Bepaling van de zuurdissociatieconstante van 2-naftol in grondtoestand en geëxciteerde toestand door toepassing van de Förster-cyclus - Caroline Frank

Afbeelding

De fysische en chemische eigenschappen van moleculen als functie van elektronische toestanden is belangrijk voor het begrijpen van chemische reacties. In dit experiment werd elektronische spectroscopie uitgevoerd op 2-naftol en zijn geconjugeerde base naftoxy in variërende pH-oplossingen (2,00-11,80) om de zuurdissociatieconstante te bepalen in de grondtoestand, pKa, en de laagst aangeslagen singlettoestand, pKa*. De wet van Beer werd gebruikt om de molaire absorbeerbaarheid van 2-naftol en zijn geconjugeerde base te bepalen en werd vervolgens toegepast om de concentratie van vrij zuur en geconjugeerde base in de gebufferde oplossingen te bepalen. De concentraties werden uitgezet als functie van de pH, in een Henderson-Hasselbalch-plot om de pKa te bepalen. De Förster-cyclus werd toegepast, rekening houdend met de enthalpieverandering en verwaarlozing van de entropie. De absorptie- en fluorescentiespectra van de zure en basische oplossingen werden gebruikt om de 0-0 energieën, ṽ0-0, te bepalen. De dissociatieconstanten van de zuren werden bepaald op 2,97 pKa* en 9,47 pKa. De pKa en pKa* kwamen goed overeen met literatuurwaarden van 9,45 en 3,0 met een verschil van respectievelijk 0,2 en 1,0%. Er werd vastgesteld dat 2-naftol een zwakker zuur is in de grondtoestand dan in de aangeslagen toestand als gevolg van pKa > pKa*.

Inleiding

De elektronische structuur van een molecuul bepaalt zijn fysische en chemische eigenschappen. Absorptie van een foton met energie gelijk aan het verschil in de kwantumniveaus leidt tot excitatie van een elektron van de grondtoestand naar de eerste aangeslagen singlettoestand, S0 -> S1. De verandering in elektronenverdeling kan leiden tot chemische reacties in de aangeslagen toestand. De aangeslagen toestand is relatief kort met een levensduur van 10-6 tot 10-11 seconden, zodat het meten van de eigenschappen van de aangeslagen toestand moeilijk is. Verval uit de aangeslagen toestand kan zich voordoen door radiatieve, het uitwerpen van een foton, of niet-radiatieve, overdracht van energie, processen. Het radiatieve proces fluorescentie, S1->S0, is een effectieve methode om eigenschappen van aangeslagen toestanden te meten.

In dit experiment beschouwen we de interactie van een fluorofoor, 2-naftol, met zijn omgeving en bepalen we zijn zure dissociatieconstante in de grondtoestand en de eerste aangeslagen singlettoestand. 2-naftol kan een zuur of een base zijn in waterige oplossing,

De dissociatie van 2-naftol varieert naargelang de elektronische toestand van het molecuul.

Figuur 1. Schematische weergave van de S0- en S1-toestanden van 2-naftol en zijn geconjugeerde base

De energie van deprotonatie, , verandert afhankelijk van of het molecuul zich in de grondtoestand of in de aangeslagen toestand bevindt. De vrije energie van deprotonatie van ArOH kan worden uitgedrukt in termen van enthalpie en entropie,

voor respectievelijk de S0- en S1-toestand. In zuivere oplosmiddelen zijn de effecten van excitatie op de entropie klein, omdat het aantal microtoestanden niet varieert. Aangenomen kan worden dat dit gelijk is in de grondtoestand en in de aangeslagen toestand.

