Formación, estabilidad y reactividad de las N-cloraminas derivadas de la Taurina en disolución acuosa

Departa m Facultad d Universid a Form a N-clo r disol u m ento de Q u d e Química a d de Sant i a ción, r amin a u ción a u ímica Físic i ago de Co m estab i a s der a cuos a Q Santi Paul a c a m postela i lidad y ivada s a . Tesis Doct o Q uímica Fí s i ago de Co m a Calvo Sa b y reac t s de l a o ral s ica m postela b ugueiro t ivida d a Tau d de l a rina e a s e n  D. Juan M a la Universi Titular del m Informan: Que la pr e cloramina s Doctora e n realizada e nuestra dir e Considera n Comisión d Y para qu e de junio d e    Fdo. Juan  a nuel Antel o dad de San m ismo Dep a e sente me m s derivadas d n Ciencias e n el Depart a e cción. n do que c o d e Tercer Ci c e así conste, e 2012 Manuel Ant e o Cortizas, C tiago de Co a rtamento, m oria, titulad a d e la taurina Químicas p a mento de Q nstituye tra b c lo de la Uni v firmamos e l e lo Cortizas C atedrático d mpostela, y a “Formació en disoluci ó p resenta D ñ Q uímica Físi b ajo de Te s v ersidad de l presente in el Departa m D. Juan Cr n, estabilid a ó n acuosa”, q ñ a Paula C a ca de la Un s is, autoriz a Santiago de forme en S a Fd o ento de Qu í u geiras Mar t a d y reactivi q ue para op t a lvo Sabug u i versidad de a n su pres e Compostel a a ntiago de C o o . Juan Crug í mica Física r tínez, Profe s dad de las tar al grado u eiro, ha s i e Santiago b a e ntación en a . ompostela, a eiras Martín e   de s or Nde i do a jo la a 6 e z  Agradecimientos Después de varios años trabajando en esta tesis, llegó el momento de agradecer a toda la gente que contribuido, de forma directa o indirecta, a la finalización de este trabajo. Primero, quiero agradecer a D. Juan M. Antelo Cortizas que me diera la oportunidad de llevar a cabo este trabajo, gracias por abrirme las puertas de tu laboratorio. Estoy especialmente agradecida a D. Juan Crugeiras Martínez y Dña. Ana Mª Ríos Rodríguez gracias por la confianza depositada en mi, muchísimas gracias por vuestra ayuda, sugerencias y recomendaciones. Trabajar con vosotros ha sido un honor. Gracias a todos los amigos que siempre han estado ahí, gracias por vuestro afecto y por animarme cuando lo necesité. Y por último pero no por ello menos importante, gracias a mi familia, gracias por vuestro apoyo y paciencia en momentos difíciles, por convencerme de que el esfuerzo valió la pena. INDICE CAPITULO 1 INFORME BIBLIOGRAFICO 1 1.1. Función biológica de N-halocompuestos 3 Introducción 3 Mecanismos de acción de las peroxidasas 5 Productos resultantes de la oxidación de los iones cloruro 6 Propiedades físicas y químicas de compuestos de “Cl+” de interés biológico 8 Oxidación enzimática y no enzimática de iones haluro 10 1.2. Química de N-halocompuestos en medio acuoso 11 1.2.1. Especiación en disolución acuosa 13 1.2.2. Formación de N-halocompuestos 18 Reacciones de transferencia del halógeno 22 Cinética de desproporción de N-haloaminas. Formación de N,N-dihaloaminas 28 N-Bromo-N-cloraminas 33 1.2.3. Estabilidad de N-halocompuestos 35 N-haloaminas del amoníaco (NH2X, NHX2, NX3) 35 Estabilidad de N-haloalquilaminas 43 1.3. Modelos para el estudio de la reactividad química 49 1.3.1. Consideraciones generales sobre mecanismos de reacción 49 Transferencia electrónica simple y doble 49 Clasificación de las reacciones 52 Diagramas de energía-coordenada de reacción 54 1.3.2. Efectos estructurales sobre la reactividad 57 Aproximación de Leffler 57 Efectos polares y estéricos de los sustituyentes 58 Ecuación de Hammett 60 Efectos resonantes 61 Efectos inductivos 63 Efectos polares y estéricos. Ecuación de Taft 64 Ecuación de Bronsted 66 Ecuación de Bronsted extendida 68 1.3.3. Escalas de nucleofilia 69 Correlación de Swain-Scott 70 Correlación de Ritchie 72 1.3.4. Efectos isotópicos 74 1.3.5. Tiempos de vida de los intermedios de reacción. Influencia sobre el mecanismo 81 Adición reversible al grupo carbonilo 81 Diagramas de coordenadas de reacción multidimensionales 85 1.4. Reacciones de adición nucleófila 87 1.4.1. Ataque nucleófilo sobre átomos de carbono saturados 87 1.4.2. Ataque nucleófilo sobre heteroátomos 89 Halógenos 89 Nitrógeno 95 CAPITULO 2 REACCION DE DESPROPORCION DE LA N-CLOROTAURINA 97 Procedimiento experimental 100 2.1. Reacción de desproporción de la N-clorotaurina 103 Método cinético 103 Equilibrio de desproporción 106 Resultados experimentales y discusión 108 2.2. Reacción de la N,N-diclorotaurina con taurina 115 Método cinético 115 Resultados y discusión 117 Correlación de Bronsted 122 CAPITULO 3 REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA EN N-CLORAMINAS: EVIDENCIAS DE UN CAMBIO DE MECANISMO AL AUMENTAR LA REACTIVIDAD DEL NUCLEÓFILO 127 Procedimiento experimental 131 Método cinético 133 Ion Bromuro 134 Ion Yoduro 135 Ion Tiocianato 135 Ion Azida 136 Ion Sulfito 137 2-Mercaptoetanol 138 2-(metiltio)etanol 139 Cálculos mecanocuánticos 140 4 Informe bibliográfico las aminas para dar las correspondientes cloraminas, que también tienen actividad oxidante y clorante. Las cloraminas actúan como formas portadoras y de depósito o reserva del “Cl+” formado en la oxidación de los iones Cl– catalizada por MPO. El papel más importante del HOCl y de las cloraminas en los leucocitos es, mediar la toxicidad del sistema MPO/H2O2/Cl– sobre las células que son el blanco de estos agentes oxidantes, generalmente microorganismos que han invadido los tejidos.1 El sistema MPO también está implicado en funciones de los leucocitos como modificaciones químicas de los componentes del plasma y tejidos, eliminación de células huésped anormales y procesos inflamatorios.2,3,4 Se pueden enumerar una serie de ventajas en el uso de estos agentes oxidantes por parte del sistema inmunológico de los organismos. En primer lugar, aunque el H2O2 es un agente oxidante fuerte, no reacciona fácilmente con moléculas biológicas en ausencia de catalizadores. Además, los leucocitos y la mayoría de las células poseen enzimas que eliminan rápidamente el H2O2 convirtiéndolo en O2 y/o H2O. Por el contrario, el HOCl y las cloraminas reaccionan rápidamente con moléculas biológicas, y no se conoce un mecanismo enzimático específico para eliminar estos oxidantes. En segundo lugar, la producción de diferentes oxidantes permite a los leucocitos producir una gran variedad de modificaciones químicas. Así, aunque H2O2, HOCl, y cloraminas son todos agentes oxidantes, cada uno puede participar en reacciones químicas diferentes y esta diversidad es la que hace que descienda la probabilidad de que surja una población de microorganismos resistente a este ataque oxidante. En tercer lugar, la formación de cloraminas regula la toxicidad y especificidad del ataque oxidativo. Por ejemplo, las membranas biológicas son impermeables para ciertas cloraminas, sin embargo el H2O2 se difunde rápidamente a través de ellas. El número de oxidantes producidos por los leucocitos estimulados puede ser mayor que los descritos hasta ahora, ya que la MPO también cataliza la oxidación de 1 S. J. Klebanoff, in Advances in Host Defense Mechanisms, Vol. 1, J. I. Gallin, y A. S. Fauci, Eds., Raven Press, New York, 111, 1982. 2 R. A. Clark, Adv. Inflammat. Res., 5, 107, 1983. 3 S. T. Test, y S. J. Weiss, Adv. Free Radical Biol. Med., 2, 91, 1986. 4 D. B. Learn, y E. L. Thomas, J. Clin. Invest., 82, 789, 1988. Informe bibliográfico 5 iones bromuro, yoduro, y tiocianato. De hecho, estos iones tienen incluso mayor afinidad por la enzima y compiten de forma efectiva con los iones Clcuando la concentración de estos es inferior al del nivel existente en el plasma humano (0,1M). La oxidación de iones bromuro, yoduro, y tiocianato también puede tener lugar a través de un proceso no enzimático, ya que el HOCl y las cloraminas pueden oxidar estos iones. Mecanismos de acción de las peroxidasas Los iones haluro forman una serie en la que el potencial de reducción del semipar X2/2X– aumenta en la serie I2<Br2<Cl2<F2, de forma que el F2 es el oxidante más fuerte, por lo que el ion Fes el más difícil de oxidar dentro de esa serie, y el ion I– el más fácilmente oxidable. El ion SCN– tiene propiedades químicas similares a las de los haluros y por su potencial de reducción ocuparía una posición intermedia entre el Br– y I–. La especificidad de las peroxidasas sobre los iones haluro esta relacionada con sus correspondientes potenciales de oxidación. Por ejemplo la enzima MPO cataliza la oxidación de los haluros a halógeno, excepto el ión F–, para el cual no se conocen enzimas que catalicen su oxidación. El primer paso en el mecanismo enzimático de las peroxidasas es la reacción de la enzima con un peróxido, siendo el H2O2 el sustrato fisiológico más probable, pero estas enzimas también reaccionan con peróxidos orgánicos (ROOH). La reacción con peróxidos convierte la forma nativa de la enzima en el denominado compuesto I, cuya estructura química no se conoce, pero no es un complejo enzimasustrato clásico en el sentido de que no contiene todos los átomos de hidrógeno y oxígeno del H2O2. El compuesto I de la enzima peroxidasa es el agente oxidante responsable de la oxidación de los iones haluro (Esquema 1). H2O2HOX OH2 H+X + + Peroxidasa Compuesto I - Esquema 1. Ciclo catalítico de las peroxidasas en la oxidación de haluros. 