Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
11
CAPITULO 1
Caracterización Espectroscópica y Estudios de coordinación Metálica de Ligantes
Macrocíclicos Tipo Ciclofano
1.1. ANTECEDENTES
Los compuestos macrocíclicos son moléculas cíclicas que contienen nueve o más
átomos en el anillo, incluyendo al menos tres heteroátomos [13]. Éstos compuestos
generalmente contienen cavidades estables y bien definidas, y su capacidad para actuar
como receptores de iones metálicos y moléculas orgánicas ha sido probada ampliamente
[4,14].
Los compuestos macrocíclicos son sustancias que pueden ser de origen artificial o
natural. Éstos últimos comprenden compuestos presentes en la naturaleza y que forman
complejos que llevan a cabo procesos biológicos escenciales, tal como el transporte de
oxígeno por medio de la hemoglobina.
Entre los macrociclos de origen artificial se encuentran los polioxocicloalcanos,
también llamados éteres corona, que son polímeros cíclicos de etilén glicol. La
característica principal de los éteres corona es su capacidad para formar complejos muy
estables con cationes de metales alcalinos [13]. El más conocido de estos compuestos es el
18-Corona-6 (18C6), sintetizado por Pedersen en 1967 [15]. La utilidad e inusuales
propiedades de este poliéter propiciaron la preparación de muchos otros y eventualmente
los que contienen grupos tioéter (-S-) en lugar de algunos de los enlaces éter. Otro tipo de
macrociclos artificiales son los poliazamacrociclos. Los tetraazamacrociclos fueron los
primeros compuestos tipo aza sintetizados, seguidos de los triaza y los pentaaza. Ninguno
de los macrociclos ha sido tan ampliamente estudiado como el 1,4,8,11-
12
tetraazaciclotetradecano, llamado comúnmente ciclam, el cual fue reportado hace ya cuatro
décadas. Estos ligantes sintéticos son similares en sus estructuras y reacciones a muchos
compuestos del tipo macrocíclico que se presentan en la naturaleza y que exhiben una
complejación selectiva de cationes [5].
Los compuestos macrocíclicos (o ligantes macrocíclicos) y sus complejos metálicos
forman parte integral de la química de coordinación. Entre sus aplicaciones se incluyen el
uso de ligantes macrocíclicos como agentes de contraste en RMNI, como acarreadores
moleculares y en el estudio de las interacciones receptor-huésped.
Un aspecto sobresaliente de los complejos metálicos de ligantes macrocíclicos es su
mayor estabilidad en comparación con complejos de ligantes polidentados de cadena
abierta con el mismo número y tipo de interacciones. Este fenómeno es conocido como
efecto macrocíclico. La mayor estabilidad de los complejos de ligantes macrocíclicos se
atribuye a cambios más favorables de entropía y entalpía para el macrociclo respecto al
ligante lineal, el cual pierde más grados de libertad tras la complejación [5].
Una clase de ligantes sintetizados especialmente para permitir la discriminación de
iones metálicos y aumentar la selectividad, son los ligantes macrocíclicos con grupos
donadores pendientes. Resultan especialmente interesantes aquellos que teniendo un
idéntico tamaño de anillo y el mismo arreglo de átomos donadores, por la presencia de
grupos pendientes poseen diferentes propiedades espectroscópicas y de coordinación, así
como distinto carácter ácido.
En el Departamento de Investigación en Polímeros y Materiales (DIPM) de la
Universidad de Sonora se han sintetizado una serie de ligantes macrocíclicos mediante la
reacción del dianhídrido de EDTA o del dianhídrido de DTPA con aminas alifáticas en
condiciones de alta dilución. Así, los primeros macrocíclicos preparados fueron los
13
denominados (12edtapn)H2 y (13edtapn)H2 obtenidos de la reacción del dianhídrido
EDTA con 1,2-diaminoetano y 1,3-diaminopropano, respectivamente (estructuras 10 y 11,
Esquema IV). Ambos poseen en su estructura dos grupos carboximetil pendientes que les
proporcionan novedosas propiedades de coordinación. Los sitios de coordinación en estos
compuestos son los nitrógenos amina, los oxígenos carboxilato y los oxígenos de amida. El
pequeño incremento en el tamaño de la cavidad de (13edtapn)H2 con respecto a
(12edtapn)H2 influenció significativamente la estructura y propiedades de los quelatos
metálicos [16,17]. En los años siguientes se llevó a cabo la síntesis de un ligante más
funcionalizado con propiedades de receptor para reconocimiento molecular: el ligante
(13edtapnOH)H2 (estructura 12, Esquema IV) [18]. Este ligante presenta la estructura
básica de (13edtapn)H2 pero incluye en el anillo macrociclo un grupo oxhidrilo. La
introducción del grupo oxhidrilo incrementó la rigidez del macrociclo a causa de la
interacción de este grupo con los grupos amida, lo que tuvo un significativo efecto sobre las
propiedades estructurales y en las propiedades químicas de los quelatos metálicos de
(13edtapnOH)H2 en solución.
Por otro lado, de la reacción de las aminas 1,3-diaminopropano y 1,3-diamino-2-
hidroxipropano con el dianhídrido de DTPA se obtuvieron los ligantes (16dtpapn)H3 y
(16dtpapnOH)H3 (estructuras 13 y 14 Esquema IV), los cuales forman quelatos neutros
con iones metálicos trivalentes [18,19]. Uno de los cationes trivalentes estudiados fue el
Gd(III). El interés en este catión se debió a su fuerte influencia sobre los tiempos de
relajación del protón, que es el principio empleado para la obtención de imágenes en la
técnica de diagnóstico clínico conocida como RMNI.
14
12 (13edtapnOH)H2 11 (13edtapn)H2
NH N
NNH
O
O
CO2H
CO2H
14 (16dtpapnOH)H3 13 (16 dtpapn)H3
Esquema IV. Estructuras de ligantes macrocíclicos sintetizados en el DIPM.
10 (12edtaen)H2
NH N
NNH
O
O
CO2H
CO2H
OH
NH N
N
N
NH
O
O
CO2H
CO2H
CO2H
OH
NH N
NNH
O
O
CO2H
CO2H
OH
NH N
N
N
NH
O
O
CO2H
CO2H
CO2H
OH
15
La ausencia de carga neta en el complejo Gd-(16dtpapn)H3, representaba una ventaja
sobre los que se utilizaban en los procedimientos de rutina; sin embargo, esta característica
reduce la solubilidad en agua. Para mejorar este aspecto se introdujo el grupo oxhidrilo en
la estructura del ligante, obteniéndose (16dtpapnOH)H3. Sin embargo, el complejo Gd-
(16dtpapnOH)H3 resultó menos soluble que Gd-(16dtpapn)H3. Esto se atribuyó a la
formación de un puente de hidrógeno intramolecular entre el grupo oxhidrilo y uno de los
grupos amida en el complejo Gd-(16dtpapnOH)H3.
En los últimos años, el grupo de investigación en química supramolecular del DIPM
incursionó en la síntesis de ligantes macrocíclicos tipo ciclofano, es decir, macrocíclicos
que incorporan unidades aromáticas en su estructura. De acuerdo con la definición de
Diederich [20], los ciclofanos son compuestos que presentan al menos un anillo aromático
unido en puente por un grupo alifático de n-miembros. Estos compuestos poseen actividad
como receptores moleculares. En principio, el anillo aromático actúa como una unidad
estructural rígida, como sitio de interacción hidrofóbica y/o de van der Waals y como
aceptor o donador π.
En el Esquema V se muestran ejemplos de macrociclos del tipo ciclofano reportados
en la literatura. El macrociclo 15 fue sintetizado por K. Koga y K.Odashima [21] y fue el
primer macrociclo en el que se pudo comprobar mediante estudios de cristalografía de
rayos-X la formación de compuestos de inclusión con una variedad de huéspedes. Más
recientemente fue reportado el macrociclo 16 [22], el cual contiene un solo anillo fenileno
que le imparte propiedades de catalizador. Este macrociclo ha mostrado capacidad como
receptor de iones Cu2+ y Zn2+.
16
17
La síntesis de macrociclos tipo ciclofano en el DIPM se ha llevado a cabo utilizando
la misma metodología reportada para la síntesis de macrociclos alifáticos [7,8,23,24], pero
utilizando diaminas con grupos aromáticos. En el Esquema I se muestra la estructura de
cinco de los macrociclos reportados hasta la fecha por nuestro grupo. El ciclofano I se
sintetizó a partir de EDTA y la amina p-xilendiamina. Este macrociclo mostró interesantes
propiedades de emisión fluorescente: la coordinación de edtaxan con Zn2+ causó un
incremento de hasta 50 veces la intensidad de emisión del ligante libre [7]. A diferencia del
compuesto 1, los ciclofanos 2-5 se obtuvieron a partir de diaminas aromáticas, los grupos
amida en estos macrociclos están unidos directamente a los anillos aromáticos. El
macrociclo edtanap (estructura 3 Esquema I) es el único compuesto de la serie que
contiene grupos aromáticos fusionados. Este aspecto es importante ya que con los dos
grupos amida que se enlazan directamente al sistema aromático se obtiene una conjugación
más extendida. Estas características estructurales prometen interesantes propiedades
fotofísicas para el ciclofano edtanap, el cual podría tener aplicación en el campo de los
sensores fluorescentes. La coordinación de iones metálicos con los sitios que posee el
esqueleto del anillo, modificaría significativamente la conformación del ligante, y si los
grupos amida participan en la coordinación, el efecto sobre el sistema aromático sería
inevitable. Los espectros de fluorescencia reflejarían sin duda estos cambios por lo que se
espera una elevada sensibilidad del ligante hacia iones metálicos.
