Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise

Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Ciências da Universidade do Porto em Química 2014 António Aguiar ii FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise iii Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Orientador: Baltazar de Castro, Professor Catedrático, Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Coorientador: Ana Margarida Silva, Investigadora Auxiliar, Faculdade de Ciências da Universidade do Porto António Aguiar Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Ciências da Universidade do Porto em Química 2014 iv FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise v “The first principle is that you must not fool yourself — and you are the easiest person to fool.” Richard Feynman vi FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise vii Agradecimentos Ao Departamento de Química e Bioquímica da Universidade do Porto por me oferecer todas as condições necessárias para a elaboração desta dissertação. Ao Professor Doutor Baltazar de Castro, por ser meu orientador e por me dar a oportunidade de desenvolver um trabalho de investigação nesta área. À Doutora Ana Margarida Silva, coorientadora desta dissertação e de quase todo o meu trabalho laboratorial, pelo apoio, orientação, confiança, entusiasmo, alegria, simpatia e incentivo, nestes quase 3 anos de trabalho conjunto. À Doutora Salete Balula por me orientar em determinadas fases do meu trabalho, e por toda a disponibilidade, encorajamento, e por me mostrar outros “caminhos” que posso seguir na Química. Ao Doutor Luís Silva e ao Doutor André Silva por toda a simpatia, disponibilidade e ajuda que me ofereceram na caracterização dos compostos, de modo a tornarem o meu trabalho mais rico e completo. A todos os meus colegas de laboratório pela boa disposição, ajuda, companheirismo que fez do laboratório um fantástico local de trabalho. A todos os meus amigos que me acompanharam de perto e de longe nos últimos anos, ajudando-me nas mais variadas coisas ou sendo simplesmente amigos. À Luísa por ser a namorada fantástica que é. Obrigado por me animares, encorajares, ajudares e apoiares sempre. Muito da pessoa e do Químico que sou hoje devo a ti. À minha Família por ser uma família com “F” grande. Ao João por ser o irmão chato, que todos os irmãos mais novos devem ser. Por fim mas com o principal agradecimento, agradeço aos meus pais, uma vez que tudo o que sou e alcancei até agora foi devido a todo o amor, dedicação, apoio e luta que eles tiveram. Muito obrigado pelo esforço que têm diariamente para que eu e o João tenhamos as melhores oportunidades e um melhor futuro. viii FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise ix Resumo O trabalho desenvolvido nesta tese apresenta estudos envolvendo a química de derivados porfirínicos encontrando-se dividido em cinco capítulos, organizados em introdução geral, síntese de macrociclos porfirínicos, oxidação de compostos de enxofre catalisada por metaloporfirinas, parte experimental e conclusão. No primeiro capítulo é apresentada uma revisão bibliográfica dos macrociclos porfirínicos, abrangendo a respetiva nomenclatura, características físico-químicas, reatividade, ocorrência natural, aplicações e métodos de síntese. O segundo capítulo expõe a síntese de diversos derivados porfirínicos, a partir de uma porfirina base: 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina. Dos compostos sintetizados, são de destacar a síntese e caracterização da metaloporfirina dimérica [μ-O(FeTPFPP)2], por ser uma metaloporfirina pouco conhecida, e de novos derivados porfirínicos do tipo clorina, obtidos por reação de cicloadição 1,3-dipolar com nitronas. Em seguida, a partir de uma das clorinas obtidas foram estudadas as reações de metilação e hidrogenação com vista à obtenção de clorinas catiónicas e clorinas com fusão nas posições meso-β-pirrólicas. O terceiro capítulo explora a eficiência das metaloporfirinas [μ-O(FeTPFPP)2] e [FeCl(TPFPP)] como catalisadores da oxidação de dois substratos de enxofre (dibenzotiofeno e dissulfureto de dibutilo). A eficiência catalítica de ambos os catalisadores para ambos os substratos foi elevada, num contexto de catálise homogénea, o que é excelente, porque cada vez mais se tem intensificado a procura de catalisadores capazes de promover a oxidação seletiva de compostos orgânicos, sob condições moderadas e não agressivas para o meio ambiente. Numa tentativa de rentabilizar o sistema homogéneo testou-se a reutilização dos sistemas catalíticos, tendo obtido bons resultados, principalmente para a metaloporfirina [μ-O(FeTPFPP)2] que quase completou 4 ciclos catalíticos com 100% de eficiência. Foi ainda avaliada a potencialidade do catalisador ([μ-O(FeTPFPP)2]) em catálise heterogénea. Com este objetivo foi realizada com sucesso a imobilização dessa metaloporfirina de Ferro(III), num suporte de sílica mesoporosa (SBA-15) funcionalizada com aminofeniltrimetoxisilano. O quarto capítulo corresponde à descrição detalhada das sínteses realizadas durante este trabalho, bem como a caraterização detalhada de todos os produtos obtidos e a identificação dos reagentes e equipamentos utilizados. Finalmente, o quinto capítulo expõem todas as conclusões que foram possíveis retirar do trabalho realizado durante a dissertação. xvi FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Figura 3.5.Cromatograma do produto precipitado que resulta da oxidação do DBT (a)), cromatograma da sulfona comercial (b)), cromatograma de uma alíquota da reação de oxidação do dbt (c)); Circunferência azul corresponde ao pico da sulfona, circunferência preta corresponde ao pico do DBT e circunferência vermelha corresponde ao pico do etilbenzeno (padrão) ............................................................. 76 Figura 3.6. Espetros de UV-Vis traçado no final de cada ciclo catalítico na reação oxidação do DBT (a)) e dissulfureto de dibutilo (b)) .................................................... 78 Figura 3.7. Espectros de UV-Vis do final de cada ciclo catalítico para o ensaio com 1 equivalente molar para o DBT (a1) e dissulfureto de dibutil (a2), e para o ensaio com 2 equivalentes molar para o DBT (b1) e dissulfureto de dibutil (b2) ................................. 82 Figura 3.8. Diferenças de coloração entre material funcionalizado (aftmsSBA-15) e o compósito (μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15) .............................................................. 86 Figura 3.9. Padrões de difração de raios-X das amostras: SBA-15 (azul), SBA-15 funcionalizado (aftmsSBA-15) e Compósito ................................................................ 87 Figura 3.10. Espectro de FTIR da metaloporfirina μ-O(FeTPFPP)2 ............................ 88 Figura 3.11. Comparação do espectro de FTIR do SBA-15 (azul), SBA-15 funcionalizado (vermelho) e do compósito (verde), e respetivas ampliações .............. 89 Figura 3.12. Espectros de UV-Vis do meio reacional após o 1ºciclo catalítico da oxidação do DBT com o compósito μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 como catalisador ................................................................................................................................... 91 Índice de Esquemas Esquema 2.1. Rota das principais sínteses elaboradas neste trabalho ....................... 26 Esquema 2.2. Síntese da TPFPP ............................................................................... 27 Esquema 2.3 Síntese da μ-O(FeTPFPP)2 ................................................................... 29 Esquema 2.4. Síntese da porfirina [FeCl(TPFPP)] ...................................................... 30 Esquema 2.5. Reação de cicloadição de PFTPP (dipolarófilo) e nitronas N-substituídas ................................................................................................................................... 38 Esquema 2.6. Síntese da clorina 3.2 .......................................................................... 43 Esquema 3.1. Substratos reduzidos pelo Citocromo P450 ......................................... 68 Esquema 3.2. Ciclo catalítico do citocromo P450 [10] ................................................. 69 Esquema 3.3.Oxidação do DBT a DBTO2 catalisada pela metaloporfirina na presença de H2O2 ....................................................................................................................... 76 Esquema 3.4. Tentativa de imobilização da metaloporfirina no suporte sólido funcionalizado……………………………………………………………………………….....86 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise xvii Índice de Tabelas Tabela 1.1. Alguns fotossensibilizadores aprovados para PDT ................................... 10 Tabela 2.1. Comprimento de onda do máximo de absorção e coeficientes de absortividade molar das metaloporfirinas .................................................................... 32 Tabela 2.2. Dados da refinação do cristal de [ μ-O(FeTPFPP)2] .................................. 33 Tabela 2.3. Rendimentos obtidos da reação da TPFPP com as nitronas N-substituídas ................................................................................................................................... 39 Tabela 2.4. Rendimento da cicloadição 1,3-dipolar com metaloporfirinas como dipolarófilos ................................................................................................................ 39 Tabela 2.5. Efeito a temperatura/potência no rendimento da clorina 3 ........................ 41 Tabela 2.6. Comprimento de onda do máximo de absorção e coeficientes de absortividade molar das clorinas ................................................................................. 46 Tabela 2.7. Dados de RMN de 1H das clorinas sintetizadas durante este trabalho ..... 52 Tabela 2.8 Dados da refinação do cristal da clorina 3 (direita) e da clorina 3.2.2 (esquerda) .................................................................................................................. 58 Tabela 3.1.Parâmetros usados na análise por cromatografia gasosa ......................... 73 Tabela 5.1. Principais macrociclos porfirínicos sintetizados e correspondentes rendimentos .............................................................................................................. 111 Índice de Gráficos Gráfico 2.1. Gráfico de absorvância em função da concentração para a banda Soret (λ=406 nm) da porfirina [FeCl(TPFPP)]. ...................................................................... 31 Gráfico 3.1. Curvas de calibração, e respetivas equações e regressão linear, para a quantificação de DBT e dissulfureto de dibutilo ........................................................... 73 Gráfico 3.2. Conversão catalítica da oxidação de DBT com a variação de H2O2 ......... 74 Gráfico 3.3. Conversão catalítica da oxidação do dissulfureto de dibutil com a variação de H2O2. ...................................................................................................................... 75 Gráfico 3.4. Reutilização do sistema catalítico da oxidação do DBT e do dissulfureto de dibutilo ........................................................................................................................ 77 Gráfico 3.5. Conversão catalítica da oxidação do DBT com 4,8 x10-7 mol de catalisador ................................................................................................................................... 79 Gráfico 3.6. Conversão catalítica da oxidação do DBT com 9,7 x10-7 mol de catalisador .................................................................................................................. 80 Gráfico 3.7. Reutilização do sistema catalítico para a oxidação do DBT com 4,8 x10-7 mol e 9,7 x10-7 mol de metaloporfirina monomérica .................................................... 81 xviii FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Gráfico 3.8. Reutilização do sistema catalítico para a oxidação do dissulfureto de dibutilo com 4,8 x10-7 mol 9,7 x10-7 mol de metaloporfirina monomérica .................... 81 Gráfico 3.9. Oxidação do DBT e reciclagem usando o compósito μ- O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 ..................................................................................... 90 Gráfico 3.10. Oxidação do dissulfureto de dibutilo e reciclagem usando o compósito μ- O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 ..................................................................................... 90 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise xix Lista de Abreviaturas e Acrónimos COSY Correlação espectroscópica homonuclear, bidimensional, em RMN Ea Energia de ativação FDA Food and Drug Administration, EUA GC-FID Cromatógrafo gasoso com detetor de ionização por chama HDS Hidrodessulfurização HSQC Correlação espectroscópica heteronuclear bidimensional, em RMN HOMO Orbital molecular ocupada de mais alta energia ICP Espectroscopia de emissão atómica induzida por plasma IUPAC União Internacional de Química Pura e Aplicada Lista de Abreviaturas de Compostos aftms Aminofeniltrimetoxissilano DBT Dibenzotiofeno DBTO2 Sulfona de dibenzotiofeno DCM Diclorometano DDQ 2,3-dicloro-5,6-dicianobenzoquinona DMF Dimetilformamida [FeCl(TPFPP)] Cloreto de 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirinato de Ferro(III) Mg(TPFPP) 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirinato de Magnésio(II) NADPH Fosfato dinucleótido de nicotinamida e adenina Py Piridina SBA Santa Barbara Amorphous SOx Óxido de enxofre TFA Ácido trifluoroacético THF Tetrahidrofurano TMP 5,10,15,20-tetraquis(trimetilfenil)porfirina TMS Tetrametilsilano TPC 5,10,15,20-tetrafenilclorina TPFPP 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina TPP 5,10,15,20-tetrafenilporfirina Zn(TPFPP) 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirinato de zinco(II) μ-O(FeTPFPP)2 Oxo-dímero de 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina de Ferro(III) xx FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise LUMO Orbital molecular livre de mais baixa energia MS-ESI+ Espectrometria de massa em ESI modo positivo ODS Dessulfurização Oxidativa PDT Terapia fotodinâmica ppm Partes por milhão RF Fator de retenção RMN de 1H Espetroscopia de ressonância magnética nuclear de protão RMN de 13C Espetroscopia de ressonância magnética nuclear de carbono RMN de 19F Espetroscopia de ressonância magnética nuclear de flúor TLC Cromatografia em camada fina UV Ultra-violeta UV-Vis Espectroscopia de ultravioleta-visível XRD Difração de Raios-X Lista de Símbolos Abs Absorvância b Caminho ótico d Dupleto dd Duplo dupleto ddd Duplo dupleto de dupletos J Constante de acoplamento m Multipleto M+ Ião molecular m/z Razão massa/carga s Singleto t Tripleto δ Desvio químico em ppm ε Coeficiente de extinção molar λ Comprimento de onda λmáx Comprimentos de onda para os máximos de absorvância FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 1 1. Introdução Geral 2 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 1.1. Porfirina A palavra porfirina deriva da palavra grega porphura, que era usada para descrever a cor púrpura, cor característica de várias porfirinas. [1] Estes compostos, pertencem ao grupo dos macrociclos tetrapirrólicos, bastante abundantes na Natureza, tendo uma incontestável importância biológica. A f acilidade de “design” e a versatilidade estrutural, aliadas às propriedades físico-químicas, tornam as porfirinas um alvo apetecível para diversas aplicações, mantendo e estimulando o interesse no estudo destes “pigmentos da Vida”. [1] 1.1.1. Estrutura e nomenclatura As porfirinas são macrociclos tetrapirrólicos formados por quatro anéis pirrólicos ligados por pontes metínicas (-CH=). Este macrociclo tetrapirrólico foi proposto pela primeira vez por Küster em 1912, mas não foi muito bem aceite pela comunidade científica, uma vez que consideravam que um anel tão grande deveria ser instável. [1] Fischer, “pai da química moderna das porfirinas”, que inicialmente também estava no grupo dos céticos, veio confirmar essa mesma estrutura em 1929, ao sintetizar o grupo heme. [2] Quando se fala em porfirinas, dois sistemas de nomenclatura se destacam: a nomenclatura proposta por Fischer e a nomenclatura da IUPAC. [3] De acordo com a nomenclatura de Fischer, existem três tipos de posições: as posições meso (carbonos “interpirrólicos”) que são representadas pelas letras gregas α, β, γ e δ; as posições α-pirrólicas (carbonos pirrólicos adjacentes aos azotos) que não são numeradas; e as posições β-pirrólicas (carbonos pirrólicos não adjacentes aos azotos) numeradas de 1 a 8, Figura 1.1 (a). Segundo a nomenclatura da IUPAC os carbonos dos macrociclos tetrapirrólicos são numerados sequencialmente de 1 a 20, os azotos no interior do macrociclo de 21 a 24 e os átomos de carbono externos são designados com índices, como demonstra Figura 1.1 (b). Por uma questão de rigor, os macrociclos serão denominados de acordo com as recomendações da IUPAC, em todo o trabalho. FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 3 Figura 1.1. Nomenclatura de macrociclos porfirínicos segundo Fisher a) e IUPAC b) 1.1.2. Estrutura e características físico-químicas A porfirina (1.1, Figura 1.2) corresponde a um macrociclo tetrapirrólico insaturado. Quando o macrociclo porfirínico possui os anéis pirrólicos ligados por grupos metileno (-CH2-) denomina-se porfirinogénio 1.2, Figura 1.2). Quando perde uma ligação dupla, nas posições β-pirrólicas, origina a clorina (1.3), ao passo que se perder duas ligações duplas poderá originar a bacterioclorina (1.4) (anéis pirrólicos opostos) ou isobacterioclorina (1.5) (anéis pirrólicos adjacentes), (Figura 1.3). As porfirinas possuem um total de 22 eletrões π , no entanto, apenas 18, destes eletrões π contribuem para o carácter aromático do macrociclo, respeitando assim a lei de Hückel [4]. Desta forma, o carácter aromático é mantido nas clorinas, bacterioclorinas, e isobacterioclorinas, uma vez que possuem 20 e 18 eletrões π, respetivamente, como exibe a Figura 1.3. 