In the last twenty years, N-heterocyclic carbenes (NHC) have gained general attention as a class of ligands alternative or complementary to the classical ones, based on phosphorous (phosphines, phosphites, etc.) or nitrogen (amines, imines, etc.) donor atoms. In particular, a growing number of new technological applications based on Au(I)- or Au(III)-NHC complexes has appeared. Noteworthy, up to now the majority of these examples deals with N-heterocyclic monocarbene gold complexes. This PhD thesis is focused on the chemistry of gold complexes with di(NHC) ligands (di(NHC) = di(N-heterocylic carbene)) with particular reference to their synthesis and to the determination of a possible relation between their structure, properties and reactivity. In particular the obtained results are divided in three main chapters: i) Synthesis and characterization of the gold(I) di(NHC) complexes; ii) Oxidation of the gold(I) di(NHC) complexes; iii) Synthesis and reactivity of silver and gold complexes with novel di(NHC) ligands obtained via click reaction. i) Synthesis and characterization of the gold(I) di(NHC) complexes. Gold(I) complexes with different functionalized N-heterocyclic di(NHC) ligands have been prepared by direct deprotonation of the diimidazolium salts, that are the di(NHC) ligand precursors, in the presence of AuCl(SMe2) and of a mild base (NaOAc). In the adopted synthetic conditions, dinuclear dicationic gold(I) complexes presenting a metallamacrocyclic structure with two bridging di(NHC) ligands have been obtained in good yields. The photoluminescence and electrochemical properties of the synthesized complexes are strongly influenced by the structure of the di(NHC) ligand employed, in particular by the bridge present between the two imidazole-2-ylidene rings. Remarkably we identified complex 3 (Y = (CH2)3) as a very strong solid state emitter with an almost unitary quantum yield of emission (Фem = 96 %). The ligands of complex 3 were functionalized with different wingtip substituents, bearing long aliphatic chains of different length, with the aim of obtaining luminescent liquid crystals. The new complexes of this type behave as thermotropic materials, differing from the parent compound 3. ii) Oxidation of the gold(I) di(NHC) complexes. The reactivity of the gold(I) complexes toward oxidative addition of halogen is strongly influenced by the employed halogen and by the structure of the di(NHC) ligand. In general stable Au(III)/Au(III) complexes were obtained; however with the bulkier iodine a mixed valence Au(I)/Au(III) complex is isolated. Moreover the presence of the propylene bridge in the di(NHCs) favors the formation rather novel Au(II)/Au(II) complexes. The nature and the geometry of the obtained products have been fully elucidated in several cases by X-ray analysis. iii) Synthesis and reactivity of silver and gold complexes with novel di(NHC) ligands obtained via click reaction. The copper(I) catalyzed azide alkyne cycloaddition was used to introduce new functionalities (benzyl or polyethyleneglycole chain substituted triazole) on the peripheral positions of the bis(1-methylimidazole)propane core. Using the optimized reaction condition it was possible to prepare the corresponding gold(I) and gold(III) complexes. The in vitro cytotoxic activity of the functionalized gold(III) di(NHC) complexes was evaluated on a series of different neoplastic cell lines and on two healthy cell lines; The functionalized complexes are more active than the parent unfunctionalized ones and they express cytotoxicity preferentially towards the neoplastic cells.

