ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΕΡΕΖΑΣ Σ. ΑΦΡΑΤΗ ΠΤΥΧΙΟΥΧΟΥ ΧΗΜΙΚΟΥ ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΜΕΤΑΛΛΟΚΟΡΟΝΩΝ ΤΟΥ Cu ΚΑΙ ΠΟΛΥΠΥΡΗΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΤΟΥ Mn, Ni, Fe & Au. ΧΗΜΙΚΗ, ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2009

2

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΕΡΕΖΑΣ Σ. ΑΦΡΑΤΗ ΠΤΥΧΙΟΥΧΟΥ ΧΗΜΙΚΟΥ ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΜΕΤΑΛΛΟΚΟΡΟΝΩΝ ΤΟΥ Cu ΚΑΙ ΠΟΛΥΠΥΡΗΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΤΟΥ Mn, Ni, Fe & Au. ΧΗΜΙΚΗ, ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ που εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ανόργανης Χημείας του Τομέα Γενικής και Ανόργανης Χημείας του Τμήματος Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Ημερομηνία Προφορικής Εξέτασης: 30 ΟΚΤΩΒΡΙΟΥ 2009 ΕΠΤΑΜΕΛΗΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ Καθηγητής Δ. Φ. ΚΕΣΙΣΟΓΛΟΥ Επιβλέπων Καθηγητής, Α.Π.Θ. Επίκ. Καθηγήτρια ΑΙΚ. ΔΕΝΔΡΙΝΟΥ-ΣΑΜΑΡΑ Μέλος Συμβουλευτικής Επιτροπής, Α.Π.Θ. Β Ερευνήτρια ΑΙΚ. ΡΑΠΤΟΠΟΥΛΟΥ Μέλος Συμβουλευτικής Επιτροπής, Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών, Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. Δημόκριτος Καθηγητής Σ. ΠΕΡΛΕΠΕΣ Πανεπιστήμιο Πατρών Καθηγητής Κ. ΤΣΙΠΗΣ Α.Π.Θ. Επίκ. Καθηγήτρια Α. ΠΑΝΤΑΖΑΚΗ Α.Π.Θ. Λέκτορας Β. ΤΑΓΚΟΥΛΗΣ Α.Π.Θ.

4

5 Η επταμελής εξεταστική επιτροπή που ορίστηκε για την κρίση της Διδακτορικής Διατριβής της Τερέζας Σ. Αφράτη, Χημικού, συνήλθε σε συνεδρίαση στο Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης την 30 η Οκτωβρίου 2009, όπου παρακολούθησε την υποστήριξη της διατριβής με τίτλο ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΜΕΤΑΛΛΟΚΟΡΟΝΩΝ ΤΟΥ Cu ΚΑΙ ΠΟΛΥΠΥΡΗΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΤΟΥ Mn, Ni, Fe & Au. ΧΗΜΙΚΗ, ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ. Η επιτροπή έκρινε ομόφωνα ότι η διατριβή είναι πρωτότυπη και αποτελεί ουσιαστική συμβολή στην πρόοδο της επιστήμης. ΤΑ ΜΕΛΗ ΤΗΣ ΕΠΤΑΜΕΛΟΥΣ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗΣ Καθηγητής Δ.Φ. ΚΕΣΙΣΟΓΛΟΥ Καθηγητής Σ. ΠΕΡΛΕΠΕΣ Καθηγητής Κ. ΤΣΙΠΗΣ Β Ερευνήτρια ΑΙΚ. ΡΑΠΤΟΠΟΥΛΟΥ Επικ. Καθηγήτρια ΑΙΚ. ΔΕΝΔΡΙΝΟΥ-ΣΑΜΑΡΑ Επικ. Καθηγήτρια Α. ΠΑΝΤΑΖΑΚΗ Λέκτορας Β. ΤΑΓΚΟΥΛΗΣ

6

7 Τερέζα Σ. Αφράτη Α.Π.Θ. ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΜΕΤΑΛΛΟΚΟΡΟΝΩΝ ΤΟΥ Cu ΚΑΙ ΠΟΛΥΠΥΡΗΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΤΟΥ Mn, Ni, Fe & Au. ΧΗΜΙΚΗ, ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΒΙΟΧΗΜΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ISBN «Η έγκριση της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής από το Τμήμα Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2)

8

9 The only source of knowledge is experience Albert Einstein Ερωτηθείς δε ο Αριστοτέλης τίνα διαφέρουν οι πεπαιδευμένοι των απαιδεύτων, όσω, οι ζώντες των τεθνηκόντων στους γονείς μου

10

11 Περιεχόμενα Πρόλογος 1 Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 5 Α.1. Υπερμοριακή Χημεία (Supramolecular Chemistry) 7 A.1.1. Ιστορική Ανασκόπηση 7 Α.1.2. Αρχές-έννοιες που χρησιμοποιούνται στην υπερμοριακή χημεία 9 Α.1.3. Δομικές μονάδες στην υπερμοριακή χημεία 12 Α.1.4. Εφαρμογές της υπερμοριακής χημείας 13 Α.2. Χημεία Υποδοχέα-Υποδεχόμενου Μορίου (Host-Guest Chemistry) 14 Α.3. Μεταλλοκορονοειδείς Ενώσεις (Metallacrowns) 20 Α.3.1. Μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις με 9-μελή δακτύλιο (9-MC-3) 27 Α.3.2. Μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις με 12-μελή δακτύλιο (12-MC-3 και 12-MC-4) 31 Α.3.3. Μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις με 15-μελή δακτύλιο (15-MC-3, 15-MC-5 και 15- MC-6) 42 Α.3.4. Μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις με μεγαλύτερους δακτυλίους 49 Α.3.5. Εφαρμογές των Μεταλλοκορονοειδών ενώσεων 58 Α.4. Ο Βιολογικός και Βιοχημικός ρόλος του Χαλκού 65 A.4.1. Ο χαλκός και οι ενώσεις του στα βιολογικά συστήματα 65 Α.4.2. Αλληλεπίδραση συμπλόκων ενώσεων του Cu II με το DNA 69 Α.5. Ο Χρυσός και η χημεία του 78 A.5.1. Χρυσοφιλικότητα (aurophilicity) και χρυσοφιλικός δεσμός (aurophilic bond) 80 Α.5.2. Υπερμοριακές και πολυμερείς ενώσεις του χρυσού 84 Β. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 89 Β.1. Εισαγωγή 91 Β.1.1. Οι οξίμες και οι τρόποι συναρμογής τους με τα μεταλλικά ιόντα 92 Β.1.2. Τα φαινοξυαλκανοϊκά οξέα και οι τρόποι συναρμογής τους με τα μεταλλικά ιόντα 94 Β.2. Μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις του δισθενούς χαλκού με τη 2,2 -διπυριδυλο κετονοξίμη (Hpko) 98 Β.2.1. Σύνθεση και γενικά χαρακτηριστικά των συμπλόκων ενώσεων 98 Β.2.2. Χαρακτηρισμός και διευκρίνηση της δομής των νέων συμπλόκων ενώσεων 101 Β.2.3. Μελέτη της κρυσταλλικής και μοριακής δομής των συμπλόκων ενώσεων 113 Β.3. Μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις του δισθενούς χαλκού με τη φαινυλο-2-πυριδυλο κετονοξίμη (PhPyCNH) 133 Β.3.1. Σύνθεση και γενικά χαρακτηριστικά των συμπλόκων ενώσεων 133 Β.3.2. Χαρακτηρισμός και διευκρίνηση της δομής των νέων συμπλόκων ενώσεων 136 Β.3.3. Μελέτη της κρυσταλλικής και μοριακής δομής των συμπλόκων ενώσεων 149 Β.4. Μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις του δισθενούς χαλκού με τη φαινυλο-2-πυριδυλο κετονοξίμη (PhPyCNH) και τα φαινοξυαλκανοϊκά οξέα 166 Β.4.1. Σύνθεση και γενικά χαρακτηριστικά των συμπλόκων ενώσεων 166 Β.4.2. Χαρακτηρισμός και διευκρίνηση της δομής των νέων συμπλόκων ενώσεων 168 Β.4.3. Μελέτη της κρυσταλλικής και μοριακής δομής των συμπλόκων ενώσεων 177 Β.4.4. Μελέτη της αλληλεπίδρασης των μεταλλοκορονοειδών [inv 9-MC Cu(II)N(PhPyCN) -3] με το DNA 187

12 Β.4.5. Θεωρητική μελέτη της μαγνητικής συμπεριφοράς των μεταλλοκορονοειδών ενώσεων [inv 9-MC Cu(II)N(PhPyCN) -3] 202 Β.5. Ετερομεταλλικές (Mn, Ni) και μεικτού σθένους (Fe) σύμπλοκες ενώσεις 207 Β.5.1. Σύνθεση και γενικά χαρακτηριστικά των συμπλόκων ενώσεων 207 Β.5.2. Χαρακτηρισμός και διευκρίνηση της δομής των νέων συμπλόκων ενώσεων 209 Β.5.3. Μελέτη της κρυσταλλικής και μοριακής δομής των συμπλόκων ενώσεων 216 Β.6. Σύμπλοκες ενώσεις του χρυσού 225 Β.6.1. Σύνθεση και γενικά χαρακτηριστικά των συμπλόκων ενώσεων 225 Β.6.2. Χαρακτηρισμός και διευκρίνηση της δομής των νέων συμπλόκων ενώσεων 227 Β.6.3. Μελέτη της κρυσταλλικής και μοριακής δομής των συμπλόκων ενώσεων 235 Γ. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 241 Γ. Συμπεράσματα 243 Περίληψη 248 Abstract 249 Δ. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 251 Δ. Βιβλιογραφία 253 Ε. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 265 Ε.1. Αντιδραστήρια και Όργανα μέτρησης 267 E.1.1. Αντιδραστήρια 267 E.1.2. Όργανα Μέτρησης 268 Ε.2. Συντομογραφίες 271 ΣΤ. ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ 273

