Complejos supramoleculares derivados de Cucurbit[7]urilos y de Calix[4]arenos anfifílicos

Departamento de Química Física Centro Singular de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA COMPLEJOS SUPRAMOLECULARES DERIVADOS DE CUCURBIT[7]URILOS Y DE CALIX[4]ARENOS ANFIFÍLICOS Márcia Isabel Duarte Pessêgo Santiago de Compostela, Mayo de 2014 D. Luís García Río Profesor Catedrático de Química Física de la Universidad de Santiago de Compostela D. José António de Sousa Moreira Profesor Auxiliar do Departamento de Química e Farmácia da Universidade do Algarve CERTIFICAN Que el trabajo descrito en esta memoria com el título “Complejos supramoleculares derivados de Cucurbit[7]urilos y de Calix[4]arenos anfifílicos” presentado por Dña. Márcia Isabel Duarte Pessêgo, Graduada en Química, para optar al Grado de Doctora en Química, ha sido realizado bajo su dirección en el Departamento de Química Física de la Universidad de Santiago de Compostela. Para que así conste firman la presente en Santiago de Compostela a 8 de Mayo de 2014 Luís García Río José António de Sousa Moreira Agradecimientos Deseo expresar mi más sincero agradecimiento a los profesores Luís García Río y José António Moreira. Ao José Moreira por me ter incentivado a embarcar nesta aventura. A Luís García Río por haber conducido el “barco” hasta buen puerto. Gostaria de agradecer à Fundação para a Ciência e Tecnologia pelo apoio concedido através de uma bolsa de Doutoramento (SFRH/BD/60911/2009), financiada pelo POPH – QREN – Tipologia 4.1 – Formação Avançada, comparticipado pelo Fundo Social Europeu e por fundos nacionais MCTES. Ao professor José Paulo Silva, do Departamento de Química e Farmácia da Universidade do Algarve, agradeço toda ajuda prestada na realização e interpretação dos espectros ESI. Al professor Angel Piñeiro, de la Facultad de Física de la Universidad de Santiago de Compostela, por los ajustes de datos de ITC. Agradezco a la profesora Mª del Carmen Muñiz, de la Facultad de Matemáticas de la Universidad de Santiago de Compostela, por hacer fácil las matemáticas. Al Dr. Manuel Martin Pastor, responsable de la unidad de RMN (CACTUS) de la Universidad de Santiago de Compostela, agradezco por la paciencia y ayuda prestada en la realización e interpretación de los espectros de RMN. A mis compañeros de laboratorio: Borja, María Figueira, Mari Luz, María Mendéz, Merce, Miguel, Nuno, Pedro, Pepita, Serxio, Susana y Vítor, con quien tuve el placer de convivir, agradezco toda la ayuda prestada y por hacer más agradable el tiempo pasado en en laboratorio. À “família” que deixei na Universidade do Algarve: Américo Lemos, Ana Costa, André Lopes, David Pereira, João Lorenço, José Moreira, Rubén Almeida e Sónia Figueiredo, obrigado pela vossa amizade. Quero agradecer a toda a minha família, em particular aos meus pais e à minha irmã, por todo o apoio ao longo de todos estes anos. Agradeço também à família Ferreira Faustino, pela forma em como me acolheram. A ti Hélio, obrigado por estar a meu lado! I Índice General PRESENTACIÓN ..................................................................................................................................... 1 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 5 1.1 DEFINICIÓN DE QUÍMICA SUPRAMOLECULAR ............................................................................................... 5 1.2 COMPLEJOS HOST:GUEST SUPRAMOLECULARES ............................................................................................ 6 1.3 QUÍMICA DE LA FAMILIA DE LOS CUCURBIT[N]URILOS .................................................................................... 8 1.3.1 Síntesis y propriedades físico-químicas de los CBn .................................................................. 8 1.3.2 Química host:guest de los CBn............................................................................................... 12 1.3.2.1 Mecanismo de formación de complejos host:guest ................................................................... 14 1.3.2.2 Propiedades host:guest de los homólogos de CBn ..................................................................... 15 1.3.2.3 Diferencias estructurales en función del tamaño del CBn .......................................................... 20 2 INFLUENCIA DEL CUCURBIT[7]URILO EN EL PROCESO DE MICELIZACIÓN DE SURFACTANTES CATIÓNICOS ........................................................................................................................................ 23 2.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................... 23 2.2 SECCIÓN EXPERIMENTAL ........................................................................................................................ 25 2.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ..................................................................................................................... 27 2.3.1 Solvólisis del MBSC en presencia del CB7 ............................................................................... 27 2.3.2 Solvólisis del MBSC en presencia de micelas catiónicas ......................................................... 29 2.3.3 Solvólisis del MBSC en presencia del sistema mixto CB7/surfactante ................................... 31 2.3.3.1 Descripción cualitativa ................................................................................................................ 32 2.3.3.2 Constantes de equilibrio de CnTA+ con CB7 y comparación con β-CD ......................................... 33 2.3.3.3 Influencia del CB7 en la concentración micelar crítica ................................................................ 35 2.3.3.4 ¿Existe interacción entre el CB7 y las micelas catiónicas? .......................................................... 36 2.3.3.5 Descripción cuantitativa .............................................................................................................. 39 2.3.3.6 Variación de la concentración del CB7 libre con la longitud de la cadena del surfactante ......... 43 2.4 CONCLUSIÓN ....................................................................................................................................... 44 3 FORMACIÓN DE COMPLEJOS HOST:GUEST ENTRE EL CUCURBIT[7]URILO Y SURFACTANTES CATIÓNICOS ........................................................................................................................................ 47 3.1 ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA LONGITUD DE LA CADENA ALQUÍLICA DEL SURFACTANTE .................................. 47 3.1.1 Introducción ........................................................................................................................... 47 3.1.2 Sección Experimental ............................................................................................................. 49 3.1.3 Resultados y Discusión ........................................................................................................... 51 II 3.1.3.1 Determinación de las constantes de equilibrio entre el CB7 y los surfactantes catiónicos ........ 51 3.1.3.2 Caracterización estructural de los complejos host:guest entre CB7 y CnTA+ .............................. 58 3.1.4 Conclusión .............................................................................................................................. 82 3.2 ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DEL GRUPO CABEZA DEL SURFACTANTE ................................................................. 83 3.2.1 Introducción ........................................................................................................................... 83 3.2.2 Sección Experimental ............................................................................................................. 85 3.2.3 Resultados y Discusión ........................................................................................................... 87 3.2.3.1 Ionización por Electroespray (ESI-MS) ........................................................................................ 87 3.2.3.2 Determinación de las constantes de equilibrio ........................................................................... 90 3.2.3.3 Análisis de los espectros de 1H RMN ........................................................................................... 94 3.2.4 Conclusión .............................................................................................................................. 97 4 FORMACIÓN DE [3]PSEUDOROTAXANOS ENTRE EL CB7 Y SURFACTANTES BOLAFORM ................. 99 4.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................... 99 4.2 SECCIÓN EXPERIMENTAL ...................................................................................................................... 102 4.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................................................... 104 4.3.1 Determinación de la constantes de equilibrio entre el CB7 y los Bn .................................... 104 4.3.2 Caracterización estructural de los complejos formados entre el CB7 y los Bn ..................... 107 4.3.2.1 Difusiometría de RMN .............................................................................................................. 107 4.3.2.2 Análisis de los espectros de 1H RMN ......................................................................................... 110 4.3.2.3 Medidas cinéticas ..................................................................................................................... 116 4.4 CONCLUSIÓN ..................................................................................................................................... 124 5 ISOMERIZACIÓN TRANS-CIS INDUCIDA POR COMPLEJACIÓN CON EL CB7 ................................... 125 5.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 125 5.2 SECCIÓN EXPERIMENTAL ...................................................................................................................... 127 5.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................................................... 128 5.3.1 Efecto del CB7 en el pKa del DSMI+ ....................................................................................... 128 5.3.2 Complejación del CB7 con el DSMI2+ a pH = 1 ...................................................................... 131 5.3.2.1 Análisis espectral de 1H RMN .................................................................................................... 131 5.3.2.2 Determinación de las constantes de equilibrio ......................................................................... 136 5.3.3 Complejación del CB7 con el DSMI+ a pH=11 ....................................................................... 137 5.4 CONCLUSIÓN ..................................................................................................................................... 140 6 REACCIONES DE SOLVÓLISIS DE CLORUROS DE BENZOILO CATALIZADAS POR CUCURBIT[7]URILO Y CICLODEXTRINAS ............................................................................................................................... 141 6.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 141 6.2 SECCIÓN EXPERIMENTAL ...................................................................................................................... 144 6.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................................................................... 144 6.3.1 Solvólisis del 1-bromoadamantano ..................................................................................... 146 III 6.3.2 Solvólisis de cloruros de benzoilo ......................................................................................... 148 6.3.2.1 Efecto inhibitorio del CB7 en la solvólisis de cloruros de benzoilo ........................................... 149 6.3.2.2 Efecto catalítico del CB7 en la solvólisis de cloruros de benzoilo ............................................. 154 6.3.2.3 Mecanismo de solvólisis de cloruros de benzoilo en presencia de CB7 .................................... 160 6.4 CONCLUSIÓN ..................................................................................................................................... 161 7 INTERACCIÓN ENTRE EL CUCURBIT[7]URILO Y CALIX[4]ARENO ANFIFÍLICO CATIÓNICO ..............163 7.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 163 7.2 SECCIÓN EXPERIMENTAL ...................................................................................................................... 165 7.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................................................... 169 7.3.1 Determinación de la concentración micelar crítica.............................................................. 169 7.3.2 Interacción entre el CB7 y el TMAC4TP ................................................................................ 171 7.3.2.1 Determinación de la estequiometria de los complejos entre el TMAC4TP y el CB7 ................. 171 7.3.2.2 Caracterización estructural de los complejos host:guest entre en el CB7 y el TMAC4TP ......... 182 7.3.2.3 Estabilidad de los complejos entre el CB7 y elTMAC4TP .......................................................... 186 7.3.3 Interacción entre el CB7 y el TMAC4TH ............................................................................... 187 7.3.3.1 Determinación de las constantes de equilibrio entre el CB7 y el TMAC4TH ............................. 188 7.3.3.2 Influencia del CB7 en la concentración micelar critica del TMAC4TH ....................................... 190 7.4 CONCLUSIÓN ..................................................................................................................................... 193 8 FORMACIÓN DE HETERO CÁPSULAS A PARTIR DE INTERACCIONES IÓNICAS ...............................195 8.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 195 8.2 SECCIÓN EXPERIMENTAL ...................................................................................................................... 197 8.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................................................... 199 8.3.1 Identificación y determinación de la estequiometria de la hetero cápsula formada entre el TMAC4TP y SBE-β-CD ......................................................................................................................... 200 8.3.1.1 Ionización por Electroespray (ESI-MS) ...................................................................................... 200 8.3.1.2 Estudios de Conductividad ........................................................................................................ 203 8.3.1.3 Análisis de los espectros de 1H RMN ......................................................................................... 205 8.3.2 Caracterización estructural de la cápsula ............................................................................ 210 8.3.2.1 1H ROESY ................................................................................................................................... 210 8.3.2.2 Medidas de STD ........................................................................................................................ 212 8.3.3 Encapsulación del 1,8-ANS ................................................................................................... 214 8.3.4 Conclusión ............................................................................................................................ 