Wyznaczanie stałej dysocjacji kwasowej 2-Naftolu w stanie podstawowym i wzbudzonym poprzez zastosowanie cyklu Förstera - Caroline Frank

Abstract

Właściwości fizyczne i chemiczne cząsteczek jako funkcja stanów elektronicznych jest ważna w zrozumieniu reakcji chemicznych. W tym eksperymencie przeprowadzono spektroskopię elektronową na 2-naftolu i jego sprzężonej zasadzie naftoksy w roztworach o różnym pH (2.00-11.80) w celu określenia stałej dysocjacji kwasu w stanie podstawowym, pKa, i najniższym wzbudzonym stanie singletowym, pKa*. Prawo Beera wykorzystano do wyznaczenia molowej chłonności 2-naftolu i jego sprzężonej zasady, a następnie zastosowano je do określenia stężenia wolnego kwasu i sprzężonej zasady w zbuforowanych roztworach. Stężenia te wykreślono w funkcji pH na wykresie Hendersona-Hasselbalcha w celu wyznaczenia pKa. Zastosowano cykl Förstera, uwzględniający zmianę entalpii i zaniedbujący entropię. Widma absorbancji i fluorescencji roztworów kwaśnych i zasadowych posłużyły do wyznaczenia energii 0-0, ṽ0-0. Stałe dysocjacji kwasów określono na 2,97 pKa* i 9,47 pKa. Wartości pKa i pKa* dobrze odpowiadały wartościom literaturowym 9,45 i 3,0 z różnicą odpowiednio 0,2 i 1,0%. Ustalono, że 2-naftol jest słabszym kwasem w stanie podstawowym niż w stanie wzbudzonym ze względu na pKa > pKa*.

Wprowadzenie

Struktura elektronowa cząsteczki determinuje jej właściwości fizyczne i chemiczne. Absorpcja fotonu o energii równej różnicy poziomów kwantowych prowadzi do wzbudzenia elektronu z masy do pierwszego wzbudzonego stanu singletowego, S0 -> S1. Zmiana w dystrybucji elektronów może prowadzić do reakcji chemicznych podczas przebywania w stanie wzbudzonym. Stan wzbudzony jest stosunkowo krótkotrwały z czasem życia 10-6 do 10-11 sekund, więc pomiar właściwości stanu wzbudzonego jest trudny. Rozpad ze stanu wzbudzonego może zachodzić poprzez procesy radiacyjne (wyrzut fotonu) lub nieradiacyjne (transfer energii). Radiacyjny proces fluorescencji, S1->S0, jest efektywną metodą pomiaru właściwości stanów wzbudzonych.

W tym eksperymencie rozważamy oddziaływanie fluoroforu, 2-naftolu, z otaczającym go środowiskiem i wyznaczamy jego stałą dysocjacji kwasowej w stanie podstawowym i pierwszym wzbudzonym stanie singletowym. 2-naftol może być kwasem lub zasadą w roztworze wodnym,

Dysocjacja 2-naftolu zmienia się w zależności od stanu elektronowego cząsteczki.

Rysunek 1. Schemat stanów S0 i S1 2-naftolu i jego sprzężonej zasady

Energia deprotonacji, , zmienia się w zależności od tego, czy cząsteczka znajduje się w stanie podstawowym czy wzbudzonym. Energia swobodna deprotonacji ArOH może być wyrażona za pomocą entalpii i entropii,

dla stanów S0 i S1, odpowiednio. W czystych rozpuszczalnikach wpływ wzbudzenia na entropię jest niewielki, gdyż liczba mikrostanów nie zmienia się. Można przyjąć, że jest ona taka sama w stanie podstawowym i wzbudzonym.

