Bestimmung der Säure-Dissoziationskonstante von 2-Naphthol im Grund- und angeregten Zustand durch Anwendung des Förster-Zyklus - Caroline Frank

Abstract

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Molekülen als Funktion der elektronischen Zustände sind wichtig für das Verständnis chemischer Reaktionen. In diesem Experiment wurde die elektronische Spektroskopie an 2-Naphthol und seiner konjugierten Base Naphthoxy in verschiedenen pH-Lösungen (2,00-11,80) durchgeführt, um die Säure-Dissoziationskonstante im Grundzustand, pKa, und im niedrigsten angeregten Singulett-Zustand, pKa*, zu bestimmen. Das Beer’sche Gesetz wurde zur Bestimmung des molaren Absorptionsvermögens von 2-Naphthol und seiner konjugierten Base verwendet und dann zur Bestimmung der Konzentration der freien Säure und der konjugierten Base in den gepufferten Lösungen angewendet. Die Konzentrationen wurden als Funktion des pH-Wertes in einem Henderson-Hasselbalch-Plot aufgetragen, um den pKa zu bestimmen. Der Förster-Zyklus wurde angewendet, wobei die Enthalpieänderung berücksichtigt und die Entropie vernachlässigt wurde. Die Absorptions- und Fluoreszenzspektren der sauren und basischen Lösungen wurden zur Bestimmung der 0-0-Energien, ṽ0-0, verwendet. Die Säuredissoziationskonstanten wurden zu 2,97 pKa* und 9,47 pKa bestimmt. Die pKa und pKa* stimmten gut mit den Literaturwerten von 9,45 und 3,0 überein, mit einer Differenz von 0,2 bzw. 1,0 %. Es wurde festgestellt, dass 2-Naphthol im Grundzustand eine schwächere Säure ist als im angeregten Zustand aufgrund des pKa > pKa*.

Einleitung

Die elektronische Struktur eines Moleküls bestimmt seine physikalischen und chemischen Eigenschaften. Die Absorption eines Photons mit einer Energie, die gleich der Differenz der Quantenniveaus ist, führt zur Anregung eines Elektrons vom Grundzustand zum ersten angeregten Singulett-Zustand, S0 -> S1. Die Änderung der Elektronenverteilung kann im angeregten Zustand zu chemischen Reaktionen führen. Der angeregte Zustand ist relativ kurzlebig mit einer Lebensdauer von 10-6 bis 10-11 Sekunden, so dass die Messung der Eigenschaften des angeregten Zustands schwierig ist. Der Zerfall aus dem angeregten Zustand kann durch strahlende, den Ausstoß eines Photons, oder nicht-strahlende, den Transfer von Energie, Prozesse erfolgen. Der strahlende Prozess Fluoreszenz, S1->S0, ist eine effektive Methode zur Messung von Eigenschaften angeregter Zustände.

In diesem Experiment betrachten wir die Wechselwirkung eines Fluorophors, 2-Naphthol, mit seiner Umgebung und bestimmen seine Säure-Dissoziationskonstante im Grund- und ersten angeregten Singulett-Zustand. 2-Naphthol kann in wässriger Lösung eine Säure oder eine Base sein,

Die Dissoziation von 2-Naphthol variiert in Abhängigkeit vom elektronischen Zustand des Moleküls.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der S0- und S1-Zustände von 2-Naphthol und seiner konjugierten Base

Die Energie der Deprotonierung, , ändert sich je nachdem, ob sich das Molekül im Grund- oder im angeregten Zustand befindet. Die freie Energie der Deprotonierung von ArOH kann in Form von Enthalpie und Entropie ausgedrückt werden,

für den S0- bzw. S1-Zustand. In reinen Lösungsmitteln sind die Auswirkungen der Anregung auf die Entropie gering, da sich die Anzahl der Mikrozustände nicht ändert. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Anzahl der Mikrozustände im Grundzustand und im angeregten Zustand gleich ist.

Der pKa kann bestimmt werden, indem die Konzentration der freien Säure und der konjugierten Base in Lösungen mit variierendem pH-Wert unter Anwendung des Beerschen Gesetzes ermittelt wird. Ein Henderson-Hasselbalch-Plot wird dann zur Bestimmung des pKa verwendet. Der Förster-Zyklus kann zur Bestimmung des pKa* verwendet werden, indem die Energielücke zwischen dem Grundzustand und dem ersten angeregten Singulett-Zustand ermittelt wird.