217 Capítulo 1 6 interacciones no covalentes, destacan las interacciones electrostáticas, enlaces de hidrógeno, interacciones de van der Waals, interacciones hidrofóbicas, interacciones -, etc. En general, los procesos de autoensamblaje molecular y los complejos host:guest se diferencian en el tamaño y geometría de las especies que intervienen en el proceso. En el caso del autoensamblaje molecular, las especies que dan origen al agregado supramolecular presentan tamaños y geometrías equivalentes. Otra de las diferencias entre estos sistemas, es que en los procesos de autoensamblaje suelen estar involucradas un gran número de sub-unidades moleculares, mientras que en los sistemas host:guest, normalmente, no se sobrepasan las 2 o 3 unidades. Autoensamblaje Molecular Reconocimiento Molecular Esquema 1.1 1.2 Complejos host:guest supramoleculares El área de la química supramolecular más explorada, es la formación de complejos host:guest. La química host:guest se centra en el estudio del proceso de encapsulación de una molécula o ión (guest) por una molécula mayor (host) a través de interacciones no covalentes. De forma general, un host se define como una molécula grande o agregado, como un enzima, o un macrocíclo sintético que posea una cavidad central del tamaño deseado. El guest, puede ser un ión o una especie neutra. La formación de complejos host:guest, depende de distintos factores tales como complementariedad entre sitios de unión del host y del guest, la preorganización de la conformación del host o la cooperatividad de los grupos de unión. Cuando un host presenta una elevada afinidad por un determinado guest o familia de guests, se denomina selectivo. La constante de equilibrio de formación de Introducción 7 este tipo de estructuras, es una medida directa de la afinidad que el host posee para un determinado guest. Por otra parte, la selectividad mide la afinidad relativa que un host posee para complejar un guest frente a otro, y se determina a partir del cociente entre las constantes de equilibrio correspondientes a cada guest. Actualmente, se han diseñado, sintetizado y evaluado las propiedades de reconocimiento molecular de una gran variedad de hosts (Esquema 1.2). Resorcinareno Porfirina Calixareno Cucurbiturilo Criptando Pilarareno Éter corona Ciclodextrina Esquema 1.2 Como se puede observar, existe una gran variedad de macrociclos con distintos tamaños, densidad de carga, flexibilidad y grupos funcionales, cuyo resultado son distintas “capacidades” en el proceso de reconocimiento molecular. Capítulo 1 8 1.3 Química de la familia de los Cucurbit[n]urilos Los cucurbit[n]urilos (CBn) son una familia de hosts macrocíclicos constituidos por n unidades glicolurilo, con n = 5 – 10. El nombre de estos macrocompuestos deriva del Latín “cucurbitaceae”, debido a su similitud con una calabaza. La primera síntesis de un cucurbiturilo fue realizada en 1905 por Behrend et al.2, a partir de la condensación de glicolurilo con formaldehido en ácido clorhídrico concentrado, obteniéndose un polímero, conocido como el polímero de Beherend. Este polímero presentaba una escasa solubilidad en disolventes convencionales. Estos investigadores fueron capaces de obtener una sustancia cristalina por recristalización a partir de ácido sulfúrico concentrado. Curiosamente, observaron que esta sustancia presentaba una afinidad hacia una variedad de compuestos, tales como KMnO4, AgNO3, H2PtCl6, NaAuCl4, rojo do congo y azul de metileno.3 La estructura defenitiva de este polímero no fue resuelta hasta 1981 cuando Mock et al. mostraron que estaba constituido por seis unidades de glicolurilo enlazadas por un par de metileno, actualmente conocido como cucurbit[6]urilo (CB6).4 1.3.1 Síntesis y propriedades físico-químicas de los CBn Cuando Beherend y Mock sintetizaron el CB6, no detectaron la formación de otros homólogos, CBn. Aproximadamente 20 años más tarde, Kimoon Kim5 y Anthony Day6,7, de forma independiente, han desarrollado métodos de síntesis y de separación de los distintos homólogos de CBn, por lo que en la actualidad existen cucurbit[n]urilos con n = 5, 6, 7, 8 y 10. El método de síntesis de los homólogos de CBn es similar al del CB6, la clave está en la temperatura y en las concentraciones del ácido utilizado. Kim5 elaboró un 2 R. Behrend, E. Meyer, F. Rusche, Justus, Liebigs Ann. Chem. 1905, 339, 1-37 3 J. Lagona, P. Mukhopadhyay, S. Chakrabarti, L. Isaacs, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 4844–4870 4 W. A. Freeman, W. L. Mock, N. Y. Shih, J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 7367-7368 5 J. Kim, I. –S. Jung, S. –Y. Kim, E. Lee, J. –K. Kang, S. Sakamoto, K. Yamaguchi, K. Kim, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 540-541 6 A. I. Day, A. P. Arnold, R. J. Blanch, B. Snushall, J. Org. Chem. 2001, 66, 8094-8100 7 A. I. Day, R. J. Blanch, A. P. Arnold, S. Lorenzo, G. R. Lewis, I. Dance, Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 275-277 Introducción 9 método de síntesis, en que se utiliza ácido sulfúrico 9M y una temperatura de reacción entre 75-90°C (Esquema 1.3), mientras que Day6 utilizó acido clorhídrico concentrado a 100°C. Esquema 1.3 La síntesis y aislamiento de estos homólogos ha incrementado el interés en los CBn, debido a su enorme potencial como host supramolecular y su amplia variedad de tamaños. Los grupos de Kim y Day, han sintetizado y caracterizado cucurbit[n]urilos con distintos tamaños de cavidad, desde el CB5, con cinco unidades de glicolurilo, hasta el CB10, con diez unidades de glicolurilo (Figura 1.1). Figura 1.13: Estructuras de rayos-X del CB55, CB64, CB75, CB85 y CB5-CB107. Desde un punto de vista estructural podemos afirmar que los CBn, son polímeros cíclicos con portales simétricos, formados por átomos de oxigeno carbonílicos y poseen una cavidad, de carácter hidrofóbico. La electronegatividad de los grupos carbonilo alineados en los portales, convierte estas moléculas en Capítulo 1 10 receptores excepcionales para complejar cationes, mientras que el interior de la cavidad de carácter hidrofóbico, permite albergar moléculas neutras. A menudo, los CBn se suelen comparar con las ciclodextrinas (CD), debido a su similitud de tamaños (Tabla 1.1). Tabla 1.1: Dimensiones de los CBn y Ciclodextrinas.8,9 Diámetro Portal (Å) Diámetro Cavidad (Å) Altura (Å) CB5 2.4 4.4 9.1 CB6 3.9 5.8 9.1 CB7 5.4 7.3 9.1 CB8 6.9 8.8 9.1 -CD 4.7 5.3 7.9 -CD 6.0 6.5 7.9 -CD 7.5 8.3 7.9 Los CBn poseen una geometría simétrica, con ambos portales del mismo tamaño con grupos carbonilo electronegativos. Sin embargo, las CDs tienen una geometría menos simétrica, con grupos hidroxilo secundarios y primarios situados en lados opuestos del macrociclo.10,11 En el Esquema 1.4 se compara las estructuras de la -CD y del CB7. Esquema 1.4 8 J. Szejtli, Chem. Rev. 1998, 98, 1743-1753 9 J. W. Lee, S. Samal, N. Selvapalam, H. –J. Kim, K. Kim, Acc. Chem. Res. 2003, 36, 621-630 10 M. L. Bender, M. Komiyama, Cyclodextrin Chemistry, Springer-Verlag: Berlin, 1978 11 J. Szejtli, T. Osa, Eds. Cyclodextrins, Elsevier: Oxford, 1996, Vol. 3 Introducción 11 Estas dos familias poseen distintos grupos funcionales a la entrada de los portales, lo que se manifiesta en sus diferentes comportamientos en los procesos de reconocimiento molecular. En las CDs, los grupos funcionales OH pueden establecer enlaces de hidrógeno con determinados sustratos. Los grupos carbonilo alineados a la entrada de los portales de los CBn, actúan como un centro electronegativo favorable a la complejación de cationes, a través de interacciones ión –dipolo o dipolo-dipolo y enlaces de hidrógeno. La combinación de interacciones hidrofóbicas con el interior de la cavidad y interacciones electrostáticas ión-dipolo con los grupos carbonilo alineados en los portales permiten a los cucurbiturilos formar complejos estables.3 Los efectos electrostáticos pueden desempeñar un papel crucial en el reconocimiento molecular, tanto en medio acuoso como orgánico.12 La Figura 1.2 muestra la pronunciada diferencia entre el potencial electrostático del CB7 (a) y la -CD (b).9 Claramente se observa que el potencial electrostático en los portales y en el interior de la cavidad del CB7 es significativamente más negativo que el de la -CB. Esta diferencia en el potencial electrostático condiciona de forma significativa el proceso de reconocimiento molecular. Los CBn exhiben una pronunciada afinidad en interactuar con sustratos catiónicos, mientras que las CDs prefieren sustratos neutros o aniónicos. Figura 1.2: Mapas del potencial electrostático a) CB7 y b) β-CD.9 Una de las potenciales limitaciones al desarrollo de aplicaciones de los CBn, es su baja solubilidad en agua, el CB6 y CB8 son esencialmente insolubles, mientras que el CB5 y CB7 presentan una moderada solubilidad en agua. De modo general, la solubilidad en agua de los CBn es menor que la de las CDs. Por otro lado, los grupos 12 B. Honig, A. Nicholls, Science, 1995, 268, 1144-1149 Capítulo 1 12 carbonilo que recubren los portales, actúan como bases débiles y poseen afinidad por cationes, debido a estas propiedades la solubilidad de los CBn aumenta drásticamente en medio ácido o en disolución con iones de metales alcalinos. 1.3.2 Química host:guest de los CBn Mock et al. 4,13,14,15,16 reconocieron el elevado potencial del CB6 como host supramolecular. En sus primeros estudios por 1H RMN, observaron como una serie de cationes derivados de alquilamonio y de alquildiamonio con distintas longitudes de cadena, formaban complejos de inclusión con el CB6 en disolución de 1:1 H2O/HCO2H. Concluyeron que en la formación del complejo, el CB6 induce desplazamientos químicos en los protones del guest. Detectaron desplazamientos químicos hacia campo alto (≈ 1 ppm) en la región del guest que se encontraba dentro de la cavidad, mientras que la región que se encontraba fuera de la cavidad presentaba un ligero desplazamiento químico hacia campo bajo, debido a la proximidad de los grupos carbonilo. Asimismo, mostraron que en determinados casos la formación del complejo era lenta en la escala de tiempo del RMN. Además, observaron que la sustitución del H terminal de la cadena alquílica en los derivados de alquilamonio por un grupo NH2 (alquildiamonio) aumenta la constante de 2.3 ⨯ 103 M-1 a 2.8 ⨯ 106 M-1. Sin embargo, la sustitución del H terminal por un OH, igualmente susceptible de establecer enlaces de hidrógeno, no aumenta la constante de equilibrio. Por lo tanto, es fácil comprender que la alta especificidad para los iones amónio es resultado de interacciones ión-dipolo. 13 W. L. Mock, N.-Y. Shih, J. Org. Chem. 1983, 48, 3618–3619 14 W. L. Mock, N.-Y. Shih, J. Org. Chem. 1986, 51, 4440–4446 15 W. L. Mock, N.-Y. Shih, J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 4706–4710 16 W. L. Mock, N.-Y. Shih, J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 2697–2699 Introducción 13 Esquema 1.5 Por otro lado, observaron que el CB6 presentaba una selectividad dependiente de la longitud de la cadena de los derivados de alquilamonio o de alquildiamonio, es decir se obtuvieron constantes de equilibrio superiores para el nbutilamonio (105 M-1) y para el [NH3(CH2)nNH3]2+, con n = 6 (2.8 ⨯ 106 M-1). En el caso de los alquildiamonio, esta longitud de cadena, proporciona la longitud adecuada para la cavidad del CB6 y permite que los dos grupos amonio estén a la altura de los portales del CB6, optimizando las interacciones ión-dipolo. El CB6 es igualmente selectivo en base al tamaño y geometría del guest.14,17 Por ejemplo, en términos de tamaño el máximo que el CB6 puede encapsular son anillos de benceno sustituidos, pero bencenos sustituidos en la posición orto o meta difícilmente se pueden complejar con el CB6. La afinidad por guests con carga positiva por parte del CB6, se puede extrapolar a los restantes miembros de la familia CBn, sin embargo la importancia relativa de las interacciones electrostática versus efecto hidrofóbico puede cambiar con el aumento de la cavidad. 17 C. Marquez, R. R. Hudgins, W. M. Nau, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5806-5816 Capítulo 1 14 1.3.2.1 Mecanismo de formación de complejos host:guest Se ha prestado mucha atención a los procesos de formación de complejos host:guest con los CBn, sin embargo poco se ha investigado sobre el mecanismo de su formación y de los factores que controlan la cinética. El proceso de entrada y salida de cationes alquilamonio con el CB6 fue inicialmente estudiado por Mock y Shih14, y de una forma más detallada por Nau et al.18,19 con cationes derivados de cicloalquilamonio. En base a las constantes de velocidad de entrada y salida a varios pH, Nau et al. propusieron un mecanismo en que inicialmente se forma un complejo externo entre el catión amónio del guest y los oxígenos carbonílicos alineados en el portal del CB6, con las restantes regiones del guest en la fase acuosa. Seguidamente, el guest se inserta en la cavidad hidrofóbica a través de un mecanismo de “flip-flop”. A pH básico, con el guest en estado neutro, este entra directamente a la cavidad. Debido al mecanismo de “flip-flop”, el proceso de entrada del guest cargado positivamente, es más lento en comparación con el correspondiente en estado neutro. A distintos pH y con distintas concentraciones de cationes alcalinos, Nau et al. observaron que la constante de velocidad de entrada y la constante de equilibrio disminuye con el aumento de la concentración de cationes alcalinos, mientras que la constante de velocidad de salida, permanece prácticamente inalterada. Estos resultados se deben a la complejación competitiva entre el guest y los cationes metálicos. En el Esquema 1.620 se encuentra representado el mecanismo de complejación de un guest catiónico y neutro por el CB6. 18 C. Marquez, W. M. Nau, Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 3155–3160 19 C. Márquez, R. R. Hudgins, W. M. Nau, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5806–5816 20 E. Masson, X. Ling, R. Joseph, L. Kyeremeh-Mensah, X. Lu, RSC Adv. 2012, 2, 1213-1247 Introducción 15 Esquema 1.6 1.3.2.2 Propiedades host:guest de los homólogos de CBn Los principios básicos de formación de complejos host:guest con el CB6, de un modo general se pueden extrapolar a los demás miembros de la familia CBn. Sin embargo, debido a sus distintos tamaños de cavidad y de portal, los CBn presentan notables diferencias en las propiedades de reconocimiento molecular, a pesar de compartir las mismas características, cavidad hidrofóbica y portales con potencial electrostático negativo. El proceso de formación de complejos host:guest del CB5, está esencialmente limitado por el tamaño de su cavidad y portal. En consecuencia, gran parte de la química supramolecular del CB5 se centra en un número limitado de sustratos, como protones, cationes metálicos e iones amonio. En este caso los sustratos se coordinan a los portales, en lugar de la inserción en la cavidad.21,22,23 En un estudio comparativo del proceso de complejación entre el CB7 y el CB5 con la tioflavina T, observaron que en el caso del CB7 se formaba un complejo de 21 K. Jansen, H. -J. Buschmann, A. Wego, D. Döpp, C. Mayer, H. J. Drexler, H. J. Holdt, E. Schollmeyer, J. Inclusion Phenom. Macrocyclic Chem. 2001, 39, 357–363 22 H. -J. Buschmann, E. Cleve, K. Jansen, E. Schollmeyer, Anal. Chim. Acta 2001, 437, 157– 163 23 H.-J. Buschmann, E. Cleve, K. Jansen, A. Wego, E. Schollmeyer, J. Inclusion Phenom. Macrocyclic Chem. 2001, 40, 117–120 Capítulo 1 22 Esquema 1.12 En conclusión, la química host:guest de los CBn, está mayoritariamente controlada por interacciones electrostáticas (ión-dipolo), debido al elevado carácter electronegativo de los átomos de oxígenos carbonílicos alineados en los portales, y por efectos hidrofóbicos derivados de la naturaleza de la cavidad. 23 2 Influencia del Cucurbit[7]urilo en el proceso de micelización de surfactantes catiónicos 2.1 Introducción Los estudios de interacciones host:guest son la base de la química supramolecular.1,2 A pesar de existir extensos estudios de interacciones host:guest con los cucurbit[n]urilos (CBn), se ha prestado poca atención al estudio de interacciones entre los CBn y moléculas anfifilicas con largas cadenas alquílicas. En la literatura existen algunos estudios de complejación de surfactantes catiónicos3,4 así como no iónicos5 con los CBn, sin embargo, ninguno de estos estudios aborda la región postmicelar. Los sistemas mixtos ciclodextrina:surfactante se han estudiado exhaustivamente debido a sus numerosas aplicaciones en formulaciones comerciales6,7 y por la capacidad que poseen las ciclodextrinas (CDs) para modular 1 D. J. Cram, J. M. Cram, Science, 1974, 183, 803-809 2 H. J. Schneider, Angew. Chem., Int. Ed. 1991, 30, 1417-1436 3 Y. H. Ko, H. Kim, Y. Kim, K. Kim, Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 4106-4109 4 I. W. Wyman, D. H. Macartney, J. Org. Chem. 2009, 74, 8031-8038 5 H. –J. Buschmann, K. Jansen, E. Schollmeyer, J. Incl. Phenom. Macro. Chem. 2000, 37, 231-236 6 D. J. Jobe, V. C. Reinsborough, S. C. Wetmore, Langmuir 1995, 11, 2476-2479 Capítulo 2 24 las propiedades fisicoquímicas de las disoluciones micelares. Estos sistemas ofrecen la posibilidad de estudiar de forma sistemática el proceso de asociación entre al surfactante y las CDs, debido a que las propiedades de las disoluciones micelares pueden ser moduladas por cambios en estructura del surfactante. Como consecuencia de la asociación entre el monómero de surfactante y la CD, algunas de las propiedades de estas moléculas pueden modificarse drásticamente, por ejemplo, la concentración micelar crítica (cmc). La presencia de CD en disoluciones que contienen agregados micelares, introduce un nuevo equilibrio al medio, que puede conducir a la destruición del agregado.8,9 Estudios previos realizados en nuestro laboratorio10,11,12 pusieron de evidencia algunas características de los sistemas mixtos CD/surfactante. A concentraciones de surfactante inferiores al punto de micelización, se establece un equilibrio de complejación entre el surfactante y la CD. El proceso de micelización empieza en el momento en que la concentración de monómeros de surfactante no complejados en equilibrio con la CD alcanza su máximo. La cmc en presencia de CD se desplaza a mayores concentraciones de surfactante. El cambio observado en el valor de la cmc es equivalente a la concentración de monómeros de surfactante complejados con la CD. Una vez que se alcanza el punto de micelización, no se detectan interacciones entre la CD y el sistema micelar, incluso cuando se utilizan CDs modificadas con carga. En este capítulo se presentan los resultados obtenidos en un estudio sistemático de sistemas mixtos de surfactantes catiónicos [(CH3)3N+CnTA+, CnTA+, n = 6 - 18] y CB7. En el estudio de estos sistemas se utilizó la solvólisis del cloruro de 4-metoxibencenosulfonilo (MBSC) como sonda química. Esta molécula presenta una geometría y polaridad adecuada para la formación de un complejo de inclusión con el CB7. Se utilizó esta sonda debido a que según datos de la literatura, el proceso de 7 T. Utsuki, H. Brem, J. Pitha, T. Loftsson, T. Kristmundsdottir, B. M. Tyler, A. Olivi, J. Controlled Release 1996, 40, 251-260 8 G. M. Nicolle, A. E. Merbach, Chem. Commun. 