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Design and synthesis of photoswitchable coordination complexes Jorge Salinas Uber ADVERTIMENT. La consulta d’aquesta tesi queda condicionada a l’acceptació de les següents condicions d'ús: La difusió d’aquesta tesi per mitjà del servei TDX (www.tdx.cat) i a través del Dipòsit Digital de la UB (diposit.ub.edu) ha estat autoritzada pels titulars dels drets de propietat intel·lectual únicament per a usos privats emmarcats en activitats d’investigació i docència. No s’autoritza la seva reproducció amb finalitats de lucre ni la seva difusió i posada a disposició des d’un lloc aliè al servei TDX ni al Dipòsit Digital de la UB. No s’autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX o al Dipòsit Digital de la UB (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant al resum de presentació de la tesi com als seus continguts. En la utilització o cita de parts de la tesi és obligat indicar el nom de la persona autora. ADVERTENCIA. La consulta de esta tesis queda condicionada a la aceptación de las siguientes condiciones de uso: La difusión de esta tesis por medio del servicio TDR (www.tdx.cat) y a través del Repositorio Digital de la UB (diposit.ub.edu) ha sido autorizada por los titulares de los derechos de propiedad intelectual únicamente para usos privados enmarcados en actividades de investigación y docencia. No se autoriza su reproducción con finalidades de lucro ni su difusión y puesta a disposición desde un sitio ajeno al servicio TDR o al Repositorio Digital de la UB. No se autoriza la presentación de su contenido en una ventana o marco ajeno a TDR o al Repositorio Digital de la UB (framing). Esta reserva de derechos afecta tanto al resumen de presentación de la tesis como a sus contenidos. En la utilización o cita de partes de la tesis es obligado indicar el nombre de la persona autora. WARNING. On having consulted this thesis you’re accepting the following use conditions: Spreading this thesis by the TDX (www.tdx.cat) service and by the UB Digital Repository (diposit.ub.edu) has been authorized by the titular of the intellectual property rights only for private uses placed in investigation and teaching activities. Reproduction with lucrative aims is not authorized nor its spreading and availability from a site foreign to the TDX service or to the UB Digital Repository. Introducing its content in a window or frame foreign to the TDX service or to the UB Digital Repository is not authorized (framing). Those rights affect to the presentation summary of the thesis as well as to its contents. In the using or citation of parts of the thesis it’s obliged to indicate the name of the author.

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Design and synthesis of photoswitchable coordination complexes

Jorge Salinas Uber

ADVERTIMENT. La consulta d’aquesta tesi queda condicionada a l’acceptació de les següents condicions d'ús: La difusió d’aquesta tesi per mitjà del servei TDX (www.tdx.cat) i a través del Dipòsit Digital de la UB (diposit.ub.edu) ha estat autoritzada pels titulars dels drets de propietat intel·lectual únicament per a usos privats emmarcats en activitats d’investigació i docència. No s’autoritza la seva reproducció amb finalitats de lucre ni la seva difusió i posada a disposició des d’un lloc aliè al servei TDX ni al Dipòsit Digital de la UB. No s’autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX o al Dipòsit Digital de la UB (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant al resum de presentació de la tesi com als seus continguts. En la utilització o cita de parts de la tesi és obligat indicar el nom de la persona autora. ADVERTENCIA. La consulta de esta tesis queda condicionada a la aceptación de las siguientes condiciones de uso: La difusión de esta tesis por medio del servicio TDR (www.tdx.cat) y a través del Repositorio Digital de la UB (diposit.ub.edu) ha sido autorizada por los titulares de los derechos de propiedad intelectual únicamente para usos privados enmarcados en actividades de investigación y docencia. No se autoriza su reproducción con finalidades de lucro ni su difusión y puesta a disposición desde un sitio ajeno al servicio TDR o al Repositorio Digital de la UB. No se autoriza la presentación de su contenido en una ventana o marco ajeno a TDR o al Repositorio Digital de la UB (framing). Esta reserva de derechos afecta tanto al resumen de presentación de la tesis como a sus contenidos. En la utilización o cita de partes de la tesis es obligado indicar el nombre de la persona autora. WARNING. On having consulted this thesis you’re accepting the following use conditions: Spreading this thesis by the TDX (www.tdx.cat) service and by the UB Digital Repository (diposit.ub.edu) has been authorized by the titular of the intellectual property rights only for private uses placed in investigation and teaching activities. Reproduction with lucrative aims is not authorized nor its spreading and availability from a site foreign to the TDX service or to the UB Digital Repository. Introducing its content in a window or frame foreign to the TDX service or to the UB Digital Repository is not authorized (framing). Those rights affect to the presentation summary of the thesis as well as to its contents. In the using or citation of parts of the thesis it’s obliged to indicate the name of the author.

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Capítulo 1: Introducción

En los últimos años, el estudio y el uso de sistemas moleculares como prototipos de

dispositivos moleculares se ha establecido como una de la parte más activa de la

ciencia, debido a la potencial aplicación de estos dispositivos en una nueva generación

de sistemas electrónicos. La sinergia de diferentes campos como la física, la biología, la

química, la nanotecnología, entre otros, es también un factor importante en este éxito.

En este contexto, la química desempeña un papel fundamental, ya que es en sí, la

principal fuente de los componentes reales de estos nuevos dispositivos, por lo que, el

estudio de nuevos interruptores moleculares se ha convertido en un área apasionante en

la química.

Los compuestos magnéticos son quizás, los compuestos más estudiados dado su

aplicación en sistemas computacionales convencionales, gracias a la posibilidad de

controlar su estado de espín mediante la aplicación de estímulos magnéticos o cargas.

Una clase de moléculas magnéticas estudiada intensamente, es la constituida por los

imanes unimoleculares. Estos sistemas se caracterizan por una relajación lenta de la

magnetización a baja temperatura, dando lugar a la histéresis magnética con un origen

molecular puro. La histéresis es también característica de otros sistemas moleculares bi-

estables magnéticamente, los sistemas con transición de espín, resultantes de un cambio

desde un estado magnético activo a otro inactivo. El origen de esta histéresis es sin

embargo completamente diferente (véase más adelante). Recientemente, la

investigación magnética se centra en el estudio y el uso de la mecánica cuántica para

realizar tareas de procesado informático.

La continua búsqueda de nuevos materiales para mejorar el rendimiento de estos

dispositivos magnéticos incluye, entre otros, el uso de estímulos externos, ya sea luz,

presión o temperatura, entre otros. La sinergia entre estos factores y la ingeniería

magnetica, debe proporcionar las condiciones para el almacenamiento de información y

llevar a cabo los procesos de lectura en una sola molecula, creando así interruptores

moleculares.

Una gran clase de interruptores moleculares, están basados en sistemas en los que la luz

se utiliza como estímulo externo para cambiar las propiedades físicas y químicas de la

materia. Dicha modulación se observa en los sistemas fotosensibles que se han utilizado

en tecnología foto-óptica y será el tema principal de esta tesis, en combinación con las

propiedades magnéticas de los compuestos de coordinación.

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1.1 Efecto fotocromático

El efecto fotocromático es la transformación reversible de una especie química entre dos

formas debido a la absorción de radiación electromagnética, donde las dos formas

tienen diferentes espectros de absorción. A menudo se caracteriza por un cambio de

color reversible entre dos isómeros al irradiarlos, utilizando diferentes longitudes de

onda para cada dirección del proceso (Esquema 1.1) . Ambos isómeros no sólo difieren

en sus espectros de absorción, también en otras características interesantes, como la

estructura geométrica, la fluorescencia, los potenciales de oxidación/ reducción, etc.

Estos cambios entre los isómeros puede llevarse a cabo a través de diferentes procesos:

tautomerización, isomerización cis/trans y fotociclaciones.

