Estructuras Quirales Inteligentes
(VIDEO: Motivación incluyendo propósito, visión y misión)
1. Motivación
Los sistemas quirales son aquellos no superponibles con sus imágenes especulares y pueden existir en dos formas enantioméricas. Cuando las moléculas quirales interactúan con una entidad aquiral, los dos enantiómeros opuestos son indistinguibles. Sin embargo, responden de manera diferente cuando interactúan con otra entidad quiral, por ejemplo receptores quirales en nuestro cuerpo, como en el famoso caso de la talidomida.1 A parte de las moléculas, la luz también puede ser quiral, como la luz circularmente polarizada (CPL), y la diferente respuesta de un sistema quiral cuando interactúa con luces con helicidad opuesta da lugar a las espectroscopías quirópticas, como el dicroísmo circular (CD) o la rotación óptica (ORD). Los campos electromagnéticos pueden ser absorbidos por las moléculas cuando la energía del fotón incidente coincide con la diferencia de energía entre el estado fundamental y los estados excitados de las especies con las que interactúan. La intensidad de la absorción en un espectro ultravioleta visible (UV/Vis) depende únicamente del desplazamiento de la densidad electrónica durante la transición electrónica, el momento dipolar eléctrico de transición (TEDM). Sin embargo, la intensidad de las bandas de CD y ORD dependen también de la dimensión del momento magnético generado en dicho desplazamiento de la densidad electrónica, el momento dipolar magnético de transición (TMDM), así como en el ángulo entre TEDM y TMDM.2
Esta dependencia del TMDM hace que las espectroscopias quirópticas sean extremadamente sensibles a la geometría del sistema estudiado y, es por ello por lo que se han utilizado para la determinación de la configuración absoluta, así como para asignación conformacional y determinación estructural en niveles de orden más complejos como estructuras cuaternarias de proteínas y ADN u ordenamiento tridimensional de polímeros y geles. Asimismo, la alta sensibilidad de las respuestas quirópticas a las interacciones supramoleculares permiten la monitorización de procesos de reconocimiento molecular.3 Por otro lado, se ha demostrado que los sistemas quirales presentan pueden presentar selectividad al espín del electrón. Este hecho ha tenido una notable repercusión en campos tan diversos como el reconocimiento y la electrónica molecular o la catálisis.4 Además, modelos teóricos recientes han demostrado que el desarrollo de sistemas reales exhibiendo orbitales moleculares helicoidales podría dar un impulso definitivo a la espintrónica.5 Esta tecnología emergente que se fundamenta en el control del espín de los electrones, presenta frecuencias y eficiencias energéticas muy competitivas comparado con la electrónica.6
Por todo ello, el proyecto EQIs propone desarrollar estructuras quirales inteligentes mediante el diseño y la síntesis de sistemas quirópticos robustos, el esclarecimiento de los mecanismos responsables de su comportamiento, y evaluación para su implementación en aplicaciones quirópticas y espintrónicas.
1. Motivación
Los sistemas quirales son aquellos no superponibles con sus imágenes especulares y pueden existir en dos formas enantioméricas. Cuando las moléculas quirales interactúan con una entidad aquiral, los dos enantiómeros opuestos son indistinguibles. Sin embargo, responden de manera diferente cuando interactúan con otra entidad quiral, por ejemplo receptores quirales en nuestro cuerpo, como en el famoso caso de la talidomida.1 A parte de las moléculas, la luz también puede ser quiral, como la luz circularmente polarizada (CPL), y la diferente respuesta de un sistema quiral cuando interactúa con luces con helicidad opuesta da lugar a las espectroscopías quirópticas, como el dicroísmo circular (CD) o la rotación óptica (ORD). Los campos electromagnéticos pueden ser absorbidos por las moléculas cuando la energía del fotón incidente coincide con la diferencia de energía entre el estado fundamental y los estados excitados de las especies con las que interactúan. La intensidad de la absorción en un espectro ultravioleta visible (UV/Vis) depende únicamente del desplazamiento de la densidad electrónica durante la transición electrónica, el momento dipolar eléctrico de transición (TEDM). Sin embargo, la intensidad de las bandas de CD y ORD dependen también de la dimensión del momento magnético generado en dicho desplazamiento de la densidad electrónica, el momento dipolar magnético de transición (TMDM), así como en el ángulo entre TEDM y TMDM.2
Esta dependencia del TMDM hace que las espectroscopias quirópticas sean extremadamente sensibles a la geometría del sistema estudiado y, es por ello por lo que se han utilizado para la determinación de la configuración absoluta, así como para asignación conformacional y determinación estructural en niveles de orden más complejos como estructuras cuaternarias de proteínas y ADN u ordenamiento tridimensional de polímeros y geles. Asimismo, la alta sensibilidad de las respuestas quirópticas a las interacciones supramoleculares permiten la monitorización de procesos de reconocimiento molecular.3 Por otro lado, se ha demostrado que los sistemas quirales presentan pueden presentar selectividad al espín del electrón. Este hecho ha tenido una notable repercusión en campos tan diversos como el reconocimiento y la electrónica molecular o la catálisis.4 Además, modelos teóricos recientes han demostrado que el desarrollo de sistemas reales exhibiendo orbitales moleculares helicoidales podría dar un impulso definitivo a la espintrónica.5 Esta tecnología emergente que se fundamenta en el control del espín de los electrones, presenta frecuencias y eficiencias energéticas muy competitivas comparado con la electrónica.6
Por todo ello, el proyecto EQIs propone desarrollar estructuras quirales inteligentes mediante el diseño y la síntesis de sistemas quirópticos robustos, el esclarecimiento de los mecanismos responsables de su comportamiento, y evaluación para su implementación en aplicaciones quirópticas y espintrónicas.
2. Propósito, visón y misión
Propósito: Avanzar en el desarrollo de estructuras quirales inteligentes adecuadas para su implementación en aplicaciones que beneficien a la sociedad.
Visión: Consolidación de tecnologías emergentes gracias a la disponibilidad de sistemas quirales adecuados.
Misión: Diseño, síntesis y caracterización de sistemas quirales con el fin de: i) funcionalizar superficies para aplicaciones quirópticas; ii) generar orbitales moleculares helicoidales para su uso en espintrónica. Al mismo tiempo, comunicación con grupos de investigación y empresas involucradas en el desarrollo de tecnologías emergentes y diseminación los principales logros del proyecto la sociedad con el fin de promover la implementación de las EQIs desarrolladas en tecnologías emergentes.
Propósito: Avanzar en el desarrollo de estructuras quirales inteligentes adecuadas para su implementación en aplicaciones que beneficien a la sociedad.
Visión: Consolidación de tecnologías emergentes gracias a la disponibilidad de sistemas quirales adecuados.
Misión: Diseño, síntesis y caracterización de sistemas quirales con el fin de: i) funcionalizar superficies para aplicaciones quirópticas; ii) generar orbitales moleculares helicoidales para su uso en espintrónica. Al mismo tiempo, comunicación con grupos de investigación y empresas involucradas en el desarrollo de tecnologías emergentes y diseminación los principales logros del proyecto la sociedad con el fin de promover la implementación de las EQIs desarrolladas en tecnologías emergentes.
3. Antecedentes
3.1. Sistemas quirópticos robustos: de alenos a espiranos
(VIDEO)
Similar a la talidomida, la propiedad de quiralidad en las moléculas a menudo es introducida por un centro estereogénico. Otra fuente de quiralidad es un eje quiral, que puede considerarse como una línea asimétrica que intersecta dos planos ortogonales.7 La manifestación de la quiralidad en alenos y espiranos se origina a partir de dos pares de grupos diferentes que se colocan en planos perpendiculares. Para determinar la configuración absoluta (AC) de un eje quiral, se emplean las reglas de Cahn-Ingold-Prelog (CIP). Primero, los átomos / grupos en el mismo plano se priorizan en función de sus números atómicos. Esto implica que un grupo / átomo con el número atómico más alto se clasifica como 1. Después de clasificar los sustituyentes del 1 al 4, el sentido de rotación se determina al enfocarse en aquellos con la mayor prioridad en cada plano y mirar a través del eje quiral. El estereodescriptor (P) representa una rotación en sentido horario, mientras que una rotación en sentido antihorario se expresa mediante el estereodescriptor (M).
Se ha demostrado que los ejes quirales son fragmentos versátiles para la construcción de sistemas moleculares con geometrías diversas. Este apartado de la propuesta presenta con texto en verde las contribuciones más significativas de nuestro equipo, smart chiral frameworks, al desarrollo de sistemas quirópticos comenzando con dietinilalenos (DEA) para luego pasar a elementos constructivos más robustos, los diethynylspirobifluorenes (DES). Resultados relacionados por otros son presentados brevemente indicando el equipo de investigación correspondiente.
3.1. Sistemas quirópticos robustos: de alenos a espiranos
(VIDEO)
Similar a la talidomida, la propiedad de quiralidad en las moléculas a menudo es introducida por un centro estereogénico. Otra fuente de quiralidad es un eje quiral, que puede considerarse como una línea asimétrica que intersecta dos planos ortogonales.7 La manifestación de la quiralidad en alenos y espiranos se origina a partir de dos pares de grupos diferentes que se colocan en planos perpendiculares. Para determinar la configuración absoluta (AC) de un eje quiral, se emplean las reglas de Cahn-Ingold-Prelog (CIP). Primero, los átomos / grupos en el mismo plano se priorizan en función de sus números atómicos. Esto implica que un grupo / átomo con el número atómico más alto se clasifica como 1. Después de clasificar los sustituyentes del 1 al 4, el sentido de rotación se determina al enfocarse en aquellos con la mayor prioridad en cada plano y mirar a través del eje quiral. El estereodescriptor (P) representa una rotación en sentido horario, mientras que una rotación en sentido antihorario se expresa mediante el estereodescriptor (M).
Se ha demostrado que los ejes quirales son fragmentos versátiles para la construcción de sistemas moleculares con geometrías diversas. Este apartado de la propuesta presenta con texto en verde las contribuciones más significativas de nuestro equipo, smart chiral frameworks, al desarrollo de sistemas quirópticos comenzando con dietinilalenos (DEA) para luego pasar a elementos constructivos más robustos, los diethynylspirobifluorenes (DES). Resultados relacionados por otros son presentados brevemente indicando el equipo de investigación correspondiente.
3.1.1. Dietinilalenos quirópticos
Los alenos son considerados como una clase importante de hidrocarburos caracterizados por un marco "C=C=C". Los enlaces π, así como los sustituyentes unidos a los carbonos terminales en los alenos, se colocan ortogonalmente alrededor del carbono central. Tal disposición de 90° hace que los alenos sean axialmente quirales cuando se sustituyen adecuadamente.8 La estructura de los alenos fue predicha por primera vez por J.H. van't Hoff en 1875 y Maitland y Mills proporcionaron evidencia experimental sobre la actividad óptica de los alenos en 1935.9,10 Actualmente, la química de allenes está bien establecida. Las reacciones catalizadas tradicionales11 o metálicas,12 por ejemplo, dan acceso a diversos derivados alénicos. Los alenos no solo sirven como un material de partida versátil13 o intermedio,14 sino que también se encuentran en la naturaleza.
Con el objetivo de construir sistemas quirópticos, se han incorporado varios sustituyentes en carbonos terminales alénicos y se ha prestado especial atención en retener la estabilidad de los compuestos resultantes. Específicamente, los 1,3-dietinilalenos quirales (DEA) han servido como un elemento valioso para la formación de topologías excepcionales. El grupo Diederich describió la preparación de la primera DEA estable (±)-1 en 2001 como una mezcla racémica a través de una reacción de acoplamiento cruzado de tipo SN2' regioselectiva.15 En los años siguientes, la misma estrategia sintética produjo una serie de derivados de DEA y la presencia de grupos tert-butilo, impedidos estéricamente, en los átomos de carbono terminales mejoraron considerablemente la estabilidad de los DEA.16–18 Combinando la robustez de alenos funcionalizados con tert-butilo con quiralidad axial, se ha desarrollado una amplia gama de arquitecturas 3D ricas en carbono que incluyen oligómeros cíclicos y abiertos o incluso estructuras moleculares en forma de jaula.
Los alenos son considerados como una clase importante de hidrocarburos caracterizados por un marco "C=C=C". Los enlaces π, así como los sustituyentes unidos a los carbonos terminales en los alenos, se colocan ortogonalmente alrededor del carbono central. Tal disposición de 90° hace que los alenos sean axialmente quirales cuando se sustituyen adecuadamente.8 La estructura de los alenos fue predicha por primera vez por J.H. van't Hoff en 1875 y Maitland y Mills proporcionaron evidencia experimental sobre la actividad óptica de los alenos en 1935.9,10 Actualmente, la química de allenes está bien establecida. Las reacciones catalizadas tradicionales11 o metálicas,12 por ejemplo, dan acceso a diversos derivados alénicos. Los alenos no solo sirven como un material de partida versátil13 o intermedio,14 sino que también se encuentran en la naturaleza.
Con el objetivo de construir sistemas quirópticos, se han incorporado varios sustituyentes en carbonos terminales alénicos y se ha prestado especial atención en retener la estabilidad de los compuestos resultantes. Específicamente, los 1,3-dietinilalenos quirales (DEA) han servido como un elemento valioso para la formación de topologías excepcionales. El grupo Diederich describió la preparación de la primera DEA estable (±)-1 en 2001 como una mezcla racémica a través de una reacción de acoplamiento cruzado de tipo SN2' regioselectiva.15 En los años siguientes, la misma estrategia sintética produjo una serie de derivados de DEA y la presencia de grupos tert-butilo, impedidos estéricamente, en los átomos de carbono terminales mejoraron considerablemente la estabilidad de los DEA.16–18 Combinando la robustez de alenos funcionalizados con tert-butilo con quiralidad axial, se ha desarrollado una amplia gama de arquitecturas 3D ricas en carbono que incluyen oligómeros cíclicos y abiertos o incluso estructuras moleculares en forma de jaula.
