Síntesis y estudio de las propiedades de sistemas poliheterocíclicos conjugados y BODIPYs α-sustituidos

UNIVERSIDAD DE BURGOS FACULTAD DE CIENCIAS Departamento de Química Área de Química Orgánica TESIS DOCTORAL Síntesis y estudio de las propiedades de sistemas poliheterocíclicos conjugados y BODIPYs  -sustituidos MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR PRESENTADA POR Sandra Díaz Cabrera Directores Prof. Dr. Roberto Quesada Pato Prof. Dra. María García Valverde Burgos, 2022 El Dr. Roberto Quesada Pato y Dra. María García Valverde, Profesores Titulares adscritos al Área de Química Orgánica del Departamento de Química de la Universidad de Burgos, CERTIFICAN: Que el trabajo de investigación incluído en la presente memoria, titulada “Síntesis y estudio de las propiedades de sistemas poliheterocíclicos conjugados y BODIPYs  - sustituidos”, ha sido realizada en el Departamento de Química de la Universidad de Burgos, bajo su dirección, por la graduada Dña. Sandra Díaz Cabrera y autorizan su presentación para que sea calificada como Tesis Doctoral, optando a la mención de “Doctor internacional”. Burgos, 10 de enero 2022. Fdo.: Roberto Quesada Pato Fdo.: María García Valverde GARCIA VALVERDE MARIA - 09297902Z Firmado digitalmente por GARCIA VALVERDE MARIA - 09297902Z Fecha: 2022.01.10 15:05:32 +01'00' Firmado digitalmente por QUESADA PATO ROBERTO - 71700226A Fecha: 2022.01.10 16:01:55 +01'00' Sé firme en tus actitudes y perseverante en tu ideal. Pero sé paciente, no pretendiendo que todo te llegue de inmediato. Haz tiempo para todo, y todo lo que es tuyo, vendrá a tus manos en el momento oportuno. “Alcanza tu sueño”, M. Gandhi. AGRADECIMIENTOS GLOSARIO DE TÉRMINOS Y ABREVIATURAS A549: células basales epiteliales de adenocarcinoma humano alveolar Abs: absorbancia AcOH: ácido acético ADN (o DNA): ácido desoxirribonucleico AFM: Atomic Force Microscopy Agg.: agregado supramolecular ARN (o RNA): ácido ribonucleico B3LYP: Becke, three-parameter, Lee-Yang-Parr Boc: tert-butiloxicarbonilo BODIPY: 4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indaceno cat.: catalítico CFTR: Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator CuAAC: reacciones de cicloadición azida-alquino catalizadas por cobre CV: Cyclic Voltamperogram CVA: voltabsorciograma cíclico CVF: voltafluorograma cíclico DCM: diclorometano DCVA y DCVF: voltabsorciograma o voltafluorogra cíclicos derivado Dec.: decano DEF: dietilformamida DFT: Density Functional Theory Dioxane/Diox./1,4-Diox.: 1,4-dioxano DIPEA: N,N-diisopropiletilamina DMA: dimetilacetamida DMAP: 4-dimetilaminopiridina DMF: dimetilformamida DMSO: dimetilsulfoxido E: electrófilo E0’ (V): potencial normal de reducción V.3. Anion transmembrane transport experiments. ........................................................... 231 V.3.1. Preparation of POPC’s vesicles. ............................................................................. 231 V.3.2. Electrochemical transport assays. ......................................................................... 232 V.4. Photophysical characterization .................................................................................... 235 V.4.1. UV-visible and fluorescence spectroscopy studies ............................................... 235 V.4.2. Calculation of quantum yield. ............................................................................... 236 V.5. Spectroelectrochemical experiments. .......................................................................... 239 V.5.1. Devices and experimental conditions. .................................................................. 239 V.5.2. General description of spectroelectrochemical signals. ....................................... 240 V.6. Self-assembly experiments. .......................................................................................... 242 V.6.1. UV-visible and photoluminescence experiments. ................................................ 242 V.6.2. NMR experiments. ................................................................................................. 243 V.6.3. FT-IR experiments. ................................................................................................. 243 V.6.4. AFM. ....................................................................................................................... 243 Supplementary information …………..…………………………………..…………… (Memoria USB) Contenido Memoria USB: se incluye una copia en formato .pdf de la memoria de la Tesis Doctoral y la “Supplementary Information”, que contiene los espectros de la caracterización química de los compuestos (RMN monodimensional y bidimensional, así como masas de alta resolución), los datos de las estructuras cristalográficas (estructuras en estado sólido de los compuestos y tablas e información de los principales parámetros cristalográficos y del refinado de estas estructuras), tablas resumen de las principales propiedades fotofísicas de algunos compuestos y los resultados de todos los experimentos de transporte de aniones realizados para los diferentes compuestos de la memoria (gráficas de las trazas obtenidas para experimentos transporte de intercambio Cl-/NO3y HCO3-/Cl-, gráficas de los ajustes de Hill y tablas resumen con los principales parámetros de la actividad transpotadora de algunos de los compuestos estudiados). Asimismo, se incluyen los archivos de salida .cif de todos los cristales obtenidos. RESUMEN 3 La relevancia de los compuestos heterocíclicos en muchas áreas de la química orgánica y biológica hace que constituyan un campo de estudio central en la química moderna. Esta tesis doctoral se ha centrado en el desarrollo de distintas metodologías sintéticas para la obtención de derivados de poliheterocíclicos conjugados, que contienen unidades pirrol y furano en sus estructuras, y en el estudio de sus propiedades y aplicaciones en distintas áreas, como el transporte de aniones en membranas lipídicas o la preparación de fluoróforos. Tomando como inspiración el producto natural roseofilina, en el primer capítulo de la memoria se detallan los resultados de la síntesis de compuestos que comparten este tipo de estructura, con el objetivo final de evaluar la actividad anionofórica de estos productos en modelos de vesículas lipídicas. Así, se determinó cómo influía en esta actividad la introducción de distintos anillos heterocíclicos en diferentes posiciones moleculares de estos compuestos. Adicionalmente, estos estudios se extendieron a compuestos con estructuras similares a otros alcaloides naturales, como las tambjaminas. Los capítulos dos y tres de esta memoria se han enfocado a la síntesis y el estudio de diferentes compuestos dipirrometénicos -funcionalizados. Los dipirrometanos son sistemas cromofóricos complejos con interesantes propiedades, precursores de fluoróforos de tipo BODIPY (4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacenos). Así, en el segundo capítulo de la tesis se han descrito dos rutas sintéticas, basadas en la autocondensación de aldehídos pirrólicos, para la obtención de dipirrometenos -sustituidos y simétricos. Los productos obtenidos demostraron tener buenas propiedades fotofísicas, modulables a través de la variación estructural de los compuestos, mediante la modificación de su estado de protonación y por efecto de la concentración o el disolvente. Además, se demostró la actividad anionofórica de algunos de ellos. Por otro lado, el tercer capítulo de la memoria se ha orientado al desarrollo de nuevas metodologías para la obtención de meso-H BODIPYs 3,5-sustituidos. En primer lugar, se estudió la reacción de complejación de dipirrometenos -prefuncionalizados para obtener BODIPYs con grupos de diferente naturaleza en las posiciones C3/C5. Paralelamente, se exploró el alcance de las reacciones de acoplamiento cruzado carbono-carbono y de sustitución nucleófila aromática (SNAr) como métodos para la postfuncionalización de BODIPYs a través de la derivatización de un 3,5-dibromo BODIPY. De este modo, la utilización de reacciones de acoplamiento cruzado, permitió maximizar el rendimiento global para la obtención de los correspondientes BODIPYs respecto a las metodologías de prefuncionalización. Por otro lado, la combinación de las SNAr con reacciones de cicloadición azida-alquino catalizadas por cobre (I) (CuAAC) facilitó la obtención de distintos regioisómeros de click-BOIDPYs simétricos. Igualmente, mediante el uso de aminas como nucleófilos se aislaron amino-BODIPYs asimétricos, precursores de productos más complejos como tambjamina-BODIPYs. En este capítulo también se exploraron algunas de las propiedades más destacables de los BODIPYs sintetizados. Además de las propiedades fotofísicas, coincidentes con las habituales de este tipo de fluoróforos; también se estudiaron las propiedades espectroelectroquímicas de dos -aril BODIPYs, revelando su actividad redox y las diferencias debidas a la distinta naturaleza electrónica de los fluoróforos. Por último, se exploró la aplicación de algunos BODIPY como transportadores de aniones y, además, se prepararon y estudiaron derivados de este tipo generando un diseño especial enfocado a la construcción de polímeros supramoleculares mediante procesos de autoensamblaje supramolecular. ABSTRACT 7 Heterocyclic compounds represent key players in modern chemistry because of their relevance in many areas of organic and biological chemistry. This PhD dissertation is focused on the development of different synthetic methodologies to obtain conjugated polyheterocyclic derivatives, which contain pyrrole and furan units in their structures, as well as studying their properties and applications in different areas, such as the anions transport across lipid membranes or the preparation of fluorophores. Taking the natural product rosephilin as an inspiration, the first chapter of the dissertation details the results in the synthesis of compounds by mimicking this type of structure, with the final aim of evaluating the anionophore activity of these products in lipid vesicle models. Thus, it was determined the influence of the introduction of several heterocyclic rings at different molecular positions on their anionophoric activity. Additionally, these studies were extended to other compounds inspired by the structure of other alkaloids such as the tambjamines. Chapters two and three of this dissertation have been focused on the synthesis and study of different -functionalized dipyrromethenic compounds. Dipyrromethenes are complex chromophoric systems with interesting properties and precursors of BODIPY-type fluorophores (4,4-difluoro-4-bora-3a, 4a-diaza-s-indacenes). Thereby, in the second chapter, two synthetic routes were designed, based on the selfcondensation of pyrrolic aldehydes, to obtain -substituted symmetric dipyrromethenes. The products obtained proved to have good photophysical properties, tunable through structural variations of the compounds, modifying their protonation state and by the effect of the concentration or the solvent. In addition, the anionophore activity of some of them was also demonstrated. On the other hand, the third chapter of the report has been oriented to the development of new methodologies for obtaining 3,5-substituted meso-H BODIPYs. First, the complexation reaction of -prefunctionalized dipyrromethenes was studied to obtain BODIPYs with groups of different nature in the C3/C5 positions. In addition, the scope of cross-coupling and nucleophilic aromatic substitution (SNAr) reactions was explored as strategies for the post-functionalization of BODIPYs through the derivatization of a 3,5-dibromo BODIPY. Thus, the use of cross-coupling reactions allowed to maximize the overall yield of the corresponding BODIPYs with respect to the prefunctionalization methodologies. On the other hand, the combination of SNAr with copper(I)-catalyzed azide alkyne cycloaddition (CuAAC) reactions facilitated the access to different regioisomers of symmetric click-BODIPYs. Likewise, by using amines as nucleophiles, asymmetric amino-BODIPYs, precursors of more complex products such as tambjamineBODIPYs, were isolated too. Some of the most important properties of synthesized BODIPYs were also explored in this chapter. In addition to the photophysical properties, similar to those that characterizing this type of fluorophores; the spectroelectrochemical properties of two -aryl BODIPYs were also studied, study that revealed their redox activity and the differences due to the different electronic nature of the substituents on the fluorophores. Finally, the application of some of the BODIPY derivatives as anion transporters was explored and, besides, derivatives of this type were prepared and studied considering a special design focused on the construction of supramolecular polymers through supramolecular self-assembly processes. INTRODUCCIÓN GENERAL Introducción general 16 colorantes dipirrometénicos como los 4,4-diflouro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacenos (BODIPYs, Figura 0.5) por sus excelentes propiedades fotofísicas, versatilidad y aplicabilidad. 35 Figura 0.5. Estructura general BODIPY y algunas de sus principales aplicaciones. Dentro de los distintos usos de los BODIPYs (Figura 0.5), uno de los principales campos de aplicación de estas sustancias es el biomédico, existiendo múltiples ejemplos de BODIPYs desarrollados para su uso en bioimagen, en terapia fotodinámica, como sondas biológicas, etc. 36 , 37 Sin embargo, el desarrollo de estos compuestos está en continua evolución, encontrándose cada vez un mayor número de publicaciones que revelan la gran aplicabilidad de los BODIPYs también en otras áreas (por ejemplo, para la construcción de dispositivos fotovoltaicos o láseres, como catalizadores foto-redox o para la fabricación de dispositivos emisores de luz). 38 Este potencial de los BODIPYs para ser empleados en aplicaciones tan diversas se debe, en parte, a su versatilidad sintética, ya que el sistema cromofórico de estos productos puede someterse a una gran variedad de reacciones químicas, consiguiendo derivados con patrones de sustitución exhaustivos y muy diferentes.35, 39 , 40 , 41 Además, durante 35 a) A. Loudet, K. Burgess, Chem. Rev. 2007, 107, 4891-4932; b) A. Loudet, K. Burgess, Handbook of Porphyrin Science, vol. 8 (Eds.: K. M. Kadish, K. M. Smith, R. Guirlard), World Scientific, Canada, 2010, pp. 1-164. 36 S. Cetindere, Am. J. Biomed Sci. Res. 2020, 7, 93-95. 37 P. Kahur, K. Singh, J. Mater. Chem. C 2019, 7, 11361-11405. 38 R. Sola-Llano, J. Bañuelos, Introductory Chapter: BODIPY Dye, an All-in-One Molecular Scaffold for (Bio)Photonics, BODIPY Dyes - A Privilege Molecular Scaffold with Tunable Properties, IntechOpen, 2018. DOI: 10.5772/intechopen.82682. 39 N. Boens, B. Verbelen, W. Dahaen, Eur. J. Org. Chem. 2015, 6577-6595. 40 R. G. Clarke, M. J. Hall, Advances in Heterocyclic Chemistry, vol. 128 (Eds.: E. F.V. Scriven, C. A. Ramsden), Elsevier - Science Direct, Cambridge, 2019, pp. 181-261. 41 N. Boens, B. Verbelen, M. J. Ortiz, L. Jiao, W. Dahen, Coord. Chem. Rev. 2019, 399, 213024-213109. Introducción general 17 los últimos años se ha demostrado que la funcionalización de los BODIPYs permite modular racionalmente sus propiedades e, incluso, inducir ciertos fenómenos de interés.35 Esto hace que cada vez se demande más una síntesis dirigida hacia productos dotados con las propiedades idóneas para la aplicación que se haya seleccionado, para lo que resulta fundamental una derivatización estructural “a medida” del núcleo BODIPY, frontera actual de esta investigación. Aunque muchas de las propiedades finales de un BODIPY dependen esencialmente de la estructura electrónica del sistema cromofórico (ligada a la estructura química del compuesto), éstas también pueden verse alteradas por otros factores, como la existencia de fenómenos de autoasociación supramolecular. Actualmente, en la literatura hay descritos múltiples ejemplos de BODIPYs que son capaces de formar agregados y polímeros supramoleculares bajo diferentes condiciones. 42 , 43 En estos materiales, las unidades BODIPY interaccionan entre sí mediante interacciones no covalentes formando la especie supramolecular, lo que genera una nueva estructura electrónica y provoca que el agregado supramolecular presente unas propiedades a menudo superiores a las de la especie disociada. Así, persiguiendo aprovechar las ventajas de este tipo de sistemas, el estudio de los procesos de agregación supramolecular de BODIPYs y la búsqueda de posibles aplicaciones para estos sistemas en distintas áreas, son consideradas en este momento investigaciones de vanguardia muy prometedoras. En definitiva, a lo largo de este epígrafe se ha podido mostrar la gran importancia que tienen los sistemas heterocíclicos. Así, centrados especialmente en el pirrol y sus derivados, motivos que serán protagonistas de la presente tesis, se han resaltado sus características y mostrado su gran aplicabilidad en diferentes ámbitos. Buscando contextualizar la investigación que se recoge en la presente tesis doctoral, se ha resumido la importancia que ha tenido este heterociclo en la producción de nuevos anionóforos en los últimos años, destacando también el papel de los derivados pirrólicos para la producción de nuevos fluoróforos de gran relevancia, como los BODIPYs. Partiendo de estos antecedentes, la presente tesis doctoral tendrá como objetivo principal la síntesis de nuevos compuestos con base pirrólica: miméticos de prodigiosinas y las tambjaminas inspirados en la estructura del alcaloide natural roseofilina, compuestos tetra(hetero)arílicos y derivados fluorescentes tipo BODIPY, para lo que se desarrollarán nuevos métodos sintéticos y se explorará el alcance de otros previamente descritos en la literatura. Asimismo, esta investigación también perseguirá estudiar las propiedades más destacadas de los compuestos preparados, tratando de encontrar la posible aplicación de éstos en diferentes campos. 42 S. Cherumukkil, B. Vedhanarayanan, G. Das, V. K. Praveen, A. Ajayaghosh, Bull. Chem. Soc. Jpn. 2018, 91, 100-120. 43 B. Matarranz, G. Fernández, Chem. Phys. Rev. 2021, 2, 041304, 1-20. CHAPTER 1: ROSEOPHILIN DERIVATIVES Roseophilin derivatives 21 1.1. Background. Anion recognition chemistry is a well-established research area of host-guest chemistry. Notwithstanding the slow place in the beginnings of this field, anion recognition chemistry showed an exponential progress,16,17, 44 due to the seminal works of Graft and Lehn 45 and of Schmidtchen, 46 during 90s. Over the years, a wide range of applications bound to anion recognition processes have been developed: sensors, responsive materials, organocatalysis, analytical anion-extractor systems… 47 In this regard, the design and synthesis of compounds capable to complex anions and mediate their transport across lipid bilayer membranes is one of the most a cutting-edge application in this area. A vast diversity of new anion transporters has been published in the literature in the past 20 years.18,24,26 Many of these anionophores incorporate in their structures typical anion recognition motifs that are usually presented on natural transporters. Contrary to the extensive variety of cation transporters that can be found in nature, 48 only a few examples of natural products are able to act as transmembrane anion transporters.22 One of the most studied natural products with marked activity as transmembrane anion transports are the prodiginines.23 Prodiginines are a family of natural alkaloids with a pyrrolyl-dipyrromethene skeleton (Figure 1.1) which are produced by microorganisms such as Serratia, Pseudomonas Vibro and Sptreptomyces. 49 These red-pigmented secondary metabolites can be isolated as protonated species or free-bases and, although protonated forms are usually more stable, both species can bind anions through hydrogen bonds and promote their transport across phospholipid membranes. Figure 1.1. General structure of prodiginines. In 2005, Davis and colleagues revealed the good activity of natural prodiginines and their synthetic analogues as chloride carriers. Besides, several experiments allowed them to conclude that these transporters could function preferentially as anion exchangers (Cl-/NO3-) in addition to symporters (H+/Cl-) across lipid membranes. 50 Subsequent studies have delineated the relationships between the structure of prodiginines and their ionophoric activity. Davis et al. reported that changes in the substituents of the B ring (Figure 1.2.a) have a direct influence in the pKa of these derivatives. In this way, the most basic 44 P. A. Gale, Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 3746-3771. 45 a) E. Graf, J.M. Lehn, J. Am. Chem. Soc. 1975, 97, 5022-5024; b) E. Graf, J. M. Lehn, J. Am. Chem. Soc. 1976, 98, 6403-6405. 46 a) F. P. Schmidtchen, Angew. Chem. Int. Ed. 1977, 16, 720-721; b) F. P. Schmidtchen, Chem. Ber. 1980, 113, 864-874; c) F. P. Schmidtchen, Chem. Ber. 1981, 114, 597-607; d) F. P. Schmidtchen, G. Muller, Chem. Commun. 1984, 1115-1116. 47 N. Busschaert, C. Caltagirone, W. Van Rossom, P. A. Gale, Chem. Rev. 2015, 115, 8038-8155. 48 I. Alfonso, R. Quesada, Chem. Sci. 2013, 4, 3009-3019. 49 N. Darshan, H. K. Manonmani, J. Food Sci. Tecnol. 2015, 52, 5393-5407. 50 J. L. Seganish, J. T. Davis, Chem. Commun. 2005, 5781-5783. Chapter 1 22 prodiginines (Id and Ie) demonstrated to have better activity as anionophores. 51 Similarly, Thompson and co-workers established that variations on substituents at the C ring can also modify the activity of these compounds. For example, the introduction of esters (Figure 1.2.b), instead aliphatic chains, diminished the transport activity of prodiginines, with anion transport efficiency being governed by lipophilicity. 52 Figure 1.2. Structural modifications at B ring (a)51 and C ring (b)52 in prodiginines. In a recent study, our group studied the influence of changes on the A ring of prodiginines (Figure 1.3). 53 , 54 A series of prodiginine analogs bearing 1,2,3-triazole heterocycle at A ring were synthesized. These compounds were able to bind anions through hydrogen bonds similarly than conventional prodiginines, but their properties were found different. Aliphatic click-prodiginines presented a lower activity than other prodiginines with pyrrole or indole motifs at the A ring, as a consequence of the modification of the hydrogen bonding cleft. However, this structural characteristic allowed the click-prodiginines to have a significantly higher selectivity for the transport of chloride in chloride/nitrate exchange processes compared to chloride/bicarbonate exchanges. Figure 1.3. Structural modifications at A ring in click-prodiginines.53,54 51 E. Marchal, S. Rastogi, A. Thompson, J. T. Davis, Org. Biomol. Chem. 2014, 12, 7515-7522. 52 S. Rastogi, E. Marchal, I. Uddin, B. Groves, J. Colpitts, S. A. McFarland, J. T. Davis, A. Thompson, Org. Biomol. Chem. 2013, 11, 3834-3845. 53 E. Hernando, V. Capurro, C. Cossu, M. Fiore, M. García-Valverde, V. Soto-Cerrato, RPérez-Tomás, O. Morán, O. Zegarra-Morán, R. Quesada, Sci Rep. 2018, 8, 2608-2618 54 E. Hernando Santa Cruz, PhD Thesis, Universidad de Burgos (Spain), 2017. Roseophilin derivatives 23 Prodiginines have attracted great interest due to their applications in biomedical and industrial areas.49, 55 Some examples of their potential uses include algicidal, 56 antimalarial, 57 antibacterial, 58 antiprotozoal, 59 as immunosuppressive agents, 60 insecticides 61 or dyes. 62 In particular, prodiginines have demonstrated good activity against different human cancer cell lines. 49, 63 These products are able to inhibit cell cycle and induce apoptosis preferentially in cancer cells over normal cells. 64 However several mechanisms accounting for their toxicity have been proposed. For instance, DNA-damaging under oxidative conditions, 65 their ability to interfere with protein kinase C isozymes, 66 or their capacity to alter the intracellular pH because of their transmembrane anion transport activity.48, 67 Obatoclax V is an example of synthetic prodiginine that was developed as anticancer agents in the clinic (Figure 1.4).29,30 Figure 1.4. Obatoclax, V. Recent studies have also demonstrated the promising activity of some prodiginines (compounds VI -natural prodigiosinand VII, Figure 1.5) for the treatment of cystic fibrosis due to their excellent ability to promote anions through lipid membranes. The molecular basis of cystic fibrosis involves disfunction of the anion permeable transmembrane protein CFTR. These 55 F. E. Sakai-Kawada, C. G. Ip, K. A. Hagiwara, J. D. Awaya, Frontiers in Microbiology 2019, 10, 1715-1723. 56 H. Zhang, Y. Peng, S. Zhang, G. Cai, Y. Li, X. Yang, K. Yang, Z. Chen, J. Zhang, H. Wang, T. Zheng, W. Zheng, Front. Microbiol. 2016, 7, 602-612. 57 H. S. Kim, M. Hayasi, Y. Shibata, Y. Wataya, T. Mitamura, T. Horii, K. Kawauchi, H. Hirata, S. Tsuboi, Y. Moirayama, Biol. Pharm. Bull. 1999, 222, 532-534. 