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Síntese de novos

macrociclos

porfirínicos para

aplicação em

catálise

Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de

Ciências da Universidade do Porto em Química

2014

António Aguiar

ii FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise

FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise

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Síntese de novos macrociclos

porfirínicos para aplicação

em catálise

Orientador: Baltazar de Castro, Professor

Catedrático, Faculdade de Ciências da

Universidade do Porto

Coorientador: Ana Margarida Silva, Investigadora

Auxiliar, Faculdade de Ciências da Universidade

do Porto

António Aguiar

Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade

de Ciências da Universidade do Porto em

Química

2014

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“The first principle is that you must not fool yourself — and you are the

easiest person to fool.”

Richard Feynman

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Agradecimentos

Ao Departamento de Química e Bioquímica da Universidade do Porto por me

oferecer todas as condições necessárias para a elaboração desta dissertação.

Ao Professor Doutor Baltazar de Castro, por ser meu orientador e por me dar a

oportunidade de desenvolver um trabalho de investigação nesta área.

À Doutora Ana Margarida Silva, coorientadora desta dissertação e de quase

todo o meu trabalho laboratorial, pelo apoio, orientação, confiança, entusiasmo,

alegria, simpatia e incentivo, nestes quase 3 anos de trabalho conjunto.

À Doutora Salete Balula por me orientar em determinadas fases do meu

trabalho, e por toda a disponibilidade, encorajamento, e por me mostrar outros

“caminhos” que posso seguir na Química.

Ao Doutor Luís Silva e ao Doutor André Silva por toda a simpatia,

disponibilidade e ajuda que me ofereceram na caracterização dos compostos, de

modo a tornarem o meu trabalho mais rico e completo.

A todos os meus colegas de laboratório pela boa disposição, ajuda,

companheirismo que fez do laboratório um fantástico local de trabalho.

A todos os meus amigos que me acompanharam de perto e de longe nos

últimos anos, ajudando-me nas mais variadas coisas ou sendo simplesmente amigos.

À Luísa por ser a namorada fantástica que é. Obrigado por me animares,

encorajares, ajudares e apoiares sempre. Muito da pessoa e do Químico que sou hoje

devo a ti.

À minha Família por ser uma família com “F” grande.

Ao João por ser o irmão chato, que todos os irmãos mais novos devem ser.

Por fim mas com o principal agradecimento, agradeço aos meus pais, uma vez

que tudo o que sou e alcancei até agora foi devido a todo o amor, dedicação, apoio e

luta que eles tiveram. Muito obrigado pelo esforço que têm diariamente para que eu e

o João tenhamos as melhores oportunidades e um melhor futuro.

viii FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise


ix

Resumo

O trabalho desenvolvido nesta tese apresenta estudos envolvendo a química

de derivados porfirínicos encontrando-se dividido em cinco capítulos, organizados em

introdução geral, síntese de macrociclos porfirínicos, oxidação de compostos de

enxofre catalisada por metaloporfirinas, parte experimental e conclusão.

No primeiro capítulo é apresentada uma revisão bibliográfica dos macrociclos

porfirínicos, abrangendo a respetiva nomenclatura, características físico-químicas,

reatividade, ocorrência natural, aplicações e métodos de síntese.

O segundo capítulo expõe a síntese de diversos derivados porfirínicos, a partir

de uma porfirina base: 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina. Dos compostos

sintetizados, são de destacar a síntese e caracterização da metaloporfirina dimérica

[μ-O(FeTPFPP)2], por ser uma metaloporfirina pouco conhecida, e de novos derivados

porfirínicos do tipo clorina, obtidos por reação de cicloadição 1,3-dipolar com nitronas.

Em seguida, a partir de uma das clorinas obtidas foram estudadas as reações de

metilação e hidrogenação com vista à obtenção de clorinas catiónicas e clorinas com

fusão nas posições meso-β-pirrólicas.

O terceiro capítulo explora a eficiência das metaloporfirinas [μ-O(FeTPFPP)2] e

[FeCl(TPFPP)] como catalisadores da oxidação de dois substratos de enxofre

(dibenzotiofeno e dissulfureto de dibutilo). A eficiência catalítica de ambos os

catalisadores para ambos os substratos foi elevada, num contexto de catálise

homogénea, o que é excelente, porque cada vez mais se tem intensificado a procura

de catalisadores capazes de promover a oxidação seletiva de compostos orgânicos,

sob condições moderadas e não agressivas para o meio ambiente. Numa tentativa de

rentabilizar o sistema homogéneo testou-se a reutilização dos sistemas catalíticos,

tendo obtido bons resultados, principalmente para a metaloporfirina [μ-O(FeTPFPP)2]

que quase completou 4 ciclos catalíticos com 100% de eficiência.

Foi ainda avaliada a potencialidade do catalisador ([μ-O(FeTPFPP)2]) em

catálise heterogénea. Com este objetivo foi realizada com sucesso a imobilização

dessa metaloporfirina de Ferro(III), num suporte de sílica mesoporosa (SBA-15)

funcionalizada com aminofeniltrimetoxisilano.

O quarto capítulo corresponde à descrição detalhada das sínteses realizadas

durante este trabalho, bem como a caraterização detalhada de todos os produtos

obtidos e a identificação dos reagentes e equipamentos utilizados.

Finalmente, o quinto capítulo expõem todas as conclusões que foram possíveis

retirar do trabalho realizado durante a dissertação.

x FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise

Abstract

The work described in this dissertation reports a set of studies regarding

porphyrin chemistry. It was divided into five chapters, organized by introduction,

synthesis of porphyrin macrocycles, oxidation of sulfur substrates catalyzed by

metalloporphyrins, experimental part, and conclusion.

In the first chapter, a light bibliographic review of porphyrin macrocycles was

presented, covering the nomenclature, physico-chemical characteristics, reactivity,

natural occurrence, applications and synthetic methods of these compounds.

The second chapter presents the synthesis of various porphyrin derivatives

from a base porphyrin: 5,10,15,20-Tetrakis(pentafluorophenyl)porphyrin. From all

synthesized compounds, the synthesis and characterization of dimeric

metalloporphyrin [μ-O(FeTPFPP)2] was highlighted, as it is a unusual metalloporphyrin,

as well as new chlorin type porphyrin derivatives, obtained by reaction of 1,3-dipolar

cycloaddition reactions with nitrones. Then, methylation and hydrogenation reactions

were tested from one of the obtained chlorins, in order to obtain cationic chlorins and

chlorins with meso-β-pyrrolic fused systems.

The third chapter exposes the efficiency of metalloporphyrins [μ-O(FeTPFPP)2]

and [FeCl(TPFPP)] as catalyst in oxidation of two sulfur substrates (dibenzothiophene

and dibutyl disulfide). The catalytic efficiency of both catalysts for both substrates was

high in the homogeneous catalysis context, which is an extraordinary result, since the

search for catalysts able to promote selective oxidation of organic compounds, under

mild and environmental friendly conditions, is nowadays one of the most important

challenges in chemistry. In order to attempt the reuse of the homogeneous system we

tested the reutilization of catalytic systems, obtaining good results, especially for the

metalloporphyrin [μ-O(FeTPFPP)2], which was able to complete nearly four catalytic

cycles with 100% of efficiency.

The potential application of this new catalyst ([μ-O(FeTPFPP)2]) in

heterogeneous catalysis was also evaluated. With this purpose, the immobilization of

Iron(III) metalloporphyrin in a mesoporous silica (SBA-15) functionalized with

aminophenyltrimethoxysilane support was successfully accomplished.

The fourth chapter presents a detailed description of all the synthesis performed

in this work, as well as the full characterization of all products, and the identification of

reagents and equipment used.

Finally, the fifth chapter exposes the conclusions possible to infer from all the

work accomplished during this dissertation.


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Índice

1. Introdução Geral .................................................................................................. 1

1.1. Porfirina .......................................................................................................... 2

1.1.1. Estrutura e nomenclatura......................................................................... 2

1.1.2. Estrutura e características físico-químicas ............................................... 3

1.1.3. Reatividade ............................................................................................. 6

1.1.4. Macrociclos tetrapirrólicos na Natureza ................................................... 7

1.1.5. Possíveis aplicações dos macrociclos porfirínicos ................................... 8

1.1.6. Síntese de porfirinas meso-substituídas ................................................ 10

1.1.7. Fusão nas posições β,β’- pirrólicas ........................................................ 13

1.2. Referências .................................................................................................. 18

2. Síntese de macrociclos porfirínicos ................................................................. 25

2.1. 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina (TPFPP) ................................ 27

2.1.1. Síntese da porfirina 5,10,15,20 tetraquis(pentafluorofenil)porfirina

(TPFPP)….. ......................................................................................................... 27

2.1.2. Caraterização da TPFPP ........................................................................... 28

2.1.2.1.Caraterização por RMN de 1H .............................................................. 28

2.1.2.2.Caraterização por RMN de 19F ............................................................. 28

2.2. Metaloporfirinas de Ferro (III) ............................................................................ 29

2.2.1. Síntese da metaloporfirina μ-O(FeTPFPP)2 ............................................... 29

2.2.2. Síntese da metaloporfirina [FeCl(TPFPP)] ................................................. 30

2.2.3. Caraterização das metaloporfirinas de Ferro (III) ....................................... 30

2.2.3.1. UV-Vis ................................................................................................. 30

2.2.3.2. Cristalografia de Raios-X ..................................................................... 33

2.2.3.3. Espectrometria de massa .................................................................... 34

2.3. Síntese de novas clorinas usando cicloadição 1,3-dipolar ................................ 35

2.3.1. Aspetos gerais sobre nitronas .................................................................... 36

2.3.2. Reação de nitronas com TPFPP ................................................................ 36

xii FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise

2.3.3. Reação de nitronas N-substituídas com a TPFPP ...................................... 37

2.3.2.1. Reação de cicloadição 1,3-dipolar entre nitronas e TPFPP complexada

......................................................................................................................... 39

2.3.2.2. Reação de cicloadição 1,3-dipolar entre nitronas e TPFPP, através de

aquecimento por micro-ondas .......................................................................... 40

2.3.4. Metilação da clorina 3 ................................................................................ 42

2.3.5. Hidrogenação da clorina 3 ......................................................................... 42

2.3.6. Metilação da clorina 3.2 ............................................................................. 44

2.3.6. Caraterização estrutural das clorinas sintetizadas ...................................... 45

2.3.6.1. UV-VIS ................................................................................................ 45

2.3.6.2. Espectroscopia de RMN de 1H ............................................................ 47

2.3.6.3. Espectroscopia de RMN de 19F ........................................................... 53

2.3.6.4. Espectrometria de Massa .................................................................... 54

2.3.6.5. Cristalografia de Raios-X ..................................................................... 56

2.3.7. Estabilidade a temperaturas altas da clorina 3 ........................................... 60

2.4. Referências .................................................................................................. 62

3. Oxidação de compostos de enxofre catalisada por metaloporfirinas ........... 65

3.1. Catálise em fase homogénea ....................................................................... 66

3.1.1. Modelo de catálise biomimética oxidativa................................................... 67

3.1.2. Reação de oxidação de compostos de enxofre .......................................... 71

3.1.3. Oxidação de compostos de enxofre usando metaloporfirinas..................... 71

3.1.4. Catálise oxidativa usando μ-O(FeTPFPP)2 ................................................ 74

3.1.4.1. Catálise Oxidativa do DBT e do Dissulfureto de dibutilo ...................... 74

3.1.4.2. Produtos da reação ............................................................................. 75

3.1.4.3.Reutilização do sistema catalítico ......................................................... 77

3.1.5. Catálise oxidativa usando[ FeCl(TPFPP)] .................................................. 79

3.1.5.1. Catálise Oxidativa do DBT e do Dissulfureto de butilo ......................... 79

3.1.5.2. Reutilização do sistema catalítico ........................................................ 80

3.2. Catálise em fase heterogénea ...................................................................... 83

3.2.1. Catálise homogénea vs Catálise heterogénea ........................................... 83


xiii

3.2.2. Heterogeneização de metaloporfirinas ....................................................... 83

3.2.3. Materiais mesoporosos .............................................................................. 84

3.2.4. Aplicação do compósito μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 na catálise

oxidativa …………………………………………………………………………………85

3.2.4.1. Tentativa de imobilização da μ-O(FeTPFPP)2 na sílica mesoporosa

funcionalizada .................................................................................................. 85

3.2.4.2. Caracterização do Compósito μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 ........... 87

3.2.4.3. Catálise Oxidativa do DBT e do Dissulfureto de dibutilo usando o

compósito μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 ...................................................... 90

Parte Experimental ................................................................................................... 97

4.1. Reagentes, solventes e equipamento ........................................................... 98

4.2. Síntese dos macrociclos tetrapirrólicos ......................................................... 99

4.2.1. Síntese da meso-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina (TPFPP) ............... 99

4.2.2. Síntese do μ-oxodímero [μ-O(FeTPFPP)2] .......................................... 100

4.2.3. Síntese da [FeCl(TPFPP)] ................................................................... 100

4.2.4. Síntese da [Zn(TPFPP)] ...................................................................... 101

4.2.5. Síntese da [Mg(TPFPP)] ...................................................................... 101

4.2.6. Síntese da N-t-butil-C-piridilnitrona ...................................................... 101

4.2.7. Síntese da clorina 1 ............................................................................. 102





4.2.12. Síntese da clorina 3.1 .......................................................................... 105

4.2.13. Síntese da clorina 3.2 .......................................................................... 106

4.2.14. Síntese das clorinas 3.2.1 e 3.2.2 ........................................................ 107

5. Conclusão ........................................................................................................ 109

Anexo-Estrutura dos macrociclos tetrapirrólicos sintetizados ........................... 115

xiv FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise

Índice de Figuras

Figura 1.1. Nomenclatura de macrociclos porfirínicos segundo Fisher a) e IUPAC b) ... 3

Figura 1.2. Representação da porfirina (1.1) e porfirinogénio (1.2). .............................. 3

Figura 1.3. Representação da clorina (1.3), bacterioclorina (1.4) e isobacterioclorina

(1.5). ............................................................................................................................. 3

Figura 1.4. Espetro UV-Vis de meso-tetraarilporfirinas em tetra-hidrofurano [7] ............ 4

Figura 1.5. a) Sistema de eixos no “esqueleto” porfirínico; b) Representação das

orbitais e transições eletrónicas entre o estado fundamental e o estado excitado de

porfirinas complexadas e “livres” segundo o modelo proposto por Gouterman[8] ......... 5

Figura 1.6. Espetro UV-Vis da metaloporfirina [FeIII(tpfpp)(OH)-(OOH)], em

acetonitrilo, adaptado de Franke et al. [9]. .................................................................... 5

Figura 1.7. Representação esquemática da distribuição eletrónica em porfirinas e

clorinas, segundo Woodward [5] ................................................................................... 7

Figura 1.8. Grupo Heme (1.6) e Clorofila a (1.7) ........................................................... 8

Figura 1.9.Condensação/oxidação, num único processo, de pirrol com aldeído através

das condições de reação de: A) Rothemund: piridina/metanol,115 ºC, tubo selado; B)

Adler: ácido propiónico, 130ºC .................................................................................... 11

Figura 1.10.Método de nitrobenzeno para a síntese de porfirinas meso-substituídas . 12

Figura1.11. Cicloadição 1,3-dipolar ............................................................................. 13

Figura 1.12. Exemplos de 1,3-dipolos ......................................................................... 14

Figura 1.13. Classificação das cicloadições com base na teoria das orbitais

moleculares de fronteira ............................................................................................. 15

Figura 1.14. Reações de meso-tetraarilporfirinas com espécies 1,3-dipolares ............ 15

Figura 1.15. Exemplos de compostos porfirínicos contendo fusões β-meso ............... 17

Figura 2.1. Espetro de RMN de 1H da porfirina TPFPP, em CDCl3 ............................. 28

Figura 2.2. Espetro de RMN de 19F da porfirina TPFPP, em CDCl3 ............................ 29

Figura 2.3. Espetro UV-Vis da porfirina TPFPP, em metanol (1,38 x10-6M para a) e 1,1

x10-5 M b) .................................................................................................................... 31

Figura 2.4. Espetro UV-Vis da metaloporfirina da μ-O(FeTPFPP)2, em metanol (3,3 x10-

6M ) ............................................................................................................................. 31

Figura 2.5. Espetro Uv-Vis da metaloporfirina [FeCl(TPFPP)], em metanol (8,57 x10-

6M) .............................................................................................................................. 32

Figura 2.6. Cristalografia de raios-X da metaloporfirina [μ-O(FeTPFPP)2] .................. 33

Figura 2.7. Cristalografia do monómero (esquerda) e tabela com os dados da refinação

da estrutura cristalográfica da porfirina [FeCl(TPFPP)] (direita) .................................. 34

Figura 2.8. Espetro MS-ESI + da μ-O(FeTPFPP)2, dissolvido em metanol ................... 35


xv

Figura 2.9. Espetro MS-ESI+ da [FeCl(TPFPP)], em metanol ..................................... 35

Figura 2.10. Estruturas de ressonância das nitronas .................................................. 36

Figura 2.11. Nitrona N-t-C-piridilnitrona....................................................................... 37

Figura 2.12. Síntese da clorina 3.1 ............................................................................. 42

Figura 2.13. Espetro UV-Vis da fração bacterioclorina (esquerda) e isobacterioclorina

(direita) ....................................................................................................................... 43

Figura 2.14. Espetro UV-Vis da clorina 3 (4,8 x10-6 M), em clorofórmio ...................... 45

Figura 2.15. Espetro UV-Vis da clorina 3.1 (6.2 x10-6 M), em metanol ........................ 45

Figura 2.16. Espetro UV-Vis da clorina 3.2.2 (7,24 x10-6 M), em metanol ................... 46

Figura 2.17. Clorina 3 com os carbonos da isoxazolidina identificados ....................... 48

Figura 2.18. Espetro de RMN de 1H da clorina 3, em CDCl3 ....................................... 48

Figura 2.19. Espetro de COSY da clorina 3, em CDCl3 ............................................... 49

Figura 2.20. Comparação dos espetros de RMN de 1H da porfirina TPFPP, clorina 3,

3.2, 3.2.2, em CDCl3 ................................................................................................... 50

Figura 2.21. Espetro de RMN de 1H da clorina 3.1, em CDCl3 .................................... 51

Figura 2.22. Espetro de COSY da clorina 3.1, em MeOD ........................................... 51

Figura 2.23. Comparação dos espetros de RMN 19F da porfirina TPFPP, clorina 3, 3.2,

3.2.2, em CDCl3 (excepto clorina 3 que é em metanol) ............................................... 54

Figura 2.24. Espetro de massa ESI+, em metanol, da clorina 3 .................................. 54

Figura 2.25. Espetro de massa ESI+, em metanol, da clorina 3.2 ................................ 55

Figura 2.26. Espectro de massa ESI+, em metanol, da clorina 3.2.1 ........................... 56

Figura 2.27. Estrutura obtida por cristalografia de raios-X da clorina 3 ....................... 57

Figura 2.28. Estrutura obtida por cristalografia de raios-X da clorina 3 e distâncias

entre alguns átomos ................................................................................................... 57

Figura 2.29. Estrutura obtida por Cristalografia de raios-X da clorina 3.2.2 ................. 59

Figura 2.30. Estrutura obtida por cristalografia de raios-X da clorina 3.2.2 e distâncias

entre alguns átomos ................................................................................................... 59

Figura 2.31. Espetro da clorina 3 em metanol a 60 ºC ................................................ 60

Figura 2.32. Espetro da clorina 3 em metanol a 100 ºC .............................................. 61

Figura 3.1. Diagrama de energia de uma reação com catalisador (II) e de outra sem

catalisador (I) [3] ......................................................................................................... 66

Figura 3.2. Estrutura do Citocromo P450 [8] ............................................................... 67

Figura 3.3. Estrutura geral de uma metaloporfirina com os devidos substituintes

dependendo da geração do catalisador, adaptado de Meunier et al. [19] ................... 70

Figura 3.4. Substratos usados na catálise oxidativa: DBT (a)) e dissulfureto de

dibutilo(b)) ................................................................................................................... 72

xvi FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise

Figura 3.5.Cromatograma do produto precipitado que resulta da oxidação do DBT (a)),

cromatograma da sulfona comercial (b)), cromatograma de uma alíquota da reação de

oxidação do dbt (c)); Circunferência azul corresponde ao pico da sulfona,

circunferência preta corresponde ao pico do DBT e circunferência vermelha

corresponde ao pico do etilbenzeno (padrão) ............................................................. 76

Figura 3.6. Espetros de UV-Vis traçado no final de cada ciclo catalítico na reação

oxidação do DBT (a)) e dissulfureto de dibutilo (b)) .................................................... 78

Figura 3.7. Espectros de UV-Vis do final de cada ciclo catalítico para o ensaio com 1

equivalente molar para o DBT (a1) e dissulfureto de dibutil (a2), e para o ensaio com 2

equivalentes molar para o DBT (b1) e dissulfureto de dibutil (b2) ................................. 82

Figura 3.8. Diferenças de coloração entre material funcionalizado (aftmsSBA-15) e o

compósito (μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15) .............................................................. 86

Figura 3.9. Padrões de difração de raios-X das amostras: SBA-15 (azul), SBA-15

funcionalizado (aftmsSBA-15) e Compósito ................................................................ 87

Figura 3.10. Espectro de FTIR da metaloporfirina μ-O(FeTPFPP)2 ............................ 88

Figura 3.11. Comparação do espectro de FTIR do SBA-15 (azul), SBA-15

funcionalizado (vermelho) e do compósito (verde), e respetivas ampliações .............. 89

Figura 3.12. Espectros de UV-Vis do meio reacional após o 1ºciclo catalítico da

oxidação do DBT com o compósito μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 como catalisador

................................................................................................................................... 91

Índice de Esquemas

Esquema 2.1. Rota das principais sínteses elaboradas neste trabalho ....................... 26

Esquema 2.2. Síntese da TPFPP ............................................................................... 27

Esquema 2.3 Síntese da μ-O(FeTPFPP)2 ................................................................... 29

Esquema 2.4. Síntese da porfirina [FeCl(TPFPP)] ...................................................... 30

Esquema 2.5. Reação de cicloadição de PFTPP (dipolarófilo) e nitronas N-substituídas

................................................................................................................................... 38

Esquema 2.6. Síntese da clorina 3.2 .......................................................................... 43

Esquema 3.1. Substratos reduzidos pelo Citocromo P450 ......................................... 68

Esquema 3.2. Ciclo catalítico do citocromo P450 [10] ................................................. 69

Esquema 3.3.Oxidação do DBT a DBTO2 catalisada pela metaloporfirina na presença

de H2O2 ....................................................................................................................... 76

Esquema 3.4. Tentativa de imobilização da metaloporfirina no suporte sólido

funcionalizado……………………………………………………………………………….....86


xvii

Índice de Tabelas

Tabela 1.1. Alguns fotossensibilizadores aprovados para PDT ................................... 10

Tabela 2.1. Comprimento de onda do máximo de absorção e coeficientes de

absortividade molar das metaloporfirinas .................................................................... 32

Tabela 2.2. Dados da refinação do cristal de [μ-O(FeTPFPP)2] .................................. 33

Tabela 2.3. Rendimentos obtidos da reação da TPFPP com as nitronas N-substituídas

................................................................................................................................... 39

Tabela 2.4. Rendimento da cicloadição 1,3-dipolar com metaloporfirinas como

dipolarófilos ................................................................................................................ 39

Tabela 2.5. Efeito a temperatura/potência no rendimento da clorina 3 ........................ 41

Tabela 2.6. Comprimento de onda do máximo de absorção e coeficientes de

absortividade molar das clorinas ................................................................................. 46

Tabela 2.7. Dados de RMN de 1H das clorinas sintetizadas durante este trabalho ..... 52

Tabela 2.8 Dados da refinação do cristal da clorina 3 (direita) e da clorina 3.2.2

(esquerda) .................................................................................................................. 58

Tabela 3.1.Parâmetros usados na análise por cromatografia gasosa ......................... 73

Tabela 5.1. Principais macrociclos porfirínicos sintetizados e correspondentes

rendimentos .............................................................................................................. 111

Índice de Gráficos

Gráfico 2.1. Gráfico de absorvância em função da concentração para a banda Soret

(λ=406 nm) da porfirina [FeCl(TPFPP)]. ...................................................................... 31

Gráfico 3.1. Curvas de calibração, e respetivas equações e regressão linear, para a

quantificação de DBT e dissulfureto de dibutilo ........................................................... 73

Gráfico 3.2. Conversão catalítica da oxidação de DBT com a variação de H2O2 ......... 74

Gráfico 3.3. Conversão catalítica da oxidação do dissulfureto de dibutil com a variação

de H2O2. ...................................................................................................................... 75

Gráfico 3.4. Reutilização do sistema catalítico da oxidação do DBT e do dissulfureto de

dibutilo ........................................................................................................................ 77

Gráfico 3.5. Conversão catalítica da oxidação do DBT com 4,8 x10-7 mol de catalisador

................................................................................................................................... 79

Gráfico 3.6. Conversão catalítica da oxidação do DBT com 9,7 x10-7 mol de

catalisador .................................................................................................................. 80

Gráfico 3.7. Reutilização do sistema catalítico para a oxidação do DBT com 4,8 x10-7

mol e 9,7 x10-7 mol de metaloporfirina monomérica .................................................... 81

xviii FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise

Gráfico 3.8. Reutilização do sistema catalítico para a oxidação do dissulfureto de

dibutilo com 4,8 x10-7 mol 9,7 x10-7 mol de metaloporfirina monomérica .................... 81

Gráfico 3.9. Oxidação do DBT e reciclagem usando o compósito μ-

O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 ..................................................................................... 90

Gráfico 3.10. Oxidação do dissulfureto de dibutilo e reciclagem usando o compósito μ-

O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 ..................................................................................... 90


xix

Lista de Abreviaturas e Acrónimos

COSY Correlação espectroscópica homonuclear, bidimensional, em RMN

Ea Energia de ativação

FDA Food and Drug Administration, EUA

GC-FID Cromatógrafo gasoso com detetor de ionização por chama

HDS Hidrodessulfurização

HSQC Correlação espectroscópica heteronuclear bidimensional, em RMN

HOMO Orbital molecular ocupada de mais alta energia

ICP Espectroscopia de emissão atómica induzida por plasma

IUPAC União Internacional de Química Pura e Aplicada

Lista de Abreviaturas de Compostos

aftms Aminofeniltrimetoxissilano

DBT Dibenzotiofeno

DBTO2 Sulfona de dibenzotiofeno

DCM Diclorometano

DDQ 2,3-dicloro-5,6-dicianobenzoquinona

DMF Dimetilformamida

[FeCl(TPFPP)] Cloreto de 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirinato de

Ferro(III)

Mg(TPFPP) 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirinato de Magnésio(II)

NADPH Fosfato dinucleótido de nicotinamida e adenina

Py Piridina

SBA Santa Barbara Amorphous

SOx Óxido de enxofre

TFA Ácido trifluoroacético

THF Tetrahidrofurano

TMP 5,10,15,20-tetraquis(trimetilfenil)porfirina

TMS Tetrametilsilano

TPC 5,10,15,20-tetrafenilclorina

TPFPP 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina

TPP 5,10,15,20-tetrafenilporfirina

Zn(TPFPP) 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirinato de zinco(II)

μ-O(FeTPFPP)2 Oxo-dímero de 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina de

Ferro(III)

xx FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise

LUMO Orbital molecular livre de mais baixa energia

MS-ESI+ Espectrometria de massa em ESI modo positivo

ODS Dessulfurização Oxidativa

PDT Terapia fotodinâmica

ppm Partes por milhão

RF Fator de retenção

RMN de 1H Espetroscopia de ressonância magnética nuclear de protão

RMN de 13C Espetroscopia de ressonância magnética nuclear de carbono

RMN de 19F Espetroscopia de ressonância magnética nuclear de flúor

TLC Cromatografia em camada fina

UV Ultra-violeta

UV-Vis Espectroscopia de ultravioleta-visível

XRD Difração de Raios-X

Lista de Símbolos

Abs Absorvância

b Caminho ótico

d Dupleto

dd Duplo dupleto

ddd Duplo dupleto de dupletos

J Constante de acoplamento

m Multipleto

M+ Ião molecular

m/z Razão massa/carga

s Singleto

t Tripleto

δ Desvio químico em ppm

ε Coeficiente de extinção molar

λ Comprimento de onda

λmáx

Comprimentos de onda para os máximos de absorvância


1

1. Introdução Geral

2 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise

1.1. Porfirina

A palavra porfirina deriva da palavra grega porphura, que era usada para

descrever a cor púrpura, cor característica de várias porfirinas. [1] Estes compostos,

pertencem ao grupo dos macrociclos tetrapirrólicos, bastante abundantes na Natureza,

tendo uma incontestável importância biológica. A facilidade de “design” e a

versatilidade estrutural, aliadas às propriedades físico-químicas, tornam as porfirinas

um alvo apetecível para diversas aplicações, mantendo e estimulando o interesse no

estudo destes “pigmentos da Vida”. [1]

1.1.1. Estrutura e nomenclatura

As porfirinas são macrociclos tetrapirrólicos formados por quatro anéis

pirrólicos ligados por pontes metínicas (-CH=).

