Functional molecular hybrids based on polyoxometalates: catalytic and biological studies

Polyoxometalates (POMs) are molecular and nano-dimensional, multi-metal oxides, which have found applications in catalysis, materials science, and nano-medicine. Their general formula are: a) [MmOy]p-; b) [XxMmOy]q-, where M is the main transition metal constituent of the POM (M = Mo, V, W), O is the oxygen atom and X can be a non-metal atom, such as P, Si, As, Sb, or a different transition metal. These species are characterized by a remarkable variety, since their properties depend on elemental composition, structure, and associated counterion. In addition, it is possible to synthesize vacant POMs derivatives, with surface defects. These last structures feature coordinatively unsaturated, terminal oxygen atoms, whose nucleophilicity can be exploited to foster reactions with electrophilic organic moieties to give O-X-R bonds, where X = As, P, Si, Sn, and R = organic residue. In this way, several organic-inorganic hybrid complexes can be obtained. Thus, the merging of organic domains with POM nano-scaffolds can be exploited to design new functional molecules and materials. In particular, POM-appended organic/organometallic moieties are instrumental for advanced catalytic applications and can direct the supramolecular organization of the hybrid molecules towards extended functional nanostructures. In this thesis, we report the synthesis of hybrid POM derivatives containing luminescent chromophores (dansyl, pyrene and fluorescein), grafted as silane (with general formula (nBu4N)4[(R-Si)2O(gamma-SiW10O36)]) or chiral phosphonate (with general formula (nBu4N)3Na2[(R*PO)2(alfa-A-PW9O34)]) derivatives, with unique spectroscopic features. The use of tetrabutylammonium (nBu4N+) as counterion promotes the solubilization of the POM in CH3CN. The resulting hybrids have been characterized at the solid state and in solution by a combination of techniques (multinuclear NMR, FT-IR, ESI-MS). The characterization suggested a bis-substitution: the inorganic POM framework provides a molecular nanosurface where two molecules of the same fluorophore are anchored in a tweezer-type arrangement. Optical and chiroptical properties of the hybrid derivatives have been investigated. In particular, the fluorescence spectroscopy of the fluorophore-tagged POMs has been exploited for sensing applications towards metal ions (Cu and Pb ions) and organic molecules. A promising potential for applications in many different fields such as sensing, catalysis, nanoelectronics, and photochemical conversion of solar energy is foreseen for these luminescent systems. Moreover, due to the potential applications of POMs in medicine (many POMs exhibit antiviral, antitumoral and antibiotic activity), their association with organic domains may be also of interest to improve targeting and delivery strategies. Luminescent hybrid POMs, in particular, may couple the bio-imaging diagnostic potential with innovative therapy protocols. Thus, the assembly behavior and the stability of the luminescent hybrid POMs in physiological conditions have been investigated by means of dynamic light scattering (DLS), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The analysis showed the formation of spherical aggregates with a broad size distribution for these derivatives. Moreover, since the fluorescence of these compounds is maintained under physiological conditions, they were tracked in the cells, showing their localization in different subcellular regions. An unprecedented uptake into nucleosomes and mitochondria has been highlighted. The cytotoxicity of hybrid POMs has also been determined, showing a reduced toxicity at low doses. These results are expected to pave the way to the use of suitable POMs both as drugs and as nanodimensional scaffolds for organic drugs. Furthermore, since the preparation of hybrid derivatives could be a powerful strategy for the introduction of molecular recognition sites and the enhancement of biocompatibility, studies on the interaction between POM and hybrid POMs with important biological macromolecules (ferritin and avidin) were explored. The binding of two different kind of inorganic POMs containig Ru(IV) (RuPOM) and Eu(III) (EuPOM) respectively, on the ferritin (Ftn) has been indeed higlighted by a combined investigation, involving DLS, zeta-potential measurements, ITC (isothermal titration calorimetry), fluorimetry, CD (circular dichroism) and TEM. In particular, the complete quenching of the Trp residues luminescence, upon addition of >24 eqs of POM, likely due to energy transfer between the two domains, have shown that the POMs can be successfully attached to the Ftn by means of ionic interactions. In addition, the integrity of the protein has been estabilished by DLS and CD analysis. Moreover, a biological hybrid POM containing biotin moieties was synthesized and its interaction capability with avidin was investigated. Such study allowed to investigate the confinement of hybrid POMs in correspondence of specific protein binding sites and to design bioconjugated systems with molecular recognition properties, to be exploited in targeting therapies. A last work, developed during a short scientific mission in Dublin, in collaboration with the research group of Prof. Martin Albrecht, is also presented. We have studied a strategy for the synthesis of a POM-appended N-heterocyclic carbene (NHC) iridium complex. To this end, imidazolium moieties have been successfully grafted on the defect site of a divacant Keggin polyanion. The hybrid POM synthesized was tested in catalyzing hydrogen transfer reactions. The reduction of benzophenone to diphenyl methanol in iPrOH as solvent and hydrogen donor was used as a model reaction for probing the catalytic activity of the iridium(I) complex. In particular, full conversion after 120 min has been obtained using tBuOK as base.

