Self-Assembled Main-Group Metal Coordination Cages Directed by Ligand Topology and Stoichiometry
| dc.contributor.advisor | Martínez Martínez, Antonio Jesús | |
| dc.contributor.author | Izquierdo Sánchez, Ignacio | |
| dc.date.accessioned | 2026-04-28T11:13:53Z | |
| dc.date.available | 2026-04-28T11:13:53Z | |
| dc.date.created | 2026-01-27 | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description | Esta Tesis Doctoral se centra en el diseño, síntesis, caracterización y estudio de nuevas cajas supramoleculares de coordinación basadas en Al3+, Ga3+ y Fe3+. Estas arquitecturas supramoleculares muestran propiedades anfitrión-huésped destacadas y estabilidad estructural, tanto en estado sólido como en disolución. A través de un enfoque sistemático, se analizan los factores que gobiernan su autoensamblaje, estabilidad, geometría y comportamiento encapsulante. La Tesis se divide en tres capítulos interrelacionados que abordan familias distintas de cajas formadas con ligandos diseñados para inducir geometrías específicas y propiedades funcionales. El Capítulo I presenta el desarrollo de cajas de coordinación de tipo helicato o mesocato M2L3 (M = Ga3+, Fe3+), formadas mediante la coordinación de ligandos ditópicos basados en 1,2,3-triazoles con unidades catecol o naftalendiol. Estas estructuras se ensamblan utilizando cicloadiciones 1,3-dipolares catalizadas por Cu (CuAAC). Se demuestra que factores como la presencia de grupos naftalendiol y la naturaleza de los contraiones (por ejemplo, cationes amonio) influyen de forma decisiva en la geometría de las cajas, su solubilidad y la capacidad de encapsular cationes como K+. Además, el control estequiométrico y estructural permite guiar el ensamblaje hacia geometrías específicas, como helicatos o mesocatos, mostrando el potencial de estos sistemas para aplicaciones en encapsulación selectiva. En el Capítulo II se abordan cajas tetraédricas M4L4 ensambladas con ligandos tritópicos 1,2,3-triazol–catecol, explorando variantes con unidades naftalendiol para modular el volumen de la cavidad. Estas arquitecturas exhiben cavidades bien definidas con capacidad de encapsular selectivamente cationes orgánicos (R4N+), lo que se estudia detalladamente mediante RMN (1H, NOESY, DOSY) e ITC. Se observan constantes de afinidad en el rango 103–104 M-1 con selectividad en función del tamaño del huésped: Me4N⁺ y Et4N⁺ son eficientemente encapsulados, mientras que Bu4N⁺ resulta demasiado voluminoso. La caja Al4L4 favorece huéspedes más pequeños, y Ga4L4 muestra mayor afinidad por cationes más grandes. Estos resultados reflejan el control estructural y funcional logrado mediante el diseño racional de ligandos y la elección del metal, abriendo posibilidades en catálisis supramolecular y reconocimiento molecular. El Capítulo III se dedica al estudio de cajas de coordinación triplemente interconectadas de tipo [2]catenano con estequiometría M6L4 (M = Al3+, Ga3+). Estas estructuras son únicas por su geometría entrelazada, y constituyen los primeros ejemplos descritos con metales fuera del bloque d. Se forman en medio acuoso mediante autoensamblaje dirigido por pH y estequiometría metal:ligando ~3:2. A través de estudios de RMN e ITC, se demuestra que su formación es altamente cooperativa, sin detección de intermediarios M3L2. Los procesos de ensamblaje y desensamblaje son reversibles y dependientes del metal. Termodinámicamente, la caja Ga6L4 es significativamente más estable que la Al6L4 (~500 veces), debido a una coordinación más fuerte Ga–O y efectos de apilamiento p-p más marcados. Estos resultados revelan la capacidad de controlar estructuras complejas y dinámicas mediante parámetros sintéticos y estructurales precisos. | |
