INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas

SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DEL ROTOR MOLECULAR

1,4-BIS(4’-CARBOMETOXIFENILETINIL)BENCENO

TESIS Que presenta:

Gloria Angélica Cruz Gómez

Para obtener el título de:

Ingeniero Químico Industrial

Asesor: Dra. Delia Soto Castro

México, D. F. Octubre 2013

El presente trabajo se realizó en el Departamento de Química del Centro de Investigación y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional bajo la dirección de la Dra. Delia Soto Castro y el I. Q. I. Pedro Iván Ramírez Montes con el apoyo de una beca otorgada por el Sistema Nacional de Investigadores (SNI).

AGRADECIMIENTOS

Las siguientes líneas están dedicadas a todas las personas que han formado parte de mi vida, me

han brindado una sonrisa, un consejo, un abrazo e incluso un regaño, esperando solamente mi

bienestar. Cada una de las personas a continuación me han dado lo más valioso que poseen: su

tiempo. No haré distinciones entre familia y amigos porque creo en la frase de “los amigos son la

familia que uno escoge”, sin embargo, quizá precise de un orden cronológico para mencionarlos.

Gracias Dios, por darme las oportunidades presentes.

Mami, Papi, los amo verdaderamente. Espero algún día poder ser tan fuerte y tenaz como ustedes;

su actitud valiente para enfrentar la vida me invita a enfrentar las situaciones que se me presentan

día a día, espero jamás decepcionarlos.

Rosy, mamá, tu ternura y afecto me han consolado cuando en ningún otra parte he encontrado

alivio. Agradezco infinitamente tu disposición para dar amor, para apoyarme y para ser un ejemplo

de mujer fuerte pero cariñosa.

Rudy, papá, tu inteligencia y amor al estudio me han inspirado durante toda mi vida estudiantil.

Muchas gracias por inculcarme el amor al conocimiento y a la ciencia.

Quique, eres mi primer compañero en ésta aventura llamada vida. Me gusta pensar que eres mi

confidente porque conocemos secretos inherentes a nuestra esencia. Te quiero mucho y gracias

por no revelarlos a nadie =).

Otras mujeres fuertes que debo mencionar son: Aidee Ramos, Angélica Gómez, Dulce Rodríguez,

Xóchitl Rodríguez, Yolanda Gómez y Leonor Leyva. Cada una de ellas me ha demostrado más que

con palabras, con sus acciones que la entereza y la firmeza no hacen sino convertir a la mujer en

un ser autónomo y libre, capaz de alcanzar cualquier objetivo. Debo mencionar especialmente a

Lucrecia Rodríguez (mi abue Quechita), Soledad Vivas (mamá Chatita) y Teresa Martínez porque,

aunque ya no están conmigo, sé que jamás me han abandonado. Ady, amiga, muchas gracias por

ser mi apoyo, ya verás que cumpliremos nuestros sueños. Afectuosamente para Cianey Arias,

Elideth Sánchez y mi sobrino que viene en camino, porque muchas aventuras nos esperan juntos.

También para Alejandra Mejía porque he encontrado en ella a una mujer sincera con una sonrisa

franca, con la que puedo contar.

A los hombres más tiernos y sinceros del mundo, mi familia Protossoft: Irving Flores, Luis “Tacho”

López, Ricardo Osorio, Cristopher Bautista, Victor Medina y Hugo Huipet. Como un día se los

mencioné, “no sé qué hubiera hecho sin ustedes”, gracias por su amistad y nuestras risas juntos,

los amo mucho. A Raymundo Zapata, Saúl de Jesús, Antonio Tobón y Erick González, la mejor

cuarteta que espero nunca se separe, sonrío con sólo pensar en los momentos que hemos pasado

juntos. A Lucio, por estar siempre presente. A mi demás familia: Michel Pimentel, Juan Téllez

Martínez, Tonatiuh Miramontes, Marco A. Castro, Jesús Fernández e Iván Álvarez, gracias por sus

palabras y nuestros momentos juntos. De manera muy cariñosa a papá Quiqui por ser un ejemplo

de vida y tenacidad. A Jorge Gómez y Mario Cruz por plantar la semilla de mi pequeña familia.

Por supuesto, gracias a mi alma máter, el Instituto Politécnico Nacional, que me brindó las

herramientas necesarias para consolidar mi educación profesional. ¡Huélum! ¡Gloria!

De manera notoria quiero agradecer a las personas que me ayudaron a desarrollar esta tesis en el

CINVESTAV. De forma muy especial al IQI Pedro I. Ramírez Montes, por tu infinita paciencia, por tu

entusiasmo y por estar dispuesto a compartir tus conocimientos, por estar presente durante toda

mi estancia en el laboratorio, gran parte de este trabajo es fruto de un esfuerzo compartido. A la

Dra. Delia Soto por estar dispuesta a guiarme y tener una sonrisa amiga. A Arturo Jiménez,

Vladimir y Jesús por hacerme siempre pasar un momento feliz en el laboratorio, así como

demostrarme el amor que se le puede tener a la Química. A la Dra. Rosa Santillán por su guía e

invaluable experiencia. A Nancy, Rebe y Jenny por guiarme cuando lo necesité. También a Erwin y

Yanelly, porque empezamos una aventura juntos, y hemos llegado al final de la misma (¡¡al fin!!).

Muchas gracias a todos y cada uno de ustedes. Gracias por estar y ser lo que necesitaba en el

momento justo, y por no abandonarme cuando incluso lo merecía.

Angie

i

ÍNDICE

Página

ÍNDICE DE FIGURAS iv ÍNDICE DE TABLAS

vi

ÍNDICE DE ESQUEMAS

vi

ABREVIATURAS Y SÍMBOLOS

vii

RESUMEN

ix

INTRODUCCIÓN

1

CAPÍTULO I ANTECEDENTES

I.1 Máquinas Moleculares. Historia y Definición I.1.1 Máquinas Biomoleculares I.1.2 Máquinas Moleculares Artificiales I.1.3 Suministro de Energía para las Máquinas Moleculares Artificiales I.1.4 Primeras Aproximaciones a Máquinas Moleculares Artificiales I.1.5 Ejemplos de Máquinas Moleculares Artificiales Actuales

I.1.5.1 Motores y Rotores I.1.6 Rotores moleculares acoplados a Marcos Metal Orgánicos

2

3 4 7 8 9

11 11 14

CAPÍTULO II OBJETIVOS

II.1 Objetivos generales II.2 Objetivos específicos

16

17 17

CAPÍTULO III EXPERIMENTACIÓN

III.1 Instrumentación y equipo

18

19

ii

III.1.1 Resonancia Magnética Nuclear III.1.2 Espectrometría de Masas III.1.3 Espectroscopía de Infrarrojo III.1.4 Cristalografía III.1.5 Purificación de productos III.1.6 Sustancias y disolventes

III.2 Síntesis de un rotor molecular con núcleo aromático III.2.1 4-bromobenzoato de metilo (1) por esterificación de Fischer III.2.2 4-etinil(trimetilsilil)benzoato de metilo (2) por acoplamiento

cruzado de Sonogashira III.2.3 4-(3-hidroxi-3-metil-1-butin-1-il)benzoato de metilo (4) por acoplamiento cruzado de Sonogashira III.2.4 4-etinilbenzoato de metilo (3) III.2.5 1,4-Bis(4’-carbometoxifeniletinil)benceno (5) por acoplamiento cruzado de Sonogashira III.2.6 2-metil-4-(3’-quinolil)-3-butin-2-ol por acoplamiento cruzado de Sonogashira (6) III.2.7 3-Etinilquinolina (7) III.2.8 3-bromobenzoato de metilo (8) III.2.9 3-(3-hidroxi-3-metil-1-butin-1-il) benzoato de metilo (9) por acoplamiento cruzado de Sonogashira

19 19 19 19 19 20 21 21

21

22 23

24

24 25 25

26

CAPÍTULO IV ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

IV.1 Síntesis y caracterización del 4-bromobenzoato de metilo (1) IV.2 Síntesis y caracterización del 4-((etiniltrimetil)silil)benzoato de metilo (2) IV.3 Síntesis y caracterización del 4-(3-hidroxi-3-metil-1-butin-1-il) benzoato de metilo (4)

IV.3.1 2,7-dimetil-3,5-octadien-2,7-diol, producto de homoacoplamiento (10) IV.3.1.1 Caracterización del 2,7-dimetil-3,5-octadien-2,7-diol (10)

IV.4 Caracterización del 4-etinilbenzoato de metilo (3) IV.4.1Subproducto 1,4-bis(4-carbometoxifenil)butadieno (11)

IV.4.1.1 Caracterización del 1,4-bis(4-carbometoxifenil)butadieno (11) IV.5 Caracterización del 1,4-bis(4’-carbometoxifeniletinil)benceno (5) IV.6 Caracterización del 2-metil-4-(3’-quinolil)-3-butin-2-ol (6) IV.7 Caracterización de 3-etinilquinolina (7)

27

30 30

33 36 37 38 41 41 43 45 47

CAPÍTULO V CONVENIENCIA DEL USO DE MEBYNOL CONTRA ETINILTRIMETILSILANO

50 CAPÍTULO VI PERSPECTIVAS

VI.1 Ruta A

54

56

iii

VI.2 Ruta B VI.3 Ruta C VI.4 Ruta D VI.5 Ruta E VI.6 Otras posibles rutas

56 57 58 58 59

CONCLUSIONES

60

ANEXO CRISTALOGRÁFICO 62 BIBLIOGRAFÍA

67

iv

ÍNDICE DE FIGURAS

Página

Figura 1. El Flagelo bacteriano 5 Figura 2. El músculo esquelético 6 Figura 3. Representación de rotaxanos y catenanos 10 Figura 4. Ejemplo de un giroscopio y un rotor molecular cristalino 12 Figura 5. Giroscopio molecular con puente monoalquílico vinculado por

éter

14 Figura 6. Ejemplo de un Marco Metal-Orgánico (MOF) 15 Figura 7. Preparación del 4-bromobenzoato de metilo (1) 30 Figura 8. Preparación del compuesto 4-((etiniltrimetil)silil)benzoato de

metilo (2)

30 Figura 9. Espectro de RMN de 1H para el compuesto 2 31 Figura 10. Espectro de RMN de 13C para el compuesto 2 31 Figura 11. Experimento HETCOR para el compuesto 2 32 Figura 12. Experimento HMBC para el compuesto 2 32 Figura 13. Síntesis del 4-(3-hidroxi-1-metil-1-butin-1-il)benzoato de metilo (4) 33 Figura 14. Espectro de RMN de 1H del compuesto 4 33 Figura 15. Espectro de RMN de 13C del compuesto 4 34 Figura 16. Experimento HETCOR del compuesto 4 34 Figura 17. Correlaciones mostradas por el compuesto 4 en el experimento

HMBC

35 Figura 18. Experimento HMBC del compuesto 4 35 Figura 19. Espectro IR del compuesto 4 36 Figura 20. Reacción del acoplamiento del MEBYNOL donde se incluye el

subproducto 2,7-dimetil-3,5-octadien-2,7-diol (10) de la reacción

36 Figura 21. Espectro de RMN de 1H para el compuesto 10 37 Figura 22. Espectro RMN de 13C para el compuesto 10 37 Figura 23. Espectro de RMN de 1H del 4-etinilbenzoato de metilo (3) 38 Figura 24. Espectro RMN de 13C para el 4-etinilbenzoato de metilo (3) 39 Figura 25. Experimento HETCOR para el compuesto 3 39 Figura 26. Experimento HMBC del compuesto 3 40 Figura 27. Correlaciones del compuesto 3 40 Figura 28. Espectro IR del compuesto 3 41 Figura 29. Espectro de RMN de 1H del compuesto subproducto 1,4-bis(4-

carbometoxifenil)butadieno (11)

42 Figura 30. Espectro de RMN de 13C del compuesto 11 42 Figura 31. Espectro de RMN de 1H del

1,4-bis(4’-carbometoxifeniletinil)benceno (5)

43 Figura 32. Espectro RMN de 13C del compuesto 5 44 Figura 33. Experimento HMBC del compuesto 5 44 Figura 34. Sintesis del 2-metil-4-(3’-quinolil)-3-butin-2-ol (6) 45 Figura 35. Espectro de RMN de 1H del 2-metil-4-(3’-quinolil)-3-butin-2-ol (6) 45 Figura 36. Espectro de RMN de 13C del compuesto 6 46 Figura 37. Síntesis de la 3-etinilquinolina (7) 47

v

Figura 38. Espectro de RMN de 1H para el compuesto 7 47 Figura 39. Espectro de RMN de 13C de 3-etinilquinolina (7) 48 Figura 40. Experimento HMBC del compuesto 7 49 Figura 41. Ampliación del espectro del experimento HMBC del compuesto 7 49 Figura 42. Rutas alternas de síntesis del compuesto 3-etinilbenzoato de

metilo (3)

56 Figura 43. Síntesis de 1-bromo-4-etinilbenceno (14) 56 Figura 44. Síntesis del 1,4-bis(2-(4-bromofenil)etinil)benceno (18) 57 Figura 45. Síntesis del 4,4’-(1,4-fenilen)bis(2-metil-3-butin-2-ol) (19). 58 Figura 46. Síntesis del compuesto 5 por medio de la reacción entre un ácido

borónico y un haluro alquinílico

58 Figura 47. a) Diagrama ORTEP de la estructura del compuesto 4

b) Diagrama de empaquetamiento del compuesto 4

62 Figura 48. a) Celda unitaria del compuesto 7

b) Diagrama de empaquetamiento del compuesto 7

63 Figura 49. a) Diagrama ORTEP del compuesto 10

b) Diagrama de empaquetamiento del compuesto 10

64

vi

ÍNDICE DE TABLAS

Página

Tabla 1. Máquinas y dispositivos biomoleculares 4 Tabla 2. Reactivos utilizados en la experimentación y su origen 20 Tabla 3. Comparación de precios entre el TMSA y el MEBYNOL. 51 Tabla 4. Condiciones de reacción para obtener el carboxilato 51 Tabla 5. Condiciones de reacción one-pot de desprotección del

compuesto 4.

53 Tabla 6. Datos cristalográficos de los compuestos 4, 7 y 10. 65

ÍNDICE DE ESQUEMAS

Página

Esquema 1. Obtención del 1,4-bis(3-(3-hidroxifenil)-3,3-

difenilpropinil)benceno.

