Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis


LUMINESCENT TETRACOORDINATE ORGANOBORON COMPOUNDS


Download 11.05 Mb.
Pdf ko'rish
bet80/115
Sana23.06.2017
Hajmi11.05 Mb.
#9613
1   ...   76   77   78   79   80   81   82   83   ...   115

36.2

LUMINESCENT TETRACOORDINATE ORGANOBORON COMPOUNDS

The luminescent tetracoordinate organoboron compounds can be broadly classified into four different types based on the

nature of chelating ligands, namely, (i) N,O-chelate compounds, (ii) N,N -chelate compounds, (iii) N,C-chelate compounds,

and (iv) other chelate compounds.



36.2.1

N,O -Chelate Compounds

S. Wang and coworkers [6] first reported tetracoordinate organoboron compounds containing 8-hydroxyquinolate, a N,O-

chelating ligand. Luminescent organoboron compounds of the type (N

O)BR



2

(Fig. 36.1, 1–3), where N

O is the


8-hydroxyquinolinate moiety and R can be ethyl, phenyl, or 2-napthyl groups, show bright green-blue luminescence with

Advances in Organometallic Chemistry and Catalysis: The Silver/Gold Jubilee International Conference on Organometallic Chemistry Celebratory Book,

First Edition. Edited by Armando J. L. Pombeiro.

© 2014 John Wiley & Sons, Inc. Published 2014 by John Wiley & Sons, Inc.

485


486

ADVANCES IN LUMINESCENT TETRACOORDINATE ORGANOBORON COMPOUNDS



Figure 36.1

Luminescent organoboron compounds containing N,O-chelating ligands.



Figure 36.2

Polynuclear organoboron compounds containing N,O-chelating ligands.

emission wavelengths of 495–500 nm [6a]. Later, J¨akle’s group reported several luminescent organoboron compounds of

the type (N

O)BPh


2

(Fig. 36.1, 4–10) containing modified quinolate ligands [7]. The experimental observations showed

that the emission wavelength is blue-shifted for the derivatives containing electron-withdrawing groups (4–6) relative to

the unsubstituted compound (7), while electron-donating groups (and 10) lead to a strong red-shifted emission in the

photoluminescence (PL) spectrum. The team of Y. Wang [8] reported a new type of stable blue luminescent compounds

(N



O)BR

2

(Fig. 36.1, 11–14) containing pyridyl phenoxylate ligands. These compounds emit in the blue region with



emission maxima at 461, 478, 459, and 479 nm, with moderate quantum yields of 0.30, 0.21, 0.16, and 0.14, respectively.

The organoboron compounds 15–21 (Fig. 36.1) containing oxazolyl phenolate ligands were reported by Kang and coworkers

[9]. The photophysical properties of these complexes are modulated by the electron-push and electron-pull substituents at

position 4 of the chelate’s aryl group. The emission wavelengths are fine-tuned from 422 to 520 nm with relatively low

quantum yields of 0.04–0.34.

To examine the impact of extended

π-conjugation and the mutual influence of multiple boron centers, S. Wang and

coworkers [6b] reported several linear (Fig. 36.2, 22–24) and star-shaped (Fig. 36.2, 25–26) polynucelar organoboron

compounds with different

π-conjugation lengths containing quinolate ligands. It was found that the inclusion of

polychromophores or polyboron centers has a significant impact on the HOMO level of the molecule and the emission

maxima are in the range 528–542 nm in the PL spectrum. Y. Wang et al. [10] reported binuclear ladder-type

π-conjugated

organoboron compounds (Fig. 36.2, 27–30) with emission maxima in the range 584–604 nm, in THF, which were red-shifted

by more than 100 nm in relation to the corresponding mononuclear compounds, because of a greater

π-conjugation.



LUMINESCENT TETRACOORDINATE ORGANOBORON COMPOUNDS

487

Figure 36.3

Luminescent organoboron compounds containing N,N’-chelating ligands.



36.2.2

N,N -Chelate Compounds

The first example of tetracoordinate organoboron compounds containing a N,N -chelating ligand [(

μ-7-azain)BR]

2

(



μ-O),

reported by S. Wang’s team, was found to be blue luminescent (

λ

em

= 419 nm, R = Et, 31; λ



em

= 422 nm, R = Ph, 32;

Fig. 36.3) [6c,d]. Later, this group extended their studies to organoboron compounds of the type (N

N )BPh



2

(Fig. 36.3,



33– 35) with different N,-donor ligands [6e]. The PL spectra of these complexes show emission maxima at 475 nm for

7-azaindolyl (33), 516 nm for indolyl (34), and 445 nm for benzoimidazolyl (35) derivatives, showing that the location of

the N-heteroatom in the chelating ligand plays an important role in the emission color.

Chi and coworkers [11] reported a series of tetracoordinate organoboron compounds (N

N )BPh


2

(Fig. 36.3, 36–41)

containing pyrazolyl pyridine chelating ligands. The boron complexes with electron-withdrawing groups show temperature-

dependent dual fluorescence emission consisting of normal emission bands around 374–365 nm and an abnormally large

Stokes-shifted emission around 488–512 nm in solution. Gardinier et al. [12] reported a series of tunable fluorophores

based on 2-(pyrazolyl)anilide ligands (pzAn-X)BPh

2

(Fig. 36.3, 42–51) [12a]. In their study, they found that the electron-



withdrawing substituents of compounds 45–48 increase the chemical stability and show intense higher energy (blue)

fluorescent emission, while the electron-donating groups of compounds 42 and 43 shift the emission to green and destabilize

the compound toward hydrolysis. Improving upon their previous work, they modified the pyrazolyl anilide ligand by

introducing an additional pyrazolyl ring at position 6 of the anilide moiety [12b]. These new compounds (pz

2

An-X)BPh


2

(Fig. 36.3, 49–51) exhibit a number of advantageous properties compared to (pzAn-X)BPh

2

including high luminescence



quantum yields and stability toward solvolysis.

