Carborani in ottica non lineare
Carborani come cristalli liquidi
Sintesi
Reattività
Metallocarborani
Caratterizzazione
Proprietà fisiche e cristallografiche
Carborani in chimica medica



CARBORANI


La ricerca nel campo degli eteroborani è ampiamente diffusa da più di 40 anni.

Tra tutte le possibili classi di composti appartenenti a tale famiglia, i carborani sono, senza alcun dubbio, i composti più studiati.

Fra questi, quello che merita maggiormente attenzione, grazie al suo ampio utilizzo e alla facilità di sintesi, è il DICARBA-CLOSO-DODECABORANO, comunemente chiamato carborano, avente formula bruta C2H12B10.

Grazie alle specifiche proprietà chimiche e fisiche dei carborani, questi sono ampiamente utilizzati nel campo della catalisi, come radiofarmaci, all’interno di polimeri, come complessanti in composti di coordinazione.

Negli ultimi anni questi composti sono stati impiegati nel campo dei materiali per ottica non lineare ed in quello dei cristalli liquidi .

La chimica medica dei carborani, una volta completamente concentrata sul solo utilizzo di questi in Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), ha ora ampliato il campo d’utilizzo di questi materiali come farmaci e “sonde” biologiche.

I dicarba-closo-dodecarborani esistono come orto- (1,2), meta- (1,7) e para- (1,12) isomeri in base alle posizioni occupate dagli atomi di carbonio nel cluster.
La struttura geometrica di questa molecola è icosaedrica e ciascun atomo di boro e carbonio è esacoordinato. Le distanze medie interatomiche all’interno dei tre isomeri sono riportati nella tabella sottostante (Tab. 2):

Tab. 2 Distanze medie di legame all'interno dei tre isomeri

LEGAME
Distanza [A]
C-C
1,62-1,70
B-C
1,70-1,75
B-B
1,70-1,79

SINTESI

La sintesi dell’orto-carborano avvenne per la prima volta nel 1963.

Questo composto è preparato per reazione dell’acetilene (o di un alchino superiore) con L2H12B10, il quale è generalmente creato in situ da un decaborano, B10H14,e da un acido di Lewis debole (L= CH3CN, RSR, R3N):

B10H14 + 2 R2S à B10H12(R2S)2 + H2

B10H12(R2S)2 + RCºCR’ à B10H10C2RR’ + 2 R2S + H2

La reazione avviene comunemente in acetonitrile o toluene mediante riscaldamento a riflusso per alcune ore (6-24 h).

I closo-carborani inferiori vengono generalmente ottenuti degradando in vario modo il C2H12B10.

Il meta- ed il para- vengono preparati per isomerizzazione termica condotta in atmosfera inerte.

A 400 – 500 °C, l’ortocarborano converte nell’isomero meta-, il quale poi a 600 – 700 °C, in parte pirolizza ed in parte dà luogo all’isomero para-.


Fig.6 Struttura e isomerizzazione dei tre isomeri del dicarbaclosodecaborano

Un possibile meccanismo per l’isomerizzazione fu proposto da W. N. Lipscomb nel 1966 [20]e prevede il passaggio da una struttura icosaedrica ad una cubo-ottaedrica, che dovrebbe avere una probabilità del 50% di generare un icosaedro diverso da quello di partenza, ovvero l’isomero meta-


Fig.7 Interconversione delle specie icosaedriche 1,2- e 1,7- disostituite attraverso un intermedio cuboottaedrico

Un difetto di questo meccanismo è quello di non riuscire a razionalizzare il successivo passaggio all’isomero para-.

REATTIVITA'

I gruppi CH all’interno dei carborani risultano debolmente acidi (pKa (orto) = 22,0; pKa (meta) = 25,6; pKa (para) = 26,8) e possono, quindi, essere deprotonati senza grossa difficoltà al fine di ottenere una specie nucleofila. Viceversa i vertici costituiti dagli atomi di boro sono facilmente derivatizzabili, mediante l’utilizzo di specie elettrofile. È possibile, quindi, preparare un ampio numero di derivati di boro o di carbonio, anche senza l’ausilio di complesse strategie di preparazione.

Il fatto che i gruppi CH dell'ortocarborano risultino più acidi rispetto agli stessi gruppi presenti negli isomeri meta e para, è dovuto alla maggiore elettronegatività dell’atomo di carbonio adiacente al gruppo in questione rispetto agli atomi di boro presenti negli altri isomeri.

La preparazione di sistemi monolitiocarboranici è facilmente eseguibile usando basi forti quali MeLi, PhLi, n-BuLi... I carboranil anioni che si formano sono sufficientemente nucleofili per reagire con un ampio gruppo di specie elettrofile. Tra queste ricordiamo gli alogeni (I2, Br2, Cl2), gli alogenuri alchilici, le aldeidi, il CO2, l’acido cloridrico e i clorosilani.


Fig.8 Schema di alcune reazioni che possono essere usate per
derivatizzare i vertici di carbonio in B10H10C2

Un problema legato alla sintesi dei derivati al carbonio dell'ortocarborano è che i monolitiocarborani tendono a reagire tra loro per dare molecole di ortocarborano e sistemi dianionici. Questo problema è minimizzato conducendo le sintesi in presenza di TBDMS (terbutildimetilsilis cloruro) o di dimetossietano.