PKa można wyznaczyć, znajdując stężenie wolnego kwasu i sprzężonej zasady w roztworach o różnym pH, stosując prawo Beera. Następnie stosuje się wykres Hendersona-Hasselbalcha w celu wyznaczenia pKa. Cykl Förstera można wykorzystać do wyznaczenia pKa* poprzez znalezienie przerwy energetycznej pomiędzy stanem podstawowym a pierwszym wzbudzonym stanem singletowym,

Przerwę energetyczną można wyznaczyć na podstawie spektroskopii UV-Vis i fluorescencji. Jak wspomniano wcześniej, tylko fotony o energii równej luce energetycznej pomiędzy poziomami kwantowymi mogą być zaabsorbowane. Część zaabsorbowanej energii jest tracona w wyniku relaksacji wibracyjnej. Kiedy foton jest uwalniany ponownie poprzez fluorescencję przy określonej długości fali, długość fali odpowiada luce energetycznej stanu S1->S0. Z tego powodu nałożenie na siebie widm fluorescencji i absorbancji roztworu kwaśnego i zasadowego pozwala na wyznaczenie energii 0-0 w miejscu przecięcia się widm ArOH i ArO-. Energie 0-0 mogą być następnie wykorzystane do wyznaczenia

Doświadczenia

Tabela 1. Odczynniki użyte w tym eksperymencie

Odczynnik	Skład chemiczny	Masa cząsteczkowa	CAS	Stężenie roztworu magazynowego (M)
Chlorek amonu	NH4Cl	53.49	12125-02-9	0.1
Wodorotlenek amonu	NH4OH	35.04	1336-21-6	0.1
Wodorotlenek sodu	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

Trzy roztwory buforowe przygotowano z roztworów podstawowych, Tabela 1, w kolbach miarowych o pojemności 100 mL, Tabela 2. W celu wyznaczenia pKa przygotowano pięć roztworów 2-naftolu. Pierwsze dwa roztwory zawierały głównie wolny kwas lub zasadę sprzężoną z 2-naftolem poprzez dostosowanie pH do 2 przy użyciu HCl i 11,8 przy użyciu NaOH. Trzy roztwory o pośrednim pH sporządzono z użyciem roztworu buforowego (NH4OH/NH4CL). Do uzyskania danych absorbancji użyto spektrofotometru UV-Vis Jasco-530, a do pomiarów fluorescencji fluorometr Photon Technology International z programem komputerowym FeliX32 z modułem analitycznym. Optymalna długość fali wzbudzenia została ustalona na 320 nm, a skany emisji uzyskano w zakresie od 330 do 500 nm. Zakres skanowania absorpcji zawierał się w przedziale od 300 do 380 nm.

Tabela 2. Stężenie chlorku amonu, wodorotlenku amonu i wody użytych do sporządzenia roztworów buforowych.

	Bufor 1 NH4OH/NH4CL	Bufor 2 NH4OH/NH4CL	Bufor 3 NH4OH/NH4CL
0.1 M NH4Cl	20 mL	10 mL	10 mL
0.1 M NH4OH	10 mL	10 mL	20 mL
Woda dejonizowana	70 mL	80 mL	70 mL
Total Solution Volume	100 mL	100 mL	100 mL

Tabela 3. Stężenie każdego odczynnika użytego do sporządzenia pięciu analizowanych roztworów.

	Roztwór 1	Roztwór 2	Rozwiązanie 3	Rozwiązanie 4	Rozwiązanie 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
Total Volume	25 mL	25 mL	25 mL	25 mL	25 mL

Wyniki

Widma absorbancji i fluorescencji uzyskano dla 2-.naptholu w roztworach o różnym pH (2.0-11,8) i wykorzystano do znalezienia absorbancji i emisji. Konieczne było skorygowanie widm fluorescencji z powodu nieidealnej odpowiedzi przyrządu. Do wyznaczenia molowej chłonności 2-naftolu w roztworze kwaśnym i zasadowym wykorzystano prawo Beera. Absorpcyjność molowa została następnie wykorzystana do określenia stężenia ArOH i ArO- w roztworze buforowym. Stężenie to można było wykorzystać na wykresie Hendersona-Hasselbalcha do wyznaczenia pKa. Wartość pKa* wyznaczono stosując cykl Förstera.