1.1 1.2 Figura 1.2. Representação da porfirina (1.1) e porfirinogénio (1.2). 1.3 1.4 1.5 Figura 1.3. Representação da clorina (1.3), bacterioclorina (1.4) e isobacterioclorina (1.5). δ γ b) a) α β 4 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise A porfirina possui todos os átomos de carbono dos anéis com hibridação sp2, já a clorina possui dois carbonos sp3, devido à ligação β-pirrólica reduzida, a bacterioclorina e o seu isómero (isobacterioclorina) possuem quatro carbonos sp3. A porfirina, apesar de na forma mais simples (sem substituintes) ser um macrociclo planar, pode adquirir formas mais ou menos torcidas conforme o número e tipo de grupos substituintes introduzidos na periferia, ou com a saturação de uma ou duas posições β-pirrólicas.[5] O elevado número de ligações duplas conjugadas presentes no macrociclo tetrapirrólico permite a absorção de radiação na zona do visível do espetro eletromagnético. Esta absorção é evidenciada visualmente pela exibição de cor, característica importante neste tipo de compostos tetrapirrólicos. O espetro de absorção das porfirinas apresenta uma banda de forte intensidade na região dos 400 nm, designada por banda Soret. A banda Soret resulta da deslocalização dos dezoito eletrões π conjugados do macrociclo, logo esta banda mantem-se nos macrociclos do tipo clorina, bacterioclorina e isobacterioclorina. Só quando o anel sofre abertura ou a conjugação é interrompida por qualquer outro motivo é que a banda Soret desaparece. Na região dos 500-650 nm existe uma série de bandas, normalmente quatro, de menor intensidade (em comparação com a Soret) designados por bandas Q. A intensidade relativa dessas bandas varia consoante o número e posição relativa dos grupos substituintes que se encontram nas posições periféricas do macrociclo, (Figura 1.4) e são as responsáveis por conferir as diferentes cores aos compostos. Estas bandas resultam de transições proibidas por simetria,[6] e são designadas de IV, III, II, I, [7] ou Qy(1,0), Qy(0,0), Qx(1,0), Qx(0,0) respetivamente. [8] Figura 1.4. Espetro UV-Vis de meso-tetraarilporfirinas em tetra-hidrofurano [7] FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 5 Os espetros eletrónicos de absorção de porfirinas, são explicados pela teoria das quatro orbitais de fronteira, modelo de Gouterman, [6] (Figura 1.5 (b)), no qual as bandas são provocadas por t ransições π-π* entre duas orbitais HOMO (do inglês Highest Occupied Molecular Orbital) e duas orbitais LUMO (do inglês Lowest Occupied Molecular Orbital). Essas transições são polarizadas ao longo dos eixos x e y do anel porfirínico, sendo duas x-polarizadas, e duas y-polarizadas, (Figura 1.5 (a)).[6, 8] Figura 1.5. a) Sistema de eixos no “esqueleto” porfirínico; b) Representação das orbitais e transições eletrónicas entre o estado fundamental e o estado excitado de porfirinas complexadas e “livres” segundo o modelo proposto por Gouterman[8] As porfirinas complexadas ou com os azotos centrais reduzidos apresentam maior simetria que as porfirinas livres (D4h em vez de D2h)[8], por esse motivo possuem apenas duas bandas Q, designadas α e β,(Figura 1.5 (b) e Figura 1.6). Figura 1.6. Espetro UV-Vis da metaloporfirina [FeIII(tpfpp)(OH)-(OOH)], em acetonitrilo, adaptado de Franke et al. [9]. Os espetros de UV-Vis das porfirinas reduzidas apresentam diferenças significativas comparativamente aos das porfirinas, nomeadamente no que concerne às bandas Q. Desta forma, a espetroscopia de UV-Visível é habitualmente utilizada na a ) b) 12 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise acético ou propiónico) é substituído por uma mistura de ácido acético e nitrobenzeno, Figura 1.10. Com este método conseguiu-se obter a porfirina cristalizada no meio reacional com elevado grau de pureza, uma vez que a mistura nitrobenzeno / ar, a temperaturas superiores a 120ºC é capaz de promover a oxidação do porfirinogénio e da clorina a porfirina. Figura 1.10.Método de nitrobenzeno para a síntese de porfirinas meso-substituídas Tal como foi referido, na síntese convencional de macrociclos porfirínicos são usados solventes halogenados e ácidos perigosos, uma vez que são os que solubilizam e catalisam melhor o ataque do pirrol ao aldeído com formação do porfirinogénio. No entanto, na ótica da química sustentável estes métodos são indesejáveis e ultimamente estão a dar os primeiros passos para a síntese de porfirinas usando rotas mais “verdes”. [47] O uso da água como substituinte dos solventes orgânicos na síntese de macrociclos porfirínicos tem sido um dos métodos mais desenvolvidos. Nesse sentido foi já sintetizado um dipirrometano, por reação de pirrol com a correspondente cetona em meio ácido, com rendimentos altos e sem necessidade de purificação,[48] e corróis (análogo das porfirinas),[49] por reação de pirrol com aldeído numa mistura água/metanol na presença de HCl, muitas vezes contaminado por porfirinas. Também se tem estudado o uso de líquidos iónicos como catalisadores ácidos,[50] para tornar a rota de síntese de TPP mais “verde”. A substituição de quinonas (usadas na oxidação, nas metodologias clássicas) por compostos menos tóxicos, menos caros e, pelo menos, igualmente eficazes também tem vindo a acentuar-se. O MnO2 apresenta-se como uma alternativa bastante promissora para a oxidação do porfirinogénio, uma vez, que é mais vantajoso a nível económico e ambiental que as quinonas, normalmente usadas. Além disso as FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 13 reações com MnO2 possuem um rendimento ao nível do das quinonas e são mais fáceis de purificar.[51] Outro composto que poderá substituir as quinonas é o SeO2, pois opera como oxidante heterogéneo em sínteses com determinadas condições.[52] 1.1.7. Fusão nas posições β,β’- pirrólicas O desenvolvimento de procedimentos com vista à transformação de porfirinas em clorinas reveste-se de grande importância devido à potencial aplicação destes compostos nas mais diversas áreas, desde a catálise à medicina. As clorinas com diferentes substituintes nas posições meso e β-pirrólicas podem ser obtidas a partir da condensação de dipirrometano ou por transformações em porfirinas. A condensação de dipirrometanos como é um método mais trabalhoso, devido à dificuldade que existe em preparar os dipirrometanos,[53] é muitas vezes preterido em relação ao método de transformações de porfirinas.[53] Como já está vastamente descrito reações de cicloadição podem ser excelentes métodos na preparação de clorinas. O conceito de cicloadição 1,3-dipolar foi inicialmente introduzido por Smith em 1938, [54] mas apenas depois do seu uso por Huisgen nos anos 60 é que ficou mais conhecida e mais aplicada. [55] A cicloadição 1,3-dipolar é um método importante de síntese de compostos heterocíclicos de cinco membros. Esta reação termicamente permitida pela regra de Woodward–Hoffmann, [4] envolve a reação de um dipolarófilo com uma espécie 1,3- dipolo, (Figura1.11). Conforme a estrutura do dipolarófilo e do 1,3-dipolo pode-se obter uma grande variedade de heterociclos. [56] A reação entre o dipolarófilo e o 1,3-dipolo envolve um mecanismo concertado, em que o estado de transição resulta da interação do sistema dos eletrões π do dipolo com o sistema de dois eletrões π do dipolarófilo tal como a reação de Diels-Alder (reação [4π+2π]). [57] Figura1.11. Cicloadição 1,3-dipolar 14 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise A designação 1,3-dipolo surge do facto de não ser possível escrever estruturas com todos os eletrões emparelhados sem que haja cargas formais. Deste modo, a espécie 1,3-dipolo é composta por 3 átomos com os eletrões π deslocalizados. Os 1,3- dipolos podem dividir-se em dois grupos distintos: o tipo alilo, com uma estrutura angular e o tipo propargilo/alenilo com uma estrutura linear (Figura 1.12). Figura 1.12. Exemplos de 1,3-dipolos A reatividade dos 1,3-dipolos pode ser analisada recorrendo à teoria das orbitais de fronteira. Em 1974, Reiner Sustmann e colaboradores [58] classificaram as reações de cicloadição 1,3-dipolar em três categorias, em função da interação HOMOLUMO dominante, (Figura 1.13). As cicloadições do tipo I são aquelas em que a interação dominante é entre a HOMO do dipolo e a LUMO do dipolarófilo, as cicloadições do tipo II ocorrem quando as possíveis interacções HOMOdipolo- LUMOdipolarófilo e LUMOdipolo-HOMOdipolarófilo são energeticamente semelhantes, de maneira que a interação dominante dependerá, em cada caso particular, tanto da natureza do dipolo como da do dipolarófilo, já as do tipo III, a interação dominante é entre a LUMO do dipolo e a HOMO do dipolarófilo. Os diferentes tipos de interação dependem dos grupos substituintes tanto do dipolarófilo como do 1,3-dipolo. Por exemplo, numa interação do tipo II, se o dipolarófilo contiver grupos sacadores de eletrões, a interação mais favorável será entre a LUMO do dipolarófilo e a HOMO do 1,3-dipolo, enquanto que se o dipolarófilo tiver grupos dadores de eletrões a interação mais favorável será entre a HOMO do dipolarófilo e a LUMO do 1,3-dipolo, assim, os grupos substituintes também poderão ter consequências na regiosselectividade e estereosselectividade de uma determinada reacção.[57] FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 15 Figura 1.13. Classificação das cicloadições com base na teoria das orbitais moleculares de fronteira Atuando como dipolarófilos, foi descrito que meso-tetraarilporfirinas reagem com nitronas, [59] óxidos de nitrilo, [60, 61] diazometano, [62] iletos de carbonilo, [63] e iletos de azometino. [64, 65] Deste modo, a cicloadição 1,3-dipolar pode ser uma opção bastante interessante para converter porfirinas em clorinas [59-64, 66-68] ou mesmo para fazer modificações em porfirinas [69] como demonstra a literatura (Figura 1.14). Figura 1.14. Reações de meso-tetraarilporfirinas com espécies 1,3-dipolares 16 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 1.1.8. Fusão na posição β-meso-arilo Nos últimos anos, verificou-se um maior interesse na síntese de porfirinas e clorinas meso-substituídas contendo posições β-meso-arilo fundidas. De maneira geral, a fusão β-meso-arilo pode ser direta, formando um anel de 5 lados, ou por meio de heteroátomos ou de grupos carbonilo, formando um anel de 6 lados. Na verdade, estas ligações estão a ser amplamente utilizadas para modular as propriedades eletrónicas dos macrociclos porfirínicos. Como consequência, estas ligações podem alterar propriedades óticas, de coordenação e comportamento redox dos compostos porfirínicos.[70] Um número crescente de porfirinas meso-substituidas contendo ligações βmeso-arilo têm sido continuamente desenvolvidas. Nesse lote pode-se incluir a porfirina descrita por Boyle e colaboradores que incorpora um anel de cinco membros entre o grupo fenilo e a posição β-pirrólica da porfirina ((1.8) Figura 1.15) [71] ou o exemplo mais recente descrito por Bruckner e colaboradores [72] em que prepararam meso-tetraquis(pentafluorofenil)clorinas com aneis de mono e bis-cromeno ((1.9) Figura 1.15) resultantes da mono- e bissubstituição aromática nucleofílica intramolecular de um átomo de flúor orto do grupo pentafluorofenilo da 2,3- diidroxiclorina correspondente. Existe também um grande interesse em derivados porfirínicos com anéis de 7 lados, porém os exemplos são raros. Num desses raros exemplos, Scott e colaboradores apresentaram porfirinas distorcidas com dois sistemas de anel exocíclicos de cicloheptanona, que após desidrogenação oxidativa originaram porfirinas quase perfeitamente planas ((1.10) Figura 1.15), [73]. Outro exemplo de compostos porfirínicos com anéis de sete membros inclui os heterodímeros de porfirina-clorina preparado por Hu e colaboradores ((1.11) Figura 1.15), contendo um anel desidrogenado de cicloheptanona, que apresenta um ligeiro desvio batocrómico das bandas de absorção em comparação com a TPP e a TPC.[74] Extraído de fontes naturais[75] ou sintetizado a partir de uma clorina também natural, o derivado 1.12 (Figura 1.15) representa um exemplo muito peculiar, em que a βdicetona está quase totalmente enolizada com o anel de sete membros, tendo a sua estrutura sido determinada por raios-X. [76] FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 17 Figura 1.15. Exemplos de compostos porfirínicos contendo fusões β-meso Neste seguimento, na presente dissertação descreve-se a síntese de novas clorinas funcionalizadas com um anel isoxazolidina, nas posições β,β’-pirrólicas, anel que posteriormente poderá ser clivado para dar origem a 1,3-aminoalcoois, [55] ou a heterociclos resultantes da fusão com a posição meso-arilo. Para se obter isoxazolidinas foram usadas nitronas como espécie 1,3-dipolar. [56] 18 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 1.2. Referências 1. Milgrom, L.R., ed. “The Colours of Life”. 1997, Oxford University Press: Oxford. 2. Smith, K.M., Porphyrins and Metalloporphyrins. 1975, Amsterdam: Ed. Elsevie. 3. Bonnet, R., ed. "Nomenclature" em “The Porphyrins”. ed. E. D. Dolphin, Academic Press. Vol. 1. 1978, D. Dolphin, Ed., Academic Press: Nova Iorque. 4. Vollhardt, K.P.C., Schore, N.E,, "Organic Chemistry-Structure and Function". 5º ed, ed. W.H.F.a. Company. 2007, New York: W. H. Freeman and Company. 5. Scheer, H., “Synthesis and Stereochemistry of Hidroporphyrins” em "The Porphyrins", ed. D. Dolphin. Vol. 2. 1978, Nova Iorque: Academic Press. 6. Gouterman, M., Study of the effects of substitution on the absorption spectra of porphin. The Journal of Chemical Physics, 1959. 30(5): p. 1139-1161. 7. Walter, M.G.W., C. C. Ruwitch, J. Zhao, Y. Braden, D. Stevens, M. Denman, A. Pi, R. Rudine, A. Pessiki, P. J., Syntheses and optoelectronic properties of amino/carboxyphenylporphyrins for potential use in dye-sensitized TiO2 solar cells. Journal of Porphyrins and Phthalocyanines, 2007. 11(8): p. 601-612. 8. Gouterman, M., Spectra of porphyrins. Journal of Molecular Spectroscopy, 1961. 6(C): p. 138-163. 9. Franke, A., C. Fertinger, and R. Van Eldik, Axial ligand and spin-state influence on the formation and reactivity of hydroperoxo-iron(III) porphyrin complexes. Chemistry - A European Journal, 2012. 18(22): p. 6935-6949. 10. Katz, H.S.a.J.J., "Nuclear magnetic resonance spectroscopy of porphyrins and metalloporphyrins" em"Porphyrins and Metalloporphyrins". Kevin M. Smith, ed. K.M. Smith. 1975, A msterdam-Oxford-New York: E L S E V I E R Scientific Publishing Company. 11. Drabkin, D.L., "Selected Landmarks in the History of Porphyrins and Their Biologically Functional Derivatives" em "The Porphyrins". Vol. 1. 1978, London: Acadenis press,inc. 12. Linhares, M., S.L.H. Rebelo, M.M.Q. Simões, A.M.S. Silva, M.G.P.M.S. Neves, J.A.S. Cavaleiro, and C. Freire, Biomimetic oxidation of indole by Mn(III)porphyrins. Applied Catalysis A: General, 2014. 470: p. 427-433. 13. Cunningham, I.D., A. Basaleh, and H.A. Gazzaz, Pre-steady state reactivity of 5,10,15,20-tetrakis(pentafluorophenyl)-21H, 23H-porphyrin iron(III) chloride with hydrogen peroxide. Dalton Transactions, 2012. 41(30): p. 9158-9160. 14. Johnson, B.J., I.A. Leska, B.J. Melde, and J.R. Taft, Removal of phosgene by metalloporphyrin-functionalized porous organosilicates. Catalysis Communications, 2012. 27: p. 105-108. FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 19 15. Stephenson, N.A. and A.T. Bell, The influence of substrate composition on the kinetics of olefin epoxidation by hydrogen peroxide catalyzed by iron(III) [tetrakis(pentafluorophenyl)] porphyrin. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2006. 258(1-2): p. 231-235. 16. Burrell, A.K., D.L. Officer, P.G. Plieger, and D.C.W. Reid, Synthetic routes to multiporphyrin arrays. Chemical Reviews, 2001. 101(9): p. 2751-2796. 17. Pareek, Y. and M. Ravikanth, Thiaporphyrins: From building blocks to multiporphyrin arrays. RSC Advances, 2014. 4(16): p. 7851-7880. 18. Shetti, V.S., Y. Pareek, and M. Ravikanth, Sn(IV) porphyrin scaffold for multiporphyrin arrays. Coordination Chemistry Reviews, 2012. 