Ácido 3-aminofenilborónico como componente básico para la construcción de complejos de boro en forma de cáliz y jaula

Victor Barba aRefugio Hernández aHerbert Höpfl aRosa Santillan bNorberto Farfán c
Ácido 3-aminofenilborónico como componente básico para la construcción de
complejos de boro en forma de cáliz y jaula
Resumen
Se analizó la reactividad del ácido 3-aminofenilborónico frente a derivados de
salicilaldehído 3,5-disustituidos (R = t Bu, MeO, I, Br, NO2) con el objetivo de
sintetizar compuestos de boro macrocíclicos con una estructura similar a un cáliz. La
condensación de tres componentes se llevó a cabo utilizando diferentes alcoholes
alifáticos (ROH, R = Me, Et, n Pr, n Bu, n Pn, n Hex) para reemplazar los grupos B
– OH libres por restos B – OR.
Se analizó el efecto sobre las propiedades estructurales y fisicoquímicas de los
compuestos resultantes. Cuando la reacción se llevó a cabo en condiciones de
reflujo, se forman compuestos triméricos similares a cáliz para el 3,5 -t derivados de
butil salicilaldehído. La ausencia de moléculas de alcohol durante la reacción
conduce a la condensación de dos calixarenos a través de dos de los tres grupos B
(OH) para formar dos restos BOB, dando lugar a la formación de una jaula
hexanuclear. Utilizando los derivados de salicilaldehído con grupos I, Br y NO2, se
aislaron las bases de Schiff resultantes de la reacción de condensación del aldehído
y el ácido borónico proporcionando así evidencia de la secuencia de reacción
previamente propuesta para la formación de los compuestos en forma de cáliz.
Gráficamente abstracto
El ácido 3-aminofenilborónico reacciona con derivados de salicilaldehído y
alcoholes alifáticos que conducen a la formación de compuestos de boro
macrocíclicos que tienen una conformación en forma de cáliz. El autoensamblaje de
dos compuestos similares a calix ocurre para dar una jaula unida a través de enlaces
covalentes.
Introducción
Durante las dos últimas décadas, el interés en la preparación de macrociclos que
contienen átomos de boro ha aumentado considerablemente. Esto puede atribuirse
a la importancia de los compuestos macrocíclicos en la química supramolecular
como receptores moleculares. Se ha informado de una gran variedad de técnicas
sintéticas para la construcción de compuestos de macrociclos de boro, que
involucran frecuentemente una secuencia de síntesis directa en un solo
Victor Barba aRefugio Hernández aHerbert Höpfl aRosa Santillan bNorberto Farfán c
recipiente. La facilidad de la síntesis macrocíclica de boro se debe a la versatilidad
de los átomos de boro para reaccionar con los átomos donantes (por ejemplo, N y
O), favoreciendo así los procesos de autoensamblaje; este método se ha aplicado
para la construcción de moléculas con grandes cavidades que podrían tener
aplicaciones en varios campos de la química y la ciencia de los materiales. Por lo
general, los compuestos oligoméricos que contienen átomos de boro se forman a
través de interacciones intermoleculares donante-aceptor. Hasta ahora, se han
descrito especies diméricas, triméricas, tetraméricas y pentaméricas. Además, se
han utilizado ácidos borónicos para construir cajas moleculares y jaulas mediante
acoplamiento con metales de transición. Recientemente, se ha descrito una
estrategia sintética para la construcción de dendrímeros a base de boro empleando
una reacción de ensamblaje de múltiples componentes.
Por otro lado, los grupos B (OH) presentes en los ácidos borónicos pueden formar
enlaces de hidrógeno y dar lugar a fuertes interacciones intermoleculares. Es bien
sabido que las interacciones de puentes de hidrógeno permiten el control del
reconocimiento molecular y, naturalmente, los procesos de autoensamblaje desde
los componentes moleculares hasta las superestructuras de una manera bien
organizada. Por esa razón, los ácidos borónicos se consideran bloques de
construcción importantes para la ingeniería de cristales moleculares.