Gomes and coworkers [13] synthesized several organoboron complexes (Fig. 36.4, 52–73) containing 2-(N-

aryl)formiminopyrrolyl ligands. The mononuclear N,N -2-formiminopyrrolyl organoboron compounds 52–61 have N-aryl

rings of different electronic and steric natures [13a,b,e]. These compounds emit in violet, blue, or green regions of the

spectrum, depending on the nature of the substituents of the N-aryl group, generally with high efficiencies. It was observed

that the presence of bulkier groups at positions 2 and 6 of the N-aryl group (53 and 54) highly restricts its rotation about

the C

ipso


–N bond, inducing an emission in the violet region (412 nm). The emission maxima are gradually blue-shifted

from 478 to 465 nm depending on the number of fluorine substituents in the N-aryl ring (–C

6

H

4



57, –C

6

H



2

F

3



60,

and –C


6

F

5



61). Further, they synthesized new boron complexes 62–65 containing 2-(N-aryl)formiminophenanthro[9,10-

c]pyrrolyl and 2-N-arylformiminoindolyl moieties, containing extended

π-conjugation over the pyrrole moiety, in order

to study the effects of the length of

π-conjugation of the iminopyrrolyl ligand on the photophysical properties of these

tetracoordinate organoboron complexes [13a,b,f]. The PL spectra of these complexes show emission maxima in blue to

yellow regions with greater enhancement in the emission efficiencies attributed to their highly resonant

π-conjugation.

Extending their work from mononuclear to polynuclear tetracoordinate boron complexes, they prepared several bi- (66–72)

and tri- (73) nuclear organoboron compounds having different lengths of

π-conjugation [13a–d,g]. These polynuclear boron

complexes were found to be highly fluorescent, their emission colors varied from blue to orange-red depending on the

π-conjugation length, and they showed stable redox properties, indicating that they are possible candidates for emitters and

charge-transporting materials.


488

ADVANCES IN LUMINESCENT TETRACOORDINATE ORGANOBORON COMPOUNDS



Figure 36.4

Luminescent organoboron compounds containing N,N -2-iminopyrrolyl ligands.



36.2.3

N,C -Chelate Compounds

The first tetracoordinate boron compounds of the type (N

C)BPh


2

(Fig. 36.5, 74–76) containing nitrogen and carbon as

donor atoms were reported by Yamaguchi’s team for thienylthiazole ligands [14]. These molecules have high electron

mobility due to the extended

π-conjugation and the boron chelation, but their quantum efficiencies are very low (<0.10).

S. Wang et al. [6f] reported a series of luminescent organoboron compounds containing substituted 2-phenylpyridyl (Fig.

36.5, 77–81), benzo[b]thiophenylpyridine (82), and indolylpyridine (83N,C-chelating ligands. Most of the compounds show

bright fluorescence with emission maxima ranging from 360 to 527 nm and modest quantum yields. Recently, Wakamiya

and coworkers demonstrated that the B(C

6

F



5

)

3



coordination/cyclization protocol is an effective way for tuning the electronic

nature of thiazoyl-capped

π-conjugated compounds. The cyclized tetracoordinate compounds 84 and 85 (Fig. 36.5) show

blue (476 nm) and yellow (548 nm) emissions with quantum efficiencies of 0.40 and 0.15, respectively, with an increase

of the molar absorptivity in relation to the noncyclized derivatives [15]. Zhang’s team reported a series of ladder-type

π-conjugated diboron compounds (Fig. 36.5, 86–89) containing N,C-chelating ligands [16]. These complexes possess high

thermal stability (T

d

∼ 343–400



C) and intense fluorescence (435–520 nm;

φ

f

= 0.18–0.39). Azobenzene derivatives as



N,C-chelating ligands for the organoboron compounds 90–100 (Fig. 36.5) were reported by Kawashima and coworkers

[17]. These compounds emit intense green, yellow, and orange fluorescence; in particular, compound 96 show the highest

emission efficiency of 0.90 [17a]. The binuclear derivatives (Fig. 36.5, 101–104) reported by the same group [17b] emit

orange and red colors upon irradiation showing red shifts in both the absorption and emission maxima compared to their

mononuclear analogs.


LUMINESCENT TETRACOORDINATE ORGANOBORON COMPOUNDS

489

Figure 36.5

Luminescent organoboron compounds of the type (N

C)BPh


2

.

Figure 36.6

Luminescent organoboron compounds containing C,C - or O,O-chelating ligands.

36.2.4

Other Chelate Compounds

Yamaguchi and coworkers reported significantly different tetracoordinate organoboron complexes 105–109 (Fig. 36.6)

containing C,C -chelating ligands [18]. The positively charged phosphonium chelating unit(s) balance the negatively charged

borane unit(s), leading to a zwitterionic ladder-type structure and emissions in orange-red region with quantum yields of

circa 0.40. Chujo’s team reported 1,3-diketonato ligands (O,O-chelating ligands) derived organoboron compounds 110–113

(Fig. 36.6), which are structurally analogs to BODIPY. The PL spectra of these complexes show emission maxima around

430 nm, and the fluorescence quantum yields are in the range of 0.27–0.86 [19].


490

ADVANCES IN LUMINESCENT TETRACOORDINATE ORGANOBORON COMPOUNDS



36.3

APPLICATIONS

Four-coordinate organoboron compounds with a

π-conjugated chelate backbone have emerged recently as highly attractive

materials for a number of applications including their use as emitters and charge-transport materials for organic light-emitting

diodes (OLEDs) or photoresponsive materials and sensors.