13 Πρόλογος Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ανόργανης Χημείας του Τμήματος Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης κατά το χρονικό διάστημα από τον Ιούνιο 2005 μέχρι το Σεπτέμβριο Το θέμα της διατριβής προτάθηκε από τον επιβλέποντα Καθηγητή κ. Δ. Φ. Κεσίσογλου, στον οποίο οφείλω θερμές ευχαριστίες για τη συνεχή και ακούραστη καθοδήγηση και ενθάρρυνση. Υπήρξε κάθε στιγμή διαθέσιμος να μου μεταδώσει τη γνώση του φροντίζοντας πάντα το καλύτερο για μένα, τόσο επιστημονικά όσο και οικονομικά με την εξασφάλιση υποτροφιών και ερευνητικών προγραμμάτων. Εκφράζω τις πιο θερμές μου ευχαριστίες στην Επίκουρη Καθηγήτρια κ. Αικ. Δενδρινού-Σαμαρά για τις υποδείξεις, τις εύστοχες παρατηρήσεις τόσο για την καλύτερη απόδοση του κειμένου, όσο και για τις εποικοδομητικές συζητήσεις εφ όλης της ύλης καθ όλη τη διάρκεια της διατριβής. Επίσης ευχαριστώ την ερευνήτρια Δρ. Αικ. Ραπτοπούλου του Ινστιτούτου Επιστήμης Υλικών του ερευνητικού κέντρου Δημόκριτος για τη φιλοξενία στο εργαστήριό της, το ενδιαφέρον της για τη μελέτη των ενώσεων, την πορεία της διατριβής και την επίλυση των μοριακών δομών. Ευχαριστώ τους Καθηγητές κ. Σ. Περλεπέ και κ. Κ. Τσίπη, μέλη της επταμελούς εξεταστικής επιτροπής, για τη σημαντική συμβολή τους στην πολύπλευρη διόρθωση τις διατριβής με εξαιρετικά εύστοχες παρατηρήσεις. Ευχαριστώ επίσης όλους τους συνεργάτες μας, οι οποίοι συνέβαλαν, ο καθένας ανάλογα με το επιστημονικό του πεδίο, στην πιο εμπεριστατωμένη μελέτη του θέματος της διατριβής: την ερευνητική ομάδα του Καθηγητή V. L. Pecoraro του Michigan University στο Ann Arbor, για την επίλυση των μοριακών δομών και για τις μαγνητικές μετρήσεις των συμπλόκων ενώσεων σε μεταβλητές θερμοκρασίες, τον Δρ. Α. Τερζή του Ινστιτούτου Επιστήμης Υλικών του ερευνητικού κέντρου Δημόκριτος, για την επίλυση των μοριακών δομών, την Επίκ. Καθ. κ. Α. Πανταζάκη του Εργαστηρίου Βιοχημείας του Τμήματος Χημείας του Α.Π.Θ., μέλος της επταμελούς εξεταστικής επιτροπής, για τη φιλοξενία στο εργαστήριό της, τη βοήθειά της στις μελέτες βιοχημικής συμπεριφοράς των ενώσεων και για τη διόρθωση της διατριβής, τον Επικ. Καθ. κ. Α. Τσίπη του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων, για τη συμβολή του στη θεωρητική μελέτη των ενώσεων και τον Λέκτορα 1

14 κ. Β. Ταγκούλη του Εργαστηρίου Ανόργανης Χημείας του Τμήματος Χημείας του Α.Π.Θ., μέλος της επταμελούς εξεταστικής επιτροπής, για τη μελέτη της μαγνητικής συμπεριφοράς των ενώσεων και για τη διόρθωση της διατριβής. Μετά την πολυετή παρουσία μου στο Εργαστήριο Ανόργανης Χημείας θα πρέπει να ευχαριστήσω όλα τα μέλη Δ.Ε.Π. και Ε.Δ.Τ.Π. του εργαστηρίου της Ανόργανης Χημείας, καθώς και τους υποψήφιους διδάκτορες, τους μεταπτυχιακούς και προπτυχιακούς φοιτητές που εργάστηκαν όλο αυτό το διάστημα στο ίδιο εργαστήριο, για τη συμπαράσταση και το φιλικό περιβάλλον εργασίας. Ευχαριστίες εκφράζω επίσης στο Υπουργείο Παιδείας και Θρησκευμάτων για την οικονομική μου ενίσχυση που μου παρείχε ως νέα ερευνήτρια στα πλαίσια του προγράμματος Πυθαγόρας ΙΙ για τη διετία , καθώς επίσης και την Επιτροπή Ερευνών του Α.Π.Θ. για την Υποτροφία Αριστείας-Βραβεία Αριστείας & Καινοτομίας για το έτος Τέλος, θα ήταν παράληψη να μην ευχαριστήσω θερμότατα τους γονείς μου Σπυρίδωνα και Κωνσταντίνα Αφράτη, που με την ηθική και οικονομική τους υποστήριξη ολοκληρώθηκε η παρούσα διατριβή. Τα αποτελέσματα της διατριβής αυτής παρουσιάστηκαν τόσο σαν άρθρα σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά όσο και σαν γραπτές ανακοινώσεις σε διεθνή συνέδρια. Δημοσιευμένες Εργασίες: 1) Tereza Afrati, Catherine Dendrinou-Samara, Curtis M. Zaleski, Jeff. W. Kampf, Vincent L. Pecoraro and Dimitris P. Kessissoglou; Synthesis and structure of [18- II MC Cu (N)pko -6] 6+ : A new member of anion encapsulating metallamacrocyles; Inorg. Chem. Commun. 2005, 8, ) Tereza Afrati, Curtis M. Zaleski, Catherine Dendrinou-Samara, Gellert Mezei, Jeff. W. Kampf, Vincent L. Pecoraro and Dimitris P. Kessissoglou; Di-2-pyridyl ketone oxime in copper chemistry: di-, tri-, penta- and hexanuclear complexes; Dalton Trans. 2007, ) Tereza Afrati, Catherine Dendrinou-Samara, Catherine P. Raptopoulou, Aris Terzis, Vassilis Tangoulis and Dimitris P. Kessissoglou; Copper inverse-9- metallacrown-3 compounds showing antisymmetric magnetic behaviour; Dalton Trans. 2007,

15 4) Tereza Afrati, Catherine Dendrinou-Samara, Catherine Raptopoulou, Aris Terzis, Vassilis Tangoulis, Athanassios Tsipis and Dimitris P. Kessissoglou; Experimental and theoretical study of the antisymmetric behaviour of Copper inverse-9- Metallacrown-3; Inorg. Chem. 2008, 47, ) Tereza Afrati, Anastasia A. Pantazaki, Catherine Dendrinou-Samara, Catherine Raptopoulou, Aris Terzis and Dimitris P. Kessissoglou; Copper inverse-9- metallacrown-3 compounds interacting with DNA; Dalton Trans. 2010, DI: /b914112j Ανακοινώσεις σε Συνέδρια: 1) Dimitris P. Kessissoglou, Tereza Afrati, Catherine Dendrinou-Samara, Catherine Raptopoulou, Aris Terzis, Vassilis Tangoulis, CPPER INVERSE-9- METALLACRWN-3, 9 th FIGIPAS Meeting in Inorganic Chemistry, 4-7 July 2007, Vienna, Austria, Book of Abstracts p. P-115 2) Dimitris P. Kessissoglou, Tereza Afrati, Curtis M. Zaleski, Catherine Dendrinou- Samara, Gellert Mezei, Jeff W. Kampf, Vincent L. Pecoraro, Di-2-Pyridyl Ketone xime in Copper metallacrown chemistry: di-, tri- penta- and hexanuclear Clusters, SFC07 CHIMIE DU FUTUR, July 2007, Paris, France, Book of Abstracts p. 1 3) Tereza Afrati, Catherine Dendrinou-Samara, Anastasia Dimitrakopoulou, Anastasia A. Pantazaki, Catherine Raptopoulou, Aris Terzis, Dimitris P. Kessissoglou, Copper Metallacrowns and Manganese clusters interacting with DNA, ICBIC XIII 13 th International Conference on Biological Inorganic Chemistry, July 2007, Vienna, Austria, Book of Abstracts p. S107 Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2009 Τερέζα Σ. Αφράτη 3

16 4

17 Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 5

18 6

19 Α.1. Υπερμοριακή Χημεία Α.1. Υπερμοριακή Χημεία (Supramolecular Chemistry) Η υπερμοριακή χημεία (supramolecular chemistry) είναι ένας τομέας της χημείας, ο οποίος μελετά τις αλληλεπιδράσεις των μορίων με μη ομοιοπολικούς δεσμούς. [1, 2] Ενώ, η παραδοσιακή χημεία επικεντρώνεται κυρίως στις περιπτώσεις των ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των μορίων, η υπερμοριακή χημεία εξετάζει τις ασθενέστερες και αναστρέψιμες μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές μπορούν να επιτευχθούν με δεσμούς υδρογόνου, δεσμούς μετάλλου-μετάλλου, υδρόφοβες δυνάμεις, δυνάμεις Van der Waals, π-π αλληλεπιδράσεις και ηλεκτροστατικά φαινόμενα. Σημαντικές αρχέςέννοιες που χρησιμοποιούνται ευρέως στην υπερμοριακή χημεία είναι η μοριακή αυτοργάνωση (molecular self-assembly), η μοριακή αναγνώριση (molecular recognition), η χημεία υποδοχέα-υποδεχόμενου μορίου (host-guest chemistry), οι μηχανικά αλληλοσυνδεμένες μοριακές δομές (mechanically-interlocked molecular architectures) και η χημεία δυναμικού ομοιοπολικού δεσμού (dynamic covalent chemistry). [3] Η μελέτη των μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση πολλών βιολογικών διεργασιών και περιλαμβάνει τη δομή των κυττάρων μέχρι και τις δυνάμεις στις οποίες στηρίζεται η δομή και λειτουργία τους. Τα βιολογικά συστήματα αποτελούν συχνά πηγή έμπνευσης στην υπερμοριακή έρευνα. A.1.1. Ιστορική Ανασκόπηση Η ιστορική ανασκόπηση καταδεικνύει ότι η ύπαρξη των διαμοριακών δυνάμεων για πρώτη φορά έγινε αξιωματική από τον Johannes Diderik van der Waals το Ωστόσο, ο τιμηθείς με το βραβείο Νόμπελ Hermann Emil Fischer ανέφερε ότι η υπερμοριακή χημεία έχει φιλοσοφικές ρίζες. Το 1890, ο Fischer πρότεινε ότι οι αλληλεπιδράσεις ενζύμου-υποστρώματος είναι εφικτές με τη μορφή "κλειδαριάςκλειδιού", προδικάζοντας τις έννοιες της μοριακής αναγνώρισης και της χημείας υποδοχέα-υποδεχόμενου μορίου. Από τις αρχές του εικοστού αιώνα οι μη ομοιοπολικοί δεσμοί ήταν λεπτομερώς κατανοητοί, με το δεσμό υδρογόνου να περιγράφεται αναλυτικά από τους Latimer και Rodebush το [2] 7

