Abstract

As propriedades físicas e químicas das moléculas em função dos estados electrónicos é importante para a compreensão das reacções químicas. Nesta experiência, a espectroscopia electrónica foi realizada em 2-naftol e a sua base conjugada naftoxia em soluções de pH variável (2,00-11,80) para determinar a constante de dissociação ácida no solo, pKa, e o estado de excitação mais baixa, pKa*. A lei da cerveja foi utilizada para determinar a absorção molar do 2-naftol e a sua base conjugada e depois aplicada para determinar a concentração de ácido livre e base conjugada nas soluções tamponadas. As concentrações foram plotadas em função do pH, numa parcela de Henderson-Hasselbalch para determinar a pKa. O ciclo de Förster foi aplicado, tendo em conta a mudança de entalpia e negligenciando a entropia. Os espectros de absorção e fluorescência das soluções ácidas e básicas foram utilizados para determinar as energias 0-0, ṽ0-0. As constantes de dissociação ácida foram determinadas em 2,97 pKa* e 9,47 pKa. O pKa e pKa* corresponderam bem com valores de literatura de 9,45 e 3,0 com uma diferença de 0,2 e 1,0%, respectivamente. Foi determinado que o 2-naftol é um ácido mais fraco no estado moído do que o estado excitado devido a pKa > pKa*.

Introdução

A estrutura electrónica de uma molécula determina as suas propriedades físicas e químicas. A absorção de um fotão com energia igual à diferença nos níveis quânticos leva à excitação de um electrão do solo para o primeiro estado excitado de singlet, S0 -> S1. A mudança na distribuição dos electrões pode resultar em reacções químicas enquanto no estado excitado. O estado excitado é relativamente curto com uma vida útil de 10-6 a 10-11 segundos, pelo que é difícil medir as propriedades do estado excitado. A decomposição do estado excitado pode ocorrer através de processos radiativos, ejecção de um fotão, ou não radiativos, transferência de energia, processos. O processo radiativo fluorescente, S1->S0, é um método eficaz para medir as propriedades dos estados excitados.

Nesta experiência consideramos a interacção de um fluoróforo, 2-naftol, com o seu ambiente circundante e determinamos a sua dissociação ácida constante no solo e no primeiro estado de excitação simples. O 2-naftol pode ser um ácido ou uma base em solução aquosa,

A dissociação do 2-naftol varia de acordo com o estado electrónico da molécula.

Figure 1. Diagrama esquemático dos estados S0 e S1 do 2-naftol e a sua base conjugada

A energia da desprotonação, , muda dependendo se a molécula está no solo ou no estado excitado. A energia livre da desprotonação de ArOH pode ser expressa em termos de entalpia e entropia,

para os estados S0 e S1, respectivamente. Em solventes puros os efeitos da excitação sobre a entropia são pequenos, uma vez que o número de microstatos não varia. Pode assumir-se que é o mesmo no estado moído e excitado.

p> O pKa pode ser determinado encontrando a concentração do ácido livre e a base conjugada em soluções de pH variável aplicando a lei da Cerveja. Uma parcela de Henderson-Hasselbalch é então aplicada para determinar o pKa. O ciclo Förster pode ser utilizado para determinar o pKa* encontrando o intervalo de energia entre o solo e o primeiro estado excitado de singlet,

O intervalo de energia pode ser determinado a partir de espectroscopia UV-Vis e fluorescência. Como foi dito anteriormente, apenas fótons com energia igual à diferença de energia entre os níveis quânticos podem ser absorvidos. Parte da energia absorvida é perdida devido ao relaxamento vibracional. Quando o fotão é libertado novamente por fluorescência num comprimento de onda específico, o comprimento de onda corresponde ao intervalo de energia de S1->S0 estado. Por esta razão, uma sobreposição dos espectros de fluorescência e absorção da solução ácida e básica permite a determinação das energias 0-0 onde os espectros de ArOH e ArO- se intersectam. As energias 0-0 podem então ser utilizadas para determinar

Experimental

Tabela 1. Reagentes utilizados nesta experiência

Reagente	Fórmula Química	Peso molecular	CAS	Stock Solution Concentration (M)
Cloreto de amónio	NH4Cl	53.49	12125-02-9	0.1
Hidróxido de Amónio	NH4OH	35.04	1336-21-6	0.1
Sodium Hydroxide	NaOH	40.00	1310-73-2	0.02
Ácido clorídrico	HCl	36.46	7647-01-0	0.02
2-Naphthol		144.17	135-19-3	4.16 x 10-4

Foram preparadas três soluções tampão a partir de soluções de reserva, Tabela 1, em frascos volumétricos de 100 mL, Tabela 2. Para determinar pKa, foram preparadas cinco soluções de 2-naftol. As duas primeiras soluções foram feitas para conter predominantemente ou o ácido livre ou a base conjugada de 2-naftol, ajustando o pH a 2 usando HCl e 11,8 com NaOH. Foram feitas três soluções com pH intermédio utilizando (NH4OH/NH4CL) solução tampão. Um espectrofotómetro Jasco-530 UV-Vis foi utilizado para obter dados de absorção e um fluorómetro Photon Technology International foi utilizado com o programa informático do módulo de análise FeliX32 para medições de fluorescência. Foi determinado que o comprimento de onda de excitação ideal era de 320 nm e foram obtidas varreduras de emissão de 330 a 500 nm. A gama de varrimento de absorção foi entre 300 e 380 nm.