A pesar de las interesantes características estructurales del macrociclo edtanap, sus
propiedades fluorescentes han sido poco estudiadas, al igual que el efecto de la
coordinación de iones metálicos sobre los espectros electrónicos del compuesto.
La síntesis del macrociclo edtanap fue reportada por M.B. Inoue y col. en 1998 [8].
En dicho trabajo se incluye un estudio de resonancia del espín del electrón del complejo de
18
este ligante con el ion paramagnético Cu2+, [Cu2(edtanap)H-4]4-, así como un estudio de
espectroscopia de absorción electrónica de soluciones alcalinas de dicho complejo. En
este último estudio se encontró que el espectro del complejo exhibe tres bandas de
transición π-π* en el rango espectral de 240 nm a 340 nm, en contraste con el espectro del
ligante libre que muestra una sola banda a 298 nm. Estos resultados fueron explicados con
base en un efecto combinado de la transferencia de carga metal-ligante y la proximidad de
los sistemas π. El acercamiento de las unidades naftaleno se presenta por la contracción del
anillo macrociclo, la cual a su vez tiene su origen en la coordinación con el ion metálico.
Por otro lado, en su tesis doctoral, F. Medrano [1] reporta un estudio de absorción
electrónica del ligante edtanap en el que encuentra una ligera dependencia de la intensidad
de las bandas observadas (a 221 nm y 298 nm) con respecto al pH. A partir de pH = 2, la
intensidad de dichas bandas se incrementa conforme el pH aumenta. Este comportamiento
se atribuyó a cambios en el estado de protonación del macrociclo, lo que a su vez provoca
cambios en la relación espacial entre las subunidades aromáticas (efecto alostérico).
En dicho trabajo también se reporta, un estudio de fluorescencia de edtanap en
solución a diferentes valores de pH (en el intervalo de 6.5 a 11.5). A pH = 10, el
macrociclo muestra una banda de emisión a 415 nm (λexc= 330 nm), la cual se encuentra
desplazada al rojo en más de 85 nm con respecto a la banda de emisión del naftaleno que
aparece a 330 nm (λexc=290 nm). El desplazamiento al rojo de las bandas de emisión y
excitación, con respecto a las mismas bandas que muestra el hidrocarburo naftaleno, se
atribuyó a la conjugación de los grupos amida con el sistema aromático. La intensidad de
la banda de emisión centrada en 415 nm se reduce conforme el pH disminuye, manteniendo
una significativa intensidad aún a pH = 6. La misma tendencia fue observada en los
19
espectros de absorción electrónica, por lo que se confirmó que la protonación induce
cambios conformacionales que a su vez modifican la relación espacial entre los anillos
aromáticos [1].
La coordinación de la mayoría de los ligantes fluorescentes con iones de metales de
transición puede producir, ya sea una emisión más intensa que la de los ligantes libres, una
más débil que éstos o bien apagar por completo la fluorescencia. El efecto de estos iones
sobre los espectros de emisión y de absorción electrónica de edtanap será estudiado en este
trabajo. En cuanto a la obtención de los espectros de absorción electrónica, se hará con el
fin de confirmar los resultados encontrados por fluorescencia. Por otro lado, se estudiará
el efecto del pH del medio sobre las propiedades espectrales del macrociclo y de sus
complejos. Se ha visto en el caso de ligantes previamente reportados por nuestro
laboratorio, una importante influencia del pH sobre la geometría y rigidez de los
macrociclos y de sus complejos metálicos. Se espera encontrar una clara relación entre las
propiedades espectrales encontradas y las distintas geometrías de las especies presentes a
los diferentes valores de pH.
El grupo de trabajo del DIPM también ha desarrollado macrociclos con nuevas
propiedades por medio de la modificación de las estrategias de síntesis o bien, con la
introducción de grupos funcionales en las estructuras de los compuestos que ha reportado
previamente. Un ejemplo de ello son los dos nuevos ligantes macrocíclicos del tipo
ciclofano edtaod y edtafen (estructuras 6 y 7, Esquema II) [26]. En estos ligantes se
mantiene el esqueleto macrocíclico de (12edtapn)H2, que fue sintetizado como se
describió con anterioridad, pero se han introducido grupos aromáticos en las estructuras.
Para preparar el macrociclo edtaod se sustituyó la amina alifática 1,2-diaminoetano
por la amina aromática o-fenilendiamina, mientras que en la síntesis de edtafen se utilizó la
20
amina 9,10-diaminofenantreno. La estructura de estos ligantes incluye grupos amida,
amina y carboximetil, siendo particularmente importantes estos últimos que aseguran su
solubilidad en agua, aspecto que los ha colocado en ventaja sobre ligantes reportados
previamente por otros autores. Nuevamente, la introducción de un sistema aromático en el
esqueleto del macrociclo promete interesantes propiedades fotofísicas para estos dos
ligantes. La presencia de un sistema conjugado proporciona rutas para la emisión
fluorescente de la especie, además, la vecindad de dicho sistema con los grupos donadores
facilita la comunicación con el medio externo, por lo que se pueden esperar propiedades de
sensor fluorescente para estos ligantes.
Los ligantes edtaod y edtafen presentan grupos funcionales amina con posibilidad
de ser protonados. Se ha encontrado para otros ligantes sintetizados en nuestro laboratorio,
que contienen características estructurales similares, que al variar el pH se observa un
fuerte cambio sobre la forma de los espectros de absorción y de fluorescencia, por lo que
se espera un comportamiento similar para estos ligantes.
Se estudiará además el efecto de la coordinación de los iones Zn2+, Mn2+ y Co2+ con
los macrociclos edtaod y edtafen mediante espectroscopia de fluorescencia. Dadas las
características de estos iones, se espera un efecto distinto en el caso del ion Zn2+ de capa
cerrada con respecto a los iones paramagnéticos Mn2+ y Co2+. En el primero, es probable
obtener un incremento de la fluorescencia mientras que en los últimos se podría esperar una
reducción o apagamiento completo de la fluorescencia de los macrociclos edtaod y
edtafen.
21
1.2. PARTE EXPERIMENTAL
1.2.1. Materiales
Los macrociclos utilizados en este trabajo de tesis, fueron proporcionados por la
gentil colaboración de la Dra. Michiko Banno Inoue en el laboratorio del Dr Quintus
Fernando (†), del Departamento de Química de la Universidad de Arizona. A continuación
se enumeran cada uno de ellos con sus respectivos datos relativos a su caracterización.
1) edtanap, C40H44N8O12.H2O, RMN 1H (D2O/Na2CO3, pD=10.0,250 MHZ, DSS):
δ=3.06 ppm (8H, s, Hb); 3.42 ppm (8H, s, Ha); 3.55 ppm (8H, s, Hc); 7.04 ppm (4H,
d x d, Hn3); 7.14 ppm (4H, d, Hn4 ); 7.46 ppm (4H, d, Hn2). MS(ESI): m/z = 826.9
[M – H+], ver la estructura 3 del Esquema I, para las marcas de los protones.
2) edtaod, C16H20N4O6.H2O, RMN 1H(H2O-d2, pD = 4.1,DSS): δ = 3.32 ppm (4H, s,
Hb); 3.75 ppm (4H, s, Ha); 3.89 ppm (4H, s, Hc), 7.45 ppm ( 4H fenilo). MS(ESI):
m/z = 365.2 [M + H]+, la estructura 6 del Esquema II contiene las marcas para los
protones.
3) edtafen, C24H24N4O6.H2O, RMN 1H (H2O-d2/Na2CO3, pD = 10.5, DSS): δ = 2.86
ppm (4H, s, Hb), 3.45 ppm (4H, s, Ha), 3.51 ppm (4H, s, Hc), 7.7-7.8 ppm (4H, m),
8.03 ppm (2H,dd). MS(ESI): m/z = 465.0 [M + H]+, la estructura 7 del Esquema II
corresponde a este macrociclo con sus marcas para los protones.
Para los estudios de absorción electrónica y de fluorescencia se prepararon distintas
soluciones a partir de sales de los metales en cuestión, algunas de ellas tuvieron que ser
valoradas. Los reactivos utilizados en estos procedimientos se enlistan a continuación.
Para preparar los complejos metálicos en solución se utilizaron las siguientes sales:
Cloruro de cobalto(II) hexahidratado (CoCl2.6H2O), marca Crystal, A.C.S., Cloruro de
22
cadmio(II) (CdCl2), Cloruro de zinc (ZnCl2), Cloruro de manganeso(II)hexahidratado
(MnCl2.6H2O) todos ellos de la marca Aldrich.
