Exploring reactivity pathways on a diiron framework to access new organometallic complexes for aqueous applications

Questo lavoro indaga la chimica dei complessi dimetallici del ferro, una classe di composti che trae vantaggio dalle interazioni cooperative tra centri metallici adiacenti. Tali interazioni permettono schemi di reattività insoliti a livello dei leganti a ponte e facilitano la costruzione di architetture organometalliche strutturalmente complesse e funzionalmente diversificate. Il ferro risulta particolarmente interessante in questo contesto grazie al suo basso costo, alla compatibilità biologica e alle crescenti evidenze che specie organometalliche a base di ferro possano mostrare una bioattività promettente. Un precursore centrale in questo studio è [Fe₂Cp₂(CO)₄] (Fp₂), un reagente facilmente accessibile e noto per la sua versatilità nella generazione di numerose architetture dinucleari. Da Fp₂ si ottengono tipicamente, tramite percorsi sintetici semplici, due famiglie di riferimento di complessi dinucleari di ferro: una contenente leganti amminocarbinici a ponte (1) e l’altra caratterizzata da leganti vinilimminici a ponte (2). Queste due classi rappresentano piattaforme fondamentali per esplorare nuove trasformazioni. In questa indagine, i complessi 2 sono stati fatti reagire con etil diazoacetato in presenza di una base, una trasformazione che ha inaspettatamente permesso l’accesso ai primi ferrabenzene stabili, indicati come [FeCp{κFe,κ⁵C-FeCp(CO)C(OAlk)C(CO₂Et)CNMe(R)CHC(Cy)}][CF₃SO₃] (5). Questi composti rappresentano rari esempi di anelli aromatici contenenti ferro e la loro stabilità ha consentito una caratterizzazione strutturale, spettroscopica e computazionale approfondita. Le analisi meccanicistiche computazionali hanno fornito informazioni sul percorso che conduce dai precursori vinilimmínio al nucleo ferrabenzenico, mentre indici di aromaticità hanno confermato che l’anello contenente Fe presenta carattere aromatico. Una seconda direzione sintetica ha coinvolto la completa sostituzione dei ligandi CO in Fp₂ tramite reazione con vari isonitrili (CNR). La sostituzione totale del CO ha creato una piattaforma per ulteriori funzionalizzazioni. Successivi passaggi di mono- o bis-metilazione hanno portato a complessi contenenti rispettivamente uno o due ligandi amminocarbinici. I prodotti mono-amminocarbinici adottano la formula generale [Fe₂Cp₂(CNR)₃(CNMeR)][CF₃SO₃] (10), mentre gli analoghi bis-amminocarbinici hanno formaula [Fe₂Cp₂(CNR)₂(CNMeR)₂][CF₃SO₃]₂ (11). Questi composti ampliano la libreria dei complessi dinucleari di ferro con amminocarbini a ponte e consentono un confronto sistematico su come numero e natura dei leganti influenzino la struttura elettronica e le proprietà redox. Una terza classe di complessi, [Fe₂Cp₂(CO)₂(CNMe₂)(CNMeR’’)][CF₃SO₃]₂ (14), è stata sintetizzata attraverso una sequenza di cinque passaggi a partire dai complessi di tipo 1. Queste specie carboniliche biscatìoniche mostrano un comportamento fotochimico particolarmente interessante: quando irradiate a circa 380 nm, rilasciano selettivamente un singolo CO. Tale fotoreattività suggerisce potenziali applicazioni nella chimica del rilascio controllato di CO, inclusa la somministrazione terapeutica di CO e la chemioterapia fotoattivata. Tutti i nuovi composti sintetizzati sono stati caratterizzati tramite spettroscopia NMR multinucleare, spettroscopia IR e UV–Vis. In casi rappresentativi, i dettagli strutturali sono stati confermati mediante diffrazione a raggi X su singolo cristallo. Sono stati inoltre condotti studi elettrochimici, tra cui voltammetria ciclica (CV) e spettroelettrochimica infrarossa (IR-SEC), per esaminare il comportamento redox di complessi selezionati delle serie 5, 10 e 11. I complessi sono stati anche valutati per proprietà rilevanti in applicazioni biologiche, tra cui solubilità in acqua e stabilità in