Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis


Download 11.05 Mb.
Pdf ko'rish
bet101/115
Sana23.06.2017
Hajmi11.05 Mb.
#9613
1   ...   97   98   99   100   101   102   103   104   ...   115

639

0.0


0.2

0.4


0.6

0.8


−0.5

0.0


0.5

1.0


1.5

(a)


(b)

E (V vs SCE)

0.0


0.2

0.4


0.6

0.8


E (V vs SCE)

−0.5


0.0

0.5


1.0

1.5


OH

OH

Fe



OH

OH

Fe



8

9

I

A)



I

A)



Figure 47.6

Cyclic voltammograms of (a) and (b) 1 mM in acetonitrile/Bu

4

NBF


4

(0.1 M). Platinum electrode (0.5 mm diameter),

scan rate 0.2 V/s. Cyclic voltammograms recorded in the absence (black solid line) and in the presence of 1 M equiv (black dashed line)

and 10 M equiv (gray solid line) of imidazole.

R

O

OH



Fe

R

OH



OH

Fe

R



OH

O



Fe

R

OH



OH

Fe +


R

O

O



Fe

R

O



O

Fe +


(A)

(B)


(C)

(D)


−e

− 

E

°

1

 = 0.40 V



e



E

°

3

 = 0.50 V



e

 



E

°

2



 < 0.40 V

Im

ImH



+

Im

ImH



+



Figure 47.7

Base-promoted oxidation sequence of catechols (R

= CH


3

) and (R

= Ph).

oxidation of the catechol. Note that the deprotonations may be concerted with the electron transfers but such discussion



is beyond the scope of this chapter. The second wave (one-electron process) corresponded to the reversible oxidation of

the ortho-quinone into its ferricenium analog (step (D)). Moreover, the (A)

+ (B) + (C) sequence was fast enough to be

observed within the same scan in the presence of imidazole. In order to confirm this oxidation mechanism, preparative

electrolyses of catechols and were performed in the presence of imidazole at 0.48 V/SCE, that is, the potential value


640

FERROCIFENS: AN ELECTROCHEMICAL OVERVIEW

Fe

OH

OH



Fe

OH

OH



Charge (C)

1.0


2.0

(a)


(b)

1.5


1.0

0.5


I (

μ

A)



I (

μ

A)



0.0

0.0


0.2

0.4


0.6

0.8


−0.5

0.5


0.0

0

400



800

b

c



a

b



c

a



Time (s)


Charge (C)

5

8



6

4

2



0

−2

4



3

2

1



0

0

500



1000

Time (s)


8

9

(V vs SCE)

0.0


0.2

0.4


0.6

0.8


(V vs SCE)

Figure 47.8

Cyclic voltammograms of acetonitrile/Bu

4

NBF


4

(0.2 M) solutions (Pt electrode of 0.5 mm diameter, scan rate 0.1 V/s) at

various electrolysis stages. (a) Compound (1.2 mM) (curve a); compound (1.2 mM)

+ imidazole (15 mM) (curve b); and compound



(1.2 mM)

+ imidazole (15 mM) + 1.95 F/mol electrolysis at 0.48 V/SCE (curve c). (b) compound (6 mM) (curve a’); compound 9

(6 mM)

+ imidazole (75 mM) (curve b’); and compound (6 mM) + imidazole (75 mM) + 1.8 F/mol electrolysis at 0.48 V/SCE (curve



c’). Insets

= evolution of the charge versus time during electrolysis.

corresponding to the diffusion tail of the first bielectronic wave and to the foot of the second monoelectronic wave. The

concentration of the species was monitored by cyclic voltammetry, as reported in Fig. 47.8.

For both compounds, a complete electrolysis at 0.48 V/SCE in the presence of imidazole corresponded to a total charge

circa 2 F/mol. Curves c and c , recorded after the electrolyses, no longer displayed the first two-electron oxidation wave (as

seen in curves b and b recorded before the electrolyses) but only the more anodic reversible one-electron oxidation ascribed

to the OQ. Finally, the bielectronic nature of the first wave was quantitatively confirmed at the timescale of preparative

electrolyses.

The electrochemical oxidation of catechols and was dramatically affected by the presence of imidazole. In the absence

of this base, both catechols only oxidized according to a reversible one-electron process centered on the ferrocene group.

In the presence of imidazole, the cyclic voltammograms displayed two distinct processes, the first one corresponding to

the bielectronic oxidation of the catechol to the OQ, the second one being the ferrocene-centered one-electron reversible

oxidation of the OQ formed at the first wave. The oxidation sequence, although leading to OQs instead of QM, displayed

kinetic and thermodynamic features very similar to those encountered in the electrochemical oxidation of ferrociphenols to

QMs. Since orthoquinones are also potent anticancer drugs (through the involvement of their easily generated cation radicals

[29]) formation of OQ may be an important issue.

