Ruthenium(ii) complexes with pyrazole or pyrazolylamidino ligandsreactivity and physical properties

Resumen

R.1. Estructura de la Tesis Esta Tesis se encuentra dividida en seis capítulos, en los cuales se desarrolla la síntesis, caracterización y el estudio de las propiedades y aplicaciones de diferentes familias de complejos pirazol o pirazolilamidino de rutenio(II). La Tesis tiene tres capítulos comunes, es decir, independientes del tipo de compuestos descritos: la introducción (Capítulo 1), la metodología experimental (Capítulo 5) y las conclusiones (Capítulo 6). Los tres capítulos restantes (2, 3 y 4) se han dividido de acuerdo con las diferentes familias de compuestos, de tal forma que cada una de ellas tiene su propia introducción y discusión de resultados. Cada capítulo contiene la siguiente información: - Capítulo 1: Introducción. Este capítulo recoge la importancia de los complejos polipiridilo de rutenio(II) incluyendo sus diferentes propiedades y aplicaciones. También se desarrollan las principales características de la química de los ligandos pirazol y pirazolilamidino. También se revisa brevemente el uso de la metodología de microondas en los procesos sintéticos. Por último, se recogen los objetivos del trabajo. El hecho de que los Capítulos siguientes incluyan también Introducciones más específicas de los temas que se tratan hace que algunos asuntos se repitan. Sin embargo, aun a fuerza de que se produzcan repeticiones, parece lo más apropiado para situar en su contexto los temas de investigación que tratan cada Capítulo posterior. - Capítulo 2: Complejos cis-bis(bipiridil)rutenio(II). En este capítulo se encuentran incluidos todos los compuestos obtenidos con el fragmento cis-bis(bipirdil)rutenio(II). Está dividido en tres partes, las cuales tratan cada una de una familia de compuestos diferente. - Capítulo 3: Complejos de rutenio(II) con ligandos dmso. En este capítulo se describen todos los complejos obtenidos con ligandos dmso. - Capítulo 4: Complejos pirazol y pirazolilamidino de rutenio(II) obtenidos mediante microondas. El resto de compuestos que no contienen ligandos bipy ni dmso se incluyen en este capítulo. Este capítulo se centra en la síntesis mediante la metodología de microondas. - Capítulo 5: Técnicas experimentales. - Capítulo 6: Conclusiones. Este capítulo resume las conclusiones obtenidas a lo largo de toda la Tesis. R.2. Introducción y objetivos Los complejos polipiridilo de rutenio(II) han sido los complejos luminiscentes más estudiados durante los últimos años. Las propiedades y aplicaciones más importantes de este tipo de compuestos, en los que se centra el estudio de los compuestos sintetizados en esta Tesis, son los siguientes: - Propiedades fotofísicas, de las cuales se deriva su uso como fotocatalizadores. En este caso se ha estudiado el uso de los complejos como fotocatalizadores tanto de la reducción de CO2 como de la oxidación de los tioéteres. - Propiedades electroquímicas, de las cuales se deriva su uso como electrocatalizadores. En esta Tesis se estudia el uso de los complejos sintetizados como electrocatalizadores en la reducción de CO2. - Su uso en la química bioorganometálica. En concreto se ha estudiado la citotoxicidad de los compuestos obtenidos con ligandos dmso. - Especies polimetálicas. Algunos de los compuestos obtenidos a lo largo de la tesis presentan un potencial interés en cuanto a la síntesis de especies polimetálicas. Uno de los objetivos principales en el campo de los complejos de rutenio(II) con ligandos bipiridilo se centra en la obtención de las propiedades químicas y físicas deseadas mediante la coordinación, al centro metálico de rutenio(II), de otros ligandos N-dadores, mono- o bidenatados. Los ligandos pirazol y pirazolilamidino cumplen con los requerimientos necesarios y presentan algunas ventajas frente a otros ligandos utilizados en la bibliografía. - Ligandos pirazol. Presentan la ventaja de que poseen un hidrógeno con características ácidas directamente unido a un nitrógeno, el cuál puede formar enlaces de hidrógeno o ser