Estudios relativos a derivados del ácido escuárico: fluorescencia de escuarainas y fototransformación de escuaramidas

Abstract

[cat] Els derivats nitrogenats de l'àcid esquaric, esquaramides i esquaraïnes, posseeixen una notable versatilitat estructural a l'entorn d'un nucli oxociclobutènic. Aquesta varietat estructural lligada a les seves característiques conformacionals i propietats espectrofotomètriques, els han convertit en actors molt presents en múltiples camps, destacant els materials fotoactius, organocatatalitzadors i compostos amb diverses aplicacions biomèdiques. Les esquaramides secundàries posseeixen dos grups NH amídics i dos grups carbonil adjacents, especialment efectius per a formar enllaços hidrogen, resultant clau per establir interaccions intermoleculars que condueixen a sistemes agregats supramoleculars i a complexos de tipus "host-guest". Per contra, les esquaraïnes amb disposició distal dels substituents no resultan especialment adequadas per a la formació d'enllaços d'hidrogen, però permet una distribució electrònica que possibilita l'aparició de sistemes conjugats estesos, donant lloc a compostos amb valuoses característiques espectroscòpiques. Aquesta característica distintiva respecte de les esquaramides motiva en part els estudis realitzats en aquesta Memòria. En l'apartat de esquaramides s'estudia la transformació fotoquímica esquaramida-biscetena promoguda mitjançant irradiació UV de esquaramides simètricament substituïdes amb diferents anilines. Sent aquesta transformació fotoquímica ben coneguda, en aquesta Tesi es descriu per primera vegada una via d'accés sintètic a anhídrids i lactones d'estructura inèdita. La transformació fotoquímica transcorre ràpida i fàcilment, i implicar conseqüències en aplicacions on les esquaramides requereixen un reconeixement molecular efectiu per a actuar. Així, el transport aniònic transmembrana, un important camp d'aplicació de esquaramides aromàtiques, es veu inhibit mitjançant irradiació UV. En conseqüència, la fototrasformació d’esquaramides es revela com una nova eina per al control de la seva activitat. Per altra banda s'estudia la capacitat com fluoròfors de esquaraïnes simètricament substituïdes amb diferents anilines. Aquestes esquaraïnes són poc o gens fluorescents, però en mitjà bàsic sofreixen una desprotonació i l'anió resultant posseeix un comportament fluorescent destacable, mai abans descrit. Els resultats obtinguts s'han publicat en dos articles. En el primer s'ha caracteritzat el comportament fluoròfor d'un complex esquaraïna-plata (I) molt fluorescent, la qual cosa ha permès demostrar la capacitat d'anions derivats de esquaraïnes aromàtiques com fluoròfors. Aquest complex amb plata (I) resulta molt selectiu respecte altres metalls, sent donç un mètode indirecte de determinació d'ió plata. El següent treball sobre esquaraïnes, presenta la influència dels substituents de les anilines, donadors i acceptors, per a modular la seva resposta fluorescent. Les esquaraïnes amb substituents aromàtics deficients electrònicament (CN, NO2) s'ionitzen fàcilment en un mitjà DMSO-H₂O i els corresponents dianions resulten fluorescents amb longituds d'ona d'emissió en el rang entre 460-595 nm i rendiments quàntics rellevants en algun cas (R=CN, Φf 0,7). En contrast les esquaraïnes no deficients electrònicament són molt poc fluorescents en les mateixes condicions, fet que s'atribueix a la menor proporció d’esquaraïna-dianió en el mitjà. Aquestas escuarainas dianions són cinèticament estables durant llargs períodes (hores), efecte atribuït a una autoprotecció en front del atac nucleòfilic. Finalment, la Memòria inclou un annex que recull una sèrie d'aspectes sintètics que han sorgit durant el procés d'optimització de les condicions de reacció més adequades a l'hora d'obtenir els dos tipus de compostos, esquaramides i esquaraïnes. Les substitucions 1,2 i 1,3 amb les mateixes anilines, donen lloc a isòmers estructurals. Les rutes d'accés sintètic s'han d'optimitzar per a cadascun d’ells, degut a la seva complicada separació per la baixa solubilitat d'aquests compostos. Les condicions sintètiques establertes apunten, de forma preliminar, que la relació esquaramida-esquaraïna depèn en gran manera de la naturalesa polar del dissolvent i que el control en l'elecció d'aquest permet millorar notablement els rendiments de l'isòmer desitjat.