Este macrociclo tetrapirrólico foi proposto pela primeira vez por Küster em

1912, mas não foi muito bem aceite pela comunidade científica, uma vez que

consideravam que um anel tão grande deveria ser instável. [1] Fischer, “pai da química

moderna das porfirinas”, que inicialmente também estava no grupo dos céticos, veio

confirmar essa mesma estrutura em 1929, ao sintetizar o grupo heme. [2]

Quando se fala em porfirinas, dois sistemas de nomenclatura se destacam: a

nomenclatura proposta por Fischer e a nomenclatura da IUPAC. [3]

De acordo com a nomenclatura de Fischer, existem três tipos de posições: as

posições meso (carbonos “interpirrólicos”) que são representadas pelas letras gregas

α, β, γ e δ; as posições α-pirrólicas (carbonos pirrólicos adjacentes aos azotos) que

não são numeradas; e as posições β-pirrólicas (carbonos pirrólicos não adjacentes aos

azotos) numeradas de 1 a 8, Figura 1.1 (a).

Segundo a nomenclatura da IUPAC os carbonos dos macrociclos tetrapirrólicos

são numerados sequencialmente de 1 a 20, os azotos no interior do macrociclo de 21

a 24 e os átomos de carbono externos são designados com índices, como demonstra

Figura 1.1 (b). Por uma questão de rigor, os macrociclos serão denominados de

acordo com as recomendações da IUPAC, em todo o trabalho.


3

Figura 1.1. Nomenclatura de macrociclos porfirínicos segundo Fisher a) e IUPAC b)

1.1.2. Estrutura e características físico-químicas

A porfirina (1.1, Figura 1.2) corresponde a um macrociclo tetrapirrólico insaturado.

Quando o macrociclo porfirínico possui os anéis pirrólicos ligados por grupos metileno

(-CH2-) denomina-se porfirinogénio 1.2, Figura 1.2). Quando perde uma ligação dupla,

nas posições β-pirrólicas, origina a clorina (1.3), ao passo que se perder duas ligações

duplas poderá originar a bacterioclorina (1.4) (anéis pirrólicos opostos) ou

isobacterioclorina (1.5) (anéis pirrólicos adjacentes), (Figura 1.3).

As porfirinas possuem um total de 22 eletrões π , no entanto, apenas 18, destes

eletrões π contribuem para o carácter aromático do macrociclo, respeitando assim a lei

de Hückel [4]. Desta forma, o carácter aromático é mantido nas clorinas,

bacterioclorinas, e isobacterioclorinas, uma vez que possuem 20 e 18 eletrões π,

respetivamente, como exibe a Figura 1.3.

1.1 1.2

Figura 1.2. Representação da porfirina (1.1) e porfirinogénio (1.2).

1.3 1.4 1.5

Figura 1.3. Representação da clorina (1.3), bacterioclorina (1.4) e isobacterioclorina (1.5).

δ

γ

b) a)

α

β


A porfirina possui todos os átomos de carbono dos anéis com hibridação sp2, já

a clorina possui dois carbonos sp3, devido à ligação β-pirrólica reduzida, a

bacterioclorina e o seu isómero (isobacterioclorina) possuem quatro carbonos sp3.

A porfirina, apesar de na forma mais simples (sem substituintes) ser um

macrociclo planar, pode adquirir formas mais ou menos torcidas conforme o número e

tipo de grupos substituintes introduzidos na periferia, ou com a saturação de uma ou

duas posições β-pirrólicas.[5]

O elevado número de ligações duplas conjugadas presentes no macrociclo

tetrapirrólico permite a absorção de radiação na zona do visível do espetro

eletromagnético. Esta absorção é evidenciada visualmente pela exibição de cor,

característica importante neste tipo de compostos tetrapirrólicos.

O espetro de absorção das porfirinas apresenta uma banda de forte

intensidade na região dos 400 nm, designada por banda Soret. A banda Soret resulta

da deslocalização dos dezoito eletrões π conjugados do macrociclo, logo esta banda

mantem-se nos macrociclos do tipo clorina, bacterioclorina e isobacterioclorina. Só

quando o anel sofre abertura ou a conjugação é interrompida por qualquer outro

motivo é que a banda Soret desaparece.

Na região dos 500-650 nm existe uma série de bandas, normalmente quatro,

de menor intensidade (em comparação com a Soret) designados por bandas Q. A

intensidade relativa dessas bandas varia consoante o número e posição relativa dos

grupos substituintes que se encontram nas posições periféricas do macrociclo, (Figura

1.4) e são as responsáveis por conferir as diferentes cores aos compostos. Estas

bandas resultam de transições proibidas por simetria,[6] e são designadas de IV, III, II,

I, [7] ou Qy(1,0), Qy(0,0), Qx(1,0), Qx(0,0) respetivamente. [8]

Figura 1.4. Espetro UV-Vis de meso-tetraarilporfirinas em tetra-hidrofurano [7]


5

Os espetros eletrónicos de absorção de porfirinas, são explicados pela teoria

das quatro orbitais de fronteira, modelo de Gouterman, [6] (Figura 1.5 (b)), no qual as

bandas são provocadas por transições π-π* entre duas orbitais HOMO (do inglês

Highest Occupied Molecular Orbital) e duas orbitais LUMO (do inglês Lowest Occupied

Molecular Orbital). Essas transições são polarizadas ao longo dos eixos x e y do anel

porfirínico, sendo duas x-polarizadas, e duas y-polarizadas, (Figura 1.5 (a)).[6, 8]

Figura 1.5. a) Sistema de eixos no “esqueleto” porfirínico; b) Representação das orbitais e transições eletrónicas entre

o estado fundamental e o estado excitado de porfirinas complexadas e “livres” segundo o modelo proposto por Gouterman[8]

As porfirinas complexadas ou com os azotos centrais reduzidos apresentam

maior simetria que as porfirinas livres (D4h em vez de D2h)[8], por esse motivo possuem

apenas duas bandas Q, designadas α e β,(Figura 1.5 (b) e Figura 1.6).

Figura 1.6. Espetro UV-Vis da metaloporfirina [FeIII(tpfpp)(OH)-(OOH)], em acetonitrilo, adaptado de Franke et al. [9].

Os espetros de UV-Vis das porfirinas reduzidas apresentam diferenças

significativas comparativamente aos das porfirinas, nomeadamente no que concerne

às bandas Q. Desta forma, a espetroscopia de UV-Visível é habitualmente utilizada na

a

)

b)


identificação destes compostos, permitindo distinguir, de uma forma clara, porfirinas,

clorinas, bacterioclorinas e isobacterioclorinas.

O espetro de absorção das clorinas mostra diferenças acentuadas

relativamente ao das porfirinas. A banda Q na região dos 650 nm é muito mais intensa

do que nas porfirinas, estas diferenças também se observam na cor destes compostos

uma vez que as clorinas geralmente formam sólidos escuros que quando dissolvidos

dão origem a soluções verdes.

As bacterioclorinas possuem uma banda de forte absorção na região dos 700-

750 nm e formam habitualmente soluções verde claras. Já as isobacterioclorinas

formam geralmente soluções rosa/violeta e possuem um conjunto de três bandas Q de

intensidade decrescente entre os 500 e os 600 nm e um pico de fraca intensidade na

região dos 650 nm.

As porfirinas apresentam espetros de RMN de 1H bastante característicos. As

porfirinas não complexadas apresentam um sinal, singuleto, com valor de δ (-2 a -3

ppm) mais baixo que os dos protões de tetrametilsilano (TMS). Esta evidência deve-se

à forte blindagem que estes protões sofrem devido à corrente eletrónica que gira em

torno do anel. Ao contrário dos protões centrais, os protões periféricos são

desprotegidos devido à mesma corrente, deslocando as suas ressonâncias para

campos mais baixos (δ entre 7 e 9). [10]

A redução de uma ou duas posições β-pirrólica conduz a uma diminuição do

fluxo da corrente eletrónica provocando um aumento no valor do desvio químico dos

protões internos N-H e uma diminuição no valor do desvio químico dos protões

periféricos. [10]

1.1.3. Reatividade

Os macrociclos porfirínicos podem sofrer reações no interior (átomos de azoto)

ou na periferia (posições meso e β-pirrólica).

As reações que ocorrem no interior são, reações ácido-base, em que o grupo –

NH poderá desprotonar na presença de uma base, protonar na presença de um ácido,

ou complexar com um ião de metal.

Na periferia do macrociclo podem ocorrer uma variedade de reações. A

substituição electrofílica, típica de compostos aromáticos, como nitrações,

halogenações, sulfonações, formilações e acilações são bastante comuns, mas outros

tipos de reações como oxidação, redução, substituição nucleofílica ou reações de

cicloadição, também podem ocorrer na periferia do macrociclo.


7

De um modo geral, os núcleos porfirínicos na forma livre são eletronicamente

mais reativos nas posições meso. Para explicar este comportamento das porfirinas,

Woodward [5] sugeriu que nas porfirinas as subunidades pirrólicas tendem para um

estado de sexteto eletrónico de modo a tornarem-se independentes da conjugação do

macrociclo. Assim, as porfirinas e clorinas apresentam uma distribuição eletrónica na

qual as posições meso se encontram mais pobres em eletrões (Figura 1.7).

Figura 1.7. Representação esquemática da distribuição eletrónica em porfirinas e clorinas, segundo Woodward [5]

A complexação do macrociclo influencia o sistema eletrónico-π, interferindo na

reatividade das posições meso e das β-pirrólicas. Numa substituição electrofílica, por

exemplo, a utilização de metais de baixa eletronegatividade (Mg<Zn<Cu<Ni<Pd)

provoca a ativação das posições meso, enquanto que se utilizar a porfirina

complexada com iões mais eletronegativos as posições β-pirrólicas são ativadas. [1]

1.1.4. Macrociclos tetrapirrólicos na Natureza

Na Natureza, os macrociclos tetrapirrólicos mais conhecidos são: o grupo heme

(Figura 1.8 (1.6)), as clorofilas (Figura 1.8 (1.7)) e as bacterioclorofilas. Estes

macrociclos porfirínicos desempenham funções biológicas cruciais, como por exemplo:

transferência de energia e de eletrões, captação de luz, transporte e armazenamento

de oxigénio e catálise de reações.

O grupo heme consiste num macrociclo do tipo porfirina (protoporfirina-IX)

coordenado com um ião de ferro(II). [1, 2, 11] Este grupo está presente na

hemoglobina e mioglobina, que são as responsáveis pelo transporte e armazenamento

de oxigénio, respectivamente, em tecidos vivos. O grupo heme também é um

constituinte de enzimas como peroxidases ou catalases, dos citocromos, que atuam

principalmente como transportadores de eletrões. [1]

As clorofilas e as bacterioclorofilas possuem os macrociclos tetrapirrólicos

reduzidos a clorina e bacterioclorina, respectivamente. Estas moléculas têm um papel


crucial na transformação de energia solar em energia química nos seres

fotossintéticos (catalisam a fotossíntese dos hidratos de carbono a partir de CO2 e

H2O).

Esta grande diversidade de funções biológicas desempenhadas pelos

compostos porfirínicos mostra que pequenas alterações na estrutura base podem

conduzir a aplicações bastante diferentes.

Figura 1.8. Grupo Heme (1.6) e Clorofila a (1.7)

1.1.5. Possíveis aplicações dos macrociclos porfirínicos

A consciência da importância dos compostos tetrapirrólicos para a vida tem

orientado e estimulado a investigação de macrociclos porfirínicos sintéticos, usando

como modelo ou mimetizando os seus correspondentes biológicos.

Hoje em dia o trabalho de síntese de compostos porfirínicos não assenta apenas

na sua síntese total, mas também na alteração e funcionalização dos macrociclos

previamente sintetizados de forma a adquirir as propriedades para as aplicações

pretendidas. As porfirinas sintéticas podem ser aplicadas em áreas tão diversas como

a catálise, [12-15] química supramolecular, [16-18] sensores [19-23] e medicina, onde

se destaca a terapia fotodinâmica (do inglês PDT-Photodynamic Therapy). [24-27]

A PDT é uma terapia que combina luz visível, oxigénio e um fotossensibilizador

para induzir fotoquimicamente a destruição de tecidos biológicos (principalmente

tecidos neoplásicos).

Este tratamento envolve vários passos, sendo o primeiro a administração da

espécie fotossensibilizadora ao paciente. Alcançada a concentração apropriada do

fotossensibilizador nas células alvo, este é ativado (por excitação) com um feixe de luz

adequado, passando a um estado tripleto de energia, podendo posteriormente

1.6 1.7


9

interagir com o oxigénio molecular existente nas células, transformando-o em oxigénio

singuleto (espécie altamente reativa) que ao reagir com biomoléculas da membrana

celular, irá conduzir à morte celular. [26]

Em 1995 foi dado o primeiro grande passo na utilização de macrociclos

tetrapirrólicos em PDT quando o PhotofrinR (Tabela 1.1) surgiu como o primeiro agente

porfirínico a ser aprovado pela FDA (“Food and Drug Administration”, EUA) e a ser

comercializado para o tratamento paliativo do cancro do esófago. [28]

Com o passar dos anos surgiram fotossensibilizadores de 2º e 3º geração, que

reduzem os aspetos negativos dos fotossensibilizadores de 1º geração, uma vez que

de modo geral possuem elevada seletividade para o tecido neoplásico, absorvem

radiação na região dos 650-750 nm, possuem uma solubilidade adequada em meios

fisiológicos, e não possuem toxicidade na ausência de luz. [26]

As clorinas possuem uma banda de forte absorção na região dos 650 nm, o que

faz destes macrociclos tetrapirrólicos bons candidatos a fotossensibilizadores de

segunda geração para PDT, uma vez que absorve numa região em que a

profundidade de penetração da luz é máxima e os danos causados aos tecidos são

mínimos.

Atualmente existe um grande número de macrociclos do tipo clorina candidatos e

já em uso como fotossensibilizadores (Tabela 1.1).

A PDT também está a ser testada na fotoinativação de vírus, bactérias e fungos,

sendo o facto de não induzir resistência nos microorganismos uma das maiores

vantagens à sua aplicação. [29] Aqui a aplicação de fotossensibilizadores porfirínicos

catiónicos reveste-se de grande importância uma vez que ao contrário dos

fotossensibilizadores aniónicos ou neutros, os catiónicos são os únicos que podem

destruir as bactérias do tipo Gram negativo. [30-33]


Tabela 1.1. Alguns fotossensibilizadores aprovados para PDT

Em relação à catálise, os macrociclos porfirínicos possuem um papel

preponderante como catalisadores de processos de oxidação. Existem vários sistemas

capazes de mimetizar a atividade do citocromo P450, tendo por base macrociclos

tetrapirrólicos.

Ao longo dos anos tem-se usado metaloporfirinas como catalisadores de uma

grande variedade de reações de oxidação de compostos orgânicos, nomeadamente

hidroxilações, [34, 35] epoxidações, [34-37] e a clivagem de 1,2-dióis, [38, 39] usando

maioritariamente metaloporfirinas de Mn(III), Fe(III), Ru(III) ou Cr(III).

1.1.6. Síntese de porfirinas meso-substituídas

As porfirinas meso-substituídas podem ser sintetizadas num único processo

reacional ou em dois processos reacionais envolvendo em ambos os casos uma

reação inicial de condensação e ciclização, e posteriormente uma oxidação.

Conforme o uso de um aldeído ou de misturas de aldeídos, as porfirinas podem

ser simétricas ou assimétricas, respectivamente, o que torna este grupo de compostos

muito diversificados.

Existem várias vias de síntese de macrociclos porfirínicos, e por isso uma larga

bibliografia. Em 1935, Rothemund [40] descreveu, pela primeira vez, a síntese de

Tipo Fotossensibilizador Produtor Website

Porfirina Photofrin® Axcan Pharma, Inc. www.axcan.com

Porfirina Levulan® DUSA Pharmaceuticals,

Inc www.dusapharma.com

Porfirina Metvix® PhotoCure ASA www.photocure.com

Porfirina Visudyne® Novartis Pharmaceuticals www.visudyne.com

Clorina Foscan® Biolitec Pharma Ltd. www.biolitecpharma.com

Clorina LS11® Light Science www.lightsciences.com

Clorina Photochlor® RPCI www.roswellpark.org

http://www.axcan.com/

http://www.dusapharma.com/

http://www.photocure.com/

http://www.visudyne.com/

http://www.biolitecpharma.com/

http://www.lightsciences.com/

http://www.roswellpark.org/


11

porfirinas simétricas, num único processo, através da reação de condensação de pirrol

com o aldeído apropriado, em atmosfera inerte, usando como solvente piridina, Figura

1.9. Com este método, Rothemund preparou mais de 20 novos compostos porfirínicos,

todos com rendimentos bastante baixos, e contaminados com as correspondentes

clorinas. Mais tarde Calvin e colaboradores. [41] com a adição de acetato de zinco(II)

à mistura de Rothemund otimizaram o rendimento de TPP (meso-tetrafenilporfirina)

obtendo um rendimento de 10%.

Nos anos 60 Adler [42] deu um empurrão no desenvolvimento de metodologias

para a síntese de porfirinas meso-substituídas, ao realizar a condensação/oxidação de

benzaldeído e pirrol em solventes acídicos (ácido acético ou ácido propiónico), em vez

de piridina, e usando um vaso reacional aberto para a solução estar em contacto com

o ar, Figura 1.9. Esta metodologia levou a um rendimento de TPP bastante superior

aos precedentes. No entanto este método ainda tinha limitações uma vez que o

oxigénio do ar não era um oxidante muito eficaz para oxidar porfirinogénios e clorinas

a porfirinas.[43, 44]

Figura 1.9.Condensação/oxidação, num único processo, de pirrol com aldeído através das condições de reação de: A) Rothemund: piridina/metanol,115 ºC, tubo selado; B) Adler: ácido propiónico, 130ºC

Já nos anos 80 Lindsey [45] desenvolveu uma nova estratégia, que consistia

na síntese em dois passos, em que tentava evitar reações secundárias, controlando

bem todos os parâmetros da síntese (concentração de reagentes e de ácido). O

primeiro passo consistia na formação do porfirinogénio, através da condensação do

pirrol com o aldeído, na presença de triflúoreto de boro como catalisador, e atmosfera

inerte, e o segundo passo consistia na oxidação, com DDQ, do porfirinogénio,

originando a porfirina.

Se por um lado o método de Lindsey permitia a síntese em condições

reaccionais suaves, por outro lado, o uso de elevadas quantidades de quinonas e o

recurso a técnicas cromatográficas para isolar a porfirina, tornavam-no num processo

caro.

No sentido de otimizar o método de Adler, Gonsalves e colaboradores [46]

desenvolveram uma síntese de TPP na qual o solvente ácido (constituído por acido


acético ou propiónico) é substituído por uma mistura de ácido acético e nitrobenzeno,

Figura 1.10. Com este método conseguiu-se obter a porfirina cristalizada no meio

reacional com elevado grau de pureza, uma vez que a mistura nitrobenzeno / ar, a

temperaturas superiores a 120ºC é capaz de promover a oxidação do porfirinogénio e

da clorina a porfirina.

Figura 1.10.Método de nitrobenzeno para a síntese de porfirinas meso-substituídas

Tal como foi referido, na síntese convencional de macrociclos porfirínicos são

usados solventes halogenados e ácidos perigosos, uma vez que são os que

solubilizam e catalisam melhor o ataque do pirrol ao aldeído com formação do

porfirinogénio. No entanto, na ótica da química sustentável estes métodos são

indesejáveis e ultimamente estão a dar os primeiros passos para a síntese de

porfirinas usando rotas mais “verdes”. [47]

O uso da água como substituinte dos solventes orgânicos na síntese de

macrociclos porfirínicos tem sido um dos métodos mais desenvolvidos. Nesse sentido

foi já sintetizado um dipirrometano, por reação de pirrol com a correspondente cetona

em meio ácido, com rendimentos altos e sem necessidade de purificação,[48] e corróis

(análogo das porfirinas),[49] por reação de pirrol com aldeído numa mistura

água/metanol na presença de HCl, muitas vezes contaminado por porfirinas.

Também se tem estudado o uso de líquidos iónicos como catalisadores

ácidos,[50] para tornar a rota de síntese de TPP mais “verde”.

A substituição de quinonas (usadas na oxidação, nas metodologias clássicas)

por compostos menos tóxicos, menos caros e, pelo menos, igualmente eficazes

também tem vindo a acentuar-se. O MnO2 apresenta-se como uma alternativa

bastante promissora para a oxidação do porfirinogénio, uma vez, que é mais vantajoso

a nível económico e ambiental que as quinonas, normalmente usadas. Além disso as


13

reações com MnO2 possuem um rendimento ao nível do das quinonas e são mais

fáceis de purificar.[51] Outro composto que poderá substituir as quinonas é o SeO2,

pois opera como oxidante heterogéneo em sínteses com determinadas condições.[52]

1.1.7. Fusão nas posições β,β’- pirrólicas

O desenvolvimento de procedimentos com vista à transformação de porfirinas

em clorinas reveste-se de grande importância devido à potencial aplicação destes

compostos nas mais diversas áreas, desde a catálise à medicina.

As clorinas com diferentes substituintes nas posições meso e β-pirrólicas podem

ser obtidas a partir da condensação de dipirrometano ou por transformações em

porfirinas. A condensação de dipirrometanos como é um método mais trabalhoso,

devido à dificuldade que existe em preparar os dipirrometanos,[53] é muitas vezes

preterido em relação ao método de transformações de porfirinas.[53]

Como já está vastamente descrito reações de cicloadição podem ser excelentes

métodos na preparação de clorinas.