Esquema 1.1: Efecto fotocromátio

En esta tesis, el tipo de transformación utilizada para futuros interruptores moleculares,

son las reacciones electrocíclicas. Por ejemplo, un derivado de 1,3,5-hexatrieno sufre

una fotociclación derivando a 1,3-ciclohexadieno tras la irradiación. De acuerdo con la

regla de Woodward-Hoffmann basado en simetrías pi-orbital para 1,3,5-hexatrieno, una

reacción de ciclación conrotatoria es provocada por la luz y una ciclación disrotatoria se

produce por el calor, de manera que el compuesto resultante tendrá sus sustituyentes en

posiciones trans o cis, respectivamente. Los compuestos más estudiados que realizan

estas reacciones son los espiropiranos, fulgidas y diariletenos.

Existe un amplio interés en los espiropiranos y fulgidas, que han sido conocidos desde

principios del siglo XX, cuando sus propiedades termocrómicas reversibles fueron

descubiertos, pero su importancia se incrementó en gran medida al encontrarles también

efectos fotocromáticos. Estos compuestos encuentra amplio uso como dispositivos

lógicos moleculares, y se utilizan para la producción de películas fotocrómicas

nanoestructuradas de biopolímeros, dispositivos fotosensibles y electro-ópticos,

interruptores lógicos moleculares y supramoleculares y receptores artificiales

multifuncionales.

Isomer A Isomer Bλ1

λ2

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Los diariletenos se conocen como una de las más importantes clases de compuestos con

efecto fotocrómicos y térmicamente irreversibles. La reacción fotocrómica con la luz

UV de la forma abierta incolora de los diariletenos se basa en la reación electrocíclica

conrotatoria del sistema 6π del 1,3,5-hexatrieno. Esta tiene lugar a lo largo de la

estructura helicoidal con el eje C2-simétrico, debido al impedimento estérico. La forma

cerrada es térmicamente estable y tras la irradiación con luz visible, el sistema vuelve a

la forma abierta inicial. Hay un gran número de tipos de diariletenos dependiendo de las

sustituyentes. Para los anillos arilo, la mayoría de compuestos usan los tiofenos,

furanos, o tiazoles. El resto del eteno siempre está incrustado en un anillo, ya que

proporciona una mayor rigidez al complejo, siendo el más utilizado el ciclopenteno, que

normalmente se encuentran en dos derivados (perhydrocyclopenteno o

perfluorocyclopenteno). Este sistema fotocrómico es susceptible de numerosas

modificaciones químicas a través de la incorporación de diferentes sustituyentes, que

permite introducir diferentes funcionalidades (Esquema 1.2).

Esquema 1.2: Esquema general de un diarileteno y su efecto fotocrómico.

Las propiedades más importantes de estos compuestos son su estabilidad térmica, la

gran resistencia a la fatiga, los altos rendimientos cuánticos de alta o reactividad

modular, entre otros. Ambos procesos ocurren con luz de longitud de onda diferente,

que hacen que estos compuestos sean muy útiles e interesantes. La luz UV se utiliza

para el proceso de ciclación, mientras que la reversión del proceso se realiza utilizando

la luz visible. Estas diferencias se pueden utilizar para leer el estado del isómero. La

síntesis de los derivados diariletenos se produce a través de un acoplamiento cruzado de

Suzuki, que es más favorable para los compuestos con perhydrociclopenteno que para la

su analogo fluorado. Para estos últimos, la síntesis emplea un compuesto muy volátil, el

octafluoropenteno, dando bajos rendimientos en la reacción. El uso de diariletenos

revela un comportamiento similar en términos de fotoconversión y rendimientos

λ1

λ2

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cuánticos, pero con menor estabilidad térmica y resistencia a la fatiga que los complejos

fluorados. Sin embargo, pueden someterse a un elevado número de ciclos sin

descomposición o reacciones secundarias. Estos compuestos serán los constituyentes de

los nuevos compuestos funcionales preparados durante esta tesis.

A pesar del gran número de compuestos conteniendo esta unidad fotocrómica que se

pueden encontrar en la bibliografía, sólo unos pocos de ellos son capaces de coordinar

átomos metálicos. Por lo tanto, esta tesis propone el diseño y síntesis de nuevos

ligandos fotosensibles que puedan acomodar iones metálicos dentro del sistema

molecular. La unidad principal para la síntesis de nuevos ligandos será la que se muestra

en la Figura 1.1.

Figura 1.1: Unidad principal para la síntesis de nuevos ligandos

Por lo tanto el paso inicial será el desarrollo de estrategias para la síntesis de ligandos

fotocrómicos funcionalizados, seguido de la síntesis de sus complejos de coordinación.

Es importante destacar que será importante el estudio cristalográfico, para entender

mejor las propiedades fotocromáticas y magnéticas. Esta comprensión del proceso

fotocrómico es el objetivo principal en el capítulo 2, en el que se explica la

fotoconversión mediante información estructural previa.

Como se mencionado anteriormente, existen unas áreas importantes para estudiar el

comportamiento magnético de estos nuevos sistemas, como son la computación

cuántica, los imanes unimoleculares y la transición de espín. Por lo tanto, se necesitarán

diferentes enfoques en la síntesis para dichas áreas.

La síntesis de pares de dímeros con un acoplamiento magnético débil entre ellos, será la

base para la creación de pares de Qbits. El siguiente paso será controlar el acoplamiento

entre ellos mediante el uso de la luz. Para el enfoque sintético, la síntesis de ligandos

basados en beta-dicetonas será el objetivo principal debido a estos sistemas han sido

ampliamente utilizados en el grupo para la síntesis de varios tipos de complejos de

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coordinación. De hecho, estos sistemas son capaces de contar con dos posiciones de

coordinación bien definidos que pueden coordinar grupos que podrían representar

sistemas ideales para la realización de operaciones cuánticas. El capítulo 3 explica la

ruta sintética para dos nuevos ligandos, con sus complejos de coordinación, y toda la

caracterización física para demostrar su utilidad como candidatos para nuevos sistemas

basados en Qbits.

El capítulo 4 presenta la ruta sintética para encontrar nuevos ligandos fotocrómicos, con

posiciones grandes capaces de coordinar átomos que pueden presentar relajación lenta

de la magnetización, como el disprosio y el terbio. Estos nuevos ligandos se basan en

hidrazonas, con dos posiciones de coordinación diferentes, uno con un medio [NO2] y

la otra con un medio [N2O], lo que conduce a diferentes tipos de clusteres. También la

preparación de complejos de metales de transición que utilizan el cobre se detalla en

este capítulo.

La síntesis de un ligando fotocrómico con posiciones de nitrógeno es el enfoque

principal debido a que este entorno es bien conocido por su efecto de campo cristalino

que puede inducir una configuración octaédrica de centros de Fe (II). Un compuesto de

hierro dinuclear que presenta transición de espín se muestra en el capítulo 5.

El capítulo 6 contiene las conclusiones extraídas de la química de los nuevos ligandos

fotocromicos aplicadas al magnetismo molecular, así como algunos comentarios

generales y las posibles perspectivas de futuro.

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Capítulo 2: Estructura e interacciones intermoleculares vs fotocromismo

2.1 Introduccion

En este capítulo se presentan dos solvatomorphos de un polímero de coordinación de Cu

(II) [Cu (L1) (PY) 3] (1), donde H2L1 es el ligando fotocrómico libre de flúor 1,2-(5-

carboxi-2-metil-tiofen-3-il)-cyclopentene (Figura 2.1). Ambos compuestos tienen las

mismas cadenas poliméricas pero el empaquetamiento cristalino de estas cadenas es

bastante dispare debido a la presencia de diferentes moléculas de disolvente en su

interior. Como consecuencia, aunque ambos son fotoactivos, la cinética del proceso es

drásticamente diferente. La fotoconversión reversible en la fase cristalina para ambos

complejos se ha caracterizado por medio de técnicas de reflectividad y de

espectroscopia Raman, debido a la insolubilidad de estos polímeros.