3.1.2. Oligómeros alenoacetilénicos puros
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Los oligómeros acíclicos monodispersos pueden adoptar conformaciones altamente ordenadas imitando las biomoléculas en disolución.19 Este tipo de estructuras pueden presentar disposiciones helicoidales reguladas a través de interacciones no covalentes,20 unión de iones metálicos21 o preferencias conformacionales de los grupos de la columna vertebral,22 entre otros. Dado el hecho de que puede prevalecer una organización helicoidal única junto con intensas respuestas quirópticas, los oligómeros quirales abiertos son candidatos particularmente atractivos. Después de la preparación de derivados estables, los oligómeros DEA acíclicos se sintetizaron como mezclas racémicas18 a través de un acoplamiento oxidativo de acetilenos alénicos en condiciones de Hay.23 La primera publicación de oligómeros alenoacetilénicos acíclicos enantiopuros se realizó en 2010.24 Comenzando con bloques de construcción DEA enantioméricamente puros, se obtuvieron dímeros quirópticos monodispersos, tetrámeros, octámeros y hexadecámeros a través de varios pasos de desprotección selectiva de restos de alcohol dimetílico y reacciones de homodimerización catalizadas por Pd. La estabilidad fotoquímica y térmica de los monómeros y oligómeros de DEA se determinó por medio de espectroscopía 1H NMR y ECD. Para arrojar luz sobre las respuestas quirópticas, se realizaron mediciones de ECD en monómeros enantioméricamente puros, así como en oligómeros. Al pasar de los DEA monoméricos a los hexadecaméricos, hubo una relación no lineal entre las propiedades quirópticas y el número de monómeros. Combinando estos resultados con ORD y simulaciones TD-DFT se demostró que la amplificación quiróptica en estos oligómeros alenoacetilénicos monodispersos con ciertos grados de flexibilidad proviene de una conformación secundaria helicoidal. Por otro lado, el grupo de Diederich sintetizó oligómeros DEA enantiopuros con una secuencia alterna de espaciadores de butadiino y acetileno para bloquear relativamente el espacio conformacional del esqueleto allenico y aumentar sus respuestas quirópticas.25
Como se indicó anteriormente, los oligómeros acíclicos típicamente implican libertad conformacional. Esta limitación puede abordarse de alguna manera mediante el desarrollo de sus análogos cíclicos. Los análogos macrocíclicos del tetrámero (P)4-3 y (M)4-3 se sintetizaron a través de una homodimerización en tres pasos, desprotección total del grupo dimetilalcohol y reacciones de dimerización / ciclación en un paso de una manera enantioselectiva.26 En el paso final, la macrociclación acetilénica se realizó en condiciones de Eglinton-Galbraith27 utilizando el principio de pseudo-alta dilución para obtener de manera eficiente (P)4-4 y (M)4-4.
El uso de la DEA racémico llevó a diferentes estereoisómeros de 4 en una relación estadística 1:4:2:128 de homochiral (P)4-4 / (M)4-4, heterochiral (P,P,P,M)-4 / (M,M,M,P)-4 y los isómeros aquirales (P,P,M,M)-4 y (P,M,P,M)-4, respectivamente. Cuando se exploraron las propiedades ópticas de (P)4-4, (P,P,P,M)-4 y sus enantiómeros, los espectros UV/Vis de cada macrociclo fueron casi idénticos. Sin embargo, los perfiles de ECD, así como las intensidades de (P,P,P,M)-4 y (M,M,M,P)-4 diferían drásticamente de la de (P)4-4 y (M)4-4. Los efectos Cotton observados se interpretaron como el resultado de las diferentes simetrías presentadas por (P)4-4 y (P,P,P,M)-4. Las propiedades quirópticas de (P)4-4 fueron aproximadamente 100 veces más altas que las de sus monómeros. Si bien su notable ECD no pudo explicarse por una contribución total de los monómeros aislados, los cálculos de TD-DFT señalaron que la amplificación quiróptica está relacionada con la topología de los orbitales moleculares involucrados en las principales transiciones electrónicas. Esta familia de compuestos alénicos se expandió a macrociclos triméricos, pentaméricos y hexaméricos, e incluso a tetraméricos con separadores alternos de butadiino y acetileno por el grupo Diederich en los años siguientes.25,29 Con el fin de aumentar las capacidades de reconocimiento molecular, los sistemas alenoacetilénicos han sido funcionales.
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Los oligómeros acíclicos monodispersos pueden adoptar conformaciones altamente ordenadas imitando las biomoléculas en disolución.19 Este tipo de estructuras pueden presentar disposiciones helicoidales reguladas a través de interacciones no covalentes,20 unión de iones metálicos21 o preferencias conformacionales de los grupos de la columna vertebral,22 entre otros. Dado el hecho de que puede prevalecer una organización helicoidal única junto con intensas respuestas quirópticas, los oligómeros quirales abiertos son candidatos particularmente atractivos. Después de la preparación de derivados estables, los oligómeros DEA acíclicos se sintetizaron como mezclas racémicas18 a través de un acoplamiento oxidativo de acetilenos alénicos en condiciones de Hay.23 La primera publicación de oligómeros alenoacetilénicos acíclicos enantiopuros se realizó en 2010.24 Comenzando con bloques de construcción DEA enantioméricamente puros, se obtuvieron dímeros quirópticos monodispersos, tetrámeros, octámeros y hexadecámeros a través de varios pasos de desprotección selectiva de restos de alcohol dimetílico y reacciones de homodimerización catalizadas por Pd. La estabilidad fotoquímica y térmica de los monómeros y oligómeros de DEA se determinó por medio de espectroscopía 1H NMR y ECD. Para arrojar luz sobre las respuestas quirópticas, se realizaron mediciones de ECD en monómeros enantioméricamente puros, así como en oligómeros. Al pasar de los DEA monoméricos a los hexadecaméricos, hubo una relación no lineal entre las propiedades quirópticas y el número de monómeros. Combinando estos resultados con ORD y simulaciones TD-DFT se demostró que la amplificación quiróptica en estos oligómeros alenoacetilénicos monodispersos con ciertos grados de flexibilidad proviene de una conformación secundaria helicoidal. Por otro lado, el grupo de Diederich sintetizó oligómeros DEA enantiopuros con una secuencia alterna de espaciadores de butadiino y acetileno para bloquear relativamente el espacio conformacional del esqueleto allenico y aumentar sus respuestas quirópticas.25
Como se indicó anteriormente, los oligómeros acíclicos típicamente implican libertad conformacional. Esta limitación puede abordarse de alguna manera mediante el desarrollo de sus análogos cíclicos. Los análogos macrocíclicos del tetrámero (P)4-3 y (M)4-3 se sintetizaron a través de una homodimerización en tres pasos, desprotección total del grupo dimetilalcohol y reacciones de dimerización / ciclación en un paso de una manera enantioselectiva.26 En el paso final, la macrociclación acetilénica se realizó en condiciones de Eglinton-Galbraith27 utilizando el principio de pseudo-alta dilución para obtener de manera eficiente (P)4-4 y (M)4-4.
El uso de la DEA racémico llevó a diferentes estereoisómeros de 4 en una relación estadística 1:4:2:128 de homochiral (P)4-4 / (M)4-4, heterochiral (P,P,P,M)-4 / (M,M,M,P)-4 y los isómeros aquirales (P,P,M,M)-4 y (P,M,P,M)-4, respectivamente. Cuando se exploraron las propiedades ópticas de (P)4-4, (P,P,P,M)-4 y sus enantiómeros, los espectros UV/Vis de cada macrociclo fueron casi idénticos. Sin embargo, los perfiles de ECD, así como las intensidades de (P,P,P,M)-4 y (M,M,M,P)-4 diferían drásticamente de la de (P)4-4 y (M)4-4. Los efectos Cotton observados se interpretaron como el resultado de las diferentes simetrías presentadas por (P)4-4 y (P,P,P,M)-4. Las propiedades quirópticas de (P)4-4 fueron aproximadamente 100 veces más altas que las de sus monómeros. Si bien su notable ECD no pudo explicarse por una contribución total de los monómeros aislados, los cálculos de TD-DFT señalaron que la amplificación quiróptica está relacionada con la topología de los orbitales moleculares involucrados en las principales transiciones electrónicas. Esta familia de compuestos alénicos se expandió a macrociclos triméricos, pentaméricos y hexaméricos, e incluso a tetraméricos con separadores alternos de butadiino y acetileno por el grupo Diederich en los años siguientes.25,29 Con el fin de aumentar las capacidades de reconocimiento molecular, los sistemas alenoacetilénicos han sido funcionales.
3.1.3. Sistemas alenoacetilénicos funcionalizados
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La funcionalización de los sistemas alenoacetilénicos se logra sobre la base de la modificación periférica o del esqueleto. Con respecto al primer caso, el macrociclo tetramérico (P)4-4 ha sido decorado lateralmente con una amplia gama de grupos por el grupo de Diederich.30,31 Otra posible estrategia para funcionalizar arquitecturas alenoacetilénicas se basa en la inserción de diferentes grupos en la columna vertebral del sistema. Si los anillos aromáticos son puenteados por alenos en un macrociclo, el sistema resultante se llama alenofano. Tras los estudios pioneros sobre alenofanos realizados por Krause,32 así como por Clay y Fallis,33 varias unidades aromáticas se conectaron en para o meta. El enlace para de cuatro anillos de antraceno o piridina a través del mismo número de DEA dio lugar a [74]-antraceno-allenophane17 y [74]-pyridoallenophane34 como una mezcla de diastereoisómeros en una proporción estadística través de una serie de reacciones de acoplamiento cruzado y desprotección de Sonogashira.
La metodología paso a paso dificultó la preparación a gran escala, así como la modificación directa de la familia [74]-alenofano. Tal desafío fue abordado por [142]-alenofanos, para ello, dos anillos aromáticos fueron puenteados meta o para por cuatro DEA.35,36 La síntesis de cada [142]-alenofano requirió sólo tres pasos: Sonogashira del DEA racémico y 9,10-dibromo antraceno, 2,5-dibromo piridina o 2,6-dibromo piridina, desprotección total de los grupos acetilénicos y cierre de anillo intermolecular de cada precursor de heterotrímero en condiciones de Breslow.37 Similar a sus análogos [74], alenofanos [142] se obtuvieron como mezclas diaestereoméricas. Cuando se compararon los alenofanos [142] para y meta, se apreció un espacio de conformación más grande para los meta. Este hecho se origina en la rotación libre de los anillos aromáticos meta-sustituidos sobre el esqueleto cíclico, conduciendo a respuestas quirópticas menos intensas. Por otro lado, en los sistemas meta se bloquea la rotación del anillo aromático. Así, 2,6-pirido-[142]-allenophanes homochirals fueron sintetizados a partir de DEAs enantiopuros.36 La búsqueda conformacional resultó en tres posibles conformaciones. Una inspección más detallada realizada por Cid y Fabrizio reveló la preferencia conformacional por dos de estas estructuras.38 Además, la organización enfrentada de los pares solitarios de los anillo de piridina hizo de esta estructura una candidata adecuado para formar un complejo de inclusión con C4F8I2. Los estudios de complejación se llevaron a cabo mediante cálculos DFT, análisis de rayos X, así como espectroscopia de RMN.36 Para limitar aún más la flexibilidad conformacional, el grupo de Cid propuso y desarrolló la familia de alenofanos [141] que presenta dos unidades de DEA y un anillo de piridina o bipiridina.39
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La funcionalización de los sistemas alenoacetilénicos se logra sobre la base de la modificación periférica o del esqueleto. Con respecto al primer caso, el macrociclo tetramérico (P)4-4 ha sido decorado lateralmente con una amplia gama de grupos por el grupo de Diederich.30,31 Otra posible estrategia para funcionalizar arquitecturas alenoacetilénicas se basa en la inserción de diferentes grupos en la columna vertebral del sistema. Si los anillos aromáticos son puenteados por alenos en un macrociclo, el sistema resultante se llama alenofano. Tras los estudios pioneros sobre alenofanos realizados por Krause,32 así como por Clay y Fallis,33 varias unidades aromáticas se conectaron en para o meta. El enlace para de cuatro anillos de antraceno o piridina a través del mismo número de DEA dio lugar a [74]-antraceno-allenophane17 y [74]-pyridoallenophane34 como una mezcla de diastereoisómeros en una proporción estadística través de una serie de reacciones de acoplamiento cruzado y desprotección de Sonogashira.
La metodología paso a paso dificultó la preparación a gran escala, así como la modificación directa de la familia [74]-alenofano. Tal desafío fue abordado por [142]-alenofanos, para ello, dos anillos aromáticos fueron puenteados meta o para por cuatro DEA.35,36 La síntesis de cada [142]-alenofano requirió sólo tres pasos: Sonogashira del DEA racémico y 9,10-dibromo antraceno, 2,5-dibromo piridina o 2,6-dibromo piridina, desprotección total de los grupos acetilénicos y cierre de anillo intermolecular de cada precursor de heterotrímero en condiciones de Breslow.37 Similar a sus análogos [74], alenofanos [142] se obtuvieron como mezclas diaestereoméricas. Cuando se compararon los alenofanos [142] para y meta, se apreció un espacio de conformación más grande para los meta. Este hecho se origina en la rotación libre de los anillos aromáticos meta-sustituidos sobre el esqueleto cíclico, conduciendo a respuestas quirópticas menos intensas. Por otro lado, en los sistemas meta se bloquea la rotación del anillo aromático. Así, 2,6-pirido-[142]-allenophanes homochirals fueron sintetizados a partir de DEAs enantiopuros.36 La búsqueda conformacional resultó en tres posibles conformaciones. Una inspección más detallada realizada por Cid y Fabrizio reveló la preferencia conformacional por dos de estas estructuras.38 Además, la organización enfrentada de los pares solitarios de los anillo de piridina hizo de esta estructura una candidata adecuado para formar un complejo de inclusión con C4F8I2. Los estudios de complejación se llevaron a cabo mediante cálculos DFT, análisis de rayos X, así como espectroscopia de RMN.36 Para limitar aún más la flexibilidad conformacional, el grupo de Cid propuso y desarrolló la familia de alenofanos [141] que presenta dos unidades de DEA y un anillo de piridina o bipiridina.39
Con el fin de mejorar la capacidad de formar complejos de inclusión, se desarrollaron cajas moleculares alenofánicas. Los estudios de síntesis y reconocimiento molecular de cajas orgánicas covalentes helicoidales enantioméricamente puras (P)6-6 y (M)6-6 se describieron en 201540 a partir de DEA enantioméricamente puros, mediante acoplamiento cruzado de Sonogashira, desprotección y homodimerización de los acetilenos. La homodimerización de los precursores tripodales se realizó en condiciones de Breslow en alta dilución para evitar reacciones de polimerización. Las respuestas quirópticas de estos sistemas se encuentran entre las más altas entre sistemas orgánicos. Adicionalmente, la capacidad de encapsulación molecular hacia compuestos sándwich organometálicos fue evaluada mediante RMN y espectroscopía de masas (HRMS-ESI). Siguiendo la misma vía enantioselectiva de tres pasos, se prepararon los derivados (P)6-7 y (M)6-7 a partir de un fragmento de trimetilbenzenico 1,3,5 y DEA enantiopuro.40 La incorporación de tres grupos metilo en los núcleos bencénicos aumentó significativamente sus afinidades de unión para varios compuestos sándwich organometálicos. Adicionalmente, los DEAs fueron empleados por el grupo Diederich para la construcción de cajas helicoidales organometálicas,41–43 catenanos42 y cavitandos.44–46
Los sistemas moleculares basados en alenos han servido como sensores quirópticos sensibles en disolución debido a sus afinidades de unión mejoradas y propiedades quirópticas. Para aumentar más su aplicabilidad, la quiralidad de los DEAs enantiopuros se ha transferido a superficies metálicas aquirales mediante procesos de auto-ensamblaje.
