ES2239901A1 - Metalodendrites - Google Patents
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- C07F17/02—Metallocenes of metals of Groups 8, 9 or 10 of the Periodic System
Abstract
Description
Metalodendritas.Metallodendrites
La invención se relaciona en general con nuevas moléculas hiperramificadas que incorporan metales en su estructura, denominadas metalodendritas, cuya conformación cambia de forma reversible frente a un estímulo red-ox. Asimismo, la invención se relaciona con su empleo corno interruptores moleculares.The invention relates in general to new hyperbranched molecules that incorporate metals into their structure, called metallodendrites, whose conformation changes shape reversible against a red-ox stimulus. Likewise, The invention relates to its use as switches molecular.
Las macromoléculas hiperramificadas, denominadas
dendrímeros, que incorporan uno o más metales en su estructura
presentan características fisico-químicas
específicas que permiten que sean fácilmente empleadas como
interruptores moleculares. El interés en el desarrollo de las mismas
se basa en la capacidad de obtener materiales altamente ordenados
con propiedades magnéticas electrónicas y ópticas de interés
tecnológico, y en este sentido, en su empleo como interruptores
moleculares. El término interruptor molecular se define como un
conjunto de sistemas moleculares discretos que permite realizar
movimientos mecánicos (output) cuando son sometidos aun estímulo
externo
(input).Hyperbranched macromolecules, called dendrimers, that incorporate one or more metals in their structure have specific physico-chemical characteristics that allow them to be easily used as molecular switches. The interest in their development is based on the ability to obtain highly ordered materials with electronic and optical magnetic properties of technological interest, and in this sense, in their use as molecular switches. The term molecular switch is defined as a set of discrete molecular systems that allows mechanical movements (output) when they are subjected to an external stimulus
(input).
El documento Peruga, A., et al., J. Organometallic Chem., 637-639 (2001) 191-197, "Facile synthesis of bidimensional ferrocenyl-based branched oligomers by palladium-catalyzed coupling reactions", describe un procedimiento para la síntesis de una metalodendrita. Dicha metalodendrita es un complejo metálico bidimensional en forma de estrella, que frente a un estímulo red-ox aumenta sus dimensiones moleculares estirándose por la repulsión que se produce entre los ferrocenos que contienen átomos de Fe^{2+} y que son oxidados a Fe^{3+}. Esta metalodendrita presenta una serie de inconvenientes, tales como su solubilidad muy limitada a determinados disolventes o medios de reacción. Por tanto no puede ser utilizada en disolución en cualquier de medio de reacción en la que ésta no sea soluble. Asimismo, esta metalodendrita no es estable en todos los medios de reacción en los que podría utilizarse, y la variación que sufre de sus dimensiones moleculares en respuesta a un estímulo red-ox no es suficientemente marcada.Peruga, A., et al ., J. Organometallic Chem., 637-639 (2001) 191-197, "Facile synthesis of two-dimensional ferrocenyl-based branched oligomers by palladium-catalyzed coupling reactions", describes a procedure for the synthesis of a metallodendrite. Said metallodendrite is a two-dimensional metal complex in the form of a star, which in the face of a red-ox stimulus increases its molecular dimensions by stretching out the repulsion that occurs between ferrocenes that contain Fe 2+ atoms and that are oxidized to Fe 3+. This metallodendrite has a number of drawbacks, such as its very limited solubility to certain solvents or reaction media. Therefore it cannot be used in solution in any reaction medium in which it is not soluble. Likewise, this metallodendrite is not stable in all the reaction media in which it could be used, and the variation it suffers from its molecular dimensions in response to a red-ox stimulus is not sufficiently marked.
Seria importante conseguir interruptores moleculares fáciles de síntesis, solubles en diferentes medios y que presenten una significativa variación, por ejemplo en sus dimensiones, frente variaciones redox.It would be important to get switches Molecules easy to synthesize, soluble in different media and that present a significant variation, for example in their dimensions, versus redox variations.
