Síntesis de receptores acíclicos y macrocíclicos neutros para el reconocimiento de aniones y cationes en disolución y en superficies funcionalizadas

Abstract

El objetivo principal de la investigación descrita en esta Tesis Doctoral fue la síntesis y el estudio de receptores portadores de unidades carbazol e indolocarbazol capaces de establecer interacciones selectivas con iones que han demostrado tener una gran importancia tanto medioambiental como biológica en disolución y en soporte sólido. Así, los resultados más significativos del trabajo llevado a cabo pueden resumirse como sigue: Los estudios realizados en el Capítulo 1 mostraron la síntesis de dos nuevos receptores que combinan las propiedades cromogénicas del azobenceno con la capacidad del grupo tiourea de unirse a cationes Hg(II). Las valoraciones de absorción demostraron la presencia de una respuesta colorimétrica selectiva hacia este catión a través de un cambio de color de amarillo a violeta. Por otro lado, se preparó un nuevo material mesoporoso derivado del SiO2 portador de unidades azobenceno-tiourea. Dicho material poseyó una carga de ligando de 0.13 mmol/g de SiO2. Al llevar a cabo los estudios de reconocimiento, se observó la misma respuesta colorimétrica selectiva hacia los cationes mercurio. En el Capítulo 2, se estudió un nuevo derivado de carbazol 2,7-disustituido como receptor de anión dipicolinato, una molécula empleada como biomarcador de ciertas bacterias tales como el ántrax. Las medidas de fluorescencia indicaron que el reconocimiento del anión llevó asociado un cambio en el color de la emisión que permitió la discriminación de este analito frente a otros estructuralmente muy relacionados. El receptor permitió la detección de una cantidad de dipicolinato dos órdenes de magnitud inferior a la dosis infecciosa de ántrax. El Capítulo 3 describe la síntesis y el estudio de tres familias de receptores derivados de carbazol para la detección selectiva de aniones hidrogenopirofosfato. Los estudios del primer receptor tripodal mostraron la presencia de una respuesta selectiva hacia dicho anión en mezclas de DMSO/agua 20% (v/v). La síntesis de dos modelos simplificados junto con el uso combinado de numerosas técnicas analíticas demostraron que la complejación tuvo lugar en dos procesos de equilibrios diferenciados. La segunda familia consistió en receptores derivados de la bis-carbazolilurea y se estudió por medio de medidas de absorción, emisión y RMN. Estas medidas mostraron la presencia de una respuesta selectiva tanto en absorción como en emisión hacia el anión hidrogenopirofosfato en mezclas acetonitrilo/agua. Además, se realizaron estudios de modelización molecular que, de acuerdo con los datos experimentales, indicaron que el reconocimiento transcurrió a través de un gran cambio conformacional en la molécula propiciando el establecimiento de puentes de hidrógeno intramoleculares en la periferia del receptor. Por último, este Capítulo describió la síntesis y anclaje de otro derivado de bis-carbazolilurea a una superficie de oro. Las medidas de SPR en agua tamponada mostraron, no solo una gran selectividad hacia hidrogenopirofosfato, sino también un notable incremento en la sensibilidad, llegando a detectarse hasta 17 ppt de anión. En el último Capítulo de esta Tesis, se sintetizó una serie de familias de receptores derivados de la estructura de indolo[2,3-a]carbazol. Los resultados de la primera familia de receptores probaron que la introducción de grupos hidroximetilo en las posiciones 1 y 10 del esqueleto básico del indolocarbazol llevó asociada un incremento en la estabilidad de los complejos formados con aniones en acetonitrilo. Sin embargo, la introducción de sustituyentes butilcarbamoílo inhibió las propiedades de reconocimiento por el establecimiento de puentes de hidrógeno intramoleculares con los NH pirrólicos y aumentaron la acidez de éstos favoreciendo la presencia de procesos de desprotonación con aniones básicos. La expansión de la cavidad receptora por medio de la introducción de alquenos de geometría E en las posiciones 1 y 10 aumentó ligeramente la selectividad de los receptores hacia el anión benzoato en DMSO. La última parte de este Capítulo se centró en el anclaje de un derivado de indolocarbazol a una superficie de oro y su estudio como receptor de aniones. Las medidas de SPR mostraron que la superficie funcionalizada fue activa hacia aniones y, además, se observó cierto grado de selectividad hacia benzoato.

