Structure and reactivity of novel tetrazole-saccharinates useful as multidentate nitrogen ligands

Tese de doutoramento, Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2017Tetrazoles have attracted increasing attention in recent years in the fields of coordination and supramolecular chemistry, due to the excellent coordination ability of the four nitrogen atoms, acting either as multidentate ligands or as bridging building blocks in supramolecular assemblies. Moreover, the structure of the coordination complex can be tailored by employing functional tetrazoles in the assembly process. Likewise, several studies on saccharin have shown that its coordination chemistry is very interesting, acting either as a bidentate or as bridging ligand. Inspired by the versatility of those heterocycles, the research described within this thesis focus on the synthesis, structure and reactivity of a library of new tetrazole-saccharyl conjugates with applications as multidentate nitrogen ligands. Ligands are the very body of coordination chemistry, therefore understanding the structural properties of these systems is crucial, in order to explore their properties and functions. As such, the structure of these new ligands has been investigated in detail, and their chelating capacity towards divalent cations of transition metals was evaluated. In parallel, the photochemistry of these ligands, isolated in solid argon, was investigated by means of infrared spectroscopy and quantum chemical calculations. The plethora of applications of saccharin derivatives often rely on the photochemical stability of the saccharyl system. On the other hand, tetrazoles are known for their rich photochemistry. As such, the photochemical stability of these conjugates, introduced by the saccharyl system into the photolabile tetrazole, was evaluated. In the course of those studies, important mechanistic questions regarding the effects of the ring substitution pattern, on the photochemical pathways of disubstituted tetrazoles, were addressed. Two novel copper(II) complexes based on selected tetrazole-saccharinates were prepared and their structural and spectroscopic properties investigated. Additionally, selected conjugates were tested as selective copper(II) chelators, and the complexes were evaluated for their in vitro cytotoxicity against human tumour cell lines.A maioria dos metais, na crosta terrestre, são encontrados em ambientes inorgânicos, como rochas ou solos, onde os metais formam agregados em elevadas concentrações, sob a forma de minerais metálicos ou metais nativos, obtidos na sequência de longos processos geológicos. Por esta razão talvez não seja surpreendente que, durante muitos anos, tenha existido uma divisão entre o “mundo dos metais” e o “mundo vivo”. Efetivamente, os iões metálicos estão presentes por toda a parte, na natureza, desempenhando papéis essenciais nos seres vivos, inclusive no local ativo de enzimas. Na realidade, as biomoléculas contendo metais são surpreendentemente comuns e importantes. O ferro, o zinco e o cobre são os metais de transição mais comuns no corpo humano, desempenhando papéis importantes nos sítios ativos de diversas proteínas. Como exemplo de algumas biomoléculas bem conhecidas temos a clorofila, um complexo de Mg2+; a hemoglobina, um complexo de Fe2+ e a vitamina B12, um complexo de Co3+. Na verdade, estes são exemplos de complexos de coordenação naturais, e toda a vida depende deles. A natureza desenvolveu uma notável utilização de complexos de coordenação, sem qualquer intervenção humana. No entanto, a química de coordenação e os complexos de coordenação estão hoje em dia no cerne de uma série de importantes aplicações na indústria, por exemplo na extração de metais, na medicina e em diversos outros campos. Durante muito tempo, a indústria farmacêutica revelou-se bastante resistente ao desenvolvimento de fármacos baseados em compostos de coordenação, talvez devido a preocupações com toxicidade, especificidade e acumulação de catiões metálicos em pacientes durante longos períodos de uso. Nas últimas décadas, o reconhecimento de que os compostos de coordenação podem ser sofisticadas alternativas aos convencionais fármacos orgânicos permitiu, juntamente com a atividade farmacológica, o acesso a propriedades nucleares, magnéticas e óticas, simplesmente não disponíveis com compostos orgânicos. De facto, os compostos de coordenação que mostraram capacidade para curar ou controlar doenças, têm crescido notavelmente em número e gama de aplicações nas últimas décadas. Por outro lado, as propriedades luminescentes dos complexos permitiram o desenvolvimento de importantes aplicações em diversas outras áreas. Estas propriedades podem ser utilizadas no desenvolvimento de sondas para a deteção de iões metálicos específicos, ou pode mesmo ser possível utilizar a complexação como um sensor de outro processo ou espécie, conhecido como método "switch on". Devido à facilidade de manipulação ligada à elevada sensibilidade de deteção, as sondas fluorescentes são hoje largamente utilizadas em microscopia de fluorescência, na análise de sequências de genes e em testes