36.3.1

In OLEDs

OLEDs are simple devices that emit light in response to an electric current, and usually consist of an emitter layer of a

luminescent molecule, a hole-transport layer (HTL), an electron-transport layer (ETL), the anode, and the cathode. The first

boron-based OLEDs were fabricated by S. Wang’s group using compound 32. The corresponding electroluminescent (EL)

device emits a bright-blue light with a turn-on voltage of circa 7 V and a luminance of 1024 cd/m

2

at 14 V [6c]. A bright



orange electroluminescence (maximum brightness

>8000 cd/m

2

) and efficient OLEDs (maximum efficiency



>2.0 cd/A)

were reported by Y. Wang [10] using the diboron compounds 27–30 as emitter layers. Very recently, Gomes and coworkers

first fabricated efficient single-layer undoped OLEDs from the diboron compounds 68 and 69 [13c]. Green luminescences

with luminance maxima in the order of 1000 cd/m

2

at less than 10 V and EL efficiency maxima of circa 0.3 cd/A were



reported.

36.3.2

In Sensors

Very few examples of tetracoordinate organoboron compounds were reported as potentially useful sensing systems when

compared to the triaryl boron compounds. Kawashima and coworkers demonstrated the tetracoordinate organoboron

compounds 92 and 114 as sensors [20]. The green fluorescence of 92 was quenched upon addition of an acid and could be

restored by adding an amine and thus act as a fluorescence chemosensor (Scheme 36.1) [20a]. Compound 114 in presence

of cyanide ion gave the corresponding cyanide adduct and quenched the fluorescence as a result of the disturbance of the

π-conjugation in the backbone, thus acting as a cyanide ion sensor [20b].

36.3.3

As Photochromic Materials and Molecular Switches

Photochromic compounds are defined as molecules that are capable of undergoing a reversible transformation between

two structural forms with a distinct color change when excited at least in one pathway by light. Many of the N,C-chelate

organoboron compounds based on phenylpyridyl and other derivatives were found to undergo an unusual photoisomerization

with a distinctive color change. The four-coordinate N,C-chelate organoboron compound (ppy)BMes

2

77 was found to

undergo reversible photochromic switching through the formation/breaking of a C–C bond, accompanied by a dramatic

color change from colorless to dark blue (Scheme 36.2) [6f]. The corresponding dimer, containing two (ppy)BMes

2

units


linked by a dimethylsilyl bridge, was found to undergo photochromic switching involving a single boryl unit only [6g].

The azobenzene organoboron derivative 115 undergoes photoisomerization from trans (E) to cis (Z) upon irradiation at

360 nm via dissociation of the B–N bond. The isomer can be reverted back to the isomer by irradiation at 431 nm,

enabling the photoswitching of the coordination number of boron between 3 and 4, which regulates the Lewis acidity of the

boron center and the coordination of a base such as pyridine [21].

Scheme 36.1

Tetracoordinate organoboron compounds as sensors.



REFERENCES

491

Scheme 36.2

Tetracoordinate organoboron compounds as photochromic materials and molecular switches.



36.4

CONCLUSIONS

In conclusion, the field of luminescent tetracoordinate organoboron compounds possessing a chelate

π-conjugated backbone

has greatly expanded over the past two decades. By exploiting the electronic and steric effects of the chelating ligands, the

fluorescence emission of the organoboron complexes can be varied in a predictable manner. The presence of an electron-

withdrawing group causes a blue shift of the emission energy, while an electron-donating group causes a red shift in the

PL spectrum. Highly efficient organoboron fluorophores are effectively utilized as emitters and charge-transport materials

in fabricating single or multilayer doped or undoped OLEDs. The N,C-chelate organoboron compounds were explored in a

new arena for the development of photochromic materials and molecular switches, providing the organoboron compounds

with new functionalities such as a sensing ability.



ACKNOWLEDGMENT

The authors wish to thank the Fundac¸˜ao para a Ciˆencia e Tecnologia for financial support (Project PTDC/QUI/65474/2006,

cofinanced by FEDER) and a postdoctoral fellowship to S.D. (SFRH/BPD/47853/2008).

REFERENCES

1. Wong, T. K. S. In Handbook of Organic Electronics and Photonics; Nalwa, H. S., Ed.; American Scientific Publishers: Stevenson

Ranch, CA, 2008, Vol. ; p 413.

2. (a) Rao, Y.-L.; Wang, S. Inorg. Chem. 201150 , 12263; (b) Rao, Y.-L.; Amarne, H.; Wang, S. Coord. Chem. Rev. 2012256 , 759.

3. (a) Chen, C. H.; Shi, J. Coord. Chem. Rev. 1998171 , 161; (b) Wang, S. Coord. Chem. Rev. 2001215 , 79.

4. Loudet, A.; Burgess, K. Chem. Rev. 2007107 , 4891.

5. (a) J¨akle, F. Chem. Rev. 2010110 , 3985; (b) Nagai, A.; Chujo, Y. Chem. Lett. 201039 , 430.

6. (a) Wu, Q.; Esteghamatian, M.; Hu, N.-X.; Popovic, Z.; Enright, G.; Tao, Y.; D’Iorio, M.; Wang, S. Chem. Mater. 200012 , 79; (b)

Cui, Y.; Wang, S. J. Org. Chem. 200671 , 6485; (c) Wu, Q.; Esteghamatian, M.; Hu, N.-X.; Popovic, Z.; Enright, G.; Breeze, S. R.;

Wang, S. Angew. Chem. Int. Ed. 199938 , 985; (d) Hassan, A.; Wang, S. Chem. Commun. 1998, 211; (e) Liu, Q.; Mudadu, M. S.;

Schmider, H.; Thummel, R.; Tao, Y.; Wang, S. Organometallics 200221 , 4743; (f) Amarne, H.; Baik, C.; Murphy, S. K.; Wang, S.

Chem. Eur. J. 201016 , 4750; (g) Murphy, S. K.; Baik, C.; Lu, J.-S.; Wang, S. Org. Lett. 201012 , 5266.

7. Qin, Y.; Kiburu, I.; Shah, S.; J¨akle, F. Org. Lett. 2006, 5227.

8. Zhang, H.; Huo, C.; Ye, K.; Zhang, P.; Tian, W.; Wang, Y. Inorg. Chem. 200645 , 2788.

9. Son, H.-J. ; Han, W.-S.; Wee, K.-R.; Chun, J.-Y.; Choi, K.-B.; Han, S. J.; Kwon, S.-N.; Ko, J.; Lee, C.; Kang, S. O. Eur. J. Inorg.



