Sistemas heteroaromáticos de tipo pirilioevaluación de la interacción anión-pi y aplicación al desarrollo de materiales multifuncionales basados en quitosano

Resumen

En el Capítulo 1 de esta tesis se describe la síntesis de tetrafluoroboratos fluorescentes derivados del catión pirilio conteniendo sustituyentes de diferente naturaleza. Estas síntesis se han realizado siguiendo dos metodologías, que implican el uso de acetofenonas p-sustituidas y benzaldehídos p-sustituidos en presencia del ácido de Lewis BF3•Et2O, que media el proceso de deshidratación y ciclación correspondientes. En estos compuestos se ha encontrado que el desplazamiento químico δF en 19F RMN varía en función de los sustituyentes, como consecuencia de la modificación del momento cuadrupolar, Qzz, del catión pirilio. Esta variación, sugiere que la interacción anión-π tiene una influencia significativa en este tipo de compuestos. Además, la correlación con las constantes de Hammett estándar mediante representación de δF vs. Σσp revela que la sensibilidad de esta interacción al efecto de los sustituyentes es mayor para sustituyentes atractores de electrones. Adicionalmente, se ha realizado un estudio teórico empleando los funcionales B3LYP y M06-2X, que corrobora el análisis experimental basado en la variación de δF. Los resultados teóricos ponen de manifiesto la interacción anión-π junto con contactos C-H•••anión, con el anión situado en diferentes posiciones en función de la naturaleza de los sustituyentes. Así, el anión BF4ˉ se posiciona sobre la posición C-5 del anillo de pirilio para sustituyentes atractores de electrones, mientras que la tendencia es posicionarse sobre la posición C-3 son donadores de electrones. Además, los sustituyentes de estas sales de pirilio afectan a su disposición estructural provocando la rotación de los anillos de fenilo para formar cavidades de tipo copa o de tipo sombrero para acomodar al anión BF4ˉ. En el Capítulo 2 se ha profundizado en el conocimiento de la interacción anión-π en este tipo de sistemas. Este tipo de interacción está gobernada por Qzz así como la polarizabilidad del catión inducida por el anión, α||. Para evidenciar como influye la naturaleza del anión se ha realizado la síntesis de sales de pirilio conteniendo una serie de aniones diferentes, mediante un proceso de metátesis aniónica. La naturaleza de estos aniones varía desde aniones derivados de halógenos, aniones derivados de oxoácidos, aniones del resto del bloque p, y aniones orgánicos. La caracterización de estos complejos se ha llevado a cabo mediante 1H, 19F y 31P RMN así como fluorescencia de rayos X. El tipo de interacción en estas moléculas se ha estudiado tanto en estado sólido, como en fase gas (cálculos DFT) y en disolución. A partir de los resultados en estado sólido para aniones del bloque p, obtenidos mediante difracción rayos X, se evidencia una interacción de tipo (C-H)+•••anión con unas distancias menores del radio de van der Waals correspondiente (~ 2.5 Å). Por otra parte, los cálculos teóricos, basados en los funcionales B3LYP y M06-2X, ponen de manifiesto una interacción dual tanto anión-π como (CH)+•••anión, salvo para el caso de los aniones derivados de halógenos y aniones orgánicos. En este tipo de compuestos, los resultados obtenidos indican que es crucial la naturaleza y la geometría del anión. Así, en relación a la geometría se obtienen mejores contactos para aniones tetraédricos que para octaédricos y trigonales. El papel de la geometría de interacción se evidencia en el reconocimiento selectivo del anión L-ascorbato frente al anión D-ascorbato. Este reconocimiento está basado en una estabilización adicional de 6 kcal mol-1 provocada por una diferencia de hapticidad desde η3 a η1, respectivamente. En base a estos resultados teóricos, se observa que los pares de protones H-3(5), H-2a(6a) y H-2b(6b) son los implicados en las interacciones (C-H)+•••anión. Así, se emplea el δH de los protones H-5, H-6a o H-6b como etiqueta para medir la fuerza o eficacia de la interacción (C-H)+•••anión en este tipo de compuestos. Resultados de 1H RMN muestran que a mayor distancia RH•••anión, mayor disminución del desplazamiento químico. El estudio de los efectos cooperativos que implican a la interacción anión-π se ha abordado en el Capítulo 3 de esta tesis. Por su relevancia biológica, se ha estudiado cómo las interacciones π-π y CH/π modifican la interacción anión-π. Así, los cálculos DFT muestran evidencias de una interacción cooperativa entre la interacción areno•••areno y la anión-π. Los arenos que se han empleado para este estudio son tetrametilbenceno, pentametilbenceno y hexametilbenceno, que poseen un Qzz negativo, y sus análogos fluorados, tetrafluorobenceno, pentafluorobenceno y hexafluorobenceno, con un Qzz positivo. Aunque en todos los casos la interacción es favorable, se evidencia una preferencia por los anillos aromáticos fluorados con una distancia centroide•••centroide entre 3.4 y 3.5 Å. De manera preliminar, la interacción se ha corroborado en base a titraciones 1H RMN, empleando como