Existe por lo tanto la necesidad de proporcionar, metalodendritas alternativas que superen parte o la totalidad de los inconvenientes del estado de la técnica y que por lo tanto puedan tener una aplicación industrial.There is therefore a need to provide, alternative metallodendrites that exceed part or all of the drawbacks of the state of the art and that therefore They can have an industrial application.
La presente invención se enfrenta al problema de proporcionar una metalodendrita alternativa que supere parte o la totalidad de los inconvenientes de la metalodendrita del estado de la técnica, mencionados anteriormente.The present invention faces the problem of provide an alternative metallodendrite that exceeds part or the all the disadvantages of the metallodendrite of the state of the technique, mentioned above.
La solución aportada por la presente invención se basa en que los inventores han observado que, por una parte es posible modular la solubilidad en los distintos disolventes de las metalodendritas mediante la introducción de grupos o sustituyentes, que no producen un impedimento estérico que impida su cambio conformacional. Asimismo, los inventores han observado sorprendentemente que cuando los elementos ferroceno se colocan, además de en la periferia, en el centro de la estructura se produce un cambio conformacional mucho más drástico, unidireccional.The solution provided by the present invention is based on the fact that the inventors have observed that on the one hand it is possible to modulate the solubility in the different solvents of the metallodendrites by introducing groups or substituents, that do not produce a steric hindrance that prevents their change conformational Also, the inventors have observed surprisingly that when the ferrocene elements are placed, In addition to the periphery, the center of the structure is produced a much more drastic, unidirectional conformational change.
Por lo tanto en un aspecto la invención proporciona una nueva metalodendrita seleccionada entre el grupo de las metalodendritas A) con una estructura bidimensional, simétrica (Fórmula 1) y el grupo de las metalodendritas B) que adicionalmente a las ferrocenos en dichas hiperrramificaciones comprenden un ferroceno central (Fórmula 2).Therefore in one aspect the invention provides a new metallodendrite selected from the group of the metallodendrites A) with a two-dimensional, symmetrical structure (Formula 1) and the group of metallodendrites B) which additionally to the ferrocenes in said hyperrramifications comprise a central ferrocene (Formula 2).
Entre las ventajas de las nuevas metalodendritas puede mencionarse la posibilidad de seleccionar una determinada metalodendrita con unas características de solubilidad determinadas dependiendo del medio de reacción en el que se desee aplicar. Otra ventaja adicional de estas metalodendritas consiste en que tanto las de grupo A), por tener un mayor "core" central, como las del grupo B) por la presencia de un ferroceno central, presentan un mayor tamaño molecular y una respuesta en el cambio conformacional más drástico. Adicionalmente, las metalodendritas con un ferroceno central del grupo B) sufren un cambio conformacional unidireccional del 100%, lo que aumenta su posibilidad de respuesta enormemente.Among the advantages of the new metallodendrites the possibility of selecting a specific one can be mentioned metallodendrite with certain solubility characteristics depending on the reaction medium in which it is desired to apply. Other additional advantage of these metallodendrites is that both those of group A), for having a larger core core, such as of group B) due to the presence of a central ferrocene, they present a greater molecular size and a response in conformational change more drastic Additionally, metallodendrites with a ferrocene central group B) suffer a unidirectional conformational change 100%, which increases your chance of response enormously.
Figura 1. Representa el esquema de síntesis de una metalodendrita del grupo B) y el cambio conformacional reversible que sufre frente a un estímulo red-ox.Figure 1. Represents the synthesis scheme of a metallodendrite of group B) and conformational change reversible suffering from a stimulus red-ox.