256(23-24): p. 2816- 2842. 19. Beer, P.D. and J. Cadman, Electrochemical and optical sensing of anions by transition metal based receptors. Coordination Chemistry Reviews, 2000. 205(1): p. 131-155. 20. Briñas, R.P., T. Troxler, R.M. Hochstrasser, and S.A. Vinogradov, Phosphorescent oxygen sensor with dendritic protection and two-photon absorbing antenna. Journal of the American Chemical Society, 2005. 127(33): p. 11851-11862. 21. Mills, A. and A. Lepre, Controlling the Response Characteristics of Luminescent Porphyrin Plastic Film Sensors for Oxygen. Analytical Chemistry, 1997. 69(22): p. 4653-4659. 22. Nolan, E.M. and S.J. Lippard, Small-molecule fluorescent sensors for investigating zinc metalloneurochemistry. Accounts of Chemical Research, 2009. 42(1): p. 193-203. 23. Kubo, Y., M. Yamamoto, M. Ikeda, M. Takeuchi, S. Shinkai, S. Yamaguchi, and K. Tamao, A colorimetric and ratiometric fluorescent chemosensor with three emission changes: Fluoride ion sensing by a triarylborane-porphyrin conjugate. Angewandte Chemie - International Edition, 2003. 42(18): p. 2036-2040. 24. Ethirajan, M., Y. Chen, P. Joshi, and R.K. Pandey, The role of porphyrin chemistry in tumor imaging and photodynamic therapy. Chemical Society Reviews, 2011. 40(1): p. 340-362. 25. Da bro s i, .M., .G. Arnaut, M.M. Pereira, . Urba s a, S. Simões, G. Stochel, and L. Cortes, Combined effects of singlet oxygen and hydroxyl radical in photodynamic therapy with photostable bacteriochlorins: Evidence from intracellular fluorescence and increased photodynamic efficacy in vitro. Free Radical Biology and Medicine, 2012. 52(7): p. 1188-1200. 20 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 26. Josefsen, L.B. and R.W. Boyle, Unique diagnostic and therapeutic roles of porphyrins and phthalocyanines in photodynamic therapy, imaging and theranostics. Theranostics, 2012. 2(9): p. 916-966. 27. de Oliveira, K.T., A.M.S. Silva, A.C. Tomé, M.G.P.M.S. Neves, C.R. Neri, V.S. Garcia, O.A. Serra, Y. Iamamoto, and J.A.S. Cavaleiro, Synthesis of new amphiphilic chlorin derivatives from protoporphyrin-IX dimethyl ester. Tetrahedron, 2008. 64(37): p. 8709-8715. 28. Sternberg, E.D., D. Dolphin, and C. Brückner, Porphyrin-based photosensitizers for use in photodynamic therapy. Tetrahedron, 1998. 54(17): p. 4151-4202. 29. Dai, T., Y.Y. Huang, and M.R. Hamblin, Photodynamic therapy for localized infections-State of the art. Photodiagnosis and Photodynamic Therapy, 2009. 6(3-4): p. 170-188. 30. Dupouy, E.A., D. Lazzeri, and E.N. Durantini, Photodynamic activity of cationic and non-charged Zn(II) tetrapyridinoporphyrazine derivatives: Biological consequences in human erythrocytes and Escherichia coli. Photochemical and Photobiological Sciences, 2004. 3(11-12): p. 992-998. 31. Wainwright, M., Photodynamic antimicrobial chemotherapy (PACT). Journal of Antimicrobial Chemotherapy, 1998. 42(1): p. 13-28. 32. Huang, L., Y.Y. Huang, P. Mroz, G.P. Tegos, T. Zhiyentayev, S.K. Sharma, Z. Lu, T. Balasubramanian, M. Krayer, C. Ruzié, E. Yang, H.L. Kee, C. Kirmaier, J.R. Diers, D.F. Bocian, D. Holten, J.S. Lindsey, and M.R. Hamblin, Stable synthetic cationic bacteriochlorins as selective antimicrobial photosensitizers. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 2010. 54(9): p. 3834-3841. 33. Pereira, M.A., M.A.F. Faustino, J.P.C. Tomé, M.G.P.M.S. Neves, A.C. Tomé, J.A.S. Cavaleiro, Â. Cunha, and A. Almeida, Influence of external bacterial structures on the efficiency of photodynamic inactivation by a cationic porphyrin. Photochemical and Photobiological Sciences, 2014. 13(4): p. 680-690. 34. Nam, W., S.E. Park, I.K. Lim, M.H. Lim, J. Hong, and J. Kim, First Direct Evidence for Stereospecific Olefin Epoxidation and Alkane Hydroxylation by an Oxoiron(IV) Porphyrin Complex. Journal of the American Chemical Society, 2003. 125(48): p. 14674-14675. 35. Gross, Z. and S. Ini, Asymmetric catalysis by a chiral ruthenium porphyrin: Epoxidation, hydroxylation, and partial kinetic resolution of hydrocarbons. Organic Letters, 1999. 1(13): p. 2077-2080. 36. ipi s a, M.E., S. .H. Rebelo, and C. Freire, Iron(III) porphyrin anchored onto organosilylated multiwalled carbon nanotubes as an active catalyst for epoxidation FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 21 reactions under mild conditions. Journal of Materials Science, 2014. 49(4): p. 1494- 1505. 37. Thordarson, P., E.J.A. Bijsterveld, A.E. Rowan, and R.J.M. Nolte, Epoxidation of polybutadiene by a topologically linked catalyst. Nature, 2003. 424(6951): p. 915- 918. 38. Okamoto, T., K. Sasaki, and S. Oka, Biomimetic oxidation with molecular oxygen. Selective carbon-carbon bond cleavage of 1,2-diols by molecular oxygen and dihydropyridine in the presence of iron-porphyrin catalysts. Journal of the American Chemical Society, 1988. 110(4): p. 1187-1196. 39. Du, G., A. Ellern, and L.K. Woo, Reaction of Tin Porphyrins with Vicinal Diols. Inorganic Chemistry, 2004. 43(7): p. 2379-2386. 40. Rothemund, P., Formation of porphyrins from pyrrole and aldehydes [4]. Journal of the American Chemical Society, 1935. 57(10): p. 2010-2011. 41. Aronoff, S. and M. Calvin, The porphyrin-like products of the reaction of pyrrole with benzaldehyde. Journal of Organic Chemistry, 1943. 8(3): p. 205-223. 42. Adler, A.D., F.R. Longo, J.D. Finarelli, J. Goldmacher, J. Assour, and L. Korsakoff, A simplified synthesis for meso-tetraphenylporphin. Journal of Organic Chemistry, 1967. 32(2): p. 476. 43. Rousseau, K. and D. Dolphin, A purification of meso tetraphenylporphyrin. Tetrahedron Letters, 1974. No. 48: p. 4251-4254. 44. Groves, J.T. and T.E. Nemo, Epoxidation reactions catalyzed by iron porphyrins. Oxygen transfer from iodosylbenzene. Journal of the American Chemical Society, 1983. 105(18): p. 5786-5791. 45. Lindsey, J.S., H.C. Hsu, and I.C. Schreiman, Synthesis of tetraphenylporphyrins under very mild conditions. Tetrahedron Letters, 1986. 27(41): p. 4969-4970. 46. Gonsalves, A., J. Varejao, and M.M. Pereira, Some new aspects related to the synthesis of mesosubstituted porphyrins. Journal of Heterocyclic Chemistry, 1991. 28(3): p. 635-640. 47. Machado, A.A.S.C., Química, 2011. 120: p. 43-48. 48. Sobral, A.J.F.N., Synthesis of meso-diethyl-2,2′-dipyrromethane in water. An experiment in green organic chemistry. Journal of Chemical Education, 2006. 83(11): p. 1665-1666. 49. Koszarna, B. and D.T. Gryko, Efficient synthesis of meso-substituted corroles in a H2O-MeOH mixture. Journal of Organic Chemistry, 2006. 71(10): p. 3707-3717. 50. Kitaoka, S., K. Nobuoka, and Y. Ishikawa, The first utilization of acidic ionic liquid for preparation of tetraarylporphyrins. Chemical Communications, 2004. 10(17): p. 1902-1903. 28 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 2.1.2. Caraterização da TPFPP 2.1.2.1.Caraterização por RMN de 1H A TPFPP é uma porfirina simétrica, como é provado pelo espectro de RMN de 1H que apresenta apenas um singleto a 8,92 δ/ppm devido aos protões nas posições βpirrólicas e outro singleto a desvio químico negativo (-2,92 δ/ppm), que representa os dois protões amínicos. Figura 2.1. Espetro de RMN de 1H da porfirina TPFPP, em CDCl3 2.1.2.2.Caraterização por RMN de 19F O espetro de RMN de 19F (Figura 2.2) confirma a total substituição dos grupos fenilo por átomos de flúor, visto apresentar um espetro com três sinais distintos: (i) o duplo dupleto a δ -136,51 ppm (J 26,3 e 7,5) corresponde à ressonância dos 8 átomos de flúor na posição orto (o-F) dos quatro grupos C6F5; (ii) o tripleto a δ -151,22 ppm (J 22.6) representa os 4 átomos de flúor na posição para (p-F) dos quatro grupos C6F5 e (iii) o duplo tripleto a δ -161.33 ppm (J) (dt, J 20,7 e 7,5;) representa os 8 átomos de flúor na posição meta (m-F). -2-1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm -2.918 1.545 2.611 2.986 5.300 6.996 7.260 7.519 8.915 2.02 8.00 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 29 Figura 2.2. Espetro de RMN de 19F da porfirina TPFPP, em CDCl3 2.2. Metaloporfirinas de Ferro (III) 2.2.1. Síntese da metaloporfirina μ-O(FeTPFPP)2 O complexo μ-O(FeTPFPP)2 foi sintetizado a partir do refluxo de uma mistura de meso-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina (TPFPP) e cloreto de ferro(II), em DMF seca e na presença de piridina, Esquema 2.3. A reação foi controlada por TLC, e terminada quando não evoluiu mais, sendo deixada em contacto com o ar à temperatura ambiente durante 18 horas, para que ocorra a oxidação do Fe(II) a Fe(III). Posteriormente foram obtidos cristais por recristalização a partir de uma mistura de diclorometano/hexano. Esquema 2.3 Síntese da μ-O(FeTPFPP)2 -135 -140 -145 -150 -155 -160 -165 ppm -161.40 -161.39 -161.37 -161.33 -161.32 -161.28 -161.26 -151.28 -151.22 -151.16 -136.55 -136.53 -136.48 -136.46 8.10 4.00 8.11 -136.4 -136.5 -136.6 -136.7 ppm -136.55 -136.53 -136.48 -136.46 -151.05 -151.10 -151.15 -151.20 -151.25 -151.30 -151.35 ppm -151.28 -151.22 -151.16 -161.1 -161.2 -161.3 -161.4 -161.5 ppm -161.40 -161.39 -161.37 -161.33 -161.32 -161.28 -161.26 30 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 2.2.2. Síntese da metaloporfirina [FeCl(TPFPP)] A porfirina [FeCl(TPFPP)] foi sintetizada a partir de um tratamento ácido (HCl 5%) da metaloporfirina μ-O(FeTPFPP)2, [3] como está exposto no Esquema 2.4.. Esquema 2.4. Síntese da porfirina [FeCl(TPFPP)] 2.2.3. Caraterização das metaloporfirinas de Ferro (III) 2.2.3.1. UV-Vis Os macrociclos porfirínicos possuem características fotofísicas muito interessantes, logo, o cálculo da absortividade molar para cada banda do espectro de absorção é fundamental para a caraterização dos diferentes macrociclos porfirínicos. Neste sentido, foram preparadas soluções em clorofórmio ou metanol (dependendo da solubilidade dos compostos) com concentrações entre 10-5M e 10-7M, e traçaram-se os espectros de absorção UV-Visível com as respetivas absorvâncias de cada banda. Através da aplicação da lei de Beerambert (A=εbc, onde “A” é a absorvância, “ε” é o coeficiente de absortividade molar, “b” é o caminho ótico percorrido pela luz e “c” a concentração da solução), representa-se num espectro a absorção em função da concentração, Gráfico 2.1, e através do declive da reta determina-se o valor do coeficiente de absortividade molar (ε) para as bandas Q e Soret. O Gráfico 2.1 representa um exemplo selecionado das retas utilizadas na determinação do ε para a banda Qx(0,0) da porfirina [FeCl(TPFPP)]. Todos os outros valores de ε foram determinados de igual modo e apresentam-se na Tabela 2.1. FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 31 Gráfico 2.1. Gráfico de absorvância em função da concentração para a banda Soret (λ=406 nm) da porfirina [FeCl(TPFPP)]. Os espectros de absorção e respetivas ampliações das bandas Q para as porfirinas TPFPP, μ-O(FeTPFPP)2, e [FeCl(TPFPP)], encontram-se apresentados de seguida (Figura 2.3-2.5): Figura 2.3. Espetro UV-Vis da porfirina TPFPP, em metanol (1,38 x10-6M para a) e 1,1 x10-5 M b) Figura 2.4. Espetro UV-Vis da metaloporfirina da μ-O(FeTPFPP)2, em metanol (3,3 x10-6M ) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 320 420 520 620 720 820 Abs λ (nm) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 400 500 600 700 Abs λ (nm) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 320 420 520 620 720 820 Abs λ (nm) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 400 450 500 550 600 650 700 Abs λ (nm) y = 59531x R² = 0.9924 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.00E+00 2.00E-06 4.00E-06 6.00E-06 8.00E-06 1.00E-05 1.20E-05 1.40E-05 1.60E-05 Concentração (M) Absorvância a) b) 32 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Figura 2.5. Espetro Uv-Vis da metaloporfirina [FeCl(TPFPP)], em metanol (8,57 x10-6M) Tabela 2.1. Comprimento de onda do máximo de absorção e coeficientes de absortividade molar das metaloporfirinas Analisando os espectros apresentados e a Tabela 2.1, confirma-se a complexação, uma vez que se verifica a diminuição do número de bandas Q quando se complexa a TPFPP com Fe3+. Em relação aos dois complexos de Fe3+ (monómero e dímero) observa-se que não existe grande diferença no que toca ao comprimento de onda, mas o complexo porfirínico dimérico (μ-O(FeTPFPP)2) apresenta coeficientes de absortividade molar mais elevados para todas as bandas que o respetivo monómero [FeCl(TPFPP)]. A diferença nos valores de coeficiente de absortividade molar poderá dever-se ao facto da porfirina dimérica possuir dois anéis porfirínicos similares ao anel monomérica, verificando-se um efeito aditivo para a forma dimérica. Macrociclo Tetrapirrólico (solvente) Absorção λmáx[nm] (ε [M-1 cm-1]) B(0,0) Qy(1,0) Qy(0,0) Qx(1,0) Qx(0,0) TPFPP (metanol) 409 (1,6 x 105) 505 (1,9 x 104) 533 (2,3 x 103) 580 (5,6 x 103) 654 (1,0 x 103) Macrociclo Tetrapirrólico (solvente) Absorção λmáx[nm] (ε [M-1 cm-1]) B(0,0) β α μ-O(FeTPFPP)2 (metanol) 406 (1,7 x 105) 483 (2,5 x 104) 587 (1,7 x 104) [FeCl(TPFPP)] (metanol) 406 (5,9 x 104) 478 (7,8 x 103) 592 (4,8 x 103) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 320 420 520 620 720 820 Abs λ (nm) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 400 500 600 700 Abs λ (nm) FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 33 2.2.3.2. Cristalografia de Raios-X A metaloporfirina [μ-O(FeTPFPP)2] foi inequivocamente confirmada a partir da sua estrutura cristalina, Figura 2.6. A estrutura cristalina revelou duas unidades catiónicas (FeTPFPP)+ unidas por um anião O2-, com um ângulo praticamente linear (178.4), e uma distância entre iões de ferro de 3,5456 Å. A geometria de coordenação mostra uma geometria piramidal quadrada ligeiramente distorcida, com a base a ser formada por 4 átomos de azoto e o oxigénio na posição, axial. Todas as distâncias entre Fe-N são muito próximas (de 2,085 a 2,103 Å), já a distância entre Fe-O tem um comprimento de 2,103 Å. Figura 2.6. Cristalografia de raios-X da metaloporfirina [μ-O(FeTPFPP)2] Tabela 2.2. Dados da refinação do cristal de [μ-O(FeTPFPP)2] Formula C88H16F40Fe2N8O Mr 2071.95 Sistema cristalino Tetragonal Grupo Espacial I41/a a(Å) 26.3539(19) b(Å) 26.3539(19) c(Å) 30.877(3) Α 90 Β 90 Γ 90 Volume (Å3) 21445(3) 34 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise A metaloporfirina [FeCl(TPFPP)] obtida a partir do tratamento com ácido da metaloporfirina dimérica, foi também confirmada a partir da sua estrutura cristalina, Figura 2.7. A estrutura cristalina revelou uma unidade catiónica (FeTPFPP)+ unida por um anião Cl-. A geometria de coordenação mostra uma geometria piramidal quadrada ligeiramente distorcida, com a base a ser formada por 4 átomos de azoto e o cloreto na posição, apical. Todas as distâncias entre Fe-N são muito próximas (de 2,042 a 2,074 Å), enquanto a distância entre Fe-Cl é de 2,189 Å. Figura 2.7. Cristalografia do monómero (esquerda) e tabela com os dados da refinação da estrutura cristalográfica da porfirina [FeCl(TPFPP)] (direita) 2.2.3.3. Espectrometria de massa Ao analisar o espectro de massa representado na Figura 2.8, confirma-se a presença da metaloporfirina μ-O(FeTPFPP)2. O ião molecular correspondente ao composto μ-O(FeTPFPP)2 foi observado a m/z 2072.957. É de salientar a existência de um ião a m/z 1027,978 com abundância mais significativa que o da metaloporfirina dimérica. Este ião corresponde à metaloporfirina monomérica sem ligando axial e deverá ser proveniente da fragmentação da metaloporfirina dimérica. Formula C44H8ClF20FeN4 Mr 1062,9468 Sistema cristalino Monoclínico Grupo Espacial P21/c a(Å) 12.5466(12) b(Å) 12.7414(11) c(Å) 14.4458(12) α 90.00 β 120.732(6) γ 90.00 Volume (Å3) 1985.0(3) FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 35 Figura 2.8. Espetro MS-ESI + da μ-O(FeTPFPP)2, dissolvido em metanol Ao analisar a Figura 2.9 verifica-se, para um valor m/z de 1027,971, a presença do ião molecular correspondente à metaloporfirina monomérica sem o cloreto ligado axialmente, que devido à técnica de ionização utilizada terá saído da esfera de coordenação. Figura 2.9. Espetro MS-ESI+ da [FeCl(TPFPP)], em metanol 2.3. Síntese de novas clorinas usando cicloadição 1,3-dipolar Como foi introduzido no capítulo anterior, as porfirinas são compostos usados em várias reações de cicloadição como dipolarófilos. Neste trabalho foi proposto a reação da TPFPP com nitronas N-substituídas, em que o carácter dipolarófilo da porfirina conjugado com o caráter 1,3-dipolar da nitrona, gerará novas clorinas fundidas ao anel isoxazolidina. PFTPP MeOH_1 #4-39 RT: 0.08-0.97 AV: 36 NL: 2.25E7 T: FTMS + p ESI Full ms [400.00-3500.00] 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 m/z 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Relative Abundance 1027.97794 2072.95776 1365.31319 1690.42435 2312.18801 685.43543 953.67532 3116.91842 36 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 2.3.1. Aspetos gerais sobre nitronas As nitronas (N-óxidos de azometino), são 1,3-dipolos do tipo alilo, constituídos por dois heteroátomos (N e O), e são representados pelas estruturas de ressonância, presentes na Figura 2.20. A polarização do grupo N-óxido de azometino depende do efeito mesomérico dos substituintes R1, R2 e R3, uma vez que, se por exemplo grupos R2 e R3 forem atraidores de eletrões irão diminuir a densidade eletrónica do átomo de carbono, aumentando as suas propriedades eletrofílicas. Figura 2.10. Estruturas de ressonância das nitronas As nitronas são uma classe de 1,3-dipolos que ao reagirem com alcenos ou alcinos produzem isoxazolidinas e isoxazolinas, respetivamente. [4] As isoxazolidinas têm provado ser muito úteis como percursores de um grande número de compostos orgânicos [5], e a sua clivagem permite aceder a uma diversidade de compostos atrativos, como 1,3-amino álcoois [6]. As nitronas especialmente aquelas que possuem grupos substituintes ligados ao átomo de carbono, são na sua grande maioria compostos estáveis e fáceis de purificar. Na literatura encontram-se descritos vários procedimentos para gerar nitronas, como por exemplo: a condensação de compostos de carbonilo com N- hidroxilaminas monossubstituídas [7, 8], a oxidação de aminas secundárias [8-10] ou de N,N-hidroxilaminas dissubstituídas [11],e a alquilação de oximas [12]. Com o objetivo de estudar a influência dos grupos C-substituintes e dos grupos N-substituintes na evolução da reação, realizaram-se alguns ensaios com nitronas diferentes e com a TPFPP. 