20 Α.1. Υπερμοριακή Χημεία Η χρήση των αρχών αυτών, οδήγησε στην κατανόηση της δομής των πρωτεϊνών και άλλων βιολογικών διεργασιών. Για παράδειγμα, η σημαντική πρόοδος που επέτρεψε τη διευκρίνηση της διπλής ελικοειδούς δομής του DNA πραγματοποιήθηκε όταν έγινε αντιληπτό ότι υπάρχουν δύο ξεχωριστές αλυσίδες νουκλεοτιδίων οι οποίες συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου. Η παρουσία μη ομοιοπολικών δεσμών είναι ουσιαστικής σημασίας για την αναπαραγωγή των πρωτεϊνών, καθόσον επιτρέπει στις αλυσίδες να διαχωρίζονται ώστε να χρησιμοποιούνται για το σχηματισμό νέας διπλής έλικας του DNA. Ταυτόχρονα, οι χημικοί άρχισαν να αναγνωρίζουν και να μελετούν συνθετικές δομές που βασίζονται σε μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις, όπως τα κολλοειδή και τα μικρογαλακτώματα. [2] Τελικά, οι χημικοί είχαν τη δυνατότητα να πάρουν τις έννοιες αυτές και να τις εφαρμόσουν στη δημιουργία νέων συνθετικών συστημάτων. Η εξέλιξη αυτή συνέβη στη δεκαετία του 1960 με την σύνθεση των αιθέρων στεμμάτων από τον Charles J. Pedersen. [4] Μετά από την εργασία αυτή και άλλοι ερευνητές όπως οι Donald J. Cram, Jean-Marie Lehn και Fritz Vogtle άρχισαν να δραστηριοποιούνται στη χημεία μορίων υποδοχέων επιλεκτικών ιόντων. Κατά τη δεκαετία του 1980 η έρευνα επεκτάθηκε με ταχύ ρυθμό στις μηχανικά αλληλοσυνδεμένες μοριακές δομές (mechanically-interlocked molecular architectures). [5] Ο τομέας της υπερμοριακής χημείας ουσιαστικά καταξιώθηκε το 1987 με το Νόμπελ Χημείας το οποίο απονεμήθηκε στους Donald J. Cram, Jean-Marie Lehn, και Charles J. Pedersen. Η ανάπτυξη ιδίως των ενώσεων υποδοχέα-υποδεχόμενου μορίου, στις οποίες ένα μόριο υποδοχέας αναγνωρίζει επιλεκτικά και δεσμεύει ένα [2, 5] υποδεχόμενο μόριο, όπως αναφέρθηκε, αποτέλεσε σημαντική συνεισφορά. Κατά τη δεκαετία του 1990, η υπερμοριακή χημεία εξελίχθηκε ακόμη περισσότερο από τους ερευνητές James Fraser Stoddart και Itamar Willner. Ο πρώτος συνέβαλε στην ανάπτυξη της μοριακής μηχανικής και στις ενώσεις με εξαιρετικά πολύπλοκες αυτό-οργανωμένες δομές, ενώ ο δεύτερος μελέτησε την ανάπτυξη αισθητήρων και μεθόδων ηλεκτρονικής και βιολογικής διασύνδεσης. Κατά την περίοδο αυτή, ηλεκτροχημικές και φωτοχημικές δράσεις συντέλεσαν στην αύξηση της λειτουργικότητας των υπερμοριακών συστημάτων. Με τον τρόπο αυτό άρχισε η έρευνα στη σύνθεση αυτοργανωμένων δομών και μοριακών συστημάτων επεξεργασίας πληροφοριών. Η αναδυόμενη επιστήμη της νανοτεχνολογίας, επίσης, είχε μεγάλη επιρροή στην υπερμοριακή χημεία, με δομικά στοιχεία, όπως τα 8

21 Α.1. Υπερμοριακή Χημεία φουλερένια, τα νανοσωματίδια, και τα δενδριμερή να συμμετέχουν στα συνθετικά συστήματα. [6] Α.1.2. Αρχές-έννοιες που χρησιμοποιούνται στην υπερμοριακή χημεία Μία από της πιο συνηθισμένες αρχές-έννοιες που χρησιμοποιείται στην υπερμοριακή χημεία είναι αυτή της μοριακής αυτό-οργάνωσης (molecular selfassembly), η οποία περιλαμβάνει την κατασκευή συστημάτων χωρίς την καθοδήγηση ή τη διαχείριση από έναν εξωτερικό παράγοντα, εκτός από το να παρέχει τις κατάλληλες συνθήκες. Τα μόρια συγκεντρώνονται και οργανώνονται μέσω μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων. [2] Η μοριακή αυτό-οργάνωση διακρίνεται σε διαμοριακή, σχηματισμό υπερμοριακών ενώσεων με διαμοριακές δυνάμεις (σχήμα 1) [7] και σε ενδομοριακή, σχηματισμό ενώσεων με ενδομοριακές δυνάμεις (σχήμα 2), [8] όπως συμβαίνει στο σχηματισμό των πεπτιδίων. Η μοριακή αυτό-οργάνωση επιτρέπει επίσης και την κατασκευή μεγάλων δομών, όπως κολλοειδή, μεμβράνες, φυσαλίδες, υγροί κρύσταλλοι και είναι σημαντική στην κρυσταλλική μηχανική. Σχήμα 1. Η δομή της ένωσης [(Fe 5 L 5 )Cl] 9+, όπου L= tris-bpy χαρακτηριστικό παράδειγμα διαμοριακής αυτό-οργάνωσης. 9

22 Α.1. Υπερμοριακή Χημεία Σχήμα 2. Δομή ελικοειδούς ένωσης, η οποία προέκυψε από το διμερισμό της πυρίδινο-2- καρβαλδεΰδης χαρακτηριστικό παράδειγμα ενδομοριακής αυτό-οργάνωσης. Η μοριακή αναγνώριση και συμπλοκοποίηση (molecular recognition and complexation) είναι μία άλλη αρχή-έννοια της υπερμοριακής χημείας, η οποία περιγράφει το είδος της σύνδεσης μεταξύ ενός μορίου αποκαλούμενου υποδοχέα με ένα άλλο μόριο αποκαλούμενο υποδεχόμενο μόριο, τα οποία και τα δύο μαζί σχηματίζουν ένα νέο μεγαλύτερο μόριο (σχήμα 3). [9] Συχνά, ο ορισμός των υποδοχέων και των υποδεχόμενων μορίων είναι αυθαίρετος. Τα μόρια είναι σε θέση να αναγνωρίζουν το καθένα και να δεσμεύονται με αυτό χρησιμοποιώντας μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις. Βασικές εφαρμογές του τομέα αυτού είναι η [2, 10] κατασκευή μοριακών αισθητήρων και καταλυτών. Σχήμα 3. Η δομή του τετραπυρηνικού πορφυρινικού συμπλόκου του Zn, H 2 -Py 4 Zn 4, χαρακτηριστικό παράδειγμα μοριακής αναγνώρισης και συμπλοκοποίησης. 10

23 Α.1. Υπερμοριακή Χημεία Η μοριακή αναγνώριση και η αυτοργάνωση μπορούν να χρησιμοποιηθούν με τα αντιδρώντα, προκειμένου να προ-οργανωθεί ένα σύστημα για μια χημική αντίδραση. Οι μη ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ των αντιδρώντων και σε ενδιάμεση κατάσταση (template) φέρνουν τις δραστικές θέσεις των αντιδρώντων πιο κοντά, διευκολύνοντας την επιθυμητή χημική αντίδραση. Η τεχνική αυτή είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τις περιπτώσεις όπου η επιθυμητή αντίδραση σχηματισμού είναι θερμοδυναμικά ή κινητικά απίθανη, όπως στην προετοιμασία μεγάλων μακροκυκλικών ενώσεων. Η προ-οργάνωση αυτή εξυπηρετεί σκοπούς, όπως την ελαχιστοποίηση των ανεπιθύμητων αντιδράσεων, τη μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης της αντίδρασης, και την παραγωγή των επιθυμητών στερεοχημικών [2, 10] προϊόντων. Οι μηχανικά αλληλοσυνδεδεμένες μοριακές δομές (mechanically-interlocked molecular architectures) αποτελούνται από μόρια τα οποία συνδέονται μόνο ως συνέπεια της τοπολογίας τους (σχήμα 4). [11] Ορισμένες μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις μπορεί να υπάρχουν μεταξύ των διαφόρων συστατικών, συχνά εκείνες που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή του συστήματος, αλλά δεν υπάρχουν ομοιοπολικοί δεσμοί. Παραδείγματα μηχανικά αλληλοσυνδεμένων μοριακών δομών αποτελούν τα ροταξάνια (rotaxanes), οι κατενάνες (catenanes) και τα μοριακά κιβώτια (molecular boxes). [12] Σχήμα 4. Η δομή της ένωσης [2]catenane 3. 4PF 6, χαρακτηριστικό παράδειγμα μηχανικά αλληλοσυνδεμένης μοριακής δομής. 11