6 Informe bibliográfico En la Esquema 1 se ilustra la oxidación de iones haluro a ácido hipohaloso, HOX, pero este es sólo uno de los mecanismos posibles, ya que la forma oxidada del haluro que es liberada por el centro activo de la peroxidasa no ha sido identificado todavía. Esto se debe a que las distintas formas del halógeno en estado de oxidación +1 (X2, XOH, XO–,  3 X) alcanzan rápidamente las correspondientes concentraciones de equilibrio. Productos resultantes de la oxidación de los iones cloruro En el caso en el que X = Cl en el Esquema 1, el ácido hipohaloso formado sería el HOCl, cuyo pKa es 7,5, por lo que a valores fisiológicos de pH (pH 5,0–8,0) habrá una cantidad importante de iones hipoclorito (ClO–). También estarán presentes en el medio pequeñas concentraciones de Cl2 y  3 Cl , concentraciones que estarán gobernadas por las correspondientes constantes de equilibrio. Todas estas especies (HOCl, ClO–, Cl2,  3 Cl ) se caracterizan por tener el átomo de cloro en un estado de oxidación +1. La detección de HOCl como producto en experimentos realizados con MPO no es un problema fácil de resolver, ya que el HOCl ataca cofactores tales como grupos hemo o residuos aromáticos y átomos de azufre de las cadenas laterales de aminoácidos, inactivando la enzima.5 Por otra parte, aunque el H2O2 actúa como un agente oxidante en la oxidación de Cl–, también reduce al HOCl: H2O2HOCl OH2H+O2 Cl ++ + + - El resultado de esta reacción es que el H2O2 se consume, pero no se acumula la forma oxidada del Cl–. Durante un tiempo esta reacción atrajo gran interés ya que se pensó que podría producirse como intermedio una forma de O2 más reactiva, conocida como oxígeno singlete 1O2, que podría contribuir a la actividad 5 J. E. Harrison, J. Schultz, J. Biol. Chem., 251, 1371, 1976. Informe bibliográfico 7 antimicrobiana. Estudios posteriores demostraron que esta especie no podría producirse porque el HOCl reacciona más rápido con moléculas biológicas que con H2O2, y que si tal reacción tuviese lugar, la especie 1O2 se formaría sólo en condiciones fuertemente alcalinas.6,7,8,9 Un método para determinar de forma cuantitativa los productos resultantes de la oxidación del Cl– catalizada por MPO consiste en capturar el producto añadiendo una sustancia que reaccione rápidamente con el HOCl, y así proteger la MPO de la inactivación. Cuando los microorganismos están expuestos al sistema H2O2, Cl– y MPO, la reacción de HOCl con los componentes microbianos protege a la MPO frente a la inactivación y evita la reacción del HOCl con H2O2, permitiendo la producción de HOCl suficiente para eliminar los microorganismos.10 Por lo tanto, los microorganismos pueden considerarse como un cuarto componente esencial en la actividad antimicrobiana del sistema MPO/H2O2/Cl–. Un tipo de compuestos de captura del HOCl de gran utilidad en estudios sobre MPO, y que pueden ser los más importantes en condiciones fisiológicas, son los compuestos de nitrógeno, particularmente el amoníaco y las aminas primarias. El HOCl reacciona con estos compuestos para dar las correspondientes N-cloraminas. La cloración de amoníaco da lugar a la monocloramina (NH2Cl) y las aminas alifáticas dan las monocloraminas derivadas (RNHCl). Las cloraminas son fuertes oxidantes y agentes clorantes, aunque son menos reactivas que el HOCl y no son reducidas por el H2O2.(11) El amoníaco y las aminas protegen la MPO de la inactivación, lo que indica que las cloraminas no atacan a la enzima.12,13 6 J. E. Harrison, B. D. Watson, y J. Schultz, FEBS Lett., 92, 327, 1978. 7 A. M. Held, y J. K. Hurst, Biochem. Biophys. Res. Commun., 81, 878, 1978. 8 A. M. Held, D. J. Halko, y J. K. Hurst, J. Am. Chem. Soc., 100, 5732, 1978. 9J. R. Kanofsky, J. Wright, G. E. Miles-richardson, y A. I. Tauber, J. Clin. Invest., 74, 1489, 1984. 10 E. L. Thomas, Infect. Immun., 3, 522, 1979. 11 E. L. Thomas, Infect. Immun., 3, 522, 1979. 12 T. Stelmaszynska, y J. M. Zgliczynski, Eur. J. Biochem., 35, 305, 1974. 13 J. M. Zgliczynski, R. J. Selvaraj, B. B. Paul, T. Stelmaszynska, P. K. F. Poskitt, y A. J. Sbarra, Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 154, 418, 1977. 8 Informe bibliográfico En el rango fisiológico de pH (pH 5 a 8), el amoníaco y las aminas primarias existen como mezcla de las formas protonada y no protonada,  4 NH / NH3 y  3 RNH / RNH2, aunque las especies protonadas son las que se encuentran en mayor concentración. Sin embargo, la cloración de estas aminas da lugar a una disminución drástica del pKa de la cloramina y ahora las formas neutras, tales como la NH2Cl, son las que se encuentran en mayor proporción. Por lo tanto, la cloración convierte los compuestos de nitrógeno en derivados más lipofílicos.14,15 Cuando la concentración de compuestos de nitrógeno (amoníaco, aminas, aminoácidos, ...) es mayor que la cantidad de HOCl, está favorecida la formación de cloraminas con un solo enlace N–Cl. Sin embargo, también se pueden formar derivados con múltiples enlaces N-Cl, las diy tricloraminas (NHCl2 y NCl3), dependiendo del pH del medio, relación [HOCl]/[RNH2] y concentración de Cl–-.(16) Estos aspectos serán analizados con más detalle en apartados posteriores del informe bibliográfico. Propiedades físicas y químicas de compuestos de “Cl+” de interés biológico. El ácido hipocloroso tiene propiedades físicas y químicas diferentes de las que presentan las cloraminas, lo que indica que su actividad en sistemas biológicos también será diferente. En la mayor parte de las reacciones químicas, el orden de reactividad en agua para estos compuestos es HOCl > RNCl2 > NH2Cl > RNHCl. Sin embargo, este orden de reactividad no refleja las diferencias de toxicidad encontradas entre estos compuestos. Esto se debe probablemente a que la toxicidad no viene determinada sólo por la reactividad química del grupo N–Cl, sino también por las propiedades físicas de la molécula de cloramina. Por ejemplo, la NH2Cl es un agente citotóxico y bactericida17 más fuerte que la dicloramina derivada de la taurina (–O3SCH2CH2NCl2), lo cual puede deberse a que es un oxidante lipofílico que se difunde rápidamente a través de la barrera hidrofóbica de las membranas biológicas, 14 E. L. Thomas, M. B. Grisham, y M. M. Jefferson, Methods Enzymol., 132, 569, 1986. 15 E. L: Thomas, Infect. Immun., 25, 110, 1979. 16 E. L. Thomas, M. B. Grisham, y M. M. Jefferson, Methods Enzymol., 132, 569, 1986. 17 D. B. Learn, E. L. Thomas, J. Clin. Invest., 82, 789, 1988. Informe bibliográfico 9 entra en la célula y puede oxidar sustancias presentes en el interior de esta. Por el contrario, los derivados clorados de la taurina son más hidrofílicos, y no pasan a través de las membranas biológicas, por lo que presentan una toxicidad muy baja.18 Debido a que el HOCl reacciona rápidamente con compuestos de nitrógeno y otras muchas sustancias, es difícil determinar si el HOCl es directamente responsable de la toxicidad del sistema MPO. En condiciones fisiológicas, la concentración de compuestos de nitrógeno es grande. Por ejemplo, la concentración de aminas primarias en el suero humano es 50mM, y de  4 NH es 1mM. Para una cantidad significativa de HOCl sería difícil evitar que reaccione con compuestos de nitrógeno. Por esta razón, es probable que la NH2Cl y otras cloraminas medien la toxicidad del sistema MPO/H2O2/Cl– in vivo. Las reacciones de HOCl y cloraminas con moléculas biológicas pueden clasificarse como oxidaciones o cloraciones. Esta clasificación parece útil en la descripción de modificaciones químicas de componentes celulares. Sin embargo, esta clasificación es arbitraria en términos químicos y se basa solamente en la estabilidad de derivados clorados. Por ejemplo, el HOCl y las cloraminas oxidan los tioles (RSH) a disulfuros (RSSR). Los enlaces S-Cl se forman como intermedios, pero se hidrolizan rápidamente y sufren reducción parcial.19 En medio acuoso no se observa la incorporación estable de átomos de cloro en derivados S-Cl. La incorporación estable se obtiene en los enlaces N-Cl de la mayor parte de las cloraminas, pero las monocloraminas derivadas de α-aminoácidos se descomponen dando lugar a Cl–,  4 NH , CO2 y aldehídos.20,21 El HOCl y las cloraminas también reaccionan con muchos compuestos orgánicos para dar derivados con enlaces C-Cl estables. A diferencia de los Ncloroderivados, los C-cloroderivados no actúan como agentes oxidantes y clorantes, 18 E. L. Thomas, Infect. Immun., 25, 110, 1979. 19 R. M. Silverstein, y L. P. Hager, Biochemistry, 13, 5069, 1974. 20 J. M. Zgliczynski, T. Stelmaszynska, J. Domanski, y W. Ostrowski, Biochem. Biophys. Acta, 235, 419, 1971. 21 R. J. Selvaraj, B. B. Paul, R. R. Strauss, A. A. Jacobs, y A. J. Sbarra, Infect. Immun., 9, 255, 1974. 10 Informe bibliográfico por lo que no se produce transferencia de “Cl+“ de los C-cloroderivados a nucleófilos como el NH3, I– , SCN–, etc. Se encontró que la taurina es particularmente efectiva y útil atrapando el HOCl. Debido a que las cloraminas de la taurina reaccionan lentamente con los componentes bactericidas, la taurina obstruye la actividad bactericida del sistema MPO/H2O2/Cl–. (22) Los leucocitos contienen de 20 a 30 mM de taurina en el citosol, y se propone que los leucocitos utilizan taurina para atrapar el HOCl de los fagolisosomas.23 Oxidación enzimática y no enzimática de iones haluro La concentración total de iones haluro y SCN– en el plasma humano se reparte de la siguiente manera: 0,1 M de Cl–, 50 μM de Br–, de 20 a 120 μM de SCN– y 0,1 μM de I–, concentraciones que pueden reducirse a la mitad por unión de estos iones a los componentes del plasma. Cuando la concentración de iones cloruro se corresponde con la existente en el plasma, constituye el sustrato preferencial de la MPO, pero también puede producirse la oxidación indirecta de otros iones, ya que tanto el HOCl como las cloraminas pueden oxidar a los iones Br– y I– para dar los mismos productos que se obtendrían en la oxidación catalizada por la MPO. Estos productos, HOBr y I2, son agentes oxidantes fuertes, con una importante actividad citotóxica y microbicida. Se han detectado productos bromados y yodados cuando se incuban leucocitos aislados con Br– y I–, productos que consisten principalmente en derivados C-bromados o Cyodados de los residuos de tirosina presentes en las proteinas. Por otra parte, mientras que la reacción del HOCl con H2O2 no da 1O2 en condiciones fisiológicas, la reducción de HOBr por H2O2 puede dar 1O2. Se sabe que cuando los eosinófilos se incuban con Br– en concentraciones de dos a cuatro veces mayor que los niveles de Br– en el plasma,24 producen cantidades muy pequeñas pero detectables de 1O2. Los niveles fisiológicos de I– y SCN– probablemente evitarán 22 S. J. Klebanoff, Smin. Hematol., 12, 117, 1975. 