deprotonado, generando en ambos casos nuevas especies de interés. - Ligando pirazolilamidino. Presentan la ventaja de que pueden ser sintetizados in situ, pudiéndose obtener diferentes ligandos con diferentes propiedades estéricas y electrónicas con solo cambiar el pirazol y el nitrilo. Además, estos ligandos también presentan un átomo de hidrógeno directamente unido a un átomo de nitrógeno, el cual permite generar nuevas especies de interés. A pesar de que el interés de los compuestos de rutenio(II) con ligandos pirazol y pirazolilamidino es evidente, uno de los mayores problemas asociados a este tipo de compuestos reside en su síntesis, que cuando se lleva a cabo mediante métodos convencionales necesita elevadas temperaturas y largos tiempos de reacción. Sin embargo, el uso de radiación de microondas en lugar del calentamiento convencional presenta muchas ventajas debido a su menor consumo de energía. Además, la radiación microondas también presenta ventajas en la selectividad, en la pureza de los productos y en el rendimiento de las reacciones. Todos estos beneficios se encuentran incluidos dentro de los principios de la conocida como Química Verde. Por ello, a lo largo de la Tesis, y en especial en el Capítulo 4, se describe la síntesis de alguno de los compuestos utilizando esta técnica. Para finalizar este Resumen, se recogen a continuación los objetivos de la Tesis: I. Sintetizar diferentes familias de compuestos de rutenio(II) con ligandos pirazol o pirazolilamidino. II. Sintetizar una variedad de complejos con sustituyentes diferentes de cada familia, para poder confirmar el método sintético y estudiar la influencia de los sustituyentes en sus propiedades y aplicaciones. III. Caracterizar todos los complejos sintetizados mediante técnicas de RMN, IR y difracción de RX de monocristal. IV. Estudiar las propiedades electroquímicas de los compuestos. V. Estudiar las propiedades fotofísicas de todos los compuestos sintetizados. VI. Explorar las aplicaciones derivadas de las propiedades de cada familia de compuestos. VII. Sintetizar una familia de compuestos de rutenio(II) con ligandos pirazol y pirazolilamidino con el uso de un reactor de microondas. R.3. Resultados principales R.3.1. Complejos bis(bipiridilo) de rutenio(II) El estudio de los complejos con el fragmento cis-bis(piridilio)rutenio(II) se desarrolla en el Capítulo 2 y se divide en tres secciones, coincidiendo cada una de ellas con una familia de compuestos. Todas ellas tienen en común los dos ligandos bipiridina coordinados en cis, de tal forma que lo que cambia de unas familias a otras son los dos ligandos restantes. Las secciones son las siguientes: - Sección 1: Complejos (pirazol)bis(bipiridilo)rutenio(II) Los otros dos ligandos en esta familia de compuestos son el pirazol, en una de las posiciones, y el cloro o el agua, en la otra. En esta sección se describe la electroquímica y la fotoquímica de todos los compuestos y su uso como electro y fotocatalizadores en la reducción de CO2. Además, estos complejos sirven como compuestos de partida para los complejos sintetizados en la siguiente sección. - Sección 2: Complejos bis(bipiridilo)rutenio(II) con ligandos pirazolilamidino En esta sección la esfera de coordinación queda completada con el ligando bidentado quelato pirazolilamidino. De nuevo se estudia tanto la electroquímica como la fotoquímica de los compuestos sintetizados. Esta sección también incluye el estudio de la actividad de los complejos como fotocatalizadores en la oxidación de tioéteres. - Sección 3: Complejos bis(bipiridilo)rutenio(II) con ligandos pirazol y pirazolato. En esta sección los dos ligandos restantes son dos ligandos pirazol o pirazolato y se estudia tanto su electroquímica como su uso como electrocatalizadores en la reducción de CO2. Además, los complejos neutros de pirazolato sirven como compuestos de partida en la formación de complejos homo y heteropolimetálicos. R.3.2. Complejos de rutenio(II) con ligandos dmso El Capítulo 3 de la Tesis incluye la síntesis y caracterización de diferentes complejos de rutenio(II) con