24 Α.1. Υπερμοριακή Χημεία Στη χημεία δυναμικού ομοιοπολικού δεσμού (dynamic covalent chemistry) ομοιοπολικοί δεσμοί σπάνε και ξανασχηματίζονται σε μια αντιστρεπτή υπό έλεγχο θερμοδυναμική αντίδραση (σχήμα 5). [13] Ενώ οι ομοιοπολικοί δεσμοί αποτελούν το κλειδί για την διαδικασία αυτή το σύστημα κατευθύνεται από μη ομοιοπολικές δυνάμεις στο σχηματισμό χαμηλότερων ενεργειακά δομών. H CH 2 ClBr NaH, THF μακροκυκλικές ενώσεις H Σχήμα 5. Η αντιμεταθετική αντίδραση της 1,4-βενζοδιμεθανόλης σε ακετάλες. Α.1.3. Δομικές μονάδες στην υπερμοριακή χημεία Τα υπερμοριακά συστήματα σπάνια προκύπτουν με τη χρήση απλών πρώτων υλών. Για το λόγο αυτό, οι χημικοί έχουν στα χέρια τους μια σειρά από λειτουργικές δομικές μονάδες που είναι σε θέση να τις χρησιμοποιήσουν στη δημιουργία μεγαλύτερων ενώσεων. Πολλές από αυτές τις δομικές μονάδες υπάρχουν ως οικογένειες ανάλογων μονάδων, από τις οποίες μπορεί να επιλεγεί το ανάλογο με τις ακριβείς επιθυμητές ιδιότητες. [2] Έτσι η χρήση των αιθέρων στεμμάτων δεσμευμένους με μέταλλα ή κατιόντα αμμωνίου είναι πανταχού παρόντα στην υπερμοριακή χημεία. Ο σχηματισμός διμερών των καρβοξυλικών οξέων και άλλων με αλληλεπιδράσεις δεσμών υδρογόνου. Επίσης οι μακροκυκλικές ενώσεις είναι πολύ χρήσιμες, καθώς παρέχουν ολόκληρες κοιλότητες ικανές να δεχτούν και να δεσμεύσουν μόρια προκειμένου να βελτιώσουν τις ιδιότητές τους. Ενώσεις οι οποίες περιέχουν στο μόριό τους αλυσίδες πολυαιθέρα, διφαινύλια και τριφαινύλια ή απλές αλκυλο αλυσίδες χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύνθεση υπερμοριακών ενώσεων. Ακόμη και το DNA έχει 12

25 Α.1. Υπερμοριακή Χημεία χρησιμοποιηθεί τόσο ως δομική αλλά και ως λειτουργική μονάδα στη σύνθεση ανάλογων ενώσεων. [2] Α.1.4. Εφαρμογές της υπερμοριακής χημείας Η υπερμοριακή χημεία και κυρίως οι διεργασίες της μοριακής αυτοργάνωσης βρίσκουν εφαρμογή στην ανάπτυξη νέων υλικών. Μεγάλες δομές μπορούν εύκολα να παρασκευαστούν, καθώς αυτές αποτελούνται από μικρά μόρια τα οποία απαιτούν [7, 8] λιγότερα βήματα σύνθεσης. Μια σημαντική εφαρμογή της υπερμοριακής χημείας είναι ο σχεδιασμός και η κατανόηση των καταλυτών και η κατάλυση. Οι μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις παίζουν εξαιρετικά σημαντικό ρόλο στην κατάλυση. Συστήματα, όπως τα κολλοειδή, τα δενδριμερή χρησιμοποιούνται επίσης στην κατάλυση και συμβάλουν στη δημιουργία των κατάλληλων συνθηκών προκειμένου να πραγματοποιηθεί η αντίδραση. [2] Η υπερμοριακή χημεία είναι επίσης σημαντική για την ανάπτυξη νέων φαρμακευτικών θεραπειών οι οποίες στηρίζονται στην κατανόηση των αλληλεπιδράσεων στις θέσεις δέσμευσης των φαρμάκων. Επιπλέον, έχουν σχεδιαστεί υπερμοριακά συστήματα ικανά να διαταράσσουν τις αλληλεπιδράσεις πρωτεϊνώνπρωτεϊνών που είναι σημαντικές για την κυτταρική λειτουργία. [2] Η έρευνα της υπερμοριακής χημείας έχει επίσης εφαρμογή στην πράσινη χημεία κατά την οποία αντιδράσεις πραγματοποιούνται σε στερεά κατάσταση καθοδηγούμενες από μη ομοιοπολικούς δεσμούς. Οι διαδικασίες αυτές είναι εξαιρετικά επιθυμητές, επειδή θα μειώσουν την ανάγκη για διαλύτες στην παραγωγή χημικών ουσιών. [14] Στην υπερμοριακή χημεία συχνά επιδιώκεται να αναπτυχθούν νέες ιδιότητες που δεν μπορούν να εμφανίζονται από ένα μόνο μόριο. Οι ιδιότητες αυτές περιλαμβάνουν τις μαγνητικές ιδιότητες, τους μοριακούς αισθητήρες, κ.λπ. Η υπερμοριακή έρευνα έχει εφαρμοστεί για την ανάπτυξη υψηλής τεχνολογίας αισθητήρων, διαδικασιών για τη θεραπεία των ραδιενεργών αποβλήτων, και στους σκιαγραφικούς παράγοντες για CAT σαρώσεις. [15] 13

26 Α.2. Χημεία Υποδοχέα-Υποδεχόμενου Μορίου Α.2. Χημεία Υποδοχέα-Υποδεχόμενου Μορίου (Host-Guest Chemistry) Στην υπερμοριακή χημεία ο όρος χημεία υποδοχέα-υποδεχόμενου μορίου (Host-Guest Chemistry) χρησιμοποιείται για να περιγράψει συγκροτήματα ενώσεων τα οποία αποτελούνται από δύο ή περισσότερα μόρια ή ιόντα συνδεδεμένα μεταξύ τους είτε με δεσμούς υδρογόνου, είτε με ηλεκτροστατικές έλξεις, αλλά και είτε με δυνάμεις Van der Waals. Ως υποδοχέας ορίζεται ένα μόριο (οργανικό ή ανόργανο) με θέσεις δέσμευσης ικανές να αναγνωρίζουν και να δεσμεύουν το υποδεχόμενο μόριο, το οποίο μπορεί να είναι οποιοδήποτε μόριο ή ιόν με θέσεις δέσμευσης ικανές να αλληλεπιδρούν με τις αντίστοιχες του υποδοχέα. Λόγω της φύσης τους, τα περισσότερα από αυτά τα συγκροτήματα ενώσεων αποκαλούνται υπερμοριακά συστήματα, μιας και η νέα ένωση των δύο μορίων υποδοχέα-υποδεχόμενου μορίου, παρουσιάζει διαφορετικές ιδιότητες από εκείνες που θα παρουσίαζε ένα απλό μίγμα των δύο μορίων, στο οποίο φυσικά δεν υπάρχει καμία αλληλεπίδραση μεταξύ τους. [2] Οι υπερμοριακές αυτές ενώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν με τρόπους οι οποίοι δεν θα ήταν εφικτοί αν δεν είχε σχηματιστεί η νέα ένωση υποδοχέαυποδεχόμενου μορίου. Στην πράξη η δημιουργία τέτοιων συστημάτων βρίσκει εφαρμογή σε πολλούς τομείς. Για παράδειγμα, η δέσμευση ενός ιονικού υποδεχόμενου μορίου από ένα λιπόφιλο υποδοχέα επιτρέπει τη μεταφορά του πρώτου διαμέσου μεμβρανών, οπότε μία τέτοιου είδους συμπεριφορά μπορεί να υιοθετηθεί σε συστήματα που προσομοιώνουν βιολογικές συνθήκες. Παρόλο που υπάρχουν πολλά μόρια τα οποία μπορούν να σχηματίσουν τέτοιου είδους συστήματα, η χρήση τους ως υποδοχείς είναι ιδιαίτερα περιορισμένη, εκτός από την περίπτωση που υφίστανται κάποιος μηχανισμός, ο οποίος επιτρέπει την εκλεκτική αναγνώριση και δέσμευση διαφορετικών υποδεχόμενων μορίων. Υπάρχει ένας αριθμός διάφορων παραγόντων που επιτρέπει την διάκριση των υποδοχέων. Οι σημαντικότεροι από τους παράγοντες αυτούς αφορούν την περιοχή δέσμευσης (cavity) του υποδοχέα και είναι το μέγεθος της περιοχής αυτής (cavity size), το σχήμα της (cavity shape), ο αριθμός των θέσεων δέσμευσης και ο τύπος των μορίων που μπορούν να δεσμευτούν. [16] Τα πρώτα μόρια υποδοχέων που παρασκευάστηκαν ήταν οργανικά μη κυκλικά μόρια γνωστά ως μόρια-θήκες (podands) και απαντώνται ευρέως σε 14

27 Α.2. Χημεία Υποδοχέα-Υποδεχόμενου Μορίου βιολογικά συστήματα. Κλασσικό παράδειγμα αποτελούν τα ιοντοφόρα αντιβιοτικά νιγερίνη και μονενσίνη (σχήμα 6). Η νιγερίνη με ελαφρώς μεγαλύτερη ανθρακική αλυσίδα από τη μονενσίνη σχηματίζει μία μεγάλη τρισδιάστατη περιοχή δέσμευσης ικανή να δεσμεύει ιόντα καλίου, σε αντίθεση με τη μικρότερη περιοχή δέσμευσης της μονενσίνης η οποία δεσμεύει ιόντα νατρίου. [17] CH 3 HCCH CH 3 H H 3 C H CH 3 H CH 3 Μονενσίνη Monensin CH 2 CH 3 H 3 C H H 3 C H H CH 3 CH 2 H H H 3 C H 3 C H CH CH 3 H 3 C H 3 C H H CH 3 H Νιγερίνη Nigericin CH 3 H 3 C H H 3 C H H H CH 3 CH 2 H Σχήμα 6. Τα ιοντοφόρα αντιβιοτικά μονενσίνη και νιγερίνη. Στην προσπάθεια να διευρυνθεί ο αριθμός των πιθανών υποδεχόμενων μορίων και να αυξηθεί η εκλεκτικότητα δέσμευσης, οι χημικοί οδηγήθηκαν στη δημιουργία συνθετικών μορίων-θήκες. Έτσι παρασκευάστηκαν ολιγοαιθυλενο-γλυκολο-διμέθυλο αιθέρες (oligoethylene glycol dimethyl ethers) και παράγωγά τους, τα οποία εμφανίζουν εκλεκτικότητα για αλκάλια και αλκαλικές γαίες και για κάποιο αριθμό μεταβατικών μετάλλων και ακτινίδων. Βρέθηκε ότι η ύπαρξη μιας ομάδας που ευνοεί την επίπεδη διαμόρφωση, οδηγεί σε μια πιο αποτελεσματική δέσμευση. Στο σχήμα 7 τα μόρια-θήκες (α) και (β) παρουσιάζουν καλύτερη επίπεδη διαμόρφωση από το μόριο-θήκη (γ), λόγω των ναφθαλενικών δακτυλίων που περιέχουν στο μόριό τους, με αποτέλεσμα να δεσμεύουν ισχυρότερα το ιόν του τετραβουτυλαμμωνίου. [17] 15

