Síntesis de acenos, afenos y estarfenos nanométricos mediante reacciones de cicloadición de arinos, y estudio de sus propiedades

UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA FACULTADE DE QUÍMICA Departamento de Química Orgánica y Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CIQUS) SÍNTESIS DE ACENOS, AFENOS Y ESTARFENOS NANOMÉTRICOS MEDIANTE REACCIONES DE CICLOADICIÓN DE ARINOS, Y ESTUDIO DE SUS PROPIEDADES DIEGO RAMÓN RODRÍGUEZ LOJO Santiago de Compostela Mayo 2014 UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA FACULTADE DE QUÍMICA Departamento de Química Orgánica y Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CIQUS) SÍNTESIS DE ACENOS, AFENOS Y ESTARFENOS NANOMÉTRICOS MEDIANTE REACCIONES DE CICLOADICIÓN DE ARINOS, Y ESTUDIO DE SUS PROPIEDADES Memoria que, para optar al grado de Doctor en Química por la Universidade de Santiago de Compostela, presenta Diego Ramón Rodríguez Lojo D. DIEGO PEÑA GIL Y D.ª MARÍA DOLORES PÉREZ MEIRÁS, PROFESORES TITULARES DEL DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ORGÁNICA DE LA UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA CERTIFICAN: Que la memoria adjunta titulada “Síntesis de acenos, afenos y estarfenos nanométricos mediante reacciones de cicloadición de arinos, y estudio de sus propiedades” que, para optar al título de Doctor en Química, presenta D. Diego Ramón Rodríguez Lojo, ha sido realizada bajo su dirección en los laboratorios del Departamento de Química Orgánica y Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CIQUS). Considerando que constituye trabajo de Tesis Doctoral, autorizan su presentación en la Universidade de Santiago de Compostela. Y para que así conste, expiden el presente certificado en Santiago de Compostela, a 14 de Mayo de 2014. Fdo.: Diego Peña Gil Fdo.: María Dolores Pérez Meirás Agradecementos A realización desta tese doutoral non sería posible sen a axuda das seguintes persoas e institucións que, en maior ou menor grao, contribuíron a que este soño se fixese realidade. Ós meus directores de Tese. O Prof. Diego Peña e a Profa. Dolores Pérez, por darme a oportunidade de unirme a este grupo e por todo o interese e dedicación mostrados día a día durante estes anos. Ó Prof. Enrique Guitián, que pese a non aparecer como director, segue sendo o xefe. Ó Prof. Agustín Cobas, pola axuda recibida e os seus cálculos teóricos. Ó Prof. Hans Elemans e ó Dr. Dennis Lensen, pola súa axuda e dedicación mostrados durante 2 meses na University of Nijmegen. Á Dra. Berta Gómez-Lor do Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), polas súas valiosas ensinanzas sobre electroquímica. A Ramón e Mencha pola súa profesionalidade e axuda en todo o relacionado con RMN. A Laura e Noela, polo relacionado co correcto funcionamento do CIQUS. Ós técnicos dos diferentes servizos do CACTUS. Ós meus compañeiros e amigos de laboratorio Alex, Diego, Sara, Manu Vilas, Inés, Cris, Sabela, Jeni, Andrea e Manu Sulleiro, por crear ese bó ambiente e compartir vida e historias, non só no laboratorio, senón que tamén en almorzos en mates, tardes de cañas, ceas, etc. seguide sempre así. Ós veciños do P1L2, por ter a porta aberta e estar sempre dispostos a axudar. A Félix, Julián, Fermín, Amorín, Vero, Paula, xente do lab e demais, cos que tiven o pracer de compartir mantel e café durante estes anos. A todos os compañeiros do CIQUS que me axudaron prestándome compostos, disolventes ou ensinándome a usar instrumentación propia. Os meus amigos de Xente Loca, aquí o tendes, este é o “libro” do que vos falaba. Ós meus país e a toda a miña familia, por confiar en min e polo esforzo continuo durante moitos anos. A Cris, polo teu apoio e cariño durante estes anos, por ser a miña forza. Sen ti isto sería moito máis difícil. Ó Ministerio de Educación e Ciencia por concederme a bolsa FPU, pola que foi posible a realización desta Tese. Os meus pais A Cris 1. Preparación de sustancias de partida: ciclopentadienonas, alquinos y precursores de arinos 65 1.1. Preparación de las ciclopentadienonas 66 1.2. Preparación de alquinos derivados del ácido acetilendicarboxílico 68 1.3. Preparación de precursores de arinos 70 1.3.1. Precursores de bencinos sustituidos, naftalinos y fenantrino 70 1.3.2. Precursores de trifenilinos 74 1.3.3. Precursores de bisarinos 76 2. Inserción de arinos en enlaces σ I-I 78 3. Reacciones de cicloadición (4+2) de arinos 83 3.1. Cicloadiciones (4+2) de ciclopentadienonas con precursores de bisarino para la obtención de precursores de arinos policíclicos 84 3.2. Cicloadiciones (4+2) de arinos con ciclopentadienonas para la obtención de acenos 88 3.2.1. Cicloadiciones (4+2) de bencinos 88 3.2.2. Cicloadiciones (4+2) de naftalinos 91 3.2.3. Cicloadiciones (4+2) de antracino 93 3.2.4. Cicloadiciones (4+2) de trifenilinos 95 3.2.5. Cicloadiciones (4+2) de benzotrifenilino 99 3.3. Cicloadiciones (4+2) de bisarinos 100 3.3.1. Cicloadiciones (4+2) de bisbencino 102 3.3.2. Cicloadiciones (4+2) de bisnaftalino 104 4. Cicloadiciones (2+2+2) de arinos catalizadas por paladio 106 4.1. Reacciones de ciclotrimerización 106 4.1.1. Reacción del trifenilino 113 catalizada por Pd2(dba)3 109 4.2. Reacciones de cocicloadición (2+2+2) de arinos con otras especies 113 4.2.1. Cocicloadiciones (2+2+2) con trifenilino 113 4.2.2. Cocicloadiciones (2+2+2) de dibenzo[a,c]tetracino y dibenzo[de,uv]pentacino 118 5. Estudio de las propiedades y de los agregados supramoleculares de los derivados de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafenos 122 5.1. Estudio de agregados de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafenos anfifílicos mediante microscopía electrónica de barrido 122 5.2. Estudio en superficie de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafenos sustituidos mediante STM 126 6. Propiedades opto-electrónicas de derivados de acenos, afenos y estarfenos 135 PARTE EXPERIMENTAL 153 CONCLUSIONES 213 5 INTRODUCCIÓN 1. Hidrocarburos policíclicos aromáticos 1.1. Conceptos generales y nomenclatura Los hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPAs) o poliarenos forman una enorme y diversa familia de moléculas orgánicas que se caracteriza por la fusión de dos o más anillos bencénicos.1 El petróleo, el carbón y sus derivados constituyen las principales fuentes de HPAs en la naturaleza. Estas fuentes naturales contienen un alto porcentaje de HPAs de distintas formas y tamaños, en los que también están presentes análogos heterocíclicos que contienen uno o más átomos de oxígeno, nitrógeno o azufre.2 Los HPAs se encuentran prácticamente omnipresentes en el planeta y su procedencia es diversa, pudiendo ser de origen natural como en erupciones volcánicas e incendios, o de origen antropogénico, debido principalmente al uso de combustibles fósiles en vehículos y calefacciones.3 Por otro lado, los HPAs también se han detectado en el espacio interestelar, en cometas y en meteoritos.4 En siglo XX, se descubrieron las propiedades carcinogénicas del benzo[a]pireno, el dibenzo[a,h]antraceno y otros poliarenos (figura 1). A partir de ese momento, el interés por los HPAs y sus derivados, especialmente como contaminantes ambientales, aumentó significativamente.5 Figura 1. Ejemplos de HPAs carcinogénicos. 1 a) Clar, E. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, Vol. I/II, Academic Press, London, 1964; b) Harvey, R. G. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, Wiley, New York, 1997; c) Fetzer, J. C. Large (C = 24) Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, Wiley, New York, 2000; d) Hopf, H. Classics in Hydrocarbon Chemistry, Wiley, Weinheim, 2000. 2 Fetzer, J. C. Polycyclic Aromatic Compounds, 2002, 27, 143.. 3 Grimmer, G. Environmental Carcinogens: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, CRC Press, Boca Raton, Fl., 1983. 4 Richter, H.; Howard, J.B. Progress in Energy and Combustion Science, 2000, 26, 565. 5 Lunch, A. The Carcinogenic Effects of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, Imperial College Press, London, 2005. Introducción 6 Debido a la gran diversidad estructural de los HPAs y sus derivados, se han establecido diferentes criterios para su clasificación. Así, atendiendo a la disposición de los átomos de carbono en el núcleo aromático, se definen compuestos catao peri-fusionados. Los poliarenos cata-fusionados son aquellos en los que todos los carbonos del compuesto se hallan en el perímetro del poliareno. Moléculas como el antraceno o el tetraceno son ejemplos clásicos de HPAs con anillos cata-fusionados (figura 2). La denominación perifusionado se aplica a poliarenos que contienen carbonos tanto en el perímetro como en el interior de la estructura. El pireno o el perileno constituyen ejemplos típicos de HPAs peri-fusionados. Figura 2. Ejemplos de HPAs. Por otro lado, en función de la geometría de los poliarenos se definen periferias zig-zag como aquellas en las que la disposición de los anillos aromáticos es lineal (figura 3). Por el contrario, se definen periferias armchair como aquellas que contienen zonas cóncavas delimitadas por tres anillos bencénicos con fusión angular y que por su geometría se denomina región bahía. Si la concavidad está formada por 4 o 5 anillos fusionados de forma angular, esta región molecular se denomina fiordo. Introducción 7 Figura 3. Periferias y regiones moleculares en los HPAs. Cabe indicar que la fórmula molecular de los HPAs se ajusta a la expresión C4n+2-xH2n+4-x, donde “n” es el número de anillos bencénicos fusionados y “x” es el número de carbonos internos, en caso de que no los contenga x = 0. Dentro del extenso grupo de los HPAs, se pueden distinguir algunas familias caracterizadas por un modo de fusión particular y que reciben nombres triviales. Tres de estas familias de HPAs tienen un papel relevante en este trabajo de tesis y deben ser presentadas en este apartado introductorio (figura 4). Los acenos están constituidos por anillos bencénicos linealmente fusionados y con periferia zig-zag. Los afenos son derivados del fenantreno que están formados por la condensación en orto de dos segmentos de anillos bencénicos linealmente fusionados, que comparten un anillo bencénico y forman un ángulo de 120º. Los estarfenos son derivados del trifenileno que están formados por tres segmentos fusionados con disposición trigonal y que por tanto comparten un anillo bencénico central. Figura 4. Ejemplos representativos de aceno, afeno y estarfeno. Dada su gran diversidad estructural, la correcta nomenclatura de los compuestos se convierte en una cuestión relevante. La nomenclatura IUPAC mantiene nombres triviales de poliarenos pequeños como pireno, antraceno, Introducción 8 criseno, etc. (figura 2), que han sido usados históricamente y los clasifica por orden de prioridad.6 Para nombrar poliarenos derivados de este tipo de sistemas, se deben aplicar las siguientes reglas: i) El HPA se debe dibujar situando el mayor número de anillos aromáticos posible en disposición horizontal. Si existiesen varias orientaciones posibles, la disposición que contenga el mayor número de anillos en el cuadrante superior derecho será la correcta. Figura 5. Posibles orientaciones del benzo[pqr]tetrafeno. ii) Con esta orientación se enumerará el sistema aromático siguiendo el sentido de las agujas del reloj empezando por el átomo de carbono, que forme parte de un único anillo, del anillo que se encuentre más arriba y a la derecha (figura 6). Los átomos de carbono que sean comunes a 2 o más anillos se omitirán de la numeración. iii) Se identifica el HPA con nombre trivial del de mayor prioridad contenido en la estructura (en la figura 6, el tetrafeno) y se asigna una letra a cada uno de sus enlaces periféricos, por orden alfabético y en el sentido de las agujas del reloj, empezando por el anillo más a la izquierda dentro del cuadrante superior derecho. iv) El nombre del compuesto derivará de este nombre trivial por anelación de diferentes unidades bencénicas, indicando la posición de estas unidades entre corchetes. Figura 6. Ejemplo de asignación de carbonos y de enlaces en la periferia de un HPA. 6 Moss, G. P. Pure & Appl. Chem. 1998, 70, 143. Introducción 9 1.2. Estructura y propiedades La estabilidad y reactividad de los poliarenos está directamente relacionada con su estructura. En 1964 Clar formuló unas reglas para predecir estas propiedades de forma cualitativa, en base al número de anillos de seis miembros con tres dobles enlaces conjugados posibles en una estructura determinada.7 A estos anillos aromáticos se les denomina sextetos de Clar, se representan en ocasiones mediante un círculo, y no pueden encontrarse adyacentes. Según las reglas de Clar, la estructura resonante más representativa de un HPA es aquella que se pueda representar con el mayor número de sextetos o círculos posibles. Aunque es una regla extremadamente sencilla, permite predecir la mayoría de propiedades físicas y químicas de los HPAs. Por ejemplo, en el caso del fenantreno (figura 7), la forma resonante B sería más importante que la A. Figura 7. Estructuras resonantes de fenatreno y sus correspondientes sextetos de Clar. Por tanto, la estabilidad y aromaticidad de los HPAs se puede relacionar con el número de sextetos de Clar posibles en su estructura. En este sentido, el orden de estabilidad para este tipo de compuestos es el siguiente: Compuestos constituidos por sextetos Clar y anillos vacíos > constituidos por varios sextetos de Clar y anillos conteniendo dobles enlaces > constituidos por un único sexteto de Clar con varios anillos conteniendo dobles enlaces. En la figura 8 se muestran tres isómeros estructurales constituidos por cuatro anillos bencénicos cata-fusionados con diferente geometría. El trifenileno ([4]estarfeno), tiene tres sextetos de Clar en su estructura y es el compuesto más estable de la serie. El tetrafeno cuenta con dos sextetos de Clar y tres dobles enlaces distribuidos en dos anillos adicionales. Por último, el tetraceno cuenta con único sexteto de Clar y es el menos estable de los tres isómeros. 7 Clar, E. The Aromatic Sextet, Wiley, London, 1972. Introducción 10 Figura 8. Ejemplo de la relación existente entre el número de sextetos de Clar y la estabilidad en poliarenos. En los acenos, debido a la disposición geométrica de sus anillos aromáticos, las posibilidades de estabilización por resonancia se reducen. De hecho, independientemente de su tamaño, únicamente se puede representar un sexteto de Clar en su estructura. Por tanto, a medida que se incrementa del número de anillos fusionados de forma lineal en esta serie, disminuye el carácter aromático de las moléculas y se incrementa el carácter diénico en los dobles enlaces. En consecuencia, los acenos superiores al pentaceno se convierten en moléculas con gran inestabilidad termodinámica.8 En términos de orbitales, las diferencias energéticas entre el HOMO y LUMO (gap) se reducen al avanzar en la serie. La energía relativamente alta del orbital HOMO en los acenos superiores al pentaceno es la responsable de la mencionada inestabilidad. Concretamente, los procesos de degradación más frecuentes en estos compuestos son las reacciones de fotooxidación.9 Así, en el pentaceno, el anillo central reacciona con el oxígeno en estado singulete para dar el endoperóxido 2 (esquema 1). Éste es un proceso relativamente rápido, siendo el tiempo de vida media del pentaceno en disolución de 7.5 min.10 Pero incluso en ausencia de oxígeno, el pentaceno (1) se muestra inestable en disolución, dimerizando para dar lugar a la formación del compuesto 3. 8 Zade, S. S.; Bendikov, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 4012. 9 Reddy, A. R.; Bendikov, M. Chem. Commun. 2006, 1179. 10 Kaur, I.; Jia, W.; Kopreski, R. P.; Selvarasah, S.; Dokmeci, M. R.; Pramanik, C.; McGruer, N. E.; Miller, G. P. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16274. Introducción 11 Esquema 1. Degradación del pentaceno. En general, los HPAs son moléculas planas y rígidas. Sin embargo la energía involucrada en su torsión es relativamente pequeña. Conceptualmente la manera más simple para deformar un HPA es añadir al núcleo aromático varios grupos voluminosos en posiciones próximas. La fusión de anillos bencénicos en determinadas posiciones es otra estrategia efectiva para inducir la torsión en una estructura plana. Los helicenos son un ejemplo significativo de HPAs no planos formados mediante la condensación de anillos bencénicos en orto (figura 9).11 Presentan geometría helicoidal debido a la congestión estérica que se produce entre los anillos terminales y/o los sustituyentes existentes en ellos. Estas moléculas son por ello quirales y, dependiendo de la barrera de razemización, se pueden llegar a resolver sus correspondientes enatiómeros.12 Figura 9. Estructura general de los helicenos y estructura del [5]heliceno. Normalmente los acenos son moléculas planas. Sin embargo, como se comentó anteriormente la modificación de la periferia mediante la fusión anillos bencénicos o la incorporación de grupos voluminosos, puede inducir la torsión 11 a) Schmuck, C. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 2448; b) Urbano, A. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 3986. 12 Katzenelson, O.; Edelstein, J.; Avnir, D. Tetrahedron: Asymmetry 2000, 11, 2695. Introducción 18 Por otro lado, Müllen y colaboradores han descrito la preparación de un tipo de nanografenos que, por su morfología, se ha denominado nanocintas de grafeno (graphene nanoribbons, GNR).34 Las nanocintas 12 se prepararon en superficie mediante un proceso de polimerización del monómero dibromado 10 depositado sobre un sustrato de Au(111), seguido de la correspondiente policiclodeshidrogenación del polímero 11 (esquema 2). Como cabría esperar, estas cintas de grafeno son extremadamente insolubles en todo tipo de disolventes orgánicos, dificultando de forma significativa su manipulación. Del mismo modo, la evaporación térmica de estas moléculas es extremadamente complicada debido a su enorme tamaño. Por ello, la síntesis en superficie se convierte en una buena alternativa para la obtención ascendente de nanografenos. Esquema 2 Cintas de grafeno de varios nanómetros, que pudieron ser estudiadas mediante el microscopio de efecto túnel (Scanning Tunneling Microscope, STM) (figura 16).35 34 a) Dössel, L.; Gherghel, L.; Feng, X.; Müllen, K. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2540; b) Yang, X.; Dou, X.; Rouhanipour, A.; Zhi, L.; Räder, H. J.; Müllen, K. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 4216. 35 Cai, J.; Ruffieux, P.; Jaafar, R.; Bieri, M.; Braun, T.; Blankenburg, S.; Muoth, M.; Seitsonen, A. P.; Saleh, M.; Feng, X.; Müllen, K.; Fasel, R. Nature 2010, 466, 470. Introducción 19 Figura 16. Nanocintas de grafeno sintetizadas por el grupo Müllen y sus correspondientes imágenes obtenidas mediante STM. Se considera que los HPAs de tamaño nanométrico con morfologías y periferias controladas tienen un gran potencial para el desarrollo de la electrónica molecular. En este contexto, el uso de la química orgánica en general y la química de los arinos en particular, pueden proporcionar herramientas sintéticas claves para la preparación ascendente de estos nanografenos. Introducción 20 2. Arinos Los arinos36 son intermedios de reacción neutros, que pueden considerarse derivados de sistemas aromáticos por pérdida formal de dos sustituyentes mediante ruptura homolítica de sus enlaces, permaneciendo dos electrones distribuidos en dos orbitales.37 El miembro principal de este grupo de compuestos es el o-bencino o 1,2-dideshidrobenceno (13), derivado de la pérdida de dos sustituyentes vecinales en el anillo bencénico. Aunque la mayoría de arinos descritos presentan los orbitales reactivos en posición relativa orto, se postula también la existencia de isómeros en meta y para, el mbencino (14) y el p-bencino (15) respectivamente. Figura 17. Representaciones del o-, my p-bencino. La existencia del o-bencino como intermedio de reacción fue sugerida por Clarke en 1927,38 y Wittig en 1942.39 En 1953, Roberts confirmó de forma inequívoca la existencia del bencino como intermedio de reacción con un experimento clásico de marcaje isotópico con 14C.40 El bencino, y en general los arinos, se caracterizan por poseer una reactividad extrema y unos tiempos de vida media muy cortos en disolución, lo que dificulta su estudio experimental. Sin embargo, pese a estas limitaciones, se ha podido estudiar la naturaleza del bencino obteniéndose su potencial de ionización,41 el espectro de UV y de masas en fase gas,42 así como el espectro de IR, aunque con cierta controversia en lo concerniente a la banda del triple enlace C-C. 36 a) Hoffmann, R. W. Dehydrobenzene and Cycloalkynes, Academic Press, New York, 1967; b) Heaney, H. Chem. Rev. 1962, 62, 81. 37 Para revisiones actuales de química de arinos: a) Wenk, H. H.; Winkler, M.; Sander, W. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 502; b) Pellissier, H.; Santelli, M. Tetrahedron 2003, 59, 701; c) Sanz, R. Org. Prep. Proc. Int. 2008, 40, 215; d) Wentrup, C. Aust. J. Chem. 2010, 63, 979; e) Tadross, P. M.; Stoltz, B. M. Chem. Rev. 2012, 112, 3550; f) Bhunia, A.; Yetra, S. R.; Biju, A. T. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 3140; g) Gampe, C. M.; Carreira, E. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 3766. 38 Bachman, W.E.; Clarke, H. T. J. Am. Chem. Soc. 1927, 49, 2089. 39 a) Wittig, G.; Naturwissenschaften 1942, 30, 696; b) Wittig, G.; Harborth, G. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1944, 77, 306, 316; c) Wittig, G.; Pohmer, L. Chem. Ber. 1956, 89, 1334. 40 a) Roberts, J. D.; Simmons, H. E. Jr.; Carlsmith, L. A.; Vaughan, C. W. J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 3290; b) Roberts, J. D.; Semenow, D. A.; Simmons, H. E.; Carlsmith, L. A. J. Am. Chem. Soc. 1956, 78, 601. 41 Fisher, I. P.; Lossing, F. P J. Am. Chem. Soc. 1963, 85, 1018. 42 a) Berry, R. S.; Clardy, J.; Schafer, M. E. J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 2738; b) Berry, R. S.; Spokes, G. N.; Stiles, M. J. Am. Chem. Soc. 1962, 84, 3570. Introducción 21 Finalmente, Radziszewski pudo asignar la vibración de ese triple enlace a una banda a 1846 cm-1,43 frente la absorbancia a 2150 cm-1 propuesta en estudios previos.44 Este valor implica que el triple enlace en el bencino es más débil que en un alquino no tensionado (2040 cm-1). A partir de estos datos, la distancia experimental para el triple enlace C-C en el bencino es de 124 pm, más próxima a la típica distancia para un enlace triple C-C (120 pm en el acetileno), que a la de un enlace doble C-C (133 pm en el etileno). Cabe destacar el trabajo de Warmuth, quien aisló el o-bencino en la cavidad de un hemicarcerando, lo que le permitió realizar el espectro de RMN de 1H y 13C en disolución.45 El o-bencino ha sido objeto de numerosos estudios teóricos, cuyas conclusiones coinciden básicamente con los datos experimentales. Concretamente, sugieren que en el o-bencino la forma resonante predominante contiene un triple enlace, existiendo cierto carácter de birradical46 y cumulénico.45a Para los análogos heterocíclicos se han obtenido conclusiones similares.47 Cálculos teóricos de los orbitales frontera del bencino han determinado un valor de la energía del HOMO similar al de alquinos no tensionados con grupos dadores de carga como el dimetilacetileno. Sin embargo, el valor de la energía del LUMO es sensiblemente inferior incluso al de un alquino con grupos fuertemente atractores de carga como el acetilendicarboxilato de dimetilo (DMAD), probablemente debido a la gran distorsión de la linealidad en el triple enlace. Esta baja energía del LUMO le confiere a los arinos un fuerte carácter electrófilo y dienófilo.48 43 Radziszewski, J. G.; Hess, B. A. J.; Zahradnik, R. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 52. 44 a) Chapman, O. L.; Mattes, K.; McIntosh, C. L.; Pacansky, J.; Calder, G. V.; Orr, G. J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 6134; b) Chapman, O. L.; Chang, C. C.; Kolc, J.; Rosenquist, N. R.; Tomioka, H. J. Am. Chem. Soc. 1975, 97, 6586. 45 a) Warmuth, R. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 1347; b) Warmuth, R. Eur. J. Org. Chem. 2001, 423. 46 a) Maurin, P.; Ibrahim-Ouali, M.; Parrain, J. L.; Santelli, M. J. Mol. Struct. (Theochem) 2003, 637, 91; b) Price, J. M.; Nizzi, K. E.; Campbell, J. L.; Kenttämaa, H. I.; Seierstad, M.; Cramer, C. J. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 131; c) Nelson, E. D.; Artau, A.; Price, J. M.; Tichy, S. E.; Jing, L.; Kenttämaa, H. I. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 10155; d) Clark, A. E.; Davidson, E. R. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 10691. 47 a) Gozzo, F. C.; Eberlin, M. N. J. Org. Chem. 1999, 64, 2188; b) Langenaeker, W.; De Proft, F.; Geerlings, P. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 5944. 48 a) Rondan, G.; Domelsmith, L. N.; Houk, K. N.; Bowne, A. T.; Levin, R. H. Tetrahedron 1979, 35, 3237; b) Domingo, L. R.; Pérez, P.; Contreras, R. Eur. J. Org. Chem. 2006, 2, 498. Introducción 22 2.1. Generación de arinos Los arinos son especies de vida corta, por lo que deben ser generados in situ. Existen numerosos procedimientos para la generación de arinos, los cuales implican diferentes tipos de precursores y variadas condiciones de reacción. El esquema 3 muestra los procedimientos que han sido utilizados con mayor frecuencia para la generación del bencino.37e Esquema 3. Métodos de generación de arinos. 2.1.1. Métodos de generación de arinos con bases fuertes o metales Los organolíticos o los magnesianos se emplean para desprotonar o para producir un intercambio halógeno-metal en halobencenos o en o37e Tadross, P. M.; Stoltz, B. M. Chem. Rev. 2012, 112, 3550. Introducción 23 dihalobencenos.49 A continuación, el anión arílico intermedio 30, experimenta la eliminación un grupo saliente X-, como un haluro o un triflato, estes últimos fácilmente accesibles a partir de los correspondientes fenoles (esquema 4). La limitación más importante de este método es que los sustratos de reacción deben tolerar a las bases fuertes empleadas. A pesar de ello, este método de generación de arinos ha sido utilizado extensamente, debido a la gran disponibilidad de los precursores requeridos. Esquema 4 2.1.2. Métodos de generación de arinos mediante termólisis o fotólisis Uno de los precursores de bencino más empleados durante el siglo XX es el 2carboxilato de bencenodiazonio (24), que se obtiene mediante el tratamiento de ácido antranílico con nitrito de isoamilo.50 La sal de diazonio 24 se descompone en disolventes orgánicos a una temperatura relativamente baja (40 ºC) mediante la pérdida de CO2 y N2. Es precisamente su facilidad para descomponerse lo que lo convierte en un precursor relativamente peligroso, con cierto carácter explosivo por fricción o calentamiento. Esquema 5 La sal 25 (esquema 3) presenta un comportamiento similar.51 Una alternativa más segura consiste en el uso del 2-carboxilato de difenilyodonio (26), un 49 a) Wotiz, J. H.; Huba, F. J. Org. Chem. 1959, 24, 595; b) Bachelet, J. P.; Caubère, P. J. Org. Chem. 1982, 47, 234; c) Matsumoto, T.; Hosoya, T.; Katsuki, M.; Suzuki, K. Tetrahedron Lett. 1991, 32, 6735; d) Hosoya, T.; Hasegawa, T.; Kuriyama, Y.; Matsumoto, T.; Suzuki, K. Synlett 1995, 177. 50 Friedman, L.; Logullo, F. M. J. Am. Chem. Soc. 1963, 85, 1549. 51 a) Cava, M. P.; Mitchell, M. J.; en Selected Experiments in Organic Chemistry; Benjamin: New York, 1966; pag. 93; b) Hart, H.; Oku, A. J. Org. Chem. 1972, 37, 4269. Introducción 24 compuestos más estable que requiere temperaturas elevadas (220 ºC) para su descomposición.52 La fragmentación de anhídridos como 27 (esquema 3) requiere una energía considerable, bien por calentamiento en fase gas o mediante un proceso fotoquímico. Recientemente, se ha descrito la descomposición térmica asistida por microondas del compuesto 27 depositado sobre grafito, lo que permitió la utilización de temperaturas y tiempos menores de reacción.53 2.1.3. Métodos de generación de arinos mediante empleo de oxidantes El 1-aminobenzotriazol (29) se ha empleado para la obtención de bencino por tratamiento con un oxidante como el tetraacetato de plomo (esquema 6).54 A partir de este 1-aminobenzotriazol (29) se genera un nitreno intermedio 31 que evoluciona con la pérdida de dos moléculas de N2, obteniéndose el bencino de manera eficiente. Sin embargo, uno de los principales inconvenientes de este método es la dificultad para acceder a precursores sustituidos, junto con la presencia en el medio de reacción de un oxidante. Esquema 6 2.1.4. Métodos de generación de arinos mediante descomposición inducida por fluoruro En 1983 Kobayashi55 describió un método de generación de bencino en unas condiciones realmente suaves, en ausencia de bases fuertes o agentes oxidantes, a partir del triflato de o-(trimetilsilil)fenilo (20), por tratamiento con una fuente de fluoruro (esquema 7). Posiblemente, el átomo de silicio sufre el ataque del ión fluoruro seguido de la eliminación del grupo triflato, generándose así el bencino. 52 Fieser, L. F.; Haddadin, M. J. Org. Synth. 1966, 46, 107. 53 Cho, H. Y.; Ajaz, A.; Prashant, D. H.; Waske, A.; Johnson, R. P. J. Org. Chem. 2009, 74, 4137. 54 Campbell, C. D.; Rees, C. W. J. Chem. Soc. C. 1969, 5, 742. 55 Himeshima, Y.; Sonoda, T.; Kobayashi, H. Chem. Lett. 1983,1211. Introducción 25 La introducción de este método supuso una gran aportación al uso del bencino en la síntesis orgánica, dada la alta compatibilidad de las condiciones de generación con la mayoría de grupos funcionales. Cabe destacar que en esta metodología la velocidad de generación del arino se puede modular mediante la elección del disolvente, la temperatura de reacción, la fuente de fluoruro o la adición de aditivos como un éter corona. Por todo ello, este método y alguna de sus variantes se han convertido en los más usados en la química de arinos en los últimos años.56 Esquema 7 Por otro lado, esta metodología puede extenderse a la generación de bencinos sustituidos o de arinos de mayor tamaño. Habitualmente se parte del correspondiente fenol, que se somete a un proceso de O-sililación, metalación en orto seguida de una migración tipo retro-Brook y esterificación del fenóxido resultante con anhídrido tríflico.57 Sin embargo a medida que aumenta la complejidad estructural de los precursores, mayores son las dificultades sintéticas para la preparación de los mismos.58 Recientemente el grupo de Harrity ha descrito un nuevo método de generación de arinos por tratamiento de 2-(trimetilsilil)yodoarenos 35 con AgF/CsF (esquema 8).59 A su vez, estos compuestos se obtienen de forma sencilla, mediante una secuencia que implica una reacción de Diels-Alder entre una pirona 33 y un alquino 34, seguida de una reacción retro-Diels-Alder con pérdida de CO2. En el caso descrito en el esquema 8, la generación del arino se demostró mediante su atrapado con furano (37). 56 Kitamura, T. Aust. J. Chem. 2010, 63, 987. 57 Peña, D.; Cobas, A.; Perez, D.; Guitián, E. Synthesis 2002, 1454. 58 Romero, C.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E. Chem. Eur. J. 2006, 12, 5677. 59 Crossley, J. A.; Kirkham, J. D.; Browne, D. L.; Harrity, J. P. A. Tetrahedron Lett. 2010, 51, 6608. Introducción 26 Esquema 8 Además de los métodos mencionados en los apartados anteriores, que requieren un derivado bencénico como precursor, se ha descrito la generación de intermedios arínicos mediante reacción hexadeshidro Diels-Alder intramolecular de un 1,3-diino con un alquino. Esta transformación, ya descrita a finales de los 90 por Johnson y redescubierta en 2012 por Hoye, permite explorar nuevas aplicaciones sintéticas de estos intermedios reactivos.60 Esquema 9 2.2. Reactividad de arinos Los arinos son extremadamente reactivos comportándose como especies con marcado carácter electrófilo y dienófilo. La reactividad de estas especies está básicamente dominada por las adiciones nucleófilas al triple enlace, así como por su participación en reacciones de cicloadición, particularmente en reacciones de Diels-Alder. Por otro lado, las cicloadiciones (2+2) y las adiciones 1,3-dipolares han encontrado recientemente interesantes aplicaciones sintéticas. También cabe mencionar que en los últimos años han cobrado importancia las reacciones de inserción de arinos en enlaces sigma y las reacciones multicomponente debido a sus aplicaciones en la síntesis de productos naturales. Estos avances han sido posibles, en gran parte, gracias a la versatilidad del método descrito por Kobayashi (método 2.1.4).37e,f 60 a) Bradley, A. Z.; Johnson, R. P. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 9917; b) Hoye, T. R.; Baire, B.; Niu, D.; Willoughby, P. H.; Woods, B. P. Nature 2012, 490, 208. 37e Tadross, P. M.; Stoltz, B. M. Chem. Rev. 2012, 112, 3550. 37f Bhunia, A.; Yetra, S. R.; Biju, A. T. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 3140. Introducción 27 2.2.1. Cicloadiciones (4+2) Se han descrito reacciones de arinos con dienos de diferente naturaleza, desde heterociclopentadienos a derivados aromáticos, teóricamente poco reactivos frente a dienófilos. La cicloadición (4+2) es, probablemente, la reacción más importante en la química de arinos. Los arinos se caracterizan por poseer un orbital LUMO de baja energía, por lo que la reacción de cicloadición (4+2) está controlada por la interacción del LUMO del arino con el HOMO del dieno. Por tanto, en el estado de transición debe producirse un solapamiento eficaz entre los orbitales del triple enlace formal del bencino, situados en el plano del anillo aromático, y los lóbulos terminales del sistema  del dieno. La cicloadición entre arinos y dienos cíclicos es particularmente favorable, especialmente en el caso de ciclos de cinco miembros como las mostradas en el esquema 10. Esquema 10 Se han estudiado ampliamente las reacciones con heterociclos y es bien conocida la gran eficiencia en la reacción con furano (37) y sus derivados con Introducción 34 Esquema 20 2.2.5. Inserciones Las inserciones de arinos en enlaces sigma resultan interesantes, tanto desde un punto de vista teórico como sintético. El proceso se inicia con el ataque de un centro nucleófílico de una molécula sobre el bencino para generar un intermedio zwiteriónico (85, esquema 21). A continuación, se produce el ataque intramolecular del carbanión generado a un centro electrófílico E, con rotura del enlace que une ambas unidades (Nu-E). El resultado global es la inserción del bencino en el enlace Nu-E, dando lugar a un areno orto disustituido. Los arinos dan lugar con facilidad a inserciones en enlaces sigma de diversos sistemas. Este comportamiento hace que las inserciones en arinos sean una herramienta única para la funcionalización de arenos. Introducción 35 Esquema 21 Aunque durante el siglo XX se habían descrito las inserciones de arinos en enlaces P-P, O-C, O-B, Cl-Sn, I-I, Se-Se, C-C, C-Si o S-S, su utilidad era limitada dados los bajos rendimientos, la formación de complejas mezclas de reacción, las drásticas condiciones de reacción o la limitación del acceso a precursores de arinos funcionalizados.87 La generación de arinos en a partir de triflatos de o-(trimetilsilil)arilo provocó el desarrollo de este tipo de reacciones de inserción de arinos en una amplia variedad de enlaces, con buenos rendimientos. Por ejemplo, en 2002 Hiyama y colaboradores describieron la inserción de arinos en el enlace N-CO de ureas acíclicas (87, esquema 22). De este modo se consigue la introducción de dos grupos funcionales en posiciones adyacentes en el areno, obteniéndose 2-aminobenzamidas 88. Cuando la urea forma parte de un anillo de cinco miembros, la reacción da lugar a la obtención de benzodiazepinas.88 Esquema 22 Posteriormente, el grupo de Stoltz describió la primera inserción de un arino en un enlace C-C de malonatos 89, para generar diésteres 90.89 La extensión de esta metodología a sistemas más complejos, permitió el acceso de forma convergente y enantioselectiva a la (+)-amurensinina, un alcaloide con actividad biológica en el tratamiento de desordenes neuronales como el Parkinson o el Alzheimer.90 También permitió el acceso a la (-)-curvularina, un macrociclo benzoanulado natural con creciente interés debido a su potencial terapéutico y aplicaciones agroquímicas.91 87 Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E. Angew. Chem. Inter. Ed. 2006, 45, 3579. 88 Yoshida, H.; Shirakawa, E.; Honda, Y.; Hiyama, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 3247. 89 Tambar, U. K.; Stoltz, B. M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 5340. 90 Tambar, U. K.; Ebner, D. C.; Stoltz, B. M. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 11752. 91 Tadross, P. M.; Virgil, S. C.; Stoltz, B. M. Org. Lett. 2010, 12, 1612. Introducción 36 Esquema 23 2.2.6. Química organometálica de arinos 2.2.6.1. Complejos metal-arino Existen numerosos ejemplos de estabilización de intermedios reactivos por complejación con metales de transición. Este es el caso de los complejos metal-arino, donde la coordinación del triple enlace induce una distorsión de la linealidad con la que se libera parte de su tensión. En las últimas décadas, se han descrito complejos de bencino y de cicloalquinos de tamaño medio con distintos fragmentos metálicos.92 La coordinación del bencino al núcleo metálico se puede describir mediante dos formas resonantes extremas representadas por un complejo  (91, esquema 24) o por un metalaciclopropeno (92). La prevalencia de una u otra forma resonante depende en gran medida de la naturaleza del metal y de los ligandos, así como de las características de los arinos. En general, se considera que la contribución de la forma resonante 92 es más importante para complejos de los metales de los primeros grupos de transición (por ejemplo, Zr), mientras que para los metales de los últimos grupos (por ejemplo, Ni) predomina la forma 91. 92 a) Buchwald, S. L.; Nielsen, R. B. Chem. Rev. 1988, 88, 1047; b) Bennett, M. A. Pure Appl. Chem. 1989, 61, 1695; c) Bennett, M. A.; Schwemlein, H. P. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1989, 28, 1296. d) Buchwald, S. L.; Broene, R. D. Transition Metal Alkyne Complexes: ZirconiumBenzyne Complexes en Comprehensive Organometallic Chemistry II; Abel, E. W., Stone, F. G. A., Wilkinson, G. (Eds.); Hegedus, L. H. (Ed.); Pergamon: Oxford, 1995; Vol. 12, pag. 771. e) Bennett, M. A.; Wenger, E. Chem. Ber./Recueil 1997, 130, 1029; f) Jones, W. M.; Klosin, J. Transition-Metal Complexes of Arynes, Strained Cyclic Alkynes and Strained Cyclic Cumulenes en Advances in Organometallic Chemistry; Stones, F. G. A.; West, R. (Eds.); Academic Press: San Diego, 1998; Vol. 42, pág. 740. Introducción 37 Esquema 24 En algunas reacciones organometálicas se ha postulado la formación de complejos arino-metal como intermedios. Esta hipótesis mecanística recibió un fuerte apoyo en 1979 con el aislamiento de un complejo bencino-talio y su caracterización estructural por difraccion de rayos X.93 Posteriormente, se han descrito complejos del bencino con diferentes metales de transición como Zr o Ti, siendo destacables los preparados por Buchwald y colaboradores.94 La química de los complejos metal-arino se ha desarrollado también de forma importante a partir de metales de los grupos 8 y 10, en gran parte gracias a los esfuerzos del grupo de Bennett y colaboradores.95 Estos complejos se han mostrado muy reactivos tanto con nucleófilos (aminas, alcoholes, agua) como frente a electrófilos como el yodo molecular. Además experimentan inserciones de especies insaturadas como CO, alquenos y alquinos. 2.2.6.2. Cicloadiciones (2+2+2) catalizadas por metales de transición Los alquinos participan en un gran número de transformaciones de utilidad sintética catalizadas por metales de transición. Sin embargo, hasta fechas recientes no se conocían transformaciones análogas en las que intervinieran arinos. Probablemente, esto es debido a las dificultades asociadas con el tiempo de vida corto de estos intermedios de reacción, y a que muchos de los métodos de generación de arinos son incompatibles con las condiciones experimentales requeridas en el manejo de metales de transición. Sin embargo, en 1998 nuestro grupo de investigación describió la participación del bencino (13) y derivados funcionalizados en reacciones de cicloadición (2+2+2) catalizadas por complejos de paladio para obtener trifenilenos.96 Concretamente, el triflato de o-(trimetilsilil)fenilo (20) por tratamiento con CsF en presencia de un 10% mol de Pd(PPh3)4 condujo a la formación del trifenileno 93 McLain, S. J.; Schrock, R. R.; Sharp, P. R.; Churchill, M. R.; Youngs, W. J. J. Am. Chem. Soc. 1979,101, 263. 94 a) Buchwald, S. L.; Watson, B. L.; Huffmann, J. C. J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 7411; b) Arnold, J.; Wilkinson, G.; Hussain, B.; Hursthouse, M. B. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1988, 704; c) Campora, J.; Buchwald, S. L. Organometallics 1993, 12, 4182. 95 a) Bennett, M. A. Pure Appl. Chem. 1989, 61, 1695; b) Bennett, M. A.; Schwemlein, H. P. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1989, 28, 1296. 96 Peña, D.; Escudero, S.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 2659. Introducción 38 (95, esquema 25) producto de la cicloadición (2+2+2) del bencino, con un 80% de rendimiento. Esquema 25 También se comprobó que se puede realizar la cocicloadicion (2+2+2) intermolecular con alquinos deficientes en electrones, en un proceso donde la quimioselectividad depende del ligando empleado en el catalizador de paladio (esquema 25). Concretamente, el uso de trifenilfosfina (PPh3) condujo a la formación mayoritaria del fenantreno 94 mientras que el empleo de dibencilidenacetona (dba) como ligando condujo a la formación predominante del naftaleno 93.97 A diferencia del dba, la trifenilfosfina es un ligando que se coordina fuertemente al paladio, lo que probablemente dificulte la coordinación de una segunda molécula de alquino (esquema 26). 97 Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 5827. Introducción 39 Esquema 26 Esta metodología de trimerización se ha extendido a arinos policíclicos, convirtiéndose en una valiosa herramienta para la síntesis de HPAs extensos y/o de estructura compleja.98,58 Por otro lado, estos trabajos de nuestro grupo de investigación inspiraron el desarrollo de reacciones catalizadas por metales de transición en las que participan otros sistemas insaturados como alquenos,99 alenos100 o CO. Un ejemplo interesante es el descrito por el grupo de Xie, donde los arinos participan en cicloadiciones (2+2+2) de tres componentes junto con alquenos y alquinos no activados, empleando cantidades catalíticas de níquel (esquema 27). Ese trabajo constituye una ruta eficiente para la síntesis de 1,2dihidronaftalenos a partir de compuestos comerciales.101 98 a) Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. Org. Lett. 1999, 1, 1555; b) Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. J. Org. Chem. 2000, 65, 6944; c) Peña, D.; Cobas, A.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. Org. Lett. 2003, 5, 1863; d) Iglesias, B.; Cobas, A.; Pérez, D.; Guitián, E.; Vollhardt, K. P. C. Org. Lett. 2004, 6, 3557; e) Caeiro, J.; Peña, D.; Cobas, A.; Pérez, D.; Guitián, E. Adv. Synth. Catal. 2006, 348, 2466; f) Romero, C.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E. J. Org. Chem. 2008, 73, 7996. 58 Romero, C.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E. Chem. Eur. J. 2006, 12, 5677. 99 a) Jayanth, T. T.; Jeganmohan, M.; Cheng, C. J. Org. Chem. 2004, 69, 8445; b) Quintana, I.; Boersma, A. J.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E. Org. Lett. 2006, 8, 3347. 100 Hsieh, J.; Rayabarapu, D. K.; Cheng, C. Chem. Commun. 2004, 532. 101 Qiu, Z.; Xie, Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 5729. Introducción 40 Esquema 27 Introducción 41 3. Los arinos en la síntesis de HPAs y derivados Como se comentó en el apartado 1, el interés por los HPAs y sus derivados ha crecido de forma importante en los últimos años, debido principalmente a sus interesantes propiedades optoelectrónicas y su potencial uso en ciencia de materiales.102 Por lo tanto, la síntesis controlada de sistemas policíclicos aromáticos y el acceso a derivados funcionalizados complejos es un reto importante en la química actual. Algunas de las estrategias sintéticas más comunes para el acceso a HPAs implican la termólisis de precursores apropiados, las fotociclaciones oxidativas, las reacciones de cicloadición o los acoplamientos cruzados catalizados por metales.103 Debido a su elevada reactividad y a su versatilidad sintética, los arinos han sido extensamente empleados en la obtención de sistemas poliaromáticos complejos.104 La participación de estas especies en reacciones de cicloadición conlleva la incorporación de unidades bencénicas mediante la formación de al menos dos enlaces C-C en una sola etapa, convirtiéndola en una estrategia sintética eficiente. A continuación, indicaremos algunos de los ejemplos más representativos de síntesis de HPAs y derivados mediante la química de los arinos. 3.1. Cicloadiciones (4+2) Desde los años sesenta se han descrito reacciones de cicloadición (4+2) entre arinos y vinilarenos. La aromatización de los productos de cicloadición parcialmente hidrogenado puede ser promovida por un exceso de arino o mediante la adición de un agente oxidante como DDQ. Mediante esta metodología se ha accedido a moléculas aromáticas como el fenantreno, el criseno o el piceno.105 Por ejemplo, Minuti y colaboradores llevaron a cabo la síntesis de helicenos mediante una reacción de cicloadición (4+2) del dihidrofenatreno 99 con bencino (13). Esta reacción dio lugar a la formación de los pentahelicenoshelicenos 5 y 100 en una relación 1.5:1. Cabe indicar que el 102 Wu, J.; Pisula, W.; Müllen, K. Chem. Rev. 2007, 107, 718. 103 a) Harvey, R. G. Curr. Org. Chem. 2004, 8, 303; b) Feng, X.; W. Pisula, Müllen, K. Pure Appl. Chem. 2009, 81, 2203; c) Zhang, H.; Wu, D.; Hua, S.; Liu, H.; Yin, J. Curr. Org. Chem. 2012, 16, 2124. 104 Pérez, D.; Peña, D.; Guitián, E. Eur. J. Org. Chem. 2013, 2013, 5981. 105 a) Corbett, T. G.; Porter, Q. N. Aust. J. Chem. 1965, 18, 1781; b) Minuti, L.; Taticchi, A.; Marrocchi, A.; Gacs-Baitz, E.; Marrocchi, A. Tetrahedron 1998, 54, 10891. Introducción 42 compuesto 100 resulta de una reacción énica del cicloaducto intermedio con el bencino, seguida de aromatizaron por tratamiento con DDQ.106 Esquema 28 En búsqueda de dienos más reactivos, Olofson describió una variante de la reacción de Fleming y Mah,107 en la que se genera un dieno exocíclico 103 a partir del fenantrociclobutenol 101 por tratamiento con LTMP (esquema 29). A su vez, el bencino se genera a partir de clorobenceno (104) por tratamiento con el propio LTMP y reacciona con el dieno 103 mediante una reacción de cicloadición (4+2), dando lugar a la formación de 105. Un proceso final de deshidratación conduce al benzo[f]tetrafeno (106) con un rendimiento del 56%.108 Esquema 29 106 Minuti, L.; Taticchi, A.; Marrocchi, A.; Gacs-Baitz, E.; Galeazzi, E. Eur. J. Org. Chem. 1999, 11, 3155. 107 Fleming, I.; Mah, T. J. Chem. Soc. Perkin Trans. I 1975, 964. 108 Fitzgerald, J. J.; Drysdale, N. E.; Olofson, R. A. J. Org. Chem. 1992, 57, 7122. Introducción 43 El uso de dienos carbo y heterocíclicos de cinco miembros ha sido una de las estrategias más empleadas para la obtención de compuestos policíclicos aromáticos, mediante una reacción de Diels-Alder con arinos y posterior extrusión de una molécula neutra o desoxigenación de los aductos formados. Entre los dienos heterocíclicos más utilizados se encuentran los isobenzofuranos, que son especies inestables si no cuentan con grupos voluminosos en posiciones adyacentes al oxígeno. Los primeros ejemplos en los que participaban nafto[1,2-c]furanos 1,3-disustituidos y arinos fueron descritos por Rickborn y Pollart.109 Concretamente, la reacción de cicloadición (4+2) entre 1,3- (bistrimetilsilil)isobenzofurano (107) y 1,2-dideshidroantraceno (109), generado a partir del 1-cloroantraceno (108), condujo a la formación del aducto oxigenado 110 con buen rendimiento (esquema 30). El tratamiento de este aducto con Zn en ácido acético a reflujo, condujo a la formación del pentafeno (111) con un buen rendimiento.110 . Esquema 30 La funcionalización de las posiciones 1 y 3 de isobenzofuranos con sustituyentes voluminosos da lugar a la formación de cicloaductos con cierta congestión estérica, lo cual se ha utilizado como estrategia habitual para la construcción de moléculas torsionadas.14 La torsión en estructuras aromáticas 109 Pollart, D. J.; Rickborn, B. J. Org. Chem. 1986, 51, 3155. 110 Camenzind, R.; Rickborn, B. J. Org. Chem. 1986, 51, 1914. 14 Pascal Jr., R. A. Chem. Rev. 2006, 106, 4809. Introducción 50 centros estereogénicos adyacentes con un control total de la estereoquímica relativa (esquema 36), ya que se observa la formación de un único estereoisómero, el aducto exo,exo.122 Concretamente, la reacción entre el 9,10fenantrino (139) generado a partir del precursor 138, con el 1,8-difurilnaftaleno (137) condujo a la formación del aducto 140 que, tras una cicloadición (4+2) intramolecular, dio lugar a la obtención del aducto exo,exo 141 con un rendimiento del 53%. Posteriormente, tras un tratamiento con HCl en etanol, se obtuvo el fenantro[9,10-a]perileno (142) con un 83% de rendimiento. Esquema 36 Curiosamente, la exposición del tribenzopentaheliceno 142 en disolución a condiciones ambientales condujo a la formación del dibenzo[cd,n]nafto[3,2,1,8pqra]perileno (143) de manera cuantitativa. Aparentemente, la formación de este compuesto tiene lugar a través de una fotociclodeshidrogenación espontánea. Normalmente las reacciones de ciclodeshidrogenación de pentahelicenos necesitan condiciones drásticas de reacción, como radiación ultravioleta prolongada, oxidantes fuertes o pirólisis flash a vacío (FVP).123 En este caso los tres anillos de benceno fusionados a la subunidad de pentaheliceno en el compuesto 142 favorecen la tendencia a la planaridad de la 122 En la nomenclatura exo,exo empleada, el primer prefijo exo hace referencia a la cara del alqueno bicíclico intermedio 140 que reacciona en la cicloadición intramolecular, y el segundo prefijo exo hace referencia a la aproximación del dieno en dicho intermedio. 