UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE QUÍMICA
Arthur Francisco de Paiva Alcântara
DESENVOLVIMENTO DE NOVAS ESTRATÉGIAS MOLDE PARA A SÍNTESE DE POLIROTAXANAS
CAMPINAS 2018
Arthur Francisco de Paiva Alcântara
DESENVOLVIMENTO DE NOVAS ESTRATÉGIAS MOLDE PARA A SÍNTESE DE POLIROTAXANAS
Tese de Doutorado apresentada ao Instituto de Química da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutor em Ciências
Orientador: Prof. Dr. Jackson Dirceu Megiatto Júnior.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELO ALUNO ARTHUR FRANCISCO DE PAIVA ALCÂNTARA E ORIENTADA PELO PROF. DR. JACKSON DIRCEU MEGIATTO JÚNIOR.
CAMPINAS 2018
Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): FAPESP, 2013/22160-0; CAPES Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca do Instituto de Química Camila Barleta Fullin - CRB 8462 Alcântara, Arthur Francisco de Paiva, 1986-
AL16d Desenvolvimento de novas estratégias molde para a síntese de
polirotaxanas / Arthur Francisco de Paiva Alcântara. – Campinas, SP : [s.n.], 2018.
Orientador: Jackson Dirceu Megiatto Júnior.
Tese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química.
1. Rotaxana. 2. Moléculas mecanicamente entrelaçadas. 3. Carbenos. 4. Porfirinas. 5. Síntese molde ativo. I. Megiatto Júnior, Jackson Dirceu, 1978-. II. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Química. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Development of new template strategies for the synthesis of polyrotaxanes
Palavras-chave em inglês: Rotaxane
Mechanically interlocked molecules Carbenes
Porphyrins
Active-template synthesis
Área de concentração: Química Inorgânica Titulação: Doutor em Ciências
Banca examinadora: Jackson Dirceu Megiatto Júnior [Orientador] Igor Dias Jurberg
Airton Gonçalves Salles Junior Welter Cantanhêde da Silva Fabio Henrique Barros de Lima Data de defesa: 06-07-2018
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Jackson Dirceu Megiatto Júnior (Orientador)
Prof. Dr. Igor Dias Jurberg (IQ-UNICAMP)
Prof. Dr. Airton Gonçalves Salles Junior (IQ-UNICAMP)
Prof. Dr. Welter Cantanhêde da Silva (UFPI)
Prof. Dr. Fabio Henrique Barros de Lima (USP-São Carlos)
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do(a) aluno(a).
Este exemplar corresponde à redação final da Tese de Doutorado defendida pelo(a) aluno(a) ARTHUR FRANCISCO DE PAIVA ALCÂNTARA, aprovada pela Comissão Julgadora em 06 de julho de 2018.
Dedicatória
Dedico esta obra a Joana de Paiva Dias Alcântara, in memorian, por todo amor, carinho, benevolência, paciência, incentivo, dedicação, compreensão, valores éticos e por sempre ter sonhado com meu sucesso... Amo-te eternamente mãezinha!
Agradecimentos
Primeiramente agradeço ao Senhor Jesus Cristo por tudo que me deu sem eu merecer.
A minha esposa Rebeca Rios, meu pai Francisco Alcântara, meus irmãos Márcia, Caroline, Davi e Rebeca e demais familiares por todo apoio que me deram na decisão e lutas enfrentadas nessa caminhada.
Ao Professor Jackson pela confiança, oportunidade, ensinamentos, paciência, momentos amigáveis e “brigas” que tanto contribuíram para minha formação e amadurecimento como pesquisador.
Aos Pastores Cleomar Borges e Sebastião Machado por todos os conselhos e orações a meu favor e que tanto me ajudaram a permanecer e perseverar.
Aos amigos e companheiros de batalha na pesquisa Liniquer, Marlon, Vitor Hugo e Yuri por todas as contribuições científicas e momentos de diversão que tivemos.
Aos Professores Marcos Ribeiro e Wdeson Barros pelas contribuições na resolução das estruturas cristalinas.
Aos meus colegas de laboratório Aline, Arhur Duarte, Dezote, Diego, Gabriela, Kamila, Laiane, Mateus Stivanin, Miguel, Rafael, Ricardo Costa, Ricardo Cachichi, Silze, Thiago, Viviane e Weber pelos momentos que vivemos juntos, incluindo as risadas e discussões científicas.
Aos professores Cátia Ornelas e Igor Jurberg por nos acolher no início do trabalho, quando nosso laboratório ainda não estava pronto.
Aos técnicos de laboratório Hélio (este também pelos momentos de descontração) e José Ricardo por todo o auxílio.
À professora Anita Marsaioli e seu aluno de doutorado, Michel Chaves, pelas análises de MALDI-TOF.
Aos técnicos Anderson, Gustavo e Paula (RMN), Claudinha (UV-vis), Sônia (FTIR), Priscila (massas) e Débora (DRX de monocristal).
Ao Laboratório Nacional de Luz Síncontron pela análise DRX de monocristal.
Ao Instituto Federal do Sertão Pernambucano pelos incentivos de qualificar seus profissionais.
À Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP (Processo No. 2013/22160-0) pelo apoio financeiro e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo PRODOUTORAL.
Epígrafe
“E disse-lhes Pedro: Arrependei-vos, e cada um de vós seja batizado em nome de Jesus Cristo, para perdão dos pecados; e recebereis o dom do Espírito Santo; Porque a promessa vos diz respeito a vós, a vossos filhos, e a todos os que estão longe, a tantos quantos Deus nosso Senhor chamar.”
Atos 2: 38, 39. Bíblia Sagrada
Resumo
Arquiteturas moleculares mecanicamente entrelaçadas representam topologias em que os fragmentos moleculares não estão ligados diretamente através de ligações covalentes, mas sim através de ligações mecânicas. As ligações mecânicas são formadas quando os fragmentos moleculares se tornam entrelaçados um com o outro de forma que sua separação só pode ocorrer por meio do rompimento de uma ligação covalente. Um exemplo de moléculas entrelaçadas é a rotaxana, estrutura formada por um anel preso mecanicamente a um fio molecular com grupos volumosos inseridos em suas extremidades. Uma abordagem para preparar rotaxanas consiste em construir um macrociclo que atuará como hospedeiro para o fio molecular que o transpassará, funcionando como um sistema roda e eixo, respectivamente. Uma das estratégias mais eficientes para montagem de rotaxanas faz uso de metais de transição como molde. Nesse contexto, reportamos um novo macrociclo semirrígido baseado em Co(II)porfirinato que, axialmente coordenado ao ligante 3,5-difenilpiridina, funciona como um complexo endotópico para direcionar a montagem de [2]rotaxanas por meio de reação de ciclopropanação entre diazocompostos e estirenos via reações de transferência de carbeno radical com 95% de rendimento sob condições otimizadas. O método aqui relatado aplica a estratégia metal molde ativo para a montagem de moléculas entrelaçadas por meio da ativação de ligantes do tipo radical pelo metal molde durante o processo organometálico para finalmente produzir a ligação mecânica. Uma investigação espectroscópica detalhada, incluindo espectroscopias bidimensionais de RMN e análise de FTIR, confirma a estrutura da rotaxana e revela uma incomum interação inter-componente entre o íon cobalto do macrociclo e o grupo carbonila do fio após a oxidação da paramagnética rotaxana baseada em Co(II)porfirinato a sua análoga diamagnética baseada em Co(III)porfirinato. Além disso, uma análise quantitativa cuidadosa da distribuição de produtos proporcionada pela reação de automontagem da rotaxana mostra que a subunidade Co(II)porfirinato ainda está ativa após a formação da ligação mecânica e, por reação com um diazocomposto adicional, promove uma nova reação de inserção C-H inter-componente para produzir uma rotaxana subproduto. Esta inesperada inserção C-H inter-componente ilustra uma reatividade distinta trazida ao catalisador Co(II)porfirinato pela ligação mecânica. Os resultados aqui relatados são pioneiros
na utilização de ligantes redox não inocentes na montagem de moléculas entrelaçadas e abrem a possibilidade de usar a presente metodologia para projetar máquinas moleculares ligadas mecanicamente. A obtenção da rotaxana em elevados rendimentos indica que a metodologia pode ser uma boa candidata a ser empregada na síntese de polímeros entrelaçados.