13 Esquema 2. Ruta de síntesis donde se utiliza TMSA para obtener el

arilacetileno [compuesto 3]

28 Esquema 3. Ruta de síntesis propuesta para obtener el precursor

del rotor molecular utilizando MEBYNOL.

29 Esquema 4. Rutas de reacción propuestas para sintetizar el

compuesto 5

55

vii

ABREVIATURAS Y SÍMBOLOS

ATP Adenosin trifosfato n-ButOH

n-Butanol

ºC

Grados Celsius

CDCl3

Cloroformo deuterado

cm-1

Unidad de frecuencia

CuI

Yoduro de cobre

DIPA

Diisopropilamina

DMAP

4-(N,N-dimetilamino)piridina

DMF

Dimetilformamida

DMSO-d6

Dimetilsulfóxido deuterado

ESI-TOF

Electrospray Ionization Time-Of-Fly

J

Constante de acoplamiento

HETCOR

Espectroscopia de Correlación Heteronuclear

Heteronuclear Correlation Spectroscopy HMBC

Espectroscopia de Correlación de Enlace Múltiple

Heteronuclear Multiple Bond Correlation

HMPA Hexametilenfosforamida m/z [M+] MEBYNOL

Relación masa/carga

Ión molecular

2-metil-3-butin-2-ol

Me2SO4

Sulfato de dimetilo

MOF

Marco Metal Orgánico

Metal Organic Framework

viii

NaHCO3

Bicarbonato de sodio

NaOH

Hidróxido de sodio

Pd(dba)2

Bis(dibencilideneaceto) Paladio (0)

( )

Diclorobis(trifenilfosfin) Paladio II

ppm

Trifenilfosfina

Partes por millón

RMN

Resonancia Magnética Nuclear

SBU

Unidad de Construcción Secundaria

Secondary Building Unit TEA

Trietilamina

CCF

Cromatografía en capa fina

TMSA

Etiniltrimetilsilano

d

Desplazamiento químico

ix

RESUMEN

La síntesis de rotores moleculares y en general de máquinas moleculares artificiales, es de gran

interés hoy en día porque se considera que es el siguiente paso en la miniaturización de la

tecnología ya que poseen un gran potencial en el ámbito de la nanociencia, como podría ser el

transporte de carga a escala molecular, la manipulación o fabricación de otras nanoestructuras, e

incluso el transporte y liberación de fármacos en los seres vivos. Además, recientemente se han

sintetizados moléculas conocidas como Marcos Metal-Orgánicos (MOF) que dentro de su

estructura son capaces de incorporar rotores moleculares como el sintetizado.

El presente trabajo se enfocó en la preparación del rotor molecular 1,4-bis(4’-

carbometoxifeniletinil)benceno (5). Gran parte de los esfuerzos realizados se enfocaron en la

optimización de una ruta de síntesis que involucrara el acoplamiento de un grupo acetileno al

núcleo de la molécula (compuesto 5) utilizando reactivos económicos y accesibles como es el 2-

metil-3-butin-2-ol (MEBYNOL), buscando que la obtención del rotor fuera escalable a niveles más

allá del laboratorio y que no incluyera el uso de trialquilsililacetilenos debido principalmente a su

alto costo. Se compararon dos rutas para la obtención del 4-etinilbenzoato de metilo (compuesto

3, precursor del rotor molecular) por medio de un acoplamiento cruzado de Sonogashira entre el

4-bromobenzoato de metilo (1) con 1) el MEBYNOL y 2)Etiniltimetilsilano (TMSA). Ambas rutas

involucran dos pasos de reacción, el acoplamiento y la desprotección del grupo alquino. La

comparación de éstas nos permite concluir que en la primera etapa, la ruta con MEBYNOL es más

conveniente por los bajos costos del reactivo, no obstante, debido a la presencia del metil éster,

en la etapa de desprotección, las condiciones básicas y la temperatura alta implican una

metilación one-pot con dimetilsulfato que hasta el momento no resulta reproducible; mas se

muestra la viabilidad del método con la síntesis de la 3-etinilquinolina, en la cual los rendimientos

son del 90% y del 83% para el acoplamiento y la desprotección respectivamente.

Además se dejan como perspectivas cinco posibles rutas alternas para la síntesis del rotor

molecular (compuesto 5) que incluyen reacciones poco exploradas como es la que se lleva a cabo

entre un ácido borónico, que en su síntesis aprovecha el uso del concepto de agentes de Grignard

de reactividad moderada, y un yoduro acetilínico, que entre sus propiedades además de

intermediario en la síntesis orgánica ha tenido lugar en la investigación farmacéutica y médica.

Los productos obtenidos fueron caracterizados por Resonancia Magnética Nuclear (1H y 13C) de

una y dos dimensiones, Espectroscopia de Infrarrojo y Espectrometría de Masas de Alta

Resolución.

1

INTRODUCCIÓN

En el campo de la Química el término “dispositivos y máquinas moleculares” se refiere a moléculas

o complejos formados por un discreto número de componentes que reaccionan bajo el estímulo

apropiado para realizar una función particular. Al escuchar este término la reacción casi inmediata

es imaginar pequeñas moléculas que se ensamblan y forman un aparato, en analogía a las

máquinas macroscópicas. Aunque se han realizado esfuerzos significativos en la síntesis de

moléculas que puedan emular en funcionamiento a sus análogas macromoleculares,

concibiéndolas generalmente como entidades discretas y autónomas, los avances han dado

escasos resultados.

Recientemente, muchos trabajos se han orientado a desarrollar máquinas moleculares artificiales

que trabajen cooperativamente a semejanza de los sistemas biológicos. Así, en 2011 Cortnie S.

Vogelsberg y Miguel A. García-Garibay sugirieron que las máquinas moleculares deben diseñarse y

asemejarse más a las ya existentes desde la perspectiva biológica (por ejemplo el flagelo

bacteriano o el músculo esquelético compuesto de estructuras jerárquicas empacadas) y que para

satisfacer las expectativas puestas en este campo debía llevarse a cabo más investigación dirigida

a desarrollar avances en sistemas multicomponentes que cuenten con estructuras jerárquicas,

pero sobre todo, que proporcionen un cierto orden a las moléculas [1].

El desarrollo de este tipo de compuestos aportará no sólo una perspectiva más amplia para

comprender cómo se comporta la materia a nivel molecular, sino también promete tener muchas

aplicaciones en el ámbito tecnológico, ya que ofrece oportunidades en el campo de la electrónica

debido a que el funcionamiento de las máquinas moleculares puede estar basado en la

transferencia de electrones, lo que puede ser utilizado para guardar o transmitir información y

señales.

Este trabajo se enfoca a un tipo de dispositivo molecular llamado “rotor molecular”, por analogía

en su comportamiento con los elementos macroscópicos. Se describe la síntesis de un rotor

molecular, evaluando la conveniencia de dos rutas de reacción a partir del ácido 4-bromobenzóico

y el acoplamiento de un alquino terminal (ya sea a partir de la incorporación del 2-metil-3-butin-2-

ol o del etiniltrimetilsilano) para su posterior acoplamiento al 1,4-diyodobenceno y se efectúa la

caracterización espectroscópica del mismo.

2

CAPÍTULO I

ANTECEDENTES

“As with all stories in science, this one is about (1) discovery and invention, (2) that glimmer of hope that there will be

tangible applications one day, and (3) the talented individuals who brought everything about in the laboratory and

beyond in the first place. Yet, one other ingredient is undoubtedly also essential for a successful outcome. It is the

passion that drives a scientist against considerable odds to the tackling of ‘big problems’ in contradistinction to an

addiction to the solving of ‘small puzzles.’”

J. Fraser Stoddart, The chemistry of the mechanical bond.

3

I ANTECEDENTES

Es difícil concebir la vida sin la Química y aunque nos pensemos ajenos, hoy en día es una ciencia

que se encuentra más cerca de lo que la percibimos. La Química en su rama industrial es la

responsable de cubrir gran parte de nuestras necesidades y es la que nos brinda muchos de

nuestros satisfactores inmediatos. Si se es curioso y se desea saber un poco sobre el

funcionamiento de nuestro mundo, irremediablemente tendremos que toparnos con alguna de las

ramas o corrientes de la Química: Inorgánica, Analítica, Orgánica y profundizando más, podemos

encontrar la Bioquímica, Cuántica, Teórica, Computacional, Supramolecular, etc. Todas ellas se

han desarrollado en conjunto con otras ciencias siendo responsables en gran parte del avance

tecnológico. Es precisamente en años recientes, que todos los aparatos electrónicos han buscado

ser más compactos sin perder funcionalidad. En la búsqueda de la miniaturización de la tecnología,

la Química parece tener un nuevo camino: el desarrollo de “máquinas, dispositivos y arreglos

moleculares”; es decir, de elementos que posean tamaños nanométricos (menores al grueso de un

cabello) y sean totalmente capaces de realizar trabajos útiles.

El presente trabajo intenta ser un acercamiento a éste nuevo campo de la Química, por lo que a

continuación se presentan algunos de los conceptos fundamentales.

I.1 Máquinas Moleculares. Historia y Definición

Richard P. Feyman en 1959 en su conferencia “There’s Plenty of Room at the Bottom” [2] hizo un

pronunciamiento que invitaba a los científicos de entonces a aventurarse en el descubrimiento de

lo que está más allá de lo microscópico y algunas veces de lo nanométrico: el mundo molecular, su

funcionamiento y su manipulación. Han pasado más de cincuenta años y aunque los avances han

sido significativos, ésta idea aún parece novedosa. Lo realmente impactante es que lo que hoy

podría llamarse “maquinaria molecular” ya existía en la naturaleza y es en realidad uno de los

mejores mecanismos para el funcionamiento de la vida. Tal es el caso de varias enzimas

responsables de la contracción muscular y el movimiento de algunas bacterias [3], por citar

algunos de los más importantes.

Una máquina (en cualquiera de sus dimensiones) es un aparato (formado por varias piezas) capaz

de convertir un cierto tipo de energía en otro o realizar un trabajo determinado.

4

Son seis los aspectos principales que caracterizan cualquier máquina[4]:

1) El tipo de energía suministrada

2) El tipo de movimiento realizado por sus componentes

3) La forma como se controla y monitorea su operación

4) La posibilidad de poder repetir la operación para la que está pensada y así establecer un

ciclo

5) El tiempo necesario para llevar a cabo su tarea

6) La acción específica para la que está diseñada

Las máquinas moleculares artificiales (AMMs) tienen un gran camino por recorrer antes de llegar

siquiera a igualar las tareas que sus análogas biológicas realizan. Las siguientes líneas están

dedicadas a conocer un poco más de cerca el funcionamiento general de las máquinas

biomoleculares.

I.1.1 Máquinas Biomoleculares

Varias de las funciones celulares son llevadas a cabo por complejos moleculares que contienen

subunidades que realizan una tarea específica. Dependiendo del tamaño de los complejos, su

tarea y la dificultad de la misma, los complejos pueden ser denominados “máquinas, motores o

dispositivos moleculares”. [5]

Los vocablos motores y máquinas biomoleculares son complejos llamados así por su capacidad de

transformar la energía y son muy utilizados en la motilidad biológica (habilidad de moverse

espontánea o independientemente), el procesamiento de los ácidos nucleicos, desdoblamientos y

doblamientos, o como transductores de luz o energía química.

La siguiente tabla menciona algunos de los ejemplos más comunes de maquinaria biomolecular.

Tabla 1. Máquinas y dispositivos biomoleculares existentes e identificadas dónde se señala su función y su fuente de energía. [5]

Dispositivo

Función

Fuente de energía

Transductores de membrana

GPCR Retransmisión de señal Ligantes Receptores catalíticos Retransmisión de señal Fotones, ligantes Canales de membrana Porinas Válvula para iones, agua Gradientes OmpF, OmpT, FhuA Maltoporina

5

Canales iónicos Válvula de iones selectiva Apertura y cierre de los canales iónicos

GluR Ligante KvAP Voltaje Motores de Membrana

ATP sintasa Síntesis de ATP o bombeo de H+

Potencial de membrana o gradiente iónico, hidrólisis de ATP

Motor Flagelar Movilidad Bacterial Potencial de membrana o gradiente iónico

Motores Protéicos Track Motor Miosina II Acción muscular Hidrólisis de ATP Miosina V, VI Transportador de carga Hidrólisis de ATP Kinesina Transportador de carga Hidrólisis de ATP Nucleotidasas Polimerasa Síntesis catalítica Hidrólisis de ATP, Fosforilación

nucleótida Helicasa Desdoblamiento del ADN Hidrólisis de ATP

Se debe distinguir que al hablar de máquinas moleculares existen dos enfoques, dependiendo del

número de componentes activos repetitivos: el primero consiste en un elemento discreto que

puede llevar a cabo una función específica, un elemento “autónomo”; el segundo es un conjunto

de varias máquinas moleculares que llevan a cabo una función a través de varias acciones

cooperativas, lo que podría ser visto como “un comportamiento colectivo”.

Figura 1. El Flagelo bacteriano.

6

Los ejemplos clásicos de máquinas autónomas son el flagelo bacteriano (Figura 1) y el ATP sintasa

ya que son capaces de funcionar por sí mismas cuando hay suficiente energía para impulsar su

movimiento [1,6]. En el caso de las máquinas con comportamiento colectivo, el ejemplo más claro

es el del músculo esquelético ya que altera sus dimensiones a causa de los cambios ocurridos a

nivel molecular y así puede realizar grandes y variadas cargas de trabajo para realizar tareas

específicas; puede llegar a generar un trabajo hasta de 4000 kJ [7] ya que consiste en un arreglo

jerárquico de estructuras empaquetadas y unidades repetitivas. Todo empieza con los motores de

miosina que se mueven a lo largo de los filamentos de actina. Cuando la miosina y la actina se

unen con las proteínas apropiadas, se forman bloques llamados sarcómeros que se agrupan como

una compleja estructura multicapa que a su vez forma las miofibrillas. Estas miofibrillas se agrupan

para dar lugar al sarcolema, que formará las fibras musculares que al agruparse formarán haces de

fibras (Figura 2). Como resultado final tendremos al tejido muscular que para efectos prácticos es

el responsable de realizar los movimientos de los seres vivos [1, 8].

Figura 2. El músculo esquelético es un ensamblado que tiene como resultado movimiento a nivel

macromolecular.

