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Facultat de Química
Departament de Química Inorgànica
“INTERACCIÓN Y ACTIVACIÓN DE
NUCLEÓTIDOS POR COMPLEJOS
METÁLICOS DE POLIAMINAS
CÍCLICAS”
Memoria presentada en la Facultad de Química de la Universidad de
Valencia para optar al grado de Doctor en Química por:
Laura Gil Cívico
Directores
Dr. D. Enrique García-España Monsonís
Dra. Dª. Concepción Soriano Soto
D. Enrique García-España Monsonís, Catedrático del Departamento de Química
Inorgánica de la Universidad de Valencia y Dª. Concepción Soriano Soto,
Profesora Titular del Departamento de Química Orgánica de la Universidad de
Valencia,
CERTIFICAN:
Que la presente Memoria, titulada “Interacción y activación de nucleótidos
por complejos metálicos de poliaminas cíclicas”, ha sido realizada bajo su
dirección conjuntamente en los Departamentos de Química Orgánica e Inorgánica de
la Universidad de Valencia, por la Licenciada Dª. Laura Gil Cívico, y que,
encontrándose concluida, autorizan su presentación para ser calificada como Tesis
Doctoral.
Y para que así conste, expiden y firman el presente informe y la memoria ante la
Facultad de Química.
Burjassot, 01 de Abril de 2011.
D. Enrique García-España Monsonís Dª.ConcepciónSorianoSoto
Quisíera dedicar esta Tesis a las dos mujeres más importantes de mi vida, mi
madre y mi yaya Raimunda que, aunque se fueron demasiado pronto, me
inculcaron desde muy pequeña lo importante que era estudiar y seguir
trabajando hasta ver finalizado cualquier trabajo que emprendiera.
Quiero agradecer a mis directores de Tesis, Enrique García-España y
Concepción Soriano Soto la oportunidad de trabajar en su grupo de
investigación y sobre todo que me hayan animado siempre a finalizar el
trabajo iniciado hace diez años, aunque laboralmente ya no estuviera
vinculada a su grupo desde el año 2004.
A Antonio Bianchi por su amabilidad al concederme una beca de estudio en
la Universidad de Florencia, que me permitió finalizar el DEA en el año
2003.
En el ámbito de la Universidad de Valencia a Eduardo Martínez Tamayo por
su gran labor de ayuda con la expresión y forma del texto.
A todos mis compañeros del grupo de química Supramolecular en particular
a mi Bego, por su gran capacidad de trabajo y su ayuda en los momentos
complicados, pero sobre todo por el buen ambiente que vivimos junto a
Mimoun y Fer en el laboratorio del 4º piso de Farmacia.
A toda mi gente, amigos valencianos y almerienses y a mi maravillosa
familia, papá, tíos/as, primos/as, suegro/a y muy especialmente a mi
hermano Rafa por su cariño y complicidad y por darme siempre aliento para
terminar.
Por último, a mi amor, David por su paciencia conmigo y su gran ayuda con
el montaje final de esta Tesis y sobre todo por hacerme tan feliz todos los
días.
Índice Pag.
1.- Introducción teórica y objetivos 3
1.1.- Introducción teórica 3
1.1.1.- Antecedentes 3
1.1.2.- Interacciones débiles, reconocimiento y Quim. Supramolecular 5
1.1.3.- Receptores en Química Supramolecular 10
1.1.4.- Factores que influyen en el reconocimiento receptor-substrato 14
1.1.4.1.- Flexibilidad de los receptores 14
1.1.4.2.- Número y tipo de grupos dadores presentes en el receptor 15
1.1.4.3.- Máxima área de contacto entre el receptor y el substrato 15
1.1.4.4.- Naturaleza cíclica ó acíclica del receptor 16
1.1.4.4.1.- La dimensión de la cavidad macrocíclica 17
1.1.4.4.2.- La presencia de espaciadores aromáticos en el receptor 18
1.1.5.- Interacción de macrociclos con cationes de interés biológico 18
1.1.5.1.- Cu2+ 19
1.1.5.2.- Zn2+ 19
1.1.6.- Interacción de macrociclos con aniones 20
1.1.6.1.- Interacción de receptores poliazamacrocíclicos con los
nucleótidos ATP, ADP y AMP 22
1.2.- Objetivos 27
2.- Materiales y métodos. Nomenclatura 33
2.1.- Potenciometría 33
2.1.1.- Sistema potenciométrico 33
2.1.2.- Adquisición de datos 35
2.1.3.- Medida de la concentración de iones hidrógeno 36
2.1.4.- Programa HYPERQUAD 38
2.1.5.- Procedimiento a seguir en el estudio potenciométrico 41
2.2.- Punto de Fusión 41
2.3.- Análisis Elemental 42
2.4.- Espectroscopía de Masas 42
2.5.- Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear 42
2.6.- Espectroscopía UV-Visible 43
2.7.- Estudios Cinéticos 43
2.8.- Difracción de Rayos X 43
2.9.- Disoluciones utilizadas en los diferentes estudios 44
2.10.- Reactivos y disolventes utilizados en síntesis orgánica 47
2.11.- Nomenclatura utilizada para los receptores sintetizados 48
3.- Síntesis y caracterización de los receptores 53
3.1.- Introducción 53
3.2.- Síntesis y caracterización de los receptores de cadena abierta 56
3.3.- Procedimientos de síntesis para los receptores macrocíclicos 65
3.3.1.- Síntesis asistida por metales 65
3.3.2.- Ciclación de Richman-Atkins 66
3.4.- Síntesis y caracterización de los receptores macrocíclicos 67
3.4.1.- Introducción 67
3.4.2.- Procedimiento de síntesis y caracterización de los receptores
macrocíclicos 71
4.- Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 91
4.1.- Introducción 91
4.2.- Estudios potenciométricos 93
4.3.- Estudios de Resonancia Magnética Nuclear 105
4.3.1.- Secuencia de protonación del receptor Py3223 108
4.3.2.- Secuencia de protonación del receptor mB3223 113
5.- Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 119
5.1.- Constantes de estabilidad de los complejos de Cu2+ 119
5.1.1.- Análisis de los resultados obtenidos en relación molar Cu2+: L (1:1)
124
5.1.1.1. – Análisis de la constante de estabilidad de la especie [CuL]2+ de
las dos series estudiadas 126
5.1.1.2. – Comparación de la constante de estabilidad de la especie [CuL]2+
con receptores relacionados 128
5.1.2.- Estuctura de Rayos X de los complejos [CuL2](ClO4)2 y
[Cu2(L4)2(µ-Br)](ClO4)4 131
5.1.2.1.- Introducción 131
5.1.2.2.- Estructura de Rayos X del complejo [CuPy3223](ClO4)2 131
5.1.2.3.- Estructura de Rayos X del complejo [Cu2(mB3223)2 (µ-Br)]
(ClO4)4 133
5.1.3.- Análisis de los resultados obtenidos en relación molar Cu2+: L (2:1)
135
5.2.- Constantes de estabilidad de los complejos de Zn2+ 138
5.2.1.- Análisis de los resultados obtenidos en relación molar Zn2+: L (1:1)
143
5.2.2.- Análisis de los resultados obtenidos en relación molar Zn2+: L (2:1)
146
5.3.- Estudios Cinéticos v 148
5.3.1- Cinética de descomposición de los complejos de Cu2+ de los
receptores 3223 y Py3223 148
5.3.2- Cinética de descomposición de los complejos de Cu2+ de los
receptores Phen3223 152
6.- Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de
complejos ternarios 157
6.1.- Estudio potenciométrico de interacción con los nucleótidos ATP,
ADP y AMP 157
6.2.- Análisis de los resultados obtenidos 177
6.3.- Estudio de RMN. Hidrólisis del ATP 183
6.3.1.- Estudio de la interacción de Py32223 y Py33233 con ATP
183
6.3.2.- Estudio de hidrólisis del ATP 192
6.4.- Estudio de formación de complejos ternarios 195
6.4.1.- Sistema ternario Cu2+ - L2 -AMP y Cu2+ - L4 - AMP 197
6.4.2.- Sistema ternario Zn2+ - L5 - ATP y Zn2+ - L7 - ATP 200
7. – Conclusiones 205
Anexo: Artículos derivados de esta tesis
1.- Introducción teórica y objetivos
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 3
1.- Introducción teórica y objetivos
1.1.- Introducción teórica
1.1.1.- Antecedentes
El siglo pasado se manifestó como el de la revolución tecnológica. La puesta
a punto y el posterior desarrollo de las computadoras han transformado en
menos de 100 años el mundo y las sociedades que lo componen,
consecuentemente la comunidad científica, a la que se atribuye buena parte
de este cambio, también ha sufrido una importante transformación. La
tecnología informática ha posibilitado un importante avance en todas las
áreas científicas, superando muchas barreras tecnológicas. El desarrollo
científico, ha transformado muchas disciplinas, dando lugar a una “ciencia
multidisciplinar”, uno de cuyos objetivos es estudiar el comportamiento de
los sistemas biológicos y las reacciones químicas que tienen lugar en ellos.
En este campo, químicos, médicos y biólogos, entre otros, trabajan en
conjunto, incorporando los conocimientos de las diferentes áreas científicas.
El descubrimiento e investigación del ADN, es un ejemplo de cómo la
tecnología informática ha facilitado el trabajo científico. Han pasado algo
más de cincuenta años desde que Watson y Crick1 dilucidaran, con modelos
de varillas y bolas y a partir de los valiosos datos de difracción de rayos X de
Rosalind Franklin2, la estructura tridimensional de la “molécula de la vida” y
1 J. D. Watson, F. H. C. Crick, Nature. 1953, 171, 737. 2 R. E. Franklin, R. G. Gosling, Nature. 1953, 171, 740.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 4
en la actualidad el trabajo de secuenciación del genoma humano básicamente
ha finalizado.
Con los resultados de la investigación de las proteínas, los científicos han
podido interpretar y en términos químicos transcribir el funcionamiento de
los organismos vivos, y nos encontramos en la era de poder comenzar a
aplicar este conocimiento en áreas tan importantes como la medicina o el
medio ambiente.
Figura 1.1. Conformación tridimensional de una proteína
Tras años de investigación, se ha establecido que las proteínas están
implicadas en casi todos los procesos biológicos esenciales. En estos
procesos entre especies moleculares, es crucial el papel que juegan las
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 5
interacciones débiles no covalentes3,4. Principalmente se trata de
interacciones de tipo electrostático, van der Waals, solvofóbicas, π-stacking
y puentes de hidrógeno.
1.1.2.- Interacciones débiles, reconocimiento y Química
Supramolecular
En nuestro campo los primeros estudios relevantes de interacciones débiles,
se publicaron entre 1960 y 1970 de la mano de una generación de científicos,
C. J. Pedersen, J.M. Lehn y D.J. Cram,5,6,7,8,9,10,11,12,13 que supieron transcribir
el impacto de dos importantes descubrimientos científicos sobre los modelos
de coordinación clásica:
1. En 1960 se resuelve la estructura cristalina del grupo hemo (Fe2+ -
Protoporfirina IX) en la hemoglobina, que desde 1849 era la primera
proteína cristalizada y asociada a una función fisiológica: la de fijar
reversiblemente O2. Con la resolución de su estructura, quedaba demostrado
que el enlace del dioxígeno se realizaba a través de un sistema anular
tetrapirrólico plano que forma quelatos muy estables con el ión ferroso.
2. En la misma década se descubre el papel que juegan las estructuras
cíclicas en los fenómenos de transporte a través de membranas celulares
3 K. L. Wolf, H. Fram, H. Z. Harms, Phys. Chem. 1940, Abt. B 46, 287. 4 K. L. Wolf, R. Wolff, Angew Chem. 1949, 61, 191. 5 C. J. Pedersen, J. Am. Chem. Soc. 1967, 89, 2495. 6 C. J. Pedersen, J. Am. Chem. Soc. 1967, 89, 7017. 7 B. Dietrich, J. M. Lehn, J. P. Sauvage, Tetrahedron Lett. 1969, 10, 2885. 8 B. Dietrich, J. M. Lehn, J. P. Sauvage, J. P. Blanzat, Tetrahedron Lett. 1973, 29, 1629. 9 D. J. Cram, J. M. Cram, Science. 1974, 183, 803. 10 D. J. Cram, J. M. Cram, Acc. Chem. Res. 1978, 11, 8. 11 D. J. Cram, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1988, 27, 1009. 12 J. M. Lehn, Acc. Chem. Res. 1978, 11, 49. 13 J. M. Lehn, Pure Appl. Chem. 1978, 50, 871.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 6
(ionóforos). En 1955, se había aislado el antibiótico valinomicina14, y su
estructura se había determinado en 1963. Como muestra la Figura 1.2, la
estructura es la de un ciclododecadepsipéptido, con seis aminoácidos y seis
hidroxiácidos que se alternan para formar un anillo de 36 miembros, con una
cavidad hidrófila en el interior. Con la resolución de su estructura mediante
difracción de rayos X, se comprobó que la valinomicina permitía el
transporte iones K+ a través de las membranas celulares. En la periferia de la
molécula se distribuyen cadenas laterales formadas por grupos metilo e
isopropilo, que comunican hidrofobia al exterior de la estructura, haciéndola
compatible con las membranas lipídicas celulares.
Figura 1.2. Estructura molecular del antibiótico valinomicina Así pues, la existencia de fuerzas de enlace de diferente naturaleza entre
moléculas era ya conocida, sin embargo, no se le había dado la importancia
científica suficiente como para impulsar su estudio en profundidad.
14 C. Moore, B. C. Pressman, Biochem. Biophys. Res. Commun. 1964, 15, 562.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 7
Las primeras investigaciones se centraron en la interacción selectiva entre
cationes alcalinos y ligandos macrocíclicos y/o macropolicíclicos
naturales15,16,17 o sintéticos, como los éteres corona y los criptandos.
En 1967, C. J. Pedersen publica5,6 la síntesis de más 60 compuestos cíclicos,
a los que denominó éteres corona, que presentaban la propiedad de
interaccionar selectivamente con cationes de los grupos I y II mediante
interacciones ión-dipolo. Los macrociclos idóneos para interaccionar con
dichos cationes, presentaban entre 5 y 10 átomos de oxígeno separados entre
sí por cadenas etilénicas.
o
o
o
o
o
o
o
oo
o
o
o o
o18 24
Figura 1.3. Ejemplo de éteres corona de Pedersen
Basándose tanto en los trabajos de Pedersen como en los de Simmons y
Park18 sobre la síntesis de diaminas macrobicíclicas, Jean Marie Lehn7,8 y
colaboradores sintetizaron poliéteres diazamacrobicíclicos con capacidad
para encapsular cationes metálicos en huecos pseudo-esféricos, formando
complejos muy estables, a los que denominó criptandos.
15 Y. A. Ovchinnikov, V. T. Ivanov, A. M. Scrob, Membrane Active Complexones, Elsevier: New York, USA, 1974.
16 B. C. Pressman, Annu. Rev. Biochem. 1976, 45, 501. 17 M. M. Shemyakin, N. A. Aldanova, E. I. Vinogradova, M. Yu. Feigina, Tetrahedron Lett. 1963, 4,
1921. 18 C. H. Park, H. E. Simmons, J. Am. Chem. Soc. 1968, 90, 2431.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 8
o
o
o
N
oo
N o o
Figura 1.4. Ejemplo de criptando de J. M. Lehn A mediados de los años setenta D. J. Cram10 sintetizó los esferandos,
receptores que contienen anillos aromáticos y que se caracterizan por su alta
rigidez estructural.
Figura 1.5. Ejemplo de esferando sintetizado por D. J. Cram
Los descubrimientos de Pedersen, Lehn y Cram, impulsaron el desarrollo del
reconocimiento molecular como un nuevo dominio de la investigación
química, que se expandió y recibió el nombre de química
supramolecular19,20,21,22,23 o química anfitrión-huésped. Estos científicos
19 J. M. Lehn, Science. 1985, 227, 849. 20 J. M. Lehn, Angew. Chem. 1988, 100, 91. 21 J. M. Lehn, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1988, 27, 89. 22 J. M. Lehn, Supramolecular Chemistry. Concepts and Perspectives, VCH: Weinheim, Germany,
1995. 23 J. W. Steed, J. L. Atwood, Supramolecular Chemistry, John Wiley & Sons: West Sussex, UK,
2000.
OCH3
OCH3
OCH3
OCH3
CH3O
CH3O
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 9
fueron galardonados con el premio Nobel de Química en 1987 por estos
descubrimientos.
Este nuevo campo de investigación, experimentó un rápido crecimiento
debido al desarrollo de moléculas receptoras con aplicación potencial en
procesos de reconocimiento, transporte y catálisis de substratos de diferente
naturaleza.
Desde entonces, la química supramolecular se ha considerado como una
generalización de la química de coordinación, que no solo se limita a los
iones metálicos sino que se extiende a todo tipo de substratos,
independientemente de su origen (natural o sintético), de su naturaleza
(orgánica o inorgánica) o de su carga (cationes, aniones o moléculas
neutras). La química supramolecular, a diferencia de la química tradicional,
va “más allá de la molécula”19,20,21 y, mientras la química molecular se centra
en el enlace covalente y las moléculas, la química supramolecular estudia
especies de mayor complejidad obtenidas por la asociación no covalente
entre moléculas.
En el proceso de formación de una “supermolécula”, intervienen una
molécula que actúa como anfitrión (host) y otra como huésped (guest) que se
unen para dar lugar al complejo anfitrión-huésped ó comúnmente
denominado receptor-substrato.9,10,11 El receptor suele ser una molécula
grande o un agregado, como un enzima o un compuesto cíclico, con una
cavidad central de tamaño adecuado. El substrato puede ser un ión
inorgánico o bien una molécula como una hormona o un neurotransmisor.
Las interacciones entre receptor y substrato tienen lugar a través de una
amplia gama de fuerzas intermoleculares, que se diferencian entre si por su
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 10
naturaleza y fortaleza. Estas interacciones son generalmente débiles, pero al
extenderse a lo largo de toda la superficie molecular pueden producir una
gran estabilidad de la especie formada. Las principales contribuciones a la
estabilidad del complejo receptor-substrato son: puentes de hidrógeno,
interacciones π-π, interacciones coordinativas con el ión metálico e
interacciones electrostáticas con aniones.
El principio de la complejación multi-sitio es muy habitual en sistemas
biológicos, la interacción enzima-substrato o antígeno-anticuerpo, así como
en otras funciones biológicas importantes. Un requerimiento importante para
la combinación multi-sitio es la complementariedad entre los sitios de unión
de las moléculas receptor y substrato, ya que la complejación es más
eficiente cuanto mejor encajan entre si. Este es el principio general “llave-
cerradura” (key-lock), que fue propuesto hace más de un siglo por E.
Fisher24 para explicar la especificidad de la catálisis enzimática.
1.1.3.- Receptores en Química Supramolecular
La capacidad de mimetizar el comportamiento de enzimas y otros substratos
biológicos activos mediante receptores abióticos que tienen la capacidad de
reconocer moléculas diversas, ha encontrado un campo abonado en las
aplicaciones médicas, biomédicas y bioquímicas.
De entre todos los compuestos químicos ideados como receptores en
química supramolecular los más ampliamente utilizados son los receptores o
ligandos macrocícliclos, seguidos por los receptores de cadena abierta o
24 E. Fischer, Ber. Deutsch. Chem. Ges., 1894, 27, 2985.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 11
acíclicos. L. F. Lindoy define de forma un tanto particular, a los receptores
macrocíclicos como aquellos compuestos cuya topología presenta cavidades
definidas por un mínimo de nueve átomos, de los cuales al menos tres deben
ser átomos dadores.25
Las vías de síntesis utilizadas para la obtención de receptores macrocíclicos
han avanzado considerablemente. En la actualidad, la variedad de
compuestos preparados es inmensa. Sus estructuras son, básicamente,
esqueletos carbonados que incorporan heteroátomos como O, S y N. En estas
estructuras también se han incorporado anillos aromáticos simples o
condensados.
Los intentos de poner orden a tanta variedad estructural, han conducido a
establecer numerosas clasificaciones. Una de las más extendidas es aquella
que denomina a los receptores que presentan una sola cavidad como
macromonociclos y a los receptores que presentan más de una cavidad como
macropoliciclos. Los macrociclos más ampliamente estudiados, han sido los
derivados de los éteres corona. A partir de ellos, se han ido preparando
análogos como los ligandos aza y tiapoliazacicloalcanos o combinaciones de
ellos (Figura 1.6). Estos compuestos fueron sintetizados por la sustitución o
combinación de los átomos de oxígeno, por otros de azufre y/o nitrógeno,
que son átomos dadores con capacidad para coordinarse con cationes de los
metales de transición.
25 L. F. Lindoy, The Chemistry of Macrociclic Ligand Complexes, Cambridge University Press, Cambridge, 1989.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 12
N
O
NH H HHN
S
N
Figura 1.6. Ejemplo de oxapoliazacicloalcano y tiapoliazacicloalcano
En el caso particular de las poliaminas, la capacidad de los
poliazacicloalcanos como agentes quelantes26,27 ya era conocida incluso
antes de ser descubiertos los éteres corona. Sin embargo, sólo cuando se
desarrolló en profundidad el estudio de receptores abióticos tales como el
receptor cyclam (Figura 1.7) se pudo comprobar que sus átomos de
nitrógeno compartían en común algunas de las propiedades que exhiben los
átomos de nitrógeno presentes en macromoléculas con funciones biológicas
tan importantes y variadas como las porfirinas,25 los péptidos28,29 o las
poliaminas biogénicas.30,31
Figura 1.7. Ejemplo de compuestos nitrogenados sintéticos y naturales
26 D. H. Busch, K. Farmecy, V. Goedken, V. Katovic, A. C. Melnyc, C. R. Sperati, N. Tokel, Bioinorganic Chemistry, Advances in Chem. 1971, 100, 44.
27 J. P. Collman, P. W. Schneider, Inorg. Chem. 1966, 5, 1380. 28 E. Kimura, M. Kodama, J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1979, 325. 29 E. Kimura, M. Kodama, J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1981, 694. 30 E. Kimura, M. Kodama, T. Yatsumani, J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 3182. 31 E. Kimura, Biomimetic and Bioinorganic Chemistry. Topics in Curren Chemistry. 1985, 128, 113.
N N
N N
H
H H
H H2H2
H H
N
N
N
N
NH N
NHN
NN
N
O
O
OH
O
N
N
H H
H2
cyclam porfirina Gly-Gly-His espermina
H
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 13
Dentro de este esquema de clasificación, se denominan poliazaciclofanos a
aquellos poliazacicloalcanos que presentan en su estructura sistemas
aromáticos.
H H
HH
H
HH
H
H
N N
NN
N
N
N
N
N
N
Figura 1.8. Ejemplo de poliazaciclofanos
En nuestro trabajo, el interés se ha centrado en los poliazaciclofanos que
posean una sola cavidad (macromonociclo). Estos compuestos se obtienen
por condensación de una cadena lineal polinitrogenada y un anillo
aromático. El comportamiento ácido-base asociado a los grupos amino
presentes en este tipo de estructuras les hace muy versátiles para enlazarse a
cationes, aniones e incluso a especies neutras. La existencia del par
electrónico sobre el átomo de nitrógeno les permite interaccionar de manera
directa con especies cargadas positivamente, y de manera indirecta con
especies cargadas negativamente, si los grupos amino se encuentran
protonados por su interacción con el disolvente. Estos procesos de
protonación hacen que la interacción de receptores poliamínicos con aniones
sea dependiente del pH del medio facilitando su solubilización a casi
cualquier pH.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 14
1.1.4.- Factores que influyen en el reconocimiento receptor-
substrato
El reconocimiento molecular lleva implícito una especificidad asociada a las
características estructurales del receptor. En éstas, se almacena la
información que sólo un determinado tipo de substrato es capaz de descifrar.
Por ello, en el diseño de un receptor, además de la complementariedad
estructural, se deben tener en cuenta los siguientes factores:
1.1.4.1.- Flexibilidad de los receptores
Los receptores rígidos son aquellos que presentan una topología determinada
e invariable, en la que encaja un determinado substrato. Por tanto, se
caracterizan por una alta selectividad y uniones muy estables. A diferencia
de estos, los receptores flexibles presentan una topología variable pudiendo
adoptar diferentes conformaciones, lo que hace exhibir un carácter dinámico
a la interacción.
Figura 1.9. Ejemplo de sistema flexible y rígido
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 15
1.1.4.2.- Número y tipo de grupos dadores presentes en el receptor
El número y tipo de átomos dadores de carga, que componen la cavidad
macrocíclica es una variable que afecta a las propiedades enlazantes de los
receptores. Los elementos que aparecen con mayor frecuencia en estos
compuestos son oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo. Como es bien
conocido en la química de coordinación de cationes, estos átomos presentan
carga disponible para interaccionar. Según el principio de HSAB (principio
ácido-base duro-blando de Pearson32), los átomos poco polarizables como el
oxígeno, responden a un comportamiento de base de Lewis “dura” e
interaccionan mejor con iones ácidos “duros” como los cationes alcalinos y
alcalinotérreos. Del mismo modo, los átomos más polarizables, como el
azufre o fósforo, responden a un comportamiento de base de Lewis “blanda”
e interaccionan mejor con iones ácidos “blandos” como los cationes de los
metales de transición. Los átomos de nitrógeno con propiedades intermedias,
amplían su espectro de complejación pudiendo interaccionar con ambos
tipos de cationes.
1.1.4.3.- Máxima área de contacto entre el receptor y el substrato
En disolución, para que tenga lugar la interacción entre receptor y substrato,
las moléculas de disolvente que ocupan las esferas de coordinación de ambas
especies, deben ser desplazadas al menos parcialmente. Las estructuras
cíclicas o policíclicas son de especial interés porque, dependiendo de su
tamaño y topología, pueden configurar huecos intramoleculares capaces de
retener a uno o varios substratos.
32 R. G. Pearson, J. Am. Chem. Soc. 1963, 85, 3533.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 16
En el caso particular de substratos iónicos, el desplazamiento de las
moléculas de disolvente de su esfera de coordinación será tanto más
complicado cuanto más pequeño y cargado sea el ión. Así, especies como el
Mg2+ o Al3+, que poseen energías de solvatación muy elevadas, oponen una
fuerte resistencia a la complejación. Los cationes de estas características
preferirán unirse a receptores que les proporcionen cavidades pequeñas y
con elevada densidad de carga.
1.1.4.4.- Naturaleza cíclica ó acíclica del receptor
La mayor rigidez estructural de los receptores cíclicos puede favorecer
termodinámicamente la formación de complejos receptor-substrato. En la
mayoría de los casos estudiados, los receptores cíclicos presentan, respecto a
sus análogos acíclicos, mayor fortaleza en la interacción con los substratos.
Esto se ve reflejado en un aumento de los valores de las constantes de
estabilidad33. Este efecto positivo de estabilización adicional, es conocido
como “efecto macrocíclico”. El origen de este efecto, continúa
investigándose pero debe implicar tanto factores entrópicos como entálpicos.
La magnitud del término entrópico está determinada por el número de
especies que reaccionan y los cambios conformacionales que el receptor
tiene que adoptar en su unión al substrato. La del término entálpico viene
determinada por la energía de enlace y las energías de solvatación de los
reactivos.
En la interacción entre receptores acíclicos y substratos, la ordenación
adecuada de los átomos y grupos funcionales se lleva a cabo con un coste
33 D. K. Cabbiness, D. W. Margerum, J. Am. Chem. Soc. 1969, 91, 6540.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 17
entrópico dado que se produce una pérdida de libertad conformacional.
Adaptar una estructura de un receptor acíclico hasta otra en la que las
repulsiones electrostáticas y tensiones conformacionales sean mayores estará
dificultado. En contrapartida, los receptores cíclicos presentan
intrínsecamente una estructura favorable a la interacción con el substrato,
dado que el coste entrópico ya se ha asumido en la reacción de ciclación.
Figura 1.10. Ejemplo del efecto macrocíclico
Desde el punto de vista termodinámico, los factores que controlan la
formación del complejo receptor-substrato son, básicamente dos:
1.1.4.4.1.- La dimensión de la cavidad macrocíclica
La dimensión de la cavidad macrocíclica condiciona, en un porcentaje
elevado, la selectividad en la formación de complejos, así como su
estabilidad. Obviamente este parámetro está predeterminado por las
características innatas del ligando, pero es susceptible de modificarse en
ciertos casos. Como se ha mencionado, la situación ideal, que maximiza la
interacción, se da cuando las dimensiones de la cavidad y las del substrato
son del mismo orden. Esta circunstancia no es habitual, y la mayoría de las
veces, el ciclo responderá dependiendo de su flexibilidad.
H H H
H H
HN N
N N
CuL log KML = 28.0 log KML = 18.5
HH
CH3
N
N
N
N
CH3
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 18
1.1.4.4.2.- La presencia de espaciadores aromáticos en el receptor
La presencia de sistemas aromáticos aporta una serie de características que
tienen influencia sobre sus propiedades coordinantes.34 En primer lugar, si
los sistemas presentan en su estructura heteroátomos como O, S o N, estos
pueden actuar como átomos dadores. Por otro lado, son un factor que
aumenta la hidrofobicidad del receptor, de manera que ayuda a formar
cavidades aisladas del medio.
1.1.5.- Interacción de macrociclos con cationes de interés biológico
Los iones metálicos son imprescindibles en una amplia gama de procesos
biológicos esenciales. El papel vital de los metales se evidencia a nivel de la
expresión de los genes o coordinados a las proteínas, para dar lugar a
diferentes tipos de complejos enzimáticos. De hecho, aproximadamente un
tercio de los enzimas conocidos en bioquímica precisan de iones metálicos
para realizar correctamente su actividad35,36. Sin embargo, dado que un
mismo metal puede estar implicado en una gran variedad de funciones, la
variedad de metales que encontramos asociados a compuestos de interés
biológico es relativamente restringida y se reduce básicamente a Na, K, Mg,
Ca, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo y Zn. En este trabajo, los dos iones
metálicos con los que se han llevado a cabo el conjunto de los estudios
realizados son el Cu2+y el Zn2+.
34 F. Diederich, Cyclophanes, The Royal Society of Chemistry, London, 1991. 35 G. .Eichhorn, Inorganic Chemistry, Vol 2, Elsevier: New York, USA, 1973. 36 M. Dixon, E. C. Weeb, Enzymes, Logman: London, 1964.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 19
1.1.5.1.- Cu2+
El cobre (3d9) presenta dos estados de oxidación estables, y que son los más
relevantes en los organismos vivos (+1, +2). El cobre está implicado en
funciones biológicas vitales tales como el transporte y metabolismo de
dioxígeno, transferencia electrónica y dismutación del anión superóxido. Las
proteínas de cobre se han clasificado tradicionalmente en tres tipos: tipo 1 o
cobres azul, tipo 2 o cobre normal y tipo 3 o centro binuclear de cobre
acoplado.
1.1.5.2.- Zn2+
El Zn2+ con una configuración (3d10), es incapaz de participar en reacciones
redox como el Cu2+. Sin embargo, es un buen ácido de Lewis y, como
electrófilo, participa casi de manera exclusiva en muchos
metaloenzimas37,38que hidrolizan substratos tan diferentes como ésteres
carboxílicos, amidas, péptidos o fosfatos, entre otros. Debido a ello, casi
todas las reacciones ácido-base en las que intervienen metales en medio
biológico neutro, tienen que ver con el Zn2+. En la medida en que se acidifica
el medio de reacción, los complejos de este metal resultan más inestables y
se sustituye por manganeso o hierro. En los enzimas de Zn2+, usualmente
éste ejerce su papel catalítico en entornos de baja simetría, enlazando a
ligandos con átomos dadores, N (His), O (residuos de la cadena proteica) o S
(Met, Cys). Centros activos enzimáticos que contienen Zn2+ son la anhidrasa
37 D. Kong, A. E. Martell, J. Reibenspies, Inorg. Chim. Acta. , 2002, 333, 7. 38 T. Darbre, C. Dubs, E. Rusanov, H. Stoeckli-Evans, Eur. J. Inorg. Chem. 2002, 3284.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 20
carbónica (HCA II) representado en la Figura 1.11, la carboxipeptidasa A
(CPA), enzimas de la glicólisis, proteasas e isomerasas.
Figura 1.11. Entorno tetraédrico de coordinación del Zn2+ en la anhidrasa carbónica
(HCA II)
1.1.6.- Interacción de macrociclos con aniones
En el ámbito de la química de coordinación, la complejación de cationes ha
sido objeto de estudio desde hace un siglo mientras que, la complejación de
aniones ha recibido escasa atención hasta hace relativamente poco tiempo. El
descubrimiento de moléculas sintéticas capaces de complejar cationes y
aniones fue prácticamente simultánea. En 1967, C. J. Pedersen preparó el
primer ligando orgánico capaz de complejar cationes, y un año más tarde C.
H. Park y H. E. Simmons18 sintetizaron el primero “apto” para complejar
aniones, al que denominaron katapinato (en griego katapinosis, significa
tragar). A pesar de que el descubrimiento fue casi coetáneo, el campo de
complejación de aniones permaneció relativamente inexplorado durante una
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 21
década, hasta que J. M. Lehn y colaboradores39,40,41,42,43,44,45 retomaron, en
1976, la investigación en el campo de coordinación de aniones. Los
esfuerzos realizados por esta generación de científicos fueron seguidos por
un número reducido de grupos46,47,48 durante esta década, hasta que, hoy en
día, se ha convertido en un tema muy activo que ha dado lugar a un elevado
número de publicaciones científicas y revisiones.49,50,51,52,53 Las propiedades
intrínsecas asociadas al tipo de fuerza de unión en los aniones,54 han sido las
causantes del lento desarrollo de este campo.
En los últimos años, la investigación en la química de coordinación de
aniones ha experimentado un gran crecimiento, a tenor del importante papel
que juegan los aniones en el mundo biológico. En los sistemas naturales, la
complejación de aniones tiene relación directa no sólo con la actividad de los
enzimas (el 70% de los cofactores y substratos enzimáticos son de naturaleza
aniónica55) sino también con el transporte hormonal, la síntesis de proteínas
y la regulación ADN, entre otros.
39 E. Graf, J. M. Lehn, J. Am. Chem. Soc. 1976, 98, 6403. 40 J. M. Lehn, E. Sonveaux, A. K. Willard, J. Am. Chem. Soc. 1978, 100, 4914. 41 B. Dietrich, M. W. Hosseini, J. M. Lehn, R. B. Sessions, J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 1282. 42 F. Peter, M. Gross, M. W. Hosseini, J. M. Lehn, R. B. Sessions, J. Am. Chem. Soc., Chem.
Commun. 1981, 20, 1067. 43 M. W. Hosseini, J. M. Lehn, J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 3525. 44 J. P. Kintzinger, J. M. Lehn, E. K. Kauffman, J. L. Dye, A. I. Popov, J. Am. Chem. Soc. 1983, 105,
7549. 45 F. Peter, M. Gross, M. W. Hosseini, J. M. Lehn, J. Electroanal. Chem. 1983, 144, 279.
46 F. P. Schmidtchen, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1977, 6, 720.
47 E. Kimura, A. Sakonaka, M. Kodama, T. Yatsumani, J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 3041. 48 F. P. Schmidtchen, G. Muller, J. Am. Chem. Soc., Chem. Commun. 1984, 16, 1115.
49 C. Seel, A. Galan, J. De Mendoza, Top. Curr. Chem. 1995, 175, 101. 50 A. Bianchi, K. Bowman-James, E. García-España, Supramolecular Chemistry of Anions, Wiley-
VCH: New York, USA, 1997. 51 P. A. Gale, Coord. Chem. Rev. 2001, 213, 79. 52 R. Vilar, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2003, 42, 1460. 53 J. M. Llinares, D. Powell, K. B. Mertens, Coord. Chem. Rev. 2003, 240, 57. 54 L. G. Lange, J. F. Riordan, B. L. Vallée, Biochem. 1974, 13, 4361. 55 D. Kaufmann, A. Otten, Angew. Chem. Ed. Engl. 1994, 33, 1832.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 22
1.1.6.1.- Interacción de receptores poliazamacrocíclicos con los
nucleótidos ATP, ADP y AMP
Dentro de la química de coordinación aniónica, la preparación de
receptores56,57,58,59 para los nucleótidos ATP, ADP y AMP, ha merecido un
especial interés por ser los componentes bioenergéticos de todos los seres
vivos y estar implicados en numerosos procesos metabólicos, sin olvidar
que, los ácidos ARN y ADN son polinucleótidos poliméricos.
La energía que necesitan los procesos anabólicos la proporcionan los
procesos catabólicos en su mayor parte en forma de ATP. Por ejemplo, los
procesos productores de energía tales como la fotosíntesis y la oxidación
biológica de los nutrientes producen ATP a partir de ADP y el ión fosfato.
En contraposición, en procesos que consumen energía como la biosíntesis, el
transporte de moléculas en contra del gradiente de concentración o la
contracción muscular son impulsadas por la hidrólisis de ATP. De este
modo, los procesos catabólicos y anabólicos se hallan acoplados a través de
la mediación de la “moneda” de energía biológica universal el ATP.
ATP + H2O ADP + HPO3-2
El ATP consta de un fragmento de adenosina al que se encuentran unidos
tres grupos fosforilo mediante un enlace fosfoéster seguido de dos enlaces
fosfoanhídrido. La clave de utilización del ATP como moneda de
56 S. Aoki, E. Kimura, Rev. Mol. Biotechnol. 2002, 90, 129. 57 S. Kubik, C. Reyheller, S. Stüwe, J. Inclusion Phenom. Mol. Recognit. Chem. 2005, 52, 137. 58 E. García-España, P. Díaz, J. M. Llinares, A. Bianchi, Coord. Chem. Rev. 2006, 250, 2952. 59 C. Bazzicalupi, A. Bencini, V. Lippolis, Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 3709.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 23
intercambio energético está en las reacciones de transferencia de fosforilo en
la que participa. Estas reacciones son muy exotérmicas y se encuentran
acopladas a numerosos procesos bioquímicos endotérmicos. Análogamente
el ATP se regenera acoplando su formación a un proceso metabólico más
exotérmico. Los grupos fosfoanhídrido del ATP se pueden considerar como
funciones de alta energía dado que su hidrólisis es muy favorable
termodinámicamente.
Figura 1.12. Estructura del ATP
Una propiedad del ATP que resulta conveniente para su papel como
intermediario metabólico proviene de la estabilidad cinética relativa de los
enlaces fosfoanhídrido frente a la hidrólisis. La mayoría de los anhídridos se
hidrolizan rápidamente en disolución acuosa, sin embargo la hidrólisis de los
enlaces fosfoanhídrido presentan una energía de activación elevada. Por
tanto, el ATP es relativamente estable en condiciones fisiológicas pero se
hidroliza fácilmente en las reacciones enzimáticas.
A continuación, vamos a describir algunos de los receptores macrocíclicos
sintetizados con la capacidad de interaccionar selectivamente con estos
nucleótidos, especialmente el ATP. Lehn y Hosseini han sido pioneros en el
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 24
estudio de la interacción de poliaminas con el ATP con fines catalíticos.60,61
En 1980 se descubrió que el macrociclo simple, denominado de forma
abreviada [24]aneN6O2 representado en la Figura 1.12, formaba con una alta
afinidad, complejos con nucleótidos y catalizaba su hidrólisis. Desde
entonces, pudo considerarse a este tipo de receptores como protoenzimas
para la transferencia de fosforilo.
Figura 1.12. Representación del receptor [24]aneN6O2
Los estudios cinéticos62 con diferentes poliaminas macrocíclicas han
demostrado que se trata de una reacción altamente específica, donde juega
un papel fundamental la complementariedad entre la cavidad macrocíclica y
el grupo fosfato terminal del ATP. Estos estudios también han revelado que
el tamaño del ciclo es un factor crucial en la catálisis, siendo máxima cuando
poseen un tamaño de la cavidad macrocíclica que varía entre 21 y 24
átomos. En el mismo sentido, también es importante que se produzca un
60 M. W. Hosseini, J. M. Lehn, L Maggiora, M. P. Mertens, K. B. Mertens, J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 537. 61 M. W. Hosseini, J. M. Lehn, K. C. Jones, K. E. Plute, M. P. Mertens, K. B. Mertens, J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 6630. 62 A. Bencini, A. Bianchi, E. García-España, E. C. Scott, L. Morales, B. Wang, T. Deffo, F. Takusagawa, M. P. Mertens, K. B. Mertens, P. Paoletti, Bioorg. Chem. 1992, 20, 8.
H
HH
H
H
H N
N
N
O
N
N
N
O
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 25
enlace de hidrógeno entre los grupos fosfato del ATP y los grupos amino
protonados del receptor como muestra Figura 1.13, en la que se representa
el ciclo catalítico del ATP en presencia del receptor [24]aneN6O2.
Figura 1.13. Mecanismo de hidrólisis del ATP catalizada por el receptor
[24]aneN6O2
Se ha postulado y se ha evidenciado en el caso de algunos receptores que, la
catálisis del ATP tiene lugar a través de la formación de una especie
intermedia macrociclo-fosforamidato. En disolución acuosa, esta especie es
posteriormente hidrolizada por ataque de una molécula de agua, para dar
fosfato inorgánico (Pi) o bien éste, es transferido a otro anión.
Aparte de los estudios catalíticos, el reconocimiento selectivo de nucleótidos
es por sí mismo un objetivo muy interesante tanto para la mejor comprensión
de los factores estructurales que conducen a una mayor interacción, como
con fines analíticos.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 26
Entre otros factores, la introducción en la estructura de los receptores de
diferentes espaciadores aromáticos han evidenciado que el enlace entre
ambos, no sólo se produce a través de interacciones de tipo electrostático y
enlaces de hidrógeno, sino también a interacciones de apilamiento de anillos
aromáticos, también conocidas como interacciones π-π o π-stacking que se
establecen entre el anillo aromático de los receptores y la base nitrogenada
(adenina) del nucleótido. La naturaleza de las mismas es compleja e incluye
mecanismos de interacción electrostáticos, fuerzas dispersivas y
solvofóbicas.22
Figura 1.14. Ejemplos de receptores sintetizados que
contienen unidades aromáticas
Con este propósito, Lehn y Hosseini prepararon el receptor (1) de la Figura
1.14, que contiene dos zonas de reconocimiento de nucleótidos, la cadena
HH
H H
N
N
N
N
N
N
H H
HH
HHH
H
HH
H
H N N
N N
N N
N N
N N
N N
1 2 3 4
N
N
N
O
N
N
N
O
H
H
H
H H
N
HN
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 27
poliamínica y una subunidad de acridina que da lugar a interacciones de
apilamiento de anillos aromáticos63.
Bianchi y colaboradores, han sintetizado receptores que contienen una
unidad heteroaromática extendida, la fenantrolina, como parte integral de la
estructura de la poliamina macrocíclica (2). La introducción de la
fenantrolina favorece la interacción con el nucleótido mediante apilamientos
π-π64.
De igual manera, en nuestro grupo de trabajo se han sintetizado varios
receptores65,66 (3 y 4), que presentan la capacidad de interaccionar en
disolución acuosa con ATP, ADP y AMP. La interacción con el nucleótido
incluye interacciones de tipo electrostático, enlaces de hidrógeno así como
apilamientos π-π.
1.2.- Objetivos
El estudio de la química de coordinación de poliazaciclofanos que contienen
diferentes tipos de átomos dadores y espaciadores aromáticos ha sido uno de
los objetivos del grupo de investigación de química supramolecular de la
Universidad de Valencia.
63 W. Hosseini, A. J. Blacker, J. M. Lehn, J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 3896.
64 C. Bazzicalupi, A. Beconcini, A. Bencini, V. Fusi, C. Giorgi, A. Masotti, B. Valtancoli, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 1999, 1675. 65 J. A. Aguilar, B. Celda, V. Fusi, E. García-España, S. V. Luis, M. C. Martínez, J. A. Ramirez, C. Soriano, R. Tejero, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 2000, 1323. 66 J. A. Aguilar, A. B. Descalzo, P. Díaz, E. García-España, S. V. Luis, M. Micheloni, J. A. Ramirez, P. Romani, C. Soriano, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 2000, 1187.
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 28
Dentro de este marco se incluye la presente la memoria, orientada hacia el
estudio de la química de coordinación tanto catiónica como aniónica. Por
tanto hemos estructurado el trabajo alrededor de los tres objetivos concretos
que se detallan a continuación:
1.- Preparación de nuevos receptores poliazamacrocíclicos, que incorporan
diferentes cadenas poliamínicas y distintos anillos aromáticos.
2.- Una vez sintetizados los receptores, como paso previo a cualquier estudio
posterior, es necesario establecer las constantes de basicidad de los grupos
amino presentes en la estructura de los receptores dado que, las reacciones
de protonación y complejación compiten entre ellas.
3.- Estudio de la interacción con especies catiónicas y aniónicas mediante
técnicas potenciométricas.
Estos de receptores son capaces de coordinar diferentes tipos de substratos
dependiendo del grado de protonación de los grupos aminos presentes. En
primer lugar, en el estudio realizado con los substratos catiónicos Cu2+ y
Zn2+, la coordinación puede tener lugar a través de los pares electrónicos
solitarios de los nitrógenos no protonados. En segundo lugar, en el estudio
realizado con los substratos aniónicos ATP, ADP y AMP, la coordinación se
deberá principalmente a interacciones electrostáticas entre los nitrógenos
protonados y las especies aniónicas.
Finalmente, profundizar en el estudio del posible potencial de estos
receptores en procesos de transporte y catálisis, por la formación de
complejos ternarios metal- ligando- nucleótido. La generación de centros
Capítulo 1. Introducción teórica y objetivos 29
metálicos coordinativamente insaturados deja abierta la posibilidad de
participación de ligandos externos en la coordinación al ión metálico, lo que
es de gran importancia para el desarrollo de modelos enzimáticos.
2.- Materiales y métodos. Nomenclatura
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 33
2.- Materiales y métodos. Nomenclatura
2.1.- Potenciometría
2.1.1.- Sistema potenciométrico
El estudio potenciométrico se realiza mediante un potenciómetro automático
controlado por un ordenador personal AT 386 con un procesador matemático
387. En la figura 4.1 se presenta un esquema del sistema potenciométrico
utilizado señalando los componentes más destacados.
Figura 2.1. Esquema del sistema potenciométrico utilizado
Todas las valoraciones potenciométricas han sido realizadas a temperatura y
fuerza iónica constante, 298.1 ± 0.1 K y NaClO4 0.15 mol·dm-3. Por una
cuestión de solubilidad, el estudio de protonación del sistema Phen3223·5HBr
se realizó en NaCl 0.15 mol·dm-3.
Una descripción más detallada de cada uno de los componentes se puede
obtener de la siguiente tabla:
ArgónAgua25ºC
pH-meter
Agitadormagnético
Electrodo de referenciade Ag/AgCl en don. 0.5 M NaCl
Pte. salino 0.5 M NaCl
NaOH 0.15 M
Buretas automáticas
Electrodo de vidrio
pH-metro Equipo informático
237.2708 mV
ArgónAgua25ºC
pH-meter
Agitadormagnético
Electrodo de referenciade Ag/AgCl en don. 0.5 M NaCl
Pte. salino 0.5 M NaCl
NaOH 0.15 M
Buretas automáticas
Electrodo de vidrio
pH-metro Equipo informático
237.2708 mV
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 34
Tabla 2.1. Descripción de los componentes de sistema potenciométrico
Las medidas potenciométricas se realizan en una celda termostatada, con
agitación continua y bajo atmósfera inerte de argón, de la que previamente se
han eliminado las posibles trazas de CO2 y O2 pasando el gas por un tren de
lavado compuesto por varios frascos: el primero contiene una disolución de
Cr(II) (obtenida a partir de una disolución de Cr(III) reducida con Zn metálico
en medio ácido) que capta las posibles trazas de O2 presente, y el segundo
frasco contiene una disolución de sosa concentrada que absorbe las posibles
trazas de CO2. Además, entre estos frascos se coloca otro de seguridad para
evitar mezclas de disoluciones por sobrepresiones en el sistema en el momento
de abrir o cerrar el gas. En la celda de valoración, el contacto eléctrico entre la
disolución problema y el puente salino se realiza mediante un capilar en forma
de J para evitar flujos gravitacionales.
Potenciómetro (pH-metro) Crison micropH 2002.
Bureta automática Crison.
Ordenador personal PC 386 con coprocesador 387.
Electrodo de vidrio Orión mod. 91-01.
Electrodo de referencia Ag/AgCl en NaCl 0.5 mol·dm-3
Modelo Ingold.
Puente salino tipo Wilhelm NaCI 0.5 mol·dm-3.
Celda termostatada
Vaso de vidrio pyrex (Ingold)
con camisa termostatada y
volumen aproximado de 70 cm3.
Termostato Haake EK51.
Agitador magnético Crison microstirrer 2038.
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 35
2.1.2.- Adquisición de datos
La adquisición de datos se lleva a cabo mediante el programa PASAT.67 Este
programa crea un archivo de salida secuencial ASCII que contiene los valores
del volumen (mL) de valorante añadido y la medida del potencial (mV) de
respuesta. Este archivo de salida es adecuado para su utilización directa con el
programa HYPERQUAD,68 que se emplea para calcular las constantes de
equilibrio del sistema en estudio. Por último, con el programa HYSS69 se
obtienen los diagramas de distribución para las distintas especies formadas.
Cuando se inicia la valoración, el equipo realiza dos funciones: añadir un
volumen prefijado de valorante y leer el valor de potencial cuando éste alcanza
la estabilidad. Para dilucidar el momento de adquisición del potencial se utiliza
un complejo algoritmo. Tras añadir un volumen de base se adquieren 10 datos
diferentes de potencial y el programa comprueba la desviación estándar y la
deriva. Si estos valores no son superiores a 0.05 ó a un valor prefijado, se
obtiene la media y esa será la lectura del potencial en mV. Si el conjunto de
datos anterior no cumpliera las condiciones impuestas, se descarta el primer
valor tomado, se adquiere uno nuevo y a este conjunto se le vuelven a aplicar
las condiciones restrictivas fijadas previamente por el usuario.
Las curvas de valoración de cada sistema se diseñan con un número mínimo de
quince puntos significativos por parámetro abarcando el intervalo de pH
comprendido entre 2.5 y 10.5 y a distintas concentraciones de las especies de
interés, entre 10-3 y 5·10-3 mol·dm-3 para el ligando y 10-3 y 2·10-3 mol·dm-3 para
67 M. Fontanelli, M. Micheloni, “Proceedings of the I Spanish-Italian Congress on Thermodinamics of Metal Complexes”. Peñíscola, Castellón, 1990 68 A. Sabatini, A. Vacca, P. Gans, Talanta 1996, 43, 1739.
69 P. Gans. Program to determine the distribution of especies in multiequilibria systems from the stability constants and mass balance equations.
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 36
el metal. Estas curvas son tratadas de forma individual mediante el programa
HYPERQUAD y, posteriormente, los diferentes conjuntos de datos se tratan
simultáneamente para obtener las constantes definitivas.
2.1.3.- Medida de la concentración de iones hidrógeno
Para determinar las constantes de estabilidad de todas las especies presentes en
la disolución, se puede relacionar la concentración de uno de los componentes
con las constantes de estabilidad y las concentraciones iniciales del sistema.
Esta medida se puede hacer potenciométricamente a través de una lectura de la
fuerza electromotriz de una pila formada por un electrodo de referencia de
potencial conocido y otro electrodo cuyo potencial sea función de la
concentración de la especie correspondiente. De este modo, al utilizar la
potenciometría se obtiene una relación directa con su concentración, evitando
así el dificultoso cálculo de coeficientes de actividad por el método de Debye-
Hückel.
En disolución acuosa, en aquellos sistemas donde existan especies protonables,
como los ligandos empleados en este trabajo, es más frecuente medir la
concentración de los iones hidrógeno con un electrodo de vidrio que medir las
concentraciones del ión metálico o de los ligandos con un electrodo específico.
Se utiliza la ecuación de Nernst que relaciona la concentración de los iones
hidrógeno de la disolución con el potencial medido.
[ ]E E RTnF ln H0'= + +
Para poder utilizar esta expresión, ha de conocerse el valor de E0’ para cada
experiencia concreta a la misma fuerza iónica que la experiencia en la que se
vaya a realizar el estudio potenciométrico correspondiente, dado que no es un
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 37
término totalmente constante, sino que es suma de alguno de los potenciales
variables con el tiempo:
E0’ = E0 + EJ + Eass
donde E0 es el potencial formal, EJ es el potencial de unión líquida que está
relacionado con la concentración de iones H+, por lo que las valoraciones
potenciométricas se realizan siempre a valores de pH superiores a 2.5, ya que
por debajo de dicho pH este término depende de la concentración de iones
hidrógeno, y por Eass que es el potencial de asimetría que varía con el tiempo.
El calibrado del electrodo se realiza efectuando medidas de potencial de
distintas disoluciones cuya concentración de iones hidrógeno es conocida. La
mejor manera de hacerlo es mediante una valoración de un ácido fuerte de
concentración conocida con una base fuerte de la que no es necesario conocer
la concentración exacta ya que se puede determinar de la propia valoración.
El programa se basa en el método de GRAN70, y con él se obtiene el valor de
E0’ y el del producto iónico del disolvente o concentración de iones hidrógeno
del mismo (pKw).
En disolución acuosa se deben obtener lecturas de potencial de las distintas
disoluciones con errores inferiores al 1%. Valores superiores indican anomalías
tales como inestabilidad en las lecturas potenciométricas o carbonatación de la
base, entre otras, que deben ser analizadas y resueltas antes de continuar con los
estudios.
70 G. Gran, Analyst (London), 1952, 77, 661.
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 38
Antes de cada estudio potenciométrico del proceso de coordinación ligando-
metal o ligando-anión, deben realizarse las calibraciones necesarias del
electrodo usando el método de GRAN hasta obtener un potencial constante.
2.1.4.- Programa HYPERQUAD
El programa HYPERQUAD2 parte de los siguientes supuestos básicos
necesarios para un correcto funcionamiento:
1.- Para cada especie en disolución hay una constante de equilibrio, la constante
de formación, la cual se expresa como un cociente de concentraciones.
2.- Cada electrodo exhibe un comportamiento de acuerdo con la ecuación de
Nernst.
3.- Los errores sistemáticos deben ser minimizados realizando un cuidadoso
trabajo experimental. Las fuentes de error sistemático pueden ser la calibración
del electrodo, la preparación de las disoluciones, la estandarización de los
agentes valorantes y la temperatura.
4.- La variable independiente, el volumen de valorante, no está sujeta a error.
Los errores en la variable independiente y en el potencial obtenido de la lectura
del potenciómetro, tienen una distribución normal.
5.- Inicialmente debe introducirse un modelo de sistema en equilibrio, con unas
aproximaciones para las constantes de formación de cada especie. No obstante,
este modelo puede ser modificado por el propio programa.
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 39
Asumiendo las consideraciones iniciales comentadas, se describen a
continuación los principales puntos de índole matemático sobre los que se
asienta el programa:
a) Básicamente se trata de un ajuste por mínimos cuadrados no lineal, en el que
la variable minimizada en el proceso de cálculo, U, está directamente
relacionada con los datos experimentales. Además incluye el error en la medida
de éste y el volumen de reactivo añadido:
[ ]U w E (calc) E (exp)i i i2
= −∑
Podemos ver que en la función U no todos los puntos experimentales tienen el
mismo peso estadístico, wi, sino que se les asigna un peso inversamente
proporcional al parámetro σi2 que se define como:
σ σ∂∂
σi2
v2 i
2
v2E
v= +
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ ⋅
donde σ02 y σv
2 son las varianzas estimadas del volumen de reactivo añadido y
de la lectura del potenciómetro, y ∂∂Ev
i⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ es la pendiente de la curva de
valoración. Esta derivada en los puntos próximos a un salto de potencial, tiene
un valor elevado, por lo que aumentará el valor de σi2, haciendo que estos
puntos tengan un peso estadístico menor. Por el contrario en una zona
tamponada, donde las variaciones del potencial son suaves, el valor de dicha
derivada es pequeño, los puntos correspondientes tendrán un peso estadístico
mayor y serán más importantes en el refinamiento global. Las otras dos
variables incluidas en la definición de U son el valor del potencial medido
experimentalmente Ei (exp) y el potencial calculado Ei (calc). Este último es el
potencial teórico de cada punto y se obtiene a partir de los datos experimentales
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 40
y de las constantes de los distintos equilibrios que intervienen en el sistema
estudiado, de tal forma que dicho valor de potencial teórico debe hacer mínima
la función U.
b) No existen criterios para eliminar especies del modelo introducido
inicialmente. Sólo cuando se ha producido la convergencia con ese modelo, se
examina el valor de las constantes y sus correspondientes desviaciones
estándar. Si entonces una constante es negativa o su desviación estándar es
superior a un 33% del valor de dicha constante, se genera un nuevo modelo en
el que la constante en cuestión es eliminada y se inicia un nuevo refinamiento.
Una desviación estándar elevada en una constante significa que la especie cuyo
equilibrio representa se forma en pequeña cantidad y ejerce un efecto pequeño
sobre los potenciales medidos.
c) Se pueden refinar, además de las especies y sus constantes de formación,
otros parámetros de las valoraciones. Así, es posible incluir en el proceso de
ajuste la concentración inicial de valorante, las cantidades iniciales de reactivo
o el potencial estándar del electrodo. Incluso, se pueden establecer relaciones
constantes entre los valores de estas cantidades de forma que si se refinan, por
ejemplo, las cantidades de ligando y de iones hidrógeno de un sistema en el que
el ión hidrógeno lo proporciona el ligando únicamente, el refinamiento sea
proporcional en ambas cantidades.
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 41
2.1.5.- Procedimiento a seguir en el estudio potenciométrico
El siguiente esquema muestra los pasos seguidos en el estudio potenciométrico
de formación de complejos del ligando tanto con cationes como con aniones:
Utilización del programa HYSSintroduciendo los datos de las
constantes obtenidas.
Obtención de los diagramas dedistribución de las distintas
especies formadas.
Obtención de una tabla de valoresde volumen de valorante (mL) y de potenciales leídos por el
potenciómetro (mV).
Valoración poténciométricade los equilibrios de protonación
de ligando y de la interaccióncon cationes o aniones.
Calibración del sistemapor el método de Gran.
Obtención de E0’
y de pKw.
Tratamiento de los datos medianteel programa SUPERQUAD. Hay que
introducir un modelo de sistema en equilibrio sobre el que el programa
refina los resultados.
Obtención de las constantes deestabilidad de formación de los
complejos y las constantes de protonación del ligando.
Utilización del programa HYSSintroduciendo los datos de las
constantes obtenidas.
Obtención de los diagramas dedistribución de las distintas
especies formadas.
Obtención de una tabla de valoresde volumen de valorante (mL) y de potenciales leídos por el
potenciómetro (mV).
Valoración poténciométricade los equilibrios de protonación
de ligando y de la interaccióncon cationes o aniones.
Calibración del sistemapor el método de Gran.
Obtención de E0’
y de pKw.
Tratamiento de los datos medianteel programa SUPERQUAD. Hay que
introducir un modelo de sistema en equilibrio sobre el que el programa
refina los resultados.
Obtención de las constantes deestabilidad de formación de los
complejos y las constantes de protonación del ligando.
Tratamiento de los datos mediante el programa HYPERQUAD.
Hay que introducir un modelo de sistema en equilibrio sobre el cual el programa refina los resultados
Utilización del programa HYSSintroduciendo los datos de las
constantes obtenidas.
Obtención de los diagramas dedistribución de las distintas
especies formadas.
Obtención de una tabla de valoresde volumen de valorante (mL) y de potenciales leídos por el
potenciómetro (mV).
Valoración poténciométricade los equilibrios de protonación
de ligando y de la interaccióncon cationes o aniones.
Calibración del sistemapor el método de Gran.
Obtención de E0’
y de pKw.
Tratamiento de los datos medianteel programa SUPERQUAD. Hay que
introducir un modelo de sistema en equilibrio sobre el que el programa
refina los resultados.
Obtención de las constantes deestabilidad de formación de los
complejos y las constantes de protonación del ligando.
Utilización del programa HYSSintroduciendo los datos de las
constantes obtenidas.
Obtención de los diagramas dedistribución de las distintas
especies formadas.
Obtención de una tabla de valoresde volumen de valorante (mL) y de potenciales leídos por el
potenciómetro (mV).
Valoración poténciométricade los equilibrios de protonación
de ligando y de la interaccióncon cationes o aniones.
Calibración del sistemapor el método de Gran.
Obtención de E0’
y de pKw.
Tratamiento de los datos medianteel programa SUPERQUAD. Hay que
introducir un modelo de sistema en equilibrio sobre el que el programa
refina los resultados.
Obtención de las constantes deestabilidad de formación de los
complejos y las constantes de protonación del ligando.
Tratamiento de los datos mediante el programa HYPERQUAD.
Hay que introducir un modelo de sistema en equilibrio sobre el cual el programa refina los resultados
2.2.- Punto de Fusión
La determinación del punto de fusión para la caracterización de los
compuestos se lleva a cabo con un Equipo Reider.
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 42
2.3.- Análisis Elemental
El análisis elemental de los compuestos se ha realizado mediante un Equipo
Instrumental Carlo-Elba, modelo EA1108 CHNS-O, perteneciente al
Servicio Central de Soporte a la Investigación Experimental (SCSIE) de la
Universidad de Valencia.
2.4.- Espectroscopía de Masas
Los espectros de masas de alta resolución, se ha realizado mediante un
espectrómetro V.G. Autospec, TRIO 1000 (Fisons). El análisis mediante
electrospray (ESI-MS) se ha realizado en un espectrómetro de masas de
trampa de iones Esquire 3000 (Bruker), perteneciente al Servicio Central de
Soporte a la Investigación Experimental (SCSIE) de la Universidad de
Valencia.
2.5.- Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear
Los espectros de RMN se realizaron a temperatura termostatada empleando los
espectrómetros Avance DRX Bruker 300 MHz y Avance 400 MHz Bruker,
pertenecientes al Servicio Central de Soporte a la Investigación
Experimental (SCSIE) de la Universidad de Valencia, que operan a 299.95 y
399.95 MHz para RMN de 1H y a 75.43 y 100.58 MHz para RMN de 13C
respectivamente.
Los disolventes utilizados más frecuentemente han sido CDCl3 y D2O,
empleando dioxano como referencia estándar para los espectros de 13C, y la
señal de tetrametilsilano (TMS) en los espectros de 1H. Para ajustar las
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 43
muestras con D2O al pH deseado, se emplean disoluciones stock de DCl o
NaOD. El pH se calcula a partir del pD utilizando la siguiente fórmula71:
pH = pD - 0.4
2.6.- Espectroscopía UV-Visible
Los espectros de absorción UV-Visible se realizaron en un espectrofotómetro
UV 2101PC SHIMADZU, a temperatura de 298.1 ± 0.1 K y empleando una
disolución acuosa 0.15 mol·dm-3 de NaClO4
El pH se ajusta a los valores requeridos por adición de pequeñas cantidades
de HCl y/o NaOH.
2.7.- Estudios Cinéticos Las cinéticas de descomposición de los complejos de Cu2+ de los diferentes
receptores se han realizado en el Departamento de Ciencias de los Materiales e
Ingeniería de Materiales y Química Inorgánica de la Universidad de Cádiz por
el grupo del profesor Manuel García Basallote. Los estudios se realizaron con
un espectrofotómetro de flujo detenido Applied-Photophysics SX-17MW a
temperatura de 298.1 ± 0.1 K.
2.8.- Difracción de Rayos X
El análisis de los cristales obtenidos se ha llevado a cabo con un difractómetro
de monocristal Enraf-Nonius CAD-4 (λ= 0.71069 Å) y Enraf-Nonius
71 A. K. Covington, M. Paabo, R. A. Robinson, R. G. Bates, Anal. Chem. 1968, 40, 2081.
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 44
KappaCCD, pertenecientes ambos al Servicio Central de Soporte a la
Investigación Experimental (SCSIE), de la Universidad de Valencia.
Se ha llevado a cabo un análisis de perfil en todas las reflexiones72 realizando,
en los casos necesarios, la corrección semiempírica de la absorción.73 A las
reflexiones se les ha aplicado las correcciones de Lorenz y de polarización, de
manera que los datos se han reducido a valores de |Fo|2. Las estructuras se han
resuelto por el método de Patterson, ejecutando el programa SHELXS-86.74
Mediante el programa SHELXL-9375 se ha llevado a cabo un refinamiento
isotrópico de mínimos cuadrados, convergiendo a valores de R = 0.089. Las
correcciones de la absorción empírica se aplican utilizando DIFABS.76
Finalmente se han refinado los parámetros posicionales y los parámetros
térmicos anisotrópicos de los átomos no hidrogenoides. Los átomos de
hidrógeno se han refinado con un parámetro térmico común, representando
finalmente las figuras mediante el programa ORTEP77.
2.9.- Disoluciones utilizadas en los diferentes estudios
A continuación se describen las disoluciones empleadas en este trabajo,
indicando las condiciones de preparación además de sus métodos de análisis.
- Hidróxido sódico. Se utilizan disoluciones comerciales de NaOH 0.1 mol·dm-
3 para análisis previamente valorada por los fabricantes. Pese a esto, se realizan
72 M. S. Lehman, F. K. Larsen, Acta Crystallogr. Sect. A. 1978, 11, 114. 73 A. C. T. Nort, D. C. Philips, F. S. Mathews, Acta Crystallogr. Sect. A. 1968, 24, 351. 74 G. M. Sehldrick, C. Kruger, R. Goddard, Crystallographics Computing. Clarendon Press: Oxford, England, 1985, 175. 75 G. M. Sehldrick, SHELXS-93: Program for Crystal Structure Refinement. Institute für Anorganische Chemie der Universitat. Göttingen. Germany. 1993. 76 N. Walker, D. Stuart, Acta Crystallogr. Sect. A. 1983, 39, 158. 77 C. K. Johnson, ORTEP. Report ORNL-3794. Oak Ridge Nacional Laboratory, Oak Ridge, TN, 1971.
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 45
análisis de comprobación valorando dichas disoluciones potenciométricamente
con hidrogenoftalato potásico. Las disoluciones se mantienen, en todo
momento, herméticamente cerradas para evitar la carbonatación de las mismas
por contacto con el aire. La ausencia de carbonatos se verifica siempre antes de
cada estudio potenciométrico por medio del método GRAN4.
- Acido clorhídrico. A partir de HCl concentrado para análisis de concentración
12 mol·dm-3 se preparan disoluciones diluídas de concentración aproximada 0.1
mol·dm-3, que son valoradas potenciométricamente con el patrón tipo primario
tris(hidroximetil)aminometano (TRIS).
- Perclorato sódico. Se emplea NaClO4·H2O de grado analitico como medio
para mantener la fuerza iónica constante. La disolución 0.15 mol·dm-3 en agua
utilizada en las experiencias se prepara a partir de una disolución madre 5
mol·dm-3 aproximadamente. Para determinar la concentración exacta de esta
última disolución, se extrae un volumen pequeño (5 mL aproximadamente), se
pesa cerrado y se evapora a sequedad en una estufa a 85ºC, proporcionando el
peso del residuo sólido la masa del NaClO4 anhidro. Esta experiencia se repite
varias veces, estableciendo así la concentración de la disolución inicial con
gran precisión y es posible preparar a partir de ella la disolución 0.15 mol·dm-3.
Todas estas disoluciones se preparan con agua destilada, hervida y enfriada en
atmósfera de nitrógeno para eliminar los carbonatos.
- Cloruro de sodio. Se utiliza NaCl para análisis. Para el puente salino y el
electrodo de referencia se preparan disoluciones 0.5 mol·dm-3, mientras que
para su utilización como medio iónico se emplean disoluciones de
concentración 0.15 mol·dm-3. Todas estas disoluciones se preparan con agua
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 46
destilada, hervida y enfriada en atmósfera de nitrógeno para eliminar los
carbonatos.
- Tris(hidroximetil)aminometano (TRIS). Producto para análisis, se usa como
patrón tipo primario para valorar el ácido clorhídrico utilizado en las
valoraciones potenciométricas.
- Hidrogenoftalato de potasio. Producto para análisis que se utiliza como patrón
tipo primario para valorar el hidróxido sódico usado en las valoraciones
potenciométricas.
- Perclorato de cobre. La sal de cobre utilizada es Cu(ClO4)2·6H2O para
análisis. La disolución stock, de concentración aproximada 0.1 mol·dm-3, se
valora con EDTA utilizando como indicador murexida.
- Perclorato de zinc. La sal de zinc utilizada es Zn(ClO4)2·4H2O para análisis.
La disolución stock, de concentración aproximada 0.1 mol·dm-3, se valora con
EDTA utilizando como indicador Negro de Eriocromo T en un medio
tamponado a pH = 10 (tampón amonio-amoníaco).
- Sales sódicas de ATP, ADP y AMP (98%)
- Carbonato Sódico Anhidro.
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 47
2.10.- Reactivos y disolventes utilizados en síntesis orgánica
-Carbonato Potásico.
-N-(3-bromopropil)ftalimida.
-Hidrazina monohidrato.
-Fenol.
-Ácido bromhídrico (en ácido acético).
-Aminas
- Dietilentriamina.
- Trietilentetraamina.
-Espaciadores aromáticos
- α,α´-Dibromo-m-xileno.
- α,α´-Dibromo-p-xileno.
- 2,6-Bis(bromometil)piridina.
- 2,9-Dicarboxaldehido de la 1,10-fenantrolina.
-Disolventes
- Agua.
- Acetonitrilo. Grado HPLC.
- Diclorometano. Grado analítico.
- Etanol. Grado HPLC.
- Éter dietílico. Grado de síntesis.
- Tetrahidrofurano. Grado HPLC.
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 48
2.11.- Nomenclatura utilizada para los receptores sintetizados
El uso de la nomenclatura oficial I.U.P.A.C. para denominar a los receptores
poliamínicos que comprenden el trabajo, resulta tediosa y complicada en la
rutina del laboratorio. En el Capítulo 3 se detalla la nomenclatura oficial de
cada uno de ellos. No obstante, de forma generalizada se suelen buscar
abreviaturas o fórmulas sencillas que faciliten su empleo. Así pues, para este
trabajo se utiliza la nomenclatura propuesta por E. García-España y S. V.
Luis,78 basada en una nomenclatura alfanumérica abreviada, que deriva de la
empleada para los éteres corona y los criptandos. Las abreviaturas utilizadas
vienen determinadas por dos factores:
1.- Tipo de unidad aromática presente en la estructura del macrociclo,
representada por un prefijo teniendo en cuenta que, en caso del anillo de
benceno, la diferente sustitución en orto, meta o para se indica mediante un
nuevo prefijo delante de la abreviatura referente a la unidad aromática (oB,
mB y pB respectivamente).
78 E. García-España, S. V. Luis, Supramol. Chem. 1996, 6, 257.
mB
N
Py pB Phen
N N
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 49
2.- Tipo de cadena poliamínica, representada por una secuencia numérica
que indica el número de carbonos situados entre dos nitrógenos
consecutivos.
En el caso de los receptores poliazamacrocíclicos, la nomenclatura empleada
es el resultado de la asociación de ambos factores, donde la fórmula base
contiene, en primer lugar, el prefijo asociado al tipo de unidad aromática
seguido de la secuencia numérica que caracteriza a la poliaminas.
NH2N H
H
HN
NH2N
3223
mB3223
N
NN
N
NN N
NN
N
N
Py3223 Phen3223
H
H
HH
H H H
H
H
H
HHH
H H
NN
NN
NN
N
pB3223
H
HH
H
HN
NN
NN
Capítulo 2. Materiales y métodos. Nomenclatura 50
Cuando se hace referencia a los diferentes intermedios tosilados, se incluye
la abreviatura Ts al final de la secuencia numérica indicando así la presencia
de estos grupos protectores en el macrociclo.
Ts = p-toluensulfonilo
mB3223Ts
N
NN
N
NN N
NN
N
N
Py3223Ts Phen3223Ts
NN
NN
NN
N
Ts
Ts
TsTs
TsTs
Ts
Ts
TsTs Ts
TsTs
TsTsN
NN
NN
pB3223Ts
Ts
TsTs
Ts
Ts
3.- Síntesis y caracterización
de los receptores
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 53
3.- Síntesis y caracterización de los receptores
3.1.- Introducción
Como se ha avanzado en la introducción, en los últimos años se ha dedicado
un gran esfuerzo a la síntesis y caracterización de un gran número de
receptores poliamínicos cíclicos79,80 y acíclicos81,82. La característica
principal que ha motivado la preparación de este tipo de receptores es su
capacidad, en función del pH, para unir a su estructura tanto a substratos
catiónicos como aniónicos. Con esta perspectiva, y con el objetivo de
comprender mejor la química de ambos tipos de receptores, nuestro grupo de
investigación83 ha sintetizado poliaminas de cadena abierta que,
completamente tosiladas, son el punto de partida en la síntesis de sus
análogos macrocíclicos.
Como se detalla en las Figuras 3.1 y 3.2, para denominar a los receptores se
ha elegido una abreviatura (Ln) que indica el orden cronológico de la síntesis
que va desde L1 hasta L10. Seguida de esta, se indica la nomenclatura de
trabajo que se ha descrito en el Apartado 2.11.
79 C. Anda, A. Llobet,, A. E. Martell, T. Parella, Inorg Chem. 2003, 42, 8545. 80 C. Bazzicalupi, S. Biagini, A. Bencini, E. Faggi, C. Giorgi, I. Matera, B. Valtancoli. Chem. Commun. 2006, 39,4087. 81 J. Aragó, A. Bencini, A. Bianchi, E. García-España, M. Micheloni, P. Paoletti, J. A. Ramírez, P. Paoli, Inorg Chem. 1991, 30, 1843.
82 M. A. Bernardo, J. A. Guerrero, E. García-España, J. M. Llinares, S. V. Luis, F. Pina, J. A. Ramírez, C. Soriano, J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2. 1996, 2335.
83 J. A. Aguilar, A. Bianchi, E. García-España, S. V. Luis, J. M. Llinares, J. A. Ramirez, C. Soriano, J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1994, 637.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 54
Figura 3.1. Representación esquemática de los receptores de la serie de pentaminas,
con un tamaño de la cavidad macrocíclica que oscila entre 20 y 23 átomos
Los receptores presentan unas características topológicas concretas que
fundamentalmente comprenden los siguientes aspectos:
- El número de átomos de nitrógeno. Se han preparado dos series
que se diferencian en el número de átomos de nitrógeno. La primera
serie corresponde a las pentaminas de la Figura 3.1, cuyos
receptores presentan cinco átomos de nitrógeno. La segunda serie
corresponde a las hexaminas de la Figura 3.2, cuyos receptores
presentan seis átomos de nitrógeno. En los receptores Py3223,
Py22222, Py33233, Py32223 y Phen3223, se ha elegido la
introducción de los espaciadores aromáticos piridina (Py) y
fenantrolina (Phen), que podrían otorgar respectivamente a los
receptores uno ó dos átomos de nitrógeno más.
N
NN
N
NN
N
NN
N
N
3223
Py3223 mB3223
pB3223
(20) (20)
(21)
Phen3223
(23)
L1
L2L4
L9L10
H
H
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
H
H
N
N
N
H2N
H2N
H
NN
NN
NN
N
N
NN
N
N
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 55
- Topología de la cadena poliamínica. Se han preparado receptores
de cadena abierta o acíclicos frente a receptores cíclicos.
- Las diferentes secuencias en el número de átomos de carbono
entre átomos consecutivos de nitrógeno. Los receptores cíclicos en la
serie de pentaminas se han preparado a partir de la misma cadena
poliamínica 3223. Los receptores cíclicos en la serie de hexaminas
se han preparado a partir de las cadenas poliamínicas 22222, 33233,
y 32223.
Figura 3.2. Representación esquemática de los receptores de la serie de
hexaminas, con un tamaño de la cavidad macrocíclica que oscila entre 21 y 25
átomos
32223
NN N
N N
N N
N N
N N
N N
mB32223
NN N
N N
N N
N
N
N
N
H2N
H2N
NN N
N N
N N
22222 Py22222
33233 Py33233
(21)
(23)
(23)
(25)
Py32223
L3
L7
L8
L6
L5
H
H
H
H
H
H
H
H H
H
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
HH
H
HHHHHH
H
HH
H
H
HH
H
H H
H2N
H2N N
N
N
N
H2N
H2N N
N
N
N
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 56
- La presencia de distintos tipos de espaciadores aromáticos. La
serie de pentaminas se ha preparado con los espaciadores aromáticos
piridina (Py), meta-benceno (mB), para-benceno (pB) y fenantrolina
(Phen). La serie de hexaminas presenta únicamente dos espaciadores
aromáticos distintos, piridina (Py) y meta-benceno (mB).
- El tamaño de la cavidad macrocíclica, que oscila entre los 20
átomos del receptor de menor tamaño, Py3223, y los 25 átomos del
receptor de mayor tamaño, Py33233.
3.2.- Síntesis y caracterización de los receptores de cadena
abierta
La síntesis de los receptores 3223 y 32223 consta de cuatro etapas, que se
detallan en la Figura 3.3 para el receptor 32223. Entre los métodos84,85 que
permiten la introducción de dos grupos propilo en una poliamina, se ha
elegido el descrito por Gampp y colaboradores7. En la primera etapa, se
protegen los grupos amino con grupos tosilo porque las politosilamidas,
resultan muy útiles por su tendencia a cristalizar en EtOH. Posteriormente,
se realiza el alargamiento de la cadena según los siguientes pasos:
1. Tosilación de la poliamina comercial con cloruro de p-toluensulfonilo.
2. Alargamiento de la cadena poliamínica por ataque nucleofílico de N-(3-
bromopropil)ftalimida.
3. Hidrólisis de los grupos ftalimida, para la obtención de la poliamina
parcialmente tosilada.
4. Detosilación de los nitrogenos centrales.
84 B. Dietrich, M. W. Hosseini, J. M. Lehn, R. B. Sessions., Helv. Chim. Acta. 1983, 66, 1262. 85 H. Gampp, D. Haspra, M. Maeder, A. D. Zuberbuehler, Inorg Chem. 1984, 23, 3724..
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 57
Figura 3.3. Ruta sintética del receptor 32223
(1) Tosilación de poliaminas
Se suspende THF (400 mL) en agitación con la poliamina libre (10 g, 96.9
mmol) y K2CO3 (53.6 g, 387.7 mmol) disuelto en agua (100 mL). Sobre esta
mezcla se adiciona gota a gota, cloruro de tosilo (55.4 g, 290 mmol) disuelto
en THF (100 mL). Se mantiene la agitación durante 24 horas tras las cuales
la mezcla se filtra y concentra. El sólido obtenido se lava con EtOH en
caliente.
Los resultados obtenidos son los siguientes:
EtOHReflujo
(H2N)2·H2O
2
K2CO3 / CH3CNReflujo
THF / H2O
K2CO3
PhOH
HBr / AcOHReflujo
(1)(2)
(3)(4)
N
O
O
Br
N
N
N
NTs
H
Ts
Ts
TsH
+ 4 TsCl
Ts
Ts
Ts
Ts
6HBr
Ts
Ts
Ts
N
O
O N
N
N
NN
O
O
TsH
H2
N
N
N
N
L6 32223
H
H
H
2
N
N
N
NH2N
H2N
N
N
N
NH2N
H2NH
H
H
6HBr
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 58
1,4,7-tris(p-toluensulfonil)-1,4,7-triazaheptano
Rto: 60%
p. f.: 165-167 ºC
C25H31N3S3O6 ; P. M. (g/mol): 565.73
EM(FAB): m/z = 567 [M+H]+
1H RMN (CDCl3): δ = 2.49 (s, 9H), 3.01-3.47 (m, 8H), 7.25-7.40 (m, 6H),
7.62 (d, J = 8 Hz, 2H), 7.76 (d, J = 8 Hz, 4H) ppm. 13C RMN (CDCl3): δ = 21.8, 27.9, 42.7, 50.8, 127.6, 127.8, 130.3, 130.5,
135.2, 137.1, 144.1, 144.6 ppm.
1,4,7,10-tetrakis(p - toluensulfonil)-1,4,7,10-tetraazahexadecano
Rto: 65%
p. f.: 215-217 ºC
C34H42N4S4O8 ; P. M. (g/mol): 762.99
EM(FAB): m/z = 764 [M+H]+
1H RMN (CDCl3): δ = 2.42 (s, 6H), 2.45 (s, 6H), 3.15 (t, J = 5 Hz, 4H), 3.22
(t, J = 5 Hz, 4H), 5.46 (t, J = 6 Hz, 4H), 7.30 (d, J = 8 Hz, 4H), 7.34 (d, J = 8
Hz, 4H), 7.72 (d, J = 8 Hz, 4H), 7.75 (d, J = 8 Hz, 4H) ppm. 13C RMN (CDCl3): δ = 21.5, 43.7, 50.9, 127.1, 127.4, 128.4, 129.8, 129.9,
131.1, 133.6, 134.6 ppm.
HN N NHTs TsTs
TsH
TsTs TsN NHN N
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 59
(2) Reacción de N-(3-bromopropil)ftalimida
La poliamina tosilada 1 (18 g, 31.8 mmol) y K2CO3 (35.2 g, 254.5 mmol) se
suspende a reflujo en CH3CN (150 mL). Sobre esta mezcla se adiciona gota
a gota N-(3-bromopropil)ftalimida (17 g, 63.6 mmol) disuelta en CH3CN
(150 mL). Finalizada la adición, la mezcla se mantiene a reflujo durante 48
horas tras las cuales se filtra y concentra. El producto obtenido se disuelve
en EtOH y se mantiene a reflujo durante 4 horas. Al enfriar la mezcla, el
producto deseado precipita como un sólido blanco que se filtra y lava con
EtOH repetidas veces.
1,13-Ftalimido-4,7,10-tris(p- toluensulfonil)-4,7,10-triazatridecano
NN
O
O
N
O
O
N
N
Ts
Ts
Ts
Rto: 46%
p. f.: 150-152 ºC
C47H49N5S3O10 ; P. M. (g/mol): 940.13
EM(FAB): m/z = 941 [M+H]+
1H RMN (CDCl3): δ = 1,86-2.01 (m, 4H), 2.40 (s, 3H), 2.44 (s, 6H), 3.19 (t,
J = 7 Hz, 4H), 3.25-3.3 (m, 4H), 3.37-3.42 (m, 4H), 3.69 (t, J = 7 Hz, 4H),
7.27 (d, J = 7 Hz, 4H), 7.66-7.80 (m, 14H) ppm. 13C RMN (CDCl3): δ = 21.7, 21.8, 27.9, 35.7, 48.2, 48.6, 50.2, 123.4, 127.5,
127.7, 130.1, 130.2, 134.1, 135.5, 135.6, 143.8, 143.9, 168.5 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 60
1,16-Ftalimido-4,7,10,13-tetrakis(p-toluensulfonil)-4,7,10,13-
tetraazahexadecano
Ts
N
O
O N
N
N
NN
O
O
Ts
Ts
Ts
Rto: 82%
p. f.: 262-264 ºC
C56H60N6S4O12 ; P. M. (g/mol): 1137.39
EM(FAB): m/z = 1139 [M+H]+
1H RMN (CDCl3): δ = 1,89-1,96 (m, 4H), 2.40 (s, 6H), 2.41 (s, 6H), 3.17 (t,
J = 7 Hz, 4H), 3.30 (s, 4H), 3.32-3.40 (m, 8H), 3.72 (t, J = 7 Hz, 4H), 7.27-
7.30 (m, 8H), 7.76-7.80 (m, 16H) ppm. 13C RMN (CDCl3): δ = 21.8, 28.0, 35.7, 48.4, 48.8, 49.7, 50.2, 127.6, 127.8,
130.1, 132.4, 134.1, 135.1, 135.5, 143.8, 143.9, 168.5 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 61
(3) Eliminación de la ftalimida
Una mezcla de la ftalimido poliamina 2 (8 g, 8.5 mmol) y monohidrato de
hidrazina (3.7 mL, 85%) se mantiene en reflujo de EtOH (300 mL) durante
24 h. Se deja enfriar la mezcla hasta la completa precipitación del producto
secundario de la reacción de hidrólisis, ftalhidrazida, que se filtra. El líquido
se concentra en el rotavapor previa adición de 50 mL de H2O, para que la
hidrazina forme azeótropo con el agua (la hidrazina se descompone
produciendo vapores amoniacales, hidrógeno y oxidos de nitrógeno,
causando peligro de incendio y explosión).
4,7,10-tris(p-toluensulfonil)-4,7,10-triazatridecano-1, 13-diamina
NTs
H2N
N Ts
NTs
H2N
Rto: 86%
p.f.: 55-57 ºC.
C31H45N5S3O6 ; P. M. (g/mol): 679.92
EM(FAB): m/z = 681 [M+H]+
1H RMN (CDCl3): δ = 1,63-1,76 (m, 4H), 2.39 (s, 6H), 2.42 (s, 3H), 2.72 (t,
J = 7 Hz, 4H), 3.15 (t, J=7 Hz, 4H), 3.22-3.25 (m, 4H), 3.30-3.33 (m, 4H),
7.27-7.32 (m, 6H), 7.66-7.70 (m, 6H) ppm. 13C RMN (CDCl3): δ = 21.3, 21.7, 32.0, 38.9, 47.8, 48.5, 50.1, 127.5, 127.6,
130.1, 130.2, 135.5, 135.7, 143.8, 144.1 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 62
4,7,10,13-tetrakis(p-toluensulfonil)-4,7,10,13-tetraazahexadecano-1,16-
diamina
H2N
N
N
N
N
H2N
Ts
Ts
Ts
Ts
Rto: 75%
p. f.: 145-147 ºC
C40H56N6S4O8 ; P. M. (g/mol): 877.11
EM(FAB): m/z = 878 [M+H]+
1H RMN (CDCl3): δ = 1,65-1,69 (m, 4H), 2.40 (s, 6H), 2.42 (s, 6H), 2.71 (t,
J = 7 Hz, 4H), 3.15 (t, J = 7 Hz, 4H), 3.28-3.32 (m, 12H), 7.29 (d, J = 8 Hz,
4H), 7.32 (d, J = 8 Hz, 4H), 7.71 (d, J = 8 Hz, 4H ), 7.72 (d, J = 8 Hz, 4H)
ppm. 13C RMN (CDCl3): δ = 21.9, 22.0, 32.3, 39.1, 47.9, 48.6, 50.0, 50.4, 127.7,
127.8, 130.3, 130.4, 135.3, 135.7, 143.9, 144.3 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 63
(4) Eliminación de los grupos tosilo. (Detosilación)
La cadena poliamínica parcialmente tosilada 3 (3 g, 14.4 mmol) y PhOH
(15.8 g, 168.1 mmol) se disuelven en HBr/CH3COOH (165 mL, 67/33 v/v).
La mezcla se mantiene a reflujo 22 h tras las cuales, el sólido resultante se
filtra y lava con CH2Cl2 y EtOH.
L1•5HBr : 4,7,10-triazatridecano-1,13-diamina pentabromohidrato
3223
NH2N H
H
H 5HBrN
NH2N
Rto: 75%
p. f.: 270-272 ºC
P. M. (g/mol): 621.92
Análisis elemental para C10H27N5•5HBr:
Calculado: C, 19.31; H, 5.19; N, 11.26.
Encontrado: C, 19.19; H, 5.08; N, 11.39.
1H RMN (D2O): δ = 1.94-2.05 (m, 4H), 2.99 (t, J = 8 Hz, 4H), 3.13 (t, J = 8
Hz, 4H), 3.38-3.42 (m, 8H) ppm. 13C RMN (D2O): δ = 23.9, 36.7, 43.2, 43.6, 45.4 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 64
L6•6HBr:4,7,10,13-tetraazahexadecane-1,16-diamina hexabromohidrato
32223
6HBr
H2N
N
N
N
N
H2N
H
H
H
H
Rto: 61%
p. f.: 258-260 ºC
P. M. (g/mol): 745.93
Análisis elemental para C12H32N6•6HBr:
Calculado: C, 19.32; H, 5.13; N, 11.26.
Encontrado: C, 19.38; H, 5.37; N, 11.39.
1H RMN (D2O): δ = 1.97-2.05 (m, 4H), 2.98 (t, J = 8 Hz, 4H), 3.12 (t, J = 8
Hz, 4H), 3.35-3.42 (m, 8H), 3.46 (s, 4H) ppm. 13C RMN (D2O): δ = 23.9, 36.6, 43.3, 43.6, 43.8, 45.3 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 65
3.3.- Procedimientos de síntesis para los receptores
macrocíclicos
La síntesis de receptores poliamínicos cíclicos requiere, para obtener un
rendimiento adecuado, un estricto cuidado sobre las condiciones de la
reacción de cierre de ciclo. Entre otros factores, evitar la presencia de agua
en el medio de reacción, la dilución ó la adición de un catión metálico, que
pueden influir notablemente en el rendimiento final de la misma. Los
métodos descritos para la síntesis de este tipo de receptores son muchos dada
la amplia variedad de compuestos que se han sintetizado en los últimos años.
De entre ellos, dos son las estrategias sintéticas más utilizadas para la
obtención de los mismos:
1. Las reacciones asistidas por iones metálicos.
2. Ciclación de Richman-Atkins.
3.3.1.- Síntesis asistida por metales
Desarrollada por M. C. Thompson y N. F. Curtis en los años 60,86,87 el cierre
del ciclo tiene lugar por el efecto plantilla (template effect). Para facilitar la
reacción de ciclación, se aprovecha la preorganización que produce en una
poliamina lineal la coordinación con un catión metálico, generalmente Cu2+
o Ni2+.
86 M. C. Thompson, D. H. Busch, J. Am. Chem. Soc. 1954, 86, 3651. 87 N. F. Curtis, Y. M. Curtis, H. K. J. Powell, J. Chem. Soc. 1966, 1015.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 66
N N
N N
(CN)-
+ 2H2O
+2 +2
+2
-2+ [Ni(CN)4]
H2
Ni
N N
NN
Ni
N N
NN
N N
NN
Ni HC
O
C
O
H
H
H H
H H
H
H
H
H
H
HH
Figura 3.4. Ejemplo de utilización del efecto plantilla
3.3.2.- Ciclación de Richman-Atkins
Este método se realiza en dos etapas y está basado en la síntesis desarrollada
por J. E. Richman y T. J. Atkins88 a partir de los trabajos iniciales de H.
Koyama y T. Yoshino.89
N N
NN
N N
NN
N
N NH
NH DMF N
N N
N
Na
Na
DMF, 110ºC X X
NaOH
H2O
H2SO4
100ºC
2EtO Na
X=OTs, Cl, Br
Ts
Ts
Ts
Ts
TsTs
Ts Ts
Ts
Ts
Ts
TsHH
HH
Figura 3.5. Esquema del procedimiento de síntesis de Richman-Atkins
88 J. E. Richman, T. J. Atkins, J. Am. Chem. Soc. 1974, 96, 2268. 89 H. Koyama, T. Yoshino, Bull. Chem. Soc. Jpn. 1972, 42, 481.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 67
Basada en la reacción de sustitución nucleofílica que se describe en la
Figura 3.5, se sintetiza la sal disódica de una poliamina lineal N-tosilada,
por reacción con etóxido sódico en dimetilformamida. A continuación se le
hace reaccionar con un espaciador cuyos extremos se han funcionalizado con
buenos grupos salientes como cloro, bromo o grupos tosilato.
La siguiente etapa es la eliminación de los grupos tosilo, para obtener los
ligandos en forma de amina libre. Se debe romper el enlace N-S, de gran
fortaleza, lo que requiere condiciones muy enérgicas. El uso de H2SO4
concentrado90 o Li-NH391 se encuentran entre los métodos de reducción de
poliaminas tosiladas más empleados.
3.4.- Síntesis y caracterización de los receptores
macrocíclicos
3.4.1.- Introducción
El procedimiento de síntesis de Richman-Atkins ha sido el método elegido
para la síntesis del los receptores cíclicos Py3223, mB3223, pB3223,
Phen3223, Py22222, Py33233, Py32223 y mB32223, que se describe a
continuación en la Figura 3.6, para el receptor Py3223. Con el objeto de
mejorar los rendimientos de la síntesis y adecuar las condiciones de la
reacción para la introducción de espaciadores aromáticos en la estructura de
receptores, se han desarrollado modificaciones del trabajo original92,93.
90 B. K. Vriesema, J. Buter, R. M. Kellogg, J. Org. Chem. 1984, 49, 110. 91 J. M. Lehn, F. Montavon, Helv. Chim. Acta. 1976, 59, 1566. 92 B. L. Shaw, J. Am. Chem. Soc. 1975, 97, 3856. 93 F. Chavez, A. D. Sherry, J. Org. Chem. 1989, 54, 2990.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 68
Entre ellas, las realizadas para la familia de los p-benzociclofanos94,95 con el
uso de acetonitrilo como disolvente y K2CO3, y que han sido definitivas para
la posterior aplicación a otros casos como fenantrolinociclofanos96, m-
benzociclofanos97 y piridinociclofanos98.
Figura 3.6. Esquema del procedimiento general de síntesis del receptor Py3223
En la primera etapa, se protegen los grupos amino con grupos tosilo con el
objetivo de:
1. Aumentar la nucleofilia de los nitrógenos terminales. Al proteger con
grupos electrofílicos obtenemos nitrógenos terminales desprotonables con
mayor facilidad.
94 A. Andrés, M. I. Burguete, E. García-España, S. V. Luis, J. F. Miravet, C. Soriano, J. Chem. Soc., Perkin Trans.2. 1993, 749.
95 A. Bencini, M. I. Burguete, E. García-España, S. V. Luis, J. F. Miravet, C. Soriano, J. Org. Chem. 1993, 58, 4749.
96 C. Bazzizalupi, A. Bencini, V. Fusi, C. Giorgi, P. Paoletti, B. Valtancoli, Inorg Chem.1998, 37, 941.
97 J. Aguilar, A. B. Descalzo, P. Díaz, V. Fusi, E. García-España, S. V. Luis, M. Micheloni, J. A. Ramirez, P. Romani, C. Soriano, J. Chem. Soc., Perkin Trans.2. 2000, 1187.
98 P. Díaz, M. G. Basallote, M. A Mañez, E. García-España, L. Gil, J. Latorre, C. Soriano, B. Verdejo, S. V. Luis, Dalton Trans. 2003, 1186.
CH3CN / CH2Cl2
K2CO3
NBr Br N
NN
N
NN
Ts
Ts
Ts
Ts Ts
TsTs TsTsTsN N NHN NH
N
NN
N
N
NH
H
H
H
H
6 HBr
PhOH
HBr / CH3COOH(reflujo)
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 69
2. Anular la reactividad química de los grupos amino secundarios,
garantizando así el ataque nucleofílico en los nitrógenos terminales.
3. Generar en la cadena poliamínica una conformación adecuada para que
tenga lugar la reacción de cierre de ciclo. La presencia de grupos
voluminosos, como el tosilo, obliga a la cadena lineal a adoptar una
conformación que facilita la reacción de ciclación.
4. Facilitar la purificación de los productos intermedios. Las politosilamidas
resultan muy útiles por su tendencia a cristalizar en EtOH.
De la experiencia en el laboratorio, podemos concluir que en este tipo de
reacciones es primordial trabajar en condiciones anhidras. El agua compite
con el nitrógeno terminal por el ataque nucleofílico sobre el espaciador. Para
evitar la presencia de agua en el medio de reacción en la etapa de ciclación,
se toman las siguientes medidas:
- Se introduce en estufa a 100 ºC todo el material de vidrio, 24
horas antes del comienzo de la reacción.
- El acetonitrilo, disolvente de la reacción, se conserva
anhidro con tamiz molecular.
- Se trabaja en atmósfera de N2. Se adiciona al medio de
reacción un exceso de K2CO3, de manera que se garantiza la
neutralización de protones en el medio de la reacción.
En ocasiones, la aplicación de condiciones drásticas para la eliminación del
grupo tosilo lleva algunas veces a la ruptura del macrociclo. El método
utilizado99 para la detosilación de los macrociclos que componen este trabajo
es el uso de HBr/CH3COOH en presencia de fenol. Los receptores mB3223,
99 H. R. Snyder, R. E Heckert. J. Am. Chem. Soc. 1952, 74, 2006.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 70
Py33233, mB32223 y pB3223, se obtuvieron como mezclas de ligando
macrocíclico y ligando abierto y fueron purificados por cromatografia en
columna.
La búsqueda de nuevas especies protectoras de grupos amino en los
receptores macrociclos, continúa centrándose en grupos que no requieran
condiciones tan drásticas para su eliminación como es el caso de grupos
protectores tipo [(Dep)-Dietóxifosforil)]100,101,102,103 o [(SES)-Sulfonamidas].
Durante el trabajo de síntesis, se realizaron diferentes pruebas utilizando
dietóxifosforil como grupo protector. Los rendimientos obtenidos en todas
ellas, fueron tan bajos que se optó por seguir protegiendo a las poliaminas
con grupos tosilo y realizando a continuación la desprotección tal y como se
ha descrito con anterioridad.
100 A. P. King, C. G. Krespan; J. Org. Chem. 1974, 39, 1315. 101 A. Zwierzak, J.Brylikowska-Piotrowiez. Angew.Chem. Int. Ed. Engl. 1977, 16, 107. 102 L. Qian, Z. Sun, M. P. Mertes, K. B. Mertes. J. Org. Chem. 1991, 56, 4904. 103 A. Chellini, R. Pagliarin, G. B. Giovenzana, G. Palmisano, M. Sisti. Helv. Chim. Acta. 2000, 83,
793.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 71
3.4.2.- Procedimiento de síntesis y caracterización de los
receptores macrocíclicos
El procedimiento general de síntesis y la caracterización de los receptores
macrocíclicos Py3223, mB3223, pB3223, Phen3223, Py22222, Py33233,
Py32223 y mB32223 se detalla a continuación:
Etapa de Ciclación:
Se suspende a reflujo de CH3CN (85 mL) la amina tosilada 1, 5, 8, 11, 15-
pentakis (p-tolilsulfonil)-1, 5, 8, 11, 15-pentaazapentadecano (3.7 g, 3.8
mmol) y K2CO3 (5.2 g, 37.7 mmol). Sobre esta mezcla agitada
adecuadamente se adiciona gota a gota 2, 6-bis(bromometil)piridina (1 g, 3.8
mmol) en una mezcla CH3CN:CH2Cl2 (125 mL, 1:1). Finalizada la adición,
la mezcla se mantiene a reflujo 24h, tras las cuales se filtra para eliminar el
K2CO3 y se concentra a sequedad. El producto obtenido se purifica con un
lavado de etanol en caliente para obtener el macrociclo tosilado.
CH3CN / CH2Cl2
K2CO3
NBr Br N
NN
N
N
N
Ts
Ts
Ts
Ts Ts
TsTs TsTsTsN N NHN NH
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 72
Etapa de detosilación:
Los grupos tosilo de Py3223Ts (2 g, 1.8 mmol), se eliminan mediante un
tratamiento reductivo a 90 ºC durante 22 h, con una mezcla de
HBr/CH3COOH (195 mL, 67/33 v/v) y PhOH (3.5 g, 37.2 mmol). A
continuación se filtra y lava con unas gotas de EtOH/CH2Cl2 y éter dietílico
y se introduce en la estufa de vacío hasta secar completamente el sólido
resultante.
Los ligandos mB3223, Py33233, mB32223 y pB3223, se obtuvieron como
mezclas de ligando macrocíclico y ligando abierto y fueron purificados. En
primer lugar, se pasan a través de una resina de intercambio iónico
(Amberlite IRA 402), para obtenerlos en forma de amina libre. A
continuación, se purifican por cromatografía en columna de alúmina neutra,
utilizando como eluyente MeOH para mB3223 y pB3223 y una mezcla
amoníaco:metanol (8:2) para los receptores Py33233, mB32223.
HBr / AcOHReflujo
PhOHN
NN
N
N
N
Ts
Ts
Ts
Ts Ts H
H
H
H
H
N
NN
N
N
N6 HBr
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 73
L2 - 5Ts : 2,6,9,12,16-pentakis(p-tolilsulfonil)-2,6,9,12,16-pentaaza[17]-
2,6-piridinofano
Py3223Ts
TsTs
Ts
Ts
Ts
N
NN
N
N
N
Rto: 49%
p. f.: 208-210 ºC
C52H62N6S5O10 ; P. M. (g/mol): 1091.42
EM(FAB): m/z = 1091 [M]+
1H RMN (CDCl3): δ = 1,69-1,84 (m, 4H), 2.42 (s, 12H), 2.45 (s, 3H), 3.01
(t, J = 8 Hz, 4H), 3.06 (t, J = 8 Hz, 4H), 3.23 (t, J = 8 Hz, 4H), 3.36 (t, J = 8
Hz, 4H), 4.32(s, 4H), 7.27 (d , J = 8 Hz, 2H), 7.31(d, J = 8 Hz, 8H), 7.33 (d,
J = 8 Hz, 2H), 7.49 (t, J = 8 Hz, 1H), 7.59 (d, J = 8 Hz, 4H), 7.65 (d, J = 8
Hz, 4H), 7.68(d, J = 8 Hz, 2H) ppm. 13C RMN (CDCl3): δ = 21.7, 28.8, 48.4, 48.5, 48.7, 49.6, 55.3, 121.5,127.2,
127.6, 130.0, 130.1,135.0, 137.8, 143.7, 143.8, 157.2 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 74
L2•6HBr:
2,6,9,12,16-pentaaza[17]-(2,6)-piridinofano hexabromohidrato
Py3223
N
NN
N
N
N
H
H
H
H
H
6HBr
Rto: 70 %
p.f.: 290-292 ºC
P. M. (g/mol): 841.8
Análisis elemental para C17H32N6•6HBr•2H2O:
Calculado:C, 24.25; H, 5.03; N, 9.98.
Encontrado: C, 24.19; H, 5.18; N, 9.78.
1H RMN (D2O): δ =2.25 (m, 4H), 3.32 (t, J = 6 Hz, 4H), 3.40 (t, J = 6 Hz,
4H), 3.55 (m, 8H), 4.37 (s, 4H), 7.33 (d, J = 8 Hz, 2H) 7.8 (t, J = 8 Hz,1H)
ppm. 13C RMN (D2O): δ = 22.8, 42.2, 42.6, 44.2, 44.9, 51.4, 123.1, 139.4, 150.7
ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 75
L3 - 6Ts : 2,5,8,11,14,17-hexakis (p-tolilsulfonil) - 2,5,8,11,14,17 - hexaaza
[18] (2,6)-piridinofano
Py22222Ts
NN N
N N
N N
Ts
Ts Ts
Ts
TsTs
Rto: 10%
p. f.: 248-250 ºC
C59H69N7S6O12 ; P. M. (g/mol): 1260.9
EM(FAB): m/z = 1260 [M]+
1H RMN (CDCl3): δ = 2.41 (s, 12H), 2.44 (s, 6H), 3.04-3.52 (m, 20H), 4.30
(s, 4H), 7.19 (d, J = 8 Hz, 2H), 7.19-7.47 (m, 12H), 7.56 (t, J = 8 Hz,
1H),7.59-7.91 (m, 12H) ppm. 13C RMN (CDCl3): δ = 21.6, 21.7, 48.5, 49.3, 50.0, 50.5, 50.6, 124.2, 127.2,
127.4, 127.5, 127.6, 127.7, 127.8, 127.9, 129.7, 129.9, 130.0, 130.1, 130.2,
139.9, 150.1 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 76
L3•7HBr:
2,5,8,11,17-hexaaza[18]-(2,6)-piridinofano heptabromohidrato
Py22222
NN N
N N
N N
H
H
H
H
H H
7 HBr
Rto: 52 %
p. f.: 166-168 ºC
P. M. (g/mol): 901.1
Análisis elemental para C17H33N7•7HBr:
Calculado: C, 22.64; H, 4.47; N, 10.87.
Encontrado: C, 22.58; H, 5.04; N, 10.29.
1H RMN (D2O): δ = 3.03 (s, 4H), 3.10-3.21 (m, 8H), 3.25-3.43 (m, 4H),
3.43-3.6 (m, 4H), 4.43 (s, 4H), 7.36 (d, J = 8 Hz, 2H), 7.72 (t, J = 8 Hz, 1H)
ppm. 13C RMN (D2O): δ = 44.0, 44.1, 47.4, 47.5, 51.1, 123.0, 139.9, 150.0 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 77
L4 - 5Ts : 2,6,9,12,16-pentakis(p-tolilsulfonil)-2,6,9,12,16-pentaaza[17]
metabenzociclofano
mB3223Ts
N
NN
N
N
Ts
Ts
Ts
Ts
Ts
Rto: 38%
p.f.: 108-110 ºC
C53H63N5S5O10 ; P. M. (g/mol): 1090.1
EM(FAB): m/z = 1090 [M]+
1H RMN (CDCl3): δ = 1,74-1,76 (m, 4H), 2.42 (s, 6H), 2.44 (s, 6H), 2.46 (s,
3H), 3.03-3.09 (m, 8H), 3.18 (t, J = 8 Hz, 4H), 3.28 (t, J = 8 Hz, 4H), 4.25
(s, 4H), 7.26 (d, J = 8 Hz, 4H), 7.29 (d, J = 8 Hz, 4H), 7.33 (d, J = 8 Hz,
2H), 7.34-7.37 (m, 3H), 7.48 (s, 1H), 7.62 (d, J = 8 Hz, 4H), 7.69 (d, J = 8
Hz, 4H), 7.75 (d, J = 8 Hz, 2H) ppm. 13C RMN (CDCl3): δ = 19.1, 26.9, 45.8, 46.2, 46.4, 47.2, 51.5, 124.8, 125.1,
127.5, 127.6, 132.4, 133.5, 133.8, 134.6, 135.7, 141.2 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 78
L4•5HCl:
2,6,9,12,16-pentaaza[17]-metabenzociclofano pentaclorohidrato
mB3223
N
NN
N
N
5HCl
H
HH
HH
Rto: 35 %
p. f.: 185-187 ºC
P. M. (g/mol): 555.8
Análisis elemental para C18H33N5•5HCl•3H2O:
Calculado: C, 38.89; H, 7.98; N, 12.6.
Encontrado: C, 39.0; H, 8.01; N, 12.65.
1H RMN (D2O): δ = 1.88-1.92 (m, 4H), 2.95-2.98 (m, 8H), 3.22 (s, 8H),
4.04 (s, 4H), 7.28 (m, 3H), 7.37 (s, 1H) ppm. 13C RMN (D2O): δ = 23.2, 43.9, 44.1, 44.4, 44.9, 51.1, 130.5, 131.3, 131.6,
132.8 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 79
L5 - 6Ts : 2,6,10,13,17,21-hexakis(p-tolilsulfonil)-2,6,10,13,17,21-hexaaza
[22]-(2,6)-piridinofano
Py33233Ts
NN N
N N
N NTs Ts
Ts
TsTs
Ts
Rto: 56%
p.f.: 97-99 ºC
C63H77N7S6O12 ; P. M. (g/mol): 1316.73
EM(FAB): m/z = 1317 [M]+
1H RMN (CDCl3): δ = 1.68-1.79 (m, 8H), 2.38 (s, 6H), 2.41 (s, 6H), 2.44 (s,
6H), 2.94-3.01 (m, 8H), 3.05 (t, J = 7 Hz, 4H), 3.21 (t, J = 7 Hz, 4H), 3.27 (s,
4H), 4.33 (s, 4H), 7.24-7.33 (m, 14H), 7.55-7.70 (m, 13H) ppm. 13C RMN (CDCl3): δ = 21.3, 21.7, 29.1, 29.4, 47.6, 48.0, 48.3, 48.9, 54.2,
122.0, 127.3, 127.5, 127.7, 129.9, 130.1, 135.1, 135.6, 143.7, 143.8 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 80
L5•6HCl:
2,6,10,13,17,21-hexaaza[22]-(2,6)-piridinofano hexaclorohidrato
Py33233
NN N
N N
N N
H
H H
H
HH
6HCl
Rto: 60 %
p. f.: 260-262 °C
P. M. (g/mol): 664.42
Análisis elemental para C21H41N7•6HCl•3H2O:
Calculado: C, 37.96; H, 8.04; N, 14.76.
Encontrado: C, 38.58; H, 7.78; N, 14.59.
1H RMN (D2O): δ = 2.05–2.15 (m, 4H,), 2.15–2.26 (m, 4H,), 3.14–3.26 (m,
16H), 3.46 (s, 4H), 4.36 (s, 4H), 7.34 (d, J = 8 Hz, 2H), 7.81 (t, J = 8 Hz,
1H) ppm. 13C RMN (D2O): δ = 22.7, 43.9, 44.4, 45.0, 45.2, 51.3, 123.1, 139.6, 150.8
ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 81
L7 - 6Ts : 2,6,9,12,15,19-hexakis(p-tolilsulfonil)-2,6,9,12,15,19-hexaaza
[20]-2,6-piridinofano
Py32223Ts
NN N
N N
N N
Ts
Ts Ts
Ts
TsTs
Rto: 80%
p.f.:125-127 °C
C61H73N7S6O12 ; P. M. (g/mol): 1288.69
EM(FAB): m/z = 1289 [M]+
1H RMN (CDCl3): δ = 1.69-1.74 (m, 4H), 2.34 (s, 6H), 2.37 (s, 12H), 2.94
(t, J = 7 Hz, 4H), 3.02-3.17 (m, 12H), 3.27 (s, 4H), 4.23 (s, 4H), 7.22-7.35
(m, 14H), 7.61-7.72 (m, 13H) ppm. 13C RMN (CDCl3): δ = 21.9, 28.8, 47.9, 48.6, 49.1, 50.4, 50.6, 55.0, 121.4,
127.6, 127.7, 127.8, 128.0, 130.1, 130.2, 130.3, 135.4, 135.5, 136.4, 143.8,
144.0, 144.2, 157.1 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 82
L7•6HBr:
2,6,9,12,15,19-hexaaza[20]-(2,6)-piridinofano hexabromohidrato
Py32223
NN N
N N
N N
H
H
H
H H
H
6HBr
Rto: 82 %
p. f.: 180-182 ºC
P. M. (g/mol): 867.07
Análisis elemental para C19H37N7•6HBr•H2O:
Calculado: C, 26.32; H, 5.23; N, 11.31.
Encontrado: C, 26.44; H, 5.68; N, 11.31.
1H RMN (D2O): δ = 2.22-2.32 (m, 4H), 3.26-3.34 (m, 8H), 3.46-3.48 (m,
8H), 3.5 (s, 4H), 4.38 (s, 4H), 7.35 (d, J = 8 Hz, 2H), 7.8 (t, J = 8 Hz, 1H)
ppm. 13C RMN (D2O): δ = 22.8, 42.7, 43.0, 43.2, 44.6, 44.8, 51.2, 123.2, 139.5,
150.7 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 83
L8 - 6Ts : 2,6,9,12,15,19-hexakis(p-tolilsulfonil)-2,6,9,12,15,19-hexaaza
[20]-metabenzociclofano
mB32223Ts
N N
N N
N N
Ts
Ts
Ts Ts
Ts
Ts
Rto: 88%
p.f.: 122-124 °C
C62H74N6S6O12 ; P. M. (g/mol): 1287.69 g/mol
EM(FAB): m/z = 1287 [M]+
1H RMN (CDCl3): δ = 1.65-1.69 (m, 4H), 2.39 (s, 6H), 2.43 (s, 12H), 2.98
(t, J = 7 Hz, 4H), 3.12-3.20 (m, 12H), 3.27 (s, 4H), 4.25 (s, 4H), 7.25-7.36
(m, 16H), 7.60 (d, J = 8 Hz, 4H), 7.66 (d, J= 8 Hz, 4H), 7.73 (d, J=8 Hz, 4H)
ppm. 13C RMN (CDCl3): δ = 22.0, 29.0, 47.6, 48.5, 49.2, 49.7, 50.2, 50.4, 53.5,
127.3, 127.6, 127.7, 127.8, 128.0, 128.1, 130.2, 130.3, 135.4, 135.5, 136.4,
136.6, 137.0, 143.7 143.8, 144.0, 144.2 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 84
L8•6HCl:
2,6,9,12,15,19-hexaaza[20]-metabenzociclofano hexaclorohidrato
mB32223
N N
N N
N N
6HCl
H
H H
H
HH
Rto: 18 %
p. f.: 229-231ºC
P. M. (g/mol): 617.36
Análisis elemental para C20H38N6•6HCl•2H2O:
Calculado: C, 38.91; H, 7.84; N, 13.61.
Encontrado: C, 38.6; H, 7.66; N, 13.09.
1H RMN (D2O): δ = 2.15-2.25 (m, 4H), 3.23 (t, J = 7 Hz, 4H), 3.32 (t, J = 7
Hz, 4H), 3.44-3.48 (m, 12H), 4.31 (s, 4H), 7.53 (m, 3H), 7.61 (s,1H) ppm. 13C RMN (D2O): δ = 22.8, 43.2, 43.7, 43.8, 44.8, 50.9, 130.7, 131.4, 131.6,
132.3 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 85
L9 - 5Ts : 2,6,9,12,16-pentakis(p-tolilsulfonil)-2,6,9,12,16-pentaaza[17]
parabenzociclofano
pB3223Ts
NN
N
NNTs
TsTs
Ts
Ts
Rto: 67%
p.f.: 187-189 ºC
C52H62N6S5O10 ; P. M. (g/mol): 1090.44
EM(FAB): m/z = 1089 [M-H]+
1H RMN (CDCl3): δ = 1.57-1.63 (m, 4H), 2.42 (s, 12H), 2.45 (s, 3H), 3.01-
3.11 (m, 16H), 4.19 (s, 4H), 7.17 (s, J = 8 Hz, 4H), 7.29 (d, J = 8 Hz, 8H),
7.33(d, J = 8 Hz, 2H), 7.63 (d, J = 8 Hz, 8H), 7.72 (d, J = 8 Hz, 2H) ppm. 13C RMN (CDCl3): δ = 19.2, 26.8, 45.4, 46.2, 46.6, 48.0, 51.2, 126.6, 126.7,
127.6, 129.2, 129.3, 129.4, 134.4, 135.1, 135.8, 143.0, 143.1 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 86
L9•5HCl:
2,6,9,12,16-pentaaza[17]-parabenzociclofano pentaclorohidrato
pB3223
5HCl N
NN
NN
H
H
HH
H
Rto: 20 %
p. f. : 248-250 ºC
P. M. (g/mol): 555.84
Análisis elemental para C18H33N5•5HCl•3H2O:
Calculado C, 38.89; H, 7.98; N, 12.6.
Encontrado: C, 39.35; H, 8.31; N, 12.61.
1H RMN (D2O): δ = 1.79-1.83 (m, 4H), 2.77-2.80 (m, 4H), 2.86-2.96 (m,
12H), 4.14 (s, 4H), 7.48-7.53 (m, 4H) ppm. 13C RMN (D2O): δ = 23.2, 43.1, 44.6, 45.2, 50.6, 131.4, 131.6 ppm.
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 87
L10•5HBr:
2,6,9,12,16-pentaaza[17]-(16,29)-fenantrociclofano pentabromohidrato
La síntesis del receptor Phen3223104 se ha llevado a cabo por un
procedimiento distinto al del resto de los receptores. La ruta sintética
consiste en una reacción de condensación entre la poliamina 3223
parcialmente tosilada y 2, 9-dicarboxaldehido de la 1, 10-fenantrolina para
obtener la imina correspondiente. A continuación se realiza la reducción del
enlace imínico con NaBH4. La eliminación de los grupos tosilo se realiza
con una mezcla de HBr/CH3COOH y PhOH tal y como se ha descrito con
anterioridad.
Phen3223
5 HBr
NN
NN
NN
N
HH
H HH
Rto: 44 %
p. f.: 260-262 ºC
P. M. (g/mol): 826.176
Análisis elemental para C24H40N7•5HBr:
Calculado: C, 34.89; H, 4.88; N, 11.88.
Encontrado: C, 34.82; H, 4.68; N, 11.91.
104 L. Gil, A. Mendoza, L. Ruiz-Ramírez, C. Soriano, Eur. J. Inorg. Chem. 2004, 4061
Capítulo 3. Síntesis y caracterización de los receptores 88
1H RMN (D2O): δ = 1.95-2.03 (m, 4H), 2.99 (t, J = 8 Hz, 4H), 3.12 (t, J = 8
Hz, 4H), 3.31-3.39 (m, 8H), 4.6 (s, 4H), 7.63 (d, J = 8 Hz, 2H), 7.75(s, 2H),
8.34 (d, J = 8 Hz, 2H) ppm. 13C RMN (D2O): δ = 22.9, 43.3, 43.7, 45.1, 45.5, 51.9, 123.7, 127.5, 129.4,
139.9, 150.9 ppm.
4.- Estudio de las propiedades
ácido base de los receptores
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 91
4.- Estudio de las propiedades ácido base de los
receptores
4.1.- Introducción
Los factores de repulsión electrostática son fundamentales para determinar la
magnitud de los valores de las constantes de protonación sucesivas en las
poliaminas105 En principio, el estado de mínima energía se alcanza cuando
los centros cargados positivamente se encuentran lo más alejados posibles,
en las etapas de protonación sucesivas. De esta manera, la repulsión
electrostática global de la poliamina es mínima. En la Figura 4.1 se
representa un esquema de situación del estado triprotonado para el receptor
[18]aneN6 como ejemplo ilustrativo. La ubicación alternada de los protones
conduce a un estado de repulsión electrostática mínima.
N
NN
N
N
N
H2 H2
H
H2
H
H
Figura 4.1. Esquema del estado triprotonado para el receptor [18]ane N6
105 A. Bencini, A. Bianchi, E. García-España, M. Micheloni J. A. Ramirez, Coord. Chem. Rev. 1999, 188,
97.
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 92
En consecuencia, la investigación se ha encaminado a estudiar la relación
entre el comportamiento ácido-base de este tipo de receptores poliamínicos y
sus características estructurales y electrónicas106,107,108,109,110,111,112. Estas
características son básicamente, el número de átomos de nitrógeno, la
presencia de espaciadores aromáticos y el tamaño y flexibilidad de la cadena
poliamínica. Con este objetivo, los receptores estudiados se caracterizan por:
- El número de átomos de nitrógeno (cinco o seis).
- La naturaleza abierta o cíclica del receptor.
- El número de átomos de carbono entre átomos de nitrógeno.
- El tipo de espaciador aromático.
106 A. Bencini, M. I. Burguete, E. García-España, V. Fusi, M. Micheloni, P. Paoletti, J. A. Ramírez, A. Rodríguez, B. Valtancoli, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 1992, 1059.
107 A. Bencini, M. I. Burguete, E. García-España, S. V. Luis, J. F. Miravet, C. Soriano, J. Org. Chem. 1993, 58, 4749.
108 A. Andrés, C. Bazzicalupi, A. Bianchi, E. García-España, S. V. Luis, J. F. Miravet, J. A. Ramírez, J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1994, 2995.
109 J. A. Aguilar, E. Garcia-España, J. A. Guerrero, S. V. Luis, J. M. Llinares,J. F. Miravet, J. A. Ramirez, C. Soriano, J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1995, 2237.
110 B. Altava, M. I. Burguete, B. Escuder, E. García-España, M. C. Muñoz. Tetrahedron 1997, 53, 2629.
111 J. A. Aguilar, P. Díaz, A. Doménech, E. García-España, J. M. Llinares, S. V. Luis, J. A. Ramírez, C. Soriano, J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2. 1999, 1159.
112 M. I. Burguete, B. Escuder, E. García-España, J. Latorre, S. V. Luis, J. A. Ramírez, Inorg. Chim. Acta. 2000, 300, 970.
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 93
4.2.- Estudios potenciométricos
En las Tablas 4.1, 4.2, y 4.3, se muestran los logaritmos de las constantes de
protonación y basicidad global β = (ΣKHjL), para las series de receptores
poliamínicos que se detallan a continuación. Estas fueron determinadas
potenciométricamente, en el intervalo de pH 2.5 - 10.5 y una concentración
de los receptores entre 5×10-4 y 5×10-3 mol·dm-3. Todas las valoraciones se
realizaron a temperatura y fuerza iónica constante, 298.1 ± 0.1 K y 0.15
mol·dm-3 de NaCl para Phen3223 y 0.15 mol·dm-3 de NaClO4 para el resto
de los receptores. El cálculo de las constantes se realizó con el programa
HYPERQUAD.113 Con los datos mostrados en estas tablas y con el programa
HYSS114, se elaboraron los diagramas de distribución, Figuras 4.2, 4.3 y 4.4.
En la primera tabla se detallan los valores para el receptor acíclico 3223 y
los receptores cíclicos Py3223, mB3223, pB3223 y Phen3223 constituidos a
partir de dicha cadena poliamínica. En la segunda tabla se detallan los
valores del receptor acíclico 32223 y los receptores cíclicos derivados de
esta cadena poliamínica Py32223, mB32223. Por último, en la tercera tabla
se detallan los valores del receptor Py33233 junto a los valores de las
constantes realizadas en estudios anteriores para los receptores 33233115,
oB33233116, mB33233117 y pB3323312.
113 A. Sabatini, A. Vacca, P. Gans, Talanta. 1996, 43, 1739. 114 P. Gans. Program to determine the distribution of especies in multiequilibria systems from the
stability constants and mass balance equations 115 J. A. Aguilar, A. Bianchi, E. García-España, S. V. Luis, J. M. Llinares, J. A. Ramirez, C. Soriano, J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1994, 637.
116 J. A. Aguilar, B. Celda, V. Fusi, E. García-España, S. V. Luis, M. C. Martínez, J. A. Ramirez, C. Soriano, R. Tejero, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 2000, 1323.
117 J. A. Aguilar, E. Garcia-España, J. A. Guerrero, S. V. Luis, J. M. Llinares, J. A. Ramirez, C. Soriano, Inorg. Chim. Acta. 1996, 246, 287.
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 94
Tabla 4.1. Constantes de protonación y de basicidad global en unidades
logarítmicas, de los receptores pentamínicos determinadas a 298.1 ± 0.1 K y fuerza
iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4 para 3223, Py3223, mB3223 y pB3223 y 0.15
mol·dm-3 de NaCl para Phen3223
REACCIONA L1 L2 L4 L9 L10
H + L HL 10.55(6)b 9.65(2) 9.70(2) 10.69(2) 10.01(1)
H + HL H2L 9.89(4) 9.32(1) 9.37(2) 9.66(1) 9.15(1)
H + H2L H3L 8.69(5) 7.62(2) 7.81(2) 8.32(2) 7.81(1)
H + H3L H4L 7.56(5) 6.62(2) 6.99(2) 7.21(2) 6.42(1)
H + H4L H5L 3.55(6) 2.86(3) 2.80(4) 3.03(3) 2.97(2)
log β5c 40.23 36.07 36.67 38.91 36.36
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son la desviación estándar de la última cifra significativa. c Constante de basicidad global, log β5
Como se muestra en las Tablas 4.1, 4.2 y 4.3, todos los receptores
pentamínicos, 3223, Py3223, mB3223, pB3223 y Phen3223, presentan cinco
contantes de protonación y todos los receptores hexamínicos, 32223,
Py32223, mB32223 y Py33233, presentan seis contantes de protonación. Por
lo tanto, en las condiciones en las que se han realizado los estudios
potenciométricos, no ha sido posible determinar la constante de protonación
del nitrógeno piridínico (NPy) en los receptores Py3223, Py32223 y Py33233
ni las constantes de protonación de los nitrógenos fenantrolínicos (NPhen) en
el receptor Phen3223. El valor estimado de las constantes de estos
L4 mB3223
N
NN
N
NN N
NN
N
N
L1 3223 L2 Py3223 L10 Phen3223
N
NN
N
N
HH
HH
H2HH2
H
H
H H H
H
H
H
HHH
H H
N
NN
NN
N
N
NN
N
NN
H
H
HH
H
L9 pB3223
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 95
Figura 4.2. Diagramas de distribución de los receptores 3223, Py3223, mB3223,
pB3223 y Phen3223
nitrógenos, inferior a dos unidades logarítmicas, está fuera de los límites de
pH entre los que es sensible la técnica potenciométrica utilizada9. No
obstante, los datos bibliográficos118 sostienen utilizando RMN de protón,
varias posibilidades de protonación del nitrógeno piridínico, dependiendo del
tamaño de la cavidad macrocíciclica. Mientras que para el receptor Py22 está
descrito que existe protonación sobre el nitrógeno piridínico, en el receptor
118 J. Costa, R. Delgado, Inorg. Chem. 1993, 32, 5257.
mB3223 pB3223
Phen3223
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to L L
HL
H2LH3L
H4LH5L
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to L
LHLH2LH3L
H4LH5L
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to L L
HLH2LH3LH4L
H5L
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100%
form
atio
n re
lativ
e to
L L
HL
H2LH3L
H4LH5L
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to L L
HL
H2LH3L
H4LH5L
3
223
Py3223
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 96
Tabla 4.2. Constantes de protonación y de basicidad global en unidades
logarítmicas, de los receptores hexamínicos 32223, Py32223 y mB32223
determinadas a 298.1 ± 0.1 K y fuerza iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4
REACCIONA L6 L7 L8
H + L HL 10.84(1) 10.04(2) 10.56(4)
H + HL H2L 9.97(1) 9.43(2) 9.71(4)
H + H2L H3L 8.99(1) 8.45(2) 8.84(3)
H + H3L H4L 8.07(1) 7.53(2) 7.79(3)
H + H4L H5L 5.91(2) 5.89(2) 6.10(3)
H + H5L H6L 3.16(2) 2.83(3) 3.31(4)
log β6 c 46.94 44.18 46.31
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son la desviación estándar de la última cifra significativa. c Constante de basicidad global, log β6
Py33 se descarta que exista carga neta sobre dicho nitrógeno, pero sí una
protonación parcial. En este sentido, en el apartado 4.3.1, se describe el
estudio de RMN realizado para receptor Py3223, donde se ha comprobado la
posible participación del nitrógeno piridínico en la secuencia de protonación
del receptor.
NN N
N N
N N
N N
N N
N N
L7 Py32223 L8 mB32223
N N
N N
N N
H
H H
H
H2 H2H H
H H
H H
H H
H H
H H
L6 32223
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 97
Figura 4.3. Diagramas de distribución de los receptores 32223, Py32223 y
mB32223
Por último, los datos bibliográficos sostienen utilizando UV-Visible que los
nitrógenos fenantrolínicos, en el receptor Phen333119 no participan en la
protonación .
Como refleja la Tabla 4.1, para los receptores pentamínicos, el receptor de
cadena abierta 3223, presenta un valor mayor en la basicidad global, que los
receptores cíclicos Py3223, mB3223, pB3223 y Phen3223.
119 C. Bazzicalupi, A. Beconcini, A. Bencini, V. Fusi, C. Giorgi, A. Masotti, B. Valtancoli, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 1999, 1675.
.
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to L L
HLH2L
H3L
H4LH5L
H6L
Py3222
3
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to L
L
HLH2LH3L
H4LH5LH6L
mB3222
3
3222
3
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100%
form
atio
n re
lativ
e to
L
L
HLH2LH3L
H4LH5L
H6L
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 98
Tabla 4.3. Constantes de protonación y basicidad global en unidades logarítmicas,
de los receptores hexamínicos Py33233, 33233, oB33233, mB33233 y pB33233
determinadas a 298.1 ± 0.1 K y fuerza iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4
REACCIONa L5 Py33233 3323311 oB3323312 mB3323313 PB3323312
H + L HL 10.67(1)b 10.83(4) 10.41(2)b 10.78(2) 10.46(3)
H + HL H2L 9.85(1) 10.15(5) 9.85(2) 10.08(2) 10.07(3)
H + H2L H3L 8.60(1) 9.30(4) 8.98(3) 9.00 (2) 8.93(3)
H + H3L H4L 7.49(1) 8.45(5) 7.69(3) 7.93(2) 7.97(3)
H + H4L H5L 7.12(1) 7.31(5) 5.94(3) 7.30(2) 7.46(3)
H + H5L H6L 4.99(2) 4.98(6) 5.29(3) 5.24(3) 5.73(3)
Log β6 c 48.72 51.03 48.16 50.33 50.62
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son la desviación estándar de la última cifra significativa. c Constante de basicidad global, log β6
Fundamentalmente esto es debido a que los receptores de cadena abierta
presentan nitrógenos primarios que son más básicos en disolución acuosa.
Además, como se ha descrito en el Apartado 1.1.4.4, la mayor flexibilidad
estructural de los receptores acíclicos les permite adoptar en las sucesivas
etapas de protonación un mayor número de conformaciones que las que
pueden adoptar los receptores cíclicos. Estas posibles conformaciones,
NN N
N N
N N
L5 Py33233 33233 oB33233 mB33233 pB33233
H H
H H
HH
H
H H
H
H2 H2N N
N N
N NH H
HH
HH N N
N N
N N
H H
H H
HH
H H
H H
HH
N N
N N
N N
N N
N N
N N
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 99
Figura 4.4. Diagramas de distribución de los receptores Py33233, 33233, oB33233,
mB33233 y pB33233
potencian la separación de los centros cargados positivamente,
disminuyendo así la repulsión electrostática entre ellos.
Del mismo modo, como se detalla en la Tabla 4.2 para los receptores
hexamínicos, la basicidad global del receptor de cadena abierta, 32223, es
superior a la de sus análogos cíclicos con idéntica cadena poliamínica,
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100%
form
atio
n re
lativ
e to
L
LHL
H2LH3L
H4L
H5LH6L
Py3323
3
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to L
L
HLH2LH3L
H4LH5L
H6L
33233
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to L
L
HLH2L
H3LH4L
H5L
H6L
oB3323
3
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to L
LHL
H2LH3LH4L
H5LH6L
mB3323
3
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to L
L
HL
H2LH3L
H4L
H5LH6L
pB3323
3
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 100
Py32223 y mB32223. Por último, si analizamos en la Tabla 4.3 la basicidad
global de los receptores que presentan la cadena poliamínica (33233),
podemos comprobar que también cumplen la misma tendencia. Como se
desprende de los valores detallados en la tabla, la basicidad global del
receptor de cadena abierta 33233, es superior a la de sus análogos cíclicos
Py33233, oB33233, mB33233 y pB33233.
Los diagramas de distribución de la Figura 4.2, para los receptores
pentamínicos, y de las Figuras 4.3 y 4.4 de los receptores hexamínicos, nos
permiten comprobar, atendiendo al porcentaje de formación de especies y al
intervalo de existencia de las mismas, que las características ácido-base de
los receptores cíclicos son las heredadas de la poliamina de cadena abierta de
la que proceden. El campo de existencia de las diferentes especies,
únicamente se ve alterado por un leve desplazamiento del rango de
estabilidad de las especies a un pH más ácido en los receptores cíclicos,
consecuencia de la disminución de la basicidad inherente a la ciclación.
Sin embargo, como se descrito en la introducción de este capítulo, la
investigación se ha encaminado a estudiar la relación entre el
comportamiento ácido-base de este tipo de receptores poliamínicos y sus
características estructurales y electrónicas. A continuación vamos a analizar
cómo pueden afectar al valor individual de las constantes de protonación y
de basicidad global, la presencia en la estructura de los receptores de
diferentes espaciadores aromáticos y las secuencias en el número de átomos
de carbono entre nitrógenos.
Los valores de las constantes de basicidad global para los receptores
pentamínicos de la Tabla 4.1, nos muestran que son muy similares para los
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 101
receptores Py3223 (log β5 = 36.07), mB3223 (log β5 = 36.67) y Phen3223
(log β5 = 36.36). Lo mismo sucede con la evolución en los valores de las
constantes de protonación representadas en la Figura 4.5. Los tres
receptores presentan dos constantes altas en las dos primeras etapas de
protonación y dos constantes intermedias en la tercera y cuarta etapa. Por
último y como sucede en este tipo de receptores, presentan una constante
mucho menor para la última etapa de protonación por ser esta la etapa más
impedida por la repulsión electrostática, que es máxima entre los centros
cargados.
Figura 4.5. Diagrama de barras donde se representan las constantes de protonación
de los receptores 3223, Py3223, mB3223, pB3223 y Phen3223
A diferencia de sus análogos cíclicos, el receptor pB3223 (log β5 = 38.91)
presenta una basicidad global superior y una tendencia en la secuencia de
protonación muy parecida al receptor de cadena abierta 3223 (log β5 =
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 102
40.23). Ambos receptores presentan cuatro constantes altas en las cuatro
primeras etapas de protonación, y una constante mucho menor en la quinta
etapa. Como se muestra en la Figura 4.6, la mayor basicidad del receptor
pB3223 podría ser debida a que la sustitución en para del anillo aromático
facilita la separación intrínseca de los centros cargados adyacentes al anillo,
disminuyendo así la repulsión electrostática global en el receptor.
Figura 4.6. Representación gráfica de la mayor separación
de los centros cargados en el receptor pB3223
En los receptores hexamínicos, si analizamos a los dos receptores cíclicos
que contienen la cadena poliamínica 32223, Py32223 y mB32223, se
observa que, pese a que los dos receptores presentan la misma tendencia en
los valores de las constantes de protonación, el metaciclofano, mB32223 (log
β6 = 46.31), manifiesta una basicidad global dos órdenes de magnitud
superior al piridinofano, Py32223 (log β6 = 44.18). Como se detalla en la
Tabla 4.2 y se muestra en la Figura 4.7, los dos receptores presentan
constantes altas en sus cuatro primeras etapas de protonación, una constante
intermedia en la quinta etapa y una constante mucho menor en la sexta etapa
de protonación. En todas ellas, el valor de las constantes es siempre superior
en el metaciclofano mB32223. Esta disminución en la basicidad del
piridinofano Py32223, puede ser atribuida al carácter electrón atrayente del
N
NN
N
NN N
NN
N
N
H
H
H
H
L4 mB3223 L2 Py3223
H
H
H
L9 pB3223
H
NN
N
NN
HH
H
2222H2H 2H2H
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 103
anillo de piridina120, que introduce en el anillo una densidad de carga
positiva que aumentaría la repulsión electrostática global del receptor.
Al analizar la serie de receptores hexamínicos con el mismo tipo de cadena
que el receptor Py33233, la mayor basicidad global la presenta el receptor
pB33233, y la menor el receptor oB33233. Como se desprende de los
valores reflejados en la Tabla 4.3 y se muestra en la Figura 4.7, la
sustitución en orto del anillo aromático, disminuye la separación intrínseca
de los centros cargados adyacentes al anillo, aumentando así la repulsión
electrostática global en el receptor.
120 Q. Lu, R. J. Caroll, J. H. Reibenspies, A. E. Martell, A. Clearfield, J. Mol. Struc.. 1998, 470, 121.
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 104
Figura 4.7. Diagrama de barras donde se representan las constantes de protonación
de los receptores 32223, Py32223, mB32223, Py33233, 33233, oB33233, mB33233,
pB33233
Por último, si analizamos los valores de las constantes los receptores de la
serie de hexaminas que presentan diferentes secuencias en el número de
átomos de carbono entre átomos de nitrógeno, Py33233, Py32223 y
mB32223, se observa que el receptor Py33233 (log β6 = 48.72) presenta una
constante de basicidad global aproximadamente tres ordenes de magnitud
superior a la que presentan sus análogos cíclicos. Py33233 se caracteriza por
presentar constantes altas en sus cinco primeras etapas de protonación y una
constante mucho menor en la última etapa. Como muestra la Figura 4.8, la
entrada del protón en la quinta etapa de protonación en el receptor Py33233,
se encuentra con menor impedimento electrostático debido a la mayor
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 105
separación de los centros cargados, motivada por la presencia de las dos
cadenas propilénicas consecutivas.
H
H H
HH2
H H
H2H2
HH2N
N N
N N
N N
NN N
N N
N N
2 2
2
H
H+ H+
2
L7L5 Py32223Py33233
Figura 4.8. Representación de la entrada del quinto protón en los receptores
Py33233 y Py32223
4.3.- Estudios de Resonancia Magnética Nuclear
El análisis potenciométrico puede completarse con estudios de Resonancia
Magnética Nuclear. Los cambios de pH del medio producen variaciones en
los desplazamientos químicos121 de protón y carbono de los núcleos
magnéticamente no equivalentes del receptor. La representación gráfica de
dichas variaciones, proporciona información adicional sobre la distribución
de las cargas positivas de los diferentes grupos amino del receptor. La
protonación de estos grupos nitrogenados no afecta a todos los núcleos de la
estructura por igual, sino que son los protones de los núcleos situados en el
carbono α y los carbonos situados en β respeto al nitrógeno que se protona,
los que experimentan los cambios más significativos.
121 J. E. Sarnesky, H. L. Surprenant, F. K. Molen, C. N. Reilley, Anal. Chem. 1975, 47, 2116.
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 106
A pesar de la aparente simplicidad de estos compuestos, la asignación de las
señales no es sencilla, si tenemos en cuenta que se trata de sistemas
dinámicos, donde los protones migran de una posición a otra y pueden
formarse puentes de hidrógeno, que pueden afectar a la asignación de la
señales. No obstante, la interpretación de los resultados obtenidos puede
facilitarse teniendo en cuenta tanto la experiencia en este tipo de análisis con
receptores similares, como que las cargas positivas tienden a situarse lo más
alejadas entre sí.
El procedimiento experimental consiste en registrar y analizar espectros del
receptor a diferentes pH, ajustando los valores de manera que correspondan
a zonas de predominio de las diferentes especies protonadas del receptor a
estudio. En términos generales, con la acidificación del medio las señales de 1H se desplazan a campo bajo y las de 13C a campo alto.
La asignación de las señales se ha llevado a cabo teniendo en cuenta los
diferentes espectros de correlación de RMN 1H-1H y 1H-13C registrados. La
numeración de los núcleos se detalla en la Figura 4.9, para el receptor
Py3223 y en la Figura 4.12, para el receptor mB3223. En ambas figuras
podemos destacar la simetría binaria de los receptores, de forma que el
número de señales se reduce a la mitad. Asimismo, la multiplicidad de las
señales también se simplifica gracias a la equivalencia química y magnética
de los protones geminales de cada grupo –CH2– de la cadena poliamínica.
Tomando como referencia los espectros de 1H de poliazaciclofanos
relacionados encontramos que las señales más fáciles de localizar son las de
los protones aromáticos (P2, B2 y P3, B3) ya que son los que se encuentran a
campo más bajo. Otra señal que no ofrece dudas en su identificación es la
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 107
del protón H1, unido al carbono conectado con el anillo aromático (carbono
bencílicos C1). El resto de metilenos que contiene la cadena poliamínica se
localizan a campo alto que se pueden dividir en dos grupos: el primero que
reúne a los núcleos numerados como 2, 4, 5 y 6 con desplazamientos
químicos similares y el segundo reúne al metileno central de la cadena
propilénica identificado como 3 que aparece a campo más alto que los
anteriores.
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 108
4.3.1.- Secuencia de protonación del receptor Py3223
pH H1 H2 H3 H4 H5 H6 HP2 HP3
12 3.72 2.39 1.52 2.44 2.53 2.53 7.21 7.69
9.7 3.78 2.54 1.64 2.72 2.63 2.76 7.21 7.69
8.3 3.88 2.65 1.76 2.86 2.69 2.89 7.23 7.71
7 4.17 2.92 1.96 2.96 2.78 3 7.28 7.73
5.5 4.38 3.16 2.14 3.12 2.82 3.1 7.3 7.78
3 4.36 3.32 2.25 3.4 3.57 3.54 7.33 7.79
pH C1 C2 C3 C4 C5 C6 CP1 CP2 CP3
12.1 52.9 45.6 28.8 45.7 45.7 47 159 122 138
9.7 52.9 45.6 27 45.7 45 46.7 157.5 122 138.2
8.3 52.4 44.5 25.4 45.7 44.5 46.7 156.1 122.2 138.8
7 51 45 24.8 44.1 46.8 44 152.5 122.5 138.9
5.5 50.6 44.5 23.6 43.7 43.6 47.2 150.5 123.5 139.8
3 50.4 44.9 22.8 44.2 42.2 42.7 150.7 123.1 139.4
Figura 4.9. Desplazamientos de 1H y 13C asignados a los núcleos alifáticos y
aromáticos del receptor Py3223, en función del pH
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to L L
HL
H2LH3L
H4LH5L
N
NN
N
NN
P1
P2 P3
1
23
H
H
12
3
45
6H
H
H
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 109
Para el receptor Py3223, el análisis de las gráficas incluidas en la Figura
4.10 indican que, la carga de la primera protonación podría compartirse entre
los nitrógenos N2 y N3 más alejados del anillo piridínico, como se observa
por el movimiento a campo bajo de los protones H5 y H6, en el rango de pH
de la primera especie protonada [HL]+.
La entrada del segundo protón reorganizaría la carga entre los nitrógenos N1
y N2 que se observa por el desplazamiento a campo bajo de los protones H1
y H2.
La tercera protonación podría implicar la participación del nitrógeno
piridínico estabilizando la carga del nitrógeno N1. Esta hipótesis, puede ser
apoyada si tenemos en cuenta la variación de 2 ppm a campo alto que
experimenta la señal del C1, carbono en β al nitrógeno piridínico en el
intervalo de pH (6-8), donde se consolida la especie triprotonada [H3L]3+.
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 110
Figura 4.10. Representación gráfica de las señales de 1H y 13C más representativas
del receptor Py3223
Variación de la señal 13C del núcleo 1 Variación de la señal 13C del núcleo CP1
Variación de la señal 13C de los núcleos 5 y 6 Variación de la señal 13C del núcleo CP2
Variación de la señal 1H de los núcleos 1 y 2 Variación de la señal 1H de los núcleos 5 y 6
Variación de la señal 1H del núcleo P2
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 111
En concordancia con los datos analizados, la secuencia de distribución de las
cargas propuesta para el receptor Py3223 se esquematiza en la Figura 4.11.
Figura 4.11. Esquema de protonación propuesta para el receptor Py3223
En esta se detalla que la entrada del primer protón se realiza en equilibrio de
intercambio sobre los nitrógenos N2 y N3. Del mismo modo, la entrada del
segundo protón se realiza en equilibrio de intercambio sobre los nitrógenos
N1 y N2 La entrada del tercer protón se localiza entre los nitrógenos N2 y
N3 por efecto de la minimización de las repulsiones entre ambos nitrógenos
y porque las dos primeras cargas se localizan en los nitrógenos adyacentes al
anillo. Como se ha descrito con anterioridad esta situación provoca la
participación del anillo aromático en el reparto de la carga. La entrada del
cuarto del protón en el mismo lugar que el tercero se fijarían globalmente las
cargas pero sobre todo, las situadas en los nitrógenos N1 con la anulación de
la participación del nitrógeno aromático. En este punto, a pesar de la elevada
densidad de carga, aún podrían darse intercambios entre los nitrógenos N2 y
N3. Probablemente, los movimientos de los protones entre estos nitrógenos
puede ser la causa de la forma adoptada por las curvas de la Figura 4.10
N
NN
N
NN1
23
1
2 2
1
32
1N
NN
N
NN 1
23
1
2 2
1
32
1N
NN
N
NN
2
1
32
1N
NN
N
NN
pH básico pH ácido
H+
H+H+
H+
H+H+N
NN
N
NN
H+
H+H+
H+
H+H+H+H+H+ H+
H+ H+
H+
H HH
H
H
H
H
H
HH
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
HH
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 112
para las señales de los carbonos C5 y C6. Como se puede observar en su
gráfica correspondiente, los desplazamientos de ambos núcleos son
contrarios pero a la vez se complementan y este hecho podría reflejar
posibles protonaciones y desprotonaciones que sufren alternativamente
durante el intercambio mutuo de cargas positivas. En primer lugar
coincidiendo con la entrada del tercer protón, entre pH 7.0 y 8.0 la señal del
C6 se desplazada a campo alto como es de esperar en un carbono en β a un
nitrógeno que se protona. Sin embargo en ese mismo intervalo de pH, la
respuesta de la señal C5 es la propia de un carbono en β afectado por la
desprotonación de un nitrógeno cercano, su desplazamiento a campo bajo.
Del mismo modo, cuando comienza a enlazarse el cuarto protón (pH 7.0 –
5.0), la señal de C6 se desplaza a campo bajo (desprotonación de N2) y la
señal de C5 se desplaza a campo alto (protonación de N3). Por último, la
quinta protonación sucede sobre uno de los nitrógenos N2 dado que a pH
ácido, la señal de C6 (en β a N2) y H5 (en ~ a N2) se desplazan más que C5
y H6.
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 113
4.3.2.- Secuencia de protonación del receptor mB3223
pH H1 H2 H3 H4 H5 H6 HB2 HB3 HB4
13.4 3.61 2.31 1.48 2.36 2.47 2.47 7.13 7.25 7.18
9.8 3.77 2.58 1.66 2.62 2.69 2.73 7.27 7.27 7.25
8.1 4 2.85 1.8 2.79 2.9 2.9 7.39 7.39 7.39
7.4 4.02 2.83 1.82 2.89 2.72 2.89 7.39 7.39 7.39
4.4 4.23 3.02 1.99 3.06 3.04 2.99 7.46 7.46 7.52
3 4.22 3.17 2.14 3.27 3.43 3.43 7.49 7.49 7.57
pH C1 C2 C3 C4 C5 C6 CB1 CB2 CB3 CB4
13.4 52 44.9 28.5 46.1 47.2 46.9 139.8 127.7 128 128.1
9.8 51.7 45.4 26.1 46.4 45.8 46.9 138.1 128.7 128.5 129.4
8.1 51 44.5 24.5 44.8 45.8 45.8 130.7 130.7 130.2 131.8
7.4 50.8 44.5 24.2 45.2 45.7 47.1 130.7 130.4 130.2 131.8
4.4 50.4 45.3 23.3 44.9 47.7 44.7 131.7 131.1 130.5 132.1
3 50.3 44.1 22.9 44.7 43.9 43.9 131.5 131.1 130.5 132.5
Figura 4.12. Desplazamientos de 1H y 13C asignados a los núcleos alifáticos y
aromáticos del receptor mB3223, en función del pH
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to L L
HL
H2LH3L
H4LH5L
N
NN
N
N
B1
B2 B3
1
23
H
H
12
3
45
6
B4
H
H
H
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 114
Figura 4.13. Representación gráfica de las señales de 1H y 13C más representativas
del receptor mB3223
Variación de la señal 13C de los núcleos 1, 2 y 4 Variación de la señal 13C del núcleo 3
Variación de la señal 13C de los núcleos 4 y 5 Variación de la señal 13C de los núcleos CB1 y CB4
Variación de la señal 1H del núcleo 1 Variación de la señal 13C del núcleo 2
Variación de la señal 1H del núcleo 4 Variación de la señal 13C de los núcleos 5
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 115
Para el receptor mB3223, el análisis de las gráficas incluidas en la Figura
4.13 indican que, la primera carga positiva se localizaría preferentemente
sobre los nitrógenos bencílicos (N1). El primer dato que confirma este
indicio sería el cambio en el desplazamiento del CB1, carbono en β al
nitrógeno N1. En segundo lugar, si analizamos los cambios que
experimentan H1 y H2, protones en α al mismo nitrógeno encontramos que
los más significativos se detectan entre pH 8.0 y 11.0. Según el diagrama de
distribución de la Figura 4.12, en esta zona de pH predominan la especie
[HL]+.
Por último, las señales de 1H de los núcleos 4, 5 y 6 situados en posiciones
opuestas al anillo, acusan cambios más bruscos a pH básico.
En concordancia con los datos analizados, la secuencia de distribución de las
cargas propuesta para el receptor mB3223 se esquematiza en la Figura 4.14.
Figura 4.14. Esquema de protonación propuesta para el receptor mB3223
N
NN
N
N1
23
1
2 2
1
32
1N
NN
N
N 1
23
1
2 2
1
32
1N
NN
N
N
2
1
32
1N
NN
N
N
pH básico pH ácido
H+
H+H+
H+ H+H+
H+
H+H+
H+
H+H+H+H+H+ H+
H+ H+
H+
N
NN
N
N
H
H
HH
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H HH
H
H
H
H
H
Capítulo 4. Estudio de las propiedades ácido base de los receptores 116
En el esquema se puede observar cómo la primera carga se localizaría en la
zona de los nitrógenos bencílicos, la segunda entre los nitrógenos N1 y N2 y
que la tercera, buscando minimizar las repulsiones, se situaría sobre el
nitrógeno N3. La entrada del tercer protón tendría como efecto dirigir las dos
cargas previas sobre los nitrógenos N1. Con la entrada del cuarto protón la
existencia de una sola posición vacante unida a la elevada densidad de carga
global en el receptor, reduce el número de protoisómeros y sitúa los protones
casi definitivamente en los que serán sus posiciones finales.
5.- Estudio de la interacción de los
receptores con Cu2+ y Zn2+
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 119
5.- Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y
Zn2+
5.1.- Constantes de estabilidad de los complejos de Cu2+
En las Tablas 5.1 y 5.2 se detallan respectivamente los logaritmos de las
constantes de estabilidad, de los complejos de Cu2+ con los receptores
pentamínicos, 3223, Py3223, mB3223, pB3223 y Phen3223, y los
hexamínicos, Py22222, Py33233, 32223, Py32223 y mB32223. Estas fueron
determinadas potenciométricamente para relaciones molares M: L (1:1) y
(2:1) a temperatura y fuerza iónica constante, 298.1 ± 0.1 K y 0.15 mol·dm-3
de NaCl para Phen3223, y 0.15 mol·dm-3 de NaClO4 para el resto de los
receptores. El cálculo de las constantes se realizó con el programa
HYPERQUAD122. Con los datos mostrados en estas tablas y el programa
HYSS123, se elaboraron los diagramas de distribución, Figuras 5.1 y 5.2.
122 A. Sabatini, A. Vacca, P. Gans, Talanta. 1996, 43, 1739.
123 P. Gans, Program to determine the distribution of especies in multiequilibria systems from the stability constants and mass balance equations.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 120
Tabla 5.1. Logaritmos de las constantes de estabilidad para los complejos de Cu2+
formados con los receptores pentamínicos, determinadas a 298.1 ± 0.1 K y fuerza
iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4 para 3223, Py3223, mB3223, pB3223 y 0.15
mol·dm-3 de NaCl para Phen3223.
REACCIÓNA L1 L2 L4 L9 L10 M + L ML 21.28(2)b 20.44(3) 19.05(1) 15.70(4) 15.98(6)
ML + H MHL 8.86(1) 6.96(1) 7.25(3) 10.00(4) 10.28(4) MHL + H MH2L 3.39(2) 2.75(4) 3.33(2) 5.12(2) 5.18(1) MH2L + H MH3L 4.32(2) 3.64(2) MH3L + H MH4L 3.4(2)
2M + L M2L 22.01(6) 27.5(1) ML + M M2L 6.31 11.52
M2L + H M2HL 4.14 2M + L + H2O M2L(OH) + H 20.65(2) 15.19(2) 18.1(1)
M2L + H2O M2L(OH) + H -6.82 -9.4 2M + L + 2H2O M2L(OH)2 + 2H 10.84(5) 9.05(1) 6.04(3)
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son las desviación estándar de la última cifra significativa.
L4 mB3223
N
NN
N
NN N
NN
N
N
L1 3223 L2 Py3223 L10 Phen3223
N
NN
N
N
HH
HH
H2HH2
H
H
H H H
H
H
H
HHH
H H
N
NN
NN
N
N
NN
N
NN
H
H
HH
H
L9 pB3223
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 121
Figura 5.1. Diagramas de distribución para relaciones molares M: L (1:1) y (2:1) de
los complejos de Cu2+ formados con los receptores 3223, Py3223, mB3223, pB3223
y Phen3223. [M] = [L] = 1×10-3 mol·dm-3
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu
CuH4LCuH3L
Cu2HL
Cu2L Cu2L(OH)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu
CuH4L
CuH3L
CuH2L
CuHLCuL
Cu2HLCu2L
Cu2L(OH)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu
CuH3LCuH2L
CuHL
Cu2L
Cu2L(OH)
Cu2L(OH)2
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu
CuH3LCuH2L
CuHL CuL
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu
CuL
CuHLCuH2L
Cu2L(OH)2
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu CuLCuHL
CuH2L
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu
CuHLCuH2L
Cu2L(OH)
Cu2L(OH)2
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u CuCuLCuHL
CuH2L
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu CuLCuHL
CuH2L
Cu : 3223 (1:1)
Cu : Py3223 (2:1) Cu : Py3223 (1:1)
Cu : mB3223 (2:1) Cu : mB3223 (1:1)
Cu : pB3223 (2:1) Cu : pB3223 (1:1)
Cu : Phen3223 (2:1) Cu : Phen3223 (1:1)
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 122
Tabla 5.2. Logaritmos de las constantes de estabilidad para los complejos de Cu2+
formados con los receptores hexamínicos, determinadas a 298.1 ± 0.1 K y fuerza
iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4 para Py22222, Py33233, 32223, Py32223 y
mB32223.
REACCIÓNA L3 L5 L6 L7 L8 M + L ML 19.63(8)b 18.34(3) 21.74(4) 19.29(3) 19.97(4)
ML + H MHL 11.21(7) 9.53(3) 10.06(3) 9.64(3) 10.00(4) MHL + H MH2L 7.34(6) 7.56(3) 6.60(1) 6.71(2) 7.42(3) MH2L + H MH3L 4.05(7) 4.65(2) 3.48(2) 3.36(2) 3.64(2) MH3L + H MH4L 4.69(2)
2M + L M2L 32.12(9) 30.03(1) 30.21(2) 27.46(7) ML + M M2L 12.49 11.69 10.92 7.49
M2L + H M2HL 6.73(8) 4.38(3) 4.63(3) M2HL + H M2H2L 4.06(9)
2M + L + H2O M2L(OH) + H 21.38(1) 22.26(2) 23.73(2) 20.14(4) 21.16(3) M2L + H2O M2L(OH) + H -10.74 -7.77 -10.07 -6.3
2M + L + 2H2O M2L(OH)2 + 2H 11.25(4) a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son la desviación estándar de la última cifra significativa.
NN N
N N
N N
NN N
N N
N N
NN N
N N
N N
N N
N N
N N
L7 Py32223 L8 mB32223
N N
N N
N N
L3 Py22222 L5 Py33233 L6 32223
H
H
H H
H
H H H
H H
HH
H
H H
H
H2 H2H H
H H
H H
H H
H H
H H
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 123
Figura 5.2. Diagramas de distribución para relaciones molares M: L (1:1) y (2:1) de
los complejos de Cu2+ formados con los receptores hexamínicos Py22222, Py33233,
32223, Py32223 y mB32223. [M] = [L] = 1×10-3 mol·dm-3
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u Cu
CuH3L
CuH2L
Cu2HL
Cu2L
Cu2L(OH)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu
CuH3LCuH2L
CuHL
Cu2L(OH)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu
CuH3LCuH2L
CuHL
CuLCu2H2L
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu
CuH3L
Cu2H2L Cu2HL
Cu2L
Cu2L(OH)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu
CuH4L
CuH3L
CuH2L
CuHL CuL
Cu2L
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u Cu
CuH4L
CuH3LCuH2L
Cu2HL
Cu2L Cu2L(OH)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u Cu
CuH3L
CuH2L CuHLCuL
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u Cu
CuH3L
CuH2L CuHLCuL
Cu2HL
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu
CuH3L
CuH2LCuHL
CuL
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu
CuH3LCuH2L
Cu2L
Cu2L(OH)
Cu2L(OH)2
Cu : Py22222 (1:1) Cu : Py22222 (2:1)
Cu : Py33233 (1:1) Cu : Py33233 (2:1)
Cu : 32223 (1:1) Cu : 32223 (2:1)
Cu : Py32223 (1:1) Cu : Py32223 (2:1)
Cu : mB32223 (1:1) Cu : mB32223 (2:1)
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 124
Los resultados obtenidos con los receptores pentamínicos indican la
presencia exclusiva de especies mononucleares para el receptor acíclico
3223 y la formación de especies mono y binucleares para los cuatro cíclicos
Py3223, mB3223, pB3223 y Phen3223. Los resultados obtenidos con los
receptores hexamínicos Py22222, Py33233, 32223, Py32223 y mB32223
indican la presencia de especies mono y binucleares para todos los
receptores. Como es habitual para estos receptores, la nuclearidad de los
complejos formados depende en gran medida de la relación molar M/L del
sistema, en el cual han sido realizadas las medidas.
5.1.1.- Análisis de los resultados obtenidos con relación molar
Cu2+: L (1:1)
Los diagramas de distribución en la serie de receptores pentamínicos en
relación molar M: L (1:1), muestran que la mayoría de las especies formadas
son mononucleares. De hecho, únicamente el receptor Phen3223, con el
mayor número de nitrógenos, forma a pH ácido dos especies de
estequiometría [Cu2L]4+ y [Cu2HL]5+. La contribución de ambas especies es
pequeña y no superan en ninguno de los dos casos el 30% en su porcentaje
de formación.
Si observamos los diagramas de distribución de la Figura 5.1, obtenidos con
esta relación molar, los receptores 3223, Py3223 y mB3223 presentan una
gran uniformidad en la naturaleza de los complejos formados, con especies
[CuHxL]2+x (x = 2, 1, 0). En todos los casos estas especies presentan el
mismo porcentaje de formación en intervalos de pH aproximados.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 125
Para pB3223 y Phen3223 en el diagrama de distribución se puede observar
un leve desplazamiento a pH básico de las especies [CuHxL]2+x (x = 2, 1, 0),
junto a la formación a pH ácido de la especie triprotonada [CuH3L]5+ para
pB3223 y las especies triprotonada [CuH3L]5+ y tetraprotonada [CuH4L]6+
para el receptor Phen3223.
Las reacciones de protonación que tienen lugar sobre los nitrógenos que no
se unen al centro metálico son las que dan lugar a la formación de especies
[CuHxL]2+x (x = 4, 3). Por tanto, la presencia de especies de esta
estequiometría en el caso de los receptores pB3223 y Phen3223 podría
interpretar que, en éstos, el número de nitrógenos involucrados en la unión al
centro metálico Cu2+ es menor que para el resto de receptores pentamínicos.
En la serie de receptores hexamínicos, la mayoría de especies formadas en
relación molar M:L (1:1) son mononucleares. Como muestra la Figura 5.2,
únicamente los tres receptores que contienen piridina Py22222, Py33233,
Py32223 forman a pH ácido respectivamente, las especies binucleares
[Cu2H2L]6+, [Cu2L]4+ y [Cu2HL]5+. No obstante, la contribución de dichas
especies es pequeña y no superan en ningún caso el 20% de formación.
Si analizamos los diagramas de distribución de los receptores 32223,
Py32223 y mB32223, que contienen idéntica cadena poliamíca, se observa
que presentan una gran uniformidad en la naturaleza de los complejos
formados, con especies [CuHxL]2+x para (x =3, 2, 1, 0), en los mismos
intervalos de pH.
El receptor Py22222 presenta las mismas especies, pero su campo de
existencia se encuentra desplazado a pH más básico y, además la especie
[CuL]2+ no alcanza una formación del 80% hasta un pH superior a 12.0. Por
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 126
último, el receptor Py33233 es capaz de formar la especie tetraprotonada
[CuH4L]6+.
5.1.1.1. – Análisis de la constante de estabilidad de la especie [CuL]2+ de
las dos series estudiadas
El valor de la constante de estabilidad de la especie [CuL]2+ para los
complejos mononucleares, es una medida de la contribución entre el número
de átomos dadores y la flexibilidad estructural de cada uno de los receptores.
En la serie de pentaminas, si comparamos los valores de las constantes de
estabilidad del complejo [CuL]2+ de la Tabla 5.1, podemos observar que el
valor más alto corresponde al receptor acíclico 3223 (log KML= 21.28). La
mayor flexibilidad estructural de este tipo de receptor, le permite reordenarse
alrededor del ión metálico con mayor facilidad, lo que se refleja en el mayor
valor de su constante.
Con valores no muy alejados del receptor acíclico se encuentran el
piridinofano Py3223 (log KML= 20.44) y el metaciclofano mB3223 (log
KML= 19.05). Por último, con una diferencia aproximada de cinco unidades
logarítmicas, se encuentran el paraciclofano pB3223 (log KML= 15.70) y el
fenantrolinociclofano Phen3223 (log KML= 15.98).
A la vista de estos resultados, la superior estabilización de los complejos de
Cu2+ con el receptor que contiene piridina, Py3223, respecto al resto de
receptores cíclicos de la serie, podría considerarse como un indicio de la
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 127
participación del nitrógeno del anillo (NPy) en la esfera de coordinación del
metal.124,125
Por último, la disminución en el valor de la constante en los receptores
pB3223 y Phen3223, podría ser indicativo de un menor índice de
coordinación al ión metálico, como hemos adelantado. En el receptor
pB3223, esto podría estar provocado por la mayor separación impuesta por el
espaciador aromático para-benceno. En el receptor Phen3223, los nitrógenos
fenantrolínicos que son muy selectivos en su coordinación al Cu2+, impiden
que la cadena poliamínica se reordene con facilidad en torno al centro
metálico.
En la serie de hexaminas, si comparamos los valores de las constantes de
estabilidad de los complejos [CuL]2+ de la Tabla 5.2, podemos observar que
la constante más alta corresponde de nuevo al receptor acíclico 32223 (log
KML= 21.74). Aunque todos los receptores de esta serie presentan valores
muy similares, Py22222 (log KML= 19.63), Py33233 (log KML= 18.34),
Py32223 (log KML= 19.29) y mB32223 L8 (log KML= 19.97), la disminución
de la constante para el receptor Py33233, de un orden de magnitud,
confirmaría la mayor estabilidad de los complejos metálicos formados
cuando los anillos quelantes están constituidos por cadenas etilénicas como
las que presentan los receptores Py22222, Py32223 y mB32223. 126
124 V. Felix, M. J. Calhorda, J. Costa, R. Delgado, C. Brito, M. T. Duarte, T. Arcos, M.G. B. Drew, J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1996, 24, 4543.
125 J. A. Muñoz, L. Escriche, J. Casabó, C. Pérez Jiménez, R. Kivekas, R. Shillanpa, Inorg. Chim. Acta. 1997, 257, 99.
126 R. D. Hancock, A. E. Martell, Chem. Rev. 1989, 89, 1875.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 128
5.1.1.2. – Comparación de la constante de estabilidad de la especie
[CuL]2+ con receptores relacionados
Con todo lo descrito, un aspecto fundamental a evaluar cuando se disponen
de datos que hacen referencia a la estabilidad de los complejos formados, es
el número de nitrógenos dadores que se encuentran unidos al Cu2+. A
excepción del receptor Phen3223, en las dos series estudiadas, esta cuestión
sólo tiene sentido cuando hablamos de complejos 1:1, ya que la formación
de complejos binucleares requieren necesariamente la implicación de todos
los nitrógenos presentes en los receptores.
Aunque no es muy preciso comparar el valor de estas constantes, para
predecir el número de átomos de nitrógeno involucrados en la coordinación
al centro metálico, en ocasiones se utiliza como herramienta, cuando no se
dispone de las estructuras cristalinas correspondientes, teniendo siempre en
cuenta el carácter orientativo de estas comparaciones.
En el apartado 5.2.1, se describen las dos estructuras cristalinas obtenidas
para los complejos 1:1 entre los receptores Py3223 y mB3223 y Cu2+. La
estructura encontrada para el piridinofano Py3223 es un octaedro altamente
distorsionado y la estructura encontrada para el metaciclofano mB3223 es
pirámide de base cuadrada distorsionada. Por tanto en índice de coordinación
de ambos receptores será respectivamente seis y cinco.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 129
Para el receptor acíclico 3223 se ha demostrado127 mediante espectroscopía
UV-Visible que los cinco nitrógenos que contiene el receptor están
involucrados en la coordinación al centro metálico. Cuatro de ellos ocupando
las posiciones ecuatoriales de un tetraedro y el último, ocupando la posición
axial.
Para deducir el índice de coordinación del resto de receptores de la serie de
pentaminas, pB3223 y Phen3223, vamos a comparar el valor de la constante
de estabilidad de la especie [CuL]2+ de estos receptores, con las de receptores
relacionados, donde los grupos coordinantes han sido establecidos con
exactitud, mediante difracción de rayos X.
En la Figura 5.3, se detallan las constantes de estabilidad de la especie
[CuL]2+ encontradas en la literatura científica para distintos
poliazacicloalcanos y poliazaciclofanos.
En primer lugar, encontramos que los valores de KML= 1015 de los receptores
pB3223 y Phen3223 estarían de acuerdo con un entorno tricoordinado. Por
tanto estos receptores actuarían como ligandos quelatos tridentados. En los
poliazaciclofanos mB323 128 y pB323 129 está confirmado por cristalografía,
que son tres los grupos amino enlazados al metal y el resultado es coherente
127 J. Aguilar, P. Díaz, F. Escartí, E. García-España, L. Gil, C. Soriano, B. Verdejo, Inorg. Chim.
Acta. 2002, 339, 307
128 D. K. Chand, H. J. Schneider, J. A. Aguilar, F. Escartí, E. García-España, S. V. Luis, Inorg. Chim. Acta. 2000, 316, 71.
129 A. Andrés, M. I. Burguete, E. García-España, S. V. Luis, J. F.Miravet, C. Soriano, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 1993, 749.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 130
con el hecho de que sus constantes sean del mismo orden, que las
encontradas para tres receptores que sólo presentan tres átomos dadores, los
triazacicloalcanos130 [9]aneN3, [11]aneN3, [12]aneN3.
N
NN
N NN
N
N
HHH
H
H
H
HHN
N
N
N
N
N
N
N
H
H
H
H H HN N
N
[9]aneN3 [11]aneN3 [12]aneN3
mB323 pB323
Py22 Py33 Py32
log KCuL= 15.5 log KCuL= 14.4 log KCuL= 12.6
log KCuL= 13.2 log KCuL= 13.0
log KCuL= 20.1 log KCuL= 19.8 log KCuL= 18.6
HHH H
HH
H
H
HNN
N
N
N
N NHH
HN
N N
Figura 5.3. Constantes de estabilidad de la especie [CuL]2+, encontrados en la
literatura científica para poliazacicloalcanos y poliazaciclofanos
En segundo lugar, los valores de KML alrededor de 1020, encontrados para los
receptores hexamínicos Py22222, Py33233, Py32223 y mB32223
corresponderían con un entorno tetracoordinado131. Estos receptores,
actuarían como ligandos quelatos tetradentados. Los datos recopilados para
130 A. Bianchi, M. Micheloni, P. Paoletti, Coord. Chem. Rev. 1991, 110, 17.
131 A. E. Martell, R. M. Smith, R. J. Motekaitis, NIST Critically Selected Stability Constans of Metal Complexes Database, NIST Standard Reference Database, version 4, 1997.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 131
los poliazapiridinofanos132 Py22, Py32 y Py33 muestran la participación de
cuatro grupos básicos en la formación del complejo [CuL]2+ y presentan
valores en sus constantes, muy similares a las de los receptores hexamínicos.
5.1.2.- Estuctura de Rayos X de los complejos [CuL2](ClO4)2 y
[Cu2(L4)2(µ-Br)](ClO4)4
5.1.2.1.- Introducción
Para la resolución de las estructuras cristalinas de los complejos la difracción
de rayos X de monocristal, es la técnica que proporciona con mayor
exactitud valores de las distancias y los ángulos de enlace que se establecen
entre receptores y centros metálicos. A continuación se describen dos
estructuras cristalinas obtenidas para los complejos 1:1 entre los receptores
Py3223, mB3223 y el Cu2+.
5.1.2.2.- Estuctura del complejo [CuPy3223](ClO4)2
La estructura del complejo (1:1) de Cu2+ con el receptor Py3223, de fórmula
[C17H32CuN6](ClO4), ha sido resuelta mediante difracción de rayos X. Los
cristales, de color azul fueron obtenidos por evaporación de disoluciones
acuosas a pH 10.0 conteniendo cantidades equimoleculares del receptor y
Cu(ClO4)2. El grupo espacial encontrado es monoclínico, P21/c, con a=
12.427(5) Å, b= 13.143(5) Å y c= 16.662(5) Å, α= γ= 90.00(5)º, β=
110.00(5)º.
132 J. Costa, R. Delgado, Inorg. Chem. 1993, 32, 5257.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 132
En la Figura 5.4, se muestran los valores de las distancias de enlace (Å) y
ángulos (º) del entorno de coordinación del metal junto con una perspectiva
de la estructura del complejo obtenida con el programa ORTEP133
Distancias de enlace Å Ángulos º Cu(1)-N(3) 2.025(7) N(5)-Cu(1)-N(4) 102.6(3) Cu(1)-N(5) 2.041(6) N(3)-Cu(1)-N(4) 84.1(3) Cu(1)-N(2) 2.066(6) N(3)-Cu(1)-N(2) 81.2(3) Cu(1)-N(4) 2.112(6) N(5)-Cu(1)-N(2) 92.0(2) Cu(1)-N(1) 2.398(6) N(3)-Cu(1)-N(1) 104.3(3) Cu(1)-N(6) 2.549(7) N(5)-Cu(1)-N(1) 77.2(2)
N(2)-Cu(1)-N(1) 95.2(2) N(4)-Cu(1)-N(1) 91.7(2) N(3)-Cu(1)-N(6) 107.4(3) N(5)-Cu(1)-N(6) 71.8(2) N(2)-Cu(1)-N(6) 94.1(2) N(4)-Cu(1)-N(6) 87.0(2) N(1)-Cu(1)-N(6) 147.8(2)
Figura 5.4. Estructura Molecular del catión [CuPy3223]2+ con distancias (Å) y
ángulos (º) más característicos del entorno de coordinación del ión metálico
133 C. K. Johnson, ORTEP. Report ORNL-3794, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, 1971.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 133
Como muestra la figura, el Cu2+ presenta una geometría octaédrica altamente
distorsionada. El plano ecuatorial está definido por el nitrógeno del anillo
piridínico N(5), ya postulada durante la discusión de los datos
potenciométricos, y los tres nitrógenos centrales de la cadena poliamínica.
Los dos nitrógenos bencílicos ocupan las posiciones axiales del octaedro.
Las distancias de enlace en el plano ecuatorial son bastante uniformes,
oscilando entre 2.025(7) y 2.112(7) Å. Las distancias axiales son de 2.398(6)
Å para el enlace Cu-N(1) y 2.549(7) Å para el enlace Cu-N(6). La estructura
puede ser interpretada teniendo en cuenta la participación del nitrógeno
piridínico en la esfera de coordinación y las dificultades estéricas resultantes
de la coordinación entre el ión metálico y los dos nitrógenos bencílicos. La
parte central de la molécula, que es más flexible estructuralmente, puede
reordenarse para proporcionar los tres nitrógenos restantes necesarios para
completar una coordinación cuadrada plana basal del ión Cu2+.
5.1.2.3.- Estuctura del complejo [Cu2(mB3223)2(µ-Br)](ClO4)4
La estructura del complejo (2:2) de Cu2+ con el receptor mB3223, de fórmula
[C36H67BrCuN6](ClO4)4 ha sido resuelta mediente difracción de rayos X. Los
cristales, de color azul, fueron obtenidos por evaporación de disoluciones
acuosas a pH 10.0 conteniendo cantidades equimoleculares del receptor y
Cu(ClO4)2. El grupo espacial encontrado es ortorómbico P 212121, con a=
13.9222(6) Å, b= 18.8422(1) Å y c= 19.9892(1) Å, α= β= γ= 90.00(5)º.
En la Figura 5.5, se muestran los valores de las distancias de enlace (Å) y
ángulos (º) del entorno de coordinación del metal junto con una perspectiva
de la estructura del complejo obtenida con el programa ORTEP12.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 134
Distancias de enlace
Å Ángulos º
Cu(1)-Br(1) 2.701(4) Cu(1)-Br(1)-Cu(2) 166.9(1) Cu(2)-Br(1) 2.728(4) N(1)-Cu(1)-N(2) 91.0(8) Cu(1)-N(1) 2.01(2) N(1)-Cu(1)-N(3) 165.0(8) Cu(1)-N(2) 1.93(2) N(1)-Cu(1)-N(4) 98.2(7) Cu(1)-N(3) 1.96(2) N(2)-Cu(1)-N(3) 84.9(8) Cu(2)-N(4) 2.11(2) N(2)-Cu(1)-N(4) 162.8(7) Cu(2)-N(6) 2.01(2) N(3)-Cu(1)-N(4) 82.5(8) Cu(2)-N(7) 1.99(2) N(6)-Cu(2)-N(7) 93.1(9) Cu(2)-N(8) 2.01(2) N(6)-Cu(2)-N(8) 167.9(9) Cu(2)-N(9) 2.06(2) N(6)-Cu(2)-N(9) 99.4(8)
N(7)-Cu(2)-N(8) 82.0(1) N(7)-Cu(2)-N(9) 161.1(9) N(8)-Cu(2)-N(9) 83.4(9)
Figura 5.5. Estructura Molecular del complejo [Cu2(mB3223)2(µ-Br)](ClO4)4 con
distancias (Å) y ángulos(º) más característicos del entorno de coordinación
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 135
La estructura del complejo [Cu2(mB3223)2(µ-Br)](ClO4)4 muestra cada
centro metálico en un entorno pentacoordinado, donde cuatro de los grupos
dadores son nitrógenos que pertenecen al macrociclo y el quinto de los
grupos es un átomo de bromo que actúa como ligando puente entre los dos
átomos de cobre. Cada catión se rodea de una pirámide de base cuadrada
distorsionada en la que el plano inferior está definido por uno de los
nitrógenos adyacentes al anillo bencílico y los tres nitrógenos de la cadena
poliamínica consecutivos a él. La posición apical es ocupada en ambos
núcleos por un ligando externo, bromo, que actúa como puente entre los dos
centros metálicos. No se observa elevación del Cu2+ sobre el plano
ecuatorial.
5.1.3.- Análisis de los resultados obtenidos en relación molar Cu2+:
L (2:1)
El aumento de la concentración de Cu2+ en la disolución, hasta alcanzar la
proporción molar M: L (2:1) permite a los receptores cíclicos de la serie de
pentaminas y hexaminas, formar especies mononucleares y binucleares. La
necesidad de configurar dos entornos de coordinación, en lugar de uno,
impulsa la formación de mono y dihidroxocomplejos tal y como muestra los
diagramas de distribución de especies de la Figura 5.1 y 5.2.
La formación de este tipo de especies es uno de los aspectos más relevantes
dentro de las líneas de investigación que se desarrollan entorno a este tipo de
receptores. Aunque escapa a los límites del trabajo desarrollado hasta ahora,
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 136
podemos prever que dichas especies mostrarán propiedades muy interesantes
en procesos de hidrólisis con substratos electrofílicos.134,135,136,137
Al analizar la formación de especies en la serie de pentaminas, podemos
observar el predominio a pH ácido de especies mononucleares. Únicamente
en el diagrama del receptor Phen3223 coexisten especies mono y binucleares
en la zona de pH más bajo. A partir de pH 6.0 y en todo el intervalo de pH
básico, la totalidad de especies formadas son binucleares para los cuatro
receptores cíclicos Py3223, mB3223, pB3223 y Phen3223.
La presencia de espaciadores aromáticos introducen diferencias en cuanto al
número y tipo de especies binucleares detectadas en el intervalo de pH
estudiado. En principio, lo más destacable es que, en el caso de los
receptores Py3223 y mB3223, la formación de complejos binucleares sólo es
factible en forma de hidroxocomplejos. Si atendemos al número de especies
formadas, el receptor mB3223 solo presenta la especie [Cu2L(OH)2]2+que
predomina en todo el intervalo de pH a partir de 6.0. El receptor pB3223, es
capaz de formar, además, las especies [Cu2L]4+, [Cu2L(OH)]3+y
[Cu2L(OH)2]2+. Por último, el receptor Phen3223 forma las especies
[Cu2L]4+, [Cu2HL]5+, [Cu2L(OH)]3+, y, en una situación intermedia, se
encuentra el receptor Py3223 con dos especies predominantes a partir de pH
6.0, [Cu2L(OH)]3+y [Cu2L(OH)2]2+.
En la serie de hexaminas el papel coordinante del nitrógeno piridínico se
revela como decisivo en la formación del complejos binucleares. La
134 B. Altava, M. I. Burguete, S. V. Luis, J. F. Miravet, E. García-España, V. Marcelino, C. Soriano, Tetrahedron. 1997, 53, 4751.
135 E. Kimura, I. Nakamura, T. Koike, M. Shionoya, Y. Kodama, T. Ikeda, M. Shiro, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 4771.
136 T. Koike, S. Kajitani, E. Kimura, I. Nakamura, M. Shiro, J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 1210.
137 C. Bazzicalupi, A. Bencini, E. Berni, S. Cianttini, A. Bianchi, C. Giorgi, P. Paoletti, B. Valtancoli, Inorg. Chim. Acta. 2001, 317, 259.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 137
constante del receptor mB32223 (log KM2L= 27.46) es la más baja de la serie
y corresponde al único receptor que no contiene piridina. Esta constante es
tres órdenes de magnitud inferior a su homólogo con idéntica cadena
poliamínica, el receptor Py32223 (log KM2L= 30.21).
Respecto al número y tipo de especies binucleares formadas por los
receptores cíclicos de la serie, el aumento a siete átomos de nitrógeno en los
receptores que contienen piridina Py22222, Py33233 y Py32223, disminuye
la formación de especies dihidroxiladas favoreciendo la estabilidad de la
especie [Cu2L]4+. En los tres receptores piridínicos esta especie predomina
en el intervalo de pH entre 4.0 y 8.0 con un porcentaje de formación del
100%. A diferencia de estos, en el receptor mB32223 la especie [Cu2L]4+
solo cuenta con un porcentaje de formación del 20%, predominando a partir
de pH 6.0, las especies [Cu2L(OH)]3+y [Cu2L(OH)2]2+.
Por último, es significativa la similitud existente en los diagramas de
distribución de especies para esta relación molar, del receptor de la serie de
pentaminas pB3223 y en los receptores hexamínicos Py33233 y mB32223.
En los tres casos, a un pH relativamente bajo, la formación de la especie
[Cu2L]4+ se ve desfavorecida y comienza a ser reemplazada por la
monohidroxilada [Cu2L(OH)]3+. Si atendemos en las Tablas 5.1 y 5.2, el
valor de las constantes de la reacción de formación de esta especie (M2L +
H2O M2L(OH) + H) para los tres receptores pB3223 Py33233 y
mB32223, es indicativo de la actuación del ión hidroxilo (OH-) como
ligando puente entre los dos centros metálicos.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 138
5.2.- Constantes de estabilidad de los complejos de Zn2+
En las Tablas 5.3 y 5.4, se detallan, respectivamente, los logaritmos de las
constantes de estabilidad para la formación de complejos de Zn2+ con los
receptores pentamínicos 3223, Py3223, mB3223, pB3223 y Phen3223 y los
hexamínicos, Py33233, 32223 y Py32223. Estas fueron determinadas
potenciométricamente para relaciones molares M: L (1:1) y (2:1) a 298.1 ±
0.1 K y fuerza iónica constante 0.15 mol·dm-3 de NaCl para Phen3223, y 0.15
mol·dm-3 de NaClO4 para el resto de los receptores. El cálculo de las
constantes se realizó con el programa HYPERQUAD1. Con los datos
mostrados en las tablas y el programa HYSS2 se han elaborado los diagramas
de distribución, Figuras 5.6 y 5.7.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 139
Tabla 5.3. Logaritmos de las constantes de estabilidad para los complejos de Zn2+
formados con los receptores pentamínicos, determinadas a 298.1 ± 0.1 K y fuerza
iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4 para 3223, Py3223, mB3223, pB3223 y 0.15
mol·dm-3 de NaCl para Phen3223.
REACCIÓNA L1 L2 L4 L9 L10 M + L ML 13.01(1)b 14.96(2) 9.72(2) 13.12(5) 10.96(2)
ML + H HML 7.43(1) 7.72(1) 7.14(6) 8.45(2) HML + H H2ML 7.28(5) 6.96(2) H2ML + H H3ML 6.59(6) 6.11(2) H3ML + H H4ML 3.96(2)
M + L + H2O ML(OH) + H 1.88(2) -0.16(2) 4.99(5)
M + L + 2H2O ML(OH) 2 + 2H -4.92(5)
2M + L M2L 16.26(3) M2L + H M2HL 6.28(2) 2M + L + H2O
M2L(OH) + H 8.48(4)
2M + L + 2H2O M2L(OH) 2 + 2H -1.35(5)
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son la desviación estándar de la última cifra significativa.
L4 mB3223
N
NN
N
NN N
NN
N
N
L1 3223 L2 Py3223 L10 Phen3223
N
NN
N
N
HH
HH
H2HH2
H
H
H H H
H
H
H
HHH
H H
N
NN
NN
N
N
NN
N
NN
H
H
HH
H
L9 pB3223
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 140
Figura 5.6. Diagramas de distribución para relaciones molares M: L (1:1) y (2:1) de
los complejos de Zn2+ formados con los receptores pentamínicos 3223, Py3223,
mB3223, pB3223 y Phen3223. [M] = [L] = 1×10-3 mol·dm-3
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
n
Zn ZnLZnHL
ZnL(OH)
Zn : 3223 (1 : 1)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
n
ZnZnL
ZnHL
ZnL(OH)
Zn : mB3223 (1 : 1)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
n
ZnZnH3L
ZnH2L
ZnHL
ZnL
ZnL(OH)ZnL(OH)2
Zn : pB3223 (1 : 1)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
n
Zn
ZnH4L
ZnH3LZnH2L
ZnHL ZnL
Zn : Phen3223 (1 : 1)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
n Zn
ZnH4L
ZnH3L
ZnH2LZnHL
Zn2L
Zn2HL
Zn2L(OH)Zn2L(OH)2
Zn : Phen3223 (2 : 1)
Zn : Py3223 (1 : 1)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
n
Zn ZnL
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 141
Tabla 5.4. Logaritmos de las constantes de estabilidad para los complejos de Zn2+
formados con los receptores hexamínicos, determinadas a 298.1 ± 0.1 K y fuerza
iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4 para Py33233, 32223, Py32223
NN N
N N
N N
NN N
N N
N N
L5 Py33233 L6 32223 L7 Py32223
N N
N N
N N
H2 H2
H H
H H
HH
H
HH
H
HH
H
HH
H
REACCIÓNA L5 L6 L7 M + L ML 10.76(3)b 14.46(2) 10.78(4)
ML + H HML 9.28(2) 9.27(1) 9.33(2) HML + H H2ML 6.65(5) 6.11(1) 6.37(1) H2ML + H H3ML 6.96(3) 7.31
2M + L M2L 15.69(4) 15.57(7) 2M + L + H2O M2L(OH) +
H 8.10(2) 8.09(2)
2M + L + 2H2O M2L(OH) 2 + 2H -1.80(3) 2.66(2) -1.79(4)
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son la desviación estándar de la última cifra significativa.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 142
Figura 5.7. Diagramas de distribución para relaciones molares M: L (1:1) y (2:1) de
los complejos de Zn2+ formados con los receptores hexamínicos Py33233, 32223,
Py32223. [M] = [L] = 1×10-3 mol·dm-3
De acuerdo con los resultados obtenidos no existen complejos binucleares en
la serie a excepción del receptor Phen3223, que presenta las especies
[Zn2L]4+, [Zn2HL]5+, [Zn2L(OH)]3+y [Zn2L(OH)2]+2.
Los resultados obtenidos para la serie de receptores hexamínicos, indican la
presencia especies mono y binucleares en todos los receptores cíclicos de la
serie Py33233, 32223, Py32223. Los receptores Py33233, Py32223 y
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100%
form
atio
n re
lativ
e to
Zn Zn
ZnH3L ZnH2L
ZnHL
ZnL
ZnL(OH)
Zn2LZn2L(OH)
Zn2L(OH)2
Zn : Py33233 (1:1)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
n Zn
ZnH3LZnH2L
ZnHL Zn2L
Zn2L(OH)Zn2L(OH)2
Zn : Py33233 (2:1)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
n
Zn
ZnH2L
ZnHL
ZnL
Zn : 32223 (1:1)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
n Zn
ZnH2L
ZnHL
Zn2L(OH)2
Zn : 32223 (2:1)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
n
Zn ZnH3L
ZnH2L
ZnHLZnL
ZnL(OH)
Zn2L(OH)2
Zn : Py32223 (1:1)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
n Zn
ZnH3L
ZnH2L
ZnHL Zn2L
Zn2L(OH)Zn2L(OH)2
Zn : Py32223 (2:1)
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 143
Phen3223, que contienen en su estructura siete átomos de nitrógeno,
muestran una gran similitud en los valores de las constantes de estabilidad
que presentan así como en las especies binucleares formadas, tal y como se
refleja en los diagramas de formación de especies de las Figuras 5.6 y 5.7.
Por esta razón se analizarán a continuación de manera conjunta en relación
molar M: L (2:1).
La nuclearidad de los complejos formados depende en gran medida de la
relación molar M/L del sistema, en el cual han sido realizadas las medidas.
5.2.1.- Análisis de los resultados obtenidos en relación molar Zn2+:
L (1:1)
Para la serie de pentaminas en relación molar M: L (1:1), el modelo más
simple de especiación corresponde al receptor Py3223 con la presencia de un
solo complejo de estequiometría [ZnL]2+ en condiciones de gran estabilidad
termodinámica con la contante de estabilidad más alta de la serie Py3223
(log KML= 14.96). A diferencia de Py3223, los receptores 3223 y mB3223
son capaces de formar la especie monoprotonada [ZnHL]3+ a un pH neutro y
la monohidroxilada [ZnL(OH)]+1 a pH básico.
En el receptor Py3223, el complejo [ZnL]2+ predomina en solitario en el
intervalo de pH 6.0 a 10.0, mientras que en los receptores mB3223 y pB3223
dicha especie se ve desfavorecida y comienza a ser reemplazada por las
especies hidroxiladas a partir de pH 8.0. Los receptores pB3223 y Phen3223
presentan la mayor variedad de especies mononucleares de estequiometría
[ZnHxL]2+x, con x que varía desde 3 hasta -2 para pB3223 y de 4 a 0 para
Phen3223.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 144
Por otro lado, para la serie de hexaminas en relación molar M: L (1:1), los
receptores Py33233, 32223 y Py32223 presentan especies mononucleares
formadas de estequiometría [ZnHxL]2+x con x que varía desde 3 hasta -1 para
Py33233 y Py32223 y de 2 a 0 para 32223.
Como en el estudio realizado para el ión metálico Cu2+, un importante
aspecto a discutir, es el número de átomos dadores de nitrógeno se
encuentran involucrados en la unión al ión metálico Zn2+. En el caso de las
dos series a estudio, la cuestión sólo cobra sentido cuando hablamos de
complejos en relación molar M: L (1:1), ya que la formación de especies
binucleares requieren necesariamente la implicación de todos los nitrógenos
presentes en los receptores.
Como se ha detallado con anterioridad, una importante herramienta en la
evaluación de los resultados obtenidos, son los datos de estabilidad de
receptores relacionados, que se detallan a continuación en la Figura 5.8. En
este conjunto de datos disponibles, el número de grupos coordinantes ya han
sido establecidos con exactitud, mediante difracción de rayos X de las
correspondientes estructuras cristalinas de los complejos.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 145
N
NN
N NN
N
N
HHH
H
H
H
N
N
N
N
H
H
H
H H HN N
N
HH
H
[9]aneN3 [10]aneN3 [11]aneN3
mB323
Py22 Py33
log KZnL= 11.6 log KZnL= 11.3 log KZnL= 10.4
log KZnL= 9.8 log KZnL= 10.1
log KZnL= 14.4 log KZnL= 12.8
H H
HH
NN
N
N
H
H
H
log KZnL= 14.3
Py32
H
HH
HH
mB2222
N N
NN
N
N
N NN N
N
Figura 5.8. Constantes de estabilidad de la especie [ZnL]2+ para los
poliazacicloalcanos y poliazaciclofanos
Si atendemos a los valores del complejo [ZnL]2+ en los receptores de ambas
series, reflejados en las Tablas 5.3 y 5.4, los resultados obtenidos nos
permite agrupar a los receptores en dos grupos bien diferenciados.
En primer lugar, situaríamos a el grupo formado por los receptores mB3223
(log KML= 9.72), Py33233 (log KML= 10.76), Py32223 (log KML= 10.78) y
Phen3223 (log KML= 10.96), que presentan constantes muy similares a los
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 146
poliazaciclofanos mB323 7 y mB2222138. Para éstos, la literatura indica que
son tres los grupos amino enlazados al metal y así lo apoya el hecho de que
sus constantes sean del mismo orden, que las encontradas para los tres
receptores que presentan tres átomos dadores, los triazacicloalcanos9
[9]aneN3, [10]aneN3 y [11]aneN3.
Por otro lado, en los datos recopilados para los poliazapiridinofanos10 Py22,
Py32 y Py33, la literatura indica la participación de cuatro grupos básicos, en
la formación del complejo [ZnL]2+ Estos receptores muestran valores de sus
constantes, muy similares a las de los receptores 3223 (log KML= 13.01),
Py3223 (log KML= 14.96), pB3223 (log KML= 13.12) y 32223 (log KML=
14.46).
5.2.2.- Análisis de los resultados obtenidos en relación molar Zn2+:
L (2:1)
El aumento de la concentración de Zn2+ en la disolución hasta alcanzar
relación molar M: L (2:1), permite a los receptores Py33233, 32223,
Py32223 y Phen3223 la formación de especies binucleares a partir de pH
6.0.
El aspecto más relevante de los complejos binucleares formados por los
cuatro receptores, es que tienen lugar en forma de especies mono y
dihidroxiladas, con un porcentaje de formación de más del 80%, a un pH
relativamente bajo. De hecho, la especie [Zn2L]4+ sólo es representativa para
el receptor Phen3223 en el intervalo de pH 6.0 a 9.0, con un porcentaje de
138 Tesis de D. José Miguel Llinares, “Síntesis, Protonación y Química de Coordinación de Receptores Polinitrogenados con Unidades Aromáticas”.
Universidad de Valencia, Marzo 1998.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 147
formación del 60%. En el receptor acíclico 32223, la especie ni siquiera se
detecta y para los receptores Py33233 y Py32223 en el mismo intervalo de
pH, su porcentaje de formación no supera el 20%.
Esta tendencia hidrolítica mostrada por los receptores Py33233, 32223,
Py32223 y Phen3223 podría ser utilizada para que actuaran como receptores
abióticos139,140,141, mimetizando la actividad de enzimas como las Zinc-
hidrolasas. Estos enzimas, utilizan dos centros metálicos de Zn2+ para la
activación de ciertos substratos. En muchas ocasiones, el nucleófilo es un
grupo hidroxilo que generalmente se forma por la desprotonación de una
molécula de agua coordinada.
139 E. Kimura, Prog. Inorg. Chem. 1994, 41, 443.
140 E. Kimura, H. Hashimoto, T. Koike, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 10963.
141 E. Kimura, T. Koike, Adv. Inorg. Chem. 1997, 44, 229.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 148
5.3.- Estudios Cinéticos
Las conclusiones derivadas de los datos potenciométricos sobre los entornos
de coordinación para el Cu2+ pueden ser contrastadas mediante estudios
como el que trata el presente apartado donde se analiza la disociación de los
complejos metálicos provocada por la disminución del pH. Este tipo de
experimentos consisten en la adición de cantidades crecientes de ácido a
disoluciones del receptor y Cu2+ para desplazar el equilibrio de complejación
hacia los reactivos por protonación de los grupos amino.
[CuHxL](2+x)+ + H+exc → Cu2+ + [HxL]x+ [5.1]
Las cinéticas de este tipo de procesos de descomposición han sido
ampliamente estudiadas por el grupo del profesor Manuel García Basallote,
proporcionando información tanto de los propios procesos de
descomposición como de las propiedades de los complejos.
A continuación se realizará una breve descripción de las experiencias de esta
naturaleza que han sido aplicadas a los receptores pentamínicos 3223,
Py3223 y Phen3223.
5.3.1.- Cinética de descomposición de los complejos de Cu2+ de los
receptores 3223 y Py3223
Para el receptor 3223142, los diagramas de distribución en relación molar 1:1
mostraban la formación de tres especies CuL2+, CuHL3+ CuH2L4+de los
142 P. Díaz, M. G. Basallote, M. A. Mañez, L. Gil, E. García-España, J. Latorre, C. Soriano, B. Verdejo, S. V. Luis, Dalton Trans. 2003, 1186
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 149
cuales el tercero no se ha tenido en cuenta porque apenas presenta un 30%
de formación. Las cinéticas de descomposición de los dos complejos tienen
lugar en un único paso. La representación de los datos de k1obs en función de
la concentración de ácido, incluidos en la Figura 5.9, da lugar a una recta
que pasa por el origen y que viene expresada por la ecuación [5.2]:
kobs = b[H+] [5.2]
La constante de proporcionalidad b, deducida a partir de la pendiente de la
recta anterior es 216 ± 3 mol-1·dm3 s-1, para la especie CuL2+ y 219 ± 3
mol-1·dm3 s-1 para la especie CuHL3+, valores que pueden considerarse
equivalentes.
Para el receptor Py322321 tres han sido las especies estudiadas, dos
mononucleares (CuL2+, CuHL3+) y una binuclear (Cu2L(OH)3+).
Figura 5.9. Representación de la dependencia de la constante de velocidad
observada con la concentración de ácido, en la descomposición de los complejos
Cu2+ con los receptores 3223 (L) y Py3223 (L1)
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 150
Tal y como muestran los datos recogidos en la Figura 5.9, la
descomposición de los complejos ocurre en dos etapas cuyas constantes de
velocidad k1obs y k2obs varían con la concentración de ácido de acuerdo con
las ecuaciones [5.3] y [5.4]:
[5.3]
[5.4]
A pesar de las aparentes diferencias, las ecuaciones [5.2], [5.3] y [5.4]
derivan de la ecuación [5.4], la cual ha sido deducida para analizar el
comportamiento cinético de sistemas de características similares143
La ley de velocidad puede ser interpretada en términos del mecanismo
descrito144 por las siguientes ecuaciones [5.5]-[5.7]:
ML (ML)* k1, k-1 [5.5]
(ML)* + H+ → M + HL kH [5.6]
(ML)* + H2O → M + HL+ kH2O [5.7]
143 M. G. Basallote, J. Durán, M. J. Fernández- Trujillo, M. A. Mañez, J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1999, 3817.
144 R. A. Read, D. W. Margerum, Inorg. Chem. Soc. 1981, 20, 3143.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 151
Donde se considera la formación inicial, bajo condiciones de estado
estacionario de una especie activada (ML)* en la que tiene lugar una
debilitación de los enlaces Cu-N pero sin que sean reemplazados por ningún
otro ligando. Este primer paso es seguido por un ataque paralelo de protones
del ácido añadido y/o disolvente que conduce a la descomposición final del
complejo. Los cambios experimentados en los espectros de los complejos,
durante el transcurso de la descomposición permiten calcular el espectro del
intermedio de la reacción. En todos los casos, la situación encontrada ha sido
similar con el intermedio representado por una banda débil centrada sobre
600 nm aproximadamente, tal y como se muestra en la Figura 5.10, para el
caso de la especie CuHL3+.
Figura 5.10. Espectros de absorción para la reacción de descomposición de la
especie CuHL3+ del receptor Py3223
Los parámetros mecanísticos k1, kH/ kH2O y k-1/ kH2O han sido calculados a
partir de los parámetros a, b y c mediante las siguientes ecuaciones:145
145 M. J. Fernández- Trujillo, B. Szpoganicz, M. A. Mañez, L. T. Kist, M. G. Basallote, Polyhedron. 1996, 15, 3511.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 152
k1 = b / c
kH/ kH2O = b / a
k-1/ kH2O= [b /( a × c)] -1
5.3.2.- Cinética de descomposición de los complejos de Cu2+ del
receptor Phen3223
Un proceso de interés en la química de complejos macrocíclicos, lo
constituye el movimiento del ión metálico dentro de la cavidad del
macrociclo inducido por un gradiente de protones, como el que se expone
para el receptor Phen3223146.
Este fenómeno, que produce cambios en la estructura del complejo y su
posterior reestructuración molecular es una característica clave que tiene su
paralelismo en los sistemas biológicos. Algunos ejemplos de movimientos
acoplados a cambios en la concentración de protones son la rotación de la
proteína γ que actúa como eje en la F0/F1 ATP-sintasa147, y el cambio en la
coordinación del Cu2+ en la proteína CopC.148
Los complejos mononucleares que contienen dos sitios de coordinación
pueden servir como modelos para estudiar este tipo de movimiento
molecular elemental. En el caso del receptor Phen3223, la valoración de
disoluciones en presencia de iones Cu2+ muestra cambios en el espectro UV-
146 A. Mendoza, J. Aguilar, M. G. Basallote, L. Gil, J. C. Hernández, M. A. Mañez, E. García-España, L. Ruiz-Ramirez, C. Soriano, B. Verdejo, Chem. Commun. 2003, 3032 147 P. D. Boyer, Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 2296.
148 L. Zhang, M. Koay, M. J. Maher, Z. Xiao, A. G. Wedd, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 5834.
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 153
visible, desplazándose el máximo desde 770 nm hasta 584 nm como muestra
la Figura 5.11.
Este cambio tiene lugar según la reacción [CuH4L]6+ → [CuHL]3+ + 3H+ al
pasar de disoluciones ácidas donde predomina la especie [CuH4L]6+, hasta
valores de pH 6.0 donde la especie [CuHL]3+ es la única existente en la
disolución.
Figura 5.11. Espectro UV-visible en función del pH, para el sistema Cu2+-Phen3223
El complejo [CuHL]3+ se descompone en dos etapas cinéticamente
distinguibles. A bajas concentraciones de ácido añadido se detectan
pequeñas cantidades de la especie [CuH4L]6+. La dependencia de las
constantes de velocidad para ambas etapas se ajusta a la ecuación [5.8]
[5.8]
0
0.05
0.1
0.15
450 500 550 600 650 700 750 800 850
λ(nmm)
Abs
orba
nce
pH=3.1
pH=3.5
pH=4.1
pH=4.4
pH=4.6
pH=5.0
pH=8.6pH=6.1
pH=5.6
Capítulo 5. Estudio de interacción de los receptores con Cu2+ y Zn2+ 154
La cinética de descomposición del complejo [CuH4L]6+ es más lenta y se
ajusta a la ecuación [5.9]
[5.9]
Mediante experimentos de flujo detenido, se pudo confirmar que el
intermedio detectado durante la descomposición de [CuHL]3+ tiene una
banda de absorción en torno a 690 nm, una posición intermedia entre las
bandas mostradas por [CuHL]3+ y [CuH4L]6+. Esto sugiere la coordinación
simultánea de la subnidad fenantrolina y los grupos amino alifáticos, por los
que el cambio de sitio del metal, desde la poliaminas a la subunidad
fenantrolina, ocurre a través de una especie que contiene el ión metálico
parcialmente coordinado con ambas subunidades donadoras de electrones.
Figura 5.12. Ilustarción del movimiento del Cu2+ dentro del receptor Phen3223,
donde se puede observar el cambio estructural del complejo
6.- Estudio de la interacción
con ATP, ADP y AMP.
Formación de complejos ternarios
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 157
6. – Estudio de interacción de los receptores con los
nucleótidos ATP, ADP y AMP. Formación de complejos
ternarios
6.1.- Estudio potenciométrico de interacción con los
nucleótidos ATP, ADP y AMP
Como se ha descrito en la introducción teórica, dentro del ámbito de la
química supramolecular se ha comprobado la capacidad de ciertas
poliaminas macrocíclicas para interaccionar selectivamente con
nucleótidos149,150,151,152. Siguiendo con esta línea de investigación, hemos
estudiado la interacción de nuestros receptores con los nucleótidos ATP,
ADP y AMP.
En la parte superior de las Tablas 6.1– 6.7 se detallan las constantes de
asociación globales ó acumuladas en unidades logarítmicas de los aductos
formados entre los receptores 3223, Py3223, mB3223, Py33233, 32223,
Py32223 y mB32223 y los nucleótidos ATP, ADP y AMP. Estas constantes
fueron determinadas potenciométricamente para una relación molar ligando:
anión 1:1, y una concentración de receptores y substratos que se varía entre
5×10-4 mol·dm-3 y 5×10-3 mol·dm-3. Todas las valoraciones se realizaron a
temperatura y fuerza iónica constante, 298.1 ± 0.1 K y 0.15 mol·dm-3 de
NaClO4. El cálculo de las constantes se realizó con el programa
149 Z. Jiang, P. Chalabi, K. B. Mertens, H. Jahansouz, R. H. Himes, M. P. Mertens, Bioorg. Chem. 1989, 17, 313. 150 M. W. Hosseini, A. J. Blacker, J. M. Lehn, J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 3896.
151E. García-España, P. Díaz, J. M. Llinares, A. Bianchi, Coord. Chem. Rev. 2006, 250, 2952. 152 C. Bazzicalupi, A. Bencini, V. Lippolis, Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 3709.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 158
HYPERQUAD153. Con los datos mostrados en estas tablas y el programa
HYSS154 se elaboraron los diagramas de distribución, Figuras 6.3– 6.9.
Tanto en las reacciones esquemáticas detalladas en las tablas como en las
figuras de los diagramas de distribución de especies, las cargas se han
omitido para simplificar.
En disolución acuosa, tanto los receptores poliamínicos (L) como los
substratos aniónicos (A) son especies que intervienen en equilibrios ácido-
base con el disolvente. Por tanto, los valores de las constantes de asociación
acumuladas de los aductos formados que el programa HYPERQUAD
proporciona, se ven afectados por los diferentes equilibrios ácido-base en los
que receptor y substrato participan. Las constantes globales obtenidas que se
muestran en la parte superior de las Tablas 6.1– 6.7, no son muy adecuadas
para extraer conclusiones acerca de la magnitud de la interacción, por lo que
es necesario descomponerlas en constantes sucesivas de formación, que
reflejen de forma más apropiada los equilibrios que tienen lugar. Estas
constantes se detallan en la parte inferior de las tablas.
153 A. Sabatini, A. Vacca, P. Gans. Talanta. 1996, 43, 1739. 154 P. Gans. Program to determine the distribution of especies in multiequilibria systems from the
stability constants and mass balance equations.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 159
Tabla 6.1. Constantes de asociación en unidades logarítmicas, para los aductos
formados por el receptor 3223 y los nucleótidos ATP, ADP y AMP, determinadas a
298.1 ± 0.1 K y fuerza iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son las desviaciones estándar de la última cifra significativa.
Para explicar el procedimiento seguido en el cálculo de las constantes
sucesivas de formación, tomaremos como ejemplo la formación del aducto
formado por el receptor 3223 y el ATP. En parte superior de la Figura 6.1 se
muestran los diagramas de distribución de especies protonadas en función
del pH del receptor 3223 y el ATP En parte inferior de la misma, se detalla
el diagrama de distribución de los aductos formados entre ambos. Los
aductos varían de la especie [HLA]3- a la [H8LA]4+.
En primer lugar, hay que definir los intervalos de pH donde predominan
cada uno de los aductos formados y rechazar, entre todos los equilibrios de
Reaccióna ATP ADP AMP A + H +L HLA 13.87(7)b 12.87(2)
A + 2H +L H2LA 24.25(4) 22.90(2) 22.94(2) A + 3H +L H3LA 33.46(4) 32.17(2) 31.97(2) A + 4H +L H4LA 42.10(3) 40.44(2) 39.89(2) A + 5H +L H5LA 49.03(4) 47.16(3) 46.31(3) A + 6H +L H6LA 53.47(4) 51.47(4) 50.17(3) A + 7H +L H7LA 56.75(4) 54.85(4) 52.63(3) A + 8H +L H8LA 58.99(1)
A + HL HLA 3.3 2.3 A + H2L H2LA 3.8 2.5 2.5 A + H3L H3LA 4.3 3.0 2.8 A + H4L H4LA 5.4 3.8 3.2
HA + H3L H4LA 6.7 5.1 4.7 A + H5L H5LA 8.8 6.9 6.1
HA + H4L H5LA 6.1 4.3 3.6 HA + H5L H6LA 7.0 5.1 3.9 H2A+ H4L H6LA 6.5 4.7 3.5 H2A + H5L H7LA 6.3 4.6 2.4 H3A +H5L H8LA 6.7
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 160
formación posibles, aquellos que no tienen una existencia real en el intervalo
de pH analizado o a valores próximos. Hay que tener en cuenta, que la
interacción entre una especie aniónica y un receptor cargado positivamente,
susceptibles ambos de participar en procesos de protonación, hace que
aumente la basicidad del receptor y la acidez del anión. Por lo tanto sus
constantes de protonación se desplazarán ligeramente con el pH.
Figura 6.1. Diagramas de distribución para el receptor 3223, el ATP y de los
aductos formados entre ambos
Con la aplicación de este criterio, en la zona de predominio de los aductos
[HLA]3-, [H2LA]2- y [H3LA]- únicamente existe el ATP en su forma
completamente desprotonada (A4-). Por tanto, la formación de los tres
aductos debe tener lugar a partir de los equilibrios siguientes:
A4- + HL+ [HLA]3-
A4- + H2L2+ [H2LA]2-
A4- + H3L3+ [H3LA]-
3223
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to L
L
HL
H2LH3L
H4LH5L
ATP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A A
HA
H2A
H3A
3223 : ATP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
HLA
H2LAH3LA
H4LA
H5LAH6LAH7LA
H8LA
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 161
A continuación, analizaremos para ejemplo propuesto la formación a pH=4.0
del aducto [H6LA]2+ que podría ser el resultado de tres equilibrios diferentes:
A4- + H6L6+ [H6LA]2+
HA3- + H5L5+ [H6LA]2+
H2A2- + H4L4+ [H6LA]2+
Con la aplicación del criterio descrito, descartaríamos el primero de los
equilibrios porque en la zona de predominio del aducto hexaprotonado
[H6LA]2+ es demasiado ácida para que en disolución exista el ATP en su
forma completamente desprotonada.
A continuación, es el momento de deducir que especies prevalecen en
disolución en el intervalo de pH escogido. Para esta evaluación, se ha
sugerido155 definir una constante condicional (Kcond) para cada valor de pH
que se podrá comparar con los equilibrios propuestos con anterioridad y
decidir la contribución de cada uno de ellos a la formación de la especie
[H6LA]2+
El cálculo del parámetro analítico se realiza mediante la aplicación de la
expresión siguiente:
Kcond=Σ[Hi+jAL] /( Σ[HiA] ×Σ[HjL])
155 M. T Albelda, M. A. Bernardo, E. García-España, M. L. Godino, S. V. Luis, M. J. Melo, F. Pina, C. Soriano, J. Chem. Soc., Perkin Trans 2. 1999, 11, 2545.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 162
Donde el término Σ[HiA] es la cantidad total de substrato libre, el término
Σ[HjL] es la cantidad total de receptor libre y el término Σ[Hi+jAL]) es la
cantidad de aducto formado a un determinado pH. En la práctica resulta
conveniente utilizar representaciones gráficas del tipo logaritmo Kcond vs
pH. Con la observación de las gráficas se establece si la constante de
formación sucesiva deducida para cada aducto, resulta desproporcionada ó
no, al compararla con el valor que presenta la constante de formación
condicional, en la zona de pH de predominio de cada aducto.
Figura 6.2. Representación gráfica del logaritmo de Kcond vs pH para 3223-ATP
En el caso del aducto [H6LA]2+ que estamos discutiendo, los valores
calculados de las constantes sucesivas que se muestran en la parte inferior de
la Tabla 6. 1 son las siguientes:
HA3- + H5L5+ [H6LA]2+ log K = 7.0
H2A2- + H4L4+ [H6LA]2+ log K = 6.5
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 163
Si observamos en la Figura 6.2, en todo el intervalo de pH ningún valor de
logaritmo Kc alcanza el valor de 7.0. Por tanto, el más lógico de los
equilibrios propuestos es el segundo.
Este método se ha aplicado en todos los sistemas receptor-nucleótido que
hemos estudiado. La presentación de los resultados obtenidos para cada uno
de los sistemas se ha indicando en la parte inferior de las Tablas 6.1 - 6.7. El
valor de la constante sucesiva rechazado se ha indicado con una línea de
tachado.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 164
L1 3223
H
H
H2N
N
N
NH2N
H
Figura 6.3. Diagramas de distribución de 3223 y los nucleótidos ATP, ADP y AMP.
Representación de Kcond y % complejado frente al pH.
3223 : ATP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
HLA
H2LAH3LA
H4LA
H5LAH6LAH7LA
H8LA
3223 : AMP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A A
HA
H2A
HLAH2LAH3LA
H4LA
H5LA
H6LA
H7LA
3223 : ADP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
HA
H2AH2LA
H3LA
H4LA
H5LA
H6LA
H7LA
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 165
Tabla 6.2. Constantes de asociación en unidades logarítmicas, para los aductos
formados por el receptor Py3223 y los nucleótidos ATP, ADP y AMP, determinadas
a 298.1 ± 0.1 y fuerza iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son las desviaciones estándar de la última cifra significativa.
Reaccióna ATP ADP AMP A + H +L HLA 13.50(1) b 12.96(1) 14.07(5)
A + 2H +L H2LA 23.46(4) 22.31(1) 23.07(5) A + 3H +L H3LA 32.06(4) 30.59(1) 30.17(9) A + 4H +L H4LA 40.11(4) 38.26(4) 37.18(7) A + 5H +L H5LA 46.92(5) 44.31(5) 43.55(4) A + 6H +L H6LA 51.22(5) 48.54(6) 47.31(8) A + 7H +L H7LA 54.06(6) 51.28(7) A + 8H +L H8LA
A + HL HLA 3.5 3.0 4.1 A + H2L H2LA 4.1 2.9 3.7 A + H3L H3LA 4.8 3.3 2.9 A + H4L H4LA 6.1 4.2 3.2
HA + H3L H4LA 6.6 4.8 3.8 A + H5L H5LA 9.9 7.3 6.5
HA + H4L H5LA 6.7 4.1 3.5 HA + H5L H6LA 7.9 5.4 4.2 H2A+ H4L H6LA 7.0 4.5 3.3 H2A + H5L H7LA 6.8 4.2
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 166
N
NN
N
NN
H
H
H
H
H
L2 Py3223
Figura 6.4. Diagramas de distribución de Py3223 y los nucleótidos ATP, ADP y
AMP. Representación de Kcond y % complejado frente al pH.
Py3223 : ATP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
HLA
H2LAH3LA
H4LAH5LAH6LA
H7LA
Py3223 : ADP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
HA
H2A
HLAH2LAH3LA
H4LAH5LAH6LA
H7LA
Py3223 : AMP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
HA
H2AHLA
H2LA
H3LAH4LA
H5LA
H6LA
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 167
Tabla 6.3. Constantes de asociación en unidades logarítmicas, para los aductos
formados por el receptor mB3223 y los nucleótidos ATP, ADP y AMP,
determinadas a 298.1 ± 0.1 K y fuerza iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son las desviaciones estándar de la última cifra significativa.
Reaccióna ATP ADP AMP A + H +L HLA 13.27(4)b 13.76(4)
A + 2H +L H2LA 23.17(4) 22.60(6) 23.28(5) A + 3H +L H3LA 31.79(4) 31.28(4) 31.54(6) A + 4H +L H4LA 39.80(5) 39.01(6) 38.87(6) A + 5H +L H5LA 46.25(5) 45.42(5) 45.19(5) A + 6H +L H6LA 50.71(5) 49.74(5) 49.32(4) A + 7H +L H7LA 53.22(6) A + 8H +L H8LA
A + HL HLA 3.3 3.7 A + H2L H2LA 3.6 3.0 3.7 A + H3L H3LA 4.2 3.6 3.9 A + H4L H4LA 5.1 4.3 4.2
HA + H3L H4LA 5.9 5.2 5.1 A + H5L H5LA 8.6 7.8 7.5
HA + H4L H5LA 5.3 4.6 4.4 HA + H5L H6LA 6.8 5.9 5.6 H2A+ H4L H6LA 5.8 4.9 4.7 H2A + H5L H7LA 5.4
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 168
N
NN
N
N
L4 mB3223
H
H
H
HH
Figura 6.5. Diagramas de distribución de mB3223 y los nucleótidos ATP, ADP y
AMP. Representación de Kcond y % complejado frente al pH.
mB3223 : ATP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
HAH2A
HLA
H2LAH3LA
H4LAH5LAH6LA
H7LA
mB3223 : ADP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
HAH2A H2LAH3LA
H4LA
H5LAH6LA
mB3223 : AMP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
HAH2A
HLA
H2LAH3LAH4LA
H5LAH6LA
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 169
Tabla 6.4. Constantes de asociación en unidades logarítmicas, para los aductos
formados por el receptor Py33233 y los nucleótidos ATP, ADP y AMP,
determinadas a 298.1 ± 0.1 K y fuerza iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son las desviaciones estándar de la última cifra significativa.
Reaccióna ATP ADP AMP A + H +L HLA
A + 2H +L H2LA 23.51(9)b 22.69(4) A + 3H +L H3LA 32.83 (4) 31.81 (2) A + 4H +L H4LA 41.01 (7) 39.99 (2) 39.97 (7) A + 5H +L H5LA 49.25 (3) 47.78 (1) 47.35 (5) A + 6H +L H6LA 56.83 (3) 54.71 (1) 53.97 (5) A + 7H +L H7LA 61.08 (5) 59.01 (1) 59.16 (6) A + 8H +L H8LA 64.18 (4) 62.58 (9)
A + HL HLA A + H2L H2LA 3.0 2.2 A + H3L H3LA 3.7 2.7 A + H4L H4LA 4.4 3.4 3.7
HA + H3L H4LA 5.6 4.7 4.8 A + H5L H5LA 5.5 4.1 3.6
HA + H4L H5LA 6.2 5.0 4.7 HA + H5L H6LA 6.7 4.8 4.2 H2A+ H4L H6LA 9.9 8.0 7.4 HA + H6L H7LA 5.9 4.1 4.4 H2A + H5L H7LA 7.1 5.2 5.6 H2A + H6L H8LA 5.2 4.0
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 170
NN N
N N
N N
H
H H
H
HH
L5 Py33233
Figura 6.6. Diagramas de distribución de Py33233 y los nucleótidos ATP, ADP y
AMP. Representación de Kcond y % complejado frente al pH.
Py33233 : ADP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A A
HA
H2A
H2LAH3LA
H4LA
H5LA
H6LA
H7LA
Py33233 : AMP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A A
HA
H2AH4LA
H5LA
H6LAH7LA
H8LA
Py33233 : ATP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A A
H2LA
H3LA
H4LA
H5LA
H6LAH7LA
H8LA
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 171
Tabla 6.5. Constantes de asociación en unidades logarítmicas, para los aductos
formados por el receptor 32223 y los nucleótidos ATP, ADP y AMP, determinadas a
298.1 ± 0.1 K y fuerza iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son las desviaciones estándar de la última cifra significativa.
Reaccióna ATP ADP AMP A + H +L HLA
A + 2H +L H2LA 24.34(3)b A + 3H +L H3LA 33.95(2) 32.50(1) 32.76(6) A + 4H +L H4LA 42.74(2) 41.49(3) 41.64(3) A + 5H +L H5LA 51.00(2) 48.83(3) 48.59(4) A + 6H +L H6LA 57.83(2) 54.81(3) 54.32(4) A + 7H +L H7LA 62.17(2) 59.09(4) 58.29(5) A + 8H +L H8LA 64.99(3) 62.19(4) 60.94(8)
A + HL HLA A + H2L H2LA 3.5 A + H3L H3LA 4.2 2.7 3.0 A + H4L H4LA 4.9 3.6 3.8
HA + H3L H4LA 6.5 5.5 5.8 A + H5L H5LA 7.2 5.1 4.8
HA + H4L H5LA 6.7 4.8 4.7 HA + H5L H6LA 7.6 4.9 4.4 H2A+ H4L H6LA 9.7 6.9 6.5 HA + H6L H7LA 8.8 6.0 5.4 H2A + H5L H7LA 8.1 5.3 4.7 H2A + H6L H8LA 7.8 5.2 4.0
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 172
L6 32223
H
H
H
H
H2N
N
N
N
N
H2N
Figura 6.7. Diagramas de distribución de 32223 y los nucleótidos ATP, ADP y
AMP. Representación de Kcond y % complejado frente al pH.
32223 : ATP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
H2LAH3LA
H4LA
H5LAH6LAH7LAH8LA
32223 : ADP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A A
HAH2A H3LA
H4LA
H5LA
H6LAH7LA
LAH8
32223 : AMP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
HAH2A
H3LA
H4LAH5LAH6LAH7LA
H8LA
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 173
Tabla 6.6. Constantes de asociación en unidades logarítmicas, para los aductos
formados por el receptor Py32223 y los nucleótidos ATP, ADP y AMP,
determinadas a 298.1 ± 0.1 K y fuerza iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son las desviaciones estándar de la última cifra significativa.
Reaccióna ATP ADP AMP A + H +L HLA 13.70(2) b 13.44(2) 13.93(1)
A + 2H +L H2LA 23.33(2) 22.96(3) 23.41(1) A + 3H +L H3LA 32.29(3) 31.68(3) 32.09(4) A + 4H +L H4LA 40.25(5) 39.48(4) 39.72(4) A + 5H +L H5LA 48.20(5) 46.85(5) 46.26(4) A + 6H +L H6LA 54.28(5) 52.26(5) 51.68(3) A + 7H +L H7LA 58.38(4) 56.12(5) 55.44(3) A + 8H +L H8LA 60.73(4) 58.60(5)
A + HL HLA 3.7 3.4 3.9 A + H2L H2LA 3.8 3.5 4.0 A + H3L H3LA 4.4 3.8 4.2 A + H4L H4LA 4.8 4.0 4.3
HA + H3L H4LA 5.9 5.4 5.7 A + H5L H5LA 6.9 5.5 4.9
HA + H4L H5LA 6.4 5.2 4.8 HA + H5L H6LA 6.6 4.8 4.3 H2A+ H4L H6LA 8.6 6.7 6.3 HA + H6L H7LA 7.8 5.8 5.2 H2A + H5L H7LA 6.8 4.7 4.1 H2A + H6L H8LA 6.3 4.4
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 174
NN N
N N
N N
H
H
H
H H
H
L7 Py32223
Figura 6.8. Diagramas de distribución de Py32223 y los nucleótidos ATP, ADP y
AMP. Representación de Kcond y % complejado frente al pH.
Py32223 : AMP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
AH2
HLAH2LA
H3LAH4LAH5LA
H6LAH7LA
Py32223 : ADP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
HAH2A
HLAH2LA
H3LA
H4LA
H5LAH6LAH7LAH8LA
Py32223 : ATP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
HLA
H2LAH3LA
H4LA
H5LAH6LAH7LA
H8LA
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 175
Tabla 6.7. Constantes de asociación en unidades logarítmicas, para los aductos
formados por el receptor mB32223 y los nucleótidos ATP, ADP y AMP,
determinadas a 298.1 ± 0.1 K y fuerza iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son las desviaciones estándar de la última cifra significativa.
Reaccióna ATP ADP AMP A + H +L HLA 14.65 (2) 14.34 (2)
A + 2H +L H2LA 24.62(2) 24.57(2) 24.24.(2) A + 3H +L H3LA 33.93 (3) 33.74 (2) 33.31 (3) A + 4H +L H4LA 42.40 (4) 41.86 (3) 41.24 (3) A + 5H +L H5LA 50.46 (4) 49.31 (3) 47.98 (3) A + 6H +L H6LA 57.18 (4) 55.40 (3) 53.40 (3) A + 7H +L H7LA 61.53 (4) 59.51 (4) 57.17 (4) A + 8H +L H8LA 63.85 (4) 62.02 (4)
A + HL HLA 4.1 3.8 A + H2L H2LA 4.3 4.3 4.0 A + H3L H3LA 4.8 4.6 4.2 A + H4L H4LA 5.5 5.0 4.3
HA + H3L H4LA 6.9 6.6 6.1 A + H5L H5LA 7.5 6.3 4.9
HA + H4L H5LA 7.1 6.2 5.0 HA + H5L H6LA 7.8 6.2 4.3 H2A+ H4L H6LA 10.4 8.4 6.5 HA + H6L H7LA 8.8 7.0 4.8 H2A + H5L H7LA 8.3 6.4 4.2 H2A + H6L H8LA 7.3 5.7
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 176
N N
N N
N N
L8 mB32223
H
H H
H
HH
Figura 6.9. Diagramas de distribución de mB32223 y los nucleótidos ATP, ADP y
AMP. Representación de Kcond y % complejado frente al pH.
mB32223 : ATP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
H2LAH3LA
H4LA
H5LAH6LA
H7LA
H8LA
mB32223 : ADP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
HAH2A
HLA
H2LA
H3LA
H4LA
H5LAH6LA
H7LAH8LA
mB32223 : AMP
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to A
A
H2A
HLAH2LA
H3LAH4LAH5LAH6LAH7LA
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 177
6.2.- Análisis de los resultados obtenidos
Como se desprende de los datos numéricos obtenidos y de los diagramas de
distribución de especies de las Figuras 6.3–6.9, los estudios de interacción
de los receptores poliamínicos con los nucleótidos ATP, ADP y AMP, se
caracterizan por el gran abanico de aductos formados, todos ellos
protonados. Dado que se trata de una asociación fundamentalmente de tipo
electrostático, la estabilidad y el grado de interacción, viene condicionado
por el pH del medio. En la medida que la acidificación del medio se
incrementa, también lo hace el número de cargas positivas en el receptor
poliamínico (L) y por tanto la estabilidad de las especies que se forman va en
aumento. Esta situación provoca que los aductos localizados en la zona de
pH básico, formados a partir del receptor con el grado de protonación más
bajo y el anión no protonado, son comparativamente poco estables y la
cantidad de anión libre (A) presente en el medio, tienda a ser importante. Por
este motivo, en condiciones equimoleculares de anión y receptor, las
especies [HLA]3-, [H2LA]2- y [H3LA]-, no suelen superar el 50% de
formación aunque se dan excepciones como en el caso del receptor Py3223
en su interacción con el nucleótido AMP, como muestra la representación de
logaritmo Kcond vs pH de la Figura 6.4.
Para todos los receptores a estudio el ATP interacciona más que el ADP y
éste más que el AMP. Sin embargo, en la zona de pH básico las especies
formadas por los macrociclos Py3223, mB3223 y Py32223, no siguen
estrictamente esta tendencia. Para estos receptores, si atendemos a la
representación de logaritmo Kcond vs pH de las Figuras 6.4, 6.5 y 6.8, el
AMP forma aductos más estables que el ADP e incluso que el ATP. En la
zona de pH básico, donde las interacciones de tipo electrostático son
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 178
menores dado que la carga de los receptores también lo es, éste
comportamiento recientemente investigado puede ser atribuido156 a la
formación de puentes de hidrógeno entre receptor y nucléotido así como a
interacciones de tipo π-stacking que se establecen entre los anillos
aromáticos de los receptores y la base nitrogenada (adenina) del nucleótido.
Si analizamos en los diagramas de distribución de especies de las Figuras
6.3– 6.9, la variedad de especies formadas en la interacción así como el
modo en que se hayan entremezcladas, complica el tratamiento de los datos
y la evaluación de la fortaleza de la unión. Por ello, como se ha apuntado con
anterioridad, a la hora de realizar estudios comparativos, tendremos en
cuenta la representación gráfica de las constantes de estabilidad
condicionales en función del pH. En concreto, estas constantes resultan
especialmente apropiadas para determinar la selectividad de la interacción,
término difícil de establecer en este tipo de sistemas dado que, receptor y
substrato, toman simultáneamente protones del medio, tanto en sus formas
libres como formando el aducto L- ATP.
De este modo, para los aductos formados por los receptores a estudio y el
ATP, las gráficas logaritmo Kcond vs pH de la Figura 6.10, nos señalan que
a pH básico la magnitud global de la interacción es la más reducida de todo
el intervalo de pH. En esta zona de pH, las diferencias de estabilidad entre
los distintos receptores son mínimas y por tanto en esta zona de pH se pierde
selectividad. A pH neutro y gradualmente en la medida que se acidifica el
medio de reacción, la magnitud global de la interacción incrementa hasta
alrededor de pH 4.0. A este pH es máxima para todos los receptores de las
156 P. Arranz, C. Bazzicalupi, A. Bianchi, C. Giorgi, M. D. Gutiérrez, R. López, M. L. Godino, B. Valtancoli. Chem. Commun., 2011, 47, 2814.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 179
dos series a excepción del receptor Py33233 que alcanza su máximo entorno
6.0. Este desplazamiento del máximo entorno a pH 6.0 para Py33233 es
debido al mayor carácter básico del receptor, respecto al resto de receptores
de la serie de hexaminas y que se ha descrito en el capítulo 4. Si recordamos
en este receptor, la formación de la especie hexaprotonada [H6L]6+ tenía
lugar a un pH más básico que el de sus análogos.
Figura 6.10. Representación de log Kc vs pH de los receptores con ATP
La magnitud global de la interacción en el intervalo de pH entre 4.0 y 7.0
sigue el orden:
mB32223 > 32223 > Py3223 > Py32223 > Py33233 > 3223 > mB3223
Según los resultados obtenidos, vamos a analizar la selectividad de los
receptores en función de la cadena poliamínica de la que derivan (3223,
32223). Para ello se ha representado en la Figura 6.11 el logaritmo Kcond
vs pH para los receptores 3223, Py3223 y mB3223. A continuación se ha
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 180
representado en la Figura 6.12 el logaritmo Kcond vs pH para los receptores
32223, Py32223 y mB32223 junto al receptor Py33233 que contiene el
mismo número de nitrógenos que el receptor Py32223.
Figura 6.11. Representación de log Kcond vs pH de los receptores 3223, Py3223 y
mB3223 con ATP
Figura 6.12. Representación de log Kcond vs pH de los receptores 32223, Py32223,
mB32223 y Py33233 con ATP
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 181
Para facilitar el análisis se detalla en la Tabla 6.8, las constantes de
estabilidad condicional obtenidas para las dos series a pH 4.0 y 7.0.
Tabla.6.8. Constantes de estabilidad condicional determinadas a pH 4.0 y 7.0
Kc (pH = 4.0) Kc (pH = 7.0) mB32223 1.30×108 3.89×106
32223 7.38×107 1.45×106 Py32223 4.37×106 4.08×105 Py33233 8.36×105 6.55×105
Py3223 6.40×106 5.32×105
3223 1.65×106 2.96×105 mB3223 3.65×105 7.28×104
Según el orden anterior, en términos de selectividad encontramos que en
torno a pH 4.0 el receptor mB32223 resulta hasta 200 veces más selectivo
que el receptor Py32223.
Por otro lado, el receptor Py33233 resulta 100 veces menos selectivo que
Py32223. Este comportamiento puede se reforzado con los resultados
obtenidos para los receptores157 oB33233 que resultó ser el más selectivo,
mB33233 con una selectividad intermedia y pB33233 el menos selectivo de
los tres.
En estas condiciones resulta llamativo comprobar que mientras en el par de
macrociclos de la serie de pentaminas mB3223 y Py3223, el derivado
piridínico forma aductos más estables que el metaciclofano, en la serie de
157 J. A. Aguilar, B. Celda, V. Fusi, E. García-España, S. V. Luis, M. C. Martínez, J. A. Ramirez, C. Soriano, R. Tejero, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 2000, 1323.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 182
hexaminas los aductos formados por el metaciclofano mB32223 supera a la
del macrociclo Py32223.
Por último, en todo el intervalo de pH analizado el macrociclo mB3223 se
manifiesta como el menos apto de todos los receptores estudiados para
enlazar el nucleótido trifosfatado, situándose por debajo del receptor de
cadena abierta 3223.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 183
6.3.- Estudios de RMN. Hidrólisis del ATP
6.3.1.- Estudio la interacción de Py32223 y Py33233 con ATP
Como se ha descrito en el apartado anterior, la interacción entre los
receptores y el ATP se establece fundamentalmente mediante interacciones
electrostáticas pero, tambien pueden ser decisivas las interacciones de tipo π-
stacking que se establecen entre los anillos aromáticos de los receptores y la
base nitrogenada (adenina) del nucleótido. Con el objetivo de determinar si
existen interacciones de esta naturaleza entre los núcleos aromáticos de los
receptores Py32223 y Py33233 y del ATP, a continuación se describen los
estudios de RMN de 1H y 31P realizados a pD 2 y 7 en D2O.
Los espectros de 1H y 31P RMN se han realizado en un espectrofotómetro
DPX 500 Bruker con una frecuencia de 500.13 Hz para los espectros de 1H y
202.46 Hz para los espectros de 31P. Los desplazamientos químicos se han
realizado en ppm, empleando TSP para referenciar la señal de 1H como 0
ppm y H3PO4 para referenciar como 0 ppm, la señal de 31P. Los valores de
pD se han ajustado con disoluciones concentradas de DCl o NaOD en D2O.
Las concentraciones de receptor y ATP con las cuales se han preparado las
muestras han sido aproximadamente de 5 mM en D2O.
En primer lugar vamos a estudiar la interacción del ATP con el receptor
Py32223. Como muestra la Figura 6.13, el espectro de 1H cuando la relación
molar Py32223: ATP es 1:1, muestra un ligero desplazamiento a campo alto
(≈ 0.1 ppm) de la señal del protón A2 de la base de adenina del ATP no
observandose cambios significativos ni en el A8 ni en el protón anomérico
R1.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 184
Si observamos las señales de 1H del receptor Py32223, también se observa
un ligero desplazamiento a campo alto (≈ 0.1 ppm) de las señales aromáticas
y ningún cambio significativo en las alifáticas.
Py32223
Py32223 : ATP (1:1)
A2
A8 R1’
NN N
N N
N N
H
H
H
H H
H
P3P2P11 2
34
5
67Py32223
p3p2
H1H3
p3p2
R1’H1
H3
δ (ppm)
ATP
Pα
Pβ A8
R1’
R2b’
R2a’
R3’R4’
Pγ
Figura 6.13. Espectros de RMN de 1H del ATP, Py32223 y juntos en relación molar
Py32223: ATP (1:1), registrados a pD 2.0 en D2O. [ATP] = [Py32223] ≈ 5 mM
Como muestra la Figura 6.14, también se han realizado espectros de RMN
de 31P para estudiar la interacción Py32223-ATP. Cuando la relación molar
Py32223: ATP es 1:1, se observa un desplazamiento del Pβ de
aproximadamente 1.5 ppm, mientras que los desplazamientos que se
observan respectivamente en el P ̀ y Pα son aproximadamente de 1ppm y
0.3 ppm. El mayor desplazamiento observado en las señales del Pβ y P ̀
podría ser indicativo de una mayor participación de ambos, en su interacción
con el receptor Py32223 a pD 2.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 185
ATP
Py32223 : ATP (1:1)
NN N
N N
N N
H
H
H
H H
H
P3P2P11 2
34
5
67
Py32223
δ (ppm)
ATP
Pα
Pβ A8
R1’
R2b’
R2a’
R3’R4’
Pγ
PβPγ Pα
Pβ
PαPγ
Figura 6.14. Espectros de RMN de 31P en relación molar Py32223: ATP (1:1),
registrados a pD 2.0 en D2O
Como muestra la Figura 6.15, los espectros de RMN de 1H realizados a pD
7.0, muestran que el desplazamiento a campo alto de la señal del protón A2
es inferior que a pD 2.0 de aproximadamente de 0.05 ppm. Sin embargo, a
diferencia del pD anterior sí que se observa este mismo desplazamiento para
el protón A8. De nuevo, tampoco se observan cambios significativos en el
protón anomérico (R1).
Si atendemos a las señales del receptor Py32223, se observa el mismo
desplazamiento de las señales aromáticas a campo alto, de aproximadamente
0.1 ppm, como el que tenía lugar a pD 2.0. A excepción de la señal del
protón bencílico H1 que se desplaza 0.1 ppm, el resto de las señales
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 186
alifáticas del receptor no sufren ningún desplazamiento significativo similar
a lo observado a pD 2.0.
Py32223
Py32223 : ATP (1:1)
NN N
N N
N N
H
H
H
H H
H
P3P2P11 2
34
5
67
Py32223
p2 H3p3 H1
p2p3A2
A2 A8
A8
R1
R1H1
H3
δ (ppm)
ATP
Pα
Pβ A8
R1’
R2b’
R2a’
R3’R4’
Pγ
Figura 6.15. Espectros de RMN de 1H del ATP, Py32223 y juntos en relación molar
Py32223: ATP (1:1), registrados a pD 7.0 en D2O. [ATP] = [Py32223] ≈ 5 mM
Como muestra la Figura 6.16, en los espectros de 31P RMN registrados a pD
7.0, se observa un menor desplazamiento en las señales de fósforo, respecto
a las registradas a pD 2.0. En la señal del Pβ sólo se observa un leve
desplazamiento de 0.4 ppm, en el P ̀un desplazamiento de 0.6 ppm y en el
Pα se manteniene el mismo desplazamiento de 0.3 ppm.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 187
-26-21-16-11-8-5-202468f1 (ppm)
ATP
ATP Py32223∙
NN N
N N
N N
H
H
H
H H
H
P3P2P11 2
34
5
67
Py32223ATP
Pα
Pβ A8
R1’
R2b’
R2a’
R3’R4’
Pγ
Figura 6.16. Espectros de RMN de 31P en relación molar Py32223: ATP (1:1),
registrados a pD 7.0 en D2O
En segundo lugar vamos a estudiar la interacción del ATP con el receptor
Py33233. Como muestra la Figura 6.17, los espectros de RMN de 1H
registrados en relación molar Py33233: ATP (1:1) a pD 2, no muestran
cambios significativos en ninguna de las señales del receptor ni del ATP.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 188
ATP
Py33233
Py33233 : ATP (1:1)
Py33233
NN N
N N
N N
H
H H
H
HH
P3P2P11
23
456
78ATP
Pα
Pβ A8
R1’
R2b’
R2a’
R3’R4’
Pγ
Figura 6.17. Espectros de RMN de 1H del ATP, Py33233 y juntos en relación molar
Py33233: ATP (1:1), registrados a pD 2.0 en D2O. [ATP] = [Py33233] ≈ 5 mM
En el caso de los espectros de RMN de 31P realizados al mismo sistema y al
mismo valor de pD, tampoco se ha apreciado cambios significativos en las
señales de los fósforos Pα Pβ y P ̀como muestra la Figura 6.18.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 189
-22.
03-2
1.94
-10.
60-1
0.51
-9.9
0-9
.82
-22.
03-2
1.94
-10.
60-1
0.51
-9.9
0-9
.82
Py33233 : ATP (1:1)
Py33233
NN N
N N
N N
H
H H
H
HH
P3P2P11
23
456
78
δ (ppm)
ATP
Pα
Pβ A8
R1’
R2b’
R2a’
R3’R4’
Pγ
Pγ PαPβ
PβPγ Pα
Figura 6.18. Espectros de RMN de 31P en relación molar Py33233: ATP (1:1),
registrados a pD 2.0 en D2O
Como muestra la Figura 6.19, en los espectros de RMN de 1H realizados a
pD 7.0, se observa un desplazamiento a campo alto de 0.06 ppm de las
señales A2 y A8 de la adenina sin apreciar cambio significativo del protón
anomérico. Sin embargo sí que se observa un desplazamiento de 0.08 ppm a
campo alto de la señales aromáticas y bencílica (H1) del receptor Py33233.
Con respecto al resto de las señales alifáticas no se detectan cambios
significativos.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 190
ATP
Py33233 : ATP (1:1)
Py33233 :
Py33233
NN N
N N
N N
H
H H
H
HH
P3P2P11
23
456
78
δ (ppm)
ATP
Pα
Pβ A8
R1’
R2b’
R2a’
R3’R4’
Pγ
Figura 6.19. Espectros de RMN de 1H del ATP, Py33233 y juntos en relación molar
Py33233: ATP (1:1), registrados a pD 7.0 en D2O. [ATP] = [Py33233] ≈ 5 mM
En los espectros de RMN de 31P de la Figura 6.20, se observa un
desplazamiento de 0.2 ppm en la señal del P ̀mientras que en el Pα y Pβ la
variación es de 0.3 y 0.4 ppm respectivamente
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 191
ATP
Py33233 : ATP (1:1)
Py33233
NN N
N N
N N
H
H H
H
HH
P3P2P11
23
456
78
δ (ppm)
ATP
Pα
Pβ A8
R1’
R2b’
R2a’
R3’R4’
Pγ
Pγ PαPβ
PβPαPγ
Figura 6.20. Espectros de RMN de 31P en relación molar Py33233: ATP (1:1),
registrados a pD 7.0 en D2O
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 192
6.3.2.- Estudio de hidrólisis de ATP
Se ha realizado un estudio cinético de hidrólisis de ATP a pD 2.0, mediado
por el receptor Py32223 a diferentes tiempos, y tres temperaturas; ambiente
(25 oC), 50oC y 70oC. Como muestra la Figura 6.21, en el espectro de RMN
de 31P a temperatura ambiente, no se ha detectado hidrólisis de ATP después
de 1 hora de experimento.
Pγ PαPβ
Pγ PαPβ
t = 1h
t = 0h
δ (ppm) Figura 6.21. Espectro de RMN de 31P para el proceso de hidrólisis de ATP a pD 2.0.
Relación molar de Py32223: ATP (1:1) en D2O tiempo 0 horas y después de 1 hora a
25oC
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 193
Se ha repetido la experiencia a 50oC y se ha observado que ha empezado a
hidrolizar después de 2 horas por la aparición de la señal de fósforo libre, un
singulete en torno a 1.8 ppm, sin que se haya completado la hidrólisis
después de 12 horas tal y como muestra la Figura 6.22.
14
Pγ Pα Pβ
t = 0h
t = 1 h
t = 2 h
t = 3 h
t = 4 h
t = 5 h
t = 6 h
t = 10 h
t = 12 h
Pι
Figura 6.22. Espectros de RMN de 31P para el proceso de hidrólisis de ATP a pD
2.0. Relación molar de Py32223: ATP (1:1) en D2O a diferentes tiempos y 50oC
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 194
Por último, se ha repetido la experiencia a 70oC y se ha observado que ha
empezado a hidrolizar a tiempo 0 por la aparición de la señal de fósforo
libre, un singulete en torno a 1.8 ppm, completandose la hidrólisis después
de 2 horas tal y como muestra la Figura 6.23.
15
t = 0h
t = 1 h
t = 2 h
t = 3 h
t = 4 h
t = 5 h
t = 6 h
t = 10 h
t = 12 h
Pγ Pα PβPι
Pι
Figura 6.23. . Espectros de RMN de 31P para el proceso de hidrólisis de ATP a pD
2.0. Relación molar de Py32223: ATP (1:1) en D2O a diferentes tiempos y 70oC
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 195
6.4.- Estudio potenciométrico de formación de complejos ternarios
La versatilidad que caracteriza a los receptores poliamínicos de unir en
disolución a especies de diferente naturaleza, permite que estructuras tan
sencillas, sean capaces de estabilizar especies aniónicas, a través de centros
metálicos. En el contexto del trabajo realizado, el interés de los complejos
formados, denominados mixtos o ternarios, obedece a la demostrada
capacidad cooperativa de algunos iones metálicos158,159,160, (Mg2+, Ca2+,
Zn2+), para favorecer la reacción de transferencia de grupo fosforilo.
Para ilustrar este comportamiento, en el presente capítulo se exponen los
resultados encontrados en relación a los sistemas ternarios formados por dos
receptores de la serie de pentaminas, Cu2+ y el nucleótido AMP; Cu2+-
Py3223-AMP y Cu2+-mB3223-AMP. En otro apartado, analizaremos los
formados por dos receptores de la serie de hexaminas, Zn2+ y el nucleótido
ATP; Zn2+-Py33233-ATP y Zn2+-Py32223-ATP.
Para sistemas como éstos, donde el número de variables es ciertamente
elevado, el proceso de elaboración de un modelo que se ajuste con los datos
experimentales, puede llegar a ser en ocasiones complicado. Por ejemplo
para el sistema Cu2+-Py3223-AMP el número de constantes que se requieren
para definir el sistema se eleva a un total de 26. Estas se reparten entre las
158 H. Dugas, Bioorganic Chemistry: a Chemical Approach to Enzyme Action, Springer, New York, 1996. 159 J. E. Estes, P. J. Higgins, Actin: Biophysics, Biochemistry and Cell Biology, Plenum Press, New York, 1994.
160 C. Bazzicalupi, A. Bencini, A. Bianchi, A. Danesi, C. Giorgi, C. Lodeiro, F. Pina, S. Santarelli, B. Valtancoli, Chem. Commun. 2005, 2630.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 196
constantes de protonación del receptor (H-Py3223), las constantes de
protonación del AMP, las constantes de interacción del receptor y el ión Cu2+
(Cu-Py3223) y las constantes de asociación del receptor y el AMP (Py3223-
AMP). Una vez introducidos correctamente todos los de partida, el éxito del
ajuste dependerá de que el número de especies propuestas no se hallen muy
alejadas del modelo real. Completado el ajuste, la veracidad del modelo
encontrado pueden ser comprobada repitiendo el proceso iterativo pero
ampliando los grados de libertad del sistema; es decir, que tenga lugar el
ajuste simultáneo de las constantes de los aductos ternarios (Py3223-Cu-
AMP) y las de los complejos binarios (Cu- Py3223).
En las Tablas 6.9 y 6.10 de los apartados siguientes, se detallan
respectivamente las constantes de estabilidad en unidades logarítmicas de la
formación de los complejos ternarios Cu2+-Py3223-AMP, Cu2+-mB3223-
AMP, Zn2+-Py33233-ATP y Zn2+- Py32223-ATP. Estas fueron determinadas
potenciométricamente para relaciones molares metal: ligando: anión (1:1:1)
y (2:1:1). Todas las valoraciones se realizaron a temperatura constante de 298.1
± 0.1 K y fuerza iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4. El cálculo se realizó con el
programa HYPERQUAD153 en el intervalo de pH 2.5 - 10.5 y una
concentración de los receptores entre 5×10-4 mol·dm-3 y 5×10-3 mol·dm-3.
Con los datos mostrados en estas tablas y el programa HYSS154, se
elaboraron los diagramas de distribución, en el intervalo de pH estudiado,
Figuras 6.24 – 6.25.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 197
6.4.1.- Sistema ternario Cu2+-Py3223-AMP y Cu2+-mB3223-AMP
Tabla 6.9. Constantes de estabilidad en unidades logarítmicas de la formación de los
complejos ternarios Cu2+-Py3223-AMP y Cu2+-mB3223-AMP, determinadas a 298.1
± 0.1 K y fuerza iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4.
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son las desviaciones estándar de la última cifra significativa.
Reaccióna Py3223 mB3223 Cu + L + A CuLA 23.50(1) Cu + H + L + A CuHLA 34.08(6) b 31.20(1) Cu + 2H + L + A CuH2LA 40.55(6) 37.89(1) Cu + 3H + L + A CuH3LA 44.53(7) 41.56(2) Cu + 4H + L + A CuH4LA 47.88(7) 2Cu + L + A Cu2LA 33.73(7) 29.09(2) 2Cu + H + L + A Cu2HLA 38.80(1) 2Cu + H2O + L +A Cu2LA(OH) + H 24.80(1) 22.00(2) CuH2L + H2A CuH4LA 7.77 CuH2L + HA CuH3LA 8.32 5.87 CuHL + H2A CuH3LA 7.17 5.30 CuHL + HA CuH2LA 7.09 5.53 CuHL + A CuHLA 6.68 4.90 Cu2L(OH) + A Cu2LA(OH) 4.10
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 198
Figura 6.23. Diagramas de distribución de los complejos mixtos Cu2+-Py3223-AMP
y Cu2+-mB3223-AMP. Relación molar M: L: A (1:1:1) y (2:1:1)
Los datos potenciométricos y los diagramas de distribución con relaciones
molares M: L: A (1:1:1) y (2:1:1) representados en la Figura 6.23, muestran
para el receptor Py3223 la formación de especies mixtas [CupHrL2(AMP)](2p
+ r - 2)+ (p = 1 y r = 4, 3, 2, 1) y (p = 2 y r = 1 y 0), además de la especie
monohidroxilada [Cu2L2(AMP)(OH)]+. Para el receptor mB3223 muestran la
formación de especies mixtas [CupHrL4(AMP)](2p + r - 2)+ (p = 1 y r = 3, 2, 1,
0) y (p = 2 y r = 0), además de la especie monohidroxilada
[Cu2L4(AMP)(OH)]+.
Si analizamos los resultados obtenidos, podemos observar que la principal
diferencia entre ambos sistemas, es la formación de la especie [CuL4(AMP)]
en el receptor mB3223 para la relación molar M: L: A (1:1:1), que no se
2 6 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu
Cu2L(OH)
Cu2L(OH)2
CuH4LA
CuH3LA
CuH2LA
Cu2HLA
Cu2LA Cu2LA(OH)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
CuCuL
CuH4LA
CuH3LA CuH2LA
CuHLA
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u
Cu
Cu2L(OH)2
CuH3LA CuH2LA
CuHLA
Cu2LA
Cu2LA(OH)
2 4 6 8 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to C
u Cu
CuHLCuL
CuH3LA
CuH2LA
CuHLA
CuLA
Cu : Py3223 : AMP (1 : 1 : 1) Cu : Py3223 : AMP (2 : 1 : 1)
Cu : mB3223 : AMP (1 : 1 : 1) Cu : mB3223 : AMP (2 : 1 : 1)
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 199
forma en el receptor Py3223. Para la relación molar M: L: A (2:1:1) se
observa la formación de la especie [Cu2L(AMP)]2+ en ambos receptores,
aunque para el receptor Py3223 el porcentaje de formación es superior. Para
Py3223 el intervalo de pH en el que predomina dicha especie varía entre 4.0
y 10.0 mientras que para el receptor mB3223 el intervalo de pH es más
reducido y varía entre 5.0 y 8.0. Por último, si analizamos en la Tabla 6.9, el
valor de constantes obtenidas son dos unidades logarítmicas superiores para
Py3223 probablemente por la formación adicional de enlaces de hidrógeno
entre este receptor y el nucléotido AMP, así como mayor número de
interacciones de tipo π-stacking entre los anillos aromáticos del receptor y la
base nitrogenada (adenina) del nucleótido.
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 200
6.3.2.- Sistema ternario Zn2+-Py33233-ATP y Zn2+-Py32223-ATP
Tabla 6.10. Constantes de estabilidad en unidades logarítmicas de la formación de
los complejos ternarios Zn2+-Py33233-ATP y Zn2+-Py32223-ATP, determinadas a
298.1 ± 0.1 K y fuerza iónica 0.15 mol·dm-3 de NaClO4
a Las cargas se han omitido para simplificar. b Los valores entre paréntesis son las desviaciones estándar de la última cifra significativa.
Reaccióna Py33233 Py32223 Zn + L + A ZnLA 18.42(2)b 17.84(3) Zn + H + L + A ZnHLA 27.35(3) 26.67(3) Zn + 2H + L + A ZnH2LA 36.33(2) 35.19(2) Zn + 3H + L + A ZnH3LA 44.00(2) 42.07(2) Zn + 4H + L + A ZnH4LA 50.23(2) 48.01(2) Zn + 5H + L + A ZnH5LA 55.43(2) 53.11(4) Zn + 6H + L + A ZnH6LA 60.53(2) 58.39(2) Zn + H2O + L +A ZnLA(OH) + H 7.91(3) 7.68(3) 2Zn + L + A Zn2LA 25.58(3) 24.92(3) 2Zn + H + L + A Zn2HLA 34.28(3) 32.40(3) 2Zn + 2H + L + A Zn2H2LA 41.95(2) 39.24(3) 2Zn + 3H + L + A Zn2H3LA 47.75(4) 2Zn + H2O + L +A Zn2LA(OH) + H 15.45(5) 15.57(4) 2Zn + 2H2O + L +A Zn2LA(OH)2+ 2H 5.57(3) 6.32(3) ZnH3L + H2A ZnH5LA 9.77 7.31 ZnH3L + HA ZnH4LA 10.35 7.99 ZnH2L + HA ZnH3LA 10.98 9.36 ZnHL + HA ZnH2LA 10.05 8.85 ZnHL + A ZnHLA 7.31 6.56 Zn2L(OH) + A Zn2LA(OH) 7.35 7.47
Capítulo 6. Estudio de interacción con ATP, ADP y AMP. Formación de complejos ternarios 201
Figura 6.24. Diagramas de distribución de especies de los complejos mixtos Zn2+-
Py33233-ATP y Zn2+-Py32223-ATP. Relación molar M: L: A (1:1:1) y (2:1:1)
Los datos potenciométricos y los diagramas de distribución con relaciones
molares M: L: A (1:1:1) y (2:1:1) representados en la Figura 6.24, muestran
para el receptor Py33233 la formación de especies mixtas [ZnpHrL5(ATP)](2p
+ r - 4)+ (p = 1 y r = 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0) y (p = 2 y r = 3, 2, 1, 0), además de las
especies monohidroxiladas [ZnL5(ATP)(OH)]3-, [Zn2L5(ATP)(OH)]- y
dihidroxilada [Zn2L5(ATP)(OH)2]2-. Para el receptor Py32223 muestran la
formación de especies mixtas [ZnpHrL7(ATP)](2p + r - 4)+ (p = 1 y r = 6, 5, 4, 3,
2, 1, 0) y (p = 2 y r = 2, 1, 0), y las especies monohidroxiladas
[ZnL7(ATP)(OH)]3-, [Zn2L7(ATP)(OH)]-y dihidroxilada
[Zn2L7(ATP)(OH)2]2-
2 6 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
n Zn
ZnH6LA
ZnH5LA
ZnH4LAZnH3LA
ZnH2LA
ZnHLA
ZnLAZnLA(OH)
2 6 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
nZn
ZnH6LA
ZnH5LA
ZnH4LAZnH3LA
ZnH2LA
Zn2H2LA Zn2HLA
Zn2LA
Zn2LA(OH)
Zn2LA(OH)2
2 6 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
n
ZnZnH6LA
ZnH5LA
ZnH4LA
ZnH3LA
ZnH2LA
ZnHLA
ZnLA
ZnLA(OH)
2 6 10pH
0
20
40
60
80
100
% fo
rmat
ion
rela
tive
to Z
n
Zn
ZnH6LA
ZnH5LA ZnH4LA
Zn2H3LA
Zn2H2LAZn2HLA
Zn2LA
Zn2LA(OH)
Zn2LA(OH)2
Zn : Py33233 : ATP (1 : 1 : 1) Zn : Py33233 : ATP (2 : 1 : 1)
Zn : Py32223 : ATP (1 : 1 : 1) Zn : Py32223 : ATP (2 : 1 : 1)
7.- Conclusiones
Capítulo 7. Conclusiones 205
7.- Conclusiones - Se han sintetizado diez nuevos receptores poliamínicos, dos acíclicos y
ocho macrocíclicos. Cinco de ellos son pentamínicos y cinco son
hexamínicos.
- Se han desarrollado modificaciones al trabajo original de Richman-Atkins
como el uso de acetonitrilo y K2CO3, que han permitido mejorar los
rendimientos de la síntesis.
- En las dos series a estudio el receptor acíclico presenta un valor mayor en
la basicidad global, que la de sus análogos cíclicos.
- Entre los receptores cíclicos la serie de pentaminas la mayor basicidad la
presenta el paraciclofano. La sustitución en para del anillo aromático,
facilita la separación intrínseca de los centros cargados adyacentes al anillo,
disminuyendo así la repulsión electrostática global en el receptor.
- Entre los receptores cíclicos la serie de hexaminas la mayor basicidad la
presenta el receptor que presenta dos cadenas propilénicas consecutivas. Las
últimas etapas de protonación se encuentran con menor impedimento
electrostático, debido a la mayor separación de los centros cargados.
- En la serie de pentaminas, los estudios realizados respaldan la propuesta de
cinco grupos amino enlazantes para los receptores 3223 y mB3223, seis para
el receptor Py3223 y tres grupos amino enlazantes para los receptores
pB3223 y Phen3223.
Capítulo 7. Conclusiones 206
- Para la serie de hexaminas, los valores de las constantes de estabilidad de la
especie [CuL]2+, respaldan la propuesta de cuatro grupos amino enlazantes
para todos los receptores de la serie.
- La estructura del complejo [CuPy3223](ClO4)2 obtenida presenta para el
Cu2+ una geometría octaédrica altamente distorsionada. El plano ecuatorial
está definido por el nitrógeno piridínico (NPy) y los tres nitrógenos centrales
de la cadena poliamínica. Los dos nitrógenos bencílicos ocupan las
posiciones axiales del octaedro.
- La estructura del complejo [Cu2(mB3223)2(µ-Br)](ClO4)4 obtenida muestra
cada centro metálico en un entorno pentacoordinado. Cuatro de los grupos
dadores son nitrógenos que pertenecen al macrociclo y el quinto de los
grupos dadores es un átomo de bromo que actúa como ligando puente entre
los dos átomos de cobre. Cada catión se rodea de una pirámide de base
cuadrada distorsionada.
- Los valores de las constantes de estabilidad de la especie [ZnL]2+,
respaldan la propuesta de cuatro grupos amino enlazantes para los receptores
3223, Py3223, 32223 y pB3223 y a tres grupos amino enlazantes para
mB3223, Py33233, Py32223 y Phen3223.
- La magnitud global de la interacción con ATP de los receptores a estudio
en el intervalo de pH entre 4.0 y 7.0 sigue el orden mB32223 > 32223 >
Py3223 > Py32223 > Py33233 > 3223 > mB3223.
Capítulo 7. Conclusiones 207
- Para el receptor Py3223 se han determinado potenciométricamente la
formación de especies mixtas [CupHrL2(AMP)](2p + r - 2)+ (p = 1 y r = 4, 3, 2,
1) y (p = 2 y r = 1 y 0), además de la especie monohidroxilada
[Cu2L2(AMP)(OH)]+. Para el receptor mB3223 se han determinado la
formación de especies mixtas [CupHrL4(AMP)](2p + r - 2)+ (p = 1 y r = 3, 2, 1,
0) y (p = 2 y r = 0), además de la especie monohidroxilada
[Cu2L4(AMP)(OH)]+.
- Para el receptor Py33233 se han determinado potenciométricamente la
formación de especies mixtas [ZnpHrL5(ATP)](2p + r - 4)+ (p = 1 y r = 6, 5, 4, 3,
2, 1, 0) y (p = 2 y r = 3, 2, 1, 0), además de las especies monohidroxiladas
[ZnL5(ATP)(OH)]3-, [Zn2L5(ATP)(OH)]- y dihidroxilada
[Zn2L5(ATP)(OH)2]2-. Para el receptor Py32223 se han determinado la
formación de especies mixtas [ZnpHrL7(ATP)](2p + r - 4)+ (p = 1 y r = 6, 5, 4, 3,
2, 1, 0) y (p = 2 y r = 2, 1, 0), y las especies monohidroxiladas
[ZnL7(ATP)(OH)]3-, [Zn2L7(ATP)(OH)]-y dihidroxilada
[Zn2L7(ATP)(OH)2]2-
- El estudio cinético de hidrólisis de ATP a pD 2.0, mediado por el receptor
Py32223 a diferentes tiempos y temperaturas a revelado que a Tª ambiente
no se produce hidrólisis del ATP, a 50oC se inicia la hidrólisis después de 2
horas sin llegar a completarse y a 70oC se inicia a tiempo 0 y finaliza en 2
horas.
Relación de artículos derivados de esta tesis:
1. “Cation and anion recognition characteristics of open-chain polyamines
containing ethylenic and propylenic chains”. J. Aguilar, P. Díaz, F. Escartí,
E. García-España, L. Gil, C. Soriano, B. Verdejo, Inorg. Chim. Acta. 2002,
339, 307
2. “Thermodynamic and kinetic studies on the Cu2+ coordination chemistry
of a novel binucleating pyridinophane ligand”. P. Díaz, M. G. Basallote, M.
A. Mañez, L. Gil, E. García-España, J. Latorre, C. Soriano, B. Verdejo, S. V.
Luis, Dalton Trans. 2003, 1186
3. “Hydrogen-ion driven molecular motions in Cu2+-complexes of a ditopic
phenanthrolinophane ligand”. A. Mendoza, J. Aguilar, M. G. Basallote, L.
Gil, J. C. Hernández, M. A. Mañez, E. García-España, L. Ruiz-Ramirez, C.
Soriano, B. Verdejo, Chem. Commun. 2003, 3032
4. “Stability and kinetics of the acid-promoted decomposition of the Cu(II)
complexes with hexaazacyclophanes: kinetic studies as a probe to detect
changes in the coordination mode of the macrocycles”. J. Aguilar, M. G.
Basallote, L. Gil, J. C. Hernández, M. A. Mañez, E. García-España, C.
Soriano, B. Verdejo, Dalton Trans. 2004, 94
5. “Dinuclear Zn(II) complexes of polydentate polyamines as minimalist
models of hydrolytic reactions”. J. Aguilar, A. Bencini, E. Berni, A. Bianchi,
E. García-España, L. Gil, A. Mendoza, L. Ruiz-Ramírez, C. Soriano, Eur. J.
Inorg. Chem. 2004, 4061
6. “Synthesis, protonation and Cu(II) complexes of two novel isomeric
pentaazacyclophane ligands: potentiometric, DFT, kinetic and AMP
recognition studies”. A. G. Algarra, M. G. Basallote, R. Belda, S. Blasco, C.
E. Castillo, J. M. Llinares, E. García-España, L. Gil, M. A. Máñez, C.
Soriano, B. Verdejo, Eur. J. Inorg. Chem. 2009, 62