Negli ultimi vent’anni i leganti carbenici N-eterociclici (NHC) sono stati una delle classi di leganti più studiate in chimica organometallica. Questi leganti si sono infatti imposti come valida alternativa ai classici leganti σ-donatori basati su atomi donatori quali fosforo (fosfine, fosfiti, ecc.) e azoto (ammine, immine, ecc.). In particolare in letteratura si riscontra un numero sempre crescente di lavori riguardo nuove applicazioni tecnologiche di complessi di oro(I) e oro(III) con leganti NHC. Ad oggi, la maggior parte di questi esempi riguarda complessi di oro con leganti mono(carbenici N-eterociclici). Il lavoro svolto in questa tesi di dottorato è invece incentrato sulla sintesi e caratterizzazione di nuovi complessi di oro con leganti di(NHC) (di(NHC) = di(carbene N-eterociclico)) e sulla ricerca di una possibile relazione tra la loro struttura molecolare, le loro proprietà e la loro reattività. I risultati ottenuti sono divisi in tre capitoli principali: i) Sintesi e caratterizzazione di nuovi complessi di oro(I) con leganti di(NHC); ii) Ossidazione dei complessi di oro(I) con leganti di(NHC); iii) Sintesi e reattività di complessi di oro e argento con nuovi leganti di(NHC) funzionalizzati mediante click chemistry. i) Sintesi e caratterizzazione di nuovi complessi di oro(I) con leganti di(NHC). Nuovi complessi di oro(I) con leganti di(NHC) differentemente funzionalizzati sono stati ottenuti mediante deprotonazione diretta dei corrispondenti sali di diimidazolio, precursori dei leganti carbenici, in presenza di AuCl(SMe2) e di una base debole (NaOAc). Nelle condizioni di reazione impiegate sono stati ottenuti, con buone rese, complessi dinucleari di oro(I) caratterizzati da una struttura metallamacrociclica con due leganti di(NHC) a ponte fra i due centri metallici. Le proprietà fotochimiche ed elettrochimiche dei complessi di oro(I) ottenuti sono fortemente influenzate dalla struttura del legante di(NHC) utilizzato e in particolare, dal ponte (Y) presente tra i due anelli imidazol-2-ilidenici. È stato identificato un complesso (3, Y = (CH2)3) caratterizzato da una fotoemissione allo stato solito molto intensa con una resa quantica di emissione quasi unitaria (Фem = 96 %). Il legante di(NHC) presente nella struttura del complesso 3 è stato successivamente funzionalizzato sugli atomi di azoto in posizione 1,1’ con sostituenti contenenti catene alifatiche di diversa lunghezza con l’obiettivo di ottenere complessi con caratteristiche di cristalli liquidi luminescenti. I nuovi complessi ottenuti, a differenza del complesso di riferimento 3, si comportano come materiali termotropici. ii) Ossidazione dei complessi di oro(I) con leganti di(NHC). La reattività dei complessi di oro(I) nella reazione di addizione ossidativa di alogeno è fortemente influenzata dall’alogeno e dalla struttura del legante di(NHC) impiegati. Nella maggior parte dei casi sono stati ottenuti complessi dinucleari di oro(III) stabili; tuttavia utilizzando come ossidante un alogeno relativamente ingombrante come lo iodio è stato possibile isolare anche un complesso a valenza mista Au(III)/Au(I). Inoltre la presenza del ponte propilene nella struttura dei complessi di(NHC) favorisce la formazione di complessi in cui l’oro è presente nel poco comune stato di ossidazione Au(II)/Au(II). La struttura e la geometria dei prodotti ottenuti è stata in molti casi confermata dalla risoluzione della relativa struttura ai raggi X. iii) Sintesi e reattività di complessi di oro e argento con nuovi leganti di(NHC) funzionalizzati mediante click chemistry. La reazione di cicloaddizione tra azide e alchino catalizzata da sali di Cu(I) (CuAAC) è stata utilizzata per introdurre nuovi gruppi funzionali (anelli triazolici recanti rispettivamente un gruppo benzile o una catena di polietilenglicole) nelle posizioni 5,5’ degli anelli imidazolici del precursore carbenico a ponte propilenico. Utilizzando le condizioni di reazione ottimizzate è stato quindi possibile ottenere i corrispondenti complessi dinucleari di oro(I), oro(III) e argento(I). L’attività citotossica in vitro dei complessi di oro(III) con leganti di(NHC) funzionalizzati è stata determinata su una serie di differenti linee cellulari neoplastiche e su due linee cellulari sane. I complessi funzionalizzati presentano un’attività maggiore rispetto ai complessi con leganti non funzionalizzati ed esprimono la loro citotossicità in maniera preferenziale verso le cellule tumorali.

Novel gold complexes with di(N-heterocyclic carbene) ligands: synthesis and applications / Baron, Marco. - (2014 Jan 31).