El conocer el funcionamiento de los fenómenos biológicos descritos anteriormente ha motivado a

muchos científicos a desarrollar las máquinas moleculares artificiales.

7

I.1.2 Máquinas Moleculares Artificiales

Para poder alcanzar la meta de construir, o mejor dicho, sintetizar moléculas que realicen

funciones como las mencionadas, se debe aprender a controlar el acoplamiento y

desacoplamiento de las moléculas individuales con su medio, así como integrarlas a ensamblados

organizados y jerárquicos que realicen un trabajo significativo en su entorno inmediato a niveles

nano, micro y macroscópicos [9].

Según Balzani y colaboradores [10] un dispositivo es algo inventado y construido para un propósito

específico y una máquina es cualquier combinación de mecanismo para utilizar, modificar aplicar o

transmitir energía, ya sea simple o compleja. Además, siendo más específico, señala que un

dispositivo molecular puede ser definido como un ensamblado de un número discreto de

componentes moleculares diseñados para logar una función particular. Cada componente

molecular lleva a cabo una sola función, mientras que todo el ensamblado realiza una función más

complicada como resultado de la cooperación de varios componentes. Se debe introducir también

el término motor, que es una máquina capaz de usar un tipo de energía suministrada para

producir trabajo útil. Así, debe distinguirse que existe una jerarquía donde un motor es una

máquina y una máquina es también un dispositivo pero no así en dirección opuesta, es decir que

un dispositivo puede no ser una máquina o una máquina puede no ser un motor.

Hay algunos conceptos del ámbito macroscópico que pueden ser empleados a la escala molecular.

Éstos casi siempre son los componentes auxiliares de las máquinas como son los seguros, frenos,

engranes, etc.

En el intento de realizar la miniaturización de las máquinas y sus componentes, es primordial

señalar que las AMMs no deben ser diseñadas con los conceptos y principios que la Física de la

Mecánica Clásica señalan. A niveles nanométricos gobiernan las leyes de la Mecánica Cuántica y

muchas de las propiedades de las moléculas difieren de las entidades macroscópicas [1, 10, 11]

por lo que debe tomarse en cuenta que:

1) Las moléculas están en constante movimiento y éste es aleatorio (el denominado

movimiento Browniano), esto provoca que existan colisiones continuas,

2) A causa de las interacciones electromagnéticas, existe una fuerte adhesión y flexibilidad

entre los elementos nanométricos,

3) En la mayoría de los casos las dimensiones moleculares son mucho menores que las

longitudes de onda de la luz utilizada para proporcionar energía u obtener información,

4) Puede ocurrir que exista interferencia de ondas de electrones,

5) Y finalmente las estructuras nanoscópicas pueden ser afectadas en sus propiedades por el

confinamiento de ondas de electrones.

Hasta hoy, una de las formas como se ha abordado la síntesis de máquinas moleculares es con las

herramientas y conceptos provenientes de la Química Supramolecular. La definición más aceptada

y válida de ésta rama es aquella propuesta por el químico francés Jean Marie Lehn galardonado

con el Nobel de Química en 1987, él la define como “la química más allá de la molécula, que

8

involucra entidades organizadas de mayor complejidad que resultan de la asociación de dos o más

especies químicas unidas por fuerzas intermoleculares” [12]; esto quiere decir que se ocupa de la

interacción entre moléculas y que no existen enlaces covalentes involucrados. Cabe mencionar

que esta definición clásica hace algunas excepciones en cuanto a la forma en cómo se unen las

moléculas, por lo que se sugiere que se tomen en cuenta los grados de interacciones de

intercomponentes electrónicos.

Deben considerarse las dos formas en que pueden construirse las AMMs. La primera, como se ha

mencionado, es el manipular progresivamente piezas más pequeñas de materia y es conocido

como “top-down” o “large-downward” y es el responsable de la tecnología actual; su principal

inconveniencia recae en las limitaciones técnicas y económicas para manejar los materiales más

pequeños que 100 nm. La segunda estrategia alternativa que parece más promisoria es el llamado

“bottom-up” [13] o “small-upward” que puede ser entendido como el enfoque que empieza con

átomos o moléculas y tiene como fin construir nanoestructuras.

I.1.3 Suministro de Energía para las Máquinas Moleculares Artificiales

En la construcción de las AMMs es preciso conocer “el combustible” que se suministrará a estos

dispositivos para que realicen las tareas encomendadas [14]. Como cualquier otra máquina, las

AMMs necesitan ser provistas de energía y para su control es también necesario que éstas “se

comuniquen”. Como cualquier otra máquina, y obedeciendo a la segunda ley de la Termodinámica

[15], forzosamente se requiere una fuente de energía externa para su funcionamiento, lo que

conjuntamente implica que puede existir la formación de residuos (que son en su mayoría

indeseables). Las posibles fuentes de energía pueden ser:

a) Agentes químicos

b) Absorción de fotones

c) Adición o sustracción de electrones

Una de las características básicas de cualquier máquina es que sigue un ciclo, así pues, las AMMs

deben involucrar reacciones donde la operación sea reversible. Considerando que ningún proceso

es completamente reversible, este requerimiento se puede alcanzar mediante procesos de

transferencia de energía, transferencia de electrones (redox) y transferencia de protones (ácido-

base) así como por algunos tipos de fotoisomerización y reacciones de coordinación metal-

ligantes. De la elección adecuada para este proceso dependerá el tiempo de operación, que

pudiera variar de pequeñas fracciones de segundos a días enteros. Algunas moléculas, como es el

caso de los rotores, presentan rotación espontánea debido al movimiento Browniano, sin embargo

no se puede decir que éste sea una fuente de energía para estos dispositivos, para que exista un

trabajo realmente útil, debe existir una fuente que impulse a la máquina.

Si la energía suministrada proviene de una fuente química (como es el caso en que funciona

nuestro cuerpo), la reacción como se ha dicho anteriormente debe atender a una reversibilidad y

búsqueda del equilibrio en el medio, adicionando periódicamente el “combustible” necesario,

teniendo obligatoriamente que desechar los subproductos. Este último punto conlleva relevancia

9

trascendental ya que aún si las máquinas son de orden nanométrico, la acumulación de residuos

produciría el mal funcionamiento de la misma y la remoción de estos nos dirige al punto del

tratamiento y manejo de los mismos (en una sociedad donde no nos podemos ya dar el lujo de

más basura no importando su naturaleza).

Si la energía viene de una fuente luminosa, en cuyo caso hablaríamos de energía fotoquímica, no

se involucra la producción de subproductos. Algunas de sus ventajas son: la luz es fácilmente

interrumpida, apagándola o encendiéndola rápidamente; los láseres brindan la oportunidad de

trabajar con moléculas muy pequeñas por cortos periodos de tiempo; y los fotones ofrecen la

ventaja de que además pueden ser utilizados para controlar la operación de la máquina.

Una alternativa más es que la energía provenga (al igual que pasa con las máquinas macroscópicas

y con la mayoría de los aparatos actuales) de la electricidad. Al trabajar con una reacción redox

reversible, es posible dar lugar a los productos deseados y regresar a los reactantes revirtiendo el

potencial, sin dar lugar a la formación de productos no deseados [10]. Es también posible

controlar las máquinas con este tipo de energía; sin embargo, el inconveniente se presenta al

generar la propia energía eléctrica.

I.1.4 Primeras Aproximaciones a Máquinas Moleculares Artificiales

Debido no sólo a su estructura única sino también a sus partes móviles, los catenanos y rotaxanos

son considerados como candidatos prometedores para el desarrollo de materiales que en general

respondan a estímulos externos. La mayoría de los estudios realizados se han enfocado a su

comportamiento en disolución, exceptuando algunos estudios de estos materiales en estado

sólido y en estado de gel. Recientemente, se han efectuado trabajos basados en su introducción

en cristales líquidos como una nueva forma de funcionalizarlos. [16]

Muchas de las AMMs construidas están inspiradas es este tipo particular de moléculas ya que de

hecho, éstas fueron los primeros acercamientos a máquinas moleculares artificiales, resultando

ser una de las principales aportaciones de la Química Supramolecular. Atendiendo a las raíces

latinas de sus nombres, estos derivan de las palabras rota que significa rueda, axis que es eje y

catena que quiere decir cadena.

Un rotaxano es una molécula compuesta de un macrociclo y un componente en forma de

mancuerna. El macrociclo encierra la parte lineal central de la mancuerna más propiamente

llamado eje y éste es atrapado mecánicamente por los elementos que se encuentran en los

extremos que se conocen como tapas. Para nombrarlos, se utiliza la siguiente nomenclatura: entre

corchetes se precisa el número de componentes del sistema. La Figura 3 A muestra un rotaxano

que debe especificarse como [2]rotaxano dado que solo lo componen dos elementos [17].

Mientras tanto un catenano es una molécula compuesta de por lo menos dos macrociclos que se

unen a modo de eslabones de una cadena (Figura 3 B). Como en el rotaxano, ninguno está unido al

10

otro por algún enlace covalente, pero existe una afinidad a modo de enlace mecánico [4, 18] que

previene su disociación.

Uno de los ejemplos clásicos de un rotaxano ha sido el transbordador molecular [13] que se

distingue porque en el eje existen dos sitios redox o de protonación donde dependiendo del

estado de equilibrio co-conformacional el macrociclo puede moverse de un lugar a otro; es decir,

el transbordador se encuentra en un estado 0 hasta que un estímulo desactiva el sitio de

reconocimiento más fuerte dando lugar a que el macrociclo se desplace hacia el estado 1. Gracias

a esta propiedad es posible que este tipo de complejos puedan ser manipulados usando diferentes

tipo de estímulos como pueden ser químicos, electroquímicos o fotoquímicos, lo que quiere decir

que se aprovecha el cambio en la posición relativa de sus componentes. En el caso de los

catenanos el proceso análogo se lleva a cabo cuando el estado 0 y 1 residen en las diferencias

simétricas de la molécula. Motivados por la presencia de estos estados se ha considerado a este

tipo de moléculas como precursoras de máquinas moleculares.

Figura 3. Representación de los rotaxanos y catenanos. A) Rotaxano (formado por un derivado de

trans-azobenceno como eje y un anillo de a-ciclodextrina como macrociclo) [19]. B) Catenano

[20]. De arriba hacia abajo se muestran en tres representaciones: simbólica, moléculas planas y

tridimensional.

11

I.1.5 Ejemplos de Máquinas Moleculares Artificiales Actuales

No existe una clasificación que agrupe apropiadamente las AMMs. Algunos investigadores han

propuesto que se ordenen por el tipo de tareas que deben realizar, otros por la cantidad de

componentes que las integran, su origen, su organización o por la fuente que le proporciona

energía, sin embargo no es tan simple. Hay incluso mezclas de dispositivos biólogicos y artificiales.

El método más común de clasificación atiende a la analogía que se hace entre los componentes y

formas de las AMMs con sus semejantes macroscópicas, lo cual se denomina criterio

homeomórfico [1]. Ya que son topológicamente idénticas, las máquinas moleculares suelen ser

agrupadas en: motores, rotores, trinquetes, frenos, engranes, transbordadores; es decir que

solamente se hace referencia a la analogía de sus partes.

Debido a que el presente trabajo se enfoca a la obtención de un rotor molecular, a continuación se

hace una discusión más detallada de estos sistemas.

I.5.1.1 Motores y Rotores

El término motor molecular ha sido utilizado indistintamente con respecto al de rotor dando lugar

a ambigüedades [21]. Atendiendo a la definición clásica de motor como “máquina destinada a

producir movimiento a expensas de otra fuente de energía” [22], se debe distinguir este vocablo

del de rotor, que simplemente es un “sistema giratorio que sirve para la sustentación de

autogiros”, es decir que el movimiento de rotación de éste último no tiene repercusiones en otro

sistema y se limita simplemente a girar. Se sugiere hacer la distinción entre estos dos términos

denominando motor a los ensamblados que tienen repercusiones sobre diferentes elementos que

no forman precisamente parte de su estructura o en otras palabras que consiguen producir un

trabajo útil, entendiendo este concepto como un proceso que empieza con un equilibrio térmico

con una fuente térmica externa que al final provea de una diferencia medible en el sistema y que

retorne al equilibro. Dicho trabajo útil pudiera ser el traslado de un objeto de un lado a otro, el

bombeo de un fluido, tal y como se esperaría de un motor en la escala macro [21].

Como un ejemplo sobresaliente de los mismos es posible enunciar el trabajo realizado por Feringa

y sus colaboradores [23] cuyo motor molecular, fue fijado en una superficie de cristal líquido

colestérico dirigido con luz que puede hacer rotar objetos mucho mayores a la molécula (10000:1).

Este motor puede hacer girar varillas de vidrio de escala submilimétrica cuando es expuesto a

radiación de luz ultravioleta a una longitud de onda específica (360 nm). Su diseño está pensado

para que el movimiento se lleve a cabo en el sentido de las manecillas del reloj (de forma

unidireccional) bajo la longitud de onda mencionada. La molécula contiene un centro

estereógenico en la parte del rotor y es el que determina el sentido del giro, un doble enlace

carbono-carbono que funge como eje y un estator con una estructura semejante a la del cristal

líquido. La energía responsable del movimiento proviene de una reacción de fotoisomerización cis-

trans alrededor de un alqueno. Gracias a dos reacciones fotoquímicas seguidas de una etapa

térmica cada una se tiene como resultado una rotación de 360º. La varilla de vidrio gira debido a

que se mueve conforme al cambio en la orientación de la molécula en la superficie lo cual genera

12

un torque que es aprovechado en la rotación. Es importante destacar que este experimento

constituye la primera demostración de moléculas rotando de forma colectiva para dar como

resultado un movimiento macroscópico [15].

Por otra parte tenemos a los rotores moleculares, dispositivos que presentan rotación espontánea

de sus componentes; éstos se han observado en muchas moléculas y en especies

supramoleculares [21] y pueden formar parte de un motor (como el ejemplo ilustrado

anteriormente) o de algún otro dispositivo molecular. Los rotores moleculares están compuestos

de tres partes principales: el núcleo, que es la parte de la molécula que presenta rotación y tiene

el menor momento de inercia; el eje, que sostiene al núcleo y alrededor del cual se presenta el

movimiento rotatorio; y el estator, que es el marco con respecto al cual presenta un momento de

inercia mayor y proporciona el orden. Debe considerarse que, en tanto las moléculas no estén

ancladas o unidas a algún tipo de arreglo ordenado o red cristalina (cristales líquidos, superficies

metálicas, MOFs, etc), tanto el núcleo como el estator presentarán movimiento; es decir, ambas

rotarán una con respecto a la otra.