Abstract
Mechanically interlocked molecular architectures represent topologies in which the molecular fragments are not bound directly through covalent bonds, but through mechanical bonds. Mechanical bonds are formed when the molecular fragments become entangled with one another so that their separation can only occur through the disruption of a covalent bond. An example of interlocked molecules is rotaxane, structures formed by a ring mechanically attached to a molecular thread with bulky groups inserted at its ends. One approach to preparing rotaxanes is to construct a macrocycle that will act as host for the molecular thread that will pass through it, functioning as a wheel and axis system, respectively. One of the most efficient strategies for rotaxane assembly makes use of transition metals as a template. In this context, we report a new semi-rigid Co(II)porphyrinate-based macrocycle on which, axially coordinated to the 3,5-diphenylpyridine moiety, functions as an endotopic complex to direct the assembly of [2]rotaxanes by cyclopropanation reaction between diazocompounds and styrenes via radical carbene transfer reactions in 95% yield under optimized conditions. The method reported here applies the active-metal template strategy for assembling interlocked molecules by activating ligands of the radical-type by the metal-template during the organometallic process that ultimately yield the mechanical bond. A detailed spectroscopic investigation, including two-dimensional NMR spectroscopy and FTIR analysis, confirms the rotaxane structure and reveals an unusual intercomponent interaction between the cobalt ion on the macrocycle and the carbonyl group of the thread after the oxidation of the paramagnetic Co(II)porphyrinate-based rotaxanes to its diamagnetic Co(III)porphyrinate-based analog. Furthermore, a careful quantitative analysis of the products distribution afforded from the rotaxane self-assembling reaction shows that the Co(II)porphyrin subunit is still active after the formation of the mechanical bond and, by reaction with an additional diazocompound, promotes a new reaction of insertion C-H intercomponent to produce a by-product rotaxane. This unexpected intercomponent C-H insert illustrates a distinct reactivity brought to the Co(II)porphyrinate catalyst by the mechanical bonding. The results reported here are pioneers in the use of non-innocent redox ligands in the assembly of interlocked molecules and open the possibility of using the present methodology to design mechanically bound molecular machines. In addition, obtaining rotaxane in high
yields indicates that the methodology may be a good candidate to be employed in the synthesis of interlocked polymers.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Lista de EsquemasEsquema 1.1 - A coordenação de ligantes nitrogenados a macrociclos baseados em Co(II)porfirinatos produz complexos endotópicos capazes de promover transferência de carbenos radicalares a olefinas para fornecer [2]rotaxanas em excelentes rendimentos...35 Esquema 2.1 - Exemplos de arquiteturas entrelaçadas, suas representações esquemáticas e definições...38 Esquema 2.2 - Síntese estatística de uma [2]catenana reportada por Wasserman em 1960...40 Esquema 2.3 - Síntese dirigida por ligação covalente da [2]catenana reportada por Schill e Lüttringhaus em 1964...41 Esquema 2.4 - Primeira síntese PMT de uma molécula entrelaçada reportada por Sauvage em 1983...42 Esquema 2.5 - Variação da estratégia de Sauvage para preparação de uma rotaxana...42 Esquema 2.6 - [2]Rotaxana montada utilizando o íon quadrado planar Pd(II) como molde por RCM com 77% de rendimento...44 Esquema 2.7 - Uso da reação "clique" por Megiatto e colaboradores para formar catenanas. a) [3]Catenanas não simétricas foram preparadas com um rendimento de 65 a 70% em três etapas a partir dos ligantes livres. b) [2]Catenanas foram preparadas com grupos funcionais úteis na periferia com rendimento de até 92%...45
Esquema 2.8 - Montagem de polímero metalosupramolecular via molde passivo seguido de fechamento de anel por metáteses e desmetalação para formar a poli[n]catenana...46
Esquema 2.9 - Representação esquemática da abordagem metal molde ativo para (i) formação de uma rotaxana e (ii) formação de uma catenana...47
Esquema 2.10 - Abordagem original metal molde ativo utilizando reação CuAAC...48
Esquema 2.11 - MIMs contendo íons em sua composição. a) Grupos volumosos ligados fios moleculares por ligação metal-ligante; b) Formação de Pd(II)-catenana sob controle termodinâmico; c) Rotaxana híbrida organica-inorgânica heterometálica automontada com base em metalo-macrociclos e estrutura cristalina [4]rotaxana duplamente entrelaçada montada a partir dessa estratégia; d) Ônibus molecular
usado como ligante para demonstrar amplitude de movimento translacional dentro de um material MOF...56
Esquema 2.12 - Estruturas entrelaçadas proporcionadas pela estratégia proposta por Stoddart e seus colaboradores. No topo uma [3]-Catenana e embaixo uma [2]rotaxana biestável, no qual a unidade macrociclo ciclobis-paraquat-p-fenileno (i)
pode alternar entre as estações tetrathiafulvaleno (ii) e dioxinaftaleno (iii) através de processos redox...58
Esquema 2.13 - Movimentos moleculares de grande amplitude peculiares de MIMs que permitem sua potencial aplicação como máquinas moleculares...59
Esquema 2.14 - Movimentos de catenanas em resposta a variações de pH (i) e luz (ii)...60
Esquema 2.15 - Primeiro shuttle (ônibus molecular) sintetizado pelo grupo de Sttodart...60
Esquema 2.16 - Síntese do elevador molecular sintetizado pelo grupo de Sttodart...61
Esquema 2.17 - Movimento de expansão e contração do músculo molecular sintetizado por Sauvage e colaboradores...62
Esquema 2.18 - Movimento do músculo molecular de Stoddart ancorado em lâmina de ouro...63
Esquema 2.19 - Máquinas moleculares quimicamente abastecidas: a) Motor rotativo [3]catenana com dois anéis girando unidirecionalmente em torno de um macrociclo; b) Bomba molecular linear...64 Esquema 2.20 - Moléculas que sintetizam moléculas: o ribossomo artificial...65