23 E. L. Thomas, Infect. Immun., 25, 110, 1979. 24 J. R. Kanofsky, H. Hoogland, R. Wever, y S. J. Weiss, J. Biol. Chem., 263, 9692, 1988. Informe bibliográfico 11 la formación de 1O2 por competencia con Br– para la oxidación catalizada por peroxidasa, y por reducción del HOBr. Por lo tanto, el papel del 1O2 en la actividad antimicrobiana de los leucocitos no se ha resuelto todavía de forma clara. 1.2. Química de N-halocompuestos en medio acuoso La reacción de las disoluciones acuosas tanto de cloro como de bromo con compuestos orgánicos nitrogenados tiene gran importancia en los procesos de control de calidad del agua,25 la industria alimentaria26 y los mecanismos de defensa de los organismos frente a las infecciones.27 El poder desinfectante del cloro puede ser explicado por la gran cantidad de reacciones que tienen lugar cuando se disuelve en agua. En general, las sustancias químicas más importantes que reaccionan con el cloro y que se hallan presentes en aguas naturales y residuales son: amoníaco y aminas, aminoácidos, proteínas, otros compuestos orgánicos, nitritos, hierro y manganeso, sulfuro de hidrógeno y cianuros.28 La utilización del cloro como agente desinfectante se debe fundamentalmente a la pequeña cantidad necesaria para la desinfección (entre 1 y 16 mg/l en aguas potables y de 10 a 64 mg/l en aguas residuales), y bajo coste que supone la obtención a gran escala de este gas. Sin embargo, aspectos ambientales relacionados con la cloración pueden alterar esta situación. La formación de cloraminas, relativamente estables y tóxicas sobre el ecosistema acuático, y otros compuestos orgánicos clorados, principalmente cloroformo, que ha sido asociado con una alta incidencia de cáncer, han llevado a la búsqueda de tratamientos alternativos o complementarios a la cloración que reduzcan estos efectos.29 Dentro de este grupo 25 G. C. White, Handbook of Chlororination, 2nd Ed., Van Nostrand Reinhold, New York, 1986. 26 R. F. Christman, in Water Chlorination, Environmental Impact and Health Effects, R. L. Jolley, W. A. Brungs, R. B. Cumming, V. A. Jacobs, Eds., Ann Arbor Science, Ann Arbor, 1980, Vol. 3, 305–314. 27 C. L. Ritter, T. M. Otead, D. Malejka – Giganti, Anal. Biochem., 174, 65–72, 1988. 28 G. C. White, “Water Chlorination”, 1, 1, 2nd Ed., 1972. 29 Bromine Compounds, Chemistry and Applications, D. Price, B. Iddon, B. J. Wakefield, Eds., Elsevier Science Publishers, 1988. 12 Informe bibliográfico de sustancias o procedimientos alternativos utilizados en la desinfección de aguas, se encuentran el ozono y el ClO2, el bromo, yodo, permanganato potásico, ferrato Fe(IV), radiación ionizante y luz ultravioleta. Sin embargo, la información disponible sobre los efectos que estas sustancias ejercen sobre la salud y el medio ambiente es extremadamente limitada.30 Por otra parte, las aminas, aminoácidos, proteínas y otros compuestos orgánicos e inorgánicos de nitrógeno constituyen la mayor parte de los compuestos biológicamente activos que se encuentran en la naturaleza. Esta situación determina la gran importancia que tienen en los procesos de cloración de aguas, las reacciones del cloro con los iones bromuro, con el amoníaco y con el nitrógeno orgánico. Excepto en aguas altamente contaminadas las concentraciones de nitrógeno orgánico son, generalmente, mucho mayores que las de nitrógeno amoniacal. La fracción mayor corresponde al material proteico, constituyendo del 17 al 50% del nitrógeno orgánico, de la cual solamente un pequeño porcentaje consiste en aminoácidos libres.31 El enlace peptídico es relativamente resistente a la cloración por lo que las reacciones iniciales más rápidas con el cloro tienen lugar, probablemente, con los iones bromuro, con el grupo amino terminal nucleofílico de las cadenas peptídicas, con los grupos laterales reactivos de ciertos aminoácidos, con los aminoácidos libres y con alquilaminas, originándose una mezcla de N-haloaminas.32 Un aspecto importante a tener en cuenta en relación con los procesos que tienen lugar cuando se cloran aguas es la estabilidad y la reactividad de los compuestos N-clorados y N-bromados que se forman en dichos procesos. En este sentido, uno de los parámetros más importantes a evaluar es la influencia del pH del 30 J. C. Orme, C. S. Mullin, E. V. Ohanian, in Water Chlorination Chemistry, Environnmental Impact and Health Effects, R. L. Jolley, L. W. Condie, J. D. Jonhson, S. Katz, R. A. Minear, J. S. Mattice, V. A. Jacobs, Eds., Lewis Publishers, 1990, Vol. 6, 75–86. 31 R. G. Qualls, J. D. Johnson, in Water Chlorination, Chemistry, Environmental Impact and Health Effects, R. J. Jolley, R. J. Bull, W. P. Davis, S. Katz, M. H. Roberts, V. A. Jacobs, Eds., Publishers, 1985, Vol. 5, 723–736. 32 W. R. Haag in Water Chlorination, Chemistry, Environmental Impact and Health Effects, R. J. Jolley, W. A. Brungs, R. B. Cumming, V. A. Jacobs, Eds., Ann Arbor Science, Ann Arbor, 1980, Vol. 3, 193–201. Informe bibliográfico 13 medio, puesto que la estabilidad y la proporción en la que se forman las distintas Nbromaminas presenta una marcada dependencia del mismo. Tal como se ha mencionado anteriormente, la química de las N-cloro y Nbromaminas tiene también especial interés en el campo de la biología y la bioquímica, ya que estudios recientes indican que estos agentes oxidantes pueden ser producidos por eosinófilos y otros leucocitos.33,34 Estas haloaminas tienen una importante acción microbicida y, además, juegan un papel importante en el metabolismo de los compuestos nitrogenados. Existe también un grupo de enzimas en algunas macroalgas, las bromoperoxidasas, que catalizan la oxidación de los iones bromuro por el peróxido de hidrógeno para formar bromo y ácido hipobromoso libres. Aunque la función del HOBr formado por estas macroalgas no se conoce con exactitud, algunos autores proponen que forma parte del mecanismo de defensa contra infecciones provocadas por hongos y bacterias.35 1.2.1. Especiación en disolución acuosa Antes de pasar a resumir los aspectos cinéticos más importantes de estas reacciones conviene hacer un análisis termodinámico de los equilibrios que tienen lugar en disolución acuosa entre las distintas haloaminas y estudiar las condiciones de existencia de cada una de ellas. Tanto el cloro como el bromo son ligeramente solubles en agua, conduciendo a la formación de otras especies diferentes del X2 (aq), tal como HOX, XO– y  3 X cuyas respectivas proporciones dependen de la temperatura, pH y concentración de haluro. En presencia de amoníaco se forman las correspondientes N-haloaminas de acuerdo con las ecuaciones: 33 E. L. Thomas, M. B. Grisham, M. M. Jefferson, Methods Enzymol, 132, 569–585, 1986. 34 S. J. Weiss, S. T. Test, C. M. Eckmann, D. Roos, S. Regiani, Sciece, 234, 200–203, 1986. 35 R. Wever, M. G. M. Tromp, B. E. Krenn, A. Marjani, M Van Tol, Environ. Sci. Techol., 25, 446–449, 1991. 20 Informe bibliográfico Margerum et al.44 estudiaron la cinética de formación de N-cloraminas utilizando el cloro como agente clorante. La reacción, cuya velocidad es muy rápida, se puede indicar como: Cl2RNH2RNHCl H+Cl ++ + Esta reacción, cuya velocidad está próxima al control por difusión, se hace más lenta en medio ácido, ya que en estas condiciones la amina existe preferentemente en la forma protonada no reactiva. Cuando se hace pasar a medio ácido una monocloramina preparada en medio básico, se produce una reacción de segundo orden formándose una dicloramina. Esta es la reacción de desproporción. Gray et al.45 estudiaron la desproporción de N-clorometilamina, NH2Cl, N-cloro--alanina y N-cloroglicilglicina acidificando una disolución de monocloramina. Tras este estudio se llegó a la conclusión de que la cantidad de dicloramina que se forma depende de la cantidad de monocloramina inicial. La formación de N-cloroetanolamina fue investigada por Antelo et al.46 quienes proponen que la velocidad de reacción depende de las concentraciones de “Cl+” y amina totales, así como de la constante de ionización del ácido hipocloroso, siendo la constante de velocidad de orden dos de la reacción entre la amina neutra y el ácido hipocloroso 1,27x108 M-1s-1. Estos autores también estudian la reacción entre el hipoclorito y dietanolamina encontrando la siguiente dependencia de la constante de velocidad con el pH: logkexp = 0,930pH–11,2 para el intervalo de pH comprendido entre 6,5 y 12 47 y logkexp = pH–12,2 a pH>12,48 estos resultados les llevan a postular que las formas reaccionantes son el hipoclorito y la forma protonada de la amina. 44 D. E. Margerum, J. R. Gray, R. Hultman, Chlorination and the formation of N.chlorocompounds in water treatment in A.C.S. Symp. Series nº 82 Organometals and Organometalloids. Ocurrence anf Fate Environment, F. E. Brickman and J. M. Bellman Eds. (Washintong, D. C.), Am. Chem. Soc., 278, 1978. 