Determinación de la constante de disociación del ácido del 2-naftol en estado básico y excitado mediante la aplicación del ciclo de Förster - Caroline Frank

Resumen

Las propiedades físicas y químicas de las moléculas en función de los estados electrónicos son importantes para entender las reacciones químicas. En este experimento, se llevó a cabo la espectroscopia electrónica del 2-naftol y su base conjugada naftoxi en soluciones de pH variable (2,00-11,80) para determinar la constante de disociación del ácido en el estado básico, pKa, y en el estado singlete más excitado, pKa*. Se utilizó la ley de Beer para determinar la absorbencia molar del 2-naftol y su base conjugada y luego se aplicó para determinar la concentración de ácido libre y base conjugada en las soluciones tamponadas. Las concentraciones se representaron en función del pH, en un gráfico de Henderson-Hasselbalch para determinar el pKa. Se aplicó el ciclo de Förster, teniendo en cuenta el cambio de entalpía y despreciando la entropía. Los espectros de absorbancia y fluorescencia de las soluciones ácidas y básicas se utilizaron para determinar las energías 0-0, ṽ0-0. Las constantes de disociación de los ácidos se determinaron en 2,97 pKa* y 9,47 pKa. El pKa y el pKa* se correspondían bien con los valores de la literatura de 9,45 y 3,0 con una diferencia de 0,2 y 1,0%, respectivamente. Se determinó que el 2-naftol es un ácido más débil en el estado básico que en el estado excitado debido al pKa > pKa*.

Introducción

La estructura electrónica de una molécula determina sus propiedades físicas y químicas. La absorción de un fotón con energía igual a la diferencia de los niveles cuánticos conduce a la excitación de un electrón desde el estado de tierra al primer estado singlete excitado, S0 -> S1. El cambio en la distribución de los electrones puede dar lugar a reacciones químicas en el estado de excitación. El estado excitado tiene una vida relativamente corta, de 10-6 a 10-11 segundos, por lo que es difícil medir las propiedades del estado excitado. La salida del estado de excitación puede producirse a través de procesos radiativos, de expulsión de un fotón, o no radiativos, de transferencia de energía. El proceso radiativo de fluorescencia, S1->S0, es un método eficaz para medir las propiedades de los estados excitados.

En este experimento consideramos la interacción de un fluoróforo, el 2-naftol, con su entorno circundante y determinamos su constante de disociación ácida en el estado molido y el primer estado excitado singlete. El 2-naftol puede ser un ácido o una base en solución acuosa,

La disociación del 2-naftol varía según el estado electrónico de la molécula.

Figura 1. Diagrama esquemático de los estados S0 y S1 del 2-naftol y su base conjugada

La energía de desprotonación, , cambia dependiendo de si la molécula se encuentra en estado básico o excitado. La energía libre de desprotonación del ArOH puede expresarse en términos de entalpía y entropía,

para los estados S0 y S1, respectivamente. En los disolventes puros los efectos de la excitación sobre la entropía son pequeños ya que el número de microestados no varía. Se puede suponer que es el mismo en el estado básico y en el excitado.

El pKa se puede determinar encontrando la concentración del ácido libre y de la base conjugada en soluciones de pH variable aplicando la ley de Beer. Luego se aplica un gráfico de Henderson-Hasselbalch para determinar el pKa. El ciclo de Förster se puede utilizar para determinar el pKa* encontrando la brecha de energía entre el estado básico y el primer estado excitado singlete,

La brecha de energía se puede determinar a partir de espectroscopia UV-Vis y de fluorescencia. Como se ha dicho antes, sólo los fotones con energía igual a la brecha energética entre los niveles cuánticos pueden ser absorbidos. Parte de la energía absorbida se pierde debido a la relajación vibracional. Cuando el fotón se libera de nuevo a través de la fluorescencia en una longitud de onda específica, la longitud de onda corresponde a la brecha de energía del estado S1->S0. Por esta razón, una superposición de los espectros de fluorescencia y absorbancia de la solución ácida y básica permite determinar las energías 0-0 donde se cruzan los espectros de ArOH y ArO-. Las energías 0-0 pueden utilizarse entonces para determinar

Experimental

Tabla 1. Reactivos utilizados en este experimento

Reactivo	Fórmula química	Peso molecular	CAS	Concentración de la solución madre (M)
Cloruro de amonio	NH4Cl	53.49	12125-02-9	0.1
Hidróxido de amonio	NH4OH	35.04	1336-21-6	0.1	Hidróxido de sodio	NaOH	40.00	1310-73-2	0.02	Ácido clorhídrico	HCl	36.46	7647-01-0	0.02	144.17	135-19-3	4.16 x 10-4