O conceito de cicloadição 1,3-dipolar foi inicialmente introduzido por Smith em

1938, [54] mas apenas depois do seu uso por Huisgen nos anos 60 é que ficou mais

conhecida e mais aplicada. [55]

A cicloadição 1,3-dipolar é um método importante de síntese de compostos

heterocíclicos de cinco membros. Esta reação termicamente permitida pela regra de

Woodward–Hoffmann, [4] envolve a reação de um dipolarófilo com uma espécie 1,3-

dipolo, (Figura1.11). Conforme a estrutura do dipolarófilo e do 1,3-dipolo pode-se obter

uma grande variedade de heterociclos. [56] A reação entre o dipolarófilo e o 1,3-dipolo

envolve um mecanismo concertado, em que o estado de transição resulta da interação

do sistema dos eletrões π do dipolo com o sistema de dois eletrões π do dipolarófilo

tal como a reação de Diels-Alder (reação [4π+2π]). [57]

Figura1.11. Cicloadição 1,3-dipolar


A designação 1,3-dipolo surge do facto de não ser possível escrever estruturas

com todos os eletrões emparelhados sem que haja cargas formais. Deste modo, a

espécie 1,3-dipolo é composta por 3 átomos com os eletrões π deslocalizados. Os 1,3-

dipolos podem dividir-se em dois grupos distintos: o tipo alilo, com uma estrutura

angular e o tipo propargilo/alenilo com uma estrutura linear (Figura 1.12).

Figura 1.12. Exemplos de 1,3-dipolos

A reatividade dos 1,3-dipolos pode ser analisada recorrendo à teoria das

orbitais de fronteira. Em 1974, Reiner Sustmann e colaboradores [58] classificaram as

reações de cicloadição 1,3-dipolar em três categorias, em função da interação HOMO-

LUMO dominante, (Figura 1.13). As cicloadições do tipo I são aquelas em que a

interação dominante é entre a HOMO do dipolo e a LUMO do dipolarófilo, as

cicloadições do tipo II ocorrem quando as possíveis interacções HOMOdipolo-

LUMOdipolarófilo e LUMOdipolo-HOMOdipolarófilo são energeticamente semelhantes, de

maneira que a interação dominante dependerá, em cada caso particular, tanto da

natureza do dipolo como da do dipolarófilo, já as do tipo III, a interação dominante é

entre a LUMO do dipolo e a HOMO do dipolarófilo.

Os diferentes tipos de interação dependem dos grupos substituintes tanto do

dipolarófilo como do 1,3-dipolo. Por exemplo, numa interação do tipo II, se o

dipolarófilo contiver grupos sacadores de eletrões, a interação mais favorável será

entre a LUMO do dipolarófilo e a HOMO do 1,3-dipolo, enquanto que se o dipolarófilo

tiver grupos dadores de eletrões a interação mais favorável será entre a HOMO do

dipolarófilo e a LUMO do 1,3-dipolo, assim, os grupos substituintes também poderão

ter consequências na regiosselectividade e estereosselectividade de uma determinada

reacção.[57]


15

Figura 1.13. Classificação das cicloadições com base na teoria das orbitais moleculares de fronteira

Atuando como dipolarófilos, foi descrito que meso-tetraarilporfirinas reagem

com nitronas, [59] óxidos de nitrilo, [60, 61] diazometano, [62] iletos de carbonilo, [63]

e iletos de azometino. [64, 65] Deste modo, a cicloadição 1,3-dipolar pode ser uma

opção bastante interessante para converter porfirinas em clorinas [59-64, 66-68] ou

mesmo para fazer modificações em porfirinas [69] como demonstra a literatura (Figura

1.14).

Figura 1.14. Reações de meso-tetraarilporfirinas com espécies 1,3-dipolares


1.1.8. Fusão na posição β-meso-arilo

Nos últimos anos, verificou-se um maior interesse na síntese de porfirinas e

clorinas meso-substituídas contendo posições β-meso-arilo fundidas. De maneira

geral, a fusão β-meso-arilo pode ser direta, formando um anel de 5 lados, ou por meio

de heteroátomos ou de grupos carbonilo, formando um anel de 6 lados. Na verdade,

estas ligações estão a ser amplamente utilizadas para modular as propriedades

eletrónicas dos macrociclos porfirínicos. Como consequência, estas ligações podem

alterar propriedades óticas, de coordenação e comportamento redox dos compostos

porfirínicos.[70]

Um número crescente de porfirinas meso-substituidas contendo ligações β-

meso-arilo têm sido continuamente desenvolvidas. Nesse lote pode-se incluir a

porfirina descrita por Boyle e colaboradores que incorpora um anel de cinco membros

entre o grupo fenilo e a posição β-pirrólica da porfirina ((1.8) Figura 1.15) [71] ou o

exemplo mais recente descrito por Bruckner e colaboradores [72] em que prepararam

meso-tetraquis(pentafluorofenil)clorinas com aneis de mono e bis-cromeno ((1.9)

Figura 1.15) resultantes da mono- e bis- substituição aromática nucleofílica

intramolecular de um átomo de flúor orto do grupo pentafluorofenilo da 2,3-

diidroxiclorina correspondente. Existe também um grande interesse em derivados

porfirínicos com anéis de 7 lados, porém os exemplos são raros. Num desses raros

exemplos, Scott e colaboradores apresentaram porfirinas distorcidas com dois

sistemas de anel exocíclicos de cicloheptanona, que após desidrogenação oxidativa

originaram porfirinas quase perfeitamente planas ((1.10) Figura 1.15), [73]. Outro

exemplo de compostos porfirínicos com anéis de sete membros inclui os

heterodímeros de porfirina-clorina preparado por Hu e colaboradores ((1.11) Figura

1.15), contendo um anel desidrogenado de cicloheptanona, que apresenta um ligeiro

desvio batocrómico das bandas de absorção em comparação com a TPP e a TPC.[74]

Extraído de fontes naturais[75] ou sintetizado a partir de uma clorina também natural, o

derivado 1.12 (Figura 1.15) representa um exemplo muito peculiar, em que a β-

dicetona está quase totalmente enolizada com o anel de sete membros, tendo a sua

estrutura sido determinada por raios-X. [76]


17

Figura 1.15. Exemplos de compostos porfirínicos contendo fusões β-meso

Neste seguimento, na presente dissertação descreve-se a síntese de novas

clorinas funcionalizadas com um anel isoxazolidina, nas posições β,β’-pirrólicas, anel

que posteriormente poderá ser clivado para dar origem a 1,3-aminoalcoois, [55] ou a

heterociclos resultantes da fusão com a posição meso-arilo. Para se obter

isoxazolidinas foram usadas nitronas como espécie 1,3-dipolar. [56]


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25

2. Síntese de macrociclos porfirínicos


A primeira fase deste trabalho consistiu na síntese de metaloporfirinas de

ferro(III) derivada da 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina (TPFPP), para

aplicação em catálise, e de novos macrociclos tetrapirrólicos tendo como porfirina

base a TPFPP, como se encontra representado no Esquema 2.1.

Esquema 2.1. Rota das principais sínteses elaboradas neste trabalho


27

2.1. 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina (TPFPP)

A TPFPP é uma porfirina meso-substituída caracterizada por ter os 4 grupos

fenilo, na posição meso, totalmente substituídos por átomos de flúor. A presença dos

átomos de flúor na periferia da porfirina é essencial para que esta seja um bom

catalisador, porque além de aumentar o impedimento estereoquímico, por serem muito

eletronegativos, também retiram densidade eletrónica do centro porfirínico, tornando a

metaloporfirina mais electrofílica e mais reativa. Além de melhorar as propriedades

catalíticas das porfirinas a presença de átomos de flúor nas porfirinas pode ajudar no

transporte através da membrana lipídica [1], ou reduzir o empilhamento e a agregação

de porfirinas [1], devido ao volume espacial do flúor, características muito

interessantes se a aplicação da porfirina alvo for em medicina.

Apesar dos recentes avanços na síntese de porfirinas meso-substituídas com

recurso a metodologias mais sustentáveis, como está exposto no capítulo 1, a TPFPP

sintetizada neste trabalho foi obtida pelo método de nitrobenzeno, dado este método

proporcionar quantidades razoáveis, à escala que se pretende trabalhar (ordem das 1-

2 gramas)

2.1.1. Síntese da porfirina 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina

(TPFPP)

A TPFPP é uma porfirina largamente sintetizada e utilizada. Neste trabalho, a

porfirina TPFPP foi sintetizada de acordo com o método desenvolvido por Gonsalves

et al. [2] Basicamente esta metodologia envolveu a condensação do pirrol e do

pentafluorobenzaldeído, numa mistura de ácido acético e nitrobenzeno a 120 ºC,

Esquema 2.2. A TPFPP foi obtida pura por cristalização após destilação do

nitrobenzeno e purificação em cromatografia por coluna, com um rendimento de 5%.

Esquema 2.2. Síntese da TPFPP


2.1.2. Caraterização da TPFPP

2.1.2.1.Caraterização por RMN de 1H

A TPFPP é uma porfirina simétrica, como é provado pelo espectro de RMN de 1H

que apresenta apenas um singleto a 8,92 δ/ppm devido aos protões nas posições β-

pirrólicas e outro singleto a desvio químico negativo (-2,92 δ/ppm), que representa os

dois protões amínicos.

Figura 2.1. Espetro de RMN de 1H da porfirina TPFPP, em CDCl3

2.1.2.2.Caraterização por RMN de 19

F

O espetro de RMN de 19F (Figura 2.2) confirma a total substituição dos grupos fenilo

por átomos de flúor, visto apresentar um espetro com três sinais distintos: (i) o duplo

dupleto a δ -136,51 ppm (J 26,3 e 7,5) corresponde à ressonância dos 8 átomos de

flúor na posição orto (o-F) dos quatro grupos C6F5; (ii) o tripleto a δ -151,22 ppm (J

22.6) representa os 4 átomos de flúor na posição para (p-F) dos quatro grupos C6F5 e

(iii) o duplo tripleto a δ -161.33 ppm (J) (dt, J 20,7 e 7,5;) representa os 8 átomos de

flúor na posição meta (m-F).

-2-19 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm-2.918

1.545

2.611

2.986

5.300

6.996

7.260

7.519

8.915

2.0

2

8.0

0


29

Figura 2.2. Espetro de RMN de

19F da porfirina TPFPP, em CDCl3

2.2. Metaloporfirinas de Ferro (III)

2.2.1. Síntese da metaloporfirina μ-O(FeTPFPP)2

O complexo μ-O(FeTPFPP)2 foi sintetizado a partir do refluxo de uma mistura

de meso-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina (TPFPP) e cloreto de ferro(II), em DMF

seca e na presença de piridina, Esquema 2.3. A reação foi controlada por TLC, e

terminada quando não evoluiu mais, sendo deixada em contacto com o ar à

temperatura ambiente durante 18 horas, para que ocorra a oxidação do Fe(II) a Fe(III).

Posteriormente foram obtidos cristais por recristalização a partir de uma mistura de

diclorometano/hexano.

Esquema 2.3 Síntese da μ-O(FeTPFPP)2

-135 -140 -145 -150 -155 -160 -165 ppm

-161.40

-161.39

-161.37

-161.33

-161.32

-161.28

-161.26

-151.28

-151.22

-151.16

-136.55

-136.53

-136.48

-136.46

8.1

0

4.0

0

8.1

1

-136.4 -136.5 -136.6 -136.7 ppm

-136.55

-136.53

-136.48

-136.46

-151.05 -151.10 -151.15 -151.20 -151.25 -151.30 -151.35 ppm

-151.28

-151.22

-151.16

-161.1 -161.2 -161.3 -161.4 -161.5 ppm

-161.40

-161.39

-161.37

-161.33

-161.32

-161.28

-161.26


2.2.2. Síntese da metaloporfirina [FeCl(TPFPP)]

A porfirina [FeCl(TPFPP)] foi sintetizada a partir de um tratamento ácido (HCl

5%) da metaloporfirina μ-O(FeTPFPP)2, [3] como está exposto no Esquema 2.4..

Esquema 2.4. Síntese da porfirina [FeCl(TPFPP)]

2.2.3. Caraterização das metaloporfirinas de Ferro (III)

2.2.3.1. UV-Vis

Os macrociclos porfirínicos possuem características fotofísicas muito

interessantes, logo, o cálculo da absortividade molar para cada banda do espectro de

absorção é fundamental para a caraterização dos diferentes macrociclos porfirínicos.

Neste sentido, foram preparadas soluções em clorofórmio ou metanol (dependendo da

solubilidade dos compostos) com concentrações entre 10-5M e 10-7M, e traçaram-se os

espectros de absorção UV-Visível com as respetivas absorvâncias de cada banda.

Através da aplicação da lei de Beer- ambert (A=εbc, onde “A” é a absorvância, “ε” é o

coeficiente de absortividade molar, “b” é o caminho ótico percorrido pela luz e “c” a

concentração da solução), representa-se num espectro a absorção em função da

concentração, Gráfico 2.1, e através do declive da reta determina-se o valor do

coeficiente de absortividade molar (ε) para as bandas Q e Soret.

O Gráfico 2.1 representa um exemplo selecionado das retas utilizadas na

determinação do ε para a banda Qx(0,0) da porfirina [FeCl(TPFPP)]. Todos os outros

valores de ε foram determinados de igual modo e apresentam-se na Tabela 2.1.


31

Gráfico 2.1. Gráfico de absorvância em função da concentração para a banda Soret (λ=406 nm) da porfirina

[FeCl(TPFPP)].

Os espectros de absorção e respetivas ampliações das bandas Q para as

porfirinas TPFPP, μ-O(FeTPFPP)2, e [FeCl(TPFPP)], encontram-se apresentados de

seguida (Figura 2.3-2.5):

Figura 2.3. Espetro UV-Vis da porfirina TPFPP, em metanol (1,38 x10-6M para a) e 1,1 x10

-5 M b)

Figura 2.4. Espetro UV-Vis da metaloporfirina da μ-O(FeTPFPP)2, em metanol (3,3 x10-6M )

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

320 420 520 620 720 820

Ab

s

λ (nm)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

400 500 600 700

Ab

s

λ (nm)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

320 420 520 620 720 820

Ab

s

λ (nm)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

400 450 500 550 600 650 700

Ab

s

λ (nm)

y = 59531x R² = 0.9924

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0.00E+00 2.00E-06 4.00E-06 6.00E-06 8.00E-06 1.00E-05 1.20E-05 1.40E-05 1.60E-05

Concentração (M)

Absorv

ância

a) b)


Figura 2.5. Espetro Uv-Vis da metaloporfirina [FeCl(TPFPP)], em metanol (8,57 x10-6M)

Tabela 2.1. Comprimento de onda do máximo de absorção e coeficientes de absortividade molar das metaloporfirinas

Analisando os espectros apresentados e a Tabela 2.1, confirma-se a

complexação, uma vez que se verifica a diminuição do número de bandas Q quando

se complexa a TPFPP com Fe3+. Em relação aos dois complexos de Fe3+ (monómero

e dímero) observa-se que não existe grande diferença no que toca ao comprimento de

onda, mas o complexo porfirínico dimérico (μ-O(FeTPFPP)2) apresenta coeficientes de

absortividade molar mais elevados para todas as bandas que o respetivo monómero

[FeCl(TPFPP)]. A diferença nos valores de coeficiente de absortividade molar poderá

dever-se ao facto da porfirina dimérica possuir dois anéis porfirínicos similares ao anel

monomérica, verificando-se um efeito aditivo para a forma dimérica.

Macrociclo Tetrapirrólico

(solvente)

Absorção λmáx[nm] (ε [M-1 cm

-1])

B(0,0) Qy(1,0) Qy(0,0) Qx(1,0) Qx(0,0)

TPFPP

(metanol)

409 (1,6 x 105)

505 (1,9 x 104)

533 (2,3 x 103)

580 (5,6 x 103)

654 (1,0 x 103)


(solvente)

Absorção λmáx[nm] (ε [M-1 cm

-1])

B(0,0) β α

μ-O(FeTPFPP)2

(metanol)

406 (1,7 x 105)

483 (2,5 x 104)

587 (1,7 x 104)

[FeCl(TPFPP)]

(metanol)

406 (5,9 x 104)

478 (7,8 x 103)

592 (4,8 x 103)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

320 420 520 620 720 820

Ab

s

λ (nm)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

400 500 600 700

Ab

s

λ (nm)


33

2.2.3.2. Cristalografia de Raios-X

A metaloporfirina [μ-O(FeTPFPP)2] foi inequivocamente confirmada a partir da

sua estrutura cristalina, Figura 2.6. A estrutura cristalina revelou duas unidades

catiónicas (FeTPFPP)+ unidas por um anião O2-, com um ângulo praticamente linear

(178.4), e uma distância entre iões de ferro de 3,5456 Å. A geometria de coordenação

mostra uma geometria piramidal quadrada ligeiramente distorcida, com a base a ser

formada por 4 átomos de azoto e o oxigénio na posição, axial. Todas as distâncias

entre Fe-N são muito próximas (de 2,085 a 2,103 Å), já a distância entre Fe-O tem um

comprimento de 2,103 Å.

Figura 2.6. Cristalografia de raios-X da metaloporfirina [μ-O(FeTPFPP)2]

Tabela 2.2. Dados da refinação do cristal de [μ-O(FeTPFPP)2]

Formula C88H16F40Fe2N8O

Mr 2071.95

Sistema cristalino Tetragonal

Grupo Espacial I41/a

a(Å) 26.3539(19)

b(Å) 26.3539(19)

c(Å) 30.877(3)

Α 90

Β 90

Γ 90

Volume (Å3) 21445(3)


A metaloporfirina [FeCl(TPFPP)] obtida a partir do tratamento com ácido da

metaloporfirina dimérica, foi também confirmada a partir da sua estrutura cristalina,

Figura 2.7. A estrutura cristalina revelou uma unidade catiónica (FeTPFPP)+ unida por

um anião Cl-. A geometria de coordenação mostra uma geometria piramidal quadrada

ligeiramente distorcida, com a base a ser formada por 4 átomos de azoto e o cloreto

na posição, apical. Todas as distâncias entre Fe-N são muito próximas (de 2,042 a

2,074 Å), enquanto a distância entre Fe-Cl é de 2,189 Å.

Figura 2.7. Cristalografia do monómero (esquerda) e tabela com os dados da refinação da estrutura cristalográfica da porfirina [FeCl(TPFPP)] (direita)

2.2.3.3. Espectrometria de massa

Ao analisar o espectro de massa representado na Figura 2.8, confirma-se a

presença da metaloporfirina μ-O(FeTPFPP)2. O ião molecular correspondente ao

composto μ-O(FeTPFPP)2 foi observado a m/z 2072.957. É de salientar a existência

de um ião a m/z 1027,978 com abundância mais significativa que o da metaloporfirina

dimérica. Este ião corresponde à metaloporfirina monomérica sem ligando axial e

deverá ser proveniente da fragmentação da metaloporfirina dimérica.

Formula C44H8ClF20FeN4

Mr 1062,9468

Sistema

cristalino

Monoclínico

Grupo

Espacial

P21/c

a(Å) 12.5466(12)

b(Å) 12.7414(11)

c(Å) 14.4458(12)

α 90.00

β 120.732(6)

γ 90.00

Volume (Å3) 1985.0(3)


35

Figura 2.8. Espetro MS-ESI + da μ-O(FeTPFPP)2, dissolvido em metanol

Ao analisar a Figura 2.9 verifica-se, para um valor m/z de 1027,971, a presença

do ião molecular correspondente à metaloporfirina monomérica sem o cloreto ligado

axialmente, que devido à técnica de ionização utilizada terá saído da esfera de

coordenação.

Figura 2.9. Espetro MS-ESI+ da [FeCl(TPFPP)], em metanol

2.3. Síntese de novas clorinas usando cicloadição 1,3-dipolar

Como foi introduzido no capítulo anterior, as porfirinas são compostos usados

em várias reações de cicloadição como dipolarófilos. Neste trabalho foi proposto a

reação da TPFPP com nitronas N-substituídas, em que o carácter dipolarófilo da

porfirina conjugado com o caráter 1,3-dipolar da nitrona, gerará novas clorinas

fundidas ao anel isoxazolidina.

PFTPP MeOH_1 #4-39 RT: 0.08-0.97 AV: 36 NL: 2.25E7T: FTMS + p ESI Full ms [400.00-3500.00]

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

m/z

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Relat

ive A

bund

ance

1027.97794

2072.95776

1365.31319

1690.42435 2312.18801685.43543

953.67532

3116.91842


2.3.1. Aspetos gerais sobre nitronas

As nitronas (N-óxidos de azometino), são 1,3-dipolos do tipo alilo, constituídos

por dois heteroátomos (N e O), e são representados pelas estruturas de ressonância,

presentes na Figura 2.20. A polarização do grupo N-óxido de azometino depende do

efeito mesomérico dos substituintes R1, R2 e R3, uma vez que, se por exemplo grupos

R2 e R3 forem atraidores de eletrões irão diminuir a densidade eletrónica do átomo de

carbono, aumentando as suas propriedades eletrofílicas.

Figura 2.10. Estruturas de ressonância das nitronas

As nitronas são uma classe de 1,3-dipolos que ao reagirem com alcenos ou

alcinos produzem isoxazolidinas e isoxazolinas, respetivamente. [4] As isoxazolidinas

têm provado ser muito úteis como percursores de um grande número de compostos

orgânicos [5], e a sua clivagem permite aceder a uma diversidade de compostos

atrativos, como 1,3-amino álcoois [6].

As nitronas especialmente aquelas que possuem grupos substituintes ligados

ao átomo de carbono, são na sua grande maioria compostos estáveis e fáceis de

purificar. Na literatura encontram-se descritos vários procedimentos para gerar

nitronas, como por exemplo: a condensação de compostos de carbonilo com N-

hidroxilaminas monossubstituídas [7, 8], a oxidação de aminas secundárias [8-10] ou

de N,N-hidroxilaminas dissubstituídas [11],e a alquilação de oximas [12].

Com o objetivo de estudar a influência dos grupos C-substituintes e dos grupos

N-substituintes na evolução da reação, realizaram-se alguns ensaios com nitronas

diferentes e com a TPFPP.

2.3.2. Reação de nitronas com TPFPP

Iniciou-se o estudo da reatividade de nitronas com porfirinas (este trabalho

sempre com a TPFPP) com a nitrona N-t-butil-C-piridilnitrona (Figura 2.11). Estas

nitronas são mais estáveis do que as nitronas apenas substituídas no azoto, e por isso

podem ser isoladas. Deste modo a nitrona foi obtida a partir da reação entre N-t-

butilidroxilamina), da piridina-4-carbaldeído e carbonato de potássio. O composto foi


37

isolado com bom rendimento, depois de ser submetido a um processo de filtração e

cristalização.

Figura 2.11. Nitrona N-t-C-piridilnitrona

O acoplamento da N-t-C-piridilnitrona à TPFPP foi testado em tolueno a 60˚C,

em atmosfera de azoto. Por TLC, observou-se que a reação não evoluía com o tempo

e que a nitrona permanecia intacta em solução, resistindo à temperatura utilizada. A

reação foi interrompida ao 4º dia, uma vez que não se vislumbrava nenhuma

alteração.

Para aferir se a falta de reatividade revelada entre a N-t-butil-C-piridilnitrona e a

TPFPP é devido à substituição no carbono da nitrona, ou devido a condições da

reação testou-se a reatividade de outras nitronas com a mesma porfirina em ambiente

similar.

2.3.3. Reação de nitronas N-substituídas com a TPFPP

Depois de se ter falhado na síntese de clorinas a partir da junção da porfirina

TPFPP com a nitrona substituída no azoto e no carbono, tentou-se a obtenção da

clorina fundida com nitronas N-substituídas.

O estudo foi feito com 3 nitronas diferentes: a N-t-butilnitrona, a N-benzilnitrona,

e a N-metilnitrona. Por serem instáveis, estas nitronas foram geradas in situ por adição

de paraformaldeído, carbonato de potássio e o correspondente cloreto de

hidroxilamónio.

No sentido de otimizar a reação começou-se por efetuar a adição de cloreto de

hidroxilamónio, um excesso de paraformaldeído e K2CO3 a uma solução de TPFPP,

em tolueno a 60 ºC, sob atmosfera inerte, Esquema 2.5. A reação foi monitorizada por

TLC. Ao fim de 4 h começaram a aparecer sinais indicativos de que se estava a formar

um derivado do tipo clorina. Tais sinais incluíram o aparecimento de uma pequena

mancha de cor verde na TLC. Com o intuito de forçar/otimizar a reação efetuaram-se

várias adições de cloreto de hidroxilamónio, paraformaldeído e K2CO3 até que após 36


h se deixou de observar evolução da reação. De acordo com os resultados obtidos,

constatou-se que nitronas N-substituídas reagem com a meso-tetraarilporfirina dando

origem a clorinas, bacterioclorinas e isobacterioclorinas.

Foram feitas reações a 40 ºC e a 80 ºC, mas estas revelaram-se bastante

piores, uma vez que a 40 ºC a reação não evoluiu e a 80 ºC também não apresentava

uma evolução tão significativa com a 60 ºC. Logo a temperatura é um parâmetro que

deve ser bem controlado visto ter grande influência na reação.

Esquema 2.5. Reação de cicloadição de PFTPP (dipolarófilo) e nitronas N-substituídas

Posteriormente, procedeu-se à purificação da mistura obtida por cromatografia

em coluna. O produto maioritário da reação, recolhido após ter sido eluída alguma

porfirina de partida que ficou por reagir, foi correspondente à clorina, responsável pela

absorção observada na zona dos 650 nm. Nas frações seguintes recolheram-se

frações minoritárias que correspondiam a bacterioclorinas e a isobacterioclorinas,

como os espectros de UV-Vis indicaram.

Com o cálculo do rendimento foi possível chegar à conclusão que o tipo de

substituição no azoto da nitrona influência bastante o rendimento da reação. Como

indica a Tabela 2.3, a nitrona que funciona melhor nesta reação 1,3-dipolar é a N-

metilnitrona, e a que funciona pior é a N-t-butilnitrona. Tais evidências levam à

conclusão que possivelmente existem fatores estereoquímicos que influenciam a

reação.

Das clorinas sintetizadas (1, 2 e 3) apenas a clorina 3 é referenciada na literatura

(apenas indicação da estrutura). [13] Logo, tanto a clorina 1, como 2, como todas as

clorinas derivadas destas 3 clorinas são compostos que ainda não se encontram

publicados.