Widmo absorbancji na rysunku 2 przedstawia charakterystykę reakcji w stanie wzbudzonym. Punkt izosbstyczny przy 326 nm wskazuje na układ zamknięty. Widmo fluorescencji 2-naftolu w różnych roztworach kwaśnych, zasadowych i zbuforowanych jest obserwowane na Rysunku 3. Długość fali fluorescencji protonowanego 2-naftolu została określona na 356 nm z roztworu 1, 2-naftolu z HCl o pH 2. Długość fali fluorescencji zdeprotonowanego 2-naftolu została określona na 416 nm z widma roztworu 2 zawierającego NaOH o pH 11,8. Buforowane roztwory 3-5 wykazywały zarówno absorpcję wolnych kwasów, jak i sprzężonych zasad.

Z roztworu 1, wyznaczono na 527 cm-1 M-1, a wyznaczono na 1057 za pomocą równania 6. Absorpcyjności molowe posłużyły do określenia stężenia każdego gatunku 2-naftolu w buforowanych roztworach. W celu sporządzenia wykresu Hendersona-Hasselbalcha pH zostało przedstawione jako funkcja logarytmu stężeń.

Roztwór			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. Wyniki najmniejszych kwadratów z rysunku 4

LINEST
m			b
Sm			Sb
R2			Sy

PKa wyznaczono na podstawie y-Hendersona-Hasselbalcha na 9.47.

Energie 0-0 wyznaczono na podstawie nałożenia widm fluorescencji i absorbancji roztworów kwaśnego i zasadowego, odpowiednio rysunki 6 i 7. Ustalono, że energia 0-0 dla roztworu kwaśnego 1 wynosi 333 nm i 371 nm dla roztworu zasadowego 2, co przeliczono na długości fal odpowiednio 30030 i 26954 cm-1. Na podstawie energii 0-0 wyznaczono spektroskopową różnicę energii, która wynosi 3076 cm-1. Korzystając z równania 4, ustalono, że pKa* wynosi 2,97, Tabela 6.

Tabela 6. Wartości pKa i pKa* uzyskane w tym eksperymencie porównano z wartościami literaturowymi z wyliczoną różnicą procentową.

Analit	Doświadczalny	Literatura2	Różnica procentowa
pKa			0.2%
pKa*			1.0%

Dyskusja

W roztworach buforowanych obserwuje się emisję z obu gatunków. Przy pH poniżej 3 reakcja jest odwracalna, ale przy pH powyżej 6 reakcja staje się nieodwracalna, Rysunek 2. Z widma fluorescencji Rysunek 3 wynika, że w roztworze kwaśnym emisja pochodzi od 2-naftolu o emisji 356 nm, a w roztworze zasadowym emisja pochodzi od anionu naftolanowego przy długości fali 416 nm. Z rysunku 6 i 7 wynika, że obserwuje się przesunięcie Stokesa, gdzie fluorescencja występuje przy niższej długości fali niż absorpcja. Dzieje się tak z powodu utraty energii poprzez relaksację wibracyjną i rearanżację cząsteczki. Widmo fluorescencji wydaje się być lustrzanym odbiciem widma absorpcji, co jest spowodowane tym samym przejściem elektronowym S0 i S1 zarówno w absorpcji jak i emisji.

W wyniku eksperymentu ustalono, że pKa stanu podstawowego 2-naptholu wynosi 9,47. Ustalono, że pKa* najniższego stanu wzbudzonego 2-naftolu wynosi 2,97. Obie te wartości odpowiadają wartościom literaturowym 9,45 i 2,97 dla pKa i pKa* z różnicą odpowiednio 0,2 i 1,0%. Porównanie obu wartości pKa wskazuje, że 2-naftol jest silniejszym kwasem w stanie wzbudzonym. Wynika to z faktu, że zdegenerowany singletowy stan wzbudzony ma mniej polarną długą oś i bardziej rozproszony charakter. Deprotonacja zachodzi łatwiej w stanie wzbudzonym, ponieważ elektrony na grupie hydroksylowej są przesunięte w kierunku pierścienia aromatycznego, co sprawia, że grupa hydroksylowa jest bardziej kwaśna. Gęstość elektronów wzrasta wokół atomu tlenu, ponieważ jest on bardziej elektroujemny niż wodór, przyciągając wspólne elektrony bliżej tlenu.

