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Identificación de puentes de hidrógeno formado entre aniones radicales de antraquinona y agua

Identification of hydrogen bonds formed between anthraquinone radical anions and water
Universidad Tecnológica de León


Por: Gilberto Rocha Ortiz.

Resumen

Las sustancias antraquinónicas intervienen en procesos biológicos de oxidación en condiciones de alta humedad, donde se ha cuestionado cómo el agua llega a participar. En este trabajo, empleando métodos electroquímicos, se identificó dicha interacción, a través de la formación de puentes de hidrógeno producidos por la interrelación entre el anión radical del compuesto antraquinónico 1-amino-4-hidroxi-2-fenoxi-antraceno-9,10-diona (rojo disperso 60, RD60) con las moléculas de agua provenientes del medio de reacción en disolventes apróticos. Para lograrlo, se determinó el valor de potencial catódico formal estándar de la sustancia RD60 (-0.9955 V vs Ag/Ag+) en condiciones anhidras, así como se determinaron las constantes de equilibrio, cinéticas y electroquímicas de las reacciones participantes. Esta información corrobora la participación del agua en procesos biológicos oxidativos que pueden influir en la eficiencia del mecanismo.

Palabras clave: Puentes de hidrógeno, voltamperometría cíclica, antraquinona, agua.


Abstract

The anthraquinone compounds are involved in oxidation biological processes in high moisture conditions, where it has been questioned how water participates. In this work, it is demonstrated the water participation through the formation of hydrogen bonding produced during the interaction of the radical anion of anthraquinonic compound 1-Amino-4-hydroxy-2-phenoxy-9,10-anthracenedione (disperse red 60, DR60) with the water molecules from the reaction medium in aprotic solvent. To get this process, the cathodic standard formal potential value of the DR60 (-0.9955 V vs Ag/Ag+) in anhydrous conditions was obtained and the equilibrium constants kinetic and electrochemical constants were determined. This information demonstrates the participation of the water in oxidative biological processes that can influence the mechanism efficiency.

Keywords: Hydrogen bonds, cyclic voltammetry, anthraquinone, water


Introducción

Las moléculas antraquinónicas presentan una gran relevancia debido a que participan como acarreadoras de electrón y protón en procesos biológicos, tales como la fotosíntesis, la fosforilación oxidativa, la respiración celular, la síntesis de trifosfato de adenosina (ATP) mitocondrial y la coagulación de la sangre a través de reacciones de reducción-oxidación (redox)1-5. Dichas moléculas en condiciones apróticas sufren un proceso de reducción a través de una doble transferencia sucesiva de electrón, donde en un primer paso se produce el anión radical Q-• (semiquinona), seguido por la reducción de la semiquinona a la quinona dianónica Q2-, tal como se observa en las reacciones 1 y 22,5,6.

Una de las técnicas electroquímicas utilizadas para caracterizar los estudios de reducción de las especies quinónicas es la voltamperometría cíclica7, que muestra los potenciales de los procesos redox de las sustancias electroactivas, el grado de reversibilidad de la reacción electroquímica y la existencia de reacciones químicas acopladas al desarrollo de la transferencia de electrón. De igual manera, una herramienta que ayuda a la voltamperometría es la simulación voltamperométrica, con la cual se puede proponer un mecanismo de reacción buscando obtener un ajuste entre la respuesta de reacción experimental con la respuesta simulada, adecuándose a un error de truncamiento relativamente bajo. Así, analizando la reducción electroquímica de las especies quinónicas a través de la voltamperometría cíclica, se sabe que en condiciones apróticas todas las quinonas muestran dos picos catódicos (Figura 1), correspondientes a la reducción sucesiva de dos electrones, obteniendo la semiquinona Q-• (1-1´, Figura 1) y el dianión Q2- (2, 2’, Figura 1) a sus respectivos potenciales2,6.

Figura 1. Respuesta voltamperométrica de compuesto quinónico 9-10 Antraquinona 1.0 mM en 0.1 M n-Bu4NPF6/CH3CN a 0.3 V-s-1 a 25 °C (autoría propia).

Por otro lado, el comportamiento voltamperométrico de la reducción electroquímica de las especies quinónicas en condiciones próticas dependerá del pH del sistema y del efecto del disolvente; pues, además de la transferencia de electrón, existe una transferencia de protón vinculada a cada intermediario quinónico para formar como producto una especie hidroquinónica, la cual se muestra en la reacción 39,10.

Esta donación de protón se debe a la existencia de los puentes de hidrógeno 2,5,6,8,9,10, que son un tipo de interacciones desarrolladas en reacciones catalíticas presentes en procesos de transferencia de información genética, así como en procesos bioenergéticos, como la fotosíntesis11,12. Este tipo de enlaces se pueden producir en compuestos que tienen grupos donadores de electrones rodeados de protones (tales como OH, -NH2, -NH-, etc.) así como en compuestos que pueden interactuar con el medio8,9,10. El comportamiento voltamperométrico es asignado a la protonación y a la formación de puentes de hidrógeno intermoleculares8,10 presentando modificaciones que son más evidentes a segundo nivel de potencial debido a la basicidad del dianión 13-15. Sin embargo, también puede detectarse la formación de puentes de hidrógeno a primer nivel de potencial.