58 a) J. C. Lapenda, P. A. Silva, M.C. Vicalvi, K. X. F. R. Sena, S. C. Nascimento, World J. Microbiol. Biotechnol. 2015, 31, 399-406; b) H. Okamoto, Z. Sato, M. Sato, Y. Koiso, S. Iwasaki, M. Isaki, Japanese J. Phytopathol. 1998, 64, 294-298. 59 P. Azambuja, D. Feder, E. S. Garcia, Exp. Parasitol. 2004, 107, 89-96. 60 K. Kawauchi, K. Tobiume, S. Kaneko, K. Kaneshiro, S. Okamato, E. Ueda, H. Kamata, Y. Moriyama, H. Hirata, Biol. Pharm. Bull. 2007, 30, 1792-1795. 61 R. K. Suryawanshi, C. D. Patil, H. P. Borase, C. P., Narkhede, B. K. Salunke, S. V. Patil, Pestic. Biochem. Physiol. 2015, 123, 49-55. 62 F. Alihosseini, K. S. Ju, J. Lango, B. D. Hammock, G. Sun, Biotechnol. Prog. 2008, 24, 742-747. 63 Nisha, K. Kumar, V. Kumar, RSC Adv. 2015, 5, 10899-10920. 64 a) B. Montaner, S. Navarro, M. Piqué, M. 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Natural product dipyrrolyldipyrromethene, VIII. The outstanding anionophoric properties of this substance prompted the development of other symmetric tetraheterocyclic analogues in the recent years. These new species involved several variations in the A ring as well as modifications of the substituents of the B ring, and their anion transport activity was excelent.54 Following this research line, the development and synthesis of other tetraheterocyclic compounds, and the study of their activities as anion carriers will be extensively discussed in this thesis (Chapter 1 and, in more detail, Chapter 2 ). Another family of naturally ocurring anion carriers are tambjamines. These marine alkaloids are close structural relatives to prodiginines, including a 4-methoxy bipyrrole core with an enamine substituent (Figure 1.7). Most tambjamines have been isolated from marine sources, such as nudibranchs, bryozoans and ascidians; and they are usually involved in their defence mechanisms against predators.23, 71 As well as prodiginines, tambjamines present intriguing pharmacological properties, including antifungal, antimalarial and antimicrobial. 72 These natural 68 a) H. H. Wasserman, D. J. Friedland, D. A. Morrison, Tetrahedron Lett. 1968, 9, 641–644; b) N. Lindquist and W. Fenical, Experientia 1991, 47, 504-506. 69 J. H. Sharp, M. K. Winson, J. S. Porter, Nat. Prod. Rep. 2007, 24, 659-673. 70 B. Díaz de Greñu, P. Iglesias Hernández, M. Espona, D. Quiñonero, M. E. Light, T. Torroba, R. PérezTomás, R. Quesada, Chem. Eur. J. 2011, 17, 14074-14083. 71 B. Carté, D. J. Faulkner, J. Chem. Ecol. 1986, 12, 795-804. 72 a) C. Holmström, S. Egan, A. Franks, S. McCloy, S. Kjelleberg, FEMS Microbiol. Ecol. 2002, 41, 47-58; b) A. Franks, S. Egan, C. Holmström, S. James, H. Lappin-Scott, S. Kjelleberg, Appl. Environ. Microbiol. 2006, 72, 6079-6087; c) D. M. Pinkertom, M. G. Banwell, M. J. Garson, N. Kumar, M. O. de Moraes, B. C. Cavalcanti, F. W. A. Barros, C. Pessoa, Chem. Biodivers. 2010, 7, 1311-1324. Roseophilin derivatives 25 compounds also show potential as anticancer drug candidates, and it is likely that they share cytotoxic mechanisms with prodiginines. 73 Figure 1.7. General structure of tambjamines. Multiple studies about the use of tambjamines as anion transporters were reposted during the last decade. In 2012, our group led the first study that demonstrated these compounds promoted exchanges Cl-/NO3and Cl-/HCO3in vesicle models. 74 More recently, it could be proved the relation between the great activity as anionophores of tambjamines and their biological activity in cancer therapy (Figure 1.8).31 The anionophoric activity of synthetic tambjamines promoted the acidification of cytosol and hyperpolarization of membrane in the cancer cells, which promoted differentiation and elimination of cancer stem cells. 75 Figure 1.8. (a) Acridine orange staining on A549 cells with compounds IX, X and XI (10 μM). The quenching of the orange fluorescence due to basification of organelles observed with active carriers. (b) pHi measurements using SNARF-1 staining. A significant decrease in pHi is observed after treatment with active carriers (IX and X).75 In 2019, a family of tambjamines derivatives equipped with a 7-aminoindole motif in their structures were reported as powerful antimicrobial agents against clinically relevant bacterial strains (Gram-positive bacteria, like E. faecium and S. aureus, and Gram-negative bacteria, such as A. baumannii and K. pneumoniae).28 Figure 1.9 shows the efficiency of one of these tambjamines in the grow inhibition of different bacterial strains. 73 A. Fürstner, Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 3582-3603. 74 P. Iglesias‐Hernández, D. Moreno, A. Araujo‐Javier, T. Torroba, R. Pérez‐Tomás, R. Quesada, Chem. Commun. 2012, 48, 1556-1558. 75 V. Soto-Cerrato, P. Manuel-Manresa, E. Hernando, S. Calabuig-Fariñas, A. Martinez-Romero, V. Fernandez-Dueñas, K. Sahlholm, T. Knopfel, M. García-Valverde, A. M. Rodilla, E. Jantus-Lewintre, R. Farras, F. Ciruela, R. Pérez-Tomás, R. Quesada, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 15892-15898. Chapter 1 32 Scheme 1.4. Tambjamines imine formation/hydrolysis equilibrium. The presence of methoxy group in aldehyde precursors have also an influence in the kinetic of the reaction to synthesize tambjamine-like products. Methoxy group of aldehyde 3b leads to a diminution in the electrophilicity (reactivity) of the carbonyl carbon, comparing with its homologous in aldehyde 3a. On this basis, theoretically, the formation of imines should be achieved faster from aldehyde 3a than from aldehyde 3b in presence of the same nucleophile (an amine). Nevertheless, experimental results demonstrated that aliphatic tambjamines were obtained more quickly with aldehyde 3b. This experimental fact can be explained considering the equilibrium in the tambjamines formation (Scheme 1.4). The lower stability of tambjamine 8a to hydrolysis promotes a displacement on the equilibrium formation of the tambjamine to the reagents. Therefore, the hydrolysis of the product competes with the imine formation and it slows down the global reaction rate to obtain the corresponding tambjamine, despite the good reactivity of the aldehyde 3a. In contrast, the reaction with aldehyde 3b leads to a more stable tambjamine, 8b. The low hydrolysis of the product promotes a displacement of the equilibrium to the imineproduct, which increases the global reaction rate to achieve tambjamine derivative even when aldehyde 3b is less reactive than 3a. On this account, although reactivity factors play an important role on the synthesis of aliphatic pyrrolyl-furane tambjamines, the stability of these products seems to be the limiting factor in the synthesis of this type of tambjamines. Synthesis of aromatic tambjamines from aldehydes 3a and 3b were also attempted. In general, aromatic amines show lower nucleophilicity than aliphatic amines, so tambjamines formation with the former amines is usually more difficult. In this way, the good electrophilic nature of carbonylic carbon from aldehyde 3a, allowed to synthesize the neutral tambjamine 7a from 4-tert-butylaniline in good yield. However, this product could only be isolated as a neutral specie because its protonation could not be achieved, what is due to the participation of the lone pair of electrons of the imine nitrogen in the extended conjugation of the molecule, which reduces the basicity of this position. On the contrary, the lower reactivity of aldehyde 3b, together with the poor nucleophilic character of the aromatic amine, avoided to yield the product 7b successfully. 1.3.1.2.2. Prodigiosin-like compounds. Despite early efforts, 86 the structure elucidation and the first total synthesis of prodigiosin was not reported until the 1960s by the groups of Rapaport and Wasserman. 87 Since then, different procedures to prepare prodiginine-like compounds have been described in literature.54,70, 88 These procedures promote the acid-catalysed condensation of a pyrrole unit with the corresponding aldehyde precursor, which involved two steps: the protonation of the 86 a) F. Wrede, O. Hettche, Chem. Ber. 1929, 62, 2678-2685; b) F. Wrede, A. Rothhaas, Z. Physiol. Chem. 1934, 226, 95. 87 a) H. Rapoport, K. G. Holden, J. Am. Chem. Soc. 1962, 84, 635-642; b) H. H. Wasserman, J. E. McKeon, L. Smith, P. Forgione, J. Am. Soc. Chem. 1960, 82, 506-507; c) H. H. Wasserman, J. E. McKeon, U. V. Santer, Biochem. Biophys. Ress. Commun. 1960, 3, 146-149. 88 M. García-Valverde, I. Alfonso, D. Quiñonero, R. Quesada, J. Org. Chem. 2012, 77, 6538-6544. Roseophilin derivatives 33 heterocyclic aldehyde and the electrophilic aromatic substitution (SEAr) over the 2-position of pyrrole unit. Considering this background, a protocol to prepare prodiginines from pyrrolyl-furane aldehydes, 3a and 3b, was set. In this methodology, prodigiosine-like compounds, as hydrochloride salts, were prepared at room temperature by reaction between 2,4dimethylpyrrole and the corresponding aldehyde (3a or 3b) in methanol, using a solution of hydrochloric acid as catalyst (reaction in Table 1.2). Table 1.2. Syntheses of pyrrolyl-furane prodigiosins. Entry 3 R1 Prodigiosin (9) Yield (%)a 1 3a H 9a -b 2 3b OCH3 9b 70% aYield of the isolated prodiginine referred to the carboxaldehyde 3. bProdigiosin 8a could not be isolated and characterised due to its insolubility. Despite the differences in the reactivity of aldehydes 3a and 3b, prodiginine-like products could be prepared after 5 hours of reaction for both precursors by using the reported procedure. Nevertheless, the great insolubility of compound 9a hindered its purification and isolation, in contrast with the successful isolation of prodigiosin 9b. In addition, following the same synthetic methodology, furanyl-pyrrolo prodigiosin 10 was also prepared for future comparison purposes (Figure 1.16). Figure 1.16. Furanyl-pyrrolo prodigiosin 10. Chapter 1 34 Conformational analysis of prodigiosin-like product 9b. Based on previous conformational analyses of prodiginine-like compounds published by our group,54,65possible conformers were proposed for prodigiosins 9b and 10 (Figure 1.17). Figure 1.17. Conformers of prodigiosins 9b and 10. A suitable crystal for single crystal X-ray diffraction of compound 9b was obtained by crystallization by vapour diffusion of diethyl ether into a methanol solution of the compound at room temperature. Similarly, appropriate single crystals of prodigiosin 10 were obtained by slow diffusion of hexane into a solution of the compound in dichloromethane. The solid-state structures of these prodigiosines are shown in Figure 1.18. Figure 1.18. Solid-state structures of compounds 9b (left) and 10 (right). Atoms: C, light gray; N, blue; O, red; Cl, dark green; H, white. X-ray crystallographic analysis of compounds 9b and 10 showed the expected planarity of the tris-heterocyclic system, reflecting their high conjugation. The tris-heterocycle skeleton of 9b shows a -conformation where cis-disposition is observed around methine bond. On contrary, prodigiosin 10 displays a  conformation where the A ring is flipped away to minimize the electrostatic repulsions of the furane oxygen atom with the anion and favours its coordination. The NHs groups of pyrrole heterocycles are interacting in both molecules with the chloride anion through hydrogen bonds. Besides, in prodigiosin 10 an additional hydrogen bond is formed between the anion and a CH group of the furane at the A ring. The solid-state structures confirm that prodiginines 9b and 10 are forming hydrogen bonding complexes with the anion chloride (stoichiometry is 1:1). Distances of both NH···Cl hydrogen bonds are closer (3.09 and 3.23 Å) in 9b, although hydrogen bond from the NH of the C ring is slightly longer than from the NH of the A ring (this difference is much less marked in other prodiginines-like compounds).54,70,88 In general, hydrogen bonds are quite directional and angles can be used as a measurement of their strength, because closer values to 180o are associated to stronger hydrogen bonds. In the case of 9b, the values of the angles of NH···Cl hydrogen bonds (167.9o and 153.6o) and the length of Roseophilin derivatives 35 these non-covalent bonds can be related with a moderated strength of hydrogen bonds. Additionally, all the C-C bonds of the methine linker of 9b also display similar distances, whose average is around 1.38 Å, and an angle of 132.7o. The high aromatic conjugation of the prodigiosin 9b is also reflected on C(sp2)-C(sp2) distances. Thus, the C-C bond connecting the pyrrole of the B ring with furane (A ring) is shorter than typical values of these single bonds because it has a partial double bond character. All these data agree with the bibliographic measured values of others prodiginine-like compounds.88 Something similar can be concluded for compound 10. For this prodiginine, distances of both NH···Cl hydrogen bonds are similar (3.20 and 3.10 Å), although in this case the length of the hydrogen bond from the NH of the C ring is shorter than from the NH of the B ring. Furthermore, the CH···Cl interaction displays a long length of the bond (3.51 Å), which agree with the lower strength of this interaction. Regarding the values of the angles, the NH···Cl hydrogen bonds display angles of 174.6o and 166.6o and the CH···Cl hydrogen bond is 151.9o. The bonds around the methine group show similar distances around 1.75 Å and an angle of 134.7o in compound 10, which reflects the greater aperture of this structure comparing with 9b. As well as in prodigiosin 9b, the distances C(sp2)-C(sp2) in compound 10 are intermediate between typical values of single and double bonds, which highlights the high aromatic conjugation of the system. All the data of the crystallographic structure of prodigiosin 10 evidence that it is similar to clickprodigiosins.54 Several attempts to determine the relative conformation of prodigiosin 9b in solution were also tried. NMR studies in deuterated chloroform (CDCl3) were carried out. Figure 1.19. NOESY (300 MHz, CDCl3) of compound 9b. NOESY spectra in CDCl3 of 9b (Figure 1.19) shows clear cross peaks between Hx-HC4, HB3-HB4 and HA3-HB4. These results are indicative that hydrochloride salt of prodigiosin 9b displays a preferred  conformation also in CDCl3 solution. Chapter 1 36 1.3.1.2.3. Tetraheterocyclic compounds Dipyrromethene derivatives will be extensively studied on the Chapter 2 of this thesis. A whole background of the synthetic methodologies to prepare this type of compounds will be detailed on this chapter. A synthetic methodology to prepare symmetric tetraheterocyclic compounds was described by Thompson et al. in 2014. 89 These authors proposed the synthesis of dipyrromethene derivatives as hydrobromide salts from the self-condensation of 2-formylpyrroles under acidic conditions. Inspired by this report, the syntheses of symmetric tetraheterocyclic compounds from aldehydes 3a and 3b, were carried out as described in the reaction of Table 1.3. In this methodology, a methanolic solution of the corresponding aldehyde, 3a or 3b, was treated with a solution of hydrochloric acid at room temperature to yield the corresponding tetraheterocyclic compound as hydrochloride salt. Table 1.3. Syntheses of tetraheterocyclic compounds. Entry 3 R1 Tetraheterocyclic compound (11) Yield (%)a 1 3a H 11a -b 2 3b OCH3 11b 64% aYield of the isolated tetraheterocyclic compound referred to carboxaldehyde 3. bAsymmetric tetraheterocyclic compound 13a was obtained instead the symmetric compound 11b. Condensation reactions were completed in only one hour for both aldehydes under the described conditions. Symmetric tetraheterocyclic compound 11b was obtained from aldehyde 3b in good yield and its formation could be easily explained though the proposed mechanism in Scheme 1.5. Firstly, the protonation at the carbonyl group takes place in order to increase its electrophilic character. Then, the SEAr with a second aldehyde molecule happens and, after formic acid removal, condensation process is completed to yield the symmetric tetraheterocyclic derivative. 89 K. A. R. Lund, A. Thompson, Synlett. 2014, 25, 1142-1144. Roseophilin derivatives 37 Scheme 1.5. Proposed mechanism for the synthesis of traditional symmetric tetraheterocyclic compounds. However, 1H-NMR of the reaction mixture starting from aldehyde 3a demonstrated that the symmetric tetraheterocyclic compound 11a was not obtained. In contrast, the pattern of signals of the 1H-NMR suggested the presence of an asymmetric tetraheterocyclic compound. To explain this result, the study of Thompson et al. about the regioselectivity in the synthesis of dipyrromethenes from 2-formyl pyrroles was considered. 90 Aldehydes 3a and 3b present different nucleophilic positions (Figure 1.20). Nonetheless, the presence of the methoxy group, a strong donor group, in aldehyde 3b increase the nucleophilic character (reactivity) of one of its nucleophilic positions in favour of the others. On the contrary, for aldehyde 3a the difference of reactivity between the competing nucleophilic positions will be almost negligible, but the steric hindrance would favour the reaction through the other side. In this way, self-condensation reaction with aldehydes 3a and 3b will be controlled by two factors, the distribution of charge on the molecule and the steric hindrance. Figure 1.20. Selectivity observed for aldehydes 3a and 3b in SEAr reactions. This explanation could easily justify the formation of an asymmetric product from aldehyde 3a, on contrast with the symmetric-one obtained from 3b. Taking into account the mechanism proposed on Scheme 1.5 and the studies of Thompson and co-workers, a mechanism have been proposed to explain the formation of an asymmetric tetraheterocyclic compound (13a) from the self-condensation of 3a (Scheme 1.6). 90 M. H. R. Beh, C. Figliola, K. L. A.R. Lund, A. K. Kajetanowicz, A. E. Johnsen, E. M. Aronitz, A. Thompson, Can. J. Chem. 2018, 96, 779-784. Chapter 1 38 Scheme 1.6. Proposed mechanism for the synthesis of product 13a from aldehyde 3a. In the proposal mechanism of Scheme 1.6, after the protonation at the carbonilic group of 3a, the SEAr with a second aldehyde molecule happens, although in this case the nucleophile will be the C5 position of the pyrrole ring. Thus, after water removal and deformylation, asymmetric tetraheterocyclic derivative 13a will be achieved. 1.3.2. Anion transport activity. The transport assays were carried out in model phospholipid vesicles. These vesicles were made of 1‐palmitoyl‐2‐oleoyl‐sn‐glycero‐3‐phosphocholine (POPC) and they were prepared with a good control of size and composition. The activity as transmembrane anion carriers of compounds 8b, 9b, 10 and 11b was tested using a chloride selective electrode, whereas compounds 7a and 13a were not tested due to the presence of impurities or because of solubility problems. The anion transport activity was studied for the chosen compounds in chloride/nitrate and, in some cases, chloride/bicarbonate exchange experiments. Full details of how preparing vesicles and performing the assays are described on the section “V.3. Anion transmembrane transport experiments.” of the experimental part of this thesis. The anion transport activity of tambjamine-like compound 8b at different concentrations in Cl-/NO3exchange experiments is shown in Figure 1.21. The results demonstrated that although measurable transport activity of 8b can be detected its efficiency as anion carrier is quite low. Roseophilin derivatives 39 Figure 1.21. Chloride efflux promoted by 8b (5 µM – 1 mol% and 0.5 µM - 0.1 mol% carrier to lipid concentration) in unilamellar POPC vesicles. The vesicles, which contained NaCl (489 mM NaCl and 5 mM phosphate buffer, pH 7.2), were immersed in NaNO3 (489 mM NaNO3 and 5 mM phosphate buffer, pH 7.2). Each trace represents an average of at least three different experiments. Lipophilicity and electronic factors have an important influence in the anion transport properties of a carrier. Over the years, our group has carried out several studies to demonstrate and analyse the influence of these factors in anion transport activities of tambjamine-like compounds.54,74,76,77,78 In 2007, Hernando developed a study in which the influence in anion transport of tambjamines due to the variation of the heterocycles at A ring was examined.54 Similarly, the study of the anionophoric properties of product 8b could shed light about how the influence of variations at the B ring of the tambjamines’ structure can affect to the anion transport activity of a carrier. A comparison between the transport activity of compound 8b and analogous tambjamine VIII, in which B and A rings are pyrrole heterocycles (Figure 1.22), revealed important differences in the anion transport activity.54 Although EC50 value could not be calculated for 8b, the addition of 1 mol% carrier to lipid concentration of 8b to Cl-/NO3exchange experiments scarcely promoted a 20% of chloride efflux, whereas 0.1 mol% of this compound showed results comparable to blank experiments (measurement of DMSO without carrier). In contrast, the tambjamine with a pyrrole at the B ring was found extremely active. In this case, the addition of just 0.0025 mol% of carrier promoted even more chloride efflux (above 20%) than the addition of 1 mol% of 8b at the same Cl-/NO3exchange experiments.54 These results highlight the great influence of changes at the B ring in the anion transport properties of tambjamines. The loss of the central NH interaction, when furane replaces the pyrrole at B ring, causes drastic decrease in the anion transport activity due to a weaker interaction between the carrier and the chloride anion. Figure 1.22. Bibliographic tambjamine XVIII, analogous to 8b.54,78 Anion transport activity was also evaluated for prodigiosin-like 9b. Figure 1.23 summarizes the anionophoric activity at different concentrations of this compound for Cl-/NO3exchange experiments. Besides, Hill analysis of these data allows to calculate EC50 and n values for this prodigiosin at Cl-/NO3assays (Table 1.4). 050 100 150 200 250 300 0 20 40 60 80 100 1% 0.1% Chloride efflux / % Time / s Chapter 1 40 Figure 1.23. Chloride efflux promoted by 9b (15 µM - 3%; 10 µM - 2%; 5 µM - 1%; 2.5 µM - 0.5%; 0.5 µM - 0.1% mol carrier to lipid concentration) in unilamellar POPC vesicles. The vesicles, which contained NaCl (489 mM NaCl and 5 mM phosphate buffer, pH 7.2), were immersed in NaNO3 (489 mM NaNO3 and 5 mM phosphate buffer, pH 7.2). Each trace represents an average of at least three different experiments. Additionally, HCO3-/Clexchange assays were also performed with different concentrations of prodigiosin 9b. The results of these experiments are shown on Figure 1.24, although the low chloride efflux values obtained at the different concentrations of 9b explored hindered the completion of the Hill analysis for HCO3-/Clexchanges. Figure 1.24. Chloride efflux promoted by 9b (35 µM - 7%; 25 µM – 5% and 5 µM - 1% mol carrier to lipid concentration) in unilamellar POPC vesicles. The vesicles, which contained NaCl (451 mM NaCl and 20 mM phosphate buffer, pH 7.2), were immersed in Na2SO4 (150 mM Na2SO4, 40 mM HCO3– and 20 mM phosphate buffer, pH 7.2). Each trace represents an average of at least three different experiments. The anion transport activity of prodiginine 10 was also measured. Figure 1.25 and Figure 1.26 summarize the results of NO3-/Cland HCO3-/Clexchange experiments, respectively, of prodigiosin 10. The EC50 and n values for this compound are summed on Table 1.4. 050 100 150 200 250 300 0 20 40 60 80 100 3% 2% 1% 0.5% 0.1% Chloride efflux / % Time / s 050 100 150 200 250 300 0 20 40 60 80 100 7% 5% 1% Chloride efflux / % Time / s Roseophilin derivatives 41 Figure 1.25. Chloride efflux promoted by 10 (5 µM - 1%; 0.25 µM - 0.05%; 0.1 µM - 0.02%; 0.05 µM - 0.01%, 0.02 µM - 0.004% mol carrier to lipid concentration) in unilamellar POPC vesicles. The vesicles, which contained NaCl (489 mM NaCl and 5 mM phosphate buffer, pH 7.2), were immersed in NaNO3 (489 mM NaNO3 and 5 mM phosphate buffer, pH 7.2). Each trace represents an average of at least three different experiments. Figure 1.26. Chloride efflux promoted by 10 (25 µM – 5%, 15 µM – 3%, 5 µM – 1%, 1.5 µM - 0.5%, 0.5 µM – 0.1% mol carrier to lipid concentration) in unilamellar POPC vesicles. The vesicles, which contained NaCl (451 mM NaCl and 20 mM phosphate buffer, pH 7.2), were immersed in Na2SO4 (150 mM Na2SO4, 40 mM HCO3– and 20 mM phosphate buffer, pH 7.2). Each trace represents an average of at least three different experiments. Prodigiosins 9b and 10 show a Hill parameter n around one, which is indicative of a lack in cooperativity or active self-assembled structure facilitating the transport. This value also agrees with a 1:1 stoichiometry, typical in prodigiosin-chloride complexes. Table 1.4. Summary of the transport parameters of Cl-/NO3and Cl-/HCO3exchanges for the prodigiosins 9b and 10. Compound EC50 (nM) Cl-/NO3Hill parameter, n Cl-/NO3EC50 (nM) Cl-/HCO3Hill parameter, n Cl-/HCO39b 1513 ± 166 1.04 ± 0.10 -a -a 10 59 ± 2 1.06 ± 0.04 4335± 755 0.84 ± 0.14 aThese parameters cannot be determined due to the low data distribution. Comparatively, anion activity of prodigiosin 9b is much better than the tambjamine 8b. Nevertheless, the anionophoric properties of 9b are worse than in prodigiosin 9 and other prodigiosins previously described on literature, such as IIIc, V and VI.32,53,54 050 100 150 200 250 300 0 20 40 60 80 100 1% 0.05% 0.02% 0.01% 0.004% Chloride efflux / % Time / s 050 100 150 200 250 300 0 20 40 60 80 100 5% 3% 1% 0.5% 0.1% Chloride efflux / % Time / s Capítulo 2 48 Los dipirrometenos fueron descritos por primera vez por Piloty en 1914, 94 y adquirieron una gran relevancia durante la primera mitad del siglo XX, cuando Fischer demostró su potencial como precursores para la síntesis de porfirinas. 