Se prepararon tres soluciones tampón a partir de soluciones madre, Tabla 1, en matraces aforados de 100 mL, Tabla 2. Para determinar el pKa se prepararon cinco soluciones de 2-naftol. Las dos primeras soluciones se prepararon para contener predominantemente el ácido libre o la base conjugada del 2-naftol, ajustando el pH a 2 con HCl y a 11,8 con NaOH. Se hicieron tres soluciones con pH intermedio utilizando una solución tampón (NH4OH/NH4CL). Se utilizó un espectrofotómetro Jasco-530 UV-Vis para obtener los datos de absorbancia y un fluorómetro Photon Technology International con el programa informático del módulo de análisis FeliX32 para las mediciones de fluorescencia. Se determinó que la longitud de onda de excitación óptima era de 320 nm y las exploraciones de emisión se obtuvieron entre 330 y 500 nm. El rango de barrido de absorción fue entre 300 y 380 nm.

Tabla 2. Concentración de cloruro de amonio, hidróxido de amonio y agua utilizados para hacer las soluciones tamponadas.

	Tampón 1 NH4OH/NH4CL	Tampón 2 NH4OH/NH4CL	Tampón 3 NH4OH/NH4CL
0.1 M NH4Cl	20 mL	10 mL	10 mL
0.1 M NH4OH	10 mL	10 mL	20 mL
Agua desionizada	70 mL	80 mL	70 mL
Volumen total de la solución	100 mL	100 mL	100 mL

Tabla 3. La concentración de cada reactivo utilizado para hacer las cinco soluciones analizadas.

	Solución 1	Solución 2	Solución 3	Solución 4	Solución 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
Volumen total	25 mL	25 mL	25 mL	25 mL	25 mL

Se obtuvieron los espectros de absorbancia y fluorescencia del 2-naftol en soluciones de pH variable (2.0-11,8) y se utilizaron para encontrar la de absorbancia y emisión. Fue necesario corregir los espectros de fluorescencia debido a la respuesta no ideal del instrumento. Se utilizó la ley de Beer para determinar la absorbencia molar del 2-naftol en la solución ácida y básica. La absorbencia molar se utilizó entonces para determinar la concentración de ArOH y ArO- en la solución amortiguada. La concentración podía utilizarse en un gráfico de Henderson-Hasselbalch para determinar el pKa. El pKa* se determinó aplicando el ciclo de Förster.

El espectro de absorbancia de la figura 2 muestra las características de una reacción en estado excitado. El punto isosbéstico a 326 nm indica un sistema cerrado. El espectro de fluorescencia del 2-naftol en diferentes soluciones ácidas, básicas y tamponadas se observa en la Figura 3. La longitud de onda de fluorescencia del 2-naftol protonado se determinó en 356 nm a partir de la solución 1, 2-naftol con HCl a un pH de 2. La longitud de onda de fluorescencia del 2-naftol desprotonado se determinó en 416 nm a partir del espectro de la solución 2 que contiene NaOH con un pH de 11,8. Las soluciones tamponadas 3-5 mostraron tanto la absorción del ácido libre como la de la base conjugada.

De la solución 1, se determinó que era de 527 cm-1 M-1 y se determinó que era de 1057 mediante la Ec. 6. Las absortividades molares se utilizaron para determinar la concentración de cada especie de 2-naftol en las soluciones tamponadas. El pH se graficó como una función del logaritmo de las concentraciones para hacer un gráfico de Henderson-Hasselbalch.

			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

Tabla 5. Los resultados por mínimos cuadrados de la figura 4

LINEST
m			b
Sm			Sb
R2			Sy

El pKa se determinó a partir del y-intercepción del gráfico de Henderson-Hasselbalch para ser 9.47.

Las energías 0-0 se determinaron a partir de una superposición de los espectros de fluorescencia y absorbencia de las soluciones ácidas y básicas, Figuras 6 y 7, respectivamente. Se determinó que la energía 0-0 para la solución ácida 1 era de 333 nm y 371 nm para la solución básica 2, que se convirtieron en números de onda de 30030 y 26954 cm-1, respectivamente. La diferencia de energía espectroscópica, , se determinó a partir de las energías 0-0 como 3076 cm-1. Utilizando la ecuación 4, se determinó que el pKa* era de 2,97, Tabla 6.

Tabla 6. Los pKa y pKa* encontrados a partir de este experimento comparados con los valores de la literatura con el porcentaje de diferencia calculado.

