Síntesis y estudio de las reacciones de cicloadición de bis- ditiolo- 1,4- Tiazinas y bis- ditiolopirroles

Resumen

1. Nuevos materiales basados en moleculas organicas La ciencia de materiales, subdisciplina de la Quimica, permite desarrollar compuestos que presentan propiedades avanzadas que los hacen utiles como nuevos materiales en muy diversos campos. Los materiales pueden ser clasificados en diversas categorias, basandonos en su constitucion quimica y en sus propiedades fisicas. En la actualidad la busqueda de nuevos materiales se orienta hacia materiales con funciones especificas; ademas, la quimica supramolecular ha dado lugar al desarrollo de sustancias con propiedades electronicas, magneticas, opticas, estructurales, mecanicas y quimicas de gran interes en el desarrollo de nuevos materiales. Los materiales que mas interes estan suscitando en este momento son:
Los materiales organicos conductores, superconductores y magneticos. Estos materiales conductores y superconductores estan basados fundamentalmente en complejos de trasferencia de carga formados entre un aceptor y un dador de electrones existiendo un especial interes en el desarrollo de los derivados de TTF. En cuanto a los materiales organicos magneticos, pueden obtenerse usando diversas estrategias tales como la formacion de sales de transferencia de carga, introduccion de radicales nitroxilo, uso de metalocenos, etc.
Los materiales opticos no lineales. Existe un gran interes en poder manipular la frecuencia, la fase, la polarizacion o la trayectoria de la luz. Si una molecula es sometida a campos electricos muy intensos, el material es polarizado y esta polarizacion es una funcion no lineal de la fuerza del campo. Esto permite obtener materiales con propiedades opticas especiales. En especial existe un gran interes en el desarrollo de compuestos que presenten armonicos de segundo y tercer orden.
Cristales liquidos. Estos materiales presentan propiedades que se situan entre las propiedades de los solidos y de los liquidos. Existen diversos tipos de cristales liquidos de acuerdo con la estructura molecular y la estructura de las fases. La aplicacion mas frecuente se encuentra en la fabricacion de pantallas digitales, aunque pueden ser utilizados como sensores, interruptores o para fabricar fibras muy resistentes como el KevlarR. IV Tesis Doctoral Susana Barriga Falcon
Sensores quimicos. Los sensores son capaces de detectar selectivamente un sustrato en presencia de otros y generar una senal cuando esto ocurre. Existen diversos tipos de sensores y normalmente se clasifican en funcion del tipo de senal que generan.
Aparatos moleculares electronicos: interruptores, cables y rectificadores. Un aparato molecular puede ser definido como el conjunto de un numero de componentes moleculares discretos disenado para realizar una funcion especifica. Existe un especial interes en el desarrollo de aparatos moleculares que actuen como cables moleculares, interruptores de muy diversos tipos y rectificadores.
Maquinas moleculares basadas en catenanos y rotaxanos. Un maquina molecular es un tipo particular de sistema supramolecular en el que las partes que lo componen pueden presentar cambios en sus posiciones relativas como resultado de estimulos externos.
Dendrimeros. Los dendrimeros son macromoleculas monodispersas que presentan una estructura con gran ramificacion y arquitectura tridimensional. Los dendrimeros son interesantes en una gran variedad de contextos, siendo muy importantes en el diseno de materiales funcionales y en la construccion de materiales estructurales de aplicacion en diversos campos. Particularmente, los nuevos materiales heterociclicos con azufre y nitrogeno poseen caracteristicas electronicas especiales que los hacen idoneos para su utilizacion en aplicaciones opticas y electronicas. En esta linea, en nuestro grupo de investigacion se ha conseguido sintetizar una gran variedad de heterociclos, que poseen un elevado numero de atomos de azufre, y que pueden ser considerados como bloques sinteticos para el diseno y la preparacion de nuevos materiales. Para ello, se utilizan reactivos muy simples de azufre, como por ejemplo dicloruro de diazufre, con compuestos nitrogenados tambien muy sencillos, como aminas, oximas y nitrilos. En el esquema 1 se muestra un ejemplo. N CHCl3 S N S S S S S S S2Cl2, DABCO 160 161 Esquema 1 Las ditioltionas como 161 son compuestos que tienen una elevada reactividad frente a numerosos reactivos, aunque las reacciones con mas aplicaciones sinteticas son probablemente las reacciones de cicloadicion. El proposito general de esta Tesis Doctoral es la sintesis de nuevos sistemas poliheterociclicos que contengan azufre y nitrogeno, tengan un elevado interes teorico y estructural, y, ademas, sean potencialmente utiles como nuevos materiales. Asi, se ha estudiado la reactividad de estos sistemas heterociclicos obtenidos en nuestro grupo, frente a reacciones de cicloadicion para obtener nuevos derivados poliheterociclicos con azufre y nitrogeno, con estructuras que puedan tener aplicaciones potenciales como nuevos materiales. 