Nuevos derivados basados en clústeres de boro: desarrollo, aproximaciones fotofísicas y funcionalización de plataformas

Abstract

En el trabajo presentado en esta tesis, se continúa con 2 líneas de trabajo iniciadas en el Grupo de Química Inorgánica y Catálisis del Instituto de Ciencias Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), basadas en el desarrollo de nuevos derivados de boro con propiedades fotoluminiscentes y la preparación de sistemas de alto contenido en boro. Se ha avanzado en ambas líneas de investigación, por ello la sección de resultados y discusión se divide en las siguientes dos partes: ➢ Resultados y discusión I: Desarrollo y studio fotofísico de carboranos que incorporan fluoróforos Esta primera parte consta de 3 capítulos que describen la síntesis de derivados de orto- y meta-carborano enlazados a grupos estilbeno. Las moléculas preparadas han sido completamente caracterizadas por las técnicas espectroscópicas usuales y difracción de rayos-X cuando ha sido posible. Se han estudiado las propiedades fotofísicas y los resultados fueron completados con algunos cálculos teóricos. Los Capítulos 3 y 4 describen las rutas sintéticas para obtener estilbenos sustituidos con 1 o 2 clústeres de boro y la posterior preparación de carboranos sustituidos con 2 estilbenos. Para ello, se han llevado a cabo reacciones de sustitución nucleofílica y electrofílica, además de acoplamientos por Heck. Los resultados reflejan el importante papel que juega la naturaleza del carborano en el comportamiento fotofísico del estilbeno, tanto en disolución como estado sólido. En el Capítulo 5, hemos preparado moléculas con un núcleo de octavinil-POSS funcionalizado con ocho derivados de carborano a través de un grupo vinil-estilbeno. Los compuestos han mostrado una alta estabilidad térmica y, una gran intensidad de emisión fluorescente en disolución, que puede ser regulada según el isómero del clúster que se trate y, del sustituyente presente en el segundo Ccluster. Además, las propiedades fluorescentes son diferentes en disolución y en estado sólido. ➢ Resultados y discusión II: preparación y estudio de sistemas de alto contenido en boro En estos tres capítulos se describe la funcionalización de diferentes plataformas con diferentes derivados de clústeres de boro. En el capítulo 6, se han funcionalizado dendrímeros de núcleo porfirínico mediante reacciones de hidrosililación con buenos rendimientos, obteniendo moléculas con 4, 8, 16 y 32 carboranos, en los cuales se estudió sus propiedades fluorescentes y se determinó el radio hidrodinámico. Estos dendrímeros se consideran potenciales agentes antitumorales que pueden emplearse en la Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), así que se han realizado los primeros ensayos de citotoxicidad para evaluar su idoneidad. En el Capítulo 7, el octavinil-POSS se ha funcionalizado con derivados de dos tipos de metalacarboranos (cobaltabisdicarballuro y ferrabisdicarballuro), a través de reacciones de metátesis olefínica para obtener moléculas aniónicas de gran tamaño. Los estudios térmicos han mostrado una gran estabilidad de estos compuestos. Además, se ha determinado el radio hidrodinámico de las nuevas especies. La presencia de metalacarboranos proporciona una interesante actividad electroquímica, que ha sido estudiada mediante voltametría cíclica (CV). En el Capítulo 8, se han preparado nuevos materiales híbridos basados en óxido de grafeno y 2 tipos de clústeres de boro (closo-dodecaborato y cobaltabisdicarballuro) La funcionalización de la superficie de grafeno se ha conseguido mediante reacciones de condensación y de apertura de anillo entre los grupos funcionales del GO y los derivados apropiados de los clústeres de boro. Los materiales híbridos se han caracterizado mediante IR-ATR y diferentes técnicas de microscopía. El grado de funcionalización de los híbridos fue determinado mediante análisis termogravimétrico (ATG), mostrando además un extraordinario incremento en la estabilidad térmica. Se han realizado estudios de dispersabilidad en agua y disolventes orgánicos, que indican una gran mejora en la dispersión del grafeno y en la estabilidad a largo plazo de las dispersiones del grafeno modificado con estos clústeres.

The work presented in this thesis follows with two research lines initiated in the Catalysis and Inorganic Synthesis Group at Institute of Material Sciences of Barcelona (ICMAB-CSIC), based on the development of new boron cluster derivatives with photoluminescent properties and the preparation of high boron content systems. To move forward with these lines, the results and discussion section is divided in two parts: ➢ Results and discussion I: development and photophysical study of carboranes bearing fluorophores The first part consists of three chapters that describe the synthesis of ortho- and meta-carborane derivatives bonded to stilbene groups. The molecules prepared have been fully characterized using the common spectroscopic techniques and X-ray diffraction when possible. The new compounds have been studied from a photophysical point of view and the experimental results were completed with some theoretical calculations. Chapters 3 and 4 describe the synthetic routes to obtain stilbene-substituted with 1 or 2 boron cluster derivatives, following by the synthesis of carboranes-substituted with 2 stilbene units. The synthetic strategies have involved nucleophilic substitutions, electrophilic substitutions and Heck coupling reactions. The results obtained have shed light on the important role played by the nature of the carborane in the photophysical behavior of stilbene, not only in solution but in solid state. In Chapter 5 we decided to prepare larger molecules with an octavinyl-POSS core functionalized with eight carborane derivatives, through vinyl-stilbene groups. These compounds have shown a high thermal stability, as well as high fluorescence emission in solution, which can be tuned by the nature of carborane derivatives linked to the fluorescent moieties, as well as the substituent at the second Ccluster. Fluorescence properties of functionalized POSS in solid state have shown a different behavior to solutions. ➢ Results and discussion II: preparation and study of high-boron content systems Along the three chapters collected in this part, the functionalization of different platforms with the appropriate boron cluster derivatives is reported. In Chapter 6, porphyrin-cored dendrimers have been functionalized with the adequate carborane derivatives by hydrosilylation reactions. Thereby, 4, 8, 16 and 32 carboranes have been attached to these dendrimers with high yields and their fluorescence emission properties as well as their hydrodynamic radii have been determined. These dendrimers are considered as potential anti-cancer agents for Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), so the initial cytotoxicity tests have been carried out to evaluate their suitability. In Chapter 7, octavinyl-POSS has been functionalized with two kinds of metallacarboranes (cobaltabisdicarbollide and ferrabisdicarbollide) derivatives via olefin metathesis reactions, leading to anionic large molecules. The thermal studies have shown a remarkable thermal stability. Besides, the hydrodynamic radii were also determined. In addition, the presence of metallacarboranes provides interesting electrochemical activity, which was studied by means of cyclic voltammetry (CV). In Chapter 8, new hybrids materials based on graphene oxide (GO) and two type of boron cluster (closo-dodecaborate and cobaltabisdicarbollide) have been prepared. Modification of graphene surface has been achieved by condensation and opening-ring reactions between GO functions and the appropriate boron cluster derivatives. The hybrids materials have been characterized by IR-ATR and different electron microscopy techniques. The functionalization degrees were determined by thermogravimetric analysis (TGA) showing an extraordinary increase in the thermal stability of modified graphene with regards to GO. Dispersibility studies in water and organic solvents have indicated an exceptional enhancement and long term stability of dispersions when graphene is functionalized with these boron clusters.