Objetivo

Demostrar la interacción del agua proveniente del medio con las especies intermediarias de antraquinona en procesos biológicos de oxidación, a través de la caracterización de puentes de hidrógeno intermoleculares formados entre el anión radical de antraquinona RD60 con las moléculas de agua proveniente del medio.


Planteamiento del problema

Determinados mecanismos biológicos, tales como la fotosíntesis y la fosforilación oxidativa de ATP, entre otros, presentan reacciones químicas redox que son esenciales para generar energía. Dentro de este tipo de procesos se ha demostrado que las moléculas derivadas de antraquinona participan como acarreadoras de carga1-5. Sin embargo, dichos procesos químicos se llevan a cabo en condiciones de alta humedad, donde se ha cuestionado cómo el agua puede interactuar con los aniones de los compuestos antraquinónicos5,9,10,13,16, y si dicha interacción puede afectar la eficiencia del mecanismo energético. Por lo cual, el presente trabajo pretende demostrar las posibles reacciones de acoplamiento de agua con el anión radical del derivado de antraquinona RD60, a través de la formación de puentes de hidrógeno intermoleculares en soluciones apróticas.


Método de trabajo

Reactivos

Se utilizó como reactivo la sustancia RD60 grado industrial, sometiéndose a purificación y caracterización. Como disolventes se utilizó acetonitrilo (CH3CN) 99.8%, secado en malla molecular en barra de 1/16 pulgadas con 3 Å de poro. Como electrolito soporte se utilizó hexafluorofosfato de tetrabutilamonio (n-Bu4NPF6).

Medición de contenido de humedad

Se utilizó un coulómetro Mettler Toledo DL32 para la titulación Karl Fischer (Riedel-deHaën) y soluciones de HYDRANAL-coulomat AG y CG. Las mediciones fueron realizadas dentro de una caja de control de humedad.

Preparación de soluciones anhidras

Para experimentos de voltamperometría cíclica, el acetonitrilo anhidro (preparado por almacenamiento en malla molecular de 3 Å durante 24 horas), fue usado para realizar soluciones cercanas a 1 mM de las sustancias de estudio, así como soluciones de electrolito soporte 0.1 M n-Bu4NPF6, el cual fue previamente secado a vacío a una temperatura de160 °C por seis horas. Las soluciones fueron transferidas vía vacío a una jeringa que contenía malla molecular 3 Å anticipadamente anhidra a vacío a 160 °C durante seis horas. Finalmente, las soluciones fueron mantenidas dentro de la jeringa, en ausencia de luz y en atmósfera de nitrógeno por 24 horas.

Voltamperometría cíclica

Los experimentos voltamperométricos se realizaron con un potenciostato Eco Chemie Autolab PGSTAT302N conectado a una computadora de escritorio. Se utilizó una celda con arreglo de tres electrodos, donde el electrodo de trabajo fue un electrodo de carbón vítreo plano de 3 mm de diámetro. Como contraelectrodo se utilizó un alambre de platino. Como electrodo de referencia se utilizó un electrodo de alambre de plata conectado vía solución a un puente salino que contenía 0.5 M n-Bu4NPF6 en CH3CN.Todos los experimentos fueron logrados en el interior de una celda de Faraday a temperatura ambiente sobre atmosfera de argón.

Simulación electroquímica

Las simulaciones electroquímicas fueron desarrolladas utilizando el software DigiElch versión 8FD, considerando una difusión plana.

Resultados y Discusión

A partir de la estructura del compuesto RD60 (Figura 2), se observa que la presencia de los grupos amínicos y fenólicos cercanos a la base antraquinónica sugiere la formación de puentes de hidrógeno16,17.

Figura 2. Estructura molecular de 1-amino-4-hidroxi-2-fenoxi-antraceno-9,10- diona (RD60); (autoría propia).

Experimentalmente, los puentes de hidrógeno intermoleculares pueden ser observados en la voltamperometría cíclica a través de una disminución del pico de oxidación durante el barrido reversible del voltamperograma, así como un cambio ligero en el pico de potencial hacia valores más positivos conforme la cantidad de sustancia prótica incrementa (Figura 3)16,17. De esta manera, la Figura 3a muestra una comparación entre el voltamperograma simulado (círculos) y el experimental (línea sólida) para la primera onda de reducción de RD60 (1-1’), observándose un ajuste entre ellos. En esta figura, la simulación considera dos puentes de hidrógeno intermoleculares con agua mostrando el efecto en los picos de oxidación. Por otro lado, la Figura 3b muestra la simulación (círculos) comparada con el voltamperograma experimental (línea sólida), en el cual la simulación predice más corriente de oxidación para el pico 1’, sin considerar el puente de hidrógeno con agua. La variación observada en la corriente pico de oxidación entre el voltamperograma simulado y el experimental, implica que la simulación predice más corriente, debido a que existe un equilibrio entre la cantidad de especie reducida y oxidada de la sustancia electroactiva, sin considerar la formación de puentes de hidrógeno. Por otro lado, el hecho que el anión de la especie electroactiva al interactuar con las moléculas de agua genere la formación de nuevas especies intermediarias vinculadas por puentes de hidrógeno intermoleculares, provoca la disminución de la concentración de la especie electroactiva no acoplada a las moléculas de agua, por lo cual es evidente una menor cantidad de corriente, tal como se observa en el voltamperograma experimental17.