[spa] Los derivados nitrogenados del ácido escuárico, escuaramidas y escuarainas, poseen una notable versatilidad estructural en el entorno de un núcleo oxociclobuténico. Ello unido a sus características conformacionales y propiedades espectrofotométricas, los convierten en destacados actores en muchos campos, destacando los materiales fotoactivos, organocatatalizadores y compuestos con diversas aplicaciones biomédicas. Las escuaramidas secundarias poseen dos grupos NH amídicos y dos grupos carbonilo adyacentes, especialmente efectivos para formar enlaces hidrógeno, claves para establecer interacciones intermoleculares que conducen a sistemas agregados supramoleculares y complejos tipo "host-guest". En las escuarainas la disposición distal de los sustituyentes, no resulta adecuada para la formación de enlaces de hidrógeno, pero confiere una distribución electrónica que posibilita sistemas conjugados extendidos, dando lugar a compuestos con características espectroscópicas valiosas. Esta característica es distintiva respecto de las escuaramidas y motiva en parte los estudios realizados que se describen en esta Memoria. En el apartado de escuaramidas se estudia la transformación fotoquímica escuaramida-biscetena promovida mediante irradiación UV de escuaramidas simétricamente sustituidas con diferentes anilinas. Siendo esta fototransformación bien conocida, en esta tesis se describe por primera vez una vía de acceso sintético a anhídridos y lactonas de estructura inédita. La fototransformación transcurre rápida y fácilmente, acarreando consecuencias en aplicaciones donde las escuaramidas requieren un reconocimiento molecular efectivo para actuar. El transporte aniónico transmembrana, un importante campo de aplicación de escuaramidas aromáticas a nivel biomédico, puede verse inhibido mediante irradiación UV. Así, la fototrasformación de escuaramidas se revela como una nueva herramienta del control del transporte o en la regulación de procesos catalizados.

Por otro lado, se estudia la capacidad como fluoróforos de escuarainas simétricamente sustituidas con diferentes anilinas. Las escuarainas con sustituyentes nitrogenados son compuestos poco o nada fluorescentes. Sin embargo, en un medio básico sufren desprotonación y el anión resultante posee un comportamiento fluorescente destacable, nunca antes descrito. Los resultados obtenidos se han publicado en dos artículos.

En el primero se ha caracterizado el comportamiento fluorescente de un complejo escuaraina-Ag(I), demostrando la capacidad de aniones derivados de escuarainas aromáticas como fluoróforos. Además, este complejo fluorescente con Ag(I) resulta muy selectivo comparado con otros metales, resultando en un método indirecto de determinación de Ag(I).

En el segundo trabajo se estudia la influencia de los sustituyentes de las anilinas, donadores y aceptores, para modular la respuesta fluorescente de escuarainas. De este modo, las escuarainas con sustituyentes aromáticos deficientes electrónicamente (CN, NO2) se ionizan fácilmente en un medio DMSO-H2O, resultando los correspondientes dianiones fluorescentes con longitudes de onda de emisión en el rango entre 460-595 nm y rendimientos cuánticos relevantes en algún caso (R=CN, Φf 0,7). En contraste, las escuarainas no deficientes electrónicamente son muy poco fluorescentes en las mismas condiciones, atribuido a la menor proporción de escuaraina dianión en el medio. Estos dianiones fluorescentes derivados de escuarainas son cinéticamernte estables durante largos períodos (horas), atribuido a un efecto de autoprotección que impide su degradación por ataque nucleófilo.