39

Tabela 2.3. Rendimentos obtidos da reação da TPFPP com as nitronas N-substituídas

Clorina Rendimento

1 12%

2 55%

3 71%

2.3.2.1. Reação de cicloadição 1,3-dipolar entre nitronas e TPFPP complexada

No sentido de tentar otimizar a reação 1,3-dipolar expressa anteriormente foi

tentada a mesma reação apenas com a porfirina complexada com iões de metal de

zinco(II), magnésio(II) e ferro(III).

Tanto a complexação com iões de metal de baixa eletronegatividade (zinco,

magnésio) como de maior eletronegatividade (ferro) tendem a influenciar a reatividade

da porfirina [14], assim a reação de cicloadição 1,3-dipolar foi proposta nas mesmas

condições que no subcapítulo 2.3.2. mas com a TPFPP complexada.

A síntese da metaloporfirina de ferro(III) foi efetuada como está exposto no

sub-capitulo 2.1.2., já a síntese da metaloporfirina de zinco(II) foi sintetizada de acordo

com Silva e colaboradores [15], e a metaloporfirina de magnésio(II) foi sintetizada de

acordo com Lindsey e colaboradores. [16] As metaloporfirinas de ferro(III) foram

obtidas com um rendimento de 58%, já as de zinco(II) e magnésio(II) foram obtidas

com um rendimento de 96 e 20 %, respetivamente.

As reações de cicloadição 1,3-dipolares com as metaloporfirinas foram

realizadas exatamente da mesma forma que a reação 1,3-dipolar com a porfirina livre

e os resultados estão expostos na Tabela 2.4.

Tabela 2.4. Rendimento da cicloadição 1,3-dipolar com metaloporfirinas como dipolarófilos

Metaloporfirina Rendimento (clorina 3)

ZnTPFPP 26%

MgTPFPP 22%

[FeCl(TPFPP)] 0%

Como demonstra a Tabela 2.4, a reação 1,3-dipolar com metaloporfirinas não

foi mais eficaz do que a reação com a porfirina livre, uma vez que se obteve

rendimentos mais baixos com este tipo de dipolarófilos.


2.3.2.2. Reação de cicloadição 1,3-dipolar entre nitronas e TPFPP, através de

aquecimento por micro-ondas

A utilização da radiação de micro-ondas em síntese orgânica tem vindo a

aumentar anualmente, oferecendo uma alternativa promissora para as fontes de

aquecimento convencionais. [17, 18] O aquecimento de micro-ondas proporciona um

aquecimento mais eficiente já que este é gerado internamente por absorção direta da

radiação de micro-ondas por moléculas polares presentes na mistura reacional (por

exemplo solventes, reagentes e catalisadores).

A partir do eficiente aquecimento do micro-ondas, normalmente, obtém-se

tempos de reação menores, evita-se reações colaterais, e os rendimentos e

reprodutibilidade são melhores.[17]

O uso da radiação de micro-ondas na síntese de porfirinas data 1992, quando

foi realizada a condensação entre benzaldeído e pirrol num aparelho monomodo na

presença de sílica gel, obtendo-se o macrociclo com rendimento de 9,5%.[19]

Atualmente a síntese de porfirinas por micro-ondas é muito utilizada, como

comprova a literatura,[18, 20, 21] uma vez que o tempo de reação mais curto e os

rendimentos obtidos justificam o seu uso como uma alternativa eficiente à metodologia

tradicional (banho de óleo).

Com o objetivo de obter melhores resultados e principalmente menos tempo de

reação, a reação 1,3-dipolar entre nitronas e a porfirina foi testada com radiação

micro-ondas.

Inicialmente a reação foi testada num aparelho de micro-ondas sem sistema de

arrefecimento, com os mesmos parâmetros (temperatura, quantidade de reagentes)

que no sistema convencional, com a N-metilidroxilamina, mas com 30min de reação.

No final do tempo de reação o sistema reacional foi controlado por TLC, e conclui-se

que tinha evoluído tão pouco que não fazia sentido purificar. De seguida fizeram-se

novas reações com solventes diferentes (metanol e diclorometano) mas os resultados

voltaram a mostrar muito pouco produto (inferior a 5%). No decorrer dessas reações

observou-se que, para se manter uma temperatura de 60ºC, o aparelho de micro-

ondas sem sistema de arrefecimento trabalhava grande parte do tempo a valores de

potência inferior a 10 W ou seja, trabalhava com potências muito baixas, por vezes

mesmo nulas, o que nos permite concluir que nestas condições não estávamos a tirar

partido da radiação de micro-ondas.

Numa fase posterior, realizaram-se novos testes reacionais num aparelho de

micro-ondas que possui um sistema de arrefecimento e que permite trabalhar a

valores de potência mais elevados (130-150 W) com arrefecimento simultâneo de

forma a manter a temperatura sempre relativamente baixa (60-80ºC).Usando as


41

mesmas quantidades molares dos reagentes, tolueno como solvente (2mL), e fazendo

mais 3 adições em intervalos de 15 minutos, conseguiu-se obter melhores

rendimentos para a síntese da clorina 3, como demonstra a Tabela 2.5.

Tabela 2.5. Efeito a temperatura/potência no rendimento da clorina 3

Como está presente na Tabela 2.5, foi feito um estudo em que se queria

perceber a influência da potência na evolução da reação. Mesmo com um sistema de

refrigeração foi impossível, a 60 ºC, obter uma potência média acima de 130 W, por

isso subiu-se um pouco a temperatura para se obter potências mais elevadas. Estes

dados vêm comprovar que a síntese com rendimentos minimamente aceitáveis é

possível, e que a potência da radiação tem um papel fundamental, uma vez que, se o

sistema não estiver sob uma potência de radiação alta (130–150 W) a reação

praticamente não irá ocorrer. Também se experimentou mudar o solvente do sistema

(de tolueno para metanol ou dicloroetano) ou diluir/concentrar o meio reacional, mas

obteve-se sempre resultados muito desencorajadores (pouco produto). A capacidade

de uma dada substância converter energia em calor é determinada por tan δ,

grandeza que está directamente relacionada com a constante dielectrica (ε) do

material. O tolueno (tan δ= 0,040) revelou-se como o melhor solvente porque

suportava e mantinha potências mais altas, visto ter a constante dielétrica mais baixa

que o metanol (tan δ= 0,659) e o diclorometano (tan δ= 0,042). [22]

Embora em termos de rendimento a reação num sistema convencional seja

mais interessante, foi demonstrado que é possível sintetizar a clorina 3 em 45 minutos,

num sistema de micro-ondas com potência elevada (maior que 100 W).

Além da clorina 3, também se tentou sintetizar a clorina 2 pelo método de

micro-ondas, mas a formação de uma quantidade muito pequena de produto (apenas

visível na lâmpada de UV) indicou que era uma síntese com um rendimento muito

baixo.

Temperatura / Potência Rendimento

60 ºC / 130 W 17 %

70 ºC / 140 W 21 %

80 ºC / 150 W 17 %


2.3.4. Metilação da clorina 3

A fusão de porfirinas com nitronas permitiu não só introduzir propriedades

fotofísicas interessantes, do ponto de vista da absorção no UV-Vis, como também

introduzir propriedades químicas que podem ser de grande utilidade para a

funcionalização posterior dos macrociclos.

Tirando partido do facto do grupo amina da nitrona ser um nucleófilo forte,

suscetível de participar em reações de alquilação, promoveu-se a metilação da clorina

3.

A reação foi realizada em tolueno a 40 ºC, na presença de um grande excesso

de iodeto de metilo, sob atmosfera inerte. O respetivo produto metilado, clorina 3.1, foi

obtido com um rendimento de 17 %.

Figura 2.12. Síntese da clorina 3.1

2.3.5. Hidrogenação da clorina 3

Testou-se a hidrogenação da clorina 3, na espectativa de clivar o anel

isoxazolidina e obter um sistema contendo por uma amina secundaria e um grupo

hidroxilo.

Inicialmente usou-se um método convencional, em que se utiliza atmosfera de

hidrogénio e um catalisador heterogéneo Pd/C, num sistema a pressão de 4 bar. A

reação foi controlada por TLC às 3 horas de reação, e às 6 horas de reação. Notou-se

que a partir da 6º hora a reação não evoluiu mais e por isso filtrou-se o catalisador e

separou-se os produtos da clorina inicial (clorina 3) por cromatografia preparativa.

Após terem sido separados, os produtos da reação foram analisados por UV-

Vis e chegou-se a conclusão que a reação foi pouco seletiva uma vez que nenhum

dos produtos eram clorinas. Um dos produtos era bacterioclorina e outro era

isobacterioclorina, como confirma a Figura 2.13. Este resultado revela que o método

utilizado proporciona a redução de ligações duplas do macrociclo porfirínico

conduzindo essencialmente à síntese de bacterioclorinas e isobacterioclorinas.


43

Figura 2.13. Espetro UV-Vis da fração bacterioclorina (esquerda) e isobacterioclorina (direita)

Como a hidrogenação a partir do uso de H2 gasoso foi um processo muito

pouco seletivo tentou-se a clivagem do anel isoxazolidina através da geração de

hidrogénio in situ alcançado por reação de ciclohexeno em Pd/C usando aquecimento

por radiação de micro-ondas. Recentemente tem havido uma série de trabalhos que

utilizam o aquecimento por micro-ondas e condições de transferência de hidrogênio

como uma alternativa à hidrogenação convencional, utilizando atmosfera de

hidrogênio. [23, 24]

Seguindo os passos de Kappe et al. [25], a síntese da clorina 3.2 foi realizada

em etanol, na presença de ciclohexeno (72 equivalentes), uma quantidade catalítica

de Pd/C a 130 ºC, durante 10 min.

Embora se esperasse uma clorina com um grupo amino (amina secundária) e

um grupo hidroxilo, na hidrogenação tal produto não foi obtido. Como está explicito no

Esquema 2.6, a clorina 3.2 é obtida após a clivagem da ligação azoto-oxigénio da

isoxazolidina, posteriormente à clivagem forma-se outro anel heterocíclico de 7 lados

em que o átomo de azoto que outrora fazia parte do grupo isoxazolidina substitui um

flúor em orto do grupo arilo adjacente.

Esquema 2.6. Síntese da clorina 3.2

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

300 500 700

Ab

s

λ (nm)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

300 500 700

Ab

s

λ (nm)


2.3.6. Metilação da clorina 3.2

Após a abertura do anel da isoxazolidina, promoveu-se a metilação desta

clorina (clorina 3.2).

A reação foi realizada em THF seco, com NaH (15 equivalentes) e largo

excesso de CH3I, sob atmosfera inerte durante 3 horas. Após as 3 horas parou-se a

reação e por controlo em TLC visualizou-se 2 novos produtos. Os produtos foram

separados por cromatografia de camada fina preparativa e foram identificados como

sendo clorina 3.2.1 e clorina 3.2.2.

Esquema 2.7. Síntese das clorinas 3.2.1 e 3.2.2

A clorina 3.2.1 resulta da metilação do grupo OH da clorina 3.2 e foi obtida com

um rendimento de 16%. Já a clorina 3.2.2 foi o produto maioritário da reação e foi

obtida com um rendimento de 67%. Provavelmente resultante do uso de um excesso

de NaH, a clorina 3.2.2 é caraterizada por possuir um anel de 7 lados, fruto da

substituição do flúor do grupo arilo adjacente pelo azoto da amina secundária,

proveniente da clorina 3.2 e um outro anel 2H-pirano resultante da reação de

substituição aromática nucleofílica do átomo orto-F com o alcóxido formado a partir do

álcool em meio alcalino. Este grupo de clorinas (3.2, 3.2.1 e 3.2.2) além de serem

novos macrociclos porfirínicos, possuem um heterociclo de 7 lados fundidos nas

posições meso-arilo e β-pirrólica, característica muito rara no “mundo” das porfirinas.


45

2.3.6. Caraterização estrutural das clorinas sintetizadas

As estruturas das clorinas sintetizadas durante a realização deste trabalho são

apresentadas na Anexo A2

2.3.6.1. Espetroscopia de UV-VIS

Os espectros de UV-Vis de todas as clorinas são muito similares entre si,

apresentando uma banda de absorção intensa na região dos 650 nm, banda esta que

é característica dos macrociclos do tipo clorina.

Analisando os espetros, obtivemos 5 espetros de UV-Vis de clorina bastante

semelhantes (clorinas 1, 2, 3, 3.2 e 3.2.1). Como exemplo a Figura 2.14 apresenta

apenas espetro da clorina 3. Na Figura 2.15 2 2.16 apresentam-se os espetros de

clorinas um pouco diferentes (clorina 3.1 e 3.2.2).

Figura 2.14. Espetro UV-Vis da clorina 3 (4,8 x10-6

M), em clorofórmio

Figura 2.15. Espetro UV-Vis da clorina 3.1 (6.2 x10-6

M), em metanol

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

300 350 400 450 500 550 600 650 700

Ab

s

λ (nm)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

450 500 550 600 650 700

Ab

s

λ (nm)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

300 350 400 450 500 550 600 650 700

Ab

s

λ (nm)

0

0.05

0.1

450 500 550 600 650 700

Ab

s

λ (nm)


Figura 2.16. Espetro UV-Vis da clorina 3.2.2 (7,24 x10-6

M), em metanol

Tabela 2.6. Comprimento de onda do máximo de absorção e coeficientes de absortividade molar das clorinas

Analisando os espectros apresentados e a Tabela 2.6, verifica-se que todos os

compostos denominados clorinas, são efetivamente clorinas uma vez que possuem a

banda Q na zona dos 650 nm mais intensa que as outras 3 bandas Q. Essa maior

intensidade é destacada pelo maior coeficiente de absortividade molar presente na

Tabela 2.6.

Quase todas as clorinas apresentam as bandas características em

comprimentos de onda similares excetuando a clorina 3.1 e a clorina 3.2.2. A clorina


(solvente)

Absorção λmáx[nm] (ε [M-1

cm-1

]) B(0,0) Qy(1,0) Qy(0,0) Qx(1,0) Qx(0,0)

TPFPP (metanol)

409(1,6 x 10

5)

505(1,9 x 10

4)

533(2,3 x 10

3)

580(5,6 x 10

3)

654(1,0 x 10

3)

Clorina 1 (clorofórmio)

407 (8,3 x 10

4)

505 (8,3 x 10

3)

530 (2,9 x 10

3)

596 (2,6 x 10

3)

649 (1,8 x 10

4)


404 (1,4 x 10

5)

502 (1,3 x 10

4)

529 (4,0 x 10

3)

595 (3,7 x 10

3)

649 (3,6 x 10

4)


404 (1,6 x 10

5)

503 (1,1 x 10

4)

530 (2,7 x 10

3)

600 (3,4 x 10

3)

650 (4,0 x 10

4)

Clorina 3.1 (metanol)

420 (6,2 x 10

4)

509 (5,2 x 10

3)

552 (2,0 x 10

3)

595 (2,2 x 10

3)

650 (6.0 x 10

3)

Clorina 3.2 (metanol)

403(5,5 x 10

4)

501(5,6 x 10

3)

530 (3,0 x 10

3)

595 (2,9 x 10

3)

652 (1,4 x 10

4)

Clorina 3.2.1 (metanol)

405 (1,0 x 10

5)

499 (7,6 x 10

3)

529(4,0 x 10

3)

591 (2,1 x 10

3)

652 (2,4 x 10

4)

Clorina 3.2.2 (metanol)

418 (8,2 x 10

4)

512 (3,7 x 10

3)

550 (6.7 x 10

3)

602 (1,2 x 10

3)

664 (1,7 x 10

4)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

300 350 400 450 500 550 600 650 700

Ab

s

λ (nm)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

450 500 550 600 650 700

Ab

s

λ (nm)


47

3.1, possivelmente por ser uma clorina catiónica, sofre um deslocamento batocrómico

(para maiores comprimentos de onda) e não tem a banda Qx(0,0) com uma

absortividade tão alta como as outras clorinas. Já a clorina 3.2.2. também sofre um

deslocamento batocrómico, possivelmente por introduzir grandes mudanças na

periferia (criação de dois anéis por substituição de átomos de flúor), destacando-se os

desvios de planaridade e o elevado grau de assimetria, que geralmente está

associado a alterações nos espetros de absorção. [26]

2.3.6.2. Espectroscopia de RMN de 1H

Clorinas com anéis isoxazolidina não substituídos em C-31 obtidas a partir de

N-alquilnitronas, dão origem a espectros de RMN de 1H relativamente simples. Deste

modo as clorinas 1, 2, 3 apresentam tipicamente, na zona alifática, um multipleto entre

δ -2,20 e -1,87 ppm, correspondente aos dois protões NH, dois multipletos entre δ

2,956 e 4,96 ppm correspondentes aos protões H-31cis e H-31trans, um multipleto

entre δ 5,30 e 5,50 ppm correspondente ao protão H-3 e um dupleto na zona dos δ

6,80 ppm (J 7,6 Hz) correspondente ao protão H-2. O protão H-2 surge mais

desprotegido do que H-3 uma vez que está mais próximo do átomo de oxigénio (mais

eletronegativo) do anel isoxazolidina. Na zona aromática destacam-se os sinais entre

δ 8,37 e 8,87 ppm, correspondentes aos seis protões β-pirrólicos do macrociclo

tetrapirrólico. A grande diferença nos espetros entre as clorinas 1-3 é o sinal dos

protões do grupo R. Assim a clorina 3 apresenta um singleto a δ 2,58 ppm, atribuído

aos protões do grupo –CH3, Figura 2.18, já a clorina 2 apresenta 1 multipleto a δ 3.79-

3.96 ppm correspondente aos protões do grupo CH2, e 2 multipletos a δ 7,00-7,05 ppm

correspondentes aos protões orto do grupo fenilo e a δ 7,14-7,21 que correspondem

aos protões meta e para do grupo fenilo. O espetro de RMN de 1H para a clorina 1 não

é muito claro no que toca aos protões do grupo substituinte (terc-butilo), uma vez que

o sinal referente a este grupo deve-se encontrar sobreposto com o sinal referente à

água do CDCl3.


Figura 2.17. Clorina 3 com os carbonos da isoxazolidina identificados

Figura 2.18. Espetro de RMN de 1H da clorina 3, em CDCl3

A identificação dos sinais referentes aos protões do grupo isoxazolidina,

também foi confirmada pelo espetro de COSY (Figura 2.19), onde se observou o

acoplamento entre H-2 e H-3, e acoplamento entre H-3 e apenas um dos sinais H-31, a

2,91-3,03 ppm, atribuído a H-31cis. A ausência de acoplamento entre H-3 e o outro

sinal H-31, a 3,43-3,52 ppm, é indicativo de que existe um ângulo diedro entre eles de

90º, compatível com a configuração trans em torno de H-3 e H-31.

-2-19 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm

-1.908

0.871

0.889

0.905

1.271

1.289

1.309

1.324

1.534

2.358

2.514

2.579

2.956

3.473

5.300

5.330

6.788

6.807

6.996

7.139

7.140

7.158

7.163

7.164

7.166

7.168

7.177

7.184

7.238

7.243

7.260

7.270

7.274

7.519

8.401

8.516

8.744

2.000

2.971

0.801

0.764

0.804

0.963

1.011

3.016

2.002

H-2

H-3

H-31

trans

H-31

cis NH

H-β

H-β

H-β CH3


49

Figura 2.19. Espetro de COSY da clorina 3, em CDCl3

Comparando os espetros de RMN de 1H entre a porfirina de partida (TPFPP),

clorina 3 e clorinas 3.2 e 3.2.2 (Figura 2.20), o aumento da assimetria dos compostos

porfirínicos e a ligeira distorção do macrociclo é por demais evidente a partir da análise

dos protões internos NH. Como demostra a Figura 2.20, a clorina 3 apresenta os

protões internos NH menos protegidos devido à redução do fluxo da corrente

eletrónica do macrociclo. Esta evidência é justificada pela ligeira torção que o

macrociclo sofre com a anexação da isoxazolidina. As clorinas seguintes (3.2 e 3.2.2)

apresentam esta ocorrência ainda mais patente uma vez que o sinal singleto é

“transformado” em dois sinais singleto. Com resultado das transformações realizadas

para se formar as clorinas 3.2 e 3.2.2 apresentam maior assimetria e o macrociclo

ficou algo torcido o que provocou um deslocamento do sinal dos protões internos NH

para deslocamentos químicos maiores (na zona dos δ -1 ppm, no caso da clorina

3.2.2), e o aparecimento de um sinal para cada protão amínico.

As modificações nas clorinas, a partir da clorina 3, também são bastante

evidentes através dos sinais dos protões β-pirrólicos. Se a clorina 3 possui três grupos

de sinais na zona aromática entre δ 8,40 e 8,777 ppm, a clorina 3.2 possui 5 grupos de

sinais entre δ 8,41 e 8,76 ppm, dos quais 4 são dupletos (J 4,8) e um é multipleto, que

integram em ambos os ciclos para 6 protões. Já a clorina 3.2.2, fruto da maior

assimetria, possui ainda maiores diferenças, uma vez que possui 4 sinais entre δ 8,42

e 8,86 ppm que também integram para 6 protões, que surgem como 1 duplo dupleto (J

8,8 e 4,4), 1 dupleto (J 4,4) e dois multipletos.

H-2 H-3

H-31

trans

H-31

cis

H-2

H

-3

H-3

1

trans H

-31

cis

H-β H-β

CH3

H-β

CH

3


Em relação aos sinais derivados da isoxazolidina entretanto clivada, todos os

sinais se mantêm embora tenham sofrido alguns desvios. Os dois multipletos

correspondentes aos protões H-31cis e H-31trans e o dupleto correspondente ao grupo

–CH3 sofreram um deslocamento para desvios químicos maiores pela maior

proximidade que terão com o grupo fenilo da posição meso do macrociclo. O

multipleto correspondente ao protão H-3 surge ligeiramente mais protegido, para

ambas as clorinas. Já o sinal correspondente ao protão H-2 (multipleto para clorina 3.2

e dupleto para clorina 3.2.2) surge um pouco mais desprotegido na clorina 3.2 fruto da

clivagem da ligação N-O da isoxazolidina, que origina o grupo hidroxilo diretamente

ligado ao carbono do protão H-2, situação que na clorina 3.2.2 já não acontece devido

à fração do anel 2H-pirano, que provoca que o desvio químico do sinal relativo ao

protão H-2 seja muito semelhante ao da clorina 3.

Figura 2.20. Comparação dos espetros de RMN de 1H da porfirina TPFPP, clorina 3, 3.2, 3.2.2, em CDCl3

A clorina catiónica 3.1 apresenta um espetro de RMN de 1H com os sinais

típicos das clorinas com um grupo isoxazolidina, Figura 2.21. A principal diferença

entre o espetro de RMN de 1H da clorina 3.1 e o espetro da clorina percursora (clorina

3) recai sobre o aparecimento de 2 singletos a 3,26 e 4,22 ppm, correspondendo à

ressonância dos 2 grupos metilo da amina quaternária.

-2-19 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm

TPFPP

Clorina 3

Clorina 3.2

Clorina 3.2.2


51

Figura 2.21. Espetro de RMN de 1H da clorina 3.1, em CDCl3

O espetro de COSY (Figura 2.22) veio confirmar a metilação uma vez que

mostra ligeiras alterações nos acoplamentos. Ao contrário da clorina 3, o H-3 da

clorina 3.1 possui acoplamento com ambos os protões H-31. Esta evidência indica que

existem diferenças nos ângulos diedros do grupo –CH2, diferenças essas provocadas

pela efeito estereoquímico do grupo metilo adicionado. É de salientar que, como a

análise, para a clorina 3.1, por COSY foi realizada em metanol deuterado e a análise

de RMN de 1H foi realizada em clorofórmio deuterado os espetros resultantes

apresentam os sinais com alguma diferença em relação ao deslocamento químico.

Figura 2.22. Espetro de COSY da clorina 3.1, em MeOD

-2-19 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm

-2.240

-2.192

0.071

0.868

0.885

0.902

0.995

1.267

1.286

1.305

1.321

1.541

2.356

2.788

2.882

2.955

3.063

3.155

3.257

4.019

4.036

4.048

4.065

4.125

4.216

6.050

6.053

6.079

6.615

6.633

6.996

7.236

7.260

7.519

7.600

7.621

8.504

8.517

8.527

8.539

8.564

8.575

8.585

8.596

8.831

2.0

0

3.0

7

1.1

2

3.0

5

0.9

6

0.9

6

0.9

8

4.2

2

2.3

0

ppm

2.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.09.5 ppm

3

4

5

6

7

8

9

H-2 H-3

H-31-trans

H-31-cis

H-2

H

-3

H-3

1-

trans

H-3

1-

cis

H-β

H-2 H-3

CH3 CH3

H-31

H-31

NH

CH3 CH3

H-β H-β

H-β

CH

3 C

H3


O perfil espetral da clorina 3.2.1 é bastante coincidente com o da clorina 3.2 o

que já era espectável, uma vez que de uma clorina para a outra o grupo hidróxilo foi

desprotonado formando o respetivo alcóxido que, com a metilação, resultou no grupo

metoxilo. Em relação aos protões internos NH e aos seis protões β-pirrólicos não

existe grande diferença em relação às duas clorinas (3.2 e 3.2.1), em relação aos

sinais derivados da isoxazolidina, eles mantêm-se embora com algumas alterações

nos desvios químicos. Se os sinais correspondentes aos protões H-31cis e H-31trans e

ao protão H-3 se mantêm com desvios químicos similares, o dupleto referente ao H-2

encontra-se mais protegido, fruto da metilação no oxigénio. Todos os dados de RMN

de 1H das clorinas sintetizadas encontram-se apresentados na Tabela 2.7.