2.3.2. Reação de nitronas com TPFPP Iniciou-se o estudo da reatividade de nitronas com porfirinas (este trabalho sempre com a TPFPP) com a nitrona N-t-butil-C-piridilnitrona (Figura 2.11). Estas nitronas são mais estáveis do que as nitronas apenas substituídas no azoto, e por isso podem ser isoladas. Deste modo a nitrona foi obtida a partir da reação entre N-t- butilidroxilamina), da piridina-4-carbaldeído e carbonato de potássio. O composto foi FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 37 isolado com bom rendimento, depois de ser submetido a um processo de filtração e cristalização. Figura 2.11. Nitrona N-t-C-piridilnitrona O acoplamento da N-t-C-piridilnitrona à TPFPP foi testado em tolueno a 60˚C, em atmosfera de azoto. Por TLC, observou-se que a reação não evoluía com o tempo e que a nitrona permanecia intacta em solução, resistindo à temperatura utilizada. A reação foi interrompida ao 4º dia, uma vez que não se vislumbrava nenhuma alteração. Para aferir se a falta de reatividade revelada entre a N-t-butil-C-piridilnitrona e a TPFPP é devido à substituição no carbono da nitrona, ou devido a condições da reação testou-se a reatividade de outras nitronas com a mesma porfirina em ambiente similar. 2.3.3. Reação de nitronas N-substituídas com a TPFPP Depois de se ter falhado na síntese de clorinas a partir da junção da porfirina TPFPP com a nitrona substituída no azoto e no carbono, tentou-se a obtenção da clorina fundida com nitronas N-substituídas. O estudo foi feito com 3 nitronas diferentes: a N-t-butilnitrona, a N-benzilnitrona, e a N-metilnitrona. Por serem instáveis, estas nitronas foram geradas in situ por adição de paraformaldeído, carbonato de potássio e o correspondente cloreto de hidroxilamónio. No sentido de otimizar a reação começou-se por efetuar a adição de cloreto de hidroxilamónio, um excesso de paraformaldeído e K2CO3 a uma solução de TPFPP, em tolueno a 60 ºC, sob atmosfera inerte, Esquema 2.5. A reação foi monitorizada por TLC. Ao fim de 4 h começaram a aparecer sinais indicativos de que se estava a formar um derivado do tipo clorina. Tais sinais incluíram o aparecimento de uma pequena mancha de cor verde na TLC. Com o intuito de forçar/otimizar a reação efetuaram-se várias adições de cloreto de hidroxilamónio, paraformaldeído e K2CO3 até que após 36 44 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 2.3.6. Metilação da clorina 3.2 Após a abertura do anel da isoxazolidina, promoveu-se a metilação desta clorina (clorina 3.2). A reação foi realizada em THF seco, com NaH (15 equivalentes) e largo excesso de CH3I, sob atmosfera inerte durante 3 horas. Após as 3 horas parou-se a reação e por controlo em TLC visualizou-se 2 novos produtos. Os produtos foram separados por cromatografia de camada fina preparativa e foram identificados como sendo clorina 3.2.1 e clorina 3.2.2. Esquema 2.7. Síntese das clorinas 3.2.1 e 3.2.2 A clorina 3.2.1 resulta da metilação do grupo OH da clorina 3.2 e foi obtida com um rendimento de 16%. Já a clorina 3.2.2 foi o produto maioritário da reação e foi obtida com um rendimento de 67%. Provavelmente resultante do uso de um excesso de NaH, a clorina 3.2.2 é caraterizada por possuir um anel de 7 lados, fruto da substituição do flúor do grupo arilo adjacente pelo azoto da amina secundária, proveniente da clorina 3.2 e um outro anel 2H-pirano resultante da reação de substituição aromática nucleofílica do átomo orto-F com o alcóxido formado a partir do álcool em meio alcalino. Este grupo de clorinas (3.2, 3.2.1 e 3.2.2) além de serem novos macrociclos porfirínicos, possuem um heterociclo de 7 lados fundidos nas posições meso-arilo e β-pirrólica, característica muito rara no “mundo” das porfirinas. FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 45 2.3.6. Caraterização estrutural das clorinas sintetizadas As estruturas das clorinas sintetizadas durante a realização deste trabalho são apresentadas na Anexo A2 2.3.6.1. Espetroscopia de UV-VIS Os espectros de UV-Vis de todas as clorinas são muito similares entre si, apresentando uma banda de absorção intensa na região dos 650 nm, banda esta que é característica dos macrociclos do tipo clorina. Analisando os espetros, obtivemos 5 espetros de UV-Vis de clorina bastante semelhantes (clorinas 1, 2, 3, 3.2 e 3.2.1). Como exemplo a Figura 2.14 apresenta apenas espetro da clorina 3. Na Figura 2.15 2 2.16 apresentam-se os espetros de clorinas um pouco diferentes (clorina 3.1 e 3.2.2). Figura 2.14. Espetro UV-Vis da clorina 3 (4,8 x10-6 M), em clorofórmio Figura 2.15. Espetro UV-Vis da clorina 3.1 (6.2 x10-6 M), em metanol 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Abs λ (nm) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 450 500 550 600 650 700 Abs λ (nm) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Abs λ (nm) 0 0.05 0.1 450 500 550 600 650 700 Abs λ (nm) 46 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Figura 2.16. Espetro UV-Vis da clorina 3.2.2 (7,24 x10-6 M), em metanol Tabela 2.6. Comprimento de onda do máximo de absorção e coeficientes de absortividade molar das clorinas Analisando os espectros apresentados e a Tabela 2.6, verifica-se que todos os compostos denominados clorinas, são efetivamente clorinas uma vez que possuem a banda Q na zona dos 650 nm mais intensa que as outras 3 bandas Q. Essa maior intensidade é destacada pelo maior coeficiente de absortividade molar presente na Tabela 2.6. Quase todas as clorinas apresentam as bandas características em comprimentos de onda similares excetuando a clorina 3.1 e a clorina 3.2.2. A clorina Macrociclo Tetrapirrólico (solvente) Absorção λmáx[nm] (ε [M-1 cm-1]) B(0,0) Qy(1,0) Qy(0,0) Qx(1,0) Qx(0,0) TPFPP (metanol) 409(1,6 x 105) 505(1,9 x 104) 533(2,3 x 103) 580(5,6 x 103) 654(1,0 x 103) Clorina 1 (clorofórmio) 407 (8,3 x 104) 505 (8,3 x 103) 530 (2,9 x 103) 596 (2,6 x 103) 649 (1,8 x 104) Clorina 2 (clorofórmio) 404 (1,4 x 105) 502 (1,3 x 104) 529 (4,0 x 103) 595 (3,7 x 103) 649 (3,6 x 104) Clorina 3 (clorofórmio) 404 (1,6 x 105) 503 (1,1 x 104) 530 (2,7 x 103) 600 (3,4 x 103) 650 (4,0 x 104) Clorina 3.1 (metanol) 420 (6,2 x 104) 509 (5,2 x 103) 552 (2,0 x 103) 595 (2,2 x 103) 650 (6.0 x 103) Clorina 3.2 (metanol) 403(5,5 x 104) 501(5,6 x 103) 530 (3,0 x 103) 595 (2,9 x 103) 652 (1,4 x 104) Clorina 3.2.1 (metanol) 405 (1,0 x 105) 499 (7,6 x 103) 529(4,0 x 103) 591 (2,1 x 103) 652 (2,4 x 104) Clorina 3.2.2 (metanol) 418 (8,2 x 104) 512 (3,7 x 103) 550 (6.7 x 103) 602 (1,2 x 103) 664 (1,7 x 104) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Abs λ (nm) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 450 500 550 600 650 700 Abs λ (nm) FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 47 3.1, possivelmente por ser uma clorina catiónica, sofre um deslocamento batocrómico (para maiores comprimentos de onda) e não tem a banda Qx(0,0) com uma absortividade tão alta como as outras clorinas. Já a clorina 3.2.2. também sofre um deslocamento batocrómico, possivelmente por introduzir grandes mudanças na periferia (criação de dois anéis por substituição de átomos de flúor), destacando-se os desvios de planaridade e o elevado grau de assimetria, que geralmente está associado a alterações nos espetros de absorção. [26] 2.3.6.2. Espectroscopia de RMN de 1H Clorinas com anéis isoxazolidina não substituídos em C-31 obtidas a partir de N-alquilnitronas, dão origem a espectros de RMN de 1H relativamente simples. Deste modo as clorinas 1, 2, 3 apresentam tipicamente, na zona alifática, um multipleto entre δ -2,20 e -1,87 ppm, correspondente aos dois protões NH, dois multipletos entre δ 2,956 e 4,96 ppm correspondentes aos protões H-31cis e H-31trans, um multipleto entre δ 5,30 e 5,50 ppm correspondente ao protão H-3 e um dupleto na zona dos δ 6,80 ppm (J 7,6 Hz) correspondente ao protão H-2. O protão H-2 surge mais desprotegido do que H-3 uma vez que está mais próximo do átomo de oxigénio (mais eletronegativo) do anel isoxazolidina. Na zona aromática destacam-se os sinais entre δ 8,37 e 8,87 ppm, correspondentes aos seis prot ões β-pirrólicos do macrociclo tetrapirrólico. A grande diferença nos espetros entre as clorinas 1-3 é o sinal dos protões do grupo R. Assim a clorina 3 apresenta um sing leto a δ 2,58 ppm, atribuído aos protões do grupo –CH3, Figura 2.18, já a clorina 2 apresenta 1 multipleto a δ 3.79- 3.96 ppm correspondente aos protões do grupo CH2, e 2 multipletos a δ 7,00-7,05 ppm correspondentes aos protões orto do grupo fenilo e a δ 7,14-7,21 que correspondem aos protões meta e para do grupo fenilo. O espetro de RMN de 1H para a clorina 1 não é muito claro no que toca aos protões do grupo substituinte (terc-butilo), uma vez que o sinal referente a este grupo deve-se encontrar sobreposto com o sinal referente à água do CDCl3. 48 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Figura 2.17. Clorina 3 com os carbonos da isoxazolidina identificados Figura 2.18. Espetro de RMN de 1H da clorina 3, em CDCl3 A identificação dos sinais referentes aos protões do grupo isoxazolidina, também foi confirmada pelo espetro de COSY (Figura 2.19), onde se observou o acoplamento entre H-2 e H-3, e acoplamento entre H-3 e apenas um dos sinais H-31, a 2,91-3,03 ppm, atribuído a H-31cis. A ausência de acoplamento entre H-3 e o outro sinal H-31, a 3,43-3,52 ppm, é indicativo de que existe um ângulo diedro entre eles de 90º, compatível com a configuração trans em torno de H-3 e H-31. -2 -1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm -1.908 0.871 0.889 0.905 1.271 1.289 1.309 1.324 1.534 2.358 2.514 2.579 2.956 3.473 5.300 5.330 6.788 6.807 6.996 7.139 7.140 7.158 7.163 7.164 7.166 7.168 7.177 7.184 7.238 7.243 7.260 7.270 7.274 7.519 8.401 8.516 8.744 2.000 2.971 0.801 0.764 0.804 0.963 1.011 3.016 2.002 H-2 H-3 H-31 trans H-31 cis NH H-β H-β H-β CH3 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 49 Figura 2.19. Espetro de COSY da clorina 3, em CDCl3 Comparando os espetros de RMN de 1H entre a porfirina de partida (TPFPP), clorina 3 e clorinas 3.2 e 3.2.2 (Figura 2.20), o aumento da assimetria dos compostos porfirínicos e a ligeira distorção do macrociclo é por demais evidente a partir da análise dos protões internos NH. Como demostra a Figura 2.20, a clorina 3 apresenta os protões internos NH menos protegidos devido à redução do fluxo da corrente eletrónica do macrociclo. Esta evidência é justificada pela ligeira torção que o macrociclo sofre com a anexação da isoxazolidina. As clorinas seguintes (3.2 e 3.2.2) apresentam esta ocorrência ainda mais patente uma vez que o sinal singleto é “transformado” em dois sinais singleto. Com resultado das transformações realizadas para se formar as clorinas 3.2 e 3.2.2 apresentam maior assimetria e o macrociclo ficou algo torcido o que provocou um deslocamento do sinal dos protões internos NH para deslocamentos químicos maiores (na zona dos δ -1 ppm, no caso da clorina 3.2.2), e o aparecimento de um sinal para cada protão amínico. As modificações nas clorinas, a partir da clorina 3, também são bastante evidentes através dos sinais dos prot ões β-pirrólicos. Se a clorina 3 possui três grupos de sinais na zona aromática entre δ 8,40 e 8,777 ppm, a clorina 3.2 possui 5 grupos de sinais entre δ 8,41 e 8,76 ppm, dos quais 4 são dupletos (J 4,8) e um é multipleto, que integram em ambos os ciclos para 6 protões. Já a clorina 3.2.2, fruto da maior assimetria, possui ainda maiores diferenças, uma vez q ue possui 4 sinais entre δ 8,42 e 8,86 ppm que também integram para 6 protões, que surgem como 1 duplo dupleto (J 8,8 e 4,4), 1 dupleto (J 4,4) e dois multipletos. H-2 H-3 H-31 trans H-31 cis H-2 H-3 H-31 trans H-31 cis H-β H-β CH3 H-β CH3 50 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Em relação aos sinais derivados da isoxazolidina entretanto clivada, todos os sinais se mantêm embora tenham sofrido alguns desvios. Os dois multipletos correspondentes aos protões H-31cis e H-31trans e o dupleto correspondente ao grupo –CH3 sofreram um deslocamento para desvios químicos maiores pela maior proximidade que terão com o grupo fenilo da posição meso do macrociclo. O multipleto correspondente ao protão H-3 surge ligeiramente mais protegido, para ambas as clorinas. Já o sinal correspondente ao protão H-2 (multipleto para clorina 3.2 e dupleto para clorina 3.2.2) surge um pouco mais desprotegido na clorina 3.2 fruto da clivagem da ligação N-O da isoxazolidina, que origina o grupo hidroxilo diretamente ligado ao carbono do protão H-2, situação que na clorina 3.2.2 já não acontece devido à fração do anel 2H-pirano, que provoca que o desvio químico do sinal relativo ao protão H-2 seja muito semelhante ao da clorina 3. Figura 2.20. Comparação dos espetros de RMN de 1H da porfirina TPFPP, clorina 3, 3.2, 3.2.2, em CDCl3 A clorina catiónica 3.1 apresenta um espetro de RMN de 1H com os sinais típicos das clorinas com um grupo isoxazolidina, Figura 2.21. A principal diferença entre o espetro de RMN de 1H da clorina 3.1 e o espetro da clorina percursora (clorina 3) recai sobre o aparecimento de 2 singletos a 3,26 e 4,22 ppm, correspondendo à ressonância dos 2 grupos metilo da amina quaternária. -2-1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm TPFPP Clorina 3 Clorina 3.2 Clorina 3.2.2 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 51 Figura 2.21. Espetro de RMN de 1H da clorina 3.1, em CDCl3 O espetro de COSY (Figura 2.22) veio confirmar a metilação uma vez que mostra ligeiras alterações nos acoplamentos. Ao contrário da clorina 3, o H-3 da clorina 3.1 possui acoplamento com ambos os protões H-31. Esta evidência indica que existem diferenças nos ângulos diedros do grupo –CH2, diferenças essas provocadas pela efeito estereoquímico do grupo metilo adicionado. É de salientar que, como a análise, para a clorina 3.1, por COSY foi realizada em metanol deuterado e a análise de RMN de 1H foi realizada em clorofórmio deuterado os espetros resultantes apresentam os sinais com alguma diferença em relação ao deslocamento químico. Figura 2.22. Espetro de COSY da clorina 3.1, em MeOD -2-1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm -2.240 -2.192 0.071 0.868 0.885 0.902 0.995 1.267 1.286 1.305 1.321 1.541 2.356 2.788 2.882 2.955 3.063 3.155 3.257 4.019 4.036 4.048 4.065 4.125 4.216 6.050 6.053 6.079 6.615 6.633 6.996 7.236 7.260 7.519 7.600 7.621 8.504 8.517 8.527 8.539 8.564 8.575 8.585 8.596 8.831 2.00 3.07 1.12 3.05 0.96 0.96 0.98 4.22 2.30 ppm 2.