También se presenta una estrategia para detener el crecimiento de estos polímeros con

el fin de preparar moléculas discretas. Consiste en el uso de otros ligandos quelantes

para bloquear las posiciones de coordinación de los iones de cobre, que nos lleva a tres

nuevos compuestos de coordinación. El distinto comportamiento de los polímeros y los

compuestos aislados se racionaliza a la luz de la información estructural.

Figura 2.1: Efecto fotocrómico del ligando H2L1 con su característico cambio de color.

UV Vis

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2.2 Sintesis de los polímeros.

Compuesto 1 se preparó como dos polimorfos del mismo complejo de coordinación. La

composición de su red cristalina es [Cu(L)(py)3]•2py (1a) y [Cu(L)(py)3]•2H2O•

0.5Et2O (1b), respectivamente, por lo que apenas difieren en la naturaleza de las

moléculas de disolvente de cristalización.

Mientras que ambas reacciones se llevaron a cabo a través del mismo procedimiento y

el uso de los mismos disolventes, la única distinción fue la fuente inicial de Cu(II) (Cu

(AcO)2•H2O y Cu(NO3)2•3H3O para 1a y 1b, respectivamente. Es interesante sin

embargo, que los contraiones no están presentes en los productos finales.

Por lo tanto, la reacción en piridina de un equivalente de Cu(X)2•nH2O con un

equivalente de H2L1 y 2,2 equivalentes de base conduce a cristales de color azul en el

caso de 1a y cristales verdes para 1b, después difusión liquida en éter. La unidad

asimétrica de ambos compuestos se muestra en la Figura 2.2.

Figura 2.2: Unidad asimétrica de ambos polímeros.

2.3. Propiedades fotocrómicas

Las propiedades fotocrómicas de los compuestos 1a y 1b y el ligando H2L1, se

examinaron a través de reflectividad y mediciones Raman en el estado sólido. De

particular interés fue conocer si las diferencias de la distribucion de los disolventes en la

estructura cristalina tenían un efecto sobre la dinámica de la fotoactividad. En la figura

2.3, se muestra el cambio de color al irradiar con UV y la reversibilidad al irradiar con

Visible, tanto de H2L1 (izquierda) y el compuesto 1a (derecha).

Cu1

N1

N2

N3

O1

O2

O3

O4

C5

C13

1a

Cu1N1

N2

N3

O1

O2

O3

O4

C20

C30

1b

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Figura 2.3: Cambios reversibles de H2L1 en la izquierda y de 1a en la derecha

2.3.1 Reflectividad

Cuando una muestra de H2L1 se irradia continuamente con luz UV (365 nm) a 290 K ,

el sólido marrón pálido se vuelve de color violeta oscuro como muestra la Figura 2.1.

Este cambio de color puede seguirse durante aproximadamente 2 horas, como una clara

disminución de la reflectividad absoluta, más notable en la región de 500 a 650 nm

(Figura 2.4). Después de 4,5 horas de irradiación, no se observa prácticamente ninguna

evolución. Si el compuesto se irradia con luz visible (455 nm) , la fotoconversión de

H2L1 se puede demostrar siguiendo de nuevo la reflectividad absoluta (Figura 2.4) .

Figura 2.4: Reflectividad de H2L1al irradiar con UV en la izquierda y su proceso

reversible al irradiar con visible en la derecha.

Los mismos experimentos se realizaron con los compuestos 1a y 1b. Para 1a complejo,

irradiación con luz UV (λ = 365 nm) provoca una disminución de la reflectividad, más

evidente en el rango de 450 a 600 nm aproximadamente (Figura 2.5, izquierda), que

puede ser atribuido a la formación del isómero forma cerrada. Se llega a un estado de

equilibrio después de aproximadamente 90 minutos de irradiación.

UV

Vis

UV

Vis

400 500 600 700 800 900

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Ab

so

lute

Re

fle

ctivity

Wavelength (nm)

0 min (open form)

1 min

2 min

3 min

4 min

5 min

10 min

30 min

60 min

120 min

180 min

240 min (closed form)

H2L1- UV light irradiation

400 500 600 700 800 900

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2 H2L1- Vis light irradiation

Absolu

te R

eflectivity

Wavelength (nm)

0 min (closed form)

1 min

3 min

4 min

5 min

6 min

7 min

8 min

9 min

10 min

20 min

30 min

40 min (open form)

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Posteriormente, la fotoconversión a la forma original fue provocado con el uso de luz

verde (λ = 530 nm). Curiosamente, se encontró que el máximo de los espectros de

reflectividad después de este proceso esta desplazada al rojo, aproximadamente de 485 a

509 nm (Figura 2.16, derecha)

Figura 2.4: Reflectividad de 1a al irradiar con UV en la izquierda y su proceso

reversible al irradiar con visible en la derecha.

1b complejo muestra un comportamiento totalmente diferente. Primero, requiere

tiempos de irradiación UV cinco veces más largos (aproximadamente ocho horas) que

1a para alcanzar un estado fotoestacionario, presumiblemente correspondientes a la

forma cerrada (Figura 2.5). En segundo lugar, el proceso inverso asociado no se observa

(Figura 2.5). Varios intentos con otras longitudes de onda cercanas a la luz visible no

dió lugar a la reversibilidad.

Figura 2.5: Reflectividad de 1b al irradiar con UV en la izquierda y su proceso

reversible al irradiar con visible en la derecha.

400 500 600 700 800

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

Absolu

te R

eflectivity

Wavelength (nm)

0 min (open form)

10 min

20 min

30 min

40 min

50 min

60 min

70 min

80 min

90 min

100 min

110 min (closed form)

1a- UV light irradiation

400 500 600 700 800

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

1a- Vis light irradiation

Ab

so

lute

Re

fle

ctivity

Wavelenght (nm)

0 min (closed form)

5 min

10 min

15 min

20 min

25 min

30 min

70 min

120 min

180 min

240 min

300 min (mainly open form)

400 500 600 700 800

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

Absolu

te R

eflectivity

Wavelength (nm)

0 min (open form)

10 min

20 min

30 min

60 min

100 min

140 min

200 min

400 min

500 min (closed form)

1b- UV light irradiation

400 500 600 700 800

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

1b- Vis light irradiation

Absolu

te R

eflectivity

Wavelength (nm)

0 min (closed form)

10 min

15 min

20 min

25 min

30 min

60 min (mainly closed form)

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2.3.1 Raman

El ligando H2L1 y el complejo 1a exhiben espectros Raman similar a la de otros

derivados de diariletenos previamente estudiados. Los espectros en polvo de ambos

compuestos se registra entonces después de ciclos de irradiación de luz UV continua (

425 nm) (Figura 2.6). Durante el curso de esta irradiación, el color de los compuestos en

el área de irradiación cambia de la misma manera como se observó durante los

experimentos de reflectividad. Este proceso, sin embargo, no da lugar a grandes

cambios espectrales en Raman. Sin embargo, como se ve en compuestos anteriores, la

aparición de una banda cerca de 1500 cm-1

durante la isomerización es muy evidente y

constituye un marcador del cierre de los anillos.

Figure 2.6: Espectro raman de H2L1 y 1a con las variaciones al irradiar con UV y Vis

2.4 Medidas magnéticas

La susceptibilidad de los complejos 1a y 1b antes y después de la irradiación con luz

UV muestran que en todos los casos, que la susceptibilidad sigue una ley de Curie a lo

largo de todo el rango de temperatura por lo que no existe interacción entre los cobres.

Tampoco hay ningún cambio notorio entre la forma abierta y cerrada.

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2.5 Compuestos de cobre.

Como hemos visto, el carácter polimérico de los compuestos 1a y 1b, impide el estudio

de sus propiedades fotocrómicas en solución. Para abrir esta posibilidad, se utilizó una

nueva estrategia sintética que consiste en la adición de agentes bloqueantes en la esfera

de coordinación del centro metálico, con el fin de detener el crecimiento de los

polímeros. Aquí, la sustitución de la piridina con agentes quelantes, tales como 2,2'-

bypyridine y 1,10 - fenantrolina, produce nuevos compuestos discretos (Figura 2.7).