2004, 854-855 9 A. J. M. Valente, M. Nilsson, O. Söderman, J. Colloid. Interface Sci. 2005, 281, 218-224 10 L. García-Río, P. Hervés, E. Iglesias, J. R. Leis, J. C. Mejuto, J. Perez-Juste, Recent. Res. Dev. Phys. Chem. 2000, 4, 101-133 11 L. García-Río, M. Méndez, M. R. Paleo, F. J. Sardina, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 12756-12764 12 B. Dorrego, L. García-Río, P. Hervés, J. R. Leis, J. C. Mejuto, J. Pérez-Juste, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 4912-4920 Influencia del CB7 en el proceso de micelización 25 solvólisis del MBSC es altamente susceptible a los cambios de polaridad del medio.13,14,15 2.2 Sección Experimental Materiales. Todos los reactivos comerciales fueron adquiridos con la máxima pureza disponible y usados sin posteriores purificaciones. Excepto en el caso del CB7 que fue sintetizado, de acuerdo con el procedimiento descrito en la literatura16. Los surfactantes catiónicos (CnTA+, Esquema 2.1) utilizados en este estudio, nos permitieron variar la longitud de la cadena entre 6 y 18 átomos de carbono. N Esquema 2.1 Síntesis del Cucurbit[7]urilo (CB7) En un balón se ha colocado formaldehido (25 mL, 0.3307 mol) y se añadió, a baja temperatura acido sulfúrico (120 mL, 9M). Lentamente, se adicionó glicolurilo (20.03 g, 0.141 mol) y se ha dejado en agitación hasta que se formó un gel altamente viscoso. Posteriormente, se ha elevado la temperatura a 100 ○C, disolviéndose el gel, durante 75 horas. Se colocó la mezcla de reacción en 200 mL de agua y se añadió cerca de 2L de acetona, formándose un precipitado blanco constituido por la mezcla de CBn. Se filtró y se lavó el precipitado tres veces con 500 mL de una mezcla de acetona/agua (4:1) para eliminar el acido, filtrándose el precitado. Al precipitado se le añadió 500 mL de agua para disolver el CB5 y CB7, y separar la parte que permanece insoluble correspondiente al CB6 y CB8, que presentan una baja solubilidad en agua. A la parte disuelta en agua, se añadió cerca de 1.5 L de acetona observándose la formación de un precipitado y se filtró. Para separar el CB5 del CB7, se ha disuelto 13 R. M. Fobes, H. Maskill, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1991, 854-856 14 I. S. Koo, T. W. Bentley, G. Llewellyn, K. Yang, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2 1991, 1175-1179 15 I. S. Koo, T. W. Bentley, D. H. Kang, I. Lee, J. Chem. Soc., Prekin Trans. 2 1991, 175-179 16 C. Marquez, F. Huang, W. M. Nau, IEEE Trans. Nanobiosci. 2004, 3, 39-45 Capítulo 2 26 este precipitado en la mínima cantidad de acido clorhídrico concentrado y se separan por precipitación fraccionada. Cada precipitado obtenido fue disuelto y precipitado varias veces hasta que se elimina todo el ácido, por fin se lavó con éter dietílico. Finalmente, el producto se secó en una bomba de alto vacío a 140 ○C durante 72 horas. Estudio espectrofotométrico. Las disoluciones de partida de MBSC se prepararon en acetonitrilo debido a su inestabilidad y baja solubilidad en agua. En el medio de reacción, la concentración final de acetonitrilo era de 1% (v/v). Las disoluciones de los sistemas mixtos CB7/surfactante se prepararon mezclando los volúmenes apropiados de disoluciones acuosas madre de ambos compuestos en una cubeta de cuarzo de 1 cm de paso de luz. Los experimentos cinéticos se iniciaron al adicionar un pequeño volumen de la disolución de partida de MBSC a la disolución del sistema correspondiente, previamente termostatizada a 25○C. En todos los experimentos la concentración final de MBSC se mantuvo en 1×10-4 M. Las reacciones se estudiaron cinéticamente siguiendo el cambio de absorbancia observado a 270 nm, máximo de absorción del MBSC, en un espectrototómetro Cary UV-vis. Los datos absorbancia-tiempo de los distintos experimentos cinéticos se ajustaron a la ecuación integrada de primer orden, ecuación 2.1. 2.1 Valoración calorimétrica isotérmica. Las valoraciones calorimétricas han sido realizadas en un microcalorímetro VP-ITC (MicroCal, Inc.) a 25○C con agitación constante (459 rpm). En un experimento típico, previamente a la toma de las medidas, las disoluciones son desgasificadas en un sistema Thermo Vac (MicroCal, Inc.). La celda de referencia fue enrasada con agua Milli Q y la jeringa de inyección con una disolución de CB7, que ha sido añadida gradualmente en la celda de reacción, que contenía una disolución del correspondiente surfactante o viceversa. Del ajuste de los datos experimentales del ITC a una ecuación “One Set of Sites” dada por el software de MicroCal para complejos del tipo 1:1, se obtienen como parámetros ajustables K, ΔH y ΔS. Influencia del CB7 en el proceso de micelización 27 RMN. Las disoluciones stock se prepararon de D2O. Los sistemas mixtos CB7/surfactante se prepararon mezclando los volúmenes apropiados de las disoluciones stock, en este caso se mantuvo la concentración de CB7 constante (7×10-4 M). Los 1H RMN fueron adquiridos en un espectrómetro Varian Inova 400. 2.3 Resultados y Discusión El principal objetivo de este trabajo, se centra en el estudio de las diferencias en la formación de complejos host:guest de surfactantes catiónicos con β-CD o CB7. Con el fin de estudiar estos sistemas, se utilizo la solvólisis del MBSC como sonda química. La geometría y polaridad de este compuesto, permite la formación de complejos de inclusión tanto con β-CD como con CB7. 2.3.1 Solvólisis del MBSC en presencia del CB7 En esta sección se presentan de forma concisa los resultados obtenidos en la solvólisis del MBSC en presencia de CB7. La Figura 2.1 muestra la influencia de la concentración del CB7 en el proceso de solvólisis del MBSC. Como se puede observar, la adición de CB7 al medio de reacción inhibe la solvólisis del MBSC. Esta inhibición es atribuida a la formación de un complejo de inclusión entre el MBSC y el CB7, como se muestra en el Esquema 2.2. Figura 2.1: Influencia de la concentración CB7 sobre kobs en la hidrólisis del MBSC a 25°C. Capítulo 2 28 El esquema mecanístico, considera que la reacción de solvólisis ocurre simultáneamente en dos medios distintos: agua, kw, y en la cavidad del CB7, kCB7. Esquema 2.2 A partir del Esquema 2.2, podemos obtener la ecuación de velocidad observada, ecuación 2.2, para este sistema: 2.2 donde KCB7 es la constante de equilibrio del CB7 con el MBSC, kCB7 es la constante de velocidad dentro de la cavidad del CB7 y kw representa la constante de velocidad de solvólisis en medio acuoso. Ajustando los datos experimentales de la Figura 2.1 a la ecuación 2.15, podemos obtener los valores correspondientes a cada parámetro, kw = (6.44 ± 0.01) × 10-3 s-1, KCB7 = (1.8 ± 0.1) × 104 M-1 y kCB7 = (6.2 ± 0.1) × 10-5 s-1. El valor de kCB7 es claramente menor que el obtenido en agua, sin embargo es similar al obtenido en mezclas de 90% de etanol, k90%EtOH = 5.99 × 10-5 s-1.14 Este comportamiento es compatible con el observado en la solvólisis de cloruros de benzoilo substituidos en presencia de CB7.17 17 N. Basilio, L. García-Río, J. A. Moreira, M. Pessêgo, J. Org. Chem. 2010, 75, 848-855 Influencia del CB7 en el proceso de micelización 29 2.3.2 Solvólisis del MBSC en presencia de micelas catiónicas La influencia de la concentración de surfactante en la constante de velocidad de solvólisis del MBSC se estudió en un amplio rango de concentración de surfactante, con el objetivo de cubrir tanto la región anterior como posterior a la cmc. En la región anterior a la cmc, las moléculas de surfactante se encuentran en forma de monómeros dispersos en el medio acuoso, mientras que en la región posterior a la cmc estas se encuentran asociadas en forma de micelas. En la Figura 2.2 se encuentra representada la influencia de la concentración de surfactante sobre la constante de velocidad observada, kobs, en la solvólisis del MBSC. Los valores de la constante de velocidad observada se mantienen inalterados hasta alcanzar la cmc, y a concentraciones de surfactante superiores al valor de la cmc se aprecia una disminución en kobs. A partir de la cmc, los surfactantes forman agregados micelares y la sonda se incorpora al interior de esas micelas, con la consiguiente disminución del valor de kobs. Figura 2.2: Influencia de la concentración del surfactante, CnTA+ en kobs en la solvólisis del MBSC a 25○C. (●) C10TA+, (●) C12TA+, (●) C14TA+, (●) C16TA+, (●) C18TA+ El valor de la cmc de cada surfactante también se puede determinar por medidas calorimétricas. A modo de ejemplo, en la Figura 2.3 se muestra los resultados obtenidos para el caso del C18TA+. El mínimo observado en la curva de la primera derivada de la integración del calor, Figura 2.3 C, corresponde al valor de la cmc para el C18TA+. El valor obtenido calorimétricamente, cmc ≈ 3×10-4M, es similar al obtenido por medidas cinéticas, cmc ≈ 3.02 × 10-4M. Capítulo 2 30 Figura 2.3: Titulación de 158 µL de micelas de C18TACl (6mM) en 1.459mL de agua en 40 pasos a 25○C. (A) Trazas calorimétricas (flujo de calor vs tiempo). (B) Entalpia vs [C18TACl] en la celda. (C) Primera derivada de la curva B. Con el propósito de poder obtener una interpretación cuantitativa de los resultados experimentales de la solvólisis del MBSC en presencia de micelas catiónicas, se aplicó el modelo de la pseudofase. Para aplicar este modelo se consideraron dos medios de reacción bien diferenciados, agua y una pseudofase micelar, entre los cuales se distribuye el MBSC (Esquema 2.3). MBSCw MBSCm Productos Productos kw km Km Pseudofase acuosa Pseudofase micelar Esquema 2.3 Considerando que el proceso de solvólisis ocurre simultáneamente tanto en agua como en la pseudofase micelar, se puede obtener la siguiente ecuación de velocidad de pseudo-primer orden: 2.3 Influencia del CB7 en el proceso de micelización 31 donde Km es la constante de distribución del MBSC entre el agua y la pseudofase micelar, [Dn] es la concentración de surfactante micelizado, [Dn] = [surfactante]t - cmc, y km es la constante de velocidad de solvólisis del MBSC en la pseudofase micelar. Para ajustar los datos experimentales a la ecuación 2.3, es necesario conocer los valores de la cmc para cada surfactante. Estos valores se pueden obtener cinéticamente como la mínima concentración de surfactante necesaria en la cual se observa un apreciable cambio en kobs. Los parámetros de la ecuación 2.3 pueden ser obtenidos mediante el ajuste a los datos experimentales representados en la Figura 2.2. En la Tabla 2.1 se presentan los valores de los parámetros obtenidos al ajustar los datos experimentales a la ecuación 2.3. Tabla 2.1: Concentración micelar critica (cmc) obtenida experimentalmente y parámetros de la ecuación 2.3, para la solvólisis del MBSC en presencia de micelas catiónicas. Surfactante cmc (M) km (s-1) Km (M-1) C10TA+ 6.04 × 10-2 (8.7 ± 0.1) × 10-5 92 ± 9 C12TA+ 1.09 × 10-2 (1.4 ± 0.3) × 10-4 273 ± 24 C14TA+ 3.00 × 10-3 (1.3 ± 0.7) × 10-4 292 ± 17 C16TA+ 1.00 × 10-3 (1.0 ± 0.1) × 10-4 471 ± 27 C18TA+ 3.02 × 10-4 (1.6 ± 0.4) × 10-4 678 ± 25 2.3.3 Solvólisis del MBSC en presencia del sistema mixto CB7/surfactante En el estudio de la solvólisis del MBSC en el sistema mixto, se mantuvo constante la concentración de CB7 (7×10-4 M), variando la concentración de surfactante, desde valores claramente anteriores y posteriores al punto de micelización. A modo de ejemplo, en la Figura 2.4 se muestran los resultados obtenidos para el caso del C12TA+ y C18TA+. Capítulo 2 38 surfactante en un rango que incluye tanto regiones anteriores como posteriores a la cmc, en ausencia y en presencia de CB7 ([CB7] = 7×10-4 M). La variación de los desplazamientos químicos del grupo N+(CH3)3 en ausencia y en presencia de CB7 frente a la concentración de surfactante, se muestra en la Figura 2.10. En ausencia de CB7 (puntos rojos) se puede observar que para concentraciones de surfactante inferiores a 1×10-3 M los desplazamientos químicos permanecen constantes, mientras que para concentraciones superiores se observa un desplazamiento hacia campo bajo (Figura 2.10). Para la identificación de la cmc se asume que es la concentración en la cual se aprecia una variación en los desplazamientos químicos, el valor obtenido es igual al obtenido a partir de los datos cinéticos. Figura 2.10: Desplazamientos químicos de las señales del grupo N+(CH3)3 del C16TA+ en función de la concentración de surfactante, en ausencia (●) y en presencia de [CB7] = 7×10-4 M (●). En ausencia de CB7, los desplazamientos químicos observados en la zona plana, corresponden a los monómeros libres, mientras que aumentando la concentración de surfactante los desplazamientos químicos observados corresponden al promedio del surfactante en forma de monómeros y en forma de agregados micelares (ecuación 2.4). 2.4 Donde δmon es el desplazamiento químico del surfactante en forma de monómero, Xmon es la fracción molar del surfactante libre, δmic es el desplazamiento químico del surfactante en forma de micelas y Xmic es la fracción molar del [C16TA+] (M) 0 5 x 10-3 10-2 1.5 x 10-2 obs (ppm) 3.06 3.08 3.1 3.12 3.14 3.16 3.18 Influencia del CB7 en el proceso de micelización 39 surfactante micelizado. Tal como se puede observar en la Figura 2.10, el ajuste de los datos experimentales a la ecuación 2.4 (línea roja) reproduce el comportamiento experimental. En presencia de CB7, los desplazamientos químicos observados corresponden a un promedio del C16TA+ complejado con el CB7, el que se encuentra en forma de monómero y el C16TA+ autoasociado en forma de micelas. 2.5 Donde δc es el desplazamiento químico del surfactante complejado con el CB7, Xc es la fracción molar del surfactante complejado. De la Figura 2.10, se puede concluir que la ecuación 2.5 reproduce perfectamente el comportamiento experimental observado (línea azul). A altas concentraciones de surfactante, se puede observar que los experimentos en ausencia y en presencia de CB7, convergen al mismo punto. Desde nuestro punto de vista, este hecho corrobora la ausencia de interacción entre el CB7 y los agregados micelares. Si el CB7 se encuentrase en la capa externa de las micelas catiónicas, deberían cambiar los desplazamientos químicos observados del grupo trimetilamonio. 2.3.3.5 Descripción cuantitativa Con el objetivo de proponer un modelo cinético que explique el comportamiento experimental observado, se debe considerar la ausencia de interacciones entre el CB7 y los agregados micelares, y la existencia tres vías de reacción simultáneas para el proceso de solvólisis del MBSC: medio acuoso, interior de la cavidad del CB7 y interior de los agregados micelares (Esquema 2.4). Capítulo 2 40 MBSC-CB7 CB7 + Surfactante Productos CB7-surfactante kCB7 Ks KCB7 MBSCw MBSCm Productos Productos kw km Km Pseudofase acuosa Pseudofase micelar Esquema 2.4 A partir de este esquema mecanicista se obtuvo la siguiente ecuación de velocidad observada: 2.6 Para resolver esta ecuación, es necesario conocer los valores de la cmcapp, que cinéticamente se considera como la mínima concentración de surfactante en la cual se aprecia un significativo cambio en kobs, Figura 2.11, así como la concentración de CB7 libre para cada concentración de surfactante. La concentración de CB7 libre se puede obtener por un proceso de simulación en el cual se supone que el complejo formado entre el CB7 y el surfactante presenta una estequiometria 1:1, tal como el complejo CB7-MBSC. Las constantes de equilibrio del MBSC y de los monómeros de surfactante con el CB7, se expresan como: 2.7 Se utilizan los siguientes balances para la concentración total de CB7, surfactante y MBSC, en concentraciones anteriores a la cmcapp: 2.8 Influencia del CB7 en el proceso de micelización 41 2.9 2.10 La combinación de las ecuaciones de cada balance de materia con las ecuaciones de las constantes de equilibrio, origina una ecuación de tercer orden, que nos permite determinar la concentración de CB7 libre para cada concentración de surfactante. 2.11 Donde 2.12 2.13 2.14 Para resolver las ecuaciones 2.11 - 2.14, es necesario utilizar los valores de Ks y KCB7 obtenidas anteriormente. Resolviendo estas ecuaciones se obtiene la concentración de CB7 libre para cada concentración de surfactante anterior a la cmcapp. Para concentraciones de surfactante por encima de la cmcapp, se asume que la concentración de CB7 libre se mantiene constante y que es igual al valor obtenido en cmcapp. Usando los valores de [CB7]f y de [Dn], se pueden ajustar los datos experimentales de kobs a la ecuación 2.6. En la Figura 2.11 se muestran los ajustes de kobs vs [surfactante] en presencia de CB7, usando las concentraciones de CB7 libre determinadas para cada surfactante, a partir de las ecuaciones 2.11 - 2.14. Capítulo 2 42 Figura 2.11: Influencia de la concentración del surfactante en la constante de velocidad observada de la solvólisis del MBSC en presencia de CB7 (7 × 10-4 M). (●) C10TA+, (●) C12TA+, (●) C14TA+, (●) C16TA+ y (●) C18TA+. A partir del ajuste de los datos experimentales a la ecuación 2.6, se obtienen los valores de los parámetros de esta ecuación, Tabla 2.2. Tabla 2.2: Parámetros cinéticos obtenidos para la solvólisis del MBSC en el sistema mixto CB7/surfactante. Surf. cmcapp (M) 103kw (s-1) km (s-1) Km (M-1) kCB7 (s-1) 10-4 KCB7 (M-1) 10-6 Ks (M-1) C6TA+ -- 6.44±0.013 -- -- (7.1±0.3)×10-5 1.6±0.3 5.5±0.5 C8TA+ -- 6.44±0.013 -- -- (6.5±0.1)×10-5 1.8±0.1 6.4±0.4 C10TA+ 6.00×10-2 6.44±0.013 (8.0±0.3)×10-5 88±5 (9.6±0.2)×10-5 1.8±0.1 2.7±0.1 C12TA+ 1.50×10-2 6.44±0.013 (6.8±0.8)×10-5 230±27 (1.3±0.3)×10-4 1.8±0.3 4.2±0.3 C14TA+ 3.50×10-3 6.44±0.013 (1.4±0.5)×10-4 349±99 (9.7±0.6)×10-5 1.8±0.1 2.6±0.9 C16TA+ 1.75×10-3 6.44±0.013 (2.8±0.1)×10-4 561±81 (6.5±0.3)×10-5 1.8±0.1 1.9±0.2 C18TA+ 1.14×10-3 6.44±0.013 (2.9±0.6)×10-4 861±77 (9.7±0.1)×10-5 1.6±0.2 5.2±0.4 En la Tabla 2.1 y Tabla 2.2 se muestran los valores obtenidos para los parámetros de reacción en la pseudofase micelar, km y Km, tanto en el sistema micelar simple como en el sistema mixto CB7/micelas. Los valores de estos parámetros ponen de manifiesto una valiosa información sobre la estructura del agregado micelar. Los valores de Km están correlacionados con el carácter hidrofóbico del interior de la micela, por lo otro lado km permite evaluar la polaridad del medio. Por lo tanto, si existe alguna interacción entre el CB7 y los agregados micelares, se verá reflejado en los valores de Km y km. Como podemos ver, los valores Influencia del CB7 en el proceso de micelización 43 obtenidos en ausencia de CB7 son concordantes con los obtenidos en presencia de CB7, lo que claramente indica la validez del modelo aplicado. 