Novel gold complexes with di(N-heterocyclic carbene) ligands: synthesis and applications

Baron, Marco
2014-01-31

Abstract

In the last twenty years, N-heterocyclic carbenes (NHC) have gained general attention as a class of ligands alternative or complementary to the classical ones, based on phosphorous (phosphines, phosphites, etc.) or nitrogen (amines, imines, etc.) donor atoms. In particular, a growing number of new technological applications based on Au(I)- or Au(III)-NHC complexes has appeared. Noteworthy, up to now the majority of these examples deals with N-heterocyclic monocarbene gold complexes. This PhD thesis is focused on the chemistry of gold complexes with di(NHC) ligands (di(NHC) = di(N-heterocylic carbene)) with particular reference to their synthesis and to the determination of a possible relation between their structure, properties and reactivity. In particular the obtained results are divided in three main chapters: i) Synthesis and characterization of the gold(I) di(NHC) complexes; ii) Oxidation of the gold(I) di(NHC) complexes; iii) Synthesis and reactivity of silver and gold complexes with novel di(NHC) ligands obtained via click reaction. i) Synthesis and characterization of the gold(I) di(NHC) complexes. Gold(I) complexes with different functionalized N-heterocyclic di(NHC) ligands have been prepared by direct deprotonation of the diimidazolium salts, that are the di(NHC) ligand precursors, in the presence of AuCl(SMe2) and of a mild base (NaOAc). In the adopted synthetic conditions, dinuclear dicationic gold(I) complexes presenting a metallamacrocyclic structure with two bridging di(NHC) ligands have been obtained in good yields. The photoluminescence and electrochemical properties of the synthesized complexes are strongly influenced by the structure of the di(NHC) ligand employed, in particular by the bridge present between the two imidazole-2-ylidene rings. Remarkably we identified complex 3 (Y = (CH2)3) as a very strong solid state emitter with an almost unitary quantum yield of emission (Фem = 96 %). The ligands of complex 3 were functionalized with different wingtip substituents, bearing long aliphatic chains of different length, with the aim of obtaining luminescent liquid crystals. The new complexes of this type behave as thermotropic materials, differing from the parent compound 3. ii) Oxidation of the gold(I) di(NHC) complexes. The reactivity of the gold(I) complexes toward oxidative addition of halogen is strongly influenced by the employed halogen and by the structure of the di(NHC) ligand. In general stable Au(III)/Au(III) complexes were obtained; however with the bulkier iodine a mixed valence Au(I)/Au(III) complex is isolated. Moreover the presence of the propylene bridge in the di(NHCs) favors the formation rather novel Au(II)/Au(II) complexes. The nature and the geometry of the obtained products have been fully elucidated in several cases by X-ray analysis. iii) Synthesis and reactivity of silver and gold complexes with novel di(NHC) ligands obtained via click reaction. The copper(I) catalyzed azide alkyne cycloaddition was used to introduce new functionalities (benzyl or polyethyleneglycole chain substituted triazole) on the peripheral positions of the bis(1-methylimidazole)propane core. Using the optimized reaction condition it was possible to prepare the corresponding gold(I) and gold(III) complexes. The in vitro cytotoxic activity of the functionalized gold(III) di(NHC) complexes was evaluated on a series of different neoplastic cell lines and on two healthy cell lines; The functionalized complexes are more active than the parent unfunctionalized ones and they express cytotoxicity preferentially towards the neoplastic cells.