Ka oblicza się z równania, . Ustalono, że Ka wynosi 3,55 x 10-10, a Ka* wynosi 1,07 x 10-3. Z rysunku 1 widać, że wraz ze wzrostem Ka wzrasta zmiana entalpii układu, więc jest dużo większa niż . Można przyjąć, że entropie układu, jak podano we wstępie, są takie same ze względu na to, że rozpuszczalnik jest czysty. Powoduje to, że zarówno stan podstawowy jak i najniższy wzbudzony poziom energetyczny mają takie same mikrostany. Gdyby cząsteczka w jakikolwiek sposób reagowała z rozpuszczalnikiem to wymagałoby to uwzględnienia.

Cząsteczki o podobnym zachowaniu do 2-naftolu to kwas 2-naftowy, akrydyna i chinolon. Reakcje protolityczne w wodzie to,

Rysunek 8. Reakcje protolityczne dla a. kwasu 2-naftowego b. akrydyny c. chinoliny w roztworze wodnym.

Odnosząc wyniki tego doświadczenia do kwasu 2-naftowego, akrydyny i chinolonu można stwierdzić, że pKa*>pKa dla wszystkich cząsteczek. Kwas 2-naftoesowy posiada grupę karboksylową, która jest akceptorem elektronów. Cząsteczki te posiadają wolne orbitale π, na które mogą być przenoszone elektrony w stanie wzbudzonym zwiększając gęstość elektronową i powodując słabszą dysocjację. Akrydyna i chinolon mają grupę aminową jako donora elektronów. Kiedy donory elektronów mają samotną parę elektronów w aromatycznym układzie pierścieniowym, mają tendencję do stawania się bardziej sprzężonymi w stanie wzbudzonym.

Różnica pomiędzy wartością eksperymentalną a literaturową była minimalna. Wariancja mogła wynikać z niespójnej temperatury podczas prób tego eksperymentu. Zgodnie z równaniem Van’t Hoffa, wszystkie stałe równowagi zmieniają się w zależności od temperatury. Temperatura roztworów nie była utrzymywana na stałym poziomie. Cykl Förstera nie jest również wiarygodny w szacowaniu dokładnej wartości pKa*, ale jest raczej skuteczny w określaniu kierunku zmian pKa.

Wnioski

Spektroskopia UV-Vis i fluorescencyjna zostały użyte do wyznaczenia stałej dysocjacji kwasowej 2-naftolu w stanie podstawowym i najniżej wzbudzonym stanie singletowym poprzez zastosowanie cyklu Förstera. Wartość pKa 2-naftolu w stanie podstawowym wynosiła 9,47, natomiast w najniższym wzbudzonym stanie singletowym pKa* wynosiła 2,97. Zarówno stałe dysocjacji kwasu w stanie podstawowym jak i wzbudzonym korelowały z wartościami literaturowymi z różnicą odpowiednio 0,2 i 1,0%. Na podstawie stałych dysocjacji kwasu ustalono, że 2-naftol jest silniejszym kwasem w stanie wzbudzonym. Informacja ta może być wykorzystana w reakcjach, które wymagają zdeprotonowanego 2-naftolu w stosunkowo kwaśnym roztworze. Wyznaczone w tym eksperymencie pKa może być teraz wykorzystane w dalszych badaniach nad 2-naftolem oraz stałymi szybkości deprotonacji i protonacji w stanie podstawowym i wzbudzonym.

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.

Obliczenia

Stężenie roztworów wyjściowych