XXIX Congreso Latinoamericano de Química Cartagena-Colombia 2010 Síntesis y caracterización de un Cuadrado Supramolecular a partir del autoensamblaje del complejo [1,2-Bis (Difenilfosfino) Etano] Ditrifluorometanosulfonato Paladio (II) ([Pd(CF3SO3)2(Dppe)]) y 4,4-bipiridina Septiembre 27 al 01 de octubre Julián Posada, Álvaro Duarte, Elieseo avella. jcposadag@unal.edu.co, aduarter@unal.edu.co, eavellamo@unal.edu.co Universidad Nacional de Colombia, Departamento de Quimica Grupo de investigación en nuevos materiales: Fullerenos y Nanotubos de carbono Resumen: Se logro por primera vez obtener el cuadrado supramolecular [5] a través del proceso de auto-ensamblaje de esquinas del complejo [1,2-Bis (difenilfosfino) Etano] Ditriflurometanosulfonato Paladio (II) ([Pd (CF3SO3)2(Dppe)]) [3] y la 4,4'-bipiridina (byp) [4] como ligando arista. La caracterización del complejo [Pd (CF3SO3)2(Dppe)] [3] y el cuadrado supramolecular [5] ensamblado se realizó a través de técnicas como: TGA, DSC, FT-IR, UV-Vis y resonancia magnética nuclear RMN de 1H, 31P, 19 y bidimensional Cosy. Palabras clave: Cuadrado Supramolecular, auto-ensamblaje, poliedros metal-organicos (Mop). INTRODUCCÍON Una de las estrategias utilizadas para la construcción de arquitecturas supramoleculares, es la formación de enlaces de coordinación entre ligandos orgánicos donores de electrones y complejos de metales de transición aceptores de electrones, denominada Química metalo-supramolecular. Cada una de estas unidades de construcción molecular posee información estructural particular, como su geometría, ángulos de enlace, tipos y posición de átomos donores, entre otras; que en el proceso de auto-ensamblaje dirigen la arquitectura final de las metalo-estructuras obtenidas. Las arquitecturas moleculares obtenidas por este tipo de estrategias se denominan poliedros metal orgánicos (Metal-Organic-polyhedra MOPs), que varían en su estructura, forma y función de acuerdo a las características de los bloques moleculares de construcción que los componen. En al figura 1A se muestran algunos de los metalociclos supramoleculares obtenidos a través del auto-ensamblaje de subunidades de construcción molecular donoras y aceptoras complementarias, además se describe el proceso de construcción de un dodecaedro supramolecular a partir del ensamblaje en relación estequiometrica de las subunidades donoras de geometría trigonal piramidal y las subunidades aceptoras lineales (figura 1B)1. 97.30 % 96.50 % 99.25 % 4 3 2 1 Subunidades donoras Subunidades aceptoras Poligonos 2D + CH2Cl2 CH2Cl2, acetona, RT OTf R3P Pt HO PR3 RT, 3 h N C R3P Pt PR3 N 5 N 98.73 % OTf B A figura 6. Etapas de la síntesis del cuadrado supramolecular cationico [Pd(4,4´-Bipiril)(Dppe)(CF3SO3)2]4 [5] a partir del auto-ensamblaje del complejo [3] con el ligando [4] en diclorometano CH2Cl2. Figura 1. A) Metalociclos supramoleculares auto-ensamblados a partir de bloques de construcción molecular con geometría complementaria. B) Construcción de un dodecaedro supramolecular.1 RESULTADOS Y ANÁLISIS Una clase importante de poliedros metal-orgánicos son los que presentan en su conformación geométrica, una forma rectangular base, como los son: los cuadrados, cubos y cajas supramoleculares, que se obtienen de forma a partir del auto-ensamblaje de esquinas o vértices moleculares de complejos de metales de transición, con ligandos orgánicos de geometrías recíprocas. Los cuadrados supramoleculares reportados por Fujita et al2 y Stang et al3 a partir de los complejos vértice [M(NO3)2(en)] y [M(OSO2CF3)2(Dppp)] (M=Pd2+ o Pt2+) respectivamente, con aristas