Synthesis and characterization of curcuminoids and their derived polymeric systems

Abstract

Els curcuminoïdes (CCMoids) són un grup de molècules que presenten dos anells aromàtics units per una cadena conjugada de set carbonis (diarilheptanoids) i una β-dicetona en la posició central. La síntesi senzilla d’aquesta mena de molècules permet el seu disseny minuciós en funció del propòsit final, principalment modificant els substituents laterals, però també la longitud de la cadena i / o la β-dicetona. Malgrat la quantitat de CCMoids que s’han sintetitzat fins ara, i la presència en molts d’ells de grups funcionals susceptibles de reaccionar amb altres espècies, l’ús de CCMoids com a blocs de construcció per a la creació d’estructures altament dimensionals és escàs. Això, juntament amb les propietats mostrades per aquesta família de molècules (biomèdiques, electròniques…) i la seva polivalent química, va motivar el desenvolupament de les idees presentades en aquesta tesi doctoral. En aquest sentit, en aquesta tesi doctoral es presenten nou CCMoids, inclosos quatre no descrits prèviament en la literatura. A més, s’ha dut a terme la seva caracterització detallada, comprovant no sols que s’havien aconseguit les molècules desitjades en alta puresa sinó també com les seves diferències estructurals poden afectar les seves propietats fisicoquímiques. En relació a la formació d’estructures esteses, s’han aconseguit diversos polímers de coordinació (CP) a partir de la reacció amb ions de metalls de transició i també es mostren els primers passos en la síntesi de polímers orgànics (OP). Per als estudis de CPs, es van provar dos CCMoides: un natural, la bisdemetoxicurcumina (BDMC), amb grups fenol en els laterals de la molècula, i un CCMoid sintètic, 3pyCCMoid, amb piridines com a substituents aromàtics. La reacció entre BDMC i acetat de zinc, realitzada en condicions suaus en EtOH, proporciona un nou sistema 1D. A més, la dimensionalitat i la porositat d’aquesta xarxa s’han ampliat mitjançant l’estudi de la reacció que es produeix entre tres espècies: BDMC, salts de Zn (II) i un co-lligant ditòpic (1,2-bis (4-piridil) etilè, 1, 3-bis (4-piridil) propà o 4,4’-bipiridina). En total, aquí es presenten set nous CPs. Les estructures de cinc d’ells es van resoldre mitjançant difracció de raigs-X de monocristall. A més, vam mostrar que la combinació de 13C NMR en estat sòlid i tècniques convencionals (anàlisi elemental, FTIR.) Pot proporcionar informació útil sobre les maneres de coordinació de BDMC, en els casos d’estructures no resoltes. La coordinació de 3pyCCMoid amb centres de Zn (II) dóna com a resultat tres CPs amb diferents arquitectures i dimensionalitats (de 1D a 3D). Aquí s’examina com els mètodes sintètics i alguns canvis lleus en les condicions de reacció afecten la formació dels materials finals. A més, es va optimitzar un mètode eficaç per a l’exfoliació d’un CP 2D i es va realitzar la caracterització dels sistemes de poques capes. Utilitzant el mateix CCMoid però reaccionant amb una sal de Co (II), es va sintetitzar un CP 2D isoestructural, sent el primer CCMoid-CP amb un metall diferent a Zn (II). Per a la síntesi de OPs, s’han proposat dos enfocaments: (i) la formació d’estructures esteses mitjançant l’ús d’un CCMoid amb àcids borónics en els laterals (BOHCCMoidBF2) que reaccionen amb poliols comercials i, (ii) la síntesi in situ d’unitats CCMoid que evolucionen juntes formant materials d’altes dimensions. Respecte a aquesta part, en aquesta tesi doctoral es presenten resultats preliminars que proven la formació d’estructures expandides i encoratgen el treball futur per a continuar amb aquest estudi. Aquí, la varietat d’estructures, diferents dimensionalitats i conformacions adoptades pels CCMoids estudiats demostren el potencial d’aquestes molècules per a formar estructures esteses per si mateixes o amb l’ajuda de coordinació de metalls i / o co-ligands.