De esta forma, con el afán de que los rotores generen un trabajo útil, se debe hallar la manera en

que existan menos variables aleatorias que afecten su movimiento. Miguel A. García-Garibay [1]

ha sugerido que las máquinas se mantengan en un medio que les proporcione cierta rigidez y

periodicidad, pero que al mismo tiempo les brinde una alta movilidad, y ha sugerido el término de

“cristales anfidinámicos” para denominar al medio donde se encuentren. Así mismo, en el intento

de controlar mejor las AMMs, estas deben ser estudiadas al depositarse en superficies, o al ser

inmovilizadas dentro de membranas o materiales porosos.

Con esta idea es que los giroscopios moleculares o rotores moleculares cristalinos [1, 15] fueron

concebidos. Éstos son moléculas donde se tiene un marco de referencia fijo que proporciona

mayor orden (presentan cristalinidad), y sus núcleos están axialmente disustituidos con grupos

voluminosos unidos mediante triples enlaces. En la Figura 4 se aprecia la analogía descrita entre

los giroscopios macroscópicos y los rotores moleculares cristalinos.

Figura 4. Ejemplo de un giroscopio y un rotor molecular cristalino donde se identifican las partes

de cada uno. Se comparó con el compuesto sintetizado.

13

Buscando preparar rotores que emulen la arquitectura de los giroscopios es común observar la

presencia de grupos etinil unidos al núcleo debido a que presentan poca resistencia a la rotación

de la molécula en la fase gaseosa. Si se añaden grupos voluminosos al final de los grupos etinil o si

se cierran las moléculas de forma que se tenga una topología cerrada para el giroscopio, se

brindará cierta protección al núcleo para que gire de forma más libre y no interactúe con el medio.

García-Garibay y su grupo de trabajo han sintetizado giroscopios moleculares con topologías tanto

cerradas como abiertas [24-26]. Cuando se habla de topologías cerradas se hace referencia a que

los grupos en la periferia están unidos “con puentes”. Un rotor con “topología libre” es aquel en

que su estator no está fijo, como ejemplo, en el Esquema 1 se muestra la síntesis del 1,4-Bis(3-(3-

hidroxifenil)-3,3-difenilpropinil)benceno. Este compuesto se preparó por una reacción de litiación

del éster 3-bromobenzoato de metilo con butillitio seguido por una reacción con benzofenona. El

alcohol resultante fue convertido al cloruro de m-metoxitritil en cloruro de acetilo con bromuro de

etinilmagnesio. El producto fue acoplado al 1,4-diyodobenceno al someterlo a una reacción de

Sonogashira y finalmente los metilos del estator fueron removidos del compuesto usando

tribromuro de Boro [24].

Esquema 1. Obtención del 1,4-Bis(3-(3-hidroxifenil)-3,3-difenilpropinil)benceno [24].

Después, para obtener el giroscopio molecular con un solo puente (Figura 5), desarrollaron una

metodología de un solo paso que consiste en disolver separadamente el puente precursor (1,10-

dibromodecano) y el 1,4-Bis(3-(3-hidroxifenil)-3,3-difenilpropinil)benceno en DMF, e irlos

14

agregando en alícuotas a una solución de carbonato de potasio en DMF. De esta manera se

obtiene el giroscopio molecular. Si los fenilos que se encuentran a los extremos están

funcionalizados, es posible obtener un giroscopio con múltiples puentes y proteger de esta forma

al núcleo.

Figura 5. Giroscopio molecular de topología cerrada con puente monoalquílico vinculado por éter

que protege al núcleo. Sintetizado por el grupo de García-Garibay [24].

I.1.6 Rotores moleculares acoplados a Marcos Metal Orgánicos

En la búsqueda por tener un marco de referencia fijo que brinde mayor capacidad de control a las

AMMs, se han acoplado diversos rotores moleculares a una nueva clase de compuestos

denominados como Marcos Metal Orgánicos (abreviado como MOFs por sus siglas en inglés, Metal

Organic Frameworks).

Los MOFs, también conocidos como Polímeros Porosos de Coordinación (PCPs), son materiales

poliméricos porosos gracias a los arreglos cristalinos formados por iones metálicos (generalmente

metales de transición agrupados a manera de nodos) unidos a moléculas orgánicas [27]. La parte

orgánica actúa como un puente que une al metal, es decir, es posible que el óxido metálico se una

a otro por medio de otra molécula orgánica que debe denominarse ligante. Cuando existen

elementos que no están unidos directamente al ion metálico y no forman parte directamente del

complejo, estos puentes deben denominarse estrictamente proligantes [28]. Éste es precisamente

el papel que jugarían los rotores moleculares en la estructura reticular de un MOF. Sin embargo,

en la literatura raramente se hace esta distinción, así que pueden encontrarse ejemplos donde se

le llama ligante indistintamente al proligante. También existen textos donde puede encontrarse el

término de Unidad de Construcción Secundaria (SBU, Secondary Building Unit) al diseño de

algunas estructuras altamente porosas y rígidas constituidas por una agrupación específica de un

metal (en la Figura 6 es posible apreciar un ejemplo de SBU).

Debido a las diversas estructuras de los MOFs así como a su gran área superficial y su gran

volumen de poro, pueden ser empleados para “alojar” moléculas o compuestos “huésped” dentro

de las cavidades que lo forman. Muchos MOFs han demostrado poseer excelentes propiedades en

15

la adsorción de gas, como sensores [29], en la capacitancia electroquímica y en catálisis [30]. Se

pronostica un futuro promisorio para el almacenamiento de gases como el hidrógeno o el gas

natural, que son gases de difícil manejo y transporte debido a la alta presión a la que deben estar

almacenados (se ha comprobado que este tipo de materiales pueden guardar la misma cantidad

de hidrógeno en un sistema de baja presión equivalente a uno de alta), ya que son combustibles

mucho más limpios que la gasolina y otros derivados del petróleo, que a la fecha se constituye

como potencial combustible “limpio” [31-33]. La ventaja de estos materiales es que es posible

manipular la dimensión de la cavidad dependiendo del tamaño del ligante.

Otros de sus posibles usos son: en la separación enantioselectiva, absorción y desorción de fluidos

e intercambio iónico [27, 32]. Presentan también luminiscencia y propiedades ópticas no lineales.

En nuestro caso, el rotor molecular sintetizado al ser acoplado a un MOF, ocuparía el lugar de un

proligante como ya se ha mencionado. La siguiente figura lo ilustra claramente, señalando el lugar

de los proligantes, la cavidad formada y la agrupación de metales a manera de “nodo”.

Figura 6. Ejemplo de un MOF que utiliza como proligante un fenilo.

Además, algunos estudios proponen el empleo de proligantes funcionalizados con grupos –CH3, -

NH2 y vinil, ya que pudieran ofrecer un medio para incorporar más componentes adicionales que

modulen la rotación de los núcleos e incluso interactuen con ligantes adyacentes dando como

resultado movimiento como los engranajes [1].

16

CAPÍTULO II

OBJETIVOS

“Siempre que haya un hueco en tu vida, llénalo de amor.

Ama como puedas, ama a quien puedas, ama todo lo que puedas… pero ama siempre.

No te juzgues incompleto porque no responden a tus ternuras; el amor lleva en sí su propia plenitud.”

Amado Nervo, Plenitud

17

II OBJETIVOS

II.1 Objetivos generales

Sintetizar, purificar y caracterizar un rotor molecular que posteriormente pueda ser

usado para la construcción de un MOF.

Plantear una ruta de síntesis que no involucre el uso de trialquilsililacetilenos, debido

a los altos costos que éstos últimos involucran y evaluar su viabilidad.

II.2 Objetivos específicos

Sintetizar un rotor que brinde mayor libertad conformacional en un MOF Isoreticular

(IRMOF, como el MOF-5) para ser utilizado como proligante a través de la inclusión de

acetilenos y un anillo aromático.

Determinar una ruta económica y viable en la síntesis de un arilacetileno.

Caracterizar cada uno de los productos de la ruta de síntesis haciendo uso de diversas

técnicas como son: Espectroscopia de RMN de 13C y 1H de una y dos dimensiones

(HETCOR, COSY, HMBC, entre otras) y Espectrometría de masas de alta resolución.

18

CAPÍTULO III

EXPERIMENTACIÓN

“… dove la Natura finisce di produrre la sue spezie, l’uomo quivi comincia con le cose naturali, con l’aiutorio di essa

Natura, a creare infinite spezie . . . ”

Leonardo da Vinci, Designi Anatomici

19

III EXPERIMENTACIÓN

III.1 Instrumentación y equipo

III.1.1 Resonancia Magnética Nuclear

Los espectros de RMN de 1H y de 13C se determinaron en espectrómetros de la marca JEOL® ECA

500 y Bruker Avance 300 utilizando cloroformo deuterado (CDCl3) y dimetilsulfóxido deuterado

(DMSO) como disolventes. Los desplazamientos químicos (δ) están dados en partes por millón

(ppm); las constantes de acoplamiento (J) están expresadas en Hertz (Hz). Para la asignación de las

señales se utilizan las siguientes abreviaturas: s=señal simple, d=señal doble, dd= señal doble de

dobles, ddd=señal doble de doble de dobles y m=señal múltiple.

III.1.2 Espectrometría de Masas

Los espectros de Masas (EM) de alta resolución fueron obtenidos por la técnica de ESI-TOF

(Electrospray Ionization Time-Of-Flight) se determinaron en un espectrómetro Agilent LC/MSD

TOF. Los datos se expresan como relación de m/z de los correspondientes fragmentos con

respecto al pico base. El ión molecular se designó como [M+].

III.1.3 Espectroscopía de Infrarrojo

Los espectros de infrarrojo se determinaron en un espectrofotómetro FT-IR 640 de Agilent

Technologies por medio de la técnica de Reflectancia Total Atenuada (ATR). Los datos se expresan

en números de onda u (cm-1) para los máximos principales de absorción.

III.1.4 Cristalografía

Los datos cristalográficos fueron colectados en un difractómetro Enraf Nonius Kappa-CCD (λ =

0.71073 Å Mo Kα, monocromador de grafito, T = 293K –CCD). Todas las reflexiones fueron

corregidas por los efectos de Lorentz y polarización. El primer modelo se obtuvo utilizando el

programa SIR2004 [34], para el refinamiento y para la salida de datos se aplicó el programa

SHELXL-97 [35]. Todas las manipulaciones de software se realizaron empleando el conjunto de

programas bajo el ambiente WinGX [36]. Todos los átomos pesados se encontraron en mapas de

densidad electrónica y se refinaron anisotrópicamente. Los átomos de hidrógeno fueron

modelados geométricamente y no se refinaron, excepto para los hidrógenos unidos a los grupos

hidroxilo en los compuestos 2 y 10. Las imágenes de las perspectivas moleculares se obtuvieron

del program Mercury [37] y la determinación de volumen y número de electrones de la estructura

de 10 mediante el programa Platon [38].

III.1.5 Purificación de productos

El seguimiento de las reacciones y determinación de la pureza de los productos se realizó por

cromatografía en capa fina (CCF) utilizando placas de silica-gel soportadas en aluminio con

dimensiones de cm con factor de revelado F254, utilizando como fase móvil una mezcla

20

de hexano/acetato de etilo y se reveló bajo una lámpara de luz ultravioleta de onda corta (254

nm).

La purificación se llevó a cabo por el método de separación cromatográfica en columna utilizando

como fase estacionaria silica-gel (malla 70-230) y como fase móvil una mezcla de hexano/AcOEt o

hexano/acetona con polaridad ascendente.

Los puntos de fusión de las sustancias puras se establecieron en un equipo marca Electrothermal

9200.

III.1.6 Sustancias y disolventes

Los reactivos utilizados en el presente trabajo se obtuvieron de diversas fuentes comerciales y

algunos fueron tratados previamente a su utilización. La siguiente tabla resume el origen de cada

reactivo.

Tabla 2. Reactivos utilizados en la síntesis descrita en este trabajo y su origen

Reactivo Fuente comercial Ácido 4-bromobenzóico

Sigma – Aldrich

2-metil-3-butin-2-ol Sulfato de dimetilo 1,4-diyodobenceno,

( )

NaOH Merck n-butOH

Metanol Ácido sulfúrico

J. T. Baker Hidróxido de amonio

La trietilamina y la diisopropilamina se purificaron por destilación en presencia de hidróxido de

potasio. El tolueno se secó a reflujo con sodio metálico, benzofenona como indicador y destilado

en atmósfera de nitrógeno [39].

21

III.2 Síntesis de un rotor molecular con núcleo aromático

III.2.1 4-bromobenzoato de metilo (1) por esterificación de Fischer

Síntesis: En un matraz balón provisto de agitación magnética, se colocaron 5.00

g de ácido 4-bromobenzoico (25.0 mmol) en metanol (100 ml) grado reactivo

previamente secado sobre sulfato de sodio y se adicionó lentamente ácido

sulfúrico (3 ml). La mezcla de reacción se mantuvo a reflujo y en atmósfera

inerte (Nitrógeno) durante 6 horas. [40]

Extracción: El crudo de la reacción se evaporó casi a sequedad, se le agregó hielo

y el producto precipitó.

Purificación: Posteriormente se filtró en un embudo tipo Büchner a vacío

haciendo lavados con agua. Se obtuvieron 5.10 g (24 mmol) de un sólido blanco con aroma

característico con rendimiento de 95%.

Caracterización.

Punto de fusión: 78-78.9 ºC.

RMN 1H (500 MHz, CDCl3): 7.89 (2H, d, J = 8.4 Hz, H-2); 7.42 (2H, d, J = 8.4 Hz, H-3); 3.91 (3H, s, C-6).

RMN 13C (126 MHz, CDCl3): 166.5 (C-5); 131.8 (C-3); 131.2 (C-1); 129.1 (C-2); 128.1 (C-4); 52.4 (C-6).