Figura 2.7: Estructuras cristalinas usando agentes bloqueantes

2.6 Conclusiones

A pesar de que el uso racional de los ligandos quelantes secundarios conduce al bloqueo

del crecimiento de polímeros, no es posible escapar a la arbitrariedad de estos procesos,

y todos los intentos de obtener los isómeros fotoactivos (en estado sólido) no fueron

posibles como las estructuras cristalinas de todos los compuestos de cobre nos

muestran. Sin embargo, el comportamiento fotocrómico puede ser seguido en solución

para las moléculas discretas.

Todos los esfuerzos para obtener la estructura cristalina del isómero cerrado tampoco

tuvieron éxito.

Aunque ligando H2L1 es bien conocido, su uso en la química de coordinación no es tan

común, y diferentes aplicaciones en áreas tales como MOFs o en sistemas

bioinorgánicos, podría ser muy útil.

Cu1

Cu2

N1

N2

N3

N4

N5

N6

N7

N8

O1O2

O3

O4Phen1

Phen2

Phen3

Phen4

C5

C15

N1

N2

N3

N4

N5

N6

N7

N8Cu1

Cu2

O1

O2

O3O4

C5

C15

ByPy1

ByPy3

ByPy4

ByPy2

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Capitulo 3: Hacia sistemas fotocrómicos basados en 2-Qubits

3.1: Introducción

El diseño y síntesis de nuevos ligandos polidentados es una buena estrategia para

obtener compuestos con topologías y propiedades predeterminadas

En este sentido, nuestro grupo tiene experiencia en el diseño y la síntesis de ligandos

que contienen diferentes posiciones de coordinación, combinando beta-dicetonas con

otros grupos quelantes. El uso racional de estos ligandos conduce a la síntesis de una

gran familia de compuestos de coordinación. Esta versatilidad se ha explotado

recientemente en nuestro grupo para la síntesis de buenos candidatos de 2-qubits. Los

Qubits son sistemas cuánticos con dos microestados cuánticos. Estos estados emulan los

valores de los bits clásicos, 1 y 0, pero también puede existir como todas las

superposiciones de ellos. En este proyecto, hemos utilizado el espín electrónico de los

compuestos magnéticos de coordinación para fabricar los qubits, porque, de hecho, el

espín eléctrico puede proporcionar un verdadero sistema de dos niveles que pueden

definir los dos estados de un qubit. El espín hacia arriba o abajo pueden estar

relacionados con los estados 0 ó 1. Para llevar a cabo las operaciones cuánticas que

necesitamos, necesitamos cambiar de un estado a otro. Con el uso de los espines

electrónicos, este cambio se puede llevar a cabo utilizando un pulso electromagnético.

Para realizar estas operaciones y manipular los espines, necesitamos tiempos de largos

de coherencia (T2). Esto está relacionado con el tiempo durante el cual la información

cuántica almacenada en un qubit se mantiene y depende del ligando y el medio que

rodea al qubit. Como químicos, podemos diseñar moléculas que pueden alojar espines

de manera adecuada y utilizarlos para realizar operaciones cuánticas.

En este capítulo, por lo tanto, continuamos la explotación de las propiedades de los

beta-dicetonas, con el fin de sintetizar nuevos ligandos, la introducción de un grupo

fotoactivo como espaciador entre los qubits (visto en el capítulo 1). Este espaciador

debe existir como dos isómeros diferentes intercambiables fotoquímicamente, y capaz

de modificar el acoplamiento entre los dos quibits dentro de un grupo.

En este contexto, el ligando H4L2 se han preparado. Este ligandos tienen la capacidad

de inducir la formación de especies tetranucleares, dispuesto como dos unidades

separadas por dinucleares la fracción fotocrómico. Esto se consigue a través de la

desprotonación completa de los ligandos, creando así los dos potenciales qubits bien

definidos.

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3.2 Síntesis de H4L2

El nuevo ligando derivado de una bis-β-dicetona, H4L2 fue preparado a través de la

funcionalización de diarileteno. El diarileteno de partida comprende dos unidades con

carboxilatos y se sintetizó de acuerdo con un procedimiento anterior. Posteriormente, se

llevó a cabo la esterificación de Steglich. Como resultado, el 1,2-bis- (5- (2-acetilfenil) -

carboxilato-2-metiltiofen-3-il) -cyclopentene (B) se obtuvo como un sólido puro con un

rendimiento excelente (más del 90%) después de una cromatografía en columna. La

doble transposición Baker-Venkatamaran constituyó la etapa final para la síntesis de la

bis-β-dicetona. Esta reacción se puede describir como una (doble) condensación de

Claisen intramolecular, llevado a cabo en THF a reflujo tras la adición de una base

fuerte (tBuOK). Después de este proceso, se protonada la solución con un tratamiento

ácido para dar el producto deseado H4L (Figura 3.1). Su purificación se realiza por

recristalización en acetona (rendimiento 60%). La estructura cristalina de H4L2 se

muestra en la Figura 3.2.

SSOH

O

HO

O

2

OOH

SSO

O

O

O

OO

N

N

(cat.)

NC

N

i)

ii)

iii)

A

B

B

i) tBuOK

(THF)

ii) HCl

SSO O OH

OOHOH4L

Figura 3.1: ruta sintetica para H4L2

Figura 3.2: Estructura cristalina de H4L2

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3.3 Síntesis de compuestos de coordinación

H4L2 ha sido diseñado para la preparación de moléculas con una disposición dos pares

"independientes" de iones metálicos, unidos por una unidad fotocrómica. Por tanto, las

reacciones de H4L en condiciones basicas con sales de Cu (II), Co (II), Ni (II) o Zn (II),

respectivamente, produce cristales con fórmulas [M4L22(py)6] (M = Cu, 5; Co, 6; Ni, 7;

Zn, 8), que presentan la topologia predeterminada [MM ••• MM], como se muestra por

difracción de rayos X para todos los compuestos. El entorno de coordinación distinto de

los dos tipos de sitios metálicos presentes en los grupos dimeros (números de

coordinación de cinco y seis, respectivamente; ver Figura 3.3) sugiere la posibilidad de

acceder a diversos tipos de conjuntos de compuestos heterometálicos, de composición

controlada y con selectividad para ocupar una posición u otra. Por lo tanto la

combinación de pares adecuados de sales en cantidades equimolares con cantidades

estequiométricas de H4L2 y la base, produce cristales heterometálicos de

[Cu2Ni2L22(py)6] (9), [Co2Ni2L22(py)6] (10), [Co2Cu2L22(py)6] (11), [Cu2Zn2L22(py)6]

(12) y [Ni2Zn2L22(py)6] (13) en forma pura, las estructuras de los cuales se puedan

establecer en detalle por cristalografía, ICP, teóricamente y corroborado a través de

diversas técnicas físicas.

Figura 3.3: Estructura de los pares de dimeros

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3.4. Estudios magnéticos

La susceptibilidad magnética en muestras policristalinas de 5, 6 , 7 , 9 , 10 , 11 , 12 y

13, se midio bajo un campo magnético constante. Esto sirvió para confirmar la

composición metálica de las complejos, especialmente los heterometálicos, y para

evaluar las potenciales propiedades funcionales de los conjuntos fotocromáticos,

especialmente como posibles integrantes en de Qubits (Figura 3.4).

El estado fundamental resultante del acoplamiento antiferromagnético en los sistemas

homometallic dificulta el uso de su espín con fines funcionales, tales como el realiza-

ción de qubits basados en el espín. La capacidad de preparar complejos con dos iones

metálicos diferentes en posiciones seleccionadas de los compuestos dinucleares ofrece

la posibilidad de arquitecturas moleculares con dos entidades de espín, el cual no se

cancela en el estado fundamental. Este es el caso para los complejos de 9 a 13, donde el

acoplamiento a baja temperatura, demuestra el acoplamiento del dimero heterometalico,

por lo que no se ve la cancelación en la grafica de la susceptibilidad.