Anteriormente, hemos utilizado una estrategia de reacción de tres componentes
para crear calixarenos triméricos y hemicarcerands mediante reacciones de
condensación de ácido 3-aminofenilborónico con derivados de salicilaldehído
utilizando metanol como disolvente. Los estudios cristalográficos UV-Vis, 1 H RMN
y de rayos X han demostrado que estos compuestos tienen conformaciones de cono
y son capaces de incluir pequeñas moléculas orgánicas huésped en su interior.
Continuando con el estudio de este tipo de macrociclos, aquí se describe la reacción
de 3,5-di- t butil salicilaldehído con ácido 3-aminofenilborónico utilizando diferentes
alcoholes como reactivos formadores de ésteres de boronato, con el fin de
establecer la influencia que los grupos de tamaño variable unidos a los átomos de
boro tienen en la formación de compuestos macrocíclicos (1b - 1f). Este estudio
permitió también analizar su efecto sobre las características fisicoquímicas y
estructurales como la solubilidad y la conformación. Además, los derivados de
salicilaldehído que contienen sustituyentes MeO, I, Br y NO2 se hicieron reaccionar
con ácido 3-aminofenilborónico para analizar su efecto sobre la formación de la
estructura en forma de cáliz.
2. Resultados y discusión
Los compuestos 1b – 1f se sintetizaron mediante reacciones de condensación de
tres
componentes
como
se
describió
anteriormente
para
el
compuesto 1a ( esquema 1 ). 3,5-di- t butilsalicilaldehído se disolvió en acetonitrilo
después de lo cual se añadió ácido 3-aminophenylbornic. Después de 10 min, se
agregaron 2 mL del alcohol correspondiente bajo agitación para reemplazar los
grupos OH unidos a los átomos de boro. Las mezclas de reacción se agitaron
durante 1 hora a reflujo para dar sólidos amarillos. La recristalización en una mezcla
de disolventes de MeOH / CH2Cl2 (relación 1: 3) condujo a la formación de polvos
amarillos que se recuperaron por filtración. En el caso de compuesto 1c, los cristales
Victor Barba aRefugio Hernández aHerbert Höpfl aRosa Santillan bNorberto Farfán c
amarillos formados durante el proceso de recristalización eran adecuados para el
análisis de difracción de rayos X. A pesar de la presencia de diferentes funciones
de éster de boro (Me, Et, n Pr, n Bu, n Pn, n Hex), los rendimientos fueron casi
constantes (41–56%). No obstante, se observan algunos cambios interesantes al
comparar los diferentes compuestos, por ejemplo, el punto de fusión disminuye a
medida que aumenta el tamaño de la cadena de las funciones B – OR (298, 297,
247, 229, 213 y 190 ° C para 1a - 1f, respectivamente). Esta observación se puede
explicar teniendo en cuenta que en el estado sólido las grandes cadenas separan
más las moléculas macrocíclicas que las pequeñas, disminuyendo las fuerzas
intermoleculares y por tanto el punto de fusión. Además, la solubilidad de los
compuestos 1b - 1f en disolventes orgánicos comunes fue mayor en comparación
con el compuesto 1a. Este comportamiento es razonable considerando que las
grandes cadenas alifáticas permiten una mejor dispersión de las moléculas en el
solvente.
Esquema 1. Reacción de condensación de tres componentes para la formación de compuestos de boro en
forma de cáliz 1a - 1f.
Los datos de IR proporcionan la primera evidencia de la formación de los
compuestos 1b - 1f. La vibración de la banda de estiramiento CN se produce a
1624-1625 cm -1, como se observa para el compuesto 1a y otros compuestos
relacionados. Se obtuvo evidencia adicional de la espectrometría de masas
utilizando la técnica FAB +. En todos los casos, se observaron picos para
el ion molecular y [M-OR] +, que resultan de la pérdida de un grupo alcoxi.
