Aplicación de métodos de análise da densidade electrónica ao estudo da estrutura, estabilidade e reactividade de heterociclos aromáticos nitroxenados

Resum

Esta Tesis Doctoral se centra en el estudio de la reactividad iónica, aromaticidad y comportamiento nucleofílico/electrofílico de compuestos aromáticos nitrogenados. Para acometer esta tarea se han empleado aproximaciones basadas en la mecánica cuántica, tales como métodos ab initio y del funcional de la densidad (DFT) estudiando un conjunto de moléculas modelo. En casos específicos, se ha analizado la aplicabilidad de modelos cualitativos como el modelo de resonancia, usando para ello la “teoría cuántica de átomos en moléculas” (QTAIM) junto con herramientas y metodologías desarrolladas. Con respecto a estas últimas, se ha presentado un nuevo procedimiento, que respeta la definición matemática y resuelve varias deficiencias, para el cálculo de funciones de Fukui condensadas para cuencas atómicas definidas de acuerdo a la QTAIM. A continuación, se han derivado descriptores de reactividad química basados en la “teoría del funcional de la densidad de pares” (PDFT) para proveer información sobre reajustes de enlace y mecanismos activantes sobre reacciones electrofílicas o nucleofílicas. Con respecto al aspecto más aplicado, se han estudiado los procesos de diversos heterociclos nitrogenados de complejidad creciente con diferentes niveles de cálculo. Inicialmente, se ha investigado la química iónica de los 1,3-azoles (protonación, nitración, adición de hidruro y desprotonación) usando el esquema QTAIM e índices de deslocalización. En todos los casos, los resultados están de acuerdo con los datos experimentales y predicen los átomos donde tendrían lugar las reacciones. El siguiente paso de complejidad fue el estudio del indol y sus derivados, enfocado en la protonación en diferentes posiciones con propiedades QTAIM atómicas y de enlace. Todos ellos han conseguido explicar la preferencia de la protonación del indol de acuerdo con los datos experimentales así como la evolución de la densidad a lo largo del resto de los átomos. También se ha considerado el efecto de las habilidades activantes y desactivantes de varios sustituyentes (-CH3, -F, -NH2, -NO2) en las protonaciones de indol usando, para ello, una serie de índices de reactividad. Estos han mostrado que la habilidad de las posiciones orto y para de los grupos -CH3, -F y -NH2, y el gran efecto desactivante de -NO2. La aromaticidad es un rasgo importante de los heterociclos nitrogenados. Por un lado, se ha llevado a cabo un estudio cuantitativo de la aromaticidad local basada en los índices de deslocalización electrónica de los átomos de un anillo en una serie de heterociclos que contienen N, O u S. Los resultados indican que el orden de estabilidad en una serie de isómeros de posición no está controlada por la aromaticidad sino por otros factores estructurales. Sin embargo, la aromaticidad controla la estabilidad para series de isómeros donde estos factores estructurales son similares. Por otro lado, se han empleado varias medidas de aromaticidad incluyendo criterios energéticos, magnéticos y de la densidad electrónica para mostrar cómo la estabilización aromática puede explicar la secuencia de estabilidad de las hidroporfirinas, partiendo desde la porfirina hasta la octahidroporfirina, y sus caminos de hidrogenación preferidos. Se ha encontrado que todos ellos proveen esencialmente la misma información y llevan a conclusiones similares.