Cloruro complejos de Ru(II) Y Fe(III) con N–Heterociclos como ligandos y contraiones

Résumé

El presente trabajo titulado “Cloruro complejos de Ru(II) y Fe(II) con N-heterociclos como ligandos y contraiones”, para optar al título de Doctor en Ciencia y Tecnología por la Universidad de Cantabria, se compone de tres bloques con un nexo en común: estudio físico-químico y estructural de nuevos de materiales híbridos orgánico-inorgánicos. Éstos materiales que combinan las propiedades de ambos componentes (orgánicos e inorgánicos) han atraído recientemente un creciente interés en químicos, físicos y biólogos. En particular, la familia de compuestos denominados halometalatos, como los presentados en esta memoria, presentan características muy interesantes, como una fuerte acidez de Lewis, paramagnetismo o alta estabilidad térmica, además de potenciales aplicaciones tecnológicas. En el campo de la química de coordinación, la búsqueda de nuevos materiales se realiza mediante el estudio de los modos de coordinación y las geometrías preferenciales del complejo metálico y el ligando. Asimismo, es importante tener un profundo conocimiento de las interacciones no covalentes que se pueden formar entre ellos, entre las que se destacan los puentes de hidrógeno. Este tipo de enlace tiene solamente una tercera parte de la fuerza de los enlaces covalentes, pero tiene importantes efectos sobre las propiedades de las sustancias en las que está presente, especialmente en cuanto a puntos de fusión, ebullición y orden cristalino. A lo largo de esta memoria se han sintetizados nuevos materiales a través de la reacción de un haluro metálico con una base orgánica nitrogenada. Los capítulos se han dividido en función de la base orgánica nitrogenada empleada. Concretamente, en el capítulo uno se ha utilizado nucleobases como componente orgánico buscando nuevas arquitecturas supramoleculares basadas en complejos de rutenio. La culminación de este apartado ha dado lugar a cuatro nuevos materiales sintetizados a partir de dos unidades recurrentes en la química de coordinación: la unidad semi-sandwich de Ru (II) con cuatro diferentes nucleobases (1a citosina, 1b 2-tiouracilo, 1c hipoxantina, 1d 5-aminouracilo). Estas nucleobases son de especial interés, no solo por su relevancia biológica sino también por sus posiciones de coordinación múltiples y la capacidad de establecer patrones fuertes de enlaces de hidrógeno complementarios, denominados interacciones de emparejamiento de bases. Debe señalarse que las interacciones de emparejamiento de bases también tienen lugar entre nucleobases del mismo tipo, aparte de los ensamblajes binarios representativos por ejemplo del ADN. Los compuestos 1a-1c se han caracterizado por difracción de Rayos X en monocristal. De este estudio se verifica la robusteza de este sintón supramolecular cuando la nucleobase está coordenada a un átomo metálico como el Rutenio que modifica la situación electrónica de la nucleobase. Analizando las estructuras cristalinas se confirma la robustez de este sintón en 3 de los 4 complejos sintetizados. Los complejos 1a, 1c y 1d adoptan el emparejamiento de bases como elemento estructural primario del esqueleto supramolecular de la red cristalina, formando dímeros (1a y 1c) o cadenas (1d). Por otro lado, el modo de coordinación presente en la estructura cristalina del compuesto 1b difiere de las otras 3 ya que las posiciones del donador de enlace de hidrógeno (N1-H) y del aceptor (O4) se colocan en lados opuestos de la molécula, evitando cualquier posible interacción complementaria de enlace de hidrógeno entre las nucleobases. Es por ello que este modo de coordinación se refuerza a través de un enlace de hidrógeno intramolecular bifurcado que involucra la posición N3-H y los ligandos cloruros. Los complejos de semi-sandwich η6-areno rutenio (II), como RM175 y RAPTA-C, han demostrado propiedades antitumorales exitosas dentro de la industria farmacéutica. Antes de estudiar la citotoxicidad de unos complejos metálico de este tipo, es conveniente evaluar su estabilidad y evolución en medios fisiológicos. En este sentido, como estudio preliminar, en este apartado hemos analizado el comportamiento del complejo 1a en agua y en una solución salina tamponada con fosfato (PBS) (medios isotónicos a los fisiológicos), que es una solución común en la investigación biológica. Los resultados obtenidos fueron: - en solución aquosa se obtiene la pérdida de los dos cloruros a favor de la entrada en la esfera de coordinación del rutenio de dos moléculas de H2O. - la comparación de los espectros 1H NMR en DMSO-d6 y en DMSO/D2O muestran como la presencia de agua deuterada desplaza las señales de la nucleobase y del p-cimeno a causa de la coordinación del D2O al rutenio. - el espectro 31P NMR del complejo disuelto en PBS muestra como hay un desplazamiento de las señales de los fosfatos por la coordinación de estos últimos al rutenio, remplazando el agua y favoreciendo la hipótesis de una posible coordinación a los grupos fosfatos del ADN del complejo sintetizado. El segundo capítulo de esta Tesis doctoral tiene como objetivo obtener compuestos análogos a los descritos en el capítulo uno, utilizando otro tipo de bases nitrogenadas con anillos pirimidínicos que coordinen se al centro metálico por al menos un átomo donante. Dentro de este apartado se ha obtenido el complejo 2a, en donde la unidad de Ru semi-sandwich se coordina con la 2-amino-5-metilpiridina, y el complejo 2b, sintetizado con la 2-amino-3-hidroxipiridina, formando una sal iónica con un catión piridinio y un anión [(p-cymene)RuCl3]-. Asimismo, se han testeado otros complejos metálicos, principalmente los basados en