Diseño y síntesis de receptores multicanal basados en 1,1´- ferroceno disustituidos

Resum

Uno de los retos que, desde hace unos años, viene afrontando la Química actual es la relacionada con el desarrollo de métodos que permitan la detección de forma efectiva, sensible, selectiva y en tiempo real de sustancias responsables de la contaminación ambiental o de aquellas que están implicadas en procesos biológicos y clínicos. Por consiguiente, no es de extrañar que a lo largo de las últimas décadas, uno de los campos de investigación más activos lo constituya el dedicado al desarrollo de sensores químicos de este tipo de especies. En este contexto, los principales objetivos de esta Tesis están dirigidos al diseño, síntesis y estudio de moléculas, estructuralmente sencillas, capaces de comportarse como sensores moleculares, tanto para aniones como cationes. Para este fin, los receptores sintetizados deben contener dos partes básicas: una unidad de reconocimiento y una unidad de señalización que permita observar el fenómeno de reconocimiento a través de un cambio en las propiedades del receptor (electroquímicos, colorimétricos o fluorescentes). A pesar del desarrollo de sensores ópticos o electroquímicos para la detección de aniones o cationes, el uso de sensores multicanal para la detección de aniones es poco habitual. Por lo tanto, el trabajo contenido en esta Tesis está centrado en conseguir la síntesis de receptores cuyo comportamiento como sensores moleculares puedan ser evaluados a través de varios canales, como puede ser la detección visual, o a través de técnicas espectroscópicas y electroquímicas. Otra forma de lograr el reconocimiento de analitos implica el uso de reacciones químicas irreversibles, inducidas por un analito específico, sobre la molécula del receptor, dando lugar a una señal medible en tiempo real. Debido a que tales reacciones irreversibles dan lugar a productos químicamente diferentes a la molécula de receptor de partida, este proceso de reconocimiento es conocido como el "método del quimiodosímetro". Por lo tanto, mientras que la forma de operar de un sensor químico se basa en procesos de coordinación reversibles, la de un quimiodosímetro se basa en una reacción irreversible entre receptor y analito. En consecuencia, otro de los objetivos planteados en esta Tesis consiste en el diseño y estudio de una serie de quimiodosímetros para el reconocimiento de aniones. En primer lugar, hemos preparado un receptor heteroditópico en el que una unidad de ferroceno está unido a un imidazo[4,5-e]-2,1,3-benzotiadiazol. La característica estructural más importante de este sistema es la presencia de un anillo de tiadiazol fusionado de forma angular a una unidad de benzimidazol, de manera que los átomos de nitrógeno que se encuentran en la cavidad generada por este sistema heterocíclico pudiesen cooperar sinérgicamente en el reconocimiento de especies catiónicas, mientras que el grupo NH del anillo de imidazol quedaría disponible para el reconocimiento, por puentes de hidrógeno, de especies aniónicas. De hecho, este receptor se comporta como un sensor electroquímico y cromogénico altamente selectivo para cationes Pb2+. Además, los estudios electroquímicos llevados a cabo sobre el comportamiento de este receptor frente a aniones HP2O73- mostraron un reconocimiento selectivo de este anión. En el segundo capítulo, hemos diseñado y preparado una familia de sensores químicos con estructura del tipo 2-arilamino-1,3-diaza[3]ferrocenofano, en los que se combina la actividad redox de la unidad de ferroceno y el carácter cromogénico de los grupos azo arilo y p-nitrofenilo con la capacidad de la unidad de guanidina para actuar como centro de reconocimiento. Debido a la naturaleza anfótera de la unidad de guanidina, también se ha evaluado su capacidad en su forma monoprotonada para actuar como unidad de reconocimiento frente a aniones. El primer receptor estudiado, portador de un grupo p-nitrofenilo, permite la detección de aniones AcO-, PhCO2-, F-, Cl- y Br- mediante el uso de técnicas electroquímicas y espectroscópicas (1H-RMN y UV-Vis). Su forma monoprotonada es capaz de detectar selectivamente los aniones menos básicos Cl-, Br- y NO3- a través de los mismos canales ya citados anteriormente. El receptor que contiene un derivado azo unido al resto de guanidina, muestra una alta afinidad por el anión acetato en acetonitrilo a través de un doble canal: electroquímico y cromogénico. En su forma monoprotonada es capaz de detectar selectivamente los aniones menos básicos Cl-, Br-, NO3- y HSO4- a través de medidas electroquímicas y espectroscópicas (1H-RMN y UV-Vis). En el tercer capítulo, se describe la síntesis y estudio como quimiosensores de una serie de compuestos del tipo [m.m] ferrocenofanos portadores de puentes aldimínicos, que pueden actuar como centros de reconocimiento de cationes, y un espaciador aromático o heteroaromático (tiofeno), y también de una familia de ferroceniliminas con estructura acíclica. La incorporación de grupos con propiedades fluorescentes a los