Los sistemas moleculares basados en alenos han servido como sensores quirópticos sensibles en disolución debido a sus afinidades de unión mejoradas y propiedades quirópticas. Para aumentar más su aplicabilidad, la quiralidad de los DEAs enantiopuros se ha transferido a superficies metálicas aquirales mediante procesos de auto-ensamblaje.
3.1.4. Auto-ensamblaje de alenos enantiopuros en superficies metálicas
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La disposición de las moléculas quirales en las superficies aquirales ha recibido mucha atención en las últimas dos décadas.47 Tal crecimiento gradual puede atribuirse a las capacidades particulares de reconocimiento de las moléculas quirales y su relevancia en varios campos, incluida la catálisis,48 la detección49 u la optoelectrónica.50 En comparación con las mezclas racémicas o las moléculas aquirales, las moléculas enantiopuras transfieren principalmente su información quiral a las superficies aquirales y conducen a interfaces quirales. Los sistemas quirópticos están bien documentados en disolución, aunque se conocen muy pocos con respecto a las respuestas quirópticas de moléculas pequeñas auto ensambladas en superficies metálicas. El primer informe sobre la funcionalización de la superficie con un miembro de DEA enantioméricamente puro se remonta a 2014.51 El sistema quiral (M,M)-CF-1 se preparó mediante la reacción de acoplamiento cruzado de Sonogashira entre DEA enantiopuro y 2,5-dibromopiridina. El compuesto manifestó una rotación libre del aleno-di-tert-butil-etileno terminal (ADTE) y flexión a través del eje alquino. A pesar de esta flexibilidad conformacional, este compuesto mostró respuestas quirópticas relevantes en disolución. Simulaciones de dinámica molecular (MD) sugirieron que la conformación más probable del dímero radica en el apilamiento de piridina π-π antiparalelo, así como las interacciones de van der Waals de restos ADTE entrelazados entre dos moléculas de (M,M)-CF-1. Su auto-ensamblaje en Ag (111) explorado mediante microscopía de efecto túnel (STM) revelaron una orientación vertical para los fragmentos orgánicos en lugar de una horizontal. Además, dos disposiciones diastereoméricas diferentes de molécula-sustrato se evidenciaron mediante imágenes STM de alta resolución. Dado que no se encontraron dominios de imágenes especulares, se asumió la transferencia de quiralidad de (M,M)-CF-1 a la superficie. Sin embargo, el análisis de sus respuestas quirópticas se vio obstaculizado por las débiles interacciones molécula-superficie.
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La disposición de las moléculas quirales en las superficies aquirales ha recibido mucha atención en las últimas dos décadas.47 Tal crecimiento gradual puede atribuirse a las capacidades particulares de reconocimiento de las moléculas quirales y su relevancia en varios campos, incluida la catálisis,48 la detección49 u la optoelectrónica.50 En comparación con las mezclas racémicas o las moléculas aquirales, las moléculas enantiopuras transfieren principalmente su información quiral a las superficies aquirales y conducen a interfaces quirales. Los sistemas quirópticos están bien documentados en disolución, aunque se conocen muy pocos con respecto a las respuestas quirópticas de moléculas pequeñas auto ensambladas en superficies metálicas. El primer informe sobre la funcionalización de la superficie con un miembro de DEA enantioméricamente puro se remonta a 2014.51 El sistema quiral (M,M)-CF-1 se preparó mediante la reacción de acoplamiento cruzado de Sonogashira entre DEA enantiopuro y 2,5-dibromopiridina. El compuesto manifestó una rotación libre del aleno-di-tert-butil-etileno terminal (ADTE) y flexión a través del eje alquino. A pesar de esta flexibilidad conformacional, este compuesto mostró respuestas quirópticas relevantes en disolución. Simulaciones de dinámica molecular (MD) sugirieron que la conformación más probable del dímero radica en el apilamiento de piridina π-π antiparalelo, así como las interacciones de van der Waals de restos ADTE entrelazados entre dos moléculas de (M,M)-CF-1. Su auto-ensamblaje en Ag (111) explorado mediante microscopía de efecto túnel (STM) revelaron una orientación vertical para los fragmentos orgánicos en lugar de una horizontal. Además, dos disposiciones diastereoméricas diferentes de molécula-sustrato se evidenciaron mediante imágenes STM de alta resolución. Dado que no se encontraron dominios de imágenes especulares, se asumió la transferencia de quiralidad de (M,M)-CF-1 a la superficie. Sin embargo, el análisis de sus respuestas quirópticas se vio obstaculizado por las débiles interacciones molécula-superficie.
En este respecto, la estrategia de las monocapas auto-ensambladas (SAM) allana el camino para la construcción de sistemas estables mediante la adsorción espontánea de organotioles en las superficies de Au de la fase líquida y / o gaseosa.52,53 Por lo tanto, (P)-CF-2 y (M)-CF-2 fueron diseñados y preparados para el desarrollo de superficies quirópticas robustas.54 Cada compuesto consistió en grupo cabeza tioacetilo, conector metileno, espaciador piridina, eje quiral DEA y grupo protector. Si bien se eligió un tiol protegido con acetilo para superar la inestabilidad típicamente presentada por los tioles, se incorporaron el conector de metileno y el anillo de piridina para proporcionar una mejor flexibilidad en la unión a la superficie de CF-2. Las monocapas de CF-2 racémico y enantioméricas se obtuvieron sobre sustratos de Au transparentes. La caracterización de las monocapas resultantes se realizó mediante elipsometría, mediciones de conductancia, espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS) y estructura fina de adsorción de rayos X de borde cercano (NEXAFS). Cada una de estas técnicas sensibles a la superficie concluyó que el CF-2 fue quimisorbido en la superficie a través de enlaces S-Au a temperatura ambiente. Similar al CF-1, CF-2 derivado de tioacetilo presentaba una geometría vertical en la interfaz. Teniendo en cuenta su estabilidad a temperatura ambiente, las propiedades quirópticas de las monocapas de (P)-CF-2 y (M)-CF-2 se analizaron mediante ECD sin señales detectables. Para superar esta falta de sensibilidad, se empleó la espectroscopía de dicroísmo circular de segunda generación armónica (SHG-CD).55 A diferencia de su contraparte lineal, los efectos más grandes de la técnica SHG-CD no lineal analizaron con éxito la actividad óptica de (P)-CF-2 y (M)-CF-2.54
Las últimas dos décadas han sido testigo de un crecimiento gradual en la química de los DEA quirales. Las geometrías inusuales de los DEA junto con una estrategia sintética eficiente han dado como resultado una amplia gama de arquitecturas alénicas con excelentes propiedades quirópticas. Además de explorar la formación de complejos de inclusión, la quiralidad de los alenos se transfirió con éxito a superficies metálicas. Aquellos con fuertes interacciones molécula-superficie a través de enlaces S-Au permitieron la exploración de sus respuestas quirópticas en condiciones ambientales. Sin embargo, el principal desafío en los sistemas alénicos es controlar su estabilidad. Los DEA conjugados con grupos donadores de electrones, por ejemplo, tienen tendencia a sufrir fotoisomerización. Este hecho obstaculiza la ampliación de la aplicabilidad de los sistemas alénicos y exige la búsqueda de ejes quirales más estables. A este respecto, es conocido que los 9,9-espirobifluorenos (SBFs) son estructuras altamente estables y presentan quiralidad axial tras una sustitución adecuada. Por lo tanto, se propuso la sustitución de alenos por SBFs con el fin de desarrollar arquitecturas moleculares quirópticas más robustas.
Las últimas dos décadas han sido testigo de un crecimiento gradual en la química de los DEA quirales. Las geometrías inusuales de los DEA junto con una estrategia sintética eficiente han dado como resultado una amplia gama de arquitecturas alénicas con excelentes propiedades quirópticas. Además de explorar la formación de complejos de inclusión, la quiralidad de los alenos se transfirió con éxito a superficies metálicas. Aquellos con fuertes interacciones molécula-superficie a través de enlaces S-Au permitieron la exploración de sus respuestas quirópticas en condiciones ambientales. Sin embargo, el principal desafío en los sistemas alénicos es controlar su estabilidad. Los DEA conjugados con grupos donadores de electrones, por ejemplo, tienen tendencia a sufrir fotoisomerización. Este hecho obstaculiza la ampliación de la aplicabilidad de los sistemas alénicos y exige la búsqueda de ejes quirales más estables. A este respecto, es conocido que los 9,9-espirobifluorenos (SBFs) son estructuras altamente estables y presentan quiralidad axial tras una sustitución adecuada. Por lo tanto, se propuso la sustitución de alenos por SBFs con el fin de desarrollar arquitecturas moleculares quirópticas más robustas.
3.2. Dietinilespirobifluorenos quirópticos
3.2.1. Comparación teórica entre dietinilalenos y dietinilespirobifluorenos
El potencial de los dietinilespirobifluorenos (DES) como ejes quirales se evaluó teóricamente en 2015.56 Los ciclooligómeros espiránicos (P)4-10, (P,P)-11 y (P,P)-12 se modelaron sobre la base de sus análogos alénicos (P)4-4, (P,P)-8 y (P,P)-9. Dado que se descubrió que el nivel de teoría CAM-B3LYP/6-31G (d) corregido de largo alcance era eficiente para los macrociclos alénicos,28 este nivel de teoría fue empleado para calcular la absorción y los espectros ECD de cada modelo espiro y sistemas alénicos. Cuando se compararon los sistemas alénicos y espiránicos, las intensidades de CD fueron comparables, señalando que los DES son candidatos apropiados para el desarrollo de arquitecturas estables con sorprendentes respuestas quirópticas.
3.2.1. Comparación teórica entre dietinilalenos y dietinilespirobifluorenos
El potencial de los dietinilespirobifluorenos (DES) como ejes quirales se evaluó teóricamente en 2015.56 Los ciclooligómeros espiránicos (P)4-10, (P,P)-11 y (P,P)-12 se modelaron sobre la base de sus análogos alénicos (P)4-4, (P,P)-8 y (P,P)-9. Dado que se descubrió que el nivel de teoría CAM-B3LYP/6-31G (d) corregido de largo alcance era eficiente para los macrociclos alénicos,28 este nivel de teoría fue empleado para calcular la absorción y los espectros ECD de cada modelo espiro y sistemas alénicos. Cuando se compararon los sistemas alénicos y espiránicos, las intensidades de CD fueron comparables, señalando que los DES son candidatos apropiados para el desarrollo de arquitecturas estables con sorprendentes respuestas quirópticas.
3.2.2. Cyclooligomers de Diethynylspirobifluorenes
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Después de demostrar teóricamente la fuerza quiróptica de los DES,56 la síntesis de los ciclos homoquirales dimérico 18 y tetramérico 10 se ejecutó como formas enantioméricamente puras.57 Los derivados de DES se pueden preparar a partir del acoplamiento cruzado de Sonogashira de SBF dihalogenados con alquinos terminales. Por lo tanto, la reacción de Sonogashira catalizada por Pd / Cu entre ditriflato (±)-13 y un exceso de 2-metilbut-3-yn-2-ol dio DES (±)-14 diprotegido. La incorporación de dos grupos alcohol en (±)-14 permitió la resolución de sus enantiómeros mediante una fase quiral estacionaria (CSP) en cromatografía líquida de alta presión (HPLC). La desprotección selectiva de (P)-14 enantiopure se logró en condiciones básicas para proporcionar (P)-15. Este compuesto se transformó adicionalmente en (P,P)-17 a través de un acoplamiento de acetileno en condiciones de Breslow y la desprotección total en dos etapas. Finalmente, el cierre del anillo intramolecular e intermolecular del precursor acíclico (P,P)-17 proporcionó (P,P)-18 y (P)4-10 usando condiciones Breslow a alta dilución. Las respuestas quirópticas (ECD) confirmaron que estos macrociclos espiro presentan intensidades de CD muy similares a sus análogos DEA, con la ventaja de poseer una alta estabilidad térmica y fotoquímica.
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Después de demostrar teóricamente la fuerza quiróptica de los DES,56 la síntesis de los ciclos homoquirales dimérico 18 y tetramérico 10 se ejecutó como formas enantioméricamente puras.57 Los derivados de DES se pueden preparar a partir del acoplamiento cruzado de Sonogashira de SBF dihalogenados con alquinos terminales. Por lo tanto, la reacción de Sonogashira catalizada por Pd / Cu entre ditriflato (±)-13 y un exceso de 2-metilbut-3-yn-2-ol dio DES (±)-14 diprotegido. La incorporación de dos grupos alcohol en (±)-14 permitió la resolución de sus enantiómeros mediante una fase quiral estacionaria (CSP) en cromatografía líquida de alta presión (HPLC). La desprotección selectiva de (P)-14 enantiopure se logró en condiciones básicas para proporcionar (P)-15. Este compuesto se transformó adicionalmente en (P,P)-17 a través de un acoplamiento de acetileno en condiciones de Breslow y la desprotección total en dos etapas. Finalmente, el cierre del anillo intramolecular e intermolecular del precursor acíclico (P,P)-17 proporcionó (P,P)-18 y (P)4-10 usando condiciones Breslow a alta dilución. Las respuestas quirópticas (ECD) confirmaron que estos macrociclos espiro presentan intensidades de CD muy similares a sus análogos DEA, con la ventaja de poseer una alta estabilidad térmica y fotoquímica.
En la búsqueda de una síntesis más eficiente de macrociclos DES, se propusieron y sintetizaron los análogos triméricos 21.58 Solo fueron necesarios tres pasos para transformar el racémico (±)- 19 en las mezclas diastereoméricas de 21. Esta metodología sintética no solo se caracterizó por su simplicidad, sino que también se obtuvieron los diastereoisómeros de los trímeros cíclicos con un alto rendimiento. Para arrojar luz sobre las topologías de sus orbitales moleculares, se realizaron estudios DFT. Mientras que una inspección más cercana del HOMO-5 de (P,P,P)-21 reveló que los tres fragmentos DPBD (difenilbutadiino) idénticos manifiestan una morfología helicoidal, el HOMO-5 de (P,P,M)-21 solo adoptó un carácter helicoidal para los dos DPBD idénticos. Este fenómeno se explicó sobre la base del ángulo de torsión ϴ dentro de los fragmentos DPBD y abre la posibilidad de explorar estos sistemas para aplicaciones espintrónicas.5 Por otro lado, las propiedades quirópticas de (P,P,P)-21, (P,P,M)-21 y sus imágenes especulares también se exploraron mediante espectroscopía ECD después de resolver sus enantiómeros a través de HPLC-CSP. La configuración absoluta (CA) de las fracciones de CSP-HPLC se abordó mediante cálculos teóricos utilizando la función CAM-B3LYP con un conjunto básico de 6-31G (d, p). Las discrepancias se manifestaron en los espectros de UV / Vis y ECD pronosticados de (P,P,P)-21 y (P,P,M)-21 a un nivel de energía electrónico puro, aunque hubo un buen acuerdo entre el vibrónico simulado y ECD experimental.