Esquema 2.21 - Tríade bioinspirada de subunidades redox ligadas covalentemente. Após a irradiação (1, h), o sistema sofre primeiramente transferência de elétrons (2, ET) seguido de transferência de elétrons acoplada a transferência de prótons (3, PCET)...67
Esquema 2.22 - Oxidação de ligantes levando ao aumento da acidez de Lewis do metal...70
Esquema 2.23 - Reações de adição oxidativa em complexos d0 de Zr(IV) em virtude das propriedades de liberação de elétrons de ligantes redox ativos...71
Esquema 2.24 - Ativação cooperativa de substrato pelo metal e pela tirosina redox ativa em transformação catalítica do tipo radical mediada por GOase...72
Esquema 2.25 - Comportamento REDOX não inocente para CoP explicado de forma simplificada por diagrama de orbitais moleculares...77
Esquema 2.26 - Mecanismo radicalar de passo a passo proposto para a ciclopropanação catalisada por Co(II)porfirinato...80 Esquema 2.27 - Geração de Cobato(III)vinilcarbeno radical da reação de CoTPP com Etilestirildiazocetato e subsequente homodimerização via formação de ligação C-C...80 Esquema 2.28 - Geração de Cobato(III)vinilcarbeno radical da reação de CoTPP com etilestirildiazocetato e sua subsequente captura por TEMPO via formação de ligação C-O...81
Esquema 3.1 - Representação esquemática da síntese da polirotaxana através da
estratégia metal molde ativo baseada em reações de ciclopropanação entre fragmentos olefina e diazoacetatos promovida por CoP...83
Esquema 4.1 - Estratégia sintética utilizada para preparar o macrociclo S6...87 Esquema 4.2 - Mecanismo geral para a reação de borilação de Miyaura. Destacada à direita está a estrutura do complexo [PdCl2(dppf)] usado como catalisador...88 Esquema 4.3 - Mecanismo geral para a formação do composto S2 por acoplamento Suzuki...90 Esquema 4.4 - Mecanismo proposto para a formação do DPM S3, promovida por ácido, a partir de pirrol e paraformaldeído...92 Esquema 4.5 - Macrociclo obtido a partir da esterificação do atropoisômero solúvel () com ácido glutárico...102 Esquema 4.6 - Testes para descobrir o ácido dicarboxílico adequado para macrociclização de S4 via esterificação. (a) BOP-Cl, Et3N, DMF, t. a., atmosfera N2, 24h, rendimentos de 3, 6, 21 e 36%, respectivamente para n = 1 (ácido glutárico), n = 3 (ácido pimélico), n = 4 (ácido subérico) e n = 5 (ácido azeláico)...104 Esquema 4.7 - Metalação do macrociclo S6. Condições: Co(OAc)2•4H2O, DMF, refluxo, 2 horas, atmosfera N2...107 Esquema 4.8 - Redução do CoP’ a CoP em solução de ácido ascórbico...109 Esquema 4.9 - Oxidação do macrociclo 1 por AgBF4, em presença de imidazol formando o complexo 1’-IM...111 Esquema 4.10 - Rota sintética para obtenção do diazocomposto 2 e da olefina 3...113
Esquema 4.11 - Isomerismo conformacional do diazocomposto 2 responsável pelos dois singletos observados para Hf no espectro de RMN 1H...116 Esquema 4.12 - Representação da síntese metal molde ativo da rotaxana baseada em transferência de carbeno radical ao estireno promovida por CoP...118 Esquema 4.13. Mecanismo proposto para a síntese de rotaxanas usando a reação de transferência de carbeno radical para olefinas promovida pelo Macrociclo 1...119 Esquema 4.14 - Interações reportadas na literatura que podem estar favorecendo a ciclopropanação endotópica mesmo na ausência de ligante axial...120 Esquema 4.15 - Possibilidades de reação da rotaxana com um diazo extra endo- ao componente macrocíclico...125 Esquema 4.16 - Mecanismo proposto para a reação de inserção C-H via catálise radicalar promovida por Co(II)porfirinatos...125 Esquema 4.17 - Oxidação do macrociclo 1 por AgBF4, em presença de
t-butilpiridina...127 Esquema 4.18 - Procedimento sintético empregado para obtenção do ligante axial volumoso S14...131 Esquema 4.19 - Representação esquemática da perda do ligante axial durante processo de purificação e seu monitoramento por UV-vis...135 Esquema 4.20 - Conversão da rotaxana 9 paramagnética para a rotaxana 11 diamagnética por meio da oxidação com AgBF4 em presença de imidazol para investigação estrutural por RMN...136 Esquema 7.1 - Estratégia sintética utilizada para preparar o macrociclo 1, o diazoacetato 2, o estireno 3 e a piridina S12...147 Lista de Figuras
Figura 1.1 - Representação esquemática de uma rotaxana e uma catenana...32 Figura 2.1 - Sistemas entrelaçados naturais: (a) A estrutura em forma de rotaxana da coluna vertebral; (b) O DNA catenânico...39
Figura 2.2 - Estrutura cristalina de nó molecular de 192 átomos - íons de ferro (roxo)
e átomos de oxigênio (vermelho), nitrogênio (azul escuro), carbono (cinza metálico, com um dos blocos de construção em azul claro) e um cloreto (verde)...46
Figura 2.3 - MIMs complexas obtidas por AMT. a) Catenanas produzidas com rendimento moderado por acoplamentos de Glaser modificado e CuAAC. b) Nó sintetizado por abordagem mista de molde ativo/passivo e seu complexo
intermediário. c) Múltiplas [4]rotaxana (R1 = 4-tBu-C6H4) e [3]rotaxana (R2 =
3,5-di-tBu-C6H3) obtidas por acoplamento sp3-sp3 e acoplamento Glaser. d) [3]Rotaxana
sintetizada por acoplamento Glaser e subsequente entrelaçamento direcionado por PMT. e) Epímeros congestionados e separáveis podem ser usados na síntese de rotaxanas quirais planas e enantiopuras. f) Rotaxana pró-fármaco demonstra o nível de complexidade molecular que pode ser alcançado usando a reação AMT-CuAAC. A molécula contém derivados de açúcar (verde e laranja), um ligante auto-imolativo (cinza) e derivado de paclitaxel (vermelho)...51
Figura 2.4 - Materiais eletrônicos e oligoméricos de arquitetura entrelaçada preparados por metal molde ativo. a) Estruturas conjugadas. b) oligo[n]rotaxanas...53
Figura 2.5 - Moléculas entrelaçadas como catalisadores. a) O ligante quiral entrelaçado de Leigh tem desempenho diferente em uma adição de Michael mediada por Ni comparado ao ligante não entrelaçado. R = 4-C6H4-C(4-tBu-C6H4)3.
