The unusual behavior of Galactose-Steroid Bingel-Hirsch reaction for functionalization of C60-fullerene: a theoretical study

Abstract

El [60] fullereno es una molécula que ha sido funcionalizada para modificar sus propiedades químicas como la solubilidad y explorar sus aplicaciones biológicas y en ciencia de los materiales. Esta molécula ha sido funcionalizada exoédricamente con grupos hidrofílicos como aminoácidos, péptidos, esteroides y azúcares, para mejorar su hidrofobicidad y biocompatibilidad. La reacción de Bingel-Hirsch es eficiente para la ciclopropanación regioselectiva del C60 a metanofullereno, a partir de derivados de ésteres malónicos, 1,8-Diazabiciclo[5.4.0]undec-7-eno (DBU) como base y tetrabromuro de carbono (CBr4). Es una estrategia alternativa a la reacción propuesta por Bingel, que promueve la generación del intermedio monohalomalonato reactivo in situ. En esta investigación, se estudia la reacción de Bingel-Hirsch del derivado del éster malónico de D-galactosa-diosgenina y el C60. Los resultados mostraron que el producto esperado sufre la hidrólisis del éster promoviendo la liberación de galactosa, seguida de la descarboxilación para obtener un híbrido diosgenina-C60. Se presenta además una caracterización exhaustiva del producto final mediante espectroscopía IR, NMR y espectrometría de masas. Con base en los resultados experimentales, se propone un mecanismo en el que la DBU protonada (DBUH+) o trazas de H3O+, ambos posibles subproductos en el procedimiento de Bingel-Hirsch, donan un protón para asistir la hidrólisis catalizada por ácido a través de un mecanismo unimolecular de escisión de alquilo AAL1, debido a la liberación de un carbocatión en el fragmento de galactosa altamente estable. Los cálculos teóricos en el nivel de teoría DFT PBE/6-31G predicen las geometrías estructurales más estables para los compuestos involucrados en los mecanismos propuestos. Se investigaron parámetros estereoelectrónicos relevantes considerando descriptores y propiedades seleccionadas como la polarizabilidad, el momento dipolar, la lipofilia y el área de superficie polar topológica, mostrando que la hidrólisis y la descarboxilación posterior no causan cambios drásticos en las propiedades analizadas. Además, el método semiempírico PM3 se utiliza para calcular el perfil de energía potencial (PEP) de la hidrólisis catalizada por ácido del híbrido galactosa-diosgenina-[60] fullereno por DBUH+ o H3O+ en fase gaseosa. De acuerdo con los PEP obtenidos, se observa que la hidrólisis responde a un proceso bimodal y se favorece termodinámica y cinéticamente con H3O+.