ligandos dmso y ligandos pirazol o pirazolilamidino. Se describe su uso como electrocatalizadores para la reducción de CO2 y el estudio de su citotoxicidad frente a las líneas celulares COLO 320 y HeLa. R.3.3. Otros complejos de rutenio(II) sintetizados por radiación microondas Como ya se ha indicado, los complejos de rutenio con ligandos pirazol son conocidos por su amplio rango de propiedades y aplicaciones. Sin embargo, su síntesis suele ser larga y complicada, de modo que su síntesis suele requerir varias horas de reflujo. Con la idea de acceder a vías sintéticas más accesibles, hemos sintetizado una familia de compuestos de rutenio(II) con ligandos pirazol y pirazolilamidino con el uso de un reactor de microondas. El reactor de microondas es más efectivo que los métodos convencionales para la síntesis de complejos desde el punto de vista energético y de reducción de residuos. Así, en el Capítulo 4 se describe una familia de compuestos de rutenio(II) con ligandos pirazol y pirazolilamidino que han sido sintetizados mediante un reactor de microondas. Además, también se ha logrado sintetizar el complejo [Ru(NCMe)6]2+ mediante este método, reduciendo el tiempo de reacción en 24 veces y evitando el uso de polvo de zinc como catalizador. Esta sección también incluye el comportamiento fotoquímico de uno de los complejos con el ligando pirazolilamidino.  R.4. Metodología En el Capítulo 5 se detalla la metodología utilizada a lo largo de la Tesis. Por un lado, se recoge la metodología general utilizada en la síntesis de los compuestos, basada en las técnicas de Schlenk, ya que todas las reacciones se llevan a cabo bajo atmósfera de N2. Por otro se detalla la metodología utilizada para la caracterización y determinación de las diferentes propiedades y aplicaciones de los compuestos. En cuanto a la caracterización, se utilizan las espectroscopías de RMN e IR, la difractometría de RX y el análisis elemental. Tanto las espectroscopías de RMN e IR, como la difractometría de RX se han llevado a cabo en la Universidad de Valladolid, mientras que el análisis elemental se ha llevado a cabo en la Universidad de Burgos. El estudio de las propiedades fotofísicas se ha llevado a cabo en la Universidad de Valladolid y en la de Burgos, aprovechando las ventajas de los equipos presentes en una u otra Universidad. También se han llevado a cabo en los equipos de ambas Universidades los estudios electroquímicos. Los trabajos sobre viabilidad celular se han llevado a cabo en la Universidad de Valladolid. En cuanto a los estudios de CPE (controlled potential electrolysis) y la fotocatálisis para la reducción del CO2 se han llevado a cabo en la University of Connecticut. Por último, los estudios llevados a cabo acerca de la fotooxidación de los tioéteres se han llevado a cabo en la Universidad Autónoma de Madrid. Al final de este capítulo quedan recogidas también tanto la síntesis como la caracterización de todos los compuestos sintetizados a lo largo de la Tesis. Además, en el Anexo 3 de la tesis se detallan todos los compuestos sintetizados a lo largo de la Tesis. R.5. Conclusiones I. Se ha descrito una familia de complejos del tipo cis-[RuII(bipy)2(pz*H)X], (pz*H = pzH, indzH and dmpzH; X = Cl o H2O). Los complejos se han caracterizado mediante RMN de 1H, 13C y 15N y mediante espectroscopía de IR. Cuatro de ellos se han caracterizado también mediante difracción de RX de monocristal. II. Los complejos cis-[RuII(bipy)2(pz*H)X] muestran un comportamiento fosforescente con rendimientos cuánticos comparables con los obtenidos por otros compuestos similares de rutenio(II). III. Los complejos cis-[RuII(bipy)2(pz*H)X] reducen de manera eficiente, tanto electroquímicamente como fotoquímicamente, el CO2 en CO y ácido fórmico, siendo el ácido fórmico el producto mayoritario. IV. De entre los complejos metálicos descritos con actividad electroquímica o fotoquímica para la reducción de CO2, nuestros complejos cis-[RuII(bipy)2(pz*H)X] tienen la ventaja de que pueden ser sintetizados fácilmente y permiten modificar su actividad