b) O complexo rotaxana-Au tem comportamento catalítico de ciclopropanação responsivo a estímulos em comparação com o análogo de não entrelaçado. c) O fio contendo diino da rotaxana é convertido em um fio pirrólico...54
Figura 2.6 - Estrutura da porfirina e numeração das posições de seus carbonos...66
Figura 2.7 - Possíveis formas de coordenação do carbeno em complexos de metaloporfirinas...75
Figura 2.8 - Componentes individuais simuladas I, II e III para o espectro de EPR para Co(II)porfirinato após adição de EDA...76
Figura 2.9 - Mudanças de energia para reações de CoP e EDA...79 Figura 4.1 - Espectro RMN 1H (400 MHz, CDCl3, 298 K) do composto S1...88 Figura 4.2 - Espectro ESI-MS do composto S1 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, MeCN)...89 Figura 4.3 - Espectro RMN 1H (600 MHz, CDCl3, 298 K) do composto S2...90 Figura 4.4 - Espectro EI-MS do composto S2 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, MeCN)...91 Figura 4.5 - Espectro RMN 1H (400 MHz, CDCl3, 298 K) do composto S3. * = água residual...92 Figura 4.6 - Espectro ESI-MS do composto S3 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, MeCN)...93
Figura 4.7 - (a): mistura dos atropoisômeros e em diclorometano; (b): após a separação por coluna cromatográfica de gel de sílica, um dos atropoisômeros é insolúvel em DCM, enquanto que o outro é solúvel neste solvente. Condições: concentração 10 mmol L-1, t. a...94 Figura 4.8 - Espectros de RMN 1H dos atropoisômeros menos solúvel (azul) e solúvel (vermelho). DMSO-d6, 500 MHz, 298 K. * = clorofórmio residual; ** = água residual do solvente deuterado; *** DMSO residual...96 Figura 4.9 - Atribuição do espectro de RMN 1H do atropoisômero mais polar em sílica (DMSO-d6, 500 MHz, 298 K). * = água residual do solvente deuterado; ** = DMSO residual; *** = acetona residual...96 Figura 4.10 - Matrizes usadas na análise de espectrometria MALDI-TOF...97 Figura 4.11 - Espectro MALDI-TOF do atropoisômero menos solúvel. Condições: modo positivo, DPB como matriz. O gráfico mostra um zoom na região m/z do pico para revelar a distribuição isotrópica. a.u. = unidade arbitrária...98 Figura 4.12 - Espectro MALDI-TOF do atropoisômero mais solúvel. Condições: modo positivo, DPB como matriz. O gráfico mostra um zoom na região m/z do pico para revelar a distribuição isotrópica. a.u. = unidade arbitrária...98 Figura 4.13 - Estrutura cristalina do atropoisômero pouco solúvel (esquerda) e do atropoisômero solúvel (direita). Os átomos de hidrogênio foram omitidos para fins de clareza...100 Figura 4.14 - Célula unitária para os atropoisômeros (topo-esquerda) e (topo-direita). Distâncias intermoleculares para (abaixo esquerda), a = 3,75 Å; b = 3,84 Å; c = 5,41 Å; d = 4,10 Å. Para (abaixo direita), e = 4,73 Å; f = 5,42 Å; g = 4,73 Å; h = 4,16 Å; i = 4,48 Å. Os hidrogênios foram omitidos da estrutura cristalina para fins de clareza...101 Figura 4.15 - Espectro MALDI-TOF do macrociclo obtido a partir da esterificação do atropoisômero solúvel () com ácido glutárico. Condições: modo positivo, DPB como matriz. O gráfico mostra um zoom na região m/z do pico para revelar a distribuição isotrópica. a.u. = unidade arbitrária...103 Figura 4.16 - Espectro MALDI-TOF do macrociclo obtido a partir da esterificação do atropoisômero solúvel () com ácido pimélico. Condições: modo positivo, DPB como matriz. O gráfico mostra um zoom na região m/z do pico para revelar a distribuição isotrópica. a.u. = unidade arbitrária...105
Figura 4.17 - Espectro MALDI-TOF do macrociclo obtido a partir da esterificação do atropoisômero solúvel () com ácido subérico. Condições: modo positivo, DPB como matriz. O gráfico mostra um zoom na região m/z do pico para revelar a
distribuição isotrópica. a.u. = unidade arbitrária...105
Figura 4.18 - Espectro MALDI-TOF do macrociclo obtido a partir da esterificação do atropoisômero solúvel () com ácido azeláico. Condições: modo positivo, DPB como matriz. O gráfico mostra um zoom na região m/z do pico para revelar a distribuição isotrópica. a.u. = unidade arbitrária...105
Figura 4.19 - Espectro RMN 1H do S6 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...106
Figura 4.20 - Espectro de absorção UV-vis do composto S6. Condições: 10-5 M, DCM, t. a...106
Figura 4.21 - Espectro MALDI-TOF do Macrociclo 1. Condições: modo positivo, DPB como matriz. O gráfico mostra um zoom na região m/z do pico para revelar a distribuição isotrópica. a.u. = unidade arbitrária...108
Figura 4.22 - Espectro de absorção UV-vis do Macrociclo 1. Condições: 10-5 M, DCM, t. a...109
Figura 4.23 - Espectro de absorção UV-vis da fração do Macrociclo 1’ oxidada durante o processo de metalação. Condições: 10-5 M, DCM, t. a...109
Figura 4.24 - Espectro RMN 1H do Macrociclo 1’-IM hexacoordenado a dois imidazóis (400 MHz, CDCl3, 298 K). A atribuição foi realizada com o auxílio de técnicas de RMN 2D. * = CDCl3; ** = H2O...112
Figura 4.25 - Espectro RMN 1H da olefina (400 MHz, CDCl3, 298 K)...114
Figura 4.26 - Espectro ESI-MS do composto 3 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, MeCN)...114
Figura 4.27 - Espectro RMN 1H do diazocomposto 2 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...115
Figura 4.28 - Espectro ESI-MS do composto 2 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, MeCN)...116
Figura 4.29 - Espectro FTIR-ATR do diazocomposto 2...117
Figura 4.30 - Espectro de massa MALDI-TOF da rotaxana 9...120
Figura 4.31 - Espectro de massa MALDI-TOF dos subprodutos 5 + 7...122
Figura 4.32 - Espectro de massa MALDI-TOF da rotaxana subproduto...123
Figura 4.33 - Espectros de absorção UV-vis da rotaxana 9 (linha verde), rotaxana subproduto (linha laranja) e da mistura de subprodutos 5 + 7 (linha púrpura). Condições: 10-5 M, DCM, t. a...124
Figura 4.34 - Espectro RMN 1H do complexo 10 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...128 Figura 4.35 - Estrutura cristalina do complexo 10 (crescido a partir em difusão de vapor DCM/éter). Os átomos de hidrogênio e os contra-íons foram omitidos para fins de clareza...129 Figura 4.36 - Estrutura cristalina do macrociclo 1-DMSO vista ao longo do eixo c. Os átomos de hidrogênio foram omitidos para fins de clareza. Os elipsoides são desenhados com níveis de probabilidade de 50%...130 Figura 4.37 - Distâncias intermoleculares sugerem uma ligação de hidrogênio não clássica entre um dos hidrogênios meta do anel fenílico ligado à posição meso do núcleo Co(II)porfirinato e o centro metálico do macrociclo 1-DMSO vizinho...130 Figura 4.38 - Dimensões de cavidade medidas a partir da estrutura cristalina do macrociclo 1-DMSO...131 Figura 4.39 - Espectro RMN 1H do complexo S14 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...131 Figura 4.40 - Espectro ESI-MS do composto S14 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, MeCN)...132 Figura 4.41 - Espectros