123 Xue, X.; Scott, L. T. Org. Lett. 2007, 9, 3937. Introducción 51 molécula, y pueden ser el motivo estructural clave para que esta ciclodeshidrogenación se produzca de forma espontánea. El poliareno 143 fue objeto de estudio mediante NC-AFM por Gross y colaboradores en los laboratorios IBM de Zurich, obteniendo imágenes de moléculas individuales con resolución atómica (figura 18). De hecho, se pudieron detectar sutiles diferencias en la densidad de carga y en la longitud de los distintos enlaces C-C internos en la molécula 143, lo que se relacionó con los diferentes órdenes de enlace.124 Figura 18. Imagen de AFM de 143 sobre una bicapa de NaCl depositado sobre Cu (111), empleando una punta de la sonda funcionalizada con CO, en condiciones de ultralto vacío y 5K. 3.2. Cicloadiciones (2+2+2) Los arinos pueden participar en reacciones de cicloadición (2+2+2) catalizadas por complejos de metales de transición como el paladio.96,97 Este tipo de reacciones se ha convertido en una poderosa herramienta para la obtención de HPAs cata-condensados complejos, muy difíciles de obtener mediante otras metodologías. Así, haciendo uso de esta química, en nuestro grupo se han preparado diversos poliarenos mediante reacciones de cotrimerización de arinos policíclicos.98 124 Gross, L.; Mohn, F.; Moll, N.; Schuler, B.; Criado, A.; Guitián, E.; Peña, D.; Gourdon, A.; Meyer, G. Science 2012, 337, 1326. 96 Peña, D.; Escudero, S.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 2659. 97 Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 5827. 98 a) Peña, D.; Cobas, A.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. Org. Lett. 2003, 5, 1863; b) Romero, C.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E. J. Org. Chem. 2008, 73, 7996; c) Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. Org. Lett. 1999, 1, 1555; d) Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. J. Org. Chem. 2000, 65, 6944; e) Caeiro, J.; Peña, D.; Cobas, A.; Pérez, D.; Guitián, E. Adv. Synth. Catal. 2006, 348, 2466. Introducción 52 Por ejemplo, en nuestro grupo de investigación se han preparado mediante esta metodología los compuestos 146a,b con rendimientos del 28 y 18% respectivamente, partiendo de los triflatos de o-(trimetilsilil)trifenilenilo 144a,b (esquema 37).58 La solubilidad del hexabenzo[7]estarfeno funcionalizado 146b es superior a la de su análogo sin cadenas alcoxílicas 146a, lo que ha facilitado su manipulación y caracterización. Este tipo de compuestos han demostrado tener interesantes propiedades mesomórficas y electrónicas.125 Por otro lado, la presencia del alquino DMAD en el medio de reacción dio lugar a la formación de los tetrabenzo[a,c,m,o]pentafenos 148a y 148b con rendimientos del 56% y el 65% respectivamente. También se demostró que es posible llevar a cabo cicloadiciones (2+2+2) con dos arinos diferentes generados en el medio de reacción. La reacción entre el 2,3-trifenilino sustituido 145b y el bencino (13), en presencia de cantidades catalíticas de Pd(PPh3)4, condujo a la formación del pentabenzo[a,c,h,m,o]pentafeno 147b con un rendimiento del 9%. Este poliareno de diez anillos cata-fusionados es producto de una cicloadición (2+2+2) entre dos unidades de trifenilino y una de bencino. Cabe indicar que las estructuras derivadas de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafeno obtenidas mediante esta metodología han demostrado tener interesantes propiedades como cristales líquidos en un amplio rango de temperaturas, formando mesofases columnares hexagonales. También han mostrado propiedades gelantes y de agregación en disolución debido a la gran tendencia de este núcleo aromático al autoensambleje mediante interacciones - intermoleculares.126 58 Romero, C.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E. Chem. Eur. J. 2006, 12, 5677. 125 Yatabe, T.; Harbison, M. A.; Brand, J. D.; Wagner, M.; Müllen, K.; Samorí, P.; Rabe, J. P. J. Mater. Chem. 2000, 10, 1519. 126 Romero, C.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E.; Termine, R.; Golemme, A.; Omenat, A.; Barberá, J.; Serrano, J. L. J. Mater. Chem. 2009, 19, 4725. Introducción 53 Esquema 37 Por otro lado, una secuencia de cicloadiciones (4+2) y (2+2+2) a partir de un precursor de bisarino, permitió la obtención de dos poliarenos cata-fusionados de gran tamaño (esquema 38).127 La generación del arino monocíclico 151, por tratamiento de 150 con TBAF en presencia de ciclopentadienona 149, condujo a la formación del benzotrifenilenol 152. En esta primera etapa, tiene lugar una cicloadición (4+2) seguida de la extrusión quelotrópica de CO. La protección del grupo OH del benzotrifenilenol 152 con TMS, seguida del tratamiento con nBuLi y Tf2O, condujo al triflato 153. La generación del arino policíclico 154 por tratamiento del triflato 153 con CsF, en presencia de Pd(PPh3)4, dio lugar a la formación del trímero 155, mediante una reacción de cicloadición (2+2+2), con un 22% de rendimiento. Cuando en las mismas condiciones se añadió DMAD 127 Alonso, J. M.; Díaz-Álvarez, A. E.; Criado, A.; Pérez, D.; Peña, D.; Guitián, E. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 173. Introducción 54 en el medio de reacción se aisló el fenaceno sustituido 156 con un 59% de rendimiento. Esquema 38 Cabe destacar que el hexafenilhexabenzo[10]estarfeno 155, está formado por 16 anillos cata-fusionados y 102 átomos de carbono sp2. Este compuesto constituye el poliareno cata-fusionado más grande que se conoce hasta el momento. Dada su geometría se propuso el nombre vulgar cloverfeno para este tipo de estructuras trigonales, dada su similitud con las hojas de trébol (figura 19). Introducción 55 a) b) Figura 19. a) Estructura del hexafenilhexabenzo[10]estarfeno 155. b) Geometría optimizada (MM2) de 155, donde se aprecia una conformación con simetría D3. 3.3. Reacciones de anelación de arinos catalizadas por paladio Las reacciones de anelación catalizadas por metales de transición son una alternativa para la obtención de compuestos policíclicos aromáticos funcionalizados. Concretamente, Larock describió la obtención del trifenileno sustituido 158 mediante la reacción del yoduro de arilo 157 con bencino (13), generado a partir del triflato 20, con catálisis de paladio.128 Esquema 39 Otro ejemplo más complejo es el descrito por Müllen y colaboradores, quienes describieron la síntesis de perilentetracarboxidiimidas de conjugación extendida a través de reacciones con arinos (esquema 40). Mediante la reacción del dibromoderivado 160 y el 2,3-naftalino (159), generado a partir del 128 Liu, Z.; Zhang, X.; Larock, R. C. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 15716. Introducción 56 correspondiente triflato de o-(trimetilsilil)naftilo, aislaron el nafto[a,j]coronentetracarboxidiamida 161 con un 46% de rendimiento.129 Esquema 40 129 Eversloh, C. L.; Li, C.; Müllen, K. Org. Lett. 2011, 13, 4148. OBJETIVOS 59 OBJETIVOS Contexto y objetivo general: Explorar la reactividad de arinos y bisarinos para la construcción de nuevos derivados aromáticos de interés en ciencia de materiales. En concreto, nos proponemos estudiar una nueva reacción de funcionalización de arinos para obtener orto-diyodoarenos y, como gran objetivo principal, la síntesis y estudio de propiedades de HPAs extensos de potencial interés en el campo de los nuevos materiales, mediante reacciones de cicloadición de arinos policíclicos. En concreto, nuestro interés se ha dirigido a la síntesis de derivados de acenos, afenos y estarfenos. Para abordar este estudio, precisaremos además disponer de métodos eficaces para obtener los necesarios precursores de arinos policíclicos. Objetivos específicos: Estudio de la reacción de inserción de arinos en enlaces sigma I–I. Nos plateamos el desarrollo de una nueva reacción para la obtención de odiyodoarenos debido al interés, de este tipo de compuestos, como intermedios de derivados con funcionalización avanzada (dicianoderivados, productos de acoplamiento cruzado, etc.) o para la generación de arinos en condiciones alternativas (en superficie, microondas, etc.). Desarrollo de métodos para la síntesis de precursores de arinos policíclicos. Además de la adecuada funcionalización de o-bromofenoles, ampliamente desarrollada por nuestro grupo de investigación en los últimos años, en esta tesis se explorarán nuevas aproximaciones dirigidas a la obtención de precursores de arinos más complejos. En particular, se estudiará la reacción, en condiciones controladas, de precursores de 1,4-bisbencino y 1,5-bisnaftalino con dienos adecuados. Trabajo realizado 66 1.1. Preparación de las ciclopentadienonas Las ciclopentadienonas son sistemas diénicos altamente reactivos en cicloadiciones (4+2). En la bibliografía, existen numerosos ejemplos de la utilización de ciclopentadienonas policíclicas en síntesis de HPAs de interés.130 Pese a la disponibilidad comercial de alguna ciclopentadienona como la 2,3,4,5-tetrafenilciclopenta-2,4-dienona (45, figura 20), otras ciclopentadienonas más complejas requieren ser sintetizadas. En concreto, para abordar nuestros objetivos precisamos sintetizar las ciclopentadienonas policíclicas 149a y 162, derivadas de fenantreno y del pireno, respectivamente. Figura 20. Ciclopentadienonas utilizadas en la síntesis de HPAs. Para la preparación de estas dienonas, se empleó un procedimiento descrito en la bibliografía, que se basa en condensaciones de tipo Knoevenagel.112 Así, la reacción de la fenantro-9,10-diona (163a) con la cetona 164 en una disolución metanólica de hidróxido potásico (esquema 41), condujo a la obtención de la 1,3-difenil-2H-ciclopenta[l]fenantren-2-ona (149a) con un 86% de rendimiento. Análogamente, la reacción del derivado dibromado 163b, previamente obtenido mediante bromación selectiva de 163a con Br2 en presencia de peróxido de benzoílo,131 condujo al aislamiento de 149b con un 76% de rendimiento. Esquema 41 130 Li, J.; Zhang, Q. Synlett 2013, 24, 686. 112 Wooi, G. Y.; White, J. M. Org. Biomol. Chem. 2005, 3, 972. 131 Callahan, R.; Marshall, K.; Rothchild, R.; Rosmarion, K. The Chemical Educator 2001, 6, 227. Trabajo realizado 67 Con el propósito de obtener ciclopentadienonas con cadenas alquílicas largas, que proporcionarían solubilidad a los HPAs derivados de éstas, se estudió la introducción de estas cadenas en el derivado dibromado 163b, mediante reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio. El grupo de Müllen y colaboradores, había desarrollado reacciones de tipo Sonogashira sobre 163b para introducir grupos etinil(isopropil)silano, con la protección previa de la orto-quinona mediante la transformación en el correspondiente 9,10-dimetoxifenantreno y posterior desmetilación.132 Con el objetivo de simplificar la obtención de estos derivados decidimos ensayar las reacciones de acoplamiento sin la protección previa de los grupos carbonilo. Concretamente, la aplicación de condiciones de reacción de tipo Sonogashira, empleando 1-hexino y 1-decino, que incorporan cadenas alquílicas de cuatro y ocho átomos de carbono respectivamente, condujo a la formación de las fenatrenodionas 165a,b con rendimientos del 34% y del 47%, respectivamente. Esquema 42 A partir de las dionas 165a,b se obtuvieron las correspondientes ciclopentadienonas 166a,b mediante condensaciones de Knoevenagel, con rendimientos del 78% y del 64%, respectivamente (esquema 43). A diferencia de las ciclopentadienonas 149a,b que son sólidos cristalinos, los compuestos 166a,b presentan aspecto viscoso debido probablemente a la flexibilidad molecular aportada por las cadenas alquílicas. 132 Qin, T.; Zhou, G.; Scheiber, H.; Bauer, R. E.; Baumgarten, M.; Anson, C. E.; List, E. J. W.; Müllen, K. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 8292. Trabajo realizado 68 Esquema 43 Para el acceso a HPAs terminados en la unidad de pireno, fue necesaria la utilización de la ciclopentadienona 162, que se preparó siguiendo protocolos descritos en la bibliografía. En primer lugar, se oxidó el pireno (167, esquema 44) por tratamiento con RuCl3 y peryodato sódico a temperatura ambiente, obteniéndose la diona 168 con un 50% de rendimiento.133 A continuación, se trató este compuesto en medio básico con la 1,3-difenilacetona (164), aislándose la 9,11-difenil-10H-ciclopenta[e]piren-10-ona (162) con un 64% de rendimiento.134 Esquema 44 1.2. Preparación de alquinos derivados del ácido acetilendicarboxílico Los alquinos deficientes en electrones, en particular los derivados del ácido acetilendicarboxílico, participan de forma muy eficaz en reacciones de cocicloadición (2+2+2) con arinos catalizadas por paladio, lo que permite sintetizar diversos compuestos policíclicos aromáticos sustituidos con grupos éster. Esta funcionalización permite en principio introducir diferentes cadenas 133 Hu, J.; Zhang, D.; Harris, F. W. J. Org. Chem. 2005, 70, 707. 134 Pascal Jr., R. A.; Mcmillan, W. D.; Engen, D. Van; Eason, R. G. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 4660. Trabajo realizado 69 en la periferia del HPA que pueden influir en la solubilidad, modo de agregación y procesabilidad de los productos obtenidos. Teniendo en cuenta esto, decidimos preparar una serie de acetilendicarboxilatos derivados de oligoetilenglicoles (esquema 45). La introducción de cadenas de oligoetilenglicol mediante reacciones de transesterificación en medio ácido, condujo a la obtención de alquinos con carácter anfifílico. Concretamente, a partir del acetilendicarboxilato de dimetilo (DMAD, 169) se prepararon tres alquinos que incorporaban una, dos y tres unidades de etilenglicol respectivamente (171a-c). La síntesis del alquino 171b, mediante transesterificación, había sido descrita previamente en la bibliografía.135 El alquino 171a también había sido preparado previamente, pero a través de una ruta compleja.136 Por el contrario, no existían precedentes bibliográficos relativos al alquino 171c. Como se comentará más adelante, a partir de estos alquinos se pudo acceder a derivados policíclicos con carácter anfifílico mediante reacciones de cotrimerización con arinos. Esquema 45 Por otra parte, se planteó la preparación del acetilendicarboxilato de n-dodecilo (173, esquema 46), que permitiría acceder a sistemas policíclicos aromáticos con este tipo de cadenas alquílicas en su periferia. Concretamente, mediante la transesterificación de DMAD con 1-dodecanol (172) en medio ácido, se obtuvo el alquino 173 con un 40% de rendimiento. Esquema 46 135 Reineri, F.; Viale, A.; Giovenzana, G.; Santelia, D.; Dastrù, W.; Gobetto, R.; Aime, S. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 15047. 136 Hashmi, A. S. K.; Grundl, M. A.; Nass, A. R.; Naumann, F.; Bats, J. W.; Bolte, M. Eur. J. Org. Chem. 2001, 4705. Trabajo realizado 70 1.3. Preparación de precursores de arinos Puesto que la química de los arinos constituye la herramienta sintética fundamental de este trabajo, la preparación de los correspondientes precursores adecuados centró una parte importante de los esfuerzos experimentales dedicados durante esta tesis doctoral. 1.3.1. Precursores de bencinos sustituidos, naftalinos y fenantrino Como se comentó en la introducción, en 1983 Kobayashi describió la generación de bencino (13) mediante la descomposición, inducida por fluoruo, del triflato de o-(trimetilsilil)fenilo (20).55 El ataque del ión fluoruro al grupo trimetilsililo induce la ruptura del enlace C-Si y la eliminación del grupo triflato en orto en condiciones suaves de reacción (esquema 47). Modulando la solubilidad de la sal fluorada mediante la elección del disolvente y la temperatura se puede controlar la velocidad de generación del arino. Esquema 47 Cabe mencionar que la generación de bencino mediante esta aproximación no tuvo una repercusión significativa hasta finales de los años 90, cuando fue empleada por nuestro grupo de investigación para el estudio de las reacciones de cicloadición (2+2+2) de arinos catalizadas por paladio.96,97 Posteriormente, en 2002, nuestro grupo de investigación describió un método general y eficiente para la obtención de los triflatos de o-(trimetilsilil)arilo en una secuencia de tres reacciones en one-pot a partir de los correspondientes obromofenoles (esquema 48).57 El desarrollo de este protocolo favoreció significativamente el al empleo de arinos en síntesis química.37e,f 55 Himeshima, Y.; Sonoda, T.; Kobayashi, H. Chem. Lett. 1983,1211. 96 Peña, D.; Escudero, S.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 2659. 97 Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 5827. 57 Peña, D.; Cobas, A.; Pérez, D.; Guitián, E. Synthesis 2002, 1454. 37e,f e) Tadross, P. M.; Stoltz, B. M. Chem. Rev. 2012, 112, 3550; f) Bhunia, A.; Yetra, S. R.; Biju, A. T. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 3140. Trabajo realizado 71 según este protocolo, el bromofenol 174 se calienta en presencia de hexametildisilazano (HMDS), para obtener el sililéter 175 (esquema 48). En un segundo paso, el compuesto 175 se hace reaccionar con n-BuLi a -100 ºC, induciéndose el intercambio halógeno-metal. Se obtiene así el intermedio 176a que se encuentra en equilibrio con 176b, a través de una migración del grupo TMS entre el oxígeno y el carbanión en orto. Finalmente, la adición del anhídrido tríflico produce el atrapado del fenóxido 176b, para dar lugar al triflato 177. Esquema 48 Mediante esta secuencia, en el contexto de esta tesis, se preparó una serie de precursores de arinos, previamente descritos en la bibliografía por nuestro grupo de investigación, a partir de los correspondientes o-bromofenoles comercialmente disponibles (figura 21). Concretamente, se sintetizaron el precursor de bencino 20,57 y los derivados sustituidos con un grupo metilo 178,57 con un grupo metilo y un átomo de bromo en las posiciones 2 y 4 17957 y con dos átomos de flúor 180.57 También se prepararon precursores de arinos bicíclicos como el del 1,2-naftalino 181,57 del 1,2-naftalino sustituido con un grupo metoxilo 18298e y del 2,3-naftalino 183.57 57 Peña, D.; Cobas, A.; Pérez, D.; Guitián, E. Synthesis 2002, 1454. 