95 Durante muchos años, las dificultades en la manipulación de los dipirrometenos relegaron su uso, pero actualmente han vuelto a ocupar un primer plano en la investigación química debido a sus interesantes propiedades fotofísicas 96 y ácido-base, 97 así como al gran rango de aplicaciones que poseen.54, 98 , 99 Figura 2.3. Estructura general de una porfirina (XIX) y de una ftalocianina (XX). Además de su importante papel en la síntesis de ftalocianinas y porfirinas (Figura 2.3), la mayoría de las aplicaciones de las dipirrinas se asocian a sus complejos metálicos. 100 , 101 Los dipirrometenos pueden actuar como ligandos monoaniónicos bidentados, lo que favorece su coordinación con una gran variedad de iones metálicos y ácidos de Lewis (Figura 2.4).98,99 Figura 2.4. Complejos metálicos que pueden formarse a partir de un dipirrometeno: complejos bis(dipirrinato)metal (II), complejos tris(dipirrinato)metal (III) y BODIPYs. 94 O. Piloty, J. Stock, E. Dormann, Chem. Ber. 1914, 47, 400-406. 95 H. Fischer, H. Orth, Die Chemie des Pyrrols, Akademische Verlagsgesellschaft, Leipzig, 1937. 96 G. B. Guseva, E. V. Antina, M. B. Berezin, A. S. Semeikin, A. I. V’Yugin, Russ. J. Gen. Chem. 2002, 72, 126130. 97 G. B. Guseva, E. V. Rumyantsev, E. V. Antina, M.B. Berezin, A. I. V’Yugin, Russ. J. Coord. Chem. 2004, 30, 371-374. 98 a) T. E. Wood, A. Thompson, Chem. Rev. 2007, 107, 1831-1861; b) T. E. Wood, M. I. Uddin, A. Thompson, Handbook of Porphyrin Science, vol. 8 (Eds.: K. M. Kadish, K. M. Smith, R. Guirlard), World Scientific, Canada, 2010, pp. 235-291. 99 R. S. Singh, R. P. Paitandi, R. K. Gupta, D. S. Pandey, Coord. Chem. Rev. 2020, 414, 213269-213321. 100 S. A. Baudron, H. Ruffin, M. W. Hosseini, Chem. Commun. 2015, 51, 5906-5909. 101 T. Nabeshima, M. Yamamura, G. J. Richards, T. Nakamura, J. Synth. Org. Chem. Jpn. 2015, 73, 11111119. Compuestos tetra(hetero)arílicos 49 Uno de los complejos de dipirrometeno más estudiados son los BODIPYs (Figura 2.4). Estos compuestos son muy apreciados debido a su estabilidad, propiedades ópticas, versatilidad sintética y fácil derivatización, lo que permite su uso en un gran número de aplicaciones (láser, fotosensibilizadores en células solares o terapias médicas, sondas fluorescentes biológicas…).35 Sin embargo, además de los BODIPYs, existen otros complejos metálicos de dipirrometeno que presentan aplicaciones muy interesantes como agentes anticancerígenos, 102 como pigmentos, 103 en la química de sensores, 104 como catalizadores,99, 105 , en la construcción de redes metalorgánicas (MOFs), 106 para procesos de transferencia de energía, 107 e incluso como antenas para la captación de luz solar y su empleo en la generación de energía. 108 Una aplicación más reciente de los dipirrometenos es su actividad como anionóforos.54,70 Se trata de especies que han demostrado una excelente capacidad para actuar como transportadores de aniones transmembrana en modelos de vesículas y en células. Estas interesantes propiedades de las dipirrinas han impulsado el desarrollo de nuevos métodos para su síntesis. En general, la elección de las metodologías sintéticas depende de la simetría requerida en el producto, así como de la naturaleza y el número de sustituyentes, lo que a su vez determina la estabilidad y propiedades fisicoquímicas finales del dipirrometeno.98 Los métodos más tradicionales se han orientado hacia la síntesis de dipirrometenos asimétricos con la posición meso libre, utilizando para ello reacciones de condensación de pirroles, 109 mientras que la mayoría de los métodos más recientes se han dirigido hacia la síntesis de dipirrometenos sustituidos en la posición meso a través de la oxidación de dipirrometanos. 35 Síntesis de dipirrinas por condensación de pirroles Esta metodología fue desarrollada alrededor de 1930,95 siendo la sustitución del producto final, así como la simetría de éste, el que define la estrategia de síntesis.98 102 a) R. K. Gupta, R. Pandey, G. Sharma, R. Prasad, B. Koch, S. Srikrishna, P. Z. Li, Q. Xu, D. S. Pandey, Inorg. Chem. 2013, 52, 3687-3698; b) R. K. Gupta, G. Sharma, R. Pandey, A. Kumar, B. Koch, P. Z. Li, Q. Xu, D. S. Pandey, Inorg. Chem. 2013, 52, 13984-13996. 103 A. Kamkaew, S. H. Lim, H.B. Lee, L. V. Kiew, L. Y. Chun, K. Burgess, Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 77–88 104 a) M. A. Filatov, A. Y. Lebedev, S. N. Mukhin, S. A. Vinogradov, A. V. Cheprakov, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 9552-9554; b) Y. Ding, X. Li, T. Li, W. Zhu, Y. Xie, J. Org. Chem. 2013, 78, 5328-5338. 105 a) E. T. Hennessy, T. A. Betley, Science 2013, 340, 591-595; b) E. R. King, E. T. Hennessy, T. A. Betley, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 4917-4923. 106 Algunos ejemplos: a) D. L. Murphy, M. R. Malachowski, C. F. Campana, S. M. Cohen, Chem. Commun. 2005, 44, 5506-5508; b) J. R. Stork, V. S. Thoi, S. M. Cohen, Inorg. Chem. 2007, 46 11213-11223; c) H. Ruffin, S. A. Baudron, D. Salazar-Mendoza, M. W. Hosseini, Chem. Eur. J. 2014, 20, 2449-2453; d) A. Béziau, S. A. Baudron, G. Rogez, M. W. Hosseini, Inorg. Chem. 2015, 54, 2032-20393. 107 J. H. Klein, T. L. Sunderland, C. Kaufmann, M. Holzapfel, A. Schmiedel, C. Lambert, Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 16024-16030. 108 L. Yu, K. Muthukumaran, I. V. Sazanovich, C. Kirmaier, E. Hindin, J. R. Diers, P. D. Boyle, D. F. Bocian, D. Holten, J. S. Lindsey, Inorg. Chem. 2003, 42, 6629-6647. 109 C. Brückner, V. Karunaratne, J. R. Steven, D. Dolphin, Can. J. Chem. 1996, 74, 2182-2193. Capítulo 2 50 Dipirrometenos asimétricos y simétricos con la posición meso libre El método más común para sintetizar dipirrinas simétricas y asimétricas con la posición meso libre es la reacción de MacDonald, en una reacción análoga a la descrita para la obtención de porfirinas. 110 Se trata de la condensación en medio ácido entre -acilpirroles y -H-pirroles (Esquema 2.1), 111 reacción que tiene lugar con un alto rendimiento en un solo paso. Aunque esta reacción se ha descrito con diferentes catalizadores, los más empleados son el ácido bromhídrico 112 y el oxicloruro de fósforo (V). 113 Debido al empleo de un medio ácido, los dipirrometenos se obtienen como sales, generalmente más estables que los compuestos neutros. Esquema 2.1. Síntesis de dipirrinas simétricas y asimétricas con la posición meso libre a través de la reacción de MacDonald. Aunque la reacción de MacDonald es el método más común para la preparación de dipirrometenos con la posición meso libre; el empleo de -H-pirroles con sustituyentes aceptores reduce notablemente el rendimiento de la reacción. La menor nucleofilia del -Hpirrol favorece la reacción competitiva de autocondensación del -acilpirrol, obteniéndose como subproducto la sal dell dipirrometeno simétrico.90 Para evitar esta reacción secundaria, a menudo se planifica la síntesis haciendo que, de los dos precursores de pirrol, el menos nucleofílico sea el que contenga en su estructura el grupo funcional carboxaldehído. 35 Los dipirrometenos simétricos con la posición meso libre también pueden ser preparados mediante la condensación de -H-pirroles en presencia de ácido fórmico y un ácido fuerte mineral (ácido bromhídrico,95 ácido clorhídrico, 114 ácido perclórico91) o de una mezcla de ortoformiato y ácido trifluoroacético (Esquema 2.2). 115 Esta metodología permite obtener las sales de dipirrometeno con altos rendimientos químicos mediante el empleo de temperaturas moderadas de reacción. 110 G. P. Arsenault, E. Bullock, E. S. F. MacDonald, J. Am. Chem. Soc. 1960, 82, 4384-4389. 111 J. B. Paine, D. Dolphin, Can. J. Chem. 1978, 1710-1712. 112 A. Al-Sheikh-Ali, K. S. Cameron, T. S. Cameron, K. N. Robertson, A. Thompson, Org. Lett. 2005, 7, 47734775. 113 a) C. W. Wan, A. Burghart, J. Chen, F. Bergström, L. B. A. Johansson, M. F. Wolford, T. G. Kim, M. R. Topp, R. M. Hochstrasser, K. Burgess, Chem. Eur. J. 2003, 9, 4430-4441; b) V. Hornillos, E. Carrillo, L. Rivas, F. Amat-Guerri, A. U. Acuña, Bioorg. Med. Chem. Lett. 2008, 18, 6336-6339. 114 B. Tu, C. Q. Wang, J. S. Ma, Org. Prep. Proced. Int. 1999, 31, 349-352. 115 a) S. Datta, D. A. Lightner, Monatsh. Chem. 2008, 139, 1113-1117; b) H. Wang, M. Chen, L. Wang, Chem. Pharm. Bull. 2007, 55, 1439-1441 Compuestos tetra(hetero)arílicos 51 Esquema 2.2. Síntesis de dipirrometenos simétricos con la posición meso libre por condensación catalizada por ácido entre -H-pirroles y ácido fórmico. Dipirrometenos simetricos y asimétricos con la posición meso sustituida La condensación en medio ácido de -H-pirroles en presencia de un ácido carboxílico, un haluro de ácido o un anhídrido (Esquema 2.3), permite obtener con buenos rendimientos sales de dipirrometeno con la posición meso sustituida. 116 Esquema 2.3. Síntesis de dipirrometenos con la posición meso sustituida por condensación de -Hpirroles y derivados carboxílicos. Síntesis de dipirrinas por oxidación de dipirrometanos En los últimos años, la preparación de dipirrinas por oxidación de dipirrometanos se ha convertido en una de las metodologías más populares. Esta metodología permite preparar con gran éxito dipirrometenos con grupos arilo en la posición meso, aunque es menos efectiva cuando la posición meso está libre u ocupada con sustituyentes de tipo alifático. Además, los productos obtenidos por este método se aislan como bases libres (dirpirrinas desprotonadas) con elevados rendimientos.98,108 El Esquema 2.4 resume las principales rutas para preparar dipirrinas mediante la transformación oxidativa de los correspondientes dipirrometanos, que pueden obtenerse de un modo similar a lo descrito previamente para la síntesis de dipirrinas, pero empleando como precursores del carbono meso reactivos con un menor estado de oxidación.98 Los dipirrometanos simétricos pueden prepararse por reacción, a temperatura ambiente y en medio ácido (ácido de Lewis, como InCl3, o ácido mineral), entre un aldehído aromático y un exceso de equivalentes de un -H-pirrol. 117 Por otro lado, la síntesis de dipirrometanos simétricos con la posición meso libre puede llevarse a cabo por autocondensación del correspondiente pirrol -sustituido, precursor del carbocatión, en medio ácido (por ejemplo, ácido p-toluensulfónico o montmorillonita). 118 Igualmente, la condensación entre -H-pirroles y pirroles precursores de carbocationes permite obtener meso-H-dipirrometanos asimétricos.111 116 a) A. Treibs, M. Strell, I. Strell, D. Grimm, Liebigs Ann. Chem. 1978, 289; b) M. A. T. Rogers. J. Chem. Soc. 1943, 590-596; c) S. Gabriel, Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1908, 14, 1138 117 J. K. Laha, S. Dhanalekshmi, M. Taniguchi, A. Ambroise, J. S. Lindsey, Org. Process Res.Dev. 2003, 7, 799812. 118 a) G.W. Kenner, K.M. Smith, Ann. N. Y. Acad. Sci. 1973, 206, 138-150; b) A. H. Jackson, R. K. Pandey, K. R. N. Rao, E. Roberts, Tetrahedron Lett. 1985, 26, 793-796. Capítulo 2 52 Esquema 2.4. Rutas sintéticas disponibles para la preparación de dipirrinas a partir de dipirrometanos. La transformación final de los dipirrometanos sintetizados en los correspondientes dipirrometenos se consigue mediante el empleo de diferentes agentes oxidantes, siendo los más populares el 2,3-dicloro-5,6-diciano-1,4-benzoquinona (DDQ) y el p-cloroanilo.109, 119 Esta metodología permite oxidar fácilmente dipirrometanos meso-aril funcionalizados, aunque presenta ciertas limitaciones con meso-alquil y meso-H dipirrometanos. 120 Síntesis de dipirrinas por autocondensación de -acilpirroles Durante los últimos años se han puesto a punto novedosas metodologías para la síntesis de dipirrometenos. Una de estas estrategias ha aprovechado la reacción secundaria de autocondensación de -acilpirroles, a menudo detectada en el transcurso de la reacción MacDonald, lo que constituye un método sencillo para la obtención de dipirrometenos simétricos con la posición meso libre. Así, en 2008 Burguess et al. describieron una nueva estrategia para generar BODIPYs en un proceso one-pot en dos etapas, reacción de autocondensación de -acilpirroles en presencia de el oxicloruro de fósforo (V) seguida de adición de trifluoruro de boro eterato dando lugar al correspondiente BODIPY (Esquema 2.5.a). 121 Según estos autores, el oxicloruro de fósforo tendría un papel clave en la reacción de autocondensación, planteando que pudiese actuar generando un análogo vinílico de tipo Vilsmeier-Haack sobre una molécula de -acilpirrol, lo que favorecería el ataque nucleófilo de otra molécula de -acilpirrol (Esquema 2.5.b). 119 R. W. Wagner, J. S. Lindsey, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 9759-9760. 120 L. Yu, K. Muthukumaran, I. V. Sazanovich, C. Kirmaier, E. Hindin, J. R. Diers, P. D. Boyle, D. F. Bocian, D. Holten, J. S. Lindsey, Inorg. Chem. 2003, 42, 6629-6647. 121 L. Wu, K. Burgess, Chem. Commun. 2008, 4933-4935. Compuestos tetra(hetero)arílicos 53 Esquema 2.5. (a) Ruta sintética descrita por Burguess et al. para la síntesis de BODIPYs a partir de - acilpirroles. (b) Mecanismo de la reacción propuesto para la etapa de autocondensación. En 2014, el grupo de la profesora Thompson exploró la reacción de autocondensación de - acilpirroles sustituidos para la síntesis de meso-H-dipirrinas simétricas (Esquema 2.6). Estos autores eligieron ácido bromhídrico como catalizador y optimizaron las condiciones de reacción para obtener de un modo efectivo sales simétricas de dipirrinio.89 Esquema 2.6. Obtención de meso-H-dipirrometenos simétricos por autocondensación de -acilpirroles en medio ácido. Posteriormente, estos autores describieron un nuevo resultado al utilizar 1H-pirrol-2carbaldehidos no sustituidos en su posición C5. En este caso se obtenían mezclas de dos regioisómeros, las dipirrinas simétricas esperadas y dipirrometenos asimétricos, al poder tener lugar la sustitución electrófila aromática en dos posiciones diferentes (Esquema 2.7).90 Según el mecanismo propuesto, las dipirrinas simétricas se obtendrían cuando el carbono carbonílico de una de las moléculas de -acilpirrol, previamente activado por el medio ácido, sufriera el ataque de otra molécula de pirrol a través de su C2. Sin embargo, las dipirrinas asimétricas se generarían Capítulo 2 54 por el ataque desde la posición C5 de la segunda molécula de -acilpirrol, reacción más favorecida al aumentar el tamaño de los sustituyentes en C3. Esquema 2.7. Mecanismos de reacción propuestos en la formación de sales de dipirrinio meso-H, simétricas y asimétricas, a través de la autocondensación de 5-H-2-formilpirroles. La reacción de autocondensación de -acilpirroles es un método muy prometedor para la síntesis de meso-H-dipirrometenos simétricos, tal como se demuestra en los numerosos ejemplos que se encuentran en bibliografía. 122 No obstante, el potencial sintético de esta reacción aún no ha sido estudiado en su totalidad ya que, aunque se ha revelado la importancia de los factores estéricos en la obtención de diferentes regioisómeros en la reacción de autocondensación de 5-H-2-formilpirroles, la influencia de factores electrónicos y de la naturaleza de los sustituyentes del pirrol aún no ha sido explorada. Asimismo, tampoco existen antecedentes en la literatura sobre el alcance de la reacción de autocondensación sobre otros aldehídos heterocíclicos, lo que podría abrir un nuevo campo de investigación en la síntesis de oligoheterociclos. 2.2. Objetivos del capítulo. El principal objetivo de este capítulo es el estudio del alcance de la reacción de autocondensación en medio ácido, utilizando para ello diferentes 5-(hetero)aril-2-carbaldehídos heterocíclicos (Esquema 2.8). Esto permitirá desarrollar nuevas metodologías para la síntesis de compuestos tetra(hetero)arílicos simétricos, estudiar la versatilidad de la reacción de autocondensación y determinar la influencia de factores electrónicos sobre ella. 122 Algunos ejemplos: a) B. R. Groves, T. S. Cameron, A. Thompson, Org. Bio. Chem. 2017, 15, 7925-7935; b) J. Li, Q. Zhang, J. Yin, C. Yu, K. Cheng, Y. Wei, E. Hao, L. Jiao, Org. Lett. 2016, 18, 5696-5699; c) L. Cunha Dias de Rezende, M. Menezes Vaidergorn, J. C. Biazzotto Moraes, F. da Silva Emery, J. Fluoresc., 2014, 24, 257-266; d) Z. Zang, D. Dolphin, Chem. Commun. 2009, 6931-6933; e) E. V. Antina, L. A. Antina, G. B. Guseva, M. B. Berezin, A. I. V’yugin, A. S. Semeikin, A. A. Ksenofontov, Russ. J. Inorg. Chem. 2014, 59, 578586. Compuestos tetra(hetero)arílicos 55 Esquema 2.8. Reacción de autocondensación con diferentes aldehídos heterocíclicos. Para completar nuestro proyecto, se estudiarán las propiedades fotofísicas de los compuestos tetra(hetero)arílicos sintetizados, evaluando el efecto de diferentes factores, y se analizará su potencial como transportadores de aniones en modelos de vesículas lipídicas. 2.3. Discusión de resultados. 2.3.1. Síntesis de α-(hetero)aril dipirrometenos. Para el estudio sintético de este capítulo se han ensayado dos rutas sintéticas (Esquema 2.9). En primer lugar, el estudio se centrará en optimizar la reacción de autocondensación de aldehídos pirrólicos en medio ácido, previamente descrita por el grupo de la profesora Thompson,89 como método para la obtención de diferentes -(hetero)aril dipirrometenos simétricos (Método A). La introducción de anillos arílicos y heteroarílicos, diferentemente sustituidos, en la posición C5 de los pirrol-2-carbaldehídos permitirá evaluar la influencia que pueden tener los factores electrónicos y estéricos en la reacción de autocondensación, lo que facilitará explorar el alcance de este método y su potencial para ser empleado con otro tipo de aldehídos heterocíclicos. Además, se exploró la autocondensación de un aldehído pirrólico bromado en su posición alfa para generar un dipirrometeno que pueda funcionalizarse a posteriori mediante reacciones de acoplamiento cruzado C-C, siendo ésta una ruta sintética alternativa para la obtención de los -(hetero)aril dipirrometenos simétricos (Método B). Esquema 2.9. Metodologías sintéticas exploradas para la obtención de -(hetero)aril dipirrometenos simétricos. Estas dos estrategias utilizan como reactivo de partida un pirrol bromado, sistema clave para la construcción de sistemas de dipirrometeno diferentemente sustituidos. Para la síntesis de este sistema se partió del (E)-4-cloro-3-metoxi-2-butenoato de metilo 14, 123 éster comercial (Esquema 2.10). Este éster al ser tratado con una disolución acuosa de amoniaco origina la - 123 a) L. Duc, J. F. Mcgarrity, T. Meul, A. Warm, Synthesis 1992, 4, 391-394; b) K. Daïri, Y. Yao, M. Faley, S. Tripathy, E. Rioux, X. Billot, D. Rabouin, G. Gonzalez, J. F. Lavallée, G. Attardo, Org. Process Res. Dev. 2007, 11, 1051-1054; c) L. N. Aldrich, E. S. Dawson, C. W. Lindsley, Org. Lett. 2010, 12, 1048-1051. Capítulo 2 56 lactama 15, que al reaccionar con dietilformamida y oxibromuro de fósforo origina la bromoenamina 16 en una reacción de Vilsmeier-Haack. Esquema 2.10. Síntesis de la bromo-enamina 16. El producto 16 no solo abre la posibilidad de sintetizar nuevos aldehídos pirrólicos a través de reacciones de acoplamiento cruzado, sino que, además, permite obtener con excelente rendimiento el aldehído pirrólico bromado 17, mediante un proceso de hidrólisis en medio básico a temperatura ambiente (Esquema 2.11).122b Esquema 2.11. Síntesis del aldehído pirrólico bromado 17 por hidrólisis básica de 16. 2.3.1.1. Síntesis de α-(hetero)aril dipirrometenos simétricos por el método A. Síntesis de los precursores sintéticos de los de α-(hetero)aril dipirrometenos. Inicialmente se llevó a cabo la síntesis de una batería de 5-(hetero)aril-3-metoxi-2carbaldehídos pirrólicos, para determinar el alcance de la reacción de autocondensación de aldehídos pirrólicos así como la influencia de factores electrónicos y estéricos en ésta. Para la obtención de estos precursores se emplearon reacciones de acoplamiento cruzado, de tipo Suzuki-Miyaura y Sonogashira, y cicloadiciones azida-alquino catalizadas por cobre (CuAAC). A. Reacciones de acoplamiento cruzado C(sp2)-C(sp2). El desarrollo de las reacciones de acoplamiento cruzado, catalizadas por metales de transición, ha supuesto una revolución en la formación de enlaces carbono-carbono durante las últimas décadas. 124 Estas nuevas metodologías sintéticas han cambiado los protocolos de preparación de muchos productos y, no solo son cruciales para la obtención de moléculas bioactivas o el desarrollo de medicinas y agroquímicos, sino que además tienen un papel clave para el desarrollo de nuevos materiales. 125 La capacidad de estas reacciones para generar compuestos de alta complejidad estructural de un modo eficiente y más ecológico, a partir de sustratos más económicos, accesibles y capaces de reaccionar en condiciones más suaves, 126 ha incrementado notablemente su popularidad. 124 A. Meijere, F. Diederich, Metal-Catalyzed Cross-Coupling reactions, (Eds.: A. Meijere, F. Diederich) Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2004. 125 A. Suzuki, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 6722-6737. 126 P. Prediger, A. V. Moro, C. W. Nogueira, L. Savegnago, P. H. Menezes, J. B. T. Rocha, G. Zeni, J. Org. Chem. 2006, 71, 3786-3792. Compuestos tetra(hetero)arílicos 57 Las grandes ventajas que ofrece esta química se han aprovechado para la síntesis de una batería de aldehídos pirrólicos diferentemente sustituidos, mediante el empleo de reacciones de Suzuki-Miyaura y Sonogashira, dos de los acoplamientos cruzados catalizados por paladio más estudiados. Reacción de Suzuki-Miyaura Las reacciones de Suzuki-Miyaura permiten formar enlaces C-C entre compuestos organoborados y electrófilos orgánicos (haluros o triflatos) a través de un proceso catalizado por paladio en presencia de una base (Esquema 2.12). El mecanismo de esta reacción, cuando se emplean bases acuosas, se inicia con la adición oxidativa de un haluro (o pseudohaluro) orgánico al catalizador de Pd(0), formando un halocomplejo de Pd(II) intermedio. Posteriormente, se produce un proceso de transmetalación con el organoborano y, tras una isomerización cis/trans del intermedio R1-Pd(II)-R2, los restos orgánicos se liberan en la eliminación reductora dando lugar al producto del acoplamiento cruzado, regenerando el catalizador. 127 Esquema 2.12. Reacción general de Suzuki-Miyaura y ciclo catalítico a través del cual transcurre. Utilizando reacciones de acoplamientos cruzados Suzuki-Miyaura se sintetizaron una serie de aldehídos pirrólicos 5-aril sustituidos 19a-g (Tabla 2.1). Estas reacciones se llevaron a cabo haciendo reaccionar el derivado halogenado 16 con los correspondientes ácidos borónicos 18ag (1.1 equiv.) en una mezcla 1,4-dioxano y agua (9:1, v/v) a 110 oC durante 16 h, en presencia del catalizador Pd(PPh3)4 (0.1 equiv) y de la base Na2CO3 (3.0 equiv). Además de la reacción de acoplamiento, en el medio de reacción tenía lugar la hidrólisis de la enamina lo que originaba el aldehído correspondiente. Dependiendo de la naturaleza del ácido borónico utilizado el resultado final es muy diferente. Por lo general, en la reacción de Suzuki la etapa de adición oxidativa es la etapa limitante. Sin embargo, en la síntesis de los aldehídos pirrólicos 19a-g, el derivado halogenado es común en todos los casos, por lo que la transmetalación será la etapa que condiciona el resultado de estas reacciones. Aunque las etapas de adición oxidativa y eliminación reductora han sido estudiadas 127 a) A. R. Martin, Y. Yang, Acta Chem. Scand. 