El análisis de RMN ilustra algunas observaciones interesantes. En todos los casos,
como resultado de su simetría molecular C3, los espectros de RMN mostraron
señales para solo un tercio de la estructura, lo que sugiere que las moléculas
tienen conformación de doble cono. El número de señales se potenciaría en el caso
de que estuviera presente otra conformación, de acuerdo con la pérdida de
la simetría C3. En el espectro de 1 H RMN se observó una única señal
a δ = 8,0 ppm, correspondiente al hidrógeno de imina. Las señales de los restos
aromáticos aparecieron en la región de δ = 6,93–7,63 ppm sin diferencias
significativas entre los diferentes compuestos. Es importante señalar que los
átomos de hidrógeno del grupo –CH 2 OB– dieron señales diasterotópicas debido a
Victor Barba aRefugio Hernández aHerbert Höpfl aRosa Santillan bNorberto Farfán c
la presencia de átomos de boro quirales en todos los compuestos. Este
comportamiento puede mejorarse por la existencia de interacciones de enlace de
hidrógeno como se observa en el estado sólido entre este grupo metileno y el átomo
de oxígeno endocíclico ( Fig. S1 ). El 13C espectros de RMN mostró que las señales
correspondientes a átomos de carbono de imina se desplazan a campo bajo, que
aparece alrededor de δ = 161 ppm, de acuerdo con los desplazamientos químicos
observados para compuestos relacionados.
11La espectroscopía de RMN B proporcionó evidencia del entorno tetraédrico de los
átomos de boro. En todos los casos, los cambios químicos se observan como
señales amplias en la región entre δ = 2.5 y 4.2 ppm, que se encuentran en la
región esperada para los boronatos tetracoordinados.
Para el compuesto 1c, se obtuvieron cristales adecuados para difracción de rayos
X durante el proceso de recristalización. Los cristales difractaban muy mal, como
resultado de la cantidad relativamente grande de átomos y el hecho de que el átomo
más pesado de la molécula es el oxígeno. Como consecuencia, los valores de R
son algo elevados. No obstante, las posiciones atómicas de los átomos que no son
de hidrógeno y la conformación global de las moléculas estaban claramente
definidas. La estructura molecular se muestra en la Fig.1 , y los datos
cristalográficos más relevantes se describen en la Tabla 1 . La molécula tiene una
conformación de doble cono que se ha observado para compuestos análogos.
Los grupos –OPr unidos a los átomos de boro en 1c se orientan hacia la esfera
exterior, dejando un ambiente interior hidrofóbico. Es interesante notar que en la red
cristalina par de un grupo t butilo de moléculas vecinas se incluye parte dentro de la
cavidad ( Fig. S2 ) , lo que conduce de esta manera a la formación de dímeros
supramoleculares. Es importante destacar que para el compuesto 1a se ha
observado la inclusión de diferentes moléculas de disolvente, en lugar del
autoensamblaje de dos moléculas en forma de cáliz. Por tanto, en el caso de 1c,
como consecuencia del proceso de autoensamblaje de dos unidades triméricas, no
es de extrañar la exclusión de moléculas de disolvente de su interior. El 1El análisis
de H NMR registrado a diferentes concentraciones de 1c no mostró cambios
significativos, lo que indica que el proceso de dimerización es solo un efecto de
empaquetamiento en estado sólido.