2. Estudio de la reactividad de bisditioltionas frente a reactivos 1,3-dipolares Las bisditioltionas reaccionan frente a reactivos 1,3-dipolares involucrando unicamente al grupo tiona. Se genera de esta forma un cicloaducto de estructura espiranica, que normalmente sufre una ciclorreversion, u otro tipo de transformaciones, para conducir a sistemas estables. En esta Tesis Doctoral se ha abordado unicamente el estudio de los sistemas heterociclicos sintetizados con anterioridad en el grupo de investigacion, frente a reactivos 1,3 dipolares de tipo azida y nitrilimina. Las reacciones con azidas conducen a derivados del tipo bis[1,2]ditiolo[1,4]tiazinimina y bis[1,2]ditiolopirroliminas (Esquema 2). En nuestro caso solo se consiguieron resultados satisfactorios frente a azidas sencillas, tales como la etoxicarbonilazida. S N S S S S S O S N S S S S N O CO2Et 176 257 256 + O N O N N N S S S S S O N S S S S N O + 182 264 CO2Et 256 O N N N O N S S S S S S N S S S S N N + 181 265 CO2Et EtO2C 256 O N N N O Esquema 2 Las ditioltionas reaccionan con nitriliminas para dar lugar a 1,3,4-tiadiazoles. Se sintetizaron diversas diarilnitriliminas y se estudio su reactividad frente a la bisditioltiona 176. Se obtuvieron de esta forma (E)-3-oxo-4-etil-5-(3,5- diaril[1,3,4]tiadizol-2-ilideno)[1,2]ditiolo[3,4-b][1,4]tiazin-6-tionas (Esquema 3) en rendimiento moderados a buenos. La estructura del cicloaducto ha podido ser confirmada mediante difraccion de rayos X de monocristal, asi como mediante calculos teoricos y las tecnicas espectroscopicas habituales, siendo la primera vez que ha podido determinarse inequivocamente la configuracion geometrica de este tipo de compuestos. S N S S S S O Et3N S N S S S O S N N S Ar Ar Ar N HN Ar Cl 176 274a-f + 270a-f a, Ar = C6H5 b, Ar = p-ClC6H4 c, Ar = p-BrC6H4 d, Ar = p-IC6H4 e, Ar = p-CNC6H4 f, Ar = 2,4-Cl2C6H3 Esquema 3 Resumen VII Se decidio abordar tambien la adicion de las cloraminas B y T sobre las bisditiolotiazinas 161 y 176 para obtener de esta forma nuevas bisditioliminas (Esquema 4). Estas reacciones se realizaron termicamente. S N S S S S S S Ar S NClNa O O S N S S S S N N SO2Ar ArO2S + 161 277a-b 278a (48%) 278b (57%) a, Ar = Ph b, Ar = C6H4CH3 CH3COOH C6H6, . S N S S S S O S Ar S NClNa O O S N S S S S Ac NSO2Ar + 176 277a-b a, Ar = Ph b, Ar = C6H4CH3 279a = 30% 279b = 36% CH3COOH C6H6, . Esquema 4 Dado que los rendimientos obtenidos no son muy elevados se decidio buscar un catalizador para mejorar los rendimientos y suavizar las condiciones de reaccion. Se obtuvieron excelentes resultados utilizando cantidades cataliticas de triflato de escandio. La reaccion con catalisis de triflato de escandio transcurre a temperatura ambiente en condiciones suaves de forma practicamente instantanea. 3. Estudio de la reactividad de bisditioltionas frente a reactivos dipolarofilos Este tipo de reacciones involucran a todo el anillo de ditiol y se han estudiado fundamentalmente las reacciones de las bisditioltionas con alquinos bajo condiciones termicas, con o sin catalisis de triflato de escandio. En primer lugar se eligieron como reactivos de cicloadicion acetilenos sencillos activados mediante grupos atractores de electrones. Los acetilenos elegidos fueron acetilendicarboxilato de dimetilo, dicianoacetileno y dibenzoilacetileno. Se estudio la reactividad de diversas ditioltionas frente a los citados acetilenos. Asi en el caso de la tiazina 176 se obtienen 2-tioacilmetilen-1,3-ditioles (Esquema 5). VIII Tesis Doctoral Susana Barriga Falcon S N S S S S O S E E S N S S O S S S E E 176 283, E = CO2Me 284, E = CN 285, E = COPh C6H6, . Esquema 5 Ademas con dibenzoilacetileno puede obtenerse tambien el diaducto 288, pudiendose controlar facilmente la cicloadicion de una molecula o dos del compuesto acetilenico. S N S S S S O S COPh PhOC S N S S O S S S COPh PhOC PhOC PhOC 176 288 2 S N S S O S S S PhOC PhOC 285 Hetero D-A Esquema 6 Se han ensayado tambien reacciones de cicloadicion sucesivas sobre la tiazina 176 con acetilenos diferentes. Asi, se han podido obtener diaductos del tipo mostrado en el esquema 7. S N S S