En la valoración de la solución patrón de la sal de Zn(II) se utilizó: EDTANa2, de la
marca Aldrich, en buffer de amoniaco (NH4OH / NH4Cl 0.1M) a pH=10 y NET como
indicador. Se usó además Acido ascórbico, marca Monterrey en el caso de Mn(II) y
murexida como indicador.
Otras sustancias utilizadas fueron: Cloruro de sodio (NaCl), carbonato de sodio
(Na2CO3), al 99%, carbonato ácido de sodio (NaHCO3), al 99%, ácido clorhídrico fumante
(HCl) 37%, marca Merck e Hidróxido de sodio (NaOH), marca J.T. Baker.
1.2.2. Metodología
Estudio del Efecto del pH en el ligante edtanap mediante espectroscopia de Absorción
y Fluorescencia.
Los espectros de absorción electrónica de los macrociclos y sus complejos se
obtuvieron en un espectrofotómetro UV/Vis marca Perkin Elmer modelo Lamda 20 a partir
de soluciones acuosas. Los espectros de Emisión y excitación de fluorescencia fueron
obtenidos en un espectrómetro JASCO 821-FP, equipado con microcelda de flujo a partir
de soluciones acuosas a la temperatura ambiente y también en un espectrómetro de
luminiscencia marca Perkin Elmer modelo LS 50B. Las soluciones fueron preparadas
como se describe a continuación: se prepararon soluciones del macrociclo en NaCl 0.01M y
en las concentraciones de 1x10-4 para edtanap, 1x10-2 para edtafen y 1x10-3 en el caso de
edtaod. Para solubilizar a los ligantes se añadió una pequeña cantidad de Na2CO3. A partir
de estas soluciones se prepararon soluciones ácidas y alcalinas de la concentración
23
apropiada mediante dilución con HCl 0.01M y NaOH 0.01M respectivamente. Mezclando
las cantidades necesarias se obtuvieron los distintos valores de pH para el registro de los
espectros electrónicos de cada estudio.
Para evaluar el efecto del pH sobre los complejos metálicos de cada especie, se
prepararon soluciones ácidas y alcalinas de cada macrociclo y de cada sal metálica
diluyendo con HCl 0.01M o con NaOH 0.01M para preparar una solución ácida y una
alcalina en cada caso. Mezclando apropiadamente ambas soluciones se obtuvieron los
distintos valores de pH para la adquisición de cada espectro electrónico. La relación molar
M:L (metal:ligante) empleada fue de 1:2 en el caso de edtanap y de 1:1 para los
macrociclos edtaod y edtafen y corresponde con el esperado según el número de sitios
donadores presentes en cada especie.
En el estudio del efecto del pH sobre el complejo Co2edtanap se procedió de una
forma distinta debido a que precipita en solución; así, se preparó una solución en relación
molar 2:1 (M:L) a partir de las soluciones de trabajo anteriores con un pH entre 5 y 6 la
cual formó un precipitado de color rosado que fue separado por centrifugación. Con el
polvo seco se obtuvo el espectro de reflactancia difusa en un espectrofotómetro Varian
DMS 80 UV-Vis.
Efecto de la Concentración del Metal sobre los Espectros Electrónicos.
Para realizar este estudio se mezclaron las porciones adecuadas de la solución del
macrociclo edtanap y de la solución de MCl2 ( M = Zn2+ y Cd2+ ) de forma que se
obtuvieran distintas razones molares. El valor de pH de estudio fue de 9 ( buffer
NaHCO3/NaOH 0.1M ). A partir de estas soluciones se obtuvieron los espectros de
absorción electrónica y de fluorescencia.
24
1.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
1.3.1. Espectros Electrónicos del Macrociclo edtanap (absorción y fluorescencia)
El espectro de absorción electrónica del macrociclo edtanap en solución acuosa
alcalina (pH = 10) presenta una banda ancha y bien definida centrada en 299 nm
(ε=1.5x104 M-1cm-1) y una banda a 219 nm (ε = 6.4 x 104 M-1cm-1) la cual se encuentra
parcialmente traslapada por una cola de absorción que proviene de la región de más alta
energía (<200 nm), Figura 1.1. Al disminuir el pH la banda en 299 nm se desplaza
gradualmente hacia el azul e incrementa ligeramente su intensidad. El desplazamiento total
de λmáx fue de 3 nm al pasar de medio alcalino a ácido (Figura 1.1). La banda a 219 nm
presenta una fuerte influencia de la cola de absorción a mayor energía, por lo que no es
posible establecer alguna conclusión sólida respecto a su comportamiento.
Por otro lado, el espectro de emisión del macrociclo en condiciones alcalinas a
pH=9 presenta una banda ancha centrada en 418 nm (λexc=335 nm), Figura 1.2. La
intensidad de esta banda disminuye gradualmente al ir descendiendo el pH como se muestra
en el recuadro de la Figura 1.2. Los espectros de excitación (monitoreados a λmax del
espectro de emisión) del macrociclo edtanap a diferentes valores de pH aparecen en la
Figura 1.3, en ellos se observa el mismo comportamiento con el pH que mostraron los
espectros de emisión. La dependencia de la fluorescencia respecto al pH indica que en
condiciones ácidas y alcalinas se tiene la presencia de especies distintas con diferentes
estados de protonación. Por tanto, la intensidad de fluorescencia F(pH) del macrociclo
edtanap a un pH dado puede ser interpretada por la siguiente ecuación:
25
26
27
F(pH) = {FB + FAKP[H+]}/{1 + KP[H+]} (1)
donde FB y FA son las intensidades de fluorescencia de las especies formadas en
soluciones básicas y ácidas respectivamente, KP es la constante de equilibrio entre las dos
especies, y [H+] es la concentración del ion hidrógeno que es igual a 10-pH. La linea sólida
en el recuadro de la Figura 1.2 muestra la mejor correlación con pKa = 7.43. El cambio
observado en la fluorescencia está por lo tanto relacionado con un proceso de protonación
cuya constante es Ka. En el Apéndice A1 se presenta el desarrollo matemático para la
obtención de la ecuación (1).
Para la identificación de las dos especies de edtanap que se forman en soluciones
ácidas y básicas era necesario un estudio de RMN de protón. Dicho estudio fue llevado a
cabo por la Dra. Michiko B. Inoue en el Departamento de Química de la Universidad de
Arizona.
El espectrómetro de RMN que se utilizó fue un Bruker AM 250, la metodología
empleada y los resultados del estudio se resumen a continuación: Se obtuvieron los
espectros de 1H RMN de edtanap a diferentes valores de pD en el intervalo de 6 a 11. Se
observaron señales para únicamente seis protones químicamente no equivalentes, que
corresponden a los marcados como a, b, c , n2, n3 y n4 en el Esquema I. Todas las señales
se desplazan simultáneamente a campo bajo con el decremento del pD en el rango de 6-9
(Apéndice A3, Figura A.3.1) lo que indica que en esta región ocurre la primera
protonación. El desplazamiento simultáneo de los protones a, b y c de los tres grupos
metileno enlazados a un átomo de nitrógeno amino indica que la protonación ocurre sobre
los átomos de nitrógeno amino. Además, dado que solo se observaron tres protones
alifáticos no equivalentes, se asume que el protón añadido se intercambia entre los cuatro
átomos de nitrógeno amino. La población de protón en cada nitrógeno es idéntica (time-
28
averaged) durante el proceso de protonación. Con los datos obtenidos se propone que la
especie formada en pH ≈ 6 es: [edtanapH2]2- en la cual los dos átomos de nitrógeno en
cada unidad >NCH2CH2N< enlazan a un protón de igual manera. Este modo de
protonación se ha descrito antes para octaaza- y decaazacicloalcanos similares que también
contienen al grupo amida en su estructura [19].
Con base en lo anterior puede asumirse que la disminución de la intensidad de
emisión de edtanap en pH ácido es debida a un bajo rendimiento cuántico de las especies
[edtanapH2]2-, en las cuales los átomos de nitrógeno amino están protonados. Este
resultado es contrario al observado comúnmente en moléculas fluorescentes que tienen
sitios de protonación. Usualmente, el rendimiento cuántico de fluorescencia se incrementa
conforme el pH decrece ya que los protones añadidos pueden formar puentes de hidrógeno
intramoleculares. Estos enlaces de hidrógeno incrementan la rigidez de la molécula y con
ello suprimen procesos de decaimiento no radiativo. Puede citarse como ejemplo el caso
del macrociclo edtaxan (estructura 1, Esquema I), reportado anteriormente por nuestro
grupo. Este macrociclo contiene unidades aromáticas fenilo unidas a los grupos amida por
puentes metileno. La intensidad de fluorescencia de edtaxan se incrementa al disminuir el
pH [7].
En el caso de edtanap el comportamiento observado se puede explicar como sigue:
Como ya se mencionó, la unión directa del grupo amida al sistema aromático supone una
fuerte influencia sobre la emisión de fluorescencia del ligante. Cuando un átomo de
nitrógeno amina se protona, opera una fuerza de repulsión electrostática entre el protón
añadido y el hidrógeno amida. Al presentarse el intercambio del protón entre los dos
nitrógenos amina equivalentes de una unidad >NCH2CH2N<, la naturaleza del enlace N-H
29
del grupo amida se ve afectada reflejándose en el sistema de electrones π. Este efecto
puede facilitar la conversión interna no radiativa y en consecuencia reducir el rendimiento
cuántico.