De pKa kan worden bepaald door de concentratie van het vrije zuur en de geconjugeerde base te vinden in oplossingen met een variërende pH door de wet van Beer toe te passen. Vervolgens wordt een Henderson-Hasselbalch-plot toegepast om de pKa te bepalen. De Förster-cyclus kan worden gebruikt om de pKa* te bepalen door de energiekloof tussen de grondtoestand en de eerste aangeslagen singlettoestand te vinden,

De energiekloof kan worden bepaald met UV-Vis- en fluorescentiespectroscopie. Zoals eerder gezegd, kunnen alleen fotonen met een energie gelijk aan de energiekloof tussen kwantumniveaus worden geabsorbeerd. Een deel van de geabsorbeerde energie gaat verloren als gevolg van vibratierelaxatie. Wanneer het foton door fluorescentie bij een bepaalde golflengte weer vrijkomt, komt de golflengte overeen met de energiekloof van de S1->S0-toestand. Om deze reden kunnen met een overlay van de fluorescentie- en absorptiespectra van de zure en basische oplossing de 0-0 energieën worden bepaald waar de spectra van ArOH en ArO- elkaar snijden. De 0-0 energieën kunnen dan worden gebruikt om

Experimenteel

Tabel 1. Reagentia gebruikt in dit experiment

Reagens	Chemische formule	Moleculair gewicht	CAS	Stock Solution Concentration (M)
Ammoniumchloride	NH4Cl	53.49	12125-02-9	0.1
Ammoniumhydroxide	NH4OH	35.04	1336-21-6	0.1
Natriumhydroxide	NaOH	40.00	1310-73-2	0.02
Hydrochloric Acid	HCl	36.46	7647-01-0	0.02
2-Naphthol		144.17	135-19-3	4.16 x 10-4

Drie bufferoplossingen werden bereid uit stamoplossingen, tabel 1, in maatkolven van 100 mL, tabel 2. Om de pKa te bepalen werden vijf oplossingen van 2-naftol bereid. De eerste twee oplossingen bevatten overwegend hetzij het vrije zuur hetzij de geconjugeerde base van 2-naftol door de pH met HCl op 2 en met NaOH op 11,8 te brengen. Drie oplossingen werden gemaakt met een tussenliggende pH door gebruik te maken van (NH4OH/NH4CL) bufferoplossing. Een Jasco-530 UV-Vis spectrofotometer werd gebruikt om extinctiegegevens te verkrijgen en een Photon Technology International fluorometer werd gebruikt met het FeliX32 analyse module computerprogramma voor fluorescentiemetingen. De optimale excitatiegolflengte werd bepaald op 320 nm en emissiescans werden verkregen van 330 tot 500 nm. Het bereik van de absorptiescans lag tussen 300 en 380 nm.

Tabel 2. Concentratie van ammoniumchloride, ammoniumhydroxide en water, gebruikt om de gebufferde oplossingen te maken.

	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
Gedeïoniseerd water	70 mL	80 mL	70 mL
Totaal oplossingsvolume	100 mL	100 mL	100 mL

Tabel 3. De concentratie van elk reagens dat is gebruikt om de vijf geanalyseerde oplossingen te maken.

	Oplossing 1	Oplossing 2	Oplossing 3	Oplossing 4	Oplossing 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
Totaal volume	25 mL	25 mL	25 mL	25 mL	25 mL

Resultaten

Absorptie- en fluorescentiespectra werden verkregen van 2-napthol in variërende pH-oplossingen (2.0-11,8) en gebruikt om de van absorptie en emissie te vinden. De fluorescentiespectra moesten worden gecorrigeerd wegens de niet-ideale respons van het instrument. De wet van Beer werd gebruikt om de molaire absorbeerbaarheid van 2-naftol in de zure en basische oplossing te bepalen. De molaire absorptie werd vervolgens gebruikt om de concentratie van ArOH en ArO- in de gebufferde oplossing te bepalen. De concentratie kon worden gebruikt in een Henderson-Hasselbalch plot om de pKa te bepalen. De pKa* werd bepaald door toepassing van de Förster-cyclus.