de 4,4-bipiridina (figura 2A y 2B) representaron un avance importante en la comprensión de los procesos de auto-ensamblaje. Además la construcción de un cubo supramolecular por Roche et al4 a partir de un complejo octaédrico de rutenio (II) y la 4,4-bipiridina (figura 3B) permitió la comprensión cinética y termodinámica de los mecanismos de asociación y auto-ensamblaje. Los complejos [1] y [2] fueron caracterizados por Espectroscopia IR, UV y resonancia magnética nuclear RMN de 1H, 19F, 31P correspondiendo con lo reportado.En la tabla 1 se muestran lo resultados obtenidos en la caracterización del complejo [3] y el cuadrado supramolecular [5] obtenidos. o Comp 3 97.30 5 IR (Kbr) mp C % Rend cm-1 UV-Vis (CHCl ) nm RMN 1H (400 Mhz, acetona-d , TMS) 6 3 ppm ppm 31 RMN P ppm 19 RMN F 6 (162 Mhz, acetona-d6, H3PO4 85 %) (282 Mhz, acetona-d , C6H5F) 334.34 2985.61 (m), 2366.70 (s), 2330.01 (s), 1404.18 (m), 1350.17 (m), 1018.41 (s). 351.32 (ð, ð*)-(LMCT) solapadas ((CD3)2CO) ä 7.70-8.05 (m, 20H), 3.293.24 (4H) ((CD3)2CO) ä 76.32 ((CD3)2CO) ä -77.87 380.10 2924.81 (m), 2916.37 (m), 1626.90 (s), 1384.40 (m), 1254.8 (m), 1153.60 (m), 1026.10 (m), 634.30 (m). 260.50 (ð, ð*), 330.51 (LMCT) ((CD3)2CO) ä 7.50-8.91 (m, 112H), 3.293.45 (16H) ((CD3)2CO) ä 68.17, 66.57 ((CD3)2CO) ä -77.78 98.73 Tabla 1. Datos obtenidos en la caracterización del complejo [Pd (CF3SO3)2(Dppe)]) [3] y el cuadrado supramolecular cationico [Pd(4,4´-Bipiril)(Dppe)(CF3SO3)2]4 [5]. 31 19 F (282 Mhz, acetona-d ) P (162 MHz, acetona-d ) 1 H (400 MHz, acetona-d6) 3 TMS (CH3)2CO 6 H3PO4 85 % 6 3 C6H5F 6.08 Hz 6.04 Hz F D 4 5 ( H2O A H3PO4 85 % 5 C6H5F )n B 2 Cuadrado de Stang3 Cuadrado de Fujita A 20.78 Hz 20.78 Hz 1 H 6 (400 MHz, acetona-d ) H (400 MHz, acetona-d ) 6 TMS (CH3)2CO DIOXANO 24.33 Hz 18.23 Hz 20.78 Hz 3 13.96 Hz 20.78 Hz 1 TMS G E 5 20.78 Hz (CH3)2CO H2O 4.87 Hz 20.78 Hz 4.83 Hz H2O (CH3CH2)2O C CH2Cl2 CH2Cl2 (CH3CH2)2O Cubo de Roche4 C B Figura 2. Cuadrados supramoleculares sintetizados por: A) Fujita et al2. B) Stang en al3. C) Cubo supramolecular obtenido por Roche et al4. TGA-DSC UV-Vis CHCl , 200-800 nm COSY 1H-1H 3.5 3 400 MHz, acetona-d6 3.0 Las arquitecturas metal-organicas poseen cavidades intramoleculares que les permite participar en mecanismos de inclusión y reconocimiento altamente especifico de moléculas huésped, lo que ha generado el desarrollo de aplicaciones en la catálisis de reacciones a nanoescala. En este tipo de procesos catalíticos, los macrociclos por medio de su cavidad interna se comportan como reactores moleculares de dos o más compuestos de partida reconocidos selectivamente, que sin la mediación del metalociclo, no reaccionarían o lo harían de forma limitada o distinta. Los procesos catalíticos de cavidad interna han permitido llevar a cabo un número considerable de reacciones de alta especificidad a escala nanométrica. Algunos octaedros metalosupramoleculares (figura 3A) generan procesos catalíticos de reacciones Diels-Alder en su cavidad, como la ocurrida entre el 9hidroximetilantraceno y la maleimida, en la que se da una adición periferica-1,4 sobre uno de los anillos del areno triciclico generándose un aducto regioselectivo (figura 3B). Por otra parte al realizar la reacción sin la mediación de la cavidad se genera una adicion-9,10 produciendose un aducto diferente (figura 3C). 