Supramolecular host-guest interactions of cyclodextrins and calixarenes with niobocene and vanadocene

Abstract

Cyclodextrins (CDs) and calixarenes act as a molecular host to a variety of guests: ions, metal complexes, polar and nonpolar organic molecules. These inclusion complexes have found pharmaceutical applications due to the increased aqueous solubility of the drugs, better oral absorption and their improved stability towards heat, light, oxidizing reagents and acidic conditions. Host-guest interactions between α-, β-, and γ-cyclodextrins with Cp2VCl2 and Cp2NbCl2 have been investigated by a combination of TGA, DSC, PXRD, solid state/solution EPR spectroscopy and solid state/solution NMR spectroscopy. The solid state results demonstrated that only β- and γ-cyclodextrins do form 1:1 inclusion complexes, while α-cyclodextrin does not form an inclusion complex with Cp2VCl2 or Cp2NbCl2. The β- and γ-CD-Cp2VCl2 inclusion complexes exhibited anisotropic electron-51V (I = 7/2) hyperfine coupling constants whereas the α-CD-Cp2VCl2 system showed only an asymmetric peak with no anisotropic hyperfine constant. PXRD, NMR, and thermal analysis showed that the organometallic molecules of Cp2NbCl2OH are included in the cavities of β - and γ- cyclodextrins, possibly adopting a symmetrical conformation in the complex, with each glucose unit in a similar environment. This suggests that vanadocene and niobocene penetrates deeper into the γ-CD cavity than in the β-CD cavity, as a result of the cavity size. In addition possible inclusion complexes of Cp2NbCl2 into calixarenes hosts have been investigated. The existence of a true inclusion complex in the solid state was confirmed by a combination of NMR, ab-initio calculation, thermogravimetric analysis, FTIR, Raman and PXRD. Ab-initio calculation, 1H NMR solution and solid state 13CP MAS NMR results demonstrated that sulfa-calix[6]arene does form inclusion complexes with the organometallic molecule. Ab-initio and Raman spectroscopy results showed metal coordination with the sulfa oxygen as part of the interaction with the organometallic molecule. Meanwhile, the solution 1H NMR results demonstrated that calix[6]arene does not form inclusion complexes with the organometallic molecule. Ab-initio and NMR spectroscopy showed that the organometallic molecule of Cp2NbCl2 is included in the sulfa-calix[6]arene cavity, with a shallow penetration, possibly adopting a symmetrical conformation in the complex, with each phenol unit in a similar environment. However, the organometallic molecule of Cp2NbCl2 is not included in the calix[6]arene cavity, possibly the lack of the hydrophilic sulfa heads precludes the adoption of a better symmetrical conformation with each phenol unit in a similar environment.

Las ciclodextrinas (CD) y calixarenos actúan como un anfitrión molecular con una variedad de huéspedes: iones, complejos metálicos, moléculas orgánicas polares y no polares. Se han encontrado a estos complejos de inclusión, aplicaciones farmacéuticas ya que pueden aumentar la solubilidad de las drogas en medios acuosos mejorando su absorción oral, la estabilidad a altas temperaturas, luz, agentes oxidantes y condiciones acidas. La interacción anfitrión-huésped entre α-, β-, y γ-ciclodextrina con Cp2VCl2 y Cp2NbCl2 han sido investigados por una combinación de análisis de termo gravimetría y calorimetría (TGA/DSC), PXRD, espectroscopia de EPR y NMR en estado sólido y solución. Los resultados en estado sólido demostraron que solo β- y γ-ciclodextrina puede formar complejos de inclusión 1:1; mientras α-ciclodextrina no puede formar dichos complejos con Cp2VCl2 y Cp2NbCl2. Las inclusiones β-, y γ- Cp2VCl2 exhibieron electrones anisotrópicos- 51V (I=7/2) con constantes de acoplamiento hiperfino donde α - Cp2VCl2 presenta solo un pico asimétrico sin una constante de anisotropía hiperfina. PXRD, NMR y análisis termal demostraron que las moléculas organometálicas de Cp2NbCl2OH están incluidas en la cavidad de β-, y γ- ciclodextrina, adoptando posiblemente una conformación simétrica en el complejo con cada unidad de glucosa en un ambiente similar. Esto sugiere que Cp2VCl2 y Cp2NbCl2 penetran más profundo en la cavidad de γ-CD que en la de β-CD, como resultado del tamaño de la cavidad. Además los complejos de inclusión de Cp2NbCl2 con calixarenos están siendo investigadas. La existencia de un verdadero complejo de inclusión en estado sólido fue confirmada por una combinación de técnicas tales como, NMR, ab-initio, análisis termal, FTIR, Raman y PXRD. Resultados de ab-initio, 1H-NMR en solución y 13C CP MAS NMR en estado sólido demostraron que sulfa-calix[6]areno puede formar complejos de inclusión con moléculas organometálicas. Los resultados de ab-initio y espectroscopia Raman demostraron coordinación del centro metálico con el oxigeno del grupo sulfa como parte de la interacción con la molécula organometálica. Mientras tanto en solución los resultados de 1H-NMR demostraron que calix[6]areno no puede formar complejos de inclusión con la molécula organometálica. Calculos ab-initio y espectroscopia NMR demostraron que la molécula organometálica de Cp2NbCl2 está incluida en la cavidad de sulfa-calix[6]areno, con una penetración poco profunda, posiblemente adoptando una conformación simétrica en el complejo, con cada unidad de fenol en un ambiente similar. Sin embargo, la molécula de Cp2NbCl2 no se incluye en la cavidad de calix[6]areno, posiblemente por la falta del ambiente hidrofílico de los grupo sulfa, que impide que su interacción adopten una conformación mas simétrica en donde cada unidad de fenol esta en un ambiente similar.