| dc.description.abstract | This Doctoral Thesis focuses on the design, synthesis, characterization, and study of new coordination-based supramolecular cages incorporating Al3+, Ga3+ and Fe3+. These supramolecular architectures exhibit notable host–guest properties and structural stability in both solid state and solution. Through a systematic approach, the thesis analyses the key factors that govern their self-assembly, stability, geometry, and encapsulation behavior. The work is structured into three interrelated chapters, each addressing distinct families of cages formed using ligands designed to promote specific geometries and functional properties. Chapter I presents the development of helicate or mesocate coordination cages of M2L3 type (M = Ga3+, Fe3+), constructed via coordination of ditopic ligands based on 1,2,3-triazoles with catechol or naphthalene-diol units. These cages are assembled through CuAAC (Cu-catalyzed 1,3-dipolar cycloaddition) reactions. The influence of steric factors such as naphthalene-diol groups as anchoring points and counterions (ammonium cations) is shown to be crucial in modulating cage geometry, solubility, and the ability to encapsulate guest species like K⁺. Stoichiometric and structural control enables selective assembly into helicate or mesocate geometries, highlighting their potential for host–guest applications. Chapter II explores M4L4 tetrahedral cages (M = Al3+, Ga3+) assembled with tritopic ligands derived from 1,2,3-triazole–catechol frameworks, including variants with naphthalene-diol units for cavity modulation. These cages possess well-defined cavities capable of selectively encapsulating organic cations (R4N+), as studied by NMR (1H, NOESY, DOSY) and ITC. Binding constants are in the 103–104 M-1 range, with selectivity depending on guest size: Me4N+ and Et4N+ are efficiently encapsulated, while Bu4N+ is too bulky. Al4L4 prefers smaller guests, while Ga4L4 accommodates larger ones. These results illustrate the precise structural and functional control achieved through ligand design and metal selection, opening opportunities in supramolecular catalysis and molecular recognition. Chapter III investigates triply interlocked [2]catenane coordination cages of M6L4 type (M = Al3+, Ga3+). These topologically complex cages are distinct in geometry and structure from the M2L3 and M4L4 cages described previously and represent the first examples of such assemblies formed with main group metals instead of transition metals. Their assembly occurs in aqueous media and is governed by pH and a ∼3:2 metal-to-ligand stoichiometry. NMR and ITC studies reveal a highly cooperative self-assembly mechanism, with no monomeric M3L2 intermediates detected. The assembly/disassembly processes are reversible and metal-dependent. Thermodynamically, Ga6L4 is ~500 times more stable than its Al6L4 analogue, due to stronger Ga–O coordination and enhanced p–p stacking interactions. These findings demonstrate the possibility of controlling dynamic and complex structures via rational synthetic and structural design. ------------------------------------------------ | |
| dc.description.department | Química "Profesor José Carlos Vílchez Martín" | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10272/28252 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.publisher | Universidad de Huelva | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International | en |
| dc.rights.accessRights | open access | |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.other | Supramolecular chemistry | |
| dc.subject.other | Coordination compounds | |
| dc.subject.other | Host-guest chemistry | |
| dc.subject.other | Supramolecular cages | |
| dc.subject.other | Self-assembly | |
| dc.subject.other | Química supramolecular | |
| dc.subject.other | Compuestos de coordinación | |
| dc.subject.other | Química huésped-anfitrión | |
| dc.subject.other | Cajas supramoleculares | |
| dc.subject.other | Autoensamblaje | |
| dc.subject.unesco | 2303.07 Compuestos de Coordinación | |
| dc.subject.unesco | 2303.26 Estructura de Los Compuestos Inorgánicos | |
| dc.subject.unesco | 2303.03 Elementos Alcalinos | |
| dc.subject.unesco | 2303.18 Metales | |
| dc.subject.unesco | 2303.21 Compuestos Organometálicos | |
| dc.subject.unesco | 2306.10 Compuestos Heterocíclicos | |
| dc.title | Self-Assembled Main-Group Metal Coordination Cages Directed by Ligand Topology and Stoichiometry | |
| dc.type | doctoral thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| relation.isAdvisorOfPublication | dcf621af-176c-42ae-8d9f-c288d3e1198e | |
| relation.isAdvisorOfPublication.latestForDiscovery | dcf621af-176c-42ae-8d9f-c288d3e1198e |
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