III.2.2 4-etinil(trimetilsilil)benzoato de metilo (2) por acoplamiento cruzado de

Sonogashira

Síntesis: En un matraz balón provisto de agitación magnética se colocó 1.00 g (5.0

mmol) del compuesto 1 con 1 ml (7.0 mmol) de etiniltrimetilsilano, 0.065 g (0.076

mmol – 2% mol respecto al compuesto 1) de ( ) , 0.035 g (0.19 mmol –

4% mol respecto al compuesto 1) de CuI, 0.048 g (0.019 mmol- 4% mol respecto al

compuesto 1) de , en 8 ml de trietilaminia y 5 ml de tolueno seco. El

etiniltrimetilsilano fue agregado mientras la mezcla de reacción se encontraba en

baño de hielo, para evitar su volatilización, una vez agregado, la reacción se

mantuvo bajo agitación a temperatura ambiente por 24 horas. [41]

La mezcla de reacción se evaporó a presión reducida casi hasta sequedad.

Extracción: La fase orgánica se extrajo con acetato de etilo, se lavó con disolución acuosa saturada

de cloruro de amonio, seguido de una disolución al 10% de ácido clorhídrico y finalmente

disolución salina saturada. Se secó sobre sulfato de sodio cristal y se evaporó a sequedad

obteniendo un sólido que va de café a amarillo o naranja.

22

Purificación: El crudo de reacción se purificó por columna cromatográfica de sílica-gel, el producto

se obtiene con una mezcla de hexano/acetona mezclando 99:1. Se evapora a sequedad a presión

reducida obteniendo 1.08 g (4.40 mmol) de un sólido blanquecino en un rendimiento de 95%.

Caracterización. Punto de fusión: 56.8-58 ºC. RMN 1H (500 MHz, CDCl3): 7.96 (2H , d, J = 8.3 Hz, H-2); 7.51 (2H, d, J = 8.3 Hz, H-3);, 3.91 (3H, s, H-9); 0.25 (9H, s, H-7).

RMN 13C (126 MHz, CDCl3): 166.6 (C-8); 132.0 (C-3); 129.8 (C-1); 129.5 (C-2); 127.9 (C-4), 104.1 (C-5); 97.8 (C-6); 52.3 (C-9); -0.08 (C-7).

III.2.3 4-(3-hidroxi-3-metil-1-butin-1-il) benzoato de metilo (4) por Acoplamiento

cruzado de Sonogashira

Síntesis: En un matraz balón provisto de agitación magnética se colocaron 2.00 g

(9.0 mmol) del compuesto 1, 1 ml (10.00 mmol) de 2-metil-3-butin-2-ol, utilizando

como catalizadores 0.13 g (0.19 mmol – 2% mol respecto al compuesto 1) de

( ) , 0.071 g (0.37 mmol – 4% mol respecto al compuesto 1) de ,

0.098 g (0.37 mmol – 4% mol respecto al compuesto 1) de ; como disolvente

se utilizó tolueno seco (30 ml) y trietilamina (8 ml). La reacción se mantuvo bajo

atmósfera inerte a temperatura ambiente durante 24 horas. [42]

Este compuesto también se sintetizó reemplazando la trietilamina por

diisopropilamina, con calentamiento a 60 ºC por un periodo de cinco horas

obteniendo un redimiento idéntico.

Extracción: La mezcla de reacción se evaporó a sequedad obteniendo un sólido café.

Purificación: El crudo de reacción se impregnó en gel de sílice y se fue eluyendo con una mezcla de

hexano y acetato de etilo con polaridades ascendentes. El producto se obtuvo con una fase de

97:3 de una mezcla de hexano/acetato de etilo. Posteriormente se hicieron lavados con hexano

caliente separando un sólido naranja y un filtrado transparente-amarillo. El filtrado se enfrío en un

baño de hielo hasta que el sólido precipitó. Se filtró en un embudo tipo Büchner a vacío,

obteniéndose 1.92 g (8.8 mmol) de un sólido que varía de color blanquecino a rosáceo.

Rendimiento de 95%.

Caracterización. Punto de fusión: 80.2-82.3 ºC.

RMN 1H (500 MHz, CDCl3): 7.93 (2H, d, J = 8.4 Hz, H-2); 7.42 (2H, d, J = 8.4 Hz, H-3); 3.89 (3H, s, H-10); 1.61 (6H, s, H-8).

RMN 13C (126 MHz, CDCl3): 166.7 (C-9); 131.6 (C-3); 129.5 (C-2); 127.6 (C-4); 97.0 (C-6); 81.4 (C-5); 65.6 (C-7); 52.4 (C-10); 31.4 (C-8).

EM, m/z(%): peso molecular para [M + H]+ calculado 219.10157, encontrado

219.10161. Error 0.18284 ppm.

23

III.2.4 4-etinilbenzoato de metilo (3)

Método A

Síntesis: En un matraz balón con agitación magnética se colocaron 2.69 g (19 mmol) de carbonato

de potasio anhidro y 118 ml de una mezcla 1:1 de metanol y cloruro de metileno. Rápidamente se

incorporaron 0.904 (3.89 mmol) g del compuesto 2 y se mantuvo bajo atmósfera de Nitrógeno

durante 2 horas. [41]

Extracción: Se evapora casi a sequedad bajo presión reducida. La fase orgánica se extrajo con

acetato de etilo/agua.

Purificación: El producto se purificó por columna cromatográfica de sílica-gel. El producto eluye

con una mezcla hexano/acetona 99:1, obteniéndose un rendimiento de 81% al

obtener 0.50 g (3.12 mmol) de 3.

Método B

Síntesis: En un matraz balón se colocaron 0.100 g (0.46 mmol) del compuesto 4 con

0.036 g (0.92 mmol) de hidróxido de sodio triturado previamente en un mortero de

porcelana en 4 ml de tolueno (concentración 0.11 M). La mezcla de reacción se

mantuvo cuatro horas con calentamiento (temperatura de ebullición) [39] para

posteriormente añadir 0.09 ml (0.95 mmol) de sulfato de dimetilo y bajar la

temperatura a 60 ºC manteniendo en agitación por hora más. [42]

Extracción: Se adicionan 10 mL de hidróxido de amonio y la fase orgánica se extrajo con acetato de

etilo. Se evaporó a sequedad.

Purificación: El producto se purificó por columna de sílica-gel eluyendo con hexano solamente.

Después de evaporar a sequedad, se obtuvo un sólido blanco de olor característico. Los

rendimientos resultantes no fueron reproducibles ni consistentes variando desde el 10 al 75%.

Caracterización. Punto de fusión: 93.1-94.2 ºC. RMN 1H (500 MHz, CDCl3): 7.97 (2H, d, J = 8.4 Hz, H-2); 7.53 (2H d, J = 8.4 Hz, H-3); 3.90 (3H, s,H -8); 3.23 (1H, s, H-6).

RMN 13C (126 MHz, CDCl3): 166.5 (C7); 132.2 (C-2); 130.2 (C-1); 129.6 (C-3); 126.8 (C-4); 82.9 (C-5); 80.2 (C-6); 52.4 (C-8).

24

III.2.5 1,4-Bis(4’-carbometoxifeniletinil)benceno (5) por acoplamiento cruzado de

Sonogashira

Síntesis: En un matraz balón provisto de agitación magnética se colocaron 0.239 g (1.49 mmol) del

compuesto 3, 0.246 g (0.746 mmol) de diyodobenceno, utilizando como catalizadores 0.0105 g

(0.015 mmol – 2% mol respecto al compuesto 3) de ( ) , 0.006 g (0.030 mmol – 4% mol

respecto al compuesto 3) de , 0.008 g (0.0298 mmol – 4% mol respecto al compuesto 3) de

, DIPA (3 ml) y como disolvente se utilizó tolueno seco (15 ml). Se mantuvo bajo atmósfera

inerte con calentamiento (60 ºC) durante 5 horas. El compuesto precipitó como un sólido blanco-

ligeramente amarillo. [43]

Extracción: El crudo de reacción se evapora casi a sequedad a presión reducida y se filtra.

Purificación: El producto se disolvió en tolueno caliente y se filtró con ayuda de un filtro de vidrio

sinterizado a vacío, obteniendo 0.204 g (5.172 mmol con un rendimiento de 64%).

Caracterización. Punto de fusión: 202.3 ºC.

RMN 1H (500 MHz, CDCl3): 8.03 (2H, d, J =7.9 Hz, H-2’); 7.59 (2H, d, J =8.2 Hz, H-3’); 7.54 (2H, s, H-2); 3.93 (6H, s, H-8’). RMN 13C (126 MHz, CDCl3): 166.6 (C-7’); 131.8 (C-3’); 131.6 (C-1’); 129.8 (C-2’); 129.7 (C-4’); 127.7 (C-2); 123.1 (C-1); 91.9 (C-6’); 90.8 (C-5’); 52.4 (C-8’).

III.2.6 2-metil-4-(3’-quinolil)-3-butin-2-ol por acoplamiento cruzado de Sonogashira

(6)

Síntesis: En un matraz balón provisto de agitación magnética se

colocaron 0.27 g (0.38 mmol – 4% mol respecto al compuesto a la

3-bromoquinolina) de ( ) , 0.07 g (0.38 mmol – 4%

mol) de , 0.10 g (0.38 mmol – 4% mol) de ; enseguida se

adicionó el disolvente, tolueno seco (15 ml) seguido de 1.5 mL (10

mmol) de 3-bromoquinolina y la diisopropilamina (6 ml).

Finalmente se añaden 1.2 mL (12.5 mmol) de 2-metil-3-butil-2-ol.

La reacción se llevó a cabo bajo atmósfera inerte a temperatura

ambiente durante 24 horas. [44]

25

Purificación: El crudo de la reacción se purificó por columna cromatográfica. Se impregnó en gel de

sílice y se fue eluyendo con una mezcla de hexano y acetato de etilo con polaridades ascendentes.

El producto se obtuvo con una fase de 80:20 de una mezcla de hexano/acetato de etilo.

Se añadió una disolución acuosa concentrada de HCl y realizó una extracción donde la fase

orgánica se recuperó con CH2Cl2. La fase acuosa se trató con NaOH hasta obtener un pH altamente

alcalino (pH 13). El producto precipitó y se filtró a vacío con un embudo Büchner. Se hicieron

lavados con agua, obteniéndose 0.24 g (1.16 mmol) de un sólido blanco en un rendimiento de

90%.

Caracterización. Punto de fusión: 112.8-113.2 ºC.

RMN 1H (300 MHz, CDCl3): 8.99 (1H, d, J=2.1 Hz, H-2); 8.22 (1H, d, J = 2.0 Hz, H-4); 8.10 (1H, dd, J=8.4 Hz, J=0.8 Hz, H-8); 7.77 (1H, dd, J=8.1 Hz, J=1.2 Hz, H-5); 7.72 (1H, ddd, J=8.5 Hz, J= 7.0 Hz, J= 1.4 Hz, H-7); 7.58 (1H, ddd, J=8.1 Hz, J=7.0, J=1.1, H-6); 3.56 (1H, s, OH); 1.68 (6H, s, H-12) RMN 13C (126 MHz, CDCl3): 152.1 (C-2); 146.4 (C-8ª); 138.8 (C-4); 130.3 (C-7); 129.0 (C-8); 127.7 (C-5); 127.5 (C-6); 127.4 (C-4a); 117.27 (C-3); 98.5 (C-10); 79.0 (C-9); 65.2 (C-11); 31.6 (C-12).

III.2.7 3-Etinilquinolina (7)

Síntesis: En un matraz balón provisto de agitación magnética y bajo

atmósfera inerte, se colocaron 8 mL de tolueno seco. En seguida se

agregaron 0.5 g (2.4 mmol) del compuesto 6, 0.02 g (0.2 mmol) de

NaOH triturados en un mortero de porcelana y se dejó purgando

bajo atmósfera inerte durante 5 minutos. La mezcla de reacción se

sometió a reflujo durante 2.5 horas y se evaporó a sequedad. [44]

Purificación: El crudo de reacción se purificó por columna

cromatográfica, obteniéndose el producto con una mezcla hexano/AcOEt de 97:3, obteniéndose

0.41 g (2.68 mmol) de producto en un rendimiento de 83%.

Caracterización. Punto de fusión: 79-81.3 ºC. RMN 1H (500 MHz, CDCl3): 8.93 (1H, d, J = 2.1 Hz, H-2); 8.26 (1H, d, J = 1.5 Hz, H-4); 8.08 (1H, d, J=8.5 Hz, J=0.8 Hz, H-8); 7.76 (1H,d, J=8.2 Hz, J=1.2 Hz, H-5); 7.71 (1H, ddd, J=8.5 Hz, J= 6.9 Hz, J=1.5 Hz, H-7); 7.55 (1H, m, H-6); 3.27 (1H, s, H-10) RMN 13C (126 MHz, CDCl3): 152.3 (C-2); 147.2 (C-8a); 139.4 (C-4); 130.5 (C-7); 129.5 (C-8); 127.7 (C-5); 127.5 (C-6); 127.1 (C-4a); 116.3 (C-3); 81.0 (C-10); 80.6 (C-9).

III.2.8 3-bromobenzoato de metilo (8)

Síntesis: En un matraz balón provisto de agitación magnética se agregaron 5.00 g (25.0 mmol) de

ácido 3-bromobenzóico en metanol (100 ml) grado reactivo previamente secado sobre sulfato de

sodio. Se adicionaron lentamente 3 mL ácido sulfúrico. La mezcla de reacción se mantuvo a reflujo

(80 ºC) bajo atmósfera en nitrógeno durante 6 horas. [40]

26

Extracción: El crudo de la reacción se evaporó casi a sequedad a presión reducida;

se le agregó hielo y el producto precipitó.

Purificación: Posteriormente se filtró en un embudo tipo Büchner a vacío haciendo

lavados con agua. Se obtuvieron 5.00 g (24.0 mmol) de un sólido blanco con

rendimiento de 93%.

Caracterización. Punto de fusión: 35 ºC. RMN 1H (500 MHz, CDCl3): 8.16 (1H, t, J=1.7 Hz, H-2); 7.95 (1H, ddd, J=7.8 Hz, J=1.7 Hz, J=1.2 Hz, H-6); 7.66 (1H, ddd, J=8.0 Hz, J=2.0 Hz, J=1.1 Hz, H-4); 7.30 (1H, t, J=7.9 Hz, H-5); 3.91 (3H, s, H-8). RMN 13C (126 MHz, CDCl3): 166.8 (C-7); 136.0 (C-4); 132.7 (C-2); 132.1 (C-1); 130.0 (C-5); 128.2 (C-6); 122.5 (C-3); 52.5 (C-8).

III.2.9 3-(3-hidroxi-3-metil-1-butin-1-il)benzoato de metilo (9) por acoplamiento

cruzado de Sonogashira

Síntesis: En un matraz balón provisto de agitación magnética se adicionó

1.00 g (4.6 mmol) del compuesto 8, 0.5 mL (5 mmol) de 2-metil-3-butil-2-

ol, utilizando como catalizadores 65 mg (0.09 mmol – 2% mol respecto al

compuesto 1) de ( ) , 35 mg (0.18 mmol – 4% mol respecto

al compuesto 1) de , 49 mg (0.18 mmol – 4% mol respecto al

compuesto 1) de ; como disolvente se utilizó tolueno seco (30 ml) y

diisopropilamina (5 ml). La mezcla de reacción se mantuvo bajo

atmósfera inerte con calentamiento (60 ºC) durante 5 horas. [42]

Purificación: El crudo de reacción se impregnó en gel de sílice, eluyendo con una mezcla de hexano

y acetato de etilo con polaridades ascendentes. El producto se obtuvo con una fase de 97:3 de una

mezcla de hexano/acetato de etilo. Se obtuvo 0.6 g (2.75 mmol) del producto, que es un líquido de

color ligeramente anaranjado. Rendimiento de 60%.

Caracterización. Punto de fusión: ºC. RMN 1H (500 MHz, CDCl3): 8.06 (1H, t, J=1.5 Hz, H-2); 7.94 (1H, ddd, J=8.0 Hz, J=3.0 Hz, J=1.9 Hz, H-6); 7.55 (1H, ddd, J=7.8 Hz, J=2.9 Hz, J=1.7 Hz, H-4); 7.35 (1H, t, J=7.8 Hz, H-5); 3.91 (3H, s, H-8); 1.61 (6H, s, H-10). RMN 13C (126 MHz, CDCl3): 166.5 (C-11); 135.8 (C-4); 132.9 (C-2); 130.4 (C-1); 129.3 (C-5); 128.5 (C-6); 123.3 (C-3); 94.9 (C-8); 81.1 (C-7); 65.6(C-9); 52.4 (C-12); 31.5 (C-10).

27

CAPÍTULO IV

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

EXPERIMENTALES

“ «¿Qué es aquello que se compra caro, se ofrece por nada y con frecuencia se rechaza? » Y ella misma responde: «La experiencia. La experiencia de los viejos. » ”

Ángeles Mastretta, La emoción de las cosas

28

IV ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS EXPERIMENTALES

La caracterización de los compuestos es parte fundamental en el desarrollo de la experimentación

de la presente tesis, ya que permitió corroborar las estructuras de las moléculas sintetizadas.

La asignación de las estructuras se realizó con base en los desplazamientos químicos de protón 1H

y carbono 13C, apoyados en los espectros de dos dimensiones para asignar de manera inequívoca

cada señal. Además los espectros fueron calculados teóricamente usando el programa

MestReNova Versión 6.0.2-2w para ser comparados con los obtenidos experimentalmente.

A continuación se muestran las rutas de síntesis seguidas para obtener el rotor molecular con

centro aromático. Se ha esquematizado la preparación del compuesto 4. El primer método A (Esq.

A) es la ruta más corta donde se utiliza el etiniltrimetilsilano (TMSA) para la obtención del alquino

terminal y el método B (Esq. B) señala los pasos seguidos en la ruta propuesta utilizando 2-metil-3-

butin-2-ol (MEBYNOL) para obtener el alquino. Es posible observar que en el segundo método,

debido a la alta temperatura y las condiciones básicas, se produce la hidrólisis del metiléster por lo

que es necesario un paso extra de reacción (metilación one-pot). Sin embargo, como se corroborá

con la síntesis de la 3-etinilquinolina, el método B es conveniente económica y sintéticamente

para la obtención de alquinos terminales cunado no se encuentran en la molécula enlaces lábiles

Esquema 2. Ruta de síntesis donde se utiliza etiniltrimetilsilano (TMSA) para obtener el

arilacetileno (compuesto 3)

29

Esquema 3. Ruta de síntesis propuesta para obtener el precursor del rotor molecular utilizando 2-

metil-3-butin-2-ol (MEBYNOL).

30

La síntesis del rotor molecular (compuesto 5) parte de la preparación del 4-bromobenzoato de

metilo. A continuación se muestran los pasos de reacción que dan como resultado el 1,4-

bis(carbometoxifeniletinil)benceno.

IV.1 Síntesis y caracterización del 4-bromobenzoato de metilo

La esterificación de Fischer [45] es una reacción de equilibrio entre un ácido carboxílico y un

alcohol primario o secundario en presencia de ácido sulfúrico o clorhídrico concentrado como

catalizador. Empleando esta metodología, se realizó la síntesis entre el ácido 4-bromobenzoico y el

metanol (Fig. 7) obteniendo el 4-etinilbenzoato de metilo, materia prima esencial para seguir

cualquiera de las dos metodologías.

Figura 7. Preparación del 4-bromobenzoato de metilo

La confirmación de la formación del compuesto 1 se realizó por comparación con los datos

descritos en la literatura [42]. Adicionalmente se corroboró en el espectro de RMN de protón la

aparición de la señal del metoxilo con desplazamiento en δ= 3.91 ppm.

IV.2 Síntesis y Caracterización del 4-((etiniltrimetil)silil)benzoato de metilo (2)

Figura 8. Preparación del 4-((etiniltrimetil)silil)benzoato de metilo (2)

La reacción para obtener el compuesto 2 (Fig. 8) es un acoplamiento cruzado de Sonogashira. El

espectro de RMN 1H muestra las 4 señales y la integral permite verificar la relación del número de

protones asociados a cada señal (Fig. 9). Se verifica la presencia de dos señales dobles

31

correspondientes a los protones aromáticos H-2 con δ=7.96 y H-3 con δ=7.51, luego el metoxilo

del carbonilo con δ=3.91 y la de los protones asociados a los metilos del silano con δ=0.25.

Figura 9. Espectro de RMN de 1H para el compuesto 2.

Figura 10. Espectro de RMN de 13C para el compuesto 2.

La asignación del espectro de RMN de 13C se realizó en conjunto con el experimento HETCOR

donde H-2 con δ=7.96 correlaciona con C-2 con δ=129.46 y H-3 con δ=7.51 con C-3 en δ=131.96

32

(Fig. 11). Así mismo se asocia C-7 con H-7 característicos del grupo trimetilsilano y C-9 con H-9 del

metilo del éster.

Figura 11. Experimento HETCOR para el compuesto 2.

Con el experimento HMBC (Fig. 12) se asignan los carbonos faltantes al mostrarse correlación a

tres enlaces entre H-3 con C-5, H-2 con C-8 y H-9 con C-9.

Figura 12. Experimento HMBC para el compuesto 2.

33

IV.3 Síntesis y Caracterización del 4-(3-hidroxi-3-metil-1-butin-1-il)benzoato de metilo

(4)

Al llevar a cabo el acoplamiento del MEBYNOL y el compuesto 1, la reacción da como producto

principal el compuesto 4 (Fig. 13); además se muestra la caracterización del subproducto 10, el

2,7-dimetil-3,5-octadien-2,7-diol, proveniente de la reacción de homoacoplamiento y separado

por cromatografía en columna.

Figura 13. Síntesis del 4-(3-hidroxi-3-metil-1-butin-1-il)benzoato de metilo (4).

El compuesto 4 fue caracterizado mediante RMN de 1H (Fig. 14) la cual muestra 5 señales: dos

dobles del anillo aromático (δ=7.93 para H-2 y δ=7.415 para H-3), una simple del protón del metilo

del carbono C-10, los metilos de C-8 con δ=1.61 y la señal del hidrógeno del hidróxido proveniente

de los metilos del MEBYNOL con desplazamiento en δ=2.64.

Figura 14. Espectro de RMN de 1H del compuesto 4.

En el espectro de RMN de 13C (Fig. 15) se distinguen 9 señales. Con la ayuda de experimentos de

correlación heteronuclear HETCOR (Fig. 16) se observó que las señales del anillo aromático en

34

δ=7.93 y δ=7.42 corresponden con las señales en δ=129.50 y δ=131.63 asignándose de esta

forma a C-2 y C-3 respectivamente. Los metilos del MEBYNOL (H-8) con δ=1.61 correlaciona en el

experimento HETCOR con C-8 con δ= 31.42. También es posible asignar por HETCOR el carbono

metílico del éster (C-10) al tener un desplazamiento en δ=3.89 para RMN 1H y δ=52.36 en

carbono.

Figura 15.Espectro de RMN de 13C del compuesto 4.

Figura 16. Experimento HETCOR del compuesto 4.

35

En el experimento HMBC (Fig. 18) se observan dos correlaciones del carbono carbonílico C-9; una a

tres enlaces con el protón H-10 y otra con H-2. Además, los carbonos C-5 y C-6 correspondientes al

alquino se identificaron por la correlaciones con los protones H-3 y H-8 respectivamente. La

representación esquemática de las correlaciones se presenta en la Figura 17.

Figura 17. Correlaciones mostradas para el compuesto 4 en el experimento HMBC.

El carbono C-1 no se muestra en el espectro debido a que su señal se traslapa con la del carbono

C-2. Es posible comprobar este hecho al cambiar el disolvente del experimento de RMN por

acetona-d6.

Figura 18. Experimento HMBC del compuesto 4.

36

Al caracterizar también por IR (Fig. 19) se observó el siguiente espectro con bandas de absorción

en 3440 para el OH unido a C-7, 2983 y 2950 para la vibración C-H (alifáticos) así como la banda en

1712 característica del carbonilo (C-9) de la molécula.

Figura 19. Espectro IR del compuesto 4.

El compuesto 4 cristalizó y es posible observar su representación tridimensional en el Anexo

Cristalográfico.

IV.3.1 2,7-dimetil-3,5-octadien-2,7-diol, producto de homoacoplamiento (10)

A pesar de que la reacción se mantuvo bajo atmósfera de nitrógeno y aun cuando los

rendimientos reportados fueron buenos, se obtuvo un producto de homoacoplamiento debido a

presencia de paladio y a que en las primeras pruebas de reacción, el MEBYNOL era adicionado en

exceso respecto al éster 4-bromobenzoato de metilo. El interés en el compuesto 10 (Fig. 20) surge

debido a que éste cristalizó espontáneamente en el disolvente tras la purificación del compuesto

4. Los datos cristalográficos se muestran en el anexo correspondiente. A continuación se muestra

la caracterización por RMN del 2,7-dimetil-3,5-octadien-2,7-diol (10).

Figura 20. Reacción de acoplamiento del MEBYNOL donde se incluye el subproducto 2,7-dimetil-

3,5-octadien-2,7-diol (10) de la reacción.

30

40

50

60

70

80

90

100

500700900110013001500170019002100230025002700290031003300350037003900

3440

1712

2950 2983

1272

37

IV.3.1.1 Caracterización del 2,7-dimetil-3,5-octadien-2,7-diol (10)

Figura 21. Espectro de RMN de 1H para el compuesto 10.

En el espectro de RMN de 1H (Fig. 21) se puede identificar la señal con δ=1.33 que corresponde a

los metilos terminales del carbono C-2. También es posible visualizar una señal con δ=5.52 que

proviene de los grupos hidroxilo unidos también a C-2. La relación de las integrales corroboran el

número de protones unidos a los carbones siendo 6 para los metilos en los extremos y 1 para los

grupos oxidrilo ya que la molécula presenta simetría.

Figura 22. Espectro RMN de 13C para el compuesto 10.

38

El espectro de RMN de 13C (Fig. 22) muestra 4 señales, la de 31.56 corresponde a C-1. Por su zona

de desplazamiento C-4 y C-3 fueron asignados a las señales en 65.54 y 64.13 que son los carbonos

del triple enlace y C-2 es el carbono cuaternario unido al hidroxilo.

IV.4 Caracterización del 4-etinilbenzoato de metilo (3)

Para el compuesto 3 se observaron 4 señales principales en el espectro de protón y 8 señales en el

de carbono. Se distingue de su predecesor, el compuesto 4, por la desaparición del metilo y el

carbono cuaternario del MEBYNOL. Por RMN de 1H (Fig. 23) se observan dos señales dobles del

anillo aromático y una señal simple con en δ=3.23 del protón del alquino terminal H-6.

Las dificultades que se presentaron durante la obtención del compuesto 3 se discuten en el

capítulo V.

Figura 23. Espectro de RMN de 1H del 4-etinilbenzoato de metilo (3).

En el RMN 13C (Fig. 24) se observan las 8 señales esperadas para la molécula, desapareciendo los

metilos del MEBYNOL.

39

Figura 24. Espectro RMN de 13C para el 4-etinilbenzoato de metilo (3).

Figura 25. Experimento HETCOR para el compuesto 3.

Mediante el experimento HETCOR (Fig. 25) se asignan correctamente los carbonos C-2, C-3, C-6 y

C-8 con sus respectivos protones.

40

Figura 26. Experimento HMBC del compuesto 3.

Por otro lado, en el experimento HMBC (Fig. 26) coadyuvó a la asignación de las señales restantes

al mostrar las siguientes correlaciones indicadas en la Figura 27:

Figura 27. Correlaciones del compuesto 3.

El carbono C-4 se asigna por medio de la correlación mostrada con el protón H-6, así mismo el

carbono C-7 se correlaciona con los protones H-2 y H-8 y el carbono C-5 se correlaciona con el

protón H-3. Por diferencia la señal con δ=130.19 es propia del carbono C-1.

El compuesto 3, también caracterizado por IR (Fig. 28), mostró las siguientes bandas de absorción

características: 3242 cm-1 de C-H (C-6 con H-6) y 2103 cm-1 de C-C del alquino; 2953 cm-1 y 1434

cm-1 del metilo del éster (C-8); 1700 de C-7 unido al oxígeno con doble enlace, es decir, la señal

característica del carbonilo y 1278 cm-1 de C-7 unido al oxígeno próximo al metilo.

C-7 H-8 C-7 H-2 C-5 H-3 C-4 H-6

41

IV.4.1 Subproducto 1,4-bis(4-carbometoxifenil)butadieno (11)

En los primeros intentos realizados, después de la obtención del compuesto 3, éste se purificaba

directamente por cromatografía en gel de sílice lo que llevaba a la obtención del producto de

homoacoplamiento del compuesto 3. La literatura sugiere que esto se lleva a cabo gracias a las

pequeñas trazas de Paladio aún existentes en el compuesto [46]. Posteriormente el procedimiento

fue modificado incluyendo un paso de filtración para remover el catalizador restante. El

compuesto 11 fue separado cromatográficamente obteniéndose trazas de él. Su caracterización se

realizó por RMN.

IV.4.1.1 Caracterización del 1,4-bis(4-carbometoxifenil)butadieno (11)

El espectro muestra las señales de ocho carbonos debido a la simetría de la molécula. El espectro

de protón (Fig. 29) muestra dos señales dobles correspondientes a la parte aromática de la

molécula con δ=8.01 para H-2 y δ=7.54 para H-3. Los metilos del éster muestran desplazamientos

para H-8 en δ=3.92.

20

30

40

50

60

70

80

90

100

500700900110013001500170019002100230025002700290031003300350037003900

Figura 28. Espectro IR del compuesto 3.

3242

2953 2103

1700

1434

1278

42

Figura 29. Espectro de RMN de 1H del 1,4-bis(4-carbometoxifenil)butadieno (11).

En el espectro de RMN de 13C (Fig. 30) se observan las señales de los carbonos aromáticos C-2 y C-

3 con δ=132.56 y δ=129.67. El carbonilo del éster C-7 tiene un δ=166.36. Los carbonos C-5 y C-6

son los que forman el triple enlace.

Figura 30. Espectro de RMN de 13C del compuesto 11.

43

IV.5 Caracterización del 1,4-bis(4’-carbometoxifeniletinil)benceno (5)

El compuesto 5 cumple exitosamente con el objetivo planteado de sintetizar un rotor molecular. El

compuesto 5 se obtuvo mediante un acoplamiento de Sonogashira. En RMN de 1H (Fig. 31) se

pueden distinguir 4 señales principales, debido a la simetría propia de la molécula. Los

desplazamientos de protón fueron asignados con ayuda de la literatura [47]. Los protones del

metilo del éster se encuentra en δ=3.93. Los hidrógenos unidos al anillo aromático del estator

muestran desplazamientos en δ=7.59 y δ=8.03. Por último, la señal en δ=7.54 corresponde a los

protones del anillo aromático central.

En el espectro de RMN de 13C (Fig. 32) se observan las señales de los alquinos en δ=91.93 y

δ=90.78 correspondientes a C-6’ y C-5’ respectivamente corroborado en el experimento HMBC

donde se muestra una correlación a tres enlaces con los protones H-3 y H-2’ respectivamente. Las

dos nuevas señales corresponden a C-2 y C-1 del anillo aromático que corresponden a la parte

central del rotor con δ=127.22 y δ=123.11. El protón H-2 muestra una correlación a tres enlaces

con el C-4, además el protón H-3’ muestra correlación con C-1’ y con C-2’ (correlaciones mostradas

en la Figura 33).

Figura 31. Espectro de RMN de 1H del 1,4-bis(4’-carbometoxifeniletinil)benceno (5).

44

Figura 32. Espectro de RMN de 13C del compuesto 5.

Figura 33. Experimento HMBC del compuesto 5.

45

IV.6 Caracterización del 2-metil-4-(3’-quinolil)-3-butin-2-ol (6)

Con el fin de corroborar la viabilidad del uso del MEBYNOL para la obtención de grupos alquinos

terminales, se realizó la síntesis 2-metil-4-(3’-quinolil)-3-butin-2-ol (6) (Figura 34). A continuación

se muestra la caracterización y ruta de síntesis del compuesto 6.

Figura 34. Sintesis del 2-metil-4-(3’-quinolil)-3-butin-2-ol (6).

El compuesto 6 fue obtenido por acoplamiento de la 3-bromoquinolina al MEBYNOL mediante

una reacción de Sonogashira con las condiciones ya descritas.

Figura 35. Espectro de RMN de 1H del 2-metil-4-(3’-quinolil)-3-butin-2-ol (6).

Consistente con lo reportado en la literatura y los resultados de la integración de las señales, en

espectro de protón (Fig. 35) se observa una señal con δ=1.68 para los metilos; la señal con

46

desplazamiento en δ=3.56 corresponde al hidroxilo. Las señales dobles en 8.99 y 8.22 se asignan a

H-2 y H-4. Con base en los desplazamientos químicos y multiplicidad en 8.10 y 7.77 se observan

señales dobles de dobles con constantes de acoplamiento orto y meta para los protones 8 y 5

respectivamente. Por último H-7 y H-6 en δ=7.72 y δ=7.56 se observan como señales dobles de

dobles de dobles ya que cada una posee dos constantes de acoplamiento orto y una para.

El espectro de RMN de 13C (Fig. 36) fue completamente asignado con apoyo de experimentos

HETCOR y HMBC. Mediante el experimento HETCOR se asigna la señal en 152.07 al carbono C-2

que se encuentra desportegido por efectos del nitrógeno; la señal en 138.84 con el C-4; la señal de

carbono de los metilos C-12 en 31.55; la señal con desplazamiento en δ=128.97 corresponde al

carbono C-8 así como la señal en 127.67 para el C-5. El carbono C-7 tiene un desplazamiento en

130.32 ppm y el carbono C-6 se asigna a la señal en 127.50. Con el experimento HMBC se

asignaron las señales para para los carbonos restantes. El protón H-2 muestra una correlación a

tres enlaces con el carbono C-9 en 78.83 y el protón H-12 muestra correlación con C-10, ambos

carbonos constituyen el triple enlace de la molécula. El protón H-4 y el protón H-2 muestran

correlación con el C-8 a en 146.24 ppm. El protón en 8.08 (H-8) muestra correlación a tres enlaces

con el carbono C-6 y con el carbono C-4 a. Por su desplazamiento el carbono C-11 se asigna a la

señal en 65.18 correspondiente al carbono terciario unido al hidroxilo. Finalmente el carbono C-3

se asigna a la señal en 117.27 ppm.

Figura 36. Espectro de RMN de 13C del compuesto 6.

47

IV.7 Caracterización de 3-etinilquinolina (7)

Figura 37. Síntesis de la 3-etinilquinolina (7).

Una vez obtenido el compuesto 6 y bajo las condiciones de reacción indicadas en la Figura 37, se

obtuvo la 3-etinilquinolina; la caracterización espectroscópica de ésta mostró las siguientes

características: el espectro de RMN de 1H (Fig. 38) permite distinguir 7 señales correspondientes a

los protones del compuesto 7. La formación del compuesto 7 se confirma por la aparición del

protón acetilínico en 3.27 y la desaparición de las señales del grupo 2-hidroxipropil.

Figura 38. Espectro de RMN de 1H para el compuesto 7.

Del espectro de RMN de 13C (Fig. 39) se determina que el carbono C-4a muestra un

desplazamiento de 127.09. En 81.03 y 80.61 se observan los carbonos del grupo acetileno (C-10 y

C-9). El experimento HMBC (Figuras 40 y 41) permitió confirmar las asignaciones de protón y

carbono, encontrándose las siguientes correlaciones a tres enlaces: C-2 en δ= 152.33 con H-4; a su

vez H-4 con δ=8.26 con C-9 del grupo acetileno, con C-5 y con C-8a, asignando C-4 a la señal de

139.42. Además el protón H-8 en 8.08 muestra correlaciones con el carbono C-4ª, asignando C-6

48

en 127.46. El protón H-6 en 7.55 muestra una correlación a tres enlaces con el carbono 4a

asignando C-6 en 127.46. El protón H-5 en 7.71 correlaciona con C-7 y con C-4, asignando la señal

en δ=127.69 a este último carbono; finalmente C-7 en 130.47 y H7 en 7.76.

Figura 39. Espectro de RMN de 13C de 3-etinilquinolina (7).

Este compuesto también cristalizó, de manera que puede consultarse el Anexo Cristalográfico para

más información. De esta forma con la síntesis de la 3-etinilquinolina se demuestra que el

MEBYNOL es un buen precursor del grupo acetileno gracias a una reacción de retro Favorskii,

cuando no se encuentran presentes grupos lábiles como son los ésteres.

49

Figura 40. Experimento HMBC del compuesto 7.

Figura 41. Ampliación del espectro del experimento HMBC del compuesto 7.

50

CAPÍTULO V

CONVENIENCIA DEL USO DEL MEBYNOL

CONTRA

ETINILTRIMETILSILANO

“Todo número es cero ante el infinito.”

Victor Hugo

51

V CONVENIENCIA DEL USO DE MEBYNOL CONTRA ETINILTRIMETILSILANO

Mucho se ha comentado sobre la necesidad de encontrar un método que permita acoplar alquinos

terminales a moléculas, sin participación de trialquilisililacetilenos, debido a su alto costo, que

hacen prácticamente imposible que su síntesis se escale más allá del laboratorio.

Entre los varios esfuerzos que se han realizado por encontrar un sustituto de los

trialquilsiliacetilenos se halla el uso del ácido acetilencarboxílico [48] y el 2-metil-3-butin-2-ol.

La síntesis del 4-etinilbenzoato de metilo estaba planeada utilizando una ruta económica dado que

el TMSA estaba restringido en su uso como se ha dicho anteriormente, debido a su alto costo. Así

pues, se buscó una ruta que utilizara materias primas económicas y maximizara los rendimientos.

Jie Li y Pengcheng Huang [47] motivados por el ahorro que resulta el utilizar MEBYNOL en lugar de

trialquisililacetilenos lograron reportar con muy buenos rendimientos la desprotección de

moléculas que habían sido acopladas al MEBYNOL para posteriormente obtener un alquino

terminal utilizando como catalizador una mezcla de Hidróxido de tetrabutilamonio con metanol.

Los precios que manejaron tomándolos de la casa Alfa Aesar fueron 0.3 USD por cada gramo de

MEBYNOL contra 14 USD por gramo de TMSA.

Con este marco de referencia, se realizó un comparativo con datos de los precios en el mercado de

estos mismos reactivos de la página de Aldrich [49]. Los datos se condensan en la siguiente tabla:

Tabla 3. Comparación de precios de entre el TMSA y el MEBYNOL.

A partir de la comparación realizada y la disponibilidad en alto volumen del MEBYNOL (ver Tabla

3), se eligió este último como materia prima para la síntesis del alquino terminal; se diseñó una

Etiniltrimetilsilano1 MEBYNOL2

Masa (g)

Volumen (ml)

Precio3 ($)

$/g Masa (g)

Volumen (ml)

Precio3 ($)

$/g

1 1.44 427 427 - - - -

5 7.19 1026 205.2 4.34 5 370 85.3

25 35.97 3240 129.6 86.8 100 411 4.7

100 143.88 10530 105.3 - - - -

- - - - 868 1000 1154 1.3

1 El compuesto se comercializa en gramos a pesar de ser líquido.

2 El compuesto se comercializa en volumen.

3 Precios dados en Pesos Mexicanos

52

ruta de reacción que a través de un acoplamiento de Sonogashira y una posterior desprotección

(Reacción de retro Favorskii) permitiera obtener el compuesto 3.

Las condiciones reportadas hasta el momento para eliminar el grupo 2-hidroxipropil son severas y

se llevan a cabo en presencia de bases fuertes, con altas temperaturas y a reflujo con Tolueno o n-

butanol [42]. Estas condiciones limitaron la obtención del compuesto deseado dada la presencia

del grupo éster que formaba un carboxilato como producto principal en condiciones básicas.

En un principio, se mezclaron en un matraz balón el compuesto 4 con 1.2 equivalentes de NaOH

en tolueno seco y a reflujo con una temperatura de 125 ºC durante 6 horas; una vez obtenido el

carboxilato, se esterificaba one-pot con Me2SO4 durante 2 horas en sistema cerrado a una

temperatura más baja, 60 ºC; sin embargo, los rendimientos conseguidos fueron bajos. De acuerdo

a la literatura [49], es posible desproteger compuestos con sustratos similares a los del compuesto

4 de una forma más eficiente mediante la adición de pequeñas cantidades de Nbu4OH (10% mol) o

de Nbu4I [43] (Tabla 4); mas, a pesar de seguir la metodología, la reacción no procedió.

Se aisló el 4-etinilbenzoato de sodio (carboxilato) y se intentó metilarlo con Me2SO4 en presencia

de HMPA; la reacción no procede. Numerosos intentos se realizaron entre los que destacan el uso

del carbonato de dimetilo ((MeO)2CO) como agente metilante sin obtener un avance en la

reacción.

La reacción de desprotección óptima se consiguió al utilizar una base fuerte como lo es el

hidróxido de sodio en exceso (2 equivalentes) (agregarlos después de haber sido pulverizados, ya

que en muchas ocasiones, no se disolvían, lo que dificultaba la reacción), primeramente dejando

reaccionar durante 4 horas, y enseguida adicionando Me2SO4 (4 equivalentes) dejando reaccionar

por 2 horas más. Aun así, la reacción no es escalable ya que se presentan problemas al poner a

reaccionar más de 0.6 g del compuesto 4. Aunado a esto, los rendimientos obtenidos no son

reproducibles, se lograron rendimientos que van desde el 10% hasta el 70%.

Tabla 4. Condiciones de reacción para obtener el carboxilato primeramente, para después metilar

Ejemplo Aditivo Disolvente NaOH

(Equiv) Temp (ºC)

Tiempo (h)

Rendimiento (%)

1 Nbu4I n-Butanol 4 115 6 0 2 Nbu4OH Tolueno 4 75 6 0

53

Tabla 5. Condiciones de reacción one-pot de desprotección del compuesto 4.

Ejemplo Disolvente NaOH

(equiv) Temp (ºC)

Tiempo 1 (h)

Agente metilante

Tiempo 2 (h)

Temp (ºC)

Rendimiento (%)

3 HMPA 4 235 5 Me2SO4 - 235 0 4 Acetona 1.2 115 4 - - - 0 5 Tolueno 2 115 4 Me2CO3 2 60 0 6 n-Butanol 1.2 115 4 Me2SO4 2 60 10 7 Tolueno 2 115 4 Me2SO4 2 60 10-70

Con base en el bajo costo del MEBYNOL y los altos rendimientos del paso de acoplamiento al 1-

bromobenzoato de metilo (95%), es posible decir que es más conveniente el uso del MEBYNOL

que de TMSA como precursor de alquinos terminales; no obstante, en la etapa de hidrólisis, un

punto altamente restrictivo es la presencia de enlaces lábiles como lo es el grupo éster en la

molécula de interés, que bajo condiciones de pH altamente básicos da lugar a la formación de un

carboxilato y genera la necesidad de una reacción de metilación.