huéspedes el tetrametil- y el hexametilbenceno. En presencia de estos anillos aromáticos en concentraciones desde 20 a 250 mM se observa preferentemente la variación selectiva de los protones H-3 y H-5. Sin embargo, a altas concentraciones (>100 mM), se observan variaciones de otros protones del complejo de pirilio, lo que indica más de un sitio de interacción en la superficie del receptor pirilio. Como se esperaba para un efecto cooperativo, la interacción del catión pirilio con un anillo aromático modifica la interacción con el anión BF4ˉ, hecho observable mediante variación del desplazamiento químico en 19F RMN. Además, mediante el empleo de NOEs selectivos se ha corroborado la interacción del tetrametilbenceno con el catión pirilio. Para medir como afecta la interacción CH/π a la interacción anión-π se han elegido carbohidratos de configuraciones D-gluco, D-galacto y D-mano, considerando tanto anómeros α como β. Los resultados teóricos a nivel B3LYP y M06-2X ponen de manifiesto que el complejo de pirilio fluorescente con sustituyentes R1 = F, R2 = R3 = Br interacciona con carbohidratos siguiendo la tendencia Galp ≈ Glcp > Manp de manera cooperativa. Además, permite el reconocimiento selectivo de anómeros α (~ 5.0 kcal mol-1) debido a contactos CH•••anión, no observados para anómeros β, en los que solo se observa la interacción CH/π con los protones de la unidad de carbohidrato apuntando hacia el anillo de bromofenilo. El diseño experimental, preliminar, de esta interacción con β-D-galactopiranósido de metilo muestra, en su espectro de 1H RMN, una interacción mediante enlace de hidrógeno con los protones H-3/H-5 cuyos enlaces C-H están altamente polarizados, haciéndolos buenos donadores de enlace de hidrógeno. Por otra parte, se ha abordado la síntesis de glicósidos derivados de umbeliferona. La interacción de éstos con el complejo pirilio muestra, desde un punto de vista teórico, las interacciones CH/π y n→πAr, mientras que en la titración 1H RMN del glicósido per-O-acetilado se observan contactos CH/π así como interacción π-π con la sal de pirilio. Por último, debido al interés del catión oxocarbenio, detectado recientemente, por su implicación en las reacciones de glicosilación, se ha estudiado, mediante cálculos teóricos, la estabilización de este catión sobre una superficie orgánica π-acídica. Inicialmente se ha abordado la interacción en carbohidratos, que contienen un enlace C=C tales como enopiranósidos y glicales así como el catión oxocarbenio, con anillos aromáticos de diferente naturaleza. La estabilización de estos carbohidratos es débil pero significativa, especialmente en el caso del catión oxocarbenio. Además, se ha demostrado la posibilidad de estabilizar el catión oxocarbenio sobre una superficie no sustituida de naftalendiimidas (NDI). Esta estabilización se produce cuando el anión BF4ˉ se encuentra en la cara opuesta del NDI, por tanto es un caso de interacción cooperativa catión•••π•••anión. La interacción con la superficie NDI bloquea la cara α del catión oxocarbenio permitiendo la formación selectiva de anómeros β. En el Capítulo 4 de esta tesis se emplean los compuestos de pirilio previamente sintetizados en el capítulo 1 para formar derivados de piridinio fluorescentes basados en quitosano, heteropolímero formado por unidades de D-glucosamina y N-acetil-D-glucosamina. Este polímero y sus derivados presentan un numeroso campo de aplicaciones. Los derivados de este polímero se obtienen mediante reacciones de amidación, apertura de epóxidos o formación de iminas, entre otras. Sin embargo, la reacción de formación de sistemas piridinio-quitosano cuaternizados no se ha explorado hasta la fecha. Así, se ha desarrollado una metodología de síntesis que permite la funcionalización controlable del esqueleto polimérico en función del pH (DS < 5%). Además, todos los derivados se han caracterizado exhaustivamente mediante IR, 1H y 19F RMN así como 13C CP MAS RMN en estado sólido. Como herramienta rápida y eficaz para evidenciar la presencia de pirilio sobre el esqueleto polimérico se han puesto a punto filtros de difusión 1H RMN, empleando, además, como control, experimentos 2D 1H DOSY. Estos nuevos sistemas piridinio-quitosano cuaternizados poseen unas propiedades fisicoquímicas únicas, como sus propiedades ópticas no lineales (NLO) mejores que compuestos de referencia comúnmente usados. Las propiedades ópticas a nivel molecular basadas en los parámetros µ, α y β se han determinado para modelos de quitosano a nivel de teoría B3LYP/6-31G(d,p). Los resultados muestran, como era de esperar, que el anión tiene una influencia crucial en las propiedades NLO dada la implicación del anión en este tipo de compuestos mostrada en capítulos previos. Además, estos sistemas piridinio-quitosano han mostrado ser sensores redox efectivos. Este hecho, se fundamenta en la reducción del catión piridinio a dihidropiridina en presencia de un reductor como el ascorbato de sodio, con la correspondiente pérdida de fluorescencia. El Capítulo 5 explora las propiedades del quitosano como organocatalizador