de absorção UV-vis da rotaxana 9 (linha verde) e rotaxana 9 axialmente coordenada a S14 (linha rosa). Condições: 10-5 M, DCM, t. a...135 Figura 4.42 - Espectros RMN 1H (500 MHz, CDCl3, 298 K) do macrociclo porfirínico S6 precursor de 1 (topo), rotaxana 11 (meio) e fio 8 (embaixo). A atribuição dos prótons foi baseada em espectroscopia de RMN 2D. TMS = tetrametilsilano. * = solvente residual; ** = impurezas alifáticas...137 Figura 4.43 - Espectro RMN 1H do fio 8 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...137 Figura 4.44 - Espectro RMN 1H da rotaxana 11 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...138 Figura 4.45 - Espectro RMN NOESY da rotaxana 11 (400 MHz, CDCl3, 298 K). As linhas tracejadas designam sinais cruzados espaciais entre os prótons R, S*, T e N’ do componente fio e o próton G do componente macrociclo. ** = impurezas alifáticas...139 Figura 4.46 - Espectro de absorção UV-vis da rotaxana 11. Condições: 10-5 M, DCM, t. a...140 Figura 4.47 - Espectro de massa MALDI-TOF da rotaxana 11...140 Figura 4.48 - Sobreposição dos espectros RMN 13C (125 MHz, CDCl3, 298 K) das carbonilas dos compostos S6 (vermelho), 8 (azul) e 11 (verde)...141 Figura 4.49 - Espectro FT-IR (ATR) da região de estiramento das carbonilas dos compostos S6 (vermelho), 8 (azul) e 10 (verde)...142
Figura 7.1 - Imagens do monocristal do Macrociclo 1-DMSO no hábito de agulhas vermelhas utilizados na análise de difração de raios...166 Figura 9.1 - Espectro RMN 1H (400 MHz, CDCl3, 298 K) do composto S1...208 Figura 9.2 - Espectro RMN 13C (125 MHz, CDCl3, 298 K) do composto S1...208 Figura 9.3 - Espectro ESI-MS do composto S1 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, MeCN)...209 Figura 9.4 - Espectro RMN 1H (600 MHz, CDCl3, 298 K) do composto S2...209 Figura 9.5 - Espectro RMN 13C (125 MHz, CDCl3, 298 K) do composto S2...210 Figura 9.6 - Espectro EI-MS do composto S2 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, MeCN)...210 Figura 9.7 - Espectro RMN 1H (400 MHz, CDCl3, 298 K) do composto S3. * = água residual...211 Figura 9.8 - Espectro RMN 13C (125 MHz, CDCl3, 298 K) do composto S3...211 Figura 9.9 - Espectro ESI-MS do composto S3 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, MeCN)...212 Figura 9.10 - Espectro de RMN 1H do composto S4 (DMSO-d6, 500 MHz, 298 K). * = água residual do solvente deuterado; ** = DMSO residual; *** = acetona residual...212 Figura 9.11 - Espectro de RMN 13C do composto S4 (DMSO-d6, 125 MHz, 298 K)...213 Figura 9.12 - Espectro MALDI-TOF do composto S4. Condições: modo positivo, DPB como matriz. O gráfico mostra um zoom na região m/z do pico para revelar a distribuição isotrópica. a.u. = unidade arbitrária...213 Figura 9.13 - Espectro de RMN 1H do composto S5 (DMSO-d6, 500 MHz, 298 K). * = água residual do solvente deuterado; ** = DMSO residual...214 Figura 9.14 - Espectro de RMN 13C do composto S5 (DMSO-d6, 125 MHz, 298 K)...214 Figura 9.15 - Espectro MALDI-TOF do composto S5. Condições: modo positivo, DPB como matriz. O gráfico mostra um zoom na região m/z do pico para revelar a distribuição isotrópica. a.u. = unidade arbitrária...215 Figura 9.16 - Espectro MALDI-TOF do macrociclo obtido a partir da esterificação de S4 com ácido glutárico. Condições: modo positivo, DPB como matriz. O gráfico mostra um zoom na região m/z do pico para revelar a distribuição isotrópica. a.u. = unidade arbitrária...215
Figura 9.17 - Espectro MALDI-TOF do macrociclo obtido a partir da esterificação de S4 com ácido pimélico. Condições: modo positivo, DPB como matriz. O gráfico mostra um zoom na região m/z do pico para revelar a distribuição isotrópica. a.u. = unidade arbitrária...216 Figura 9.18 - Espectro MALDI-TOF do macrociclo obtido a partir da esterificação de S4 com ácido subérico. Condições: modo positivo, DPB como matriz. O gráfico mostra um zoom na região m/z do pico para revelar a distribuição isotrópica. a.u. = unidade arbitrária...216 Figura 9.19 - Espectro MALDI-TOF do macrociclo S6. Condições: modo positivo, DPB como matriz. O gráfico mostra um zoom na região m/z do pico para revelar a distribuição isotrópica. a.u. = unidade arbitrária...217 Figura 9.20 - Espectro RMN 1H do S6 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...217 Figura 9.21 - Espectro RMN 13C do S6 (125 MHz, CDCl3, 298 K)...218 Figura 9.22 - Espectro de absorção UV-vis do composto S6. Condições: 10-5 M, DCM, t. a...218 Figura 9.23 - Espectro de FTIR-ATR do composto S6...219 Figura 9.24 - Espectro MALDI-TOF do Macrociclo 1. Condições: modo positivo, DPB como matriz. O gráfico mostra um zoom na região m/z do pico para revelar a distribuição isotrópica. a.u. = unidade arbitrária...219 Figura 9.25 - Espectro de absorção UV-vis do Macrociclo 1. Condições: 10-5 M, DCM, t. a...220 Figura 9.26 - Espectro de FTIR-ATR do Macrociclo 1...220 Figura 9.27 - Espectro de absorção UV-vis da fração do Macrociclo 1 oxidada durante o processo de metalação. Condições: 10-5 M, DCM, t. a...221 Figura 9.28 - Espectro RMN 1H do Macrociclo 1-Co(III) hexacoordenado a dois imidazóis (400 MHz, CDCl3, 298 K)...221 Figura 9.29 - Espectro RMN 1H do composto S7 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...222 Figura 9.30 - Espectro RMN 1H do composto S8 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...222 Figura 9.31 - Espectro RMN 1H do composto 3 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...223 Figura 9.32 - Espectro RMN 13C composto 3 (125 MHz, CDCl3, 298 K)...223 Figura 9.33 - Espectro ESI-MS do composto 3 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, MeCN)...224 Figura 9.34 - Espectro RMN 1H do composto S9 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...224
Figura 9.35 - Espectro RMN 13C do composto S9 (125 MHz, CDCl3, 298 K). * = DCM residual...225 Figura 9.36 - Espectro ESI-MS do composto S9 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, MeCN)...225 Figura 9.37 - Espectro RMN 1H do composto S10 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...226 Figura 9.38 - Espectro RMN 13C do composto S10 (125 MHz, CDCl3, 298 K)...226 Figura 9.39 - Espectro ESI-MS do composto S10 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, acetonitrila)...227 Figura 9.40 - Espectro RMN 1H do composto S11 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...227 Figura 9.41 - Espectro RMN 1H do composto S12 (400 MHz, CD3CO, 298 K)...228 Figura 9.42 - Espectro RMN 13C do composto S12 (125 MHz, CD3CO, 298 K)...228 Figura 9.43 - Espectro ESI-MS do composto S12 (modo negativo, 1,0 mg mL-1, MeCN) ...229 Figura 9.44 - Espectro RMN 1H do diazocomposto 2 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...229 Figura 9.45 - Espectro RMN 13C do diazocomposto 2 (125 MHz, CDCl3, 298 K)...230 Figura 9.46 - Espectro ESI-MS do diazocomposto 2 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, MeCN)...230 