2.3.3.6 Variación de la concentración del CB7 libre con la longitud de la cadena del surfactante Para cada surfactante, es posible obtener la concentración de CB7 libre a partir de la curva de calibrado, Figura 2.1. Reescribiendo la ecuación 2.2 y utilizando los valores de KCB7, kCB7 y kw previamente obtenidos, se puede obtener la concentración de CB7 libre. 2.15 En la Tabla 2.3 se muestran los valores del %CB7f en equilibrio con el sistema micelar y el valor máximo de kobs en la curva de kobs vs [Surfactante] (Figura 2.11). Como se puede observar, el valor máximo de kobs es inferior al obtenido en agua (kw = 6.44 ± 0.01) × 10-3 s-1), esto es debido a la presencia de CB7 libre en el punto de micelización. Tabla 2.3: Valores del %[CB7]f en equilibrio con el sistema micelar. Surfactante 103 kobs max. (s-1) %CB7f C6TA+ 6.43 ± 0.01 0.01 C8TA+ 6.42 ± 0.02 0.01 C10TA+ 6.39 ± 0.01 0.08 C12TA+ 6.09 ± 0.02 0.46 C14TA+ 5.96 ± 0.03 0.66 C16TA+ 5.706 ± 0.003 1.05 C18TA+ 5.203 ± 0.008 1.95 El porcentaje de CB7 libre, aumenta con la longitud de la cadena hidrocarbonada del surfactante (Figura 2.12). Es decir el aumento del carácter hidrofóbico de los surfactantes origina un incremento del porcentaje de CB7 libre. El Capítulo 2 44 aumento del carácter hidrofóbico del surfactante, aumentaría su afinidad para complejarse con el CB7, sin embargo simultáneamente aumenta su tendencia a micelizar. Ambos procesos son dependientes del carácter hidrofóbico, no obstante el factor predominante es el proceso de micelización. Figura 2.12: Variación del porcentaje de CB7 y β-CD libre en equilibrio con el sistema micelar. Como se puede observar en la Figura 2.12, existe un mayor porcentaje de βCD21 que de CB7 en equilibrio con el sistema micelar. El porcentaje de β-CD libre, en el caso del C18TA+, es aproximadamente 21 veces superior al del CB7. Esta diferencia de comportamiento se puede explicar en base a las constantes de equilibrio entre el surfactante y estos dos macrociclos. Anteriormente ya se había comentado que los valores de las constantes de equilibrio con el CB7 son mucho mayores que con β-CD y, consecuentemente esta diferencia se ve reflejada en los porcentajes de CB7 libre. 2.4 Conclusión Los resultados obtenidos en este estudio, nos permiten concluir que para bajas concentraciones de surfactante, el complejo CB7-surfactante se produce de forma competitiva con el complejo CB7-MBSC. La formación competitiva del complejo CB7surfactante ocurre hasta que la concentración de monómeros de surfactante alcanza el valor al que se inicia el proceso de micelización. Los valores de las constantes de equilibrio entre el CB7 y los surfactantes son esencialmente independientes del 21 B. Dorrego, L. García-Río, P. Hervés, J. R. Leis, J. C. Mejuto, J. Pérez-Juste, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 4912-1920 Influencia del CB7 en el proceso de micelización 45 aumento de la longitud de la cadena alquílica y estos valores son significativamente más altos que los obtenidos con β-CD. Según los resultados de 1H NMR y los valores de los parámetros de Km y km, tanto en ausencia como en presencia de CB7, confirman ausencia de interacción entre el CB7 y los agregados micelares. En equilibrio con los agregados micelares, existe un pequeño porcentaje de CB7 libre, que aumenta con el aumento del carácter hidrofóbico del surfactante. 47 3 Formación de complejos host:guest entre el Cucurbit[7]urilo y surfactantes catiónicos 3.1 Estudio de la influencia de la longitud de la cadena alquílica del surfactante 3.1.1 Introducción Las moléculas anfifílicas que contienen largas cadenas alquílicas, como los surfactantes, ofrecen la posibilidad de cubrir una amplia gama de hidrofobicidad con pequeños cambios estructurales. En el capitulo anterior concluimos que el CB7 y los surfactantes catiónicos (CnTA+) formaban complejos de inclusión. Los valores de las constantes de equilibrio para la formación de dichos complejos eran prácticamente independientes de la longitud de la cadena alquílica de los surfactantes, estando su formación controlada esencialmente por efectos electrostáticos.1 La familia de los CBn ha demostrado poseer una alta propensión para formar una amplia variedad de complejos supramoleculares con una estequiometria superior al 1:1. Macartney et al. demostraron que el CB7 puede formar estables complejos host:guest (1:1 y 2:1) con substratos dicatiónicos2,3 (Esquema 3.1.1) y tetracatiónicos4. Los complejos del 1 M. Pessêgo, N. Basilio, J. A. Moreira, L. García.Río, ChemPhysChem, 2011, 12, 1342-1350 2 I. W. Wyman, D. H. Macartney, Org. Biomol. Chem. 2009, 7, 4045-4051 3 I. W. Wyman, D. H. Macartney, J. Org. Chem. 2009, 74, 8031-8038 Capítulo 3 54 Figura 3.1.2: Influencia de la concentración del CB7 en el espectro de absorción del [DSMI+] = 1.17×10-5 M. DSMIH2+ + CB7 CB7 + DSMI+ + H+ Ka CB7-DSMIH2+ CB7-DSMI+ + H+ Ka' KDSMIH2+ KDSMI+ Esquema 3.1.3 La absorbancia determinada experimentalmente a una longitud de onda específica, Aobs, se expresa como un promedio de las especies que absorben en el medio, y se puede expresar como: 3.1 Considerando la protonación del DSMI+ en el complejo de inclusión y que el pH del medio es ≈ 6, la especie protonada de DSMI2+ se puede despreciar en ausencia de CB7. 3.2 La Aobs (ecuación 3.2) se puede expresar en términos de constantes de equilibrio y de concentraciones totales de CB7 y DSMI+ (ecuación 3.3).  (nm) 200 300 400 500 600 Abs 0 0.2 0.4 0.6 0.8 [CB7] (M) 010-5 2 x 10-5 3 x 10-5 4 x 10-5 Abs (450 nm) 0.25 0.3 0.35 0.4 Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 55 3.3 Donde 3.4 3.5 3.6 El ajuste de la ecuación 3.3 a los datos experimentales de la Figura 3.1.2derecha, se efectuó atribuyendo varios valores de K1:1, considerando como valor óptimo para esta constante, el valor con que se obtuvo un mínimo en la desviación estándar (χ2) del ajuste. A partir de este método, se obtuvo como valor óptimo para la constante de equilibrio entre el CB7 y el DSMI+ de Kapp= (4.5 ± 0.3) × 106 M-1. La influencia del CB7 en el espectro de absorción del DSMI+ se estudió también en presencia de C10TA+ (Figura 3.1.3). Figura 3.1.3: Influencia de la concentración de C10TA+ en el espectro de absorción del [DSMI+] = 1.17×10-5 M en presencia de [CB7] = 1.2×10-5 M. Para resolver la ecuación 3.3, es necesario conocer la concentración de CB7 libre, [CB7]f, para cada concentración de surfactante. La concentración de CB7 libre, se puede determinar a través de un proceso de simulación, donde se considera que los complejos formados entre el C10TA+ y el CB7 presentan una estequiometria 1:1.  (nm) 200 300 400 500 600 Abs 0 0.2 0.4 0.6 0.8 [C10TABr] (M) 0 2 x 10-5 4 x 10-5 6 x 10-5 8 x 10-5 Abs (450 nm) 0.3 0.35 0.4 Capítulo 3 56 Las constantes de equilibrio establecidas por el CB7 con el DSMI+ y los monómeros de C10TA+ se expresan como (ecuación 3.7): 3.7 3.8 3.9 3.10 Combinando las ecuaciones de las constantes de equilibrio y los balances de materia, obtenemos una ecuación de tercer orden para la determinación de la concentración de CB7 libre (ecuación 3.11). 3.11 Donde 3.12 3.13 3.14 3.15 Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 57 La ecuación 3.11 se resolvió para varios valores de K1:1, obteniendo [CB7]f. Se consideró el valor de K1:1 óptimo, el que se obtuvo del ajuste de la ecuación 3.3 a los datos de la Figura 3.1.3-derecha con el valor de desviación más bajo (χ2). El valor obtenido a partir del método competitivo, K1:1 = (4.0 ± 0.5) × 106 M-1, es perfectamente compatible con el obtenido por calorimetría, K1:1 = (2.6 ± 0.1) × 106 M-1. Figura 3.1.4: Valores de las constantes de equilibrio para los complejos 1:1 (●) y 2:1 (●), obtenidos por medidas calorimétricas. Como se puede observar en la Figura 3.1.4, los valores de las constantes de equilibrio para la formación de complejos 1:1, K1:1, son independientes de la longitud de la cadena del surfactante, mientras que los valores de las constantes de formación de complejos 2:1, K2:1, aumentan al hacerlo la longitud de la cadena alquílica del surfactante. Cabaleiro-Lago10 et al. estudiarón la interacción host:guest entre la β-CD y CnTA+, y encontraron evidencias de la formación de un complejo de inclusión del tipo 2:1 para el caso del C16TA+. En el caso de la β-CD, existe una relación entre las constantes de equilibrio de formación de los complejos 1:1 y 2:1 con la longitud de la cadena alquílica de los surfactantes. Tal como se mencionó anteriormente, la magnitud de K2:1 está relacionada con la longitud de la cadena del surfactante, lo que sugiere la formación de un complejo de inclusión del tipo 2:1 entre el CB7 y CnTA+ con n ≥ 12 (Esquema 3.1.4). 10 C. Cabaleiro-Lago, M. Nilsson, O. Soderman, Langmuir 2005, 21, 11637-11644 Capítulo 3 58 Esquema 3.1.4 3.1.3.2 Caracterización estructural de los complejos host:guest entre CB7 y CnTA+ La complejación del CnTA+ con el CB7 se estudió detalladamente mediante experimentos de 1H y DOSY, manteniendo la concentración de CnTA+ constante (por debajo de la cmc) y se varió la concentración de CB7. Los dos componentes, CB7 y CnTA+, presentan señales de 1H RMN que no se superponen, lo que facilita la identificación de las señales individuales del CB7 y del surfactante. La Figura 3.1.5 muestra un ejemplo del espectro de 1H del CB7, C10TA+ y una mezcla de ambos componentes. Figura 3.1.5: Espectros de 1H RMN del CB7, C10TA+ y CB7+C10TA+. Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 59 3.1.3.2.1 Difusiometría de RMN El análisis cuantitativo de la intensidad de un pico en el espectro de difusión, proporciona el respectivo coeficiente de difusión de la molécula y/o agregado. El coeficiente de difusión se obtiene a partir del ajuste no lineal de la intensidad de la señal a la ecuación de Stejskal-Tanner.11 3.16 Donde I es la intensidad o integral de la señal, I0 es la intensidad o integral de la señal con el pulso de gradiente más bajo, γ es la constante giromagnética del núcleo observado, D es el coeficiente de difusión, δ es la duración del gradiente, G son los gradientes de pulso y Δ es el tiempo de difusión. En todos los experimentos, el decaimiento de la intensidad se ajustaron perfectamente a la ecuación 3.16, lo que indica la existencia de un único coeficiente de difusión. Como ejemplo, se muestra en la Figura 3.1.6 un decaimiento típico de la intensidad de la señal de 1H vs γ2G2δ2(Δδ/3) y el ajuste no lineal a la ecuación 3.16. Figura 3.1.6: Decaimiento de la intensidad de la señal de 1H del C8TA+ en ausencia (●) y en presencia de CB7 (1 mM) (●). Las líneas representan el ajuste a la ecuación 3.16. Se analizaron las intensidades de todos los picos que corresponden al CB7 y se obtuvieron coeficientes de difusión similares, y en el caso del CnTA+, se usó el pico 11 W. S. Price, Concepts Nucl. Magn. Reson. 1998, 10, 197-237 G22(-/3) (s/cm2) 0 2 x 1054 x 1056 x 1058 x 105 Intensidad (a. u.) 0 2 4 6 8 Capítulo 3 60 de los protones metilo del grupo cabeza del surfactante. El proceso de asociación entre el CB7 y el CnTA+ se estudió variando la concentración de CB7 manteniendo constante la de surfactante. Figura 3.1.7: Coeficientes de difusión observados del (●) C8TA+ y (○) CB7, variando la concentración de CB7 y [C8TA+] = 1.3 mM. La línea negra representa el ajuste de los datos al modelo de los coeficientes de difusión para complejos 1:1. En la Figura 3.1.7 se muestra la variación de los coeficientes de difusión observada para el CnTA+ y CB7 en función de la concentración del CB7. Los datos experimentales se pueden dividir en dos regiones distintas. Con el aumento de la concentración de CB7 los coeficientes de difusión observados para el surfactante, disminuyen debido a la formación de un complejo de inclusión, hasta que la concentración del complejo alcanza su máximo (Figura 3.1.7 I). Por encima de este punto (Figura 3.1.7 II), el coeficiente de difusión del surfactante permanece prácticamente constante, dado que ya no se forman más complejos. Sin embargo, en el caso del CB7 los coeficientes de difusión observados permanecen casi constantes al inicio, observándose un ligero aumento, que podría atribuirse al aumento de la concentración de CB7 libre. Los coeficientes de difusión observados del CB7 libre y del complejo presentan valores relativamente similares. Esto sugiere que el tamaño del CB7 y del complejo es comparable, lo que indica que los monómeros de surfactante se encuentran dentro de la cavidad del CB7, quedando la parte catiónica, grupo cabeza del surfactante, fuera de la cavidad. Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 61 Para realizar un estudio detallado de los datos experimentales, desde un punto de vista cuantitativo, se aplicó a los datos experimentales un modelo para la formación de complejos 1:1. Modelo para la determinación de los coeficientes de difusión en complejos 1:1 El modelo utilizado se basa en el supuesto de que se forma un complejo 1:1 entre el CB7 y el CnTA+. CB7 SCB7-S K1:1 Esquema 3.1.5 La constante de equilibrio del complejo de inclusión se expresa como: 3.17 donde [CB7]f y [S]f representan las concentraciones de las especies libres de CB7 y surfactante, respectivamente, y [CB7-S] es la concentración del complejo 1:1. La determinación de los coeficientes de difusión se basa en un modelo de intercambio de n-sitios, y se expresa como un promedio ponderado de la distribución entre los sitios. En el presente estudio, para el caso del surfactante se pueden identificar dos sitios distintos: surfactante libre y surfactante complejado. De este modo el coeficiente de difusión observado para el surfactante, DS,obs, viene dado por la ecuación 3.18. 3.18 Donde DS,f es el coeficiente de difusión del surfactante libre, DCB7-S es el coeficiente de difusión del complejo y XCB7-S es la fracción molar del surfactante complejado, que se expresa como: 3.19 Capítulo 3 62 donde Cs es la concentración total de surfactante y [S]f es la concentración de surfactante libre. Las moléculas de CB7, por otro lado, se pueden intercambiar entre dos sitios distintos, y el coeficiente de difusión observado del CB7, DCB7,obs, se expresa como: 3.20 3.21 donde DCB7,f es el coeficiente de difusión del CB7 libre. La ecuación 3.18 se puede expresar en términos de constantes de equilibrio, obteniéndose la siguiente ecuación. 3.22 Para ajustar los datos experimentales a esta ecuación, es necesario conocer los valores de las constantes de equilibrio entre el CB7 y el CnTA+. Estos valores se determinaron previamente a través de las valoraciones calorimétricas. A partir del ajuste de los datos experimentales a la ecuación del modelo para la determinación de los coeficientes de difusión para complejos 1:1 (ecuación 3.22), se pueden obtener los valores de los parámetros DS,f, DCB7,f y DCB7-S. Una de las limitaciones de esta técnica es la magnitud relativa de los coeficientes de difusión de las especies presentes en el sistema, mientras que los coeficientes de difusión del surfactante y del CB7 difieren significativamente, los coeficientes de difusión del complejo y del CB7 son similares. El ajuste de los datos correspondientes a CnTA+ con n = 6, 8 y 10, se realizó utilizando los valores de K1:1 y DS,f, bloqueados, es decir se introdujeron como valores constantes. Los resultados obtenidos se encuentran en la Tabla 3.1.2. Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 63 Tabla 3.1.2: Valores de los coeficientes de difusión para el complejo 1:1. Surfactante 106 Ds,f (cm2/s) 106 DCB7-S (cm2/s) C6TA+ 6.8 ± 0.2 2.9 ± 0.3 C8TA+ 6.35 ± 0.01 2.6 ± 0.3 C10TA+ 5.68 ± 0.04 2.9 ± 0.1 Con los CnTA+ con n =6 - 10 se observo un comportamiento similar en todos, mientras que el caso de n = 12 y 14, se detectó un patrón distinto. Con los CnTA+ con n ≥ 12, Figura 3.1.8, se observa una disminución gradual en los coeficientes de difusión observados del surfactante, es decir, no se alcanza un valor constante como se observaba con los de n < 12. Se observa una pequeña disminución, pero perceptible y esta pendiente indica la formación de un complejo 2:1. Los datos experimentales se ajustaron al anterior modelo que únicamente contemplaba la formación de complejos 1:1. Como se puede ver en la Figura 3.1.8, es evidente que este modelo (línea roja) no reproduce el comportamiento experimental observado. El modelo predice una estabilización en los coeficientes de difusión observados del surfactante a concentraciones altas de CB7. Esta desviación no es debido a la dispersión en los datos, la disminución es monótona y perceptible. Figura 3.1.8: Influencia de la concentración del CB7 en los coeficientes de difusión observados [C12TA+] = 1.3 mM. La línea roja representa el ajuste de los datos al modelo de los coeficientes de difusión para complejos 1:1 y la línea azul representa el ajuste a un modelo con complejos 1:1 y 2:1. La formación de un segundo complejo con un coeficiente de difusión inferior al del 1:1 explica el comportamiento experimental. Por tanto, es necesario desarrollar un modelo que contemple la formación simultánea de complejos del tipo Capítulo 3 70 dipolo entre en grupo trimetilamonio y el portal. Una situación de este tipo podría resultar en la pérdida de simetría del CB7. En la Tabla 3.1.4 se encuentran los valores de los desplazamientos químicos inducidos por el CB7 (Δδ) en los CnTA+ (n = 6 – 14) en presencia de distintos equivalentes de CB7. Tabla 3.1.4: Desplazamientos químicos inducidos por el CB7 (Δδ, ppm) en los 1H RMN del grupo cabeza (N+Me3), en los protones metileno adyacentes al grupo cabeza (C1) y en los protones terminales (Ct, t = 6 – 14) en presencia de distintos equivalentes de CB7. Surfactante Δδ (ppm) Δδ (ppm) N+Me3 C1 Ct N+Me3 C1 Ct C6TA+ -0.03 -0.58 -0.69 -0.03 -0.58 -0.68 C8TA+ 0.02 -0.43 -0.46 0.02 -0.43 -0.43 C10TA+ -0.02 -0.49 0.05 -0.02 -0.49 0.05 C12TA+ -0.09 -0.55 0.04 -0.12 -0.58 0.01 C14TA+ -0.07 -0.56 0.04 -0.11 -0.57 0.03 Los espectros de 1H RMN de los complejos (CB7-CnTA+) revelaron cambios significativos en los desplazamientos químicos en los protones alifáticos. Los protones metileno situados en la parte media de la cadena alquílica, presentan un significativo desplazamiento químico hacia campo alto, debido al hecho de se encontraren dentro de la cavidad del CB7. Los desplazamientos químicos hacia campo alto de los protones metilo terminales, disminuyen gradualmente al pasar de C6TA+ a C8TA+, y para los de n ≥ 10 se observa un pequeño desplazamiento químico hacia campo bajo. Los protones del grupo cabeza (N+Me3) presentan un pequeño desplazamiento hacia campo alto o bajo, lo que sugiere que estos protones se encuentran cerca del portal del CB7. Para los CnTA+ con n ≤ 10, se aprecian cambios significativos en los desplazamientos químicos hasta el punto de equivalencia, y estos se mantienen constantes incluso en presencia de exceso de CB7. Este comportamiento predice la formación de complejos 1:1 entre el CB7 y CnTA+ con n = 6 – 10. Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 71 En los complejos 1:1, los grupos cabeza del surfactante presentan un pequeño desplazamiento químico hacia campo alto de -0.09 ppm (C12TA+) y -0.07 ppm (C14TA+). Con exceso de CB7, se observó un aumento en el desplazamiento hacia campo alto a -0.12 ppm (C12TA+) y -0.11 ppm (C14TA+). Sin embargo, en el caso del los Ct, inicialmente ambos surfactantes presentan un desplazamiento químico hacia campo bajo de 0.04 ppm, con el aumento de la concentración de CB7, la magnitud de estos desplazamientos hacia campo bajo disminuye. Este comportamiento indica la existencia de una interacción entre el complejo 1:1 y una segunda molécula de CB7. Figura 3.1.13: Desplazamientos químicos de 1H RMN de las señales C1 (○) y Ct (□) de los surfactantes en presencia de 1 (rojo) y 3 (azul) equivalentes de CB7. Tal como mencionado anteriormente, 7 átomos de carbono pueden ser alojados dentro de la cavidad del CB7, si la cadena alquílica del surfactante se encuentra en una conformación trans. Como se puede observar en la Figura 3.1.13, los protones terminales del C8TA+ presentan un gran desplazamiento químico hacia campo alto, mientras que en el caso del C10TA+ se observa un pequeño desplazamiento hacia campo bajo. Esta diferencia puede indicar que la cadena alquílica del C8TA+ se pliegue dentro de la cavidad del CB7. La combinación los resultados obtenidos en los experimentos ITC y de RMN para los CnTA+ con n ≥ 12, nos permiten proponer la existencia de una interacción entre el complejo 1:1 y una segunda molécula de CB7. Sin embargo, la estructura del complejo 2:1 propuesta en el Esquema 3.1.4, es incompatible con los desplazamientos químicos observados para los protones Ct. Según la estructura propuesta en el Esquema 3.1.4, sería esperable observar un desplazamiento químico CnTA+ 6 8 10 12 14  ppm -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 Capítulo 3 72 hacia campo alto en la señal de los protones metilo (Ct), y la magnitud de ese desplazamiento debería ser comparable a la observada para los CnTA+ con n = 6 y 8. Es evidente que la estructura propuesta en el Esquema 3.1.4 no es coherente con los desplazamientos químicos observados en los espectros de 1H. No obstante, existe otra posible estructura para el complejo 2:1, en que ambas moléculas de CB7 interaccionen con el grupo cabeza del surfactante (Esquema 3.1.7). Esquema 3.1.7 3.1.3.2.3 Medidas cinéticas Con el objetivo de definir lo más claramente posible la estructura del complejo 2:1, se emplearon medidas cinéticas. Para estudiar los sistemas mixtos CB7/CnTA+, se utilizó como sonda química la solvólisis del MBSC. Tal como se ha mencionado en el capitulo anterior, la solvólisis del MBSC presenta una elevada susceptibilidad a cambios de polaridad del medio. Asumiendo que el proceso de solvólisis transcurre en dos medio distintos (ver capitulo 2, sección 2.3.1): agua, kw, y dentro de la cavidad del CB7, kCB7, se obtiene la ecuación 3.31 3.31 El estudio de la solvólisis del MBSC en los sistemas mixtos CB7/CnTA+ se realizó manteniendo la concentración de surfactante constante y se varió la de CB7. Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 73 Para ajustar los datos experimentales a la ecuación 3.31, es necesario conocer la concentración de CB7 libre, [CB7]f. Para su determinación es necesario considerar las posibles estructuras del complejo 2:1, donde ambos CB7 comparten el grupo cabeza del surfactante o la segunda molécula de CB7 se incluye dentro de la cavidad la cadena alquílica que está expuesta al agua en el complejo 1:1. El diferente modo de complejación tendrá importantes repercusiones cinéticas, pues permitirá alojar una molécula de MBSC. En el Esquema 3.1.8 se considera que en la formación del complejo 2:1 una segunda molécula de CB7 incluye dentro de su cavidad la cadena alquílica del surfactante. De este modo el complejo 2:1 no tiene posibilidad de interaccionar con el MBSC. Esquema 3.1.8 Capítulo 3 74 La concentración de CB7 libre, se puede determinar a través de un procedimiento de simulación donde se considera que el complejo formado entre el CB7 y el MBSC posee estequiometria 1:1 y que con los monómeros de surfactante pueden formar complejos 1:1 y 2:1. Las constantes de equilibrio entre el CB7 con el MBSC y los monómeros de surfactante se expresan como (ecuaciones 3.32): 3.32 Los balances de materia para el CB7, MBSC y surfactantes vienen dados por: 3.33 3.34 3.35 La combinación de estas ecuaciones con las ecuaciones de las constates de equilibrio, resulta una ecuación de cuarto orden para la determinación de la concentración del CB7 libre (ecuación 3.36). 3.36 Donde 3.37 3.38 3.39 3.40 Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 75 3.41 A fin de obtener [CB7]f, se resuelve la ecuación 3.36 utilizando los valores de K1:1 y K2:1 obtenidos por métodos calorimétricos, y KCB7 = (1.8 × 104 M-1). Si se considera que en el complejo 2:1, ambos CB7 comparten el grupo cabeza del surfactante (Esquema 3.1.9), la cavidad del CB7 vacía puede complejar la sonda química (MBSC). Esta suposición nos permite despreciar la formación del complejo 2:1 entre el CB7 y el surfactante, ya que la que la formación de este complejo no afectaría la velocidad de solvólisis del MBSC. Esquema 3.1.9 En este caso, la solvólisis del MBSC puede transcurrir en agua, kw, y en la cavidad del CB7, k1CB7 y k2CB7, y considerando las aproximaciones de la ecuaciones 3.42, obtenemos la ecuación 3.31. 3.42 Capítulo 3 76 Tal como hemos mencionado anteriormente, para resolver la ecuación 3.31, es necesario determinar [CB7]f, por un proceso simulación, donde se consideran las aproximaciones anteriores y los equilibrios presentes en el sistema: 3.43 Los balances de materia para el CB7, MBSC y surfactantes vienen dados por: 3.44 3.45 3.46 La combinación de estas ecuaciones con las ecuaciones de las constates de equilibrio, resulta una ecuación de tercer orden para la determinación de la concentración del CB7 libre (ecuación 3.47). 3.47 Donde 3.48 3.49 3.50 3.51 Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 77 Al igual que el caso anterior, para obtener [CB7]f, se resuelve la ecuación 3.47 utilizando los valores de K1:1 y K2:1 obtenidos anteriormente por calorimetría, y KCB7 = (1.8 × 104 M-1) obtenido en experimentos cinéticos independientes. A modo de ejemplo, en la Figura 3.1.14 se muestran los resultados de la influencia del CB7 en el proceso de solvólisis del MBSC en presencia de una concentración constante de C16TA+. Los datos experimentales se ajustaron al modelo (Esquema 3.1.8) en que se asume que la segunda molécula de CB7 incluye dentro de su cavidad la cadena alquílica del surfactante que queda expuesta al agua en el complejo 1:1 (Figura 3.1.14, línea azul). Como se puede observar, es evidente que este modelo no reproduce el comportamiento experimental observado. Figura 3.1.14: Influencia de la concentración del CB7 en la constante de velocidad observada de solvólisis del MBSC en presencia de [C16TA+] = 2.1 × 10-4 M. La otra hipótesis para la estructura del complejo 2:1, sería la de que ambas moléculas de CB7 compartiesen el grupo cabeza del surfactante, donde uno de los CB7 forma un complejo de inclusión con el surfactante y el otro formaría un complejo externo de modo que su cavidad permaneciese vacía. Esta cavidad ofrece la posibilidad de formar un complejo de inclusión con la sonda química (Esquema 3.1.9). Los datos de la Figura 3.1.14, se ajustaron al modelo que contempla la formación de complejos internos y externos (línea roja). Es evidente que el modelo que predice la formación simultanea de de un complejo interno y otro externo entre el CB7 y CnTA+ con n ≥ 12, proporciona una mejor concordancia con los datos experimentales. Capítulo 3 78 3.1.3.2.4 1H ROESY Para obtener más información estructural del complejo 2:1, realizamos experimentos ROESY (del inglés, Rotating frame Overhauser Effect SpectroscopY). Esta técnica es especialmente útil en la caracterización de interacciones intermoleculares, originando señales de los protones que están cerca uno del otro en el espacio. Los espectros de ROESY presentan señales cruzadas por relajacionescruzadas dipolares entre los núcleos a través del espacio y la intensidad de la señal observada es proporcional a la distancia entre núcleos. Los experimentos de ROESY se realizaron para una muestra que contenía cantidades equimolares de CB7 y C12TA+ y para otra con exceso de CB7. Figura 3.1.15: Espectros de 1H ROESY de CB7/C12TA+ en D2O. Izquierda: [C12TA+] = 1.3 mM y [CB7] = 1.3 mM. Derecha: [C12TA+]= 1.3 mM y [CB7] = 4.5 mM. En la Figura 3.1.15-izquierda, se observa una señal ROE intermolecular entre los protones trimetilamonio del surfactante y los protones metileno situados en el portal del CB7. Sin embargo, esta señal no es detectada en el espectro de ROESY de la Figura 3.1.15-derecha. Teniendo en cuenta estos resultados, podemos decir que Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 79 en el complejo 1:1 el grupo N+Me3 del surfactante interactúa con uno de los portales del CB7, mientras que en la muestra con exceso de CB7 la señal resultante de esta interacción ha desaparecido. Si en el complejo 2:1 la segunda molécula de CB7 incluye dentro de su cavidad la cadena alquílica del surfactante que queda expuesta al agua en el complejo 1:1, debería originarse un aumento en la intensidad de la señal ROE debido a la disminución de la distancia entre el grupo cabeza del surfactante y los protones metileno del CB7. La desaparición de esta señal puede explicarse en base a un aumento de la distancia entre los protones trimetilamonio y los protones metileno del CB7. Esta suposición, es consistente con el modelo donde ambas moléculas de CB7 comparten el grupo cabeza del surfactante. La aproximación de la segunda molécula de CB7, induce el desplazamiento del CB7, en el complejo 1:1, a lo largo de la cadena alquílica con el objetivo de minimizar las repulsiones electrostáticas entre los portales de los CB7. De este modo se produce un aumento en la distancia entre el grupo N+Me3 y los portales del CB7 (Esquema 3.1.7). 3.1.3.2.5 Medidas de STD Con el objetivo de confirmar el modelo estructural propuesto en el Esquema 3.1.7 para el complejo 2:1 formado entre el CB7 y CnTA+ con n ≥ 12, realizamos experimentos de RMN adicionales, usando la técnica de STD (del inglés, Saturation Tranfer Difference), que permite detectar y identificar la región del guest que está en contacto con el host.16 O NN NN O H HH n = 7 a bcN+ Br 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Esquema 3.1.10 En la Figura 3.1.16-abajo, se muestra el espectro de 1H RMN de la muestra con 1.3 mM de C12TA+ y 4.5 mM de CB7 y arriba se encuentra el espectro de STD de 16 a) M. Mayer, B. Mayer, Angew. Chem. Int. Ed. 1999, 38, 1784-1788; b) B. Mayer, T. Peters, Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 864-890 Capítulo 3 86 reacción del 1-bromotetradecano con trietilamina o tripropilamina en etanol.8 El bromuro de tetradeciltrimetilamonio (C14TMA+) es comercial. El CB7 fue sintetizado, de acuerdo con el procedimiento descrito en el capítulo 2. Ionización por Electroespay (ESI-MS).9 Los espectros ESI-MS se obtuvieron en un espectrómetro Bruker Daltonics HCT (trampa de iones), equipado con una fuente ESI (Agilent). Los iones se generan continuamente mediante infusión de la muestra acuosa (4 μL/min) en la fuente, con la ayuda de una bomba (KdScientific, modelo 781100, USA). En el modo de polaridad positiva se estudiaron muestras con relaciones molares CB7:surfactante 1:1 y 4:1. Valoración calorimétrica isotérmica. Las valoraciones calorimétricas han sido realizadas en un microcalorímetro VP-ITC (MicroCal, Inc.) a 25○C con agitación constante (459 rpm). En un experimento típico, previamente a la toma de las medidas, las disoluciones son desgasificadas en un sistema Thermo Vac (MicroCal, Inc.). La celda de referencia fue enrasada con agua Milli Q. Los experimentos de ITC se realizaron colocando la disolución de CB7 en la celda de reacción y se añadió gradualmente a través de una jeringa de inyección la disolución de surfactante. RMN. Las disoluciones stock se prepararon de D2O. Las mezclas para el sistema CB7/surfactante se prepararon mezclando los volúmenes apropiados de las disoluciones stock. En todos los experimentos se mantuvo la concentración de tetradeciltrialquilamonio constante (1.3 mM), por debajo de la concentración micelar crítica (cmc), y se varió la concentración de CB7. 8 a) M. J. Kim, R. Ryoo, Chem. Mater. 1999, 11, 487, 491; b) R. Bacaloglu, C. A. Bunton, F. Ortega, J. Phys. Chem. 1989, 93, 1497-1502 9 Los espectros ESI-MS han sido realizados en la Universidad del Algarve - Portugal, en colaboración con el Profesor J. P. Da Silva. Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 87 3.2.3 Resultados y Discusión 3.2.3.1 Ionización por Electroespray (ESI-MS) Estudios de ESI-MS aportan información sobre la estequiometria y estructura de los complejos. En el espectro de masas con cantidades equimolares (25 μM) de CB7 y de C14TMA+ (Figura 3.2.1 a) se identifican señales m/z a 1418.8 y 1163.4, que corresponden a la formación del complejo 1:1 [CB7+C14TMA+]+ y al CB7 protonado10, respectivamente. El análisis de los espectros de ESI-MS de mezclas con cantidades equimolares (25 μM) de CB7 y C14TEA+ o C14TPA+, revelaron la formación de complejos estables 1:1 en fase gas. Figura 3.2.1: Espectro ESI-MS de cantidades equimolares (25 μM) de CB7 y C14TMA. a) Espectro completo, b) espectro de fragmentación de m/z 1418.8. La flecha indica la señal fragmentada. Asignaciones: m/z 1418.8 [CB7+C14TMA+]+; 1163.4 [CB7+H+]+; 1222.6 [CB7+C14TMA+-196]+. De la fragmentación de la señal de los distintos complejos 1:1 (m/z 1418.8, 1460.8 y 1502.8 para C14TMA+, C14TEA+ y C14TPA+, respectivamente) resulta una perdida neutra de 196 Da (Figura 3.2.1 b y Figura 3.2.2), indicando la ruptura de la cadena alquílica del surfactante. Para el sistema CB7/C14TMA+ y CB7/C14TEA+ la disociación inducida por colisión, conduce sobre todo a la ruptura de partes del complejo, mientras que en el caso del sistema CB7/C14TPA+ se observa principalmente la disociación resultando la liberación intacta del C14TPA+ (m/z 340.4). Este comportamiento indica que en el caso del C14TPA+ su interacción con el CB7 en fase gas es más débil. 10 J. P. Da Silva, N. Jayaraj, S. Jockusch, N. J. Turro, V. Ramamurthy, Org. Lett. 2011, 13, 2410-2413 Capítulo 3 88 Figura 3.2.2: Espectro de fragmentación del complejo 1:1. a) m/z 1460.8 y b) m/z 1502.8. La flecha indica la señal fragmentada. Asignaciones: m/z 1460.8 [CB7+C14TEA+]+; 1163.4 [CB7+H+]+; 1264.6 [CB7+C14TEA+-196]+; 1502.8 [CB7+C14TPA+]+; 1164.4 [CB7+H+]+; 1306.6 [CB7+C14TPA+-196]+; 340.4 [C14TPA+]+. En mezclas con exceso de CB7, además de las señales correspondientes a los complejos 1:1, se observan nuevas señales a m/z 1291.6, 1312.4 y 1333.6, para mezclas con C14TMA+, C14TEA+ y C14TPA+, respectivamente. Las nuevas señales resultan de la formación de complejos 2:1 entre el CB7 y los surfactantes (Figura 3.2.3). La asignación de los picos se realizó con auxilio a los espectros de fragmentación de la respectiva señal (Figura 3.2.4). La fragmentación de la señal del complejo 2:1 con C14TMA+ conduce a la detección de señales resultantes del complejo 1:1 y de CB7 libre (m/z 1418.8 y 1163.4, respectivamente), mientras que en los de C14TEA+ y C14TPA+ además de la señal del complejo 1:1 y del CB7 libre, se observa una señal resultante del dímero de CB7 (m/z 2325.8). Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 89 Figura 3.2.3: Espectro ESI-MS de disoluciones con CB7 (100 μM) y (25 μM) a) C14TMA+, b) C14TEA+ y c) C14TPA+. Asignaciones: m/z 582.2 [CB7+2H+]2+; 1163.4 [CB7+H+]+; 1291.6 [2CB7+C14TMA++H+]2+; 1418.8 [CB7+C14TMA+]+; 1312.4 [2CB7+C14TEA++H+]2+; 1460.8 [CB7+C14TEA+]+; 1333.6 [2CB7+C14TPA++H+]2+; 1502.8 [CB7+C14TPA++H+]2+. Capítulo 3 90 Figura 3.2.4: Espectro de fragmentación del complejo 2:1 a) CB7-C14TMA+, b) CB7-C14TEA+ y c) CB7C14TPA+. La flecha indica la señal fragmentada. Asignaciones: m/z 298.4 [C14TEA+]+; 340.4 [C14TPA+]+; 1163.44 [CB7+H+]+; 1291.6 [2CB7+C14TMA++H+]2+; 1312.6 [2CB7+C14TEA++H+]2+; 1333.4 [2CB7+C14TPA++H+]2+; 1418.6 [CB7+C14TMA+]+; 1460.8 [CB7+C14TEA+]+; 1502.2 [CB7+C14TPA++H+]2+; 2325.8 [2CB7+H+]+. 