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.09.5 ppm 3 4 5 6 7 8 9 H-2 H-3 H-31-trans H-31-cis H-2 H-3 H-31- trans H-31- cis H-β H-2 H-3 CH3 CH3 H-31 H-31 NH CH3 CH3 H-β H-β H-β CH3 CH3 52 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise O perfil espetral da clorina 3.2.1 é bastante coincidente com o da clorina 3.2 o que já era espectável, uma vez que de uma clorina para a outra o grupo hidróxilo foi desprotonado formando o respetivo alcóxido que, com a metilação, resultou no grupo metoxilo. Em relação aos protões internos NH e aos seis protões β-pirrólicos não existe grande diferença em relação às duas clorinas (3.2 e 3.2.1), em relação aos sinais derivados da isoxazolidina, eles mantêm-se embora com algumas alterações nos desvios químicos. Se os sinais correspondentes aos protões H-31cis e H-31trans e ao protão H-3 se mantêm com desvios químicos similares, o dupleto referente ao H-2 encontra-se mais protegido, fruto da metilação no oxigénio. Todos os dados de RMN de 1H das clorinas sintetizadas encontram-se apresentados na Tabela 2.7. Tabela 2.7. Dados de RMN de 1H das clorinas sintetizadas durante este trabalho Clorina (solvente) H- β-pirrólicos β-H [C(sp3)] CH2 Grupo R NH 1 (CDCl3) 8,47-8,48 (d; J 4; 1H) 8,57-8,62 (m; 3H) 8,85-8,87 (m; 2H) 5,25-5,35 (m; 1H; H-3), 6,70- 6,80 (m; J 7.6; 1H; H-2) 3,20-3,30 (m; 2H; H-31cis) 4,79-4,96 (m; 2H; H-31trans), 1,55-1,60 (sinal sobreposto com sinal da água do CDCl3; 9H;3x CH3) -2,20 - 2,17 (m) 2 (CDCl3) 8,43 (d; J 4,4; 2H) 8,50 (d, J 4,4; 1H) 8,51 -8,57 (m; 1H) 8,77 (d; J 4,4; 2H) 5,40-5,51 (m; 1H; H-3), 6,82 (d; J 7,6; 1H; H-2), 3.11-3.51 (m, 2H, H-31) 3.79-3.96 (m, 2H, CH2); 7,00-7,05 (m; 2H; Horto-Ph), 7,14-7,21 (m; 3H; Hmeta+para-Ph), -2.12 - 1.93 (m) 3 (CDCl3) 8,37-8,43 (m; 1H) 8,52 (br s; 3H) 8,72-8,77 (m; 2H) 5,30-5,38 (m; 1H; H-3), 6,80 (d; J 7,6; 1H; H-2) 2,91-3,03 (m; 1H; H-31cis), 3,43-3,52 (m; 1H; H-31trans) 2,58 (s; 3H; CH3), -1,97 - 1,86 (m) 3.1 (CDCl3) 8,50-8,59 (m; 4H) 8,82-8,85 (m; 2H) 6.60-6.65 (m, 1H, H-3), 7.61 (d, J 8.4, 1H, H-2) 4.04 (dd, J 4.8 e 6.8, 1H, H-31); 4.88-4.93 (m, 1H, H-31) 3.26 (s, 3H, N+(CH3)2); 4.22 (s, 3H, N+(CH3)2) -2,19 (s) -2,24 (s) 3.2 (CDCl3) 8,41, 8,47, 8.49 e 8,69 (4d; J 4,8; 4H) 8,74-8,76 (m; 2H) 4.80-4.87 (m, 1H, H-3), 6.99 (d, J 8.4, 1H, H-2) 3.73 (dd, J 12.8 and J 10.4 H-31cis), 4.01 (dd, J 10.4 and J 6.8 H-31trans) 2.93 (d, J 6, 3H, NCH3) -1.81 (s) -1.68 (s) 3.2.1 (CDCl3) 8,41 (d; J 4,4; 1H) 8,49 (d; J 8,8 e 4,4; 2H) 8,67 (d; 4,4; 1H;) 8,70-8,80 (m; 2H); 4,70-4,80 (m; 1H; H-3), 6,42 (d; J 8,4; 1H; H-2) 3,7 a 3,8 (m; 1H; H-31cis), 3,85 a 3,95 (m; 1H; H-31trans), 2.86 (d, J 6, 3H, NCH3) -1,88 (s) -1,75 (s) 3.2.2 (CDCl3) 8,42 (dd; J 8,8 e 4,4; 2H) 8,59 (d; J 4,4; 1H) 8,63-8,67 (m; 2H) 8,83-8,86 (m; 1H) 5,05-5,11 (m; 1H; H-3), 6,72 (d; J 9,2; 1H; H-2) 3,54 a 3,60 (m; 1H; H-31cis), 4,21 (dd; J 10 e 6,4; 1H; H-31trans)) 2.50 (d, J 5.6, 3H, NCH3) -1,03 (s) -0,93 (s) FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 53 2.3.6.3. Espectroscopia de RMN de 19F Os espetros de RMN de 19F também foram fundamentais para confirmar as estruturas das clorinas sintetizadas (Figura 2.23). Como já foi descrito, a porfirina TPFPP apresenta um espetro de RMN de 19F com três sinais distintos para os 8 átomos de flúor na posição orto, 4 átomos de flúor na posição para e os 8 átomos de flúor na posição meta dos 4 grupos pentafluorofenilo do macrociclo porfirínico. Em relação à clorina 3, no espetro de RMN de 19F observa-se que os sinais devidos aos 8 átomos o-F são representados por 5 sinais. Os sinais devidos aos átomos p-F são representados por três tripletos. Já os 8 meta-F surgem como 1 duplo tripleto e 5 multipletos a valores de desvios químicos mais negativos. A clorina 3.1 possui um espetro de RMN de 19F muito similar ao da clorina 3. Em relação às clorinas derivadas da clorina 3, a espetroscopia de RMN de 19F teve muita importância na identificação das estruturas, principalmente das clorinas com novos heterociclos (clorina 3.2, 3.2.1 e 3.2.2). Fruto do anel de 7 lados formado entre o átomo de azoto e o carbono orto do grupo fenilo adjacente a clorina 3.2 e suas derivadas, possuem menos um flúor que a clorina precedente (clorina 3). Com esta mudança estrutural é possível aferir que a zona dos o-F integra para 7 átomos de flúor, na clorina 3.2. O sinal a desvio químico mais negativo (-140,14 ppm) deverá corresponder ao sinal (duplo dupleto; J 22,6 e 7,5) do átomo de flúor na posição 56 do grupo fenilo diretamente ligado à amina βpirrólica. Os restantes átomos de flúor deste grupo fenilo distribuem-se a -150,15 ppm (duplo dupleto; J 22,6 e 7,5) para o flúor na posição 53, a -154,3 ppm (duplo dupleto; J 22,6 e 18,8) para o flúor na posição 54, e a -162,8 ppm (duplo dupleto; J 22,6 e 18,8) para o átomo de fluor na posição 55. Esta atribuição está de acordo com os valores de desvio químico descritos para anéis fluorados de clorinas β-meso fundidas análogas.[27] A clorina 3.2.1 como possui uma estrutura muito parecida com a clorina 3.2, possui um espetro de RMN de 19F bastante similar ao da clorina 3.2. Já a clorina 3.2.2 devido à existência do anel 2H-pirano, possui menos outro átomo de flúor (passa a possuir 18 átomos de flúor nos grupos fenilo das posições meso). Este novo anel além de causar as diferenças no espetro de RMN de 19F do ponto de vista da integração dos sinais, visto a integração total ser 18, também provoca mudanças na multiplicidade e deslocamento dos sinais. 60 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 2.3.7. Estabilidade a temperaturas altas da clorina 3 Como não se consegue obter uma metaloclorina de ferro(III) através da cicloadição 1,3-dipolar com a metaloporfirina de ferro(III), e como havia indícios que as clorinas se deterioram com temperaturas mais altas ou em solução, foi realizado um estudo em que se controlou a qualidade da clorina 3, com o passar de tempo a uma determinada temperatura. Para verificar a possível retrosíntese (clorina originar porfirina) com temperaturas acima da temperatura ambiente controlou-se por TLC e UV-Vis duas soluções com a clorina 3 dissolvida em metanol a 60 ºC e a refluxar. Como a Figura 2.31 indicia com uma temperatura de 60ºC não há evidência de retrosíntese, uma vez que os comprimentos de onda máximos são sempre coincidentes, nem há uma mudança da razão Abs Qx(0,0) / Abs Qy(1,0). Já com uma temperatura de 100 ºC existe alguma degradação da clorina a partir da 1º hora de reação. Como a Figura 2.32 mostra existe um desvio da banda Soret e a razão Abs Qx(0,0) / Abs Qy(1,0) entre o espetro ao minuto 0 e na 1º hora. A razão Abs Qx(0,0) / Abs Qy(1,0) para o minuto 0 é 2,45 e a razão para a 1º hora é 1,99. Esta diferença sugere que existe uma diminuição de intensidade da banda na zona dos 650 nm (banda Q mais intensa nas clorina) e um aumento da intensidade na banda Q na zona dos 500 nm (banda Q mais intensa na TPFPP) com o passar do tempo. Este resultado sugere que uma futura complexação da clorina 3 com FeCl2 deverá ser realizada a temperaturas bem controladas (preferencialmente baixas) para evitar a degradação da clorina. Figura 2.31. Espetro da clorina 3 em metanol a 60 ºC 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Abs λ (nm) 0min 30min 60min 120min 12horas FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 61 Figura 2.32. Espetro da clorina 3 em metanol em refluxo 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Abs λ (nm) 0 min 1 hora 62 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 2.4. Referências 1. Goslinski, T. and J. Piskorz, Fluorinated porphyrinoids and their biomedical applications. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, 2011. 12(4): p. 304-321. 2. Gonsalves, A., J. Varejao, and M.M. Pereira, Some new aspects related to the synthesis of mesosubstituted porphyrins. Journal of Heterocyclic Chemistry, 1991. 28(3): p. 635-640. 3. Ghosh, S.K., R. Patra, and S.P. Rath, Synthesis, structure and photocatalytic activity of a remarkably bent, cofacial ethene-linked diiron (III) μ-oxobisporphyrin. Inorganica Chimica Acta, 2010. 363(12): p. 2791-2799. 4. Frederickson, M., Optically active isoxazolidines via asymmetric cycloaddition reactions of nitrones with alkenes: Applications in organic synthesis. Tetrahedron, 1997. 53(2): p. 403-425. 5. Romeo, G., D. Iannazzo, A. Piperno, R. Romeo, A. Corsaro, A. Rescifina, and U. Chiacchio, C-alkoxycarbonyl nitrones: Building blocks for the synthesis of butenolides, lactams and modified nucleosides. Mini-Reviews in Organic Chemistry, 2005. 2(1): p. 59-77. 6. Kissane, M. and A.R. Maguire, Asymmetric 1,3-dipolar cycloadditions of acrylamides. Chemical Society Reviews, 2010. 39(2): p. 845-883. 7. Chakraborty, B. and G.P. Luitel, An efficient ecofriendly protocol for the synthesis of novel fluoro isoxazoline and isoxazolidines using N-benzyl fluoro nitrone via cycloaddition reactions. Tetrahedron Letters, 2013. 54(8): p. 765-770. 8. Katritzky, A.R., X. Cui, Q. Long, B. Yang, A.L. Wilcox, and Y.K. Zhang, Efficient and facile routes to nitrones. Organic Preparations and Procedures International, 2000. 32(2): p. 175-183. 9. Goti, A. and L. Nannelli, Synthesis of nitrones by methyltrioxorhenium catalyzed direct oxidation of secondary amines. Tetrahedron Letters, 1996. 37(33): p. 6025-6028. 10. Marcantoni, E., M. Petrini, and O. Polimanti, Oxidation of secondary amines to nitrones using urea-hydrogen peroxide complex (UHP) and metal catalysts. Tetrahedron Letters, 1995. 36(20): p. 3561-3562. 11. Ali, S.A., S.M.A. Hashmi, M.N. Siddiqui, and M.I.M. Wazeer, Regiochemistry of mercury(II) oxide oxidation of unsymmetrical N,N-disubstituted hydroxylamines. Tetrahedron, 1996. 52(47): p. 14917-14928. 12. Sin, N., B.L. Venables, X. Liu, S. Huang, Q. Gao, A. Ng, R. Dalterio, R. Rajamani, and N.A. Meanwell, The alkylation of isatin-derived oximes: Spectroscopic FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 63 and X-ray crystallographic structural characterization of oxime and nitrone products. Journal of Heterocyclic Chemistry, 2009. 46(3): p. 432-442. 13. Tome, A.C., P.S.S. Lacerda, A.M.G. Silva, M.G.P.M.S. Neves, and J.A.S. Cavaleiro, Synthesis of new tetrapyrrolic derivatives - Porphyrins as dienophiles or dipolarophiles. Journal of Porphyrins and Phthalocyanines, 2000. 4(5): p. 532-537. 14. Milgrom, L.R., ed. “The Colours of Life”. 1997, Oxford University Press: Oxford. 15. Silva, A.M.G., A. Leite, P. Gonzalez, M.R.M. Domingues, P. Gameiro, B. De Castro, and M. Rangel, Use of a porphyrin platform and 3,4-HPO chelating units to synthesize ligands with N4 and O4 coordination sites. Tetrahedron, 2011. 67(40): p. 7821-7828. 16. Lindsey, J.S. and J.N. Woodford, A simple method for preparing magnesium porphyrins. Inorganic Chemistry, 1995. 34(5): p. 1063-1069. 17. Giguere, R.J., T.L. Bray, S.M. Duncan, and G. Majetich, Application of commercial microwave ovens to organic synthesis. Tetrahedron Letters, 1986. 27(41): p. 4945-4948. 18. De Paula, R., M.A.F. Faustino, D.C.G.A. Pinto, M.G.P.M.S. Neves, and J.A.S. Cavaleiro, Kinetic study of meso-tetraphenylporphyrin synthesis under microwave irradiation. Journal of Heterocyclic Chemistry, 2008. 45(2): p. 453-459. 19. Petit, A., A. Loupy, P. Maillard, and M. Momenteau, Microwave irradiation in dry media: A new and easy method for synthesis of tetrapyrrolic compounds. Synthetic Communications, 1992. 22(8): p. 1137-1142. 20. Chauhan, S.M.S., B.B. Sahoo, and K.A. Srinivas, Microwave-assisted synthesis of 5,10,15,20-tetraaryl porphyrins. Synthetic Communications, 2001. 31(1): p. 33-37. 21. Nascimento, B.F.O., M. Pineiro, A.M.D.A. Rocha Gonsalves, M.R. Silva, A.M. Beja, and J.A. Paixão, Microwave-assisted synthesis of porphyrins and metalloporphyrins: A rapid and efficient synthetic method. Journal of Porphyrins and Phthalocyanines, 2007. 11(2): p. 77-84. 22. Hayes, B.L., Microwaves synthesis, Chemistry at the speed of light, ed. C. Publishing. 2002: CEM Publishing. 23. Banik, B.K., K.J. Barakat, D.R. Wagle, M.S. Manhas, and A.K. Bose, Microwave-assisted rapid and simplified hydrogenation. Journal of Organic Chemistry, 1999. 64(16): p. 5746-5753. 24. Berthold, H., T. Schotten, and H. Hönig, Transfer hydrogenation in ionic liquids under microwave irradiation. Synthesis, 2002(11): p. 1607-1610. 25. Obermayer, D., T.N. Glasnov, and C.O. Kappe, Microwave-assisted and continuous flow multistep synthesis of 4-(pyrazol-1-yl)carboxanilides. Journal of Organic Chemistry, 2011. 76(16): p. 6657-6669. 64 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 26. Mori, H., T. Tanaka, and A. Osuka, Fused porphyrinoids as promising nearinfrared absorbing dyes. Journal of Materials Chemistry C, 2013. 1(14): p. 2500-2519. 27. Hyland, M.A., M.D. Morton, and C. Brückner, Mesotetrakis(pentafluorophenyl)porphyrin-derived chromene-annulated chlorins. Journal of Organic Chemistry, 2012. 77(7): p. 3038-3048. FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 65 3. Oxidação de compostos de enxofre catalisada por metaloporfirinas 66 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 3.1. Catálise em fase homogénea O termo “catálise” vem da palavra grega katilysis, e foi utilizada pela primeira vez em meados dos anos 30 do seculo XIX por Berzelius.[1] Desde então a catálise tem sido aplicada, alcançando um papel fundamental na sociedade, uma vez que muitas das comodidades consideradas indispensáveis à rotina da sociedade contemporânea, como os combustíveis, materiais e medicamentos, não seriam uma realidade sem a existência de processos catalíticos. Mas já antes dessa realidade a catálise tinha um papel vital para a vida, uma vez que também na natureza se observam importantes processos catalíticos, sem os quais as reações essenciais para o metabolismo ocorreriam tão lentamente que o mundo, tal como o conhecemos, não existiria. Basicamente, a catálise é um fenómeno onde uma quantidade relativamente pequena de um composto estranho à estequiometria (catalisador), promove a ocorrência de reações químicas sem ser consumido, favorecendo a formação de um produto específico. Durante a reação, o catalisador não sofre modificações de natureza química definitivas, sendo regenerado no final de cada ciclo catalítico. A sua função é diminuir a energia de ativação (Ea) da reação oferecendo uma via reacional que evita a etapa lenta determinante da velocidade, Figura 3.1. O catalisador não afeta a energia livre de Gibbs da reação total (∆G˚), apenas torna mais suave o percurso dos reagentes até aos produtos, ou seja, o seu efeito é puramente cinético.[2] Figura 3.1. Diagrama de energia de uma reação com catalisador (II) e de outra sem catalisador (I) [3] A catálise irá sem dúvida contribuir para obtenção de combustíveis limpos, a síntese completa de produtos naturais, a obtenção de novos fármacos e produtos agroquímicos, em processos que incitem o desenvolvimento sustentável e a proteção FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 67 ambiental. Logo, catalisadores que possibilitem reações próximas dos 100 %, que permitam reações menos energéticas e que eliminem ou reduzam drasticamente a formação de contaminantes e subprodutos, serão cada vez mais importantes e vantajosos quer em termos económicos quer a nível de impacto ambiental. 3.1.1. Modelo de catálise biomimética oxidativa Encontrar um catalisador eficiente para uma oxidação seletiva, em condições moderadas, é um grande desafio para a química orgânica. Uma solução para este desafio passa pelos catalisadores biomiméticos ou seja catalisadores baseados nos sistemas enzimáticos selecionados pelos organismos vivos durante a sua evolução para as oxidações seletivas.[4, 5] As oxidações nos sistemas biológicos são catalisadas maioritariamente por metaloenzimas em que o ião de metal é normalmente ferro ou manganês. Existem várias classes de enzimas capazes de catalisar processos oxidativos, desde desidrogenases, dioxigenases, peroxidases e monooxigenases.[6] Destas classes de enzimas existe uma, em particular, que tem atraído a atenção de vários investigadores, as monooxigenases do citocromo P450. O citocromo P450 é uma hemoproteína de ferro, em que o ião de metal se encontra ligado a uma protoporfirina IX. O ligando axial compreende um resíduo de cisteína, produzido por uma proteína da espinal medula (Figura 3.2).[7] Figura 3.2. Estrutura do Citocromo P450 [8] Esta hemoproteína é responsável por “ativar” o oxigénio molecular, promovendo o metabolismo oxidativo de uma grande variedade de compostos lipofílicos. No processo catalítico um dos átomos do O2 molecular é integrado no substrato e o outro é reduzido a água. Este tipo de monooxigenações pode ser aplicado aos mais diversos substratos, como se pode ver no Esquema 3.1.[9] 68 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Esquema 3.1. Substratos reduzidos pelo Citocromo P450, adaptado de [9] Embora não seja totalmente consensual, estudos sobre o sistema enzimático do Citocromo P450 levaram a resultados que permitiram entender a reação catalisada por esta enzima. Antes de se iniciar o ciclo catalítico (Esquema 3.2.), primeiro é necessário que o substrato a oxidar se ligue ao sítio ativo da enzima. Posteriormente, começa a ativação do oxigénio molecular, em que o passo inicial consiste na redução do Fe(III) a Fe(II) através da injeção de um eletrão no sistema, ao que se segue a ligação do oxigénio molecular. Depois dá-se uma nova redução formando a espécie Fe(III)–OO-. A decomposição deste intermediário por clivagem heterolítica da ligação O-O origina a espécie formal (Por)Fe(V)=O ou [(Por)•Fe(IV)=O]+, espécies responsáveis pela oxidação do substrato.[10] Quando se usam dadores de oxigénio mais reduzidos que o O2 (ex.: peróxidos, iodosilbenzeno) este ciclo pode dar-se por uma via mais simples, denominada ponte peróxido (“peroxide shunt”).[10] FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 69 Esquema 3.2. Ciclo catalítico do citocromo P450 [10] As metaloporfirinas sintéticas têm sido sintetizadas e estudadas há mais de 30 anos como modelo do grupo prostético do citocromo P450. Estes modelos tanto ajudam a entender a atividade catalítica deste grupo prostético como também levam à reprodução desta atividade para sistemas artificiais. O primeiro sistema catalítico em que se usou metaloporfirina foi descrito em 1970 por Groves et al., onde utilizou cloreto de meso-tetrafenilporfirinato de ferro(III) e iodosilbenzeno, como oxidante, para oxidar o ciclohexeno.