Figura 9.47 - Espectro FTIR-ATR do diazocomposto 2...231 Figura 9.48 - Espectro RMN 1H do composto S13 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...231 Figura 9.49 - Espectro RMN 13C do composto S13 (125 MHz, CDCl3, 298 K)...232 Figura 9.50 - Espectro RMN 1H do composto S14 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...232 Figura 9.51 - Espectro RMN 13C do composto S14 (125 MHz, CDCl3, 298 K)...233 Figura 9.52 - Espectro ESI-MS do composto S14 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, MeCN)...233 Figura 9.53 - Espectro RMN 1H do complexo 10 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...234 Figura 9.54 - Espectro de massa MALDI-TOF da rotaxana 9...234 Figura 9.55 - Espectro de absorção UV-Vis da rotaxana 9...235 Figura 9.56 - Espectro FTIR-ATR da rotaxana 9...235 Figura 9.57 - Espectro de massa MALDI-TOF dos subprodutos 5 + 7...236 Figura 9.58 - Espectro de absorção UV-Vis dos complexos 5 + 7...236 Figura 9.59 - Espectro de massa MALDI-TOF da rotaxana subproduto...237 Figura 9.60 - Espectro de absorção UV-Vis da rotaxana subproduto...237 Figura 9.61 - Espectro de absorção UV-Vis da rotaxana 9 coordenada a 3,5-difenilpiridina...238
Figura 9.62 - Espectro de absorção UV-Vis da rotaxana 9 purificada montada na presença do ligante axial 3,5-difenilpiridina...238 Figura 9.63 - Espectro RMN 1H do fio não entrelaçado 8 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...239 Figura 9.64 - Espectro RMN 13C do fio não entrelaçado 8 (125 MHz, CDCl3, 298 K)...239 Figura 9.65 - Espectro ESI-MS do fio não entrelaçado 8 (modo positivo, 1,0 mg mL-1, MeCN)...240 Figura 9.66 - Espectro FTIR-ATR do fio não entrelaçado 8...240 Figura 9.67 - Espectro RMN 2D-COSY do fio não entrelaçado 8 (500 MHz, CDCl3, 298 K). * = DCM residual...241 Figura 9.68 - Espectro RMN 1H da rotaxana 11 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...242 Figura 9.69 - Espectro de massa MALDI-TOF da rotaxana 11...242 Figura 9.70 - Ampliação da região do espectro de RMN 2D-COSY da rotaxana 11 utilizada para analisar as correlações que permitiram atribuições inequívocas dos sinais de prótons da fração ciclopropano (500 MHz, CDCl3, 298 K)...243 Figura 9.71 - Ampliação da região do espectro de RMN 2D-COSY da rotaxana 11 utilizado para analisar as correlações que permitiram atribuições inequívocas dos sinais de prótons do ligante axial imidazol (500 MHz, CDCl3, 298 K)...243 Figura 9.72 - Ampliação da região do espectro de RMN 2D-COSY da rotaxana 11 utilizado para analisar as correlações que permitiram atribuições inequívocas de alguns sinais de prótons da fenila do grupo volumoso tritil (500 MHz, CDCl3, 298 K)...244 Figura 9.73 - Ampliação da região do espectro de RMN 2D-COSY da rotaxana 11 utilizado para analisar as correlações que permitiram atribuições inequívocas de alguns sinais de prótons aromáticos (500 MHz, CDCl3, 298 K)...244 Figura 9.74 - Região alifática do espectro de RMN 2D-HSQC da rotaxana 11. As correlações verdes correspondem a grupos CH, enquanto as azuis correspondem a grupos CH2 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...245 Figura 9.75 - Região aromática do espectro de RMN 2D-HSQC da rotaxana 11. As correlações verdes correspondem a grupos CH, enquanto as azuis correspondem a grupos CH2 (400 MHz, CDCl3, 298 K)...245 Figura 9.76 - Espectro RMN NOESY da rotaxana 11 (400 MHz, CDCl3, 298 K). As linhas tracejadas designam sinais cruzados espaciais entre os prótons R, S*, T e N’
do componente fio e o próton G do componente macrociclo. ** = impurezas alifáticas...246 Figura 9.77 - Espectro de absorção UV-Vis da rotaxana 11...247 Figura 9.78 - Espectro FTIR-ATR da rotaxana 11...247
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 - Reações até agora empregadas na abordagem metal molde ativo...49 Tabela 4.1 - Solubilidade dos atropoisômeros e da tetrafenilporfirina (composto de referência) em diferentes solventes. Condições: 0,1 M; t. a...95 Tabela 4.2 - Experimentos realizados para determinação das melhores condições de formação da rotaxana...118 Tabela 4.3 - Experimentos realizados para formação da rotaxana 9 com excesso olefina e adição lenta de diazo composto...134 Tabela 7.1 - Dados da amostra e cristal para o Macrociclo 1-DMSO...163 Tabela 7.2 - Coordenadas atômicas fracionárias e isotrópico ou parâmetro equivalente isotrópico de deslocamento (Å2) para o macrociclo 1-DMSO...167 Tabela 7.3 - Parâmetros de deslocamento atômico (Å2) para o Macrociclo 1-DMSO...168 Tabela 7.4 - Parâmetros geométricos (Å, º) para o macrociclo 1-DMSO...170 Tabela 7.5 - Dados de cristal, detalhes de coleta de dados e refinamento de estrutura para os atropoisômeros S4 () e S5 ()...173 Tabela 7.6 - Comprimento de ligação (Å) com derivações padrão estimadas em parênteses para o atropoisômero...173 Tabela 7.7 - Ângulos de ligação (º) com derivações padrão estimadas em parênteses para o atropoisômero . iCódigo de simetria: -x, -y+1, -z...174 Tabela 7.8 - Comprimento de ligação (Å) com derivações padrão estimadas em parênteses para o atropoisômero ...174 Tabela 7.9 - Ângulos de ligação (º) com derivações padrão estimadas em parênteses para o atropoisômero ...175 Tabela 7.10 - Dados da amostra e cristal para o complexo 10...177 Tabela 7.11 - Coordenadas atômicas fracionárias e isotrópicas ou parâmetro equivalente isotrópico de deslocamento (Å2) para o complexo 10...178 Tabela 7.12 - Parâmetros de deslocamento atômico (Å2)...183
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS
Abreviação SignificadoAgBF4 Tetrafluorboreto de prata
AMT Active-metal template
a. u. arbitrary units
ATR Attenuated Total Reflection BiP Fenol-benzimidazol
BIPY2+ Bipiridínio
BOP-Cl Bis(2-oxo-3-oxazolidinyl)phosphinic chloride
ºC Graus Celsius
CBPQT4+ Ciclobis-paraquat-p-fenileno
CCD Cromatografia em camada delgada
CCDC The Cambridge Crystallographic Data Center
Co(OAc)2•4H2O Acetato de cobalto(II) tetrahidratado
CoP Co(II)porfirinato
CoP’ Co(III)porfirinato
COSY Correlation H-H spectroscopy
CoTPP Co(II)tetrafenilporfirina
CDCl3 Clorofórmio deuterado
cm-1 Número de onda
CuAAC Cu(I)-catalyzed 1,3-cycloaddition of azides with terminal alkynes DBU 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene DCC N,N’-dicyclohexylcarboiimide DCM Diclorometano DDQ 2,3-dicloro-5,6-diciano-p-benzoquinona DHB Ácido 2,5-dihidroxibenzóico
DFT Teoria do funcional da densidade DMAP 4-dimetilaminopiridina
DMF Dimetilformamida
DMSO Dimetilsulfóxido
DMSO-d6 Dimetilsulfóxido deuterado
DPB Trans,trans-1,4-difenil-1,3-butadieno
DPM Dipirrometano
DRX Difração de raios X
Variação de deslocamento químico
Deslocamento químico
EDA Etildiazoacetato
EPR Ressonância paramagnética de elétrons ESI-MS Electrospray ionization mass spectroscopy
ET Transferência de elétrons Et3N Trietilamina
EtOAc Acetato de etila