Tabela 2. Concentração de cloreto de amónio, hidróxido de amónio, e água utilizada para fazer as soluções tampão.

	Buffer 1 NH4OH/NH4CL	Buffer 2 NH4OH/NH4CL	Buffer 3 NH4OH/NH4CL
0.1 M NH4Cl	20 mL	10 mL	10 mL
0.1 M NH4OH	10 mL	10 mL	20 mL
Água desionizada	70 mL	80 mL	70 mL
Total Solution Volume	100 mL	100 mL	100 mL

Tabela 3. A concentração de cada reagente utilizado para fazer as cinco soluções analisadas.

	Solução 1	Solução 2	Solução 3	Solução 4	Solução 5
4.0 x 10 -4 M ArOH	5 mL	5 mL	5 mL	5 mL	5 mL
0.02 M HCl	20 mL	–	->/p>>	–	–
0.02 M NaOH	–	20 mL	–	–	–
2:1 NH4OH/NH4Cl	–	->/p>	20 mL	–	->/p>
1:1 NH4OH/NH4Cl	–	->/p>	->/p>	20 mL	–
1:2 NH4OH/NH4Cl	–	->/p>	->/p>	–	20 mL
Volume total	25 mL	25 mL	25 mL	25 mL	25 mL

Resultados

Espectros de absorvência e fluorescência foram obtidos de 2-napthol em soluções de pH variável (2.0-11,8) e utilizado para encontrar o de absorvância e emissão. Foi necessário corrigir os espectros de fluorescência devido à resposta não ideológica do instrumento. A lei da cerveja foi utilizada para determinar a absorvância molar do 2-naftol na solução ácida e básica. A absorptividade molar foi então utilizada para determinar a concentração de ArOH e ArO- na solução tamponada. A concentração podia ser utilizada numa parcela de Henderson-Hasselbalch para determinar a pKa. A pKa* foi determinada aplicando o ciclo Förster.

O espectro de absorção na Figura 2 mostra as características de uma reacção de estado excitado. O ponto isosbestic a 326 nm indica um sistema fechado. O espectro de fluorescência do 2-naftol em soluções variadas ácidas, básicas e tamponadas é observado na Figura 3. O comprimento de onda de fluorescência do 2-naftol protonado foi determinado como sendo de 356 nm da solução 1, 2-naftol com HCl a um pH de 2. O comprimento de onda de fluorescência da 2-naftoxi desprotonado foi determinado como sendo de 416 nm do espectro da solução 2 contendo NaOH com um pH de 11,8. As soluções tampão 3-5 mostraram absorção de ácido livre e de base conjugada.

Da solução 1, foi determinado para ser 527 cm-1 M-1 e foi determinado para ser 1057 por Eq. 6. As absorptividades molares foram utilizadas para determinar a concentração de cada espécie de 2-naftol nas soluções tamponadas. O pH foi obtido em função do registo das concentrações para fazer um gráfico Henderson-Hasselbalch.

Solução			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

Tabela 5. Os mínimos quadrados resultam da Figura 4

LINEST
m			b
Sm			Sb
R2			Sy

O pKa foi determinado a partir do y-intercepção da trama Henderson-Hasselbalch para ser 9.47.

As energias 0-0 foram determinadas a partir de uma sobreposição dos espectros de fluorescência e absorvância das soluções ácidas e básicas, Figuras 6 e 7, respectivamente. Foi determinado que a energia 0-0 para a solução ácida 1 era de 333 nm e 371 nm para a solução básica 2 que foram convertidas em números de onda de 30030 e 26954 cm-1, respectivamente. A diferença espectroscópica de energia, foi determinada a partir das energias 0-0 a ser 3076 cm-1. Usando a Equação 4, foi determinado que a pKa* era 2,97, Tabela 6.

Tabela 6. O pKa e pKa* encontrados nesta experiência comparados com os valores da literatura com a diferença percentual calculada.