[11] A partir daí o uso de metaloporfirinas como catalisador oxidativo acentuou-se, embora numa primeira fase direcionadas para as epoxidações regioseletivas com porfirinas simples como a mesotetrafenilporfirina (TPP) e a meso-tetra(trimetilfenil)porfirina (TMP). [12-15] Estas primeiras metaloporfirinas “catalisadoras” (1º g eração) sofriam de rápida degradação oxidativa, o que levou ao desenvolvimento de porfirinas mais estáveis, de segunda e terceira geração, Figura 3.3. As porfirinas de segunda, e terceira geração possuem grupos substituintes alquílicos volumosos ou grupos sacadores de eletrões nas posições meso-aril e β -pirrólicas, mostrando ser mais resistentes e reativas, onde 76 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Esquema 3.3.Oxidação do DBT a DBTO2 catalisada pela metaloporfirina na presença de H2O2 Figura 3.5.Cromatograma do produto precipitado que resulta da oxidação do DBT (a)), cromatograma da sulfona comercial (b)), cromatograma de uma alíquota da reação de oxidação do dbt (c)); Elipse azul corresponde ao pico da sulfona, elipse preta corresponde ao pico do DBT e elipse vermelha corresponde ao pico do etilbenzeno (padrão) FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 77 Em relação à reação de oxidação do dissulfureto, não foi possível identificar os produtos da reação uma vez que pela análise de GC-FID das amostras se obteve picos pouco definidos. Como os produtos não precipitam, também não foi possível fazer uma análise por espetroscopia de massa para averiguar a identidade. Logo só por análise por cromatografia gasosa acoplada com detetor de massa (GC-MD) talvez fosse possível identificar os produtos da reação. Devido à impossibilidade em tempo real do trabalho experimental de fazer tal análise, e como a finalidade do trabalho incidia na avaliação da eficiência catalítica da metaloporfirina μ-O(FeTPFPP)2 na oxidação do substrato, não foi feita a identificação dos produtos da oxidação do dissulfureto de dibutilo. 3.1.4.3.Reutilização do sistema catalítico De forma a rentabilizar a capacidade catalítica do sistema homogéneo (com 30 µl de H2O2) procedeu-se à sua reutilização, efetuando-se ciclos catalíticos consecutivos através da adição ao sistema de uma nova recarga de substrato e oxidante (sempre em quantidades equivalentes às iniciais). Basicamente começava-se um novo ciclo catalítico quando o ciclo anterior se encontra-se completo ou seja com 100 % de conversão. A quantidade de H2O2 (30 %) entre os vários ciclos foi de 30 µl de forma a obter-se 100% de conversão para ambos substratos (DBT e dissulfureto de dibutilo). Este estudo também serviu para estudar a resistência da metaloporfirina à quantidade de oxidante usada e principalmente acumulada entre os vários ciclos de reutilização. Os resultados obtidos para a reutilização do sistema catalítico da oxidação do DBT e do dissulfureto estão representados no Gráfico 3.4 Gráfico 3.4. Reutilização do sistema catalítico da oxidação do DBT e do dissulfureto de dibutilo 0% 20% 40% 60% 80% 100% 1º ciclo 2º ciclo 3ºciclo 4ºciclo 5ºciclo dbt 100% 100% 100% 93% 0% dissufureto 100% 100% 100% 92% 0% conversão catalírica 78 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Como aponta o Gráfico 3.4, o sistema catalítico composto por 1 mg (4,8 x 10-7 mol) de μ-O(FeTPFPP)2, 1 ml de solução padrão de DBT ou dissulfureto (46,31mM e 44,85 mM respectivamente) e com 30 µl de H2O2 (30 %), consegue completar 3 ciclos com conversões de 100%, termina o 4ºciclo com uma conversão muito próxima dos 100%, e não consegue oxidar o substrato num 5º ciclo. A diminuição da conversão catalítica no 4º ciclo e a conversão nula no 5º ciclo deve-se à destruição da metaloporfirina, como comprova a Figura 3.6, em que a partir do final do 4º ciclo a Soret (banda que indica a existência do macrociclo porfirínico) desaparece. Esta destruição do macrociclo porfirínico deverá ter sido provocada pelo peróxido de hidrogénio que terá oxidado a porfirina causando assim a destruição.[40] Figura 3.6. Espetros de UV-Vis traçado no final de cada ciclo catalítico na reação oxidação do DBT (a)) e dissulfureto de dibutilo (b)) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Abs λ (nm 1ºciclo 2ºciclo 3ºciclo 4ºciclo 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 200 300 400 500 600 700 Abs λ (nm) 1ºciclo 2ºciclo 3ºciclo 4ºciclo b) a) FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 79 3.1.5. Catálise oxidativa usando[ FeCl(TPFPP)] A [FeCl(TPFPP)] é uma metaloporfirina bastante usada e estudada, sendo muito aplicada em catálise. [27, 41-44] Devido às evidentes semelhanças com a μ-O(FeTPFPP)2, realizou-se a catálise oxidativa do DBT e do dissulfureto de dibutilo, nas mesmas condições da porfirina de ferro dimérica, de modo a comparar-se a atividade catalítica da metaloporfirina monomérica com a metaloporfirina dimérica. Como a metaloporfirina dimérica possui dois centros metálicos, levando a que provavelmente tenha dois “centros catalíticos”, e a [FeCl(TPFPP)] só possui um centro metálico, foram realizados testes catalíticos em que se usa o mesmo número de moles (4,8 x10-7 mol) que se usou no estudo catalítico com a porfirina dimérica, e testes onde se duplicou o número de moles (9,6 x10-7 mol) para se obter o número de centros metálicos equivalentes. 3.1.5.1. Catálise Oxidativa do DBT e do Dissulfureto de butilo Os ensaios catalíticos realizados seguiram os parâmetros do ensaio catalítico da metaloporfirina dimérica (relatados em 3.1.4), embora apenas se tenha usado o DBT como substrato, uma vez que o objetivo era apenas comparar a reatividade dos catalisadores. Logo para cada ensaio catalítico utilizou-se 1 ml de solução padrão de DBT (46,31 mM), com metanol como solvente, e o H2O2 (30 %). A única diferença prende-se no catalisador, uma vez que se usou a metaloporfirina [FeCl(TPFPP)] como catalisador em vez de se usar μ-O(FeTPFPP)2 . Num ensaio usou-se a mesma quantidade molar (4,8 x10-7 mol) que se usou com o μ-O(FeTPFPP)2, e num segundo ensaio usou-se o dobro da quantidade molar (9,7 x10-7 mol) para se igualar a quantidade de centros metálicos. Gráfico 3.5. Conversão catalítica da oxidação do DBT com 4,8 x10-7 mol de catalisador 0 20 40 60 80 100 10min 30min 60min 30ul de oxidante 100 100 100 20ul de oxidante 95.7 95.3 96.2 10ul de oxidante 54.3 55.2 55.23 conversão catalítica 80 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Gráfico 3.6. Conversão catalítica da oxidação do DBT com 9,7 x10-7 mol de catalisador Como demonstram os Gráfico 3.5 e Gráfico 3.6, a diferença nas conversões catalíticas entre os ensaios onde se usou 1 equivalente e 2 equivalentes (em relação a quantidade de metaloporfirina dimérica usada anteriormente) é muito reduzida. Em relação à atividade catalítica entre as duas metaloporfirinas diferentes (monomérica e dimérica) a diferença também é quase nula, uma vez que ambas obtêm conversões de 100 % com 30 µl de peróxido de hidrogénio e a diferença quando se adiciona 20 µl e 10 µl de peróxido de hidrogénio é muito pequena (1 a 3 %). Logo não se pode dizer que em termos de atividade catalítica para a oxidação deste substrato haja um catalisador melhor que outro. Em relação ao produto da reação também é de salientar que não houve diferenças entre ensaios catalíticos e entre metaloporfirinas, uma vez que também só se obteve a sulfona como produto. 3.1.5.2. Reutilização do sistema catalítico Como não houve diferenças entre os testes à atividade catalítica na oxidação do DBT num ciclo com a metaloporfirina dimérica e monomérica, também se testou a reutilização do sistema catalítico com a [FeCl(TPFPP)] com 1 e 2 equivalentes (equivalentes em relação á quantidade de metaloporfirina dimérica usada na reutilização anterior). Para se verificar o número de ciclos catalíticos que o catalisador porfirínico, μ- O(FeTPFPP)2, (com 30 µl de H2O2) mantem, foi feito um estudo em que se adicionava ao sistema catalítico mais substrato (DBT) e oxidante (sempre em quantidades equivalentes às iniciais) quando não se notava alterações na quantidade de substrato em duas análises sucessivas. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10min 30min 60min 30ul de oxidante 100 100 100 20ul de oxidante 96.3 96.3 96 10ul de oxidante 51.98 52.12 51.69 conversão catalítica FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 81 Gráfico 3.7. Reutilização do sistema catalítico para a oxidação do DBT com 4,8 x10-7 mol e 9,7 x10-7 mol de metaloporfirina monomérica Gráfico 3.8. Reutilização do sistema catalítico para a oxidação do dissulfureto de dibutilo com 4,8 x10-7 mol 9,7 x10-7 mol de metaloporfirina monomérica Como os Gráfico 3.7 e Gráfico 3.8 mostram, existe uma grande diferença entre fazer a reutilização do sistema catalítico usando 1 equivalente (4,8 x10-7 mol) de metaloporfirina monomérica e 2 equivalentes (9,7 x10-7 mol), uma vez que com 2 equivalentes é possível fazer 4 ciclos catalíticos e com 1 equivalente apenas se completam 3 ciclos. Se o ensaio em que se usa 2 equivalentes molares é perfeitamente equivalente ao ensaio catalítico da reutilização do sistema com a metaloporfirina dimérica, uma vez que apenas há uma pequena melhoria na conversão catalítica de ambos os substratos (diferença entre 5% e 7%) no 4º ciclo, já o ensaio com 1 equivalente molar consegue fazer menos um ciclo. Esta diferença pode ser novamente explicada pela destruição do macrociclo porfirínico, como demonstram os espetros de UV-Vis da . 4,8 x10-7 mol 9,7 x10-7 mol 0% 20% 40% 60% 80% 100% 1ºciclo 2ºciclo 3ciclo 4ºciclo 5ºciclo 4,8 x10-7 mol 100% 100% 100% 0% 0% 9,7 x10-7 mol 100% 100% 100% 98% 0% Conversão catalítica 4,8 x10-7 mol 9,7 x10-7 mol 0% 20% 40% 60% 80% 100% 1ºciclo 2ºciclo 3ciclo 4ºciclo 5ºciclo 4,8 x10-7 mol 100% 100% 100% 0% 0% 9,7 x10-7 mol 100% 100% 100% 99% 0% Conversão catalítica 82 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Figura 3.7. Espectros de UV-Vis do final de cada ciclo catalítico para o ensaio com 1 equivalente molar para o DBT (a1) e dissulfureto de dibutilo (a2), e para o ensaio com 2 equivalentes molar para o DBT (b1) e dissulfureto de dibutilo (b2) Tal como o indica, a razão para um ensaio conseguir 3 ciclos catalíticos e outro conseguir 4 é o facto de a metaloporfirina ser completamente destruída no final do 3º ciclo quando se usa 1 equivalente ou no final do 4º ciclo quando se usa 2 equivalentes. Esta destruição do macrociclo porfirínico deverá ter sido provocada pelo peróxido de hidrogénio que terá oxidado a porfirina causando assim a destruição do macrociclo da metaloporfirina. [40] De fato, usando 2 equivalentes de metaloporfirina, a razão porfirina /H2O2 é maior, encontrando-se o catalisador na presença de um menor excesso do oxidante, o que deverá proporcionar um aumento do tempo de estabilidade da metaloporfirina e a possibilidade da realização de um numero de ciclos de reutilização No ensaio em que se usou 1 equivalente molar consegue realizar-se menos um ciclo reacional do que o ensaio catalítico com a metaloporfirina dimérica ou no ensaio catalítico com 2 equivalentes de metaloporfirina monomérica, devido ao facto de possuir menos metaloporfirina, visto possuir menos quantidade de porfirina é preciso menos H2O2 para destruir a metaloporfirina da mistura reacional. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 300 400 500 600 700 Abs λ (nm) a2 1ciclo 2ciclo 3ciclo 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 300 400 500 600 700 Abs λ (nm) a1 1ºciclo 2ºciclo 3ºciclo 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 300 400 500 600 700 Abs λ (nm) b1 1ºciclo 2ºciclo 3ºciclo 4ºciclo 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 300 400 500 600 700 Abs λ (nm) b2 1ºciclo 2ºciclo 3ºciclo 4ºciclo FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 83 3.2. Catálise em fase heterogénea 3.2.1. Catálise homogénea vs Catálise heterogénea A catálise heterogénea diferencia-se da homogénea em relação á fase em que se encontra o catalisador, ou seja na catálise heterogénea o catalisador (normalmente em fase sólida) encontra-se numa fase diferente que os reagentes (normalmente líquida ou gasosa), já na catálise homogénea o catalisador encontra-se na mesma fase que os reagentes. Na Tabela 3. comparam-se algumas características importantes destes dois processos catalíticos. Se os catalisadores heterogéneos são mais usados em aplicações a nível industrial, dada a facilidade de recuperação do catalisador com vista à sua reutilização, os processos catalíticos homogéneos, para além de requererem condições menos enérgicas, são normalmente mais seletivos. [45] Tabela 3.2. Comparação de algumas características da catálise homogénea e da heterogénea Catálise Homogénea Catálise Heterogénea Condições da reação Suaves Robustas Separação dos produtos Difícil Fácil Recuperação do catalisador Difícil Fácil Seletividade Alta Menor Estabilidade do catalisador Variável Alta Determinação do mecanismo Frequente Difícil Para retirar partido das vantagens dos dois sistemas catalíticos a tendência será criar catalisadores homogéneos imobilizados em suportes sólidos para se obter e catalisadores quimicamente homogéneos mas fisicamente heterogéneos. 3.2.2. Heterogeneização de metaloporfirinas Como já foi referido em capítulos anteriores as metaloporfirinas podem ser catalisadores muito eficientes, no entanto se se pensar na aplicação destes catalisadores à indústria, as metaloporfirinas trazem problemas a nível económico 84 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise (síntese e reutilização complicada) e a nível funcional, uma vez que a manipulação de metaloporfirinas em larga escala é difícil. A solução para aproveitar os principais benefícios das metaloporfirinas pode passar pela sua imobilização em suportes sólidos. Esta estratégia não só vem dar resposta às preocupações ambientais cada vez maiores, como pode ser um bom método para a obtenção de catalisadores que preservem as propriedades dos sistemas homogéneos, mas que também sejam mais robustos e fáceis de recuperar. Os primeiros estudos relacionados com a imobilização de metaloporfirinas em suportes sólidos remontam aos anos 80, em que surgiram as primeiras publicações reportando a ligação com sucesso de porfirinas a suportes orgânicos e inorgânicos via coordenação, interacções electrostáticas e ligações covalentes. A primeira publicação, de 1983, por Nolte e Drenth, diz respeito à epoxidação de alcenos pelo NaOCl, catalisada por um complexo de manganês porfirínico (Mn-porfirina), ligado a um polímero de polisocianida na presença de 4-metilpiridina. [10] Atualmente existem várias publicações onde porfirinas e metaloporfirinas são imobilizadas em diferentes suportes, por exemplo sílica gel, argilas, zeólitos, resinas de troca iónica, resina de Merrifield, polipeptídeos, entre outros. [46] 3.2.3. Materiais mesoporosos Os materiais porosos são materiais de grande interesse, sendo aplicáveis em várias áreas da ciência e da tecnologia. Um sólido é denominado poroso quando contém cavidades, canais ou interstícios, que conferem uma maior área superficial ao material. Os poros destes sólidos podem ser abertos ou fechados. Os poros abertos podem apresentar diferentes naturezas e estarem envolvidos em várias funções importantes em que a acessibilidade a um determinado fluído é necessária, como por exemplo em filtrações ou catálises.[47] Estes poros podem apresentar uma simples conexão à superfície ou podem estar abertos dos dois lados. No caso dos poros fechados, como são isolados completamente pela estrutura, tornam-se pouco úteis para processos onde se usam fluxos gasosos ou líquidos.[48] Os materiais porosos podem ser divididos em 3 grupos: materiais microporosos (poros menores que 2 nm), materiais mesoporosos (com poros entre 2 e 50 nm) e materiais macroporosos (poros maiores que 50 nm). [48] FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 85 Os materiais mesoporosos por terem o tamanho de poro maior que os materiais microporosos (zeólitos por exemplo) podem incorporar moléculas maiores na sua matriz. Neste trabalho usou-se uma sílica mesoporosa, como suporte sólido, para se imobilizar a porfirina μ-O(FeTPFPP)2, e assim obter um catalisador heterogéneo. A sílica mesoporosa escolhida foi o SBA-15 (Santa Barbara Amorphous). O SBA- 15 é uma sílica mesoporosa com estrutura hexagonal de poros altamente ordenados.[49] Uma grande vantagem deste material é a elevada estabilidade térmica e hidrotérmica, se comparada a outros materiais mesoporosos, que é devido à maior espessura das paredes nos poros.[49] Estas características tornaram o SBA-15 promissor para aplicações como suporte para catalisadores [50] ou transporte de fármacos. [51, 52] 3.2.4. Aplicação do compósito μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 na catálise oxidativa Neste trabalho, a aplicação do compósito μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 na catálise oxidativa, envolveu 4 passos: - Síntese da sílica mesoporosa (SBA-15) - A funcionalização da sílica mesoporosa (SBA-15) com um organossilano; - A imobilização da metaloporfirina no material; - Ensaio catalítico; Uma vez que, fruto de outros trabalhos do grupo laboratorial (grupo de investigação da Doutora Salete Balula), já existia SBA-15 sintetizado, funcionalizado com o aminofeniltrimetoxisilano (aftms) e devidamente caracterizado, neste trabalho não foram efetuados esses passos. 