Tabela 2.7. Dados de RMN de 1H das clorinas sintetizadas durante este trabalho

Clorina

(solvente)

H- β-pirrólicos β-H [C(sp3)] CH2 Grupo R NH

1

(CDCl3)

8,47-8,48 (d; J 4; 1H)

8,57-8,62 (m; 3H)

8,85-8,87 (m; 2H)

5,25-5,35 (m;

1H; H-3), 6,70-

6,80 (m; J 7.6;

1H; H-2)

3,20-3,30 (m; 2H;

H-31cis)

4,79-4,96 (m; 2H;

H-31trans),

1,55-1,60 (sinal

sobreposto com

sinal da água do

CDCl3; 9H;3x CH3)

-2,20 -

2,17 (m)

2

(CDCl3)

8,43 (d; J 4,4; 2H)

8,50 (d, J 4,4; 1H)

8,51 -8,57 (m; 1H)

8,77 (d; J 4,4; 2H)

5,40-5,51 (m;

1H; H-3),

6,82 (d; J 7,6;

1H; H-2),

3.11-3.51 (m, 2H,

H-31)

3.79-3.96 (m, 2H,

CH2);

7,00-7,05 (m; 2H;

Horto-Ph),

7,14-7,21 (m; 3H;

Hmeta+para-Ph),

-2.12 -

1.93 (m)

3

(CDCl3)

8,37-8,43 (m; 1H)

8,52 (br s; 3H)

8,72-8,77 (m; 2H)

5,30-5,38 (m;

1H; H-3),

6,80 (d; J 7,6;

1H; H-2)

2,91-3,03 (m; 1H;

H-31cis),

3,43-3,52 (m; 1H;

H-31trans)

2,58 (s; 3H; CH3), -1,97 -

1,86 (m)

3.1

(CDCl3)

8,50-8,59 (m; 4H)

8,82-8,85 (m; 2H)

6.60-6.65 (m,

1H, H-3),

7.61 (d, J 8.4,

1H, H-2)

4.04 (dd, J 4.8 e

6.8, 1H, H-31);

4.88-4.93 (m, 1H,

H-31)

3.26 (s, 3H,

N+(CH3)2);

4.22 (s, 3H,

N+(CH3)2)

-2,19 (s)

-2,24 (s)

3.2

(CDCl3)

8,41, 8,47, 8.49 e 8,69

(4d; J 4,8; 4H)

8,74-8,76 (m; 2H)

4.80-4.87 (m,

1H, H-3),

6.99 (d, J 8.4,

1H, H-2)

3.73 (dd, J 12.8

and J 10.4 H-31cis),

4.01 (dd, J 10.4

and J 6.8 H-31trans)

2.93 (d, J 6, 3H,

NCH3)

-1.81 (s)

-1.68 (s)

3.2.1

(CDCl3)

8,41 (d; J 4,4; 1H)

8,49 (d; J 8,8 e 4,4; 2H)

8,67 (d; 4,4; 1H;)

8,70-8,80 (m; 2H);

4,70-4,80 (m;

1H; H-3),

6,42 (d; J 8,4;

1H; H-2)

3,7 a 3,8 (m; 1H;

H-31cis),

3,85 a 3,95 (m;

1H; H-31trans),

2.86 (d, J 6, 3H,

NCH3)

-1,88 (s)

-1,75 (s)

3.2.2

(CDCl3)

8,42 (dd; J 8,8 e 4,4; 2H)

8,59 (d; J 4,4; 1H)

8,63-8,67 (m; 2H)

8,83-8,86 (m; 1H)

5,05-5,11 (m;

1H; H-3),

6,72 (d; J 9,2;

1H; H-2)

3,54 a 3,60 (m;

1H; H-31cis),

4,21 (dd; J 10 e

6,4; 1H; H-31trans))

2.50 (d, J 5.6, 3H,

NCH3)

-1,03 (s)

-0,93 (s)


53

2.3.6.3. Espectroscopia de RMN de 19

F

Os espetros de RMN de 19F também foram fundamentais para confirmar as

estruturas das clorinas sintetizadas (Figura 2.23). Como já foi descrito, a porfirina

TPFPP apresenta um espetro de RMN de 19F com três sinais distintos para os 8

átomos de flúor na posição orto, 4 átomos de flúor na posição para e os 8 átomos de

flúor na posição meta dos 4 grupos pentafluorofenilo do macrociclo porfirínico.

Em relação à clorina 3, no espetro de RMN de 19F observa-se que os sinais

devidos aos 8 átomos o-F são representados por 5 sinais. Os sinais devidos aos

átomos p-F são representados por três tripletos. Já os 8 meta-F surgem como 1 duplo

tripleto e 5 multipletos a valores de desvios químicos mais negativos. A clorina 3.1

possui um espetro de RMN de 19F muito similar ao da clorina 3.

Em relação às clorinas derivadas da clorina 3, a espetroscopia de RMN de 19F

teve muita importância na identificação das estruturas, principalmente das clorinas

com novos heterociclos (clorina 3.2, 3.2.1 e 3.2.2).

Fruto do anel de 7 lados formado entre o átomo de azoto e o carbono orto do

grupo fenilo adjacente a clorina 3.2 e suas derivadas, possuem menos um flúor que a

clorina precedente (clorina 3). Com esta mudança estrutural é possível aferir que a

zona dos o-F integra para 7 átomos de flúor, na clorina 3.2. O sinal a desvio químico

mais negativo (-140,14 ppm) deverá corresponder ao sinal (duplo dupleto; J 22,6 e

7,5) do átomo de flúor na posição 56 do grupo fenilo diretamente ligado à amina β-

pirrólica. Os restantes átomos de flúor deste grupo fenilo distribuem-se a -150,15 ppm

(duplo dupleto; J 22,6 e 7,5) para o flúor na posição 53, a -154,3 ppm (duplo dupleto; J

22,6 e 18,8) para o flúor na posição 54, e a -162,8 ppm (duplo dupleto; J 22,6 e 18,8)

para o átomo de fluor na posição 55. Esta atribuição está de acordo com os valores de

desvio químico descritos para anéis fluorados de clorinas β-meso fundidas

análogas.[27]

A clorina 3.2.1 como possui uma estrutura muito parecida com a clorina 3.2,

possui um espetro de RMN de 19F bastante similar ao da clorina 3.2.

Já a clorina 3.2.2 devido à existência do anel 2H-pirano, possui menos outro

átomo de flúor (passa a possuir 18 átomos de flúor nos grupos fenilo das posições

meso). Este novo anel além de causar as diferenças no espetro de RMN de 19F do

ponto de vista da integração dos sinais, visto a integração total ser 18, também

provoca mudanças na multiplicidade e deslocamento dos sinais.


Figura 2.23. Comparação dos espetros de RMN

19F da porfirina TPFPP, clorina 3, 3.2, 3.2.2, em CDCl3 (excepto

clorina 3 que é em metanol)

2.3.6.4. Espectrometria de Massa

Os espectros de massa foram obtidos em ESI+, tendo-se obtido os valores

esperados para os diferentes compostos obtidos. Como esperado, a clorina 3

apresentou o pico do ião molecular a m/z 1034,100 (M+H), Figura 2.24.

Figura 2.24. Espetro de massa ESI+, em metanol, da clorina 3

-135 -140 -145 -150 -155 -160 -165 ppm

Clorometil_20140317 #42-72 RT: 1.73-2.77 AV: 23 NL: 5.32E6T: FTMS + c ESI Full ms [150.00-2000.00]

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

m/z

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

Rel

ativ

e A

bund

ance

1034.10025

711.57270

353.26512

683.54154739.60386 1173.16395

316.31995 554.54876

1392.40832975.04468522.59527 802.51481239.16104

619.52516

1630.636811214.09995

1072.05557

1880.47480

Clorometil_20140317 #43-72 RT: 1.73-2.77 AV: 23 NL: 5.32E6T: FTMS + c ESI Full ms [150.00-2000.00]

1025 1030 1035 1040 1045 1050 1055 1060

m/z

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

Relative

Abundan

ce

1034.10025

1035.10297

1036.10623

1033.09382 1037.10956 1056.081061043.74011 1048.11458 1059.714111051.097671040.796881030.022341025.10205

TPFPP

Clorina 3

Clorina 3.2

Clorina 3.2.2

para orto meta

1034.10025

1035.10297

1036.10623


55

A EM-ESI+ foi também uma técnica usada para caraterizar e confirmar a

estrutura dos derivados da clorina 3. O espetro de massa da clorina catiónica 3.1

apresenta o pico do ião molecular a m/z 1048,118, confirmando a sua estrutura.

Já a estrutura da clorina 3.2 também foi confirmada pelo espectro de massa

apresentando um pico do ião molecular a m/z 1016,112 (M+H)+. O fragmento a m/z

998,124 (M+H)+, foi de extrema importância para confirmar a estrutura da clorina 3.2,

uma vez que este fragmento indicia a perda de uma molécula de H2O, o que prova a

existência do grupo hidroxilo, que durante a ionização protonou e posteriormente levou

à desidratação com a regeneração da ligação dupla, formando o fragmento indicado

pelo sinal a m/z 998,124 (M+H)+.

Figura 2.25. Espetro de massa ESI+, em metanol, da clorina 3.2

A caraterização por espetrometria de massa também foi fundamental na

confirmação da estrutura das clorinas 3.2.1 e 3.2.2. Assim o pico do ião molecular da

clorina 3.2.1 é a m/z 1030,131 (M+H)+,Figura 2.26, e para a clorina 3.2.2 é a m/z

996,108 (M+H)+.

31_MeOHFA_3 #1-22 RT: 0.00-1.00 AV: 22 NL: 1.14E7T: FTMS + p ESI Full ms [150.00-1500.00]

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

m/z

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Re

lative

Ab

un

da

nce

1016.11158

260.12782353.26585

554.55003408.19123 998.12410711.57427 1353.447781196.11251

1046.12089

811.41809


Figura 2.26. Espectro de massa ESI+, em metanol, da clorina 3.2.1

2.3.6.5. Cristalografia de Raios-X

As propriedades físicas e químicas de um determinado material dependem

intrinsecamente da maneira como os átomos estão arranjados nesse material, ou seja

da sua estrutura atómica e molecular. Deste modo, a técnica de difração de raios-X é

uma técnica eficiente para a determinação da estrutura molecular no estado sólido.

Durante o trabalho, conseguiu-se obter cristais das clorinas 3 e 3.2.2, a partir

de uma cristalização lenta num solvente que normalmente consistia numa mistura de

diclorometano e hexano.

Em relação à clorina 3 a análise por difração de raios-X do monocristal mostra

o macrociclo porfirínico ligeiramente distorcido, como indicia o deslocamento dos

desvios químicos dos protões dos azotos centrais, provocado pela inserção do anel

isoxazolidina na periferia, Figura 2.27 e Figura 2.28. O anel isoxazolidina é um anel

com medidas regulares, com uma distância entre átomos que varia entre 1,510 Å e

1,462 Å, e uma distância entre o átomo de azoto com o carbono do grupo fenilo mais

próximo e entre o átomo de oxigénio e o carbono do grupo fenilo mais próximo é de

4,768 Å e 3,139 Å respetivamente.

R52_F2 #144-153 RT: 2.17-2.31 AV: 10 NL: 9.43E6T: FTMS + c ESI Full ms [500.00-2000.00]

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

m/z

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

Rela

tive

Abun

danc

e

1030.13138

619.52847

589.39818

647.55996

996.10994

696.65137 1176.11152

1216.07093803.54550 934.88368 1122.02101 1653.409641430.35648 1802.44851 1949.483491566.39109

R52_F2 #170-176 RT: 2.57-2.63 AV: 5 NL: 1.32E7T: FTMS + c ESI SIM ms [1005.00-1055.00]

1005 1010 1015 1020 1025 1030 1035 1040 1045 1050 1055

m/z

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

Relati

ve Ab

undanc

e

1030.12583

1031.12841

1032.13152

1006.87167

1009.80564 1043.740031015.71355 1033.134831029.11852 1037.832151022.77141 1047.122181041.72338 1052.10530


57

Figura 2.27. Estrutura obtida por cristalografia de raios-X da clorina 3

Figura 2.28. Estrutura obtida por cristalografia de raios-X da clorina 3 e distâncias entre alguns átomos


Tabela 2.8. Dados da refinação do cristal da clorina 3 (direita) e da clorina 3.2.2 (esquerda)

A clorina 3.2.2 apresenta uma estrutura cristalina em que o macrociclo

tetrapirrólico está muito mais distorcido que todas as outras clorinas, Figura 2.29 e

Figura 2.30. Esta acentuada distorção, que também se reflete nos desvios químicos

dos protões centrais, é devida às modificações nos grupos arilo na periferia do

macrociclo. A abertura do anel isoxazolidina e a criação dos outros dois heterociclos

provocaram uma ligeira torção nos dois aneis arilo adjacentes e consequentemente

uma distorção no macrociclo tetrapirrólico.

A deformação e a assimetria provocada pela clivagem da ligação N-O da

isoxazolidina e a formação dos dois heterociclos está também relacionada com a

mudança do comprimento das ligações e ângulos nos grupos da periferia do

macrociclo. Se na clorina 3 os átomos constituintes do anel isoxazolidina estão

separados mais ou menos pelas mesmas distância e a distância entre o átomo de

azoto e oxigénio com os carbonos orto dos grupos arilo adjacentes é considerável

(3,139 e 4,768 Å) na clorina 3.2.2 a distância entre azoto e oxigénio aumenta e entre o

carbono orto dos grupo fenilo diminui bastante (fruto da substituição aromática

nucleofílica), como mostra a Figura 2.30.

Os dados referentes à refinação dos cristais das clorinas 3 e 3.2.2 encontram-

se expostos na tabela 2.8.

Formula C46H15F18N5O

Mr 995.6155

Sistema cristalino Triclínico

Grupo Espacial P ī

a(Å) 16.142(2)

b(Å) 16.546(2)

c(Å) 18.655(2)

α 72.900(7)

β 88.417(7)

γ 85.613(6)

Volume (Å3) 4748.0(10)

Formula C46H15F20N5O

Mr 1033,6123

Sistema cristalino Triclínico

Grupo Espacial P ī

a(Å) 12.8835(11)

b(Å) 13.3978(11)

c(Å) 15.0065(12)

α 74.581(4)

β 88.333(4)

γ 85.714(4)

Volume (Å3) 2490.0(4)


59

Figura 2.29. Estrutura obtida por Cristalografia de raios-X da clorina 3.2.2

Figura 2.30. Estrutura obtida por cristalografia de raios-X da clorina 3.2.2 e distâncias entre alguns átomos


2.3.7. Estabilidade a temperaturas altas da clorina 3

Como não se consegue obter uma metaloclorina de ferro(III) através da

cicloadição 1,3-dipolar com a metaloporfirina de ferro(III), e como havia indícios que as

clorinas se deterioram com temperaturas mais altas ou em solução, foi realizado um

estudo em que se controlou a qualidade da clorina 3, com o passar de tempo a uma

determinada temperatura.

Para verificar a possível retrosíntese (clorina originar porfirina) com

temperaturas acima da temperatura ambiente controlou-se por TLC e UV-Vis duas

soluções com a clorina 3 dissolvida em metanol a 60 ºC e a refluxar.

Como a Figura 2.31 indicia com uma temperatura de 60ºC não há evidência de

retrosíntese, uma vez que os comprimentos de onda máximos são sempre

coincidentes, nem há uma mudança da razão Abs Qx(0,0) / Abs Qy(1,0).

Já com uma temperatura de 100 ºC existe alguma degradação da clorina a

partir da 1º hora de reação. Como a Figura 2.32 mostra existe um desvio da banda

Soret e a razão Abs Qx(0,0) / Abs Qy(1,0) entre o espetro ao minuto 0 e na 1º hora. A

razão Abs Qx(0,0) / Abs Qy(1,0) para o minuto 0 é 2,45 e a razão para a 1º hora é

1,99. Esta diferença sugere que existe uma diminuição de intensidade da banda na

zona dos 650 nm (banda Q mais intensa nas clorina) e um aumento da intensidade na

banda Q na zona dos 500 nm (banda Q mais intensa na TPFPP) com o passar do

tempo.

Este resultado sugere que uma futura complexação da clorina 3 com FeCl2

deverá ser realizada a temperaturas bem controladas (preferencialmente baixas) para

evitar a degradação da clorina.

Figura 2.31. Espetro da clorina 3 em metanol a 60 ºC

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

300 350 400 450 500 550 600 650 700

Ab

s

λ (nm)

0min

30min

60min

120min

12horas


61

Figura 2.32. Espetro da clorina 3 em metanol em refluxo

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

300 350 400 450 500 550 600 650 700

Ab

s

λ (nm)

0 min

1 hora


2.4. Referências

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65

3. Oxidação de compostos de enxofre catalisada

por metaloporfirinas


3.1. Catálise em fase homogénea

O termo “catálise” vem da palavra grega katilysis, e foi utilizada pela primeira

vez em meados dos anos 30 do seculo XIX por Berzelius.[1] Desde então a catálise

tem sido aplicada, alcançando um papel fundamental na sociedade, uma vez que

muitas das comodidades consideradas indispensáveis à rotina da sociedade

contemporânea, como os combustíveis, materiais e medicamentos, não seriam uma

realidade sem a existência de processos catalíticos. Mas já antes dessa realidade a

catálise tinha um papel vital para a vida, uma vez que também na natureza se

observam importantes processos catalíticos, sem os quais as reações essenciais para

o metabolismo ocorreriam tão lentamente que o mundo, tal como o conhecemos, não

existiria.

Basicamente, a catálise é um fenómeno onde uma quantidade relativamente

pequena de um composto estranho à estequiometria (catalisador), promove a

ocorrência de reações químicas sem ser consumido, favorecendo a formação de um

produto específico. Durante a reação, o catalisador não sofre modificações de

natureza química definitivas, sendo regenerado no final de cada ciclo catalítico. A sua

função é diminuir a energia de ativação (Ea) da reação oferecendo uma via reacional

que evita a etapa lenta determinante da velocidade, Figura 3.1. O catalisador não afeta

a energia livre de Gibbs da reação total (∆G˚), apenas torna mais suave o percurso

dos reagentes até aos produtos, ou seja, o seu efeito é puramente cinético.[2]

Figura 3.1. Diagrama de energia de uma reação com catalisador (II) e de outra sem catalisador (I) [3]

A catálise irá sem dúvida contribuir para obtenção de combustíveis limpos, a

síntese completa de produtos naturais, a obtenção de novos fármacos e produtos

agroquímicos, em processos que incitem o desenvolvimento sustentável e a proteção


67

ambiental. Logo, catalisadores que possibilitem reações próximas dos 100 %, que

permitam reações menos energéticas e que eliminem ou reduzam drasticamente a

formação de contaminantes e subprodutos, serão cada vez mais importantes e

vantajosos quer em termos económicos quer a nível de impacto ambiental.

3.1.1. Modelo de catálise biomimética oxidativa

Encontrar um catalisador eficiente para uma oxidação seletiva, em condições

moderadas, é um grande desafio para a química orgânica. Uma solução para este

desafio passa pelos catalisadores biomiméticos ou seja catalisadores baseados nos

sistemas enzimáticos selecionados pelos organismos vivos durante a sua evolução

para as oxidações seletivas.[4, 5]

As oxidações nos sistemas biológicos são catalisadas maioritariamente por

metaloenzimas em que o ião de metal é normalmente ferro ou manganês. Existem

várias classes de enzimas capazes de catalisar processos oxidativos, desde

desidrogenases, dioxigenases, peroxidases e monooxigenases.[6] Destas classes de

enzimas existe uma, em particular, que tem atraído a atenção de vários

investigadores, as monooxigenases do citocromo P450.

O citocromo P450 é uma hemoproteína de ferro, em que o ião de metal se

encontra ligado a uma protoporfirina IX. O ligando axial compreende um resíduo de

cisteína, produzido por uma proteína da espinal medula (Figura 3.2).[7]

Figura 3.2. Estrutura do Citocromo P450 [8]

Esta hemoproteína é responsável por “ativar” o oxigénio molecular,

promovendo o metabolismo oxidativo de uma grande variedade de compostos

lipofílicos. No processo catalítico um dos átomos do O2 molecular é integrado no

substrato e o outro é reduzido a água.

Este tipo de monooxigenações pode ser aplicado aos mais diversos substratos,

como se pode ver no Esquema 3.1.[9]


Esquema 3.1. Substratos reduzidos pelo Citocromo P450, adaptado de [9]

Embora não seja totalmente consensual, estudos sobre o sistema enzimático

do Citocromo P450 levaram a resultados que permitiram entender a reação catalisada

por esta enzima.

Antes de se iniciar o ciclo catalítico (Esquema 3.2.), primeiro é necessário que

o substrato a oxidar se ligue ao sítio ativo da enzima. Posteriormente, começa a

ativação do oxigénio molecular, em que o passo inicial consiste na redução do Fe(III) a

Fe(II) através da injeção de um eletrão no sistema, ao que se segue a ligação do

oxigénio molecular. Depois dá-se uma nova redução formando a espécie Fe(III)–OO-.

A decomposição deste intermediário por clivagem heterolítica da ligação O-O origina a

espécie formal (Por)Fe(V)=O ou [(Por)•Fe(IV)=O]+, espécies responsáveis pela

oxidação do substrato.[10]

Quando se usam dadores de oxigénio mais reduzidos que o O2 (ex.: peróxidos,

iodosilbenzeno) este ciclo pode dar-se por uma via mais simples, denominada ponte

peróxido (“peroxide shunt”).[10]


69

Esquema 3.2. Ciclo catalítico do citocromo P450 [10]

As metaloporfirinas sintéticas têm sido sintetizadas e estudadas há mais de 30

anos como modelo do grupo prostético do citocromo P450. Estes modelos tanto

ajudam a entender a atividade catalítica deste grupo prostético como também levam à

reprodução desta atividade para sistemas artificiais.

O primeiro sistema catalítico em que se usou metaloporfirina foi descrito em

1970 por Groves et al., onde utilizou cloreto de meso-tetrafenilporfirinato de ferro(III) e

iodosilbenzeno, como oxidante, para oxidar o ciclohexeno.[11] A partir daí o uso de

metaloporfirinas como catalisador oxidativo acentuou-se, embora numa primeira fase

direcionadas para as epoxidações regioseletivas com porfirinas simples como a meso-

tetrafenilporfirina (TPP) e a meso-tetra(trimetilfenil)porfirina (TMP). [12-15]

Estas primeiras metaloporfirinas “catalisadoras” (1º geração) sofriam de rápida

degradação oxidativa, o que levou ao desenvolvimento de porfirinas mais estáveis, de

segunda e terceira geração, Figura 3.3. As porfirinas de segunda, e terceira geração

possuem grupos substituintes alquílicos volumosos ou grupos sacadores de eletrões

nas posições meso-aril e β-pirrólicas, mostrando ser mais resistentes e reativas, onde


a presença dos referidos substituintes, além de aumentar o impedimento

estereoquímico, ativa a espécie catalítica tornando-a mais electrofílica e assim mais

reativa. Desta forma é possível promover a oxidação de substratos pouco

reactivos.[16-18]

Figura 3.3. Estrutura geral de uma metaloporfirina com os devidos substituintes dependendo da geração do

catalisador, adaptado de Meunier et al. [19]

A grande maioria dos trabalhos envolvendo oxidações catalisadas por

metaloporfirinas emprega os derivados da 2ª geração, uma vez que os análogos de

terceira geração, embora se apresentem geralmente mais robustos levam a mais

passos de síntese e não são sinónimos de melhoria de atividade catalítica. Desta

forma uma das questões mais pertinentes que se prende na catálise oxidativa usando

metaloporfirinas é a degradação da metaloporfirina.

Alguns métodos catalíticos têm bastante potencial para solucionar este

problema. Um desses métodos é a separação de fases entre o catalisador e os

reagentes, empregando os princípios da catálise heterogénea. Assim sistemas

bifásicos como por exemplo dessulfurização oxidativa (ODS) [20, 21] poderão proteger

o catalisador da degradação.

A outra forma encontrada foi a imobilização do catalisador em suportes sólidos,

orgânicos e/ou inorgânicos, o que permitiria a redução da degradação do catalisador e

1ª. geração - M(III)-TPP

R2 = R3 = R4 = H; Rβ = R´β= H

M(III) = Fe, Mn, Cr

2ª. geração - M(III)-TP(subst)P

R2 = Cl , R3 = R4 = H; Rβ =R´β= H

R2 = R3 = R4 = F; Rβ = R´β= H

R2 = R4 = CH3, R3 = H; Rβ = R´β= H

M(III) = Fe, Mn, Cr

3ª. geração - M(III)-T-(Rβ)P(subst)P

R2 = R3 = R4 = F; Rβ = R´β= F

R2 = Cl, R3 = R4 = H; Rβ (ou R´β) = NO2 (1-8)

M(III) = Fe, Mn


71

ainda a sua recuperação e reutilização. Este método necessita de sítios livres ou

grupos funcionais adequados para ligação covalente ou interação eletrostática entre o

catalisador e o suporte sólido.

Neste trabalho foram utilizados em catálise homogénea 2 metaloporfirinas (ver

Anexo A1): (i) o oxodimero μ-O(FeTPFPP)2 e o monómero FeCl(TPFPP), e em catálise

heterogénea o oxodimero μ-O(FeTPFPP)2 acoplado a uma sílica mesoporosa (SBA-

15).

3.1.2. Reação de oxidação de compostos de enxofre

Os regulamentos atuais de combustíveis para limitar o teor de enxofre a níveis

ultrabaixos têm sido cruciais para minimizar os efeitos sanitários e ambientais

negativos associados à poluição do ar e chuvas ácidas causadas pelo óxido de

enxofre (SOx), formado durante a combustão dos combustíveis de transporte. Um

futuro com emissão zero é esperado em todo o mundo, por isso, novas e eficientes

técnicas de dessulfurização têm desperto cada vez a mais atenção.