Figura 3.4: Gráficas de χT vs T por mol de complejos 5 [CuCu]2, 6 [CoCo]2 , 7

[NiNi]2, 9 [CuNi]2 , 10[CoNi]2 , 11[Cuco]2 , 12 [CuZn]2 y 13 [ZnNi]2 . Las líneas

continuas son ajustes a los datos experimentales con el programa Phy.

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3.5. Estudios fotocrómicos

El comportamiento fotocrómico de los complejos 5-13 se investigó en la solución y

seguido a través de espectroscopía UV- Vis. Los espectros de absorción de todos los

complejos son muy similares al de la Figura 3.5, donde se pueden ver de una a dos

bandas de alta energía para transiciones π-π por debajo de 300 nm y una banda intensa ,

en algunos que en algunos casos exhibe un hombro, cerca de 400 nm. Esta última se

atribuye transiciones de transferencia de carga (MLCT), ya que también se observa para

el complejo [Zn4L22(py)6] (8). Estas bandas son suficientemente intensa para que las

bandas esperadas de transiciones d-d no se pueden ver en la misma escala, con la

excepción de [Ni4L22(py)6] (3), que cuenta con una amplia banda de transición

metálica centrada a 630 nm (Figura 3.5) . Para todos los complejos, la irradiación con

luz UV (λ < 425 nm) provoca una reducción de las bandas de MLCT , en algunos casos

acompañados por desplazamientos y cambios de forma y de estructura. Además, una

banda muy amplia crece poco a poco en la región visible mientras disminuyen

ligeramente las bandas con energías más altas. El máximo de esta banda en el estado

fotoestacionario se encuentra en el rango de 620 a 651 nm. Esta señal corresponde a la

transición tipica π-π * en el sistema de poliénico que se forma sobre la foto-ciclación del

diarileteno centrales, lo que da la fuerte coloración a los compuestos fotogenerados.

Figura 3.5: Procesos fotocromicos para el compuesto de Ni.

En todos los casos, los diversos espectros se cruzan en puntos isosbésticos, lo que indica

que las transformaciones son de orden cero y sólo los productos inicial y final están

presentes en todo el proceso. Cuando los estados foto-estacionarios se iluminan con luz

visible (λ> 430 nm), la banda de la unidad fotocrómica disminuye gradualmente su

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intensidad para finalmente desaparecer mientras que las bandas MLCT crecer de nuevo.

La desaparición de la antigua señal confirma que el proceso se invierte por completo.

Los espectros registrados durante el proceso inverso también cuentan con puntos

isosbésticos, lo que demuestra que los complejos no se destruyen durante la

transformación. En algunos casos, estas bandas no llegan a ser idénticas al compuesto

inicial, lo que sugiere que puede haber cambios estructurales irreversibles, como puede

ser perdida de moléculas de piridina, aquellas que forman parte de la esfera de

coordinación de los metales.

1.6 Estudio de la coherencia cuántica

Complejos [CuNi]2 (9) y [CuZn]2 (12), presentan tanto un par de vueltas ½ bien

definidos dentro de la molécula . Por lo tanto, proporcionan buenos requisitos para

actuar como puertas cuánticas 2 qubits y por lo tanto decidimos medir la coherencia

cuántica de espín de sus resonancias por impulsos EPR. Los estudios se realizaron tanto

en solvente no deuterados y deuterados, ya que el spin del entorno puede afectar el

tiempo de relajación. En las graficas siguientes, se muestran las diferencia en el

compuesto 12, con solvente normal y deuterado, obteniendo para este ultimo valores

mayores de coherencia cuántica (Figura 3.6).

Figura 3.6: Hahn echo caida en solvents no deuterados (Izquierda) y para solvents totalmente

deuterados (derecha) a diferentes temperaturas a12100 G. (7.91 MHz at 12100 G).

0 2 4 6 8

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Inte

nsity (

a. u.)

(µs)

7 K

10 K

25 K

50 K

70 K

0 2 4 6 8 10 12 14-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

Inte

nsity (

a.

u.)

(µs)

7 K

10 K

25 K

50 K

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1.7 Conclusiones

La familia de los dos tipos de complejos tetranucleares homo- y heterometálicos

presentado en este capítulo pone de relieve una metodología sintética basada en

concebir por adelantado, gracias al diseño ligando apropiado, la topología de la entidad

funcional final. Esto ha sido demostrado mediante diferentes técnicas, pero tal vez el

caso más importante es el de los sistemas heterometálicos, ya que por medición de

monocristal por difracción de rayos X y mediciones magnéticas, se han podido adscribir

las topologías de cada dimero.

Después de la caracterización relativa a los sistemas heterometálico [M'M ••• MM '],

podemos confirmar la presencia de un espín total de cada par, por lo tanto la utilidad de

estos compuestos como pares de qubits se han estudió y evaluaron por EPR.

La cifra de mérito Q del qubit, es algo pequeño. Sin embargo, las modificaciones en los

alrededores del par de dímeros, como a la utilización de un ligando completa o

parcialmente deuterado, o la síntesis de un ligando similar con elementos con espín

nuclear nulo, aumentarán la relajación y por tanto la coherencia cúantica.

Además, la obtención del isómero puro cerrado servirá para caracterizar mejor sus

propiedades, debido a la degradación que se han visto durante las reacciones

fotocrómicas en solución.

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Capítulo 4: Explorando el comportamiento de imán unimolecular en clusteres de

lantánidos con ligandos fotocrómicos

4.1 Introducción

En el diseño y síntesis de nuevos compuestos de coordinación es de suma importancia

la naturaleza del centro metálico que va ser coordinado. El número de coordinación, el

volumen iónico, y la geometría de coordinación son cruciales para tal diseño.

En términos de lantánidos, estos iones pueden soportar diferentes números de

coordinación con la presentación de un gran número de geometrías de coordinación.

También el radio iónico aquí es de importancia, con el valor más grande de 1.03Å

correspondiente al lantano y el valor más corto de 0.86Å para el Lutecio, para los

cationes trivalentes. Teniendo en cuenta las dos variables, es posible, aunque difícil,

diseñar ligandos con el fin de acomodar adecuadamente lantánidos. Un grupo quelante

muy utilizado para coordinar átomos de lantánidos son los basados en bases de Schiff y

sus derivados, como las hidrazonas, que presente de un enlace N-N con diferentes

sustituyentes, donde al menos uno de ellos es un grupo acilo. Estas hidrazonas se

pueden por lo tanto funcionalizados muy fácil con otros grupos, tales como aldehídos o

cetonas, lo que permite a través de una reacción Schiff, obtener nuevos ligandos

quelantes con muy buenos rendimientos. En referencia al magnetismo, los compuestos

que presentan anisotropía magnética se caracterizan por una respuesta magnética que

depende de la dirección del campo aplicado, debido a que el momento magnético tiene

una orientación preferida. La existencia de acoplamiento espín-órbita es crucial en tales

sistemas, debido a las interacciones electrostáticas y cambio de anisotropía no pueden

generar por sí mismos. La interacción de acoplamiento spin-órbita describe el

acoplamiento entre un momento angular de espín electrónico y el momento magnético

generado por el movimiento de otros electrones. El momento angular orbital es mayor

en las moléculas que contienen átomos pesados (como lantánidos), ya que tienen

orbitales más grandes. La energia del acoplamiento espín-órbita se expresa como:

Η = S • λL

donde L y S son los operadores de momento angular orbital y de espín,

respectivamente, y λ es el parámetro de acoplamiento espín-órbita. El signo λ depende

del número de electrones en los orbitales f, siendo positivo cuando el número de

electrones es inferior a siete, cero en el caso de capas llenas y semi, y negativo para un

mayor número de electrones. El signo de λ determina si los estados con L y S alineadas

en paralelo (λ> 0) se estabilizan o destabilazed (λ <0).