FTIR Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier
g Grama
GOase Galactose oxidade
H2O Água
HCCA Ácido -ciano-4-hidroxicinâmico
HCl Ácido clorídrico
HPLC High performance liquid chromatography
HSQC Heteronuclear single-quantum correlation
Hz Hertz
I2 Iodo
J Constante de acoplamento
K Kelvin
KAc Acetato de potássio
K2CO3 Carbonato de potássio
K3PO4 Fosfato de potássio
kV kilovolt
L Litro
máx Comprimento de onda máximo
[M]+ Íon molecular
MALDI-TOF Matrix-assisted laser desorption/ionization
Mg Magnésio
mg Miligrama
MHz Megahertz
MIMs Mechanically interlocked molecules
mL Mililitro
mmol Milimol
Mn Peso molecular médio numérico
MOF Metal-organic framework
MORF Metal-organic rotaxane framework
m/z Razão massa/carga
NaOH Hidróxido de sódio Na2CO3 Carbonato de sódio
NaI Iodeto de sódio
NCL Nature chemistry ligation
NH4Cl Cloreto de amônio
N2 Nitrogênio
N-Boc-Phe N-terc-(butoxicarbonil)-L-fenilalanina
nm Nanometro
NOE Nuclear Overhauser effect
NOESY Nuclear Overhauser Enhancement Spectroscopy
NP Naftaleno
Frequência
O2 Oxigênio
PCET Transferência de elétrons acoplada a prótons [Pd(PPh3)4] Tetrakis(triphenylphosphine)palladium(0)
[PdCl2(dppf)] [1,1’]-Bis(diphenylphosphino)ferrocene]dichlopalladium(II)
pH Potencial hidrogeniônico
pKa Potencial de constante de acidez
PMT Passive-metal template
pN piconewton
ppm Partes por milhão
PSII Fotossistema natural II
RCM Metátese de fechamento de anel de olefinas terminais RCPs Polímeros de coordenação de rotaxana
REDOX Redução e oxidação
Rf Fator de retenção
Rh Raio hidrodinâmico aumentado
RMN 1H Ressonância magnética nuclear de hidrogênio
RMN 13C Ressonância magnética nuclear de carbono-13 RMN 2D Ressonância magnética nuclear bidimensional
RNA Ácido ribonucléico SiO2 Sílica
SN2 Substituição nucleofílica bimolecular
t.a. Temperatura ambiente
TEMPO 2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl TFA Ácido trifluoroacético
TFF Tetratiafuvaleno
THF Tetrahidrofurano
TLC Thin Layer Chromatography
Tg Temperatura de transição vítrea
TON Turnover number
Tyr Tirosina
Sumário
1. Introdução...32 2. Revisão Bibliográfica...36 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.
Esquema 1.1 - A coordenação de ligantes nitrogenados a macrociclos baseados em Co(II)porfirinatos
produz complexos endotópicos capazes de promover transferência de carbenos radicalares a olefinas para fornecer [2]rotaxanas em excelentes rendimentos.
2. Revisão Bibliográfica
A ligação química é um dos temas importantes da ciência.23 Não por acaso, um dos livros mais influentes no campo da química é The Nature of the
Chemical Bond, de Linus Pauling cuja primeira edição foi publicada em 1939.24
Neste clássico trabalho, Pauling distingue em ligações eletrostáticas, covalentes e metálicas as forças que atuam mantendo unidos os átomos levando à formação de “agregados”. Três décadas depois se chegou à conclusão de que existe outro campo da química que vai além das moléculas, o qual Donald Cram25,26 chamava de química hóspede-hospedeiro e Jean-Marie Lehn27,28 chamou de Química Supramolecular. Esse novo campo da química centra-se no estudo do reconhecimento molecular e montagem de sistemas químicos constituídos por um número discreto de subunidades por meio de interações não covalentes. Esse tipo de interação entre seus blocos construtores permite aos sistemas supramoleculares um comportamento responsivo a estímulos externos. O processo que envolve a união de entidades organizadas é frequentemente referido como “automontagem” e a ligação não covalente que o acompanha como “reconhecimento molecular”.23
Ao longo dessas descobertas, tomava espaço outro tipo de ligação: a
Ligação Mecânica.10,23 Enquanto a ligação química está relacionada a forças de atração associadas com o compartilhamento de elétrons entre átomos ou a forças eletrostáticas que existem entre íons de cargas opostas, a ligação mecânica é uma ligação física que, em última análise, é governada por forças repulsivas que impedem que as ligações químicas se cruzem. As ligações químicas são compartilhadas entre átomos ou grupos de átomos. Por sua vez, as ligações mecânicas são compartilhadas entre entidades moleculares chamadas partes
componentes. Segue-se que uma ligação mecânica pode ser definida como um
emaranhamento no espaço entre duas ou mais partes componentes, de tal modo que estes componentes não podem ser separados sem o rompimento de ligações químicas entre os átomos.23
2.1 Moléculas mecanicamente entrelaçadas
Moléculas mecanicamente entrelaçadas (mechanically interlocked molecules, MIMs) podem ser definidas simplesmente como arquiteturas formadas
ligações mecânicas.10 Há diversos exemplos de MIMs, como as rotaxanas e as catenanas (Esquema 2.1). As [n]catenanas e as [n]rotaxanas (onde n representa o número de componentes mecanicamente ligados) são moléculas23 e não entidades supramoleculares ou supermoléculas, apesar de frequentemente conterem ligações não covalentes intramoleculares. É interessante destacar também que, embora as catenanas assumam as topologias triviais dos elos, as rotaxanas são topologicamente não triviais,10a pois suas partes componentes podem ser separadas por deformação contínua (por exemplo, expandindo o diâmetro de um anel ou encolhendo a seção transversal do grupo volumoso na extremidade do fio).
Esquema 2.1 – Exemplos de arquiteturas entrelaçadas, suas representações esquemáticas e definições.29-33
Na natureza, as arquiteturas entrelaçadas parecem desempenhar um papel essencial em algumas tarefas biológicas.1 Existe uma variedade de sistemas naturais entrelaçados, tais como a espinha de mamíferos em forma de rotaxana
(Figura 2.1A). Nela, as vértebras protegem a medula espinhal através de ligações mecânicas. Outro exemplo é o DNA catenânico (Figura 2.1B), que controla processos do DNA como recombinação e replicação, bem como as enzimas DNA polimerase e -exonuclease que formam uma estrutura rotaxana durante a replicação e reparo do DNA.
Figura 2.1 – Sistemas entrelaçados naturais: (a) A estrutura em forma de rotaxana da coluna
vertebral; (b) O DNA catenânico.1
A descoberta de sistemas entrelaçados naturais encorajou os cientistas a sintetizar miméticos dessas estruturas, a fim de compreender melhor a influência de processos interligados e formação de ligações mecânicas no funcionamento de sistemas biológicos. Apesar do interesse, a síntese de tais moléculas representou um desafio para os cientistas que trabalhavam neste campo. Os relatórios iniciais sobre estratégias sintéticas para preparar moléculas interligadas apareceram no início dos anos 60. Naquela época, a síntese de MIMs baseava-se em processos estatísticos de automontagem, ou seja, o produto intertravado era um dos diversos produtos de reação possíveis. Grandes progressos não foram obtidos em pesquisas no campo das MIMs sem o uso de interações intermoleculares não covalentes.