de imunofluorescência. Além disso, a fosforescência ou fluorescência de complexos na região visível resultou num mercado emergente de díodos óticos emissores de luz (OLEDs) ou díodos óticos emissores de luz fosforescentes (PHOLEDs). A indústria química, tal como a conhecemos atualmente, seria marcadamente diferente sem compostos de coordenação, visto que estes desempenham papéis essenciais numa ampla gama de processos, enquanto catalisadores. Na atualidade, os catalisadores assumem uma grande importância económica nos processos industriais, estimando-se que 90% de todos os produtos químicos produzidos envolvam a utilização de um catalisador em alguma das suas etapas de produção. Naturalmente, com o aumento do desenvolvimento industrial, os solos contaminados com resíduos de metais pesados são um grave problema, muitas vezes tornando extensas parcelas de terra inadequadas para reutilização. Uma maneira óbvia de remediar este problema seria a extração dos metais contaminantes do solo, no entanto este procedimento, necessitaria ser feito sem a remoção dos iões de metais naturais benignos e dominantes no solo. Este processo pode ser alcançado através da utilização de moléculas com propriedades de ligação fortemente seletivas para o metal ou metais alvo, permitindo que outros permaneçam inalterados. De facto, a complexação seletiva é bastante utilizada, e já desenvolvida para a extração de metal a partir de minérios comerciais. A recuperação do ouro é um exemplo simples, onde a complexação seletiva desempenha um papel fundamental. Deste ponto de vista, o desenvolvimento de ligandos com capacidade de complexação seletiva para metais alvo é de extrema importância, permitindo que solos contaminados possam vir a ser "minerados" dos seus metais contaminantes indesejados. A nanotecnologia é uma das novas fronteiras da química, visando o desenvolvimento de materiais com uma estrutura bem definida e com dimensões na gama de 1 a ∼ 100 nm. Esta é uma área emergente na qual os complexos metálicos têm vindo a ser utilizados como ponto de partida, no que é geralmente designado como abordagem “bottom up” na síntese de nanomateriais. Estes materiais são obtidos através da combinação de ligandos especificamente moldados e capazes de atuar como grupos de ligação, com complexos simples, os quais se agregam em grandes produtos à nanoescala. O número de moléculas conhecidas por atuar como ligandos ou serem potencialmente capazes de se ligar a metais é extremamente grande. De facto, a maioria das moléculas orgânicas pode atuar como ligandos, uma vez que a chave para um átomo ou molécula atuar como um ligando é a presença de pelo menos um par de eletrões não ligantes. Como regra geral, os heteroátomos (particularmente O, N, S e P) em moléculas orgânicas incluem um ou mais pares de eletrões não ligantes, pelo que a presença destes átomos é um bom começo para identificar se uma molécula pode ou não atuar como um ligando. Naturalmente, a localização, o ambiente local, a estrutura tridimensional do composto e a orientação relativa dos potenciais dadores em moléculas grandes desempenham um papel fundamental no número de grupos dadores disponíveis que podem ligar-se a um único ião metálico, conhecidos como agentes quelantes ou, por outro lado, na expansão através de ligações com mais de um ião metálico, atuando como grupos de ligação (pontes) em estruturas polinucleares. Os ligandos são o próprio corpo dos compostos de coordenação, e nos últimos anos evoluíram através de avanços em síntese até ao nível em que é praticamente possível produzir o ligando desejado para um propósito particular. No entanto, para antecipar o comportamento de moléculas enquanto ligandos é fundamental a compreensão das propriedades eletrónicas e estruturais dessas mesmas moléculas. Desta forma, embora a síntese esteja na base da preparação de novos compostos, tem-se verificado um crescente interesse nos estudos in silico. Ao longo das últimas décadas, os métodos computacionais desenvolveram-se até um ponto em que é possível determinar uma ampla gama de propriedades moleculares, e.g. estruturais, distribuição da densidade de carga, frequências vibracionais, transições eletrónicas, etc., fornecendo uma ajuda inestimável na interpretação de medições experimentais. O trabalho descrito nesta tese está relacionado principalmente com a estrutura e reatividade de novas moléculas que incorporam derivados de duas classes importantes de compostos heterocíclicos, tetrazoles e benzisotiazoles (derivados de sacarina), acoplados por grupos que funcionam como ponte. Como objetivo final pretende-se avaliar a capacidade destas novas moléculas enquanto ligandos multidentados para coordenação com metais de transição e explorar as propriedades dos complexos formados. Nos últimos anos, os tetrazoles têm atraído cada vez mais atenção na química de coordenação, devido à excelente capacidade de coordenação dos quatro átomos de azoto, conhecidos por atuar como ligandos multidentados e como grupos de ligação em montagens supramoleculares. Além disso podem ser prontamente introduzidas funcionalidades nas estruturas supramoleculares, utilizando