28 Α.2. Χημεία Υποδοχέα-Υποδεχόμενου Μορίου CH3 CH 3 CH 3 CH 3 (α) (β) (γ) Σχήμα 7. Παραδείγματα από συνθετικά μόρια-θήκες. Τη μεγαλύτερη όμως ώθηση στο πεδίο της χημείας υποδοχέα-υποδεχόμενου μορίου έδωσε η τυχαία ανακάλυψη των κορονοειδών αιθέρων από τον Charles Pedersen το [4] Ανακάλυψη, η οποία οφείλεται στην προσπάθειά του να παρασκευάσει έναν παράγοντα δέσμευσης για δισθενή κατιόντα. Οι κορονοειδείς αιθέρες είναι ετεροκυκλικές ενώσεις, οι οποίες αποτελούνται από έναν δακτύλιο που περιέχει αρκετές αιθερικές ομάδες (σχήμα 8). Τα άτομα οξυγόνου του δακτυλίου αποτελούν καλές θέσεις δέσμευσης κατιόντων, ενώ το εξωτερικό μέρος του δακτυλίου είναι υδρόφοβο. Για το λόγω αυτό οι κορονοειδείς αιθέρες βρίσκουν εφαρμογή στη μεταφορά κατιόντων ανάμεσα στις μεμβράνες, αλλά και στην κατάλυση. 12-C-4 15-C-5 18-C-6 Σχήμα 8. Παραδείγματα κορονοειδών αιθέρων. 16

29 Α.2. Χημεία Υποδοχέα-Υποδεχόμενου Μορίου Μια άλλη κατηγορία υποδοχέων είναι και τα μόρια-κρύπτες (cryptands), ενώσεις οι οποίες χαρακτηρίστηκαν και καθιερώθηκαν από τον Jean-Marie Lehn. [2] Πρόκειται για ετεροκυκλικές ενώσεις οι οποίες περιέχουν στο μόριό τους αμινοπολυαιθέρες (σχήμα 9). Οι εν λόγω μακροκυκλικοί αμινοπολυαιθέρες σχηματίζουν, τρόπον τινά, κρύπτες, όπου μπορούν να εισέλθουν διάφορα κατιόντα και να σχηματίσουν υπερμοριακές ενώσεις. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι είναι δυνατόν να παρασκευαστούν μακροκυκλικοί αμινοπολυαιθέρες με διαφορετικό μέγεθος κρυπτών, στις οποίες φυσικά μπορούν να εισέλθουν ιόντα ορισμένου μόνου μεγέθους. N N N N N N N N Σχήμα 9. Μόρια-κρύπτες με διάφορα μεγέθη κρυπτών. Άλλα χαρακτηριστικά παραδείγματα οργανικών μορίων υποδοχέων αποτελούν και τα ελικοειδή (helicates), τα καλιξαρένια (calixarenes) και τα μοριακά [2, 16] τετράγωνα, κιβώτια και κλουβιά (molecular squares, boxes, cages). Ενώ, όπως αναφέρθηκε, αρχικά το ενδιαφέρον ήταν επικεντρωμένο στην ανάπτυξη της σύνθεσης οργανικών ενώσεων ως υποδοχέων, σήμερα υπάρχει αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη σύνθεση ανάλογων ανόργανων υποδοχέων. Τα μόρια υποδοχείς στην ανόργανη χημεία είναι γνωστά ως μεταλλομακροκυκλικές ενώσεις (metallamacrocycles) και περιέχουν ως δομικά στοιχεία ελαφρά άτομα (C,, N, S, P) και μεταλλοϊόντα. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αυτών αποτελούν τα μεταλλοκορονοειδή (metallacrowns), τα αζαμεταλλοκορονοειδή (azametallacrowns), οι μεταλλοκορονοειδείς αιθέρες (metallacrown ethers), τα μεταλλοελικοειδή (metallahelicates), τα μεταλλοκαλιξαρένια (metallacalixarenes), οι μεταλλοκρύπτες (metallacryptates) και τα ανόργανα μοριακά τετράγωνα και κιβώτια 17

30 Α.2. Χημεία Υποδοχέα-Υποδεχόμενου Μορίου [2, 16] (inorganic molecular squares, boxes). Οι μακροκυκλικές αυτές ενώσεις παρουσιάζουν πολλές ομοιότητες δομικά με τις αντίστοιχες οργανικές, μιας κι αυτές μπορούν εύκολα να σχηματιστούν, όχι συνθετικά, με αντικατάσταση των ατόμων άνθρακα με κάποιο ετεροάτομο (N, S) και κάποιο μεταλλοϊόν (σχήμα 10). Παρόλο αυτά οι ανόργανες ενώσεις εμφανίζουν πολλές φορές πλεονεκτήματα σε σχέση με τις αντίστοιχες οργανικές ιδιαίτερα στη δομή και στις φασματοσκοπικές ιδιότητες. Έτσι ενώ στους οργανικούς υποδοχείς η γεωμετρία δέσμευσης των ατόμων του κορονοειδούς δακτυλίου περιορίζεται σε τετραεδρική και τριγωνική λόγω του άνθρακα, δηλαδή υπάρχουν περιορισμένες δυνατότητες δέσμευσης, στους ανόργανους υποδοχείς υπάρχουν μεταλλοϊόντα τα οποία επιτρέπουν την ύπαρξη περισσότερων θέσεων δέσμευσης. Παράλληλα παρέχουν την δυνατότητα χρήσης διαφορετικών φασματοσκοπικών μεθόδων για τη μελέτη των νέων ενώσεων και το σχηματισμό τους. Έτσι, μπορεί να χρησιμοποιηθεί φασματοσκοπία EPR και Mössbauer, αλλά και NMR. Επίσης η παρουσία των μετάλλων σε διάφορες οξειδωτικές βαθμίδες επιτρέπει τη λήψη φασμάτων UV-Vis πριν, κατά και μετά τη δημιουργία της νέας ένωσης. Οι αλλαγές στους ανόργανους υποδοχείς κατά τη δέσμευση παρέχουν νέα φασματοσκοπικά δεδομένα έναντι του ελεύθερου υποδοχέα και οδηγούν στην καλύτερη κατανόηση του μηχανισμού της ισορροπίας δέσμευσηςαποδέσμευσης. Λόγω της φύσης τους οι ανόργανοι υποδοχείς είναι δυνατό να δρουν σαν υποδοχείς ιονικών ουσιών, αναγνωρίζοντας και δεσμεύοντας ταυτόχρονα το ανιόν και το κατιόν. [2,16] Τέλος, πολλές υπερμοριακές ανόργανες ενώσεις είναι σταθερές και στην υγρή κατάσταση, γεγονός που παρέχει τη δυνατότητα διεύρυνσης των εφαρμογών τους, όπως π.χ. ανιονικοί ανιχνευτές ή ενώσεις μαγνητικού συντονισμού απεικόνισης [2, 16] (MRI). 18

31 Α.2. Χημεία Υποδοχέα-Υποδεχόμενου Μορίου ΟΡΓΑΝΙΚΑ ΜΟΡΙΑ ΥΠΟΔΟΧΕΩΝ ΚΟΡΟΝΟΕΙΔΕΙΣ ΑΙΘΕΡΕΣ ΚΡΥΠΤΕΣ N N ΚΑΛΙΞΑΡΕΝΙΑ H H H H ΜΟΡΙΑΚΟ ΚΟΥΤΙ M ΑΝΟΡΓΑΝΑ ΜΟΡΙΑ ΥΠΟΔΟΧΕΩΝ ΜΕΤΑΛΛΟΚΟΡΟΝΟΕΙΔΕΙΣ ΕΝΩΣΕΙΣ N M M N N N N M M N ΜΕΤΑΛΛΟΚΡΥΠΤΕΣ H M M H N N M M H N N M H M ΜΕΤΑΛΛΟΚΑΛΙΞΑΡΕΝΙΑ M N N M N N H H M H H N M N N N N ΑΝΟΡΓΑΝΟ ΜΟΡΙΑΚΟ ΚΟΥΤΙ N M N + N + M N N N M N N + N + N N M N N M Σχήμα 10. Δομικές αναλογίες μεταξύ οργανικών υποδοχέων και των αντίστοιχων ανόργανων. 19