3.2.3.2 Determinación de las constantes de equilibrio Las constantes de equilibrio entre el CB7 y los surfactantes de tetradeciltrialquilamonio se determinaron por medidas de ITC. Los experimentos de calorimetría se realizaron colocando la disolución de CB7 en la celda de reacción, añadiendo gradualmente la disolución de surfactante. Los datos de las isotermas de complejación se ajustaron a un modelo de ecuaciones para complejos 1:1 y 2:1 Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 91 suministradas por MicroCal. A modo de ejemplo, en la Figura 3.2.5 se encuentran representados los resultados obtenidos para el sistema CB7/C14TPA+. Figura 3.2.5: Titulación de 1.459 mL CB7 (0.2 mM) con 266 μL C14TPA+ (2 mM) a 25○C. Arriba: Trazas calorimétricas (flujo de calor vs tiempo). Abajo: Isotermas de complejación (obtenido por la integración de las trazas calorimétricas) vs Razón Molar. Se observa una disminución gradual de las isotermas de complejación hasta cerca del punto de equivalencia, lo que indica la formación de complejos 2:1 entre el CB7 y el C14TPA+. Los valores de las constantes de equilibrio obtenidas para los complejos 1:1 y 2:1 formados entre el CB7 y los surfactantes tetradeciltrialquilamonio, se encuentran representados en la Tabla 3.2.1 y en la Figura 3.2.6-izquierda. Tabla 3.2.1: Valores de las constantes de equilibrio (K) y los correspondientes parámetros termodinámicos para la formación de complejos 1:1 y 2:1 entre el CB7 y los surfactantes tetradeciltrialquilamonio, obtenidas por ITC. Surfactante K1:1 (M-1) ΔH1:1 (KJmol-1) TΔS1:1 (kJmol-1) 10-3K2:1 (M-1) ΔH2:1 (kJmol-1) TΔS2:1 (kJmol-1) C14TMA+ (4.3±0.2)×106 -38.1±0.2 -0.2±0.2 4.1±0.5 -5.6±0.1 15.0±0.2 C14TEA+ (1.1±0.3)×106 -18.3±0.3 16.2±0.3 5.2±0.9 -9.1±0.2 12.1±0.5 C14TPA+ (5.4±0.3)×104 -27.7±0.2 -0.7±0.4 4.2±0.2 -2.7±0.1 18.0±03 Capítulo 3 92 La Figura 3.2.6-izquierda ilustra la influencia del grupo cabeza del surfactante sobre las constantes de equilibrio de formación del complejo 1:1 y 2:1. En los complejos 1:1, la magnitud de las constantes de equilibrio disminuye según aumenta la longitud de la cadena alquílica del grupo cabeza, mientras que para el complejo 2:1 son prácticamente independientes del tamaño del grupo cabeza del surfactante. De hecho por ESI-MS se había detectado que en el complejo 1:1 formado entre el CB7 y el C14TPA+, la constante de equilibrio debería ser menor que la obtenida con los otros surfactantes. En el anterior apartado, demostramos que las constantes de equilibrio para la formación de complejos 1:1 (K1:1) con una serie de surfactantes del tipo alquiltrimetilamonio (CnTA+, n = 6 – 18; Figura 3.2.6-derecha), son independientes de la longitud de la cadena alquílica del surfactante.7 De este modo la disminución observada en K1:1 en este estudio debe de estar relacionada con la longitud de la cadena alquílica del grupo cabeza del surfactante. Los efectos electrostáticos pueden desempeñar un papel crucial en el proceso de reconocimiento molecular, tanto en disoluciones acuosas como en orgánicas.11 El potencial electrostático en los portales y dentro de la cavidad del CB7 es significativamente negativo, y como consecuencia, exhibe una gran afinidad por sustratos catiónicos.12 La magnitud de K1:1 disminuye con el aumento del tamaño del grupo trialquilamonio de la cabeza del surfactante, debido al aumento, tanto del carácter electrodonador de los sustituyentes como del impedimento estérico. Figura 3.2.6: Valores de las constantes de equilibrio de formación de los complejos de CB7 con tetradeciltrialquilamonio (izquierda) 1:1 (●) y 2:1 (○), y con CnTA+ (derecha) 1:1 (■) y 2:1 (□), obtenidos por medidas calorimétricas a 25°C. 11 B. Honig, A. Nicholls, Science 1995, 268, 1144-1149 12 J. Lagona, P. Mukhopadhyay, S. Chakrabarti, L. Isaacs, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 4844-4870 Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 93 La Figura 3.2.7 muestra la comparación entre el valor de las constantes K1:1 obtenidas entre el CB7 y sustratos derivados de tetralquilamonio (N+R4)5, con las obtenidas en presencia de surfactantes con los mismos grupos alquilo. Figura 3.2.7: Valores de las constantes de equilibrio de los complejos 1:1 para N+R4 (○) y para tetradeciltrialquilamonio (●). Los valores de K1:1 con C14TMA+ y C14TPA+ son más altos que los obtenidos en presencia de los correspondientes tetralquilamonio. Por ejemplo, la constante de equilibrio obtenida con C14TMA+ (4.4 ⨯ 106 M-1), es aproximadamente 40 veces mayor que la obtenida con Me4N+ (1.2 ⨯ 105 M-1). Esta diferencia se debe a la combinación de interacciones hidrofóbicas y electrostáticas (la cavidad del CB7 puede acomodar, en conformación trans 6 – 8 átomos de carbono). En el caso del C14TPA+, se observa un comportamiento similar, la constante de equilibrio es aproximadamente 8 veces superior la a Pr4N+. Sin embargo, para el C14TEA+ la constante de equilibrio es comparable a la obtenida con Et4N+. Las constantes de equilibrio de los tetralquiamonio se correlacionan con el tamaño de la cavidad del CB7, siendo el tetraetilamonio el sustrato que mejor se ajusta al tamaño de la cavidad. Por otra parte, Macartney et al.5 sugieren que estos sustratos se encuentran preferentemente en el interior de la cavidad del CB7. Si el Et4N+ se inserta dentro de la cavidad del CB7, el grupo catiónico del C14TEA+ debería estar igualmente incluido en la cavidad, conjuntamente con un pequeño número de átomos de carbono de la cadena alquílica, por lo que el efecto hidrofóbico será despreciable. Capítulo 3 94 3.2.3.3 Análisis de los espectros de 1H RMN En la Figura 3.2.8 se muestran los espectros de 1H RMN del C14TEA+ en presencia de distintos equivalentes de CB7. Tal como se puede observar, la adición de CB7 conduce, a alteraciones de desplazamientos químicos hacia campo alto. Para relaciones molares por encima de 1:1, se observan cambios continuos en los desplazamientos químicos, lo que indica la formación de complejos con estequiometria superior al 1:1. Figura 3.2.8: Espectros de 1H RMN del C14TEA+ (1.3 mM) en ausencia y en presencia de distintos equivalentes de CB7. En la Tabla 3.2.2 y en la Figura 3.2.9 se encuentran representados los valores de los desplazamientos químicos inducidos por el CB7 (Δδ = δbound – δfree) en los surfactantes de tetradeciltrialquilamonio, en presencia de distintos equivalentes de CB7. Formación de complejos entre CB7 y surfactantes catiónicos 95 Figura 3.2.9: Variación de los desplazamientos químicos de las señales de los protones H1 (○) y Ct (□) de los surfactantes tetradeciltrialquilamonio. Izquierda: razón molar 1, derecha: razón molar 3. Tabla 3.2.2: Desplazamientos químicos de 1H RMN inducidos por el CB7 (Δδ = δbound – δfree, ppm) en el grupo cabeza (H1, protones adyacentes al átomo de nitrógeno en el grupo de cabeza), C1 (protones metileno adyacentes al grupo cabeza en la cadena alquílica) y en Ct (protones terminales de la cadena alquílica) en presencia de distintos equivalentes de CB7 1:1 Razón Molar Δδ (ppm) 3:1 Razón Molar Δδ (ppm) H1 C1 Ct H1 C1 Ct C14TMA+ -0.07 -0.56 0.04 -0.11 -0.57 0.03 C14TEA+ -0.31 -0.35 -0.01 -0.59 -0.55 -0.27 C14TPA+ 0.03 -0.1 -0.01 -0.19 -0.16 -0.01 Con cantidades equimolares de CB7 y de surfactante, los protones terminales de la cadena alquílica (Ct) presentan un ligero desplazamiento químico hacia campo bajo (0.04 ppm, C14TMA+) o a campo alto (-0.01 ppm, C14TPA+ y C14TEA+).Los protones adyacentes al átomo de nitrógeno en el grupo cabeza (H1) muestran un pequeño desplazamiento químico hacia campo alto (-0.07 ppm, C14TMA+) o a campo bajo (0.03 ppm, C14TPA+), lo que indica su mayor o menor proximidad al portal del CB7. Sin embargo, en el caso del C14TEA+, los protones H1 presentan un significativo desplazamiento químico a campo alto (-0.31 ppm), esta magnitud indica que estos protones se encuentran en el interior de la cavidad del CB7 (Esquema 3.2.2). 1:1 Razón Molar Tetradeciltrialquilamóio Me Et Pr (ppm -0.6 -0.4 -0.2 0 3:1 Razón Molar Tetradeciltrialquilamóio Me Et Pr (ppm) -0.6 -0.4 -0.2 0 Capítulo 4 102 4.2 Sección Experimental Materiales. Todos los reactivos comerciales fueron adquiridos con la máxima pureza disponible y usados sin posteriores purificaciones. Excepto en el caso del cucurbit[7]urilo (CB7) y de los surfactantes bolaform, que fueron sintetizados. El CB7 se ha sintetizado de acuerdo con el procedimiento descrito en el capítulo 2. Los surfactantes α,α’-bolaform (Bn) se sintetizaron según el procedimiento descrito a continuación.10 Los surfactantes bolaform de caracterizan por poseer dos grupos cabeza separados por un espaciador, normalmente un cadena alquílica, Esquema 4.3. Esquema 4.3 El B12 se obtuvo por reacción del 1,12-dibromododecano (comercial) con trimetilamina en etanol.11 Los Bn con n ≥ 14, se sintetizaron a partir de ácidos αbromocarboxílicos (ácido 8-bromooctanoico, ácido 10-bromodecanoico, ácido 11bromoundecanoico y ácido 12-bromododecanoico) a través de α,α’-dibromuros. Los correspondientes α,α’-dibromuros, se prepararon por electrólisis de Kolbe de los ácidos α-bromocarboxílicos en metanol12, y se convierten posteriormente en los correspondientes surfactantes Bn siguiendo el mismo procedimiento de la síntesis del B12.11 Valoración calorimétrica isotérmica. Las valoraciones calorimétricas han sido realizadas en un microcalorímetro VP-ITC (MicroCal, Inc.) a 25○C con agitación constante (459 rpm). En un experimento típico, previamente a la toma de las medidas, las disoluciones son desgasificadas en un sistema Thermo Vac (MicroCal, Inc.). La celda de referencia fue enrasada con agua Milli Q. Los experimentos de ITC 10 La síntesis de los Bn se realizó en colaboración con los Profesores J. A. Moreira y A. M. Rosa da Costa de la Universidad del Algarve-Portugal, y con el Profesor F. J. Poblete de la Universidad de Castilla-La Mancha-España. 11 F. M. Menger, S. Wrenn, J. Phys. Chem. 1974, 78, 1387-1390 12 R. G. Woolford, Can. J. Chem. 1962, 40, 1846-1850 Formación de complejos entre CB7 y surfactantes bolaform 103 se realizaron colocando la disolución de Bn en la celda de reacción y se añadió gradualmente a través de una jeringa de inyección la disolución de CB7. RMN. Las disoluciones stock se prepararon de D2O. Las mezclas para el sistema CB7/Bn se prepararon mezclando los volúmenes apropiados de las disoluciones stock. En todos los experimentos se mantuvo la concentración Bn constante (1.3 mM), por debajo de la concentración micelar crítica (cmc), y se varió la concentración de CB7. Los espectros de 1H RMN y de DOSY (Diffusion-Ordered NMR Spectroscopy) fueron adquiridos en un espectrómetro Varian Inova 400 a 25○C. Los espectros de difusión se obtuvieron mediante experimentos de eco spin con pulsos de gradientes bipolares.13 Se aplicaron gradientes rectangulares (G) con 2 ms de duración (δ), variando la potencia de los mismos entre 2.0 a 65.6 cm-1 en 20 pasos. El tiempo de difusión (Δ) fue optimizado para cada muestra (50 a 90 ms) de modo a que la intensidad de las señales disminuyera en cerca de 95% para el gradiente máximo. Los datos fueron procesados con el programa MestreC (Mestrelab Research Inc.). Estudio espectrofotométrico. Las disoluciones de partida del 4metoxibencenosulfonilo (MBSC) se prepararon en acetonitrilo debido a su inestabilidad y baja solubilidad en agua. En el medio de reacción, la concentración final de acetonitrilo es 1% (v/v). Las disoluciones de los sistemas CB7/Bn se prepararon mezclando los volúmenes apropiados de disoluciones acuosas madre de ambos compuestos en una cubeta de cuarzo de 1 cm de paso de luz. Los experimentos cinéticos se iniciaron al adicionar un pequeño volumen de la disolución de partida de MBSC a la disolución del sistema correspondiente, previamente termostatizado a 25○C. En todos los experimentos la concentración final de MBSC se mantuvo en 1⨯10-4 M. Las reacciones se siguieron espectrofotométricamente a 270 nm, máximo de absorción del MBSC, en un espectrofotómetro Cary UV-Vis. Los datos absorbancia-tiempo de los distintos experimentos cinéticos se ajustaron a la ecuación integrada de primer orden. 13 D. Wu, A. Chen, C. S. Johnson, J. Magn. Reson.1998, 10, 197-237 Capítulo 4 104 4.3 Resultados y Discusión 4.3.1 Determinación de la constantes de equilibrio entre el CB7 y los Bn Las constantes de equilibrio entre el CB7 y cada Bn se determinaron por medidas calorimétricas. Los experimentos de calorimetría se realizaron colocando la disolución de Bn en la celda de reacción, añadiendo gradualmente la disolución de CB7. Los datos de las isotermas de complejación se ajustaron a un modelo de ecuaciones para complejos 1:1 y 2:1 suministradas por MicroCal. A modo de ejemplo, en la Figura 4.1 se muestran los resultados obtenidos para el sistema CB7/B18. Figura 4.1: Titulación de 1.459 mL B18 (0.15 mM) con 266 μL CB7 (2.5 mM) a 25○C. Arriba: Trazas calorimétricas (flujo de calor vs tiempo). Abajo: Isotermas de complejación (obtenidas por la integración de las trazas calorimétricas) vs Razón Molar. En la Tabla 4.1 se encuentran representados los valores de las constantes de equilibrio para la formación de complejos 1:1 y 2:1 entre el CB7 y Bn. Formación de complejos entre CB7 y surfactantes bolaform 105 Tabla 4.1: Valores de las constantes de equilibrio (K) para la formación de complejos 1:1 y 2:1 entre el CB7 y los surfactantes Bn, obtenidas por ITC. Bn 10-7 K1:1 (M-1) 10-4 K2:1 (M-1) B12 1.7±0.2 0.9±0.1 B14 2.9±0.7 3.5±0.5 B18 0.79±0.09 13.5±1 B20 0.27±0.07 29.9±3 B22 0.22±0.06 42.8±3 Las constantes de equilibrio presentadas en la Tabla 4.1, muestran que para la formación de complejos 1:1, su magnitud disminuye con el aumento de la cadena alquílica del espaciador del surfactante. En la formación de complejos 2:1 se observa la tendencia opuesta. Esta diferencia de comportamiento, puede ser explicada en base a efectos electrostáticos, estos efectos pueden desempeñar un papel crucial en el reconocimiento molecular.14 Los surfactantes bolaform son compuestos dicatiónicos, por lo que es esperable obtener valores elevados de las constantes de equilibrio, en comparación con las obtenidas con surfactantes convencionales. La magnitud de K1:1 disminuye con el aumento de la cadena alquílica, debido al aumento de la distancia entre los grupos cabeza del surfactante. En el complejo 1:1, la molécula de CB7 se mueve a lo largo de la cadena alquílica, con el objetivo de interaccionar con ambos grupos cabeza. Con el aumento de la longitud de la cadena alquílica, disminuye la intensidad de las interacciones electrostáticas entre los portales de CB7 y ambos grupos cabeza del surfactante. Por otro lado, las constantes de equilibrio de los complejos 2:1 aumentan, según aumenta la longitud de la cadena alquílica del bolaform. Este comportamiento puede explicarse en base a las repulsiones electrostáticas entre los portales del CB7. Con el aumento de la longitud de la cadena alquílica, aumenta la distancia entre los dos CB7 complejados con el bolaform y, consecuentemente disminuye la intensidad de las fuerzas repulsivas entre los grupos carbonilo presentes en los portales de ambos macrociclos. 14 B. Honig, A. Nicholls, Science 1995, 268, 1144-1149 Capítulo 4 106 Figura 4.2: Valores de las constantes de equilibrio de la formación de complejos 1:1 y 2:1, obtenidas entre los CnTA+ (azul)8 y los Bn (rojo) con el CB7. La Figura 4.2 compara los valores de las constantes de equilibrio obtenidas con los surfactantes bolaform (sustratos dicatiónicos) con los valores obtenidos en presencia de surfactantes derivados de alquiltrimetilamonio8 (CnTA+, sustratos monocatiónicos). Los valores de las constantes de equilibrio K1:1 de los surfactantes bolaform son superiores a las de los CnTA+ convencionales, debido a la interacción con los dos grupos cabeza catiónicos de los bolaform, en lugar de uno en los surfactantes convencionales (Figura 4.2-izquierda). Por otra parte, se puede observar que según aumenta la longitud de la cadena alquílica del espaciador, los valores de K1:1 de los surfactantes bolaform se aproximan a los obtenidos con surfactantes convencionales. Para cadenas hidrocarbonadas largas, se detecta un menor efecto del segundo grupo cabeza en el valor de K1:1, se observa que con el aumento de la distancia entre el portal del CB7 y el grupo cabeza del Bn, el movimiento entre los dos grupos cabeza se vuelve más lento, conduciendo a que la molécula de CB7 se centre únicamente en un único grupo cabeza. Comparando los valores de las constantes de equilibrio K2:1, vemos que el aumento de la longitud de la cadena alquílica del surfactante, tanto del bolaform como de los CnTA+, aumenta la magnitud de K2:1. De modo análogo a como se habia observado en las constantes K1:1, los valores de las constantes de equilibrio K2:1 de los surfactantes bolaform son superiores a las obtenidas con CnTA+ (Figura 4.2-derecha). Esta diferencia es consecuencia de las distintas estructuras de los complejos 2:1, en el caso de los CnTA+ el grupo cabeza del surfactante es compartido entre ambos macrociclos (Esquema 4.1), mientras que en el caso de los Bn cada macrociclo interactúa con un Formación de complejos entre CB7 y surfactantes bolaform 107 grupo de cabeza distinto, minimizando las repulsiones electrostáticas entre los grupos carbonilo presentes en la entrada de los portales de ambos macrociclos. 4.3.2 Caracterización estructural de los complejos formados entre el CB7 y los Bn El proceso de complejación del CB7 con los Bn, se estudió detalladamente a través de experimentos de 1H y de DOSY. En este estudio, se mantuvo constante la concentración de Bn (por debajo de la cmc) y se varió la concentración de CB7. Los componentes del sistema CB7/Bn, presentan señales en el espectro de 1H RMN que no se superponen, facilitando su identificación. En la Figura 4.3 se muestra, a modo de ejemplo, los espectros de 1H RMN del CB7, B18 y mezcla de ambos componentes. Figura 4.3: Espectros de 1H RMN del CB7, B18 y mezcla CB7+B18. 4.3.2.1 Difusiometría de RMN Desde un punto de vista cualitativo, el análisis de la intensidad de un pico en el espectro de difusión, proporciona el respectivo coeficiente de difusión de la molécula y/o agregado. El coeficiente de difusión se obtiene a partir del ajuste no lineal de la intensidad de la señal a la ecuación de Stejskal-Tanner.15 15 W. S. Price, Concepts Nucl. Magn. Reson. 