Los curcuminoides (CCMoids) son un grupo de moléculas que presentan dos anillos aromáticos unidos por una cadena conjugada de siete carbonos (diarilheptanoides) y una β-dicetona en la posición central. La síntesis sencilla de este tipo de moléculas permite su diseño minucioso en función del propósito final, principalmente modificando los sustituyentes laterales, pero también la longitud de la cadena y / o la β-dicetona. A pesar de la cantidad de CCMoids que se han sintetizado hasta ahora, y la presencia en muchos de ellos de grupos funcionales susceptibles de reaccionar con otras especies, el uso de CCMoids como bloques de construcción para la creación de estructuras altamente dimensionales es escaso. Esto, unido a las propiedades mostradas por esta familia de moléculas (biomédicas, electrónicas…) y su polivalente química, motivó el desarrollo de las ideas presentadas en esta tesis doctoral. En este sentido, en esta tesis doctoral se presentan nueve CCMoids, incluidos cuatro no descritos previamente en la literatura. Además, se ha llevado a cabo su caracterización detallada, comprobando no solo que se habían conseguido las moléculas deseadas en alta pureza sino también cómo sus diferencias estructurales pueden afectar sus propiedades fisicoquímicas. En cuanto a la formación de estructuras extendidas, se han logrado varios polímeros de coordinación (CP) a partir de la reacción con iones de metales de transición y también se muestran los primeros pasos en la síntesis de polímeros orgánicos (OP). Para los estudios de CPs, se probaron dos CCMoides: uno natural, la bisdemetoxicurcumina (BDMC), con grupos fenol en los laterales de la molécula, y un CCMoid sintético, 3pyCCMoid, con piridinas como sustituyentes aromáticos. La reacción entre BDMC y acetato de zinc, realizada en condiciones suaves en EtOH, proporciona un nuevo sistema 1D. Además, la dimensionalidad y la porosidad de esta red se han ampliado mediante el estudio de la reacción que se produce entre tres especies: BDMC, sales de Zn (II) y un co-ligando ditópico (1,2-bis (4-piridil) etileno, 1, 3-bis (4-piridil) propano o 4,4’-bipiridina). En total, aquí se presentan siete nuevos CPs. Las estructuras de cinco de ellos se resolvieron mediante difracción de rayos-X de monocristal. Además, mostramos que la combinación de 13C NMR en estado sólido y técnicas convencionales (análisis elemental, FTIR.) Puede proporcionar información útil sobre los modos de coordinación de BDMC, en los casos de estructuras no resueltas. La coordinación de 3pyCCMoid con centros de Zn (II) da como resultado tres CP con diferentes arquitecturas y dimensionalidades (de 1D a 3D). Aquí se examina cómo los métodos sintéticos y algunos cambios leves en las condiciones de reacción afectan la formación de los materiales finales. Además, se optimizó un método eficaz para la exfoliación de un CP 2D y se realizó la caracterización de los sistemas de pocas capas. Utilizando el mismo CCMoid pero reaccionando con una sal de Co (II), se sintetizó un CP 2D isoestructural, siendo el primer CCMoid-CP con un metal diferente a Zn (II). Para la síntesis de OPs, se han propuesto dos enfoques: (i) la formación de estructuras extendidas mediante el uso de un CCMoid con ácidos borónicos en los laterales (BOHCCMoidBF2) que reaccionan con polioles comerciales y, (ii) la síntesis in situ de unidades CCMoid que evolucionan juntas formando materiales de altas dimensiones. Con respecto a esta parte, en esta tesis doctoral se presentan resultados preliminares que prueban la formación de estructuras expandidas y alientan el trabajo futuro para continuar con este estudio. Aquí, la variedad de estructuras, diferentes dimensionalidades y conformaciones adoptadas por los CCMoids estudiados demuestran el potencial de estas moléculas para formar estructuras extendidas por sí mismas o con la ayuda de coordinación de metales y / o co-ligandos.

Curcuminoids (CCMoids) are a group of molecules that display two aromatic rings joined by a seven-carbon conjugated chain (diarylheptanoids) and a β-diketone moiety in the central position of their structures. The straightforward synthesis of this type of molecules allows their thorough design depending on the final purpose, mainly by modifying the lateral substituents, but also the chain length and/or the β-diketone unit. Despite of the number of CCMoids that have been synthetized until now, and the presence in many of them of functional groups susceptible to react with other species, the use of CCMoids as building blocks for the creation of highly dimensional structures is scarce. This, together with the properties shown by this family of molecules (biomedical, electronic…) and their versatile chemistry, motivated the development of the ideas presented in this doctoral thesis. In this sense, nine CCMoids, including four not previously described in the literature, are presented in this doctoral thesis. Moreover, their detailed characterization has been carried out, probing not only the achieving of the desired molecules in high purity but also how their structural differences may affect their physicochemical properties. Regarding the formation of extended structures, several coordination polymers (CPs) have been achieved from the reaction with transition metal ions and first steps in the synthesis of organic polymers (OPs) are also shown. For the studies of CPs, two CCMoids were tested: a natural one, the bisdemethoxycurcumin (BDMC), with phenol groups at the sites of the molecule, and a synthetic CCMoid, 3pyCCMoid, with pyridines as aromatic substituents. The reaction between BDMC and zinc acetate, performed under mild conditions in EtOH, provides a new 1D system. In addition, dimensionality and porosity of this network have been expanded by studying the reaction occurring between three species: BDMC, Zn(II) salts, and a ditopic co-linker (1,2-bis(4-pyridyl)ethylene, 1,3-bis(4-pyridyl)propane or 4,4′-bipyridine). In total, here seven new CPs are presented. The structures of five of them were elucidated by single-crystal X-ray diffraction. Moreover, we show that the combination of solid state 13C NMR and conventional techniques (elemental analysis, FTIR.) can provide useful information about the coordination modes of BDMC, in the cases of unresolved structures. The coordination of 3pyCCMoid with Zn(II) centres results in three CPs with different architectures and dimensionalities (from 1D to 3D). Here it is examined how synthetic methods and some slightly changes, in the reaction conditions, affect the formation of the final materials. In addition, an effective method for the exfoliation of a 2D CP was optimized and the characterization of the few layer nanosheets performed. Using the same CCMoid but reacting with a Co(II) salt, an isostructural 2D CP was synthetized, being the first CCMoid-CP with a metal different than Zn(II). For the synthesis of OPs, two approaches have been proposed: (i) the formation of extended structures by the use of a CCMoid with boronic acids (BOHCCMoidBF2) at the sites that reacts with commercial polyols and, (ii) the in-situ synthesis of CCMoid units that evolve together forming high dimensional materials. Regarding this part, preliminary results are presented in this Thesis, proving the formation of expanded structures, and encouraging future work to continue with this study. Here, the variety of structures, different dimensionalities and conformations adopted by the studied CCMoids probe the potential of these molecules to form extended structures by themselves or with the assistance of metal coordination and/or co-linkers.