Figura 1. Vista lateral de la estructura molecular del compuesto 1c. Los átomos de hidrógeno se omiten para
mayor claridad
Victor Barba aRefugio Hernández aHerbert Höpfl aRosa Santillan bNorberto Farfán c
Por otro lado, cuando la reacción de condensación se realizó en ausencia de
moléculas de alcohol solvente y bajo reflujo, se conectaron dos moléculas en forma
de cáliz a una jaula esférica de boro hexámero por condensación de cuatro grupos
B (OH). Es bien sabido que los grupos B – OH pueden condensarse para dar restos
B – O – B. Por tanto, la reacción de 4-metoxisalicilaldehído con ácido 3aminofenilborónico usando una mezcla de disolventes de DMF / CH 2 Cl 2 (relación
1: 1) conduce a la formación de la jaula 2 ( Esquema 2 ). Después de tres días, se
habían formado cristales amarillos, que eran adecuados para el análisis de
difracción de rayos X. El espectro de masas FAB + mostró un pico en m / z = 1481
Victor Barba aRefugio Hernández aHerbert Höpfl aRosa Santillan bNorberto Farfán c
correspondiente al ion molecular de la estructura de boro Hexa nuclear propuesta,
lo que indica la condensación de cuatro restos B – OH que dan dos puentes –B – O
– B– que dan la estructura de doble cáliz.
Esquema 2. Formación de un compuesto con forma de jaula.
El espectro de IR muestra solo una banda ancha a 1621 cm -1 correspondiente a la
banda de estiramiento del grupo CN. El análisis de 1 H RMN se realizó utilizando
DMSO- d 6 como disolvente y fue necesario calentar el tubo de RMN que contenía
la solución hasta 45 ° C para aumentar la solubilidad.
El espectro de 1 H RMN mostró solo un conjunto único de señales que indican que
el compuesto tiene simetría (similar a la observada para los
compuestos 1a - 1f ). Esto podría indicar que el compuesto hexamérico se hidrolizó
para dar un compuesto trimérico que contiene grupos OH unidos a los átomos de
boro. El 1El espectro de H RMN mostró una única señal a δ = 8,8 ppm
correspondiente al protón del grupo imínico. Además, se asignó a los grupos B –
OH una amplia señal desplazada a campos bajos (δ = 10 ppm). A pesar de la
presencia de dos átomos de boro (en el compuesto hexamérico) con diferentes
ambientes químicos en la molécula, el espectro de RMN 11 B mostró solo una señal
amplia a δ = 2.7 ppm indicando un ambiente tetraédrico para los átomos de boro. La
pobre solubilidad del compuesto 2 en disolventes orgánicos comunes impidió
el 13 análisis C RMN.
El estudio cristalográfico de rayos X permitió un análisis detallado del boronato en
forma de jaula ( Fig. 2 ). La calidad del cristal era baja, pero la conexión y la
geometría general podían establecerse claramente. La molécula posee
una simetría C i en estado sólido, con un cono bis-doble conformación. Como
resultado de la condensación intermolecular de cuatro restos B – OH, dos restos
BOB actúan como puentes que conectan dos unidades similares a calix. Dos grupos
B – OH permanecen intactos y están ubicados en la esfera externa de la
molécula. Como se describió anteriormente, hay tres átomos de boro en cada resto
similar a un caliz (seis en total), de los cuales los átomos de boro involucrados en
los puentes BOB tienen configuración RR o SS, mientras que los átomos de boro
del fragmento B – OH tienen la configuración opuesta (S o R). Mientras que los
enlaces BOB se encuentran en el interior de la cavidad esférica, los grupos B – OH
se encuentran en la periferia de la molécula. Por el contrario, en un compuesto en
forma de doble caliz que hemos informado anteriormente, los seis átomos de boro
tienen la misma configuración, lo que da una estructura hemicarcerand. En el caso
Victor Barba aRefugio Hernández aHerbert Höpfl aRosa Santillan bNorberto Farfán c
de los compuestos relacionados 1a – 1f, los tres átomos de boro presentes en la
molécula tienen la misma configuración. Los ángulos de enlace B – O – B con
puente (127,45 °) y las distancias de enlace B – O (1,410 / 1,412 Å) en el
compuesto 2 son muy similares a los encontrados en sistemas relacionados
Figura 2. Estructura molecular del compuesto 2 (vista lateral (izquierda) y vista superior (derecha)).