Het absorptiespectrum in figuur 2 vertoont de kenmerken van een reactie in aangeslagen toestand. Het isosbeste punt bij 326 nm duidt op een gesloten systeem. Het fluorescentiespectrum van 2-naftol in verschillende zure, basische en gebufferde oplossingen wordt waargenomen in figuur 3. De fluorescentiegolflengte van geprotoneerd 2-naftol werd bepaald op 356 nm uit oplossing 1, 2-naftol met HCl bij een pH van 2. De fluorescentiegolflengte van gedeprotoneerd 2-naftol werd bepaald op 416 nm uit het spectrum van oplossing 2 met NaOH bij een pH van 11,8. De gebufferde oplossingen 3-5 toonden zowel vrije zuur als geconjugeerde base absorptie.

Van oplossing 1 werd bepaald op 527 cm-1 M-1 en werd bepaald op 1057 door Eq. 6. De molaire absorptiviteiten werden gebruikt om de concentratie van elke soort 2-naftol in de gebufferde oplossingen te bepalen. De pH werd uitgezet als functie van de log van de concentraties om een Henderson-Hasselbalch-plot te maken.

Oplossing			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

Tabel 5. De resultaten van de kleinste kwadraten uit figuur 4

LINEST
m			b
Sm			Sb
R2			Sy

De pKa werd bepaald uit het y-intercept van de Henderson-Hasselbalch plot bepaald op 9.47.

De 0-0-energieën werden bepaald uit een overlay van de fluorescentie- en absorptiespectra van de zure en basische oplossingen, respectievelijk figuur 6 en 7. De 0-0-energieën werden bepaald uit een overlay van de fluorescentie- en absorptiespectra van de zure en basische oplossingen, respectievelijk figuur 6 en 7. Er werd vastgesteld dat de 0-0 energie voor de zure oplossing 1 333 nm bedroeg en 371 nm voor de basische oplossing 2, die werden omgerekend naar golfgetallen van respectievelijk 30030 en 26954 cm-1. Het spectroscopisch energieverschil, , werd uit de 0-0 energieën bepaald op 3076 cm-1. Met behulp van vergelijking 4 werd bepaald dat de pKa* 2,97 was, tabel 6.

Tabel 6. De pKa en pKa* gevonden uit dit experiment vergeleken met literatuurwaarden met het berekende procentuele verschil.

Analyte	Experimenteel	Literatuur2	Percent Difference
pKa			0.2%
pKa*			1.0%

Discussie

In de gebufferde oplossingen wordt emissie waargenomen van beide soorten. Bij pH lager dan 3 is de reactie omkeerbaar, maar boven pH 6 wordt de reactie onomkeerbaar, figuur 2. Uit het fluorescentiespectrum figuur 3 blijkt dat in een zure oplossing de emissie afkomstig is van het 2-naftol met een emissie van 356 nm en in een basische oplossing emissie optreedt van het naftolaatanion bij 416 nm. In figuur 6 en 7 wordt een Stokesverschuiving waargenomen waarbij fluorescentie optreedt bij een lagere golflengte dan absorptie. Dit is het gevolg van het verlies van energie door vibratierelaxatie en herschikking van het molecuul. Het fluorescentiespectrum lijkt een spiegelbeeld van het absorptiespectrum te zijn, wat te wijten is aan het feit dat dezelfde elektronenovergang betrokken is bij S0 en S1 in zowel absorptie als emissie.

Uit dit experiment werd vastgesteld dat de pKa van de grondtoestand van 2-napthol 9,47 is. De pKa* van de laagste aangeslagen toestand van 2-naftol werd bepaald op 2,97. Beide waarden komen overeen met literatuurwaarden van 9,45 en 2,97 voor pKa en pKa* met respectievelijk 0,2 en 1,0% verschil. Vergelijking van de twee pKa waarden toont aan dat 2-naftol een sterker zuur is in de aangeslagen toestand. Dit is te wijten aan de degenerate singlet aangeslagen toestand met een minder polaire lange as en een meer diffuse aard. Deprotonatie treedt gemakkelijker op in de aangeslagen toestand omdat de elektronen op de hydroxylgroep verschoven zijn naar de aromatische ring waardoor de hydroxylgroep zuurder is. De elektronendichtheid rond het zuurstofatoom neemt toe omdat het elektronegatiever is dan de waterstof, waardoor de gedeelde elektronen dichter naar de zuurstof worden getrokken.