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El efecto de acoplamiento espín-órbita en lantánidos es mucho más intensa que en los

metales de transición debido a la mayor cantidad de movimiento angular de orbitales f

con respecto a la de los orbitales d y, en la ausencia de la mezcla de los orbitales

magnéticos con orbitales de ligando, que tiende a disminuir la cantidad de movimiento

angular. Así, el comportamiento magnético de los lantánidos se determina

principalmente por la repulsión entre los electrones 4f y por el acoplamiento spin-órbita.

A altas temperaturas, la susceptibilidad magnética se puede aproximar por el

comportamiento del ión libre con la siguiente expresión:

donde gJ es un factor tabulado para cada ion. La susceptibilidad magnética a bajas

temperaturas se desvía de este comportamiento si hay interacciones magnéticas entre

diferentes iones y, debido a la división producida por el campo ligando, lo que resulta

en altos estados anisotrópicas divididos en energía.

4.2 Síntesis y fotocromismo de los ligandos H4L7 y H2L8

Dos nuevos ligandos se han podido sintetizar a partir del precursor con hidracinas. La

reacción de este en medio básico, con los aldehídos mostrados en la figura 4.1,

producen los ligandos H4L7 y H2L8con muy buenos rendimientos. Se caracterizaron

completamente mediante varias técnicas, en especial interés, sus propiedades

fotocrómicas mediante espectroscopía UV-Vis (Figura 4.2 y Figura 4.3)

Figura 4.1: Esquema sintético de los ligandos H4L7 y H2L8

MeOHEt3N

H4L7

MeOHEt3N

H4L8

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Figura 4.2: efecto fotocrómico para H4L7 al irradiar con UV (izquierda) y su proceso

reversible al irradiar con visible (derecha).

Figura 4.3: efecto fotocrómico para H2L8 al irradiar con UV (izquierda) y su proceso

reversible al irradiar con visible (derecha).

Como puede comprobarse, para ambos compuestos, el efecto fotocromico es excelente,

siendo dos sistemas completamente reversible, con una respuesta muy rápida, tanto para

el proceso donde cicla la molecula y el proceso de abertura del anillo.

200 300 400 500 600 700

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Ab

so

rba

nce (

a.u

.)

Wavelenght (nm)

H4L7_initial1

H4L7_UV_10s

H4L7_UV_20s

H4L7_UV_30s

H4L7_UV_40s

H4L7_UV_50s

H4L7_UV_60s

H4L7_UV_70s

H4L7_UV_100s

200 300 400 500 600 700

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Ab

so

rba

nce (

a.u

.)

Wavelenght (nm)

H4L7 closed

H4L7 closed + 10sVis

H4L7 closed + 20s Vis

H4L7 closed + 30s Vis

H4L7 closed + 40s Vis

H4L7 closed + 50s vis

H4L7 closed + 60s vis

H4L7 closed + 90s Vis

200 300 400 500 600 700

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

Absorb

ance (

a,u

.)

Wavelenght (nm)

H2L8 initial

H2L8 + 10s UV

H2L8 + 20s UV

H2L8 + 30s UV

H2L8 + 40s UV

H2L8 + 70s UV

200 300 400 500 600 700

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

Abso

rban

ce (

a.u

.)

Wavelenght (nm)

H2L8 closed

H2L8 closed + 10s Vis

H2L8 closed + 20s Vis

H2L8 closed + 30s Vis

H2L8 closed + 40s Vis

H2L8 closed + 50s Vis

H2L8 closed + 80s Vis

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4.3 Compuestos de coordinación

Con esto ligandos, se sintetizaron diferentes compuestos de coordinación con

lantánidos, en concreto, disprosio y terbio (Figura 4.4). Aunque todos ellos presentan el

ligando fotocrómico, en todos los casos, los compuestos cristalizan de tal forma que los

anillos de tiofeno se encuentran orientados de la misma manera, impidiendo por tanto su

actividad fotocrómica. En todos los casos se obtuvieron cristales de disprosio y terbio.

En la figura, se muestra la estructura general, y los números pares, se refieren a los

compuestos obtenidos para el terbio, mientras que los números impares, son aquellos

compuestos que contienen disprosio.

Figura 4.4: Estructuras generales para los compuestos obtenidos con H4L7 y H2L8

4.4 Magnetismo

La susceptibilidad magnética de estos compuestos se midió en el rango de temperaturas

de 2-300K a diferentes campos dependiendo del compuesto. En todos los casos,

muestran la misma tendencia, obteniendo valores de χMT a altas temperaturas típico

para valores de iones libres, mientras que al bajar temperatura, los estados excitados del

estado fundamental, empiezan a vaciarse, produciendo una bajada de la curva, mucho

más pronunciada a bajas temperaturas debido a posibles interacciones entre los

lantánidos de la molécula o de alrededores.

O1

O2

O3

O4

O5O7

N2N4

Ln

N1

N2

N5N6

O1

O2

O3

Cl1 Ln

N3

N4

O1

O2O3

O4

O5

O6

O7

O8

O9

O10

O11 Ln1Ln2

N1N2

N3

N4

N5

N6

N7

14/15

16/17

18/19

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4.5 Comportamiento de imán unimolecular

Las propiedades dinámicas magnéticas de todos los compuestos se investigaron con el

fin de demostrar la presencia de comportamiento de imán unimolecular. No se observó

ninguna señal evidente fuera de fase cuando la susceptibilidad (χ") se midió bajo campo

magnético a campo nulo, excepto en el caso de (17). La falta de relajación lenta de los

otros compuestos es probablemente debido a la presencia de procesos de relajación

rápida a través del efecto de túnel cuántico, observado con frecuencia en los lantánidos.

La dependencia con la frecuencia de las señales de (χ") se observaron claramente en el

campo nulo medido a diferentes temperaturas para el compuesto 17. Sin embargo, no se

observaron máximos a 1.9k , incluso a 10 kHz (Figura 4.5 , izquierda).

Figura 4.5: dependencia de χ" con la frecuencia a campo nulo (izquierda) y aplicando

diferentes campos (derecha)

Las líneas se ajustaron a la expresión Cole- Cole para la susceptibilidad imaginaria que

permite la extracción del tiempo de relajación crítica (τ) y parte de los datos pueden ser

ajustados con la formula de la ley de Arrhenius. Es evidente que a campo nulo, el

proceso de relajación es independiente de la temperatura y por tanto se explica por un

efecto túnel relativamente rápido. Bajo un campo aplicado, el proceso de relajación a

través de efecto túnel se ralentiza significativamente y un proceso activado

térmicamente se hace más detectable. El ajuste de los datos en las cuatro temperaturas

más altas proporciona una barrera de activación de 55K y un factor de pre- exponencial

de 3.2x10-6

s. Este comportamiento de relajación se atribuye a cada ion Dy (III), ya que

no se observa ninguna señal de acoplamiento significativo entre los iones disprosio a

bajas temperaturas.

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4.6 Compuestos con cobre

La preparación de compuestos de coordinación con H4L7 también se llevo a cabo con

compuestos de Cu (II), con tal de ver si se podía obtener el ligando con la forma

estructural que pueda dar lugar a efecto fotocrómico. La síntesis de ambos compuestos

(20 y 21) es muy similar, solo con la variación de que en una de las síntesis se añadió

fenantrolina en el medio para ocupar posiciones de coordinación del cobre. La

estructura cristalina, como su comportamiento magnético, se muestran en la Figura 4.6.

Como se ve, ambos compuestos presentan un comportamiento parecido, con valores a

altas temperaturas correspondientes a iones libre de cobre y con un acoplamiento

antiferromagnético al bajar la temperatura.

Figura 4.6: estructura y comportamiento magnetico para los compuestos 20 y 21.