45 D. W. Margerum, E. T. Gray, R. P. Huffman, ACS. Symposium Series, 82, 278–290, 1978. 46 J. M. Antelo, F. Arce, F. Barbadillo, J. Casado, A. Varela, Environm. Sci. Technol., 22, 75, 1980. 47 C. Castro García, Tesina de licenciatura, Universidad de Santiago de Compostela, Noviembre 1989. 48 J. M. Antelo, F. Arce, F. Barbadillo, J. Casado, A. Varela, Rev. Port. Quim., 22, 75, 1980. Informe bibliográfico 21 La reacción entre un agente halogenante S–X y un compuesto nitrogenado R2NH de acuerdo con la ecuación: SX R2NH R2NX SH+ + + + puede ser considerado como un desplazamiento electrófilo de H por X. Cuando la reacción es de control químico mayoritariamente, la reactividad de un agente halogenante con un compuesto nitrogenado dado es de esperar que esté relacionada directamente con el carácter electrófilo del agente halogenante. Las N-bromoaminas se forman más rápidamente que las N-cloraminas análogas. Las constantes de velocidad que se encuentran en la Tabla 2 indican que la constante de velocidad específica para la reacción del HOX con el NH3 es 15 veces mayor para X = Br que para X = Cl. Este orden de reactividad para el HOBr y HOCl es el esperado teniendo en cuenta la secuencia del carácter electrófilo de los ácidos hipohalosos HOX, que siguen el orden HOI>HOBr>HOCl debido al incremento de electronegatividades y descenso de la polarizabilidad en el mismo orden. Un razonamiento análogo puede hacerse para el caso del ion hipobromito que es varios órdenes de magnitud más reactivo que el ion hipoclorito. La ley de velocidad observada para la N-cloración no parece indicar que el hipoclorito sea una especie reactiva a pH<13. Además, el átomo de Br puede delocalizar parte de la densidad electrónica total del complejo activado en sus orbitales d mejor que el átomo de cloro, proporcionando así una estabilidad adicional al estado de transición. 22 Informe bibliográfico Tabla 2: Constantes de velocidad para la formación de N-haloaminas en disolución acuosa. HOCl HOBr Compuesto T (C) k2 / M-1s-1 k obs / M-1s-1 T (C) ka / M-1s-1 k b / M-1s-1 k 2 / M-1s-1 NH3 5 3,5x106 3,3x103 5 5,3x107 2,6x104 6,6x104 NH3 20 4,7x10 6 2,1x10 4 20 7,5x10 7 7,6x10 4 2,9x10 5 (CH3)2NH 25 3,3x10 8 4,3x10 4 20  3,0x109 6,0x105 Glicina 25 1,3x10 8 1,7x10 5 20 3,8x10 8 2,1x10 5 4,6x10 5 Glutamato 20 3,5x10 8 5,0x10 4 3,0x10 5 La reacción entre un agente halogenante S–X y un compuesto nitrogenado también puede ser considerada como un desplazamiento nucleofílico del grupo S– del agente halogenante por el compuesto nitrogenado. Si la reacción es de control químico, entonces la velocidad de la reacción de un dador de halógeno dado con una serie de compuestos nitrogenados debe estar relacionado directamente con el carácter nucleófilo de los compuestos nitrogenados. Como la nucleofilia del nitrógeno frente a “X+” se espera que siga una tendencia paralela a la basicidad del nitrógeno frente al H+, cabría esperar una relación lineal de energía libre de la forma: Alog pK k log ba   que correlacionase las velocidades específicas de N-halogenación (ka) con las basicidades de los compuestos nitrogenados (Kb). Reacciones de transferencia de halógeno Las reacciones de transferencia del halógeno son aquellas en las que el halógeno en estado de oxidación +1 es transferido de una molécula a otra. Para el bromo los estudios realizados sobre este tipo de reacciones son muy limitados, y los resultados existentes son meramente cualitativos. Así, Johannesson Informe bibliográfico 23 encontró que a pH = 8 el equilibrio entre la N-bromodimetilamina y NH2Br está muy desplazado hacia la formación de la N-bromodimetilamina.49 Para el caso del cloro son numerosos los estudios realizados; así, Higuchi y Hussain50,51,52,53 partiendo del hecho de que las moléculas orgánicas que contienen nitrógeno pueden ser oxidadas a N-Cl derivados por una amplia gama de agentes clorantes, y debido a que los N-cloroderivados son ellos mismos agentes clorantes, han hecho un intento de clasificarlos considerando su capacidad para transferir “Cl+” a otro sustrato. Con este propósito han definido el potencial de cloro, pKcp, de un Nclorocompuesto como pKcp = –logKcp, donde Kcp es la constante de equilibrio de hidrólisis del compuesto N-clorado para dar ácido hipocloroso: R2NCl R2NH HOCl OH2 Kcp ++ La determinación directa de los valores de Kcp es posible sólo en unos pocos casos ya que, como el equilibrio suele estar totalmente desplazado hacia la izquierda, las medidas directas se hacen prácticamente imposibles. En estos casos, es más conveniente medir constantes de equilibrio, KE, para las reacciones de transferencia de cloro y referir los resultados al ácido hipocloroso. ZN Cl YNH ZNH YN Cl ++ KE Teniendo en cuenta las definiciones de pKcp y KE se obtiene la expresión: E ClZN cp ClYN cp K log pK pK   49 Johannesson, J. Chem. Soc., 2998 (1959). 50 T. Higuchi, K. Ikeda, A. Hussain, J. Chem. Soc. B, 546–549, 1967. 51 T. Higuchi, K. Ikeda, A. Hussain, J. Chem. Soc. B, 1031–1036, 1968. 52 T. higuchi, A. Hussain, A. H. Pitman, J. Chem. Soc. B, 626–631, 1969. 53 I. H. Pitman, H. Dawn, T. Higuchi, A. A. Hussain, J. Chem. Soc. B, 1230–1232, 1969. 24 Informe bibliográfico pudiendo así calcular el ”potencial de cloro” de un N-clorocompuesto conociendo KE para un equilibrio particular y pKcp del otro N-clorocompuesto. En lo que se refiere al aspecto cinético, los mecanismos que se plantean son dos. Uno de ellos consiste en la transferencia directa de “Cl+” [1], mientras que el segundo es un mecanismo en dos etapas que consiste en la hidrólisis del Nclorocompuesto inicial para dar HOCl que posteriormente reacciona con el compuesto nitrogenado para dar el otro N-clorocompuesto [2]. ZN Cl YNH ZNH YN Cl ZN Cl ZNH HOCl HOCl YNH YN Cl + + +H2O+ ++H2O [1] [2] Higuchi y Hasegawa54 postulan que la principal vía de intercambio de cloro es la transferencia directa de “Cl+”, y no la hidrólisis del N-clorocompuesto y posterior reacción del HOCl formado. P. Snyder y D. W. Margerum han realizado un estudio cinético de la transferencia de cloro de la cloramina a aminas, aminoácidos y péptidos.55 NH2Cl RNH2NH3RNHCl ++ llegando a la conclusión de que la reacción tiene lugar a través de un ataque nucleófilo de la amina no protonada sobre el cloro de la cloramina protonada, aumentando la constante de velocidad linealmente a medida que aumenta el carácter nucleófilo de la amina y alcanzando un valor límite de (2,40.1)x108M-1s-1 para aminas más básicas que el amoníaco. También Antelo y col.56 en un estudio cinético sobre la cloración de aminas secundarias mediante la N-clorosuccinimida explican los resultados obtenidos 54 T. Higuchi, J. Hasegawa, J. Phys. Chem., 69, 796–799, 1965. 55 M. P. Snyder, D. W. Margerum, Inorg. Chem., 21, 2545–2550, 1982. Informe bibliográfico 25 postulando un mecanismo en el cual el proceso determinante de la velocidad consiste en un intercambio directo de cloro positivo entre la N-clorosuccinimida y la amina. Ferriol y col.57,58 llegan a la conclusión de que el mecanismo de transferencia de cloro desde la cloramina a otro nitrógeno amínico puede tener lugar a través de dos vías. La primera consiste en un proceso de catálisis ácida general en el que están implicadas la NH2Cl y la amina no protonada, y la segunda ruta que es cinéticamente indistinguible de la primera, consiste en la interacción entre la cloramina protonada (NH3Cl+) y el nitrógeno amínico neutro. Sin embargo R. A. Isaac y J. C. Morris59,60 encontraron que la monocloramina puede reaccionar a través de los mecanismos planteados anteriormente, y predominará uno u otro dependiendo de las condiciones de reacción. Así, para concentraciones de cloramina y nitrógeno orgánico de aproximadamente 10-4M, la formación del compuesto N-clorado tiene lugar principalmente a través de la reacción directa de la NH2Cl y el sustrato nitrogenado. Sin embargo, a concentraciones del orden de 10-5M, tanto la hidrólisis de NH2Cl como la reacción directa son importantes en la transferencia de “Cl+” a compuestos nitrogenados orgánicos. Mecanismos similares de transferencia de “X+” se han postulado para otras reacciones de halógenos en estado de oxidación +1. Así, mecanismos de este tipo se han planteado para las reacciones de oxidación de los iones yoduro,61 bromuro,62 cianuro,63 nitrito64,65 y sulfito66 mediante el ácido hipocloroso, en los que se produce 56 J. M. Antelo, F. Arce, J. Franco, M. C. García López, M. Sánchez, A. Varela, Int. J. Chem. Kinet., 20, 397–409, 1988. 57 M. Ferriol, J. Gazet, R. Rizk–Ouaini, M. Th. Saugier–Cohen Adad, Inorg. Chem., 28, 3308–3813, 1989. 58 M. Ferriol, J. Gazet, M. Th. Saugier–Cohen Adad, Int. J. Chem. Kinet., 23, 315–329, 1991. 59 R. A. Isaac, J. C. Morris, Environ. Sci. Technol., 17, 738–742, 1983. 60 R. A. Isaac, J. C. Morris, Environ. Sci. Technol., 19, 810–814, 1985. 61 J. C. Nagy, K. Kumar, D. W. Margerum, Inorg. Chem., 27, 2773–2780, 1988. 62 K. Kumar, D. W. Margerum, Inorg. Chem., 26, 2706–2711, 1987. 63 C. M. Gerritsen, D. W. Margerum, Inorg. Chem., 29, 2757–2762, 1990. 64 J. M. Cachaza, J. Casado, A. Castro, M. A. López Quintela, Can. J. Chem., 54, 3401–3406, 1976. 65 D. W. Johnson, D. W. Margerum, Inorg. Chem., 30, 4845–4851, 1991. 66 K. D. Fogelman, D. M. Walker, D. W. Margerum, Inorg. Chem., 28, 986–993, 1989. 