Finalmente, se incluye un anexo que recoge una serie de aspectos sintéticos característicos aparecidos durante el proceso de optimización de las condiciones de reacción más adecuadas en la obtención de escuaramidas y escuarainas. Las sustituciones 1,2 y 1,3 con las mismas anilinas, dan lugar a isómeros estructurales. Las rutas de acceso sintético se deben de optimizar para cada uno de los dos isómeros, pues su separación es complicada debido a la baja solubilidad de estos compuestos. Las condiciones sintéticas establecidas apuntan, de forma preliminar, que la relación escuaramida:escuaraina depende en gran medida de la naturaleza polar del disolvente y que el control en la elección de este permite mejorar notablemente los rendimientos del isómero deseado.

[eng] The nitrogenous derivatives of squaric acid, squaramides and squaraines have remarkable structural versatility around an oxocyclobutene nucleus. This structural variety, conformational characteristics, and spectrophotometric properties have become squaramides and squaraines into key players in many fields, including photoactive materials, organocatalysts, and compounds with various biomedical applications. Secondary squaramides have two amide NH groups and two adjacent carbonyl groups. These are especially effective for forming hydrogen bonds and are crucial to establishing intermolecular interactions that lead to supramolecular aggregated systems and host-guest complexes. In squaraines, the distal arrangement of the substituents is not especially suitable for forming hydrogen bonds. Still, it confers an electronic distribution that enables the appearance of conjugated systems if the substituents have multiple bonds, giving rise to compounds with valuable spectroscopic characteristics. This characteristic is distinctive to squaramides and partly motivates the studies described in this Thesis. In the section on squaramides, the photochemical squaramide-bisketene transformation promoted by UV irradiation of squaramides symmetrically substituted with different anilines is studied. Although this phototransformation is well known, in this Thesis, it is described for the first time as a synthetic route for access to anhydrides and lactones of unprecedented structure. The photochemical transformation occurs quickly and efficiently and can affect their performance since they require effective molecular recognition. Transmembrane anion transport, an important field of application of aromatic squaramides at the biomedical level, can also be inhibited by UV irradiation. Consequently, the phototransformation of squaramides is revealed as a new tool for controlling transport or regulating catalyzed processes. In a separate chapter, squaraines symmetrically substituted with different anilines are studied, focusing on their capacity as fluorophores. Squaraines with nitrogenous substituents are little or no fluorescent compounds. However, when the squaraines are treated in basic medium, they undergo deprotonation, and the resulting anion has a remarkable fluorescent behaviour never before described. The results obtained have been published in two articles. The first paper describes the behaviour of a fluorophore of a highly fluorescent squaraine-Ag(I) complex, which has allowed us to demonstrate the capacity of anions derived from aromatic squaraines as fluorophores. In addition, the formation of the fluorescent complex with Ag(I) is highly selective compared to the complexes formed with other metals, resulting in an indirect method of silver ion determination. In the following work, the influence of aniline substituents (donors and acceptors) to modulate the fluorescent response of squaraines is studied. The squaraines with electronically deficient aromatic substituents (CN, NO2) ionize efficiently in a DMSO-H2O medium and the corresponding dianions fluoresce with emission wavelengths in the range between 460-595 nm and remarkable quantum yields in some cases (R=CN, Φf 0.7). In contrast, squaraines that are not electronically deficient fluoresce very little under the same conditions, which is attributed to the lower proportion of squaraine dianion in the medium. Interestingly, fluorescent dianions derived from squaraine are kinetically stable for extended periods (hours), which is attributed to a self-protection effect that prevents their degradation by nucleophilic attack. Finally, the Report includes an annexe including a series of characteristic synthetic aspects that have arisen while optimizing the most appropriate reaction conditions when obtaining the two types of compounds, squaramides and squaraines. The 1,2 and 1,3 substitutions with the same anilines give rise to structural isomers. Synthetic access routes must be optimized for each of the two isomers since their separation is complicated due to your low solubility. In a series of preliminary studies, the established synthetic conditions suggest that the squaramide vs squaraine ratio depends significantly on the polar nature of the solvent and that control over the choice of this allows for considerably improving the yields of the desired isomer.