47.2.3

Ferrocenyl Aniline and Acetanilide

Interestingly, the cytotoxic activity of ferrocifen compounds is not restricted to phenolic substituents. For instance, the

substitution of the hydroxyl group by another protic and oxidizable functionality such as aniline or acetanilide (compounds

10 and 11, respectively) also provides strong cytotoxic action against hormone-dependent MCF-7 and hormone-independent

MDA-MB-231 breast cancer cell lines [30].

Yet, the electrochemical behavior changes of both 10 and 11 observed in the presence of a base were less dramatic than

those obtained with the phenolic ferrocifen derivatives. Accordingly, the cyclic voltammograms of 10 and 11 obtained in

DMF and DMF/imidazole showed a weaker base dependence, that is, a lower increase of the first oxidation wave coupled

to a smaller decrease of its reversibility, especially for the acetanilide derivative (Fig. 47.9).



DECIPHERING THE ACTIVATION SEQUENCE OF FERROCIFENS

641

NH

2



Fe

10

11

Fe

HN



O

0

0



0.1

0.2


0.3

0.4


0.5

0.6


0.7

0.8


0.9

−0.2


−0.2

−0.1


0

0.1


0.2

0.3


0.4

0

0.2



0.4

0.6


0.8

(a)


(b)

0.2


0.4

0.6


E (V vs SCE)

E (V vs SCE)

0.8


1

1.2


I (

μ

A)

I (



μ

A)

A: no imidazole added



C: addition of >500 molar equiv

of imidazole

B: addition of 10 molar equiv

of imidazole

A

′: no imidazole added



C

′: addition of 250 molar equiv

of imidazole

B

′: addition of 50 molar equiv



of imidazole

C

B



A

A’

B’



C’

Figure 47.9

Cyclic voltammograms for 10 (a) and 11 (b), in DMF. Pt (0.5 mm diameter) working electrode, platinum mesh counter-

electrode, SCE reference electrode, scan rate 0.1 V/s. For 10, the first wave corresponds to the ferrocene oxidation, while the second

corresponds to the amine oxidation.

−2

−1

0



1

2

3



4

5

−0.4



0

0.4


0.8

1.2


E (V vs SCE)

I

A)



O

1

R

1

O

2

R

2

NH

2



Fe

10

a

b



Figure 47.10

Cyclic voltammograms of 10 (1 mM) in MeOH

+ LiClO

4

(0.1 M) recorded at a bare glassy carbon electrode (1 mm



diameter) at 100 mV/s in the absence (a), and the presence (b) of collidine (50 equiv).

Similar results were obtained in methanol in the presence of 2,4,6-trimethylpyridine (collidine, pK

a

= 7.4) used as the



base [31]. In fact, in DMF, the cyclic voltammogram of complex 10 exhibited a superimposition of the two successive

oxidation waves corresponding to the respective oxidations of the ferrocene and the amino centers without any evidence

of interactions. In the presence of added collidine, the Fc/Fc

+

system was slightly shifted toward more positive potential



values, but remained reversible suggesting that the intramolecular electron transfer was too slow to be observed at the cyclic

voltammetry timescale (Fig. 47.10). The second oxidation wave experienced an increase of its current peak associated to a

partial loss of its reversibility showing that the dication presented some acidity.

Importantly, it was shown that the oxidation wave corresponding to the oxidation of the amino group gradually decreased

upon repeated scans, suggesting the formation of a coating on the electrode surface. Electrolysis performed at the potential


642

FERROCIFENS: AN ELECTROCHEMICAL OVERVIEW

−8

−4

0



4

8

−0.4



−0.2

0

0.2



0.4

0.6


0.8

1

E (V vs SCE)



I

A)



Ω

1

R

1

Figure 47.11

Cyclic voltammogram performed in MeOH

+ LiClO

4

(0.1 M) with the modified working glassy carbon electrode (1 mm



diameter) obtained after the controlled-potential electrolysis (E

= +0.70 V). Sweep rate is 500 mV/s.

Fe

NH

2



− e

E

O1

Fe



+

NH

2



N

Fe

NH



+

N



H

+

C



Pt

Au

H



N

Fe

Fe



NH

2



+

Fe

NH



OH

e, H

+

Figure 47.12

Proposed mechanism for the covalent attachment of the amino-ferrocifen complex 10 via the oxidation of the ferrocenyl

group.


value at which the amino moiety was oxidized (i.e., wave O

2

) confirmed the covalent grafting of the ferrocenyl aniline onto



the electrode surface. A characteristic cyclic voltammogram of the modified electrode is shown in Fig. 47.11.