Chem. 2009, 1503.

492

ADVANCES IN LUMINESCENT TETRACOORDINATE ORGANOBORON COMPOUNDS

10. Zhang, Z.; Bi, H.; Zhang, Y.; Yao, D.; Gao, H.; Fan, Y.; Zhang, H.; Wang, Y.; Wang, Y.; Chen, Z.; Ma, D. Inorg. Chem. 200948 ,

7230.


11. Cheng, C.-C.; Yu, W.-S.; Chou, P.-T.; Peng, S.-M.; Lee, G.-H.; Wu, P.-C.; Song, Y.-H.; Chi, Y. Chem. Commun. 2003, 2628.

12. (a) Liddle, B. J.; Silva, R. M.; Morin, T. J.; Macedo, F. P.; Shukla, R.; Lindeman, S. V.; Gardinier, J. R. J. Org. Chem. 200772 ,

5637; (b) Morin, T. J.; Linderman, S. V.; Gardinier, J. R. Eur. J. Inorg. Chem. 2009, 104.

13. (a) Gomes, P. T.; Suresh, D.; Gomes, C. S. B.; Lopes, P. S.; Figueira, C. A. Portuguese Patent PT 105885, 13 Mar. 2013; priority

date: 13 Sep. 2011; (b) Gomes, P. T.; Suresh, D.; Gomes, C. S. B.; Lopes, P. S.; Figueira, C. A. World Patent WO2013039413, 21

Mar. 2013; priority date: 13 Sep. 2011; (c) Suresh, D.; Gomes, C. S. B.; Gomes, P. T.; Di Paolo, R. E.; Mac¸anita, A. L.; Calhorda,

M. J.; Charas, A.; Morgado, J.; Duarte, M. T. Dalton Trans. 201241 , 8502; (d) Calhorda, M. J.; Suresh, D.; Gomes, P. T.; Di Paolo,

R. E.; Mac¸anita, A. L. Dalton Trans. 201241 , 13210; (e) Suresh, D.; Lopes, P. S.; Ferreira, B.; Figueira, C. A.; Gomes, C. S. B.;

Gomes, P. T.; Di Paolo, R. E.; Mac¸anita, A. L.; Duarte, M. T.; Charas, A.; Morgado, J.; Calhorda, M. J. Submitted for publication; (f)

Suresh, D.; Lopes, P. S.; Figueira, C. A.; Gomes, C. S. B.; Gomes, P. T.; Ferreira, B.; Di Paolo, R. E.; Mac¸anita, A. L.; Duarte, M.

T.; Charas, A.; Morgado, J.; Calhorda, M. J. In preparation; (g) Suresh, D.; Gomes, C. S. B.; Lopes, P. S.; Figueira, C. A.; Gomes,

P. T.; Ferreira, B.; Di Paolo, R. E.; Mac¸anita, A. L.; Duarte, M. T.; Charas, A.; Morgado, J.; Calhorda, M. J. In preparation.

14. Wakamiya, A.; Taniguchi, T.; Yamaguchi, S. Angew. Chem. Int. Ed. 200645 , 3170.

15. Job, A.; Wakamiya, A.; Kehr, G.; Erker, G.; Yamaguchi, S. Org. Lett. 201012 , 5470–5473.

16. Li, D.; Zhang, Z.; Zhao, S.; Wang, Y.; Zhang, H. Dalton Trans. 201140 , 1279.

17. (a) Yoshino, J.; Furuta, A.; Kambe, T.; Itoi, H.; Kano, N.; Kawashima, T.; Ito, Y.; Asashima, M.; Chem. Eur. J. 201016 , 5026; (b)

Kano, N.; Furuta, A.; Kambe, T.; Yoshino, J.; Shibata, Y.; Kawashima, T.; Mizorogi, N.; Nagase, S. Eur. J. Inorg. Chem. 2012, 1584.

18. Fukazawa, A.; Yamada, H.; Yamaguchi, S. Angew. Chem. Int. Ed. 200847 , 5582.

19. Nagai, A.; Kokado, K.; Nagata, Y.; Arita, M.; Chujo, Y. J. Org. Chem. 200873 , 8605.

20. (a) Yoshino, J.; Kano, N.; Kawashima, T. Chem. Lett. 200837 , 960; (b) Yoshino, J.; Kano, N.; Kawashima, T. J. Org. Chem. 2009,



74 , 7496.

21. (a) Kano, N.; Yoshino, J.; Kawashima, T. Org. Lett. 2005, 3909; (b) Yoshino, J.; Kano, N.; Kawashima, T. Tetrahedron 200864 ,

7774.


37

MECHANOCHEMISTRY: A TOOL IN THE SYNTHESIS

OF CATALYSTS, METALLODRUGS,

AND METALLOPHARMACEUTICALS

V ˆania Andr´e, Clara S. B. Gomes, and M. Teresa Duarte

*

Departamento de Engenharia Qu´ımica Centro de Qu´ımica Estrutural, Instituto Superior T´ecnico, Universidade de Lisboa, Lisboa,

Portugal

37.1

INTRODUCTION

Mechanochemistry refers to reactions, usually of solids, induced by the input of mechanical energy. Within the diversity of

reaction types, reaction conditions and reactive materials, metals, metal oxides and molecular crystals, in this chapter we

will use a simple approach called mechanochemical synthesis (or mechanosynthesis) that corresponds to chemical reactivity

achieved by grinding manually, using a mortar and a pestle, bulk solid reactants [1]. In recent years, mechanosynthesis

became more widely used as it has proved to promote, promptly and quantitatively, reactions between solids, with either

no added solvent (neat grinding) or only using very small amounts (liquid-assisted grinding, LAG). LAG, also known as



solvent drop grinding, uses catalytic amounts of a liquid phase to accelerate mechanochemical reactions [2]. The liquid

phase is thought to promote mobility in reaction components and thus stimulate reactivity in systems that are inactive on

neat grinding, as well as push a reaction toward the formation of a particular product [3]. The amount of solvent used

is always sufficiently small to avoid the effects of relative solubilities of reactants and products [4]. Nowadays, it is also

well known that in order to obtain reproducibility and a better control on reaction conditions, the use of electrical mills is

becoming mandatory.

