Investigation of intermolecular interactions for molecular sensing of drugs : the case of carbamazepine interacting with azahelicenes

The subject of this thesis is the evaluation of the interaction between Carbamazepine and two Azahelicenes (Aza[5]helicene, Aza[6]helicene) using Molecular Mechanics and DFT methods. The context of this research are the nanostructured gold substrates functionalized with Azahelicene monolayers that have been recently obtained and characterized (Zanchi 2018). This thesis examines the interaction of such Azahelicenes with target drug molecules (mainly Carbamazepine – CBZ) aiming, in the long term, at Therapeutic Drug Monitoring (TDM) and chiral recognition by exploiting Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) or plasmon-enhanced electronic spectroscopies. After introducing the methods upon which the thesis is based (Molecular Mechanics, Raman spectroscopy and SERS), the thesis deals with the modeling of molecules using the Avogadro program and the simulation of interacting dimers through the OBSolv program. Matlab scripts have been implemented and extensively used for all the data analysis reported in this thesis. In the last part of the thesis DFT was used to simulate the Raman and UV-Vis spectra of relevant Azahelicene-CBZ dimers determined in the previous part. Spectroscopic signatures of intermolecular interactions that could be useful for molecular sensing have been evidenced. This work, and the procedure described here, provides an effective theoretical approach for studying intermolecular interactions that can be straightforwardly extended to other conditions and molecular dimers.

Oggetto di questa tesi è la valutazione dell'interazione tra Carbamazepina e due Azaeliceni (Aza[5]elicene, Aza[6]elicene) mediante i metodi della Meccanica Molecolare e della teoria DFT. Il contesto di questa ricerca sono i substrati d'oro nanostrutturati funzionalizzati con monostrati di Azaelicene che sono stati recentemente ottenuti e caratterizzati da C. Zanchi e co-autori (Zanchi 2018). Questa tesi esamina l'interazione di tali Azaeliceni con molecole di farmaci di interesse analitico (principalmente Carbamazepina - CBZ) mirando, a lungo termine, al monitoraggio terapeutico dei farmaci (TDM) e al riconoscimento chirale sfruttando la spettroscopia SERS o spettroscopie elettroniche intensificate da effetti plasmonici. Dopo aver introdotto i metodi su cui si basa la tesi (Meccanica Molecolare, Spettroscopia Raman e SERS), la tesi affronta la modellazione di molecole utilizzando il programma Avogadro e la simulazione di dimeri interagenti tramite il programma OBSolv. Gli script Matlab sono stati implementati ad hoc per questo lavoro di tesi ed ampiamente utilizzati per tutte le analisi dati qui riportate. Nell'ultima parte della tesi è stato utilizzato il metodo Density Functional Theory (DFT) per simulare gli spettri Raman e UV-Vis di dimeri Azaelicene-CBZ determinati nella parte precedente. Sono state evidenziate le firme spettroscopiche delle interazioni intermolecolari che potrebbero essere utili nello sviluppo di sensori molecolari. Questo lavoro di tesi, e la procedura con cui è stato svolto, forniscono un approccio teorico efficace per lo studio delle interazioni intermolecolari che può essere esteso ad altre condizioni e dimeri molecolari.