Las intrigantes respuestas quirópticas junto con los orbitales moleculares helicoidales presentados por los trímeros cíclicos SBF hacen una llamada para su exploración en aplicaciones quirópticas y espintrónicas. Esto requiere su funcionalización, así como la modulación de estructuras electrónicas para aplicaciones específicas.
Las intrigantes respuestas quirópticas junto con los orbitales moleculares helicoidales presentados por los trímeros cíclicos SBF hacen una llamada para su exploración en aplicaciones quirópticas y espintrónicas. Esto requiere su funcionalización, así como la modulación de estructuras electrónicas para aplicaciones específicas.
3.2.3. Espirobifluorenos funcionalizados
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Los recientes desarrollos en la química de los SBF han llevado a arquitecturas quirópticas robustas con intensidades ECD comparables. Con el fin de expandir el rango espectral de SBF más allá de la región UV, se han emprendido varios isómeros posicionales,59 fijación de diferentes átomos de espiro60 o metales de transición.61 En este respecto, el primer espirobifluoreno metalaomático fue preparado en colaboración con Bolaño en 2019.62 El espectro de absorción muestra un desplazamiento al rojo de 1.1 eV con respecto al SBF no funcionalizado. Por lo que la unión de restos metallaaromáticos en el núcleo SBF abre nuevos horizontes para la construcción de sistemas quirópticos a medida, aunque la resolución de sus estereoisómeros aún no es una realidad. Por otro lado, la funcionalización de superficies metálicas con moléculas quirales es un enfoque viable para construir dispositivos de lab-on-a-chip. Teniendo en cuenta la fiabilidad de los SBFs, CF-3, CF-4 y CF-5 se diseñaron y sintetizaron como un paso inicial hacia la construcción de superficies quirópticas robustas.63 Cada compuesto incluía un tiol protegido con acetilo como grupo principal, un conector de metileno, un separador aromático, un SBF quiral y un grupo de cola de acetileno protegido. El primer miembro, CF-3, es el análogo espiro del aleno CF-2.54 discutido anteriormente. En consecuencia, la única diferencia entre CF-3 y CF-2 es el eje quiral, donde el DEA se reemplaza por un DES. CF-4 y CF-5 presentan diferentes patrones de sustitución y anillos aromáticos para determinar cómo estas ligeras modificaciones afectan sus respuestas quirópticas. La síntesis de CF-3, CF-4 y CF-5 se realizó mediante una vía no enantioselectiva y los enantiómeros de estos compuestos espiro se resolvieron a través de CSP-HPLC. Las propiedades ópticas de los enantiómeros resueltos se examinaron mediante espectroscopía ECD. La configuración absoluta de cada fracción obtenida del método CSP-HPLC se abordó posteriormente mediante investigaciones TD-DFT. No se registraron cambios significativos para los espectros UV/Vis y ECD de cada compuesto tras la irradiación con luz durante tres semanas. En consecuencia, estos sistemas espiro se consideraron altamente fotoestables y adecuados para la funcionalización de superficies.
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Los recientes desarrollos en la química de los SBF han llevado a arquitecturas quirópticas robustas con intensidades ECD comparables. Con el fin de expandir el rango espectral de SBF más allá de la región UV, se han emprendido varios isómeros posicionales,59 fijación de diferentes átomos de espiro60 o metales de transición.61 En este respecto, el primer espirobifluoreno metalaomático fue preparado en colaboración con Bolaño en 2019.62 El espectro de absorción muestra un desplazamiento al rojo de 1.1 eV con respecto al SBF no funcionalizado. Por lo que la unión de restos metallaaromáticos en el núcleo SBF abre nuevos horizontes para la construcción de sistemas quirópticos a medida, aunque la resolución de sus estereoisómeros aún no es una realidad. Por otro lado, la funcionalización de superficies metálicas con moléculas quirales es un enfoque viable para construir dispositivos de lab-on-a-chip. Teniendo en cuenta la fiabilidad de los SBFs, CF-3, CF-4 y CF-5 se diseñaron y sintetizaron como un paso inicial hacia la construcción de superficies quirópticas robustas.63 Cada compuesto incluía un tiol protegido con acetilo como grupo principal, un conector de metileno, un separador aromático, un SBF quiral y un grupo de cola de acetileno protegido. El primer miembro, CF-3, es el análogo espiro del aleno CF-2.54 discutido anteriormente. En consecuencia, la única diferencia entre CF-3 y CF-2 es el eje quiral, donde el DEA se reemplaza por un DES. CF-4 y CF-5 presentan diferentes patrones de sustitución y anillos aromáticos para determinar cómo estas ligeras modificaciones afectan sus respuestas quirópticas. La síntesis de CF-3, CF-4 y CF-5 se realizó mediante una vía no enantioselectiva y los enantiómeros de estos compuestos espiro se resolvieron a través de CSP-HPLC. Las propiedades ópticas de los enantiómeros resueltos se examinaron mediante espectroscopía ECD. La configuración absoluta de cada fracción obtenida del método CSP-HPLC se abordó posteriormente mediante investigaciones TD-DFT. No se registraron cambios significativos para los espectros UV/Vis y ECD de cada compuesto tras la irradiación con luz durante tres semanas. En consecuencia, estos sistemas espiro se consideraron altamente fotoestables y adecuados para la funcionalización de superficies.
4. Objetivos
El desarrollo de dietinilalenos ha permitido la construcción de oligómeros abiertos, cíclicos y cajas moleculares que presentan excelentes respuestas quirópticas en disolución. Para ampliar su aplicabilidad, la quiralidad de los alenos se ha transferido a superficies metálicas y las fuertes interacciones molécula-sustrato permitieron la exploración de sus respuestas quirópticas. Sin embargo, la fotoinestabilidad de los alenos exigía un eje quiral más robusto. Cálculos teóricos postularon que los espirobifluorenos son candidatos prometedores para reemplazar a alenos. Esta hipótesis fue confirmada posteriormente por la síntesis de dietilnilespirobifluorenos cíclicos con intensas respuestas quirópticas y, para estructuras determinadas, presentando orbitales moleculares helicoidales, además de una alta estabilidad térmica y fotoquímica. Por otro lado, se demostró que la funcionalización de SBF abre el acceso al desarrollo de sistemas quirópticos a la carta. Por ello, el presente proyecto pretende desarrollar sistemas quirópticos espirobifluorénicos con el fin de abrir nuevos caminos a aplicaciones quirópticas y espintrónicas mediante la consecución de los siguientes objetivos (O):
O1. Construcción de superficies quirópticas por funcionalización con SBFs: para ello se realizará la síntesis y caracterización de SBFs, seguida de la resolución de enantiómeros y predicción de respuestas quirópticas. Finalmente, se procederá a su uso para la formación de monocapas y examen de las respuestas quirópticas de las mismas.
O2. Desarrollo de sistemas reales con orbitales helicoidales frontera: mediante el diseño, síntesis y resolución estereoisomérica. Las estructuras obtenidas serán evaluadas para su aplicación en espintrónica.
El desarrollo de dietinilalenos ha permitido la construcción de oligómeros abiertos, cíclicos y cajas moleculares que presentan excelentes respuestas quirópticas en disolución. Para ampliar su aplicabilidad, la quiralidad de los alenos se ha transferido a superficies metálicas y las fuertes interacciones molécula-sustrato permitieron la exploración de sus respuestas quirópticas. Sin embargo, la fotoinestabilidad de los alenos exigía un eje quiral más robusto. Cálculos teóricos postularon que los espirobifluorenos son candidatos prometedores para reemplazar a alenos. Esta hipótesis fue confirmada posteriormente por la síntesis de dietilnilespirobifluorenos cíclicos con intensas respuestas quirópticas y, para estructuras determinadas, presentando orbitales moleculares helicoidales, además de una alta estabilidad térmica y fotoquímica. Por otro lado, se demostró que la funcionalización de SBF abre el acceso al desarrollo de sistemas quirópticos a la carta. Por ello, el presente proyecto pretende desarrollar sistemas quirópticos espirobifluorénicos con el fin de abrir nuevos caminos a aplicaciones quirópticas y espintrónicas mediante la consecución de los siguientes objetivos (O):
O1. Construcción de superficies quirópticas por funcionalización con SBFs: para ello se realizará la síntesis y caracterización de SBFs, seguida de la resolución de enantiómeros y predicción de respuestas quirópticas. Finalmente, se procederá a su uso para la formación de monocapas y examen de las respuestas quirópticas de las mismas.
O2. Desarrollo de sistemas reales con orbitales helicoidales frontera: mediante el diseño, síntesis y resolución estereoisomérica. Las estructuras obtenidas serán evaluadas para su aplicación en espintrónica.
5. Metodología y plan de trabajo
Esta sección describe la metodología y el plan de trabajo del proyecto EQIs durante un período de 3 años. Cada objetivo (O) mencionado anteriormente presenta diferentes tareas (T) y entregables (E). Además, se indican tres tareas generales (TG) del proyecto. La planificación temporal se indica en meses (M).
O1. Construcción de superficies quirópticas por funcionalización con SBFs
El objetivo del O1 es la funcionalización de SBFs con sustituyentes de diferente carácter electrónico a partir de dibromoespirobifluoreno 1, así como de los SBFs monoformilados 2 y diformilados 3, la resolución enantiomérica y el análisis de sus respuestas quirópticas. Simulaciones teóricas de las respuestas quirópticas revelarán el papel de los sustituyentes en las respuestas quirópticas de los sistemas desarrollados. Las estructuras con grupos tioacetilo se emplearán para la funcionalización se superficies, de las que se analizarán sus propiedades quirópticas.
T1.1 Síntesis y caracterización de SBFs (M1-M24): los SBF quirales con diferentes sustituyentes se sintetizarán mediante la reacción de acoplamiento cruzado de Sonogashira catalizada por Pd del SBF 1. Nuestros resultados preliminares revelan que la temperatura, el carácter electrónico de R1 y el porcentaje de catalizador de paladio es crucial para controlar la relación entre la mono y la disustitución (1a / 1b). Creemos que este control sobre la reactividad se rige por la espiroconjugación. Para comprender mejor este fenómeno, planeamos completar la síntesis con todos los sustituyentes R1 que se muestran en el esquema. Además, queremos explorar cuánto afectará la reactividad a la presencia de grupos formilo en el SBF. Por lo tanto, se prepararán los análogos 2a, 2b, 3a y 3b. A partir de los compuestos 1a, 2a y 3a se accederá a derivados presentando dos radicales distintos 1c, 2c y 3c. Todos los compuestos se caracterizarán por resonancia magnética nuclear (RMN), espectrometría de masas (MS) y análisis de rayos X cuando haya disponibilidad de cristales adecuados.
Entregables E1.1: Los compuestos 1a, 1b, 1c, 2a, 2b, 2c, 3a, 3b y 3c como mezclas racémicas e informan sobre la metodología sintética y caracterización.
T1.2 Resolución enantiomérica y respuestas quirópticas de SBF (M4-M32): Todos los compuestos sintetizados en T1.1 serán mezclas racémicas, ya que 1 es racémico y su baja polaridad dificulta la resolución enantiomérica. Por lo tanto, los SBF funcionalizados se inyectarán en una columna de cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) con una fase estacionaria quiral (CSP). Hemos tenido éxito en la resolución de SBF quirales con la columna Chiralpak IA. Por lo tanto, proponemos usarlo para la resolución de los SBF 1a, 1b y 1c. Dado que las separaciones que usan HPLC consumen un volumen considerable de solventes orgánicos y tiempo, planeamos realizar la resolución de los análogos formilados 2a, 2b, 2c, 3a, 3b y 3c por resolución diastereomérica después de la condensación con aminoácidos esterificados. Finalmente, se estudiarán las respuestas de dicroísmo circular (CD) de todos los sistemas enantiopuros.
Entregables E1.2: Enantiómeros puros de 1a, 1b, 1c, 2a, 2b, 2c, 3a, 3b y 3c, así como la informan sobre las condiciones para la resolución y las respuestas quirópticas.
T1.3 Predicción teórica de las respuestas quirópticas de los SBF (M10-M36): La predicción de las respuestas quirópticas y la comparación con las respuestas experimentales permitirán la asignación de configuración absoluta. La comparación de las respuestas quirópticas predichas teniendo en cuenta los sustituyentes permitirá comprender mejor el mecanismo que origina las respuestas quirópticas en los SBF y, por lo tanto, ayudará en el diseño de sistemas quirópticos.
Entregables E1.3: Informe sobre los mecanismos que originan las respuestas quirópticas en los SBFs y asignación de configuración absoluta de las fracciones obtenidas en T1.2 de 1a, 1b, 1c, 2a, 2b, 2c, 3a, 3b y 3c.
Esta sección describe la metodología y el plan de trabajo del proyecto EQIs durante un período de 3 años. Cada objetivo (O) mencionado anteriormente presenta diferentes tareas (T) y entregables (E). Además, se indican tres tareas generales (TG) del proyecto. La planificación temporal se indica en meses (M).
O1. Construcción de superficies quirópticas por funcionalización con SBFs
El objetivo del O1 es la funcionalización de SBFs con sustituyentes de diferente carácter electrónico a partir de dibromoespirobifluoreno 1, así como de los SBFs monoformilados 2 y diformilados 3, la resolución enantiomérica y el análisis de sus respuestas quirópticas. Simulaciones teóricas de las respuestas quirópticas revelarán el papel de los sustituyentes en las respuestas quirópticas de los sistemas desarrollados. Las estructuras con grupos tioacetilo se emplearán para la funcionalización se superficies, de las que se analizarán sus propiedades quirópticas.
T1.1 Síntesis y caracterización de SBFs (M1-M24): los SBF quirales con diferentes sustituyentes se sintetizarán mediante la reacción de acoplamiento cruzado de Sonogashira catalizada por Pd del SBF 1. Nuestros resultados preliminares revelan que la temperatura, el carácter electrónico de R1 y el porcentaje de catalizador de paladio es crucial para controlar la relación entre la mono y la disustitución (1a / 1b). Creemos que este control sobre la reactividad se rige por la espiroconjugación. Para comprender mejor este fenómeno, planeamos completar la síntesis con todos los sustituyentes R1 que se muestran en el esquema. Además, queremos explorar cuánto afectará la reactividad a la presencia de grupos formilo en el SBF. Por lo tanto, se prepararán los análogos 2a, 2b, 3a y 3b. A partir de los compuestos 1a, 2a y 3a se accederá a derivados presentando dos radicales distintos 1c, 2c y 3c. Todos los compuestos se caracterizarán por resonancia magnética nuclear (RMN), espectrometría de masas (MS) y análisis de rayos X cuando haya disponibilidad de cristales adecuados.
