Estudo de receptores sintéticos no reconhecimento molecular de substratos aniónicos e iões metálicos

Abstract

O trabalho descrito insere-se no âmbito da Química Supramolecular e consistiu no desenvolvimento de receptores artificiais, na forma protonada ou complexada, para o reconhecimento molecular de substratos aniónicos derivados de ácidos carboxílicos incluindo os herbicidas PMG2-, ATCP- e 2,4-D-. Foram investigadas duas séries de aniões, uma alifática (ox2-, mal2-, suc2-, glu2-, adip2-, cit3- e cta3-) e outra aromática (bzc-, naphc-, anthc-, pyrc-, ph2-, iph2-, tph2-, btc3-, dihyac2-, 4,4-dibzc2-, 3-nitrobzc- e 4-nitrobzc-). Foram sintetizados sete novos ligandos macrocíclicos simétricos constituídos por anéis aromáticos piridina ou fenantrolina ligados por cadeias de poliaminas saturadas. O comportamento ácido-base destes macrociclos foi investigado em solução aquosa e as constantes de protonação correspondentes determinadas por métodos potenciométricos e de RMN de 1H. As propriedades de complexação destes ligandos com os iões metálicos Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+ e Pb2+ foram também estudadas por métodos potenciométricos nas mesmas condições experimentais, tendo revelado que os macrociclos de dimensão média são capazes de acomodar um ou dois iões metálicos. O complexo dinuclear de Cu(II) derivado do macrociclo com dois grupos piridina foi utilizado como receptor de aniões carboxilato originando complexos ternários. Todos os complexos foram caracterizados em solução por espectroscopias de UV/vis/IVpróx e de RMN. As espécies paramagnéticas foram também caracterizadas por espectroscopia de RPE. A formação de espécies ternárias foi ainda investigada por espectrometria de massa ESI-MS e ESI-MS/MS. As estruturas cristalinas de alguns dos complexos foram determinadas por difracção de raios-X. As formas protonadas dos macrociclos foram utilizadas como receptores de uma grande variedade de aniões carboxilato. O reconhecimento molecular entre os receptores e os substratos aniónicos foi investigado em solução por métodos potenciométricos e de espectroscopia de RMN com determinação das constantes de associação. Os agregados supramoleculares foram caracterizados no estado sólido por difracção de raios-X. Finalmente as associações supramoleculares foram estudadas em solução por métodos de dinâmica molecular com determinação dos termos entrópicos e entálpicos das energias livres de ligação. Em resumo, nesta tese apresentam-se os resultados de estudos realizados com duas famílias de macrociclos: desde a síntese dos compostos, passando por estudos em solução e finalizando com simulação molecular. Este estudo sistemático através da conjugação de metodologias complementares permitiu caracterizar ao nível macroscópico e microscópico as associações moleculares.

The described work is included in the Supramolecular Chemistry field and it comprises the development of artificial receptors, in the protonated or complexed forms, for the molecular recognition of carboxylate anionic substrates among them two herbicides PMG2-, ATCP- e 2,4-D-. Two series of anions, one aliphatic (ox2-, mal2-, suc2-, glu2-, adip2-, cit3- e cta3-) and the other aromatic (bzc-, naphc-, anthc-, pyrc-, ph2-, iph2-, tph2-, btc3-, dihyac2-, 4,4-dibzc2-, 3-nitrobzc- e 4-nitrobzc-) were investigated. Seven new symmetric macrocyclic ligands containing two pyridine or two phenanthroline aromatic fragments linked by saturated polyamine chains were synthesized. The acid-base behaviour of these macrocycles was investigated in aqueous solution and the corresponding protonation constants determined by potenciometric and 1H NMR methods. The complexation properties of these ligands with the metal ions Ni2+, Cu2+, Zn2+, Cd2+ and Pb2+ were also studied by potentiometric methods under the same experimental conditions. The results showed that the macrocycles of medium size are able to accommodate one or two metal ions. The dinuclear copper(II) complex derived from the macrocycle with two pyridine rings was also used as receptor for the binding of carboxylate anions leading to the formation of ternary complexes. All complexes were completely characterized in solution using UV/vis/NIR and RMN spectroscopies. The paramagnetic species were also characterized by EPR spectroscopy. The dinuclear species were also studied through ESI-MS and ESI-MS/MS. The single crystal structures of some metal complexes were determined by X-ray diffraction. The protonated forms of the macrocycles were used as receptors for the binding of various carboxylate anions. The molecular recognition process between the receptors and the anionic substrates was investigated in solution by potentiometric methods and NMR spectroscopy with the consequent determination of the binding association constants. The supramolecular aggregates were characterised by single crystal X-ray diffraction. Finally the supramolecular associations were studied, in solution, via molecular dynamic simulations with calculation of the enthalpic and entropic contributions for the binding free energies. In conclusion, in this thesis the results of the studies carried out with two families of macrocycles were presented: starting from the synthesis to solution studies and finishing with molecular dynamic simulations. This comprehensive study, comprising several complementary techniques, allowed the full characterization at the macroscopic and microscopic levels the supramolecular associations.