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
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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.
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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.
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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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xi
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
4.2.8. Síntese da clorina 2 ............................................................................. 102
4.2.9. Síntese da clorina 3 ............................................................................. 103
4.2.10. Síntese da clorina 4 ............................................................................. 104
4.2.11. Síntese da clorina 5 ............................................................................. 105
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
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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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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.
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
4 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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]
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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)
6 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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.
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
8 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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]
10 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
12 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
14 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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]
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
16 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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]
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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]
18 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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24 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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enolisierte Derivate der Chlorophyllreihe. 132-Desmethoxycarbonyl-173-desoxy-
132,173-cyclochlorophyllid a-enol und eine Methode zur Einführung von Magnesium in
porphinoide Ligandsysteme unter milden Bedingungen. Helvetica Chimica Acta, 1975.
58 ((8)): p. 2357-2367.
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
25
2. Síntese de macrociclos porfirínicos
26 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
28 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
30 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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.
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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)
32 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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)
Macrociclo Tetrapirrólico
(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)
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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)
34 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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)
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
36 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
38 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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.
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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.
40 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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 %
42 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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.
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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)
44 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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.
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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)
46 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
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 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)
Clorina 2 (clorofórmio)
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)
Clorina 3 (clorofórmio)
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)
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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.
48 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
50 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
52 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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)
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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.
54 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
56 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
58 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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)
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
60 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
61
Figura 2.32. Espetro da clorina 3 em metanol em refluxo
0
0.1
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2.4. Referências
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FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
65
3. Oxidação de compostos de enxofre catalisada
por metaloporfirinas
66 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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]
68 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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]
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
70 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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)].
72 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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)
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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)
74 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
5ul de oxidante 16.9 15.27 16
con
vers
ão c
atal
itic
a e
m %
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
20ul de oxidante 100 100 100
10ul de oxidante 55.88 56.6 55
5ul de oxidante 21.9 20.27 20
con
vers
ão c
atal
ític
a e
m %
76 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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)
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
78 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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)
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
30ul de oxidante 100 100 100
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
80 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
30ul de oxidante 100 100 100
20ul de oxidante 96.3 96.3 96
10ul de oxidante 51.98 52.12 51.69
con
vers
ão c
atal
ític
a
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
82 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
84 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
(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]
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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]
86 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
88 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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)
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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 %
número de onda (cm-1)
90
91
92
93
94
95
96
97
98
5506006507007508008509009501000
T %
número de onda (cm-1)
97
98
99
100
101
25002700290031003300350037003900
T %
número de onda (cm-1)
90 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
92 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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97
4.Parte Experimental
98 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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 %
100 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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 %
UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 406 (5,9 x 104); 478 (7,8 x 103); 592
(4,8 x 103); MS (ESI) m/z: 1027,971 (M+H)+.
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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%
UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 416 (2,1 x 105); 554 (1,6 x 104); 587
(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 %
102 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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);
4.2.8. Síntese da clorina 2
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,
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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)+.
4.2.9. Síntese da clorina 3
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
mg; 0,54 mmol) e K2CO3 (70 mg; 0,5 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-metil-hidroxilamónio,
paraformaldeído e K2CO3 (quantidades iguais às iniciais). Após as 30 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. 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%
104 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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)+;
4.2.10. Síntese da clorina 4
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,
adicionou-se cloreto de N-metil-hidroxilamónio (25 mg; 0,3 mmol), paraformaldeído (16
mg; 0,54 mmol) e K2CO3 (70 mg; 0,5 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-metil-hidroxilamónio,
paraformaldeído e K2CO3 (quantidades iguais às iniciais). Nas 30 horas parou-se a
reação e depois de arrefecida à temperatura ambiente, a mistura reacional foi filtrada
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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).
4.2.11. Síntese da clorina 5
A uma solução de Mg(TPFPP) (10 mg; 0,01 mmol) em 2 mL de tolueno,
adicionou-se cloreto de N-metil-hidroxilamónio (12 mg; 0,15 mmol), paraformaldeído (8
mg; 0,26 mmol) e K2CO3 (35 mg; 0,25 mmol) e aqueceu-se a mistura a 60˚C sob
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,
paraformaldeído e K2CO3 (quantidades iguais às iniciais). Nas 30 horas parou-se a
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%
UV-Vis. λmáx nm (ε [M-1.cm-1]) em MeOH: 423 (8,9 x 104); 556 (2,1 x 103); 612
(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
106 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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.
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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)
108 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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)+.
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
109
5. Conclusão
110 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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.
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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 %
112 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
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
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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.
114 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicações em catálise
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
Massa exata: 1062.9468
Zn(TPFPP) Fórmula Química: C
44H
8F
20N
4Zn
Massa exata: 1035.9721
[μ-O(FeTPFPP)2]
Fórmula Química: C88
H16
F40
Fe2N
8O
Massa exata: 2071.95
Mg(TPFPP) Fórmula Química: C
44H
8F
20MgN
4
Massa exata: 996.0280
2 FCUP Síntese de novos macrociclos porfirínicos para aplicação em catálise
A2 – Clorinas e metaloclorinas sintetizadas
Clorina 1
Fórmula Química: C49
H21
F20
N5O
Massa exata: 1075.1427
Clorina 5
Fórmula Química: C46
H13
F20
MgN5O
Massa exata: 1055.0651
Clorina 2
Fórmula Química: C52
H19
F20
N5O
Massa exata: 1109.1270
Clorina 3
Fórmula Química: C46
H15
F20
N5O
Massa exata: 1033.0957
Clorina 4
Fórmula Química: C46
H13
F20
N5OZn
Massa exata: 1095.0092
Clorina 3.1
Fórmula Química: C47
H18
F20
N5O
+
Massa exata: 1048.1187
Clorina 3.2
Fórmula Química: C46
H16
F19
N5O
Massa exata: 1015.1051
Clorina 3.2.1
Fórmula Química: C47
H18
F19
N5O
Massa exata: 1029.1208
Clorina 3.2.2
Fórmula Química: C46
H15
F18
N5O
Massa exata: 995.0989