La presente invención proporciona una metalodendrita seleccionada del grupo A) ó B) donde:The present invention provides a metallodendrite selected from group A) or B) where:
las metalodendritas del grupo A) presentan la fórmula 1:the metallodendrites of group A) present the Formula 1:
Fórmula 1Formula one
donde, uno o más de los sustituyentes hidrógenos presentes en la misma pueden ser independientemente sustituidos por uno o más sustituyentes seleccionados del grupo formado por halógenos, grupos R, arilo, -OH, -OR, -COOH, -COOR, -OCOR, -CHO, -SO_{3}H, -CN, -COR, -CH_{2}NR_{1}R_{2} donde R se selecciona del grupo formado por los grupos alquilo C_{1}-C_{6} lineal, ramificado y cíclico, y donde R1 y R2 pueden ser independientemente iguales o diferentes entre sí, hidrógeno o un grupo R;where, one or more of the hydrogenic substituents present therein can be independently substituted by one or more substituents selected from the group consisting of halogens, R groups, aryl, -OH, -OR, -COOH, -COOR, -OCOR, -CHO, -SO3H, -CN, -COR, -CH_ {NR} {1} R2 where R is selected from the group formed by the linear C 1 -C 6 alkyl groups, branched and cyclic, and where R1 and R2 can be independently same or different from each other, hydrogen or a group R;
Fc es la estructura (\eta^{5}-C_{5}H_{5})-M-(\eta^{5}-C_{5}H_{4})-, donde M es un metal coordinado a los dos anillos de ciclopentadienilo (\eta^{5}-C_{5}H_{5}) y (\eta^{5}-C_{5}H_{4}), seleccionado entre Fe, Ni, Co, Zr, Ru, Cr, Zr, Hf, Ti, Mo, Nb, W y V; yFc is the structure (η 5 -C 5 H 5) - M - (η 5 -C 5 H 4) -, where M is a metal coordinated to the two rings of cyclopentadienyl (η 5 -C 5 H 5) and (η 5 -C 5 H 4), selected from Fe, Ni, Co, Zr, Ru, Cr, Zr, Hf, Ti, Mo, Nb, W and V; Y
las metalodendritas del grupo B) presentan la fórmula estructural siguiente:the metallodendrites of group B) present the following structural formula:
Fórmula 2Formula 2
donde uno o más de los sustituyentes hidrógenos presentes en la misma pueden ser independientemente sustituidos por uno o más sustituyentes seleccionados del grupo formado por halógenos, grupos R, arilo, -OH, -OR, -COOH, -COOR, -OCOR, -CHO,-SO_{3}H, -CN, -COR, -CH_{2}NR_{1}R_{2} donde R se selecciona del grupo formado por los grupos alquilo C_{1}-C_{6} lineal, ramificado y cíclico, y donde R1 y R2 pueden ser independientemente iguales o diferentes entre sí, hidrógeno o un grupo R;where one or more of the hydrogenic substituents present therein can be independently substituted by one or more substituents selected from the group consisting of halogens, R groups, aryl, -OH, -OR, -COOH, -COOR, -OCOR, -CHO, -SO3H, -CN, -COR, -CH_ {NR} {1} R2 where R is selected from the group formed by the linear C 1 -C 6 alkyl groups, branched and cyclic, and where R1 and R2 can be independently same or different from each other, hydrogen or a group R;
Fc es la estructura (\eta^{5}-C_{5}H_{5})-M-(\eta^{5}-C_{5}H_{4})-, donde M es un metal coordinado a los dos anillos de ciclopentadienilo (\eta^{5}-C_{5}H_{5}) y (\eta^{5}-C_{5}H_{4}), seleccionado entre Fe, Ni, Co, Zr, Ru, Cr, Zr, Hf, Ti, Mo, Nb, W y V; yFc is the structure (η 5 -C 5 H 5) - M - (η 5 -C 5 H 4) -, where M is a metal coordinated to the two rings of cyclopentadienyl (η 5 -C 5 H 5) and (η 5 -C 5 H 4), selected from Fe, Ni, Co, Zr, Ru, Cr, Zr, Hf, Ti, Mo, Nb, W and V; Y
el átomo de hierro central puede ser un metal distinto del Fe seleccionado entre Ni, Co, Zr, Ru, Cr, Zr, Hf, Ti, M ó, Nb,. W y V. Asimismo, el número de unidades estructurales [-CH=CH-C_{6}C_{4}-], es decir de anillos benceno separados por dobles enlaces C=C, en dichas ramificaciones puede estar comprendido entre 1 y 5.the central iron atom can be a metal other than Fe selected from Ni, Co, Zr, Ru, Cr, Zr, Hf, Ti, M or, Nb ,. W and V. Also, the number of structural units [-CH = CH-C 6 C 4 -], ie rings benzene separated by double bonds C = C, in these branches It can be between 1 and 5.