Entregables E1.1: Los compuestos 1a, 1b, 1c, 2a, 2b, 2c, 3a, 3b y 3c como mezclas racémicas e informan sobre la metodología sintética y caracterización.
T1.2 Resolución enantiomérica y respuestas quirópticas de SBF (M4-M32): Todos los compuestos sintetizados en T1.1 serán mezclas racémicas, ya que 1 es racémico y su baja polaridad dificulta la resolución enantiomérica. Por lo tanto, los SBF funcionalizados se inyectarán en una columna de cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) con una fase estacionaria quiral (CSP). Hemos tenido éxito en la resolución de SBF quirales con la columna Chiralpak IA. Por lo tanto, proponemos usarlo para la resolución de los SBF 1a, 1b y 1c. Dado que las separaciones que usan HPLC consumen un volumen considerable de solventes orgánicos y tiempo, planeamos realizar la resolución de los análogos formilados 2a, 2b, 2c, 3a, 3b y 3c por resolución diastereomérica después de la condensación con aminoácidos esterificados. Finalmente, se estudiarán las respuestas de dicroísmo circular (CD) de todos los sistemas enantiopuros.
Entregables E1.2: Enantiómeros puros de 1a, 1b, 1c, 2a, 2b, 2c, 3a, 3b y 3c, así como la informan sobre las condiciones para la resolución y las respuestas quirópticas.
T1.3 Predicción teórica de las respuestas quirópticas de los SBF (M10-M36): La predicción de las respuestas quirópticas y la comparación con las respuestas experimentales permitirán la asignación de configuración absoluta. La comparación de las respuestas quirópticas predichas teniendo en cuenta los sustituyentes permitirá comprender mejor el mecanismo que origina las respuestas quirópticas en los SBF y, por lo tanto, ayudará en el diseño de sistemas quirópticos.
Entregables E1.3: Informe sobre los mecanismos que originan las respuestas quirópticas en los SBFs y asignación de configuración absoluta de las fracciones obtenidas en T1.2 de 1a, 1b, 1c, 2a, 2b, 2c, 3a, 3b y 3c.
T1.4 Deposición de monocapas de SBF sobre sustratos recubiertos de Au (M4-M32): La formación de monocapas debería lograrse idealmente mediante autoensamblaje. Dichas monocapas autoensambladas (SAM) se pueden obtener desde una disolución o por sublimación. Mientras que el primero se utiliza ampliamente para la preparación de SAM de tioles mediante la inmersión del sustrato apropiado en la disolución del compuesto correspondiente durante un período de tiempo, el segundo implica la formación de SAM a través de la deposición de la molécula deseada sobre el sustrato que requiere instrumentos sofisticados. El primero implica sumergir un sustrato de Au en una disolución de los SBFs quirales correspondientes seguido de la adición de una base no nucleófila. La muestra se retira después de cierto tiempo, se enjuaga con etanol absoluto y finalmente se seca cuidadosamente bajo un flujo de N2. Con respecto a la segunda, se realizará y evaluará un estudio detallado de diferentes parámetros de procesamiento, como la presión y la rampa de calentamiento con temperatura final. La idoneidad de los SAM de SBF en diferentes sustratos y posibles dispositivos para aplicaciones de biosensores y fotónicas o espintrónicas se evaluará en colaboración con G. Sales e I. Fischer, respectivamente.
Entregables E1.4: Superficies compatibles con dispositivos funcionalizados con SBF e informan sobre su preparación. Informe sobre el procedimiento experimental para la preparación de dichas superficies funcionalizados.
T1.5 Caracterización de monocapa y medición de propiedades quirópticas (M13-M36): las monocapas preparadas se caracterizarán mediante STM, XPS y espectrometría de masas. En colaboración con Y. Zhang, se explorará la quiralidad en las superficies con STM. Después de la confirmación de la formación de monocapas, se realizará la medición de los espectros de CD de la monocapa. Las mediciones de dicroísmo circular de segunda generación armónica se realizarán en colaboración con A. Kartouzian.
Entregable E1.5: Informe sobre la caracterización de las monocapas y sobre las respuestas quirópticas.
Entregables E1.4: Superficies compatibles con dispositivos funcionalizados con SBF e informan sobre su preparación. Informe sobre el procedimiento experimental para la preparación de dichas superficies funcionalizados.
T1.5 Caracterización de monocapa y medición de propiedades quirópticas (M13-M36): las monocapas preparadas se caracterizarán mediante STM, XPS y espectrometría de masas. En colaboración con Y. Zhang, se explorará la quiralidad en las superficies con STM. Después de la confirmación de la formación de monocapas, se realizará la medición de los espectros de CD de la monocapa. Las mediciones de dicroísmo circular de segunda generación armónica se realizarán en colaboración con A. Kartouzian.
Entregable E1.5: Informe sobre la caracterización de las monocapas y sobre las respuestas quirópticas.
O2. Desarrollo de sistemas reales con orbitales helicoidales frontera:
La eficiencia de sistemas tan indispensables en la vida actual como las memorias o los procesadores está limitada por las propiedades de los materiales actuales. Aunque se ha demostrado que la sustitución de imanes permanentes por moléculas quirales que controlan el espín de los electrones mejoran las prestaciones de estos dispositivos, dichos sistemas son casi inexistentes. Los sistemas desarrollados en el O2 podrían mejorar considerablemente la eficiencia de estos dispositivos, lo que implicará no solo una bajada en los costos de producción, sino también un importante ahorro de energía para los dispositivos que empleen esta tecnología emergente. El desarrollo de sistemas robustos presentando orbitales moleculares helicoidales frontera será un hito para la ciencia, ya que permitirá por primera vez la evaluación de las implicaciones experimentales de dichos orbitales. Para ello, se pretende desarrollar una serie de macrociclos espiránicos que incorporan 3 o 6 grupos dadores y/o aceptores de electrones con el fin de modular la densidad electrónica en las unidades de difenilbutadiino (DFBD) para así generar orbitales moleculares helicoidales frontera.
T2.1. Predicciones teóricas de DFBD, DFBD-A, DFBD-A2, DFBD-D, DFBD-D2, DFBD-AD, 4A3, 4A6, 4D3, 4D6 y 4A3D3 (M1-M12): se realizará un estudio de los OMs de derivados de DFBD a distintos ángulos de torsión en analogía con nuestro estudio reciente, para evaluar en qué posición aparecen orbitales moleculares helicoidales con respecto a los HOMOs. Se evaluarán los OMs de los distintos estereiosímeros de los macrociclos 4 y compararán con los sistemas modelo DFBD.
Entregables 2.1: Informe sobre el diseño de macrociclos espiránicos presentando orbitales moleculares frontera.
T2.2 Síntesis y caracterización de macrociclos 4, 4A3, 4A6, 4D3, 4D6 y 4A3D3 (M4-M30): Como punto de partida, la síntesis del macrociclos 4 se realiza siguiendo nuestra metodología de homociclación de dietinilespirobifluoreno.26,57,58 En la figura se muestra por claridad los isómeros (P,P,P) exclusivamente, la funcionalización de 4 se realiza sobre la mezcla de los cuatro estereoisómeros posibles. La acilación de 4 se realizará mediante el tratamiento con cloruro de acilo, siguiendo las condiciones empleadas anteriormente para la acilación de espriobifluoreno.10 Se estima que las condiciones más suaves acilarán tres fluorenos para dar 4A3, los otros tres, conjugados con los primeros por restos butadiino, no se formilarán debido a la desactivación por la presencia ya de un grupo acilo. Asimismo, se considera que condiciones más fuertes darán lugar a la incorporación de seis grupos acilo, obteniendo así 4A6. Distintas condiciones de oxidación64 sobre 4A3 y 4A6, darán paso a los macrociclos 4D3, 4D6 y 4A3D3. Finalmente se realizarán los cálculos de respuestas quirópticas de los derivados 4 y analizará la relación entre estas y los orbitales moleculares helicoidales.
Entregables 2.2: Informe con la metodología sintética y caracterización de los compuestos sintetizados. Compuestos sintetizados.
T2.3 Resolución estereoisomérica y respuestas quirópticas de macrociclos 4A3, 4A6, 4D3, 4D6 y 4A3D3 (M8-M34): la resolución de los diferentes estereoisómeros se realiza mediante una fase estacionaria quiral para HPLC. Todos los diastereoisómeros se caracterizarán por resonancia magnética nuclear, espectrometría de masas y rayos X. Posteriormente, las propiedades quirópticas se medirán y compararán con las predicciones del apartado anterior.
Entregables 2.3: Informe sobre las condiciones de separación de los distintos estereoisomeros, así como de las respuestas quirópticas. Conclusiones sobre los mecanismos responsables de las respuestas quirópticas y la relación entre estas y los orbitales moleculares helicoidales.
La eficiencia de sistemas tan indispensables en la vida actual como las memorias o los procesadores está limitada por las propiedades de los materiales actuales. Aunque se ha demostrado que la sustitución de imanes permanentes por moléculas quirales que controlan el espín de los electrones mejoran las prestaciones de estos dispositivos, dichos sistemas son casi inexistentes. Los sistemas desarrollados en el O2 podrían mejorar considerablemente la eficiencia de estos dispositivos, lo que implicará no solo una bajada en los costos de producción, sino también un importante ahorro de energía para los dispositivos que empleen esta tecnología emergente. El desarrollo de sistemas robustos presentando orbitales moleculares helicoidales frontera será un hito para la ciencia, ya que permitirá por primera vez la evaluación de las implicaciones experimentales de dichos orbitales. Para ello, se pretende desarrollar una serie de macrociclos espiránicos que incorporan 3 o 6 grupos dadores y/o aceptores de electrones con el fin de modular la densidad electrónica en las unidades de difenilbutadiino (DFBD) para así generar orbitales moleculares helicoidales frontera.
T2.1. Predicciones teóricas de DFBD, DFBD-A, DFBD-A2, DFBD-D, DFBD-D2, DFBD-AD, 4A3, 4A6, 4D3, 4D6 y 4A3D3 (M1-M12): se realizará un estudio de los OMs de derivados de DFBD a distintos ángulos de torsión en analogía con nuestro estudio reciente, para evaluar en qué posición aparecen orbitales moleculares helicoidales con respecto a los HOMOs. Se evaluarán los OMs de los distintos estereiosímeros de los macrociclos 4 y compararán con los sistemas modelo DFBD.
Entregables 2.1: Informe sobre el diseño de macrociclos espiránicos presentando orbitales moleculares frontera.
T2.2 Síntesis y caracterización de macrociclos 4, 4A3, 4A6, 4D3, 4D6 y 4A3D3 (M4-M30): Como punto de partida, la síntesis del macrociclos 4 se realiza siguiendo nuestra metodología de homociclación de dietinilespirobifluoreno.26,57,58 En la figura se muestra por claridad los isómeros (P,P,P) exclusivamente, la funcionalización de 4 se realiza sobre la mezcla de los cuatro estereoisómeros posibles. La acilación de 4 se realizará mediante el tratamiento con cloruro de acilo, siguiendo las condiciones empleadas anteriormente para la acilación de espriobifluoreno.10 Se estima que las condiciones más suaves acilarán tres fluorenos para dar 4A3, los otros tres, conjugados con los primeros por restos butadiino, no se formilarán debido a la desactivación por la presencia ya de un grupo acilo. Asimismo, se considera que condiciones más fuertes darán lugar a la incorporación de seis grupos acilo, obteniendo así 4A6. Distintas condiciones de oxidación64 sobre 4A3 y 4A6, darán paso a los macrociclos 4D3, 4D6 y 4A3D3. Finalmente se realizarán los cálculos de respuestas quirópticas de los derivados 4 y analizará la relación entre estas y los orbitales moleculares helicoidales.
Entregables 2.2: Informe con la metodología sintética y caracterización de los compuestos sintetizados. Compuestos sintetizados.
T2.3 Resolución estereoisomérica y respuestas quirópticas de macrociclos 4A3, 4A6, 4D3, 4D6 y 4A3D3 (M8-M34): la resolución de los diferentes estereoisómeros se realiza mediante una fase estacionaria quiral para HPLC. Todos los diastereoisómeros se caracterizarán por resonancia magnética nuclear, espectrometría de masas y rayos X. Posteriormente, las propiedades quirópticas se medirán y compararán con las predicciones del apartado anterior.
Entregables 2.3: Informe sobre las condiciones de separación de los distintos estereoisomeros, así como de las respuestas quirópticas. Conclusiones sobre los mecanismos responsables de las respuestas quirópticas y la relación entre estas y los orbitales moleculares helicoidales.
Tareas generales (GT) del proyecto:
GT.1 Evaluación de SBFs para aplicaciones quirópticas y espintrónicas (M7-M36): Evaluación de los resultados del proyecto en términos de accesibilidad sintética, respuestas quirópticas y aplicabilidad. Para apuntar a un uso orientado a la aplicación del proyecto EQIs en el futuro cercano, i) en colaboración con G. Sales evaluaremos la posible implementación de nuestras nuevas estructuras quirales en biosensores basadas en respuestas quirópticas. Su experiencia en I + D de biosensores flexibles y la capacidad de su grupo de investigación "Biomark" para diseñar y probar posibles aplicaciones serán de gran ayuda para determinar nuevas aplicaciones y objetivos confiables para proyectos conjuntos de la UE; ii) en colaboración con I. Fischer evaluaremos la posibilidad de integrar nuestras nuevas moléculas y estructuras quirales en dispositivos fotónicos y espintrónicos, ya sea aprovechando la respuesta quiral o de la quiralidad para aplicaciones como la selectividad de espín. Su experiencia en el diseño, fabricación y caracterización de posibles dispositivos fotónicos y espintrónicos será de gran ayuda para determinar nuevas aplicaciones y objetivos confiables para proyectos conjuntos de la UE.
GT.2 Difusión de resultados (M10-M36): Preparación de manuscritos (9) y publicación en revistas científicas internacionales y participación en conferencias internacionales (3) y nacionales (3) relevantes. El sitio web del equipo de investigación (www.smartchiralframeworks.com) servirá para abordar más fácilmente nuevas colaboraciones cuando sea necesario. El canal de YouTube servirá para la difusión de los resultados más relevantes a la sociedad, así como plataforma para videos explicativos de conceptos básicos referentes a quiralidad, respuestas quirópticas y aplicaciones quirópticas para facilitar a las nuevas personas incorporadas a adquirir los conocimientos básicos para el desarrollo de investigación en el grupo, así como para facilitar la comunicación con otros grupos de investigación.
GT.3 Gestión (M1-M36): Organización del trabajo en diferentes partes del proyecto, definir tareas claramente específicas y generales para los diferentes miembros del equipo de investigación, y fomentar una cooperación sinérgica dentro del grupo. Además, organización de reuniones grupales semanales y utilización del sitio web como base de datos con los principales resultados obtenidos por el equipo de investigación.