Una vez establecido el efecto del pH en los espectros electrónicos de edtanap,
resulta interesante conocer el efecto que sobre los mismos tendría la coordinación metálica.
En este caso, se espera el enlace de dos iones metálicos divalentes por cada molécula de
ligante, para formar especies neutras (Figura 1.4). Así, se llevaron a cabo estudios
espectroscópicos de los complejos metálicos de edtanap con los iones divalentes Zn2+,
Cd2+ y Co2+. Se investigó el efecto de los iones metálicos sobre los espectros de absorción
y emisión del ligante, así como el efecto del pH en los espectros electrónicos de los
complejos. A continuación se describen los resultados encontrados en dichos estudios.
1.3.2. Espectros Electrónicos de los Complejos Binucleares de Cd2+ y Zn2+ del
Macrociclo edtanap en medio alcalino.
El análisis espectroscópico del macrociclo edtanap en solución mostró una clara
dependencia de la intensidad de emisión y de la absortividad molar con el pH. Estos
resultados fueron la base para la planeación de los estudios de coordinación metálica. En
medio alcalino, entre pH 8.5 y ~10 se alcanza la saturación y el macrociclo muestra su
máxima intensidad de emisión manteniéndose constante. Por ello, se seleccionó un pH
dentro de este intervalo (pH=9) para estudiar el efecto de la coordinación de Zn2+ y Cd2+ en
la fluorescencia del compuesto. A ese mismo pH se investigó también la influencia de la
complejación metálica en el espectro electrónico del macrociclo. Los resultados de estos
30
31
estudios y un análisis de los mismos apoyados por datos cristalográficos se muestran a
continuación.
Espectros de Absorción La adición de iones Zn2+ o Cd2+ a soluciones de edtanap con
pH=9 provocó cambios significativos en la banda de absorción localizada a 299 nm. En las
Figuras 1.5 y 1.6 se muestran espectros seleccionados de los obtenidos en las titulaciones
con Zn2+ y Cd2+, respectivamente. Como se aprecia en las Figuras, al formarse los
complejos la banda correspondiente a las transiciones π-π* de naftaleno aparece a
longitudes de onda ligeramente mayores que la correspondiente al ligante libre y muestra el
desarrollo de un hombro a 329 nm (Tabla 1.1). Esta disminución en la energía de las
transiciones π-π* en los complejos con respecto al ligante libre, aunado a la aparición del
hombro en 329 nm, sugiere que la coordinación metálica induce cambios importantes en los
sistemas π del macrociclo. Estos cambios pueden ser de origen conformacional y/o
electrónico. Es de esperarse que la coordinación de los iones metálicos, y la consecuente
contracción de la cavidad macrocíclica, provoquen la distorsión de los grupos naftil, dado
que se encuentran directamente unidos a los grupos amida lo cual impone una fuerte rigidez
al sistema.
La elucidación de la estructura de los complejos mediante técnicas de difracción de
rayos-X permitiría comprender las características observadas en el análisis espectroscópico.
Por esta razón, en colaboración con el Dr Quintus Fernando (†) de la Universidad de
Arizona, la Dra. Michiko B. Inoue preparó y caracterizó monocristales de los complejos
Zn2edtanap y Cd2edtanap. Las estructuras de rayos-X de los complejos, así como los
datos cristalográficos mas importantes, aparecen en el Apéndice A3, al final de este trabajo
32
de tesis. El análisis de rayos-X de los materiales confirmó la estructura binuclear de los
complejos y reveló sus interesantes propiedades estructurales. Estas últimas pueden
resumirse como sigue:
Los modos de coordinación de los complejos Zn2edtanap y Cd2edtanap son
diferentes, el primero es hexacoordinado mientras que el segundo es heptacoordinado. La
33
34
35
36
diferencia radica en que para el complejo de Zn2+, la distancia hacia el segundo átomo de
oxígeno amida es muy grande como para coordinarse con el, así coordina solo con uno de
ellos; además, coordina con dos átomos de oxígeno carboxilato, dos átomos de nitrógeno
amina y un átomo de oxígeno de una molécula de agua.
Otro aspecto relevante que se encontró a partir de los estudios de rayos-X, es el
hecho de que tanto en los complejos de Cd2+ como en los de Zn2+, los átomos C-N-CO-C
de cada grupo amida están en el mismo plano y su plano molecular se encuentra rotado del
plano del grupo naftil. Estas observaciones indicaron que cuando el ligante es coordinado
se pierde la energía de estabilización que podría ganarse si los dos sistemas de electrones π,
el del grupo amida y el del grupo naftil, estuvieran conjugados. Además, la coordinación
metálica causó la deformación en el grupo naftil, cuyos dos anillos benceno no son
coplanares. Con ello se demostró que los enlaces en la coordinación metálica son capaces
de deformar enlaces covalentes de la molécula de ligante, cuando existe en ella una alta
tensión estérica. Esta inusual propiedad estructural se refleja en la banda de transisión π-π*
de la molécula de ligante coordinado tal y como se describió con anterioridad.
El desplazamiento anormal al rojo observado para estos complejos se puede explicar
de la siguiente manera: Cram y Col. [26] reportaron que las bandas de la transisión л-л* de
[n,n]paraciclofanos con n=2 y n=3 presentan un comportamiento anormal comparado con
las de los compuestos derivados de benceno para-sustituidos de cadena abierta. Dicha
anormalidad consiste en que los máximos tienden a desplazarse hacia mayor longitud de
onda y más bajas intensidades, además de que la estructura fina tiende a eliminarse.
Este efecto se atribuyó a una o ambas de las siguientes causas: 1) interacciones
entre los electrones л de los dos anillos benceno, 2) distorsión de los anillos benceno de su
37
configuración planar normal. Evidentemente la segunda de estas causas está operando en
los complejos de Zn2edtanap y Cd2edtanap estudiados aquí.
Ciertamente, los estudios de difracción de rayos-X se llevan a cabo en el estado
sólido; sin embargo, representan una aproximación confiable de lo que podría estar
ocurriendo en solución.
Los espectros de emisión de fluorescencia por su parte, aportan información
relevante sobre la estructura de los complejos de edtanap con los distintos iones metálicos
divalentes. A continuación se revisan los resultados obtenidos en dichos estudios.
Espectros de Fluorescencia
El espectro de emisión del macrociclo edtanap a pH = 9 muestra una banda ancha e
intensa centrada en 418 nm. El incremento gradual de la concentración de Zn2+ en la
solución provocó un aumento paulatino de la intensidad de emisión hasta alcanzar una
intensidad de 8.5 veces el valor inicial. Este valor límite se alcanzó a una proporción
[Zn2+] / [edtanap] = 1.7 (Figura 1.7). Se observó además el desplazamiento de la banda de
emisión en 7 nm hacia mayor energía.
En contraste con lo obtenido al titular con el ion Zn2+, la adición del ion Cd2+
provocó la disminución gradual de la intensidad de emisión al incrementarse la
concentración del ion metálico. La pérdida de intensidad fue de casi el 80% con respecto al
ligante libre, cuando la proporción del ion [Cd2+] / [edtanap] alcanza un valor de 1.5
(Figura 1.8). En este caso también se observó un desplazamiento hacia el azul de
aproximadamente 7 nm del máximo de emisión.
Típicamente, los iones diamagnéticos ligeros como el Zn2+ y el Cd2+ provocan un
aumento en la fluorescencia de la mayoría de los sensores [2, 27-29]. De hecho, el
38
apagamiento de la fluorescencia está relacionado con las propiedades electrónicas de los
iones metálicos, mientras que el incremento de la misma lo está con cambios en la
geometría o rigidez del ligante y con la disponibilidad de electrones de algunos grupos
funcionales presentes en la estructura del ligante en su estado libre. Así, el incremento de
la intensidad de emisión observado para el caso de la titulación con Zn2+, puede atribuirse a
la mayor rigidez de la especie como producto de la coordinación con el ion metálico, la
cual reduce las rutas vibracionales para el decaimiento no radiativo [30]. Al igual que el
ion Zn2+, el Cd2+ es un elemento de capa cerrada que no exhibe ninguna actividad redox ni
participa en mecanismos de apagamiento por transferencia de electrones (TEF) o
transferencia de energía (TEE) [28]. Aparentemente, la ganancia en rigidez estructural que
puede adquirir el ligante por efecto de la coordinación, no tuvo una influencia significativa
para mejorar la emisión de fluorescencia del complejo de Cd2+.
39
40
Según los datos encontrados por difracción de rayos-X, el ion Cd2+ en el complejo coordinó
a dos moléculas de agua. Los enlaces metal–ligante en el complejo de Cd2+ presentaron
mayor longitud que en el de Zn2+ (Apéndice 3, Tabla A.3.1). A pH alcalino la especie se
encuentra hidroxilada, luego de intercambiar moléculas de agua por grupos HO-; sin
embargo, si consideramos que este intercambio no modifica significativamente la longitud
de los enlaces, es posible suponer que la disminución de la emisión de fluorescencia es
atribuible a una mayor facilidad para las interacciones vibracionales del complejo de Cd2+.