3.2.4.1. Tentativa de Imobilização da μ-O(FeTPFPP)2 na sílica mesoporosa funcionalizada A ligação de metaloporfirinas a suportes pode ser classificada como química ou física.[46] Dentro destes dois grupos os métodos podem ainda ser subdivididos de acordo com o tipo de ligação que se estabelece com o suporte. A ligação química da metaloporfirina ao suporte pode ser covalente [53] enquanto a ligação física envolve a adsorção (incluindo a interação electroestática),[54] e o encapsulamento.[55] 92 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 3.3. Referências 1. Berzelius, J., Jahres-Bericht uber Fortschritte der Physichen Wissenschaften. Tubingen, ed. Tubingen. Vol. 15. 1836, Tubingen. 2. C. H. Bartholomew, R.J.F., Fundamentals of Industrial Catalytic Processes. Wiley, ed. Wiley. Vol. 2. 2005, New York: Wiley. 3. [cited 2014 01.07.2014]; Available from: http://questoesbiologicas.blogspot.pt/2013/08/ciencias-da-natureza-unesp.html. 4. Signorella, S. and C. Hureau, Bioinspired functional mimics of the manganese catalases. Coordination Chemistry Reviews, 2012. 256(11-12): p. 1229-1245. 5. Yin, Y., Z. Dong, Q. Luo, and J. Liu, Biomimetic catalysts designed on macromolecular scaffolds. Progress in Polymer Science, 2012. 37(11): p. 1476-1509. 6. Drabkin, D.L., "Selected Landmarks in the History of Porphyrins and Their Biologically Functional Derivatives" em "The Porphyrins". Vol. 1. 1978, London: Acadenis press,inc. 7. Mansuy, D., CYTOCHROME P-450 AND SYNTHETIC MODELS. Pure and Applied Chemistry, 1987. 59(6): p. 759-770. 8. Groves, J.T., High-valent iron in chemical and biological oxidations. Journal of Inorganic Biochemistry, 2006. 100(4): p. 434-447. 9. Meunier, B., S.P. de Visser, and S. Shaik, Mechanism of oxidation reactions catalyzed by cytochrome P450 enzymes. Chemical Reviews, 2004. 104(9): p. 3947- 3980. 10. Mansuy, D., A brief history of the contribution of metalloporphyrin models to cytochrome P450 chemistry and oxidation catalysis. Comptes Rendus Chimie, 2007. 10(4-5): p. 392-413. 11. Groves, J.T., T.E. Nemo, and R.S. Myers, Hydroxylation and epoxidation catalyzed by iron-porphine complexes. Oxygen transfer from iodosylbenzene [2]. Journal of the American Chemical Society, 1979. 101(4): p. 1032-1033. 12. Groves, J.T. and R. Quinn, Aerobic epoxidation of olefins with ruthenium porphyrin catalysts. Journal of the American Chemical Society, 1985. 107(20): p. 5790- 5792. 13. Groves, J.T. and M.K. Stern, Olefin epoxidation by manganese(IV) porphyrins: Evidence for two reaction pathways. Journal of the American Chemical Society, 1987. 109(12): p. 3812-3814. 14. Groves, J.T. and Y. Watanabe, Oxygen activation by metalloporphyrins related to peroxidase and cytochrome P-450. Direct observation of the O-O bond cleavage step. Journal of the American Chemical Society, 1986. 108(24): p. 7834-7836. FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 93 15. Groves, J.T. and Y. Watanabe, On the mechanism of olefin epoxidation by oxoiron porphyrins. Direct observation of an intermediate. Journal of the American Chemical Society, 1986. 108(3): p. 507-508. 16. Dolphin, D., T.G. Traylor, and L.Y. Xie, Polyhaloporphyrins: Unusual Ligands for Metals and Metal-Catalyzed Oxidations. Accounts of Chemical Research, 1997. 30(6): p. 251-259. 17. Meunier, B., Oxidation catalysis. Journal of Porphyrins and Phthalocyanines, 2000. 4(4): p. 353. 18. Traylor, T.G., Y.S. Byun, P.S. Traylor, P. Battioni, and D. Mansuy, Polymeric polyhalogenated metalloporphyrin catalysts for hydroxylation of alkanes and epoxidation of alkenes. Journal of the American Chemical Society, 1991. 113(20): p. 7821-7823. 19. Meunier, B., Metalloporphyrins as versatile catalysts for oxidation reactions and oxidative DNA cleavage. Chemical Reviews, 1992. 92(6): p. 1411-1456. 20. Trakarnpruk, W. and K. Rujiraworawut, Oxidative desulfurization of Gas oil by polyoxometalates catalysts. Fuel Processing Technology, 2009. 90(3): p. 411-414. 21. Komintarachat, C. and W. Trakarnpruk, Oxidative desulfurization using polyoxometalates. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2006. 45(6): p. 1853-1856. 22. Ma, X., K. Sakanishi, and I. Mochida, Hydrodesulfurization reactivities of various sulfur compounds in diesel fuel. Industrial and Engineering Chemistry Research, 1994. 33(2): p. 218-222. 23. Shafi, R. and G.J. Hutchings, Hydrodesulfurization of hindered dibenzothiophenes: an overview. Catalysis Today, 2000. 59(3): p. 423-442. 24. Song, C., An overview of new approaches to deep desulfurization for ultra-clean gasoline, diesel fuel and jet fuel. Catalysis Today, 2003. 86(1-4): p. 211-263. 25. Monticello, D.J., Biodesulfurization and the upgrading of petroleum distillates. Current Opinion in Biotechnology, 2000. 11(6): p. 540-546. 26. Ma, X., L. Sun, and C. Song, A new approach to deep desulfurization of gasoline, diesel fuel and jet fuel by selective adsorption for ultra-clean fuels and for fuel cell applications. Catalysis Today, 2002. 77(1-2): p. 107-116. 27. Pires, S.M.G., M.M.Q. Simões, I.C.M.S. Santos, S.L.H. Rebelo, M.M. Pereira, M.G.P.M.S. Neves, and J.A.S. Cavaleiro, Biomimetic oxidation of organosulfur compounds with hydrogen peroxide catalyzed by manganese porphyrins. Applied Catalysis A: General, 2012. 439-440: p. 51-56. 94 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 28. Seredych, M. and T.J. Bandosz, Removal of dibenzothiophenes from model diesel fuel on sulfur rich activated carbons. Applied Catalysis B: Environmental, 2011. 106(1-2): p. 133-141. 29. Ismagilov, Z., S. Yashnik, M. Kerzhentsev, V. Parmon, A. Bourane, F.M. Al- Shahrani, A.A. Hajji, and O.R. Koseoglu, Oxidative desulfurization of hydrocarbon fuels. Catalysis Reviews - Science and Engineering, 2011. 53(3): p. 199-255. 30. Beller, M., The current status and future trends in oxidation chemistry. Advanced Synthesis and Catalysis, 2004. 346(2-3): p. 107-108. 31. Aguiar, A.R., S. Silva, A. M. N. Cunha-Silva, L. De Castro, B. Silva, A. M. G. Balula, S. S., An efficient eco-sustainable oxidative desulfurization process using μoxo-bridged Fe(III) complex of meso-tetrakis(pentafluorophenyl)porphyrin. Applied Catalysis A: General, 2014. 478: p. 267-274. 32. Aguiar, A., S. Ribeiro, A.M.N. Silva, L. Cunha-Silva, B. De Castro, A.M.G. Silva, and S.S. Balula, An efficient eco-sustainable oxidative desulfurization process using μoxo-bridged Fe(III) complex of meso-tetrakis(pentafluorophenyl)porphyrin. Applied Catalysis A: General, 2014. 478: p. 267-274. 33. Guo, C.C., X.Q. Liu, Y. Liu, Q. Liu, M.F. Chu, and X.B. Zhang, Studies of simple μ-oxo-bisiron(III)porphyrin as catalyst of cyclohexane oxidation with air in absence of cocatalysts or coreductants. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2003. 192(1- 2): p. 289-294. 34. Guo, C., Q. Peng, Q. Liu, and G. Jiang, Selective oxidation of ethylbenzene with air catalyzed by simple μ-oxo dimeric metalloporphyrins under mild conditions in the absence of additives. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2003. 192(1-2): p. 295-302. 35. Guo, C.C., X.Q. Liu, Z.P. Li, and D.C. Guo, Selective catalysis of μ-oxo- bismetalloporphyrins for 2-methylbutane oxidation with PhIO under mild conditions. Applied Catalysis A: General, 2002. 230(1-2): p. 53-60. 36. Zhou, T., Q.H. Tang, and H.B. Ji, Remarkable enhancement of aerobic epoxidation reactivity for olefins catalyzed by μ-oxo-bisiron(III) porphyrins under ambient conditions. Tetrahedron Letters, 2009. 50(47): p. 6601-6605. 37. Zhou, X., J. Li, X. Wang, K. Jin, and W. Ma, Oxidative desulfurization of dibenzothiophene based on molecular oxygen and iron phthalocyanine. Fuel Processing Technology, 2009. 90(2): p. 317-323. 38. Zhao, D., Z. Sun, F. Li, and H. Shan, Optimization of oxidative desulfurization of dibenzothiophene using a coordinated ionic liquid as catalytic solvent. Petroleum Science and Technology, 2009. 27(17): p. 1907-1918. FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 95 39. Li, F.T., C.G. Kou, Z.M. Sun, Y.J. Hao, R.H. Liu, and D.S. Zhao, Deep extractive and oxidative desulfurization of dibenzothiophene with C 5H 9NO·SnCl 2 coordinated ionic liquid. Journal of Hazardous Materials, 2012. 205-206: p. 164-170. 40. Yoshida, T. and C.T. Migita, Mechanism of heme degradation by heme oxygenase. Journal of Inorganic Biochemistry, 2000. 82(1-4): p. 33-41. 41. ipi s a, M.E., S. .H. Rebelo, and C. Freire, Iron(III) porphyrin anchored onto organosilylated multiwalled carbon nanotubes as an active catalyst for epoxidation reactions under mild conditions. Journal of Materials Science, 2014. 49(4): p. 1494- 1505. 42. Pires, S.M.G., M.M.Q. Simões, I.C.M.S. Santos, S.L.H. Rebelo, F.A.A. Paz, M.G.P.M.S. Neves, and J.A.S. Cavaleiro, Oxidation of organosulfur compounds using an iron(III) porphyrin complex: An environmentally safe and efficient approach. Applied Catalysis B: Environmental, 2014. 160-161(1): p. 80-88. 43. Rebelo, S.L.H., M.M. Pereira, M.M.Q. Simões, M.G.P.M.S. Neves, and J.A.S. Cavaleiro, Mechanistic studies on metalloporphyrin epoxidation reactions with hydrogen peroxide: Evidence for two active oxidative species. Journal of Catalysis, 2005. 234(1): p. 76-87. 44. Huang, G., Z.C. Luo, Y.D. Hu, Y.A. Guo, Y.X. Jiang, and S.J. Wei, Preparation and characterization of iron tetra (pentaflurophenyl)-porphyrin (TPFPP Fe) supported on boehmite (BM). Chemical Engineering Journal, 2012. 195-196: p. 165-172. 45. Smith, G., Notheiz, F., “Heterogeneous Catalysis in Organic Chemistry”. Elsevier, ed. Elsevier. 1999. 46. Simonneaux, G., P. Le Maux, Y. Ferrand, and J. Rault-Berthelot, Asymmetric heterogeneous catalysis by metalloporphyrins. Coordination Chemistry Reviews, 2006. 250(17-18): p. 2212-2221. 47. Wu, D., F. Xu, B. Sun, R. Fu, H. He, and K. Matyjaszewski, Design and preparation of porous polymers. Chemical Reviews, 2012. 112(7): p. 3959-4015. 48. Rouquerol, J., D. Avnir, D.H. Everett, C. Fairbridge, M. Haynes, N. Pernicone, J.D.F. Ramsay, K.S.W. Sing, and K.K. Unger, Guidelines for the Characterization of Porous Solids, in Studies in Surface Science and Catalysis. 1994. p. 1-9. 49. Zhao, D., J. Feng, Q. Huo, N. Melosh, G.H. Fredrickson, B.F. Chmelka, and G.D. Stucky, Triblock copolymer syntheses of mesoporous silica with periodic 50 to 300 angstrom pores. Science, 1998. 279(5350): p. 548-552. 50. Gao, J., X. Zhang, Y. Yang, J. Ke, X. Li, Y. Zhang, F. Tan, J. Chen, and X. Quan, Surface-passivated SBA-15-supported gold nanoparticles: Highly improved catalytic activity and selectivity toward hydrophobic substrates. Chemistry - An Asian Journal, 2013. 8(5): p. 934-938. 96 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 51. Nieto, A., F. Balas, M. Colilla, M. Manzano, and M. Vallet-Regí, Functionalization degree of SBA-15 as key factor to modulate sodium alendronate dosage. Microporous and Mesoporous Materials, 2008. 116(1-3): p. 4-13. 52. Vallet-Regí, M., F. Balas, M. Colilla, and M. Manzano, Bone-regenerative bioceramic implants with drug and protein controlled delivery capability. Progress in Solid State Chemistry, 2008. 36(3): p. 163-191. 53. Benedito, F.L., S. Nakagaki, A.A. Saczk, P.G. Peralta-Zamora, and C.M.M. Costa, Study of metalloporphyrin covalently bound to silica as catalyst in the orthodianisidine oxidation. Applied Catalysis A: General, 2003. 250(1): p. 1-11. 54. Battioni, P., J.P. Lallier, L. Barloy, and D. Mansuy, Mono-oxygenase-like oxidation of hydrocarbons using supported manganese-porpnyrin catalysts: Beneficial effects of a silica support for alkane hydroxylation. Journal of the Chemical Society, Chemical Communications, 1989(16): p. 1149-1151. 55. Alkordi, M.H., Y. Liu, R.W. Larsen, J.F. Eubank, and M. Eddaoudi, Zeolite-like metal-organic frameworks as platforms for applications: On metalloporphyrin-based catalysts. Journal of the American Chemical Society, 2008. 130(38): p. 12639-12641. 56. Silverstein R.M. Webster, F.X.K., D. J.;, Spectrometric identification of organic compounds. 7º ed. John Wiley and Sons. 2005, New Your. FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 97 4.Parte Experimental 98 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise 4.1. Reagentes, solventes e equipamento Os reagentes comerciais usados nas sínteses dos compostos foram obtidos através da Sigma-Aldrich e foram utilizados sem qualquer purificação prévia. Para as pesagens utilizaram-se as balanças: Analítica Metler AT 201 (2×10-5 g) e Semi- Analítica Metler (2×10-4 g). As sínteses dos compostos foram realizadas utilizando diferentes tipos de aquecimento: aquecimento convencional e aquecimento por radiação de micro-ondas. No aquecimento convencional utilizaram-se placas de aquecimento Corning com sensor de temperatura, modelo (Cat. 6795PR). No caso do aquecimento por microondas foi usado um reator de cavidade monomodo de modelo CEM Discover com 300 W de potência máxima de magnetrão, e por outro micro-ondas de modelo Cem Discover SP-X, com 300 W de potência máxima de magnetrão e sistema de refrigeração por ar comprimido. A evolução das reações foi seguida por cromatografia de camada fina realizada em folhas de sílica gel 60 F254. A separação dos compostos provenientes das várias misturas reaccionais foi efetuada recorrendo à “cromatografia rápida” (“flash”) com sílica gel 60 (0,040-0,063 mm) da Merck. Para alguns compostos, recorreu-se à cromatografia de camada fina preparativa em placas de vidro (20 x 20 cm) revestidas com uma camada de sílica gel 60 G (Merck) com cerca de 0,5 mm de espessura e secas em estufa a 100ºC durante cerca de 10 horas. Na medição da absorvância das diferentes amostras recorreu-se a um espetrofotómetro de UV-Vis de feixe duplo, Shimadzu UV-3600, e a uma célula de quartzo de 1 cm de passo ótico. Os espetros de RMN foram obtidos no Centro de Materiais da Universidade do Porto (CEMUP), registados num aparelho Bruker Avance III 400, operando a 400,14 MHz para 1H, a 100,63 MHz para 13C e a 376,46 para 19F. Excecionalmente obtiveramse espetros de RMN num aparelho Bruker Avance III HD 600, operando a 600,13 MHz para 1H e a 150,92 MHz para 13C. Os desvios químicos (δ) são apresentados em ppm; as constantes de acoplamento (J) em Hz, sendo o padrão interno o TMS. Os espectros de massa por ionização electrospray (ESI-MS) foram obtidos no Centro de Materiais da Universidade do Porto (CEMUP), usando um espectrómetro de massa Thermo Scientific LTQ-Orbitrap XL, externamente calibrado com um kit padrão fornecido pelo fabricante. As amostras foram dissolvidas em metanol e infundidas diretamente na fonte iónica por electro pulverização. O espectrómetro foi operado no modo de ionização positivo ajustando a tensão capilar a 3,1 kV, e a temperatura do FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 99 capilar de transferência de iões de 275° C. Os espetros foram registados para os valores m / z entre 400 e 3500. Os dados dos espetros de difração de Raios-X de cristal único foram adquiridos a baixa temperatura num difratómetro marca Brüker, modelo X8 Kappa APEX II na Universidade de Aveiro. Os difratogramas de raios-X de pós foram registados na Universidade de Aveiro num difratómetro X’Pert MPD Philips (com radiação-X Cu Kα1,2,λ1 = 1,540598 Å, λ2 = 1,544426 Å), equipado com detetor X’Celerator e um suporte para amostras acoplado a uma lente para focagem Bragg-Brentano, com 40 kV, 50 mA. Os dados de intensidade foram obtidos por método de contagem de passo em modo contínuo (passo de 0,02°) num alcance de ca. 3 ≤ 2ϴ ≤ 50° Os espectros de infravermelho com transformada de fourier foram obtidos num espectrofotómetro PerkinElmer Spectrum Bx, com um acessório ATR PIKE GladiATR. Os reagentes comerciais usados nos estudos catalíticos foram obtidos através da Sigma-Aldrich e foram utilizados sem qualquer purificação prévia. Os estudos catalíticos da oxidação dos substratos propostos foram efetuados utilizando-se um cromatógrafo gasoso Bruker 430-GC. Nos cromatógrafos, o hidrogénio foi utilizado como gás condutor (55 cm3 s-1), bem como colunas capilares Supelco SPB-5 (30 m x 0,25 mm i.d., 25 μm de espessura de filme). 4.2. Síntese dos macrociclos tetrapirrólicos As estruturas dos compostos obtidos neste trabalho encontram-se apresentadas no anexo. 