Los sustituyentes sobre la metalodendrita del grupo A) o sobre la metalodendrita del grupo B) son preferentemente sustituyentes que no impliquen impedimentos estemos en el cambio conformacional de las mismas, y que puedan mermar su capacidad de sufrir un cambio conformacional máximo.The substituents on the metallodendrite of group A) or on the metallodendrite of group B) are preferably substituents that do not imply impediments we are in the change conformational of them, and that can reduce their ability to undergo a maximum conformational change.
En una realización particular Fc representa ferroceno-ferrocinio. En otra realización particular, la metalodendrita del grupo B) presenta un átomo de Fe en el centro de la misma.In a particular embodiment Fc represents ferrocene-ferrocinium. In another embodiment In particular, the metallodendrite of group B) has an atom of Fe in the center of it.
Estas nuevas metalodendritas proporcionadas por la presente invención, en adelante metalodendritas de la invención, reaccionan de forma reversible frente a un estímulo red-ox. El estímulo red-ox es cualquier combinación de un a ente oxi ante y un agente reductor, de modo que el agente oxidante sea capaz de oxidar la metalodendrita, en particular, los átomos de metal desde un estado de oxidación inicial a un estado de oxidación superior y, a continuación, el agente reductor sea capaz de reducir los átomos de metal al estado de oxidación de partida. La oxidación de dichos átomos de metal provoca un aumento de la carga positiva en la metalodendrita y esto conduce a una fuerte repulsión electrostática entre ellas, que conduce a un significativo aumento del tamaño de la misma y al cambio conformacional para minimizar dichas repulsiones.These new metallodendrites provided by the present invention, hereinafter metallodendrites of the invention, react reversibly to a stimulus red-ox. The red-ox stimulus is any combination of an oxygen entity and a reducing agent, so that the oxidizing agent is able to oxidize the metallodendrite, in particular, metal atoms from a state of initial oxidation at a higher oxidation state and, at then the reducing agent is able to reduce the atoms of metal to the initial oxidation state. The oxidation of said metal atoms causes an increase in the positive charge on the metallodendrite and this leads to a strong electrostatic repulsion among them, which leads to a significant increase in the size of the same and the conformational change to minimize these repulsions
Este tipo de metalodendritas que reaccionan de forma reversible se utilizan como interruptores moleculares. Dicha reversibilidad ha sido comprobada mediante estudios de voltametría cíclica.This type of metallodendrites that react from Reversible form are used as molecular switches. Bliss reversibility has been proven by voltammetry studies cyclic
El tipo de cambio conformacional que sufre una metalodendrita del grupo A) es bidimensional dando lugar a una elongación de las ramificaciones. En las metalodendritas del grupo B) (ver Figura 1) dicho cambio es mucho más drástico, puesto que el elemento estructural central ferroceno -(\eta^{5}-C_{5}H_{4})-M-\eta^{5}-C_{5}H_{4})-, gira sobre sí mismo, a modo de una bisagra, originando una conformación anti, totalmente expandida en una sola dirección. Los cambios conformacionales han sido comprobados mediante técnicas de caracterización espectroscópica, en particular, resonancia magnética nuclear (RMN) y difracción de rayos-X. Las metalodendritas del grupo B) presentan dos ramificaciones idénticas, que se solapan de modo que los bencenos se solapan igualmente contribuyendo a una gran estabilidad de las mismas en su conformación plegada. Dicho solapamiento de los anillos bencénicos estabilizan la estructura mediante interacciones de tipo pi-pi. A mayor número de anillos benceno en cada ramificación mayor es la estabilidad de la metalodendrita.The type of conformational change undergone by a metallodendrite of group A) is two-dimensional resulting in an elongation of the ramifications. In the metallodendrites of group B) (see Figure 1) this change is much more drastic, since the central structural element ferrocene - (η 5 -C_ {5} H_ {4}) - M- \ eta ^ {5} -C_ {5} H4} -, rotates on itself, as a hinge, causing an anti- conformation, fully expanded in only one direction. The conformational changes have been verified by spectroscopic characterization techniques, in particular nuclear magnetic resonance imaging (NMR) and X-ray diffraction. The metallodendrites of group B) have two identical branches, which overlap so that the benzenes also overlap contributing to their great stability in their folded conformation. Said overlapping of the benzene rings stabilize the structure by means of pi-pi interactions. The greater the number of benzene rings in each branch, the greater the stability of the metallodendrite.