As already reported with other amino derivatives, the oxidation of the amino group produces a cation radical which,

upon deprotonation, yields an aminyl radical that reacts with the electrode surface [32–34]. More importantly, the grafting

of complex 10 could be also achieved by oxidation at the potential value of the first wave O

1

(at which the ferrocene



group is oxidized). This demonstrated that, given a much longer reaction time than voltammetric ones, the amine function

could be indirectly oxidized through an intramolecular electron transfer from the amino group to the ferrocenyl center

along the conjugated

π-system (Fig. 47.12) and confirmed the mechanism proposed for the oxidation of ferrociphenols. It

is noteworthy that the grafting of compound 10 was achieved not only on glassy carbon but also on metallic surfaces such

as gold and platinum.

By analogy to the results obtained with the phenol ferrocifen derivatives, the cytotoxicity of compounds 10 and 11 may

be ascribed to the intermediate formation of imino methides (Fig. 47.12). Actually, imino methides have been implicated in

cytotoxic processes [35–40]. However, while acetylated quinone imines are important toxic compounds, namely, identified in

the metabolism of Parkinson’s disease drug tolcapone [41] and the analgesic acetaminophen [42], acetylated imine methides



DECIPHERING THE ACTIVATION SEQUENCE OF FERROCIFENS

643

−40


−20

0

20



40

60

80



100

120


140

0

0.1



0.2

0.3


0.4

0.5


0.6

0.7


I

(nA)


E (V vs SCE)

0.15 M


60 mM

0

15 mM



13

−250


0

0.1


0.2

0.3


0.4

0.5


0.6

500


E (V vs SCE)

I

(nA)


0

1 M

0.1 M

20 mM


0

250


750

(a)


(b)

12

HO

OH



Fe

OH

OH



Fe

Figure 47.13

Cyclic voltammograms of 12 (1 mM, scan rate 100 mV/s, a) and 13 (0.3 mM, scan rate 50 mV/s, b) in the presence of

varying concentrations of imidazole.

are rare. Actually, the only evidence of an acetylated p-imine methide was a short-lived species (1 ms) generated from

laser flash photolysis of 4-acetylaminostilbene [43]. These compounds are probably unstable owing to the effect of the

electron-withdrawing acetyl group, and delocalization of the nitrogen atom p-electrons over the ring favors the quinoid form

over the aromatic form [44].

From a mechanistic point of view, the overall oxidation sequence of ferrocifens is thermodynamically and kinetically

controlled by the acidity of either the phenol or the amino group of the original species. Such an energetic hurdle has been

overcome upon oxidation of ferrocene into ferricenium, which dramatically enhanced the acidity of these groups through

intramolecular electron transfer, allowing deprotonation and concerted or consecutive electron transfer from the phenol or

amine to the ferricenium. Actually, the “reactivity” of a given ferrocifen toward oxidation depends on the relative pK

a

values


of its functional group (hydroxyl or amino) and of the base used, as well as the pK

a

values of the formal hydroxy or amino



radical cations that can be envisioned as limit forms of the electrogenerated ferricenium (e.g., Fc

+

–OH and Fc–(OH)



·+

).

47.2.4



Ferrocenophanes

The quest for more active (cytotoxic) ferrocifen compounds led to the design of new molecules based on the [3]

ferrocenophane molecular structure. These new structures, which preserve the key ferrocenyl-phenol core, appeared more

cytotoxic than their noncyclic analogs. This could be ascribed to the rigidity of the molecules, which can bind more strongly

to a receptor. In this context, two ferrocenophanes (12 and 13) were prepared and electrochemically investigated [45].

In the absence of imidazole, compounds 12 and 13 exhibited a monoelectronic oxidation process at 0.46 (12) and

0.48 V (13), ascribed to the ferrocenyl oxidation (Fig. 47.13). Upon addition of excesses of imidazole, the intensities of the

oxidation waves of both compounds increased, a fact that supports the occurrence of the “classical” oxidation sequence of

ferrociphenols, depicted above for compounds and 7.

However, the voltammograms were affected only at high imidazole excesses, suggesting that oxidation sequence is harder

to trigger for compounds 12 and 13 than for and, a fortiori7. For compound 12, the intramolecular proton/electron transfer

from the phenol to the ferricenium can be rationalized by the delocalized structure. For the unconjugated 13, one must consider

that the electron transfer proceeds either “through space,” or via the formation of an intermediate

α-methylene radical (such

α-methylene ferricenium molecules possess acidic protons) [46], which can delocalize over the π-system and undergo an

additional oxidation step to yield the QM. Despite a kinetically and thermodynamically less-favored intramolecular electron

transfer, compound 13 exhibited an IC

50

of 0.96



μM, a value in the same range as the ferrociphenol 4. Surprisingly,

compound 12 possessed an outstanding IC

50

value of 0.09



μM [45]. Actually, the biological activity of 13 and, even more,

that of 12, could not be derived nor anticipated from the electrochemical behavior of these compounds. In short, if the

biological activity of a ferrocifen molecule appears to require an oxidizable hydroxy or amino function on the phenyl ring,


644

FERROCIFENS: AN ELECTROCHEMICAL OVERVIEW

the energetics and kinetics associated to its initial cation radical conversion to QMs or imines may not directly correlate

with their cytotoxicity.



