Introdução 32 2 Revisão Bibliográfica

2.1 Moléculas mecanicamente entrelaçadas...37 2.1.1 Estratégia Metal Molde Passivo (PMT)...41 2.1.2 Estratégia Metal Molde Ativo (AMT)...47 2.1.3 Abordagem com Molde não Metálico...57 2.1.4 Aplicações das MIMs...58 2.2 Porfirinas e Metaloporfirínas...65 2.3 Ligantes “Não Inocentes”...68 2.4 Transferência de Carbenos Radicais por Co(II)porfirinatos (CoP)...73 3. Objetivos...82 4. Resultados e Discussão...85 5. Conclusões...143 6. Perspectivas Futuras...144 7. Parte Experimental...145 7.1 Informações Gerais...145 7.1.1 Materiais...145 7.1.2 Ressonância Magnética Nuclear - RMN...145 7.1.3 Espectrometria de Massas...146 7.1.4 Espectroscopia de Infravermelho com Transformada de Fourier...146 7.1.5 Espectroscopia de absorção na Região do Ultravioleta-Visível – UV- vis...146 7.2 Procedimentos Sintéticos...147 7.3 Difração de Raios X de Monocristal...163 8. Referências...195 9. Anexos...208

1. Introdução

Arquiteturas mecanicamente entrelaçadas representam estruturas em que os fragmentos moleculares não estão conectados diretamente através de ligações covalentes, mas sim por intermédio de ligações mecânicas. As ligações mecânicas são formadas quando os fragmentos moleculares se tornam entrelaçados um com o outro de forma que o desentrelaçamento só pode ocorrer se uma ligação covalente de um fragmento molecular for rompida. Os exemplos mais conhecidos de estruturas entrelaçadas são as rotaxanas e as catenanas (Figura 1.1). A rotaxana consiste em uma estrutura formada por um anel preso mecanicamente a um fio molecular com grupos volumosos inseridos em suas extremidades. Seu nome deriva do latim rota (roda) e axis (eixo). Por sua vez, as catenanas (derivada da palavra “catena” que, em latim, significa “corrente”) consistem em estruturas formadas por dois ou mais anéis moleculares presos mecanicamente um ao outro.1, 2

Figura 1.1 – Representação esquemática de uma rotaxana e de uma catenana.

As pesquisas no campo das moléculas entrelaçadas têm conquistado importantes avanços nos últimos cinquenta anos desde o pioneiro trabalho realizado por Wasserman3 em 1960 quando se observou que catenanas poderiam ser formadas em rendimento baixos por meio do encadeamento aleatório de precursores macrocícliclos. O rendimento deste processo foi relativamente melhorado em 1964 por Schill e Lüttringhaus4 empregando uma estratégia sintética de template (molde) na qual os precursores moleculares eram mantidos em posições favoráveis ao entrelaçamento por ligações covalentes reversíveis. Embora o molde tenha melhorado o rendimento de produtos mecanicamente ligados, sua síntese mostrou-se muito trabalhosa. Em 1973 Sokolov5 sugeriu o uso de metais de transição em complexos octaédricos para direcionar os ligantes na formação de nós moleculares e catenanas, o que se concretizou em 1981 quando Ogino6 utilizou complexos metálicos na captura covalente de uma ciclodextrina para formar, pela primeira vez, uma rotaxana. Apesar disso, os maiores avanços sintéticos no campo deram-se a partir de 1983 quando Sauvage e colaboradores7 propuseram o uso

inédito do íon tetraédrico Cu(I) e derivados de fenantrolina para direcionar a síntese de catenanas em rendimentos muito superiores aos até então reportados. Essa abordagem, também chamada de método metal molde passivo, depende somente das propriedades de coordenação química do íon metálico e dos ligantes para montar elaboradas arquiteturas entrelaçadas. Mais especificamente, o metal direciona os ligantes acíclicos através da formação de complexos metálicos com geometrias pré-definidas para criar pontos de sobreposição entre eles de tal forma que, após a ciclização e posterior remoção do íon metálico molde da estrutura, os componentes não podem mais ser separados, resultando, portanto, na formação da ligação mecânica. No caso da formação de rotaxanas, grupos químicos direcionadores orientam os componentes linear e cíclico de forma que o primeiro passe por dentro do segundo para formar o intermediário conhecido como pseudo- rotaxana. Em sequência, grupos volumosos são introduzidos nas partes terminais do componente linear para formar a rotaxana final após a remoção do íon molde.8 As sínteses empregando molde passivo dominaram o campo das moléculas entrelaçadas por muitos anos, incluindo além do metal molde outras interações não covalentes como a ligação de hidrogênio nos macrociclos de Leigh, a abordagem dirigida por ligação hidrofóbica e por ânions empregada por Beer e o template  elétron-rico/elétron-deficiente de Stoddart.9,10

Por várias décadas, íons metálicos foram utilizados apenas para direcionar os blocos construtores dos sistemas entrelaçados.10 Os notáveis avanços alcançados pela síntese metal molde passivo levaram pesquisadores a projetar estratégias de entrelaçamento que incluem os recursos catalíticos dos íons metálicos. Leigh e colaboradores foram pioneiros neste método que ficou conhecido como síntese metal molde ativo.11,12 Nele, o íon metálico intermedia a formação de uma nova ligação covalente a qual tornará o sistema entrelaçado, desempenhando o duplo papel de direcionar a topologia da arquitetura entrelaçada e catalisar a captura covalente dos blocos estruturais.