A Hidrodessulfurização (HDS)[22] é o processo convencional mais utilizado nas

refinarias para reduzir o teor de enxofre nos combustíveis. Este método converte

enxofre orgânico em sulfureto de hidrogénio e é altamente eficiente na remoção de

tióis, sulfuretos e dissulfuretos, no entanto é pouco eficaz para compostos de enxofre

refratários, como por exemplo tiofeno e derivados de benzotiofenos.[22-24] Para além

do problema de remoção dos compostos de enxofre refratários por HDS, esta técnica

apresenta alguns problemas inerentes às condições operacionais e económicos, uma

vez que usa condições de funcionamento severas (2 MPa, e temperatura acima de

300 º C), e tem alto custo de equipamento/funcionamento. Logo é desejável encontrar

alternativas e complementos a esta técnica.

Várias alternativas têm sido propostas na literatura incluindo a

biodessulfurização, [25] adsorção seletiva [26] e dessulfurização oxidativa (ODS). [20,

21]

3.1.3. Oxidação de compostos de enxofre usando metaloporfirinas

Os novos macrociclos porfirínicos (referenciados no capitulo 2) não foram

usados como catalisadores uma vez que foram obtidos, na forma livre, em pequenas

quantidades e por isso torna a sua complexação inviável. Logo, só se usou na

oxidação dos compostos de enxofre a μ-O(FeTPFPP)2 e a [FeCl(TPFPP)].


Nos estudos de processos oxidativos efetuados em fase homogénea, o objetivo

proposto foi avaliar a eficiência catalítica da μ-O(FeTPFPP)2 e posteriormente

comparar com o do [FeCl(TPFPP)], que é uma metaloporfirina mais usada em catálise.

Os substratos usados foram o dibenzotiofeno (DBT) e o dissulfureto de dibutilo, que

foram dissolvidos, individualmente, em metanol de modo a se preparar soluções

padrão destes substratos no valor de 46,31mM e 44,85mM, respetivamente. O DBT é

um composto organossulfurado constituído por um tiofeno unido por dois benzenos, é

um composto bastante estudado em reações catalíticas tanto com metaloporfirinas

como com outros catalisadores.[27-29] Já o dissulfureto de dibutilo, é um composto de

cadeia aberta, que do ponto de vista estrutural resulta na união por ligação de

dissulfureto (ligação covalente entre dois enxofres) de dois tióis (Butanotiol). Este

composto é muito menos estudado no que toca à sua oxidação.

Figura 3.4. Substratos usados na catálise oxidativa: DBT (a)) e dissulfureto de dibutilo(b))

O agente oxidante escolhido foi o peróxido de hidrogénio. O H2O2 é

considerado um dos oxidantes mais “verdes”, que consegue oxidar os compostos

orgânicos com uma eficiência atómica de 47% e produz como único subproduto, a

água. Devido às suas propriedades é particularmente útil em reações de oxidação em

fase líquida na indústria petrolífera, agroquímica, farmacêutica e materiais

eletrónicos.[30]

Em todos os ensaios catalíticos foram utilizados 1ml de solução padrão de

cada substrato, 4,8 x10-7 mol de catalisador sendo que a quantidade de H2O2 (30%) foi

variada conforme os resultados. A escolha do metanol como solvente, do H2O2 (30%)

como oxidante, e da quantidade de catalisador (razão molar sub/cat igual a 101 para o

DBT e 93 para o dissulfureto) deve-se a trabalhos previamente otimizados em

sistemas ODS com a porfirina μ-O(FeTPFPP)2. [31]

Os processos de oxidação foram devidamente acompanhados por

cromatografia gasosa (GC-FID). No final das reações catalíticas a estabilidade da

porfirina foi aferida por espectroscopia de UV-Vis. Como na oxidação do DBT o

produto da oxidação precipita no solvente escolhido (metanol) e na oxidação do

dissulfureto de dibutilo os picos dos produtos (no GC-FID) não se apresentam muito

a) b)


73

bem definidos, usou-se uma curva de calibração para monitorizar as reações, Gráfico

3.1. Tanto na curva como depois nas amostras usou-se o etilbenzeno (67,7mM) como

padrão. Logo, durante o estudo das reações catalíticas retiraram-se alíquotas da

solução reacional e juntou-se igual volume de solução padrão de etilbenzeno. Uma

pequena alíquota (1 µ ) desta “mistura” foi injetada no cromatógrafo gasoso,

possibilitando uma monitorização periódica. As condições utilizadas na análise por GC

-FID estão apresentadas na Tabela 3.1.

Tabela 3.1.Parâmetros usados na análise por cromatografia gasosa

Gráfico 3.1. Curvas de calibração, e respetivas equações e regressão linear, para a quantificação de DBT e dissulfureto de dibutilo

Parâmetros DBT Dissulfureto

Temperatura inicial 40˚C 60 ˚C

Velocidade do aumento de temperatura 20 ˚C/min 15 ˚C/min

Temperatura final 270 ˚C 280 ˚C

Temperatura do detetor 250 ˚C 250 ˚C

Temperatura do injetor 270 ˚C 270 ˚C

y = 0.0507x R² = 0.9989

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 20 40 60 80

A(D

BT)

/A(P

adrã

o)

|DBT| (mM)

y = 0.0293x R² = 0.9933

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 20 40 60 80

A(D

issu

lfid

e)/

A(P

adrã

o)

|Dissulfureto de dibutil| (mM)


3.1.4. Catálise oxidativa usando μ-O(FeTPFPP)2

Os complexos oxo-diméricos de Ferro(III), como o μ-O(FePorf)2,

tradicionalmente chamados oxo-dimeros, têm propriedades catalíticas bastante

peculiares. [32] Ao longo das últimas décadas, estudos revelaram que porfirinas oxo-

diméricas possuíam alta atividade catalítica para a oxidação de alcanos, [33-35] e para

a epoxidação de olefinas, [36] mas relativamente a oxidação de compostos de enxofre

não existem muitos trabalhos publicados. Assim o estudo das propriedades catalíticas

de porfirinas diméricas unidas por pontes de oxigénio é um assunto que alicia um

interesse considerável.

3.1.4.1. Catálise Oxidativa do DBT e do Dissulfureto de dibutilo

Os ensaios catalíticos foram realizados para testar a atividade catalítica da

metaloporfirina. O primeiro ensaio foi realizado com a adição de 5µl de peroxido de

hidrogénio (aproximadamente 1 equivalente de substrato). Conforme o resultado

obtido adicionou-se uma quantidade maior de H2O2 mantendo os outros parâmetros

constantes temperatura, quantidade de substrato e quantidade de catalisador), para se

averiguar como o sistema evoluía e tentar atingir uma eficiência catalítica de 100%. Os

resultados obtidos para a oxidação do DBT e do dissulfureto de dibutilo, com a

variação de H2O2 estão apresentados nos Gráfico 3.2. e Gráfico 3.3.

Gráfico 3.2. Conversão catalítica da oxidação de DBT com a variação de H2O2

0102030405060708090

100

10min 30min 60min

30ul de oxidante 99.76 99.13 99.13

20ul de oxidante 97.62 97.82 97.95

10ul de oxidante 54.88 52.6 53


con

vers

ão c

atal

itic

a e

m %


75

Gráfico 3.3. Conversão catalítica da oxidação do dissulfureto de dibutilo com a variação de H2O2.

Como se pode aferir pelos Gráficos 3.2 e 3.3 a quantidade usada de H2O2 tem

um papel fundamental na reação de oxidação uma vez que só quando se utiliza 20 µl

e principalmente 30 µl de H2O2 é que se obtém eficiência catalítica alta (muito perto

dos 100 %). Também se pode realçar que a reação de oxidação é bastante rápida e

que não evolui ao longo do tempo, uma vez que os valores de conversão catalítica se

mantem mais ou menos constantes a partir da primeira medição (10 min).

Com este primeiro estudo do sistema catalítico proposto também se pode

verificar que não existem grandes diferenças catalíticas entre o DBT e o dissulfureto

de dibutilo no que toca à atividade, embora esta seja ligeiramente melhor na oxidação

do dissulfureto. Logo, para este sistema catalítico não existe grande diferença entre a

oxidação de um composto de enxofre de cadeia fechada ou aberta.

3.1.4.2. Produtos da reação

Tanto por informações recolhias na literatura, [37-39] como pela própria análise

por GC-FID das amostras recolhidas, chegou-se à conclusão que a oxidação do DBT

apenas formaria um produto, que seria a respetiva sulfona. Para se confirmar este

cenário, fez-se uma análise por GC-FID do composto que precipita durante a reação

catalítica e de uma amostra comercial da respetiva sulfona, Figura 3.5. Como os picos

coincidiram, confirmou-se que o único produto desta reação de oxidação é a sulfona

correspondente, Esquema 3.3.

0102030405060708090

100

10min 30min 60min

30ul de oxidante 100 100 100




con

vers

ão c

atal

ític

a e

m %


Esquema 3.3.Oxidação do DBT a DBTO2 catalisada pela metaloporfirina na presença de H2O2

Figura 3.5.Cromatograma do produto precipitado que resulta da oxidação do DBT (a)), cromatograma da sulfona comercial (b)), cromatograma de uma alíquota da reação de oxidação do dbt (c)); Elipse azul corresponde ao pico da

sulfona, elipse preta corresponde ao pico do DBT e elipse vermelha corresponde ao pico do etilbenzeno (padrão)


77

Em relação à reação de oxidação do dissulfureto, não foi possível identificar os

produtos da reação uma vez que pela análise de GC-FID das amostras se obteve

picos pouco definidos. Como os produtos não precipitam, também não foi possível

fazer uma análise por espetroscopia de massa para averiguar a identidade. Logo só

por análise por cromatografia gasosa acoplada com detetor de massa (GC-MD) talvez

fosse possível identificar os produtos da reação. Devido à impossibilidade em tempo

real do trabalho experimental de fazer tal análise, e como a finalidade do trabalho

incidia na avaliação da eficiência catalítica da metaloporfirina μ-O(FeTPFPP)2 na

oxidação do substrato, não foi feita a identificação dos produtos da oxidação do

dissulfureto de dibutilo.

3.1.4.3.Reutilização do sistema catalítico

De forma a rentabilizar a capacidade catalítica do sistema homogéneo (com 30

µl de H2O2) procedeu-se à sua reutilização, efetuando-se ciclos catalíticos

consecutivos através da adição ao sistema de uma nova recarga de substrato e

oxidante (sempre em quantidades equivalentes às iniciais). Basicamente começava-se

um novo ciclo catalítico quando o ciclo anterior se encontra-se completo ou seja com

100 % de conversão.

A quantidade de H2O2 (30 %) entre os vários ciclos foi de 30 µl de forma a

obter-se 100% de conversão para ambos substratos (DBT e dissulfureto de dibutilo).

Este estudo também serviu para estudar a resistência da metaloporfirina à quantidade

de oxidante usada e principalmente acumulada entre os vários ciclos de reutilização.

Os resultados obtidos para a reutilização do sistema catalítico da oxidação do

DBT e do dissulfureto estão representados no Gráfico 3.4

Gráfico 3.4. Reutilização do sistema catalítico da oxidação do DBT e do dissulfureto de dibutilo

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1º ciclo 2º ciclo 3ºciclo 4ºciclo 5ºciclo

dbt 100% 100% 100% 93% 0%

dissufureto 100% 100% 100% 92% 0%

con

vers

ão c

atal

íric

a


Como aponta o Gráfico 3.4, o sistema catalítico composto por 1 mg (4,8 x 10-7

mol) de μ-O(FeTPFPP)2, 1 ml de solução padrão de DBT ou dissulfureto (46,31mM e

44,85 mM respectivamente) e com 30 µl de H2O2 (30 %), consegue completar 3 ciclos

com conversões de 100%, termina o 4ºciclo com uma conversão muito próxima dos

100%, e não consegue oxidar o substrato num 5º ciclo. A diminuição da conversão

catalítica no 4º ciclo e a conversão nula no 5º ciclo deve-se à destruição da

metaloporfirina, como comprova a Figura 3.6, em que a partir do final do 4º ciclo a

Soret (banda que indica a existência do macrociclo porfirínico) desaparece. Esta

destruição do macrociclo porfirínico deverá ter sido provocada pelo peróxido de

hidrogénio que terá oxidado a porfirina causando assim a destruição.[40]

Figura 3.6. Espetros de UV-Vis traçado no final de cada ciclo catalítico na reação oxidação do DBT (a)) e dissulfureto de dibutilo (b))

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

300 350 400 450 500 550 600 650 700

Ab

s

λ (nm

1ºciclo

2ºciclo

3ºciclo

4ºciclo

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

200 300 400 500 600 700

Ab

s

λ (nm)

1ºciclo

2ºciclo

3ºciclo

4ºciclo

b)

a)


79

3.1.5. Catálise oxidativa usando[ FeCl(TPFPP)]

A [FeCl(TPFPP)] é uma metaloporfirina bastante usada e estudada, sendo

muito aplicada em catálise. [27, 41-44]

Devido às evidentes semelhanças com a μ-O(FeTPFPP)2, realizou-se a

catálise oxidativa do DBT e do dissulfureto de dibutilo, nas mesmas condições da

porfirina de ferro dimérica, de modo a comparar-se a atividade catalítica da

metaloporfirina monomérica com a metaloporfirina dimérica.

Como a metaloporfirina dimérica possui dois centros metálicos, levando a que

provavelmente tenha dois “centros catalíticos”, e a [FeCl(TPFPP)] só possui um centro

metálico, foram realizados testes catalíticos em que se usa o mesmo número de moles

(4,8 x10-7 mol) que se usou no estudo catalítico com a porfirina dimérica, e testes onde

se duplicou o número de moles (9,6 x10-7 mol) para se obter o número de centros

metálicos equivalentes.

3.1.5.1. Catálise Oxidativa do DBT e do Dissulfureto de butilo

Os ensaios catalíticos realizados seguiram os parâmetros do ensaio catalítico

da metaloporfirina dimérica (relatados em 3.1.4), embora apenas se tenha usado o

DBT como substrato, uma vez que o objetivo era apenas comparar a reatividade dos

catalisadores. Logo para cada ensaio catalítico utilizou-se 1 ml de solução padrão de

DBT (46,31 mM), com metanol como solvente, e o H2O2 (30 %). A única diferença

prende-se no catalisador, uma vez que se usou a metaloporfirina [FeCl(TPFPP)] como

catalisador em vez de se usar μ-O(FeTPFPP)2 . Num ensaio usou-se a mesma

quantidade molar (4,8 x10-7 mol) que se usou com o μ-O(FeTPFPP)2, e num segundo

ensaio usou-se o dobro da quantidade molar (9,7 x10-7 mol) para se igualar a

quantidade de centros metálicos.

Gráfico 3.5. Conversão catalítica da oxidação do DBT com 4,8 x10-7

mol de catalisador

0

20

40

60

80

100

10min 30min 60min


20ul de oxidante 95.7 95.3 96.2

10ul de oxidante 54.3 55.2 55.23

con

vers

ão c

atal

ític

a


Gráfico 3.6. Conversão catalítica da oxidação do DBT com 9,7 x10-7 mol de catalisador

Como demonstram os Gráfico 3.5 e Gráfico 3.6, a diferença nas conversões

catalíticas entre os ensaios onde se usou 1 equivalente e 2 equivalentes (em relação a

quantidade de metaloporfirina dimérica usada anteriormente) é muito reduzida.

Em relação à atividade catalítica entre as duas metaloporfirinas diferentes

(monomérica e dimérica) a diferença também é quase nula, uma vez que ambas

obtêm conversões de 100 % com 30 µl de peróxido de hidrogénio e a diferença

quando se adiciona 20 µl e 10 µl de peróxido de hidrogénio é muito pequena (1 a 3 %).

Logo não se pode dizer que em termos de atividade catalítica para a oxidação deste

substrato haja um catalisador melhor que outro.

Em relação ao produto da reação também é de salientar que não houve

diferenças entre ensaios catalíticos e entre metaloporfirinas, uma vez que também só

se obteve a sulfona como produto.

3.1.5.2. Reutilização do sistema catalítico

Como não houve diferenças entre os testes à atividade catalítica na oxidação

do DBT num ciclo com a metaloporfirina dimérica e monomérica, também se testou a

reutilização do sistema catalítico com a [FeCl(TPFPP)] com 1 e 2 equivalentes

(equivalentes em relação á quantidade de metaloporfirina dimérica usada na

reutilização anterior).

Para se verificar o número de ciclos catalíticos que o catalisador porfirínico, μ-

O(FeTPFPP)2, (com 30 µl de H2O2) mantem, foi feito um estudo em que se adicionava

ao sistema catalítico mais substrato (DBT) e oxidante (sempre em quantidades

equivalentes às iniciais) quando não se notava alterações na quantidade de substrato

em duas análises sucessivas.

0102030405060708090

100

10min 30min 60min



10ul de oxidante 51.98 52.12 51.69

con

vers

ão c

atal

ític

a


81

Gráfico 3.7. Reutilização do sistema catalítico para a oxidação do DBT com 4,8 x10-7 mol e 9,7 x10

-7 mol de

metaloporfirina monomérica

Gráfico 3.8. Reutilização do sistema catalítico para a oxidação do dissulfureto de dibutilo com 4,8 x10-7 mol 9,7 x10

-7

mol de metaloporfirina monomérica

Como os Gráfico 3.7 e Gráfico 3.8 mostram, existe uma grande diferença entre

fazer a reutilização do sistema catalítico usando 1 equivalente (4,8 x10-7 mol) de

metaloporfirina monomérica e 2 equivalentes (9,7 x10-7 mol), uma vez que com 2

equivalentes é possível fazer 4 ciclos catalíticos e com 1 equivalente apenas se

completam 3 ciclos.

Se o ensaio em que se usa 2 equivalentes molares é perfeitamente equivalente

ao ensaio catalítico da reutilização do sistema com a metaloporfirina dimérica, uma

vez que apenas há uma pequena melhoria na conversão catalítica de ambos os

substratos (diferença entre 5% e 7%) no 4º ciclo, já o ensaio com 1 equivalente molar

consegue fazer menos um ciclo. Esta diferença pode ser novamente explicada pela

destruição do macrociclo porfirínico, como demonstram os espetros de UV-Vis da .

4,8 x10-7 mol9,7 x10-7 mol

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1ºciclo 2ºciclo 3ciclo 4ºciclo 5ºciclo

4,8 x10-7 mol 100% 100% 100% 0% 0%

9,7 x10-7 mol 100% 100% 100% 98% 0%

Co

nv

ers

ão

cata

líti

ca

4,8 x10-7 mol9,7 x10-7 mol

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1ºciclo 2ºciclo 3ciclo 4ºciclo 5ºciclo

4,8 x10-7 mol 100% 100% 100% 0% 0%

9,7 x10-7 mol 100% 100% 100% 99% 0%

Co

nv

ers

ão

cata

líti

ca


Figura 3.7. Espectros de UV-Vis do final de cada ciclo catalítico para o ensaio com 1 equivalente molar para o DBT (a1) e dissulfureto de dibutilo (a2), e para o ensaio com 2 equivalentes molar para o DBT (b1) e dissulfureto de dibutilo (b2)

Tal como o indica, a razão para um ensaio conseguir 3 ciclos catalíticos e

outro conseguir 4 é o facto de a metaloporfirina ser completamente destruída no final

do 3º ciclo quando se usa 1 equivalente ou no final do 4º ciclo quando se usa 2

equivalentes. Esta destruição do macrociclo porfirínico deverá ter sido provocada pelo

peróxido de hidrogénio que terá oxidado a porfirina causando assim a destruição do

macrociclo da metaloporfirina. [40] De fato, usando 2 equivalentes de metaloporfirina,

a razão porfirina /H2O2 é maior, encontrando-se o catalisador na presença de um

menor excesso do oxidante, o que deverá proporcionar um aumento do tempo de

estabilidade da metaloporfirina e a possibilidade da realização de um numero de ciclos

de reutilização

No ensaio em que se usou 1 equivalente molar consegue realizar-se menos um

ciclo reacional do que o ensaio catalítico com a metaloporfirina dimérica ou no ensaio

catalítico com 2 equivalentes de metaloporfirina monomérica, devido ao facto de

possuir menos metaloporfirina, visto possuir menos quantidade de porfirina é preciso

menos H2O2 para destruir a metaloporfirina da mistura reacional.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

300 400 500 600 700

Ab

s

λ (nm)

a2

1ciclo

2ciclo

3ciclo

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

300 400 500 600 700

Ab

s

λ (nm)

a1

1ºciclo

2ºciclo

3ºciclo

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

300 400 500 600 700

Ab

s

λ (nm)

b1

1ºciclo

2ºciclo

3ºciclo

4ºciclo0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

300 400 500 600 700

Ab

s

λ (nm)

b2

1ºciclo

2ºciclo

3ºciclo

4ºciclo


83

3.2. Catálise em fase heterogénea

3.2.1. Catálise homogénea vs Catálise heterogénea

A catálise heterogénea diferencia-se da homogénea em relação á fase em que

se encontra o catalisador, ou seja na catálise heterogénea o catalisador (normalmente

em fase sólida) encontra-se numa fase diferente que os reagentes (normalmente

líquida ou gasosa), já na catálise homogénea o catalisador encontra-se na mesma

fase que os reagentes. Na Tabela 3. comparam-se algumas características

importantes destes dois processos catalíticos.

Se os catalisadores heterogéneos são mais usados em aplicações a nível

industrial, dada a facilidade de recuperação do catalisador com vista à sua

reutilização, os processos catalíticos homogéneos, para além de requererem

condições menos enérgicas, são normalmente mais seletivos. [45]

Tabela 3.2. Comparação de algumas características da catálise homogénea e da heterogénea

Catálise Homogénea Catálise Heterogénea

Condições da reação Suaves Robustas

Separação dos produtos Difícil Fácil

Recuperação do catalisador Difícil Fácil

Seletividade Alta Menor

Estabilidade do catalisador Variável Alta

Determinação do mecanismo Frequente Difícil

Para retirar partido das vantagens dos dois sistemas catalíticos a tendência

será criar catalisadores homogéneos imobilizados em suportes sólidos para se obter e

catalisadores quimicamente homogéneos mas fisicamente heterogéneos.

3.2.2. Heterogeneização de metaloporfirinas

Como já foi referido em capítulos anteriores as metaloporfirinas podem ser

catalisadores muito eficientes, no entanto se se pensar na aplicação destes

catalisadores à indústria, as metaloporfirinas trazem problemas a nível económico


(síntese e reutilização complicada) e a nível funcional, uma vez que a manipulação de

metaloporfirinas em larga escala é difícil.

A solução para aproveitar os principais benefícios das metaloporfirinas pode

passar pela sua imobilização em suportes sólidos. Esta estratégia não só vem dar

resposta às preocupações ambientais cada vez maiores, como pode ser um bom

método para a obtenção de catalisadores que preservem as propriedades dos

sistemas homogéneos, mas que também sejam mais robustos e fáceis de recuperar.

Os primeiros estudos relacionados com a imobilização de metaloporfirinas em

suportes sólidos remontam aos anos 80, em que surgiram as primeiras publicações

reportando a ligação com sucesso de porfirinas a suportes orgânicos e inorgânicos via

coordenação, interacções electrostáticas e ligações covalentes. A primeira publicação,

de 1983, por Nolte e Drenth, diz respeito à epoxidação de alcenos pelo NaOCl,

catalisada por um complexo de manganês porfirínico (Mn-porfirina), ligado a um

polímero de polisocianida na presença de 4-metilpiridina. [10]

Atualmente existem várias publicações onde porfirinas e metaloporfirinas são

imobilizadas em diferentes suportes, por exemplo sílica gel, argilas, zeólitos, resinas

de troca iónica, resina de Merrifield, polipeptídeos, entre outros. [46]

3.2.3. Materiais mesoporosos

Os materiais porosos são materiais de grande interesse, sendo aplicáveis em

várias áreas da ciência e da tecnologia. Um sólido é denominado poroso quando

contém cavidades, canais ou interstícios, que conferem uma maior área superficial ao

material.

Os poros destes sólidos podem ser abertos ou fechados. Os poros abertos

podem apresentar diferentes naturezas e estarem envolvidos em várias funções

importantes em que a acessibilidade a um determinado fluído é necessária, como por

exemplo em filtrações ou catálises.[47] Estes poros podem apresentar uma simples

conexão à superfície ou podem estar abertos dos dois lados. No caso dos poros

fechados, como são isolados completamente pela estrutura, tornam-se pouco úteis

para processos onde se usam fluxos gasosos ou líquidos.[48]

Os materiais porosos podem ser divididos em 3 grupos: materiais microporosos

(poros menores que 2 nm), materiais mesoporosos (com poros entre 2 e 50 nm) e

materiais macroporosos (poros maiores que 50 nm). [48]


85

Os materiais mesoporosos por terem o tamanho de poro maior que os

materiais microporosos (zeólitos por exemplo) podem incorporar moléculas maiores na

sua matriz.

Neste trabalho usou-se uma sílica mesoporosa, como suporte sólido, para se

imobilizar a porfirina μ-O(FeTPFPP)2, e assim obter um catalisador heterogéneo.