6. Riesgos del proyecto y mitigación
La experiencia del grupo y los resultados preliminares prometen el éxito de la mayoría de las tareas propuestas. Sin embargo, la siguiente tabla muestra las posibles dificultades y el plan de contingencia:
Posibles dificultades / riesgos
Tarea asociada
Plan de contingencia
La resolución enantiomérica de SBFs no se puede completar / baja
Tarea 1.2
La síntesis de SBFs se realizará a partir de espirobifluorenos enantiopuros siempre que sea posible
La predicción teórica de respuestas quirópticas de los SBF no es comparable a los resultados experimentales / media
Tarea 1.3
Se realizarán cálculos teniendo en cuente el acoplamiento vibrónico y / o el efecto Jahn Teller en colaboración con Fabrizio Santoro.
La deposición de monocapas de SBF sobre sustratos recubiertos de Au desde disolución no es eficiente / media
Tarea 1.4
La deposición se realizará mediante sublimación.
La medición de propiedades quirópticas de monocapas mediante ECD no da lugar a señales significativas / media
Tarea 1.5
Se medirá la SHG-CD en colaboración con Aras Kartouzian
Los cálculos no muestran orbitales moleculares helicoidales en los orbitales frontera de DFBD-A, DFBD-A2, DFBD-D, DFBD-D2 DFBD-AD, 4A3, 4A6, 4D3, 4D6 o 4A3D3 / baja
Tarea 2.1
Se estudiará la sustitución del grupo dador (D) y o aceptor (A) de electrones compatibles con su preparación a partir de los triflatos de 4D3 y 4D6.
La acilación de 4 se procede con bajo rendimiento / medio-alto
Tarea 2.2
La síntesis se realizará a partir de los espirobifluorenos prefuncionalizados.
La oxidación de 4A6/4A3 se procede con bajo rendimiento / medio-alto
Tarea 2.2
La síntesis de 4D6/4D3/4D6 se realizará a partir de espirobifluorenos prefuncionalizados
La resolución estereoisomérica de los macrociclos 1A3, 1A6, 1D3, 1D6 y 1A3D3 no se puede completar / baja
Tarea 2.3
La síntesis de 4 se realizará a partir de espirobifluorenos enantiopuros
7. Equipos disponibles
• Tenemos acceso al espacio de laboratorio con un total de 6 estaciones de trabajo y todos los equipos necesarios para la síntesis.
• Nuestro grupo de investigación tiene acceso a los siguientes instrumentos: espectrofotómetro IR JASCO FT / IR – 6100, espectrofotómetro UV / Vis JASCO V-670, fluorímetro JASCO FP-8300, Polarímetro Zuzi Modelo 404. Asimismo, en el CACTI se puede disponer de los siguientes equipos y servicios: espectrómetros de RMN; Bruker ARX400, Bruker AVANCE DPX400 y Bruker DPX600, Difractómetros Bruker SMART CCD 1000 y SMART CCD 6000-Incoatec ImS Cu, Espectrofotómetro de CD JASCO 815, Espectrómetros MS VG Autospec M, Hewlett-Packard 5989A y5989B, y MICROTOF Water FOCUS, FOCUS de agua MICROTOF diferentes detectores, difractómetro de rayos X.
• También tenemos acceso a una sala limpia ISO-7 de 45 m2 con zonas ISO-6 para procesamiento por láser y zonas ISO-4 para química húmeda, sistemas de láser excimer UV (LEAP y Compex) que emiten pulsos de 20-30 ns de longitud de onda de 193 nm con bancos ópticos totalmente equipados (homogeneizadores de haz óptico, atenuadores y control "in situ" de superficies irradiadas), campana de química húmeda para trabajar bajo condiciones ISO 4 (procedimientos de limpieza, recubrimiento por inmersión y recubrimiento por rotación), sistema PVD para evaporación térmica de Ti y Au en condiciones de HV, cámaras de HV / UHV para calentar SBF y producir sublimación en condiciones controladas (vacío, gas inerte, rampa de temperatura)
• Clúster computacional con los paquetes de software para llevar a cabo el proyecto: Gaussian 98, Gaussian03 y Gaussian09.
8. Cronograma
Responsable del proyecto: JLAG: José Lorenzo Alonso Gómez. Universidad de Vigo. Experto en el desarrollo de sistemas quirópticos. Personas que participan en el plan de trabajo: AO: Ani Ozcelik. Universidad de Vigo. Ella participará solo durante los primeros seis meses del proyecto debido a la finalización de su doctorado. Ella transferirá sus conocimientos sobre síntesis de SBFs, formación de SAM y respuestas quirópticas. E1: Estudiante 1. Esta persona centrará su trabajo en el O1. E2: Estudiante 2. Esta persona centrará su trabajo en el O2. Colaboraciones: APG: Ángeles Peña Gallego. Universidad de Vigo. Experta en simulaciones teóricas. SC: Stefano Chiussi. Universidad de Vigo. Experto en fabricación de sustrato de laboratorio en chip. AK: Aras Kartouzian. TUM, Munich, Alemania. Experto en dicroísmo circular de segunda generación armónica. GS: Goreti Sales. Universidad de Coimbra, Portugal. Experta en el desarrollo de sensores. IF: Inga Fischer. BTU Cottbus, Alemania. Experta en espintronics. JG: Johannes Gierschner. IMDEA. Experto en propiedades fotofísicas. YQZ: Yiqi Zhang. Instituto de Física, Chinese Academy of Sciences, China. Experto en microscopía de túnel de escaneo.
O1 Construcción de superficies quirópticas por funcionalización con SBFs
T1.1 Síntesis y caracterización de SBFs (M1-M24) JLAG, AO, E1
T1.2 Resolución enantiomérica y respuestas quirópticas de SBF (M4-M32) JLAG, AO, E1
T1.3 Predicción teórica de las respuestas quirópticas de los SBF (M10-M36) JLAG, APG, E1
T1.4 Deposición de monocapas de SBF sobre sustratos recubiertos de Au (M4-M32) JLAG, SC, AO, E1
T1.5 Caracterización de monocapa y medición de propiedades quirópticas (M13-M36) JLAG, SC, YQZ, AK, E1
O2 Desarrollo de sistemas reales con orbitales helicoidales frontera
T2.1 Predicciones teóricas de DFBD, DFBD-A, DFBD-A2, DFBD-D, DFBD-D2, DFBD-AD, 4A3, 4A6, 4D3, 4D6 y 4A3D3 (M1-M12) JLAG, AGP, AO, E2
T2.2 Síntesis y caracterización de macrociclos 4, 4A3, 4A6, 4D3, 4D6 y 4A3D3 (M4-M30) JLAG, JG, AO, E1
T2.3 Resolución estereoisomérica y respuestas quirópticas de macrociclos 4A3, 4A6, 4D3, 4D6 y 4A3D3 (M8-M34) JLAG, APG, E2
Tareas Generales
GT1 Evaluación de SBFs para aplicaciones quirópticas (M7-M36) JLAG, APG, SC, GS, YQZ, IF, E1, E2
GT2 Difusión de resultados (M10-M36) JLAG, SC, APG, YQZ, E1, E2
GT3 Gestión (M1-M36) JLAG
9. Impacto esperado de los resultados del proyecto
10. Capacidad formativa y capacidad de captación
Formación de estudiantes de doctorado: se definirá un plan de investigación detallado durante el primer mes y se revisará cada medio año para dar cuenta de la evolución del proyecto. Las reuniones semanales servirán para discutir los experimentos en ejecución y discutir los desafíos. Se planificará una estancia de tres meses para cada estudiante de doctorado durante el segundo año del proyecto con una de las colaboraciones del proyecto (algunas estancias del grupo desde 2014: Universidad de Columbia con Prof. N. Berova, TUM con Prof. J. Barth, CSU-China con Prof. Hai Xu, Universidad de Groningen con Prof. R. Chiechi). Cada estudiante de doctorado asistirá a una conferencia nacional e internacional durante el proyecto. Cada estudiante participará activamente en la preparación de los manuscritos derivados de su investigación.
Entorno internacional en el grupo: en los últimos 5 años han estado trabajando en el grupo estudiantes de Turquía, China, Italia, Holanda y Venezuela. Además, las breves estancias científicas de colaboraciones internacionales del grupo (1 de media anual) permiten al grupo interactuar con investigaciones de otros campos. Adicionalmente, el carácter multidisciplinar del grupo se comparte en las reuniones grupales quincenales donde se presentan resultados de investigación del grupo. Debido al carácter internacional de los grupos y con el fin de facilitar el uso del inglés, las reuniones grupales suelen ser en inglés.
El grupo tiene una vasta experiencia en la supervisión de tesis y una dilatada experiencia en másteres internacionales y nacionales. Algunos de los médicos formados han obtenido menciones especiales en la Universidad de Vigo y la mayoría de ellos se han incorporado como plantilla en otras universidades o centros tecnológicos. El grupo de investigación ha dirigido en estos últimos diez años las siguientes Tesis Doctorales:
1. “Superficies funcionales quirópticas mediante marcos axiales quirales para la detección”, directores José Lorenzo Alonso Gómez y Raquel Pereira Cameselle, U. de Vigo, Ani Özçelik, presentación prevista para 2021.
2. “Estudio teórico y computacional del transporte de electrones en sistemas biológicos: Cadenas de nucleótidos y aminoácidos” directores Marcos Mandado y Ángeles Peña Gallego, U. de Vigo, Sara Gil Guerrero, presentación prevista en 2020.
3. “Comprensión de la quiralidad para el diseño de sistemas quiropticos a medida: síntesis de macrociclos alénicos y espiranos”, directores José Lorenzo Alonso Gómez y M. Magdalena Cid Fernández, U. de Vigo, Silvia Castro Fernández, 2017.
4. “Jaulas helicoidales orgánicas covalentes: diseño, síntesis y aplicaciones basadas en el reconocimiento molecular”, directores José Lorenzo Alonso Gómez y M. Magdalena Cid Fernández, U. de Vigo, Sandra Míguez Lago, 2016.
5. "Producción y modificación de aleaciones de SiGe mediante técnicas de láser UV" Director Stefano Chiussi, Universidade de Vigo, Ph. D .: Estefanía Carolina López Silva, 2015.
7. "Modificaciones superficiales de biomateriales con técnicas láser" Supervisores: Stefano Chiussi, Julia Serra, U. de Vigo, Ph. D .: Maria Dolores Paz Álvarez, 2014. Es Ingeniera Investigadora Senior, Doctora - Energía y Materiales en Chalmers en Göteborg, Suecia.
8. “Ciclofanos quirales de 1,3-Dietinilalenos: Síntesis, Caracterización y Estudio de sus Propiedades Quiropticas”, directores José Lorenzo Alonso Gómez y M. Magdalena Cid Fernández, U. de Vigo, Mª Inmaculada Rodríguez Lahoz, 2012. Se encuentra trabajando como docente en el Sistema Educativo Nacional español.
El programa de doctorado de la Facultad de Química de la Universidad de Vigo proporcionará herramientas esenciales para el desarrollo de la tesis doctoral. Adicionalmente, el carácter multidisciplinar del grupo de investigación en Química Orgánica y Computacional se complementará con la funcionalización de superficies y experiencia en sala blanca e instalaciones.
11. Referencias
1 I. Ali, W. A. Wani, K. Saleem and A. Haque, Curr. Drug ther., 2012, 7, 13–23.
2 L. D. Barron, Molecular Light Scattering And Optical Activity, Cambridge University press, New York, 2004.
3 N. Berova, P. L. Polavarapu, K. Nakanishi and R. W. Woody, in Comprehensive Chiroptical Spectroscopy, Wiley, New York, 2012.
4 R. Naaman, Y. Paltiel and D. H. Waldeck, Nat. Rev. Chem., 2019, 3, 250–260.
5 M. H. Garner, A. Jensen, L. O. H. Hyllested and G. C. Solomon, Chem. Sci., 2019, 10, 4598–4608.
6 D. Sun, E. Ehrenfreund and Z. Valy Vardeny, Chem. Commun. (Camb)., 2014, 50, 1781–1793.
7 B. Testa, Helv. Chim. Acta, 2013, 96, 351–374.
8 B. Testa, Helv. Chim. Acta, 2013, 96, 351–374.
9 J. H. Van ’t Hoff, La Chimie dans L’espace , Rotterdam, 1875, vol. 1.
10 P. Maitland and W. H. Mills, Nature, 1935, 135, 994.
11 H. Y. Kim, J. Y. Li and K. Oh, J. Org. Chem., 2012, 77, 11132–11145.
12 Y. Yao, G. Zhu, Q. Chen, H. Qian and S. Ma, Org. Chem. Front., 2019, 6, 304–308.
13 R. Ding, R. Lu, Z. Fang, Y. Liu, S. Wang, X. Liang, C. Zhang, T. Huang and J. Hu, Organometallics, 2019, 38, 4561–4564.
14 Y. Wang and D. J. Burton, Org. Lett., 2006, 8, 5295–5298.
15 R. C. Livingston, L. R. Cox, V. Gramlich and F. Diederich, Angew. Chemie Int. Ed., 2001, 40, 2334–2337.
16 R. Livingston, L. R. Cox, S. Odermatt and F. Diederich, Helv. Chim. Acta, 2002, 85, 3052–3077.
17 S. Odermatt, J. L. Alonso-Gómez, P. Seiler, M. M. Cid and F. Diederich, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 5074–5078.
18 M. K. J. ter Wiel, S. Odermatt, P. Schanen, P. Seiler and F. Diederich, European J. Org. Chem., 2007, 2007, 3449–3462.
19 G. Guichard and I. Huc, Chem. Commun., 2011, 47, 5933–5941.
20 E. A. John, C. J. Massena and O. B. Berryman, Chem. Rev., 2020, 120, 2759–2782.
21 P. Mateus, B. Wicher, Y. Ferrand and I. Huc, Chem. Commun., 2017, 53, 9300–9303.
22 K. Urushibara, T. Yamada, A. Yokoyama, H. Mori, H. Masu, I. Azumaya, H. Kagechika, T. Yokozawa and A. Tanatani, J. Org. Chem., 2020, 85, 2019–2039.
23 A. S. Hay, J. Org. Chem., 1960, 25, 1275–1276.
24 P. Rivera-Fuentes, J. L. J. L. Alonso-Gómez, A. G. A. G. Petrovic, F. Santoro, N. Harada, N. Berova and F. Diederich, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 2247–2250.
25 E. J. Donckele, O. Gidron, N. Trapp and F. Diederich, Chem. - A Eur. J., 2014, 20, 9558–9566.
26 J. L. J. L. Alonso-Gómez, P. Rivera-Fuentes, N. Harada, N. Berova and F. Diederich, Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 5545–5548.
27 G. Eglinton and A. R. Galbraith, J. Chem. Soc., 1959, 889–896.
28 P. Rivera-Fuentes, J. L. J. L. Alonso-Gómez, A. G. A. G. Petrovic, P. Seiler, F. Santoro, N. Harada, N. Berova, H. S. H. S. Rzepa and F. Diederich, Chem-Eur J, 2010, 16, 9796–9807.