Negli ultimi vent’anni i leganti carbenici N-eterociclici (NHC) sono stati una delle classi di leganti più studiate in chimica organometallica. Questi leganti si sono infatti imposti come valida alternativa ai classici leganti σ-donatori basati su atomi donatori quali fosforo (fosfine, fosfiti, ecc.) e azoto (ammine, immine, ecc.). In particolare in letteratura si riscontra un numero sempre crescente di lavori riguardo nuove applicazioni tecnologiche di complessi di oro(I) e oro(III) con leganti NHC. Ad oggi, la maggior parte di questi esempi riguarda complessi di oro con leganti mono(carbenici N-eterociclici). Il lavoro svolto in questa tesi di dottorato è invece incentrato sulla sintesi e caratterizzazione di nuovi complessi di oro con leganti di(NHC) (di(NHC) = di(carbene N-eterociclico)) e sulla ricerca di una possibile relazione tra la loro struttura molecolare, le loro proprietà e la loro reattività. I risultati ottenuti sono divisi in tre capitoli principali: i) Sintesi e caratterizzazione di nuovi complessi di oro(I) con leganti di(NHC); ii) Ossidazione dei complessi di oro(I) con leganti di(NHC); iii) Sintesi e reattività di complessi di oro e argento con nuovi leganti di(NHC) funzionalizzati mediante click chemistry. i) Sintesi e caratterizzazione di nuovi complessi di oro(I) con leganti di(NHC). Nuovi complessi di oro(I) con leganti di(NHC) differentemente funzionalizzati sono stati ottenuti mediante deprotonazione diretta dei corrispondenti sali di diimidazolio, precursori dei leganti carbenici, in presenza di AuCl(SMe2) e di una base debole (NaOAc). Nelle condizioni di reazione impiegate sono stati ottenuti, con buone rese, complessi dinucleari di oro(I) caratterizzati da una struttura metallamacrociclica con due leganti di(NHC) a ponte fra i due centri metallici. Le proprietà fotochimiche ed elettrochimiche dei complessi di oro(I) ottenuti sono fortemente influenzate dalla struttura del legante di(NHC) utilizzato e in particolare, dal ponte (Y) presente tra i due anelli imidazol-2-ilidenici. È stato identificato un complesso (3, Y = (CH2)3) caratterizzato da una fotoemissione allo stato solito molto intensa con una resa quantica di emissione quasi unitaria (Фem = 96 %). Il legante di(NHC) presente nella struttura del complesso 3 è stato successivamente funzionalizzato sugli atomi di azoto in posizione 1,1’ con sostituenti contenenti catene alifatiche di diversa lunghezza con l’obiettivo di ottenere complessi con caratteristiche di cristalli liquidi luminescenti. I nuovi complessi ottenuti, a differenza del complesso di riferimento 3, si comportano come materiali termotropici. ii) Ossidazione dei complessi di oro(I) con leganti di(NHC). La reattività dei complessi di oro(I) nella reazione di addizione ossidativa di alogeno è fortemente influenzata dall’alogeno e dalla struttura del legante di(NHC) impiegati. Nella maggior parte dei casi sono stati ottenuti complessi dinucleari di oro(III) stabili; tuttavia utilizzando come ossidante un alogeno relativamente ingombrante come lo iodio è stato possibile isolare anche un complesso a valenza mista Au(III)/Au(I). Inoltre la presenza del ponte propilene nella struttura dei complessi di(NHC) favorisce la formazione di complessi in cui l’oro è presente nel poco comune stato di ossidazione Au(II)/Au(II). La struttura e la geometria dei prodotti ottenuti è stata in molti casi confermata dalla risoluzione della relativa struttura ai raggi X. iii) Sintesi e reattività di complessi di oro e argento con nuovi leganti di(NHC) funzionalizzati mediante click chemistry. La reazione di cicloaddizione tra azide e alchino catalizzata da sali di Cu(I) (CuAAC) è stata utilizzata per introdurre nuovi gruppi funzionali (anelli triazolici recanti rispettivamente un gruppo benzile o una catena di polietilenglicole) nelle posizioni 5,5’ degli anelli imidazolici del precursore carbenico a ponte propilenico. Utilizzando le condizioni di reazione ottimizzate è stato quindi possibile ottenere i corrispondenti complessi dinucleari di oro(I), oro(III) e argento(I). L’attività citotossica in vitro dei complessi di oro(III) con leganti di(NHC) funzionalizzati è stata determinata su una serie di differenti linee cellulari neoplastiche e su due linee cellulari sane. I complessi funzionalizzati presentano un’attività maggiore rispetto ai complessi con leganti non funzionalizzati ed esprimono la loro citotossicità in maniera preferenziale verso le cellule tumorali.
Complessi, oro, dicarbene, di(NHC), sintesi, luminescenza, attività citotossica, cristalli liquidi ionici, addizione ossidativa di alogeno. Gold complexes, N-heterocyclic carbene, di(NHC) ligands, oxidative addition of halogens, luminescence, cytotoxic activity, ionic liquid crystals.
Novel gold complexes with di(N-heterocyclic carbene) ligands: synthesis and applications / Baron, Marco. - (2014 Jan 31).
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