The scope of this chapter is not to present an overview of what is the state of the art in this research field nor to address

all the different reaction types covered by this technique; for that we recommend the recent review paper by James et al.

[5]. Here, we intend to give some examples of what is being done and present some of our own work using this “new”

1

synthetic technique.



37.2

MECHANOCHEMISTRY IN SUPRAMOLECULAR SYNTHESIS

The application of mechanochemistry in supramolecular synthesis has been extensively used in the past 10 years for

obtaining multicomponent molecular crystals in particular in the pharmaceutical field [5, 7]. The production of new solid

forms, especially cocrystals is of utmost importance as it provides a way to derivatize active pharmaceutical ingredients

(APIs), by modifying their solid-state arrangements rather than their internal molecular structures. Modification of the crystal

1

The earliest documented mechanochemical reaction may have been grinding cinnabar with acetic acid in a copper vessel to give elemental mercury (fourth



century BC) [6].

Advances in Organometallic Chemistry and Catalysis: The Silver/Gold Jubilee International Conference on Organometallic Chemistry Celebratory Book,

First Edition. Edited by Armando J. L. Pombeiro.

© 2014 John Wiley & Sons, Inc. Published 2014 by John Wiley & Sons, Inc.

493


494

MECHANOCHEMISTRY: A TOOL IN THE SYNTHESIS OF CATALYSTS, METALLODRUGS, AND METALLOPHARMACEUTICALS

structure by cocrystallization can improve pharmaceutically relevant properties such as dissolution rate, solubility, thermal

and hydration stability, or compressibility [8].

Pharmaceutical cocrystals generally consist of an API and one or more pharmaceutically acceptable molecules, known as

the cocrystal formers or coformers. The coformers are typically compounds “generally regarded as safe” (GRAS compounds).

The first examples were reported in 1993 by Caira and Etter, with the drug sulfadimidine and a variety of carboxylic acids

such as acetylsalicylic acid (aspirin) [9]. A recent example is the use of cocrystals to enhance the hydration stability of a

solid API, as in caffeine and theophylline by forming cocrystals with dicarboxylic acids [8c].

Cocrystal formation has been used intensively to enhance the solubility of low and high soluble APIs as demonstrated

for theobromine [4] and as reported by us for gabapentin-lactam [10].

37.3

MECHANOCHEMISTRY IN ORGANIC AND COORDINATION SYNTHESIS

The sustainability of chemical reactions has gained relevance lately. In this context, the use of ball mills in solvent-free

organic synthesis started to attract a considerable attention [5, 11]. In fact, until recently, all the methods employed in

organic synthesis were restricted to reactions in solution because of the restricted conformational and translational degrees

of freedom of molecules in solids [12]. However, in mechanochemical synthesis, ball milling modifies the conditions under

which a chemical reaction commonly takes place, and various applications including C–C bond formations [11c], amine

condensations, and syntheses of heterocycles [1c] were found.

In 2003, Kaupp et al. reported solvent-free Knoevenagel condensations carried out in a ball mill [13]. Domino oxa-

Michael–aldol reaction, Morita–Baylis–Hillman reaction and Wittig reactions are other examples for which the ball-mill

methodology was employed successfully [5]. Metal-catalyzed organic reactions, such as Suzuki, Heck, and Sonogashira

coupling reactions, are very important in solution-state organic synthesis. These reactions can also be performed in ball

mills, although, until now, they are limited to Pd-catalyzed cross-coupling reactions [11b]. In most cases, the reaction times

are significantly shorter compared to reactions carried out in solution.

Recently, several reports suggest the effectiveness of mechanochemical synthesis in a wide range of metal complexation

reactions. Examples of coordination compounds prepared by this method include [Ni(phen)

3

](NO



3

)

2



, [Fe(phen)

3

]Cl



2

,

PtCl



2

(PPh


3

)

2



, MCl

2

(imidazole)



2

(M

= Co, Cu, Zn), MCl



2

L

2



(M

= Co, Ni, Cu; L = PPh

3

, OPPh


3

, OAsPh


3

, or toluidine),

and Pt(CO

3

)(PPh



3

)

2



. Mechanochemical syntheses of air-sensitive metal complexes have also been performed successfully

[5]. Therefore, the preparation of metal complexes using solid-state techniques appears to be a powerful alternative to the

commonly used solution-based methods.

The application of mechanochemistry for the construction of metal–ligand bonds can significantly improve the synthesis

of porous MOFs, a class of materials with increasing technological importance. Different materials have been synthesized

such as (HKUST-1) obtained by neat grinding or LAG of copper(II) acetate monohydrate with benzene-1,3,5-tricarboxylic

acid that has shown comparable BET surface area to that of samples obtained by conventional solution-based routes [14].

Another example concerns a porous interpenetrated mixed ligand MOF Zn

2

(fma)


2

(bipy), prepared mechanochemically from

Zn(OAc)

2

•2H



2

O, fumaric acid, and 4,4-bipyridine [15].



37.4

MECHANOCHEMISTRY IN METALLOPHARMACEUTICALS AND METALLODRUGS

Coordination complexes with active pharmacological molecules, which comprise metallodrugs and metallopharmaceuticals,

are a much less explored class of reactions. Metallodrugs, in which the metal ion is also the biologically active component, and

metallopharmaceuticals, in which the metal ion plays the role of a carrier for the API molecule, similar to the counterion in a

pharmaceutical salt or the coformer in a pharmaceutical cocrystal, have been successfully prepared by mechanochemistry [16].