98e Caeiro, J.; Peña, D.; Cobas, A.; Pérez, D.; Guitián, E. Adv. Synth. Catal. 2006, 348, 2466. Trabajo realizado 72 Figura 21. Precursores de arinos obtenidos en one-pot a partir de o-bromofenoles comerciales. La variedad de o-bromofenoles disponibles comercialmente es limitada y en algunos casos resultan compuestos con un precio elevado.137 Por ello, en determinados casos se llevó a cabo la bromación orto-selectiva de fenoles comerciales por tratamiento con N-bromosuccinimida (NBS) en presencia de cantidades catalíticas de diisopropilamina, siguiendo un protocolo descrito en la bibliografía (esquema 49).138 Esquema 49 De esta forma se prepararon diversos bromofenoles que, siguiendo el tratamiento indicado en el esquema 48, condujeron a la formación de los correspondientes triflatos de o-(trimetilsilil)arilo. Concretamente, de esta forma se prepararon el precursor de arino monocíclico derivado del indeno 185,99b del dioxol 18699b y el precursor de 9,10-fenantrino 138,57 a partir de los correspondientes fenoles comerciales, con buenos rendimientos globales. 137 El precio de 1g del 3-bromo-2-naftol requerido para la preparación del triflato 183 en la compañía Sigma-Aldrich es de 60.70 €. 138 Fujisaki, S.; Eguchi, H.; Omura, A.; Okamoto, A.; Nishida, A. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1993, 66, 1576. 99b Quintana, I.; Boersma, A. J.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E. Org. Lett. 2006, 8, 3347. 57 Peña, D.; Cobas, A.; Pérez, D.; Guitián, E. Synthesis 2002, 1454. Trabajo realizado 73 Figura 22. Precursores de arinos obtenidos a partir de los correspondientes fenoles. En 2010, Harrity y colaboradores59 describieron el acceso a o- (trimetilsilil)yodobencenos por medio de reacciones de cicloadición entre - pironas y trimetilsililyodoacetileno (introducción, esquema 8). El tratamiento de estos compuestos con fluoruro de cesio y fluoruro de plata en acetonitrilo a reflujo, permite generar de forma eficaz los correspondientes arinos, por lo que estos yododerivados pueden considerarse como alternativa a los triflatos de o- (trimetilsilil)arilo en los casos en los que la síntesis de éstos no sea sencilla. Inspirados por ese trabajo, diseñamos en esta tesis doctoral un procedimiento para el acceso de forma eficaz a precursores de arinos con gran impedimento estérico, mediante reacciones de cicloadición (4+2) entre trimetilsililyodoacetileno y diferentes ciclopentadienonas. Concretamente, la cicloadición (4+2) del alquino 34 con la tetrafenil ciclopentadienona 45 en o-DCB a reflujo, condujo a la formación del precursor de bencino tetrafenilado 187 con un 63% de rendimiento (esquema 50). Previsiblemente, la reacción de cicloadición (4+2) da lugar a un aducto que evoluciona en las condiciones de reacción mediante la extrusión de una molécula de CO, recuperando así la aromaticidad. Cabe destacar el gran impedimento estérico de este precursor de arino debido a la presencia de los cuatro grupos fenilo en posiciones vecinales. Esquema 50 59 Crossley, J. A.; Kirkham, J. D.; Browne, D. L.; Harrity, J. P. A. Tetrahedron Lett. 2010, 51, 6608. Trabajo realizado 74 1.3.2. Precursores de trifenilinos Una alternativa para la obtención de HPAs funcionalizados mediante química de arinos, consiste en la incorporación de los grupos funcionales en los precursores de éstos. En nuestro grupo de investigación se desarrolló un protocolo para el acceso a precursores de trifenilino que incorporaran cadenas alcoxílicas,58 lo que permitió obtener poliarenos de tamaño nanométrico solubles y con propiedades de cristal líquido.126 Sin embargo, la preparación del precursor de 2,3-trifenilino tetraalcoxilado 144b presentó dificultades sintéticas, especialmente en la etapa que da acceso al bromofenol 191 (esquema 51). Durante la presente tesis doctoral se optimizaron las diferentes etapas sintéticas para la preparación triflato 144b. Así, partiendo del 1,2bis(hexiloxi)benceno (188) por tratamiento con una mezcla de ácido acético, ácido yódico y yodo molecular, se obtuvo el compuesto monoyodado 189 de forma selectiva y en cantidades multigramo, con un 93% de rendimiento. A continuación, este compuesto se sometió a una reacción de acoplamiento cruzado tipo Ullmann calentado a 210 ºC durante 16 h en presencia de Cu(0) finamente dividido, sin disolvente, aislándose el bifenilo 190 con un 80% de rendimiento. La obtención de la unidad de trifenileno a partir de este bifenilo se llevó a cabo mediante una reacción de ciclodeshidrogenación intermolecular entre 190 y o-bromofenol, promovida por un exceso de FeCl3 en cloroformo. De esta forma se obtuvo el trifenileno 191 con un 88% de rendimiento. La protección de grupo OH con HMDS para dar lugar al silil éter 192, seguida de un tratamiento secuencial a baja temperatura con n-BuLi y TMSCl, y posterior elaboración ácida dio lugar a la formación del trifenilenol sustituido 193 con un 75% de rendimiento. Por último, 193 se trató con piridina y anhídrido tríflico para dar lugar al triflato 144b con un rendimiento cuantitativo. 58 Romero, C.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E. Chem. Eur. J. 2006, 12, 5677. 126 Romero, C.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E.; Termine, R.; Golemme, A.; Omenat, A.; Barberá, J.; Serrano, J. L. J. Mater. Chem. 2009, 19, 4725. Trabajo realizado 75 Esquema 51 En resumen, la obtención del precursor de 2,3-trifenilino sustituido 144b se llevó a cabo en 6 etapas de reacción con un rendimiento global del 50% a partir del 1,2-bis(hexiloxi)benceno (188). En contraposición a la dificultad sintética que conlleva la preparación del triflato 144b, se preparó el compuesto 194, precursor del 1,4-difenil-2,3-trifenilino (esquema 52), siguiendo un procedimiento similar al descrito en el esquema 50. Concretamente, mediante la reacción de la ciclopentadienona 149a con el alquino 34 se obtuvo el yodotrifenileno sustituido 194 con un 73% de rendimiento. Cabe señalar que la formación del 1,4-difenil-2,3-trifenilino a partir del correspondiente carboxilato de trifenilendiazonio había sido descrita por Pascal y colaboradores.113d La obtención de este precursor fue llevada a cabo en tres etapas de reacción, a partir de la ciclopentadienona 149a, con un 17% de rendimiento. Esquema 52 113d Smyth, N.; Van Engen, D.; Pascal Jr., R. A. J. Org. Chem. 1990, 55, 1937 Trabajo realizado 82 carácter marcadamente electrófilo para el bencino.48 En este contexto, la propuesta mecanística de Hoffmann, en la que el bencino actuaría como nucleófilo, resulta controvertida. Teniendo en cuenta nuestros resultados experimentales, propusimos un nuevo mecanismo según el cual, en primer lugar el fluoruro reaccionaría con yodo molecular para formar yoduro y con el triflato 20 para formar el bencino (13) esquema 58). El ataque nucleófilo del yoduro al bencino conduciría a la formación del carboanión 217, el cual podría evolucionar por yodación para dar lugar a 203. En presencia de una fuente de protones como el H2O, el carbanión 217 conduciría al yodobenceno (204). Esquema 58 Cabe indicar que los arenos orto diyodados pueden ser precursores de compuestos de gran utilidad en diversos campos. Por ejemplo, a partir del diyodofenantreno 213, por tratamiento con CuCN en NMP a 180 ºC, se obtuvo el 9,10-dicianofenantreno (218) con un 65% de rendimiento (esquema 59). Nótese que estos dicianoderivados son extraordinariamente útiles para la formación de ftalocianinas, compuestos empleados en el campo de los colorantes artificiales y la electrónica molecular.143 Esquema 59 48 a) Rondan, G.; Domelsmith, L. N.; Houk, K. N.; Bowne, A. T.; Levin, R. H. Tetrahedron 1979, 35, 3237; b) Domingo, L. R.; Pérez, P.; Contreras, R. Eur. J. Org. Chem. 2006, 2, 498. 143 Bottari, G.; de la Torre, G.; Guldi, D. M.; Torres, T. Chem. Rev. 2010, 110, 6768. Trabajo realizado 83 3. Reacciones de cicloadición (4+2) de arinos Las reacciones de cicloadición (4+2) son probablemente las más importantes en la química de arinos pues permite acceder de forma convergente a sistemas policíclicos. Particularmente, las reacciones de arinos con dienonas conducen a la fusión de dos anillos bencénicos a través de una reacción de Diels-Alder seguida de la extrusión de CO del aducto inicialmente formado. En esta tesis doctoral se emplearon estas reacciones como estrategia para la obtención de acenos sustituidos de tamaño nanométrico. Se estudiaron las reacciones entre las ciclopentadienonas 45, 149a y 162, y los arinos indicados en la figura 24. Los resultados obtenidos se describen en esta memoria agrupados en función del tipo de compuesto formado y del arino empleado. Figura 24. Ciclopentadienonas y arinos empleados en las reacciones Diels-Alder. Trabajo realizado 84 3.1. Cicloadiciones (4+2) de ciclopentadienonas con precursores de bisarino para la obtención de precursores de arinos policíclicos Recientemente, en nuestro grupo de investigación se desarrolló un metodo para la obtención de precursores arinos policíclicos aromáticos basada en reacciones de arinos con ciclopentadienonas (esquema 60).127 En el ejemplo descrito, se llevó a cabo una reacción de cicloadición (4+2) entre el arino monocíclico 151, generado a partir del triflato 150, y la ciclopentadienona 149a, seguida de una extrusión quelotrópica de CO. El bromohidroxiareno 152 resultante se transformó en el compuesto 153, siguiendo el procedimiento habitual de preparación de triflatos de o-(trimetilsilil)arilo, con un rendimiento global del 31%. Con el objetivo de sintetizar 153 de forma más eficiente en un único paso de reacción, se abordó su síntesis mediante un procedimiento alternativo. Concretamente, se empleó el bistriflato 196, precursor formal del 1,4-bisbencino, que por tratamiento con una cantidad controlada de CsF (1.3 equiv), en presencia de 149a, condujo directamente a la formación del triflato 153 con un rendimiento del 58%. Es importante resaltar el avance que supuso este nuevo protocolo, que permite incrementar significativamente el rendimiento de la reacción y simplificar de forma significativa la complejidad sintética del procedimiento original, y que, como se mencionará más adelante, se pudo extender como método general para el acceso a otros precursores de arinos policíclicos complejos. 127 Alonso, J. M.; Díaz-Álvarez, A. E.; Criado, A.; Pérez, D.; Peña, D.; Guitián, E. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 173. Trabajo realizado 85 Esquema 60 La reacción probablemente se inicia por la descomposición del triflato 196, inducida por el ión fluoruro, de forma que se genera selectivamente el arino 219 (esquema 61). El CsF es parcialmente soluble en acetonitrilo pero insoluble en otros disolventes orgánicos como el CH2Cl2, que por otro lado es necesario para disolver la ciclopentadienona 149a. Cabe destacar que el empleo de codisolventes como el CH2Cl2, menos polares que el MeCN, puede dificultar la disolución del CsF y por lo tanto ralentizar la generación del arino. Por ello en este caso se aumentó la temperatura de reacción hasta 50 ºC, con el fin de incrementar la solubilidad de la sal fluorada en la mezcla de disolventes. El arino funcionalizado 219 reaccionó con la ciclopentadienona 149a, para formar el aducto intermedio 223. Dado que en las condiciones de reacción la extrusión de CO tiene lugar sólo de forma parcial, la mezcla resultante se calentó en tetracloroetano a 170 ºC, aislándose el compuesto 153 con un 58% de rendimiento. Trabajo realizado 86 Esquema 61 Se concluyó por tanto, que es posible modular la generación selectiva de un triple enlace formal en un precursor de bisarino mediante el control de los equivalentes de la sal fluorada. En vista de estos resultados, se decidió ensayar esta reacción con otras ciclopentadienonas y precursores de bisarinos. Concretamente, se llevó a cabo la reacción de la tetrafenilciclopentadienona (45) con el precursor de bisbencino 196, obteniéndose el triflato 224 con un 60% de rendimiento (esquema 62). El espectro de 1H RMN de este compuesto mostró dos singuletes a 7.89 y 7.59 ppm que integran por un protón respectivamente y que corresponden con los dos hidrógenos aromáticos de la unidad de naftaleno. Esquema 62 De forma similar, la reacción de la 9,11-difenil-10H-ciclopenta[e]piren-10-ona (162) con el precursor 196 en presencia de CsF, condujo a la obtención del triflato 225 con un 40% de rendimiento (esquema 63). Estructuralmente el precursor de arino 225 se puede considerar un tetraceno debido a la presencia de cuatro anillos fusionados de forma lineal en su núcleo aromático. Trabajo realizado 87 Esquema 63 Dada la sencillez en la preparación de precursores de arinos policíclicos a partir del precursor de bisbencino 196 y diferentes dienonas, se decidió estudiar reacciones análogas partiendo del precursor formal de bisnaftalino 199. En principio, controlando la cantidad de CsF empleado se podría generar selectivamente el naftalino sustituido 221, que reaccionaría con las correspondientes dienonas (esquema 64). Esquema 64 Efectivamente, mediante la reacción Diels-Alder entre el naftalino 221, generado por descomposición inducida por fluoruro del triflato 199, y la ciclopentadienona comercial 45, se aisló el precursor de 5,6,7,8- Trabajo realizado 88 tetrafenilantracino 226 con un 40% de rendimiento. El espectro de 1H RMN presentó cuatro singuletes característicos a 8.27, 8.22, 8.04 y 7.82 ppm que integraron por un hidrógeno cada uno y que se correspondieron con los hidrógenos aromáticos de la unidad de antraceno. Del mismo modo, la reacción del arino 221 con la ciclopentadienona 149a llevó a la formación del triflato 227, precursor de un dibenzo[a,c]tetracino, con un 21% de rendimiento. El espectro de 1H RMN presentó cuatro singuletes característicos a 8.51, 8.46, 8.05 y 7.84 ppm que integraron por un hidrógeno cada uno y que se correspondieron con los hidrógenos aromáticos de la unidad de tetraceno. Por último, la ciclopentadienona 162 reaccionó con el naftalino 221 aislándose el triflato 228, precursor de un dibenzo[de,uv]pentacino, con un 24% de rendimiento. El espectro de masas MALDI-TOF mostró el ión molecular correspondiente a la masa de 228 (C44H31F3O3SSi, m/z = 724.156). Pese a que los compuesto 227 y 228 contienen en su estructura aromática una unidad de tetraceno y pentaceno respectivamente, se han mostrado como compuestos relativamente estables, tanto en estado sólido como en disolución. Cabe destacar que estas estructuras son los precursores de arinos derivados de acenos más grandes preparados hasta la fecha. 3.2. Cicloadiciones (4+2) de arinos con ciclopentadienonas para la obtención de acenos En este apartado se describirán las reacciones de Diels-Alder entre arinos y ciclopentadienonas para la obtención de acenos de diferente complejidad estructural. Debido a la diversidad estructural de los productos obtenidos, se ha decidido subvididir este apartado en función de los arinos empleados. 3.2.1. Cicloadiciones (4+2) de bencinos El bencino tetrafenilado 220, generado a partir del yodobenceno 187 en presencia de CsF y AgF a 100 ºC, reaccionó con la ciclopentadienona comercial 45, aislándose el naftaleno octafenilado 229 con un 60% de rendimiento (esquema 65). Cabe destacar que la generación del arino cuando se emplea yoduro como grupo saliente en lugar de triflato, requiere unas condiciones de reacción más drásticas. Este naftaleno perfenilado había sido preparado previamente por Pascal y colaboradores.113b Las señales de 1H RMN del compuesto 229 mostraron dos multipletes anchos a 6.74 y 6.55 ppm que coincidieron con las descritas por ese grupo de investigación. 113b Qiao, X.; Padula, M. A.; Ho, D. M.; Vogelaar, N. J.; Schutt, C. E.; Pascal Jr., R. A. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 741. Trabajo realizado 89 Esquema 65 Se decidió entonces ensayar la reacción del arino 220 con la dienona 149a. En este caso se procedió a generar el precursor 187 en el propio medio de reacción, mediante un procedimiento one pot, a partir de la dienona 45 y el alquino 34 (esquema 66). Debido a que las sales fluoradas son insolubles en oDCB, disolvente requerido en la reacción de Diels-Alder, se adicionó acetonitrilo para posibilitar la correcta generación del arino 220. De esta forma se obtuvo el benzotrifenileno 230 con un rendimiento global del 10% a partir de la dienona 45. De nuevo, este poliareno había sido preparado previamente por Pascal y colaboradores mediante cuatro epatas sintéticas con un rendimiento global inferior al 1% a partir de la cicoplentadienona 149a.113d Estos autores describieron además la estructura de este compuesto mediante difracción de rayos X, mostrando que se trata de una molécula torsionada debido al impedimento estérico generado por los grupos fenilo vecinales. Concretamente, la torsión de la unidad de antraceno central resultó ser de 60º de extremo a extremo. Esquema 66 Los experimentos de 1H RMN del compuesto 230 a 20 ºC mostraron señales aromáticas con poca resolución, lo que impedía su correcta caracterización. 