29 P. Rivera-Fuentes, B. Nieto-Ortega, W. B. Schweizer, J. T. L. Navarrete, J. Casado and F. Diederich, Chemistry, 2011, 17, 3876–85.
30 M. D. Tzirakis, N. Marion, W. B. Schweizer and F. Diederich, Chem. Commun. (Camb)., 2013, 49, 7605–7607.
31 M. D. Tzirakis, M. N. Alberti, H. Weissman, B. Rybtchinski and F. Diederich, Chem. - A Eur. J., 2014, 20, 16070–16073.
32 S. Thorand, F. Vögtle and N. Krause, Angew. Chemie Int. Ed., 1999, 38, 3721–3723.
33 M. D. Clay and A. G. Fallis, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2005, 44, 4039–42.
34 J. L. Alonso-Gómez, A. Navarro-Vázquez and M. M. Cid, Chem. - A Eur. J., 2009, 15, 6495–6503.
35 I. R. Lahoz, A. Navarro-Vázquez, J. L. Alonso-Gómez and M. M. Cid, Eur. J. Org. Chem., 2014, 2014, 1915–1924.
36 S. Castro-Fernández, I. R. Lahoz, A. L. Llamas-Saiz, J. L. Alonso-Gómez, M.-M. Cid and A. Navarro-Vázquez, Org. Lett., 2014, 16, 1136–1139.
37 D. O’Krongly, S. R. Denmeade, M. Y. Chiang and R. Breslow, J. Am. Chem. Soc., 1985, 107, 5544–5545.
38 D. Padula, I. R. Lahoz, C. Díaz, F. E. Hernández, L. Di Bari, A. Rizzo, F. Santoro and M. M. Cid, Chem. Eur. J., 2015, 21, 12136–12147.
39 S. Castro-Fernández, J. Álvarez-García, L. García-Río, C. Silva-López and M. M. Cid, Org. Lett., 2019, 21, 5898–5902.
40 S. Míguez-Lago, A. L. Llamas-Saiz, M. M. Cid and J. L. Alonso-Gómez, Chem. A Eur. J., 2015, 21, 18085–18088.
41 O. Gidron, M.-O. O. Ebert, N. Trapp and F. Diederich, Angew. Chemie - Int. Ed., 2014, 53, 13614–13618.
42 O. Gidron, M. Jirásek, N. Trapp, M. O. Ebert, X. Zhang and F. Diederich, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 12502–12505.
43 O. Gidron, M. Jirásek, M. Wörle and F. Diederich, Chem. - A Eur. J., 2016, 22, 16172–16177.
44 C. Gropp, N. Trapp and F. Diederich, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 14444–14449.
45 C. Gropp, T. Husch, N. Trapp, M. Reiher and F. Diederich, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 12190–12200.
46 C. Gropp, S. Fischer, T. Husch, N. Trapp, E. M. Carreira and F. Diederich, J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 4749–4755.
47 Z. Guo, I. De Cat, B. Van Averbeke, J. Lin, G. Wang, H. Xu, R. Lazzaroni, D. Beljonne, A. P. H. J. Schenning and S. De Feyter, Chem. Commun., 2014, 50, 11903–11906.
48 Y. Dong, G. Goubert, M. N. Groves, J. C. Lemay, B. Hammer and P. H. McBreen, Acc. Chem. Res., 2017, 50, 1163–1170.
49 Y. Yi, D. Zhang, Y. Ma, X. Wu and G. Zhu, Anal. Chem., 2019, 91, 2908–2915.
50 A. Yokoyama, T. Saiki, H. Masu, I. Azumaya and T. Yokozawa, Polymer (Guildf)., 2018, 134, 175–180.
51 Y. Q. Zhang, M. A. Öner, I. R. Lahoz, B. Cirera, C. A. Palma, S. Castro-Fernández, S. M. Lago, M. M. Cid, J. V. Barth, J. L. A. Gómez and F. Klappenberger, Chem. Commun., 2014, 50, 15022–15025.
52 C. Vericat, M. E. Vela, G. Corthey, E. Pensa, E. Cortés, M. H. Fonticelli, F. Ibañez, G. E. Benitez, P. Carro and R. C. Salvarezza, RSC Adv., 2014, 4, 27730–27754.
53 S. Casalini, C. A. Bortolotti, F. Leonardi and F. Biscarini, Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 40–71.
54 A. Ozcelik, R. Pereira-Cameselle, A. Von Weber, M. Paszkiewicz, M. Carlotti, T. Paintner, L. Zhang, T. Lin, Y.-Q. Zhang, J. V. V. Barth, T. van den Nobelen, R. C. C. Chiechi, M. Jakob, U. Heiz, S. Chiussi, A. Kartouzian, F. Klappenberger and J. L. Alonso-Gómez, Langmuir, 2018, 34, 4548–4553.
55 A. Kartouzian, P. Heister, M. Thämer, S. Gerlach and U. Heiz, J. Opt. Soc. Am. B, 2013, 30, 541–548.
56 S. Castro-Fernández, M. M. Cid, C. S. López and J. L. Alonso-Gómez, J. Phys. Chem. A, 2015, 119, 1747–1753.
57 S. Castro-Fernández, R. Yang, A. P. García, I. L. Garzón, H. Xu, A. G. Petrovic and J. L. Alonso-Gómez, Chem. A Eur. J., 2017, 23, 11747–11751.
58 A. Ozcelik, D. Aranda, S. Gil-Guerrero, X. A. Pola-Otero, M. Talavera, L. Wang, S. K. Behera, J. Gierschner, Á. Peña-Gallego, F. Santoro, R. Pereira-Cameselle and J. L. Alonso-Gómez, imminet submission.
59 C. Poriel, J. Rault-Berthelot and L. J. Sicard, Chem. Commun., 2019, 55, 14238–14254.
60 T. P. I. Saragi, T. Spehr, A. Siebert, T. Fuhrmann-lieker and J. Salbeck, Chem. Rev., 2007, 107, 1011–1065.
61 W. Zhang, C. Liang, Z. He, H. Pang, Y. Wang and S. Zhao, Synth. Met., 2015, 210, 214–222.
62 V. C. Arias‐Coronado, R. Pereira‐Cameselle, A. Ozcelik, M. Talavera, Á. Peña‐Gallego, J. L. Alonso‐Gómez and S. Bolaño, Chem. A Eur. J., 2019, 22, 13496–13499.
63 A. Ozcelik, Á. Peña-Gallego, R. Pereira-Cameselle and J. L. Alonso-Gómez, Chirality, 2020, 32, 464–473.
64 F. Thiemann, T. Piehler, D. Haase, W. Saak and A. Lützen, European J. Org. Chem., 2005, 2005, 1991–2001.
GT.1 Evaluación de SBFs para aplicaciones quirópticas y espintrónicas (M7-M36): Evaluación de los resultados del proyecto en términos de accesibilidad sintética, respuestas quirópticas y aplicabilidad. Para apuntar a un uso orientado a la aplicación del proyecto EQIs en el futuro cercano, i) en colaboración con G. Sales evaluaremos la posible implementación de nuestras nuevas estructuras quirales en biosensores basadas en respuestas quirópticas. Su experiencia en I + D de biosensores flexibles y la capacidad de su grupo de investigación "Biomark" para diseñar y probar posibles aplicaciones serán de gran ayuda para determinar nuevas aplicaciones y objetivos confiables para proyectos conjuntos de la UE; ii) en colaboración con I. Fischer evaluaremos la posibilidad de integrar nuestras nuevas moléculas y estructuras quirales en dispositivos fotónicos y espintrónicos, ya sea aprovechando la respuesta quiral o de la quiralidad para aplicaciones como la selectividad de espín. Su experiencia en el diseño, fabricación y caracterización de posibles dispositivos fotónicos y espintrónicos será de gran ayuda para determinar nuevas aplicaciones y objetivos confiables para proyectos conjuntos de la UE.
GT.2 Difusión de resultados (M10-M36): Preparación de manuscritos (9) y publicación en revistas científicas internacionales y participación en conferencias internacionales (3) y nacionales (3) relevantes. El sitio web del equipo de investigación (www.smartchiralframeworks.com) servirá para abordar más fácilmente nuevas colaboraciones cuando sea necesario. El canal de YouTube servirá para la difusión de los resultados más relevantes a la sociedad, así como plataforma para videos explicativos de conceptos básicos referentes a quiralidad, respuestas quirópticas y aplicaciones quirópticas para facilitar a las nuevas personas incorporadas a adquirir los conocimientos básicos para el desarrollo de investigación en el grupo, así como para facilitar la comunicación con otros grupos de investigación.
GT.3 Gestión (M1-M36): Organización del trabajo en diferentes partes del proyecto, definir tareas claramente específicas y generales para los diferentes miembros del equipo de investigación, y fomentar una cooperación sinérgica dentro del grupo. Además, organización de reuniones grupales semanales y utilización del sitio web como base de datos con los principales resultados obtenidos por el equipo de investigación.
6. Riesgos del proyecto y mitigación
La experiencia del grupo y los resultados preliminares prometen el éxito de la mayoría de las tareas propuestas. Sin embargo, la siguiente tabla muestra las posibles dificultades y el plan de contingencia:
Posibles dificultades / riesgos
Tarea asociada
Plan de contingencia
La resolución enantiomérica de SBFs no se puede completar / baja
Tarea 1.2
La síntesis de SBFs se realizará a partir de espirobifluorenos enantiopuros siempre que sea posible
La predicción teórica de respuestas quirópticas de los SBF no es comparable a los resultados experimentales / media
Tarea 1.3
Se realizarán cálculos teniendo en cuente el acoplamiento vibrónico y / o el efecto Jahn Teller en colaboración con Fabrizio Santoro.
La deposición de monocapas de SBF sobre sustratos recubiertos de Au desde disolución no es eficiente / media
Tarea 1.4
La deposición se realizará mediante sublimación.
La medición de propiedades quirópticas de monocapas mediante ECD no da lugar a señales significativas / media
Tarea 1.5
Se medirá la SHG-CD en colaboración con Aras Kartouzian
Los cálculos no muestran orbitales moleculares helicoidales en los orbitales frontera de DFBD-A, DFBD-A2, DFBD-D, DFBD-D2 DFBD-AD, 4A3, 4A6, 4D3, 4D6 o 4A3D3 / baja
Tarea 2.1
Se estudiará la sustitución del grupo dador (D) y o aceptor (A) de electrones compatibles con su preparación a partir de los triflatos de 4D3 y 4D6.
La acilación de 4 se procede con bajo rendimiento / medio-alto
Tarea 2.2
La síntesis se realizará a partir de los espirobifluorenos prefuncionalizados.
La oxidación de 4A6/4A3 se procede con bajo rendimiento / medio-alto
Tarea 2.2
La síntesis de 4D6/4D3/4D6 se realizará a partir de espirobifluorenos prefuncionalizados
La resolución estereoisomérica de los macrociclos 1A3, 1A6, 1D3, 1D6 y 1A3D3 no se puede completar / baja
Tarea 2.3
La síntesis de 4 se realizará a partir de espirobifluorenos enantiopuros
7. Equipos disponibles
• Tenemos acceso al espacio de laboratorio con un total de 6 estaciones de trabajo y todos los equipos necesarios para la síntesis.
• Nuestro grupo de investigación tiene acceso a los siguientes instrumentos: espectrofotómetro IR JASCO FT / IR – 6100, espectrofotómetro UV / Vis JASCO V-670, fluorímetro JASCO FP-8300, Polarímetro Zuzi Modelo 404. Asimismo, en el CACTI se puede disponer de los siguientes equipos y servicios: espectrómetros de RMN; Bruker ARX400, Bruker AVANCE DPX400 y Bruker DPX600, Difractómetros Bruker SMART CCD 1000 y SMART CCD 6000-Incoatec ImS Cu, Espectrofotómetro de CD JASCO 815, Espectrómetros MS VG Autospec M, Hewlett-Packard 5989A y5989B, y MICROTOF Water FOCUS, FOCUS de agua MICROTOF diferentes detectores, difractómetro de rayos X.
• También tenemos acceso a una sala limpia ISO-7 de 45 m2 con zonas ISO-6 para procesamiento por láser y zonas ISO-4 para química húmeda, sistemas de láser excimer UV (LEAP y Compex) que emiten pulsos de 20-30 ns de longitud de onda de 193 nm con bancos ópticos totalmente equipados (homogeneizadores de haz óptico, atenuadores y control "in situ" de superficies irradiadas), campana de química húmeda para trabajar bajo condiciones ISO 4 (procedimientos de limpieza, recubrimiento por inmersión y recubrimiento por rotación), sistema PVD para evaporación térmica de Ti y Au en condiciones de HV, cámaras de HV / UHV para calentar SBF y producir sublimación en condiciones controladas (vacío, gas inerte, rampa de temperatura)
• Clúster computacional con los paquetes de software para llevar a cabo el proyecto: Gaussian 98, Gaussian03 y Gaussian09.
8. Cronograma
Responsable del proyecto: JLAG: José Lorenzo Alonso Gómez. Universidad de Vigo. Experto en el desarrollo de sistemas quirópticos. Personas que participan en el plan de trabajo: AO: Ani Ozcelik. Universidad de Vigo. Ella participará solo durante los primeros seis meses del proyecto debido a la finalización de su doctorado. Ella transferirá sus conocimientos sobre síntesis de SBFs, formación de SAM y respuestas quirópticas. E1: Estudiante 1. Esta persona centrará su trabajo en el O1. E2: Estudiante 2. Esta persona centrará su trabajo en el O2. Colaboraciones: APG: Ángeles Peña Gallego. Universidad de Vigo. Experta en simulaciones teóricas. SC: Stefano Chiussi. Universidad de Vigo. Experto en fabricación de sustrato de laboratorio en chip. AK: Aras Kartouzian. TUM, Munich, Alemania. Experto en dicroísmo circular de segunda generación armónica. GS: Goreti Sales. Universidad de Coimbra, Portugal. Experta en el desarrollo de sensores. IF: Inga Fischer. BTU Cottbus, Alemania. Experta en espintronics. JG: Johannes Gierschner. IMDEA. Experto en propiedades fotofísicas. YQZ: Yiqi Zhang. Instituto de Física, Chinese Academy of Sciences, China. Experto en microscopía de túnel de escaneo.