1998, 10, 197-237 Capítulo 4 108 4.1 Donde I es la intensidad o integral de la señal, I0 es la intensidad o integral de la señal con el pulso de gradiente más bajo, γ es la constante giromagnética del núcleo observado, D es el coeficiente de difusión, δ es la duración del gradiente, G son los pulsos de gradiente y Δ es el tiempo de difusión. El decaimiento la intensidad de las señales se ajustó perfectamente a la ecuación 4.1. En la Figura 4.4 se muestra un decaimiento típico de la intensidad de la señal de 1H frente a γ2G2δ2(Δ-δ/3) y el correspondiente ajuste a la ecuación 4.1. Figura 4.4: Decaimiento de la señal de la señal de 1H del B18 en ausencia (●) y en presencia de CB7 (0.9 mM) (●). Las líneas representan el ajuste a la ecuación 4.1. Se analizaron las intensidades de todos los picos que corresponden al CB7 y se obtuvieron coeficientes de difusión similares, y en el caso del Bn se usó el pico de los protones metilo del grupo cabeza del surfactante. En la Figura 4.5 se encuentra representada la variación de los coeficientes de difusión observados para el B18 y CB7, en función de la razón molar. Los datos experimentales se pueden dividir en tres regiones distintas. Como se puede observar, con el aumento de la concentración de CB7, disminuyen los coeficientes de difusión observados, debido a la formación de un complejo de inclusión del tipo 1:1, hasta la razón molar de [CB7]/[B18]=1 (Figura 4.5 I). Por encima de esta razón molar (Figura 4.5 II), Dobs no alcanza un valor constante, por el contrario, se observa una continua disminución, lo que indica la formación de complejos 2:1, hasta la relación molar de [CB7]/[B18]=2. Pasada la disminución inicial de Dobs (Figura 4.5 Formación de complejos entre CB7 y surfactantes bolaform 109 III), y en presencia de un gran exceso de CB7, los coeficientes de difusión observados del surfactante permanecen prácticamente constantes, una vez que ya no se forman más complejos. Por otro lado, en la región 4I, se observa una pequeña disminución en los coeficientes de difusión observados del CB7. Este comportamiento se debe a que la magnitud del coeficiente de difusión del complejo 1:1 es comparable al del CB7 libre. Con el aumento de la relación molar [CB7]/[B18] (región 4II), los Dobs del CB7 disminuyen como consecuencia de la formación de complejos 2:1. Por encima de la relación molar de molar [CB7] / [B18] = 2, se observa un incremento en los coeficientes de difusión observados del CB7, debido al aumento de la concentración de CB7 libre (región 4III). Figura 4.5: Coeficientes de difusión observados del (●) B18 y (○) CB7, variando la concentración de CB7, representada por [CB7]/[B18]. La línea negra representa el ajuste de los datos al modelo de los coeficientes de difusión para la formación de complejos 1:1 y 2:1. Para analizar los datos experimentales de forma cualitativa, se aplicó un modelo que contempla la formación de complejos 1:1 y 2:1, a partir de este modelo se obtiene la ecuación 4.2 (ver capítulo 3, apartado 3.1.3.2.1). 4.2 Para ajustar los datos experimentales a esta ecuación es necesario conocer los valores de las constantes de equilibrio entre el CB7 y los Bn. Estos valores se determinaron mediante medidas de calorimetría. De forma general, los ajustes se realizaron considerando únicamente la formación de complejos 1:1 y 2:1 entre el Capítulo 4 110 CB7 y el surfactante. A partir del ajuste de los datos experimentales a la ecuación 4.2, se obtienen los valores de los parámetros DBn,f (coeficiente de difusión del Bn libre), DCB7-Bn (coeficiente de difusión del complejo 1:1) y D(CB7)2-Bn (coeficiente de difusión del complejo 2:1). En el proceso de ajuste de los datos correspondientes a Bn (n = 12 – 22), se bloquearon los parámetros K1:1, K2:1 y DBn,f, es decir se introdujeron como valores constantes. Los resultados obtenidos se encuentran representados en la Tabla 4.2 Tabla 4.2: Valores de los coeficientes de difusión para los complejos 1:1 y 2:1 formados entre el CB7 y los surfactantes bolaform. Bn 106 DBn,f (cm2/s) 106 DCB7-Bn (cm2/s) 106 D(CB7)2-Bn (cm2/s) B12 4.79±0.08 2.6±0.2 2.4±0.2 B14 4.5±0.1 2.6±0.6 2.1±0.3 B18 3.9±0.7 2.3±0.3 2.1±0.2 B20 3.90±0.08 2.1±0.5 1.9±0.2 B22 3.3±0.1 2.3±0.2 1.7±0.3 Como se puede observar, tanto en la formación de complejos 1:1 como 2:1, los valores de los coeficientes de difusión disminuyen con el aumento de la longitud de la cadena alquílica del espaciador del surfactante bolaform. Estos resultados son compatibles con el incremento del peso molecular, debido a la formación de complejos host:guest. 4.3.2.2 Análisis de los espectros de 1H RMN En la Figura 4.6, se muestran los espectros de 1H RMN del B14 en presencia de distintos equivalentes de CB7. Como se puede observar, los espectros de 1H RMN presentan alteraciones graduales con el aumento de la concentración de CB7. Los cambios observados en los espectros de 1H RMN de los Bn, con la adición de exceso de CB7 corroboran los resultados obtenidos por medidas de DOSY y ITC, que indican la formación de complejos 1:1 y 2:1 entre el CB7 y los Bn. Formación de complejos entre CB7 y surfactantes bolaform 111 Figura 4.6: Espectros de 1H RMN del B14 en presencia de distintos equivalentes de CB7. En la Figura 4.7 se muestra a la variación de los desplazamientos químicos de los protones del grupo N+(CH3)3 del B12 y B22 con el aumento de la concentración del CB7. Figura 4.7: Variación de los desplazamientos químicos de la señal del grupo N+(CH3)3 del B12 (●) y B22 (●) en de la [CB7]/[Bn] razón molar. [Bn]=1.3mM; (Δδ=δbound-δfree) Con el objetivo de reproducir los datos experimentales de la Figura 4.7, tal como en los experimentos de difusiometría de RMN, se empleó un modelo matemático16 basado en la formación de complejos host:guest del tipo 1:1 y 2:1, ecuación 4.3. 16 K. A. Connors, Binding Constants. The Measurements of Molecular Complex Stability John Wiley & Sons, New York, 1987, 189-215 [CB7]/[B12] Razón molar 0 1 2 3 4 ppm -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 [CB7]/[B22] Razón molar 0 0.5 1 1.5 2 2.5  (ppm) -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 Capítulo 4 118 4.6 4.7 4.8 Combinando estas ecuaciones con las ecuaciones de las constates de equilibrio, resulta una ecuación de cuarto orden para la determinación de la concentración del CB7 libre (ecuación 4.9). 4.9 Donde 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 A fin de obtener la [CB7]f, se resuelve la ecuación 4.9 utilizando los valores de K1:1 y K2:1 anteriormente obtenidos, y KCB7 = (1.8 × 104 M-1). A modo de ejemplo, en la Figura 4.12 se muestran los resultados de la influencia de la concentración de CB7 sobre el proceso de solvólisis del MBSC en presencia de una concentración constante de B12, B14 y B20. Los datos experimentales se ajustaron al modelo en el que se asume que ambos CB7 forman un complejo de inclusión con los Bn (línea roja, Esquema 4.2c y Esquema 4.5). Tal Formación de complejos entre CB7 y surfactantes bolaform 119 como se puede observar en la Figura 4.12, este modelo reproduce el comportamiento experimental observado para el caso del B14 y B20, mientras que en el caso del B12 es evidente que este modelo no se ajusta a los datos experimentales. Figura 4.12: Influencia de la concentración de CB7 en la constante de velocidad observad de la solvólisis del MBSC en presencia de B12 (●) B14 (▲) y B20 (■); [Bn] = 0.21 mM. Línea azul: modelo en que ambos CB7 forman un complejo de inclusión con el Bn. Línea roja: modelo en que se prevé la formación de un complejo interno y externo con el Bn. En el capítulo 3, encontramos evidencias de la formación de complejos 2:1 entre el CB7 y los CnTA+, donde ambos macrociclos comparte la parte catiónica del surfactante. Uno de los CB7 forma un complejo de inclusión, que incluye en la cavidad la cadena alquílica del surfactante, mientras que el otro CB7 forma un complejo externo con la cavidad vacía. Con el objetivo de explicar el comportamiento experimental observado en el caso del B12, se asumió la posibilidad de que en el complejo 2:1 uno de los CB7 forme un complejo de inclusión con el Bn y el otro forme un complejo externo, la cavidad vacía del CB7 puede albergar la sonda química, MBSC (Esquema 4.6). Esta suposición nos permite Capítulo 4 120 despreciar la formación del complejo 2:1 entre el CB7 y el surfactante, ya que la formación de este complejo no afectaría la velocidad de solvólisis del MBSC. Esquema 4.6 En este caso, el proceso de solvólisis del MBSC puede transcurrir en agua, kw, y en la cavidad del CB7, k1CB7 y k2CB7, y considerando las aproximaciones de la ecuaciones 4.15, obtenemos la ecuación 4.15 Tal como se ha mencionado anteriormente, para resolver la ecuación 4.4, es necesario determinar [CB7]f, por un proceso de simulación, donde se consideran las anteriores aproximaciones y los equilibrios presentes en el sistema: 4.16 Formación de complejos entre CB7 y surfactantes bolaform 121 Los balances de materia para el CB7, MBSC y surfactantes vienen dados por: 4.17 4.18 4.19 Combinando estas ecuaciones con las ecuaciones de las constates de equilibrio, resulta una ecuación de cuarto grado para la determinación de la concentración del CB7 libre (ecuación 4.20). 4.20 Donde 4.21 4.22 4.23 4.24 Al igual que en el caso anterior, para obtener [CB7]f, se resuelve la ecuación 4.20 utilizando los valores de K1:1 y K2:1 anteriormente obtenidos, y KCB7 = (1.8 × 104 M-1). El modelo en que se considera la estructura representada en el Esquema 4.7, para el complejo 2:1 en el caso del B12, reproduce el comportamiento experimental observado (línea azul, Figura 4.12). Es evidente que el modelo que prevé la formación de un complejo externo entre el CB7 y el B12 proporciona una mejor concordancia con los datos experimentales. Capítulo 4 122 Esquema 4.7 Con el objetivo de confirmar los modelos estructurales propuestos para los complejos 2:1 formado entre el CB7 y los Bn, realizamos un experimento independiente. Se utilizó el método de Job para confirmar la estructura y estequiometria de los complejos. En este experimento, se estudió el proceso de solvólisis del MBSC en presencia de distintas relaciones molares de CB7 y Bn, manteniendo constante la concentración total de [CB7]+[Bn] en 2 mM variando la relación molar entre 0 y 1. Los resultados obtenidos por el método de Job se ajustaron a los anteriores modelos estructurales propuestos para Bn con n = 12 y n ≥ 14. Una vez más, se confirmó que para el complejo 2:1 con B12, el modelo que mejor se ajusta a los datos experimentales es el que prevé la formación de un complejo interno y externo. Figura 4.13: Gráfica obtenida a partir del método de Job para el B12 (●) y B20 (▲).Línea azul: modelo en que ambos CB7 forman un complejo de inclusión con el Bn. Línea roja: modelo en que se prevé la formación de un complejo interno y externo con el Bn. Como se puede observar en la Figura 4.13, en el caso del B12 se identifica un máximo en una relación molar de ≈ 0.5, característico de complejos 1:1. Este resultado sugiere la formación de un complejo 1:1 debido al hecho de que una molécula de CB7 forma un complejo de inclusión y la otra un complejo externo, que podría formar otro complejo de inclusión con el MBSC. Sin embargo, en el caso del Formación de complejos entre CB7 y surfactantes bolaform 123 B20, se observa un máximo en una relación molar de ≈ 0.6, lo que indica la formación de complejos 2:1. En el caso del B20, ambos macrociclos forman un complejo de inclusión con el surfactante y ninguno posee una cavidad vacía susceptible de albergar el MBSC. De este modo, se puede considerar que el complejo formado entre el B12 y el CB7 posee una estequiometria pseudo-1:1, considerando que el segundo CB7 presenta el interior de la cavidad desocupada que puede acomodar el MBSC. En el método de Job esperaríamos encontrar datos con forma triangular, sin embargo se observan pendientes distintas, este comportamiento es resultado de la diferencia entre las magnitudes de las constantes de equilibrio: KCB7 = 1.8 ⨯ 104 M-1, mientras que K1:1 ≈ 106 M-1 y K2:1 ≈ 104 M-1. Considerando los resultados cinéticos y las medidas de 1H RMN realizadas para el B12, creemos que en el complejo 2:1 una de las moléculas de CB7 forma un complejo de inclusión y la otra forma un complejo externo con el surfactante (Esquema 4.2c). Por otro lado, encontramos evidencias de la formación de complejos 2:1 para Bn con n ≥ 14, donde ambos macrociclos forman un complejo de inclusión con los surfactantes dicatiónicos. La formación de polipseudorotaxanos con ciclodextrinas (CD) se encuentra ampliamente reportado en la literatura. El proceso de ensamblaje de las CDs está mayoritariamente controlado por interacciones hidrofóbicas entre el sustrato y la CD, y por interacciones atractivas entre CDs debido a su estabilización por enlaces de hidrogeno entre CDs adyacentes.17 Sin embargo, en el caso de los CBn, el proceso de complejación está controlado principalmente por interacciones electrostáticas. Considerando el comportamiento de los CBn, la formación de [2]pseudorotaxanos se encuentra más favorecida que la formación de [3]pseudorotaxanos con surfactantes bolaform, dado que en este sistema no existe nada que puede minimizar las repulsiones electrostáticas entre los grupos carbonilo presentes en la entrada de los portales. Este estudio demuestra la posibilidad de formación de [3]pseudorotaxanos con CBn, sin grupos catiónicos que minimicen las repulsiones electrostáticas entre ambos macrociclos. Una cadena alquílica espaciadora de 14 átomos de carbono parece ser suficiente para poder acomodar dos moléculas de CB7, con el pseudorotaxano estabilizado por interacciones electrostáticas entre los grupos 17 K. Miyake, S. Yasuda, A. Harada, J. Sumaoka, M. Komiyama, H. Shigekawa, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 5080-5085 Capítulo 4 124 carbonilo de los portales del CB7 y los grupos cabeza catiónicos del surfactante bolaform. 4.4 Conclusión Con este estudio se demostró la posibilidad de formación de [3]pseudorotaxanos entre el CB7 y surfactantes bolaform, sin adición de electrolitos al medio de reacción. El aumento de la longitud de la cadena alquílica del espaciador de los Bn, las interacciones ión –dipolo entre el CB7 y los grupos cabeza del surfactante compensan las repulsiones electrostáticas entre los portales del CB7. Cuando la separación entre los grupos cabeza catiónicos es superior o igual a 14 átomos de carbono se forman [3]pseudorotaxanos, con dos moléculas de CB7 albergadas entre los grupos cabeza del surfactante. Los resultados obtenidos en este estudio permiten concluir que el CB7 forma complejos estables 1:1 y 2:1 con los Bn, con constantes de equilibrio superiores a las obtenidas con surfactantes convencionales, CnTA+, para ambos tipos de complejos. En el caso de los complejos 1:1, es consecuencia de la interacción del CB7 con dos grupos de cabeza del surfactante ([2]pseudorotaxano), en lugar de uno en los surfactantes CnTA+. En los complejos 2:1, cada CB7 interactúa con un grupo cabeza distinto, en lugar de compartirlo. Para el B12, la repulsión electrostática entre los grupos carbonilo de las moléculas de CB7, dificulta la inserción de otra molécula de CB7 en la cadena alquílica del surfactante, originando una estructura mixta formada por un [2]pseudorotaxano y un complejo externo. Como resultado, se observan tanto un complejo interno como externo en la estructura del complejo 2:1. 125 5 Isomerización trans-cis inducida por complejación con el CB7 5.1 Introducción La complejación de moléculas colorantes por receptores macrocíclicos es un área atractiva en la química supramolecular. La formación de complejos de inclusión entre macrociclos y moléculas coloreadas o fluorescentes presenta un gran interés debido a la posibilidad de diseñar quimiosensores ópticos a través del desplazamiento de la molécula prueba, desde el sitio de reconocimiento hacia el medio acuoso. Este desplazamiento ocurre debido a la complejación competitiva de un tercer componente, que normalmente es la especie que se desea detectar. La aplicación de los CBn en este tipo de sensores es muy prometedora, pues permite detectar moléculas de relevancia biológica en tiempo real.1 De particular interés, son los cambios de pKa inducidos por la complejación en los sustratos susceptibles de inclusión. Según la literatura, se detectaron pequeños cambios de pKa de los sustratos complejados con ciclodextrinas (ΔpKa≈1)2,3, CB6 (ΔpKa≈1)4, sulfonatocalixarenos (ΔpKa≈2)5 y CB7 (ΔpKa≈2-4)6,7,8. 1 G. Ghale, A. G. Lanctôt, H. T. Kreissl, M. H. Jacob, H. Weingart, M. Winterhalter, W. M. Nau, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 2762–2765 2 F. Cramer, W. Saenger, H.