De Ka wordt berekend uit de vergelijking, . Er is bepaald dat Ka 3,55 x 10-10 is en Ka* 1,07 x 10-3. Uit figuur 1 blijkt dat naarmate Ka toeneemt de enthalpieverandering van het systeem toeneemt, zodat een stuk groter is dan . De entropieën van het systeem, zoals vermeld in de inleiding, kunnen gelijk worden verondersteld omdat het oplosmiddel zuiver is. Dit leidt ertoe dat zowel de grondtoestand als het laagste aangeslagen energieniveau dezelfde microtoestanden hebben. Als het molecuul op enigerlei wijze met het oplosmiddel zou reageren, dan zou in aanmerking moeten worden genomen.

Moleculen met een soortgelijk gedrag als 2-naftol zijn 2-naftonzuur, acridine, en quinolon. De protolytische reacties in water zijn,

Figuur 8. De protolytische reacties voor a. 2-naftoëzuur b. acridine c. chinoline in waterige oplossing.

Als de resultaten van dit experiment worden toegepast op 2-naftoëzuur, acridine en chinolon, kan worden geconcludeerd dat pKa*>pKa voor alle moleculen. Het 2-naftoëzuur heeft een carboxylzuurgroep die een elektronenacceptor is. Deze moleculen hebben een lege π-baan waarin elektronen kunnen worden overgebracht in de aangeslagen toestand, waardoor de elektronendichtheid toeneemt en de dissociatie zwakker wordt. Acridine en chinolon hebben beide een elektronendonorgroep amine. Wanneer elektronendonoren een lone paar elektronen hebben in een aromatisch ringsysteem hebben ze de neiging om meer geconjugeerd te worden in de aangeslagen toestand.

Het verschil tussen de experimentele en de literatuurwaarde was minimaal. Het verschil kan zijn ontstaan door een inconsistente temperatuur tijdens de proeven van dit experiment. Volgens de Van’t Hoff-vergelijking variëren alle evenwichtsconstanten met de temperatuur. De temperatuur van de oplossingen werd niet op een constante temperatuur gehouden. De Förster-cyclus is ook niet betrouwbaar in het schatten van de precieze pKa*-waarde, maar wel effectief in het bepalen van de richting van verandering in de pKa.

Conclusie

UV-Vis en fluorescentiespectroscopie werden gebruikt om de zuurdissociatieconstante van 2-naftol in de grondtoestand en de laagst aangeslagen singlettoestand te bepalen door toepassing van de Förster-cyclus. De pKa van 2-naftol in de grondtoestand was 9,47 vergeleken met de laagste aangeslagen singlet toestand pKa* van 2,97. Zowel de dissociatieconstante van het zuur in de grondtoestand als in de aangeslagen toestand correleerden met de literatuurwaarden met een verschil van respectievelijk 0,2 en 1,0%. Uit de zuur-dissociatieconstanten kon worden afgeleid dat 2-naftol een sterker zuur is in de aangeslagen toestand. Deze informatie kan worden gebruikt in reacties die gedeprotoneerd 2-naftol in een relatief zure oplossing vereisen. De pKa bepaald in dit experiment kan nu gebruikt worden in verdere studie van 2-naftol en de deprotonatie en protonatie snelheidsconstanten in de grondtoestand en aangeslagen toestand.

Halpern, A. M; Reeves, J. H, Experimental Physical Chemistry, Scott, Foresman and Company, Boston, 1988.

Rosenberg, L. J.; Brinn, I.; Excited State Dissociation Rate Constants in Naphthols. J. Phys. Chem. 1972; 76 (24), 3558-3562.

Park, H.; Mayer, B.; Wolschann, P.; Köhler, G., Excited-State Proton Transfer of 2-Naphthol Inclusion Complexes with Cyclodextrins. J. Phys. Chem. 1994; 98 (24), 6158-6166.

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

Berekeningen

De concentratie van de oorspronkelijke oplossingen