A sílica mesoporosa escolhida foi o SBA-15 (Santa Barbara Amorphous). O SBA-

15 é uma sílica mesoporosa com estrutura hexagonal de poros altamente

ordenados.[49] Uma grande vantagem deste material é a elevada estabilidade térmica

e hidrotérmica, se comparada a outros materiais mesoporosos, que é devido à maior

espessura das paredes nos poros.[49] Estas características tornaram o SBA-15

promissor para aplicações como suporte para catalisadores [50] ou transporte de

fármacos. [51, 52]

3.2.4. Aplicação do compósito μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 na catálise

oxidativa

Neste trabalho, a aplicação do compósito μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 na

catálise oxidativa, envolveu 4 passos:

- Síntese da sílica mesoporosa (SBA-15)

- A funcionalização da sílica mesoporosa (SBA-15) com um organossilano;

- A imobilização da metaloporfirina no material;

- Ensaio catalítico;

Uma vez que, fruto de outros trabalhos do grupo laboratorial (grupo de

investigação da Doutora Salete Balula), já existia SBA-15 sintetizado, funcionalizado

com o aminofeniltrimetoxisilano (aftms) e devidamente caracterizado, neste trabalho

não foram efetuados esses passos.

3.2.4.1. Tentativa de Imobilização da μ-O(FeTPFPP)2 na sílica mesoporosa

funcionalizada

A ligação de metaloporfirinas a suportes pode ser classificada como química ou

física.[46] Dentro destes dois grupos os métodos podem ainda ser subdivididos de

acordo com o tipo de ligação que se estabelece com o suporte. A ligação química da

metaloporfirina ao suporte pode ser covalente [53] enquanto a ligação física envolve a

adsorção (incluindo a interação electroestática),[54] e o encapsulamento.[55]


Neste trabalho imobilizou-se a metaloporfirina a partir de ligação covalente, via

substituição aromática nucleofílica, de um substituinte do anel porfirínico (flúor na

posição para do grupo arilo da posição meso) e a sílica mesoporosa modificada

(funcionalizada com o aminofeniltrimetoxisilano), Esquema 3.

Esquema 3.4. Tentativa de imobilização da metaloporfirina no suporte sólido funcionalizado

Por análise elementar do SBA-15 funcionalizado com o

aminofeniltrimetoxisilano aferiu-se que cada grama de suporte sólido funcionalizada

continha 10,14 mg de azoto. Com base nos resultados da análise elementar, e

esperando que a metaloporfirina se ligasse covalentemente ao suporte sólido, por

substituição aromática nucleofílica de átomos de para-F de anéis arilo com a amina do

organosilano, usou-se 150 mg do suporte sólido, num solvente (clorofórmio) que

dissolve a metaloporfirina (95 mg, cerca de 0,5 equivalentes do suporte sólido) e

disperse a sílica mesoporosa funcionalizada.

Após 3 dias sob agitação, filtrou-se a solução e lavou-se abundantemente com

o solvente usado na imobilização (clorofórmio), para retirar toda a metaloporfirina que

não estive-se ligada covalentemente à sílica mesoporosa funcionalizada.

A primeira indicação de que metaloporfirina teria ficado imobilizada na sílica foi

a mudança de cor que esta sofreu, passando de castanho claro para castanho escuro

(Figura 3.8). Para confirmar que se imobilizou a metaloporfirina foi feita caracterização

do compósito.

Figura 3.8. Diferenças de coloração entre material funcionalizado (aftmsSBA-15) e o compósito (μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15)

μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 aftmsSBA-15


87

3.2.4.2. Caracterização do Compósito μ-O(FeTPFPP)2@atesSBA-15

ICP

Após análise por ICP do compósito μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 verificou-se

que um Kg de compósito continha 9,37 g de Ferro. Como 9,37 g de Ferro

correspondem a 0,17 mol de Ferro e a metaloporfirina dimérica possui dois átomos de

Ferro, temos 0,083 mmol (172 mg) de metaloporfirina dimérica por 1 g de compósito.

Difração de Raios-X

Como o arranjo dos átomos nos materiais mesoporosos não é cristalino, as

reflexões observadas são atribuídas à disposição periódica dos canais dos poros.

Deste modo estrutura do material compósito foi também investigado por difração de

raios-X (Figura 3.9). Comparando os difratogramas do suporte (SBA-15) com o do

suporte funcionalizado (SBA-15@organossilano) e com o do compósito é possível

verificar que a estrutura do material é mantida após a inserção do grupo

aminofeniltrimetoxisilano bem como após a imobilização da porfirina.

Figura 3.9. Padrões de difração de raios-X das amostras: SBA-15 (azul), SBA-15 funcionalizado (aftmsSBA-15) e Compósito

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2 Theta (deg)

Inte

ns

idad

e

SBA-15

SBA-15_organossilano

SBA-15_organossilano_porfirina


Espetroscopia de infravermelho com Transformada de Fourier

As técnicas de espectroscopia de infravermelho permitem, através da presença ou

não das bandas de vibração características da metaloporfirina, confirmar a presença

desta no material suporte. No entanto, fruto de haver muito pouca metaloporfirina em

comparação com a sílica mesoporosa, esta técnica não é muito clara uma vez que as

bandas oriundas da metaloporfirina ficam encobertas pelas bandas intensas do

material de sílica.

Em relação aos espectros apresentados na Figura 3.11 as bandas

características da sílica são bastante evidentes, e aparecem em torno dos 460, 805,

970,1080 e 3400 cm-1. Se as bandas na zona dos 1080 e 805 cm-1 são causadas pelos

estiramentos assimétrico e simétrico das ligações siloxano (ν-Si-O-Si). A banda de

baixa intensidade em 970 cm-1, que esta associada ao estiramento Si-O dos silanóis,

cuja presença depende da existência de grupos silanóis livres sobre as superfícies dos

materiais.[56] Já a banda bastante larga e pouco intensa na zona dos 3400 cm-1 pode

indicar a presença dos grupos silanóis ou de água, fisicamente adsorvida.[50]

Devido a intensidade das bandas características da sílica e da pouca

quantidade de porfirina em relação à sílica não foi possível observar as bandas

características da metaloporfirina no compósito embora se notem algumas diferenças

muito ligeiras se os espectros da sílica mesoporosa e do compósito forem

sobrepostos, Figura 3.11.

Figura 3.10. Espectro de FTIR da metaloporfirina μ-O(FeTPFPP)2

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

300800130018002300280033003800

T %

número de onda (cm-1)


89

Figura 3.11. Comparação do espectro de FTIR do SBA-15 (azul), SBA-15 funcionalizado (vermelho) e do compósito (verde), e respetivas ampliações

65

70

75

80

85

90

95

100

105

350850135018502350285033503850

T %


90

91

92

93

94

95

96

97

98

5506006507007508008509009501000

T %


97

98

99

100

101

25002700290031003300350037003900

T %



3.2.4.3. Catálise Oxidativa do DBT e do Dissulfureto de dibutilo usando o compósito μ-

O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15

De forma a poder isolar-se os catalisadores homogéneos após o processo de

oxidação, procedeu-se à incorporação da metaloporfirina dimérica num suporte sólido

funcionalizado (aftmsSBA-15). A catálise foi realizada utilizando os mesmos

parâmetros que se usou na catálise homogénea com a metaloporfirina dimérica, para

ser possível comparar resultados. Por isso, usou-se 1 ml de solução padrão de DBT e

dissulfureto de dibutilo (46,31 mM e 44,85 mM respetivamente), o metanol como

solvente, 30 µl de H2O2 (30%) e 6 mg de compósito. Usou-se 6 mg de catalisador

heterogéneo uma vez que 6 mg de compósito continham 1 mg de metaloporfirina.

Após o primeiro ciclo catalítico (acaba quando a quantidade de substrato não

mostrar alteração em duas análises seguidas) a mistura reacional foi filtrada e muito

bem lavada com CH3CN (dissolve as sulfonas que precipitam) e MeOH, e o sólido

recuperado foi deixado a secar durante uma noite no exsicador, para ser reciclado e

usado no dia seguinte.

O resultado do primeiro ciclo catalítico e das seguintes reutilizações está

retratado no Gráfico 3.9 e no Gráfico 3.10.

Gráfico 3.9. Oxidação do DBT e reciclagem usando o compósito μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15

Gráfico 3.10. Oxidação do dissulfureto de dibutilo e reciclagem usando o compósito μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15

0%

20%

40%

60%

80%

100%

10min 30min 60min

1ºciclo 98.20% 98.40% 98.40%

2ºciclo 0% 0% 0%

Efi

ciê

nc

ia c

ata

líti

ca

0%

20%

40%

60%

80%

100%

10min 30min 60min

1ºciclo 93.34% 97.43% 97.60%

2ºciclo 0% 0% 0%

Efic

iên

cia

cata

líti

ca


91

Em termos de atividade catalítica o compósito quase que igualou o catalisador

homogéneo obtendo valores próximos do 100% de eficiência no primeiro 1º ciclo

catalítico, para ambos os substratos. Em relação a reciclagem do catalisador, o

resultado foi francamente negativo uma vez que não se obteve oxidação dos

substratos quando se tentou reciclar o catalisador.

Depois de repetidos os ensaios e se ter obtido resultados iguais, analisou-se

por espectroscopia UV-Vis (Figura 3.12) o meio reacional para se tentar perceber se a

metaloporfirina tinha lixiviado.

Figura 3.12. Espectros de UV-Vis do meio reacional após o 1ºciclo catalítico da oxidação do DBT com o compósito μ-O(FeTPFPP)2@aftmsSBA-15 como catalisador

Realizaram-se assim análises por UV-Vis da alíquota dos 0 min (meio reacional

exatamente antes de se adicionar o oxidante) e do meio reacional no final do 1º ciclo

catalítico. Como o espectro da mistura reacional antes da adição de peróxido mostra

sinais ténues das bandas características da metaloporfirina (principalmente da banda

Soret), o que comprova que ocorreu alguma lixiviação do material, mas também

existem indícios de degradação uma vez que o espetro do final do 1º ciclo catalítico

não indicia sinais de bandas porfirínicas. O facto de o catalisador reciclado não

apresentar atividade nos ciclos subsequentes indicia que além de lixiviação houve

degradação da metaloporfirina.

Além da análise por espetroscopia UV-Vis, também foi feita uma análise por

ICP do material reciclado para quantificar o grau de lixiviação, tendo-se obtido um

resultado de 1 mg de Ferro por 1 g de material compósito, que convertido a

metaloporfirina resulta em 0,009 mmol (19,4 g) de metaloporfirina. Esta análise mostra

uma lixiviação algo agressiva uma vez que apenas ficou apenas 11% da

metaloporfirina imobilizada na sílica mesoporosa após a utilização do compósito em

catálise.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

300 350 400 450 500 550 600 650 700

Ab

s

λ (nm)

antes de adicionar oxidante

final 1º ciclo catalitico


3.3. Referências

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97

4.Parte Experimental


4.1. Reagentes, solventes e equipamento

Os reagentes comerciais usados nas sínteses dos compostos foram obtidos

através da Sigma-Aldrich e foram utilizados sem qualquer purificação prévia. Para as

pesagens utilizaram-se as balanças: Analítica Metler AT 201 (2×10-5 g) e Semi-

Analítica Metler (2×10-4 g).

As sínteses dos compostos foram realizadas utilizando diferentes tipos de

aquecimento: aquecimento convencional e aquecimento por radiação de micro-ondas.

No aquecimento convencional utilizaram-se placas de aquecimento Corning com

sensor de temperatura, modelo (Cat. 6795PR). No caso do aquecimento por micro-

ondas foi usado um reator de cavidade monomodo de modelo CEM Discover com 300

W de potência máxima de magnetrão, e por outro micro-ondas de modelo Cem

Discover SP-X, com 300 W de potência máxima de magnetrão e sistema de

refrigeração por ar comprimido.

A evolução das reações foi seguida por cromatografia de camada fina realizada

em folhas de sílica gel 60 F254. A separação dos compostos provenientes das várias

misturas reaccionais foi efetuada recorrendo à “cromatografia rápida” (“flash”) com

sílica gel 60 (0,040-0,063 mm) da Merck. Para alguns compostos, recorreu-se à

cromatografia de camada fina preparativa em placas de vidro (20 x 20 cm) revestidas

com uma camada de sílica gel 60 G (Merck) com cerca de 0,5 mm de espessura e

secas em estufa a 100ºC durante cerca de 10 horas.

Na medição da absorvância das diferentes amostras recorreu-se a um

espetrofotómetro de UV-Vis de feixe duplo, Shimadzu UV-3600, e a uma célula de

quartzo de 1 cm de passo ótico.

Os espetros de RMN foram obtidos no Centro de Materiais da Universidade do

Porto (CEMUP), registados num aparelho Bruker Avance III 400, operando a 400,14

MHz para 1H, a 100,63 MHz para 13C e a 376,46 para 19F. Excecionalmente obtiveram-

se espetros de RMN num aparelho Bruker Avance III HD 600, operando a 600,13 MHz

para 1H e a 150,92 MHz para 13C. Os desvios químicos (δ) são apresentados em

ppm; as constantes de acoplamento (J) em Hz, sendo o padrão interno o TMS.

Os espectros de massa por ionização electrospray (ESI-MS) foram obtidos no

Centro de Materiais da Universidade do Porto (CEMUP), usando um espectrómetro de

massa Thermo Scientific LTQ-Orbitrap XL, externamente calibrado com um kit padrão

fornecido pelo fabricante. As amostras foram dissolvidas em metanol e infundidas

diretamente na fonte iónica por electro pulverização. O espectrómetro foi operado no

modo de ionização positivo ajustando a tensão capilar a 3,1 kV, e a temperatura do


99

capilar de transferência de iões de 275° C. Os espetros foram registados para os

valores m / z entre 400 e 3500.

Os dados dos espetros de difração de Raios-X de cristal único foram adquiridos

a baixa temperatura num difratómetro marca Brüker, modelo X8 Kappa APEX II na

Universidade de Aveiro.

Os difratogramas de raios-X de pós foram registados na Universidade de

Aveiro num difratómetro X’Pert MPD Philips (com radiação-X Cu Kα1,2,λ1 = 1,540598 Å,

λ2 = 1,544426 Å), equipado com detetor X’Celerator e um suporte para amostras

acoplado a uma lente para focagem Bragg-Brentano, com 40 kV, 50 mA. Os dados de

intensidade foram obtidos por método de contagem de passo em modo contínuo

(passo de 0,02°) num alcance de ca. 3 ≤ 2ϴ ≤ 50°

Os espectros de infravermelho com transformada de fourier foram obtidos num

espectrofotómetro PerkinElmer Spectrum Bx, com um acessório ATR PIKE GladiATR.

Os reagentes comerciais usados nos estudos catalíticos foram obtidos através

da Sigma-Aldrich e foram utilizados sem qualquer purificação prévia.

Os estudos catalíticos da oxidação dos substratos propostos foram efetuados

utilizando-se um cromatógrafo gasoso Bruker 430-GC. Nos cromatógrafos, o

hidrogénio foi utilizado como gás condutor (55 cm3 s-1), bem como colunas capilares

Supelco SPB-5 (30 m x 0,25 mm i.d., 25 μm de espessura de filme).

4.2. Síntese dos macrociclos tetrapirrólicos

As estruturas dos compostos obtidos neste trabalho encontram-se

apresentadas no anexo.

4.2.1. Síntese da meso-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina (TPFPP)

A uma mistura de ácido acético glacial (150 mL) e nitrobenzeno (70 mL) em

refluxo, adicionou-se pentafluorobenzaldeído (3,6 mL; 28,8 mmol) e 2 mL (28 mmol)

de pirrol, gota a gota. Deixou-se a mistura a refluxar durante 1 hora, e posteriormente,

depois da mistura estar arrefecida, procedeu-se à separação do material porfirinico do

nitrobenzeno e ácido acético por destilação a pressão reduzida. De seguida purificou-

se a PFTPP por cromatografia em coluna usando uma mistura de DCM/hexano (2:8)

como eluente e cristalizou-se a TPFPP (primeira fração) com uma mistura de

DCM/hexano.

Rendimento = 4,7 %


RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) : - 2,92 (s;2H; NH), 8,92 (s; 8H;H-); RMN de

19F (376 MHz, CDCl3) : -136,51 (dd, J 26,3 e 7,5; 8F; Forto-Ar); -151,22 (t; J 22,6; 4F;

Fpara-Ar), -161,33 (dt, J 20,7 7,5; 8F; Fmeta-Ar) UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em

MeOH: 409 (1,6 x 105); 505 (1,9 x 104); 533 (2,3 x 103); 580 (5,6 x 103); 654 (1,0x 103);

4.2.2. Síntese do μ-oxodímero [μ-O(FeTPFPP)2]

A uma solução de TPFPP (100 mg, 0.10 mmol) em DMF (10 mL) adicionou-se

0,42 mL de piridina (5,20 mmol) e 0,21 g de FeCl2.H2O (0,16 mmol). Colocou-se a

mistura resultante sob atmosfera de azoto e levou-se a refluxo. Passado uma hora

adicionou-se mais 0,42 mL de piridina (5,20 mmol) e 0,21 g de FeCl2.H2O (0,16 mmol),

para complexar o máximo de porfirina possível, e continuou-se a refluxar durante mais

uma hora. Passada a segunda hora, parou-se a reação e deixou-se a mistura

reacional a arrefecer à temperatura ambiente, e em contacto com o ar durante 18

horas. Depois, levou-se a mistura à secura, lavou-se três vezes com água e extraiu-se

com diclorometano. Posteriormente secou-se a fase orgânica com Na2SO4 e

evaporou-se até à secura, para depois se recristalizar a partir de uma mistura de

DCM/hexano.

Rendimento= 58 %

UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 406 (1,7 x 105); 483 (2,5 x 104); 587

(1,7 x 104); MS (ESI) m/z:2072.957 (M+H)+.

4.2.3. Síntese da [FeCl(TPFPP)]

A porfirina [FeCl(TPFPP)] foi sintetizada a partir da µ-O(FeTPFPP)2. Dissolveu-

se 50 mg (0,024 mmol) de metaloporfirina dimérica em 100 mL de DCM e de seguida

adicionou-se 10 mL de HCl (5%) e deixou-se em agitação, durante 15 minutos. Fez-se

uma extração líquido-líquido com água (para neutralizar o pH) e com DCM.

Posteriormente secou-se a fase orgânica com Na2SO4 e evaporou-se até à secura,

para depois se recristalizar a partir de uma mistura de DCM/hexano.

Rendimento =94 %


(4,8 x 103); MS (ESI) m/z: 1027,971 (M+H)+.


101

4.2.4. Síntese da [Zn(TPFPP)]

A uma solução de TPFPP (40 mg, 0,04 mmol) numa mistura de

clorofórmio/metanol (35mL/15mL) adicionou-se acetato de zinco(II) dihidratado (9 mg;

0,04 mmol), e deixou-se a reagir a 70ºC, em atmosfera inerte durante 4 horas.

Passadas as 4 horas, parou-se a reação, lavou-se com água e uma solução aquosa

saturada de carbonato de sódio, extraiu-se em DCM, e evaporou-se até à secura.

Rendimento= 96%


(2,3 x 103).

4.2.5. Síntese da [Mg(TPFPP)]

A uma solução de TPFPP (50 mg, 0,05 mmol) em 20 mL de clorofórmio,

adicionou-se 0,142 mL (1,02mmol) de trietilamina, 131.6 mg (0,51 mmol) de

MgBrO(Et)2 , e deixou-se a reagir a 60ºC, em atmosfera inerte durante 18 horas. Findo

esse tempo adicionou-se mais 133 mg de MgBrO(Et)2 e 0,15 mL de trietilamina, e

deixou-se a reagir mais 24 horas. Posteriormente, parou-se a reação, lavou-se com

uma solução aquosa (50 mL) de NaHCO3 e secou-se a fase orgânica com sulfato de

sódio anidro. Levou-se a solução à secura e posteriormente purificou-se por

cromatografia de coluna onde se usou o DCM como eluente.

Rendimento: 20 %

UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 424 (8,4 x 105); 560 (1,3 x104).

4.2.6. Síntese da N-t-butil-C-piridilnitrona

A uma solução de cloreto de N-t-butil-hidroxilamónio (75 mg; 0,6 mmol) em

tolueno (5 mL) adicionou-se piridina-4-carbaldeído (0,056 mL; 0,6 mmol) e K2CO3 (82

mg; 0,6 mmol), e colocou-se a 80˚C, sob atmosfera de azoto, durante duas horas.

Passadas as duas horas, evaporou-se o solvente e lavou-se a mistura com água,

extraindo a fase orgânica com clorofórmio. Secou-se a fase orgânica com sulfato de

sódio anidro e voltou-se a evaporar o solvente.

Rendimento = 80 %


RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) : 1,61 a 1,69 (m; 9H; (CH3)3), 7,58 (s; 1H; CH),

8,09 (d; J 6; 2H; H2,4-piridilo), 8,68 (d; J 5,6; 2H; H1,5-piridilo)

4.2.7. Síntese da clorina 1

A uma solução da porfirina TPFPP (39,5 mg; 0,04 mmol) em 2 mL de tolueno,

adicionou-se cloreto de N-t-butilidroxilamónio (25 mg; 0,3 mmol), paraformaldeído (12

mg; 0,4 mmol) e K2CO3 (49 mg; 0,35 mmol) e aqueceu-se a mistura a 60˚C sob

atmosfera de azoto. A reação foi controlada após 6, 22 e 30 horas por TLC onde após

os dois primeiros controlos se adicionou mais cloreto de N-t-butilhidroxilamónio,

paraformaldeído e K2CO3 (quantidades iguais às iniciais). Após 30 horas de reação

parou-se a reação e depois de arrefecida à temperatura ambiente, a mistura reacional

foi filtrada por um funil, de maneira a reter o carbonato. O sólido foi posteriormente

lavado com DCM evitando assim perdas de material porfirínico. O filtrado obtido foi

concentrado com a ajuda do evaporador rotativo e purificado por cromatografia em

coluna, usando como eluente uma mistura de DCM/hexano (1:1). A fração desejada

(clorina 1) é a segunda a ser eluída apresentando uma cor verde.

Rendimento = 12 %

RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) : -2,20 a -2,17 (m; 2H; NH); 1,55-1,60 (sinal

sobreposto com sinal da água do CDCl3; 9H;3x CH3); 3,20-3,30 (m; 1H; H-31cis) 4,79-

4,96 (m; 1H; H-31trans), 5,25-5,35 (m; 1H; H-3), 6,70-6,80 (m; J 7,6; 1H; H-2), 8,47 (d; J

4; 1H; H-) 8,57-8,62 (m; 3H; H-) ,8,85-8,87 (m; 2H; H-) UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-

1]) em CHCl3: 407 (8,3 x 104); 505 (8,3 x 103); 530 (2,9 x 103); 596 (2,6 x 103); 649

(1,8 x 104);


A uma solução da porfirina TPFPP (39 mg; 0,04 mmol) em 2 mL de tolueno,

adicionou-se cloreto de N-benzil-hidroxilamónio (28mg; 0,3 mmol), paraformaldeído

(12,5 mg; 0,42 mmol) e K2CO3 (49,3 mg; 0,35 mmol) e aqueceu-se a mistura a 60˚C

sob atmosfera de azoto. A reação foi controlada após 6, 22 e 36 horas por TLC onde

após os dois primeiros controlos se adicionou mais N-benzil-hidroxilamónio,


103

paraformaldeído e K2CO3 (quantidades iguais às iniciais). Nas 36 horas parou-se a

reação e depois de arrefecida à temperatura ambiente, a mistura reacional foi filtrada

por um funil, de maneira a reter o carbonato. O sólido foi posteriormente lavado com

DCM evitando assim perdas de material porfirínico. O filtrado obtido foi concentrado

com a ajuda do evaporador rotativo e purificado por cromatografia em coluna, usando

como eluente uma mistura de diclorometano/hexano (1:1). A fração desejada (clorina

2) foi a segunda a ser eluída apresentando uma cor verde

Rendimento = 55 %

RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) : -2,12 a -1,93 (m; 2H; NH), 3,11-3,51 (m; 2H; H-

31) 3,79-3,96 (m; 2H; CH2), 5,40-5,51 (m; 1H; H-3), 6,82 (d; J 7,6; 1H; H-2), 7,00-7,05

(m; 2H; Horto-Ph), 7,14-7,21 (m; 3H; Hmeta+para-Ph), 8,43 (d; J 4,4; 2H; H-), 8,50 (d, J

4,4; 1H; H-), 8,51 a 8,57 (m; 1H; H-), 8,77 (d; J 4,4; 2H; H-); UV-Vis. λmáx nm (ε [M-

1.cm-1]) em CHCl3: 404 (1,4 x 105); 502 (1,3 x 104); 529 (4,0 x 103); 595 (3,7 x 103);

649 (3,6 x 104) MS (ESI) m/z: 1110 (M+H)+.


A uma solução da porfirina TPFPP (50 mg; 0,05 mmol) em 2 mL de tolueno,

adicionou-se cloreto de N-metil-hidroxilamónio (25 mg; 0,3 mmol), paraformaldeído (16



os dois primeiros controlos se adicionou mais cloreto de N-metil-hidroxilamónio,

paraformaldeído e K2CO3 (quantidades iguais às iniciais). Após as 30 horas parou-se a


por um funil, de maneira a reter o carbonato. O sólido foi posteriormente lavado com

DCM evitando assim perdas de material porfirínico. A solução obtida foi concentrada

com a ajuda do evaporador rotativo e purificado por cromatografia em coluna, usando

como eluente uma mistura de DCM/hexano (1:1). A fração desejada (clorina 3) foi a

segunda a ser eluída apresentando uma cor verde.