condizioni fisiologicamente rilevanti. Infine, è stata eseguita una valutazione preliminare dell’attività anticancro in vitro per esplorare il potenziale di questi sistemi organometallici a base di ferro come agenti bioattivi. This work investigates the chemistry of dimetallic iron complexes, a class of compounds that benefits from cooperative interactions between adjacent metal centers. Such interactions enable unusual reactivity patterns at bridging ligands and facilitate the construction of structurally complex and functionally diverse organometallic frameworks. Iron is particularly attractive in this context due to its low cost, biological compatibility, and the growing evidence that Fe-based organometallic species can display promising bioactivity. A central precursor in this study is [Fe₂Cp₂(CO)₄] (Fp₂), a readily accessible reagent known for its versatility in generating a variety of diiron architectures. From Fp₂, two benchmark families of diiron complexes are typically obtained through straightforward synthetic routes: one containing bridging aminocarbyne ligands (1) and the other harboring bridging vinyliminium ligands (2). These two classes serve as key platforms for exploring new transformations. In this investigation, complexes 2 were reacted with ethyl diazoacetate in the presence of a base, a transformation that unexpectedly gave access to the first stable ferrabenzenes, denoted as [Fe₂Cp{κFe,κ⁵C-FeCp(CO)C(OAlk)C(CO₂Et)CNMe(R)CHC(Cy)}][CF₃SO₃] (5). These compounds represent rare examples of iron-containing aromatic rings, and their stability allowed for in-depth structural, spectroscopic, and computational characterization. Computational mechanistic analysis provided insight into the pathway leading from the vinyliminium precursors to the ferrabenzene core, while aromaticity indices confirmed that the Fe-integrated ring exhibits genuine aromatic character. A second synthetic direction involved the full replacement of CO ligands in Fp₂ through reaction with various isocyanides (CNR). Complete CO substitution established a platform for further functionalization. Subsequent mono- or bis-methylation steps yielded complexes containing one or two aminocarbyne ligands, respectively. The mono-aminocarbyne products adopt the general formula [Fe₂Cp₂(CNR)₃(CNMeR)][CF₃SO₃] (10), whereas the bis-aminocarbyne analogues are [Fe₂Cp₂(CNR)₂(CNMeR)₂][CF₃SO₃]₂ (11). These compounds expand the library of cationic diiron aminocarbyne complexes and allow systematic comparison of how ligand number and substitution patterns influence electronic structure and redox properties. A third class of complexes, [Fe₂Cp₂(CO)₂(CNMe₂)(CNMeR’’)][CF₃SO₃]₂ (14),was synthesized through a five-step sequence originating from the aminocarbyne complex 1. These bis-cationic carbonyl species display particularly interesting photochemical behavior: upon irradiation at approximately 380 nm, they selectively release a single CO ligand. This photoreactivity suggests potential applications in CO-release chemistry, including controlled therapeutic CO delivery and photoactivated chemotherapy. All the newly synthesized compounds were characterized using multinuclear NMR spectroscopy, IR spectroscopy, and UV–Vis spectroscopy. In representative cases, structural details were confirmed through single-crystal X-ray diffraction. Electrochemical studies, including cyclic voltammetry (CV) and infrared spectroelectrochemistry (IR-SEC), were conducted to examine the redox behavior of selected complexes from series 5, 10, and 11. The complexes were also assessed for properties relevant to biological applications. Their aqueous behavior was evaluated, including water solubility, and stability under physiologically relevant conditions. Preliminary in vitro anticancer activity was also screened to explore the potential of these iron-based organometallic systems as bioactive agents.