4.2.1. Síntese da meso-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina (TPFPP) A uma mistura de ácido acético glacial (150 mL) e nitrobenzeno (70 mL) em refluxo, adicionou-se pentafluorobenzaldeído (3,6 mL; 28,8 mmol) e 2 mL (28 mmol) de pirrol, gota a gota. Deixou-se a mistura a refluxar durante 1 hora, e posteriormente, depois da mistura estar arrefecida, procedeu-se à separação do material porfirinico do nitrobenzeno e ácido acético por destilação a pressão reduzida. De seguida purificouse a PFTPP por cromatografia em coluna usando uma mistura de DCM/hexano (2:8) como eluente e cristalizou-se a TPFPP (primeira fração) com uma mistura de DCM/hexano. Rendimento = 4,7 % 100 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) : - 2,92 (s;2H; NH), 8,92 (s; 8H;H-); RMN de 19F (376 MHz, CDCl3) : -136,51 (dd, J 26,3 e 7,5; 8F; Forto-Ar); -151,22 (t; J 22,6; 4F; Fpara-Ar), -161,33 (dt, J 20,7 7,5; 8F; Fmeta-Ar) UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 409 (1,6 x 105); 505 (1,9 x 104); 533 (2,3 x 103); 580 (5,6 x 103); 654 (1,0x 103); 4.2.2. Síntese do μ-oxodímero [μ-O(FeTPFPP)2] A uma solução de TPFPP (100 mg, 0.10 mmol) em DMF (10 mL) adicionou-se 0,42 mL de piridina (5,20 mmol) e 0,21 g de FeCl2.H2O (0,16 mmol). Colocou-se a mistura resultante sob atmosfera de azoto e levou-se a refluxo. Passado uma hora adicionou-se mais 0,42 mL de piridina (5,20 mmol) e 0,21 g de FeCl2.H2O (0,16 mmol), para complexar o máximo de porfirina possível, e continuou-se a refluxar durante mais uma hora. Passada a segunda hora, parou-se a reação e deixou-se a mistura reacional a arrefecer à temperatura ambiente, e em contacto com o ar durante 18 horas. Depois, levou-se a mistura à secura, lavou-se três vezes com água e extraiu-se com diclorometano. Posteriormente secou-se a fase orgânica com Na2SO4 e evaporou-se até à secura, para depois se recristalizar a partir de uma mistura de DCM/hexano. Rendimento= 58 % UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 406 (1,7 x 105); 483 (2,5 x 104); 587 (1,7 x 104); MS (ESI) m/z:2072.957 (M+H)+. 4.2.3. Síntese da [FeCl(TPFPP)] A porfirina [FeCl(TPFPP)] foi sintetizada a partir da µ-O(FeTPFPP)2. Dissolveuse 50 mg (0,024 mmol) de metaloporfirina dimérica em 100 mL de DCM e de seguida adicionou-se 10 mL de HCl (5%) e deixou-se em agitação, durante 15 minutos. Fez-se uma extração líquido-líquido com água (para neutralizar o pH) e com DCM. Posteriormente secou-se a fase orgânica com Na2SO4 e evaporou-se até à secura, para depois se recristalizar a partir de uma mistura de DCM/hexano. Rendimento =94 % UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 406 (5,9 x 104); 478 (7,8 x 103); 592 (4,8 x 103); MS (ESI) m/z: 1027,971 (M+H)+. FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 101 4.2.4. Síntese da [Zn(TPFPP)] A uma solução de TPFPP (40 mg, 0,04 mmol) numa mistura de clorofórmio/metanol (35mL/15mL) adicionou-se acetato de zinco(II) dihidratado (9 mg; 0,04 mmol), e deixou-se a reagir a 70ºC, em atmosfera inerte durante 4 horas. Passadas as 4 horas, parou-se a reação, lavou-se com água e uma solução aquosa saturada de carbonato de sódio, extraiu-se em DCM, e evaporou-se até à secura. Rendimento= 96% UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 416 (2,1 x 105); 554 (1,6 x 104); 587 (2,3 x 103). 4.2.5. Síntese da [Mg(TPFPP)] A uma solução de TPFPP (50 mg, 0,05 mmol) em 20 mL de clorofórmio, adicionou-se 0,142 mL (1,02mmol) de trietilamina, 131.6 mg (0,51 mmol) de MgBrO(Et)2 , e deixou-se a reagir a 60ºC, em atmosfera inerte durante 18 horas. Findo esse tempo adicionou-se mais 133 mg de MgBrO(Et)2 e 0,15 mL de trietilamina, e deixou-se a reagir mais 24 horas. Posteriormente, parou-se a reação, lavou-se com uma solução aquosa (50 mL) de NaHCO3 e secou-se a fase orgânica com sulfato de sódio anidro. Levou-se a solução à secura e posteriormente purificou-se por cromatografia de coluna onde se usou o DCM como eluente. Rendimento: 20 % UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 424 (8,4 x 105); 560 (1,3 x104). 4.2.6. Síntese da N-t-butil-C-piridilnitrona A uma solução de cloreto de N-t-butil-hidroxilamónio (75 mg; 0,6 mmol) em tolueno (5 mL) adicionou-se piridina-4-carbaldeído (0,056 mL; 0,6 mmol) e K2CO3 (82 mg; 0,6 mmol), e colocou-se a 80˚C, sob atmosfera de azoto, durante duas horas. Passadas as duas horas, evaporou-se o solvente e lavou-se a mistura com água, extraindo a fase orgânica com clorofórmio. Secou-se a fase orgânica com sulfato de sódio anidro e voltou-se a evaporar o solvente. Rendimento = 80 % 108 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Clorina 3.2.1 RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) : -1,88 e -1,75 (2s; 2H; NH), 2,86 (d; J 6; 3H; NCH3), 3,7 a 3,8 (m; 1H; H-31cis), 3,85 a 3,95 (m; 1H; H-31trans), 4,70 a 4,80 (m; 1H; H- 3), 6,42 (d; J 8,4; 1H; H-2), 8,41 (d; J 4; 1H; H-); 8,49 (dd; J 4,4 e 8,8; 2H; H-), 8,67 (d; J 4,4; 1H; H-), 8,70-8,80 (m; 2H; H-); RMN de 19F (376 MHz, CDCl3) 134,71 (dd; J 22,6 e 7,5; 1F; Forto-Ar), -136,62 (dd; J 22,6 e 7,5; 1F; Forto-Ar), -136,84 (dd; J 26,32 e 7,5; 1F; Forto-Ar), -136,98 (dd; J 22,6 e 7,5; 1F; Forto-Ar) -137,30 a -137,12 (m; 2F; Forto- Ar), -140,74 (dd; J 22,6 e 7,5; 2F; F-56-Ar), -150,20 (dd; J 18,8 e 11,3; 1F; F-53-Ar), - 151,93 (2t; J 22,6; 1F; F-para-Ar), -153,47 (t; J 18,8; 1F; F-para-Ar), -154,34 (t; J 18,8; 1F; F-54-Ar), -161,5 a -161,75 (m; 5F; Fmeta-Ar), -162,3 a -162,63 (m; 1F; Fmeta-Ar) - 162,8 (t; J 22,6; 1F; F-55-Ar). UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 405 (1,0 x 105); 499 (7,6 x 103); 529(4,0 x 103); 591 (2,1 x 103); 652 (2,4 x 104 MS (ESI) m/z: 1030,131 (M+H)+. Clorina 3.2.2 RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) : -1,03 e -0,93 (2s; 2H; NH), 2,50 (d; J 5,6; 3H; NCH3), 3,54 a 3,60 (m; 1H; H-31cis), 4,21 (dd; J 10 e 6,4; 1H; H-31trans), 5,05-5,11 (m; 1H; H-3), 6,72 (d; J 9,2; 1H; H-2), 8,42 (dd; J 8,8 e 4,5; 2H; H-); 8,59 (d; J 4,4; 1H; 1H-), 8,63-8,67 (m; 2H; H-), 8,83-8,86 (m; 1H; H-); RMN de 19F (376 MHz, CDCl3) :-136,6 e -136,4 (2dd; J 22,6 e 7,5; 2F;). -137;04 a -136,96 (m; 2F;), -137,2 (dd; J 22,6 e 7,5; 1F;), -138,98 (dd; J 22,6 e 7,5; 1F;), -148,74 (dd; J 18,8 e 7.5, 1F), -151,8 e - 151,7 (2t; J 20.7; 2F;), -154,04 (t; J 18,8; 2F) -159,1 (dd; J 20,7 e 7,5; 1F;), -161.6 a - 161.35 (m; 5F;), -163,0 (t; J 20,7; 1F;) RMN de 13C a partir de HSQC (100 MHz, CDCl3) : 42,2 (CH3); 48,2 (C-3); 58,8 (C-31); 86.4 (C-2); 123,5; 124,6; 126,7; 128,1; 132,2 (C-). UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) λmáx nm (ε [M-1 cm-1) em MeOH: 418 (8,2 x 104); 512 (3,7 x 103); 550 (6.7 x 103); 602 (1,2 x 103); 664 (1,7 x 104); MS (ESI) m/z: 996,108 (M+H)+. FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 109 5. Conclusão 110 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise A síntese de macrociclos porfirínicos livres ou complexados com rendimentos satisfatórios ainda permanece como uma etapa chave para a obtenção de uma grande variedade de compostos tendo em vista diversas aplicações incluindo a catálise. Esta dissertação teve como objetivos a síntese de metaloporfirinas para utilização em catálise oxidativa e a síntese e caraterização de novos macrociclos porfirínicos também para possível aplicação em catálise oxidativa. Sintetizou-se com sucesso 4 metaloporfirinas e 9 clorinas (duas complexadas), que posteriormente foram caracterizadas por diversas técnicas incluindo: espetroscopia de UV-Vis, espetrometria de massa, espetroscopia de RMN, e cristalografia de raios-X. Em relação às metaloporfirinas é de realçar a síntese, com rendimentos satisfatórios, das porfirinas de ferro(III) principalmente da metaloporfirina dimérica ([μ-O(FeTPFPP)2]), uma vez que embora estivesse caraterizada por cristalografia de Raios-X, não existia nenhuma aplicação associada. O facto de se conseguir converter a metaloporfirina dimérica em monomérica ([FeCl(TPFPP)]), por tratamento ácido (HCl (5%)), também permitiu comparar as características físicoquímicas e funcionais (no caso deste trabalho em catálise), entre duas metaloporfirinas muito parecidas. Em relação à síntese de novos derivados porfirínicos, nesta dissertação usouse a cicloadição 1,3-dipolar, em que nitronas N-substituídas serviram de espécie 1,3- dipolar, para sintetizar novas clorinas. Foram usadas nitronas N-substituídas, ao contrário de nitronas C,N-substituídas, porque estas últimas, embora fossem mais estáveis não reagiram com o dipolarófilo proposto (TPFPP). Deste modo as três primeiras clorinas (clorina 1, 2, e 3) que diferem apenas no grupo de substituição R foram obtidas a partir da reação da TPFPP com a nitrona sintetizada in situ. Destas três clorinas apenas a clorina 3 já estava referenciada na literatura, no entanto sem passos de síntese nem caraterização. Pegando na clorina 3, por ser a clorina inicial que apresentava melhor rendimento, fizeram-se algumas transformações como a metilação, originando a clorina catiónica 3.1, e a hidrogenação com intenção de clivar a ligação N-O da isoxazolidina, que viria originar a clorina 3.2, caraterizada por possuir um grupo hidroxido e um novo anel de 7 lados, resultante da substituição aromática nucleofílica do o-F do anel arilo adjacente e a amina resultante da clivagem da ligação N-O. A metilação da clorina 3.2 originou mais duas novas clorinas (3.2.1 e 3.2.2), onde a clorina 3.2.2 apresenta características peculiares, fruto das grandes mudanças na periferia e consequente destabilização do macrociclo as bandas do espetro de UV-Vis ocorrem a comprimento de onda mais elevados que as suas precedentes (418; 512; 550; 602; 664), o que pode ser muito interessante para possíveis aplicações futuras como por exemplo em PDT. FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 111 Tabela 5.1. Principais macrociclos porfirínicos sintetizados e correspondentes rendimentos Numa tentativa de otimizar a síntese das clorinas tentou-se realizar a mesma reação de cicloadição com a porfirina de partida complexada, mas tal experiência revelou-se ineficiente uma vez que se atingiu valores de rendimento mais baixos com os complexos de Zn2+ e Mg2+, e nem aconteceu reação com a porfirina [FeCl(TPFPP)]. Com mesmo objetivo tentou-se sintetizar a clorina 3, com radiação de microondas. Após a realização de diversos ensaios, conclui-se que a reação só acontece se realizada num micro-ondas com sistema de arrefecimento, uma vez que atinge potências mais altas à mesma temperatura. Assim, chega-se à conclusão que a reação 1,3-dipolar proposta, em micro-ondas, só acontece no tempo desejado (menos de 1 hora) se induzida em altas potências (superior a 100 W). Embora se tenha conseguido obter a clorina 3 por este método o rendimento máximo obtido foi de 21 % a 70 ºC e a 140 W. Embora o objetivo inicial fosse sintetizar novos compostos porfirínicos (neste caso clorinas) para usar futuramente em catálise, as clorinas sintetizadas não foram usadas em catálise uma vez que foram obtidas numa escala baixa e revelaram alguma instabilidade a temperaturas altas (temperaturas altas provocavam retrosíntese). Como também não foi possível obter a respetiva clorina a partir da metaloporfirina [FeCl(TPFPP)], a catálise só se realizou com as metaloporfirinas [μ-O(FeTPFPP)2] e [FeCl(TPFPP)]. Macrociclo porfirínico Rendimento TPFPP 5 % [μ-O(FeTPFPP)2] 58 % [FeCl(TPFPP)] 94 % Clorina 1 12 % Clorina 2 55 % Clorina 3 71 % Clorina 3.1 17 % Clorina 3.2 15 % Clorina 3.2.1 16 % Clorina 3.2.2 67 % 112 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise Em relação à catálise oxidativa, inicialmente testou-se a oxidação do dibenzotiofeno e do dissulfureto de dibutilo, que são dois substratos de enxofre, em catálise homogénea. O primeiro objetivo em relação aos testes catalíticos foi aferir a atividade catalítica da metaloporfirina [μ-O(FeTPFPP)2], que é uma metaloporfirina sem referências no que toca a qualquer aplicação até ao inicio desta dissertação, e posterior comparação com os resultados obtidos pela [FeCl(TPFPP)], que é uma metaloporfirina muito mais aplicada em catálise. Os resultados da catálise oxidativa homogénea com [μ-O(FeTPFPP)2] demonstraram que a quantidade usada de H2O2 tem um papel fundamental na reação de oxidação uma vez que só quando se utiliza 20µl e principalmente 30µl de H2O2 é que se obtém eficiência catalítica alta (muito perto dos 100%), finalizando a reação após os primeiros 10 minutos. Também se pode concluir que a eficiência catalítica da metaloporfirina [FeCl(TPFPP)], é idêntica para o dibenzotiofeno e o dissulfureto de dibutilo. Em relação à comparação da atividade catalítica entre as duas metaloporfirinas diferentes (monomérica e dimérica), verificouse que a diferença é quase nula, uma vez que na presença de ambas se obtém conversões de 100% usando 30µl de peróxido de hidrogénio e a diferença quando se adiciona 20 µl e 10 µl de peróxido de hidrogénio é muito pequena (1 a 3%). Depois de se analisar a eficiência catalítica das duas metaloporfirinas de ferro, testou-se a reutilização destas para se verificar o número de ciclos catalíticos em que o catalisador metaloporfirínico se encontrava estável e sem perda de atividade, na presença de 30µl de H2O2. Os resultados obtidos da reutilização do sistema catalítico foram similares para ambos os substratos, e mostraram que para a metaloporfirina dimérica ([μ-O(FeTPFPP)2]) conseguiu-se completar 3 ciclos com conversões a 100%, e um 4º ciclo com uma conversão muito próxima dos 100%, tendo o 5º ciclo conversão nula. A diminuição da conversão catalítica no 4º ciclo e a conversão nula no 5ºciclo deve-se à destruição da metaloporfirina, que deverá ser causada pelo excesso de peróxido de hidrogénio. Em relação à metaloporfirina monomérica ([FeCl(TPFPP)]) confirmou-se que existe uma grande diferença entre fazer a reutilização do sistema catalítica usando 1 equivalente, em relação à metaloporfirina dimérica usada, (4,8x10-7 mol) de metaloporfirina monomérica e 2 equivalentes (9,7 x10-7 mol), uma vez que com 2 equivalentes é possível fazer 4 ciclos catalíticos e com 1 equivalente apenas se completam 3 ciclos. Após os resultados obtidos na catálise homogénea, tentou-se preparar um catalisador heterogéneo tendo como centro ativo a metaloporfirina dimérica ([μ- O(FeTPFPP)2]). Foi então tentada a imobilização por ligação covalente desta metaloporfirina numa sílica mesoporosa já funcionalizada com o grupo FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 113 aminofeniltrimetoxisilano (aftms). As caracterizações feitas, principalmente ICP, apontaram para a incorporação da metaloporfirina ao suporte aftmsSBA-15, no entanto os resultados em catálise foram bastante satisfatórios só para o 1º ciclo reacional. A eficiência catalítica do compósito sintetizado quase que igualou o catalisador homogéneo obtendo valores de conversão próximos de 100% no 1º ciclo catalítico, para ambos os substratos. Em relação à reciclagem do catalisador, o resultado foi francamente negativo uma vez que não se obteve oxidação dos substratos quando se tentou reciclar o catalisador. O facto de o catalisador reciclado não ter eficiência nos ciclos seguintes indica que além de lixiviação, comprovada por ICP, houve degradação da metaloporfirina quando solta no meio reacional. Estas indicações e o facto de não haver uma caracterização mais concreta que indique que a metaloporfirina estivesse covalentemente ligada ao material, indicia a possibilidade de a metaloporfirina apenas estar imobilizada por ligações de coordenação ou simplesmente adsorvida no material mesoporoso. Futuramente seria interessante voltar a tentar a imobilização das metaloporfirinas em sílicas mesoporosas, para otimizar a imobilização, de modo a evitar a lixiviação e degradação destes catalisadores heterogéneos e assim repetir as catálises oxidativas dos compostos de enxofre e possivelmente tentar a catálise em outros sistemas como por exemplo em sistemas de dessulfurização oxidativa (ODS). Também seria interessante sintetizar na escala das 100-200 mg uma das novas clorinas apresentadas neste trabalho para se tentar complexar com um ião de metal normalmente usado em catálise (Mn(III) ou Fe(III)) e avaliar o potencial catalítico destes macrociclos. Por outro lado também seria interessante estudar a possibilidade de se aplicar estas novas clorinas como cromóforos, dado terem revelado propriedades fotofísicas muito interessantes. 114 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise 115 Anexo-Estrutura dos macrociclos tetrapirrólicos sintetizados A1 - Porfirinas e metaloporfirinas sintetizadas TPFPP Fórmula Química: C44H10F20N4 Massa exata: 974.0586 [FeCl(PFTPP)] Fórmula Química: C44H8ClF20FeN4 Massa exata: 1062.9468 Zn(TPFPP) Fórmula Química: C44H8F20N4Zn Massa exata: 1035.9721 [μ-O(FeTPFPP) 2 ] Fórmula Química: C88H16F40Fe2N8O Massa exata: 2071.95 Mg(TPFPP) Fórmula Química: C44H8F20MgN4 Massa exata: 996.0280 2 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise A2 – Clorinas e metaloclorinas sintetizadas Clorina 1 Fórmula Química: C49H21F20N5O Massa exata: 1075.1427 Clorina 5 Fórmula Química: C46H13F20MgN5O Massa exata: 1055.0651 Clorina 2 Fórmula Química: C52H19F20N5O Massa exata: 1109.1270 Clorina 3 Fórmula Química: C46H15F20N5O Massa exata: 1033.0957 Clorina 4 Fórmula Química: C46H13F20N5OZn Massa exata: 1095.0092 Clorina 3.1 Fórmula Química: C47H18F20N5O+ Massa exata: 1048.1187 Clorina 3.2 Fórmula Química: C46H16F19N5O Massa exata: 1015.1051 Clorina 3.2.1 Fórmula Química: C47H18F19N5O Massa exata: 1029.1208 Clorina 3.2.2 Fórmula Química: C46H15F18N5O Massa exata: 995.0989