Si las reacciones de condensación entre el ácido 3-aminofenilborónico y los
derivados de salicilaldehído se llevan a cabo a temperatura ambiente, es posible
aislar las bases de Schiff intermedias, lo que evidencia que el primer paso en el
mecanismo de reacción es la formación del resto imina como se sugirió antes. En
el curso de la presente contribución se aislaron tres bases de Schiff. La combinación
de los derivados de salicilaldehído disustituido en 3,5 (R = I 3a R = Br 3b y
R = NO2 3c ) con ácido 3-aminofenilborónico en una mezcla de disolventes de
acetonitrilo y metanol a temperatura ambiente, conduce a la formación de 3a – 3cen
forma de sólidos amarillos ( esquema 3 ). En los espectros de masas para 3a - 3c,
se observaron picos que corresponden a los iones [M + H] +. Los espectros de IR
mostraron bandas para el C N que se extendían a 1617, 1622 y 1622 cm -1,
para 3a, 3b y 3c,
respectivamente,
evidenciando
la
formación
de
imina. Curiosamente, ninguna de las dos reacciones de éster de boronato tuvo lugar
en estas condiciones, lo que permitió el aislamiento del precursor del
macrociclo. Debe notarse que el precursor de los compuestos triméricos sólo puede
aislarse si están presentes sustituyentes aceptores de electrones en las posiciones
3,5 del salicilaldehído. Esto es razonable considerando que estos grupos tienen
efectos inductivos negativos y reducen el carácter donante de los átomos de
nitrógeno y oxígeno dentro del resto de salicilaldehído, reduciendo así su capacidad
de coordinarse con el átomo de boro. Esta afirmación está respaldada por el hecho
de que los compuestos 3b y 3cno se pudo transformar en los correspondientes
derivados macrocíclicos cuando se usaron las mismas condiciones de reacción que
para los compuestos 1a - 1f, incluso si los tiempos de reacción se incrementaron
hasta 24 h. El compuesto macrocíclico derivado del compuesto 3a se ha informado
anteriormente. Una explicación plausible de su formación es que los átomos de
yodo proporcionan efectos inductivos menos negativos sobre el átomo de
nitrógeno. Por el contrario, el derivado de base de Schiff de 3,5di- t butilsalicilaldehído correspondiente (análogo a 3a-c) no pudo aislarse en estas
condiciones de reacción.
Victor Barba aRefugio Hernández aHerbert Höpfl aRosa Santillan bNorberto Farfán c
Esquema 3 . Formación de los compuestos base de Schiff 3a - 3c.
Los espectros de 1H RMN proporcionaron pruebas adicionales de la formación de
la base de Schiff. Se observó una única señal a δ = 8,94, 8,98 y 9,07 ppm
para 3a - c , respectivamente. De acuerdo con la observación anterior, el
desplazamiento químico aumenta según el efecto de captación de electrones del
sustituyente. Las señales se desplazan a campos inferiores (Δ δ ∼ 0,9 ppm) en
comparación con las observadas en los compuestos 1a - 1e. No obstante, los 13 C
RMN desplazamientos químicos observados para los C grupos N (δ = 161,2,
162,0 y 161,5 para 3a -c, respectivamente) son muy similares a los de los
compuestos 1a - 1e y no se observan cambios significativos. El carácter de tres
coordenadas de los átomos de boro se puso de manifiesto mediante espectroscopía
de RMN 11 B, en la que las señales se observan a δ = 27, 28 y 30 ppm para 3a - c,
respectivamente.