O1 Construcción de superficies quirópticas por funcionalización con SBFs
T1.1 Síntesis y caracterización de SBFs (M1-M24) JLAG, AO, E1
T1.2 Resolución enantiomérica y respuestas quirópticas de SBF (M4-M32) JLAG, AO, E1
T1.3 Predicción teórica de las respuestas quirópticas de los SBF (M10-M36) JLAG, APG, E1
T1.4 Deposición de monocapas de SBF sobre sustratos recubiertos de Au (M4-M32) JLAG, SC, AO, E1
T1.5 Caracterización de monocapa y medición de propiedades quirópticas (M13-M36) JLAG, SC, YQZ, AK, E1
O2 Desarrollo de sistemas reales con orbitales helicoidales frontera
T2.1 Predicciones teóricas de DFBD, DFBD-A, DFBD-A2, DFBD-D, DFBD-D2, DFBD-AD, 4A3, 4A6, 4D3, 4D6 y 4A3D3 (M1-M12) JLAG, AGP, AO, E2
T2.2 Síntesis y caracterización de macrociclos 4, 4A3, 4A6, 4D3, 4D6 y 4A3D3 (M4-M30) JLAG, JG, AO, E1
T2.3 Resolución estereoisomérica y respuestas quirópticas de macrociclos 4A3, 4A6, 4D3, 4D6 y 4A3D3 (M8-M34) JLAG, APG, E2
Tareas Generales
GT1 Evaluación de SBFs para aplicaciones quirópticas (M7-M36) JLAG, APG, SC, GS, YQZ, IF, E1, E2
GT2 Difusión de resultados (M10-M36) JLAG, SC, APG, YQZ, E1, E2
GT3 Gestión (M1-M36) JLAG
9. Impacto esperado de los resultados del proyecto
- El entendimiento de los mecanismos responsables de las respuestas quirópticas en SBFs será una herramienta de gran utilidad para el diseño de sistemas para aplicaciones quirópticas y espintrónicas.
- El uso de espirobifluorenos quirópticos para la funcionalización de sustratos compatibles con dispositivos servirá un hito en el campo de la quiróptica.
- Entender los mecanismos por los que se pueden diseñar sistemas que presenten orbitales moleculares helicoidales frontera en espirobifluorenos cíclicos abrirá las puertas a la exploración de estos orbitals fascinantes en otros tipos de moléculas.
- La obtención de sistemas reales presentando orbitales moleculares frontera permitirá el estudio de su repercusión experimental en distintos campos como la quiróptica y espintrónica.
10. Capacidad formativa y capacidad de captación
Formación de estudiantes de doctorado: se definirá un plan de investigación detallado durante el primer mes y se revisará cada medio año para dar cuenta de la evolución del proyecto. Las reuniones semanales servirán para discutir los experimentos en ejecución y discutir los desafíos. Se planificará una estancia de tres meses para cada estudiante de doctorado durante el segundo año del proyecto con una de las colaboraciones del proyecto (algunas estancias del grupo desde 2014: Universidad de Columbia con Prof. N. Berova, TUM con Prof. J. Barth, CSU-China con Prof. Hai Xu, Universidad de Groningen con Prof. R. Chiechi). Cada estudiante de doctorado asistirá a una conferencia nacional e internacional durante el proyecto. Cada estudiante participará activamente en la preparación de los manuscritos derivados de su investigación.
Entorno internacional en el grupo: en los últimos 5 años han estado trabajando en el grupo estudiantes de Turquía, China, Italia, Holanda y Venezuela. Además, las breves estancias científicas de colaboraciones internacionales del grupo (1 de media anual) permiten al grupo interactuar con investigaciones de otros campos. Adicionalmente, el carácter multidisciplinar del grupo se comparte en las reuniones grupales quincenales donde se presentan resultados de investigación del grupo. Debido al carácter internacional de los grupos y con el fin de facilitar el uso del inglés, las reuniones grupales suelen ser en inglés.
El grupo tiene una vasta experiencia en la supervisión de tesis y una dilatada experiencia en másteres internacionales y nacionales. Algunos de los médicos formados han obtenido menciones especiales en la Universidad de Vigo y la mayoría de ellos se han incorporado como plantilla en otras universidades o centros tecnológicos. El grupo de investigación ha dirigido en estos últimos diez años las siguientes Tesis Doctorales:
1. “Superficies funcionales quirópticas mediante marcos axiales quirales para la detección”, directores José Lorenzo Alonso Gómez y Raquel Pereira Cameselle, U. de Vigo, Ani Özçelik, presentación prevista para 2021.
2. “Estudio teórico y computacional del transporte de electrones en sistemas biológicos: Cadenas de nucleótidos y aminoácidos” directores Marcos Mandado y Ángeles Peña Gallego, U. de Vigo, Sara Gil Guerrero, presentación prevista en 2020.
3. “Comprensión de la quiralidad para el diseño de sistemas quiropticos a medida: síntesis de macrociclos alénicos y espiranos”, directores José Lorenzo Alonso Gómez y M. Magdalena Cid Fernández, U. de Vigo, Silvia Castro Fernández, 2017.
4. “Jaulas helicoidales orgánicas covalentes: diseño, síntesis y aplicaciones basadas en el reconocimiento molecular”, directores José Lorenzo Alonso Gómez y M. Magdalena Cid Fernández, U. de Vigo, Sandra Míguez Lago, 2016.
5. "Producción y modificación de aleaciones de SiGe mediante técnicas de láser UV" Director Stefano Chiussi, Universidade de Vigo, Ph. D .: Estefanía Carolina López Silva, 2015.
7. "Modificaciones superficiales de biomateriales con técnicas láser" Supervisores: Stefano Chiussi, Julia Serra, U. de Vigo, Ph. D .: Maria Dolores Paz Álvarez, 2014. Es Ingeniera Investigadora Senior, Doctora - Energía y Materiales en Chalmers en Göteborg, Suecia.
8. “Ciclofanos quirales de 1,3-Dietinilalenos: Síntesis, Caracterización y Estudio de sus Propiedades Quiropticas”, directores José Lorenzo Alonso Gómez y M. Magdalena Cid Fernández, U. de Vigo, Mª Inmaculada Rodríguez Lahoz, 2012. Se encuentra trabajando como docente en el Sistema Educativo Nacional español.
El programa de doctorado de la Facultad de Química de la Universidad de Vigo proporcionará herramientas esenciales para el desarrollo de la tesis doctoral. Adicionalmente, el carácter multidisciplinar del grupo de investigación en Química Orgánica y Computacional se complementará con la funcionalización de superficies y experiencia en sala blanca e instalaciones.
11. Referencias
1 I. Ali, W. A. Wani, K. Saleem and A. Haque, Curr. Drug ther., 2012, 7, 13–23.
2 L. D. Barron, Molecular Light Scattering And Optical Activity, Cambridge University press, New York, 2004.
3 N. Berova, P. L. Polavarapu, K. Nakanishi and R. W. Woody, in Comprehensive Chiroptical Spectroscopy, Wiley, New York, 2012.
4 R. Naaman, Y. Paltiel and D. H. Waldeck, Nat. Rev. Chem., 2019, 3, 250–260.
5 M. H. Garner, A. Jensen, L. O. H. Hyllested and G. C. Solomon, Chem. Sci., 2019, 10, 4598–4608.
6 D. Sun, E. Ehrenfreund and Z. Valy Vardeny, Chem. Commun. (Camb)., 2014, 50, 1781–1793.
7 B. Testa, Helv. Chim. Acta, 2013, 96, 351–374.
8 B. Testa, Helv. Chim. Acta, 2013, 96, 351–374.
9 J. H. Van ’t Hoff, La Chimie dans L’espace , Rotterdam, 1875, vol. 1.
10 P. Maitland and W. H. Mills, Nature, 1935, 135, 994.
11 H. Y. Kim, J. Y. Li and K. Oh, J. Org. Chem., 2012, 77, 11132–11145.
12 Y. Yao, G. Zhu, Q. Chen, H. Qian and S. Ma, Org. Chem. Front., 2019, 6, 304–308.
13 R. Ding, R. Lu, Z. Fang, Y. Liu, S. Wang, X. Liang, C. Zhang, T. Huang and J. Hu, Organometallics, 2019, 38, 4561–4564.
14 Y. Wang and D. J. Burton, Org. Lett., 2006, 8, 5295–5298.
15 R. C. Livingston, L. R. Cox, V. Gramlich and F. Diederich, Angew. Chemie Int. Ed., 2001, 40, 2334–2337.
16 R. Livingston, L. R. Cox, S. Odermatt and F. Diederich, Helv. Chim. Acta, 2002, 85, 3052–3077.
17 S. Odermatt, J. L. Alonso-Gómez, P. Seiler, M. M. Cid and F. Diederich, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 5074–5078.
18 M. K. J. ter Wiel, S. Odermatt, P. Schanen, P. Seiler and F. Diederich, European J. Org. Chem., 2007, 2007, 3449–3462.
19 G. Guichard and I. Huc, Chem. Commun., 2011, 47, 5933–5941.
20 E. A. John, C. J. Massena and O. B. Berryman, Chem. Rev., 2020, 120, 2759–2782.
21 P. Mateus, B. Wicher, Y. Ferrand and I. Huc, Chem. Commun., 2017, 53, 9300–9303.
22 K. Urushibara, T. Yamada, A. Yokoyama, H. Mori, H. Masu, I. Azumaya, H. Kagechika, T. Yokozawa and A. Tanatani, J. Org. Chem., 2020, 85, 2019–2039.
23 A. S. Hay, J. Org. Chem., 1960, 25, 1275–1276.
24 P. Rivera-Fuentes, J. L. J. L. Alonso-Gómez, A. G. A. G. Petrovic, F. Santoro, N. Harada, N. Berova and F. Diederich, Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 2247–2250.
25 E. J. Donckele, O. Gidron, N. Trapp and F. Diederich, Chem. - A Eur. J., 2014, 20, 9558–9566.
26 J. L. J. L. Alonso-Gómez, P. Rivera-Fuentes, N. Harada, N. Berova and F. Diederich, Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 5545–5548.
27 G. Eglinton and A. R. Galbraith, J. Chem. Soc., 1959, 889–896.
28 P. Rivera-Fuentes, J. L. J. L. Alonso-Gómez, A. G. A. G. Petrovic, P. Seiler, F. Santoro, N. Harada, N. Berova, H. S. H. S. Rzepa and F. Diederich, Chem-Eur J, 2010, 16, 9796–9807.
29 P. Rivera-Fuentes, B. Nieto-Ortega, W. B. Schweizer, J. T. L. Navarrete, J. Casado and F. Diederich, Chemistry, 2011, 17, 3876–85.
30 M. D. Tzirakis, N. Marion, W. B. Schweizer and F. Diederich, Chem. Commun. (Camb)., 2013, 49, 7605–7607.
31 M. D. Tzirakis, M. N. Alberti, H. Weissman, B. Rybtchinski and F. Diederich, Chem. - A Eur. J., 2014, 20, 16070–16073.
32 S. Thorand, F. Vögtle and N. Krause, Angew. Chemie Int. Ed., 1999, 38, 3721–3723.
33 M. D. Clay and A. G. Fallis, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2005, 44, 4039–42.
34 J. L. Alonso-Gómez, A. Navarro-Vázquez and M. M. Cid, Chem. - A Eur. J., 2009, 15, 6495–6503.
35 I. R. Lahoz, A. Navarro-Vázquez, J. L. Alonso-Gómez and M. M. Cid, Eur. J. Org. Chem., 2014, 2014, 1915–1924.
36 S. Castro-Fernández, I. R. Lahoz, A. L. Llamas-Saiz, J. L. Alonso-Gómez, M.-M. Cid and A. Navarro-Vázquez, Org. Lett., 2014, 16, 1136–1139.
37 D. O’Krongly, S. R. Denmeade, M. Y. Chiang and R. Breslow, J. Am. Chem. Soc., 1985, 107, 5544–5545.
38 D. Padula, I. R. Lahoz, C. Díaz, F. E. Hernández, L. Di Bari, A. Rizzo, F. Santoro and M. M. Cid, Chem. Eur. J., 2015, 21, 12136–12147.
39 S. Castro-Fernández, J. Álvarez-García, L. García-Río, C. Silva-López and M. M. Cid, Org. Lett., 2019, 21, 5898–5902.
40 S. Míguez-Lago, A. L. Llamas-Saiz, M. M. Cid and J. L. Alonso-Gómez, Chem. A Eur. J., 2015, 21, 18085–18088.
41 O. Gidron, M.-O. O. Ebert, N. Trapp and F. Diederich, Angew. Chemie - Int. Ed., 2014, 53, 13614–13618.
42 O. Gidron, M. Jirásek, N. Trapp, M. O. Ebert, X. Zhang and F. Diederich, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 12502–12505.
43 O. Gidron, M. Jirásek, M. Wörle and F. Diederich, Chem. - A Eur. J., 2016, 22, 16172–16177.
44 C. Gropp, N. Trapp and F. Diederich, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 14444–14449.
45 C. Gropp, T. Husch, N. Trapp, M. Reiher and F. Diederich, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 12190–12200.
46 C. Gropp, S. Fischer, T. Husch, N. Trapp, E. M. Carreira and F. Diederich, J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 4749–4755.
47 Z. Guo, I. De Cat, B. Van Averbeke, J. Lin, G. Wang, H. Xu, R. Lazzaroni, D. Beljonne, A. P. H. J. Schenning and S. De Feyter, Chem. Commun., 2014, 50, 11903–11906.
48 Y. Dong, G. Goubert, M. N. Groves, J. C. Lemay, B. Hammer and P. H. McBreen, Acc. Chem. Res., 2017, 50, 1163–1170.
49 Y. Yi, D. Zhang, Y. Ma, X. Wu and G. Zhu, Anal. Chem., 2019, 91, 2908–2915.
50 A. Yokoyama, T. Saiki, H. Masu, I. Azumaya and T. Yokozawa, Polymer (Guildf)., 2018, 134, 175–180.
51 Y. Q. Zhang, M. A. Öner, I. R. Lahoz, B. Cirera, C. A. Palma, S. Castro-Fernández, S. M. Lago, M. M. Cid, J. V. Barth, J. L. A. Gómez and F. Klappenberger, Chem. Commun., 2014, 50, 15022–15025.
52 C. Vericat, M. E. Vela, G. Corthey, E. Pensa, E. Cortés, M. H. Fonticelli, F. Ibañez, G. E. Benitez, P. Carro and R. C. Salvarezza, RSC Adv., 2014, 4, 27730–27754.
53 S. Casalini, C. A. Bortolotti, F. Leonardi and F. Biscarini, Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 40–71.
54 A. Ozcelik, R. Pereira-Cameselle, A. Von Weber, M. Paszkiewicz, M. Carlotti, T. Paintner, L. Zhang, T. Lin, Y.-Q. Zhang, J. V. V. Barth, T. van den Nobelen, R. C. C. Chiechi, M. Jakob, U. Heiz, S. Chiussi, A. Kartouzian, F. Klappenberger and J. L. Alonso-Gómez, Langmuir, 2018, 34, 4548–4553.
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56 S. Castro-Fernández, M. M. Cid, C. S. López and J. L. Alonso-Gómez, J. Phys. Chem. A, 2015, 119, 1747–1753.
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