déplacement significatif vers le bleu, alors que les complexes substitués par un groupements isobutyle présentent des transitions déplacées vers le rouge. Alors que les intensités de luminescence et les durées de vie sont faibles, les déplacements réduits de Stokes et les pics étroits de luminescence comparables indiquent une réduction des distorsions de l’état excité.

Étude de l'association supramoléculaire à l'état solide des fullerènes C60 et C70 avec des dérivés triptycényles fonctionnalisés

Le fullerène C60 est une molécule sphérique composée exclusivement d'atomes de carbone. Ce composé possède une surface aromatique convexe homogène et peut s'associer, entre autres, avec des molécules possédant des surfaces aromatiques par des interactions non-covalentes. Le triptycène est une molécule en forme de "Y" qui possède des surfaces aromatiques convexes. Cette molécule possède l'habileté de s'associer avec le C60 par des interactions de type π qui sont amplifiées par la complémentarité des surfaces concaves et convexes impliquées dans les arrangements cristallins. Nous avons synthétisé des dérivés triptycényles portant des groupements fonctionnels aux extrémités des bras de ce noyau de façon à étendre les cavités disponibles pour interagir avec le C60. En effet, nous avons découvert que les atomes de chlore, de brome et d'iode ainsi que les groupements méthyle permettent d'étendre les surfaces disponibles pour interagir avec les fullerènes C60 et C70. Nous avons étudié les associations entre les dérivés triptycényles et les fullerènes par l'analyse des structures cristallographiques résolues par diffraction des rayons-X. De plus, nous avons étudié les associations entre les molécules considérées par l'analyse des surfaces d'Hirshfeld entourant les fullerènes. Découlant de ces études, l'effet d'amplification des atomes de chlore, de brome et d'iode ainsi que les groupements méthyle a été employé pour identifier de nouveaux solvants aptes à solubiliser efficacement le C60.

Caractérisation structurale et thermodynamique de la reconnaissance du substrat par le ribozyme VS de Neurospora

Les interactions ARN/ARN de type kissing-loop sont des éléments de structure tertiaire qui jouent souvent des rôles clés chez les ARN, tant au niveau fonctionnel que structural. En effet, ce type d’interaction est crucial pour plusieurs processus dépendant des ARN, notamment pour l’initiation de la traduction, la reconnaissance des ARN antisens et la dimérisation de génome rétroviral. Les interactions kissing-loop sont également importantes pour le repliement des ARN, puisqu’elles permettent d’établir des contacts à longue distance entre différents ARN ou encore entre les domaines éloignés d’un même ARN. Ce type d’interaction stabilise aussi les structures complexes des ARN fonctionnels tels que les ARNt, les riborégulateurs et les ribozymes. Comme d’autres ARN fonctionnels, le ribozyme VS de Neurospora contient une interaction kissing-loop importante. Celle-ci est impliquée dans la reconnaissance du substrat et se forme entre la tige-boucle I (stem-loop I, SLI) du substrat et la tige-boucle V (stem-loop V, SLV) du domaine catalytique. Des études biochimiques ont démontré que l’interaction kissing-loop I/V, dépendante du magnésium, implique trois paires de bases Watson-Crick (W-C). De plus, cette interaction est associée à un réarrangement de la structure du substrat, le faisant passer d’une conformation inactive dite unshifted à une conformation active dite shifted. Les travaux présentés dans cette thèse consistent en une caractérisation structurale et thermodynamique de l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme VS, laquelle est formée de fragments d’ARN représentant les tige-boucles I et V dérivées du ribozyme VS (SLI et SLV). Cette caractérisation a été réalisée principalement par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) et par titrage calorimétrique isotherme (isothermal titration calorimetry, ITC) en utilisant différents complexes SLI/SLV dans lesquels l’ARN SLV est commun à tous les complexes, alors que différentes variations de l’ARN SLI ont été utilisées, soit en conformation shiftable ou preshifted. Les données d’ITC ont permis de démontrer qu’en présence d’une concentration saturante de magnésium, l’affinité d’un substrat SLI preshifted pour SLV est extrêmement élevée, rendant cette interaction plus stable que ce qui est prédit pour un duplexe d’ARN équivalent. De plus, l’étude effectuée par ITC montre que des ARN SLI preshifted présentent une meilleure affinité pour SLV que des ARN SLI shiftable, ce qui a permis de calculer le coût énergétique associé au réarrangement de structure du substrat. En plus de confirmer la formation des trois paires de bases W-C prédites à la jonction I/V, les études de RMN ont permis d’obtenir une preuve structurale directe du réarrangement structural des substrats SLI shiftable en présence de magnésium et de l’ARN SLV. La structure RMN d’un complexe SLI/SLV de grande affinité démontre que les boucles terminales de SLI et SLV forment chacune un motif U-turn, ce qui facilite l’appariement W-C intermoléculaire. Plusieurs autres interactions ont été définies à l’interface I/V, notamment des triplets de bases, ainsi que des empilements de bases. Ces interactions contribuent d’ailleurs à la création d’une structure présentant un empilement continu, c’est-à-dire qui se propage du centre de l’interaction jusqu’aux bouts des tiges de SLI et SLV. Ces études de RMN permettent donc de mieux comprendre la stabilité exceptionnelle de l’interaction kissing-loop I/V au niveau structural et mènent à l’élaboration d’un modèle cinétique de l’activation du substrat par le ribozyme VS. En considérant l’ensemble des données d’ITC et de RMN, l’étonnante stabilité de l’interaction I/V s’explique probablement par une combinaison de facteurs, dont les motifs U-turn, la présence d’un nucléotide exclu de la boucle de SLV (U700), la liaison de cations magnésium et l’empilement de bases continu à la jonction I/V.