32 Α.3. Μεταλλοκορονοειδείς Ενώσεις Α.3. Μεταλλοκορονοειδείς Ενώσεις (Metallacrowns) Μεγάλη ώθηση στην ανάπτυξη του τομέα της υπερμοριακής ανόργανης χημείας έδωσε η ανακάλυψη των μεταλλοκορονοειδών ενώσεων (metallacrowns) το 1989 από τους Pecoraro και Lah. [18] Από τότε η ερευνητική δραστηριότητα του τομέα επεκτάθηκε και σε άλλα εργαστήρια σε όλο τον κόσμο. Χημικοί στις Ηνωμένες Πολιτείες, στην Ιταλία, Ελλάδα, Γερμανία, Ελβετία, Νότια Κορέα και Κίνα ασχολούνται με τη μελέτη των μεταλλοκορονοειδών ενώσεων και επεκτείνουν συνεχώς τη χρησιμότητα της χημείας των ενώσεων αυτών. Ως μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις ορίζονται τα ανόργανα ανάλογα των οργανικών κορονοειδών αιθέρων, τα οποία περιέχουν ετεροάτομα και μέταλλα στις θέσεις των ατόμων άνθρακα των αντίστοιχων οργανικών δακτυλίων. Με άλλα λόγια, το μέταλλο συνδέει τις δύο άκρες μιας αλυσίδας ενός αιθέρα, προκειμένου να διαμορφώσει μια κυκλική δομή. Η συστηματική μελέτη των ενώσεων αυτών περιορίζεται σε ενώσεις που περιέχουν το λιγότερο τρία άτομα μετάλλου στον κεντρικό δακτύλιο. Επίσης τα μόρια αυτά παρουσιάζουν το φαινόμενο της εκλεκτικής αναγνώρισης και δέσμευσης ιόντων, σε αντιστοιχία με τους οργανικούς κορονοειδείς αιθέρες. [16] Η δομική αναλογία αυτών με τους αντίστοιχους οργανικούς αιθέρες προκύπτει με την αντικατάσταση των μεθυλενικών ατόμων άνθρακα ενός κορονοειδούς αιθέρα από ένα μεταβατικό μεταλλικό ιόν και ένα άτομο αζώτου. Έτσι η επαναλαμβανόμενη μονάδα [C-C-] των κορονοειδών αιθέρων, σε μια μεταλλοκορονοειδή ένωση γίνεται [Μ-Ν-Ο]. Αποτέλεσμα της αναλογίας αυτής είναι οι παραπλήσιες δομικές παράμετροι των ενώσεων αυτών, όπως το μέγεθος του χώρου υποδοχής του υποδεχόμενου μορίου (cavity size) και η απόσταση μεταξύ δύο γειτονικών ατόμων οξυγόνου (bite distance). [16] Στο σχήμα 11 δίνονται τα σχηματικά διαγράμματα των κορονοειδών αιθέρων 9-crown-3 (9-C-3), 12-crown-4 (12-C-4) και 15-crown-5 (15-C-5), καθώς και των αντίστοιχων μεταλλοκορονοειδών ενώσεων [9-MC M(ox)N(ligand) -3], [12-MC M(ox)N(ligand) - 4] και [15-MC M(ox)N(ligand) -5], όπου φαίνεται και η μεταξύ τους αναλογία. Το μέγεθος του χώρου υποδοχής υπολογίστηκε με τη χρήση μοντέλων Corey-Pauling-Koltun (CPK) και για τους κορονοειδείς αιθέρες 9-C-3, 12-C-4 και 15-C-5 βρέθηκε 0.25 Å, 0.60 Å και 0.85 Å αντίστοιχα, ενώ για τις ανάλογες μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις [9-20

33 Α.3. Μεταλλοκορονοειδείς Ενώσεις MC M(ox)N(ligand) -3], [12-MC M(ox)N(ligand) -4] και [15-MC M(ox)N(ligand) -5] βρέθηκε ότι είναι 0.35 Å, 0.60 Å και 0.77 Å αντίστοιχα. Η απόσταση μεταξύ δύο γειτονικών ατόμων οξυγόνου για τους κορονοειδείς αιθέρες 9-C-3 και 12-C-4 βρέθηκε 2.79 Å και είναι ίση με την αντίστοιχη απόσταση που βρέθηκε για τις δύο ανάλογες μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις [9-MC M(ox)N(ligand) -3] και [12-MC M(ox)N(ligand) -4]. [19] V N V N V N τύπος χώρος υποδοχής 9-C Å 9-MC (V(V))N(shi) Å N Fe Fe N N Fe Fe N τύπος χώρος υποδοχής 12-C Å 12-MC Fe(III)N(shi) Å N M N M M N N M M N τύπος χώρος υποδοχής 15-C Å 15-MC M(x)N(L) -5 M= Mn(III) 0.77 Å M= Cu(II) Å Σχήμα 11. Σύγκριση κορονοειδών αιθέρων και μεταλλοκορονοειδών ενώσεων. Ακόμα και η ονοματολογία των μεταλλοκορονοειδών ενώσεων σχετίζεται με την αντίστοιχη των κορονοειδών αιθέρων, με τη διαφορά ότι είναι πιο πολύπλοκη. Για παράδειγμα ο τύπος 12-C-4 χαρακτηρίζει έναν δωδεκαμελή δακτύλιο με τέσσερα 21

34 Α.3. Μεταλλοκορονοειδείς Ενώσεις συμμετρικώς τοποθετημένα άτομα οξυγόνου, ενώ ο τύπος της αντίστοιχης μεταλλοκορονοειδούς ένωσης είναι Μ mx x [12-MC M(ox)H(Z) -4]. Ο γενικός τύπος που χαρακτηρίζει μια μεταλλοκορονοειδή ένωση είναι Μ mx x [Α-MC M(ox)H(Z) -Β], όπου τα Α και Β δείχνουν το μέγεθος του δακτυλίου και τον αριθμό των ατόμων οξυγόνου αντίστοιχα, ενώ τα γράμματα MC προέρχονται από τη συντομογραφία της λέξης MetallaCrown. Στον τύπο που δόθηκε, Μ και ox είναι αντίστοιχα, το μέταλλο και η οξειδωτική βαθμίδα στην οποία βρίσκεται, Ζ η συντομογραφία του οργανικού ligand που συμμετέχει στο μεταλλοκορονοειδή δακτύλιο και το οποίο παρέχει δότες άτομα οξυγόνου και Η είναι το άλλο ετεροάτομο του δακτυλίου (π.χ. άζωτο). Επίσης υπάρχουν και m δεσμευμένα μέταλλα Μ και x ανιόντα Χ, που σχηματίζουν γέφυρα μεταξύ των δεσμευμένων μεταλλικών ιόντων Μ και τα οξυγόνα ή τα μεταλλικά ιόντα του δακτυλίου. [16] Οι μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις εκτός της αναλογίας στη δομή με τους κορονοειδείς αιθέρες εμφανίζουν και το φαινόμενο της εκλεκτικής μοριακής αναγνώρισης και δέσμευσης. Η ιδιότητά τους αυτή εξαρτάται από έναν αριθμό δομικών παραγόντων. [16] Οι σημαντικότεροι από τους παράγοντες αυτούς, σε συμφωνία με τους αντίστοιχους που ισχύουν στους οργανικούς κορονοειδείς αιθέρες, αφορούν την περιοχή δέσμευσης του υποδοχέα και είναι: α) το μέγεθος της περιοχής δέσμευσης (cavity size) β) το σχήμα της (cavity shape) γ) ο αριθμός των θέσεων δέσμευσης που διαθέτει ο υποδοχέας και δ) το είδος των μορίων που δεσμεύονται στον υποδοχέα. Ο πρώτος παράγοντας, ο οποίος ασχολείται με τη συσχέτιση του μεγέθους της περιοχής δέσμευσης του υποδοχέα με το μέγεθος του υποδεχόμενου μορίου περιλαμβάνει τρεις περιπτώσεις: Η περιοχή δέσμευσης και το υποδεχόμενο μόριο έχουν το ίδιο ή παραπλήσιο μέγεθος. Είναι η ιδανική περίπτωση και τα δύο μόρια ταιριάζουν όπως τα κομμάτια ενός παζλ. Η περιοχή δέσμευσης έχει μικρότερο μέγεθος από το υποδεχόμενο μόριο. Στην περίπτωση αυτή δεν υπάρχει πλήρες ταίριασμα, αλλά το υποδεχόμενο μόριο μπορεί να δεσμευτεί αποτελεσματικά έξω από το επίπεδο της περιοχής δέσμευσης. 22

35 Α.3. Μεταλλοκορονοειδείς Ενώσεις Η περιοχή δέσμευσης είναι μεγαλύτερη από το υποδεχόμενο μόριο. Έτσι μπορούν να δεσμευτούν περισσότερα από ένα μόρια, με την προϋπόθεση ότι οι τάξεις των μεγεθών το επιτρέπουν ή ο υπόλοιπος χώρος της περιοχής δέσμευσης να μείνει κενός. Ο δεύτερος παράγοντας, το σχήμα της περιοχής δέσμευσης, παίζει επίσης σημαντικό ρόλο στην εκλεκτική αναγνώριση ενός υποδεχόμενου μορίου. Υπάρχουν περιπτώσεις όπου η περιοχή δέσμευσης είναι δύσκαμπτη, οπότε ο κύριος παράγοντας για τη μοριακή αναγνώριση είναι το μέγεθος της περιοχής. Στις περισσότερες όμως περιπτώσεις, η περιοχή δέσμευσης παρουσιάζει ελαστικότητα (ευκαμψία), με τον υποδοχέα να μπορεί να περιστραφεί γύρω από το υποδεχόμενο μόριο και να το εγκλωβίσει, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα αναγνώρισης περισσότερων μορίων. Από τα παραπάνω προκύπτει ότι τόσο το μέγεθος, όσο το σχήμα και η ευκαμψία της περιοχής δέσμευσης του υποδοχέα αποτελούν παραμέτρους που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη ανάλογα με το υποδεχόμενο μόριο, το οποίο πρόκειται να δεσμευτεί. Σε ότι αφορά τον αριθμό των θέσεων δέσμευσης του υποδοχέα διακρίνονται τρεις περιπτώσεις: Ο υποδοχέας παρέχει τον απαιτούμενο αριθμό θέσεων δέσμευσης που απαιτεί το υποδεχόμενο μόριο. Είναι η ιδανική περίπτωση και τα δύο μόρια ταιριάζουν απόλυτα. Ο υποδοχέας έχει περισσότερες θέσεις δέσμευσης από αυτές που μπορεί να ικανοποιήσει το υποδεχόμενο μόριο. Στην περίπτωση αυτή δεν υπάρχει πλήρης δέσμευση, με αποτέλεσμα κάποιες θέσεις δέσμευσης του υποδοχέα να μένουν κενές ή να συμπληρώνονται με τη δέσμευση και άλλων μορίων, με την προϋπόθεση πάντα ότι οι τάξεις των μεγεθών το επιτρέπουν και Ο υποδοχέας διαθέτει λιγότερες θέσεις δέσμευσης από αυτές που χρειάζεται το υποδεχόμενο μόριο. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να λυθεί είτε με τη δέσμευση μορίων διαλύτη ή αντισταθμιστικών ιόντων στις επιπλέον θέσεις του υποδεχόμενου μορίου, είτε με σχηματισμό ενώσεων τύπου sandwich, οπότε και το μόριο μπορεί να δεσμευτεί από περισσότερους από έναν υποδοχείς, ή με τη βοήθεια πρόσθετων ομάδων που μπορούν να συναρμοσθούν με το μόριο, κυρίως με γέφυρες, με αποτέλεσμα να σχηματισθεί μία τρισδιάστατη περιοχή δέσμευσης. 23