Por otro lado, los sistemas conjugados de edtanap que incluyen a los grupos naftil
presentes en la estructura, pierden su planaridad más significativamente en el complejo de
Cd2+ que en el de Zn2+ y por lo tanto reducen también su interacción, lo que hace a este
sistema energéticamente menos estable. La banda de emisión para este complejo muestra
el traslape de tres bandas de energía: la banda principal centrada a 405 nm y dos bandas a
menor longitud de onda que se observan como hombros en 360 nm y 385 nm
aproximadamente.
La disminución de la emisión de fluorescencia del complejo de Cd2+ con respecto a
la observada para el ligante libre podría estar influenciada por lo que se conoce como el
“efecto de átomo pesado”. Este efecto está presente en especies en donde la unidad
aromática contiene sustituyentes halógenos y también se ha reportado para complejos con
elementos de transisión de capa cerrada como Zn2+ y Cd2+ y con iones paramagnéticos
como Hg2+ y Pb2+ [59].31 El efecto del átomo pesado tiende a producir a) decremento de
el rendimiento cuántico de fluorescencia y de los tiempos de vida media; b) incremento en
el rendimiento cuántico de la fosforescencia y c) decremento en el tiempo de decaimiento
de la fosforescencia. Un estudio futuro de la emisión fosforescente del complejo
Cd2edtanap podría confirmar dicha hipótesis.
41
En el recuadro de la Figura 1.7 se observa el comportamiento de la intensidad de
emisión de edtanap al incrementarse la concentración de Zn2+, normalizada para la
intensidad de emisión del ligante libre. En esta curva es evidente que la saturación de la
emisión se alcanza, como ya se mencionó, a concentración de Zn2+donde la proporción
[Zn2+] / [edtanap] = 1.7. Esta relación no corresponde con la estequiometría para este
complejo encontrada en los estudios de Difracción de Rayos-X que es de 1:2 L:M. Esto
puede explicarse considerando que la formación de la especie mononuclear ocurre sin
provocar gran tensión estérica en el complejo al quedar un centro no coordinado.
La formación de la especie binuclear genera una distorsión mas significativa del
complejo por lo que su formación resulta mas complicada y es hasta que se alcanza una
relación molar > 1.7 que la presencia de la especie binuclear es importante produciéndose
la intensa emisión fluorescente. Una situación similar se presentó para el complejo de Cd2+
en el que la saturación se dio en la relación molar [Cd2+] /[edtanap] = 1.5 (Figura 1.8).
1.3.3. Fluorescencia de los Complejos Metálicos Zn2edtanap y Cd2edtanap a diferente
pH Se han reportado un gran número de compuestos estructuralmente similares a
edtanap que presentan cambios importantes en su geometría de coordinación por efecto del
pH. Estos cambios se reflejan a su vez en los espectros de emisión de fluorescencia, ya sea
apagándola completamente, reduciéndola o aumentándola. Para investigar el efecto que el
pH podría inducir sobre los espectros de emisión de fluorescencia, se llevaron a cabo las
titulaciones acido-base de los complejos Zn2edtanap y Cd2edtanap. Los complejos se
prepararon en relación molar 1:2, L:M, por la razón que se explicó antes. En la Figura 1.9
se muestran de manera conjunta las curvas de titulación ácido base de los complejos y del
ligante libre (no coordinado).
42
Como ya se discutió, la fluorescencia del ligante edtanap mostró sensibilidad al
cambio de pH, encontrándose un cambio en la intensidad de emisión en el intervalo de pH
= 6-9. No se observó cambio alguno para la posición del máximo En el caso del complejo
de Cd2edtanap la intensidad de emisión prácticamente no cambia en el intervalo de pH
estudiado.
Para el complejo de Zn2+ en la relación molar [Zn]/[edtanap] = 2, el pH tuvo un
dramático efecto sobre la emisión de fluorescencia. En medio alcalino, la fluorescencia del
ligante edtanap se fortaleció por la presencia del ion Zn2+ observándose un pequeño
desplazamiento al azul (Tabla 1.2). A pH = 10.2 la longitud de onda del máximo de
43
44
45
emisión se ubicó en los 410 nm. Esta banda se debilitó rápidamente con el decremento del
pH en el rango de pH de 8 a 9. Este gran cambio no se observó en la absortividad molar de
los espectros de absorción electrónica tal y como se describirá posteriormente. La forma
de la banda de emisión observada prácticamente no cambió a partir de pH= 7.3 en adelante,
pero por debajo de este valor de pH se desarrolló una banda en 375 nm superpuesta a la
banda en 410 nm la cual se fortaleció ligeramente al disminuir el pH. Como se observa en
la Figura 1.9, la variación de la intensidad de la fluorescencia con el pH fue más importante
para el complejo de Zn2+ que la que describe la ecuación (1) para el ligante libre. Por lo
tanto, la variación en la intensidad de emisión con el pH para el complejo Zn2edtanap se
reproduce mejor por la función:
F(pH) = {FB + FAβ[H+]2}/{1 + β[H+]2} (3)
donde β es una constante. El desarrollo matemático de la ecuación (3) aparece en el
apéndice A2. Con base en las constantes de formación determinadas para los complejos de
Zn2+ con dioxotetraazacicloalcanodiacetatos [19] se puede asumir que la especie formada
en el rango de pH de 4 a 7 corresponde con [Zn2edtanap(H2O)2]0, cuya estructura
probablemente sea similar a la que se obtuvo en los análisis de rayos-X de monocristal
( Apéndice A3, Figura A.3.2 ). En valores de pH mas altos, las moléculas de H2O son
reemplazadas por iones –OH para formar a la especie [Zn2L(OH)2]2-, el equilibrio se
describe por la ecuación:
[(H2O)ZnLZn(OH2) ]0 [(HO)ZnLZn(OH)]2- + 2H2+ (4)
Dónde L=edtanap . La formación de especies aniónicas es apoyada por el hecho de
que la solubilidad en agua del complejo se incrementa notablemente en pH igual o mayor a
9. La variación en la intensidad la fluorescencia del ligante con respecto al pH indica que
46
el rendimiento cuántico es menor para la especie [(H2O)ZnedtanapZn(OH2) ]0 que para
[(HO)ZnedtanapZn(OH)]2-. Dado que los espectros electrónicos no muestran cambios
significativos con el pH, estas diferencias se atribuyen a las propiedades dinámicas (o
vibraciones internas) y en consecuencia a interacciones vibracionales que reducen el
rendimiento cuántico de la fluorescencia. Es posible que el bajo rendimiento cuántico de
fluorescencia de la especie [(H2O)ZnedtanapZn(OH2) ]0 se deba al intercambio de las
moléculas de agua coordinadas con moléculas de agua de la esfera externa; durante dicho
intercambio las moléculas de agua adyacentes a los grupos amida alteran sus modos de
coordinación en tal magnitud que los grupos naftil se reorientan ambos al mismo tiempo y
pierden la energía de excitación por interacciones vibracionales. Los grupos OH en
[(HO)ZnedtanapZn(OH)]2- son menos intercambiables que las moléculas de agua de la
especie [(H2O)ZnedtanapZn(OH2) ]0 y en consecuencia las especies aniónicas tienen un
rendimiento cuántico mas alto.
En presencia del ion Cd2+ la fluorescencia de edtanap se redujo, contrario a lo que
ocurre con el ion Zn2+ (Tabla 1.2). La banda de emisión del complejo de Cd2+ se debilitó y
apareció indefinida a pH<9. Por encima de este pH, la intensidad de emisión se incrementó
con el pH. Como se observa en la Figura 1.9, la variación de la intensidad de la emisión
con el pH no es significativa, pero la curva obtenida sugiere que ocurre una interconversión
entre las especies [(H2O)CdedtanapCd(OH2) ]0 y [(HO)CdedtanapCd(OH)]2- a un pH
mas alto que en el caso de el complejo con Zn2+. Esto es consistente con la distribución de
especies determinada por un método potenciométrico para complejos de Zn2+ y Cd2+ con
ligantes del tipo dioxotetraazacicloalcanodiacetato [19,31]. En dichos estudios se encontró
que los complejos de Cd2+ con el macrociclo 12edtaen llevan a cabo la conversión a
especies hidroxiladas a pD≥11, mientras que el complejo de Zn2+ con este mismo
47
macrociclo forma especies monohidroxiladas hasta pD≥10.9. Con el macrociclo 13edtapn
las especies monohidroxiladas se forman a pD≥10.4.
En el rango de pH de 4 -7 la intensidad de emisión del complejo de Cd2+ es una
cuarta parte de la observada para el complejo de Zn2+. Las especies formadas en este
rango de pH corresponden a [(H2O)CdedtanapCd(OH2) ]0 cuya estructura puede asumirse
que es idéntica a la reportada por el estudio de rayos-X de monocristal llevado a cabo por la
Dra. M. Inoue. En dicho estudio se señala que los enlaces que coordinan al ion Cd2+ en el
complejo son más largos que los enlaces correspondientes en el complejo de Zn2+, la
elongación mas importante se presenta en el enlace M-O(agua). Estos resultados sugieren
que una molécula de agua coordinada en el complejo de Cd2+ es más fácil de intercambiar
con moléculas de agua de la esfera externa que en el complejo de Zn2+. Además en el
complejo de Cd2+ el grupo naftil aparece mas deformado que en el de Zn2+. Así, las
propiedades estructurales encontradas para el complejo de Cd2+, sugieren que las
interacciones vibracionales pueden ser más efectivas en este complejo.
1.3.4. Efecto de la Coordinación del ion Co2+sobre los espectros electrónicos de
edtanap
Para el complejo Co2edtanap en solución no fue posible obtener el espectro de
absorción en la región visible y observar las bandas d-d, debido a la baja solubilidad del
compuesto y a que en condiciones alcalinas las soluciones se oscurecen, posiblemente
debido a la oxidación del Co2+ a Co3+ . Esta oxidación no influenció significativamente los
espectros de absorción y de emisión de soluciones mas diluidas cuando se utilizaron
soluciones recién preparadas. Así, para poder observar las transisiones d-d del complejo se
obtuvo el espectro de reflactancia difusa del polvo de color rosado que precipita en las
soluciones a pH entre 5 y 6. Este espectro mostró una banda d-d en 522 nm con un hombro
48
alrededor de los 480 nm ( Figura 1.10 ). El valor del máximo de absorción es cercano al de
la transición 4T1(F) → 4T1(P) en complejos octahédricos de Co2+ de alto espín. Sin
embargo, estudios de rayos-X de monocristal realizados en la Universidad de Arizona para
este complejo revelan un número de coordinación siete (Figura A.3.4, Apéndic A.3). Cada
átomo metálico central del complejo binuclear se encuentra coordinado a seis átomos
donadores de la mitad de la molécula del ligante y a un átomo de oxígeno de una molécula
de agua, muy similar a la reportada para el complejo de Cd2+ con este mismo ligante.
Como se observa en la Figura A.3.4 en el complejo de Co2+ el ion metálico puentea a los
dos grupos amida al coordinarse a dos átomos de oxigeno amida; como resultado los grupos
naftil se doblan a lo largo del eje central conformado por C(15) - C(20). Este modo de
distorsión se encontró también en los complejos Zn2edtanap y Cd2edtanap. De la misma
forma que en estos complejos la distorsión observada en el complejo de Co2+ se vio
claramente reflejada en los espectros de absorción en la región ultravioleta del complejo,
que en comparación con el ligante libre mostró un desplazamiento al rojo de la banda de la
transisión π-π* y un hombro a mayor longitud de onda (Tabla 1.1). Los estudios de rayos-
X revelaron además que en el complejo de Co2+ los átomos C-N-CO-C de cada grupo
amida se encuentran rotados del plano del anillo naftil, por lo que los dos sistemas de
electrones π no están conjugados. Esta misma característica se presentó en los complejos
de Cd2+ y de Zn2+.
Como ya se mencionó, el desplazamiento anormal de la banda de transisión л-л* ya
ha sido reportado para [n,n]paraciclofanos con n=2 y n=3. Los complejos Zn2edtanap,
Cd2edtanap y Co2edtanap mostraron la distorsión de los grupos naftil de su configuración
49
planar normal que ha sido encontrada en los [n,n]paraciclofanos que muestran espectros
electrónicos con desplazamientos anormales de las bandas de las transisiones л-л* [26].
En relación con los estudios de fluorescencia llevados a cabo para el complejo de
Co2edtanap, se encontró que la banda de emisión del grupo naftil que en el ligante libre
aparece en los 418 nm, se desplaza al rojo y aparece centrada en los 433 nm. La
coordinación del ion paramagnético Co2+ con el ligante edtanap disminuyó la intensidad
50
de emisión de manera que la razón de su intensidad de fluorescencia con respecto a la del
ligante libre a pH=10 fue de 0.08 (Tabla 1.2). Sin embargo, la intensidad de la emisión fue
lo suficientemente fuerte como para observar bandas de emisión y de excitación bien
definidas. Como ya se mencionó, el ligante libre presenta una disminución de la intensidad
de emisión con el decremento del pH en el rango de 7.5 a 9. Esta dependencia de la
intensidad de fluorescencia con respecto al pH no se observó en el complejo de Co2+
(Figura 1.11) .
Por otro lado, los espectros de excitación del complejo de Co2+ fueron
sustancialmente distintos de los del macrociclo edtanap; en este último se observaron tres
picos ubicados en 260, 270 y 330 nm, mientras que para el complejo los espectros muestran
una intensa banda a 358 nm acompañada de un hombro a 378 nm. Las intensidades de
estas bandas de excitación cambiaron muy poco al variar pH. Lo mismo ocurrió con la
banda a 433 nm de los espectros de emisión (Figura 1.11) .
En comparación con lo observado con el complejo de Co2+, recordemos que el
complejo de Zn2+ mostró un espectro de emisión sustancialmente idéntico al del macrociclo
libre, tanto en la posición como en la forma de la banda de emisión. Así, los espectros de
luminiscencia del complejo paramagnético de Co2+ son distintos de los del macrociclo libre
y también de los del complejo diamagnético de Zn2+.
El desplazamiento al rojo en el espectro de luminiscencia del complejo de Co2+ es
del orden de la diferencia de energía entre niveles vibracionales [33]. Cualquier fluctuación
en la esfera de coordinación induce la rotación de un plano amida y en consecuencia
modula la distorsión de los grupos naftil, de tal manera que el proceso de radiación en el
51
sistema de electrones π es influenciado por interacciones vibracionales. Por lo antes
descrito, se puede concluir que la combinación de la deformación estructural y el
52
53
54
acoplamiento vibracional conducen a los cambios espectrales observados en la emisión del
complejo de Co2edtanap.
1.3.5. Espectros de Absorción y Fluorescencia de los Macrociclos edtaod y edtafen
En la Figura 1.12 se presentan los espectros de absorción del macrociclo edtafen en
solución acuosa a diferentes valores de pH. Se observa una intensa banda de absorción en
257 nm y dos bandas en 295 nm y 305 nm. Las bandas se atribuyen a las transiciones л-л*
de la porción aromática del macrociclo. El fenantreno muestra dichas transiciones en las
posiciones 211 nm, 250 nm y 291 nm (en metanol), lo que indica que las bandas de
edtafen aparecen desplazadas a causa de la sustitución. La intensidad de la banda en 257
nm disminuye gradualmente al aumentar el pH, mientras que la intensidad de las bandas a
295 nm y 305 nm se incrementa a partir de pH = 7.7, tal y como se observa en el recuadro
de la Figura 1.12. En el caso del macrociclo edtaod ( Figura 1.13), los espectros de
absorción obtenidos en soluciones ácidas (pH<7) solo muestran una cola de absorción que
se extiende desde la región de alta energía (longitud de onda <220 nm). A pH>7, se observa
el desarrollo de un hombro en 245 nm y una banda a 290 nm. La intensidad de la banda a
290 nm aumenta al incrementarse el pH en la forma que se muestra en el recuadro.
El comportamiento observado en los espectros de absorción de los macrociclos por
efecto del pH podría estar relacionada con la presencia de especies con diferentes estados
de protonación. La naturaleza de estas especies en solución solo es posible determinarlas
mediante estudios de RMN de protón y potenciometría. Estos estudios fueron realizados
para el ligante edtaod por la Dra. Michiko B. Inoue en la Universidad de Arizona. El
macrociclo edtafen no pudo analizarse por su baja solubilidad.
55
56
57
A continuación se explica de manera breve la metodología y se muestran los
resultados de dichos estudios y la manera como se relacionan con los datos de UV-Vis de
los macrociclos.
Los espectros de 1H RMN de edtaod a diferentes valores de pD (en el intervalo de
2 a 12) fueron obtenidos en un espectrómetro de RMN Brucker AM 250. Los
desplazamientos químicos (δ) observados a diferente pD para los protones alifáticos a, b,y
c, se muestran en el Apéndice A.3, Figura A.3.5 Todas las señales se desplazan a campo
bajo con el decremento del pD en el rango entre 6 y 8 lo que indica que en esta región
ocurre la primera protonación.
Dado que las señales de los protones de los tres grupos metileno enlazados a un
átomo de nitrógeno amino se desplazan simultáneamente, se concluyó que la primera
protonación ocurre sobre un átomo de nitrógeno amino. Una segunda protonación ocurre a
pD~4, siendo ésta sobre un átomo de oxígeno carboxilato, como lo muestra el
desplazamiento a campo bajo de la señal de los protones a.
Los logaritmos de las constantes de protonación determinadas por potenciometría
(en KCl 0.1M a 25 °C), para la especie (edtaod)2- son: 6.07 y 3.27, para la primera y
segunda protonación, respectivamente. En la misma Figura A.3.5 del Apéndice A3 se
muestra el diagrama de distribución de especies (DDE) de edtaod que se obtiene a partir de
las constantes calculadas. El diagrama muestra la existencia de tres especies distintas;
indicadas como L2-, LH- y LH2. Con base en los estudios de resonancia, se asume que la
naturaleza de dichas especies son las que se muestran en el Esquema VI. Entre pH 2 y 3 la
especie predominante es neutra: edtaodH2; entre pH 3 y 6 predomina la especie
monoprotonada edtaodH-, mientras que a pH >6 predomina la especie totalmente
desprotonada (edtaod)2-.
58
59
En los espectros de absorción del ligante edtaod de la Figura 1.13 se observa que a
pH>6 se presenta el desarrollo de una banda de absorción a 290 nm cuya intensidad de
absorción se va incrementando conforme el pH aumenta. La aparición de esta banda
coincide con el predominio de la especie totalmente desprotonada (edtaod)2-.
Los valores de las constantes de protonación de edtaod son significativamente más
pequeños que los valores correspondientes reportados para el ligante de referencia
(12edtapn)H2: 6.50 y 3.54 (Esquema IV, estructura 10). Por lo tanto edtaod muestra una
menor basicidad con respecto a su análogo (12edtapn)H2. Este comportamiento es
atribuible a los efectos estéricos del anillo macrociclo mas que a efectos electrónicos del
anillo fenilo, dado que los sitios protonables y la unidad aromática están separados por una
cadena alifática, por lo que sus densidades electrónicas no reciben la influencia del sistema
de electrones л.
Una importante propiedad que se espera desplieguen los macrociclos edtafen y
edtaod es la emisión de fluorescencia. La presencia de esta propiedad representa una
condición para la potencial aplicación de los compuestos como sensores fluorescentes. Las
características estructurales requeridas para que el fenómeno de fluorescencia se produzca
están presentes en ambos macrociclos, por esta razón se planeó investigar las propiedades
fluorescentes de edtaod y edtafen en distintas condiciones de pH. Los resultados
encontrados se exponen a continuación.
El macrociclo edtafen presentó una intensa emisión de fluorescencia debido a la
presencia del sistema aromático fenantreno en su estructura; en cambio, el macrociclo
edtaod, por la presencia de una sola unidad benceno, solo muestra una débil emisión que
corresponde a 1/100 de la emisión observada por el macrociclo edtafen. Se sabe que la
eficiencia cuántica de la fluorescencia aumenta con el número de anillos y el grado de
60
condensación [31,34]. En este caso, se observó un dramático efecto por la introducción de
un sistema aromático más extendido en edtafen comparado con edtaod.
Los espectros de emisión de edtafen (λexc= 257 nm) obtenidos en solución acuosa
con diferente pH se muestran en la Figura 1.14. Los espectros son anchos y muestran
cuatro bandas traslapadas. Las dos mas intensas cuyos picos máximos se distinguen
claramente aparecen a λ=373 nm y λ=362 nm a pH = 2. Las otras dos bandas se aprecian
como hombros y su posición a pH=2 puede ubicarse a λ=420 nm y λ=392 nm. De acuerdo
con los datos de la literatura, el hidrocarburo aromático fenantreno presenta cuatro bandas
características ubicadas en 348 nm, 366 nm, 385 nm y 407 nm [30]. Las dos primeras
bandas aparecen en los espectros de edtafen traslapadas y desplazadas a mayor longitud de
onda, mientras que las dos últimas se aprecian como pequeños hombros en la parte de más
baja energía. Las posiciones observadas para las bandas de emisión de fenantreno en los
espectros de edtafen, son resultado de la sustitución en el anillo.
En el recuadro de la Figura 1.14 se muestra la variación de la intensidad de emisión
a λ = 372 nm con el pH. Se encontró que la emisión más alta se produce a pH bajo. En
este caso, la fluorescencia muestra el comportamiento clásico de la mayoría de los
compuestos luminiscentes que contienen sitios de protonación, esto es, incremento de la
fluorescencia al disminuir el pH. En medio ácido, la protonación de sitios que poseen
pares electrónicos no compartidos, tales como nitrógenos amina, bloquea rutas de
desactivación de la fluorescencia como son los mecanismos de apagamiento del tipo TEF y
TEE. Por otro lado, la formación de puentes de hidrógeno intramoleculares, incrementa la
rigidez del compuesto favoreciendo la desactivación del estado excitado por rutas de
61
emisión radiativa. Cualquiera de las dos situaciones recién señaladas, podrían estar
operando para favorecer la alta
62
63
emisión fluorescente observada para edtafen en medio ácido. A este pH la especie
predominante en solución y responsable de la alta emisión de fluorescencia, debe ser la
especie protonada, edtafenH2, análoga a la que formaría edtaod en pH<3. Otro aspecto
notable que se observa en la serie de espectros de la Figura 1.14 es que la banda de emisión
ubicada en 372 nm muestra un ligero desplazamiento a mayor longitud de onda a pH > 7.
Los espectros de excitación (λem = 376 nm) del macrociclo edtafen se muestran en
la Figura 1.15. En ellos se observan las mismas bandas que aparecen en los espectros de
absorción electrónica (Figura 1.12). Las bandas de excitación incrementan su intensidad
conforme el pH decrece, este mismo comportamiento fue mostrado por la banda centrada
en 257 nm de los espectros de absorción. Además, la forma de la curva de pH contra la
intensidad de la banda en 258 nm de los espectros de excitación, es prácticamente idéntica a
la del espectro de emisión, por lo que se concluye que la fluorescencia observada proviene
de la excitación de unidades moleculares discretas del macrociclo. Esto indica que a la
concentración del experimento no se presenta asociación o agregación molecular.
1.3.6. Fluorescencia del complejo Znedtafen en Solución
El ion Zn2+ es un ion diamagnético de los llamados de capa cerrada por poseer una
configuración electrónica completa en su último nivel (d10). Por esta razón, el ion Zn2+
normalmente no puede llevar a cabo el clásico mecanismo de apagamiento de TE y reducir
o apagar la emisión fluorescente de las especies a las cuales se coordina, todo lo contrario,
provoca que la emisión fluorescente se fortalezca. Por esta razón, se planeó evaluar el
efecto de la coordinación del ligante edtafen con el ion Zn2+ en diferentes condiciones de
pH. Los resultados encontrados se describen a continuación.
64
65
Los espectros de emisión del complejo Znedtafen en solución (Figura 1.16) son
similares a los observados para el macrociclo libre. La variación de la intensidad de las
bandas por efecto del pH es también muy similar al observado para el ligante.
No obstante cuando se grafican juntas las intensidades a λ=372 nm en función de
pH, tanto para el complejo como para el ligante (Figura 1.17), se observa que la intensidad
de emisión del complejo es mayor que la del ligante en un amplio intervalo de pH. El
máximo incremento se observa alrededor de pH=7, donde la emisión del complejo es ~ 3
veces más alta que la del ligante. Este efecto puede atribuirse al incremento de la rigidez
del sistema, lo que inactiva rutas de desactivación vibratorias. En la misma Figura 1.16 se
aprecia también que a pH<3 la curva de intensidad de emisión contra pH coinciden, lo cual
es indicativo de que en esas condiciones de pH el ion metálico aun no está coordinado al
macrociclo. En la Figura 1.18 se muestran espectros seleccionados del ligante libre y del
complejo para una mejor comparación.
Los espectros de absorción del complejo Znedtafen en solución obtenidos a
diferente pH aparecen en la 1.19. En medio ácido (pH entre 2 y 5), los espectros muestran
dos bandas en 295 y 305 nm, similares a las observadas en el ligante libre. A pH>5, la
banda en 295 nm comienza a debilitarse y desaparece a pH~8 dentro de la intensa cola de
absorción que proviene de la región UV. Al mismo tiempo, la banda en 305 nm se
ensancha del lado de mayor longitud de onda. Estos cambios tan marcados en el espectro
electrónico del macrocilco tienen su origen en la coordinación con el ion metálico lo que
provoca cambios conformacionales importantes que afectan al sistema aromático. Si se
asume para Znedtafen un comportamiento en solución similar al que presenta
Znedtaod, se puede tomar como referencia el DDE de este último complejo
66
67
68
69
70
complejo (Figura A.3.6). En ese caso, para el complejo Znedtafen, a pH = 7 inicia la
formación de especies monohidroxiladas las cuales alcanzarían su mas alta concentración a
pH = 9. La absorción a 293 nm comienza a decrecer a pH=7, justo donde se inicia la
formación de las especies [Zn(edtafen)OH]- .
1.3.7. Efecto del pH en la Fluorescencia y en los Espectros de absorción de los
complejos de Co2+ y Mn2+ con edtafen
La coordinación de los iones paramagnéticos Co2+ y Mn2+ apagó la luminiscencia
de edtafen en todo el intervalo de pH. Este comportamiento implica que el ligante es capaz
de detectar a cualquiera de los dos iones en cualquier región de pH. El mecanismo de
apagamiento en estos casos involucra procesos de transferencia electrónica dado que se
trata de iones metálicos paramagnéticos.
Los espectros de absorción mostrados en la Figura 1.20 corresponden al complejo
Mnedtafen en solución a diferente pH. Los espectros obtenidos a pH <6 son muy
similares a los del ligante libre. A pH > 6, la banda en 295 nm disminuye de intensidad y
se desarrolla un hombro del lado de mayor longitud de onda de la banda en 305 nm. Este
comportamiento es muy similar al observado para el complejo Znedtafen. Si se toma como
referencia el diagrama de distribución de especies del complejo Mnedtaod (Figura A.3.7)
se observa que a pH=6 la especie predominante es ML0, identificada como
[Mn(edtaod)H2O]0 . A ese mismo pH se inicia la formación de la especie
monohidroxilada ML(OH), en la que una molécula de agua es intercambiada por un grupo
oxhidrilo, [ML(H2O)]0 [ML(OH)]-. De nuevo, si se asume un comportamiento
similar para el complejo Mnedtafen los cambios observados en los espectros de absorción
estarían relacionados con la formación de esta última especie.
71
72
En el caso del complejo Coedtafen los cambios observados en los espectros de
absorción por efecto del pH (Figura 1.21) son similares a los de los complejos Znedtafen y
Mnedtafen. Durante la titulación ácido-base del complejo Coedtafen fue posible obtener
el espectro de soluciones con pH>11. En esas condiciones, la banda de mas baja energía se
desplaza al rojo hasta ubicarse a 318 nm. Este dramático desplazamiento de 13 nm que se
observó para la banda inicialmente en 305 nm, se produce a un valor de pH en el que la
especie dihidroxilada del complejo [Co(edtafen)(OH)2]2- debe ser la especie predominante
(ver DDE de Coedtaod en Figura A.3.8 para comparación) por lo que dicho
desplazamiento se atribuye a su formación.
Para los tres complejos metálicos: Znedtafen, Mnedtafen, y Coedtafen, se
presenta una marcada diferencia en el grupo de espectros obtenidos a pH ácido y alcalino.
La disminución del valor de ε a λ=295 nm y el desplazamiento hacia el rojo de la banda a
305 nm ocurre a un pH donde se comienzan a formar las especies hidroxiladas. Esto indica
el cambio en la esfera interna de coordinación provoca un cambio conformacional que
afecta al sistema aromático del macrociclo.
1.3.8. Espectros de Absorción de los Complejos Metálicos del Macrociclo edtaod
Los espectros de absorción electrónica en la región ultravioleta del complejo
Coedtaod en solución a diferente pH se muestran en la Figura 1.22. Los espectros
mostraron el mismo comportamiento con el pH que el ligante libre, encontrándose que a pH
mayor a 10 se desarrolla una banda alrededor de los 290 nm que puede asignarse a
transisiones л-л* de la porción aromática del macrociclo. Sin embargo, a diferencia de lo
observado para el ligante libre, el complejo Coedtaod mostró una banda correspondiente a
73
74
75
las transisiones π-π* menos definida. Este comportamiento está influenciado por la
coordinación metálica y los posibles cambios estructurales que involucra.
Los espectros que se muestran en la Figura 1.23 corresponden al complejo
Coedtaod y fueron obtenidos a alta concentración (2x10-3 M) para observar las bandas
correspondientes a las transisiones d-d*. En los espectros obtenidos en el rango de pH de
3-10 se observan dos bandas en 490 y 510 nm . Las posiciones de estos máximos de
absorción coinciden con los reportados para la transición 4T1(F) →4T1(P) en complejos
octahédricos de Co2+ de alto spin [36]. No se observa la aparición de bandas de
transferencia de carga para el complejo de Co2+. Todo este conjunto de datos
espectroscópicos sugieren que el complejo Coedtaod mantiene una geometría octahédrica
en un intervalo de pH de 3-10. Las diferentes especies que se forman en solución al variar
el pH, definidas como [ML]0, [MLH-1]- y [MLH-2]2- tienen esencialmente la misma
geometría y se interconvierten mediante el reemplazo de moléculas de H2O por OH-. Las
especies en medio alcalino pueden describirse entonces como complejos hidroxilados
[Co(edtaod)(OH)]- y dihidroxilados [Co(edtaod)(OH)2] 2- ( Figura 1.24 ) en los cuales
los grupos amida no se encuentran desprotonados y no participan en la coordinación.
El complejo Znedtaod, mostró las mismas características espectrales que fueron
observadas para el ligante libre y para el complejo de Co2+, esto es, el desarrollo de una
incipiente banda de transisión л-л* alrededor de los 290 nm a pH > 9. En el caso del
complejo de Mn2+ el espectro mostró una cola de absorción desde la región de alta energía
en la que se alcanza a apreciar el desarrollo de un pequeño hombro a partir de pH = 7. En
el caso de los complejos de Zn2+ y Co2+ los pequeños cambios observados coinciden con la
76
77
78
presencia de la especie monohidroxilada en los diagramas de distribución de especies, en
cambio para Mn2+, la especie en cuestión corresponde a ML.
79
CONCLUSIONES
El estudio espectroscópico realizado al macrociclo edtanap y sus complejos
metálicos reveló lo siguiente:
1. En medio alcalino (pH=10) el macrociclo presenta una intensa banda de emisión de
fluorescencia localizada a λ=418 nm. Esta banda disminuye de intensidad al
reducirse el pH hasta prácticamente desaparecer a pH= 3.3. Esta dependencia con
el pH es contraria a la comúnmente observada en compuestos fluorescentes que
contienen sitios de protonación y se atribuyó a cambios en la relación espacial entre
las subunidades aromáticas por efecto del intercambio de protón en la especie
protonada [edtanapH2]2- (efecto alostérico).
2. A pH=9 la coordinación del macrociclo con el ion diamagnético Zn2+ para formar el
complejo dinuclear Zn2edtanap provocó un incremento de 8.5 veces la intensidad
de emisión. Se considera que este incremento se debe a la mayor rigidez del
sistema y a la cancelación de mecanismos de TE de los nitrógenos amina del
macrociclo. La fluorescencia del complejo Zn2edtanap mostró una dependencia
con el pH similar a la del macrociclo libre: Alta emisión de fluorescencia en medio
alcalino y apagamiento en medio ácido. Esto se atribuyó a las diferencias en el
rendimiento cuántico de las especies en solución: Las especies dihidroxiladas
formadas en medio alcalino [(HO)ZnedtanapZn(OH)]2-, intercambian lentamente
los grupos OH coordinados con iones hidroxilo del medio, en comparación con la
velocidad de intercambio de las moléculas de agua en las especies neutras
[(H2O)ZnedtanapZn(OH2)]0. El rápido intercambio de moléculas de agua en esta
80
última especie produce interacciones vibracionales que reducen el rendimiento
cuántico de fluorescencia.
3. A diferencia de lo observado con Zn2+ la coordinación con el ion Cd2+ provocó una
reducción de la intensidad de emisión en todo el rango de pH. Este efecto se
atribuyó a una mayor distorsión del grupo naftil en el complejo de Cd2+, tal y como
lo mostraron los datos de difracción de rayos-X de monocristal. En el caso del
complejo de Co2+, se encontró que la coordinación provocó que la banda de emisión
del grupo naftil se desplazara al rojo y disminuyera en gran medida su intensidad
(ICo2L= 0.08 IL). Estos cambios espectrales se atribuyeron al efecto de ion
paramagnético y a una combinación de deformación estructural y acoplamiento
vibracional.
4. Los resultados del estudio espectroscópico de edtanap y sus complejos revelan las
interesantes propiedades fotofísicas del ciclofano, el cual podría tener aplicación en
el campo de los sensores fluorescentes, particularmente en la detección de los iones
Zn2+, Cd2+ y Co2+.
Por otro lado, de los resultados de la caracterización espectroscópica de los macrociclos
edtaod y edtafen y sus complejos metálicos se puede concluir lo siguiente:
5. El macrociclo edtafen presentó una intensa emisión de fluorescencia debido a la
presencia de la unidad fenantreno en su estructura. En contraste, el macrociclo
edtaod solo muestra una débil emisión que corresponde a 1/100 de la emisión de
edtafen. Esto muestra la conveniencia de la introducción de sistemas aromáticos
extendidos en el diseño de sensores fluorescentes de metales.
6. En el macrociclo edtafen, la fluorescencia mostró el comportamiento clásico de la
mayoría de los compuestos que contienen sitios protonables: La fluorescencia se
81
incrementó al disminuir el pH. La protonación de los nitrógenos amina bloquea
rutas de desactivación de la fluorescencia como son los mecanismos de
apagamiento del tipo TE.
7. La coordinación de edtafen con los iones metálicos estudiados, produjo los cambios
esperados en la fluorescencia. La formación del complejo Znedtafen provocó un
incremento la intensidad de emisión (IZnL= 3IL, pH = 7) mientras que en los
complejos Coedtafen y Mnedtafen se presentó el apagamiento casi completo en
todo el intervalo de pH.
8. Los resultados indican que el ligante edtafen es capaz de detectar al ion Zn2+ en
bajas concentraciones (100 ppm) en soluciones acuosas neutras por un mecanismo
de incremento de fluorescencia por quelación. La vecindad del sistema aromático
con los grupos donadores en la estructura de edtafen facilitó la respuesta
fluorescente del macrociclo, por lo que se pueden esperar propiedades de sensor
fluorescente para este ligante.