También se llevo a cabo el estudio de la actividad fotocrómica, dando unas señales en el

visible muy poco intensas, lo que hace pensar que existe algún camino por el que la

energía para activar la ciclación de los anillos se disipa. (Figura 4.7

Figura 4.7: actividad fotocrómica del compuesto con piridina (20)

0 50 100 150 200 250 3000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

MT

(cm

3m

ol-1

K)

Temperature (K)

exp

fit

0 50 100 150 200 250 3000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

MT

(cm

3m

ol-1

K)

Temperature (K)

exp

fit

200 300 400 500 600 700

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Ab

so

rba

nce (

a.u

.)

Wavelenght (nm)

Cu2L7 initial

Cu2L7 + 5s UV

Cu2L7 + 65s UV

Cu2L7 + 125s UV

Cu2L7 + 185s UV

Cu2L7 + 485s UV

Cu2L7 + 785s UV

Cu2L7 + 1085s UV

200 300 400 500 600 700

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Abs

orba

nce

(a.u

.)

Wavelenght (nm)

Cu2L7 initial

Cu2L7 + 5s UV

Cu2L7 + 65s UV

Cu2L7 + 125s UV

Cu2L7 + 185s UV

Cu2L7 + 485s UV

Cu2L7 + 785s UV

Cu2L7 + 1085s UV

200 300 400 500 600 700

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Abs

orba

nce

(a.u

.)

Wavelenght (nm)

Cu2L7 initial

Cu2L7 + 5s UV

Cu2L7 + 65s UV

Cu2L7 + 125s UV

Cu2L7 + 185s UV

Cu2L7 + 485s UV

Cu2L7 + 785s UV

Cu2L7 + 1085s UV

initial

200 300 400 500 600 700

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Absorb

ance (

a.u

.)

Wavelenght (nm)

Cu2L7

Cu2L7 + 100s Vis

Cu2L7 + 200s Vis

Cu2L7 + 300s Vis

200 300 400 500 600 700

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Absorb

ance (

a.u

.)

Wavelenght (nm)

Cu2L7

Cu2L7 + 100s Vis

Cu2L7 + 200s Vis

Cu2L7 + 300s Vis

200 300 400 500 600 700

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Absorb

ance (

a.u

.)

Wavelenght (nm)

Cu2L7

Cu2L7 + 100s Vis

Cu2L7 + 200s Vis

Cu2L7 + 300s Vis

closed

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4.7 Conclusiones

El número de nuevos ligandos que se puede llegar a obtener partir de las especies con

hydrazina, abre la posibilidad de construir nuevos compuestos de coordinación con

diferentes aplicaciones magnéticas. De hecho, las hidrazonas se han utilizado en la

síntesis de imanes unimoleculares, compuestos de hierro y manganeso que presentan

comportamiento de transición de espín o en los campos biológicos, tales como

compuestos capaces de interactuar con el ADN con células tumorales.

En este capítulo, se muestra la síntesis de dos nuevos ligandos con un excelente

comportamiento fotocrómico. Ambos ligandos son capaces de coordinar a través de sus

posiciones quelantes, átomos grandes, como lantánidos, pero también metales de

transición con radio atómico más pequeño. Sin embargo, los intentos de obtener

compuestos de lantánidos con la unidad fotocrómica en su configuración antiparalela,

adecuados para llevar a cabo fotociclación, no han tenido éxito. Los diversos intentos

han incluido el uso de diferentes estequiometrías, agentes de bloqueo y uso de otras

bases. Sin embargo, comportamiento de imán unimolecular se puede observar en el

tetrámero de disprosio (17).

El uso de cobre en lugar de lantánidos conduce a dos complejos diferentes (20 y 21), la

estructura cristalina de las cuales revelan la buena configuración de la unidad

fotocrómica, por lo tanto la posibilidad de estudiar su comportamiento Fotocromático

en solución. El caso del compuesto 20 es un posible buen candidato para la futura

caracterización magnética, ya que muestra fotociclación reversible.

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Capitulo 5: Compuesto fotocrómico helicoidal de Fe(II) con transición de espín

5.1 Introducción

En los últimos años, el interés por compuestos de transición de espín ha aumentado

considerablemente, dado su potencial relevancia como parte de futuros dispositivos

electrónicos. Esto es en parte debido a que sus propiedades electrónicas pueden ser

manipulados por medio de estímulos externos, como la temperatura, campos

magnéticos externos, luz, moléculas dentro de la estructura o incluso cambios en la

presión. Los fenómenos de la transición de espín se pueden observar en metales de la

primera serie transición donde los electrones en 3d pueden ser distribuidos en dos

configuraciones diferentes maneras (d4-d7). El caso de hierro (II), d6, es el más

estudiado, entre muchos otros.

Uno de los requerimientos principales para observar transición de espín es tener el

campo cristalino del ligando correcta alrededor del centro de metal. De hecho, el estado

de espín se ve afectada por la fuerza del campo de ligando (Δ). Los ligandos con un

campo de ligando fuerte, dividen los orbitales 3d mucho mejor, favoreciendo de este

modo el estado de espín bajo, mientras que la situación inversa favorece el estado de

espín alto (Figura 5.1). A este respecto, los ligandos que contienen átomos donadores de

nitrógeno se han estudiado y usado con muy buen resultados

Figura 5.1: Diferentes causas que pueden producir la transición de espín.

En este capítulo, se muestra la preparación de un ligando fotocrómico que contiene un

grupo basado en piridina y pirazol, H2L9 , la síntesis de su complejo de hierro y su

caracterización utilizando diferentes técnicas .

La introducción de la unidad fotocrómico servirá como una forma adicional de

modificar el estado de espín del complejo, creando un compuesto multirespuesta.

Low Spin

S=0

High Spin

S=2

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5.2 Sintesis del ligando H2L9 y su compuesto de coordinación

La estrategia seguida para la síntesis de H2L9 comienza con la introducción de dos

grupos de piridina con un acetilo en la unidad fotocrómica a través de reacción de

acoplamiento de Suzuki. En primer lugar, se litia con nBuLi en THF a temperatura

ambiente, y después se trató con B(OBu)3 para proporcionar el bis(éster borónico). El

material bruto se utilizó directamente en la reacción de Suzuki sin ningún tipo de

purificación, ya que se encontró que se hidroliza fácilmente. Para el acople, Pd(PPh3)4

se utilizó como fuente de paladio, Na2CO3 como base, se añadieron gotas de glicol de

etileno como co-disolvente. El haluro de arilo usada fue 2-acetil-5-bromopyridina, y

después del bloqueo de la reacción con eter dietílico y agua , 1,2- bis-(5-(2-acetil-5-

bromopiridin)-2-methylthien-3-il)ciclopenteno (L9A) se obtuvo con un rendimiento del

49%. (Figura 5.2 superior) .

La preparación del ligando final se basa en un metodo anterior. La primera etapa es la

reacción de un derivado de acilo con N,N-dimetilformamida dimetil acetal (1). La

propenona resultante se trata con hidrazina para generar el anillo de pirazolilo, a través

de un paso de cierre de anillo (2, Figura 5.2 inferior)

1: nBuLi, B(BuO)3, THF

2: C7H6NBr, Pd(PPH3)4,Na2CO3, ethylene glycol, H2O, THF, 60°

1

2

S S

N N

O O

S S

N N

H N N N N H

1 2

H 2 L9

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Por lo tanto la reacción de dos equivalentes de Fe (ClO4)2 • 6H2O con tres equivalentes

de H2L9 en metanol, da una solución de color rojo oscuro. Cristales rojos de compuesto

22 se pueden obtener después de la difusión de líquido lenta en tolueno en dos semanas,

como se determina a través de un solo cristal X- Ray Diffraction. (Figura 5.3)

Figura 5.3: Estructura cristalina del compuesto 22.

5.3 Fotocromismo del ligando y el compuesto de coordinación.

Figura 5.4: Efecto fotocromico del ligando (superior) y del compuesto de Hierro

(inferior)

200 300 400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Absorb

ance (

a.u

.)

closed form

1 min

2 min

3 min

6 min

10 min

15 min

20 min open form

Wavelength (nm)

UV

Vis

UV

Vis

200 300 400 500 600 700 8000

1

2

3

Absorb

ance (

a.u

.)