Las metalodendritas se obtienen mediante el procedimiento general descrito en la referencia mencionada caracterizado por el empleo del catalizador sin-di m-cloro)-bis[o-(bencilfenilfosfina)bencil]dipaladio (II). Dos realizaciones particulares del procedimiento de obtención se describen posteriormente (ver Ejemplos 1 y 2). Cualquier variante para otra realización particular resulta evidente para un experto en la materia a la vista del documento mencionado y el conocimiento general común.The metallodendrites are obtained by general procedure described in the reference mentioned characterized by the use of the sin-di catalyst m-chloro) -bis [o- (benzylphenylphosphine) benzyl] dipaladium (II). Two particular embodiments of the procurement procedure are described later (see Examples 1 and 2). Any variant for another particular embodiment is evident for a subject matter expert in view of the aforementioned document and the common general knowledge.
Las metalodendritas de la invención tienen aplicación como interruptores moleculares. Las aplicaciones de estas nuevas metalodendritas derivan de las propiedades particulares de las mismas, ya que ofrecen la posibilidad de preparar sistemas conjugados que ofrezcan la posibilidad de la comunicación, electrónica entre las subunidades terminales, siendo esto de interés particular en términos de modular propiedades electrónicas de los materiales. Entre las aplicaciones de las metalodendritas de la invención destaca su utilización como sensor de procesos red-ox, por ejemplo, como sensor de la presencia de monóxido de carbono. Entre otras aplicaciones puede citarse asimismo su utilización en el diseño de máquinas a escala molecular, en sistemas de detección molecular, diseño de interruptores químicamente controlados, almacenamiento de información, entre otros.The metallodendrites of the invention have Application as molecular switches. The applications of these new metallodendrites derive from the properties particular of them, since they offer the possibility of prepare conjugated systems that offer the possibility of communication, electronics between the terminal subunits, being this of particular interest in terms of modulating properties Electronic materials. Among the applications of metallodendrites of the invention highlights its use as a sensor of red-ox processes, for example, as a sensor of the presence of carbon monoxide. Among other applications you can cite also its use in the design of scale machines molecular, in molecular detection systems, design of chemically controlled switches, storage information, among others.
Los siguientes Ejemplos ilustrativos de la invención no deben ser interpretados como limitativos del ámbito de protección de la misma.The following illustrative examples of the invention should not be construed as limiting the scope of protection of it.