Die Energielücke kann aus der UV-Vis- und Fluoreszenzspektroskopie bestimmt werden. Wie bereits erwähnt, können nur Photonen mit einer Energie, die der Energielücke zwischen den Quantenniveaus entspricht, absorbiert werden. Ein Teil der absorbierten Energie geht durch die Schwingungsrelaxation verloren. Wenn das Photon durch Fluoreszenz bei einer bestimmten Wellenlänge wieder freigesetzt wird, entspricht die Wellenlänge der Energielücke des S1->S0-Zustands. Aus diesem Grund erlaubt eine Überlagerung der Fluoreszenz- und Absorptionsspektren der sauren und basischen Lösung die Bestimmung der 0-0 Energien, wo sich die Spektren von ArOH und ArO- schneiden. Die 0-0-Energien können dann zur Bestimmung von

Experimentell

Tabelle 1. In diesem Experiment verwendete Reagenzien

Reagenz	Chemische Formel	Molekulargewicht	CAS	Stock Solution Concentration (M)
Ammoniumchlorid	NH4Cl	53.49	12125-02-9	0.1
Ammoniumhydroxid	NH4OH	35.04	1336-21-6	0.1
Natriumhydroxid	NaOH	40.00	1310-73-2	0.02
Chlorwasserstoffsäure	HCl	36.46	7647-01-0	0.02
2-Naphthol		144.17	135-19-3	4.16 x 10-4

Drei Pufferlösungen wurden aus Stammlösungen, Tabelle 1, in 100 mL-Messkolben, Tabelle 2, hergestellt. Zur Bestimmung des pKa wurden fünf Lösungen von 2-Naphthol hergestellt. Die ersten beiden Lösungen wurden so hergestellt, dass sie überwiegend entweder die freie Säure oder die konjugierte Base von 2-Naphthol enthalten, indem der pH-Wert mit HCl auf 2 und mit NaOH auf 11,8 eingestellt wurde. Drei Lösungen wurden mit einem mittleren pH-Wert hergestellt, indem eine Pufferlösung (NH4OH/NH4CL) verwendet wurde. Ein Jasco-530 UV-Vis-Spektralphotometer wurde verwendet, um Absorptionsdaten zu erhalten, und ein Photon Technology International Fluorometer wurde mit dem FeliX32 Analyse-Modul-Computerprogramm für Fluoreszenzmessungen verwendet. Die optimale Anregungswellenlänge wurde auf 320 nm festgelegt und Emissionsscans wurden von 330 bis 500 nm erhalten. Der Absorptionsscanbereich lag zwischen 300 und 380 nm.

Tabelle 2. Konzentration von Ammoniumchlorid, Ammoniumhydroxid und Wasser, die zur Herstellung der gepufferten Lösungen verwendet wurden.

	Puffer 1 NH4OH/NH4CL	Puffer 2 NH4OH/NH4CL	Puffer 3 NH4OH/NH4CL
0.1 M NH4Cl	20 mL	10 mL	10 mL
0.1 M NH4OH	10 mL	10 mL	20 mL
Deionisiertes Wasser	70 mL	80 mL	70 mL
Gesamtes Lösungsvolumen	100 mL	100 mL	100 mL

Tabelle 3. Die Konzentrationen der einzelnen Reagenzien, die zur Herstellung der fünf untersuchten Lösungen verwendet wurden.

	Lösung 1	Lösung 2	Lösung 3	Lösung 4	Lösung 5
4.0 x 10 -4 M ArOH	5 mL	5 mL	5 mL	5 mL	5 mL
0.02 M HCl	20 mL	–	–	–	–
0.02 M NaOH	–	20 mL	–	–	–
2:1 NH4OH/NH4Cl	–	–	20 mL	–	–
1:1 NH4OH/NH4Cl	–	–	–	20 mL	–
1:2 NH4OH/NH4Cl	–	–	–	–	20 mL
Gesamtvolumen	25 mL	25 mL	25 mL	25 mL	25 mL

Ergebnisse

Absorptions- und Fluoreszenzspektren wurden von 2Naphthol in verschiedenen pH-Lösungen (2.0-11,8) gemessen und zur Bestimmung der von Absorption und Emission verwendet. Es war notwendig, die Fluoreszenzspektren aufgrund der nicht idealen Reaktion des Geräts zu korrigieren. Das Beersche Gesetz wurde verwendet, um das molare Absorptionsvermögen von 2-Naphthol in der sauren und basischen Lösung zu bestimmen. Das molare Absorptionsvermögen wurde dann verwendet, um die Konzentration von ArOH und ArO- in der gepufferten Lösung zu bestimmen. Die Konzentration konnte in einem Henderson-Hasselbalch-Plot verwendet werden, um den pKa zu bestimmen. Der pKa* wurde durch Anwendung des Förster-Zyklus bestimmt.