3 2.5 2.0 (ð, ð*) (ð, ð*)-(LMCT) 1.5 1.0 (ð, ð*) C-C 3 5 4 0.5 0 PF° -0.5 50 (ð, ð*) N-C 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 500 550 600 5.0 4.5 4.0 5 3.5 (LMCT) Pd-L 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 H PF° 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 I J Figura 7. Se muestran los espectros de RMN 1H y UV-Vis de [3], [4] y [5]. Ademas los TGA-DSC y los espectros RMN 19F y 31P de [3] y [5]. Cosy 1H-1H cuadrado [5]. B C D2O, 80 °C D2O, 25 °C D2O, 80 °C A Figura 3. A) Octaedro supramolecular con la capacidad de catalizar reacciones especificas en su cavidad intramolecular. B) Proceso catalítico para la formación de un aducto-1,4 regioselectivo C) Sin la presencia del metalociclo se forma un aducto-9,10 Otra de las aplicaciones relevantes de las arquitecturas supramoleculares y en particular de los metalociclos cuadrados está relacionada con la capacidad de inhibir el crecimiento y propagación de algunas células cancerígenas a través de mecanismos de ensamblaje con su DNA y RNA. Estudios in vitro e in vivo han revelado una importante actividad antitumoral de los cuadrados macrociclicos y han permitido entender los mecanismos de inhibición y ensamblaje con las cadenas de DNA. En la figura 5 se observa un modelo molecular del cuadrado de Fujita ensamblado a la estructura del DNA de las células cancerígenas que explica la acción de este macrociclo en este tipo de células6. CUADRADO SUPRAMOLECULAR DE FUJITA La formación del cuadrado supramolecular [5] se evidencia en el espectro RMN 1H (figura 7C) por la aparición de las señales aromaticas de los protones en los grupos fenilo y las alifáticas de los grupos etilo del Dppe coordinado, ademas de las señales aromaticas de los protones á y â de la 4,4bipiridina [4] coordinada; además de lo anterior se presenta un claro desplazamiento de estas señales con respecto a los espectros libres (figura 7A-B) debido al auto-ensamblaje, mediado por los procesos de coordinación a través de las interacciones entre el paladio (II) y la 4,4-bipiridina. La integración de las señales permitió encontrar que la relación entre el numero de protones alifáticos de la fosfina con respecto a los protones aromaticos de la 4,4-bipiridina es proporcional a la relación esperada para la formación del cuadrado supramolecular[5] (2:1 respectivamente). El espectro de 31P es evidencia también de la posible formación del cuadrado supramolecular por la señal ä 66.57 ppm (figura 7D) que se diferencia claramente de la señal obtenida en el espectro del complejo [3] ä 76.32 ppm (figura 7E). Además de la señal anterior generada por el cuadrado supramolecular esperado se presenta otra señal de menor intensidad ä 68.07 ppm que puede deberse a la formación de estructuras oligomericas cíclicas (Ej. triangulo supramolecular) o agregados oligomericos abiertos. La formación de este tipo de estructuras oligomericas abiertas o cíclicas quizá sea la explicación para la presencia en el espectro RMN 1H (figura 7C) de señales pertenecientes a 4,4´-Bipiridina coordinada hacia ä 8.71 ppm (figura 7C) diferentes a las generadas por el cuadrado ; este tipo de resultados han sido reportados en el ensamblaje de cuadrados supramoleculares similares. La formación de dos especies diferentes se confirma a través de las señales generadas en el espectro de correlación homonuclear-Cosy (figura 7J) que permite corroborar el acoplamiento individualizado de cada una de las señales de 4,4-bipiridina. Al comparar los espectros de RMN 19F del complejo [3] ä -77.87 ppm (figura 7F) y el del cuadrado supramolecular [5] ä -77.78 ppm (figura 7G) no se observa una variación significativa ya que los iones triflato se encuentran en los dos casos fuera de la esfera de coordinación como contraiones, es decir no están unidos directamente al centro metálico, ya que específicamente en el caso del complejo