0 min - open form

10 seg

1 min

2 min

3 min

4 min - closed form

Wavelenght (nm)

UV

Vis

200 300 400 500 600 700 8000

1

2

3

Ab

so

rba

nce

(a

.u.)

0 min - closed form

1 min

2 min

4 min

6 min

10 min

15 min - open form

Wavelength (nm)

H2L9

22

200 300 400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Absorb

ance (

a.u

.)

open form

10 seg

1 min

2 min

Wavelength (nm)

UV

Vis

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Como se muestra en la figura 5.4, tanto el ligando como el compuesto de hierro,

presentan unas excelentes propiedades fotocromicas, con una gran reversibilidad. En los

dos casos, se observan muchos puntos isosbesticos, lo cual es indicativo de la presencia

única de dos especies en solución, una al inicio y otra al final, lo cual es también

indicativo de la pureza de los mismos.

5.4 Magnetismo del compuesto de coordinación.

La susceptibilidad para el compuesto 22 se ha estudiado en muestras policristalinas en

el rango de 2 a 400 K (Figura 5.5). El producto χMT a 400 K alcanza un valor de 5,8

cm3mol

-1K, que está en el rango esperado para dos centros que no interactúan de hierro

en spín alto (II) (HS, S = 2, 6 cm3mol

-1K, para g = 2). A medida que la temperatura

disminuye, el valor χMT comienza a caer muy gradualmente a 1,8 cm3mol

-1K sobre 50

K. Este comportamiento es consistente con un proceso de transición de espín

incompleto, donde parte de los centros de hierro(II) permanecen en el estado de espín

alto. A muy baja temperatura, se observa una disminución adicional de la χMT, causada

bien por desdoblamiento del campo cero (ZFS) de los centros de hierro restante (II) y/o

por acoplamientos antiferromagnéticos entre los hierros. Por lo tanto, 22 presenta una

forma gradual e incompleta de la transición de espín, donde la mayor parte del hierro

(II) están en el estado de bajo espín a baja temperarura.

Figura 5.5: Curvas de magnetización del compuesto 22

0 50 100 150 200 250 300 350 400

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

Up initial

Down initial

Down after UV irradiation

Up after UV irradiation

MT

/ c

m3 m

ol-1

K

T / K

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5.5: Estudios magnéticos en solución

Una técnica muy útil para estudiar el comportamiento magnético de los compuestos de

hierro (II) en solución, es el metodo de Evan. El método del Evan utiliza las diferencias

en el desplazamiento químico de RMN de un disolvente causada por la presencia de una

especie paramagnética en la solución. Se puede utilizar para determinar el momento

magnético de un compuesto paramagnético y su número de electrones desapareados.

Además, la dependencia de temperatura con la diferencia de desplazamiento químico se

puede utilizar para determinar el momento magnético dependiente de la temperatura.

Estudios de temperaturas variables , por otra parte , son muy útiles para el estudio de la

transición de espín de compuestos de hierro . Estos estudios están limitados por el punto

de congelación del disolvente utilizado en el experimento. Para ello, una condición

necesaria es para confirmar la estabilidad del complejo en solución, ya demostrado en

los estudios de UV-Vis. En la figura 5.6, se muestra el espectro de RMN del compuesto

22 a temperatura ambiente.

Figura 5.6: Espectro de RMN del compuesto 22 a temperatura ambiente.

Para elmétodo de la Evan , un tubo de inserción que contiene el mismo disolvente del

experimento con la referencia , aquí TMS, se introduce en el tubo de RMN de la

muestra. El cambio del TMS del inset debe ser diferente con respecto a la de la muestra

como resultado de la naturaleza paramagnética de este último. Cuanto mayor sea la

diferencia, mayor será el carácter paramagnético de la muestra . La separación de los

desplazamientos químicos se traduce en un cambio de la susceptibilidad magnética,

H2O

CH3OH

TMS

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llamado desplazamiento paramagnético. Para calcular el cambio paramagnética, se usa

la siguiente fórmula

donde χo es la susceptibilidad diamagnética molar del disolvente puro (-5,30E-07

para

CD3OD), ν0 es la frecuencia en Hz del espectrómetro (600 MHz ; Δν es la diferencia en

los desplazamientos químicos entre las señales TMS en los tubos interior y exterior de

la muestra, en Hz; C es la concentración de compuesto de hierro en mol / L . El valor de

χM se corrige luego por las contribuciones diamagnéticas. Los desplazamientos a

distintas temperaturas se muestran en la Figura 5.7.

Figura 5.7: desplazamiento del TMS con la temperatura

Table 5.1

Helicate isomer (T/K) Displacement (Hz) χMT

initial (318K) 19,46 5.65

initial (318K)+UV 21,44 6.07

initial (318K)+UV+Vis 19,69 5.70

initial (298K) 14,3 4.06

initial (298K)+UV 16,74 4.65

initial (298K)+UV+Vis 14,36 4.07

initial (278K) 11,6 3.09

initial (278K)+UV 12,48 3.39

initial (238K) 10,27 2.48

initial (238K)+UV 10,6 2.54

initial (238K)+UV+Vis 10,19 2.46

initial (203K) 9,83 2.04

initial (203K)+UV 10,2 2.10

initial (203K)+UV+Vis 9,9 2.06

Green: sample at 278K ; δ(Hz)= 12.48

Violet: sample at 203K ; δ(Hz)= 9.83

Blue: sample at 238K ; δ(Hz)= 10.27

Red: sample at 318K ; δ(Hz)= 19.46

Yellow: sample at 298K ; δ(Hz)= 14.30

TMS in sample TMS inset

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En la tabla 5.1, se muestran los valores de los desplazamientos para la muestra a varias

temperaturas, y después de realizarle un ciclo de cerrar y abrir el compuesto. Aplicando

la formula anterior, se obtienen los valores de la susceptibilidad magnetica a dicha

temperatura. La representación de la susceptibilidad frente a temperatura, se muestra en

la Figura 5.8, con los valores obtenidos también en estado sólido.

Figura 5.8: representación de la susceptibilidad en solución y estado sólido.

Al comparar las susceptibilidades del estado sólido con las de solución revelan un

cambio hacia temperaturas más bajas de la transición de espín en solución, con una

conversión más completa al estado espín bajo en temperaturas bajas y,

sorprendentemente, una transición más abrupta. Curiosamente, la influencia del proceso

fotocrómico es más pronunciado a altas temperaturas en solución que en el estado

sólido, que parece ser más similares en toda la gama de temperaturas, aunque

irreversible.

175 200 225 250 275 300 325 3500,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

MT

(cm

3m

ol-1

K)

Temperature (K)

solid

solid UV

solution

solution UV

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5.6 Conclusiones

La estrategia para obtener un sistema con transición de espín basado en el diseño del

ligando ha tenido éxito,con la preparación de un nuevo helicato de coordinación [Fe2

(L9)3](ClO4)4 (22). Conviene destacar las técnicas basadas en mediciones en solución,

implementada gracias a la gran estabilidad del compuesto de coordinación helicoidal en

metanol. Esto ha permitido sondear el comportamiento fotocrómico del complejo, que

se muestra como un excelente detector con buena resistencia a la fatiga.

Con respecto a esta capacidad de conmutación, ambos isómeros se pueden detectar a

través de sus diferentes características, en la absorción y fluorescencia espectros UV-

Vis. Este último parece suprimirse cuando se presenta el isómero cerrado, lo que da un

marcador para el isómero presente, en combinación con el cambio de color que ocurre

durante la ciclación.

Las propiedades magnéticas de los centros de hierro se han probado en el estado sólido

y en solución, revelando en ambos estados un comportamiento de transición de espín,

más definido en la solución debido a la posible indicación de un cambio brusco en el

comportamiento paramagnético de los centros de hierro. Esto se puede explicar por los

efectos de las interacciones débiles que pueden estar involucrados en un fenómeno

anticooperatividad en el estado sólido.