Das Absorptionsspektrum in Abbildung 2 zeigt die Eigenschaften einer Reaktion im angeregten Zustand. Der isosbestische Punkt bei 326 nm zeigt ein geschlossenes System an. Das Fluoreszenzspektrum von 2-Naphthol in unterschiedlich sauren, basischen und gepufferten Lösungen ist in Abbildung 3 zu sehen. Die Fluoreszenzwellenlänge von protoniertem 2-Naphthol wurde bei 356 nm aus der Lösung 1, 2-Naphthol mit HCl bei einem pH-Wert von 2, bestimmt. Die Fluoreszenzwellenlänge von deprotoniertem 2-Naphthol wurde bei 416 nm aus dem Spektrum der Lösung 2 mit NaOH bei einem pH-Wert von 11,8 bestimmt. Die gepufferten Lösungen 3-5 zeigten sowohl freie Säure- als auch konjugierte Basenabsorption.

Aus Lösung 1 wurde zu 527 cm-1 M-1 und zu 1057 nach Gl. 6 bestimmt. Die molaren Absorptivitäten wurden verwendet, um die Konzentration jeder Spezies von 2-Naphthol in den gepufferten Lösungen zu bestimmen. Der pH-Wert wurde als Funktion des Logarithmus der Konzentrationen grafisch dargestellt, um ein Henderson-Hasselbalch-Diagramm zu erstellen.

Lösung			Log(/)	pH
1	8.00 x 10-5	0	–
2	0	8.00 x 10-5	–
3	2.64 x 10-4	1.52 x 10-4
4	3.19 x 10-4	9.66 x 10-5
5	3.62 x 10-4	5.42 x 10-5

Tabelle 5. Die Ergebnisse der kleinsten Quadrate aus Abbildung 4

LINEST
m			b
Sm			Sb
R2			Sy

Der pKa wurde bestimmt aus dem y-Schnittpunkt des Henderson-Hasselbalch-Plots zu 9.47.

Die 0-0-Energien wurden aus einer Überlagerung der Fluoreszenz- und Absorptionsspektren der sauren und basischen Lösungen bestimmt, Abbildungen 6 und 7. Es wurde festgestellt, dass die 0-0-Energie für die saure Lösung 1 bei 333 nm und für die basische Lösung 2 bei 371 nm lag, was auf Wellenzahlen von 30030 bzw. 26954 cm-1 umgerechnet wurde. Die spektroskopische Energiedifferenz, , wurde aus den 0-0-Energien zu 3076 cm-1 bestimmt. Unter Verwendung von Gleichung 4 wurde ermittelt, dass der pKa* 2,97 beträgt, Tabelle 6.

Tabelle 6. Die aus diesem Experiment gefundenen pKa und pKa* im Vergleich zu Literaturwerten mit der berechneten prozentualen Differenz.

Analyte	Experimentell	Literatur2	Prozentuale Abweichung
pKa			0.2%
pKa*			1.0%

Diskussion

In den gepufferten Lösungen wird Emission von beiden Arten beobachtet. Bei einem pH-Wert unter 3 ist die Reaktion reversibel, aber bei einem pH-Wert über 6 wird die Reaktion irreversibel, Abbildung 2. Aus dem Fluoreszenzspektrum, Abbildung 3, ist zu erkennen, dass in saurer Lösung die Emission vom 2-Naphthol mit einer Emission von 356 nm kommt und in basischer Lösung die Emission vom Naphtholat-Anion bei 416 nm auftritt. In Abbildung 6 und 7 ist eine Stokes-Verschiebung zu erkennen, bei der die Fluoreszenz bei einer niedrigeren Wellenlänge als die Absorption auftritt. Dies ist auf den Energieverlust durch Schwingungsrelaxation und Umlagerung des Moleküls zurückzuführen. Das Fluoreszenzspektrum scheint ein Spiegelbild des Absorptionsspektrums zu sein, was darauf zurückzuführen ist, dass sowohl bei der Absorption als auch bei der Emission der gleiche Elektronenübergang S0 und S1 beteiligt ist.