26 Informe bibliográfico un ataque nucleófilo al cloro, seguido de la ruptura del enlace Cl–O y pérdida de OH–. De forma general esta reacción puede representarse como: HOCl AHO Cl A HO Cl A + +  - - La teoría de repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia predice una estructura lineal para este estado de transición, donde hay 10 electrones en torno al átomo de cloro.67,68 El hecho de que estas reacciones sean tan favorables se atribuye a la facilidad del cloro para expandir su capa de valencia y la facilidad del OH– para actuar como grupo saliente. El resultado neto de esta reacción es la transferencia de Cl+ del HOCl a la especie nucleófila para formar Cl–A. La cloramina oxida a los iones bromuro y yoduro a Br+ y I0 respectivamente. En un primer estudio de la reacción de cloramina con bromuro, Johson69 et al. postulan que el producto más probable de esta reacción es la dibroamina según: NHCl Br NHBr2Cl 2+2+2 Un trabajo posterior de estos autores70 establece que la reacción tiene lugar a través de la forma protonada de la cloramina obteniéndose como producto de la reacción la bromocloramina (NHBrCl). El mecanismo de la reacción de la monocloramina con yoduro ha sido establecido por Kumar et al.71 quienes observan que la reacción de NH2Cl y CH3NHCl con yoduro sufre catálisis ácido-base general, y proponen un mecanismo consistente 67 R. J. Gillespie, J. Chem. Ed., 47, 18–23, 1970. 68 R. F. W. Bader, R. J. Gillespie, P. J. MacDougall, J. Am. Chem. Soc., 110, 7329–7336, 1988. 69 G. W. Inman, J. D. Johson, Water Chlorination: Environ. Impact. and Health Eff., 2, 235 Ann Arbor Science, Michigan, 1978. 70 T. Trofe, G. W. Jr. Inman, J. D. Johson, Environ. Sci. Technol., 14, 544, 1980. 71 K. Kumar, R. A. Day, D. W. Margerum, Inorg. Chem., 25, 4344, 1986. Informe bibliográfico 27 en la transferencia de “Cl+” para dar ICl como intermedio, el cual reacciona rápidamente con I– para dar I2 y  3 I.(72) En el estado de transición la transferencia de “Cl+” al I– está asistida por ácidos generales, que actúan cediendo un protón al átomo de nitrógeno de la cloramina a medida que esta transfiere el cloro al yoduro. Stambro y Lenkevich73 estudian la reacción de sulfito con diversas cloraminas orgánicas en el intervalo de pH de 4,9 a 9,8 con tampón fosfato y establecen la siguiente estequiometría para la misma: RNHCl HSO3RNH2SO4Cl H+ + + H2O+++ 22 La velocidad de la reacción aumenta al disminuir el pH y la reactividad presenta la secuencia H2SO3>>  3 HSO >> 2 3 SO . Posteriomente Yiin et al.74 estudian la reacción de NH2Cl con sulfito evaluando el efecto de los ácidos sobre la misma. Observan un efecto catalítico por parte de los tampones, y postulan un mecanismo para la reacción en el que tanto el ácido que actúa como tampón como el propio sulfito catalizan la transferencia de Cl+ desde la amina al sulfito originando clorosulfato que se hidroliza rápidamente75,76 para dar los productos 2 4 SO , Cl– y H+. La reacción de la cloramina con grupos sulfhidrilos tiene gran importancia debido a que juega un importante papel en el proceso de inactivación de los microorganismos por parte de este compuesto. Dependiendo de la relación SH/NH2Cl la oxidación tiene lugar en mayor o menor grado: para relaciones menores de 2, la reacción es reversible y se detiene en la formación de disulfuro; sin embargo, para 72 D. W. Margerum, P. N. Dickson, J. C. Nagy, K. Kumar, P. Bowers, K. D. Fogelman, Inorg. Chem., 25, 4900, 1986. 73 W. D. Stambro, J. M. Lenkevich, Int. J. Chem. Kinet., 16, 251, 1984. 74 B. S. Yiin, D. M. Walker, D. W. Margerum, Inorg. Chem., 26, 3435, 1987. 75 F. A. Cotton, G. Wilkinson, Advanced Inorganic Chemistry, 4ed. Wiley New York, 1980. 76 J. A. Cimura, E. A. Robinson, Can. J. Chem., 46, 1715, 1968. 28 Informe bibliográfico relaciones mayores, la reacción es irreversible y va más allá de la formación de disulfuro.77 Cinética de desproporción de N-haloaminas. Formación de N,N-dihaloaminas Los primeros estudios sobre el proceso de formación de dicloraminas en disolución fueron realizados por Chapin,78 quien estableció que su formación tiene lugar cuando se clora una disolución de amonio de pH 4,4 a 8,5 o se acidifica una disolución de monocloramina. Posteriormente Corbett y Metcalf79 realizaron un estudio espectrofotométrico de las diversas especies que se forman al hacer reaccionar amoníaco con hipoclorito en disolución acuosa a distintos valores de pH, observando que la especie predominante en el intervalo de pH 3–5 es la dicloramina. Recientemente, diversos autores han estudiado con detalle esta reacción a fin de establecer el mecanismo a través del cual transcurre. De estos estudios puede concluirse que la dicloramina puede originarse por cloración de la monocloramina, cuando hay exceso de cloro en la disolución, o por desproporción de la monocloramina a valores de pH ácidos.80,81,82,83,84 El mecanismo más aceptado consiste en un ataque nucleófilo del nitrógeno de la cloramina sin protonar sobre el átomo de cloro de la cloramina protonada o del ácido hipocloroso, resultando como balance final de la reacción una transferencia de Cl+. En presencia de ácido hipocloroso la dicloramina se forma según la ecuación: HOCl NH2Cl NHCl2 ++H2O kf kr 77 J. G. Jacangelo, V. P. Olivieri, K. Kawata, Wat. Res., 21, 1339, 1987. 78 R. M. Chapin, J. Am. Chem. Soc., 51, 2112–2117, 1929. 79 R. E. Corbett, W. S: Metcal, F. G: Soper, J. Chem. Soc., 1927–1929, 978. 80 E. T. Gray, D. W. Margerum, R. P. Huffman, ACS. Symp. Ser., 82, 264–277, 1978. 81 D. W. Margerum, E. T. Gray, R. P. Huffman, ACS. Symp. Ser., 82, 278–290, 1978. 82 R. L. Valentine, C. T Jafvert, Environ. Sci. Technol., 22, 691–696, 1988. 83 J. M. Antelo, F. Arce, J. Franco, P. Rodríguez Barro, A. Varela, Int. J. Chem. Kinet., 21, 343–354, 1989. 84 J. M. Antelo, F. Arce, M. Parajó, P. Rodríguez, A. Varela, Int. J. Chem. Kinet., 24, 991–997, 1992. Informe bibliográfico 29 Tabla 3: Constantes de velocidad para la reacción de N-cloraminas con HOCl CLORAMINA kf / M-1s-1 k r / s-1 NH2Cl 150 6,5x10-7 N-Cl-metilamina 352 4,7x108 N-Cl-  -alanina 278 1,6x109 N-Cl-glicilglicina 8.7 Margerum et al.85 realizaron un estudio de esta reacción a  = 0,5M (NaClO4) utilizando como sustratos monocloramina, metilcloramina, N-cloro--alanina, y Ncloroglicilglicina, obteniendo para las constantes kf y kr los valores que se resumen en la Tabla 3. La reacción de desproporción de la cloramina consiste en la transferencia de cloro de una molécula de cloramina a otra: NH 2 Cl NH 2 Cl NHCl 2 NH 3 ++ Higuchi et al.86 estudiaron el proceso de formación de la dicloramina T a partir de cloramina–T en disolución acuosa a un pH comprendido entre 2,5 y 6,7. Como resultado de los datos cinéticos obtenidos, proponen un mecanismo que consiste en la transferencia de “Cl+” desde la monocloramina protonada a la neutra: Me SO2NH2Cl Me SO2NHCl Me SO2NCl2Me SO2NH3 ++++ obteniendo para la constante de velocidad de orden dos la siguiente ecuación deducida del mecanismo propuesto: 85 D. W. Margerum, E. T: Gray, R. P. Huffman, ACS. Symp. Ser., 82, 278–290, 1978. 86 T. Higuchi, K. Ikeda, A. Hussain, J. Chem. Soc. B, 546–549, 1967. 36 Informe bibliográfico determinado intervalo de reacción. Aún así resulta muy difícil obtener un mecanismo que permita justificar el comportamiento experimental observado. Inman et al. realizaron el estudio cinético de la descomposición de la tribromoamina en el intervalo de pH 6–8 mediante el método de velocidades iniciales. La estequiometría obtenida para esta reacción es: NBr3OH N2Br HOBr 2+3+3+3 La ecuación de velocidad experimental para este proceso de descomposición es: 2 3b -2 3 a 3][NBr k [HOBr] ][OH ][NBr k dt ]d[NBr  obteniendo para las constantes ka y kb los valores de 1,07x104 y 0,34M-1s-1 a 20C. El primer término de esta ecuación de velocidad es coherente con un mecanismo en el cual la etapa determinante de la velocidad va precedida por un equilibrio entre el NBr3, NHBr2, HOBr,  2 NBr y OH–. El ion hidróxido puede atacar a las especies NBr3 o NHBr2 para formar  2 NBr que seguidamente reacciona con NBr3: NBr3NHBr2HOBr NHBr2NBr2 NBr3N2Br4Br N2Br4N2HOBr Br H+ OH NBr2 + K1 + + + ++ +2+2+2+2 K2 k1 H2O H2O H2O El segundo término de la ecuación de la velocidad experimental es de segundo orden respecto a la concentración de NBr3, independiente de la Informe bibliográfico 37 concentración de iones bromuro y del pH, y corresponde a la descomposición de la tribromoamina en medio ácido. NBr3N2Br5Br N2Br4H+HOBr N2Br5 2 kb+ + ++ + H2O + Pasquini et al.103 estudiaron la reacción de descomposición de las distintas bromaminas en disolución acuosa, encontrando que en el intervalo en el que las especies predominantes son la monobromamina y la dibromamina, la reacción sigue una cinética de segundo orden; mientras que en las condiciones en las que la especie predominante es la tribromamina, la reacción sigue una cinética de primer orden, y presenta un comportamiento intermedio cuando en la mezcla de reacción están presentes en cantidades apreciables la tribromamina y la dibromamina. Sin embargo, no llegan a postular un mecanismo que permita justificar este comportamiento experimental observado tan complejo. En lo que se refiere a la estabilidad de los derivados clorados, la monocloramina en disolución acuosa sufre procesos de descomposición catalizados por ácidos y por bases.104 McCoy aisla la oxima derivada de la ciclohexanona de una mezcla de reacción de cloramina y ciclohexanona en medio básico, este resultado lo interpreta como evidencia de que se forma hidroxilamina como producto inicial de la hidrólisis.105 NH2Cl H2NOH Cl OH ++ 103 S. Pasquini Cristina, M. T. Azure, H. J. Workman, E. T: Gray, in Water Chlorination, Chemistry, Environmental Impact and Health Effects, R. J. Jolley, R. J. Bell, W. P. Davis, S. Katz, M. H. Roberts, V. A. Jacobs, Eds., Lewis, Publishers, 1985, Vol. 5, 763–774. 