Sistemes moleculars catiònics i dicatiònics: Estructures basades en sals d'imidazoli

Abstract

[cat] La investigació s'ha centrat en la preparació d'estructures basades en sals d'imidazoli que per tractament en medi bàsic puguin transformar-se en carbens N-heterocíclics (NHCs) i complexar metalls de transició proporcionant complexes organometàl·lics amb potencial aplicació com a catalitzadors homogenis. D'altra banda, els sistemes moleculars que incorporen sals d'imidazoli poden presentar capacitat per al reconeixement molecular d'anions d'interès en el camp biològic. Inicialment, es prepararen blocs fonamentals i mòduls moleculars de N-arilazoles, impedits estèricament, mitjançant reaccions d'acoblament catalitzades per coure entre halogenurs d'aril i imidazole, optimitzant-se els protocols sintètics pel 1,3-bis(imidazolil)benzè i alguns N-arilimidazoles descrits a la literatura. A partir d'aquests, s'han sintetitzat sals de bis(imidazoli). En primer lloc, es quaternitzaren els anells heteroaromàtics del 1,3-di(N-imidazolil)benzè incorporant altres funcionalitzacions que poguessin aportar punts d'ancoratge addicionals per a la formació de complexos organometàl·lics. Així, s'han sintetitzat les sals de bis(fosfino-imidazoli) i de bis(piridil-imidazoli) amb bons rendiments. Paral·lelament, es va plantejar augmentar la distància entre l'anell d'imidazoli i l'espaiador interanular aromàtic, inserint cadenes alquíliques de metilè, etilè i propilè, que proporcionen certa flexibilitat a la molècula. Es seleccionà com a espaiador el mesitilè donat que pot condicionar la disposició de les cadenes laterals de forma perpendicular al pla de l'anell aromàtic i aportar els electrons  necessaris per a l'estabilització dels complexos formats amb metalls de transició. En aquest sentit, s'han preparat les sals de bis(metilen-, etilen i propilen-imidazoli) per quaternització de N-alquil o N-arilimidazoles amb bons rendiments. Seguint amb la investigació de nous sistemes basats en sals d'imidazoli, s'han sintetitzat estructures en les que coexisteixen una unitat d'imidazoli i una unitat d'oxazolina, capaç d'aportar parells d'electrons per cedir al metall al formar complexos organometàl·lics i introduir estereocentres a la molècula. La preparació d'aquestes sals no fou fàcil donada la dificultat que representa la incorporació de dos heterocicles diferents a la mateixa molècula, tot i així s'ha desenvolupat una ruta sintètica eficient per a la seva preparació la qual ens permet obtenir sistemes d'oxazolina-imidazoli amb bons rendiments. El protocol sintètic utilitzat pot aplicar-se a altres sistemes quirals de potencial aplicació en síntesi asimètrica. Amb les sals d'oxazolinil-imidazoli, i altres bis(oxazolines) preparades, s'ha procedit a l'avaluació de la seva capacitat d'actuació com a lligands en sistemes catalítics front la reacció de Suzuki-Miyaura, generant el sistema catalític in situ amb acetat de pal·ladi. Els resultats mostren que els cations impedits estèricament són eficaços tant amb bromurs com amb clorurs d'aril, fins i tot utilitzant baixes proporcions de catalitzador. Per altra banda, també s'ha estudiat el comportament de les sals de bis(fosfino-imidazoli) i bis(piridil-imidazoli) en la reacció de Suzuki-Miyaura, però cap d'elles ha mostrat una activitat catalítica remarcable. També, s'han intentat preparar complexes de NHC-Ag i NHC-Pd d'algunes de les sals de bis(imidazoli) preparades. Així mateix, s'ha realitzat l'estudi estructural en estat gas per ESI-MS, i en dissolució per RMN-1H. A més, s'ha estudiat la velocitat d'intercanvi protó/deuteri del protó del C-2 de l'anell d'imidazoli en metanol deuterat, calculant-se la constant d'intercanvi sempre que el compost ho ha permès. El valor d'aquesta constant és indicativa de la facilitat que presenten els compostos estudiats per a formar carbens i de la influència que exerceix l'anió que acompanya a les sals d'imidazoli. La preparació i estudi de nous complexos organometàl·lics, així com l'avaluació de la capacitat d'aquests sistemes en el reconeixement molecular d'anions serà objecte d'estudis posteriors. La present Tesi Doctoral ha donat lloc, fins al moment de la seva defensa, a dues publicacions en revistes internacionals (Eur. J. Org. Chem., 2005, 1637-1643; Synthesis, 2007, en premsa) i a altres dues pendents d'enviament, a més dels resultats que s'obtinguin amb la profundització d'alguns aspectes inacabats.

[eng] Our investigation has been focused on imidazolium-based molecular structures, potential precursors of N-heterocyclic carbenes (NHCs) which have emerged as a relevant family of ancillary ligands in organometallic chemistry due to their practical applications in homogeneous catalysis, and in anion recognition chemistry which is of revelant interest to field of biology. Firstly, we pursued the synthesis of more or less sterically hindered N-arylazoles using a mild protocol for a Cu-catalyzed coupling reactions between aryl halides and imidazole optimizing the synthesis of 1,3-bis(imidazolyl)benzene and other N-arylimidazoles described in literature. Subsequently, 1,3-bis(N-imidazolyl)benzene heteroaromatic ring quaternization and incorporation of other funcionalizations that contribute additional anchorage points for the formation of organometallic complex afforded bis(phosphine-imidazolium) and bis(pyridyl-imidazolium) salts in good yields. Moreover, bis(methylene-, ethylene- and propylene-imidazolium) salts were prepared in good yields from quaternization with N-alkyl or N-arylimidazoles. In this case, a mesitylene spacer was selected because it can orientate lateral chain arrangement perpendicular in respect to the aromatic ring plane and contribute to organometallic complex stabilization. In addition, oxazolinyl-imidazolium salts were prepared using an efficient multistep sequence, which can be adapted to a variety of chiral frameworks with catalytic performance in asymmetric reactions. A Suzuki-Miyaura reaction was used to illustrate the activity of the catalyst systems produced in situ from these salts and palladium(II)acetate. Also, it has been studied the behaviour of bis(phosphine-imidazolium) and bis(pyridyl-imidazolium) salts as a polidentate ligand precursors. Finally, the structural study in the gas phase using ESI-MS and in solution by 1H-NMR has been carried out. Additionally, it has been observed the proton/deuterium exchange rate of imidazolium C-2 proton in methanol-d4, which indicates its acidity and the suitability of NHC formation. This Doctoral Thesis has resulted in the publication of two articles in international journals (Eur. J. Org. Chem.,2005, 1637-1643; Synthesis, 2007, in press) and also two further articles subject to acceptance.