receptores de naturaleza acíclica permite el estudio de estos receptores a través de un tercer canal: fluorescencia. Los anillos de quinoleina o pireno y el grupo difenilfosforilo son las unidades que se encuentran directamente unidos a la agrupación imina en los receptores de cadena abierta. Los dos receptores [m.m]ferrocenofánicos actúan como quimiosensores cromogénicos eficientes de cationes Zn2+, Pb2+ y Hg2+ en CH3CN. Los cambios en los espectros de absorción están acompañados por un cambio de color que permite la detección de estos cationes a simple vista. Los cálculos a nivel DFT revelan una inusual coordinación cúbica distorsionada para el catión Pb2+ en el complejo formado con el receptor que contiene las unidades de tiofeno, ubicado en una jaula tipo dador N4S4. El receptor que contiene el anillo de quinoleina se comporta como sensor químico para los cationes Ni2+, Zn2+, Cd2+, Hg2+ y Pb2+ a través de dos canales diferentes: electroquímico y cromogénico. Sin embargo, el receptor que contiene el anillo de pireno, se comporta como sensor químico óptico y electroquímico para los cationes Zn2+, Hg2+ y Pb2+en CHCl3. No obstante, al utilizar la mezcla CHCl3/DMF (9: 1) como disolvente, este receptor se comporta como un quimiodosímetro fluorescente que detecta selectivamente la presencia de Hg2+, incluso en presencia de un gran exceso del resto de cationes metálicos testados. Finalmente, los estudios electroquímicos y espectroscópicos llevados a cabo con el receptor que contiene el resto de óxido de fosfina mostraron la afinidad de este receptor hacia los cationes metálicos Li+, Ca2+, Mg2+, Zn2+ y Pb2+. A través de los datos de valoración por 1H-RMN y cálculos DFT se han propuesto modos de enlace para estos complejos metálicos. Por último, en el capítulo cuatro, hemos diseñado y preparado dos quimiodosímetros para el reconocimiento de aniones. El primero de ellos es una díada ferroceno-pirilio que se comporta como un quimiodosímetro selectivo para los aniones tóxicos cianuro y sulfuro de hidrógeno. Una característica destacada de este receptor, es la presencia de un anillo de pirilio capaz de reaccionar con estas especies aniónicas en agua para dar productos acíclicos, que presentan un cambio fácilmente detectable en el potencial redox de la pareja ferroceno/ferrocinio y una notable perturbación en el espectro de absorción, que puede ser utilizada para la detección a simple vista de estos aniones. El otro receptor, presenta una estructura tipo [11]ferrocenofano y contiene dos unidades de urea. La característica principal de este receptor es que el átomo de hierro del ferroceno se encuentra en estado de oxidación Fe3+. Este receptor se comporta como un quimiodosímetro electroquímico y óptico selectivo para aniones NO2-. Los cambios observados corresponden a una reacción de nitración del grupo urea presente en el receptor y no a la reducción Fe3+ ? Fe2+ del átomo de hierro presente en el receptor. One of the challenges been actually facing by the chemistry is related to the development of methods for the effective, sensitive, selective and real-time detection of substances which are responsible for the environmental pollution or are involved in biological and clinical processes. It is therefore not surprising that over the last decades, the development of chemical sensors for this type of species is one of the most active research fields. In this context, the main objectives of this PhD thesis are aimed to the design, synthesis and study of structurally simple molecules capable of behaving as molecular sensors for analytes such as anions and cations. To this end, the synthesized receptors should contain two basic parts: a recognition unit and a signal transduction unit which allows the detection of the coordination or binding event through the changes taking place in the properties of the receptor (electrochemical, colorimetric or fluorescent) as the recognition process progresses. Despite the development of classical optical or electrochemical chemosensors for cation and anion sensing, there is a paucity of use of multichannel signaling anion chemosensor molecules. Thus, we focused the work contained in this PhD thesis in getting the challenge of synthesizing receptors whose sensing behavior can be evaluated via multichannel ways such as visual detection, electronic and 1H NMR spectral and electrochemical techniques. Another way to achieve analyte recognition involves the use of irreversible reactions induced by a specific analyte on the receptor molecule, yielding measurable signals with a real-time response. Because such irreversible reactions result in products chemically different from the starting receptor molecule, this approach is known as the chemodosimeter approach. Thus, while the chemosensor approach is based on typical reversible coordination events, the chemodosimeter protocol is based on irreversible reactions between the receptor and the analyte. Consequently, another objective of this Thesis is related to the design and study of a series of chemodosimeters