47.3

SUPRAMOLECULAR INTERACTIONS OF FERROCIFENS WITH CYCLODEXTRINS

AND LIPID BILAYERS

47.3.1

Solubilization

In order to anticipate the use of ferrocifens in clinical studies, several formulation strategies have been envisioned, for

example, using nanoparticles, lipid nanocapsules, or CDs [15, 47–49]. In this context, an interesting entry to the general

topic related to the vectorization of ferrocifen drugs consisted in the electrochemical monitoring of (i) the electroactive

species formed along the oxidative metabolism of ferrocifens in the presence of CDs or lipid bilayers and (ii) the possible

modifications of the oxidation sequence in the presence of supramolecular interactions between ferrocifens and their host.

The questions that first arose focused on the inclusion or noninclusion of the ferrocifens and their ferricenium metabolites

in the CD cavity, and the reactivity of the latter species toward bases if encapsulated in the CD.

The cyclic voltammetric experiments performed in MeOH/H

2

O (1 : 1) clearly demonstrated the effective inclusion of



ferrocifen in the cavity of Me-

β-CD, most likely via the apolar ferrocene moiety (Fig. 47.14).

The potential shift observed in Fig. 47.14 when Me-

β-CD was added is due to the stabilization of by the CD, which

then becomes harder to oxidize as the cation radical is a priori less stabilized. On the other hand, the decrease in the peak

current of wave O

1

could not be ascribed only to a bulkier (then more slowly diffusing) 4-CD complex compared to 4, as



the shape of the voltammetric wave also evolved. We discuss that point in the next paragraph.

As expected, the inclusion of in the CD cavity was favored as the solvent polarity increased, and also depended

on the nature of the CD. Fig. 47.14B compares the cyclic voltammograms obtained for the same concentration of in

MeOH/H


2

O (1 : 1) in the absence of and presence of 10 M equiv of either Me-

β-CD or native β-CD. This figure clearly

shows that both the decrease in

I

O

1



and the shift in

E

O



1

are greater in the presence of Me-

β-CD than of β-CD, featuring

a stronger complexation effect in the former case. This can be ascribed to strongest hydrophobic interactions between the

cyclopentadienyl and/or the aromatic rings and the methoxy groups of the partially methylated CD.

As mentioned above, an interesting point is the trend of wave O

1

to adopt a sigmoidal shape, which features the



involvement of a consecutive chemical– electrochemical (CE) mechanism. In short, if an electroactive species forms a stable

−8

−4



0

4

8



12

−0.1


0

0.1


0.2

0.3


0.4

0.5


I

A)



(V vs SCE)

(V vs SCE)

R

1



O

1

+ Me-



β-CD

(a)


−1.5

−1

−0.5



0

0.5


1

1.5


2

−0.1


0

0.1


0.2

0.3


0.4

R1

O



1

(a)


(b)

(c)


I

A)



(b)

OH

Fe



OH

4

Figure 47.14

(a) Cyclic voltammograms of (1 mM) in MeOH/H

2

O (1 : 1) with TBABF



4

(0.1 M) as the supporting electrolyte, recorded

at a glassy carbon electrode (3 mm diameter) at a scan rate of 200 mV/s, in the absence and presence of Me-

β-CD (5 equiv). (b) Cyclic

voltammograms of (1 mM) in MeOH/H

2

O (1 : 1) with TBABF



4

(0.1 M) as the supporting electrolyte, recorded at a glassy carbon

electrode (3 mm diameter) at a scan rate of 50 mV/s, (a) in the absence of CD or (b), (c) in the presence of 10 equiv of

β-CD and


Me-

β-CD, respectively.



SUPRAMOLECULAR INTERACTIONS OF FERROCIFENS WITH CYCLODEXTRINS AND LIPID BILAYERS

645

I

A)



(V vs SCE)

OH

Fe



OH

4

−3

−2



−1

0

1



2

3

4



−0.1

0

0.1



0.2

0.3


0.4

0.5


(a)

(b)


Download 11.05 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   97   98   99   100   101   102   103   104   ...   115




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling