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.