104 J. Kleinberg, M. Tecotzky, L. F. Audrieth, Anal. Chem., 26, 1388–1389, 1954. 105 R. E. McCoy, J. Am. Chem. Soc., 76, 1447–1448, 1954. 38 Informe bibliográfico Ambar y Yagil106 realizan un estudio cinético de la hidrólisis de la cloramina en medio alcalino y establecen la siguiente estequiometría para la reacción: NH2Cl N2OCl OH NH3 ++ 4 44 +2+3H2O - Confirman la formación de hidroxilamina como intermedio de la reacción, formándose esta especie a través de una sustitución nucleófila del OH– por el Cl–. Una de las reacciones más importantes de la monocloramina desde el punto de vista comercial es la que tiene lugar en disolución alcalina con NH3 para formar hidracina mediante la llamada síntesis Raschig.107 NH2Cl N2H4Cl OH NH3 ++ +H2O +- A su vez la monocloramina puede reaccionar con la hidracina formada108 de acuerdo con la ecuación: NH2Cl N2H4N2NH4Cl 2+ + 2 La cinética de formación de hidracina a partir de cloramina y amoníaco ha sido objeto de numerosas investigaciones. Raschig109 propone la formación del intermedio NH a partir de NH2Cl y el ataque de esta molécula al NH3 para formar hidracina. Audrieth et al.110 sugieren que el NH se forma por descomposición de la base conjugada de la cloramina, NHCl–; y la hidracina es el resultado de la reacción de cualquiera de estas dos especies con NH3: 106 M. Ambar, G. Yagil, J. Am. Chem. Soc., 84, 1790–1796, 1962. 107 F. Raschig, Chem. Ber., 40, 4580, 1907. 108 M. Ferriol, J. Gazet, M. T. Cohen-Adad, Bull. Soc. Chim. Fr., I, 180–184, 1984. 109 F. Raschig, Chem. Ber., 40, 4580, 1907. 110 L. F. Audrieth, E. Colton, M. M. Jones, J. Am. Chem. Soc., 76, 1428–1431, 1954. Informe bibliográfico 39 NH2Cl NHCl NH Cl NH NH3N2H4 NHCl NH3N2H4Cl NHCl OH +H2O + + + ++ Yagil y Ambar111 postulan un mecanismo consistente en dos etapas independientes, una catalizada por base y la otra independiente de la base. La etapa no catalizada consiste en el ataque nucleófilo del NH3 sobre la cloramina. La etapa con catálisis consiste en la formación, a través de un equilibrio rápido, del ion NHCl– que, a continuación, es atacado por el amoníaco para formar hidracina: NH2Cl OH NHCl NH3N2H2Cl NHCl ++H2O ++ lenta Delalu et al.112,113 estudian el proceso de formación de hidracina y de dimetilhidracina asimétrica confirmando el mecanismo propuesto por Yagil. A valores de pH neutros o ligeramente básicos la reacción de cloraminas y aminas da lugar a la transferencia de cloro de un sustrato nitrogenado a otro: RR NH NH2Cl RR NCl NH3 + + 11 En cuanto a la dicloramina, los estudios realizados reflejan que esta es mucho más inestable que la monocloramina. Morris et al.114 proponen un mecanismo 111 G. Yagil, M Ambar, J. Am. Chem. Soc., 84, 1797–1803, 1962. 112 H. Delalu, A. MArchand, M. Ferriol, R. Cohen-Adad, J. Chim. Phys., 78, 247, 1981. 113 H. Delalu, J. Said, R. Cohen-Adad, J. Chim. Phys., 77, 277, 1980. 114 J. C. Morris, I. W. Weil, Meeting of ACS Division Water, Air and Waste Chemistry, 15, 4, 1969. 40 Informe bibliográfico para su reacción de descomposición en el que interviene el nitroxilo NOH, que se forma en la primera etapa según la reacción: NHCl2OH NOH Cl ++H2O 2+2 el nitroxilo se descompone posteriormente para dar N2O y N2 pudiéndose escribir la reacción global de descomposición de la dicloramina de la forma: NHCl2OH N2OCl NHCl2OH N2Cl ClO ++H2O 2+4 ++H2O 2+3 4 3 +3 4 Leao y Selleck,115 dentro de un esquema que trata de explicar la pérdida de cloro oxidante en el proceso de cloración de aguas, establecen el siguiente mecanismo de descomposición de dicloramina: NHCl2IProductos NHCl2IHOCl N2Productos NH2Cl IN 2Productos + k1 lenta ++H2O++ k2 rápida ++ k3 rápida La reacción 1 es la etapa limitante, está catalizada por el OH– y origina un intermedio de vida corta I y productos estables (H+, Cl–) que dependen de la estructura del intermedio. Se han propuesto varios intermedios para esta reacción, tales como  2 NCl ,(116) o NCl.(117) 115 S. L. Leao, R. E. Selleck, in Water Chlorination, Environmental Impact and Health Effects, R. L. Jolley, W. A. Brungs, J. A. Cotruvo, R. B. Cumming, J. S: Mattice, V. A. Jacobs, Eds., Ann Arbor Science, Ann Arbor, 1986, Vol. 4 (I), 139–149. 116 W. L Jolley, J. Phys. Chem., 60, 507–508, 1956. Informe bibliográfico 41 Hand y Margerum118 estudian también la estabilidad de disoluciones de dicloramina y observan que esta especie es relativamente estable en disolución a pH 4–5 en presencia de NH2Cl y  4 NH (trazas de NH3 inhiben la descomposición), pero la presencia de NCl3 la hace menos estable. Estas observaciones las explican a partir de dos mecanismos. El primero de ellos es el que tiene lugar cuando existe hipoclorito en disolución y consiste en una reacción autocatalítica de orden uno respecto a la concentración de dicloramina que presenta catálisis básica general. Este mecanismo se muestra en el siguiente esquema: NHCl2HOCl BNCl3BH OH NHCl2NCl3OH N2HOCl Cl + + kB ++ + ++3+2+3+H2O La primera etapa de este mecanismo resulta del ataque nucleófilo del nitrógeno de la dicloramina al cloro del ácido hipocloroso con un desplazamiento simultáneo del protón de la dicloramina por parte de la base. B HN Cl Cl Cl OH NCl3 BH OH ++ + El efecto inhibidor del NH3 se debe a que este reacciona con el HOCl y no se forma NCl3. A partir de este mecanismo se deduce la siguiente ecuación de velocidad: ][NHCl k dt ]d[NHCl 2obs 2 117 R. E. White, P. Kovacic, J. Am. Chem. Soc., 96, 7284–7288, 1974. 118 V. C. Hand, D. W: Margerum, Inorg. Chem., 22, 1449–1456, 1983. 42 Informe bibliográfico donde kobs = kB [HOCl] [B]. Los estudios cinéticos efectuados permiten calcular el valor de kB para 2 4 HPO , OCl–, 2 3 CO , OH– y NH3 y se comprueba que existe una correlación entre estos valores y los de pKa de los ácidos correspondientes. La otra vía de descomposición de la dicloramina que proponen y que tiene lugar cuando hay NH3 en disolución, es la reacción inversa a la desproporción.119 Esta reacción es de orden uno respecto a la concentración de NHCl2, y se acelera al aumentar la concentración de  4 NH y el pH. Se trata de un proceso cinco veces más lento que el anterior. El mecanismo de reacción consiste en un ataque nucleófilo del NH3 sobre el cloro de la dicloramina. El ion OH– también puede atacar a la cloramina, originándose NH2Cl, lo que da lugar a la dependencia del pH encontrada experimentalmente. La ecuación de velocidad deducida del mecanismo es: ][NHCl k dt ]d[NHCl 2 ClNH obs 22  donde: ][OH k ][NH k k - 04 NH ClNH obs 4 2   Jafvert y Valentine,120 estudian la descomposición de la dicloraramina en presencia de exceso de NH3. Consideran el mismo esquema de reacción que Leao121 y obtienen para k1 un valor de 9,7x103 M-1min-1. Comprueban asimismo, que la presencia de fosfato no tiene incidencia sobre la velocidad de reacción, resultado que confirma la hipótesis de que hay dos mecanismos de descomposición de la dicloramina, ambos catalizados por el OH–, uno de ellos tiene lugar cuando existe un 119 V. C. Hand, D. W. Margerum, Inorg. Chem., 22, 1449–1456, 1983. 120 C. T. Jafvert, R. L. Valentine, Water Res., 21, 967–973, 1987. 121 S. L. Leao, R. E. Selleck, in Water Chlorination, Environmental Impact and Health Effects, R. L. Jolley, W. A. Brungs, J. A. Cotruvo, R. B. Cumming, J. S. Mattice, V. A. Jacobs, Eds., Ann Arbor Science, Ann Arbor, 1983, Vol. 4 (I), 139–149. Informe bibliográfico 43 exceso de NH3 y el otro, predominante en presencia de cloro, presenta, además, catálisis básica general. Estabilidad de N-haloalquilaminas La reacción de oxidación de aminas mediante la utilización de halógenos ha sido una reacción muy estudiada, especialmente desde el punto de vista sintético. Por ejemplo Deno y Fruit122 estudiaron la reacción de oxidación de aminas terciarias con bromo, con el fin de explorar el potencial sintético de esta reacción. A partir del limitado estudio realizado por estos autores sobre el mecanismo de reacción, se postula que en la etapa lenta tiene lugar la pérdida de un protón del átomo de carbono en posición  al grupo amino y la transferencia del par electrónico libre del nitrógeno al bromo. La utilidad sintética y las limitaciones de esta reacción también han sido discutidas por estos autores, valorando las ventajas e inconvenientes de la misma. Entre las ventajas de esta reacción se encuentran la sencillez de los reactivos y las condiciones de reacción, rendimientos generalmente muy buenos, y también el hecho de que la reacción fue bastante rápida para las aminas estudiadas. Sin embargo esta reacción también tiene algunas desventajas, y son la baja selectividad con aminas asimétricas, competencia de la bromación de anillos aromáticos, y la adición de bromo a los enlaces no saturados. Lee y Srinivassan123 hicieron un estudio cinético de la reacción de oxidación de diversas bencildimetilaminas sustituidas mediante el bromo en disolución acuosa de ácido acético al 50%, encontrando que los grupos que retiran carga disminuyen la velocidad de la reacción, la reacción está sujeta a un proceso de catálisis básica general y la sustitución de deuterio en la posición  desciende la velocidad de la reacción en un 30% aproximadamente, lo cual indica que el enlace –C–H se rompe en la etapa lenta de la reacción. Todos estos resultados son coherentes con un mecanismo en el que en la etapa determinante de la velocidad se produce la pérdida 122 N. C. Deno, R. E: Fruit, J. Am. Chem. Soc., 90, 3502–3506, 1968. 123 D. G. Lee, R. Srinivassan, Can. J. Chem., 51, 2546 – 2554, 1973. 