I poliossometallati (POMs) sono una classe di composti a base di ossidi polianionici discreti che presentano potenzialità di utilizzo in campi diversi, quali la catalisi, la scienza dei materiali e la medicina. Tali composti possono essere rappresentati da due formule generali: (a) [MmOy]p- isopolianioni; (b)[XxMmOy]q- eteropolianioni, dove M è un metallo delle serie di transizione (solitamente V, Mo o W) mentre X può essere un non metallo (P, Si, Ge, As, Sb, Te, etc.), o un diverso metallo di transizione. La diversità strutturale e di composizione che caratterizza i POMs, si riflette in un ampio spettro di proprietà, controllabili a livello molecolare, che coinvolgono forma, potenziale redox, distribuzione della carica superficiale, acidità e solubilità. In particolare, una delle possibili modificazioni della struttura di un poliossometallato consiste nella preparazione di un complesso vacante. Poichè tali derivati presentano dei difetti strutturali sulla loro superficie, caratterizzati dalla presenza di atomi di ossigeno con reattività nucleofila, possono essere sfruttati per preparare complessi ibridi organici-inorganici. Infatti, gli atomi di ossigeno che si trovano in prossimità della lacuna vengono funzionalizzati mediante reazioni con reagenti elettrofili per dare legami O-X-R, dove X = As, P, Si, Sn, e R = residuo organico. In questo modo, la funzionalizzazione di POMs con residui organici consente lo sviluppo di molecole e materiali ibridi che possono presentare diverse funzionalità. Per esempio, l'associazione di residui organici/organometallici ai poliossoanioni ha consentito lo sviluppo di aggregati supramolecolari estesi e di sistemi innovativi con applicazioni catalitiche bifunzionali e avanzate. Sulla base di queste premesse, in questo lavoro di tesi, sono state quindi studiate nuove strategie di sintesi, per la preparazione di derivati ibridi luminescenti basati su poliossometallati contenenti cromofori, quali dansile, pirene e fluoresceina e legati covalentemente al POM come organosilani (con formula generale (nBu4N)4[(R-Si)2O(gamma-SiW10O36)]) o come fosfonati chirali (con formula generale (nBu4N)3Na2[(R*PO)2(alfa-A-PW9O34)]). Nella strategia di funzionalizzazione, l’uso di un sale di tetrabutilammonio (nBu4NBr) promuove la solubilizzazione del POM in CH3CN. I derivati ibridi ottenuti sono stati caratterizzati allo stato solido ed in soluzione utilizzando una combinazione di tecniche diverse (NMR multinucleare, FT-IR, ESI-MS). La caratterizzazione ha suggerito una bis-funzionalizzazione dello scaffold inorganico: due molecole dello stesso fluoroforo organico sono ancorate sulla superficie del POM secondo un arrangiamento a tweezer. Sono state, quindi, studiate le proprietà ottiche e chiroottiche dei derivati ibridi luminescenti preparati e, in particolare, mediante indagini di fluorescenza, è stato possibile studiare la loro capacità come sensori verso ioni metallici (Cu2+ e Pb2+) e molecole organiche. I sistemi luminescenti proposti potranno essere utilizzati in diversi ambiti applicativi: sensoristica, catalisi, nanoelettronica, e fotochimica. Inoltre, considerando il potenziale utilizzo dei POMs in ambito biomedico, che include possibile attività antibatterica, antivirale e antitumorale, la loro associazione con domini organici e leganti è di interesse anche per disegnare nuove strategie di