electroquímica, luminiscente y catalítica simplemente usando pirazoles diferentes o sustituyendo el ligando cloro o agua por otro ligando dador. V. Una nueva familia de complejos cis-RuII(bipy)2 con el ligando pirazolilamidino (derivado del acoplamiento del ligando pzH, indzH o dmpzH con acetonitrilo o benzonitrilo) ha sido sintetizada y completamente caracterizada mediante espectroscopía de RMN de 1H, 13C y 15N, espectroscopía de IR y difracción de RX de monocristal. VI. Los complejos cis-[RuII(bipy)2(pirazolilamidino)] muestran emisiones fosforescentes y rendimientos cuánticos y tiempos de vida media comparables con los de otros compuestos análogos. VII. Las propiedades redox de los complejos cis-[RuII(bipy)2(pirazolilamidino)] son similares a los del complejo [Ru(bipy)3]2+, con oxidación reversibles RuII/RuIII entre +1.13 y +1.25 V (frente al SCE). VIII. Los complejos cis-[RuII(bipy)2(pyrazolylamidino)] pueden ser utilizados como catalizadores en la fotooxidación de tioéteres. De hecho, el complejo cis-[Ru(bipy)2(NH=C(Me)dmpz-κ2N,N)]2+, que presenta el mayor rendimiento cuántico y el mayor tiempo de vida medio, muestra una actividad catalítica superior a la del complejo [Ru(bipy)3]2+. IX. De entre el amplio rango de compuestos cis-RuII(bipy)2 sintetizados, la familia de los complejos pirazolilamidino aquí descrita presenta la ventaja de que es fácilmente sintetizable y que presenta la posibilidad de modular las propiedades electroquímicas, luminiscentes y catalíticas simplemente variando el ligando pirazol y el nitrilo. X. La familia de complejos pirazol y pirazolato de rutenio(II) cis-[Ru(bipy)2(pzH)2]2+, cis-[Ru(bipy)2(pzH)(pz)]+ y cis-[Ru(bipy)2(pz)2] ha sido extendida a sus complejos análogos de indazol e indazolato cis-[Ru(bipy)2(indzH)2]2+, cis-[Ru(bipy)2(indzH)(indz)]+ y cis-[Ru(bipy)2(indz)2]. XI. Todos los complejos de pirazol y pirazolato cis-[Ru(bipy)2(pz*H)2]2+, cis-[Ru(bipy)2(pz*H)(pz*)]+ y cis-[Ru(bipy)2(pz*)2] (pz*H= pzH, indzH; pz*= pz, indz) han sido caracterizados tanto en disolución como en sólido mediante RMN de protón y de carbono e IR. XII. Los complejos de indazol e indazolato cis-[Ru(bipy)2(indzH)2]2+, cis-[Ru(bipy)2(indzH)(indz)]+ y cis-[Ru(bipy)2(indz)2] pueden ser utilizados como electrocatalizadores en la reducción de CO2. XIII. Se ha podido caracterizar cristalográficamente el complejo polimetálico cis-[Ru(bipy)2Br(S--dmso)]fac-[(CO)3Re(µ-pz)2(µ-OH)Re(CO)3]. XIV. Se ha sintetizado una familia de complejos pirazolilamidino fac-[RuCl(dmso)3(NH=C(R)pz*-κ2N,N)]+ (R = Me, Ph; pz* = pz, indz) mediante un acoplamiento catalizado por una base entre un nitrilo y un pirazol previamente coordinado a un complejo de rutenio(II) con ligandos dmso. XV. Los complejos pirazolilamidino fac-[RuCl(dmso)3(NH=C(R)pz*-κ2N,N)]+, así como sus precursores, han mostrado actividad en la reducción electrocatalizada de CO2. Estos resultados abren la puerta a nuevos complejos que contengan este interesante comportamiento, debido a que, hasta el momento, el uso de complejos de rutenio(II) con un solo ligando del tipo bipy se ha limitado complejos carbonilo. XVI. Los complejos pirazolilamidino fac-[RuCl(dmso)3(NH=C(R)pz*-κ2N,N)]+ con grupos aromáticos presentan actividad antitumoral frente a las células COLO 320 y HeLa. XVII. Los complejos con ligandos pirazol trans-[RuCl2(pz*H)4] (pz*H = pzH, indzH, dmpzH)) y con ligandos pirazolilamidino cis-[Ru(NCMe)2((NH=C(Me)pz-κ2N,N)2]2+ (pz* = pz, indz) de rutenio(II) se han sintetizado mediante el uso de un reactor de microondas. Este método permite obtener complejos diferentes a partir del mismo compuesto de partida, cis-[RuCl2(NCMe)4], simplemente añadiendo el pirazol correspondiente al complejo de partida disuelto en agua o diclorometano, en solo 30 minutos. XVIII. Todos los complejos pirazol trans-[RuCl2(pz*H)4] y pirazolilamidino cis-[Ru(NCMe)2((NH=C(Me)pz-κ2N,N)2]2+ han sido caracterizados mediante RMN de 1H y 13C y mediante IR. XIX. El comportamiento fotoquímico del complejo cis-[Ru(NCMe)2((NH=C(Me)indz-κ2N,N)2](PF6)2 permite obtener de manera selectiva su isómero trans.