36 Α.3. Μεταλλοκορονοειδείς Ενώσεις Επιπλέον το είδος των μορίων που δεσμεύονται στον υποδοχέα αναφέρεται κυρίως στη σχέση οξέος-βάσης και επηρεάζεται κυρίως από τη δομή του υποδοχέα. Για παράδειγμα, ένας ισχυρά όξινος υποδοχέας μπορεί να αποδειχθεί πιο εκλεκτικός απέναντι σε ένα ισχυρά βασικό υποδεχόμενο μόριο, παρά σε ένα ασθενές βασικό μόριο. Παρά τις εμφανείς δομικές ομοιότητες των μεταλλοκορονοειδών ενώσεων με τους κορονοειδείς αιθέρες, οι ενώσεις αυτές εμφανίζουν και διαφορές, οι οποίες τους δίνουν ορισμένα πλεονεκτήματα σε σχέση με τις αντίστοιχες οργανικές, όπως δομικές, φασματοσκοπικές και φυσικές ιδιότητες. [16] Όπως είναι γνωστό η δομή των οργανικών υποδοχέων περιορίζεται από την τετραεδρική και τριγωνική διαμόρφωση του άνθρακα. Γενικά ο τετραεδρικός άνθρακας περιορίζει αρκετά τη δυνατότητα του αιθέρα για συναρμογή και δέσμευση με το υποδεχόμενο μόριο. Η ύπαρξη των μετάλλων στα διάφορα είδη των υποδοχέων επιτρέπει ένα ευρύτερο πεδίο φασματοσκοπικών ερευνών, σε ότι αφορά τα σύμπλοκα και το σχηματισμό τους, παρέχοντας τη δυνατότητα χρήσης διαφορετικών φασματοσκοπικών μεθόδων. Οι κυριότερες μέθοδοι που εφαρμόζονται για την ανίχνευση, αλλά και τη μελέτη των ανόργανων υποδοχέων είναι η φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού (UV-Vis), ηλεκτρονικού παραμαγνητικού συντονισμού (EPR), Mössbauer και πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR). Τα ανόργανα αυτά μοριακά μέσα αναγνώρισης λόγω της φύσης τους μπορούν να λειτουργήσουν όχι μόνο ως μέσα αναγνώρισης κατιόντων ή ανιόντων, αλλά σε μερικές περιπτώσεις μπορούν να δεσμεύσουν επιλεκτικά ολόκληρες μοριακές ενώσεις, αναγνωρίζοντας το κατιόν και το ανιόν ταυτόχρονα. Η επιλεκτική αναγνώριση μπορεί να προκαλέσει τη διέγερση του υποδοχέα ή/και του υποδεχόμενου μορίου, που μπορεί να οδηγήσει στην απομάκρυνση τοξικών παραγόντων από ένα σύστημα, ή στη δημιουργία εξαιρετικά ασταθών ειδών in situ, που οδηγούν σε αντιδράσεις στο προφυλαγμένο περιβάλλον της κοιλότητας των υποδοχέων. Τέλος οι υποδοχείς που περιέχουν μέταλλα παρουσιάζουν ενδιαφέρουσες ηλεκτρονικές και μαγνητικές ιδιότητες, οι οποίες βρίσκουν πολλές πρακτικές εφαρμογές. Οι βασικότερες οικογένειες των μεταλλοκορονοειδών ενώσεων, ανάλογα με το μέγεθος του κεντρικού δακτυλίου, δηλαδή ανάλογα με τον αριθμό των ατόμων του 24

37 Α.3. Μεταλλοκορονοειδείς Ενώσεις κεντρικού δακτυλίου, που εμφανίζονται στη βιβλιογραφία είναι τρεις: [9-MC-3], [20] [12-MC-4] [21] και [15-MC-5]. [22] Η σύνθεση των περισσοτέρων από αυτές πραγματοποιείται με την προσθήκη βάσης σε διάλυμα του ligand και ενός άλατος του μετάλλου. Οι διαλύτες που χρησιμοποιούνται είναι η μεθανόλη, το διμεθυλοφορμαμίδιο, το ακετονιτρίλιο και η πυριδίνη. Ως ligands χρησιμοποιούνται ενώσεις δότες αζώτου και οξυγόνου, ικανές να σχηματίζουν πενταμελείς ή/και εξαμελείς χηλικούς δακτυλίους, όπως τα υδροξαμικά οξέα και οι οξίμες. Σε κάποιες περιπτώσεις είναι αναγκαίο να γίνει πρώτα η προσθήκη της βάσης σε διάλυμα του ligand προκειμένου να διευκολυνθεί η αποπρωτονίωσή του και στη συνέχεια να προστεθεί το διάλυμα του άλατος του μετάλλου. Η πιο πάνω διαδικασία έχει σαν αποτέλεσμα την παρασκευή μορίων, με απόδοση σε κρυσταλλικό προϊόν 50 έως 95%, με βάση το μέταλλο. Επιπλέον η διαδικασία παρασκευής των μεταλλοκορονοειδών ενώσεων περιορίζεται σε ένα στάδιο, χωρίς μάλιστα να χρειάζονται ειδικές συνθήκες, όπως αδρανή ατμόσφαιρα ή συγκεκριμένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. [16] Πρόσφατα η χρήση ligands (σχήμα 12) που περιέχουν ως δότες πολλά άτομα οξυγόνου και αζώτου, με δυνατότητα σχηματισμού χηλικών δακτυλίων οδήγησε στο σχηματισμό μεταλλοκορονοειδών ενώσεων του γενικού τύπου: [8-MC-4], [10-MC- 5], [12-MC-3], [12-MC-6], [14-MC-7], [15-MC-3], [15-MC-6], [16-MC-4], [16-MC- 8], [18-MC-6], [18-MC-9], [20-MC-10], [22-MC-11], [24-MC-6], [24-MC-8], [24- MC-12], [28-MC-14], [30-MC-10], [32-MC-8], [32-MC-16], [36-MC-12], [36-MC- 18], [40-MC-10], [48-MC-24] και [60-MC-20], αλλά και σε ανάστροφες (inverse) μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις του γενικού τύπου: [inv 9-MC-3] και [inv 12-MC-4]. 25

38 Α.3. Μεταλλοκορονοειδείς Ενώσεις Cy H HN H H HN NH H HN NH H HN NH H N H HN H H HN NH H HN NH HN H N R N H N HN N H HN N 2 N N N N N N + - CH N N N N NH 2 N H H Me N S NH N N N N N H N 13 Me S N H H HN H N H N N N N N N Σχήμα 12. Ligands που χρησιμοποιούνται στη σύνθεση των μεταλλοκορονοειδών ενώσεων. (1) 2,4-dihydroxybenzohydroxamic acid, (2) N-formylsalicylhydrazide, (3) N- cyclohexanoylsalicylhydrazide, (4) N-trans-2-pentenoylsalicylhydrazide, (5) N-3-phenyltrans-2-propenoylsalicylhydrazide, (6) salicylaldehyde 2-pyridinecarboxyl hydrazone, (7) 3- hydroxy-2-naphthohydroxamic acid, (8) picoline hydroxamic acid, (9) picolinetetrazolylamide, (10) phenylalanine hydroxamic acid, (11) 4-pyrimidinyl nitronyl nitroxide, (12) bis(2-pyridylmethyl)glycine, (13) 9-methyladenine, (14) 3-hydroxy-1,2,3-benzotriazine- 4(3H)-one, (15) 2,3-dihydroxypyridine, (16) N-(5-methylthiazole-2-yl)thiazole-2- carboxamide, (17) salicylhydroxamic acid, (18) di-2-pyridyl ketone oxime, (19) 2- hydroxypyrimidine,(20)uracil. 26

39 Α.3. Μεταλλοκορονοειδείς Ενώσεις Α.3.1. Μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις με 9-μελή δακτύλιο (9-MC-3) Στην οικογένεια των μεταλλοκορονοειδών ενώσεων 9-MC-3 ανήκουν οι ενώσεις που περιέχουν στο δακτύλιό τους εννέα άτομα, από τα οποία τα τρία είναι οξυγόνα. Το 1989 η απομόνωση της πρώτης μεταλλοκορονοειδούς ένωσης του V βαναδίου, [9-MC V N(shi) -3]. 3MeH (σχήμα 13) [18a] σηματοδότησε, εκτός από την ανάπτυξη του τομέα αυτού της χημείας και την ανάπτυξη της πρώτης οικογένειας των μεταλλοκορονοειδών ενώσεων. V Η ένωση [9-MC V N(shi) -3]. 3MeH, όπου H 3 shi είναι το σαλικυλυδροξαμικό οξύ, αποτελείται από έναν 9-μελή μεταλλοκορονοειδή δακτύλιο με επαναλαμβανόμενη μονάδα την -[V V -N-]- (σχήμα 13). [18a] Κάθε ligand είναι τριδραστικό και σχηματίζει αντιπαρατιθέμενους πενταμελείς και εξαμελείς χηλικούς δακτυλίους με τα γειτονικά ιόντα βαναδίου. Τα υδροξαμικά άτομα οξυγόνου και αζώτου παρέχουν τα άτομα για τη δημιουργία της επαναλαμβανόμενης μονάδας που συνιστά τον μεταλλοκορονοειδή δακτύλιο. Σχήμα 13. Η κρυσταλλική δομή της μεταλλοκορονοειδούς ένωσης [9-MC V V N(shi) -3]. 3MeH. Οι πορτοκαλί, οι κόκκινες και οι μπλε σφαίρες αντιπροσωπεύουν τα ιόντα βαναδίου, τα άτομα οξυγόνου και τα άτομα αζώτου αντίστοιχα. Το περιβάλλον συναρμογής κάθε ιόντος βαναδίου αποτελείται από ένα φαινολικό άτομο οξυγόνου και ένα υδροξαμικό άτομο αζώτου, τα οποία σχηματίζουν έναν εξαμελή χηλικό δακτύλιο, ένα καρβοξυλικό και ένα υδροξαμικό άτομο οξυγόνου, τα οποία σχηματίζουν έναν πενταμελή χηλικό δακτύλιο και οι υπόλοιπες θέσεις συναρμογής καταλαμβάνονται από άτομα οξυγόνου του βαναδίου και της μεθανόλης. Οι δύο χηλικοί δακτύλιοι σε κάθε ένα από τα ιόντα βαναδίου προκαλούν 27