O número de reações catalisadas por metal de transição empregadas para efetuar ligações mecânicas via estratégia de metal molde ativo tem se tornado cada vez maior, com destaque para a cicloadição de alcinos e azidas terminais catalisadas por cobre(I) (reação clique)12 e acoplamento de alcinos terminais13 além de reações organometálicas clássicas catalisadas por paládio,14 níquel,15 zinco,16 dentre outros. O acesso relativamente a várias estruturas entrelaçadas tem

permitido grandes avanços em nanotecnologia baseados em ligações mecânicas devido a sua peculiar dinâmica molecular. Entre os mais elegantes, podem-se citar as “máquinas moleculares”, campo recentemente reconhecido pela Academia Sueca de Ciências com a atribuição do prêmio Nobel em Química a Jean-Pierre Sauvage, Sir James Fraser Stoddart e Bernard L. Feringa,17 além de bombas artificiais de gradiente de concentração de pequenas moléculas,18c hospedeiros moleculares,18d sistemas para liberação controlada de drogas anticâncer,18e catalisadores topológicos18f e fotossintetizadores artificiais.18g

Os complexos metálicos explorados até agora no método molde ativo são espécies formais de metais de transição em que os processos redox são centrados principalmente no metal. Os ligantes macrocíclicos endotópicos são considerados como espectadores e basicamente providenciam o íon metálico com os clássicos fatores eletrônicos e estéricos que facilitam o processo de catálise e o entrelaçamento dos componentes. Entretanto, novos desenvolvimentos nas pesquisas em complexos de metais de transição têm aberto a possibilidade para os íons metálicos compartilharem informações redox com os ligantes durante o ciclo organometálico. Este método tem permitido o design de complexos de metais de transição únicos capazes de promover transformações químicas desafiadoras.19 Por exemplo, a ativação dos ligantes por íons metálicos de camada aberta após a coordenação, leva à formação de substratos intermediários radicalares que demonstram reatividade distinta daquelas de seus análogos de camada fechada nos passos subsequentes do processo organometálico.19 Neste cenário, foi publicado de forma independente pelos grupos de Zhang20a e Cenini20b que Co(II)porfirinatos mediam reações de transferência de carbenos formados a partir de diazoacetatos para olefinas terminais para formar derivados de ciclopropanos em rendimento elevados. Notavelmente, Co(II)porfirinatos permitem a formação de carbenos radicalares,20d os quais apresentam maior caráter nucleofílico do que aqueles produzidos a partir de porfirinatos de metais de camada fechada, como rutênio e ródio. Consequentemente, a seletividade química do processo de transferência é muito maior, pois a cinética da reação colateral de dimerização do carbeno intermediário é significativamente reduzida.20 Outra importante vantagem do mecanismo radicalar promovido pelos Co(II)porfirinatos é que mesmo olefinas eletrodeficientes podem ser usadas como substratos nas reações de ciclopropanação.21,22

Dentro deste contexto, o presente trabalho reporta uma inovadora estratégia metal molde ativo para a síntese de [2]rotaxanas baseada em reações de transferência de carbeno radical a olefinas terminais. Raciocinamos que a introdução de uma alça molecular em um Co(II)porfirinato poderia originar uma porfirina macrocíclica com uma cavidade bem definida e com as duas posições axiais do Co(II)porfirinato disponíveis para coordenação adicional de ligantes monodentados ou ativação de substratos. No entanto, o tamanho específico da cavidade do macrociclo poderia criar uma assimetria nas duas posições axiais do Co(II)porfirinato devido ao impedimento estérico gerado. Portanto, a coordenação seletiva de ligantes volumosos de campo forte poderia ocorrer somente fora da cavidade do macrociclo, enquanto o sítio axial interno estaria livre para ativar substratos orgânicos. Assim, o macrociclo Co(II)porfirinato coordenado a um ligante axial externo à cavidade poderia funcionar como um complexo endotópico capaz de mediar reações de transferência de carbeno radical entre derivados diazoacetatos e olefínicos somente dentro da cavidade do macrociclo para conectar dois fragmentos moleculares via formação de ciclopropanos e produzir o componente linear de rotaxanas.