Rendimento = 71%


RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) : -1,97 a -1,86 (m; 2H; NH), 2,58 (s; 3H; CH3),

2,91-3,03 (m; 1H; H-31cis), 3,43-3,52 (m; 1H; H-31

trans), 5,30-5,38 (m; 1H; H-3), 6,80 (d;

J 7,6; 1H; H-2), 8,37-8,43 (m; 1H; H-), 8,52 (br s; 3H; H-), 8,72-8,77 (m; 2H; H-);

RMN de 1H (400 MHz, MeOD-d4) : 2,59 (s; 3H; CH3), 3,12-3,20 (m; 1H; H-31cis), 3,44-

3,51 (m, 1H, H-31trans), 5,56-5,64 (m; 1H; H-3), 6,90-6,99 (m; 1H; H-2), 8,68 a 8,71 (m ;

3H, H-), 8,76 (d; J 4,4; 1H; H-), 9,02-9,07 (m; 2H; H-); RMN de 19F (376 MHz,

MeOD-d4) : -136,67 (dd; J 22,6 e 7,5; 1F; Forto-Ar), -138,90 (dd; J 22,6 e 7,5; 1F; Forto-

Ar), -140,20 (dd; J 22,6 e 7,5; 1F; Forto-Ar), -140,38 a -140,65 (m; 4F; Forto-Ar), -141,58

(d; J 18.8, 1F, Forto-Ar), -155.03 (t, J 18.8, 1F, Fpara-Ar), -155.72 (t, J 18.8, 2F, Fpara-Ar), -

156,77 (t; J 22,6; 1F; Fpara-Ar), -163,36 (dt; J 22.6 e 7,5; 1F; Fmeta-Ar), -163,67 a -163,76

(m; 1F; Fmeta-Ar), -164,99 a -165,19 (m; 4F; Fmeta-Ar), -165,35 a -165,45 (m; 1F; Fmeta-

Ar), -166,00 a -166,11 (m; 1F; Fmeta-Ar); RMN de 13C (100 MHz, CDCl3) : 44,9 (CH3);

55,8 (C-3); 65,4 (C-31); 86,9 (C-2); 97,8; 107,3; 116,3; 124,7; 125,3; 126,2; 128,8;

129,0; 133,7; 136,2; 136,6; 137,1; 138,8; 139,7; 140,8; 141,5; 145,9; 148,4; 153,9;

154,1; UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em CHCl3: 404 (1,6 x 105); 503 (1,1 x 104); 530

(2,7 x 103); 600 (3,4 x 103); 650 (4,0 x 104); MS (ESI) m/z: 1034,100 (M+H)+;


Por complexação da clorina 3

A uma solução de clorina 3 (12 mg, 0,012 mmol) numa mistura de

clorofórmio/metanol (15mL/5mL) adicionou-se acetato de zinco(II) dihidratado (5.3 mg;

0,024 mmol), e deixou-se a reagir a 70ºC, em atmosfera inerte durante 4 horas.

Passadas as 4 horas, parou-se a reação, lavou-se com água e uma solução aquosa

saturada de carbonato de sódio, e evaporou-se até à secura.

Rendimento = 94 %

Por reação de cicloadição 1,3-dipolar com a [Zn(TPFPP)]

A uma solução de Zn(TPFPP) (37 mg; 0,036 mmol) em 2 mL de tolueno,




os dois primeiros controlos se adicionou mais cloreto de N-metil-hidroxilamónio,




105

com um funil de algodão, de maneira a reter o carbonato. O sólido foi posteriormente

lavado com DCM evitando assim perdas de material porfirínico. Posteriormente,

purificou-se o composto por cromatografia em coluna, usando como eluente uma

mistura de DCM/hexano (6:4). A fração desejada é a terceira a ser eluída a

apresentando uma cor azul clara.

Rendimento = 26 %

UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 411 (1,4 x 105); 611 (1,9 x 104).


A uma solução de Mg(TPFPP) (10 mg; 0,01 mmol) em 2 mL de tolueno,



atmosfera de azoto. A reação foi controlada 6, 22 e 30 horas por TLC onde após os

dois primeiros controlos se adicionou mais cloreto de N-metil-hidroxilamónio,


reação e depois de arrefecida à temperatura ambiente, a mistura reacional foi filtrada,

de maneira a reter o carbonato. O sólido foi posteriormente lavado com diclorometano

evitando assim perdas de material porfirínico. De seguida purificou-se a clorina por

cromatografia em coluna, usando como eluente uma mistura de diclorometano/hexano

(6:4). A fração correspondente à clorina 5 foi a terceira a ser eluída apresentando cor

azul.

Rendimento = 22%


(3,4 x 103).

4.2.12. Síntese da clorina 3.1

A uma solução da clorina 3 (45 mg; 0,04 mmol) em 5 mL de tolueno adicionou-

se iodeto de metilo em largo excesso (1,5 mL) e deixou-se a reagir a 40 ˚C sob

atmosfera inerte. A reação foi diariamente controlada por TLC, ao fim de 4 dias foi


terminada. Após ser arrefecida à temperatura ambiente verteu-se a mistura reacional

sob 5 mL de hexano e deixou-se a repousar 1 hora para originar um precipitado.

Posteriormente separou-se o precipitado da solução por filtração e após controlo por

TLC desprezou-se a solução (continha maioritariamente reagente de partida e

percursores) e purificou-se o sólido por cromatografia de camada fina preparativa,

usando o DCM como eluente e depois da primeira eluição uma mistura de

DCM/metanol (9,5:0,5) para eluir o composto desejado que ficou na base.

Rendimento = 17 %

RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) : -2,19 e -2,24 (2s; 2H; 2NH), 3,26 (s; 3H;

N+(CH3)2), 4,04 (dd; J 11,6 e 6,8; 1H; H-31), 4,22 (s; 3H; N+(CH3)2), 6,05 (dd; J 10,8 e

9,4; 1H; H-31), 6,60 a 6,65 (m; 1H; H-3), 7,61 (d; J 8,4; 1H; H-2); 8,50-8,59 (m; 4H; H-

), 8,82 a 8,85 (m; 2H; H-); RMN de 1H (400 MHz, MeOD-d4) : 3,33 (s; 3H;

N+(CH3)2), 3,82 (s; 3H; N+(CH3)2), 4,33 (dd; J 11,6 e 8,0; 1H; H-31cis), 4,88-4,93 (m; 1H;

H-31trans), 6,29 (ddd; J 17,6; 8,4 e 8,0; 1H; H-3), 7,72 (d; J 8,4; 1H; H-2), 8,77-8,80 (m;

2H; H-), 8,85 e 8,86 (2d; J 5,2; 2H; H-), 9,15 (d; J 4,8; 2H; H-); RMN de 19F (376

MHz, MeOD-d4) : -137,58 a -137,73 (m; 1F; Forto-Ar), -138,71 a -138,86 (m; 1F; Forto-

Ar), -139,15 a -139,93 (m;; 1F; Forto-Ar), -138,82 a -139,97 (m; 1F; Forto-Ar), -140,49 a -

140,85 (m; 4F; Forto-Ar), -153,86 (t; J 18,8; 1F; Fpara-Ar), -154,67 (t; J 18,8; 2F; Fpara-Ar),

-155,19 (t; 18,8; 1F; Fpara-Ar), -612,52 (td; J 26,3; 11,3 e 7,5; 2F; Fmeta-Ar), -163,76 a -

163,97 (m; 1F; Fmeta-Ar), -164,12 a -164,36 (m; 1F; Fmeta-Ar), -164,78 a -164,97 (m; 4F;

Fmeta-Ar); UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 420 (6,2 x 104); 509 (5,2 x 103);

552 (2,0 x 103); 595 (2,2 x 103); 650 (6.0 x 103); MS (ESI) m/z: 1048,118 M+.

4.2.13. Síntese da clorina 3.2

No reator de 10 ml de micro-ondas adicionou-se uma solução da clorina 3 (16

mg; 0,014 mmol) em 2 mL de etanol, 8 mg de Pd/C e ciclohexeno (0,1 mL;1 mmol).

Posteriormente, a mistura reacional foi submetida à radiação micro-ondas durante 10

min, sob uma potência máxima de 50 watts. Nesta síntese, a temperatura máxima

alcançada foi de 130 ˚C e a pressão máxima alcançada foi de 12 psi. Finalizada a

reação, filtrou-se o Pd/C com um filtro de papel e purificou-se a solução por

cromatografia em coluna, usando como eluente uma mistura de diclorometano/hexano

(1:1). A fração desejada é a segunda a ser eluída apresentando uma cor castanha e

possuindo um Rf bastante parecido com o da clorina 3.


107

Rendimento = 15%

RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) : -181 e -1,68 (2s; 2H; NH), 2,93 (d; J 6,0; 3H,

NCH3), 3,73 (dd; J 12,8 e 10,4; 1H; H-31cis), 4,01 (dd; J 10,4 e 6,8; 1H; H-31

trans), 4,80-

4,87 (m; 1H; H-3), 6,99 (d; J 8,4; 1H; H-2), 8,41, 8,47 e 8.49 (3d; J 4,8; 3H; H-), 8,69

(d; J 4,8; 1H; H-), 8,74-8,76 (m; 2H; H-); RMN de 19F (376 MHz, CDCl3) : -134,41

(dd; J 26,3 e 7,5; 1F; Forto-Ar), -136,56 (dd; J 22,6 e 7,5; 1F; Forto-Ar), -136,8 a -137,1 (

m; 2F; Forto-Ar); -137,2 a -137,4 ( m; 2F; Forto-Ar); -140,14 (dd; J 22,6 e 7,5; 1F; F-56-

Ar), -150,15 (dd; J 18,8 e 11,3; 1F; F-53-Ar), -151,9 (2t; J 18,8; 2F; Fpara-Ar); -152,8 (t;

J 18,8; 1F; Fpara-Ar), -154,3 (t; J 18,8; 1F; F-54-Ar), -161,7 a -161,5 (m; 5F; Fmeta-Ar), -

161,9 (dt; J 22,6, 7,5; 1F; Fmeta-Ar), -162,8 (t; J 22,6; 1F; F-55-Ar). RMN de 13C (100

MHz, MeOD-d4) : 40,8 (CH3); 48,2 (C-3); 60,4 (C-31); 76,3 (C-2); 98,1; 102,1; 105,0;

105,7; 123,5; 125,7; 127,6; 128,0; 132,0; 132,2; 134,9; 135,2; 139,5; 140,3; 152,5;

153,1; 166,8; 169,1; UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 403(5,5 x 104); 501(5,6

x 103); 530 (3,0 x 103); 595 (2,9 x 103); 652 (1,4 x 104; MS (ESI) m/z: 1016,112 (M+H)+.

4.2.14. Síntese das clorinas 3.2.1 e 3.2.2

A uma solução da clorina 3.2 (12 mg; 0,012 mmol) em 3 mL de THF seco

adicionou- se 4 mg (cerca de 15 equivalentes) de NaH e 0,5 mL de iodeto de metilo, e

deixou-se a reagir durante 3 horas à temperatura ambiente, sob atmosfera inerte.

Depois, lavou-se a mistura reacional com água (cerca de 5 ml), extraiu-se com DCM e

levou-se à secura.

Posteriormente purificou-se a mistura reacional para separar as duas clorinas

novas da clorina de partida (clorina 3.2). A purificação foi efetuada por cromatografia

de camada fina preparativa, usando como eluente uma mistura de solventes

hexano/DCM (6:4). A fração da clorina 3.2.2 possui um Rf superior às outras clorinas

(semelhante à TPFPP) e corresponde à clorina maioritária desta reação. A clorina

3.2.1 é produto minoritário da reação e possui um Rf ligeiramente inferior à clorina

3.2.2.

Rendimento: 16% (clorina 3.2.1); 67% (clorina 3.2.2)


Clorina 3.2.1

RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) : -1,88 e -1,75 (2s; 2H; NH), 2,86 (d; J 6; 3H;

NCH3), 3,7 a 3,8 (m; 1H; H-31cis), 3,85 a 3,95 (m; 1H; H-31

trans), 4,70 a 4,80 (m; 1H; H-

3), 6,42 (d; J 8,4; 1H; H-2), 8,41 (d; J 4; 1H; H-); 8,49 (dd; J 4,4 e 8,8; 2H; H-), 8,67

(d; J 4,4; 1H; H-), 8,70-8,80 (m; 2H; H-); RMN de 19F (376 MHz, CDCl3) 134,71 (dd;

J 22,6 e 7,5; 1F; Forto-Ar), -136,62 (dd; J 22,6 e 7,5; 1F; Forto-Ar), -136,84 (dd; J 26,32 e

7,5; 1F; Forto-Ar), -136,98 (dd; J 22,6 e 7,5; 1F; Forto-Ar) -137,30 a -137,12 (m; 2F; Forto-

Ar), -140,74 (dd; J 22,6 e 7,5; 2F; F-56-Ar), -150,20 (dd; J 18,8 e 11,3; 1F; F-53-Ar), -

151,93 (2t; J 22,6; 1F; F-para-Ar), -153,47 (t; J 18,8; 1F; F-para-Ar), -154,34 (t; J 18,8;

1F; F-54-Ar), -161,5 a -161,75 (m; 5F; Fmeta-Ar), -162,3 a -162,63 (m; 1F; Fmeta-Ar) -

162,8 (t; J 22,6; 1F; F-55-Ar). UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 405 (1,0 x

105); 499 (7,6 x 103); 529(4,0 x 103); 591 (2,1 x 103); 652 (2,4 x 104 MS (ESI) m/z:

1030,131 (M+H)+.

Clorina 3.2.2

RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) : -1,03 e -0,93 (2s; 2H; NH), 2,50 (d; J 5,6; 3H;

NCH3), 3,54 a 3,60 (m; 1H; H-31cis), 4,21 (dd; J 10 e 6,4; 1H; H-31

trans), 5,05-5,11 (m;

1H; H-3), 6,72 (d; J 9,2; 1H; H-2), 8,42 (dd; J 8,8 e 4,5; 2H; H-); 8,59 (d; J 4,4; 1H;

1H-), 8,63-8,67 (m; 2H; H-), 8,83-8,86 (m; 1H; H-); RMN de 19F (376 MHz, CDCl3)

:-136,6 e -136,4 (2dd; J 22,6 e 7,5; 2F;). -137;04 a -136,96 (m; 2F;), -137,2 (dd; J 22,6

e 7,5; 1F;), -138,98 (dd; J 22,6 e 7,5; 1F;), -148,74 (dd; J 18,8 e 7.5, 1F), -151,8 e -

151,7 (2t; J 20.7; 2F;), -154,04 (t; J 18,8; 2F) -159,1 (dd; J 20,7 e 7,5; 1F;), -161.6 a -

161.35 (m; 5F;), -163,0 (t; J 20,7; 1F;) RMN de 13C a partir de HSQC (100 MHz,

CDCl3) : 42,2 (CH3); 48,2 (C-3); 58,8 (C-31); 86.4 (C-2); 123,5; 124,6; 126,7; 128,1;

132,2 (C-). UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) λmáx nm (ε [M-1 cm-1) em MeOH: 418 (8,2 x

104); 512 (3,7 x 103); 550 (6.7 x 103); 602 (1,2 x 103); 664 (1,7 x 104); MS (ESI) m/z:

996,108 (M+H)+.


109

5. Conclusão


A síntese de macrociclos porfirínicos livres ou complexados com rendimentos

satisfatórios ainda permanece como uma etapa chave para a obtenção de uma grande

variedade de compostos tendo em vista diversas aplicações incluindo a catálise.

Esta dissertação teve como objetivos a síntese de metaloporfirinas para

utilização em catálise oxidativa e a síntese e caraterização de novos macrociclos

porfirínicos também para possível aplicação em catálise oxidativa.

Sintetizou-se com sucesso 4 metaloporfirinas e 9 clorinas (duas complexadas),

que posteriormente foram caracterizadas por diversas técnicas incluindo:

espetroscopia de UV-Vis, espetrometria de massa, espetroscopia de RMN, e

cristalografia de raios-X. Em relação às metaloporfirinas é de realçar a síntese, com

rendimentos satisfatórios, das porfirinas de ferro(III) principalmente da metaloporfirina

dimérica ([μ-O(FeTPFPP)2]), uma vez que embora estivesse caraterizada por

cristalografia de Raios-X, não existia nenhuma aplicação associada. O facto de se

conseguir converter a metaloporfirina dimérica em monomérica ([FeCl(TPFPP)]), por

tratamento ácido (HCl (5%)), também permitiu comparar as características físico-

químicas e funcionais (no caso deste trabalho em catálise), entre duas

metaloporfirinas muito parecidas.

Em relação à síntese de novos derivados porfirínicos, nesta dissertação usou-

se a cicloadição 1,3-dipolar, em que nitronas N-substituídas serviram de espécie 1,3-

dipolar, para sintetizar novas clorinas. Foram usadas nitronas N-substituídas, ao

contrário de nitronas C,N-substituídas, porque estas últimas, embora fossem mais

estáveis não reagiram com o dipolarófilo proposto (TPFPP). Deste modo as três

primeiras clorinas (clorina 1, 2, e 3) que diferem apenas no grupo de substituição R

foram obtidas a partir da reação da TPFPP com a nitrona sintetizada in situ. Destas

três clorinas apenas a clorina 3 já estava referenciada na literatura, no entanto sem

passos de síntese nem caraterização. Pegando na clorina 3, por ser a clorina inicial

que apresentava melhor rendimento, fizeram-se algumas transformações como a

metilação, originando a clorina catiónica 3.1, e a hidrogenação com intenção de clivar

a ligação N-O da isoxazolidina, que viria originar a clorina 3.2, caraterizada por possuir

um grupo hidroxido e um novo anel de 7 lados, resultante da substituição aromática

nucleofílica do o-F do anel arilo adjacente e a amina resultante da clivagem da ligação

N-O. A metilação da clorina 3.2 originou mais duas novas clorinas (3.2.1 e 3.2.2), onde

a clorina 3.2.2 apresenta características peculiares, fruto das grandes mudanças na

periferia e consequente destabilização do macrociclo as bandas do espetro de UV-Vis

ocorrem a comprimento de onda mais elevados que as suas precedentes (418; 512;

550; 602; 664), o que pode ser muito interessante para possíveis aplicações futuras

como por exemplo em PDT.


111

Tabela 5.1. Principais macrociclos porfirínicos sintetizados e correspondentes rendimentos

Numa tentativa de otimizar a síntese das clorinas tentou-se realizar a mesma

reação de cicloadição com a porfirina de partida complexada, mas tal experiência

revelou-se ineficiente uma vez que se atingiu valores de rendimento mais baixos com

os complexos de Zn2+ e Mg2+, e nem aconteceu reação com a porfirina [FeCl(TPFPP)].

Com mesmo objetivo tentou-se sintetizar a clorina 3, com radiação de micro-

ondas. Após a realização de diversos ensaios, conclui-se que a reação só acontece se

realizada num micro-ondas com sistema de arrefecimento, uma vez que atinge

potências mais altas à mesma temperatura. Assim, chega-se à conclusão que a

reação 1,3-dipolar proposta, em micro-ondas, só acontece no tempo desejado (menos

de 1 hora) se induzida em altas potências (superior a 100 W). Embora se tenha

conseguido obter a clorina 3 por este método o rendimento máximo obtido foi de 21 %

a 70 ºC e a 140 W.

Embora o objetivo inicial fosse sintetizar novos compostos porfirínicos (neste

caso clorinas) para usar futuramente em catálise, as clorinas sintetizadas não foram

usadas em catálise uma vez que foram obtidas numa escala baixa e revelaram alguma

instabilidade a temperaturas altas (temperaturas altas provocavam retrosíntese).

Como também não foi possível obter a respetiva clorina a partir da metaloporfirina

[FeCl(TPFPP)], a catálise só se realizou com as metaloporfirinas [μ-O(FeTPFPP)2] e

[FeCl(TPFPP)].

Macrociclo porfirínico Rendimento

TPFPP 5 %

[μ-O(FeTPFPP)2] 58 %

[FeCl(TPFPP)] 94 %

Clorina 1 12 %

Clorina 2 55 %

Clorina 3 71 %

Clorina 3.1 17 %

Clorina 3.2 15 %

Clorina 3.2.1 16 %

Clorina 3.2.2 67 %


Em relação à catálise oxidativa, inicialmente testou-se a oxidação do

dibenzotiofeno e do dissulfureto de dibutilo, que são dois substratos de enxofre, em

catálise homogénea.

O primeiro objetivo em relação aos testes catalíticos foi aferir a atividade

catalítica da metaloporfirina [μ-O(FeTPFPP)2], que é uma metaloporfirina sem

referências no que toca a qualquer aplicação até ao inicio desta dissertação, e

posterior comparação com os resultados obtidos pela [FeCl(TPFPP)], que é uma

metaloporfirina muito mais aplicada em catálise. Os resultados da catálise oxidativa

homogénea com [μ-O(FeTPFPP)2] demonstraram que a quantidade usada de H2O2

tem um papel fundamental na reação de oxidação uma vez que só quando se utiliza

20µl e principalmente 30µl de H2O2 é que se obtém eficiência catalítica alta (muito

perto dos 100%), finalizando a reação após os primeiros 10 minutos. Também se pode

concluir que a eficiência catalítica da metaloporfirina [FeCl(TPFPP)], é idêntica para o

dibenzotiofeno e o dissulfureto de dibutilo. Em relação à comparação da atividade

catalítica entre as duas metaloporfirinas diferentes (monomérica e dimérica), verificou-

se que a diferença é quase nula, uma vez que na presença de ambas se obtém

conversões de 100% usando 30µl de peróxido de hidrogénio e a diferença quando se

adiciona 20 µl e 10 µl de peróxido de hidrogénio é muito pequena (1 a 3%).

Depois de se analisar a eficiência catalítica das duas metaloporfirinas de ferro,

testou-se a reutilização destas para se verificar o número de ciclos catalíticos em que

o catalisador metaloporfirínico se encontrava estável e sem perda de atividade, na

presença de 30µl de H2O2. Os resultados obtidos da reutilização do sistema catalítico

foram similares para ambos os substratos, e mostraram que para a metaloporfirina

dimérica ([μ-O(FeTPFPP)2]) conseguiu-se completar 3 ciclos com conversões a 100%,

e um 4º ciclo com uma conversão muito próxima dos 100%, tendo o 5º ciclo conversão

nula. A diminuição da conversão catalítica no 4º ciclo e a conversão nula no 5ºciclo

deve-se à destruição da metaloporfirina, que deverá ser causada pelo excesso de

peróxido de hidrogénio. Em relação à metaloporfirina monomérica ([FeCl(TPFPP)])

confirmou-se que existe uma grande diferença entre fazer a reutilização do sistema

catalítica usando 1 equivalente, em relação à metaloporfirina dimérica usada, (4,8x10-7

mol) de metaloporfirina monomérica e 2 equivalentes (9,7 x10-7 mol), uma vez que

com 2 equivalentes é possível fazer 4 ciclos catalíticos e com 1 equivalente apenas se

completam 3 ciclos.

Após os resultados obtidos na catálise homogénea, tentou-se preparar um

catalisador heterogéneo tendo como centro ativo a metaloporfirina dimérica ([μ-

O(FeTPFPP)2]). Foi então tentada a imobilização por ligação covalente desta

metaloporfirina numa sílica mesoporosa já funcionalizada com o grupo


113

aminofeniltrimetoxisilano (aftms). As caracterizações feitas, principalmente ICP,

apontaram para a incorporação da metaloporfirina ao suporte aftmsSBA-15, no

entanto os resultados em catálise foram bastante satisfatórios só para o 1º ciclo

reacional. A eficiência catalítica do compósito sintetizado quase que igualou o

catalisador homogéneo obtendo valores de conversão próximos de 100% no 1º ciclo

catalítico, para ambos os substratos. Em relação à reciclagem do catalisador, o

resultado foi francamente negativo uma vez que não se obteve oxidação dos

substratos quando se tentou reciclar o catalisador. O facto de o catalisador reciclado

não ter eficiência nos ciclos seguintes indica que além de lixiviação, comprovada por

ICP, houve degradação da metaloporfirina quando solta no meio reacional. Estas

indicações e o facto de não haver uma caracterização mais concreta que indique que

a metaloporfirina estivesse covalentemente ligada ao material, indicia a possibilidade

de a metaloporfirina apenas estar imobilizada por ligações de coordenação ou

simplesmente adsorvida no material mesoporoso.

Futuramente seria interessante voltar a tentar a imobilização das

metaloporfirinas em sílicas mesoporosas, para otimizar a imobilização, de modo a

evitar a lixiviação e degradação destes catalisadores heterogéneos e assim repetir as

catálises oxidativas dos compostos de enxofre e possivelmente tentar a catálise em

outros sistemas como por exemplo em sistemas de dessulfurização oxidativa (ODS).

Também seria interessante sintetizar na escala das 100-200 mg uma das

novas clorinas apresentadas neste trabalho para se tentar complexar com um ião de

metal normalmente usado em catálise (Mn(III) ou Fe(III)) e avaliar o potencial catalítico

destes macrociclos. Por outro lado também seria interessante estudar a possibilidade

de se aplicar estas novas clorinas como cromóforos, dado terem revelado

propriedades fotofísicas muito interessantes.


115

Anexo-Estrutura dos macrociclos tetrapirrólicos

sintetizados

A1 - Porfirinas e metaloporfirinas sintetizadas

TPFPP

Fórmula Química: C44

H10

F20

N4

Massa exata: 974.0586

[FeCl(PFTPP)] Fórmula Química: C

44H

8ClF

20FeN

4


Zn(TPFPP) Fórmula Química: C

44H

8F

20N

4Zn


[μ-O(FeTPFPP)2]


H16

F40

Fe2N

8O


Mg(TPFPP) Fórmula Química: C

44H

8F

20MgN

4



A2 – Clorinas e metaloclorinas sintetizadas

Clorina 1


H21

F20

N5O


Clorina 5


H13

F20

MgN5O


Clorina 2


H19

F20

N5O


Clorina 3


H15

F20

N5O


Clorina 4


H13

F20

N5OZn


Clorina 3.1


H18

F20

N5O

+


Clorina 3.2


H16

F19

N5O


Clorina 3.2.1


H18

F19

N5O


Clorina 3.2.2


H15

F18

N5O


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