Trattando i closocarborani con sistemi alcossi (RO- / ROH) si ha la formazione dei rispettivi monoanioni aventi struttura a nido. In particolare partendo dall’ortocarborano si ottiene il 7,8-nido-carborano, mentre partendo dal meta il 7,9-nido-carborano (Fig 9). Questa reazione viene spesso usata per convertire i carborani nelle rispettive strutture a nido più solubili in acqua.


Fig.9 Strutture ottenute per deprotonazioni successive di una molecola di orto-carborano

La derivatizzazione dei vertici di boro avviene invece con strategie differenti.
Trattando l’ortocarborano in ammoniaca liquida con metalli alcalini (Na o K) e facendo una successiva ossidazione mediante KMnO4 o CuCl si ottiene il 3-ammino-ortocarborano. Il gruppo amminico può essere ulteriormente convertito in innumerevoli altri gruppi funzionali passando attraverso lo ione diazonio.

Il trattamento dei sistemi 7,8 e 7,9-[C2B9H12]- con basi molto forti porta alla formazione dei dianioni nido-7,8 o nido-7,9-[ C2B9H11]2- (Fig. 9). Tali ioni vengono generalmente chiamati ioni "dicarbolluro". Questi si sono dimostrati dei leganti particolarmente adatti per formare complessi a sandwich di tipo metallocenico.

CARATTERIZZAZIONE [8]

Il metodo di caratterizzazione strutturale più completo per i carborani è la diffrazione di raggi X su cristallo singolo.

Altri metodi sono però utilizzabili al fine di trarre informazioni su alcune loro proprietà molecolari o per seguire l’andamento di reazioni in cui sono coinvolti.

Tipico strumento per monitorare le reazioni dei carborani è la cromatografia su strato sottile (TLC). Spruzzando la lastrina cromatografica con uno spray di PdCl2 in HCl si ottengono delle macchie scure in presenza di carborani, infatti, questi e i loro derivati sono in grado di ridurre il Pd(II) a Pd metallico.

Anche la spettroscopia IR può fornire notevoli informazioni: l’assorbimento dovuto allo stretching del legame BH si sposta da 2600 cm-1 a 2520 cm-1 passando dai closo ai nidocarborani. Le frequenze tipiche legate allo stretching dei legami CH sono diverse a seconda dell’isomero: 3065 cm-1per il para, 3070 cm-1 per il meta e 3079 cm-1 per l’orto.

Le tecniche di risonanza magnetica sono anche largamente utilizzate. Oltre all’1H - NMR è possibile sfruttare anche la 10B o la 11B-NMR. L’isotopo maggiormente sfruttato è proprio quest’ultimo poiché è quello che presenta maggiore abbondanza isotopica (80,3%), relativamente alta "receptivity" (10 % dell’1H) e tempi di rilassamento abbastanza corti.

Tecniche di cromatografia HPLC, oltre ad essere utilizzate per purificare carborani e derivati, possono essere usate per valutare la loro idrofilicità. Recentemente Yamamoto e Endo [9] hanno ad esempio sfruttato un sistema HPLC per la determinazione del parametro logP per la serie di composti riportati in Fig. 10


Fig.10 Serie di composti studiati da Yamamoto ed Endo
per determinarne il parametro log(p)

PROPRIETA' FISICHE E CRISTALLOGRAFICHE[10]

A temperatura ambiente i tre isomeri orto, meta e para del C2B10H12 si presentano tutti con un impacchettamento compatto fcc.

Le temperature di fusione sono rispettivamente 534 K, 546 K e 570 K. In tutti e tre gli isomeri sono state osservate, attraverso metodi calorimetrici e spettroscopici, tre differenti strutture cristalline. Le temperature alle quali avvengono le transizioni sono riportate in Tab. 3

Tab. 3 Temperature a cui avvvengono, per i tre carborani isomeri, le transizioni tra le varie strutture cristalline

T1[K]
T2[K]
orto-
240
303
meta-
165
277
para-
167
274

Le transizioni sono tutte del primo ordine e presentano un’isteresi piuttosto marcata, ciò fa sì che si possano ottenere fasi metastabili per gli isomeri orto e meta. In tutti e tre i composti le fasi I e II sono disordinate (fasi plastiche) mentre le fasi III, quelle che si presentano a temperature inferiori, presentano tutte strutture ordinate. Le strutture cristalline delle fasi II e III sono sconosciute per tutti e tre gli isomeri.

I tre sistemi presentano un’uguale temperatura di sublimazione (300 K), i calori associati a tali transizioni sono invece 30, 62 e 70 KJ / mol rispettivamente per il para, meta e ortocarborano.

CARBORANI IN CHIMICA MEDICA

L’interesse della chimica medica per i carborani era essenzialmente legato al fatto che questi composti presentano elevati contenuti in boro e notevole stabilità all’interno del metabolismo umano. Entrambe queste caratteristiche rendono i carborani molto interessanti per quel che riguarda il loro utilizzo all’interno di una terapia per la cura di tumori nota come BNCT (Boron Neutron Capture Therapy).

Negli ultimi anni è stato poi scoperto che i carborani aumentano le interazioni tra alcuni farmaci e i rispettivi recettori così come aumentano la stabilità e la biodisponibilità di alcuni composti che sono normalmente rapidamente metabolizzati.

Queste caratteristiche, unite alla possibilità per i carborani di formare cluster con radionuclidi, rendono questa classe di composti molto interessanti per quel che riguarda un loro utilizzo nella sintesi di nuovi farmaci e sonde biologiciche.