Se cultivaron cristales adecuados para el análisis de difracción de rayos X para el
compuesto 3a a partir de una mezcla de metanol: pirazina (proporción 1:1),
mostrando que en el estado sólido el compuesto 3a cocristalizó con una molécula
de pirazina. Como se muestra en la Fig. 3 , la estructura molecular del
compuesto 3a es casi plana. Las distancias de enlace B – O son 1.340 (8) y 1.373
(11) Å, respectivamente, y son más cortas en comparación con las observadas para
los complejos tipo cáliz, que están en el rango de 1.412 (10) a 1.500 (7). Å. La
diferencia se puede atribuir al mayor carácter de retrodonación de B – O en el grupo
del ácido borónico libre. Además, dado que no existe un enlace de coordinación NB, el C La distancia del enlace N es más corta (1,273 (9) Å) en comparación con
el enlace correspondiente en los compuestos similares a calix (∼1,305 (9) Å). El
grupo OH de la parte fenólica muestra una interacción de enlace de hidrógeno
intramolecular con el resto imina (O– (H) ⋯ N, 2.555 (6) Å, 154.5 °): Es importante
señalar que el átomo de hidrógeno permanece unido al oxígeno átomo (OH, 0.960
(8) Å), ya que se ha informado de que en iminas aromáticas sin el B (OH) 2 grupo,
el átomo de hidrógeno está localizado en el átomo de nitrógeno (dist. N-H ~ 0,97 Å),
dando lugar a una especie zwiteriónica. Esto está de nuevo de acuerdo con la
observación de que se reduce el carácter donante de electrones del átomo de
nitrógeno imínico. También se encuentran interacciones de enlace de hidrógeno
para los grupos B – OH, lo que da lugar a un ensamblaje dimérico, en el que dos
ácidos borónicos se unen a través de dos enlaces de hidrógeno BO ⋯ O (H) –B,
formando un anillo de ocho miembros (O (2) - H $ $ O (3), 2,736 Å, 163,32 °). Los
dos grupos OH de cada resto de ácido borónico están en una disposición synanti ( Fig. 3 ). En la red cristalina, los dimmers moleculares están organizados en
columnas, con una distancia π – π entre los planos moleculares de 3,556 Å.
Victor Barba aRefugio Hernández aHerbert Höpfl aRosa Santillan bNorberto Farfán c
Figura 3 . Estructura molecular del compuesto 3a . La imagen muestra interacciones de enlace de hidrógeno
entre dos moléculas de 3a y dos moléculas de pirazina dando una disposición supramolecular dimérica. Vista
lateral de la estructura molecular del compuesto 1c . Los átomos de hidrógeno se omiten para mayor claridad.
Conclusiones
Para la formación de compuestos en forma de cáliz utilizando ácido 3aminofenilborónico y derivados de salicilaldehído, se han examinado diferentes
condiciones de reacción con el fin de investigar los factores que influyen en el
proceso de macrociclización. Se encontró que la reacción de 3,5-di- t butilsalicilaldehído con ácido 3-aminofenil borónico utilizando diferentes alcoholes
conduce a la formación de estructuras en forma de cáliz. Por tanto, la presencia de
grandes grupos alquilo unidos a los átomos de boro no tiene un efecto significativo
sobre el proceso de macrociclización, además de incrementar la solubilidad del
sistema. Además, calix compuesto 1c dio lugar a una estructura supramolecular
autocomplementaria en estado sólido consistente en la formación de un ensamblaje
dimérico. Si se utilizan disolventes diferentes a los alcoholes durante el proceso de
ensamblaje, los grupos B – OH se condensan en fracciones B – O – B y, por lo
tanto, se obtienen estructuras esféricas hexanucleares diméricas. Curiosamente,
para la reacción de condensación entre dos boro-calixarenos se requiere una
inversión parcial de la configuración del boro que evidencia la reversibilidad de las
reacciones de condensación de boronato que es indispensable para el proceso de
ensamblaje. A temperatura ambiente, el proceso de autoensamblaje puede
detenerse después del primer paso (formación de imina), incluso en presencia de
moléculas de disolvente de alcohol.