Structure and conformation of ortho- and meta-substituted aromatic molecules and their complexescompetition between inter- and intra-molecular interactions

Resumen

El estudio de la estructura y conformación es la base para comprender el comportamiento de los sistemas moleculares. Esto se debe a que ambas se encuentran íntimamente relacionadas con las propiedades físicas y químicas de la materia. En los sistemas biológicos las interacciones no covalentes entre los diversos grupos funcionales contribuyen a determinar las posibles conformaciones estables. La interacción no covalente más extendida es el enlace de hidrógeno. En el medio biológico las moléculas no se encuentran aisladas sino que se relacionan por medio de interacciones intermoleculares. El agua es el principal componente de los seres vivos y es el disolvente de sus matrices biológicas. Su pequeño tamaño unido a su doble carácter dador/aceptor le confiere una elevada capacidad para formar enlaces de hidrógeno. Esto hace que su presencia sea fundamental en la química supramolecular y forme parte de muchos procesos biológicos importantes. Las interacciones intermoleculares del agua con biomoléculas mediante enlaces de hidrógeno dan lugar en muchos casos a procesos competitivos con las interacciones intramoleculares, alterando la estructura y el panorama conformacional. El estudio individualizado de las interacciones no covalentes en sistemas biológicos resulta complicado debido a que la estructura de estos es el resultado de la cooperación entre diferentes interacciones. Por este motivo se han investigado estas interacciones mediante modelos moleculares más sencillos.La investigación de las interacciones con agua se ha modelizado ampliamente mediante el estudio de complejos microsolvatados.Se denomina microsolvatación a la situación en la cual una molécula forma aductos con un número limitado de moléculas de agua. Estos complejos permiten estudiar los cambios que tienen lugar en la estructura molecular en las diferentes etapas cuando la molécula pasa de estar aislada a estar solvatada. Las condiciones ideales para el estudio de estos microsolvatos se dan en fase gas, donde la molécula y los aductos se encuentran aislados y libres de otras interacciones. Este entorno permite estudiar las propiedades intrínsecas de estos complejos. El experimento que posibilita el generar de forma controlada los aductos de una molécula con un número creciente de moléculas de agua es la expansión supersónica. Además permite aislar de forma efectiva los complejos y estudiarlos con diferentes técnicas espectroscópicas. Las bajas temperaturas de rotación y vibración alcanzadas hacen que esta técnica sea ideal para aislar los diferentes confórmeros de baja energía de los complejos. Para llevar a cabo el estudio de la estructura y conformación molecular de estos sistemas de forma aislada en este trabajo se ha empleado la técnica de espectroscopia de microondas con transformada de Fourier acoplada a chorros supersónicos. Esta técnica tiene una gran sensitividad y, a la resolución y precisión intrínsecas de la espectroscopia de microondas, se unen las características de espectroscopia “sub-Doppler” que le confiere el chorro supersónico. Debido a la elevada sensitividad, esta técnica permite observar, en muchos casos, el espectro de las especies isotópicas de la muestra en abundancia natural. De esta forma, con la información proporcionada por estos isótopos es posible determinar la geometría molecular. Por otro lado, la alta resolución permite resolver la estructura hiperfina de cuadrupolo nuclear, como la asociada a la presencia de núcleos de 14N. También permite resolver dobletes producidos por efecto túnel, como los asociados a vibraciones de gran amplitud que interconvierten configuraciones equivalentes de la molécula a través de barreras de energía potencial bajas y moderadas. De esta forma la espectroscopia de rotación no solo ha resultado útil para la determinación de la estructura, sino que en algunos casos también aporta información de la dinámica molecular. En esta Tesis se han estudiado una serie de sistemas modelo basados en un anillo bencénico con grupos funcionales sustituidos en orto y sus complejos con agua y otras moléculas como ácido fórmico o metanol. La elección de sistemas sustituidos en orto ha venido motivada por las diferencias en el comportamiento químico de estos sistemas en relación con los isómeros meta y para. Estas diferencias se manifiestan en la reactividad química. Es bien conocido que la modelización de la energía de activación de los derivados en meta y para del ácido benzoico mediante la ecuación de Hammett no es aplicable a los isómeros orto. De igual modo, la interpretación de los patrones de fragmentación de los espectros de masas requiere reacciones análogas para los compuestos meta y para, que son completamente diferentes de las requeridas para los compuestos en orto. También la actividad biológica de compuestos meta y para es diferente en ciertos casos a la de los isómeros en orto. El origen entre estas diferencias está en la proximidad entre los grupos funcionales en orto que permite el establecimiento de interacciones intramoleculares no covalentes atractivas o repulsivas que pueden modificar considerablemente las propiedades moleculares. Este tipo de interacciones no tienen lugar en los isómeros meta y para. En los compuestos estudiados los sustituyentes son grupos ácidos (-COOH), ésteres (-COOCH3), alcoholes (-OH) o éteres (-O-CH3). El grupo ácido y el alcohol son simultáneamente dadores y aceptores de protones, mientras que los ésteres y éteres solo son capaces de aceptar protones. Por tanto el enlace de hidrógeno es la interacción no covalente más importante en aquellos sistemas que presentan un grupo ácido, un grupo alcohol o ambos. La caracterización de los posibles enlaces de hidrógeno intramoleculares y la influencia de estos en la conformación molecular es un objetivo importante en esta Tesis. En aquellos sistemas en que no se produce enlace de hidrógeno intramolecular la conformación viene condicionada por el balance entre la resonancia de los grupos funcionales con el anillo, que favorece un esqueleto plano, y las fuerzas repulsivas entre los grupos funcionales, que favorecen un esqueleto no plano. En estos casos son posibles diferentes confórmeros estables con energías similares. Estos confórmeros están relacionados con la rotación de los grupos funcionales alrededor de su enlace con el anillo. El estudio de la competición entre los enlaces de hidrógeno intramolecular e intermolecular en los complejos de estos sistemas con agua u otros disolventes, y de la influencia de la microsolvatación en la conformación de dichos sistemas ha sido otro objetivo importante de este trabajo.