Aus diesem Experiment wurde ermittelt, dass der pKa des Grundzustands von 2-Napthol 9,47 beträgt. Der pKa* des niedrigsten angeregten Zustands von 2-Naphthol wurde mit 2,97 bestimmt. Beide Werte entsprechen den Literaturwerten von 9,45 und 2,97 für pKa und pKa* mit 0,2 bzw. 1,0 % Unterschied. Der Vergleich der beiden pKa-Werte zeigt, dass 2-Naphthol im angeregten Zustand eine stärkere Säure ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der degenerierte Singulett-Anregungszustand eine weniger polare Längsachse und eine diffusere Natur hat. Die Deprotonierung erfolgt leichter im angeregten Zustand, da die Elektronen der Hydroxylgruppe in den aromatischen Ring verschoben werden, wodurch die Hydroxylgruppe saurer wird. Die Elektronendichte erhöht sich um das Sauerstoffatom, weil es elektronegativer ist als der Wasserstoff, wodurch die geteilten Elektronen näher an den Sauerstoff gezogen werden.

Das Ka wird aus der Gleichung berechnet. Es wurde ermittelt, dass Ka 3,55 x 10-10 und Ka* 1,07 x 10-3 beträgt. Aus Abbildung 1 ist ersichtlich, dass mit steigendem Ka die Enthalpieänderung des Systems zunimmt, also viel größer ist als . Die Entropien des Systems können, wie in der Einleitung angegeben, als gleich angenommen werden, da das Lösungsmittel rein ist. Dies führt dazu, dass sowohl der Grundzustand als auch das niedrigste angeregte Energieniveau die gleichen Mikrozustände haben. Wenn das Molekül in irgendeiner Weise mit dem Lösungsmittel reagiert, dann müsste das berücksichtigt werden.

Moleküle mit ähnlichem Verhalten wie 2-Naphthol sind 2-Naphthoesäure, Acridin und Chinolon. Die protolytischen Reaktionen in Wasser sind,

Abbildung 8. Die protolytischen Reaktionen für a. 2-Naphthoesäure b. Acridin c. Chinolin in wässriger Lösung.

Wenn man die Ergebnisse dieses Experiments auf 2-Naphthoesäure, Acridin und Chinolon anwendet, kann man feststellen, dass pKa*>pKa für alle Moleküle gilt. Die 2-Naphthoesäure hat eine Carbonsäuregruppe, die ein Elektronenakzeptor ist. Diese Moleküle haben ein freies π-Orbital, in das Elektronen im angeregten Zustand übertragen werden können, was die Elektronendichte erhöht und zu einer schwächeren Dissoziation führt. Acridin und Chinolon haben beide die Elektronendonorgruppe Amin. Wenn Elektronendonoren ein einsames Elektronenpaar in einem aromatischen Ringsystem haben, neigen sie dazu, im angeregten Zustand stärker konjugiert zu werden.

Die Differenz zwischen dem experimentellen und dem Literaturwert war minimal. Die Abweichung könnte durch eine inkonsistente Temperatur während der Versuche aus diesem Experiment entstanden sein. Nach der Van’t-Hoff-Gleichung variieren alle Gleichgewichtskonstanten mit der Temperatur. Die Temperatur der Lösungen wurde nicht auf einer konstanten Temperatur gehalten. Der Förster-Zyklus ist auch nicht zuverlässig bei der Abschätzung des genauen pKa*-Wertes, sondern eher bei der Bestimmung der Richtung der pKa-Änderung.

Schlussfolgerung

UV-Vis und Fluoreszenzspektroskopie wurden verwendet, um die Säure-Dissoziationskonstante von 2-Naphthol im Grund- und niedrigsten angeregten Singulett-Zustand durch Anwendung des Förster-Zyklus zu bestimmen. Der pKa von 2-Naphthol im Grundzustand betrug 9,47 im Vergleich zum niedrigsten angeregten Singulett-Zustand pKa* von 2,97. Sowohl die Säuredissoziationskonstanten im Grundzustand als auch im angeregten Zustand korrelierten mit Literaturwerten mit einer Differenz von 0,2 bzw. 1,0 %. Aus den Säuredissoziationskonstanten wurde ermittelt, dass 2-Naphthol im angeregten Zustand eine stärkere Säure ist. Diese Information kann bei Reaktionen verwendet werden, die deprotoniertes 2-Naphthol in einer relativ sauren Lösung erfordern. Der in diesem Experiment ermittelte pKa-Wert kann nun bei weiteren Untersuchungen von 2-Naphthol und den Deprotonierungs- und Protonierungsratenkonstanten im Grund- und angeregten Zustand verwendet werden.

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Lakowics, J. R., Principles of Fluorescence Spectroscopy; Kluwer: New York, 1999.

Berechnungen

Die Konzentration der ursprünglichen Lösungen