1993, 47, 221-230; b) V. Pardo Rodríguez, Tesis doctoral, Universidad Autónoma de Madrid (España), 2012; c) N. Miyaura, K. Yamada, H. Suginome, A. Suzuki, J. Am. Chem. Soc., 1985, 107, 972-980. Capítulo 2 64 Esquema 2.16. Mecanismo propuesto para la autocondensación de 5-(hetero)aril-3-metoxi-2carboxaldehídos pirrólicos en medio ácido. Tras el análisis de estos resultados se puede concluir que, aunque la reacción de autocondensación en medio ácido con diferentes aldehídos pirrólicos permite sintetizar una gran variedad de dipirrometenos -funcionalizados simétricos, ésta se ve condicionada por la reactividad del aldehído precursor, influida notablemente por su sustitución y naturaleza electrónica de ésta. Extensión del uso de la reacción de autocondensación para la síntesis de compuestos tetra(hetero)cíclicos a partir de aldehídos de furano y tiofeno. En el primer capítulo de esta tesis doctoral se estudió la reacción de autoncondensación con los derivados de furfural 3a y 3b (Capítulo 1, sección “1.3.1.2.3. Tetraheterocyclic compounds”). Al llevar a cabo la reacción con estos aldehídos se observó que, aunque ésta tenía lugar, existían notables diferencias en los resultados obtenidos con cada uno de ellos, debido a la influencia de factores estéricos y electrónicos (Esquema 2.17). Así, cuando la reacción de autocondensación se llevaba a cabo con el 3-metoxi-5-(1H-pirrol-2-il)furan-2-carbaldehido 3b se obtenía el compuesto tetraheterocíclico simétrico 11b, mientras al utilizar el 5-(1H-pirrol-2-il)furan-2carbaldehido 3a se obtenía el sistema asimétrico 13a. Esquema 2.17. Autocondensación en medio ácido del aldehído 3b (a) y 3a (b). Teniendo en cuenta este resultado decidimos explorar el alcance de la reacción de autocondensación con aldehídos heterocíclicos derivados del tiofeno. Además de los derivados comerciales 29b y 29b, se utilizaron los derivados 30a y 30b, sintetizados a partir de los primeros a través de reacciones de acoplamiento Suzuki-Miyaura. Figura 2.5. Derivados de tiofeno utilizados para explorar el alcance de la reacción de autocondensación. Compuestos tetra(hetero)arílicos 65 Cuando la reacción de autocondensación se llevó a cabo con los aldehídos comerciales 29a y 29b, utilizando las condiciones experimentales optimizadas para los derivados de pirrol, se observó que ésta no evolucionaba y que los reactivos de partida se mantenían sin transformar. Asimismo, al utilizar los aldehídos 30a y 30b, más reactivos debido a la presencia de anillos pirrólicos periféricos, aunque se observaba una conversión completa de los reactivos de partida, no se obtuvieron resultados concluyentes, ya que en ambos casos los productos obtenidos eran muy insolubles. Estos resultados, a pesar de ser preliminares, indican que los aldehídos heterocíclicos más apropiados para llevar a cabo la reacción de autocondensación son los pirrólicos, especialmente aquellos con sustituyentes dadores de electrones. Igualmente, la reacción de autocondensación parece ser extensible a derivados de furfural. 2.3.1.2. Síntesis de α-(hetero)aril dipirrometenos simétricos por el método B. La obtención del dipirrometeno dibromado 25, mediante la reacción de autocondensación, abre la puerta al diseño de una nueva metodología sintética para la obtención de dipirrometenos -funcionalizados simétricos, basada en la funcionalización de 25 a través de reacciones de acoplamiento cruzado. Siguiendo esta estrategia, los dipirrometenos 26 se prepararon a través de acoplamientos cruzados de Suzuki-Miyaura dobles (Tabla 2.5), que se llevaron a cabo haciendo reaccionar 25 con los correspondientes ácidos borónicos (2.2 equiv.) en una mezcla de 1,4-dioxano y agua (9/1) a 110 oC durante 18 horas, utilizando Pd(PPh3)4 como catalizador (0.2 equiv.) y Na2CO3 como base (8.0 equiv). Los rendimientos obtenidos para esta serie de dipirrometenos fueron variables (Tabla 2.5), observándose la misma tendencia que en la síntesis de los pirrol-2-carbaldehídos 18a-g. Como se comentó anteriormente, al trabajar con exceso de base, la reactividad de las especies organoboradas gobernará el proceso de transmetalación (etapa limitante en esta serie al emplearse el mismo derivado halogenado) y condicionará el rendimiento de la reacción de Suzuki (Esquema 2.12). Así, los acoplamientos de Suzuki-Miyaura de esta serie que transcurrieron con mayor rendimiento fueron aquellos que empleaban los ácidos borónicos más nucleófilos (dotados con grupos dadores de electrones sobre los anillos de fenilo periférico o con anillos heterocíclicos -excedentes), al presentar una mayor reactividad como aniones borato e insertarse más fácilmente en el complejo R1-Pd(II)-X durante el proceso de transmetalación. Es interesante destacar el hecho de que, a pesar del bajo rendimiento obtenido en la síntesis del trifluorometil derivado 26c, por la reducida reactividad del ácido borónico precursor, dicho producto pudo ser aislado, a diferencia del resultado obtenido utilizando el método A. Capítulo 2 66 Tabla 2.5. Síntesis de los dipirrometenos 26a-g con acoplamientos cruzados de Suzuki-Miyaura. Entrada 18 R1 Dipirrometeno (26) Rendimiento (%)a 1 18a 26a 46 [31]b 2 18b 26b 80 [54]b 3 18c 26c 16 [11]b 4 18d 26d -c 5 18e 26e -d 6 18f 26f 70 [47]b 7 18g 26g 33 [22]b Todas las reacciones se realizaron a partir de 0.03 mmol de 25. aRendimiento de la reacción de Suzuki doble, tras el apropiado procedimiento de purificación, referido al derivado dibromado 25. bRendimiento global a partir de la bromo-enamina 16. cLa reacción se llevó a cabo variando ligeramente el procedimiento experimental de Suzuki: inicialmente, se neutralizó la sal de hidrocloruro del ácido borónico en THF, mediante su tratamiento con una disolución acuosa de Na2CO3 (16 equiv.), y, a continuación, en un proceso one-pot, se adicionó 25 junto al catalizador de paladio. Tras calentar a reflujo durante 18 horas, el producto 26d se detectó en el crudo de reacción, pero no pudo ser purificado. dNo pudo ser aislado por su baja solubilidad. Además de la reacción de Suzuki-Miyaura, se investigó el potencial de los acoplamientos cruzados de Sonogashira (Esquema 2.18). Estas reacciones se llevaron a cabo haciendo reaccionar el dipirrometeno dibromado 25 con el correspondiente alquino terminal (3.0 equiv.) durante 16 horas a 65 oC, utilizando PdCl2(PPh3)4 (0.04 equiv.) y CuI (0.08 equiv) como catalizadores, trietilamina (5.0 equiv) como base y THF seco como disolvente. Esquema 2.18. Acoplamientos de Sonogashira para la obtención de los dipirrometenos 27a,c. Sin embargo, la obtención de los dipirrometenos 27a y 27c no fue posible a través de esta metodología, lo que podría explicarse teniendo en cuenta la excelente capacidad para coordinar metales de los dipirrometenos.98 En la literatura, existen numerosos ejemplos que describen la formación de complejos de Pd(II) con dipirrometenos mediante el uso de catalizadores de paladio similares al utilizado en nuestra metodología, como el Pd(AcO)2,120, 136 o el 136 a) A. Béziau, S. A. Baudron, A. Fluck, M. W. Hosseini, Inorg. Chem. 2013, 52, 14439-14448; b) H. Maeda, T. Nishimura, A. Tsujii, K. Takaishi, M. Uchiyama, A. Muranaka, Chem. Lett. 2014, 43, 1078-1080. Compuestos tetra(hetero)arílicos 67 PdCl2(CH3CN). 137 No obstante, el hecho de que las reacciones de Suzuki-Miyaura, que utilizan 25 como reactivo precursor y utilizan Pd(PPh3)4 como catalizador, transcurriesen de un modo favorable, sugiere que 25 pudiese estar coordinándose preferentemente con el Cu(I) presente en yoduro de cobre, co-catalizador las reacciones de Sonogashira. Así, esta formación de complejos metálicos entre el ligando 25 y los catalizadores de la reacción dificultaría que el acoplamiento cruzado de Sonogashira tuviese lugar. Estos resultados permiten concluir que, aunque esta nueva metodología sintética permite obtener toda clase de dipirrometenos a través de acoplamientos de tipo Suzuki-Miyaura, solventando en algunos casos las limitaciones que se observaban en el método A; este método no es compatible con la síntesis de dipirrometenos a través de reacciones de Sonogashira por la alta naturaleza coordinante de 25. 2.3.2. Propiedades fotofísicas. Debido a su complejo sistema cromofórico, los dipirrometenos -sustituidos 25-28 y VIII 138 son unas sustancias fuertemente coloreadas y presentan unas propiedades fotofísicas muy interesantes. Los espectros de absorción UV-visible de las sales de hidrocloruro de los dipirrometenos 26-28 y VIII (Figura 2.6) presentan una banda de absorción principal, con elevados coeficientes de absortividad molar (  = 3-12 x 104 M-1 cm-1), en la región del espectro electromagnético visible entre 400 y 650 nm, debida a las transiciones electrónicas entre sus bandas −*. Asimismo, en todos los compuestos se observa un hombro, o banda secundaria de absorción, desplazado hipsocrómicamente e hipocrómicamente respecto a la banda principal. Figura 2.6. Arriba: fotografías tomadas con luz ambiente de las sales de hidrocoluro de los dipirrometenos 26-28 y VIII a la concentración de 1 mM en cloroformo. Abajo: espectros de absorción UV-visible los dipirrometenos 26-28 y VIII en cloroformo. 137 a) A. Rago, C. Guérin, E. Framery, L. Jean‐Gérard, C. Comby‐Zerbino, P. Dugourd, B. Andrioletti, Eur. J. Inorg. Chem. 2020, 4409-4414; b) C. Eerdun, T. H. T. Nguyen, T. Okayama, S. Hisanaga, J. Setsune, Chem. Eur. J. 2019, 25, 5777-5786. 138 Producto natural tetrapirrólico. Su estructura está incluida en el Capítulo 1 de esta tesis (sección “1.1. Background.”) Capítulo 2 68 Las características espectrales (posición, intensidad y forma de las bandas) de un compuesto vienen determinadas, principalmente, por su estructura electrónica y la geometría molecular. 139 Teniendo en cuenta esto, se quiso determinar la influencia que tenían diferentes variaciones en la estructura química de los dipirrometenos, que modifican la distribución electrónica molecular, en sus propiedades de absorción y emisión. Efecto de las variaciones en la estructura química en la fotofísica de los dipirrometenos: Para los dipirrometenos 25, 140 26-28 y VIII se puede observar como la sustitución con anillos aromáticos con diferente naturaleza electrónica, así como la introducción de grupos capaces de extender la conjugación, tienen un claro efecto en sus propiedades fotofísicas (Tabla 2.6). El aumento de la conjugación en un dipirrometeno supone un cambio en la unidad cromofórica, lo que repercute en las características espectrales del compuesto (Tabla 2.6, Figura 2.7.a). De esta manera, el reemplazo de los bromos del dipirrometeno 25 por anillos arílicos, o heteroarílicos, conlleva un fuerte desplazamiento de los máximos de absorción hacia el rojo, como consecuencia de la extensión en la conjugación de la molécula.96, 141 Asimismo, este desplazamiento batocrómico se ve aún más acentuado al introducir grupos alquino entre el núcleo de dipirrometeno y los grupos arilo periféricos (Tabla 2.6, Figura 2.7.a, compuestos 27ab), debido a un mayor incremento de la deslocalización electrónica. La variación de los anillos aromáticos en alfa del núcleo de dipirrometeno provoca importantes variaciones en la estructura electrónica de los dipirrometenos y, por consiguiente, también afecta a sus propiedades fotofísicas (Tabla 2.6, Figura 2.7.b). Este efecto puede observarse al comparar los espectros de absorción de los compuestos VIII, 26a, 26f y 26g. Cuando los anillos de fenilo en  del dipirrometeno (26a) se reemplazan por anillos - excedentes heterocíclicos (como el furano (26f), el tiofeno (26g) o el pirrol (VIII)) unidos a través de su C2, se observa como el máximo de absorción de la banda principal se desplaza batocrómicamente (30-65 nm) como consecuencia de la conjugación extendida del sistema, especialmente marcada en el caso de VIII. Sin embargo, cuando se introducen grupos 1,2,3triazoles, unidos a través de la posición 1 al dipirrometeno y sustituidos en 4 con grupos arilo para-funcionalizados (compuestos 29a,b), la posición de las bandas permanece prácticamente invariable ya que se produce una conjugación cruzada entre el núcleo de dipirrometeno y los anillos heterocíclicos periféricos. 139 a) W. Miao, E. Dai, W. Sheng, C. Yu, E. Hao, W. Liu, Y. Wei, L. Jiao, Org. Lett. 2017, 19, 6244-6247, b) E. Fernández Salvador, Tesis doctoral, Universidad Complutense de Madrid (España), 2001. 140 Este producto se encuentra como base libre (no pudo aislarse puro como especie protonada). 141 R. W. Guy, R. A. Jones, Aust. J. Chem. 1966, 19, 1871-1885. Compuestos tetra(hetero)arílicos 69 Tabla 2.6. Espectroscopía de absorción de las sales de hidrocoloruro de los dipirrometenos 26-29 en cloroformo. Compuesto abs / nm (   105 M-1 cm-1) 25a 432 (0.405) 26a 530 (0.937), 499 (0.619), 363 (0.056) 26b 553 (0.547), 516 (0.299), 360 (0.055), 318 (0.163) 26c 531 (0.804), 500 (0.497), 372 (0.042) 26f 565 (0.610), 522 (0.345), 370 (0.044), 311 (0.201) 26g 568 (0.844), 527 (0.472), 380 (0.040), 314 (0.331) 27a 583 (0.883), 545 (0.529), 518 (0,390), 406 (0.125), 341 (0.281), 322 (0.291) 27b 563 (0.303), 524 (0,249), 311 (0.234) VIII 595 (1.273), 550 (0.371), 417 (0.036), 394 (0.085), 325 (0.286) 28a 535 (0.864), 497 (0.338), 377 (0.066) 28b 534 (1.008), 496 (0.389), 463 (0.122), 375 (0.056), 311 (0.146) Los espectros de absorción fueron adquiridos en un espectrofotómetro de UV-visible para disoluciones en cloroformo de los dipirrometenos 26-28 y VIII como sales de hidrocloruro. aEste compuesto se midió como base libre debido a que no fue posible aislarlo puro como especie protonada. De igual manera, la variación de la naturaleza electrónica de los sustituyentes en para de los anillos de fenilo periféricos de los dipirrometenos también provoca variaciones en sus características espectrales. Al comparar los máximos de absorción en cloroformo de los - arildipirrometenos 26a-c (Tabla 2.6, Figura 2.7.c) se observa como la presencia de un grupo dador en la posición para de los anillos aromáticos periféricos, como en 26b (553 nm), hace que el sistema presente mayor densidad electrónica y que aparezca un efecto batocrómico en sus bandas de absorción respecto al compuesto sin sustitución, 26a (530 nm). Por el contrario, la presencia de grupos aceptores de electrones en la posición para, como en 26c (531 nm), apenas supone variación en la posición de las bandas de absorción respecto a 26a. Figura 2.7. Superposición de los espectros de absorción UV-visible de los dipirrometenos 26a, 27a y VIII (a), 26a,f,g, 28a y VIII (b) y 26a-c (c). Las bandas de emisión de fluorescencia de las sales de hidrocloruro de los dipirrometenos 26-28 en cloroformo son, en todos los casos, un espejo de sus bandas principales de absorción. Las variaciones espectrales en emisión son semejantes a las detectadas en absorción al producirse cambios en la extensión de la conjugación o al variar la naturaleza electrónica de los grupos arilo en alfa de los dipirrometenos. Además, al contrario de lo que sucede con la absorbancia, la intensidad de emisión registrada para los compuestos de esta familia de dipirrometenos resultó ser, en general, bastante pobre (Figura 2.8). Capítulo 2 70 Figura 2.8. Espectros de emisión de fluorescencia de los dipirrometenos 26-28 en cloroformo a 10 M (excepto 28a,b y 28b,c que se han medido a 30 M). Además de la estructura electrónica y la geometría molecular, el entorno en el que se encuentran los compuestos también tiene una gran influencia en sus propiedades fotofísicas y fotoquímicas. Efectos del disolvente, el pH, la concentración o la temperatura pueden variar las características espectrales de una molécula, ya que pueden modificar su comportamiento a nivel electrónico. Por este motivo, se quiso evaluar la influencia del microentorno en las propiedades de absorción y emisión de nuestra familia de dipirrometenos. Efecto del estado de protonación en las propiedades fotofísicas de los dipirrometenos: Los dipirrometenos son compuestos que pueden aislarse como sales (especie protonada) y como bases libres (especie neutra o desprotonada), aunque estas últimas suelen ser menos estables. 142 Cada una de estas especies presenta unas características fotofísicas intrínsecas, lo que hace interesante extender nuestro estudio fotofísico para determinar las variaciones en los espectros de absorción y emisión resultantes de tener las especies protonadas o desprotonadas de los dipirrometenos. Para los dipirrometenos 26-28, el paso de las sales de hidrocloruro a las especies neutras tuvo lugar mediante la adición de una base, trietilamina comercial (2.5 L, 0.1% v/v), a la disolución en cloroformo del compuesto protonado (3 mL) de concentración 30 M. Los espectros de absorción de los dipirrometenos protonados mostraban bandas más complejas y absorciones más intensas que los de las bases libres (Figura 2.9). El protón en los dipirrometenos protonados actúa como un grupo auxocromo, lo que provoca un incremento en la polarización del cromóforo y favorece su interacción con el disolvente. Este hecho, junto a un aumento en la simetría del sistema, 143 hace que los dipirrometenos protonados muestren bandas a mayores longitudes de onda (desplazadas batocrómicamente) que las especies neutras, similar a lo observado por Guseva et al. en su estudio con especies de dipirrometeno más sencillas.96,97 Por otro lado, las bandas en los espectros de emisión de los dipirrometenos en su forma protonada y neutra presentaban un comportamiento similar al observado en absorción (Figura 2.9): las bandas de las especies neutras aparecen desplazadas hipsocrómicamente respecto a las de las protonadas (excepto en el caso de 26c). Asimismo, en la mayoría de los casos, los dipirrometenos presentaban una desactivación de su fluorescencia cuando se encontraban como bases libres. 142 H. Falk, A. Leodolter, Monatsh. Chem. 1978, 109, 883-897. 143 R. W. Guy, R. A. Jones, Aust. J. Chem. 1965, 18, 363-371. Compuestos tetra(hetero)arílicos 71 Figura 2.9. Espectros de absorción (línea sólida) y emisión de fluorescencia (línea discontinua) de los dipirrometenos 26-28 como especies protonadas (en negro) y desprotonadas (en rojo) en cloroformo a 30 M. Las fotos fueron tomadas a luz ambiente en cloroformo a 30 M y representan las formas neutras (imagen izquierda) y protonadas (imagen derecha) de los dipirrometenos. La desprotonación de una sal de dipirrometeno en disolución no solo se alcanza al emplear una base. Guseva y sus colaboradores demostraron que el proceso de desprotonación de estos compuestos también puede ocurrir por las interacciones soluto-disolvente, la capacidad de asociación intermolecular entre cromóforos y la concentración. Para estudiar cómo afectan estos factores en los dipirrometenos 26-28, se llevaron a cabo experimentos a concentración variable en cloroformo y de solvatocromismo. Efecto de la concentración en las propiedades fotofísicas de los dipirrometenos: Al analizar las variaciones en los espectros de absorción de los dipirrometenos 26-28 cuando su concentración era modificada se observó cómo, en un rango de entre 50 y 5 M en cloroformo, era posible detectar el paso de las especies de dipirrometeno protonadas a las desprotonadas (Figura 2.10). Este proceso de desprotonación solvolítica se observa a través de un efecto hipsocrómico e hipocrómico de la banda principal de los dipirrometenos a medida que disminuye la concentración de dipirrometeno por dilución, consecuencia del paso de la especie protonada a la desprotonada. Capítulo 2 72 Figura 2.10. Espectros de absorción UV-visible a concentración variable en cloroformo de los compuestos 26a,b,c,f,g; 27a,b y 28a,b.. Guseva y sus colaboradores demostraron que la desprotonación solvolítica de sales de dipirrometeno se ve influida notablemente por la sustitución y naturaleza electrónica de los sustituyentes.96,97 En nuestro caso, mientras que para los dipirrometenos 27a y 27b la forma desprotonada se obtenía incluso a concentraciones intermedias; para los compuestos 28a y 28b resultaba necesario bajar la concentración por debajo del rango estudiado para obtener una desprotonación completa (Figura 2.10). Efecto del disolvente en las propiedades fotofísicas de los dipirrometenos: Diferentes estudios realizados por Guseva et al. revelaron que las sales de dipirrometeno son capaces desprotonarse fácilmente en disolución cuando se emplean disolventes polares próticos, mientras que los disolventes apróticos desplazan el equilibrio hacia la forma iónica (protonada) del dipirrometeno por una menor solvatación.92,96,97 Al estudiar el efecto del disolvente en la desprotonación de los dipirrometenos 26-28 (Figura 2.11, Figura 2.12 y Table 6 de la “Supplementary Information”) se observa cómo, al emplear disolventes polares con capacidad aceptora de protones (dimetilsulfóxido, DMSO) y disolventes polares próticos (metanol, MeOH), los espectros de absorción y emisión presentan patrones de bandas típicos de estados desprotonados, o de equilibrio de especies. Por el contrario, cuando se empleaban disolventes apolares, o polares apróticos, la disociación solvolítica no tenía lugar, observándose las bandas típicas del compuesto protonado. Compuestos tetra(hetero)arílicos 73 El efecto de la interacción soluto-disolvente no solo influye en los procesos de protonacióndesprotonación de los dipirrometenos, sino que también puede dar lugar a fenómenos de solvatocromismo debidos al efecto del disolvente en las energías de los estados electrónicos de las moléculas (Figura 2.11 y Figura 2.12). Figura 2.11. Espectros de absorción UV-visible del estudio de solvatocromismo de los dipirrometenos 2628 (las fotos incluidas fueron tomadas a luz ambiente y de izquierda a derecha son: cloroformo, hexano, tolueno, dioxano, metanol, diclorometano -DCMy DMSO). En el caso de los dipirrometenos 27-28 se observa que los espectros de absorción y emisión son prácticamente independientes de la polaridad del disolvente, lo que indica que apenas existen variaciones en el momento dipolar o la polarizabilidad sobre los estados excitados de estas sustancias. No obstante, en tolueno es posible observar pequeños desplazamientos batocrómicos (3-10 nm) en las bandas de absorción de los dipirrometenos respecto a lo obtenido en cloroformo, diclorometano o 1,4-dioxano. Este desplazamiento batocrómico significa que el tolueno produce una ligera estabilización del estado excitado molecular (menos polar que el fundamental), lo que provoca que las bandas de absorción se desplacen hacia menores energías. Por otro lado, en los espectros de emisión se observa como el metanol, y en algunos casos el DMSO, provocan una fuerte desactivación de la fluorescencia (26a, 26g, 27a, 28a y 28b), lo que puede ser debido a la aparición de la especie desprotonada por disociación solvolítica. Mientras disolventes como el tolueno y el dioxano incrementan ligeramente la emisión de los dipirrometenos 26c, 27a, 27b, 28a y 28b. Capítulo 2 80 pirrólicos 19a-h permitieron concluir que la transmetalación era la limitante en los acoplamientos de Suzuki llevados a cabo, estando especialmente favorecida cinéticamente al emplear ácidos borónicos más nucleófilos. Mientras, los resultados de las reacciones de Sonogashira (productos 22a-b) reflejaron que los acoplamientos se veían más favorecidos cuando se llevaban a cabo con derivados halogenados de naturaleza pobre en electrones, ya que en este caso la etapa limitante era la adición oxidativa. La segunda parte del estudio sintético de este capítulo se centró en el desarrollo de una ruta alternativa para la obtención de los -(hetero)aril dipirrometenos simétricos (método B). Con esta estrategia se aprovecharon las posibilidades de la reacción de autocondensación de aldehídos pirrólicos para generar 25, un dipirrometeno altamente versátil bromado en sus posiciones  que podía funcionalizarse, mediante reacciones de acoplamiento cruzado, para dar lugar a los -(hetero)aril dipirrometenos. De esta manera, aunque este método de síntesis resultó muy útil para la preparación de -(hetero)aril dipirrometenos a través de reacciones de Suzuki-Miyaura (especialmente favorecidas al emplear ácidos borónicos más nucleófilos), no es compatible con acoplamientos de Sonogashira, debido a capacidad del dipirrometeno 25 para formar complejos metálicos de M(II). En este capítulo también se llevó a cabo el estudio de las propiedades fotofísicas de los dipirrometenos 25-28. Así, se observó que estos compuestos presentaban bandas de absorción con elevados coeficientes de absortividad molar en la región del espectro electromagnético visible entre 400 y 650 nm, mientras que sus emisiones resultaron ser poco intensas. El estudio fotofísico se realizó detalladamente para los compuestos 26-28, analizando la influencia que podían tener diferentes factores en sus propiedades de absorción y emisión: • Efecto de las variaciones en la estructura química de los dipirrometenos: la sustitución con anillos aromáticos con diferente naturaleza electrónica en la posición alfa de los dipirrometenos, así como la introducción de grupos capaces de extender la conjugación, tenían un claro efecto en sus propiedades fotofísicas, detectándose efectos batocrómicos al incrementar la conjugación del cromóforo o introducir grupos dadores de electrones. • Efecto de las variaciones en el microentorno de los compuestos: o Variaciones en el estado de protonación: los dipirrometenos se desprotonaban en contacto con bases como la trietilamina. Los espectros de los dipirrometenos desprotonados revelaron la aparición de bandas más sencillas, menos intensas y desplazadas hipsocrómicamente respecto a las especies protonadas. o Variaciones de concentración y del disolvente: la desprotonación de los dipirrometenos también se producía por efecto de la dilución o de las interacciones soluto-disolvente (desprotonación solvolítica). o Variaciones del disolvente (solvatocromismo): los dipirrometenos estudiados no se ven especialmente afectados por efectos de solvatocromismo, sus propiedades de absorción y emisión son prácticamente independientes de la polaridad del disolvente. Además del estudio fotofísico de los compuestos 25-28, en este capítulo se evaluaron las propiedades de absorción y emisión de 11b, estudio que a su vez permitió llevar a cabo una comparativa con los compuestos VIII y 26g para determinar la influencia que tiene la variación de la posición de los anillos de furano y pirrol en este tipo de sistemas. El reemplazo de los anillos periféricos de pirrol (VIII) por furano (26f) producía un efecto hipsocrómico de las bandas de Compuestos tetra(hetero)arílicos 81 absorción de 26f respecto a las de VIII, debido a la diferente de la naturaleza dadora de los anillos de pirrol y furano. Igualmente, el cambio de los anillos de pirrol por furano en el núcleo central del compuesto producía un efecto batocrómico de 11b respecto a VIII, debido a la modificación del sistema cromofórico. Para finalizar el capítulo, se estudiaron las propiedades transportadoras de los dipirrometenos 26a-b,f-g, 28a y 29b en intercambios Cl-/NO-3 y Cl-/HCO3-. Los compuestos 26ab,f-g mostraron una buena actividad anionofórica, especialmente para 26b y 26f, mientras que los compuestos 27a y 28b resultaron ser inactivos. A pesar de los buenos valores de actividad de 26a-b,f-g, su capacidad transportadora era mucho menor que la registrada para VIII, pudiendo deberse a la pérdida de dos grupos dadores de enlace de hidrógeno al reemplazar los anillos periféricos, lo que repercutirá en la fortaleza de la coordinación anión-transportador. CAPÍTULO 3: DERIVADOS BODIPY Derivados BODIPY 85 3.1. Antecedentes. Los compuestos orgánicos fluorescentes, habitualmente conocidos como fluoróforos, son una herramienta extremadamente útil para el estudio de la materia y los seres vivos. Esto hace que el desarrollo de este tipo de sustancias esté en continua evolución, implicando la participación de múltiples áreas de la ciencia. Entre las innumerables clases de fluoróforos (Figura 3.1) que se conocen hoy en día (fluoresceínas, cianinas, rodaminas…), el interés por la familia de los difluoro-boraindacenos ha crecido exponencialmente en las últimas décadas, debido a su elevada versatilidad e interesantes propiedades físicoquímicas. 