tetrazoles funcionalizados no processo de montagem. Da mesma forma, vários estudos sobre a sacarina e alguns dos seus derivados mostraram que a química de coordenação do sistema benzisotiazolílico é bastante interessante, podendo agir como um ligando multidentado ou como um grupo de ligação em estruturas polinucleares. No capítulo 1 desta tese é apresentada a descrição das aplicações mais importantes de tetrazoles e benzisotiazoles, que foram de alguma forma relevantes para a investigação desenvolvida no programa de doutoramento, a que a tese diz respeito. Uma das preocupações importantes durante a conceção destes novos conjugados foi a capacidade de introduzir facilmente diversidade química, através de diferentes grupos ponte e também de diferentes substituintes no anel tetrazolílico. A fim de mostrar capacidade de funcionalização do anel tetrazolílico, é apresentada uma visão geral dos métodos considerados mais relevantes para a síntese de vários tetrazoles substituídos e também para a funcionalização de tetrazoles substituídos em posição 5. Adicionalmente, é feita uma revisão da reatividade fotoquímica observada em ambos os compostos heterocíclicos, quando isolados em matrizes sólidas inertes a baixa temperatura. Finalmente, são descritas algumas das técnicas teóricas e experimentais utilizadas. No capítulo 2 são descritos os detalhes experimentais e computacionais dos estudos desenvolvidos durante este trabalho. Foram desenvolvidas e otimizadas metodologias sintéticas para a preparação de uma série de conjugados de tetrazole-benzisotiazolilo e avaliou-se o potencial de quelatação destes conjugados para uma gama de catiões divalentes. Os resultados revelaram claramente a capacidade destes conjugados para serem utilizados como ligandos multidentados em química de coordenação. No capítulo 3 são apresentados e discutidos os resultados obtidos na sequência de uma detalhada investigação estrutural relativamente a preferências conformacionais e tautoméricas dos compostos, tanto na situação monomérica (molécula isolada) como na fase cristalina. A investigação estrutural na fase cristalina foi realizada com recurso a métodos espectroscópicos de infravermelho e Raman e cristalografia de raios-X. No caso dos monómeros, foi utilizada a técnica de isolamento em matriz de gás inerte a baixas temperaturas (∼15 K), acoplada com espectroscopia de infravermelho. Esta técnica fornece diversas vantagens para a investigação, tanto estrutural como dos processos fotoquímicos, dos compostos no seu estado monomérico. As condições experimentais nas quais estas moléculas se encontram permitem a interpretação dos dados experimentais através de uma direta comparação com dados obtidos por métodos computacionais. As espécies tautoméricas preferidas pelos conjugados de tetrazole-benzisotiazolilo demonstraram ser especialmente determinadas pelo ambiente químico. Na fase cristalina, as redes resultantes de ligações por pontes de hidrogénio revelaram ser determinantes nas preferências estruturais dos conjugados. Por outro lado, na forma monomérica (molécula isolada em matrizes inertes) os conjugados demonstram existir preferencialmente na forma estrutural prevista por métodos computacionais como sendo a mais estável. No capítulo 4 é apresentado e discutido o estudo fotoquímico de conjugados selecionados, em matrizes de árgon solidificado a baixas temperaturas. Quando se considera a aplicação dos conjugados tetrazole-benzisotiazolilo, a avaliação da sua estabilidade fotoquímica é sem dúvida um aspeto relevante. Por outro lado, o conhecimento da reatividade característica destes conjugados é de grande importância para melhor compreensão da sua reatividade em campos cruciais da ciência e engenharia, como na medicina, em aplicações como materiais energéticos, na remediação ambiental ou na área de tecnologias de imagem. No decorrer destes estudos foram respondidas importantes questões mecanísticas sobre os efeitos do padrão de substituição dos anéis de tetrazoles di-substituídos, nas vias fotoquímicas. No capítulo 5 são apresentados e discutidos resultados da investigação da estrutura e propriedades espectroscópicas de complexos de cobre (II), com os conjugados de tetrazole-benzisotiazolilo, bem como da avaliação da citotoxicidade dos complexos e dos ligandos correspondentes em diferentes linhas de células tumorais humanas (HepG2, HeLa, SH-SY5Y, U937 e THP1). Verificou-se que alguns dos ligandos testados atuam prontamente como quelantes seletivos de cobre (II), em relação ao ferro (II) e cálcio (II). Adicionalmente, estudos sobre a atividade citotóxica exibida por esses complexos de cobre (II) revelaram atividades para concentrações na gama micromolar baixa, em algumas das linhas de células tumorais (HepG2, HeLa e SH-SY5Y) o que, combinado com a seletividade observada desses ligandos para iões de cobre (II), pode oferecer perspetivas para novas metodologias e ferramentas para a terapia no tratamento de cancro. No capítulo 6 é apresentada uma visão geral do trabalho desenvolvido durante este projeto de doutoramento, as conclusões finais e algumas perspetivas sobre o trabalho em desenvolvimento