Potential design for metallopharmaceuticals has been proposed by Moulton and Ma [17] who used the copper(II)

carboxylate paddlewheel motif to enhance the lipophilicity of carboxylate APIs. In 2008, two derivatives of the neuroleptic

drug gabapentin with zinc and copper(II) chlorides obtained by LAG were the first API metal complexes prepared by

mechanochemistry [18]. This technique had already proven to significantly improve not only solid-state cocrystal synthesis

but also the formation of coordination frameworks [19]. Since then, several other similar systems have been reported [20].

Worth mentioning are the silver nitrate and nickel chloride metal–organic derivatives with the antibiotic 4-aminosalicylic

acid (4ASA) and the nootropic piracetam prepared by us [21]. The syntheses of complexes of silver nitrate and 4ASA

are particularly interesting in terms of possible pharmaceutical applications because of the synergetic effect that can result

from the combination of an antibiotic with a known antimicrobial agent (Ag

+

), demonstrating the potential of coordination



MECHANOCHEMISTRY IN METALLOPHARMACEUTICALS AND METALLODRUGS

495

Figure 37.1

Mechanochemistry reaction of 4ASA yielding an anhydrous network (top) and its recrystallization yielding an one-

dimensional hydrate polymer (bottom).

chemistry in generating new solid forms of APIs. Complexation of AgNO

3

and 4ASA by mechanosynthesis yielded an



anhydrous network based on two-dimensional sheets held by Ag–O and Ag–N coordination bonds and O–H

•••O hydrogen

bonds, whereas solution techniques resulted in a one-dimensional hydrated polymer based on O–H

•••O hydrogen bonds

and Ag–O coordination bonds (Fig. 37.1).

The mechanosynthesis of API coordination complexes involving biologically benevolent magnesium ions directly from

magnesium oxide [20, 22] is a good choice and several derivatives of the nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs),

such as S- and RS-ibuprofen, salicylic acid, and S-naproxen, are obtained. The activity of ibuprofen was enhanced when

formulated with MgO, because of the formation of a metal–organic material exhibiting a higher solubility than the neutral

NSAID [20]. The variation of water activity in mechanochemical reactions of MgO and naproxen lead to the formation of

three complexes with different hydration contents [23].

Widely known examples of metallodrugs are platinum complexes such as cisplatin, carboplatin, or oxaliplatin used in

the treatment of cancer [24] and bismuth subsalicylate marketed as Pepto-Bismol [25]. In 2011, the rapid, efficient, and

selective synthesis by ion- and liquid-assisted grinding (ILAG) [26] of bismuth subsalicylate, as well as of two other

bismuth salicylates, directly from Bi

2

O



3

was reported by us revealing the first crystal structure of a bismuth salicylate

without auxiliary ligands (Fig. 37.2) [27]. This structure was a particularly relevant addition to our understanding of the

ILAG


+

Bi

2



O

3

Bi.2SA



Bi.3SA

1 : 2, a


1 : 4, b

1 : 6, c


Catalytic

salt


(a)

(b)


O

O

OH



O

O

Bi



OH

OH





Figure 37.2

(a) Mechanochemistry reaction of salicylic acid with Bi

2

O

3



yielding bismuth mono-, di-, and trisalicylate, depending on

the starting conditions; (b) crystal structure of a bismuth disalicylate determined by XRPD data.



496

MECHANOCHEMISTRY: A TOOL IN THE SYNTHESIS OF CATALYSTS, METALLODRUGS, AND METALLOPHARMACEUTICALS

chemistry of bismuth salicylates as: (i) it complements the existing model compounds based on discrete oligonuclear clusters

involving auxiliary organic ligands; (ii) it confirms the tendency of bismuth salicylate to adopt extended structures in the

absence of organic auxiliaries; (iii) it demonstrates the absence of basic hydroxide or oxide species in bismuth disalicylate.

The synthesis of bismuth salicylates from solution is complicated, requiring harsh conditions to which the product is

sensitive, and the wide application of the solid-state synthetic methodologies previously proposed [28] is limited by issues of

environmental nature and reactant toxicity. Thus, mechanochemistry presents major advantages in the preparation of bismuth

subsalicylate.

37.5

MECHANOCHEMISTRY IN CATALYSIS AND CATALYSTS

Supramolecular catalysts can be compared to enzymes, giving rise to highly stereoselective, environmentally friendly,

and cost-effective transformations. Very recently, MacGillivray et al. [12] reported an important development by coupling

mechanochemical and covalent synthesis, to perform a catalytic [2

+2] photodimerization reaction of a bis(pyridine)-

substituted olefin (Fig. 37.3). The employed methodology consisted in alternating grinding periods with exposure to UV

light in the presence of a substoichiometric amount of a resorcinol-based template. The UV light is responsible for the

photochemical cyclization, and the catalytic resorcinol-based template is able to dissociate from the reaction product, allowing

it to be redistributed by grinding to complex to further reactant and so enabling catalytic turnover [5, 12, 16].

Nickel(II) coordination compounds stabilized by

α-diimine ligands, generally known as Brookhart type catalysts, are olefin

polymerization precatalysts, as these derivatives give rise to active catalytic species when activated with alkyl aluminum

compounds, such as methylaluminoxane or diethyl aluminum chloride [29]. The simplest catalyst precursors are the metal

dihalides. Although a number of routes have been developed, the easiest involves the addition of the appropriate ligand to a

starting material containing a labile ligand, such as [NiBr

2

(DME)] (Scheme 37.1), being carried out in solution during 24 h.



CI

CI

CI



CI

CI

CI



CI

CI

CI



CI

CI

CI



CI

CI

CI



CI

CI

CI



O

O

O



O

O

O



O

O

O



O

O

O



O

O

O



O

O

O



H

H

H



H

H

H



H

H

H



H

H

H



H

H

H



H

+

H



H

N

N



N

N

N



N

N

N



N

N

N



N

N

N



N

N

N



N

N

N



N

N

N



N

Reactive hydrogen-bonded complex

Self-assembly

cocrystallization

Excess

Initial grinding



Dissociated

product


Reactant

Second grinding

UV irradiation

solid state



Figure 37.3

Supramolecular catalytic [2

+2] photodimerization, which involves alternating grinding periods and irradiation with UV

light.