54

CAPÍTULO VI

PERSPECTIVAS

“It’s not the finish line that matters,

It’s having the courage to start”

55

VI PERSPECTIVAS

Con los resultados obtenidos es deseable y posible obtener el compuesto 5 por otros medios de

reacción que no necesariamente involucren el uso de MEBYNOL, que utilicen condiciones menos

severas para remover el grupo 2-hidroxipropil o incluso que pueda prescindirse de este

compuesto. Por lo anterior, el Esquema 4 resume algunas rutas de reacción propuestas para

sintetizar el compuesto 5 que no necesariamente involucran el uso de MEBYNOL o de TMSA como

precursores del alquino terminal y muchas veces son complementarias entre sí.

Esquema 4. Rutas de reacción propuestas para sintetizar el compuesto 5.

56

VI.1 Ruta A

Esta ruta es equivalente a la segunda utilizada en esta tesis, salvo que se presentan alternativas

para la metilación del compuesto 12. Se ha demostrado que puede incluso no protegerse el grupo

carboxílico y partir del ácido 4-bromobenzoico [50], acoplándose directamente con el MEBYNOL y

desprotegiendo para obtener el compuesto 12, como se muestra en la Figura 42.

Figura 42. Rutas alternas de síntesis del compuesto 3-etinilbenzoato de metilo (3).

La metilación del compuesto 12 puede realizarse por la reacción de Meerwein [51] utilizando la sal

correspondiente de oxonio con diisopropiletilamina y cloruro de metileno como disolvente. Otra

opción es por medio de la alquilación de Haworth [51] (utilizando dimetilsulfato) pero esta vez en

THF como disolvente y con hidróxido de litio. También se ha reportado que la metilación puede

ser llevada a cabo con Me2CO3 pero a diferencia de la condiciones aquí planteadas, debe utilizarse

1,8-Diazabicicloundec-7-eno (DBU) por un periodo de 24 h y con calor [51]. Incluso se ha

reportado que se obtienen rendimientos buenos ( 70%) si se lleva a cabo la clásica esterificación

de Fischer [52].

La obtención del compuesto 12 no se llevó a cabo porque el ácido es altamente inestable y da

lugar a una fácil polimerización a temperatura ambiente [37].

VI.2 Ruta B

Figura 43. Síntesis de 1-bromo-4-etinilbenceno (14).

57

La Ruta de síntesis B (Fig. 43) contempla la reducción catalizada por B(C6F5)3 del ácido 4-

bromobenzoico para obtener el 4-bromobenzaldehído (compuesto 13) [53], posteriormente

mediante una reacción de Corey-Fuchs se obtendría el 1-bromo-4-etinilbenceno (14) [54-55].

Paralelamente se sintetiza el éster 4-iodobenzoato de metilo y se hace reaccionar con el

compuesto 14 para obtener el compuesto 17 mediante un acoplamiento cruzado de Sonogashira.

Debido a la alta reactividad del yodo, la reacción entre el compuesto 14 y 15 implicaría tiempos

de reacción y purificación, para evitar la posible polimerización u homoacoplamiento de los

compuestos dando lugar a productos indeseados. Finalmente el compuesto 5 se puede obtener

con otra reacción de Sonogashira entre el compuesto 17 y el compuesto 3.

VI.3 Ruta C

Figura 44. Síntesis del 4,4’-(1,4-fenilenbis(etin-1,2-diil))diácido benzóico (18).

La Ruta C retoma la síntesis del compuesto 14 y lo hace reaccionar mediante un acoplamiento de

Sonogashira con el 1,4-diyodobenceno para obtener el 1,4-bis(2-(4-bromofenil)etinil)benceno. El

compuesto 18 (Fig. 44) se obtendría mediante una reacción de hidroxicarbonilación [56] catalizada

por paladio. Posteriormente el último paso sería la metilación del compuesto 18 por alguna de las

formas descritas en la Ruta A [51].

58

VI.4 Ruta D

Figura 45. Síntesis del 4,4’-(1,4-fenilen)bis(2-metil-3-butin-2-ol) (19).

La Ruta D comprende la obtención del compuesto 19 al hacer reaccionar el 1,4-diyodobenceno por

medio de un acoplamiento cruzado de Sonogashira con un exceso de MEBYNOL (Figura 45) para

garantizar el acoplamiento en las posiciones 1 y 4 y su posterior desprotección como se ha

descrito previamente.

El paso final es la reacción del compuesto 20 con el éster benzoico (con cualquiera de los

halógenos en la posición para) para obtener el compuesto 5 por una reacción de Sonogashira (ver

Esquema 4).

VI.5 Ruta E

Figura 46. Síntesis del compuesto 5 por medio de la reacción entre un ácido borónico y un haluro

alquinílico.

59

La Ruta E (Fig. 46) constituye una de las formas más interesantes para obtener el rotor molecular.

Empieza con la síntesis del ácido 4-carbometoxidiborónico (28) a partir del 4-bromo –o yodo-

benceno y una síntesis de Grignard en presencia de cloruro de isopropilmagnesio a temperatura

ambiente y del bis[2-(N,N-dimetilamino)etil]éter para reaccionar posteriormente con electrófilos

como el trimetilborato [57]. Aparte la preparación del 1,4-bis(diyodoetinil)benceno (compuesto

27) puede llevarse a cabo por la oxidación anódica en presencia de yoduro de sodio [58] o por

yodación directa de alquinos terminales utilizando 4-dimetilaminopiridina [59] teniendo como

precursor al compuesto 25 con todas la posibles formas de preparación ya descritas.

La reacción entre el compuesto 27 y 28 se llevaría a cabo mediante una reacción entre haluros

alquinílicos y ácidos borónicos [60-61].

VI.6 Otras posibles rutas

Las rutas planteadas son solo algunos caminos que conducen a la síntesis del compuesto 5; sin

embargo, debe recordarse que existen múltiples métodos de síntesis y que actualmente se

encuentran desarrollando nuevos, por ejemplo: el acoplamiento entre el alquino terminal y el

halogenuro también podría llevarse a cabo por un acoplamiento variando las condiciones

catalíticas no involucrando cloruro de zinc y cambiando el ligante de paladio [62].

También podría ser factible cambiar el grupo protector éster de ser un metilo a un grupo más

voluminoso que pueda ser sometido a condiciones muy básicas de reacción y no de paso a la

formación del carboxilato, como es el caso del t-butil éster [63] para protección del grupo

carbonilo.

60

CAPÍTULO VII

CONCLUSIONES

“Algunos finales son felices, otros tan sólo necesarios”

61

VII CONCLUSIONES

Conforme a los objetivos planteados se logró sintetizar y caracterizar un rotor con un grupo

fenileno y dos grupos alquinos (en posiciones 1 y 4) que de acuerdo a la literatura brindan una

mayor barrera conformacional, lo cual puede ser útil al usar la molécula como proligante en la

construcción de un MOF.

Se evaluó el uso del MEBYNOL por ser un reactivo económicamente rentable en comparación al

TMSA; sin embargo, aunque la motivación económica es grande, los resultados obtenidos

demuestran que para el caso específico de la síntesis de moléculas con grupos funcionales ésteres

y debido a que éstos son sensibles a bases fuertes, la remoción del grupo 2-hidroxipropil resulta

muy difícil porque las condiciones hasta ahora reportadas son demasiado severas y dan lugar a la

formación del carboxilato. Éste problema se intentó resolver con una reacción de metilación con

Me2SO4, no obstante, los rendimientos obtenidos no fueron reproducibles aunque se realizaron

varios intentos variando condiciones e incluyendo el uso de catalizadores como el Nbu4I y el

Nbu4OH. A escala industrial este proceso no es recomendable.

Se encontraron las condiciones de desprotección del compuesto 4 con resultados de bajos a

buenos, pero éstos no son reproducibles, lo que no permite la comparación de forma cuantitativa

del uso del MEBYNOL y del TMSA. El mismo procedimiento se ha probado con moléculas que no

contienen grupos éster obteniendo buenos rendimientos. Se realizó el acoplamiento del MEBYNOL

con la quinolina para comprobar que este compuesto es un buen precursor de acetilenos

terminales. Se realizó la reacción de retro-Favorskii (desprotección) de la quinolina dando lugar a

la 3-etinilquinolina con buenos resultados, confirmando que la desprotección en el caso del

compuesto 4 es difícil por presentar un grupo éster.

Se plantearon varias rutas de reacción alternas que dan pauta, si así se desea, a la obtención del

compuesto 3 por medios alternativos y que no involucran necesariamente el uso de TMSA para

posteriormente escalar la reacción y que ésta sea costeable.

La metilación realizada one-pot al compuesto 4 desprotegido debe ser perfeccionada de manera

que se encuentren las condiciones que proporcionen la reproducibilidad de los resultados. Los

rendimientos varían debido a la fácil descomposición del sulfato de dimetilo en el monosulfato y

ácido sulfúrico, produciendo una reacción inmediata con el hidróxido de sodio presente en la

reacción. Además debe ser resaltado que este tipo de agentes electrófilos presentan un alto riesgo

de toxicidad [39] por lo que su uso en el laboratorio y en la industria se ha restringido buscando

agentes más seguros. Si la reacción se desea optimizar debe ser encontrando reactivos más

“amigables” con el medio ambiente y que a la vez reporten buenos rendimientos.

62

ANEXO CRISTALOGRÁFICO

Los compuestos 4, 7 y 10 cristalizaron de manera adecuada de modo que fue posible hacer un

estudio cristalográfico por difracción de rayos X. A continuación se muestran los resultados

obtenidos.

El 4-(3-hidroxi-3-metil-1-butin-1-il)benzoato de metilo fue cristalizado por una combinación de

difusión líquido-vapor de hexano en benceno y posterior evaporación lenta de la disolución

resultante. La Figura 47 es la representación del diagrama ORTEP de la molécula. Este compuesto

cristalizó en el grupo espacial ortorrómbico con 8 moléculas del compuesto 4 por celda unitaria.

a)

Figura 47. a) Diagrama ORTEP de la estructura del compuesto 4. Los elipsoides están dibujados a un 30 % de probabilidad para todos los átomos excepto H, representados como esferas de radio arbitrario.

b) b) Diagrama de empaquetamiento del compuesto 4, resaltando las interacciones cooperativas de puente de hidrogeno y del tipo C-H···O.

63

Para la 3-etinilquinolina se obtuvieron cristales adecuados para la difracción mediante la

evaporación lenta de una solución mezcla hexano acetato de etilo (90:10). El compuesto cristalizó

en el grupo espacial ortorrómbico con 4 moléculas del compuesto 7 por celda unitaria (Figura 48).

a)

Figura 48. a) Celda unitaria del compuesto 7.

b) Diagrama de empaquetamiento del compuesto 7, las interacciones de puente de hidrogeno se resaltan con línea punteadas, las interacciones cara cara (flecha doble) e interacciones borde cara

(con flecha sencilla).

b)

64

Para el 2,7-dimetil-3,5-octadien-2,7-diol los cristales fueron obtenidos por evaporación lenta de

una disolución de acetato de etilo. Este compuesto cristalizó en el sistema cristalino Trigonal, con

9 moléculas del compuesto 10 por celda unitaria (Figura 49).

a)

Figura 49. a) Diagrama ORTEP del compuesto 10. Los elipsoides están dibujados a un 30 % de probabilidad para todos los átomos excepto H, representados como esferas de radio arbitrario. b) Diagrama del empaquetamiento del compuesto 10 donde los espacios vacíos se representan como elementos esféricos, considerando el volumen calculado se tienen esfera de 3.6 Å de radio.

b)

65

Los datos cristalográficos colectados se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 6. Datos cristalográficos de los compuestos 4, 7 y 10.

Parámetros Compuesto 4 Compuesto 7 Compuesto 10

Formula Empírica C13H14O3 C11H7N1 C10H14O2

Peso molecular 218.24 153.18 166.21

Longitud de onda (Ǻ) 0.71073 0.71073 0.71073

Grupo Espacial Pbca P212121 R3

Sistema cristalino Ortorrómbico Ortorrómbico Trigonal

ɑ (Ǻ) 15.77230(29) 16.73690(170) 22.41360(80)

b (Ǻ) 5.86340(10) 4.01600(40) 22.41360(80)

c (Ǻ) 25.80830(50) 12.05530(100) 6.38650(20)

α (º) 90.0000 90.0000 90.0000

β (º) 90.0000 90.0000 90.0000

γ (º) 90.0000 90.0000 120.0000

Volumen (Ǻ3) 2386.719(76) 810.302(133) 2778.541(165)

Z 8 4 9

Tamaño del cristal (mm) 0.175 x 0.1 x 0.05 0.2 x 0.1 x 0.05 0.213 x 0.13 x 0.15

Coeficiente de Absorción (mm-1) 0.086 0.074 0.061

Rango de θ para la colección de

los datos (o) 2.910 to 27.485 2.910 to 27.485 2.910 to 27.485

Rango de los índices de Miller.

-20 ≤ h ≤ 20

-7 ≤ k ≤ 7

-33 ≤ l ≤ 33

-21 ≤ h ≤ 21

-5 ≤ k ≤ 4

-15 ≤ l ≤ 15

-29 ≤ h ≤ 14

0 ≤ k ≤ 29

-8 ≤ l ≤ 8

Reflexiones colectadas 43463 7729 2812

Reflexiones Únicas (Rint) 2708 (.0592) 1709 (0.0991) 2812 (0.0657)

D (mg/m3) 1.214 1.256 0.894

Datos/ Parámetros /

Restricciones 2708 / 152 / 1 1709 / 109 / 1 2812 / 121 / 1

Bondad del ajuste sobre F2 1.045 1.116 0.969

Índices R finales R1= 0.0490

WR2= 0.1162

R1= 0.0592

WR2= 0.1231

R1= 0.0491

WR2= 0.1155

66

Índices R (todos los datos) R1= 0.0821

WR2= 0.1348

R1= 0.0961

WR2= 0.1389

R1= 0.1057

WR2= 0.1304

Parámetro de Estructura

Absoluta No Aplica Sin significado Sin significado

Máximo en la Diferencia de

densidad electrónica (e∙Å-3) 0.139 0.193 0.159

Mínimo en la Diferencia de

densidad electrónica. (e∙Å-3) -0.144 -0.190 -0.126

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