40 Α.3. Μεταλλοκορονοειδείς Ενώσεις στερεοχημικό ισομερισμό. Η δομή του μεταλλοκορονοειδούς δακτυλίου 9-MC-3 απαιτεί και τα τρία ιόντα βαναδίου να υιοθετούν την ίδια στερεοχημική διαμόρφωση, η οποία αντιστοιχεί στη διαμόρφωση τύπου προπέλας Δ. Σε αντίθεση με τη μεγάλη πλειοψηφία των μεταλλοκορονοειδών ενώσεων, ο δακτύλιος της ένωσης αυτής είναι κενός. Η πλέον πιθανή εξήγηση για την παρατήρηση αυτή είναι ότι τα άτομα οξυγόνου του βαναδίου εμποδίζουν τη συναρμογή ανιόντων, τα οποία θα μπορούσαν να σταθεροποιήσουν ένα εγκλωβισμένο κεντρικό κατιόν. Η δομή αυτή του 9-μελούς δακτυλίου έχει αποδειχτεί ότι είναι ίδια με τις δομές μεταλλοκορονοειδών ενώσεων του τύπου αυτού, τις οποίες δημιουργούν και άλλα υδροξαμικά οξέα ως ligands, όπως το 3-υδροξυ-2-ναφθοϋδροξαμικό οξύ και το 2,4-διϋδροξυβενζοϋδροξαμικό οξύ. [20a] Η επόμενη μεταλλοκορονοειδής ένωση της κατηγορίας αυτής που III παρασκευάστηκε ήταν η {Fe( 2 CCH 3 ) 3 [9-MC Fe N(shi) -3]}. 3MeH (σχήμα 14). [20b] Η V δομή της είναι ίδια με αυτή της ένωσης [9-MC V N(shi) -3]. 3MeH, με τη διαφορά ότι ένα ιόν Fe III έχει εγκλωβιστεί στην κοιλότητα του μεταλλοκορονοειδούς δακτυλίου από τα τρία υδροξαμικά οξυγόνα του δακτυλίου και τις τρεις οξικές ομάδες, οι οποίες δρουν ως γέφυρες. Οι οξικές ομάδες γεφυρώνουν κάθε ιόν Fe III του δακτυλίου με το κεντρικό ιόν Fe III. Τα ιόντα Fe III του δακτυλίου παρουσιάζουν παρόμοιο περιβάλλον V συναρμογής με αυτό των ιόντων του βαναδίου στην ένωση [9-MC V N(shi) -3]. 3MeH. Σχήμα 14. Η κρυσταλλική δομή της μεταλλοκορονοειδούς ένωσης {Fe( 2 CCH 3 ) 3 [9- MC Fe III N(shi) -3]}. 3MeH. Οι πορτοκαλί, οι κόκκινες και οι μπλε σφαίρες αντιπροσωπεύουν τα ιόντα σιδήρου, τα άτομα οξυγόνου και τα άτομα αζώτου αντίστοιχα. Η γαλάζια σφαίρα αντιπροσωπεύει το εγκλωβισμένο ιόν Fe III. Μέχρι και τη δεκαετία του '60 στη βιβλιογραφία αναφέρονται αρκετές τριγωνικές τριπυρηνικές ενώσεις με επαναλαμβανόμενες ομάδες του τύπου Μ-Ν-Ο, 28

41 Α.3. Μεταλλοκορονοειδείς Ενώσεις οι οποίες όμως δεν είχαν χαρακτηριστεί ως μεταλλοκορονοειδείς. Οι ενώσεις αυτές περιέχουν στο μόριό τους την επαναλαμβανόμενη μονάδα -[Cu II -N-]- και ανήκουν στην οικογένεια των ανάστροφων μεταλλοκορονοειδών ενώσεων (invmc). Αποκαλούνται έτσι επειδή δεσμεύουν στην κοιλότητά τους ανιόντα, συνήθως μ 3 - οξυγόνα ή οξυγόνα μ 3 -υδροξειδίου (σχήμα 15), με αποτέλεσμα τα μεταλλικά ιόντα να κατευθύνονται προς το κέντρο του δακτυλίου, σε αντίθεση με τα κανονικά MC στα οποία τα άτομα οξυγόνου κατευθύνονται προς το κέντρο του δακτυλίου. [23a, b] Η επαναλαμβανόμενη μονάδα Ν-Ο παρέχεται από οξιμικά ligands. Μία ποικιλία διαφορετικών οξιμικών ligands έχει χρησιμοποιηθεί για τη σύνθεση τέτοιου είδους δομών. [23] Στην κατηγορία αυτή ανήκει και μια σειρά ενώσεων του χαλκού που [23h, 205] μελετώνται στην παρούσα διατριβή. Σχήμα 15. Η κρυσταλλική δομή της ανάστροφης μεταλλοκορονοειδούς ένωσης (μ 3 -H)[inv 9-MC Cu II -3], το ligand που χρησιμοποιήθηκε είναι η πυριδινο-2-αλδεΰδη. Οι πορτοκαλί, οι κόκκινες και οι μπλε σφαίρες αντιπροσωπεύουν τα ιόντα χαλκού, τα άτομα οξυγόνου και τα άτομα αζώτου αντίστοιχα. Η κίτρινη σφαίρα αντιπροσωπεύει το άτομο θείου. Σε μερικές περιπτώσεις οι δομές inv 9-MC-3 μπορούν να διμεριστούν και το κεντρικό τους άτομο οξυγόνου να συναρμοστεί με ένα ιόν χαλκού του δεύτερου μεταλλοκορονοειδούς δακτυλίου (σχήμα 16). [24] Σχήμα 16. Η κρυσταλλική δομή της ανάστροφης μεταλλοκορονοειδούς ένωσης (μ 3 -)[inv 9- MC Cu II -3], το ligand που χρησιμοποιήθηκε είναι η 1,2-διφαινυλο-2-(μεθυλιμινο)εθανόνη-1- οξίμη. Οι πορτοκαλί, οι κόκκινες και οι μπλε σφαίρες αντιπροσωπεύουν τα ιόντα χαλκού, τα άτομα οξυγόνου και τα άτομα αζώτου αντίστοιχα. Η κίτρινη σφαίρα αντιπροσωπεύει το άτομο θείου. 29

42 Α.3. Μεταλλοκορονοειδείς Ενώσεις Με τη χρήση οξιμικών ligands έχουν παρασκευαστεί και δύο κενές μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις του τύπου 9-MC II Pd -3. [25] Στη μία ένωση τα τρία ιόντα Pd II συνδέονται με δύο γέφυρες Ν-Ο, [25a] ενώ στην άλλη τα τρία ιόντα Pd II συνδέονται μεταξύ τους με μία γέφυρα Ν-Ο. [25b] Ενδιαφέρουσα δομή αποτελεί και αυτή της ένωσης (μ 3 -ΟΗ)[inv 9-MC II Ni -3], η οποία μπορεί να θεωρηθεί ότι αποτελείται από δύο μονάδες inv 9-MC II Ni -3, οι οποίες συνδέονται μέσω ενός κοινού ιόντος Ni II (σχήμα 17). [26] Ο σχηματισμός του μεταλλοκορονοειδούς δακτυλίου δεν γίνεται από κάποιο οργανικό ligand, αλλά από έξι νιτρώδη ανιόντα. Στην κοιλότητα της κάθε μονάδας inv 9-MC II Ni -3 υπάρχει μια ομάδα μ 3 -H. Σχήμα 17. Η κρυσταλλική δομή της ανάστροφης μεταλλοκορονοειδούς ένωσης (μ 3 -H)[inv 9-MC Ni II -3], το ligand που χρησιμοποιήθηκε είναι η εθανο-1,2-διαμίνη. Οι πορτοκαλί, οι κόκκινες και οι μπλε σφαίρες αντιπροσωπεύουν τα ιόντα νικελίου, τα άτομα οξυγόνου και τα άτομα αζώτου αντίστοιχα. Στον Πίνακα 1 δίνονται όλες οι μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις με 9-μελή δακτύλιο που έχουν παρασκευαστεί μέχρι στιγμής. Πίνακας 1. Μεταλλοκορονοειδείς ενώσεις με 9-μελή δακτύλιο. Μεταλοκορονοειδής Ένωση Βιβλιογραφία [9-MC V V N(shi) -3]. 3MeH 18a 3+ [9-MC (V )N(shi) -3] 20a 3+ [9-MC (V )N(dshi) -3] 20a 3+ [9-MC (V )N(d2shi) -3] 20a 3+ [9-MC (V )N(nha) -3] 20a III {Fe( 2 CCH 3 ) 3 [9-MC Fe N(shi) -3]}. 3MeH 20b II (μ 3 -ΟΗ)(μ 3 -S 4 )[inv 9-MC Cu N(pao) -3] 23a, 23b II (μ 3 -ΟΗ)[inv 9-MC Cu N(prao) -3] 2+ 23c 30