44 Informe bibliográfico del protón en la posición  simultánea con una transferencia electrónica del nitrógeno al oxidante: ArCH2NHMe2ArCH2NMe2H+ ArCH NMe2Br BH ArCHO HNMe2 Br Br Ar CHNMe2 H B + ++ KBH+ lenta rápida H2O + +2+ + ¨ Antelo et al. hacen un estudio cinético de la reacción de descomposición de N-Br-alcoholaminas en disolución acuosa y a pH>8, postulando para la reacción de descomposición de la N-Br-dietanolamina el siguiente mecanismo:124 BrN(CH2CH2OH)2BrN CH2CH2O CH2CH2OH H+ BrN CH2CH2O CH2CH2OH Br CH2NCH2CH2OH HCHO CH2NCH2CH2OH H2NCH2CH2OH HCHO + K1 k2++ + +H2O k3 mientras que para la descomposición de la N-Br-etiletanolamina el mecanismo propuesto es el siguiente: 124 J. M. Antelo, F. Arce, J. Franco, M. J. Forneas, M. E. Sánchez, A Varela, Int. J. Chem. Kinet., 18, 1249– 1258, 1986. Informe bibliográfico 45 BrN CH2CH3 CH2CH2OH OH N CH2CH2OH CHCH3 Br N CH2CH2OH CHCH3 H2NCH2CH2OH CH3CHO + k4+H2O+ +H2O k5+ Del mecanismo propuesto para la reacción de descomposición de la N-Brdietanolamina se deduce para la constante de velocidad experimental la siguiente ecuación: ][H kK k 21 exp   con lo que: log kexp = log (K1k2) + pH De forma análoga obtienen para la constante de velocidad experimental de descomposición de la N-Br-etiletanolamina la siguiente expresión: ][H Kk k w4 exp   por lo tanto: log kexp = log (k4Kw) + pH Estos mecanismos planteados les permiten justificar para cada caso la dependencia lineal que presenta log kexp con el pH, así como los productos de reacción. Mecanismos análogos se han postulado para la reacción de descomposición de las correspondientes N-Cl-alcoholaminas.125,126 Sin embargo, en estas últimas la velocidad de descomposición es mucho menor. 125 J. M. Antelo, F. Arce, J. Casado, R. Castro, M. E. Sánchez, A. Varela, Bull. Soc. Chim. Belg., 93, 35–41, 1984. 126 J. M. Antelo, F. Arce, D. Casal, P. Rodríguez, A. Varela, Tetrahedrom, 45, 3955–3966, 1989. 52 Informe bibliográfico Nu RXNu RX :: --- La redistribución de las configuraciones electrónicas en el paso de reactivos a productos tiene lugar instantáneamente cuando los núcleos, cuyo movimiento es más lento que el de los electrones, adoptan una determinada configuración intermedia entre reactivos y productos. El que la transferencia electrónica tenga lugar depende de la reorganización del disolvente y de otros modos vibracionales a parte de la tensión R—X, pero no es adecuado, en general, considerar la transferencia electrónica y la ruptura de un enlace como dos procesos independientes. Es difícil establecer si en una reacción SN2 normal se transfieren uno, dos, o una cantidad fraccionaria de electrones. La hipótesis convencional hasta hace unos años ha sido que dos electrones siempre “van juntos”, sin embargo desde mediados de los 80 se ha generado una importante controversia sobre este tema y se ha propuesto144,145 que los electrones pueden moverse de uno en uno (Esquema 3), particularmente en el caso de nucleófilos que son miembros de un par redox reversible de un solo electrón. Clasificación de las reacciones Hasta el momento se ha discutido la forma en que pueden tener lugar los cambios en enlaces individuales dentro de una molécula, sin embargo en la mayor parte de las reacciones químicas tienen lugar cambios importantes en al menos dos enlaces. Basándose en la estequiometría y no en el mecanismo, Ingold146 clasificó las reacciones en cuatro tipos principales (Esquema 4): sustitución, adición, eliminación y reordenamiento. 144 S. S. Shaik, Progr. Phys. Org. Chem., 15, 197, 1985. 145 F. G. Bordwell, y C. A. Wilson, J. Am. Chem. Soc., 109, 5470, 1987. 146 C. K. Ingold, Structure and Mechanism in Organic Chemistry, 1st edn., G. Bell, London, 1953. Informe bibliográfico 53 YBX BY X ABAB AB AB XAB Y YAB X Sustitución (S) Adición (Ad) Eliminación (E) Reordenamiento (no designada) + + + + Esquema 4. Clasificación de las reacciones según Ingold. Es importante señalar que esta clasificación hace referencia a las características estructurales de reactivos y productos. El esquema de representación simbólica propuesto por Ingold para designar distintos tipos de reacciones ha sido muy útil, y su uso está bastante extendido. Sin embargo, con bastante frecuencia se añaden términos adicionales que son difíciles de interpretar. Así, Ingold describe de forma clara una reacción SN2 como una reacción que transcurre a través de una única etapa en la cual dos moléculas sufren simultáneamente un cambio de covalencia, pero a esta terminología se le han añadido otros términos y en la bibliografía encontramos reacciones “SN2ip (ion pair)” o “SN2 intermediate”, términos cuyo significado no está del todo claro.147 Con el fin de disponer de un sistema de nomenclatura unificado la IUPAC ha propuesto una nueva simbología diseñada específicamente para describir mecanismos de reacción. Este nuevo sistema de nomenclatura describe un mecanismo a través del número y la secuencia de etapas de la reacción, y proporciona una forma sencilla de identificar el número de especies individuales a lo largo del camino de reacción. La descripción detallada de este sistema de nomenclatura se recoge en la referencia 148.(148) Aunque esta nueva nomenclatura ha generado una gran controversia, y tiene numerosos oponentes, cada vez es más utilizada, por lo que realizaremos un breve análisis de sus fundamentos y aplicación. En primer lugar, para su aplicación es necesario saber cuáles son los átomos donde tiene lugar la principal reorganización electrónica durante la reacción. La etapa de ruptura de un enlace se denomina por D y la de formación por A, procesos que se denominan cambios primitivos y 147 W. P. Jencks, J. Phys. Org. Chem., 9, 337–340, 1996. 148 R. D. Guthrie, y W. P. Jencks, Acc. Chem. Res., 22, 343–349, 1989. 54 Informe bibliográfico proporcionan un marco general para la representación simbólica. Se utiliza el carácter “+” para indicar que la etapa disociativa está separada de la etapa de adición. También es necesario indicar la dirección del flujo de electrones, lo cual se hace teniendo en cuenta si el enlace del átomo central se rompe para dar como grupo saliente un nucleófilo o un electrófilo. En el primer caso al símbolo del proceso primitivo se le añade el subíndice N, mientras que en el segundo caso se le añade el subíndice E. Utilizando esta nomenclatura, el mecanismo SN2 se simboliza por ANDN, y el mecanismo SN1 se simboliza como DN+AN. Esta simbología es general, ya que en ella sólo se indica la dirección de la ruptura del enlace y no el tipo de átomo implicado. Diagramas de energía-coordenada de reacción La descripción clásica de la formación y ruptura de enlaces en una reacción química normalmente se centra sólo en los átomos implicados directamente en esa reacción, aunque durante este proceso fundamental tienen lugar otros cambios. Por ejemplo, en la etapa de ionización en un mecanismo tipo SN1 que implica la formación de un intermedio tricoordinado a partir de un reactivo tetracoordinado (esquema [5]), la dirección del movimiento de tensión del enlace C–X se denomina comúnmente “coordenada de reacción”. Sin embargo, además del movimiento C–X están implicados otros muchos cambios, como la longitud de enlace R–C y el ángulo de enlace R–C–R. Aunque estos procesos son relativamente menos importantes y suelen ignorarse en la descripción de la coordenada de reacción, la descripción detallada del mecanismo requiere el conocimiento del grado de acoplamiento de estos cambios. CXR R R CR R R XXC R R R +--+[5] - La mayoría de las reacciones químicas implican por lo menos dos pasos principales: formación y ruptura de enlaces. Las pocas reacciones en las que sólo se Informe bibliográfico 55 produce un cambio importante en un enlace, generalmente tienen lugar en fase gas. Una reacción que tiene lugar a través de un mecanismo constituido por una única etapa, sin formación de especies intermedias, se dice que transcurre a través de un mecanismo concertado; de lo que se deduce que en un mecanismo de este tipo existirá un único estado de transición. En el caso de reacciones en disolución, la difusión de los reactivos para formar un par de encuentro y la separación por difusión de los productos no se pueden considerar como etapas dentro del mecanismo químico. El que un mecanismo sea concertado no quiere decir que el grado de formación y disociación de enlaces sea el mismo, es decir, no tiene por que tener lugar de forma sincrónica. El acoplamiento entre la ruptura y formación de un enlace es útil para transmitir energía y por esta razón facilita la reacción.149,150 Por ello, un mecanismo concertado puede ofrecer un cambio energéticamente más favorable que su equivalente en etapas. Aunque para una reacción en disolución no es posible determinar las energías para todos los puntos de la coordenada de reacción, la descripción de los mecanismos de reacción se realiza frecuentemente mediante diagramas de energía potencial, que pueden ser bidimensionales (Figura 3) o tridimensionales (Figura 4). 