S S S O X X S N S S O S S S X X Y Y S N S S O S S S X X Y Y 176 290 291 Esquema 7 La tiazina 161 puede cicloadicionar dos moleculas de acetileno para dar estructuras tipo TTF extendido (Esquema 8). Este tipo de estructuras tambien puede obtenerse con otras tiazinas como 186 (R = CH2Cl) y 322 (R = C17H35). S N S S S S R S S E E S N S S R S S S S E E E E R = CH3, CH2Cl, C17H35 R = CH3, CH2Cl, C17H35 E = CO2CH3, COPh 2 Esquema 8 Ademas la tiazina 161 puede adicionar tres moleculas de DMAD o DBA (Esquema 9). E E S N S S S S S S S N S S S S S S E E E E E E 161 E = CO2CH3, COPh 3 Esquema 9 Con dibenzoilacetileno puede conseguirse la adicion de cuatro moleculas de acetileno sobre la tiazina 161 obteniendose un derivado pentaciclico. Este tipo de derivados tambien puede conseguirse con las tiazinas 321 (R = C11H23) y 322 (R = C17H35). S N S S S S S S R S N S S COPh COPh PhOC PhOC R S S COPh PhOC S S PhOC COPh DBA R = CH3, C11H23, C17H35 R = CH3, C11H23, C17H35 Esquema 10 En cuanto a la tiazina angular 190, esta reacciona con dibenzoilacetileno pudiendose controlar las condiciones de reaccion para obtener selectivamente el diaducto 327, la mezcla de los dos posibles triaductos 328 y 329, o el tetraaducto 330 (Esquema 11). Mediante estas reacciones de cicloadicion se generan heterociclos que contienen la funcion tioaldehido, un grupo poco comun en Quimica Organica. S N S S S S S S S N S S S S PhOC PhOC COPh COPh COPh COPh S S PhOC PhOC 190 330 DBA S N S S S S COPh COPh S S PhOC PhOC 327 S N S PhOC PhOC S S PhOC PhOC S S S COPh COPh S N S S S PhOC PhOC S S S COPh COPh COPh COPh + 328 329 DBA DBA Esquema 11 Ademas, se estudio la reactividad de los bisditiolopirroles 181 y 182 frente a acetilenos activados y, aunque las condiciones de reaccion requeridas son mas energicas que para las tiazinas anteriormente descritas, siempre se produce la adicion de dos moleculas de acetileno por cada grupo tiona, no observandose diferencias apreciables de reactividad entre los distintos acetilenos. N S S S S O S 182 N S S O S E E S S E E N S S S S S S 181 E E N S S S S S S E E E E E E E E 4 341 335 E E Esquema 12 Las reacciones con alquinos son efectivamente catalizadas con triflato de escandio, lo que permitio llevar a cabo estas reacciones en condiciones muy suaves y con elevados rendimientos. A continuacion, se han sintetizado alquinos mas complejos y se han hecho reaccionar con la tiazina 176. Los acetilenos elegidos han sido acetilendicarbaldehido, acetilenos activados mediante grupos furoilo, mediante grupos ferrocenilo (aquirales y quirales), y mediante grupos tienilo. El metodo de sintesis empleado para la sintesis de estos acetilenos activados fue similar en todos los casos. La molecula de partida fue siempre un aldehido y se introdujo el triple enlace mediante el acoplamiento con bromuro de etinilmagnesio. Se obtiene asi el alcohol propargilico correspondiente. Sobre este alcohol se genera un acetiluro de litio, que a continuacion se hace reaccionar con una nueva molecula del aldehido inicial. Finalmente el diol obtenido se oxida para dar lugar a la correspondiente dicetona (Esquema 13). R CHO MgBr H H HO R R CHO HO R R OH [O] O R R O 1) BuLi 2) Esquema 13 La reaccion de la tiazina 176 con los diversos acetilenos conduce a los monoaductos diferentes que se muestran en la figura 1. S N S S O S S S CHO CHO S N S S S O S S O O O O OH HO S N S S S S S O H Fe O S N S S S S S O O O Fe R Fe R S N S S O S S S O O S S 395 358 369 (E)-375 386, R = H 387, R = p-C6H4OMe Figura 1 Este tipo de monoaductos fueron sintetizados con diversos fines tales como la modificacion de las propiedades electroquimicas de las ditioltionas de partida, introduciendo grupos ferrocenilo o tienilo, o la introduccion de funciones organicas que permitan modificaciones posteriores sobre los monoaductos obtenidos. Para finalizar, decidimos estudiar la reactividad de las ditioltionas frente a otro tipo dipolarofilos como el bencino. La reaccion de la tiazina 176 con bencino condujo al benzoditiolano 403 (Esquema 14). Resumen XIII S N S S S S O S 176 253 S N S S S O S S 403 Esquema 14 En esta reaccion es fundamental el metodo utilizado para la generacion del bencino. La mayoria de los metodos convencionales de generacion de bencinos conducen a la descomposicion de la sustancia de partida; sin embargo, cuando el bencino se prepara a partir de una sal hipervalente de yodo, por el metodo de Kitamura, se obtiene en buen rendimiento el producto deseado. Esta metodologia abre tambien la posibilidad de realizar reacciones de cicloadicion de estas ditioltionas con bencinos mas complejos.