MECHANOCHEMISTRY IN CATALYSIS AND CATALYSTS

497

O

Ni



O

Br

Br



+

N

R



N

R

R



1

R

1



R

1

R



1

R

2



R

2

N



R

N

R



R

1

R



1

R

1



R

1

R



2

R

2



Ni

Br

Br



O

O

CH



2

Cl

2



24 h

r.t.


+

1 R = CH

3

; R1 =



i

Pr; R


2

 = H;


2 R = BIAN; R1 = 

i

Pr; R = H;



3 R = CH

3

; R



1

 = R


2

 = CH


3

;

4 R = BIAN; R

1

 = R


2

 = CH


3

;

BIAN =



Scheme 37.1

Synthesis of nickel(II) compounds stabilized by alpha-diimine ligands.

5

10

15



20

2

θ (deg)

25

30

35



5

10

15



20

2

θ (deg)

25

30

35



Experimental

1

Experimental



2

i

Pr

i

Pr

i

Pr

i

Pr

i

Pr

i

Pr

i

Pr

i

Pr

Me

Me



Br

Br

Br



Br

N

N



N

N

Ni



Ni

(a)


(b)

Figure 37.4

Syntheses and characterization of complexes derived from (a) and (b) 2. (See insert for color representation of the figure.)

Recently, we have prepared some of these Ni(II) and Co(II) complexes using solvent-free mechanochemical synthesis

in a ball mill [30]. The first tests were performed with nickel, using [NiBr

2

(DME)] as the starting material. The reaction



of [NiBr

2

(DME)] with one equivalent of the appropriate ligand, in the absence of any solvent, afforded quantitatively the



coordination complexes derived from and 2, in 20 minutes. These compounds were characterized by single-crystal X-ray

diffraction (SCXRD) and X-ray powder diffraction (XRPD) (Fig. 37.4). Experiments using anhydrous NiBr

2

instead of



[NiBr

2

(DME)] gave rise to the formation of the same coordination compounds, as proven by SCXRD.



The solution preparation of Co(II) coordination compounds containing ligands 1–4 was already reported in the literature

[31]. Nevertheless, we have been able to prepare the same compounds using solvent-free mechanochemical synthesis,

quantitatively and only in 20 minutes. These complexes were characterized by XRPD and SCXRD, when possible.

Interestingly, the Co(II) compound containing ligand was proven to be isostructural with the corresponding Ni(II)

compound.


498

MECHANOCHEMISTRY: A TOOL IN THE SYNTHESIS OF CATALYSTS, METALLODRUGS, AND METALLOPHARMACEUTICALS



37.6

CONCLUSIONS

Mechanochemistry has indeed proven its great potential in all the applications referred earlier. It was a major breakthrough

in our work on supramolecular synthesis and also in the synthesis of metallodrugs, metallopharmaceuticals, and olefin

polymerization precatalysts.



REFERENCES

1. (a) Braga, D.; Giaffreda, S. L.; Curzi, M.; Maini, L.; Polito, M.; Grepioni, F.J. Therm. Anal. Calorim. 200790 , 115; (b) Tanaka, K.;

Toda, F. Chem. Rev. 2000100 , 1025–1074; (c) Kaupp, G. CrystEngComm2006, 794.

2. (a) Friˇsˇci´c, T.; Trask, A. V.; Jones, W.; Motherwell, W. D. S. Angew. Chem. Int. Ed. 200645 , 7546; (b) Bowmaker, G. A.; Chaichit,

N.; Pakawatchai, C.; Skelton, B. W.; White, A. H. Dalton Trans. 2008, 2926; (c) Nguyen, K. L.; Friˇsˇci´c, T.; Day, G. M.; Gladden,

L. F.; Jones, W. Nat. Mater. 2007, 206; (d) Trask, A. V.; Motherwell, W. D. S.; Jones, W.; Feng, S. H.; Tan, R. B. H.; Carpenter,

K. J. Chem. Commun. 2005, 880.

3. (a) Adams, C. J.; Colquhoun, H. M.; Crawford, P. C.; Lusi, M.; Orpen, A. G. Angew. Chem. Int. Ed. 200746 , 1124; (b) Trask, A.

V.; Motherwell, W. D. S.; Jones, W. Chem. Commun. 2004, 890.

4. Karki, S.; Fabian, L.; Friˇsˇci´c, T.; Jones, W. Org. Lett. 2007, 3133.

5. James, S. L.; Adams, C. J.; Bolm, C.; Braga, D.; Collier, P.; Friˇsˇci´c, T.; Grepioni, F.; Harris, K. D. M.; Hyett, G.; Jones, W.; Krebs,

A.; Mack, J.; Maini, L.; Orpen, A. G.; Parkin, I. P.; Shearouse, W. C.; Steedk, J. W.; Waddelli, D. C. Chem. Soc. Rev. 201241 , 413.

6. Takacs, L. JOM 200052 (1), 12.

7. Friˇsˇci´c, T. J. Mater. Chem. 201020 , 7599 and references therein.

8. (a) McNamara, D. P.; Childs, S. L.; Giordano, J.; Iarriccio, A.; Cassidy, J.; Shet, M. S.; Mannion, R.; O’Donnell, E.; Park, A. Pharm.

Res. 200623 , 1888; (b) Good, D. J.; Rodr´ıguez-Hornedo, N. Cryst. Growth Des. 2009, 2252; (c) Trask, A. V.; Motherwell, W.

D. S.; Jones, W. Int. J. Pharm. 2006320 , 114; (d) Trask, A. V.; Motherwell, W. D. S.; Jones, W. Cryst.Growth Des. 2005, 1013;

(e) Karki, S.; Friˇsˇci´c, T.; Fabian, L.; Laity, P. R.; Day, G. M.; Jones, W. Adv. Mater. 200921 , 3905.