113d Smyth, N.; Van Engen, D.; Pascal Jr., R. A. J. Org. Chem. 1990, 55, 1937. Trabajo realizado 90 Posiblemente esto sea debido a las restricciones de giro de los fenilos debido a la importante congestión estérica. Para intentar mejorar la resolución de las señales aromáticas se realizaron experimentos de 1H RMN a diferentes temperaturas (figura 25). El espectro de 1H RMN a -50 ºC mostró 19 hidrógenos aromáticos, lo que cabría esperar para una molécula como 230, que cuenta con un plano de simetría perpendicular al núcleo aromático que contiene al eje longitudinal del antraceno, pero donde los cinco hidrógenos de cada sustituyente fenilo no son equivalentes debido a que a esa temperatura se ralentiza la rotación del enlace sigma que los une al núcleo aromático. Figura 25. Espectros de 1H RMN de 230 a diferentes temperaturas. El procedimiento sintético descrito en este apartado, permite ensamblar fragmentos aromáticos provenientes de dienonas por medio de dos reacciones de Diels-Alder secuenciales partiendo del alquino comercial 34. Estudiamos también la reacción con la dienona 162, derivada del pireno, en las condiciones de reacción descritas anteriormente, aislándose el dibenzo[de,qr]tetraceno hexafenilado 231 con un 5% de rendimiento global (esquema 67). Como cabría esperar, a medida que aumenta la complejidad estructural de las moléculas sintetizadas se observa una disminución en el rendimiento de este procedimiento. Trabajo realizado 91 Esquema 67 El espectro de 1H RMN del compuesto 231 a 20 ºC presentó también señales aromáticas con poca resolución. Los espectros de 1H RMN a diferentes temperaturas mostraron un comportamiento similar al observado para 230, de forma que los espectros de mayor resolución resultaron ser los registrados a baja temperatura, probablemente debido a la fijación de la conformación de menor energía (figura 26). Figura 26. Espectros de 1H RMN de 231 a diferentes temperaturas. 3.2.2. Cicloadiciones (4+2) de naftalinos Se estudió la reacción de cicloadición (4+2) entre el naftalino 159, generado a partir del triflato 183, por acción del TBAF, y la ciclopentadienona 149a Trabajo realizado 98 Esquema 76 Basándose en estudios computacionales, Pascal y colaboradores habían propuesto que, debido a la gran congestión estérica, este aceno adoptaría una conformación longitudinalmente torsionada. Concretamente, predijeron una estructura quiral con simetría D2 en el estado fundamental, con una torsión de extremo a extremo de 109.4º,13 pero debido al bajo rendimiento en su método de síntesis no pudieron obtener material suficiente para el estudio mediante de difracción de rayos X. Afortunadamente, nuestro método de síntesis permitió obtener suficiente cantidad de este compuesto y con ello cristales susceptibles de estudio mediante difracción de rayos X. Los resultados confirmaron las predicciones computacionales descritas por el grupo de Pascal, mostrando para el compuesto 239, una torsión longitudinal de extremo a extremo de 104.5º (figura 29). Figura 29. Representaciones de la estructura del tetrabenzotetraceno sustituido 239 obtenidas mediante difracción de rayos X. Cabe destacar que la estructura 239 tiene simetría D2 y es por tanto una molécula quiral. En este contexto, aunque cabría esperar una barrera de racemización relativamente baja, nos planteamos la posibilidad de intentar separar los dos enantiómeros mediante cromatografía líquida de alta eficacia (HPLC) quiral. Concretamente, empleando un columna quiral Chiralpak IA fue 13 Pascal Jr., R. A.; Qin, Q. Tetrahedron 2008, 64, 8630. Trabajo realizado 99 posible la separación de los dos enantiómeros [fase móvil: hexano/isopropanol (99.5:0.5), 1 mL/min, figura 30]. Por otra parte, la reacción entre el yoduro 194 y la ciclopentadienona 162 condujo a la formación del tetrabenzo[a,c,jk,op]pentaceno sustituido 240 con un 10% de rendimiento (esquema 77). El espectro de masas (IE) mostró el ión molecular correspondiente a la masa de 240 (C60H36, m/z = 756.3). Este tetrabenzo[a,c,jk,op]pentaceno sustituido, presentó una buena solubilidad en los disolventes orgánicos comunes, mostrándose relativamente estable en disolución y presencia de luz, probablemente debido a la sustitución de los anillos centrales con grupos fenilos.144 Esquema 77 3.2.5. Cicloadiciones (4+2) de benzotrifenilino Continuando con el orden creciente de complejidad estructural en el arino empleado, se decidió estudiar las reacciones de cicloadición de un benzotrifenilino. Concretamente la reacción de cicloadición (4+2) del benzotrifenilino 154, generado a partir triflato 153 en presencia de TBAF, con la 144 Lu, J.; Ho, D. M.; Vogelaar, N. J.; Kraml, C. M.; Bernhard, S.; Byrne, N.; Kim, L. R.; Pascal Jr., R. A. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 17043. Minutes 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 mAU 0 5 10 15 20 25 30 mAU 0 5 10 15 20 25 30 DAD-CH1 345 nm GR1DRTETRA20C Figura 30. Cromatograma de HPLC de la mezcla racémica del tetrabenzotetraceno 239. Chiralpak IA, hexano/isopropanol (99.5:0.5). Figura 31. Espectro UV en función del tiempo, donde se observa la concordancia entre los espectros de absorción de los enantiómeros del tetrabenzotetraceno 239. Trabajo realizado 100 ciclopentadienona 162, condujo a la formación del tetrabenzo[a,c,lm,qr]hexaceno sustituido 241 como un sólido rojo con un 31% de rendimiento (esquema 78). Este aceno sustituido resultó ser lo suficientemente estable y soluble para su caracterización mediante 1H RMN, 13C RMN, espectrometría de masas (IE), espectroscopía UV/Vis y fluorescencia. El espectro de 1H RMN presentó dos singuletes a 8.47 y 7.27 ppm, correspondientes con el hidrógeno del anillo bencénico central y la unidad de pireno, respectivamente. Esquema 78 3.3. Cicloadiciones (4+2) de bisarinos A pesar de que los bisarinos se representan en la bibliografía como se indica en la figura 32, es probable que estas especies no sean intermedios reales en la mayoría de las condiciones de reacción empleadas. El tiempo de vida media de un arinos en disolución es extremadamente corto,45 por lo que la generación simultánea de dos arinos en un mismo núcleo aromáticos es poco probable. Posiblemente, la formación de los dos arinos tenga lugar de forma secuencial y las estructuras 242 y 243 sean los correspondientes sintones. 45 a) Warmuth, R. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 1347; b) Warmuth, R. Eur. J. Org. Chem. 2001, 423. Trabajo realizado 101 Figura 32. Estructuras del 1,4-benzodiiono y del 2,6-naftodiiono propuestas en la bibliografía. Los sintones bisarinos son herramientas sintéticas valiosas para la obtención de acenos mediante una secuencia de dos cicloadiciones (4+2) con dienófilos, en un proceso altamente eficiente donde se generan cuatro nuevos enlaces carbono-carbono. En la bibliografía existen algunos ejemplos del empleo de precursores de bisbencino en la síntesis de acenos, como los descritos por los grupos de Wudl119d y Pascal.15 Kitamura y colaboradores también han descrito el empleo de bisnaftalino para la síntesis de tetracenos a partir del bistriflato de o-bis(trimetilsilil)naftalilo.119a,b Probablemente, el mecanismo de reacción para la formación de acenos a partir de precursores de bisarinos mediante reacciones de cicloadición (4+2) transcurra como se indica en el esquema 79. Este proceso supone dos cicloadiciones (4+2) consecutivas que implicaría la formación en primer lugar del arino 219, que reaccionaría con el sistemas diénico 244 mediante una reacción Diels-Alder, seguida de la extrusión quelotrópica de CO dando lugar a una especie intermedia como 245. En el propio medio de reacción se podría generar un nuevo arino, en este caso 246 que reaccionarían con una segunda unidad de dienona 244 para formar acenos tipo 247. Con el fin de facilitar la visualización del proceso, los nuevos enlaces carbono-carbono formados en el proceso están indicados en el esquema en color rojo. 119d Duong, H. M.; Bendikov, M.; Steiger, D.; Zhang, Q.; Sonmez, G.; Yamada, J.; Wudl, F. Org. Lett. 2003, 5, 4433. 15 Lu, J.; Ho, D. M.; Vogelaar, N. J.; Kraml, C. M.; Pascal Jr., R. A., Jr. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 11168. 119a,b a) Kitamura, C.; Abe, Y.; Ohara, T.; Yoneda, A.; Kawase, T.; Kobayashi, T.; Naito, H.; Komatsu, T. Chem. Eur. J. 2010, 16, 890; b) Kitamura, C.; Takenaka, A.; Kawase, T.; Kobayashi, T.; Naito, H. Chem. Commun. 2011, 47, 6653. Trabajo realizado 102 Esquema 79 La posibilidad de detener la reacción en los intermedios tipo 245 apoya la hipótesis de que la formación de los arinos, a partir del bistriflato 196, tiene lugar de forma secuencial. De hecho, mediante el control de los equivalentes de fluoruro se pudieron preparar algunos precursores de arinos policíclicos mostrados anteriormente (mirar apartado 3.1). A continuación se detallan las reacciones llevadas a cabo en one pot a partir de precursores de bisarinos, con dos moléculas de la misma dienona. 3.3.1. Cicloadiciones (4+2) de bisbencino El precursor de bisbencino 196 reaccionó con la ciclopentadienona 149a, en presencia de dos equivalentes de TBAF, dando lugar al tetrabenzo[a,c,l,n]pentaceno sustituido 249 con un 15% de rendimiento (esquema 80). Este aceno había sido previamente preparado por el grupo de Pascal con un 1.2% de rendimiento mediante una ruta similar, pero empleando el dicarboxilato 248 como precursor de bisbencino.119c 119c Schuster, I. I.; Craciun, L.; Ho, D. M.; Pascal Jr., R. A. Tetrahedron 2002, 58, 8875. Trabajo realizado 103 Esquema 80 El tetrabenzo[a,c,l,n]pentaceno 249 resultó ser soluble en disolventes orgánicos comunes. Sin embargo, su rápida degradación en disolución en condiciones ambientales dificultó en gran medida su aislamiento e identificación, siendo necesario llevar a cabo la purificación cromatográfica bajo atmósfera de argón y con baja intensidad lumínica. Como se ha comentado anteriormente, probablemente el tetrabenzo[a,c,l,n]pentaceno 249 reacciona con el oxígeno en estado singlete (1O2) mediante una cicloadición (4+2) para dar lugar al endoperóxido 250, que evolucionaría para dar lugar a una mezcla compleja de reacción (esquema 81). Pascal y colaboradores resolvieron la estructura del endoperóxido 250 mediante difracción de rayos X, demostrando que la reacción de cicloadición (4+2) entre el oxígeno y el pentaceno sustituido 249 tiene lugar, efectivamente, en el anillo bencénico central.119c Esquema 81 Trabajo realizado 104 3.3.2. Cicloadiciones (4+2) de bisnaftalino De forma similar, mediante la reacción del bistriflato 199 con diferentes ciclopentadienonas se pudo acceder a una serie de acenos 251-253 estructuralmente relacionados (esquema 82). Concretamente, el tratamiento del bistriflato 199 con TBAF en presencia de la ciclopentadienona 45 dio lugar a la formación del octafeniltetraceno 251 con un 23% de rendimiento. Este aceno mostró una buena solubilidad en disolventes orgánicos comunes sin degradarse en condiciones ambientales. En el espectro de 1H RMN, entre otras señales, se observó un único singulete a 8.29 ppm que integró por cuatro hidrógenos. Esquema 82 Por otro lado, la reacción del bistriflato 199 con la ciclopentadienona 149a dio lugar a la formación del tetrabenzo[a,c,n,p]hexaceno sustituido 252 con un 15% de rendimiento. Como cabría esperar, este derivado de hexaceno mostró tendencia a la degradación en disolución bajo condiciones ambientales, por lo que fue necesario llevar a cabo su purificación bajo atmósfera de argón y con baja intensidad lumínica. Debido a su baja solubilidad en los disolventes orgánicos deuterados más comunes, su caracterización mediante RMN se Trabajo realizado 105 realizó empleando C6D6. El espectro de 1H RMN presentó un singulete a 8.95 ppm correspondiente a los hidrógenos situados en el anillo central del hexaceno, dos dobletes y dos tripletes a 8.00, 7.60, 7.09 y 6.85 ppm respectivamente, que corresponden con los protones aromáticos restantes de la unidad de tetrabenzo[a,c,n,p]hexaceno. Por último, se completó la serie mediante la reacción del bistriflato 199 con la ciclopentadienona derivada del pireno 162, obteniéndose el correspondiente tetrabenzooctaceno sustituido 253 con un 18% de rendimiento (esquema 82). Cabe destacar la relativa estabilidad en disolución de este aceno en comparación con el tetrabenzo[a,c,n,p]hexaceno 252, lo que permitió su aislamiento y purificación en unas condiciones menos estrictas. Debido a su baja solubilidad en la mayoría de disolventes orgánicos, su caracterización mediante 1H y 13C de RMN se realizó empleando C2D2Cl4 a 80 ºC. El espectro de 1H presentó dos singuletes característicos a 8.52 y 7.74 ppm que corresponden con los hidrógenos de la unidad de pireno y el anillo central del octaceno, respectivamente. Cabe destacar que existen pocos precedentes de caracterización de acenos superiores al heptaceno mediante RMN en disolucion.145 Por otro lado, como cabría esperar, el aumento en el número de anillos bencénicos fusionados en esta serie de acenos produce cambios drásticos en sus propiedades opto-electrónicas. Prueba de ello son las marcadas diferencias en el color observado en la serie de acenos en estado sólido: amarillo en el caso del tetraceno 251, violeta el hexaceno 252, morado el octaceno 253 (figura 33). a) b) c) Figura 33. Imágenes de acenos en estado sólido: a) tetraceno 251, b) hexaceno 252 y c) octaceno 253. 145 a) Purushothaman, B.; Bruzek, M.; Parkin, S. R.; Miller, A. F.; Anthony, J. E. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 1; b) Xiao, J.; Duong, H. M.; Liu, Y.; Shi, W.; Ji, L.; Li, G.; Li, S.; Liu, X. W.; Ma, J.; Wudl, F.; Zhang, Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 6094. Trabajo realizado 106 4. Cicloadiciones (2+2+2) de arinos catalizadas por paladio Nuestro grupo de investigación ha sido pionero en el desarrollo de estrategias para la obtención de HPAs mediante cicloadiciones (2+2+2) de arinos catalizadas por paladio,98 especialmente las reacciones de ciclotrimerización de arinos y las reacciones de cociclotrimerización de arinos y alquinos. En el marco de esta tesis doctoral estas reacciones han permitido obtener afenos y estarfenos de tamaño nanométrico. 4.1. Reacciones de ciclotrimerización Las reacciones de trimerización de arinos implican la formación de tres nuevos enlaces carbono-carbono en una sola etapa, y son una importante herramienta para el acceso a HPAs de gran tamaño. Recientemente nuestro grupo de investigación ha descrito la preparación de un HPA formado por 16 anillos bencénicos cata-condensados utilizando esta metodología, (introducción, esquema 38). Este compuesto constituye el HPA cata-condensado más grande descrito hasta el momento.127 Teniendo en cuenta este precedente, decidimos ensayar la reacción de cicloadición (2+2+2) catalizada por paladio del dibenzo[de,qr]tetracino 117 (esquema 83), generado a partir del triflato 225 por reacción con CsF, obteniéndose el trímero 254 con un 16% de rendimiento. Este hexafenilhexabenzo[13]estarfeno de fórmula molecular C108H60 está formado por con 19 anillos bencénicos fusionados. 98 a) Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. Org. Lett. 1999, 1, 1555; b) Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. J. Org. Chem. 2000, 65, 6944; c) Peña, D.; Cobas, A.; Pérez, D.; Guitián, E.; Castedo, L. Org. Lett. 2003, 5, 1863; d) Iglesias, B.; Cobas, A.; Pérez, D.; Guitián, E.; Vollhardt, K. P. C. Org. Lett. 2004, 6, 3557; e) Caeiro, J.; Peña, D.; Cobas, A.; Pérez, D.; Guitián, E. Adv. Synth. Catal. 2006, 348, 2466; f) Romero, C.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E. J. Org. Chem. 2008, 73, 7996. 127 Alonso, J. M.; Díaz-Álvarez, A. E.; Criado, A.; Pérez, D.; Peña, D.; Guitián, E. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 173. Trabajo realizado 107 Esquema 83 Hay dos aspectos destacables en esta molécula grafénica. Por un lado su estabilidad relativa en comparación con el análogo cata-condensado 155 (esquema 38), probablemente debido a la presencia de las unidades de pireno en sus extremos, que aportan estabilidad a este tipo de estructuras aromáticas. Y por otro lado, una solubilidad en disolventes orgánicos comunes relativamente alta para un HPA de este tamaño, que permitió su aislamiento mediante cromatografía en columna. La distorsión de la planaridad inducida por los grupos fenilo unidos al núcleo aromático (figura 34b), probablemente tenga un papel relevante en la solubilidad mostrada. El espectro de masas MALDITOF mostró el ión molecular correspondiente a la masa de 254 (C108H60, m/z = 1356.63). El espectro de 1H RMN mostró dos singuletes característicos del trímero 254 a 8.71 y 7.87 ppm que integraron por seis hidrógenos cada uno. El tamaño de este nanografeno, considerando la distancia entre los protones de dos unidades de pireno, resultó ser de 2.1 nm (figura 34a).146 146 Medida estimada a partir del modelo de Chem 3D con geometría optimizada. Trabajo realizado 114 Concretamente, la preparación del triflato funcionalizado 144b permitió el acceso a una serie de afenos funcionalizados derivados del trifenilino 145b.58 Así, el tetrabenzo[a,c,m,o]pentafeno 148b se obtuvo mediante una reacción de cicloadición (2+2+2) catalizada por Pd(PPh3)4 entre dos moléculas de trifenilino 145b y el alquino 169 (esquema 88). Esquema 88 Estos tetrabenzopentafenos muestran una gran tendencia al apilamiento mediante interacciones -, así como un comportamiento de cristal líquido en un amplio rango de temperaturas, formando mesofases discóticas columnares.126 La incorporación de cadenas alquílicas al núcleo aromático resulta fundamental para inducir un comportamiento como cristal líquido. La longitud y disposición de las cadenas alquílicas determina en buena medida las propiedades de agregación de estas moléculas, por lo que modificando en estas cadenas podríamos modular las propiedades de los compuestos finales. En este contexto, se ensayó la reacción de cicloadición (2+2+2) catalizada por Pd(PPh3)4 entre el arino 145b, generado a partir del triflato 144b, y el acetilendicarboxilato de bisdodecilo (173), obteniéndose el tetrabenzopentafeno 263 con un 44% de rendimiento (esquema 89). El espectro de masas MALDITOF coincidió plenamente con el previsto para el fenaceno 263 (C90H54, m/z = 58 Romero, C.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E. Chem. Eur. J. 2006, 12, 5677. 126 Romero, C.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E.; Termine, R.; Golemme, A.; Omenat, A.; Barberá, J.; Serrano, J. L. J. Mater. Chem. 2009, 19, 4725. Trabajo realizado 115 1704.04). El espectro de 1H RMN mostró, como señales más representativas de la estructura policíclica, seis singuletes en la zona aromática que integraron por dos hidrógenos cada uno. El espectro de 13C RMN mostró la señal de los grupos carbonilo a 168.6 ppm. Esquema 88 Por otro lado, las moléculas anfifílicas, la cuales contienen una parte hidrofílica y otra hidrofóbica, han sido ampliamente usada para la obtención de agregados supramoleculares mediante autoensamblaje.152 Cuando este tipo de compuestos se hayan dispersos en agua, las partes hidrofílicas preferiblemente interaccionan con la fase acuosa, mientras que las parte hidrofóbicas tienen a permanecer en contacto con el aire o en un disolvente no polar. De esta forma, los agregados anfifílicos dan lugar a diferentes ensamblados moleculares basados en fuerzas de repulsión y coordinación entre las partes hidrofílicas e hidrofóbicas de las moléculas con el medio que las rodea. A partir de este tipo de molécula es posible obtener ensamblajes con diferente morfología, dimensionalidad e incluso quiralidad, en función de los fragmentos hidrofóbicos e hidrofílicos que constituyen las moléculas anfifílicas.153 Sin embargo, existen pocos ejemplos de moléculas anfifílicas de naturaleza policíclica aromática. Los trabajos de Aida y colaboradores basados en núcleos de hexabenzocoroneno (HBC) como 264 (figura 39), que incorporan cadenas de trietilenglicol hidrofílicas y cadenas alquílicas de carácter hidrofóbico,154 constituyen ejemplos destacados en este campo. 152 Wang, C.; Wang, Z.; Zhang, X. Acc. Chem. Res. 2012, 45, 608. 153 Shimizu, T.; Masuda, M.; Minamikawa, H. Chem. Rev. 2005, 105, 1401. 154 a) Hill, J. P.; Jin, W.; Kosaka, A.; Fukushima, T.; Ichihara, H.; Shimomura, T.; Ito, K.; Hashizume, T.; Ishii, N.; Aida, T. Science 2004, 304, 1481; b) Jin, W.; Fukushima, T.; Niki, M.; Kosaka, A.; Ishii, N.; Aida, T. Proc. Natl. Acad. Sci. 2005, 102, 10801; c) Motoyanagi, J.; Fukushima, T.; Ishii, N.; Aida, T. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 4220. Trabajo realizado 116 Figura 39. Poliareno anfifílico derivado del HBC. Teniendo en cuenta estos precedentes, decidimos preparar una serie de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafenos con cadenas anfifílicas. La incorporación de este tipo de cadenas en la periferia del núcleo aromático otorgaría carácter anfifílico a los derivados de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafeno y, en consecuencia, afectaría a las interacciones intermoleculares, y en el mejor de los casos llevaría a la formación de agregados supramoleculares. Para ello se llevaron a cabo las reacciones de cicloadición (2+2+2) catalizadas por Pd(PPh3)4 entre el arino 145b, generado a partir triflato 38 en presencia de CsF, y los alquinos 171a-c (esquema 90). Los rendimientos de los correspondientes tetrabenzopentafenos 265a-c fueron inversamente proporcionales a la longitud de las cadenas de etilenglicol empleadas (50, 45 y 28%, respectivamente). Los tetrabenzo[a,c,m,o]pentafenos 265a-c poseen un núcleo aromático de nueve anillos cata-fusionados, con tendencia a formar agregados mediante interacciones -, y se encuentran funcionalizados por ocho grupos hexiloxi de carácter hidrofóbico, y dos cadenas de oligoetilenglicol monometilado de diferente longitud con cierto carácter hidrofílico. La formación de agregados supramoleculares de los compuestos 265a-c será discutido en el apartado 5 de la presente tesis doctoral. Los espectros de masas (MALDI-TOF) de los afenos 265a-c, mostraron iones moleculares a m/z 1483.90, 1570.90 y 1660.01, respectivamente. Los espectros de 1H RMN de estos compuestos 265a-c, mostraron seis singuletes aromáticos entre 9.93 y 7.85 ppm, sin apenas variaciones en el desplazamiento químico de los singuletes entre las diferentes moléculas. Trabajo realizado 117 Esquema 90 Por otro lado, la reacción de cicloadición (2+2+2) entre dos arinos diferentes generados simultáneamente permitiría acceder a una gran variedad de arenos policíclicos. En nuestro grupo de investigación se había llevado a cabo con éxito la cotrimerización entre unidades de trifenilino y bencino mediante la catálisis de paladio.58 Con esa idea en mente, decidimos probar la reacción de cocicloadición (2+2+2) catalizada por paladio entre el trifenilino 145b y el fenantrino 139 (esquema 91), con el objetivo de obtener el derivado 266 formado por dos unidades de fenantrino y una de trifenilino. Esquema 91 58 Romero, C.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E. Chem. Eur. J. 2006, 12, 5677. Trabajo realizado 118 Las reacciones se llevaron a cabo mediante el tratamiento de una mezcla de los triflatos 144b y 138 con CsF en una mezcla de CH2Cl2/MeCN (1:5) a 40 ºC, en presencia de una cantidad catalítica de Pd(0). Con el fin de optimizar el rendimiento de la cotrimerización se realizaron los primeros ensayos (entrada 1 y 2, tabla 2) modificando el ligando del complejo de paladio, observándose la formación de 266 al emplear Pd2(dba)3 como catalizador. La disminución de los equivalentes de precursor de fenantrino 138 y la adición de éter 18-corona-6 al medio de reacción permitió aislar el dibenzo[f,j]trifenileno[2,3-s]piceno sustituido 266 con un 30% de rendimiento. El éter corona modifica la solubilidad de la sal fluorada de forma que la generación de los arinos tiene lugar de forma simultánea, un factor crucial para obtener la quimioselectividad deseada. El espectro de masas (FAB+) de 266 mostró el ión molecular a m/z 979 (pico base). El espectro de 1H RMN mostró tres singuletes a 9.99, 8.15 y 7.87 ppm que integraron por dos hidrógenos respectivamente y que se corresponden a los hidrógenos de la unidad de trifenileno. Este poliareno de once anillos catafusionados posee en su estructura una unidad de [5]heliceno. Cabe destacar que esta aproximación nos permitió acceder a un núcleo aromático no descrito previamente, en una única etapa. Entrada Pd(0) 18-corona-6 (equiv.) Triflato 138 (equiv.) 266 (%)[a] 1 Pd(PPh3)4 - 4 - 2 Pd2(dba)3 - 4 17 3 Pd2(dba)3 0.5 2.5 30 Tabla 2. Optimización de la reacción de cocicloadición (2+2+2) de 145b y 139 catalizada por Pd. [a] En todas las reacciones de detectó la formación de los trímeros del fenatrino 139 y del trifenilino 145b. 4.2.2. Cocicloadiciones (2+2+2) de dibenzo[a,c]tetracino y dibenzo[de,uv]pentacino En este apartado se describirá el uso de arinos derivados del dibenzo[a,c]tetracino 267 y del dibenzo[de,uv]pentacino 268 (figura 40) en reacciones de cicloadición (2+2+2) catalizadas por complejos de Pd(0) con un alquino deficiente en electrones como el (DMAD), para la obtención de fenacenos funcionalizados de tamaño nanométrico. Trabajo realizado 119 Figura 40. Tetrabenzo[a,c]tetracino 267 y del dibenzo[de,uv]pentacino 268. En una mezcla de CH2Cl2/MeCN (1:5) se hizo reaccionar el dibenzo[a,c]tetracino sustituido 267, generado a partir del triflato 227 en presencia de CsF, con DMAD y un 10% molar de Pd(PPh3)4, obteniéndose el tetrabenzo[a,c,u,w]nonafeno sustituido 269 con un 33% de rendimiento (esquema 92). Este afeno se mostró soluble en disolventes orgánicos comunes, y estable en disolución, lo que permitió su aislamiento mediante cromatografía en columna. El espectro de masas MALDI-TOF mostró el ión molecular correspondiente a la masa de 269 (C82H50O4, m/z = 1098.36). El espectro de 1H RMN mostró, como señales más representativas de la estructura policíclica, cuatro singuletes en la zona aromática que integraron por dos hidrógenos cada uno, y un singulete a 4.06 ppm que integró por seis hidrógenos correspondiente a los metilos de los grupos éster. El espectro de 13C RMN mostró la señal del grupo carbonilo a 168.3 ppm y la señal de los metilos de los grupos éster a 53.1 ppm. Esquema 92 De forma similar, la cotrimerización del dibenzo[de,uv]pentacino sustituido 268, derivado del triflato 228, en unas condiciones semejantes a las descritas en el esquema 91, condujo a la formación del tetrabenzoundecafeno sustituido 270 con un 13% de rendimiento (esquema 93). A pesar de su tamaño, este poliareno se mostró soluble en disolventes orgánicos convencionales y relativamente estable en disolución, permitiendo su purificación mediante Trabajo realizado 120 cromatografía en columna. El espectro de masas MALDI-TOF mostró el ión molecular correspondiente a la masa de 270 (C86H50O4, m/z = 1146.36). Esquema 93 El espectro de 1H RMN de 270 (figura 41) mostró, como señales más representativas de la estructura policíclica, cuatro singuletes en la zona aromática que integraron por dos hidrógenos cada uno, y un singulete a 4.06 ppm que integró por seis hidrógenos correspondientes a los metilos de los grupos éster. Figura 41. Espectro de 1H RMN del undecafeno 270. Resula destacable el tamaño del fenaceno 270, pues la distancia de extremo a extremo resultó ser de 2.5 nm (figura 42a).155 155 Medida estimada a partir del modelo de Chem 3D con geometría optimizada. Trabajo realizado 121 a) b) Figura 42. Modelos moleculares del undecafeno sustituido 270 (Chem 3D, geometría optimizada MM2). Cabe indicar que las estructuras policíclicas aromáticas 269 y 270 son inéditas en la bibliografía, y no se conocen precedentes de los núcleos aromáticos basados en nona y undecafenos. Trabajo realizado 122 5. Estudio de las propiedades y de los agregados supramoleculares de los derivados de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafenos Tal y como se mencionó en el apartado 4.2.1, en 2009 nuestro grupo de investigación describió una nueva familia de compuestos mesomórficos caracterizados por un núcleo policíclico aromático extenso de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafeno, decorado en su periferia con grupos alcoxilo de cadena larga y, en otra zona de la molécula, con dos grupos éster.126 Estos compuestos habían presentado propiedades como cristales líquidos discóticos, formando mesofases en amplios rangos de temparatura, evidencias de agregación en disolución (1H RMN) y un singular empaquetamiento cristalino (difracción de RX). En relación con estos resultados previos nos planteamos en la presente tesis doctoral la síntesis y el estudio de las propiedades de agregación de otros derivados de este sistema policíclico. En concreto, en este apartado se discutirá sobre las propiedades de agregación de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafenos sustituidos mediante microscopía electrónica de barrido. En un segundo apartado, se discutirá sobre la formación de monocapas en superficie de derivados de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafeno y su estudio mediante microscopio de efecto túnel. 5.1. Estudio de agregados de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafenos anfifílicos mediante microscopía electrónica de barrido En la presente tesis doctoral se sintetizó una nueva serie de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafenos sustituidos 265a-c (figura 43b). Las moléculas con carácter anfifílico poseen una gran tendencia a la formación de agregados supramoleculares mediante interacciones hidrofílicas e hidrofóbicas.152 En este contexto, decidimos estudiar mediante microscopía electrónica de barrido la formación de agregados supramoleculares de los compuestos 265a-c. El microscopio electrónico de barrido o SEM (Scanning Electron Microscope) es un tipo de microscopio electrónico que permite la obtención de imágenes mediante el barrido superficial de una muestra conductora con un haz de electrones. Como consecuencia de la interacción del haz de electrones con la muestra se produce la emisión de señales eléctricas de diversa naturaleza. 126 Romero, C.; Peña, D.; Pérez, D.; Guitián, E.; Termine, R.; Golemme, A.; Omenat, A.; Barberá, J.; Serrano, J. L. J. Mater. Chem. 2009, 19, 4725. 152 Wang, C.; Wang, Z.; Zhang, X. Acc. Chem. Res. 2012, 45, 608. Trabajo realizado 123 Estas señales son captadas por detectores que las procesan, amplifican y transforman en señales electrónicas como pixeles a un monitor. Un factor determinante para la obtención de imágenes con buena resolución en el SEM, es la naturaleza del soporte donde se deposita la muestra. Esta superficie debe ser lisa, homogénea y estar libre de impurezas. Las placas de silicio monocristalino son ampliamente usadas como superficie en SEM debido a que presentan una gran uniformidad superficial (figura 43a). a) b) Figura 43. a) Placa de silicio monocristalino sobre soporte para SEM. b) Tetrabenzo[a,c,m,o]pentafenos anfifílicos 265a-c. Para la preparación de las muestras optamos por la deposición de la muestra mediante evaporación lenta del disolvente, drop casting. La muestra se disolvió en una mezcla de dos disolventes con diferente polaridad. Con la evaporación del disolvente más volátil, las moléculas se ordenarían en función de las interacciones hidrofóbicas e hidrofílicas predominantes. Concretamente, se prepararon disoluciones de la serie 265a-c usando como disolventes THF, donde son solubles los pentafenos, y H2O. Con el objetivo de encontrar las condiciones más favorables para la formación de agregados supramoleculares, se probaron diferentes combinaciones de los dos disolventes, desde un 100% de H2O a un 100% de THF, con una concentración de 0.5 mg/mL. Las imágenes de microscopía de estructuras supramoleculares más definidas fueron obtenidas para la relación inicial THF/H2O 7:3 (figura 44). Trabajo realizado 130 a) b) Figura 51. a) STM sobre una mesa antivibración. b) Deposición de la muestra en el STM vía jeringa. Concretamente, se prepararon tres disoluciones del tetrabenzopentafeno anfifílico 265b (figura 49) con concentraciones del orden de 10-4, 10-5 y 10-6 M en octilbenceno. En todos los casos los resultados fueron insatisfactorios y no se pudo observar ningún tipo de patrón bidimensional sobre la superficie de grafito a 20 ºC y presión atmosférica. Como hemos mencionado anteriormente, el equilibrio adsorción-desorción de las moléculas puede requerir un tiempo para su estabilización. Sin embargo, experimentos realizados con diferentes tiempos de estabilización, desde varias horas a días, condujeron a resultados similares. El siguiente compuesto ensayado fue el tetrabenzopentafeno sustituido 271 (figura 49) que incorpora un centro quiral en cada una de las cadenas alquílicas en las posiciones de los ésteres. Este compuesto había sido preparado anteriormente en nuestro grupo de investigación por la Dra. Carmen Romero. La presencia de centros quirales en las moléculas podría inducir la formación de estructuras supramoleculares quirales en superficie.165 Se siguió el protocolo habitual preparando tres disoluciones de 271 en octilbenceno con concentraciones del orden de 10-4, 10-5 y 10-6 M. Para la disolución más concentrada (7.7 x 10-4 M) se observó la formación de unas estructuras longitudinales sobre la superfice de grafito con cierto orden aunque con poca resolución, y que mostraban una importante deriva.166 Cabe indicar que la 165 Barlow, S. M.; Raval, R. Surf. Sci. Rep. 2003, 50, 201. 166 Deriva o drift, se denomina al fenómeno observado en STM cuando las moléculas interaccionan de forma débil con la superficie. En estos casos, cuando la punta del STM escanea la superficie de la muestra las moléculas no permanecen fijas, obteniendo imágenes con baja resolución. Trabajo realizado 131 selección de un voltaje negativo (Vbias, figura 52) implica que el flujo de la corriente se dirige desde el grafito hacia la punta. Figura 52. Imagen de agregados moleculares formados en la interfase HPOG octilbenceno a partir de una disolución de 271 en octilbenceno 7.7 x 10-4 M a 20 ºC y 1 atm; Vbias = -50 mV; I = 100 pA; Gain = 85%.167168 Otro compuesto objeto de estudio fue el tetrabenzo[a,c,m,o]pentafeno 263, que incorpora cadenas alquílicas de doce eslabones en las posiciones de los ésteres y ocho alcoxílicas de seis eslabones unidas al núcleo aromático. Se prepararon tres disoluciones con concentraciones del orden de 10-4, 10-5 y 10-6 M del compuesto 263 (figura 49) en octilbenceno. El estudio mediante STM de estas disoluciones mostró la formación de agregados en superficie (figura 53), obteniéndose las imágenes con mayor resolución a una concentración de 8.8 x 10-4 M. Por lo tanto, la incorporación de las cadenas de doce eslabones en los grupos ésteres resultó crucial para la obtención de resultados positivos, probablemente debido a las interacciones de Van der Waals entre las cadenas y la superficie de grafito. Otro aspecto destacable, es la rapidez con la que se alcanza el equilibrio termodinámico de estas organizaciones bidimensionales, ya que transcurridos cinco minutos a partir de la deposición de la muestra se comienza a observar la formación de agregados en superficie con un patrón determinado. 167 Las imagenes de STM fueron analizadas y procesadas usando el software libre WSXM. 168 Horcas, I.; Fernández, R.; Gómez-Rodríguez, J. M.; Colchero, J.; Gómez-Herrero, J.; Baro, A. M. Rev. Sci. Instrum. 2007, 78, 013705. Trabajo realizado 132 a) b) c) Figura 53. Imágenes de agregados moleculares formados en la interfase HPOG octilbenceno a partir de una disolución de 263 en octilbenceno 8.8 x 10-4 M a 20 ºC y 1 atm, Vbias = -300 mV; I = 4.0 pA; Gain = 85%. En la figura 53a (300 x 300 nm), se observa la formación de una monocapa de moléculas organizadas siguiendo los dominios del grafito.169 En la figura 53b (100 x 100 nm), se observa con más detalle la disposición de las moléculas siguiendo los diferentes dominios del grafito.170 Cada punto brillante de las imágenes se asocia a una única molécula de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafeno, mostrando un tamaño aproximado de 1.6 nm, que se ajusta con el tamaño del núcleo aromático de esta estructura.171 En la figura 53c se puede comprobar cómo las moléculas se agrupan formando parejas. La presencia de cadenas alquílicas de doce eslabones en las posiciones de los ésteres podría favorecer la formación de esta asociación entre hileras por interacciones no covalentes de las cadenas entre sí. Por otro lado, es probable que la interacción de las cadenas alquílicas con la superficie de grafito sea parcial, de forma que parte de las cadenas se encuentre perpendicular a la superficie, formando parte de la disolución. Por último, se llevó a cabo un estudio del tetrabenzo[a,c,m,o]pentafeno 272, que contiene dos ésteres metílicos, incorporando cadenas alcoxílicas de doce eslabones en lugar de seis como en todos los ejemplos anteriores. Esta molécula había sido preparada anteriormente en nuestro grupo de investigación por la Dra. Carmen Romero. Se prepararon tres disoluciones de 272 en octilbenceno a diferentes concentraciones para su estudio en la superficie de grafito, obteniéndose los mejores resultados a partir de la disolución de concentración 3.8 x 10-6 M. Se observó la formación de 169 Se denominan dominios del grafito a los diferentes vectores originados en la cristalización del HOPG. 170 Heinz, R.; Stabel, A.; De Schryver, F. C.; Rabe, J. P. J. Phys. Chem. 1995, 99, 505. 171 El tamaño de la unidad de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafeno fue calculado usando el programa Mercury 3.0. Trabajo realizado 133 monocapas moleculares en pocos minutos después de su deposición en la superficie de grafito (figura 54). La rápida formación de estructuras bidimensionales organizadas, indica unas fuertes interacciones no covalentes de la molécula con el soporte sólido. a) b) c) Figura 54. Imágenes de agregados moleculares formados en la interfase HPOG octilbenceno a partir de una disolución de 272 en octilbenceno 3.8 x 10-6 M a 20 ºC y 1 atm, Vbias = -1.0 V; I = 7.0 pA; Gain = 85%. En las imágenes (figura 54) se observa una distribución uniforme de las moléculas por toda la superficie de grafito. En este caso no se constató la asociación de moléculas formando dímeros, por lo que la longitud de las cadenas en las posiciones de los ésteres podría ser la clave para la formación de ese patrón. Después de la estabilización de la disolución de 272 sobre la superficie de grafito, durante más de 10 horas, se obtuvieron imágenes con una mayor resolución (figura 55). Se observó que los núcleos aromáticos de las diferentes moléculas que componen una hilera apuntan en un mismo sentido, mientras que en las hileras adyacentes apuntan en sentido opuesto. Cabe destacar tanto el orden observado para la monocapa molecular como la resolución atómica obtenida en condiones ambientales en la interfase líquidosólido. En la figura 55c se han superpuesto las estructuras del núcleo aromático del tetrabenzo[a,c,m,o]pentafeno sobre las moléculas de la imagen real, representándolas en verde o en azul dependiendo de su orientación. Esta imagen permite visualizar la disposición alternada de hileras de moléculas en las que las unidades de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafeno están giradas 180º con respecto a las de las hileras adyacentes. Trabajo realizado 134 a) b) c) Figura 55. Imágenes de agregados moleculares formados en la interfase HPOG octilbenceno a partir de una disolución de 272 en octilbenceno 3.8 x 10-6 M a 20 ºC y 1 atm, Vbias = -1.0 V; I = 7.0 pA; Gain = 85%. Este tetrabenzopentafeno también mostró una alta organización en la interfase sólido-líquido cuando el disolvente empleado fue el 1,2,4-triclorobenceno (TCB) (figura 56). La disolución del compuesto 272 en TCB a una concentración de 4.9 x 10-4 M mostró la formación de una monocapa con un patrón diferente al exhibido en octilbenceno. En las imágenes obtenidas mediante STM, se pudo observar la formación uniforme de monocapas moleculares en toda la superficie de grafito, siguiendo los dominios del mismo. Este hecho pone en evidencia la influencia del disolvente en la formación de las organizaciones bidimensionales. a) b) c) Figura 56. Imágenes de agregados moleculares formados en la interfase HPOG 1,2,4triclorobenceno a partir de una disolución de 272 en 1,2,4-triclorobenceno 3.8 x 10-6 M a 20 ºC y 1 atm, Vbias = -350 mV; I = 28.0 pA; Gain = 85%. Por tanto, hemos comprobado mediante STM cómo el tipo de sustitución en el núcleo de tetrabenzo[a,c,m,o]pentafeno y el disolvente usado para su análisis determina el autoensamblaje supramolecular y la morfología de las estructuras bidimensionales obtenidas en la interfase sólido-líquido. Trabajo realizado 135 6. Propiedades opto-electrónicas de derivados de acenos, afenos y estarfenos Los acenos, y en particular los pentacenos, son objeto de un gran número de estudios debido a sus propiedades electrónicas y su posible uso como semiconductores orgánicos en dispositivos fotoelectrónicos.16 En este trabajo se han obtenido numerosos HPAs cata y peri-condensados que poseen unidades de aceno de diferentes longitudes en su estructura. Dadas las prometedoras propiedades de los acenos y sus derivados, creímos conveniente el estudio de sus propiedades electrónicas. Además, las reacciones de cicloadición (2+2+2) de algunos de los arinos policíclicos generados en esta tesis permitieron obtener otras familias de HPAs con geometría angular o trigonal, que podemos considerar de forma general derivados de afenos y estarfenos, respectivamente, cuyas propiedades electrónicas han sido también objeto de estudio. Los principales parámetros empleados para la evaluación de acenos como moléculas semiconductoras son las energías de los orbitales frontera (EHOMO, ELUMO), la diferencia energética entre dichos orbitales (gap o Egap), la movilidad de carga, la estabilidad cinética en condiciones ambientales (O2 y luz), y su empaquetamiento en estado sólido. El pentaceno es un ejemplo de semiconductor orgánico, con propiedades electrónicas muy interesantes, como Egap de 2.08 eV y movilidades de carga superiores a 1 cm2 V-1 s-1. Sin embargo, su utilidad práctica se ve limitada por ser inestable en condiciones ambientales (t1/2 = 7.5 min).23 El estudio de los espectros de absorción y de emisión, y de los voltamogramas cíclicos de las moléculas policíclicas aromáticas es relevante para estimar los valores energéticos los gaps y de los orbitales HOMO y LUMO, y por tanto para estudiar su potencial como nuevos materiales moleculares en dispositivos fotoeléctricos. En este contexto, se han llevado a cabo experimentos de UVVis, fluorescencia y voltametría cíclica para poder determinar experimentalmente estos parámetros, que a continuación se detallan. Dada la diversidad estructural de las moléculas sintetizadas hemos decidido agruparlas en función del aceno presente en la estructura aromática de los poliarenos, para de este modo visualizar de forma más sencilla la relación entre estructura y propiedades. Así, en la tabla 3 se indican los datos espectroscópicos obtenidos a partir de los espectros de absorción (figura 57) y 16 Anthony, J. E. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 452. 23 Kaur, I.; Jia, W.; Kopreski, R. P.; Selvarasah, S.; Dokmeci, M. R.; Pramanik, C.; McGruer, N. E.; Miller, G. P. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16274. Trabajo realizado 136 emisión en CH2Cl2,172 para una serie de compuestos que presentan una unidad de tetraceno en su estructura policíclica. En general, las bandas de absorción de menor energía de los tetracenos estudiados, muestran unas longitudes de onda menores a la exhibida por tetraceno,173 a excepción de aceno 251. El espectro de emisión del tetraceno muestra un máximo a 476 nm,174 mientras que los máximos de emisión registrados para los tetracenos estudiados oscilan entre los 465 y 511 nm. También se observaron desplazamientos de Stokes significativos en todos los acenos de la serie, a excepción de 251. El inicio de la banda de menor energía del tetraceno octafenilado 251 (entrada 1), que no contiene ningún anillo fusionado, es con diferencia la que exhibe un mayor desplazamiento batocrómico. Al comparar los datos espectroscópicos de los dibenzotetracenos 232 y el 234 (entradas 2 y 3, tabla 3), se observa como la presencia de los grupos fenilo en el extremo del aceno 234 provoca un desplazamiento batocrómico de 31 nm en el inicio de la banda de absorción de menor energía (onset). Dado que la banda UV-Vis de menor energía corresponde con la excitación monoelectrónica HOMO-LUMO, es decir el gap (Egap), se puede afirmar que el aceno tetrafenilado 234 posee un gap menor que el análogo estructural 232. La extensión de la conjugación del sistema policíclico mediante la fusión de anillos bencénicos en los extremos de la molécula 239 en forma de fenantreno, no conduce a desplazamientos batocrómicos significativos con respecto a 232. Por otro lado, es destacable que el dibenzotetraceno 231 (entrada 6) presenta una estructura de bandas totalmente distinta y un onset relativamente bajo en comparación con el resto de la serie, lo que sugiere que la presencia de la unidad de pireno en la estructura aromática tiene una influencia relevante. 172 Ver anexo I para los espectros de emisión. 173 Okamoto, T.; Suzuki, T.; Tanaka, H.; Hashizume, D.; Matsuo, Y. Chem. Asian J. 2012, 7, 105. 174 Odom, S. a; Parkin, S. R.; Anthony, J. E. Org. Lett. 2003, 5, 4245. Trabajo realizado 137 300 350 400 450 500 550 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Absorcion Normalizada nm 251 232 234 239 238 231 Figura 57. Espectros de absorción de 251 (línea negra), 232 (línea roja), 234 (línea azul), 239 (línea ciano), 238 (línea fucsia), 231 (línea verde). Entrada HPA max absa (nm) onset absb (nm) max emc (nm) 1 310 518 511 2 328 460 473 3 339 491 488 4 361 465 508 5 354 475 501 6 350 424 465 Tabla 3. Datos espectroscópicos de derivados de tetraceno. [a] Máximo de absorción. [b] onset de la banda de absorción de menor energía. [c] Máximo de emisión irradiando en el máximo de absorción (max). Los datos espectroscópicos obtenidos a partir de los espectros de absorción (figura 58) y emisión en CH2Cl2 de los derivados pentaceno se muestran en la tabla 4. Sólo los derivados cata-fusionados (235 y 249) mostraron las bandas de absorción de menor energía entre 500 y 600 nm, características del Trabajo realizado 138 pentaceno.175 Los compuestos peri-fusionados, que incorporan una unidad de pireno en un extremo del núcleo aromático, mostraron las bandas de absorción características de los acenos a longitudes de onda menores (entradas 3-5). El máximo de emisión registrado para el pentaceno es de 585 nm,176 mientras que los datos obtenidos para los derivados de pentaceno estudiados fueron todos a menores longitudes de onda, entre los 447-572 nm. En esta serie de derivados del pentaceno no se observan desplazamientos de Skotes significativos, salvo para el derivado 240, donde sí es relavante. Al comparar los datos espectroscópicos de los acenos 235 y 249 (entradas 1 y 2), se observa que la extensión de la conjugación mediante fusión de anillos bencénicos en los extremos, terminación tipo fenatreno, 249 muestra un efecto de desplazamiento hacia el azul de 38 nm en el onset con respecto a la molécula 235 (terminación tipo aceno). Comparando el espectro de absorción de los derivados 233 y 228 (figura 58), no se observan cambios significativos por la influencia del grupo triflato y el grupo TMS en la molécula 228. Sin embargo, sí se observa un efecto hipsocrómico de 31 nm en el máximo de emisión del dibenzopentaceno sustituido 228 (entrada 4) con respecto al 233. Cabe destacar que los pentacenos que contienen la unidad de pireno (entradas 3-5) en su estructura aromática, muestran un onset sensiblemente inferior a los mostrados por los derivados 249 y 235. 250 300 350 400 450 500 550 600 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Absorcion Normalizada  / nm 235 249 233 228 240 Figura 58. Espectros de absorción de 235 (línea negra), 249 (línea roja), 233 (línea azul), 228 (línea ciano), 240 (línea fucsia). 175 Chen, K. Y.; Hsieh, H. H.; Wu, C. C.; Hwang, J. J.; Chow, T. J. Chem. Commun. 2007, 1065. 176 Perkampus, H. H.; Sandeman, I.; Timmons, C. J. DMS UVAtlas of Organic Compounds, Verlag Chemie, Weinheim, 1971. Trabajo realizado 139 Entrada HPA max absa (nm) onset absb (nm) max emc (nm) 1 350 580 572 2 365 542 538 3 285 480 478 4 288 484 447 5 372 470 508 Tabla 4. Datos espectroscópicos de los derivados del pentaceno. [a] Máximo de absorción. [b] onset de la banda de absorción de menor energía. [c] Máximo de emisión irradiando en el máximo de absorción (max). En la tabla 5 se recogen los datos espectroscópicos obtenidos a partir de los espectros de absorción (figura 59) y emisión en CH2Cl2 de los derivados de hexaceno y octaceno. De nuevo, los acenos que incorporan la unidad de pireno en su estructura aromática (entradas 2-4), presentan una banda de absorción entorno a los 320 nm asociadada a este cromóforo. Las bandas de absorción características de los acenos en los derivados 252 y 253 se muestran semejantes (entradas 1 y 4). Concretamente, se observa un desplazamiento batocrómico en el tetrabenzooctaceno 253 de únicamente 5 nm en la banda de absorción de menor energía, y de 4 nm en el máximo de emisión. Sin embargo, el máximo de absorción (max) del tetrabenzooctaceno 253 se registra a 414 nm frentre a los 374 nm para el tetrabenzohexaceno 252. Los datos espectroscópicos de las moléculas 236 y 241 (entradas 2 y 3), muestran que la extensión de la conjugación mediante fusión de anillos bencénicos en los extremos de 241 (terminación tipo fenantreno), induce un efecto de desplazamiento hacia el azul de 34 nm en onset, y de 34 nm en el máximo de emisión con respecto a 236 (terminación tipo aceno). Espectros 27 Espectros 28 Espectros 29 Espectros 30 Espectros 31 Espectros 32 Espectros 33 Espectros 34 Espectros 35 Espectros 36 Espectros 43 Espectros 44 Espectros 45 Espectros 46 Espectros 47 Espectros 48 Espectros 49 Espectros 50 Espectros 51 Espectros 52 Espectros 59 Espectros 60 Espectros 61 Espectros 62 Espectros 63 Espectros 64 Espectros 65 Espectros 66 Espectros 67 Espectros 68 Espectros 75 Espectros 76 Espectros 77 Espectros 78 Espectros 79 Espectros 80 Espectros 81 Espectros 82 Espectros 83 Espectros 84 Espectros 91