-C. Spatz, J. Am. Chem. Soc. 1967, 89, 14–20 3 X. Zhang, G. Gramlich, X. Wang, W. M. Nau, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 254–263 Capítulo 5 126 Nau et al.8 demostró que el CB7 puede inducir desplazamientos de pKa hasta 4 unidades, lo que se aproxima de los cambios de pKa en sistemas biológicos, que van hasta 5 unidades de pKa.9 En este capítulo se presenta un estudio de la formación de complejos de inclusión entre el CB7 y un colorante catiónico, trans-4-[4-(dimetilamino)-estiril]-1metilpiridinio (DSMI+), con su consecuente cambio de pKa, originado la especie dicatiónica (DSMI2+). La complejación de la especie dicatiónica por el CB7, permitió la encapsulación y estabilización de una molécula inestable, es decir estabilización del isómero cis, que en condiciones normales isomeriza espontáneamente a su isómero trans. En los últimos años, se ha visto un particular interés en el estudio del proceso de complejación entre CBn y sustratos insaturados con carga positiva, como azobencenos y derivados de estirilo. Tanto el CB8 como el CB7, pueden formar complejos de inclusión con derivados de estirilo y de azobencenos, que debido al tamaño de sus cavidades experimentan distintas reacciones fotoquímicas después de la irradiación UV. Estos compuestos cuando son irradiados por luz UV, debido a la presencia de dobles enlaces C=C o N=N, pueden sufrir cambios fotoinducidos, como la isomerización trans-cis o, en el caso de los C=C, pueden sufrir una reacción fotocicloadición del tipo [2+2]. De hecho, el CB8 se ha utilizado como template de reacciones de fotocicloadición del tipo [2+2] con derivados de estirilo.10,11,12,13,14,15 Sin embargo, lo que se observa en los complejos de CB7 con derivados de estirilo y de azobenceno cuando son expuestos a radiación UV, es la cis 4 C. Marquez, W. M. Nau, Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 3155–3160 5 H. Bakirci, A. L. Koner, T. Schwarzlose, W. M. Nau, Chem. Eur. J. 2006, 12, 4799–4807 6 J. Mohanty,A. C. Bhasikuttan,W. M. Nau, H. Pal, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 5132–5138 7 A. L. Koner, W.M. Nau, Supramol. Chem. 2007, 19, 55–66 8 N. Saleh, A. L. Koner, W. M. Nau, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 5398–5401 9 F. H.Westheimer, Tetrahedron 1995, 51, 3–20 10 M. V. S. N. Maddiapatla, L. S. Kaanumalle, A. Natarajan, M. Pattabiraman, V. Ramamurthy, Langmuir 2007, 23, 7545-7554 11 M. Pattabiraman, A. Natarajan, L. S. Kaanumalle, V. Ramamurthy, Org. Lett. 2005, 7, 529-532 12 a)S. P. Gromov, A. I. Vedernikov, L. G. Kuz’mina, D. V. Kondratuk, S. K. Sazonov, Y. A. Strelenko, M. V. Alfimov, J. A. K. Howard, Eur. J. Org. Chem. 2010, 13, 2587-2599; b) M. Pattabiraman, A. Natarajan, R. Kaliappan, J. T. Mague, V. Ramamurthy, Chem. Commun. 2005, 4542-4544 13 M. V. S. N. Maddipatla, M. Pattabiraman, A. Natarajan, K. Srivastav, J. T. Mague, V. Ramamurthy, Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 9219-9222 14 M. Pattabiraman, L. S. Kaanumalle, A. Natarajan, V. Ramamurthy, Langmuir 2006, 22, 7605-7609 15 H. Yang, Y. Liu, K. Liu, L. Yang, Z. Wang, X. Zhang, Langmuir, 2013, 29, 12909-12914 Isomerización trans-cis 127 isomerización.10,11,13,14,15,16 En estos sistemas, la luz UV es imprescindible para “pagar” el coste termodinámico asociado al establecimiento y mantenimiento del isómero cis inestable.17 El uso de estímulos químicos para generar el isómero cis, es extremadamente raro, sin embargo, Isaacs18 et al. lograron detectar un cisazobenceno en un rango de pH =6.5-4.32 en presencia de CB7. 5.2 Sección Experimental Materiales. Todos los reactivos comerciales fueron adquiridos con la máxima pureza disponible y usados sin posteriores purificaciones. El CB7 fue sintetizado, de acuerdo con el procedimiento descrito en el capítulo 2. Estudio espectrofotométrico. Las disoluciones de trans-4-[4-(dimetilamino)- estiril]-1-metilpiridinio (DSMI+) y de CB7 se prepararon en agua. Para la determinación del pKa del DSMI+, los espectros de absorción a varios pH se registraron en un espectrofotómetro Cary UV-Vis a 25°C, manteniendo constante la concentración de DSMI+ en 5×10-5 M y con una concentración de tampón de 0.25M. Se realizó el mismo procedimiento en presencia de varias concentraciones de CB7. El pH de cada mezcla se comprobó con un m pH-metro Crison GLP 21. Se registró también el espectro del DSMI+ en presencia de distintas concentraciones de CB7 en disolución acuosa, es decir en ausencia de disolución tampón. RMN. Las disoluciones stock se prepararon de D2O. Las mezclas para el sistema CB7/DSMI2+ a pD=1 se prepararon mezclando los volúmenes apropiados de las disoluciones stock de CB7, DSMI+ y DCl. En todos los experimentos se mantuvo la 16 A) S. Choi, S. H. Park, A. Y. Ziganshina, Y. H. Ko, J. W. Lee, K. Kim, Chem. Commun. 2003, 2176-2177; b) R. Wang, L. Yuan, D. H. Macartney, Organometallics 2006, 25, 1820-1823; c) Y. Kim, Y. H. Ko, M. Jung, N. Selvapalam, K. Kim, Photochem. Photobiol. Sci. 2011, 10, 1415-1419 17 a) C. R. Crecca, A. E. Roitberg, J. Phys. Chem. A 2006, 110, 8188-8203; b) R. J. Corruccini, E. C. Gilbert, J. Am. Chem. Soc. 1939, 61, 2925-2927; c) W. A. Sokalski, R. W. Góra, W. Bartkowiak, P. Kobylinski, J. Sworakowski, A. Chyla, J. Chem. Phys. 2001, 114, 5504-5508 18 J. Wu, L. Isaacs, Chem. Eur. J. 2009, 15, 11675-11680 Capítulo 5 134 En los espectros de 1H RMN con CB7 por encima de las cantidades equimolares se observó la aparición de un nuevo conjunto de señales, que podrían corresponder a la formación de complejos 2:1, con intercambio lento del DSMI2+ entre complejos 1:1 y 2:1. El análisis detallado del espectro de 1H RMN con exceso de CB7, sugiere que el DSMI2+ isomeriza desde la conformación trans a cis, cuando es complejado por una segunda molécula de CB7 (Esquema 5.3). Los protones en conformación trans del doble enlace a 7.06 y 6.76 ppm, presentan una constante de acoplamiento, JH3-H4, de 16.3 Hz. Con la adición de exceso de CB7, surgen nuevas señales en el espectro como resultado de la formación del isómero cis. Estos protones, 6.32 y 6.23 ppm, presentan una constante de acoplamiento, JH3’-H4’, de 12.9 Hz. Este resultado está de acuerdo con que el acoplamiento entre protones de isómeros trans es siempre superior al acoplamiento entre protones de isómeros cis, en sistemas olefínicos.19 Esquema 5.3 Con el objetivo de confirmar la isomerización del DSMI2+ cuando está complejado por una segunda molécula de CB7, realizamos experimentos de RMN adicionales, usando la técnica de STD (del inglés, Saturation Tranfer Difference), con el objetivo de detectar y identificar el isómero cis. En la Figura 5.6-abajo, se muestra el espectro de 1H RMN de una muestra con 0.7 mM de DSMI2+ y 2 mM de CB7, arriba se encuentra el espectro de STD de la misma muestra, saturando la señal 4’ (6.23 ppm) del DSMI2+. Tal como sería esperable para un isómero cis, en el espectro de 19 G. Harald, NMR Spectroscopy 2nd Edn, Wiley, New York, 1995 Isomerización trans-cis 135 STD cuando se satura la señal 4’ solo se observa la señal correspondiente al protón 3’. Figura 5.6: Abajo: Espectro de 1H RMN del DSMI2+ (0.7 mM) con CB7 (2 mM). Arriba: Espectro de STD (STDonSTDoff) saturando la señal 4’ del DSMI2+ a 25○C. En los espectros de 1H RMN de la mezcla CB7/DSMI2+, con CB7 por encima del punto de equivalencia, se observó que la intensidad de las señales correspondientes al isómero cis aumenta con el aumento de la concentración de CB7, mientras que la intensidad del isómero trans disminuía. Se determinó la proporción de isómeros trans:cis a través de las áreas de los picos a 6.76 y 6.23 ppm, que corresponden a los protones 4 y 4’ de los isómeros trans y cis, respectivamente. Como se puede observar en la Figura 5.7, el porcentaje del isómero cis aumenta hasta aproximadamente 1.5 equivalentes de CB7 y permanece prácticamente constante (≈ 62%), lo que representa un estado de equilibrio, una vez que no se observaron cambios en los espectros de 1H RMN al aumentar la concentración de CB7. Según la literatura, se logra isomerización trans-cis con exposición a luz UV. Sorprendentemente sin exponer las muestras a luz UV, detectamos la formación del isómero cis-DSMI2+, cuando se compleja con una segunda molécula de CB7. Capítulo 5 136 Figura 5.7: Porcentaje de formación del isómero cis-DSMI2+ en presencia de CB7 por encima de cantidades equimolares. 5.3.2.2 Determinación de las constantes de equilibrio Las constantes de equilibrio a pH=1 para la formación de complejos entre el CB7 y la forma dicatiónica del colorante (DSMI2+) se determinó por ITC. En el experimento de ITC, se añadió una disolución de CB7 a la disolución de DSMI2+ colocada en la celda de reacción, el resultado obtenido se muestra en la Figura 5.8. Figura 5.8: Titulación de 272 μL de CB7 (2.5 mM) en 1.459 mL de DSMI2+ (0.1 mM) a 25○C. Arriba: Trazas calorimétricas (flujo de calor vs tiempo). Abajo: Isotermas de complejación (obtenidas por la integración de las trazas calorimétricas) vs Razón Molar. Isomerización trans-cis 137 Ajustando los datos de las isotermas de complejación a un modelo de ecuaciones para complejos del tipo 1:1 y 2:1 suministradas por MicroCal, se obtienen los valores de las constantes de equilibrio, conjuntamente con sus parámetros termodinámicos (Tabla 5.1). Tabla 5.1: Constantes de equilibrio (K) y parámetros termodinámicos de la interacción del CB7 con el DSMI2+. Complejos 1:1 2:1 K (M-1) (2.9±0.2)⨯107 (1.4±0.2)⨯105 ΔH (kJmol-1) -35.64±0.02 -2.43±0.04 TΔS (kJmol-1) 6.9±0.5 26.9±0.2 Desde un punto de vista termodinámico, el proceso de formación del complejo 1:1 se encuentra favorecido en términos entálpicos, mientras que la formación del complejo 2:1 es entrópicamente más favorable (20 kJmol-1) que el complejo 1:1. Este resultado puede deberse a que en la formación del complejo 1:1 la parte hidrofóbica del DSMI2+ se encuentra dentro de la cavidad del CB7. Sin embargo, la gran diferencia observada en la entropía del complejo 2:1 en comparación con la del 1:1, podría estar asociada al proceso de desolvatación de la cavidad de la segunda molécula de CB7 y de la componente catiónica del guest.20,21,22 5.3.3 Complejación del CB7 con el DSMI+ a pH=11 A pH=11 predomina la especie monocatiónica (DSMI+) que presenta un máximo de absorción en  ≈ 450 nm. El estudio del proceso de complejación entre el CB7 y la forma monocatiónica del colorante (trans-DSMI+) se realizó mediante experimentos espectrofotométricos. En la Figura 5.9 se encuentran representados los espectros de absorción del DSMI+ en presencia de CB7 a pH=11. La adición de CB7 conduce, según la longitud de onda, a una disminución ( ≈ 450 nm) o incremento ( ≈ 500 nm) de la 20 Y. Liu, B. –H. Han, Y. –T. Chem, J. Phys. Chem. B 2002, 106, 4678-4687 21 F. Perret, J. –P. Morel, N. Morel-Desroisiers, Supramol. Chem. 2003, 15, 199-206 22 C. Bonal, Y. Israëli, J. –P. Morel, N. Morel-Desroisiers, J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2 2001, 1075-1078 Capítulo 5 138 absorbancia del DSMI+ y un desplazamiento batocrómico del máximo de absorción desde 445 hasta 480 nm. Figura 5.9: Influencia del CB7 en el espectro de absorción del DSMI+ (5⨯10-5 M) a pH=11. Sorprendentemente, la Abs (500 nm) aumenta con la concentración de CB7 hasta alcanzar una zona plana, sin embargo en presencia de un gran exceso de CB7 se observa un nuevo incremento de la absorción. En el desplazamiento del máximo de absorción se observa el mismo comportamiento. Estos resultados son indicio de la formación de complejos 1:1 y 2:1 entre el CB7 y la DSMI+. Considerando la formación de complejos 1:1 y 2:1, los datos experimentales de la Figura 5.9 se pueden ajustar a la ecuación 5.2. 5.2 Donde  (nm) 300 400 500 600 Abs 0 0.5 1 1.5 2 [CB7] (M) 10-6 10-5 10-4 10-3 Abs (500) 0.8 1 1.2 1.4 [CB7] (M) 10-6 10-5 10-4 10-3  max 440 450 460 470 480 490 Isomerización trans-cis 139 5.3 5.4 5.5 A partir del ajuste de los datos espectrofotométricos a la ecuación 5.2 se obtuvo el valor de las constantes de equilibrio entre el CB7 y el DSMI+, K1:1 = 4.5 ⨯ 106 M-1 y K2:1 = 650 M-1. En términos de estructura, creemos que en el complejo 1:1 el CB7 forma un complejo de inclusión, en que la carga positiva del grupo piridinio del DSMI+ se encuentra a la altura de los oxígenos carbonílicos del portal del CB7 (Esquema 5.4). En el capítulo 3, concluimos que el CB7 forma complejos 1:1 y 2:1 con surfactantes catiónicos y que en el complejo 2:1 ambas moléculas de CB7 interactúan con la parte catiónica del sustrato. A pH=11 la especie presente en disolución es la especie monocatiónica del colorante (DSMI+), por lo que en el complejo 2:1 se podría pensar en una estructura semejante al de 2:1 con surfactantes catiónicos, es decir en que la parte catiónica del DSMI+ seria compartida con las dos moléculas de CB7 (Esquema 5.4). De hecho, la magnitud de la constante de equilibrio de K2:1, es comparable a la obtenida en complejos 2:1 en que ambos macrociclos comparten la parte positiva del sustrato.23,24,25 Sin embargo, son necesarios estudios adicionales para establecer la posible estructura del complejo 2:1. 23 Z. Miskolczy, M. Megyesi, G. Tarkanyi, R. Mizsei, L. Biczok, Org. Biomol. Chem. 2011, 9, 1061-1070 24 S. D. Choudhury, J. Mohanty, H. P. Upadhyaya, A. C. Bhasikuttan, H. Pal, J. Phys. Chem. B 2009, 113, 1891-1898 25 M. Pessêgo, J. A. Moreira, L. García-Río, Chem. Eur. J. 2012, 18, 7931-7940 Capítulo 5 140 Esquema 5.4 5.4 Conclusión En base a los resultados obtenidos en este estudio, podemos concluir que tanto la forma dicatiónica como la monocatiónica del DSMI forma complejos 1:1 y 2:1. A pH=1, donde existe la forma dicatiónica del DSMI, la formación del complejo 1:1 es lenta en la escala de tiempo del RMN con el doble enlace y la parte fenílica del trans-DSMI2+ dentro de la cavidad del CB7. Sin embargo, en presencia de exceso de CB7 se detecta la formación del isómero cis-DSMI2+, lo que sugiere la isomerización del sustrato de trans a cis cuando complejado con una segunda molécula de CB7, sin necesidad de exposición a luz UV. A pH=11, donde predomina la forma protonada del DSMI, creemos que en la formación del complejo 1:1 el CB7 se posiciona en el anillo piridinio con la carga positiva cerca del portal del CB7. Del mismo modo que a pH=1, en presencia de exceso de CB7 se detectó la formación de complejos 2:1. En este caso, creemos que cabría la posibilidad de que la parte catiónica del DSMI pudiera ser compartida entre los dos macrociclos. 141 6 Reacciones de solvólisis de cloruros de benzoilo catalizadas por Cucurbit[7]urilo y Ciclodextrinas 6.1 Introducción Uno de los principales focos de interés de la química supramolecular es el control de la reactividad y catálisis. Un catalizador supramolecular es, en esencia, “maquinaria química” en la que parte de la energía de enlace, resultado de interacciones no covalentes, es utilizada en la estabilización del estado de transición, en otras palabras, es transformada en catálisis. Los cucurbit[7]urilos, CB7 (a), y las β-ciclodextrinas, β-CD (b), son macromoléculas cíclicas constituidas por unidades repetidas de glicolurilo y glucosa, respectivamente (Esquema 6.1). Capítulo 6 142 (a) (b) Esquema 6.1 Estas macromoléculas, presentan tamaños y formas similares, aunque sus diferencias estructurales conducen a distintas afinidades por moléculas guest. El CB7, presenta una geometría simétrica con los grupos carbonilo alineados en la entrada de los dos portales. Sin embargo, la β-CD posee una geometría menos simétrica, uno de los portales contiene grupos hidroxilo primarios, y el otro, con grupos hidroxilo secundarios. La complejación de moléculas guest por los CBn está determinada por distintos tipos de interacciones: interacciones ión-dipolo1,2,3 entre substratos catiónicos y los grupos carbonilo presentes en la entrada de los portales del CB7, interacciones por enlace de hidrógeno4, y de modo similar a las CDs, interacciones hidrofóbicas5. El confinamiento impuesto por la inclusión supramolecular y las variaciones asociadas en la reactividad del substrato, son especialmente importantes en la catálisis supramolecular. Por ejemplo, Mock6 et. al. estudiaron la influencia del CB6 en la reacción de cicloadición [3+2] entre alquinos catiónicos y azida, observando una aceleración del proceso en 105 veces. CB7 y CB8 también se han utilizado en el 1 R. Hoffman, W. Knoche, C. Fenn, H. –J. Buschmann, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1994, 90, 1507-1511 2 H. –J. Buschmann, E. Cleve, E. Schollmeyer, Inorg. Chim. Acta 1992, 193, 93-97 3 a)W. L. Mock, N. Y. Shih, J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 2697-2699, b) W. L. Mock, N. Y. Shih, J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 4706-4710 4 H. –J. Buschmann, K. Jansen, E. Schollmeyer, Thermochim. Acta 2000, 346, 33-36 5 a) F. P. Schmidtchen, Chem. Eur. J. 2002, 8, 3522-3529, b) H. –J. Buschmann, K. Jansen, E. Schollmeyer, Thermochim. Acta 1998, 317, 95-98 6 a) W. L. Mock, T. A. Irra, J. P. Wepsiec, M. Adhya, J. Org. Chem. 1989, 54, 5302-5308, b) W. L. Mock, T. A. Irra, J. P. Wepsiec, T. L. Manimaran J. Org. Chem. 1983, 48, 3619-3620 Solvólisis de cloruros de benzoilo 143 diseño de procesos catalíticos de reacciones de fotocicloadición7. La eficacia catalítica de estos macrociclos, se debe a un aumento de la concentración local de los substratos, es decir, el tamaño de la cavidad de estas macromoléculas permite albergar los dos substratos facilitando su interacción. Los CBn forman complejos de inclusión fundamentalmente con compuestos catiónicos, mientras que las interacciones hidrofóbicas son responsables de la formación de complejos con CDs. En esta línea, el objetivo del presente estudio es resaltar las analogías y diferencias existentes entre la cavidad del CB7 y β-CD centrándonos no solo en los valores de las constantes de equilibrio de formación de complexos host:guest, sino también en las interacciones específicas que se pueden producir en el interior de la cavidad. Para realizar este estudio, hemos utilizado reacciones de solvólisis como sonda química, dado que presentan una alta sensibilidad a las propiedades físicas del medio en el que tiene lugar la reacción. Específicamente, hemos estudiado el comportamiento cinético de cloruros de benzoilo substituidos (Esquema 6.2), puesto que estas reacciones no presentan catálisis acida, cualquier alteración en su reactividad debe de estar directamente relacionada con los cambios en las propiedades físicas de la cavidad del host respecto al medio acuoso. O Cl X 4-OCH3 4-CH3 3-CH3 4-H 3-OCH3 4-Cl 3-Cl 4-CF3 3-NO2 4-NO2 Esquema 6.2 7 a) S. Y. Jon, Y. H. Ko, S. H. Park, H. –J. Kim, K. Kim, Chem. Commun. 2001, 1938-1939, b)M. V. S. N. Maddipatla, L. S. Kaanumalle, A. Natarajan, M. Pattabiraman, V. Ramamurthy, Langmuir 2007, 23, 7545-7554, c) M. Pattabiraman, A. Natarajan, , L. S. Kaanumalle, V. Ramamurthy, Org. Lett. 2005, 7, 529-532, d) R. Wang, L. Yuan, D. H. Macartney, J. Org. Chem. 2006, 71, 1237-1239