The main objective of the research described in this Ph. D. Thesis was the evaluation of different receptors bearing carbazole and indolocarbazole moieties as anion and cation receptors in competitive media. On the other side, it was also intended the anchoring of related molecules to surfaces in order to increase both sensibility and selectivity of the receptors. Thus, the highlights of this Thesis can be resumed as follows: Studies carried out in Chapter 1 showed the synthesis of two new receptors combining the chromogenic properties of the azobenzene moiety and the ability of the thiourea group to bind mercury(II) cations. Titrations by means of absorption spectroscopy demonstrated a selective colorimetric response towards Hg(II) via a remarkable colour change from yellow to deep purple in THF. Besides, a new SiO2-derived mesoporous material decorated with azobenzene-thiourea moieties was prepared. TGA measurements indicated a ligand content of 0.13 mmol of ligand/gram of SiO2. Recognition showed a highly selective colorimetric behaviour against mercury(II) cations. In Chapter 2, a new 2,7-disubstituted carbazole was studied as a receptor for dipicolinate anion: a molecule employed as biomarker for some bacteria, including the infamous Anthrax. Emission spectroscopy measurements indicated that the recognition of this anion was associated to a fluorescence colour change, which permitted the discrimination of the analyte among other structurally related anions and allowed the obtaining of a detection limit two order of magnitude lower than the infectious dose of Anthrax. Chapter 3 described the synthesis and study of three families of carbazole-based receptors for the selective detection of hydrogenpyrophosphate. Studies on the first tripodal receptor offered a selective response towards the aforementioned anion in a high competitive medium such as DMSO/water 20%. The synthesis of two simplified models and the combined use of a variety of analytical techniques proved that complexation took place in two successive equilibria. The second family utilised the bis-carbazolyl urea scaffold and was studied by means of absorption and emission spectroscopies, as well as NMR. These measurements exhibited a selective colorimetric or fluorescence behaviour towards hydrogenpyrophosphate in acetonitrile/water mixtures. Molecular modelling studies, in accordance with the experimental results, suggested that the recognition event provoked a great conformational change in the molecule favouring the formation of intramolecular hydrogen bonds in the periphery of the receptor. Finally, another bis-carbazolyl urea-based compound was attached to a gold surface. SPR measurements in buffered water showed not only a high selectivity towards hydrogenpyrophosphate but and enhancement in the sensibility, a detection limit of 17 ppt was calculated, compared to the results obtained in solution. In Chapter 4, a series of indolocarbazole-based compounds were synthesised and studied as anion receptors. The binding experiments were divided in three groups. In the first one, it was proved that the introduction of hydroxymethyl side groups to the basic scaffold had a great effect on the stability of the complexes formed with anions in acetonitrile. Nevertheless, the substitution of the latter by butylcarbamoyl groups inhibited the recognition properties by the formation of an intramolecular hydrogen bond between the amide carbonyl group and the pyrrolic NH of the indolocarbazole and increased the acidity of the pyrrolic protons favouring the manifestation of deprotonation equilibria with basic anions. The expansion of the binding cavity by the introduction of E-alkenes in positions 1 and 10 slightly enhanced the selectivity towards benzoate in DMSO. The last section of Chapter 4 was dedicated to the anchoring, characterisation and binding studies of an indolocarbazole derivative to a gold surface. As a remarkable result, it is worth mentioning that the self-assembled monolayers showed response for all the tested anions and confirmed a certain degree of selectivity for benzoate anion in water.