quizás haya moléculas de agua ligadas al paladio (II) de lo cual se ha encontrado evidencia en DRX en monocristal en estudios similares Los espectros UV-Vis de los compuestos [3], [4] y [5] (figura 7H) presentan diferencias en la intensidad y la longitud de onda de sus absorciones electrónicas características, hecho que permite su diferenciación. Las bandas de absorción tanto del cuadrado supramolecular[5] como del complejo[5] corresponden a transiciones electrónicas ð, ð* generadas por los electrones ð en los anillos aromáticos y procesos de transferencia de carga metal-ligando( LMCT) debido a la transferencia de electrones ð de los ligandos hacia los orbitales del Pd2+ vacíos. En la figura7I se presentan las curvas de TGA-DSC del complejo [3] y el cuadrado supramolecular[5] observandose los puntos de fusión hacia 334.34 °C y 380.10 °C respectivamente, ademas las temperaturas de descomposición que se encuentran entre 600 °C y 500°C para cada uno. El análisis por TGA-DSC tanto del complejo como del cuadrado supramolecular permito determinar sus propiedades y estabilidad térmica. CONCLUSIONES De acuerdo a las evidencias obtenidas se puede afirmar que se logró sintetizar y caracterizar por primera vez un cuadrado supramolecular a partir del autoensamblaje del complejo [1,2-Bis(difenilfosfino) etano] ditriflurometanosulfonato paladio (II) ([Pd (CF3SO3)2(Dppe)]) con ligandos orgánicos como la 4,4'-bipiridina Figura 5. Modelo molecular del ensamblaje del cuadrado supramolecular de Fujita con el DNA de las células cancerígenas que explica la inhibición en el crecimiento de estas6. METODOLOGÍA Los complejos [1], [2], [3] y el cuadrado supramolecular [5] fueron sintetizados de acuerdo a diferentes métodos reportados7. Los complejos fueron caracterizados por Espectroscopia IR, UV, TGA, DSC y resonancia magnética nuclear RMN de 1H, 19F, 31P, bidimensinal Cosy, entre otros. Además, específicamente para el complejo [3] y el cuadrado supramolecular [5] obtenido se planea completar su caracterización por espectrometría de Masas (MALDI y FAB) y Difracción de Rayos X en Monocristal, para la cual se aplicaran algunos métodos de cristalización en los sólidos obtenidos. En la figura 6 se describe la metodología seguida para la síntesis del complejo [3] y el ensamblaje del cuadrado supramolecular [5]. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen especialmente al laboratorio de RMN (UNAL), al profesor Luis Echegoyen de la Universidad de Texas (USA), al profesor Cesar Sierra del Grupo de investigación en Macromoleculas (UNAL), al profesor Alexander Trujillo del laboratorio de Catálisis (UNAL), al laboratorio de Química Analítica (UNAL), al profesor Josué García del laboratorio de síntesis orgánica (UDFJC). BIBLIOGRAFÍA 1. Hollliday, B.; Mirkin, C. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 2022-2043. 2. Fujita, M.; Yazaki, J.; Ogura, K. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 5645-5647. 3. Stang, P. J.; Cao, D. H.; Saito, S.; Arif, A. M. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 6213-6283. 4. Roche, S.; Haslam, C.; Adams, H.; Heath, S. L.; Thomas, J. A. Chem. Commun. 1998, 1681-1682. 5. Würthner, F.; You, Ch.; Saha-Möller, Ch. Chem. Soc. Rev. 2004, 33, 133-146. 6. Kieltyka, R.; Englebienne, P.; Fakhoury, J.; Autexier, C.; Moitessier, N.; Sleiman, H. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 10040-10041. 7. Posada J. G. Tesis de grado en desarrollo. UDFJC, 2010. 8. Las estructuras moleculares y su optimización fueron realizadas a través del software libre GABEDIT version 1.2.8 utilizando el complemento MOPAC 2009.