Figura 3. Respuesta voltamperométrica a primer nivel de onda de 1.0 mM RD60 en 0.1 M n-Bu4NPF6/CH3CN a una velocidad de barrido de 0.1 V-s-1 a 25 °C, a una concentración de 0.010 M de agua; (autoría propia).

Con la finalidad de obtener los parámetros de simulación termodinámicos y cinéticos para la formación de puentes de hidrógeno intermoleculares formado entre el anión radical de RD60 y el agua, fue necesario manejar la solución en las condiciones más anhidras posibles. Por lo tanto, se realizó un proceso de secado, tanto del disolvente como del electrolito para intentar conseguir el valor de potencial formal más cercano al proceso de reducción en condiciones anhidras que fue ajustado en el proceso de simulación. También fue importante realizar mediciones de agua presente en las soluciones de trabajo, para conocer su concentración y analizar la reproducibilidad de los valores termodinámicos y cinéticos que participan en la formación de puentes de hidrógeno entre la semiquinona y el agua. Para ello (Figura 4), se obtuvieron valores de concentración de 0.025 M y de 0.050 M de agua, donde se observa cómo la respuesta simulada (círculos) coincide con el experimental (línea sólida) en la respuesta de reducción de RD60 (1-1´).

Figura 4. Respuesta voltamperométrica a primer nivel de onda de 1.0 mM RD60 en 0.1 M n-Bu4NPF6/CH3CN a una velocidad de barrido de 0.1 V-s-1 a 25 °C; (autoría propia).

Con base en los resultados experimentales, en la Tabla 1 se observan los parámetros cinéticos y termodinámicos obtenidos en el proceso de simulación voltamperométrica para la onda 1-1’ que incluye los dos puentes de hidrógeno intermoleculares del anión radical semiquinona con las moléculas de agua proveniente de las trazas de humedad. Dichos parámetros fueron ajustados a diferentes concentraciones de humedad. Así, para el reactivo RD60, con un coeficiente de difusión de 1.5 x 10 -5 cm2·s -1 18, se determinó una transferencia de electrón reversible hacia un valor de potencial catódico de -0.9955 V vs Ag/Ag+ 0.5 M n-Bu4NPF6, que procede en condiciones de equilibrio. Simultáneamente, se presentan dos puentes de hidrógeno intermoleculares, cuyo valor de equilibrio a primer nivel está en un rango de 30 a 100, favoreciendo el proceso cinético de derecha a izquierda, con un valor de constante cinética entre 15 a 150. Mientras que la segunda asociación está en un rango de 0.0012 a 0.010 implicando que dicha asociación es muy débil, expresado también en el rango de la constante cinética con un rango de 0.2 a 0.6.

Tabla 1. Parámetros de ajuste para simulación voltamperométrica de reducción experimental a primera onda de RD60*1.0 mM en 0.1 M n-Bu4PF6 in acetonitrilo at 25°. Fuente: elaboración propia.

Reacción de electrodo    E° (V) α    ks
(cm×s-1)
 
1. RD60 - e → RD60●- -0.9955 0.5 0.91  
Reacción química  Keq kf kb  
2. RD60●- + H2O → (RD60●-) (H2O) 30 – 100 15 – 150 0.5 – 1.5
3. RD60●- (H2O) + H2O → RD60●- (H2O)2 0.0012 -0.010 0.2 – 0.6 50 – 100
* D = 1.5 x 10-5 cm2·s-1.

Conclusiones

En este estudio se comprobó la detección de dos puentes de hidrógeno intermoleculares. El primero con una constante de equilibrio con un rango de valores entre 30-100, mientras que el segundo con un rango de valores entre 0.0012 -0.0010. Dichos valores indican que es favorable la formación de puentes de hidrógeno entre la especie aniónica radical derivada de antraquinona y las moléculas de agua provenientes de las trazas de humedad presentes en la solución del sistema de estudio en un medio aprótico. Esto fue desarrollado a través de la voltamperometría cíclica y la simulación voltamperométrica, obteniendo un ajuste entre los parámetros simulados y experimentales, con un error de truncamiento relativo inferior al 0.01%. A su vez, se identificó el valor de reducción de potencial del RD60: -0.9955 V vs Ag/Ag+. Dicha información corrobora que existe una interacción directa entre el agua proveniente de las trazas de humedad del medio y los aniones radicales antraquinónicos participantes en procesos biológicos de generación de energía. Dicha aportación puede abrir paso a generar nuevos estudios que ayuden a corroborar cómo este tipo de interacción favorecen o perjudican la generación de energía en procesos biológicos17.


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Fecha de recepción Fecha de aceptación Fecha de publicación
04/11/2021 04/04/2022 31/05/2022
Año 9, Número 3. Mayo - Agosto, 2022.

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