for the recognition of anionic analytes. In a first step we have prepared a ferrocene-based heteroditopic receptor in which the ferrocene moiety is attached to an imidazo[4,5-e]-2,1,3-benzothiadiazole. The most significant structural feature of this system is the presence of a thiadiazole ring angularly fused to a benzimidazole unit, so that the nitrogen atoms placed in the cavity created by the heterocyclic system could cooperate synergistically in recognizing cationic species, while the NH group of the imidazole ring would be available for recognition of anionic species thorough hydrogen bonding. In fact, this receptor behaves as a highly selective dual-redox and chromogenic chemosensor molecule for Pb2+ cations. Moreover, electrochemical studies on the behaviour of this receptor towards anions showed a selective recognition of HP2O73- anions. In the second chapter, we have designed and prepared a family of chemosensors with a structure 2-arylamino-1,3-diaza[3]ferrocenophanic, in which we combine the redox activity of the ferrocene unit with the chromogenic behavior of the aryl azo y p-nitrophenyl functionality and the binding ability of the guanidine group. Due to the amphoteric nature of the guanidine unit, has also been studied for binding ability its monoprotonated form. The first receptor we have designed, which contains a p-nitrophenyl group, allows the sensing of AcO-, PhCO2-, F-, Cl- and Br- anions through a electrochemical and spectroscopic (1H-NMR and UV-Vis) measurements. Its monoprotonated form is able to selectively sense the less basic Cl-, Br-, NO3- anions through a electrochemical and spectroscopic (1H-NMR and UV-Vis) measurements. The guanidine derivative receptor, which contains an azo derivative, exhibits high binding affinity and sensitivity for the Y-shaped acetate anion in acetonitrile through a dual channel, electrochemical and chromogenic Its monoprotonated form is able to selectively sense the less basic Cl-, Br-, NO3-, and HSO4- anions through a electrochemical and spectroscopic (1H-NMR and UV-Vis) measurements. In the third chapter, we describe the synthesis and electrochemical, optical, and ion sensing properties of [m.m]ferrocenophanes with bridges decorated with aldimine as cation-binding site and an aromatic or heteroaromatic (thiophene) spacer, and also a family of ferrocenilimines with acyclic structure. The incorporation of fluorescent properties groups some of the receptors acyclic nature allows the study of these receptors via a third channel: fluorescence. Quinoline, pyrene and diphenylphosphoryl units are directly attached to the unit guanidine these receptors. Both receptors [m.m]ferrocenophanes act as efficient redox/chromogenic chemosensor molecules for Zn2+, Pb2+, and Hg2+ cations in CH3CN. The changes in the absorption spectra are accompanied by a color change which allows the potential for "naked eye" detection. DFT calculations reveal an unusual distorted cubic coordination for the Pb2+ cation in the complex formed with the receptor bearing thiophene units in a N4S4 donor cage. The receptor bearing a quinoline ring behaves as chemosensor molecule for Ni2+, Zn2+, Cd2+, Hg2+ and Pb2+. cations acting through two different channels: electrochemical and chromogenic. Whereas, receptor bearing a pyrene ring, behaves as a dual redox and optical chemosensor molecule for Zn2+, Hg2+ and Pb2+ metal cations in CHCl3. However, by using CHCl3/DMF (9:1) as solvent this receptor behaves as a fluorometric chemodosimeter which selectively senses the presence of Hg2+ even in the presence of a large excess of the other metal cations tested. Finally, electrochemical and spectroscopies studies carried out on the receptor bearing phosphine oxide moiety showed the affinity of this receptor to metal cations such as Li+, Ca2+, Mg2+, Zn2+ and Pb2+ metal cations. The 1H-NMR titration data and DFT calculations plausible binding modes receptors-metals have also been proposed. Finally, in the chapter four, we have designed and prepared two chemodosimeters for the recognition of anionic analytes. The first is a ferrocene-pyrylium dyad behaves as a selective chemodosimeter for the toxic cyanide and hydrogensulfide anions. A salient feature of this simple receptor, is the presence of a reactive pyrylium ring able to react with these anionic species in water to give acyclic products, exhibiting an easily detectable signal change in the redox potential of the ferrocene/ferrocinium redox couple and a remarkable perturbation in the absorption spectrum, which can be used for "naked eye" detection of these anions. The other receptor, presents a [11]ferrocenophane structure bearing two urea units. The main feature of this receptor is that the iron atom of ferrocene is in Fe3+ oxidation state. This receptor behaves as a selective dual-redox and chromogenic chemodosimeter for NO2- anions. The observed changes correspond to a nitration reaction of the urea group present in the receptor but not to a reduction of the Fe3+ atom (Fe3+?Fe2+) present within the receptor.