delivery e di targeting. In particolare, POMs ibridi luminescenti, possono essere utilizzati per il bio-imaging, consentendo anche lo sviluppo di protocolli terapeutici innovativi. A tale proposito, quindi, sono stati investigati i fenomeni di aggregazione e la stabilità dei poliossanioni in soluzione fisiologica mediante indagini di dynamic light scattering (DLS), microscopia a scansione elettronica (SEM) e microscopia a trasmissione elettronica (TEM). Le analisi hanno permesso di evidenziare, per tali derivati, la formazione di aggregati sferici con un' amplia distribuzione delle dimensioni. Inoltre, poichè la luminescenza di questi sistemi viene mantenuta anche in condizioni fisiologiche, essi sono stati veicolati all'interno delle cellule, e localizzati in diverse regioni subcellulari, come nei nucleosomi e nei mitocondri. Studi dell' attività biologica dei POMs ibridi hanno, in seguito, mostrato una ridotta tossicità a basse dosi. Questi risultati sono molto promettenti in quanto potrebbero aprire la strada all' utilizzo di POM ibridi, come farmaci o supporti biologici per molecole bioattive, in nanomedicina. Poichè, inoltre, la preparazione di derivati ibridi potrebbe essere una potente strategia per l'introduzione di siti di riconoscimento molecolare e il miglioramento della biocompatibilità del derivato stesso, sono stati condotti anche studi di interazione tra POMs e POMs ibridi con importanti macromolecole biologiche, come la ferritina e l'avidina. Ad esempio, abbiamo studiato l' interazione ionica fra due diversi tipi di POM, contenenti rispettivamente Ru(IV) (RuPOM) e Eu(III) (EuPOM), con la proteina ferritina (Ftn) mediante la combinazione di diverse tecniche che hanno incluso: DLS, zeta-potential, ITC (calorimetria isotermica di titolazione), fluorimetria, CD (dicroismo circolare) e TEM. In particolare, abbiamo osservato il completo quenching della luminescenza dei residui di triptofano, in seguito all' aggiunta di >24 equivalenti di POM, dovuto, probabilmente, a trasferimenti energetici tra il POM e la macromolecola. Infine, l'integrità della proteina è stata verificata mediante analisi DLS e CD. Inoltre, è stato preparato un POM ibrido biologico contenente due molecole di biotina, al fine di valutare la sua capacità di interazione con la proteina avidina. In particolare, questo tipo di studio ha permesso di investigare la possibilità di confinare POM ibridi in corrispondenza di siti specifici di legame delle proteina e di esplorare la progettazione di nuovi sistemi bioconiugati con proprietà di riconoscimento molecolare, sfruttabili in terapie di targeting. Infine, è stata studiata una strategia di sintesi di un complesso di iridio, contenente come legante un poliossoanione ibrido funzionalizzato con un gruppo imidazolico. Questo lavoro è stato svolto nel laboratori di ricerca del Prof. Martin Albrecht presso University College of Dublin, Dublino, Irlanda. In questo caso, Il POM ibrido, preparato è stato sperimentato nella riduzione di gruppi carbonilici, mediante trasferimento di atomi di idrogeno da agenti riducenti sacrificali (iPrOH). La riduzione di benzofenone a difenil metanolo in iPrOH è stata, quindi, utilizzata come reazione modello per investigare l'attività catalitica del complesso. In particolare, è stato possibile ottenere una conversione completa dopo 120 min, utilizzando tBuOK come base.