9. (a) Caira, M. R.; Nassimbeni, L. R.; Wildervanck, A. F. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2 1995, 2213; (b) Etter, M. C.; Reutzel, S. M.;

Choo, C. G. J. Am. Chem. Soc.1993115 , 4411.

10. (a) Childs, S. L.; Rodr´ıguez-Hornedo, N.; Reddy, L. S.; Jayasankar, A.; Maheshwari, C.; McCausland, L.; Shipplett, R.; Stahly,

B. C. CrystEngComm. 200810 , 856; (b) Maheshwari, C.; Andr´e, V.; Reddy, S.; Roy, L.; Duarte, T.; Rodr´ıguez-Hornedo, N.

CrystEngComm. 201214 , 4801.

11. For example: (a) Bruckmann, A.; Krebs, A.; Bolm, C. Green Chem. 200810 , 1131; (b) Stolle, A.; Szuppa, T.; Leonhardt, S. E. S.;

Ondruschka, B. Chem. Soc. Rev. 201140 , 2317; (c) Rodriguez, B.; Bruckmann, A.; Rantanen, T.; Bolm, C. Adv. Synth. Catal. 2007,

349 , 2213.

12. Sokolov, A. N.; Buˇcar, D.-K.; Baltrusaitis, J.; Gu, S. X.; MacGillivray, L. R. Angew. Chem. Int. Ed. 201049 , 4273.

13. Kaupp, G.; Naimi-Jamal, M. R.; Schmeyers, J. Tetrahedron 200359 , 3753.

14. (a) Yuan, W.; Lazuen-Garay, A.; Pichon, A.; Clowes, R.; Wood, C. D.; Cooper, A. I.; James, S. L. CrystEngComm. 201012 , 4063;

(b) Chui, S. S.-Y.; Lo, S. M.-F.; Charmant, J. P. H.; Orpen, A. G.; Williams, I. D. Science 1999283 , 1148; (c) Schlesinger, M.;

Schulze, S.; Hietschold, M.; Mehring, M. Microporous Mesoporous Mater. 2010132 , 121.

15. Fujii, K.; Lazuen Garay, A.; Hill, J.; Sbircea, E.; Pan, Z.; Xu, M.; Apperley, D. C.; James, S. L.; Harris, K. D. M. Chem. Commun.

201046 , 7572.

16. Delori, A.; Friˇsˇci´c, T.; Jones, W. CrystEngComm. 201214 , 2350.

17. (a) Ma, Z.; Moulton, B. Cryst. Growth Des. 2007, 196–198; (b) Ma, Z.; Moulton, B. Mol. Pharm. 2007, 373.

18. Braga, D.; Grepioni, F.; Maini, L.; Brescello, R.; Cotarca, L. CrystEngComm. 200810 , 469.

19. (a) Braga, D.; Curzi, M.; Johansson, A.; Polito, M.; Rubini, K.; Grepioni, F. Angew. Chem. Int. Ed. 200645 , 142; (b) Yuan, W.;

Friˇsˇci´c, T.; Apperley, D.; James, S. L. Angew. Chem. Int. Ed. 201049 , 3916; (c) Bowmaker, G. A.; Hanna, J. V.; Hart, R. D.;

Skelton, B. W.; White, A. H. Dalton Trans. 2008, 5290; (d) Belcher, W. J.; Longstaff, C. A.; Neckenig, M. R.; Steed, J. W. Chem.

Commun. 2002, 1602; (e) Braga, D.; Grepioni, F. Angew. Chem. Int. Ed. 200443 , 4002.

20. (a) Chow, E. H. H.; Strobridge, F. C.; Friˇsˇci´c, T. Chem. Commun. 201046 , 6368–6370; (b) Friˇsˇci´c, T. J. Mater. Chem. 201020 ,

7599.

21. Braga, D.; Grepioni, F.; Andr´e, V.; Duarte, M. CrystEngComm. 200911 , 2618.



22. (a) Byrn, S. R.; Xu, W.; Newman, A. W. Adv. Drug Deliv. Rev. 200148 , 115; (b) Strobridge, F. C.; Judas, N.; Friˇsˇci´c, T.

CrystEngComm. 201012 , 2409.

23. Friˇsˇci´c, T.; Halasz, I.; Strobridge, F. C.; Dinnebier, R. E.; Stein, R. S.; Fabian, L.; Curfs, C. CrystEngComm. 201113 , 3125.



REFERENCES

499

24. Guo, Z. J.; Sadler, P. J. Angew. Chem. Int. Ed. 199938 , 1513.

25. Ge, R. G.; Sun, H. Z. Acc. Chem. Res. 200740 , 267.

26. Friˇsˇci´c, T.; Reid, D. G.; Halasz, I.; Stein, R. S.; Dinnebier, R. E.; Duer, M. J. Angew. Chem. Int. Ed. 201049 , 712.

27. Andr´e, V.; Hardeman, A.; Halasz, I.; Stein, R. S.; Jackson, G. J.; Reid, D. G.; Duer, M. J.; Curfs, C.; Duarte, M. T.; Friˇsˇci´c, T.

Angew. Chem. Int. Ed. 201150 , 7858.

28. Andrews, P. C.; Deacon, G. B.; Forsyth, C. M.; Junk, P. C.; Kumar, I.; Maguire, M.; Angew. Chem. Int. Ed. 200645 , 5638.

29. Ittel, S. D.; Johnson, L. K.; Brookhart, M. Chem. Rev. 2000100 , 1169.

30. Gomes, C. S. B.; Gomes, P. T.; Duarte, M. T. Inorg. Chem., submitted for publication.

31. Rosa, V.; Gonzalez, P. J.; Avil´es, T.; Gomes, P. T.; Welter, R.; Rizzi, A. C.; Passeggi, M. C. G.; Brondino, C. D. Eur. J. Inorg.

Chem. 2006, 4761.



Download 11.05 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   76   77   78   79   80   81   82   83   ...   115




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