35, 146 Figura 3.1. Estructura de algunos de los fluoróforos más conocidos. Los BODIPYs fueron descritos por primera vez en 1968 por Treibs y Kreuzer, 147 y desde entonces su popularidad ha ido en aumento. Estos colorantes orgánicos surgen de la complejación de un ligando de dipirrometeno con un átomo disustituido de boro (generalmente un grupo BF2) y presentan una estructura tricílica rígida y plana, que evita la isomerización cis/trans del grupo metino y favorece la conjugación extendida de los electrones  a lo largo del sistema. Asimismo, los BODPYs son compuestos zwitterionicos, formalmente neutros, en los que la carga se encuentra deslocalizada a lo largo de toda la estructura, haciendo que la molécula presente una naturaleza esencialmente apolar. 148 Existen diferentes aproximaciones aceptadas para la nomenclatura de los BODIPYs, siendo la más extendida la propuesta por la IUPAC en 1987, que se basa en la similitud existente entre la estructura del BODIPY y la del s-indaceno.93 La numeración basada en este sistema se muestra en la Figura 3.2 y es diferente a la empleada para los dipirrometenos, aunque el uso de los términos clásicos de ,  y meso es común para ambos tipos de moléculas. Figura 3.2. Numeración IUPAC para BODIPYs (números en negro) y denominación tradicional (letras en azul). Estructuras resonantes más habituales de un BODIPY. Comparados con algunos fluoróforos clásicos, los BODIPYs presentan unas extraordinarias propiedades fotofísicas: elevadas absortividades molares ( > 8000 M-1 cm-1) en el rango del visible e IR-cercano, altos rendimientos cuánticos de fluorescencia (φf > 0.6), intensas bandas de absorción y de emisión de fluorescencia, debidas a sus transiciones −*, y pequeños 146 G. Ulrich, R. Ziessel, A. Harriman, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 1184-1201. 147 A. Treibs, F. H. Kreuzer, Liebigs Ann. Chem. 1968, 718, 208-223. 148 J. S. Hayes, PhD Thesis, Louisiana State University (EEUU), 2014. Capítulo 3 86 deplazamientos de Stokes. 149 Además, estas propiedades espectroscópicas son, generalmente, independientes del pH y la polaridad del medio debido a la baja polarización de las moléculas de BODIPY, lo que hace que sean razonablemente estables en medios fisiológicos. De igual modo, los BODIPYs presentan buenas solubilidades en disolventes orgánicos, elevadas estabilidades química, térmica y fotoquímica, unas propiedades redox modulables, una baja toxicidad y una naturaleza robusta. 39,146 La síntesis tradicional de BODIPYs (Esquema 3.1.a) se lleva a cabo mediante la reacción de complejación entre una dipirrina (que puede prepararse de acuerdo con los métodos descritos en el Capítulo 2, sección “2.1. Antecedentes.”) y trifluoruro de boro dietileterato en presencia de una base, que generalmente suele ser una amina terciaria como la trietilamina.146 Sin embargo, en algunas ocasiones, se lleva a cabo la formación in situ del dipirrometeno y, a través de un proceso one-pot, se obtiene el correspondiente BODIPY (Esquema 3.1.b). 150 Esta estrategia sintética es habitual cuando las dipirrinas formadas no son especialmente estables o cuando se preparan BODIPYs meso-sustituidos por oxidación de dipirrinas. Esquema 3.1. (a) Síntesis de BODIPYs por complejación con trifluoruro de boro en medio básico. (b) Síntesis de BODIPYs en un proceso one-pot sin aislar la dipirrina. La estructura base de un BODIPY puede funcionalizarse de novo, mediante la introducción de los sustituyentes deseados en las especies pirrólicas precursoras, o a través de procesos de postfuncionalización en las diferentes posiciones del núcleo BODIPY (anillos de pirrol, posición meso o sustituyentes del átomo de boro). Esta postfuncionalización permite modular las características y propiedades del compuesto y puede realizarse a través de una gran variedad de reacciones químicas (Figura 3.3). 39 Figura 3.3. Resumen de los principales métodos de postfuncionalización de BODIPYs. 149 R. P. Haugland, The Molecular Probes® handbook. A guide to fluorescent probes and labeling technologies, Invitrogen Corp., Carlsbad CA, 2005, pp. 57-921. 150 R. W. Wagner, J. S. Lindsey, Pure Appl. Chem. 1996, 68, 1373-1380. Derivados BODIPY 87 Entre los numerosos métodos de síntesis que existen para llevar a cabo la postfuncionalización de la unidad base de los BODIPYs destacan especialmente los métodos más clásicos, que incluyen: reacciones de sustitución electrófila y nucleófila aromática, condensaciones de Knoevenagel, acoplamientos cruzados catalizados por metales de transición a partir de derivados halogenados y sulfurados, y sustuciones nucleófilas sobre el átomo de boro. Reacciones de sustitución electrófila sobre BODIPYs. Los BODIPYs son sistemas aromáticos ricos en electrones, lo que les convierte en reactivos apropiados para llevar a cabo reacciones de sustitución electrófila aromática (SEAr). La SEAr es una de las metodologías más extendidas para llevar a cabo procesos de postfuncionalización de BODIPYs.146, 151 Además, debido a que las SEAr son altamente regioselectivas, estando especialmente favorecidas sobre las posiciones C2 y C6 de BODIPYs, resultan una metodología muy apropiada para la postfuncionalización selectiva en estas posiciones de estos fluoróforos con electrófilos. Las SEAr más comunes empleadas en la posftuncionalización de BODIPYs incluyen reacciones de sulfonación, 152 nitración, 153 halogenación, 154 acetilación a través de condiciones de Vilsmeier-Haack 155 o tiocianación 156 (Esquema 3.2). Esquema 3.2. Reacciones de SEAr para la funcionalización de las posiciones C2/C6 de un BODIPY. La derivatización mediante SEAr de las posiciones C3/C5 de BODIPYs también se puede consiguir llevando a cabo una funcionalización previa sobre los dipirrometanos, sistemas con la reactividad característica de los pirroles; que tras su oxidación conducirán a la formación de los correspondientes fluoróforos de boro (Esquema 3.3). 157 151 R. Ziessel, G. Ulrich, A. Harriman, New J. Chem. 2007, 31, 496-501. 152 H. J. Wories, J. H. Koek, G. Lodder, J. Lugtenburg, R. Fokkens, O. Driessen, G.R. Mohn, Recl. Trav. Chim. Pays-Bas 1985, 104, 288-291. 153 M. Gupta, S. Mula, M. Tyagi, T. K. Ghanty, S. Murudkar, A. K. Ray, S. Chattopadhyay, Chem. Eur. J. 2013, 19, 17766-17772. 154 Algunos ejemplos: a) T. Yogo, Y. Urano, Y. Ishitsuka, F. Maniwa, T. Nagano, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 12162-1216; b) G. Duran-Sampedro, A.R. Agarrabeitia, I. Garcia-Moreno, A. Costela, J. Bañuelos, T. Arbeloa, J. L. Chiara, M. J. Ortiz, Eur. J. Org. Chem. 2012, 2012, 6335-6350; c) L. Wang, J. Wang, A. Cui, C. Cai, Y. Wan, Q. Chen, M. He, W. Zhang, RSC Adv. 2013, 3, 9219-9222. 155 L. Jiao, C. Yu, J. Li, Z. Wang, M. Wu, E. Hao, J. Org. Chem. 2009, 74, 7525-7528. 156 L. Cunha Dias de Rezende, S. M. Gil de Melo, S. Boodts, B. Verbelen, W. Dehaen, F. da Silva Emery, Org. Biomol. Chem. 2015, 13, 6031–6038. 157 Algunos ejemplos: a) M. R. Rao, S. M. Mobin, M. Ravikanth, Tetrahedron 2010, 66, 1728-1734; b) C. Yu, L. Jiao, H. Yin, J. Zhou, W. Pang, Y. Wu, Z. Wang, G. Yang, E. Hao, Eur. J. Org. Chem. 2011, 5460-5468. Capítulo 3 88 Esquema 3.3. Reacción de SEAr sobre un dipirrometano precursor para lograr la funcionalización de las posiciones C3/C5 del BODIPY con grupos electrófilos. Los halo-BODIPYs sintetizados a partir de reacciones de SEAr presentan un gran potencial para ser empleados como precursores en otros procesos de postfuncionalización de estos fluoróforos, siendo fundamentales para poder llevar a cabo de reacciones de acoplamiento cruzado o de sustitución nucleófila sobre los núcleos de BODIPY. Reacciones de sustitución nucleófila aromática (SNAr) sobre BODIPYs. Los BODIPYs que presentan buenos grupos salientes en las posiciones C3/C5 pueden sufrir procesos de SNAr fácilmente mediante el empleo de los nucleófilos apropiados. Igualmente, aunque es menos habitual, estas reacciones también pueden llevarse a cabo sobre las posiciones C1/C7 (estando las reacciones sobre estas posiciones menos favorecidas cuando existe sustitución en meso) 158 y C8 de los BODIPYs. 159 El uso de las SNAr como método de postfuncionalización de BODIPYs fue descrito por primera vez por Dehaen et al., 160 y desde entonces se ha convertido en un método muy versátil para la derivatización de BODIPYs (Esquema 3.4). Este tipo de reacciones son compatibles con una gran variedad de nucleófilos: de oxígeno (alcoholes arílicos y alquílicos, alcóxidos…), 161 de nitrógeno (aminas, azidas, imidazoles y anillos N-heteroaromáticos, ftalimidas…), 162 de carbono (heterociclos como el pirrol) 163 e incluso de calcógenos como selenio o teluro. 164 158 V. Leen, D. Miscoria, S. Yin, A. Filarowski, J.M. Ngongo, M. Van der Auweraer, N. Boens, W. Dehaen, J. Org. Chem. 2011, 76, 8168-8176. 159 Algunos ejemplos: a) T. Jiang, P. Zhang, C. Yu, J. Yin, L. Jiao, E. Dai, J. Wang, Y. Wei, X. Mu, E. Hao, Org. Lett. 2014, 16, 1952-1955; b) N. Zhao, S. Xuan, F.R. Fronczek, K.M. Smith, M.G.H. Vicente, J. Org. Chem. 2017, 82, 3880-3885. 160 T. Rohand, M. Baruah, W. Qin, N. Boens, W. Dehaen, Chem. Commun. 2006, 3, 266-268. 161 Algunos ejemplos: a) V. Leen, W. Qin, W. Yang, J. Cui, C. Xu, X. Tang, W. Liu, K. Robeyns, L. Van Meervelt, D. Beljonne, R. Lazzaroni, C. Tonnelé, N. Boens W. Dehaen, Chem. Asian J. 2010, 5, 2016-2026; b) T. Rohand, M. Baruah, W. Qin, N. Boens, W. Dehaen, Chem. Commun. 2006, 266-268. 162 Algunos ejemplos: a) T. Cao, D. Gong, L. Zheng, J. Wang, J. Qian, W. Liu, Y. Cao, K. Iqbal, W. Qin, A. Iqbal, Analytica Chimica Acta 2019, 1078, 168-175; b) E. Ganapathi, S. Madhu, T. Chatterjee, R. Gonnade, M. Ravikanth, Dyes Pigm. 2014, 102, 218-227; c) C. Zhao, Y. Zhang, X. Wang, J. Cao, J. Photochem. Photobiol. A 2013, 264, 41-47; d) T. Satoh, K. Fuji, Y. Kimura, and Y. Matano, J. Org. Chem. 2018, 83, 5274-5281 163 A. Savoldelli, Q. Meng, R. Paolesse, F. R. Fronczek, K. M. Smith, M. G. H. Vicente, J. Org. Chem. 2018, 83, 6498-6507. 164 E. Fron, E. Coutiño-Gonzalez, L. Pandey, M. Sliwa, M. Van der Auweraer, F. C. De Schryver, J. Thomas, Z. Dong, V. Leen, M. Smet, W. Dehaen, T. Vosch, New J. Chem. 2009, 33, 1490-1496. Derivados BODIPY 89 Esquema 3.4. Reacción de SNAr para la postfuncionalización de BODIPYs. Más recientemente se han desarrollado reacciones de sustitución nucleófila oxidativas de hidrógeno (ONSH) para poder llevar a cabo reacciones de sustitución nucleófila sobre las posiciones C3/C5 de BODIPYs no sustituidos (Esquema 3.5). 165 Esta metodología supone el empleo de un agente oxidante junto a la especie nucleófila y permite obtener los BODIPYs 3y 3,5-sustituidos. 166 Esquema 3.5. Reacción de ONSH para la funcionalización de las posiciones C3/C5 de un BODIPY. Reacciones de condensación de Knoevenagel sobre BODIPYs. Los BODIPYs que presentan sustituyentes metilo en sus posiciones  son fácilmente accesibles sintéticamente y abren la posibilidad de emplear reacciones de Knoevenagel para llevar a cabo la postfuncionalización del BODIPY en C3/C5. La acidez de los grupos metilo en estas posiciones permite llevar a cabo procesos de condensación en medio básico con diferentes aldehídos arílicos (Esquema 3.6). Así, esta metodología, descrita por primera vez por el grupo de Glossman, 167 permite transformar los sustituyentes metilo en grupos alquenilo y ha sido extensamente utilizada para la funcionalización de BODIPYs. 168 Esquema 3.6. Condensación de Knoevenagel en medio ácido para la postfuncionalización C3/C5 de un 3,5-dimetil BODIPY. A pesar de que las reacciones de Knoevenagel más habituales se realizan sobre metilos en las posiciones alfa de los BODIPYs por su mayor reactividad, también es posible llevar a cabo estas condensaciones sobre grupos metilo situados en otras posiciones del núcleo de BODIPY.41 165 M. Makosza K. Wojciechowski, Chem. Rev. 2004, 104, 2631-2666. 166 Algunos ejemplos: a) M. Zhang, E. Hao, J. Zhou, C. Yu, G. Bai, F. Wang, L. Jiao, Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 2139-2145; b) R.I. Roacho, A. Metta-Magaña, E. Peña-Cabrera, K. Pannell, Org. Biomol. Chem. 2015, 13, 995-999. 167 H. G. Knaus, T. Moshammer, K. Friedrich, H. C. Kang, R. P. Haughland, H. Glossman, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1992, 89, 3586-3590. 168 Algunos ejemplos: a) Y. Zhang, K. Song, S. Tang, L. Ravelo, J. Cusido, C. Sun, H. F. Zhang, F. M. Raymo, J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 12741-12745; b) Y. Zhang, Z. Yang, X. Zheng, L. Yang, N. Song, L. Zhang, L. Chen, Z. Xie, Dyes Pigm. 2020, 178, 108348-108357. Capítulo 3 96 elevadas temperaturas de reacción, que a menudo provocan la descomposición parcial de los BODIPYs. Además, su quimioselectividad es difícil de controlar cuando se emplean derivados polihalogenados.35 Estas limitaciones hacen que, habitualmente, se sinteticen este tipo de derivados BODIPYs mediante procesos de prefuncionalización, siendo los más descritos en literatura aquellos en los que las reacciones de acoplamiento cruzado se llevan a cabo sobre derivados halogenados de pirrol. 197 3.3.2. Discusión de resultados 3.3.2.1. Síntesis. Teniendo en cuenta los antecedentes anteriormente expuestos, en este apartado se van a explorar dos estrategias sintéticas para la obtención de una familia de meso-H BODIPYs simétricos y funcionalizados en las posiciones C3/C5 con grupos (hetero)arilo y etinilo. Además, estos BODIPYs contarán en su estructura con grupos metoxi, fuertemente dadores de electrones y anclados directamente a las posiciones C1/C7 del núcleo del fluoróforo, lo que, junto a la extensión de la conjugación al funcionalizar las posiciones alfa, también podría contribuir a obtener BODIPYs con absorciones y emisiones fluorescentes más desplazadas hacia la región FR y NIR del espectro electromagnético. Una primera estrategia estará enfocada en la síntesis de los BODIPYs objetivo mediante un proceso de prefuncionalización, basado en la realización de reacciones de complejación con boro a partir de los correspondientes dipirrometenos, previamente funcionalizados en alfa a través de reacciones de acoplamiento cruzado (la síntesis de estos derivados se detalla en el Capítulo 2). Esquema 3.14. Metodologías sintéticas exploradas para la obtención de meso-H BODIPYs simétricos y - funcionalizados. La segunda estrategia sintética tendrá lugar por postfuncionalización de un BODIPY 3,5dibromado, obtenido por complejación con boro de la correspondiente dipirrina dibromada, utilizando de nuevo reacciones de acoplamiento cruzado Suzuki-Miyaura y Sonogashira. 197 a) A. Burghart, H. Kim, M. B. Welch, L. H. Thoresen, J. Reibenspies, K. Burgess, J. Org. Chem. 1999, 64, 7813-7819; b) P. H. Lee, Bull. Korean Chem. Soc. 2008, 29, 261-265. Derivados BODIPY 97 3.3.2.1.1. Síntesis de BODIPYs por prefuncionalización: el uso de dipirrometenos derivatizados mediante reacciones de acoplamiento cruzado como precursores de BODIPYs. La metodología clásica para obtener BODIPYs radica en la formación de complejos dipirrometénicos de boro mediante la reacción de dipirrinas con BF3·OEt2 en presencia de una base. Mediante un proceso de prefuncionalización sobre los pirroles o los dipirrometenos precursores, este método permite obtener de novo BODIPYs altamente funcionalizados. Esta estrategia sintética se empleó para la obtención de una familia de meso-H BODIPYs simétricos, con diferente funcionalización en sus posiciones C3/C5, a partir de los dipirrometenos 26-28 obtenidos en el Capítulo 2. Para llevar a cabo estas reacciones, inicialmente se realizó una optimización de las condiciones experimentales de síntesis, tomando como punto de partida las descritas en la literatura y empeando como precursor el dipirrometeno 25 (previamente descrito en literatura bajo diferentes metodologías sintéticas a partir del aldehído 17).122b,159a De acuerdo con lo descrito en la literatura, la síntesis de BODIPYs a partir de dipirrometenos requiere del empleo en exceso de BF3·OEt2 y trietilamina.146 Así, inicialmente, se probó a llevar a cabo la reacción de 25 en diclorometano y a temperatura ambiente, empleando BF3·OEt2 (7.4 equiv.) y trietilamina (7.4 equiv.) en exceso respecto al dipirrometeno. Sin embargo, al emplear cantidades equivalentes del derivado de boro y base, la reacción no se completó tras 20 horas. Solo al añadir cantidades crecientes de estos dos reactivos a lo largo del tiempo se logró la conversión completa de 25 en el BODIPY 32. En 2012, Thompson et al. optimizaron la metodología tradicional de síntesis de BODIPYs, a fin de hacerla extensible para la obtención de bis(BODIPY)s, demostrando la importancia de utilizar una base y de emplear BF3·OEt2 en exceso respecto a ésta para que la reacción tuviese lugar. 198 Teniendo esto en cuenta, se probó a llevar a cabo la reacción de complejación con la dipirrina 25 empleando diferentes relaciones de BF3·OEt2/Et3N, lo que permitió obtener resultados más satisfactorios. Los mejores rendimientos se alcanzaron al llevar a cabo la reacción de 25, a temperatura ambiente y durante 20 horas, con BF3·OEt2 (24.0 equiv.) y Et3N (14.0 equiv.), empleando diclorometano anhidro como medio de reacción (Esquema 3.15). El uso de diclorometano anhidro resultó también crucial para lograr buenos rendimientos en la reacción de complejación ya que, como demostraron Thompson y su equipo, 199 el agua parece afectar a la reactividad del BF3·OEt2, generándose complejos menos activos de BF3·H2O que descomponen dando lugar a los ácidos bórico y trifluorobórico que pueden afectar a la estabilidad del BODIPY formado. Esquema 3.15. Síntesis del BODIPY 32. 198 T. Lundrigan, A. E. G. Baker, L. E. Longobardi, T. E. Wood, D. A. Smithen, S. M. Crawford, T. S. Cameron, A. Thompson, Org. Lett. 2012, 14, 2158-2161. 199 M. H. R. Beh, K. I. B. Douglas, K. T. E. House, A. C. Murphy, J. S. T. Sinclair, A. Thompson Org. Biomol. Chem. 2016, 14, 11473-11479. Capítulo 3 98 Empleando estas condiciones optimizadas de síntesis se prepararon los BODIPYs 33-35 a partir de las correspondientes dipirrinas (Tabla 3.1). Los rendimientos obtenidos para esta serie fueron entre bajos y moderados, dejando patente la sensibilidad de la reacción de complejación de dipirrometenos con boro a factores electrónicos y estéricos. Tabla 3.1. Síntesis de los BODIPYs 33-35, y el BODIPY XXVIII descrito en literatura,54 por complejación con boro de los correspondientes dipirrometenos. Entrada Dipirrometeno (26, 27, 28) R1 BODIPY (33, 34, 35) Rendimiento (%)a 1 26a 33a 25 [10]b 2 26b 33b 28 [22]b 3 26c 33c Trazas 4 26f 33f 33 [14]b 5 26g 33g 28 [8]b 6 27a 34a 60 [18]b 7 28a 35a -c 8 28b 35b -c 9 VIII XXVIII 34d Las reacciones se llevaron a cabo en empleando 0.05-0.08 mmol (20-25 mg) de dipirrometeno. aRendimiento de la reacción de complejación, tras la purificación, referido al dipirrometeno. bRendimiento global del método de prefuncionalización, calculado a partir de la bromo-enamina 16 (teniendo en cuenta el método más favorable para la formación del dipirrometeno correspondiente). cLos productos deseados no se aislaron, los crudos de reacción mostraron una mezcla compleja de productos. dDescrito en la literatura,54 procedimiento sintético similar al empleado para la serie de compuestos de las entradas 1 a 8. La influencia de los factores electrónicos sobre la reacción de formación de BODIPYs se observa claramente al analizar los resultados obtenidos para los fenil derivados 33a-c. La introducción de un grupo dador en 26b mejora ligeramente el rendimiento en la complejación, mientras que al introducir un grupo extractor de carga, como el grupo trifluorometilo en 26c, apenas se obtienen trazas del BODIPY correspondiente. Estos resultados pueden entenderse fácilmente si observamos el mecanismo propuesto para la reacción de complejación de dipirrometenos con BF3·OEt2 y trietilamina, que toma como base el trabajo publicado por Marfin et al.. 200 200 E. V. Rumyantsev, Y. S. Marfin, Russ. J. Gen. Chem. 2019, 89, 2682-2699. Derivados BODIPY 99 Esquema 3.16. Mecanismo propuesto para la síntesis de BODIPYs a partir dipirrometenos empleando BF3·OEt2 y trietilamina. Teniendo en cuenta el mecanismo propuesto y los resultados obtenidos, se puede establecer que la naturaleza de los sustituyentes en posiciones alfa afecta notablemente el resultado de la reacción. Así, la incorporación de grupos dadores favorece la formación del BODIPY al incrementar la nucleofilia de los nitrógenos de los núcleos pirrólicos (Entradas 2,4 y 5, Tabla 3.1), mientras que la presencia de sustituyentes aceptores reduce la nucleofilia dificultando la complejación (Entrada 3, Tabla 3.1). De la misma forma, el sustituyente metoxi en las posiciones 1 y 7 del dipirrometeno favorecerá la formación del BODIPY. Además de los factores electrónicos, otro aspecto que hay que tener en cuenta en la formación de los BODIPYs es el impedimento estérico. Para evaluar la influencia de los factores estéricos sobre la reacción de complejación de dipirrometenos con boro, inicialmente se llevó a cabo un cálculo teórico de las estructuras de los dipirrometenos neutros 25, 26a y 27a mediante cálculos DFT (teoría del funcional de la densidad) utilizando el programa Gussian09. 201 Las geometrías de estos sistemas fueron optimizadas a nivel B3LYP/6-31G** en fase gas (Figura 3.5). Figura 3.5. Estructuras optimizadas por DFT (B3LYP/6-31G**) para los dipirrometenos neutros 25, 26a y 27a. Átomos: C, gris claro; H, blanco; Br, granate; N, azul; O, rojo. 201 M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, X. Li, H. P. Hratchian, A. F. Izmaylov, J. Bloino, G. Zheng, J. L. Sonnenberg, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, J. A. Montgomery, Jr., J. E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J. J. Heyd, E. Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, N. Rega, J. M. Millam, M. Klene, J. E. Knox, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, V. G. Zakrzewski, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, S. Dapprich, A. D. Daniels, Ö. Farkas, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, J. Cioslowski, D. J. Fox, Gaussian 09 (Gaussian, Inc., Wallingford CT), 2009. Capítulo 3 100 Así, cuando se comparan las distancias entre los nitrógenos del núcleo de dipirrometeno para los tres compuestos se observa que éstas son prácticamente idénticas en todos los casos, al igual que sucede con los ángulos alrededor del enlace metino de los núcleos de dipirrometeno. Sin embargo, existen grandes diferencias al comparar las distancias entre los sustituyentes periféricos de estas dipirrinas. Para los compuestos 26a y 27a las distancias entre los carbonos en orto de los dos anillos periféricos se duplican al pasar de un compuesto a otro y, al comparar las distancias entre los átomos de bromo del compuesto 25 se observa que ésta es incluso mayor a la existente entre los grupos o-CHfenil de 27a. Estas diferencias estructurales repercutirán directamente sobre los resultados de la reacción de complejación, ya que la coordinación del BF3·OEt2 se verá más favorecida en aquellos dipirrometenos que presenten un menor impedimento estérico (25 y 27a). Esto justificaría por qué los rendimientos de la reacción se ven notablemente incrementados para la obtención de los BODIPYs 32 y 34a, frente al resto de los fluoróforos de la serie. Por último, los BODIPYs 35a-b no pudieron ser obtenidos y los crudos de reacción, resultantes de hacer reaccionar los dipirrometenos 28a-b con BF3·OEt2, mostraron mezclas de productos muy complejas. Este resultado se puede explicar por la capacidad de los triazoles para coordinar ácidos de Lewis como el boro y metales. 202 Así, la presencia de 1,2,3-triazoles en los dipirrometenos, cercanos al centro de coordinación del boro de estos compuestos, podría proporcionar una posición adicional para la coordinación del boro, pudiéndo éste coordinarse a los anillos de 1,2,3-triazol y pirrol vecinos, lo que explicaría la complejidad observada en los crudos de reacción de estos productos. Determinación estructural: estudio conformacional en disolución y en estado sólido. La caracterización estructural de BODIPYs a través de la espectroscopía de RMN no solo nos permitirá confirmar la obtención de los productos buscados, sino que, además, proporcionará información para el estudio de sus conformaciones en disolución. Eligiendo como representante de la serie de BODIPYs sintetizados el compuesto 33f, se llevó a cabo su caracterización estructural completa, mediante la realización de experimentos monodimensionales de 1H, 13C y 19F de RMN y experimentos bidimensionales de COSY, HMQC y HMBC. El resultado de estos experimentos se recoge en la Figura 3.6. Tal y como sucede con todos los F-BODIPYs, el espectro de 19F RMN de 33f muestra una señal con multiplicidad cuadruplete donde la intensidad de las señales es 1:1:1:1, lo que se explica fácilmente si consideramos que el isótopo más abundante y activo en RMN del boro es el 11B, cuyo espín nuclear es 3/2. El espectro de 13C{1H} RMN de 33f muestra un triplete para la señal del C3 del anillo de furano, lo que revela la existencia de un acoplamiento 13C-19F a través del espacio. Este acoplamiento es indicativo de una relación espacial entre las diferentes subestructuras moleculares del fluoróforo, pudiendo explicarse por la interacción directa a través del espacio entre el par de electrones solitarios del orbital 2p del flúor y el orbital σ del CH(3c) del anillo de furano, funcionando el primero como un dador de electrones y el segundo como un aceptor. 203 202 a) W. Liao, Y. Chen, Y. Liu, H. Duan, J. L. Petersen, X. Shi, Chem. Commun. 2009, 6436-6438; b) B. Schulze, U. S. Schubert, Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 2522-257; c) B. C. Hughes, PhD Thesis, University of Tennesse (EEUU), 2015. 203 F. B. Mallory, C. W. Mallory, Coupling through space in organic chemistry, Enciclopedia of Nuclear Magnetic Resonance, Wiley, New York, 1996. Derivados BODIPY 101 Figura 3.6. Espectros de 1H RMN (300 MHz, CDCl3) (a), 19F RMN (282 MHz, CDCl3) (b) y 13C RMN (75 MHz, CDCl3) (c) del compuesto 33f. Los acoplamientos entre 13C-19F que se encuentran próximos debido a la disposición geométrica molecular son un fenómeno muy conocido y estudiado 204 y, en ocasiones, han sido utilizados como herramienta para estudiar las conformaciones moleculares de compuestos orgánicos, 205 entre ellos BODIPYs 206 , 207 y aza-BODIPYs. 208 El número de señales observadas en los espectros de 1H y 13C de RMN del BODIPY 33f revela que es un sistema simétrico, por lo que, al ser esencialmente plano, se pueden formular dos posibles conformaciones para este fluoróforo: syn/syn y anti/anti (Figura 3.7). Sin embargo, la existencia de un acoplamiento espín-espín a través del espacio entre el 13C(C3) del furano periférico y el 19F del núcleo del BODIPY, indica que existe una clara proximidad espacial entre estos dos grupos moleculares, lo que permite concluir que la conformación preferida de este BODIPY en cloroformo será la anti. Esta conformación, 204 a) R. H. Contreras, C. G. Giribet, M. A. Natiello, J. Pérez, I. D. Rae, J. A. Weigold, Aust. J. Chem. 1985, 38, 1779-1784; b) L. C. Hsee, D. J. Sardella, Magn. Reson. Chem. 1990, 28, 688-692; c) L. Shimoni, H. L. Carrell, J. P. Glusker, M. M. Coombs, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 8162-8165. 205 Algunos ejemplos: a) F. R. Jerome, K. L. Servis, J. Am. Chem. Soc. 1972, 94, 5896-5908; b) P. Szczecinski, J. Zachara, J. Organomet. Chem. 1993, 447, 241-249; c) T. Miyake, Y. Koyama, Carbohydr. Res. 1994, 258, 11-26; d) K. Matsubara, A. Oba, U. Yoshihiro, Magn. Reson. Chem. 1998, 36, 761-765. 206 a) J. Chen, J. Reibenspies, A. Derecskei-Kovacs, K. Burgess, Chem. Commun. 1999, 2501-2502; b) X. Xie, Y. Yuan, R. Krüger, M. Bröring, Magn. Reson. Chem. 2009, 47, 1024-1030. 207 A. V. Afonin, I. A. Ushakov, D. V. Pavlov, O. V. Petrova, L. N. Sobenina, A. I. Mikhaleva, B. A. Trofimov, J. Fluor. Chem. 2013, 145, 51-57 208 Q. Bellier, F. Dalier, E. Jeanneau, O. Maury, C. Andraud, New J. Chem. 2012, 36, 768-773. Capítulo 3 102 además, sería la más favorable al minimizar las repulsiones electroestáticas entre los heteroátomos del anillo de furano periféricos y los átomos de flúor del núcleo de BODIPY. Figura 3.7. Conformaciones propuestas para el BODIPY simétrico 33f. Una vez estudiado este fenómeno para el compuesto 33f, se procedió a analizar los espectros de 13C RMN del resto de BODIPYs de la familia. Excepto para los compuestos 33b y 34a, los espectros de 13C{1H} revelaron la presencia de una señal de carbono con multiplicidad de triplete. Esto demuestra que existe una interacción espacial entre los átomos de flúor y los grupos CH (en orto para los anillos de fenilo y en beta para los heterocíclicos) de los arilos periféricos, así como la preferencia por una conformación en disolución anti/anti también en el caso del compuesto 33g. Las constantes de los acoplamientos entre 13C-19F fueron analizadas para la serie de BODIPYs sintetizados, observándose los mayores valores para los BODIPYs 33f (JCFTS = 8.9 Hz) 209 y 33g (JCFTS = 8.0 Hz), con anillos de furano y tiofeno periféricos respectivamente; y los más bajos para los fenil derivados, 33a (JCFTS = 3.8 Hz) y 33c (JCFTS = 3.9 Hz). Los valores registrados están de acuerdo con los resultados obtenidos para compuestos similares por Trofimov et al. Estos autores justificaban los menores valores de estas constantes de acoplamiento a través del espacio para BODIPYs que tenían fenilos periféricos debido a que estos anillos aromáticos tienen una mayor velocidad de rotación en disolución que los anillos hetercíclicos. Además, este tipo de fluoróforos también presentan una menor planaridad en su estructura, ya que los anillos fenílicos periféricos se disponen con mayores ángulos de torsión respecto al núcleo del fluoróforo que los anillos heterocíclicos por su mayor demanda estérica.206,207 Por otro lado, tal y como les sucedía a estos autores, no fue posible encontrar este tipo de interacciones espín-espín a través del espacio entre 1H-19F para nuestros BODIPYs. Con fines comparativos se llevó a cabo la caracterización y asignación completa, así como el análisis conformacional, para la dipirrina 26f, precursora del BODIPY 33f. El estudio se llevó a cabo mediante la realización de experimentos monodimensionales de 1H y 13C de RMN y experimentos bidimensionales de COSY, HMQC, HMBC. Este estudio de RMN aportó información sobre la estructura de la dipirrina ya que el número de señales observadas en los espectros de 1H y 13C de RMN indicaba que 26f, como sucedía con el BODIPY 33f, es un producto simétrico. Además de estos experimentos, se realizó un NOESY, que muestra las señales debidas a interacciones entre protones que están espacialmente próximos, para llevar a cabo el estudio conformacional de este compuesto. El NOESY del compuesto 26f en cloroformo (Figura 3.8.c) reveló que no solo existen interacciones entre los protones colindantes del anillo de furano, sino que existe una fuerte interacción a través del espacio entre los protones Hc y Hg (NH), lo que permite concluir que la conformación más favorable en cloroformo para este compuesto es, al igual que sucedía en el BODIPY 33f, aquella en la que los anillos periféricos de furano se 209 Ver “Glosario de abreviaturas”: JCFTS es la notación habitualmente empleada en la literatura para hablar de un acoplamiento a través del espacio (through the space, TS) entre un átomo de carbono y otro de flúor. Derivados BODIPY 103 encuentran girados hacia el exterior (conformación anti/anti) minimizando las repulsiones electrostáticas. Figura 3.8. Espectros de 1H RMN (300 MHz, CDCl3) (a), 13C RMN (75 MHz, CDCl3) (b) y NOESY (CDCl3) de 26f. La obtención de las estructuras de rayos X de algunos de los BODIPYs sintetizados ha permitido extender el estudio conformacional de estos compuestos también al estado sólido. Las estructuras en estado sólido de los compuestos 32, 33a, 34a y 33g (este compuesto muestra dos estructuras equiprobables en estado sólido, con conformaciones anti/anti y syn/syn) se obtuvieron mediante diracción de rayos X de monocristal. Los cristales de estos compuestos se consiguieron mediante evaporación lenta, a temperatura ambiente, a partir de las disoluciones en cloroformo de los correspondientes compuestos. Las estructuras obtenidas para estos compuestos se muestran en la Figura 3.9. Capítulo 3 104 Figura 3.9. Estructuras en estado sólido de los BODIPYs 32, 33a, 34a y 33g. Átomos: C, gris claro; O, rojo; N, azul; B, amarillo; F, verde claro; Br, granate; H, blanco; S, naranja. Las estructuras en estado sólido de estos compuestos revelan que, como es habitual para este tipo de fluoróforos, 210 , 211 el núcleo base del BODIPY forma una estructura policíclica fusionada esencialmente plana, donde los átomos de flúor aparecen dispuestos en un plano perpendicular debido a la tendencia del boro a presentar una configuración tetraédrica (ángulos F-B-F alrededor de los 110o). Además, como se observa en la Tabla 3.2, todos los compuestos presentan unas distancias similares en el núcleo tricíclico de BODIPY: distancias medias de 1.56 Å para los enlaces B-F, propias de la deslocalización de carga positiva, y de 1.38 Å para los enlaces B-F; coincidiendo con el patrón típico observado para este tipo de sistemas.161a,211 No obstante, los compuestos 33a y 33g presentan ángulos del centro de coordinación N1-B1-N2 un poco más abiertos de lo habitual. Esta mayor apertura del ángulo puede deberse a un intento de minimizar las repulsiones estéricas moleculares, ya que en estos compuestos los anillos aromáticos periféricos están muy próximos entre sí y cerca del punto de coordinación del grupo BF2. Asimismo, este hecho también podría justificar por qué los anillos aromáticos en alfa de 33a y 33g rompen la planaridad de la estructura y aparecen ligeramente girados, en direcciones opuestas, respecto al núcleo base del BODIPY. La magnitud del giro de los anillos aromáticos periféricos en estos BODIPYs puede evaluarse a través de los ángulos de torsión, más elevados en el caso de 33a debido, probablemente, a la mayor demanda estérica de los anillos de fenilo frente a los de tiofeno.208 Estos ángulos de torsión también se midieron en el compuesto 34a, resultando mucho más pequeños que para 33a y 33h por la mayor apertura del sistema, debido a la presencia de los grupos etinil intermedios. 210 L. Jiao, W. Pang, J. Zhou, Y. Wei, X. Mu, G. Bai, E. Hao, J. Org. Chem. 2011, 76, 9988-9996. 211 L. Jiao, C. Yu, J. Wang, E. A. Briggs, N. A. Besley, D. Robinson, M. J. Ruedas-Rama, A. Orte, L. Crovetto, E. M. Talavera, J. M. Álvarez-Pez, M. Van der Auweraer, N. Boens, RSC Adv. 2015, 5, 89375-89388. Derivados BODIPY 105 Tabla 3.2. Distancias y ángulos más relevantes de las estructuras en estado sólido de los BODIPYs 32, 33a, 34a y 33g. Distancias y ángulos 32 33a 33g 34a d (N1-B1) / Å 1.568 1.559 1.557 1.56 d (N2-B1) / Å 1.577 1.567 1.560 1.553 d (B1-F1) / Å 1.385 1.379 1.388 1.391 d (B1-F2) / Å 1.378 1.392 1.383 1.385 d (C4-N1) / Å 1.343 1.361 1.362 1.368 d (C11-N2) / Å 1.352 1.360 1.365 1.363 d (CAr-F) Å - 2.990/3.203 (C19-F1/C19-F2) 2.860 (anti) (C17-F1) 4.376/4.300 (C23-F1/C23-F2) d (CAr-F) Å - 2.921/3.341 (C17-F1/C17-F2) 3.002 (anti) (C13-F2) 5.208/5.160 (C19-F1/C19-F2) Ángulo (C4-N1-B1) / o 128.0 128.57 129.24 127.6 Ángulo (C11-N2-B1) / o 128.2 129.97 129.64 126.5 Ángulo (N1-B1-N2) / o 105.0 108.21 108.29 106.1 Ángulo (F1-B1-F2) / o 110.6 110.94 109.72 110.0 Á. Torsión (CAr-CqAr-C4-N1) / o - 53.56 (C19-C18-C4-N1) 29.33 (anti) (C17-C16-C4-N1) -20.41 (C23-C22-C4-N1) Á. Torsión (CAr-CqAr-C11-N2) / o - -37.36 (C17-C12-C11-N2) 13.88 (anti) (C13-C12-C11-N2) 2.57 (C19-C14-C11-N2) Por otro lado, se estudiaron las distancias entre los átomos de carbono en orto, de los anillos de tiofeno y fenilo periféricos, y los átomos de flúor del centro BF2 en las estructuras en estado sólido de los compuestos 33a y 33g (en su conformación anti). Las reducidas distancias observadas entre estos grupos permiten entender por qué tienen lugar en disolución los acoplamientos espín-espín a través del espacio entre 13C y 19F.208,206 3.3.2.1.2. Síntesis de BODIPYs por postfuncionalización empleando reacciones de acoplamiento cruzado. La obtención de meso-H BODIPYs con funcionalización 3,5-(hetero)aril o etinilaril no solo es posible mediante la complejación directa de las correspondientes dipirrinas, previamente funcionalizadas, sino que también puede conseguirse mediante la postfuncionalización. Una de las metodologías más habituales para sintetizar este tipo de derivados por postfuncionalización implica la realización de reacciones de acoplamiento cruzado carbono-carbono sobre BODIPYs halogenados. Así, a partir del 3,5-dihaloBODIPY 32 es posible llevar a cabo una rica derivatización del núcleo del fluoróforo empleando reacciones de Suzuki-Miyaura y Sonogashira (Esquema 3.17). Esquema 3.17. Síntesis de BODIPYs -sustituidos mediante postfuncionalización: reacciones de acoplamiento cruzado sobre el dihalo-BODIPY 32. Capítulo 3 112 Figura 3.14. Espectros de emisión de fluorescencia del estudio de solvatocromismo de los BODIPYs 32, 33 y 34. Las fotografías fueron tomadas bajo irradiación UV-visible de 366 nm y de izquierda a derecha son: diclorometano, DMSO, 1,4-dioxano, metanol, hexano, tolueno y cloroformo (excepto para el BODIPY 35c que el orden es: diclorometano, cloroformo, 1,4-dioxano, DMSO, metanol, tolueno y hexano). Aunque no es posible observar a simple vista una correlación entre las propiedades del disolvente y los parámetros fotofísicos de la serie de BODIPYs estudiada (resumen de los principales parámetros fotofísicos de los BODIPYs 32, 33 y 34 en la Table 9 de la “Supplementary Information”), si es posible observar las variaciones espectroscópicas existentes entre los diferentes compuestos, debidas a cambios estructurales y efectos electrónicos, en cualquiera de los disolventes analizados, viéndose más o menos marcadas en algunos de ellos. Derivados BODIPY 113 Para determinar cómo puede estar influyendo el disolvente en las características fotofísicas de los BODIPYs estudiados, es posible emplear modelos matemáticos que permiten establecer una relación entre los parámetros fotofísicos del fluoróforo y las distintas propiedades del disolvente. Aunque existen múltiples modelos, los más rigurosos son aquellos que emplean aproximaciones multiparamétricas y determinan los efectos del disolvente a través de un análisis de regresión lineal multivariante haciendo uso de escalas empíricas. Las escalas más habitualmente empleadas para evaluar los efectos de solvatocromismo en BODIPYs son las descritas por Kamlet y Taft, basadas en interacciones ácido-base a través de enlaces de hidrógeno; 218 y las descritas por Catalán et al., basadas en interacciones no específicas solutodisolvente. 219 Las primeras incluyen como parámetros la acidez (), basicidad () y la polarizabilidad/polaridad del disolvente (*), mientras que las de Catalán incluyen la acidez (SA), basicidad (SB) y la polaridad, dividida en dipolaridad (SdP) y polarizabilidad (SP). La Tabla 3.6 recopila los valores de estos parámetros para las escalas de Kamlet-Taft 220 y de Catalán 221 para los disolventes empleados en este estudio. Tabla 3.6. Parámetros de las escalas de Kamlet-Taft y Catalán para los disolventes empleados en el estudio de solvatocromismo. Disolvente Kamlet-Taft Catalán    SP SdP SB SA Tolueno 0 0.11 0.54 0.782 0.284 0.128 0 Diclorometano 0.13 0.10 0.82 0.761 0.769 0.178 0.04 Cloroformo 0.20 0.10 0.58 0.783 0.614 0.071 0.047 1,4-dioxano 0 0.37 0.55 0.737 0.312 0.4444 0 Metanol 0.98 0.66 0.60 0.608 0.904 0.545 0.605 DMSO 0 0.76 1 0.830 1 0.647 0.072 Teniendo esto en cuenta, el efecto del disolvente sobre una propiedad fotofísica observable en un disolvente concreto (y) puede determinarse matemáticamente a través de las regresiones lineales de mínimos cuadrados que se ajustan a las ecuaciones: 222 y = y0 + C + C + C (Kamlet-Taft) Ecuación 3.1. y = y0 + CSASA + CSBSB + CSdPSdP + CSPSP (Catalán) Ecuación 3.2. En ellas, y0 representa la propiedad fisicoquímica de interés en fase gas, Ci son los coeficientes de regresión que describen la sensitividad de la propiedad fotofísica y a los diferentes mecanismos de interacción soluto-disolvente, y {,  *} o {SA, SB, SdP, SP} son los parámetros de disolvente independientes (índices) teniendo en cuenta diferentes tipos de interacciones soluto-disolvente. 218 a) M. J. Kamlet, R. W. J. Taft, J. Am. Chem. Soc. 1976, 98, 377-382; b) R. W. J. Taft, M. J. Kamlet, J. Am. Chem. Soc. 1976, 98, 2886-2894. 219 J. Catalán, V. López, P. Pérez, R. Matin-Villamil, J. G. Rodríguez, Ann. Liebigs 1995, 241-252. 220 Y. Marcus, Chem. Soc. Rev. 1993, 409-416. 221 J. Catalán, J. Phys. Chem. B 2009, 113, 5951-5960. 222 L. C. Dias de Rezende, M. Menezes Vaidergorn, J. C. Biazzotto Moraes, F. da Silva Emery, J. Fluoresc. 2014, 24, 257-266. Capítulo 3 114 Para analizar qué propiedades del disolvente son las que más influencia tienen sobre las características fotofísicas de los los BODIPYs 32, 33 y 34, se emplearon las aproximaciones matemáticas multiparamétricas. Las propiedades fotofísicas observables (y) analizadas para esta serie de compuestos fueron los máximos de absorción y emisión (relativos a las bandas S0-S1 y S1-S0, respectivamente) y los desplazamientos de Stokes (), todos ellos expresados en valores de número de ondas (cm-1). Estos parámetros fotofísicos experimentales se ajustaron de acuerdo a las Ecuaciones 3.1 y 3.2 de los modelos de Kamlet-Taft y Catalán, empleando los valores de sus escalas paramétricas (Tabla 3.6), a través de una regresión de mínimos cuadrados con el software Origin 2016. Los resultados obtenidos para modelos de tres (Kamlet-Taft) y cuatro descriptores (Catalán) se recogen en la Tabla 3.7. Tabla 3.7. Regresiones lineales de acuerdo con las aproximaciones de Kamlet-Taft y Catalán. Propiedad fotofísica (y) Ajuste con Kamlet-Taft Ajuste con Catalán y0 C C C R2 y0 CSP CSdP CSB CSA R2 32 abs / cm-1 20305.28 276.14 -30.96 28.27 0.84 21843.94 -2065.36 194.42 -30.9 -282.92 0.99 em / cm-1 1959.72 160.41 117.96 -112.15 0.55 21717.79 -2975.87 220.56 180.42 -731.16 0.97  / cm-1 709.56 115.73 -148.92 140.43 0.52 126.15 910.51 -26.14 -211.32 448.24 0.82 33a abs / cm-1 19196.19 500.64 -45.57 -136.17 0.3 22977.81 -5045.87 -63.86 -18.69 3632.71 0.99 em / cm-1 17901.96 191.63 34.18 -196.17 0.25 20159.98 -306.03 -165.04 80.63 2664.18 0.99  / cm-1 1294.24 309 -79.76 60.0 0.6 2817.82 -1985.84 101.17 -99.32 968.53 0.99 33b abs / cm-1 18553.46 1183.19 126.35 -256.08 0.55 20470.62 -2500.99 -207.23 -109.46 3052.94 0.89 em / cm-1 17342.25 945.47 0.34 -348.52 0.78 18875.85 -2021.76 -309.02 -270.35 3367.49 0.98  / cm-1 1211.21 237.72 126.01 92.44 0.47 1594.77 -479.22 101.79 160.88 -314.55 0.75 33c abs / cm-1 19169.49 170.01 -62.92 -59.96 0.26 20418.8 -1718.13 39.25 -31.61 -265.08 0.89 em / cm-1 17724.16 191.72 -218.49 89.44 0.33 18833.38 -1442.49 108.76 -221.26 -231.19 0.95  / cm-1 1445.33 -21.71 155.57 -149.4 0.62 1585.42 -275.64 -69.51 189.65 -33.89 0.84 33f abs / cm-1 17029.91 212.48 27.81 -129.57 0.77 18554.64 -2127.11 107.49 28.37 -316.74 0.99 em / cm-1 16572.83 243.95 -81.95 -152.96 0.91 17780.87 -1685.02 57.7 -141.76 -105.73 0.99  / cm-1 457.08 -31.47 109.75 23.38 0.73 773.76 -442.09 49.78 170.13 -211 0.96 33g abs / cm-1 17091.94 284.71 -175.55 -9.43 0.6 19376.58 -3041.53 105.56 -166.28 977.5 0.99 em / cm-1 16579.91 -46.89 -84.79 -211.96 0.77 17728.5 -1610.72 -150.81 -44.74 1038.91 0.99  / cm-1 512.03 331.61 -90.75 202.53 0.82 1648.08 -1430.81 256.38 -121.53 -61.41 0.99 34a abs / cm-1 17103.57 -64.89 -66.65 -79.68 0.49 18358.19 -1764.96 100.8 10.25 -715.03 0.99 em / cm-1 16561.06 230.73 12.8 -80.06 0.92 1746.06 -1250.91 59.89 -25.12 2.64 0.99  / cm-1 542.51 -295.42 -79.46 0.38 0.98 889.12 -514.06 40.91 35.37 -717.67 0.99 Derivados BODIPY 115 34c abs / cm-1 18128.98 33.78 353.65 89.66 0.99 17730.1 544.35 31.72 391.23 243.32 0.99 em / cm-1 17881.79 206.18 -47.74 -108.35 0.97 18519.99 -894.61 25.77 -120.45 87.22 0.96  / cm-1 247.18 -172.39 401.39 198.01 0.99 -789.88 1438.97 5.94 511.69 156.11 0.99 Propiedad fotofísica (y) y0 C C C R2 y0 CSP CSdP CSB CSA R2 Ajuste con Kamlet-Taft Ajuste con Catalán Los valores de R2 son una medida estadística de la bondad del ajuste para modelos de regresión lineal. Este parámetro estadístico indica el porcentaje de la varianza en la variable dependiente que las variables independientes explican colectivamente, de tal manera que, cuanto mayor sea el valor de R2, mejor se ajustará el modelo de regresión a lo observado experimentalmente. Considerando esto, se puede observar cómo, para todos los parámetros fotofísicos evaluados, los mejores ajustes se consiguen con el modelo de cuatro descriptores de Catalán, mientras que empleando la aproximación de Kamlet-Taft se obtienen habitualmente modelos no estadísticamente válidos. Mediante el análisis de las ecuaciones obtenidas al aplicar la aproximación de Catalán, es posible identificar la polarizabilidad y la acidez del disolvente como los parámetros del disolvente más influyentes sobre las propiedades espectroscópicas estudiadas para los BODIPYs 32, 33 y 34, aunque para algunos de estos fluoróforos se observaron ciertas particularidades. Para el compuesto 32, los grandes valores negativos de los coeficientes CSA y, especialmente, de CSP, explicarán los desplazamientos batocrómicos de los máximos de absorción y emisión cuando se incrementa la polarizabilidad o la acidez del disolvente. Contrariamente, el empleo de disolventes con mayor polarizabilidad o acidez repercutirá en la obtención de un menor desplazamiento de Stokes para este compuesto. En cuanto al BODIPY 33a, los mayores efectos de solvatocromismo en los espectros de absorción y en el desplazamiento de Stokes estarán regidos principalmente por la polarizabilidad del disolvente (como CSP es grande y negativo, cuanto mayor sea la polarizabilidad del disolvente, mayor será el desplazamiento hacia el rojo observado para los máximos de las bandas de absorción y menor el desplazamiento de Stokes), mientras que en la emisión de fluorescencia estará mayoritariamente controlada por la acidez del disolvente (como CSA es grande y positivo, cuanto mayor sea la acidez de un disolvente, mayor será el desplazamiento hipsocrómico del máximo de las bandas de emisión). Por otro lado, para el fluoróforo 33b, los valores grandes y positivos de CSA permiten explicar los desplazamientos hipsocrómicos de los máximos de absorción y emisión cuando se emplean disolventes con mayor acidez, aunque este efecto puede verse rebajado al emplear disolventes con elevada polarizabilidad, ya que el elevado valor negativo de CSP puede promover desplazamientos hacia el rojo de los máximos de estas bandas. En cuanto al desplazamiento de Stokes, en este caso estará esencialmente regido por la polarizabilidad del disolvente y su acidez (para ambos casos se obtuvieron coeficientes con valores grandes y negativos), de manera que cuanto mayor sea la polarizabilidad y acidez de un disolvente menor será el desplazamiento de Stokes. Capítulo 3 116 En los compuestos 33c, 33f y 33g se observa como la polarizabilidad del disolvente es la principal propiedad responsable de los efectos de solvatocromismo sobre los máximos de absorción y emisión, y sobre el desplazamiento de Stokes. Los elevados valores negativos del coeficiente CSP indican que cuanto mayor sea la polarizabilidad del disolvente mayores serán los desplazamientos batocrómicos observados. No obstante, la acidez y basicidad del disolvente también tendrán cierta influencia en el solvatocromismo de estos BODIPYs. Por último, para el BODIPY 34a la polarizabilidad es la mayor responsable de los efectos del disolvente sobre los máximos de absorción y emisión: disolventes con gran polarizabilidad promueven desplazamientos hacia el rojo de los máximos de absorción y emisión debido a los valores de CSP grandes y negativos; mientras que la acidez será la característica del disolvente más influyente en el desplazamiento de Stokes (a mayor acidez del disolvente se observará un menor desplazamiento de Stokes). El BODIPY 34c mostrará un comportamiento diferente al resto de compuestos de la serie. En el caso de este fluoróforo, aunque la polarizabilidad del disolvente será la propiedad dominante en los efectos de solvatocromismo, para los máximos de absorción y el desplazamiento de Stokes se observa un valor grande y positivo de CSP, lo que implica que cuanto mayor sea la polarizabilidad de un disolvente mayores desplazamientos hacia el azul se observarán; mientras que en el caso de la emisión CSP tendrá un valor grande y negativo que promoverá el efecto contrario (a mayor polarizabilidad del disolvente mayores desplazamientos hacia el rojo). 3.3.2.3. Propiedades electroquímicas Los BODIPYs han atraído durante los últimos años la atención de los químicos, no solo por sus buenas propiedades ópticas, sino también por su potencial aplicación en procesos electroquímicos. Estos fluoróforos muestran habitualmente una química redox reversible en disolventes apróticos y excelentes estabilidades frente a los procesos de oxidación y reducción. 223 Además, sus propiedades redox pueden ser moduladas fácilmente mediante la sustitución de su núcleo base. 224 De esta manera, comprender cómo afectan estas variaciones en las propiedades electroquímicas de este tipo de compuestos es de gran utilidad para diseñar sistemas más complejos que puedan emplearse como nuevos materiales con aplicación en procesos de transformación energética, como baterías de flujo redox o catalizadores conmutables. 225 Persiguiendo este objetivo, en colaboración con el grupo del Profs. Heras y Colina de la Universidad de Burgos, se han realizado diferentes estudios espectroelectroquímicos para investigar en profundidad los procesos de transferencia de electrones y la química redox de los BODIPYs 33b y 33c, dotados con sustituyentes de diferente naturaleza electrónica en las posiciones C3/C5 del núcleo del fluoróforo. Así, a través de esta técnica, que combina la electroquímica y la espectroscopía, se podrán determinar no solo las propiedades electroquímicas de estos fluoróforos, analizando las diferencias existentes entre ambos; sino 223 H. Qui, J. J. Teesdale, R. C. Pupillo, J. Rosenthal, A. J. Bard, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13558-13566. 224 a) A. B. Neponmyashchii, A. J. Bard, Acc. Chem. Res. 2012, 45, 1844-1853; b) B. L. Thompson, Z. Heiden, Redox Chemistry of BODIPY Dyes, BODIPY Dyes - A Privilege Molecular Scaffold with Tunable Properties, (Ed. J. Bañuelos-Prieto, R. Sola Llano), IntechOpen, 2018, DOI: 10.5772/intechopen.79704. 225 Ejemplos: a) N. Heiland, C. Cidarer, C. Rohr, M. Piescheck, J. Ahrens, M. Bröring, U. Schröder ChemSusChem. 2017, 10, 4215-4222, b) V. Blanco, D. A. Leigh, V. Marcos, Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 53415370. Derivados BODIPY 117 también estudiar las variaciones en sus espectros de absorción y emisión de fluorescencia como consecuencia de los procesos de oxidación o reducción. Figura 3.15. BODIPYs del estudio espectroelectroquímico. Para iniciar este estudio, en primer lugar, se determinaron las propiedades fotofísicas de los BODIPYs 33b y 33c. En general, estas propiedades ya han sido descritas con detalle en el Capítulo 2, sección “3.3.2.2. Propiedades fotofísicas”, de la presente memoria; pero en este epígrafe, a fin de facilitar la interpretación de los experimentos espectroelectroquímicos, se incluyen las características espectrales de absorción y emisión de fluorescencia de los dos compuestos de estudio en acetonitrilo (Figura 3.16 y Tabla 3.8). Los espectros de absorción de los BODIPYS 33b y 33c (Figura 3.16), muestran bandas principales debidas a las transiciones electrónicas entre los estados S0-S1. Además, a menor longitud de onda, es posible observar también para ambos derivados un conjunto de bandas debidas a las transiciones electrónicas entre el estado fundamental (S0) y otros niveles electrónicos más energéticos (S2, S3…Sn). Por otro lado, los espectros de emisión de fluorescencia de estos BODIPYs muestran bandas espectrales que son imagen especular de las bandas principales de absorción y que se deben a la transición entre los estados electrónicos S1-S0 de los compuestos. Figura 3.16. Espectros de absorción UV-visible (línea sólida) y emisión de fluorescencia (línea discontinua) de los BODIPYs 33b y 33c en acetonitrilo a 10 M. Las fotografías fueron tomadas con luz ambiente (izquierda) y bajo irradiación UV-visible de 366 nm (derecha). Al igual que sucedía en cloroformo, sección “3.3.2.2. Propiedades fotofísicas”, las bandas de absorción y emisión de fluorescencia en acetonitrilo del compuesto 33b, que presenta grupos fuertemente dadores de electrones en su estructura, aparecen desplazadas batocrómicamente respecto a las del derivado 33c, que presenta grupos aceptores en su estructura. Además, en este disolvente ambos BODIPYs también presentan desplazamientos de Stokes superiores a lo habitualmente observado para este tipo de sistemas, como sucedía en otros disolventes analizados previamente. Por último, cabe indicar que el rendimiento cuántico de fluorescencia calculado para estos fluoróforos en acetonitrilo es muy elevado, siendo incluso superior al registrado en cloroformo. Capítulo 3 118 Tabla 3.8. Espectroscopía de absorción y emisión de fluorescencia de los BODIPY 33b y 33c en acetonitrilo a 10 M. Compuesto abs / nm (   105 M-1 cm-1) em / nm Desplazamiento de Stokesa / nm Fb 33b 534 (0.937), 354 (0.117), 300 (0.219) 577 43 0.94 33c 518 (0.940), 371 (0.058) 558 40 0.88 Los espectros fueron registrados corresponden a disoluciones 10 M en acetonitrilo de los BODIPYs estudiados. En negrita aparecen señalados los valores máximos de absorción y emisión son relativos a las transiciones S0-S1 (absorción) y S1-S0 (emisión de fluorescencia). En los espectros de emisión de fluorescencia se empleó como longitud de onda de excitación el valor de la abs,máx. aPara calcular el desplazamiento de Stokes se restaron las longitudes de onda máximas de absorción a las de emisión. bEl rendimiento cuántico se midió en un fluorímetro con esfera integradora (método absoluto) para disoluciones de los compuestos con una absorción inferior a 0.1 a.u., el error de estas medidas es de ±0.02. El estudio espectroelectroquímico de los BODIPYs 33b y 33c se llevó a cabo de un modo similar para ambos, únicamente variando el rango de potencial del barrido voltamperométrico. En este estudio se realizaron simultáneamente experimentos de voltamperometría cíclica y absorción molecular en el UV-visible o emisión fotoluminiscente para ambos compuestos. Estos experimentos se llevaron a cabo de acuerdo con las condiciones de trabajo y el dispositivo experimental descrito en la sección “V.5. Spectroelectrochemical experiments.” de la parte experimental de esta tesis. En primer lugar, se presenta el estudio espectroelectroquímico realizado para el BODIPY 33b. Para el estudio espectroelectroquímico de este compuesto, los barridos voltamperométricos se realizaron empezando a un potencial donde la molécula no sufre ningún proceso de oxidación o reducción, +0.56 V respecto al par ferroceno/ferrocenio (Fc/Fc+). El barrido se llevó a cabo en dirección anódica inicialmente, para visualizar primero el proceso de oxidación y posteriormente el de reducción. El voltamperograma cíclico (CV) de 33b muestra dos procesos cuasi-reversibles, uno en la región anódica y otro en la región catódica (Figura 3.17). En la región anódica se observa la oxidación del BODIPY 33b a +0.56 V y su posterior reducción a +0.46 V. Por otro lado, en la región catódica se observa la reducción de 33b a -1.54 V y su posterior oxidación a -1.46 V. En general, los BODIPYs pueden sufrir procesos de oxidación y reducción a potenciales que dependen notablemente de tipo y grado de funcionalización. El proceso más probable, según se encuentra descrito en bibliografía, es el de reducción hasta la formación de un anión radical, que reversiblemente se oxida hasta recuperar la estructura original del BODIPY. Contrariamente, la oxidación de estas moléculas supone la electrogeneración de un catión radical, que al igual que ocurre en regiones catódicas, es susceptible de ser reducido reversiblemente.224 Teniendo esto en cuenta, el proceso observado en la Figura 3.17, cuyo potencial normal de reducción es +0.51 V, correspondería con la generación del catión radical del BODIPY 33b, mientras que el proceso que presenta un potencial normal de reducción de -1.50 V correspondería con la formación del anión radical de dicho compuesto. Derivados BODIPY 119 Figura 3.17. CV del BODIPY 33b durante su oxidación y posterior reducción Simultáneamente al registro de la variación de la intensidad de corriente durante el barrido de potencial se ha registrado la evolución de los espectros de absorción de este sistema, tomando como espectro de referencia el de la disolución al potencial inicial del barrido. En la Figura 3.18 se muestra el mapa de contorno y los espectros de absorción registrados a lo largo del barrido de potencial mostrado en la Figura 3.17. Como se puede ver, durante el barrido anódico (entre -0.56 y +0.79 V) se observa la aparición de dos bandas a 390 y 600 nm. Paralelamente, se aprecia la disminución de absorbancia entre 500 y 580 nm, con una banda centrada en torno a 540 nm. Esta banda, donde las variaciones de absorbancia son negativas, está relacionada con la desaparición del BODIPY 33b durante su oxidación y aparece poco definida debido a que la molécula absorbe gran cantidad de luz en ese rango de longitudes de onda. Esta banda de absorción coincide con los datos obtenidos por espectroscopía de absorción para este compuesto (Tabla 3.8). Por otro lado, las bandas que muestran una variación de absorbancia positiva están relacionadas con la formación de la forma oxidada del BODIPY 33b, su catión radical. En cambio, en la región catódica, únicamente se observan variaciones negativas de absorbancia entre 500 y 580 nm debidas a la reducción de 33b. Figura 3.18. Evolución de los espectros de absorción durante la oxidación y reducción del BODIPY 33b: (a) representación en mapa de contorno y (b) representación de los espectros a potenciales específicos Una forma de estudiar y visualizar más claramente las variaciones de absorbancia a lo largo de todo el barrido de potencial consiste en representar los voltabsorciogramas cíclicos (CVA) a las longitudes de onda características de los procesos observados. En la Figura 3.19 se muestran los CVA a las tres longitudes de onda indicadas: 390 nm y 600 nm, relativas a la formación del catión radical del BODIPY 33b, y 540 nm, asociada al consumo del BODIPY 33b. Como se puede observar en esta figura, en la región anódica, a 390 y 600 nm, se observa un aumento de absorbancia durante la oxidación de esta molécula, recuperándose el valor inicial tras su reducción posterior. Asimismo, a la longitud de onda característica del BODIPY 33b (Tabla 3.8), el total solapamiento de la rama de oxidación y de reducción en esta región anódica de Capítulo 3 120 potenciales es indicativo de que el experimento se ha realizado en condiciones de capa fina, donde la difusión de las especies desde y hacia la superficie electródica está limitada. Es decir, que la sonda de reflexión y la ventana de cuarzo situada sobre la sonda de reflexión está en el orden de unos pocos micrómetros. Por otro lado, en la región catódica, se puede ver como en las longitudes de onda de 390 y 600 nm no hay variaciones de absorbancia significativas, mientras que para la de 540 nm nuevamente se observa una disminución de absorbancia cuando la molécula se reduce hasta su anión radical, recuperando el valor inicial en el barrido de vuelta. Se puede comprobar, por tanto, que ambos procesos son reversibles químicamente, al recuperarse la molécula completamente, ya que no se observan cambios en la superficie electródica por adsorción de esta o de sus productos de oxidación o reducción, ni se aprecian procesos de degradación del catión radical en la zona anódica o del anión radical en la zona catódica. Figura 3.19. CVAs del BODIPY 33b durante su oxidación y posterior reducción a 390, 600 y 540 nm. La señal derivada de los voltabsorciogramas derivados mostrados en la Figura 3.19 para las tres longitudes de onda características del BODIPY 33b, los denominados voltabsorciogramas cíclicos derivados (DCVA), se muestran en la Figura 3.20. En la región anódica se observa para las tres longitudes de onda seleccionadas, al igual que en el voltamperograma (Figura 3.17), un proceso anódico donde un par de picos muestran la oxidación reversible de 33b hasta su catión radical. El pico de oxidación aparece a un potencial en torno a +0.52 V para las tres longitudes de onda, mientras que el de reducción posterior aparece en torno a +0.51 V. Como se puede observar, este proceso presenta una separación de picos de aproximadamente 0.02 V, lo que indica que el proceso ha tenido lugar en capa fina con un agotamiento prácticamente total de la especie en la interfase electrodo/disolución. Por otra parte, la señal derivada de la absorbancia solamente muestra picos relacionados con el proceso en la región catódica en que se genera el anión radical del BODIPY 33b para la longitud de onda de 540 nm. El DCVA presenta un pico de reducción a -1.54 V y su correspondiente pico de oxidación a -1.45 V. En este caso, la generación del anión radical muestra una separación de los potenciales de pico de aproximadamente 0.09 V, lo que indica que el proceso es cuasi-reversible. Derivados BODIPY 121 Figura 3.20. DCVAs del BODIPY 33b durante su oxidación y posterior reducción a 390, 600 y 540 nm. La espectroelectroquímica no solo permite estudiar y visualizar procesos de transferencia de electrones en la interfaz electrodo/disolución, sino que además permite determinar los parámetros electroquímicos característicos de un sistema. Figura 3.21. Epa y Epc en el CV (a) y en el DCVA a 600 nm (b), durante el proceso de oxidación de 33b. Teniendo esto en cuenta, mediante los experimentos realizados con anterioridad, es posible determinar el potencial formal de reducción (E0’) de los procesos redox observados para 33b. Así, a partir del CV (Figura 3.17) se podría calcular el potencial normal de reducción (ECV 0' ) de este BODIPY, relativo al proceso redox reversible que se observa en torno a +0.51 V (Figura 3.21.a), como la media del potencial del pico anódico (Epa) y el potencial del pico catódico (Epc) empleando la Ecuación 3.3. Asimismo, dada la similitud entre la forma de las ondas del CV y de los DCVAs, también sería posible calcular el potencial normal de reducción de 33b a partir de sus DCVAs (EDCVA 0' ) de acuerdo con la Ecuación 3.4 (Figura 3.21.b). ECV 0' (V) =Epa+Epc 2 Ecuación 3.3. EDCVA, 𝜆𝑥 0' (V) =Epa+Epc 2 Ecuación 3.4. En la Tabla 3.9 se muestran los potenciales normales de reducción, calculados de acuerdo con lo descrito anteriormente, para la señal voltamperométrica (Figura 3.17) y para los DCVAs a las tres longitudes de onda características de este BODIPY 33b (Figura 3.20). Como se puede comprobar, los valores son muy similares para un mismo proceso, independientemente del método por el que se haya calculado, lo que indica una perfecta correlación entre los datos electroquímicos y espectroscópicos. Capítulo 3 128 Figura 3.29. DCVFs a 567 nm y 600 nm del BODIPY 33c. Para ambas longitudes de onda se calcularon los potenciales normales de reducción. Los valores de estos parámetros se encuentran resumidos en la Tabla 3.12, pudiendo observarse una total coincidencia entre todos estos valores, lo que permite corroborar, una vez más, la total correlación entre los datos voltamperométricos y los de emisión de fluorescencia registrados. Tabla 3.12. Potenciales normales de reducción de los procesos anódico y catódico para el BODIPY 33c. Proceso ECV 0' / Va EDCVA, 567 nm 0' / Vb EDCVA, 600 nm 0' / Vb Anódico +0.80 +0.80 +0.80 Catódico -1.28 -1.28 -1.28 aSe calculó de acuerdo con la Ecuación 3.3. bSe calculó de acuerdo con la Ecuación 3.4. Tomando como referencia lo explicado para 33b, también fue posible realizar una estimación de la energía del HOMO, de la energía del LUMO y de la energía del band-gap para el BODIPY 33c a partir de los datos voltamperométricos y espectroscópicos. Para estos cálculos de 33c, se emplearon los resultados obtenidos en espectroelectroquímica de absorción UV-visible a dos longitudes de onda diferentes, 520 y 320 nm. Además, a diferencia del BODIPY 33b, en este caso, fue posible realizar esta estimación con los datos registrados en fotoluminiscencia a las dos longitudes de onda de emisión (567 y 600 nm). En la Tabla 3.13 se muestra un resumen de los resultados calculados mediante las Ecuaciones 3.5-3.7, empleando los datos de potenciales normales de reducción de la Tabla 3.11 y la Tabla 3.12. Como se puede comprobar, los valores obtenidos con cualquiera de las propuestas son muy similares, lo que sugiere que todas las señales hacen referencia al mismo proceso, el proceso de transferencia electrónica que tiene lugar durante la oxidación y reducción de este BODIPY. Tabla 3.13. Energía del HOMO, del LUMO y del band-gap para el BODIPY 33c. Procedimiento ELUMO/ eVa EHOMO/ eVb EG/ eVc Electroquímico (CV)d -3.53 -5.60 2.07 Espectroscópico (DCVA285 nm)e -3.51 -5.59 2.08 Espectroscópico (DCVA320 nm)e -3.51 -5.60 2.09 Espectroscópico (DCVA520 nm)e -3.52 -5.61 2.09 Espectroscópico (DCVF567nm)f -3.52 -5.60 2.08 Espectroscópico (DCVF600 nm)f -3.52 -5.60 2.08 aCalculado según la Ecuación 3.5, bCalculado según la Ecuación 3.6, cCalculado según la Ecuación 3.7; dCalculado con el ECV, catódico 0' y el ECV, anódico 0' de la Tabla 3.11; eCalculado con el EDCVA,catódico 0' y el EDCVA,anódico 0' a cada longitud de onda de la Tabla 3.11; f Calculado con el EDCVF, catódico 0' y el EDCVF, anódico 0' de la Tabla 3.12. Derivados BODIPY 129 Para entender mejor estos resultados electroquímicos, se llevaron a cabo cálculos DFT y TDDFT en Gaussian09.1.201 En primer lugar, se calcularon los orbitales moleculares frontera (FMO) de los derivados 33b y 33c a través de cálculos DFT en fase gas. Para la determinación de los orbitales HOMO y LUMO de estos compuestos se emplearon como funcional y base la combinación B3LYP/6-31G**. Para ambos derivados se calcularon valores de energía de band gap similares y, aunque los valores teóricos diferían de los observados experimentalmente, se podía observar la misma tendencia. Figura 3.30. Resultado de los cálculos computacionales DFT de los orbitales frontera HOMO y LUMO de los BODIPYs 33b y 33c. Asimismo, mediante cálculos TD-DFT (teoría del funcional de la densidad dependiente del tiempo), empleando distintos funcionales, se realizó la simulación de los espectros de UV-visible en acetonitrilo para determinar los orbitales involucrados en las diferentes transiciones electrónicas de estos BODIPYs. Este estudio permitió calcular de un modo más preciso, considerando los efectos del disolvente, las energías asociadas a cada transición electrónica de los BODPYs estudiados. Los resultados de estos cálculos se recogen en la Tabla 3.14, observándose diferencias en función del funcional empleado. Al estudiar los resultados de los cálculos TD-DFT, se puede observar cómo los valores teóricos de las longitudes de onda de excitación que más se ajustan a las obtenidas experimentalmente en absorción para 33b empleando acetonitrilo, eran aquellos resultantes de realizar los cálculos con el funcional MPW1PW91 y la base 6-31G**, obteniéndose además buenos resultados al emplear los funcionales B2LYP y B3PW91 con la misma base. Igualmente, para 33c los resultados teóricos más próximos a los experimentales también se obtuvieron con los funcionales B2LYP y B3PW91 y la base 6-31G**. Cuando se analizan los valores obtenidos teóricamente para los band-gap de estos BODIPYs, nuevamente, como también sucedía en los cálculos DFT realizados en fase gas, se observaron discrepancias entre los valores obtenidos experimentalmente a través de los experimentos espectroelectroquímicos y los valores obtenidos teóricamente. No obstante, a pesar de estas diferencias se podía observar que los valores teóricos seguían la misma tendencia que los experimentales. Además, cabe señalar que, tanto las diferencias obtenidas al emplear distintos funcionales en los cálculos TD-DFT, como las discrepancias Capítulo 3 130 observadas entre los resultados teóricos y experimentales, son habituales en este tipo de estudios, como demuestran algunos trabajos en la literatura.227, 231 Tabla 3.14. Resultados de los cálculos computacionales TD-DFT en distintos funcionales para 33b y 33c. Funcional Base Estado excitado ex / nm fa Transición electrónica Energía / eV 33b B3LYP 6-31G** 1 545 1.08 HOMO a LUMO 2.65 2 382 0.02 HOMO-1 a LUMO 4.27 3 379 0.51 HOMO-3 a LUMO 4.09 B3PW91 6-31G** 1 544 1.09 HOMO a LUMO 2.66 2 383 0.02 HOMO-1 a LUMO 4.27 3 379 0.52 HOMO-3 a LUMO 4.08 MPW1PW91 6-31G** 1 535 1.11 HOMO a LUMO 2.93 2 370 0.18 HOMO-1 a LUMO 4.60 3 363 0.58 HOMO-3 a LUMO 4.43 CAMB3LYP 6-31G** 1 518 1.16 HOMO a LUMO 4.73 2 332 0.02 HOMO-1 a LUMO 6.68 3 314 0.35 HOMO-3 a LUMO 6.56 B3PW91 ccpvtz 1 557 1.09 HOMO a LUMO 2.64 2 385 0.01 HOMO-1 a LUMO 4.26 3 381 0.55 HOMO-3 a LUMO 4.09 33c B3LYP 6-31G** 1 523 1.06 HOMO a LUMO 2.73 2 394 0 HOMO-1 a LUMO 3.82 3 374 0.12 HOMO-2 a LUMO 3.93 B3PW91 6-31G** 1 513 1.06 HOMO a LUMO 2.78 2 393 0 HOMO-1 a LUMO 3.83 3 374 0.13 HOMO-2 a LUMO 3.93 MPW1PW91 6-31G** 1 507 1.08 HOMO a LUMO 3.05 2 380 0 HOMO-1 a LUMO 4.17 3 361 0.14 HOMO-2 a LUMO 4.29 CAMB3LYP 6-31G** 1 497 1.11 HOMO a LUMO 4.88 2 341 0 HOMO-1 a LUMO 6.25 3 322 0.17 HOMO-2 a LUMO 6.42 B3PW91 ccpvtz 1 528 1.05 HOMO a LUMO 2.74 2 396 0 HOMO-1 a LUMO 3.82 3 376 0.13 HOMO-2 a LUMO 3.93 aFuerza del oscilador. Proporcional a la intensidad de la transición electrónica observada 231 U. Salzner, R. Baer, J.Chem. Phys. 2009, 131, 231101-231105. Derivados BODIPY 131 3.4. La reacción de sustitución nucleófila aromática como una herramienta en la - funcionalización de BODIPYs. 3.4.1. Antecedentes: las reacciones de SNAr para la -derivatización de BODIPYs. Como se ha explicado con anterioridad, uno de los métodos sintéticos que permite modular las propiedades fotofísicas de los BODIPYs es la introducción de grupos que permitan extender la conjugación del sistema sobre el núcleo base de estos compuestos. Asimismo, la introducción directa de grupos dadores de electrones sobre esta plataforma también tiene un efecto significativo en las propiedades del fluoróforo. La funcionalización de las posiciones alfa de un BODIPY con nucleófilos puede lograrse fácilmente a través de la SNAr del correspondiente 3,5dihalo BODIPY. Dehaen et al. fueron pioneros en estudiar este tipo de reacciones de postfuncionalización, demostrando su compatibilidad con diferentes nucleófilos para la obtención de una familia de diferentes BODIPYs -funcionalizados.160 La popularidad de esta metodología de postfuncionalización ha crecido exponencialmente a lo largo de los años, existiendo una gran variedad de publicaciones en las que se emplean la reacciones de SNAr para la síntesis de BODIPYs con aplicaciones muy diversas.40,41 Además de la postfuncionalización, también es posible obtener BODIPYs dotados con con grupos dadores de electrones en C3/C5 mediante prefuncionalización empleando los derivados halogenados adecuados. Teniendo esto en cuenta, dado que los pirroles son los principales precursores de los BODIPYs, llevar a cabo la prefuncionalización sobre estas especies permitiría obtener BODIPYs de novo con sustituyentes dadores de electrones directamente unidos sobre la plataforma cromofórica. Sin embargo, aunque en la literatura existen multitud de ejemplos de derivatización de halopirroles a través de diferentes reacciones de acoplamiento cruzado,197 no existen ejemplos de reacciones de SNAr sobre este tipo de derivados. La naturaleza - excedente de estos compuestos heterocíclicos impide su funcionalización mediante SNAr, excepto cuando están fuertemente activados con grupos aceptores de electrones. Asimismo, tampoco es posible obtener pirroles dotados con este tipo de grupos a través de las metodologías clásicas de condensación. Una segunda estrategia para la obtención de BODIPYs con grupos dadores en su estructura por prefuncionalización, es la derivatización de las dipirrinas precursoras mediante reacciones de SNAr. Hasta hace unos años no existían ejemplos en la literatura de este tipo de funcionalización, pero en 2016 Leushina et al. publicaron los primeros resultados que demostraban la viabilidad de la derivatización de -dihalodipirrinas libres a través de SNAr con diferentes nucleófilos. Las reacciones de SNAr con estos sustratos transcurrían con muy buenos rendimientos, aunque precisaban de tiempos largos de reacción, y los resultados se veían influidos por la fortaleza del nucleófilo empleado y la naturaleza electrófila de la dipirrina empleada. Estos factores influían notablemente en la extensión de la sustitución y en el rendimiento de la reacción, por ejemplo: los productos de disustitución se obtenían únicamente en presencia de buenos nucleófilos como los tioles, mientras que con nucleófilos nitrogenados solo se obtenían las dipirrinas monosustituidas. 