Analito	Experimental	Literatura2	Diferencia porcentual
Ka			0.2%
pKa*			1.0%

En las soluciones tamponadas se observa emisión de ambas especies. A pH inferior a 3 la reacción es reversible pero por encima de pH 6 la reacción se vuelve irreversible, Figura 2. A partir del espectro de fluorescencia Figura 3, se observa que en la solución ácida la emisión proviene del 2-naftol con una emisión de 356 nm y en la solución básica la emisión se produce a partir del anión naftolato a 416 nm. En las figuras 6 y 7 se observa un desplazamiento de Stokes en el que la fluorescencia se produce a una longitud de onda inferior a la de absorción. Esto se debe a la pérdida de energía a través de la relajación vibracional y la reorganización de la molécula. El espectro de fluorescencia parece ser una imagen especular del espectro de absorción, lo que se debe a que la misma transición de electrones S0 y S1 está implicada tanto en la absorción como en la emisión.

A partir de este experimento se determinó que el pKa del estado básico del 2-napthol es 9,47. El pKa* del estado excitado más bajo del 2-naftol se determinó como 2,97. Ambos valores corresponden a los valores de la literatura de 9,45 y 2,97 para el pKa y el pKa* con una diferencia de 0,2 y 1,0%, respectivamente. La comparación de los dos valores de pKa muestra que el 2-naftol es un ácido más fuerte en el estado excitado. Esto se debe a que el estado excitado singlete degenerado tiene un eje largo menos polar y una naturaleza más difusa. La desprotonación se produce más fácilmente en el estado excitado porque los electrones del grupo hidroxilo se desplazan hacia el anillo aromático haciendo que el grupo hidroxilo sea más ácido. La densidad de electrones aumenta alrededor del átomo de oxígeno porque es más electronegativo que el hidrógeno, acercando los electrones compartidos al oxígeno.

La Ka se calcula a partir de la ecuación, . Se determinó que Ka es 3,55 x 10-10 y Ka* es 1,07 x 10-3. De la figura 1 se observa que a medida que aumenta el Ka aumenta el cambio de entalpía del sistema, por lo que es mucho mayor que . Las entropías del sistema, como se dijo en la introducción, pueden suponerse iguales debido a que el disolvente es puro. Esto da como resultado que tanto el estado básico como el nivel de energía excitado más bajo tengan los mismos microestados. Si la molécula reaccionara con el disolvente de alguna manera, entonces habría que tener en cuenta .

Las moléculas con un comportamiento similar al 2-naftol son el ácido 2-naftóico, la acridina y la quinolona. Las reacciones protolíticas en agua son,

Figura 8. Las reacciones protolíticas para a. el ácido 2-naftóico b. la acridina c. la quinoleína en solución acuosa.

Aplicando los resultados de este experimento al ácido 2-naftóico, a la acridina y a la quinolona, se puede concluir que pKa*>pKa para todas las moléculas. El ácido 2-naftóico tiene un grupo ácido carboxílico que es un aceptor de electrones. Estas moléculas tienen unos orbitales π vacantes a los que se pueden transferir electrones en el estado excitado, lo que aumenta la densidad de electrones y da lugar a una disociación más débil. La acridina y la quinolona tienen un grupo donante de electrones, la amina. Cuando los donantes de electrones tienen un par solitario de electrones en un sistema de anillos aromáticos tienden a conjugarse más en el estado excitado.

La diferencia entre el valor experimental y el de la literatura fue mínima. La variación podría haber ocurrido por una temperatura inconsistente durante los ensayos de este experimento. Según la ecuación de Van’t Hoff, todas las constantes de equilibrio varían con la temperatura. La temperatura de las soluciones no se mantuvo a una temperatura constante. El ciclo de Förster tampoco es fiable para estimar el valor preciso de pKa*, sino que es eficaz para determinar la dirección del cambio en el pKa.

Conclusión

Se utilizaron espectroscopia UV-Vis y de fluorescencia para determinar la constante de disociación ácida del 2-naftol en el estado molido y en el estado singulete más excitado mediante la aplicación del ciclo de Förster. El pKa del 2-naftol en el estado básico era de 9,47 comparado con el pKa* del estado singlete más excitado de 2,97. Tanto las constantes de disociación del ácido en estado básico como en estado excitado se correlacionaron con los valores de la literatura con una diferencia de 0,2 y 1,0%, respectivamente. A partir de las constantes de disociación del ácido se determinó que el 2-naftol es un ácido más fuerte en el estado excitado. Esta información puede utilizarse en reacciones que requieran un 2-naftol desprotonado en una solución relativamente ácida. El pKa determinado en este experimento puede utilizarse ahora en estudios posteriores del 2-naftol y de las constantes de velocidad de desprotonación y protonación en el estado básico y excitado.

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

Cálculos

La concentración de las soluciones originales