A primeira tentativa de obter moléculas mecanicamente entrelaçadas em laboratório deu-se com Wasserman3 (Esquema 2.2) em 1960, que, sem nenhuma interação não covalente entre os precursores das partes componentes, obteve uma [2]catenana com apenas 1% de rendimento por meio do encadeamento aleatório de precursores de macrociclos. Daí o uso do termo síntese estatística para descrever grande parte da pesquisa realizada na década de 1960.
Esquema 2.2 – Síntese estatística de uma [2]catenana reportada por Wasserman em 1960.3
Enquanto Wasserman estava realizando sua pesquisa nos laboratórios
Bell em Murray Hill, New Jersey, Gottfried Schill e Arthur Lüttringhaus4 estavam na Universidade de Freiburg na Alemanha planejando maneiras pelas quais os componentes de uma catenana poderiam ser reunidos usando uma ligação covalente que poderia ser clivada nos passos finais da síntese. O composto chave mostrado no topo do Esquema 2.3 foi obtido cristalino após 14 passos sintéticos em direção à síntese dirigida da [2]catenana mostrada na parte inferior do Esquema.Os autores chamaram a atenção para o fato de que a cadeia no precursor do composto-chave, que é anexado por meio de um acetal cíclico ao anel de benzeno, é mantida em ângulo reto com o plano do anel devido à configuração tetraédrica do átomo de carbono do grupo acetal, excluindo assim a formação do isômero com a ligação extra-anular do anel. Os quatro passos finais de um total 18 passos sintéticos foram todos em rendimentos quase quantitativos para proporcionar a [2]catenana. Além de ser uma síntese longa e difícil, após as ligações covalentes que mantêm as partes componentes juntas serem clivadas, os anéis entrelaçados são essencialmente desprovidos de qualquer "conversa cruzada" entre eles.
Esquema 2.3 – Síntese dirigida por ligação covalente da [2]catenana reportada por Schill e
Lüttringhaus em 1964.4
Apesar dos esforços, a obtenção de MIMs permaneceu um desafio sintético até 1983, quando Jean Pierre Sauvage7 introduziu uma nova estratégia baseada na formação de complexos de íons de metais de transição com geometrias bem definidas que orientam ligantes funcionalizados em posições favoráveis ao entrelaçamento, criando pontos de sobreposição entre as cadeias. Esta estratégia, chamada de metal molde passivo (passive metal template, PMT), está bem estabelecida e permitiu a preparação de vários complexos de MIMs com bons rendimentos. Outras melhorias nessa estratégia, desenvolvidas principalmente por Leigh,12b permitiram a exploração de íons metálicos para reunir e posicionar os ligantes em complexos e capturar os ligantes sobrepostos fisicamente nos complexos por meio de reações de formação de ligações covalentes catalisadas pelo íon metálico molde em um único passo. Esta variação elegante da estratégia original de Sauvage foi denominada metal molde ativo (active metal template, AMT) e permitiu a síntese de MIMs ainda mais complexas.
2.1.1 Estratégia Metal Molde Passivo (PMT)
Em 1983, Sauvage7 desenvolveu uma rota sintética extremamente curta e conveniente para síntese de catenanas quando comparada aos métodos até então conhecidos. Inspirado nos trabalhos de Jean-Marie Lehn,35 a estratégia consiste em utilizar a esfera de coordenação de íons metálicos para direcionar os precursores moleculares em posições favoráveis ao seu subsequente entrelaçamento (Esquema 2.4). Especificamente, derivados de fenantrolina foram
coordenados ao íon tetraédrico Cu(I) formando um complexo 2+ com os ligantes estendidos em posições com pontos de sobreposição física (pontos de cruzamento) entre os mesmos. O complexo 2+, por meio de reação de Williamson em alta diluição, sofre reação dupla macrociclização, obtendo-se o complexo entrelaçado 3+ com 27% de rendimento. O complexo 3+ é quantitativamente desmetalado com cianeto de tetrametilamônio numa mistura acetonitrila/água. Os resultados obtidos por Sauvage foram notáveis, dado que as rotas sintéticas estatísticas e dirigidas para catenanas normalmente levavam de 6 a 20 passos para serem concluídas e frequentemente resultavam em menos de 1% de rendimento total de produtos entrelaçados.
Esquema 2.4 - Primeira síntese PMT de uma molécula entrelaçada reportada por Sauvage em 1983.
Uma simples variação da estratégia de Sauvage permite a síntese de rotaxanas.36 Neste caso, 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 ocorre a “captura covalente” do fio molecular, que consiste em introduzir grupos volumosos no componente linear para formar a rotaxana final após a remoção do íon molde (Esquema 2.5).
Esquema 2.5 – Variação da estratégia de Sauvage para preparação de uma rotaxana.
O trabalho seminal de Sauvage inspirou o desenvolvimento de uma infinidade de combinações íon-ligante com metais de transição de geometria de coordenação variável como moldes em sínteses de moléculas entrelaçadas e tornou possível a investigação de outros protocolos para a captura covalente (stoppering
para melhorar os rendimentos. Protocolos como o acoplamento de alcinos de Glaser e Eglinton37 e reações de Goldberg38 foram investigados com algum sucesso. No entanto, dois protocolos parecem ser as melhores abordagens para obtenção dos produtos-alvo interligados: i) A Metátese de Fechamento de Anel de Olefinas Terminais39 (RCM) e ii) A reação de Cicloadição Alquino-Azida catalisada por Cu(I),40 também conhecida como CuAAC (Cu(I)-catalyzed 1,3-cycloaddition of azides
with terminal alkynes), uma reação “clique". Existem três razões principais10b para a eficácia dessas duas reações na formação de ligações mecânicas: i) a alta especificidade intrínseca do grupo funcional das reações, isto é, elas são altamente seletivas; ii) As reações podem ser realizadas em solventes relativamente apolares nos quais as interações não covalentes (frequentemente usadas para estabilizar conformações favoráveis na arquitetura pré-entrelaçada) são favorecidas; iii) Os grupos reativos terminais são suficientemente estáveis mesmo quando ligados a um catalisador de metal de transição, reagindo majoritariamente da maneira desejada. O rendimento de produtos entrelaçados versus não entrelaçados depende, então, de quão efetivamente o molde pré-organiza os precursores moleculares para o entrelaçamento.
A reação RCM é catalisada por complexos de rutênio, sendo os catalisadores de Grubbs os mais utilizados quando esta reação é usada na síntese de moléculas entrelaçadas. Neste protocolo, as duas olefinas terminais são conectadas pelo catalisador de rutênio para criar uma dupla ligação C=C com a liberação de uma molécula de etileno como subproduto. O Esquema 2.6 mostra uma rotaxana em que a captura covalente do fio molecular se deu por meio de RCM.41 O ligante tridentado piridina-2,6-dicarboxamida foi complexado ao Pd(II). A substituição do ligante acetonitrila por um fio à base de piridina 2,6-substituída formou uma pré-rotaxana que após RCM e hidrogenação da olefina resultante permitiu obter a [2]rotaxana com 77% de rendimento.