hierro, ya que este metal de transición coordinado con bases nitrogenadas puede ser aplicado como catalizador de reacciones orgánicas (como en la reacción de Dies-Alder) con respuesta magnética. En este sentido se han obtenido 4 compuestos de [FeCl4]- (2c; 2-amino-3-hidroxipiridina, 2d; 2-amino-5-metilpiridina, 2e; 2-hidroxipiridina y 2f; 4-4’-bipiridina). Su caracterización estructural muestra que todas las estructuras cristalizan en capas alternas de aniones y cationes. Finalmente, se puede destacar como el complejo 2e está formado de una unidad catiónica trivalente [Fe(2OPY)6]3+ y de dos unidades [FeCl4]- y una Cl-. Se han realizado medidas magnéticas de todos ellos subrayando un débil comportamiento antiferromagnético. La baja estabilidad de los compuestos del capítulo dos al aire y su poca reproducibilidad lleva a dar un giro a este tercer apartado y cambiar la molécula pirimidinica por compuestos orgánicos de imidazolio. La importancia de esta clase de complejos reside en su ductilidad. También destaca la estabilidad térmica y la casi infinita posibilidad de variación de las propiedades físicas con ligeras modificaciones del catión orgánico. En el último capítulo se han sintetizado y caracterizado 6 nuevos compuestos, basados en cationes imidazolio y haluroferratos, (5 monómeros quírales y un dímero) y se han implementado como catalizadores en la reacción de degradación del Tereftalato de polietileno (PET) para recuperar el monómero correspondiente tereftalato de bis(2-hidroxietileno) (BHET) con calentamiento convencional y con radiación microondas. La novedad de este estudio catalítico reside, por un lado, es la introducción de una entidad dimérica magnética (3f; 1,3-dimetilimidazolio (μ-oxo)bis[tricloridoferrato(III)]), no testada hasta la fecha, en este tipo de reacciones catalíticas y el estudio de la reacción de catalisis con calentamiento convencional y con radiación microondas. Por otro lado, se estudia la comparación de su actividad catalítica con diferentes monómeros con distintos cationes de imidazolio. Los monómeros son: - 3a (S)-3-(2,3-dihidroxipropil)-1-metilimidazolio tetracloidroferrato(III) - 3b (R)-3-(2,3-dihidroxipropil)-1-metilimidazolio tetracloridoferrato(III) - 3c (S)-3-(2,3-dihidroxypropil)-1-metilimidazolio tetrabromidoferrato(III) - 3d (S)-1-(2-metilbutil)-2,3-dimethilimidazolio tetracloridoferrato(III) - 3e (R) 1-((1S,2R,4S)-(+)-mentoximetil)-2,3-dimetilimidazolio tetracloridoferrato(III) - 3f 1,3-dimethilimidazolio (μ-oxo)bis[tricloridoferrato(III)]) - 3g 1,3-metilimidazolio tetracloridoferrato(III)) De este estudio se obtiene que, en condiciones de calentamiento normal, el impedimento estérico de los cationes imidazolios reduce la actividad catalítica. Aplicando una fuente de microondas, las conversiones y las selectividades aumentan en general (menos por el caso del compuesto con bromuro 3c, donde se anulan), con menores tiempos y energías utilizadas. Finalmente es de destacar, el estudio catalítico realizado en profundidad entre el compuesto dímero y monómero, 3f y 3g, donde se observa una inversión de tendencia catalítica del compuesto según el método de calentamiento utilizado. En el método convencional, el monómero 3g presenta mejores resultados catalíticos, mientras que con microondas es al revés. Para comprender esta inversión en el orden de actividad catalítica que ocurre al cambiar la fuente de calentamiento, se deben considerar las diferencias de los dos mecanismos de calentamiento. En el calentamiento convencional, la energía se transfiere desde la superficie del matraz de reacción al interior y se intercambia progresivamente entre todas las especies en la mezcla hasta que se alcanza un equilibrio térmico. De modo que, la mayor actividad catalítica de 3g puede relacionarse con una interacción estéricamente menos impedida. Sin embargo, en el caso del calentamiento dieléctrico, la irradiación por microondas penetra en el material y transfiere energía mediante el acoplamiento directo al disolvente, sustrato o moléculas de catalizador presentes en la mezcla de reacción, experimentando un aumento de temperatura. En este contexto, debemos tener en cuenta que el calentamiento dieléctrico se desarrolla a través de dos mecanismos principales: polarización dipolar y conducción iónica. En el primero, el dipolo de una molécula polar tiende a alinearse con el campo a través de la rotación y, como resultado de las colisiones que tienen lugar, la energía se disipa generando calor en el material. En el mecanismo de conducción iónica, la influencia del campo eléctrico de microondas hace que cualquier partícula móvil cargada se mueva hacia atrás y adelante a través del material, calentando la muestra nuevamente debido a las colisiones. Si prestamos atención a la geometría molecular de 3g, el complejo [FeCl4]- se ajusta a una simetría Td ideal (notación de Schönflies) que es incompatible con un momento dipolar permanente (es decir, μ = 0 D). En consecuencia, el calentamiento directo de 3g implica solo el mecanismo de conducción iónica. Por el contrario, el anión [Fe2Cl6 (μ-O)]2- de 3f muestra un grupo puntual Cs que establece un momento dipolar neto de μ = 0.623 D (según cálculos de DFT), lo que permite que se realicen ambos mecanismos de calentamiento y aumente su rendimiento catalítico en comparación con 3g. En definitiva, que para desarrollar catalizadores más eficientes en condiciones asistidas por microondas hay que desarrollar las especies catalíticas para que sean activas bajo ambos mecanismos de calentamiento dieléctrico y que el volumen del catión imidazolio sea lo mas pequeño posible para evitar el impedimento esterico que desfavorece el proceso catalítico.