Analyte	Experimental	Literatura2	Diferença de percentagem
pKa			0.2%
p>pKa*			1.0%

Discussão

Nas soluções tampão observa-se a emissão das duas espécies. A pH inferior a 3 a reacção é reversível mas a pH superior a 6 a reacção torna-se irreversível, Figura 2. Do espectro de fluorescência Figura 3, observa-se que em solução ácida a emissão provém do 2-naftol com uma emissão de 356 nm e em solução básica a emissão ocorre do anião naftolato a 416 nm. A partir das figuras 6 e 7, observa-se um desvio de Stokes onde a fluorescência ocorre a um comprimento de onda inferior à absorção. Isto ocorre devido à perda de energia através do relaxamento vibracional e rearranjo da molécula. O espectro de fluorescência parece ser uma imagem espelho do espectro de absorção que se deve ao facto de a mesma transição electrónica estar envolvida S0 e S1 tanto na absorção como na emissão.

Desta experiência foi determinado que o pKa do estado de terra de 2-napthol é 9,47. O pKa* do estado de menor excitação do 2-naftol foi determinado como sendo de 2,97. Ambos os valores correspondem a valores da literatura de 9,45 e 2,97 para pKa e pKa* com 0,2 e 1,0% de diferença, respectivamente. A comparação dos dois valores de pKa mostra que o 2-naftol é um ácido mais forte no estado excitado. Isto deve-se ao estado de excitação degenerado singlet excitado ter um eixo menos polar longo e uma natureza mais difusa. A desprotonificação ocorre mais rapidamente no estado excitado porque os electrões do grupo hidroxila são deslocados para o anel aromático, tornando o grupo hidroxila mais ácido. A densidade dos electrões aumenta em torno do átomo de oxigénio porque é mais electronegativo do que o hidrogénio, aproximando os electrões partilhados do oxigénio.

O Ka é calculado a partir da equação, . Foi determinado que Ka é 3,55 x 10-10 e Ka* é 1,07 x 10-3. A partir da Figura 1 vê-se que à medida que o Ka aumenta a mudança de entalpia do sistema, então é muito maior que . As entropia do sistema, tal como indicado na introdução, podem ser assumidas como sendo as mesmas devido ao solvente ser puro. Isto resulta tanto no estado do solo como no nível mais baixo de energia excitada, tendo os mesmos microstatos. Se a molécula reagiu com o solvente de alguma forma, então teria de ser tomada em consideração.

Moléculas com comportamento semelhante ao 2-naftol são ácido 2-naftolico, acridina, e quinolona. As reacções protolíticas na água são,

Figure 8. As reacções protolíticas para a. ácido 2-naftolico b. acridina c. quinolina em solução aquosa.

p> Aplicando os resultados desta experiência ao ácido 2-naftolico, acridina, e quinolona, pode-se concluir que pKa*>pKa para todas as moléculas. O ácido 2-naftóico tem um grupo ácido carboxílico que é um aceitador de electrões. Estas moléculas têm um orbital π vazio para o qual os electrões podem ser transferidos no estado excitado aumentando a densidade de electrões e resultando numa dissociação mais fraca. Acridina e quinolona têm ambas o grupo doador de electrões amina. Quando os dadores de electrões têm um par único de electrões num sistema de anel aromático tendem a tornar-se mais conjugados no estado excitado.

A diferença entre o valor experimental e o valor da literatura foi mínima. A variação poderia ter ocorrido devido a uma temperatura inconsistente durante os ensaios desta experiência. De acordo com a equação de Van’t Hoff, todas as constantes de equilíbrio variam com a temperatura. A temperatura das soluções não foi mantida a uma temperatura consistente. O ciclo de Förster também não é fiável na estimativa do valor preciso do pKa*, mas é eficaz na determinação da direcção da mudança no pKa.

Conclusion

UV-Vis e espectroscopia de fluorescência foram utilizados para determinar a constante de dissociação ácida de 2-naftol no solo e no estado de excitação mais baixa singlet por aplicação do ciclo de Förster. A pKa de 2-naptol no estado de solo foi de 9,47 em comparação com a pKa* de 2,97 no estado de singlet mais baixo excitado. Tanto a constante de dissociação ácida no estado excitado como a constante de dissociação ácida no estado excitado correlacionaram-se com valores da literatura com uma diferença de 0,2 e 1,0%, respectivamente. A partir das constantes de dissociação ácida foi determinado que o 2-naftol é um ácido mais forte no estado excitado. Esta informação pode ser utilizada em reacções que requerem 2-naftol desprotonado numa solução relativamente ácida. A pKa determinada nesta experiência pode agora ser utilizada no estudo mais aprofundado do 2-naftol e das constantes de desprotonação e taxa de protonação no solo e estado excitado.

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Lakowics, J. R., Principles of Fluorescence Spectroscopy; Kluwer: Nova Iorque, 1999.

Cálculos

A concentração das soluções originais

>p> A absortividade molar

>p> A concentração de ArOH nas soluções tampão em equilíbrio,

A Concentração de ArO- em equilíbrio