Una suspensión de la olefina 1,3-bis{-CH=CH-(\eta^{5}-C_{5}H_{4})-Fe -(\eta^{5}-C_{5}H_{5})}-5-CH_{2}=CH-C_{6}H_{3} (200 mg, 0,4 mmol), Fe{(\eta^{5}-C_{5}H_{4})-CH=CH-C_{6}H_{4}-Br}_{2} (105 mg, 0,2 mmol), acetato sódico anhídro (40 mg, 0,6 mmol), bromuro de tetrabutilamonio (40 mg, 0,2 mmol) y 20 mg de sin-di(m-cloro)-bis[o-(bencilfenilfosfina)bencil]dipaladio (II) en DMA (N,N-dimetilcetamida) (12 ml) se calentó a 130ºC durante 5 h. El crudo de la reacción se llevó a sequedad bajo presión reducida (13 mm Hg) y se realizó una extracción con agua/diclorometano. La fase orgánica se secó sobre sulfato magnésico y se purificó mediante cromatografia de columna con gel de sílice utilizando como eluyente una mezcla de hexano/diclorometano en relación 2:1. El producto fue recristalizado utilizando una mezcla de diclorometano/hexano. El rendimiento fue del 62%.A suspension of olefin 1,3-bis {-CH = CH - (η 5 -C 5 H 4) - Fe - (η 5 -C 5 H 5)} - 5-CH 2 = CH-C 6 H 3 (200 mg, 0.4 mmol), Fe {(η 5 -C 5 H 4) - CH = CH-C 6 H 4 -Br} 2 (105 mg, 0.2 mmol), anhydrous sodium acetate (40 mg, 0.6 mmol), tetrabutylammonium bromide (40 mg, 0.2 mmol) and 20 mg of sin-di (m-chloro) -bis [o- (benzylphenylphosphine) benzyl] dipaladium (II) in DMA (N, N-dimethylcetamide) (12 ml) is heated at 130 ° C for 5 h. The reaction crude was taken to dryness under reduced pressure (13 mm Hg) and a extraction with water / dichloromethane. The organic phase was dried over magnesium sulfate and purified by column chromatography with silica gel using as eluent a mixture of hexane / dichloromethane in a 2: 1 ratio. The product was recrystallized using a dichloromethane / hexane mixture. He yield was 62%.
En la Figura 1 se representa esquematizada la síntesis de dicho compuesto del grupo de metalodendritas B), junto con el cambio conformacional que sufre dicha metalodendrita en presencia de un estímulo red-ox.Figure 1 shows the schematized synthesis of said compound of the group of metallodendrites B), together with the conformational change undergone by said metallodendrite in presence of a red-ox stimulus.
Figura 1Figure one
Una suspensión de 0,5 mmol de (E)-(\eta^{5}-C_{5}H_{5})Fe(\eta^{5}-C_{5}H_{4})-CH=CH-(\eta^{5}-C_{5}H_{4})Fe(\eta^{5}-C_{5}H_{4})-CH=CH_{2}, 0,6 mmol de 1,3,5-(4-bromofenil)benceno, 2,6 mmol de acetato sódico anhidro, 0,2 mmol de bromuro de tetrabutilamonio y 0,02 mmol de sin-di(m-cloro)-bis[o-(bencilfenilfosfina)bencil]dipaladio (II) en DMF (N,N-dimetilformamida) se calentó a 130ºC durante 20 horas. El crudo de la reacción se llevó a sequedad bajo presión reducida (13 mm Hg) y se realizó una extracción con H_{2}O/NaHCO_{3} y CH_{2}Cl_{2}. La fase orgánica se secó sobre MgSO_{4} y se purificó mediante cromatografia de columna con gel de sílice, usando como eluyente una mezcla de hexano y CH_{2}Cl_{2} en relación 1:1. El rendimiento fue del 80%.A suspension of 0.5 mmol of (E) - (η 5 -C 5 H 5) Fe (η 5 -C 5 H 4) - CH = CH - (η 5 -C 5 H 4) Fe (η 5 -C 5 H 4) - CH = CH 2, 0.6 mmol of 1,3,5- (4-bromophenyl) benzene, 2.6 mmol of anhydrous sodium acetate, 0.2 mmol of tetrabutylammonium and 0.02 mmol of sin-di (m-chloro) -bis [o- (benzylphenylphosphine) benzyl] dipaladium (II) in DMF (N, N-dimethylformamide) was heated to 130 ° C for 20 hours. The reaction crude was taken to dryness. under reduced pressure (13 mm Hg) and extraction was performed with H 2 O / NaHCO 3 and CH 2 Cl 2. The organic phase dried over MgSO4 and purified by column chromatography with silica gel, using as eluent a mixture of hexane and CH 2 Cl 2 in a 1: 1 ratio. The yield was 80%.
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