232 De un modo similar, Lijuan y sus colaboradores también demostraron la utilidad de las reacciones de SNAr para funcionalizar halodipirrinas libres con pirroles.139 En algunos casos, esta metodología de prefuncionalización 232 E. Leushina, K. Tikhomirova, A. Permyakova, P. Ilin, M. Terenina, A. Anisimov, A. Khoroshutin, Dyes Pigm. 2016, 129, 149-155. Capítulo 3 132 para la obtención de BODIPYs -funcionalizados con nucleófilos ha demostrado ser incluso más efectiva que la postfuncionalización. 233 3.4.2. Discusión de resultados. 3.4.2.1. BODIPYs simétricos 3,5-disustituídos. 3.4.2.1.1. Síntesis A pesar de la gran popularidad que han alcanzado las reacciones de CuAAC en las últimas décadas, gracias a que combinan condiciones de reacción suaves con buenas regioselectividades y elevados rendimientos; existen pocas referencias en la literatura en las que se emplee esta metodología para la derivatización de BODIPYs. En la mayoría de estos casos, las reacciones click se llevan a cabo sobre grupos azida o triples enlaces contenidos en sustituyentes de las posiciones meso o alfa del fluoróforo, pero alejados de él. 234 No obstante, también existen algunos ejemplos en los que las reacciones CuAAC se realizan directamente sobre grupos unidos directamente al núcleo del BODIPY en posiciones C3/C5, tanto grupos grupos etinilo 235 como azida. 236 Inspirados por estos antecedentes, se han puesto a punto dos metodologías de síntesis para la obtención de BODIPYs -funcionalizados con 1,2,3-triazoles 1,4-disustituidos, unidos al núcleo del fluorófo a través de sus posiciones 1 o 4. Para la obtención de derivados BODIPY simétricos con anillos de 1,2,3-triazol en alfa, unidos a través de su posición 1 al núcleo del fluoróforo; en primer lugar, se llevó a cabo la síntesis de la 3,5-diazida BODIPY 37 mediante la SNAr de 32 con azida sódica. Las condiciones de reacción para la síntesis de 37 se optimizaron variando el disolvente, el tiempo de reacción, la temperatura y la cantidad de azida sódica empleada (Tabla 3.15). 233 E. A. Leushina, I. A. Usol’tsev, S. I. Bezzubov, A. A. Moiseeva, M. V. Terenina, A. V. Anisimov, I. V. Taydakovc, A. V. Khoroshutin, Dalton Trans. 2017, 46, 17093-17100. 234 Ejemplos: a) A. M. Hansen, A. L. Sewell, R. H. Pedersen, D. L. Long, N. Gadegaard, R. Marquez, Tetrahedron 2013, 69, 8527-8533; b) L. Li, J. Han, B. Nguyen, K. Burgess, J. Org. Chem. 2008, 73, 19631970; c) Z. Li, R. Bittman, J. Org. Chem. 2007, 72, 8376-8382; d) T. B. Gontijo, R. P. de Freitas, F. S. Emery, L. F. Pedrosa, J. B. Vieira Neto, B. C. Cavalcanti, C. Pessoa, A. King, F. de Moliner, M. Vendrell, E. N. da Silva Júnior, Bioorg. Med. Chem. 2017, 27, 4446-4456; e) A. Eggenspiller, A. Takai, M. E. El-Khouly, K. Ohkubo, C. P. Gros, C. Bernhard, C. Goze, F. Denat, J. M. Barbe, S. Fukuzumi, J. Phys. Chem. A 2012, 116, 3889-3898. 235 a) Y. Zhang, Y. G. Gao, Y. D. Shi, L. Q. Tan, J. S. Yue, Z. L. Lu, Chin. Chem. Lett. 2015, 26, 894-898; b) V. Leen, T. Leemans, N Boens, W. Dehaen, Eur. J. Org. Chem. 2011, 4386-4396. 236 a) D. P. Chauhan, T. Saha, M. Lahiri, P. Talukdar, Tetrahedron Lett. 2014, 55, 244–247; b) E. Ganapathi, S. Madhu, M. Ravikanth, Tetrahedron 2014, 70, 664-671; c) J. C. Er, M. K. Tang, C. G. Chia, H. Liew, M. Vendrell, Y. T. Chang, Chem. Sci. 2013, 4, 2168-2176. Derivados BODIPY 133 Tabla 3.15. Condiciones de reacción para la optimización de la síntesis del BODIPY 37. Entrada NaN3 (equiv.) Disolvente t / h T / oC 37/38a 1 10 Acetonitrilo 48 25 5/95 2 10 Acetonitrilo 48 35 60/40 3 10 Acetona/Agua (3/1) 24 25 40/60 4 10 Acetona/Agua (3/1) 24 35 70/30 5 10 Cloroformo 24 25 -b 6 10 DMSO-d6 1 25 90/10 7 20 DMSO-d6 1 25 93/7 8 10 DMSO-d6 1 35 97/3 Las reacciones se llevaron a cabo partiendo de 0.12 mmol de 33. La concentración en el medio de reacción para este reactivo fue de 0.012 M en todos los casos, excepto en las reacciones llevadas a cabo en DMSO-d6 (elegido como medio de reacción para facilitar el seguimiento de las reacciones por RMN) en las que la concentración de 32 fue de 0.05 M. aLa relación entre los dos productos formados en la SNAr se calculó mediante integración de las señales correspondientes en el 1H-RMN del crudo de reacción. bLa reacción no tiene lugar. Todas las reacciones de optimización recogidas en la Tabla 3.15, excepto la llevada a cabo en cloroformo, transcurrieron con una conversión del 100% respecto al BODIPY 32. No obstante, los resultados obtenidos fueron diferentes en función de las condiciones empleadas, jugando el disolvente un papel clave en la selectividad de la reacción. A temperatura ambiente, y empleando acetonitrilo como disolvente de reacción, se obtiene de forma selectiva el BODIPY monosustituido 38, que podría ser útil para la obtención de productos asimétricos. Por el contrario, al emplear este mismo disolvente e incrementar la temperatura ligeramente (35 oC), o al utilizar una mezcla de acetona y agua (3:1, v/v) como disolvente, aunque se consigue que la reacción evolucione más rápidamente, pero se obtiene mezcla de los productos monoy disustituido. Por último, las conversiones más rápidas se obtienen al llevar a cabo la SNAr aumentando ligeramente la concentración de 32, empleando DMSO-d6 como disolvente (elegido para facilitar el seguimiento de la reacción por RMN) y calentando a 35 oC (Esquema 3.19). Además, con estas condiciones de reacción se obtiene de un modo mayoritario (97/3), y con excelente rendimiento químico, el BODIPY disustituido 37. Esquema 3.19. Síntesis mediante SNAr del BODIPYs 37. Capítulo 3 134 El BODIPY 37 resultó ser inestable con el tiempo, por lo que, inmediatamente después de su extracción del medio de reacción, se empleó como precursor de reacciones de CuAAC con alquinos de diferente naturaleza para obtener los BODIPYs click simétricos. Las reacciones de CuAAC, con el 1-hexino como alquino precursor, se probaron en diferentes medios de reacción: acetonitrilo/agua (1:1, v/v), tetrahidrofurano/agua (7:3 ó 1:1, v/v), tert-butanol/agua (1:1, v/v) y diclorometano/agua (2:1, v/v). Empleando mezclas de THF/agua la reacción de CuAAC se completaba transcurridas 24 horas a temperatura ambiente, pero se obtenía una mezcla compleja de productos difícil de separar. Por el contrario, en las reacciones en las que se empleaba como disolvente mezclas de acetonitrilo, o tert-butanol, con agua la reacción no tenía lugar. Las condiciones más apropiadas para la obtención del click-BODIPY 39 se alcanzaron al llevar a cabo la reacción del derivado 37 con 1-hexino en presencia de sulfato de cobre y ascorbato de sodio, empleando una mezcla de diclorometano y agua (2/1) como disolvente. No obstante, incluso en estas condiciones el rendimiento de la reacción resultó ser bastante bajo, debido a la descomposición de 37 con el tiempo y a la formación de una pequeña proporción del derivado -monofuncionalizado con el grupo 1,2,3-triazol. Estas condiciones de reacción se emplearon también para la preparación del BODIPY 40. Sin embargo, aunque fue detectada su formación en el crudo de reacción, su baja solubilidad impidió su aislamiento y caracterización. Tabla 3.16. Síntesis de los click-BODIPYs 39 y 40 por CuAAC. Entrada 32 R1 BODIPY Rendimiento (%)a 1 31a 40 -b 2 31d C4H9 39 25 Todas las reacciones se realizaron a partir de 0.10 mmol de 37, en un tiempo de 16 horas para 39 y de 3 días para 40. aRendimiento de la reacción de CuAAC, tras el apropiado procedimiento de purificación, referido al BODIPY 37. bEl compuesto obtenido era muy poco soluble por lo que no pudo ser aislado ni caracterizado. La obtención del BODIPY 39 no solo se confirmó mediante las técnicas de RMN y masas, sino también a través de su estructura en estado sólido. Los cristales de 39 se obtuvieron por difusión lenta de hexano sobre una disolución en diclorometano del compuesto, y su estructura en estado sólido se determinó mediante difracción de rayos X de monocristal (Figura 3.33). Derivados BODIPY 135 Figura 3.31. Estructura en estado sólido del BODIPY 39. Átomos: C, gris claro; O, rojo; N, azul; B, amarillo; F, verde claro; H, blanco. La estructura en estado sólido del BODIPY 39 muestra una disposición esencialmente plana del núcleo del colorante, donde los átomos de flúor se disponen perpendicularmente adoptando una disposición tetraédrica respecto al boro (ángulo F-B-F cercano a los 110o).210,211 Las distancias y ángulos del núcleo base del derivado 39 (Tabla 3.17) son similares a las observadas en los compuestos 32, 33 y 34, resumidas en la Tabla 3.2, y coherentes con descrito en la literatura para este tipo de fluoróforos.161a,211 Asimismo, tal y como sucedía para los compuestos 33a y 33g, el ángulo N1-B1-N2 es un poco mayor de lo habitual para este tipo de fluoróforos, lo que probablemente se deba a las repulsiones estéricas de los sustituyentes, pues los anillos de 1,2,3-triazol periféricos están relativamente próximos entre sí y cerca del punto de coordinación del grupo BF2. Además, estos anillos periféricos de triazol rompen la planaridad de la estructura y aparecen ligeramente girados, en direcciones opuestas uno respecto al otro, respecto al núcleo del BODIPY, tal y como también sucedía en los compuestos 33a y 33g. Tabla 3.17. Distancias y ángulos más relevantes de la estructura en estado sólido del BODIPY 39. Distancias y ángulos 39 d (N1-B1) / Å 1.561 d (N2-B1) / Å 1.552 d (B1-F1) / Å 1.385 d (B1-F2) / Å 1.390 d (C4-N1) / Å 1.356 d (C11-N2) / Å 1.358 d (C18-F1) Å 2.163 d (C12-F2) Å 2.322 Ángulo (C4-N1-B1) / o 130.8 Ángulo (C11-N2-B1) / o 128.8 Ángulo (N1-B1-N2) / o 107.2 Ángulo (F1-B1-F2) / o 109.6 Á. Torsión (C18-N6-C4-N1) / o 29.79 Á. Torsión (C12-N3-C11-N2) / o 47.49 Capítulo 3 136 Esta estructura de rayos X también permite realizar el estudio conformacional de 39 que, en estado sólido, adopta una conformación anti/anti (en la Figura 3.32 se indican solo las dos conformaciones posibles para 39 teniendo en cuenta que, según los estudios de RMN, se trata de un compuesto simétrico). En esta disposición los anillos de 1,2,3-triazol periféricos, ligeramente girados respecto al plano del núcleo del BODIPY, están orientados en direcciones contrarias, lo que favorece la interacción intramolecular entre los grupos CH de los anillos de triazol periféricos y los átomos de flúor del centro BF2 de la molécula. Figura 3.32. Conformaciones propuestas para el BODIPY 39. Con el objetivo de obtener derivados BODIPY con anillos de 1,2,3-triazol en alfa, unidos en este caso a través de su posición 4 al núcleo del fluoróforo; se tomó como reactivo de partida el BODIPY 36, previamente sintetizado, como se ha descrito en este capítulo. Dada su gran inestabilidad, este sustrato se empleó inmediatamente tras su síntesis y purificación en la reacción de CuAAC (Esquema 3.20). Esquema 3.20. Síntesis del BODIPYs 41. En este caso, el compuesto 36 se hizo reaccionar con una diazida en un medio de reacción polar y ligeramente concentrado, basado en las condiciones de reacción descritas por Li et al. para la síntesis de sistemas macrocíclicos mediante reacciones click, 237 con el fin de obtener un derivado macrocíclico fluorescente. A pesar de que la reacción tuvo lugar en estas condiciones, se generaron numerosos subproductos, probablemente debido a la descomposición del BODIPY de partida, lo que hizo que el rendimiento obtenido fuera muy bajo, lo que limitó la caracterización completa del BODIPY macrocíclico 41. 237 Y. Y. Zhu, G. T. Wang, Z. T. Li, Org. Biomol. Chem. 2009, 7, 3243-3250. Derivados BODIPY 137 3.4.2.1.2. Propiedades fotofísicas y anionofóricas de un BODIPY-click En este apartado se abordará el estudio de las propiedades fotofísicas y anionofóricas del BODIPY 39, un derivado simétrico con anillos de 1,2,3-triazol en las posiciones alfa del fluoróforo. Con este estudio se podrá determinar cómo afecta a las propiedades fofofísicas, y a la capacidad transportadora de aniones de estos compuestos, la presencia de heterociclos de 1,2,3-triazol, frente otros anillos aromáticos, en las posiciones C3/C5 del BODIPY. Estudio fotofísico Al igual que los BODIPYs simétricos 32, 33 y 34, el compuesto 39 presentó una coloración brillante y las características espectrales típicas de este tipo de fluoróforos (Figura 3.33).212 Los espectros de absorción registrados en diferentes disolventes para el BODIPY 39 muestran una banda principal intensa ( = 0.9-0.6 x 105 M-1 cm-1) alrededor de los 500-520 nm, correspondiente a la transición electrónica S0-S1. Además, desplazado hipsocrómicamente y menos intenso, aparece un pequeño hombro debido a las vibraciones fuera del plano. A menor longitud de onda (alrededor de los 350 nm), también es posible observar una pequeña banda de absorción provocada por las transiciones electrónicas entre el estado fundamental (S0) y estados excitados más energéticos (S2, S3, Sn). Por otro lado, en los espectros de emisión de fluorescencia de 39 en diferentes disolventes se observan bandas muy intensas debidas a las transiciones S1-S0, imagen especular de las bandas de absorción S0-S1. Figura 3.33. Espectros de absorción UV-visible (a) y de emisión de fluorescencia (b) del estudio de solvatocromismo del BODIPY 39. Las fotografías fueron tomadas a luz ambiente (a) o bajo irradiación UVvisible de 366 nm (b) y de izquierda a derecha son: diclorometano, DMSO, 1,4-dioxano, metanol, hexano (insoluble), tolueno y cloroformo. Efecto en las propiedades fotofísicas de las variaciones en la estructura química del fluoróforo: La banda de absorción S0-S1 de 39 en cloroformo muestra un efecto batocrómico respecto a la del dihalo-BODIPY 32, debido a la extensión de la conjugación del sistema y a la eliminación del efecto de átomo pesado. La banda principal de absorción de 39 muestra una longitud de onda similar a la observada para la del compuesto 33a (dotado con anillos de fenilo en C3/C5), lo que es indicativo de que la introducción de grupos fenilo en las posiciones alfa del núcleo de BODIPY, sin sustitución o con grupos aceptores de electrones, promueve un comportamiento similar a la introducción de 1,2,3-triazoles en estas posiciones. En los derivados 33f y 33g, los anillos -excedentes de furano y tiofeno, unidos a través de su C2 al BODIPY, facilitan la conjugación extendida del sistema, lo que provoca un efecto batocrómico en las bandas de absorción de estos compuestos respecto a 33a. Por el contrario, la introducción de anillos de Experimental part 240 radiation. For BODIPY 33b the CVs were recorded between +0.79 V and -1.76 V starting and finishing the potential scan at +0.56 V. For BODIPY 33c the CVs were recorded between +1.04 V and -1.56 V starting and finishing the potential scan at 0 V. All experiments were performed in a clockwise direction at a scan rate of 0.10 V·s−1. Spectrum of the sample at the starting potential is taken as reference. Therefore, absorbance (or intensity of fluorescence) are plotted as increment of the optical property respect to this reference spectrum. V.5.2. General description of spectroelectrochemical signals. To better understand the signals registered during a spectroelectrochemistry experiment and to show the information than can be obtained from them, the oxidation of the BODIPY 33b molecule will be shown next. Figure V.6 shows the CV registered during electrochemical oxidation of BODIPY 33b molecule, where a single pair of peak evolves around +0.54 V. The anodic peak at +0.56 V (Epa) indicates that the molecule is being oxidized, while, when the potential is reversed a cathodic peak at +0.48 V (Epc) related to the reduction of the BODIPY previously oxidized. Figure V.6. CV during the oxidation of 33b. Simultaneously to the CV the evolution of the absorption spectra with the potential applied is registered, as shown in Figure V.7.a. A better visualisation of the evolution of the spectra during oxidation and subsequent reduction of 33b is shown in Figure V.7.b. It is observed that there are two absorption bands that increase in intensity at 390 and 600 nm, which are related to the oxidation product electrogenerated at the electrode/solution interface. Subsequently, this compound is reduced as shown in Figure V.7.a. by the decreasing of these two bands until the end of the experiment. Simultaneously, a third absorption band decreased peaking at 540 nm. This band is related to the consumption of the 33b in the electrode/solution interface due to its oxidation. By selecting the absorbance values at the maximum of the three absorption bands and plotting them against the applied potential, we obtain the so-called CVA (Figure V.7.c). The CVAs at 390 and 600 nm show an increase of absorbance around +0.443 V, potential at which the current intensity starts to increase in Figure V.6., due to the oxidation of 33b. The absorbance increased until the vertex potential (+0.79 V) is applied. In the backward scan, the absorbance continues to increase until a potential of +0.59 V is applied since it is already in a potential region where 33b is still being oxidised. From +0.59 V until the experiment ends, the absorbance decreases due to the reduction of the oxidation product of 33b and its consequent Spectroelectrochemical experiments 241 disappearance from the electrode/solution interface. A process very similar is observed for the CVA at 540 nm, but with negative values of absorbance related to the consumption of 33b at the electrode surface due to its oxidation. Figure V.7. Evolution with time of absorption spectra (a) and the changes in absorption bands (b) during the oxidation of 33b. (c) CVA of 33b at the changing absorption wavelengths (390, 540 and 600 nm). The derivative of the absorbance with respect to time over the whole applied potential scan is called the DCVA. Figure V.8.a. and V.5.b show the DCVA at the three wavelengths selected in Figure V.7.c. Figure V.8.a. plot the DCVAs at the two wavelengths that increase during these experiment (390 an 600 nm) and the CV registered, while Figure V.8.b. depicted the DCVA at the wavelength that decreases during this SEC experiment (540 nm). As can be seen there is a very high similarity between the four signals, indicating that all of them are related to the same electrochemical process. Figure V.8. Comparison of DCVA at 390 and 600 nm and CV (a) and comparison of DCVA at 540 nm and CV (b), during 33b oxidation. In graph (b) the LSV is the negative CV to better compare it with the DCVA. Experimental part 242 V.6. Self-assembly experiments. V.6.1. UV-visible and photoluminescence experiments. Solvatochromic experiments and quantum yield determination (relative method) of compounds 58a and 58b were carried out according to the previously described procedures using 1 cm path-length quartz cuvettes (Hellma Analytics High Precision Cell). JASCO V-770-ST UV-visible/NIR or V-750-ST UV-visible spectrophotometers and JASCO FP-8500spectrofluorometer were used for these experiments. Besides, for solid-state measurements of these compounds in UV-visible and photoluminescence a few drops of the sample solution were carefully deposited and dried on the surface of the cuvette to achieve a homogeneous thinfilm of the compound. Solid-state measurements were performed in 1 mm path-length quartz cuvettes (Hellma Analytics High Precision Cell). VT-UV-visible experiments All measurements were performed in 1 cm path-length quartz cuvettes (Hellma Analytics High Precision Cell). Thermal experiments were carried out in JASCO V-770-ST UV-visible/NIR or V-750-ST UV-visible spectrophotometers at constant heating rates of 1.0 K min‒1 from 363 to 283 K. These experiments were done at different concentrations of each compound in methylcyclohexane. Cooling curves for compound 58a were monitored during the experiments at 437 nm, whereas for 58b the wavelength was 620 nm. The aggregation curves were obtained by plotting the αagg (degree of aggregation) at the chosen wavelength as a function of the temperature. The αagg values were calculated by using Equation V.9. αagg=ε ‐ εagg εm - εagg Equation V.9. Where: agg degree of aggregation  molar absorption at the chosen wavelength at each point agg molar absorption at the chosen wavelength for the most aggregate state of the sample m molar absorption at the chosen wavelength for the most desaggregate state or at monomer state VC-UV-visible experiments All the measurements were performed at room temperature (25 oC) in JASCO V-770-ST UVvisible/NIR or V-750-ST UV-visible spectrophotometers. UV-visible spectra of BODIPY 55a were measured in methylcyclohexane at different concentrations (from 5.5 mM to 2.4 M) to monitor the desaggregation of the sample. The results of molar absorption were plotted against concentration at the wavelength of 610 nm to observe graphically the process. Quartz cuvettes of 1 cm, 1 mm or 0.1 mm (Hellma Analytics High Precision Cell) were used for the measurements at the different concentrations tested in the experiment. Unfolding experiments All the measurements were performed in 1 cm path-length quartz cuvette (Hellma Analytics High Precision Cell) in JASCO V-770-ST UV-visible/NIR or V-750-ST UV-visible spectrophotometers at room temperature (25 oC). Unfolding experiments were developed for the solvent denaturation model of Meijer et al.,271 which considers the supramolecular polymerization as a function of the relation between a “good” solvent, in which the less aggregate state -that is usually the dissociated monomeris predominant, and a “bad” solvent, in which the aggregation process is favoured. For BODIPY 58a Self-assembly experiments 243 three different experiments were carried out to study the aggregation mechanism of the observed aggregates: methylcyclohexane (“bad” solvent) to chloroform (“good” solvent), methylcyclohexane (“bad” solvent) to 1,4-dioxane (“good” solvent) and chloroform (“bad” solvent) to 1,4-dioxane (“good” solvent). In unfolding experiments, solutions of 58a in the “bad” solvent and in the “good” solvent were mixed successively in different ratios, keeping constant the total concentration of the compound. UV-visible spectra were measured for the different ratios of the mixture and, finally, the aggregation curve was obtained by plotting the αagg (calculated with Equation V.9.) at the chosen wavelength versus the molar fraction of the good solvent. V.6.2. NMR experiments. VT-NMR experiments All VT-NMR experiments were carried out on Agilent DD2 500 MHz spectrometer. The experiments were realized at different temperatures (from 363 to 283 K) in MCH-d14, with a fixed concentration of 30 mM for each compound. VC-NMR experiments All VC-NMR experiments were carried out on Agilent DD2 500 MHz spectrometer. The experiments were realized at different concentrations of the compounds (from 40 mM to 0.4 mM in case of 58a, and from 43 mM to 0.3 mM in case of 58b), in MCH-d14 and at room temperature (25 oC). V.6.3. FT-IR experiments. Solution and solid-state measurements were carried out using a JASCO-FT-IR-6800 and a CaF2 cell with a path length of 0.1 mm. For solid-state measurements a few drops of the sample were carefully deposited and dried on the surface of the cuvette to achieve a thinfilm of the compound. V.6.4. AFM. AFM images were recoded under ambient conditions using a MultiMode 8HR SPM from Bruker operating in tapping mode in air. Silicon cantilevers with a resonance frequency of 300 kHz were used. Different volumes of solutions of 58a (5·10-5 M) and 58b (1·10-4 M) in chloroform or methylcyclohexane were spin-coated onto HOPG surfaces before the measurements. TESIS DOCTORAL Síntesis y estudio de las propiedades de sistemas poliheterocíclicos conjugados y BODIPYs  -sustituidos Sandra Díaz Cabrera Burgos, 2022