149 C. F. Bernasconi, Adv. Phys. Org. Chem., 27, 119, 1992a. 150 C. F. Bernasconi, Acc. Chem. Res., 25, 9, 1992b. 56 Informe bibliográfico Figura 3. Diagrama de energía potencial bidimensional para la reacción: A–Lg + + Nu-  A–Nu + Lgque implica los dos cambios principales en los enlaces. Figura 4. Diagrama de energía potencial tridimensional. (a) vista en perspectiva; (b) mapa de contorno de energía. Estos mapas y diagramas registran cambios de energía dentro del complejo de encuentro reactivo.151 151 J. P. Guthrie, Can. J. Chem., 68, 1643, 1990. Informe bibliográfico 57 1.3.2. Efectos estructurales sobre la reactividad La información disponible sobre la estructura de los estados de transición procede fundamentalmente de la observación de los cambios de reactividad que se producen como resultado de la variación de algún parámetro estructural de la molécula. La magnitud del cambio en la reactividad depende de la proximidad del cambio estructural al centro reactivo de la molécula. El alejamiento de este cambio estructural, por ejemplo mediante la interposición de una cadena alquílica, reduce su efecto y por tanto su utilidad a la hora de obtener información sobre el mecanismo de una determinada reacción. Paralelamente a este método, basado en la introducción de un cambio interno en la molécula, se ha desarrollado un método análogo basado en la correlación del efecto de parámetros externos con la reactividad. Este método tiene el inconveniente de que el parámetro a variar es una propiedad macroscópica (presión, constante dieléctrica, etc.) y su efecto sobre el centro de reacción es menos directo que el que produce un cambio en la estructura molecular de los reactivos. En general, la información sobre el estado de transición obtenida a partir del estudio de la influencia de efectos internos es más decisiva que la que puede obtenerse a partir del estudio de efectos externos. La aplicación de ambos, modificación de parámetros estructurales y modificación de parámetros externos, se lleva a la práctica correlacionando la energía libre de la reacción que estamos investigando con la de una reacción estándar. Cuando estas correlaciones son lineales, como ocurre con bastante frecuencia, se suelen designar mediante el acrónimo inglés LFER (relaciones lineales de energía libre). Aproximación de Leffler Se puede obtener información sobre las estructuras de los estados de transición a partir del estudio de la influencia de distintos parámetros estructurales, y de reacción (sustituyentes, disolvente, etc.) sobre la velocidad de reacción y el 58 Informe bibliográfico equilibrio.152,153 La introducción de un sustituyente modifica la energía de un reactivo, y en el caso de reactivos o productos estos cambios energéticos son conocidos o pueden determinarse, pero no para estados de transición. La estrategia que se utiliza habitualmente para sortear este problema consiste en la medida de diferencias, teniendo en cuenta que un cambio en la constante de velocidad de una reacción originado por un cambio de sustituyente está determinado por el efecto que este cambio de sustituyente tiene sobre los reactivos comparado con el efecto del cambio de sustituyente sobre el estado de transición. Así, un incremento en la constante de velocidad puede ser el resultado de una desestabilización de los reactivos, una estabilización del estado de transición, o una combinación de ambos efectos. En un diagrama de energía libre en el que se represente la velocidad de reacción frente a parámetros de equilibrio, la pendiente es un “coeficiente de semejanza”154 ya que, en una escala de 0 a 1, relaciona la estructura del estado de transición con la de productos y reactivos. Efectos polares y estéricos de los sustituyentes La introducción de un sustituyente polar cambia la energía del estado de transición de una reacción, ya que modifica la magnitud de la carga originada por los cambios producidos en los enlaces durante la reacción.155 Así, sustituyentes que retiran carga electrónica tendrán tendencia a acelerar reacciones en las que se produzca un incremento de carga negativa en el centro de reacción al avanzar en la coordenada de reacción de reactivos al estado de transición. Para que estos efectos polares puedan producirse, se requiere que el sustituyente polar esté colocado en el lugar adecuado de la molécula de forma que el efecto se pueda transmitir al centro de reacción, bien a través de la cadena de enlaces, bien a través del espacio, o bien a través del disolvente. 152 J. E. Leffler, Science, 117, 340, 1953. 153 J. E. Leffler, E. Grunwald, Rates and Equilibria of Organic Reactions, John Wiley, New York, 1963. 154 A. Pross, y S. S. Shaik, New J. Chem., 13, 427, 1989. 155 J. Hine, J. Am. Chem. Soc. 82, 4877, 1960. Informe bibliográfico 59 La influencia de la polaridad de los sustituyentes sobre la velocidad de reacción se utiliza con bastante frecuencia como herramienta en el estudio cinético de mecanismos de reacción, para lo cual se han desarrollado una serie de métodos o procedimientos tales como las correlaciones de Hammett, las correlaciones de Taft, las correlaciones de Charton, etc. Todos estos métodos tienen el mismo fundamento, y únicamente se diferencian en el tipo de reacción que se toma como referencia. En la Tabla 5 se recogen distintas correlaciones junto con la reacción utilizada como referencia en cada una de ellas. Por lo tanto, el criterio más importante a la hora de escoger uno u otro método viene determinado por la similitud entre la reacción de referencia y la reacción objeto de estudio. Tabla 5. Resumen de las relaciones lineales de energía libre más útiles. Nombre Ecuación Reacción estándar Hammett C σ ρ k log  COOH COO H+ X X + - Roberts C σ' ρ' k log  XX COOH COO H+ -+ Grob C σ ρ k log Q I Q I NH XN XH+ ++ Charton C σ ρ k log II  RCH2CO2HRCH2CO2H+ + - Taft MeR E δ *σ*ρ kk log  RCO2Et OH RCO2EtOH ++ RCO2Et H3ORCO2HEtOH +++ Bronsted C pK β k log a HA H+A + Hansch C π a k log  Partición n–octanol–agua Los coeficientes de semejanza obtenidos a partir de las correlaciones descritas anteriormente pueden utilizarse para obtener información estructural sobre 60 Informe bibliográfico el estado de transición, por comparación con valores obtenidos en un gran número de reacciones estudiadas y cuyo mecanismo es conocido. Ecuación de Hammett Las correlaciones lineales entre el logaritmo de las constantes de velocidad y los valores de pKa de ácidos benzoicos sustituidos fueron descubiertas independientemente por Hammett y Burkhardt en los años 30(156,157,158) y, desde entonces han sido utilizadas de forma habitual para la estimación de la polaridad relativa de sustituyentes. La medida de la polaridad, que se expresa a través del parámetro σ de Hammett, viene determinada por el efecto de dicho sustituyente sobre la constante de equilibrio de disociación de ácidos benzoicos sustituidos (Ecuación [1a]) y la ecuación de Hammett viene dada por la ecuación [1b]: CO2HCO2H+ X X + - Ka X [1] [1a] pK - pK K log - K log σX a H a H a X a [1b] C σ ρ k log X  El parámetro ρ indica la sensibilidad de la reacción al cambio de los sustituyentes y su magnitud, nos proporciona una medida del cambio que se produce en la carga del centro de reacción en relación a la ionización de ácidos benzoicos (ρ = 1,0). Hay que tener presente que al proceder de esta forma estamos utilizando implícitamente información de valores de  para reacciones conocidas. También debe tenerse en cuenta que en el caso de que la reacción objeto de estudio sea muy 156 L. P. Hammett, H. L. Pfluger, J. Am. Chem. Soc., 55, 4079, 1933. 157 L. P. Hammett, J. Am. Chem. Soc., 59, 96, 1937. 158 G. N. Burkhardt, W. G. K. Ford, y E. Singleton, J. Chem. Soc., 17, 1936. Informe bibliográfico 61 distinta de la reacción que se toma como referencia, este parámetro ρ no tiene una relación directa con la estructura del estado de transición. En aquellos casos en los que se realicen varias sustituciones en una misma molécula, el valor de  puede obtenerse a partir de la suma de los valores de  de todos los sustituyentes presentes, ya que estos efectos polares suelen ser aditivos. El uso de la correlación de Hammett debería restringirse a sistemas en los que los sustituyentes están unidos al centro de reacción a través de anillos aromáticos, teniendo cierta cautela en el caso de sistemas con sustituyentes en la posición orto, ya que pueden producirse efectos estéricos sobre la reacción que no son tenidos en cuenta en la reacción de referencia. Efectos resonantes La transmisión de un efecto polar a través de un anillo aromático puede implicar efectos inductivos (I) y efectos resonantes (R), por lo que el valor del parámetro σ de Hammett puede expresarse como la suma de la contribución de ambos efectos (Ecuación 2). La constante para los sustituyentes en la posición meta, σm, no tiene una contribución de resonancia apreciable (R = 0), por lo que en este caso σI ≈ σm. σ = σI + σR [2] Existe un importante número de reacciones y equilibrios que dan una correlación muy pobre con el parámetro σ de Hammett. Tal es el caso de la ionización de fenoles o iones anilinio, donde existe una importante estabilización de la forma básica por resonancia, pero no de la forma ácida (Esquema 6), y los valores de pKa para estas sustancias no se correlacionan bien con los valores de σ definidos a través de la ecuación [1]. Sin embargo, las constantes de velocidad para reacciones en las que se genera una carga negativa sobre un oxígeno fenólico generalmente se correlacionan bien con el pKa del fenol correspondiente, por lo que se puede definir un nuevo parámetro, σ –, a través de la ecuación: 68 Informe bibliográfico Ecuación de Bronsted extendida Un tipo de relación lineal de energía libre cuyo uso está muy generalizado, es la denominada representación de Bronsted o ecuación de Bronsted extendida, que relaciona la acidez o la basicidad con otros tipos de reacciones. La razón de que el uso de esta LFER esté tan extendido se debe, en parte, a que esta relación juega un papel importante en el estudio de los procesos de catálisis ácido-base en enzimología. También se utiliza en el estudio de los procesos de sustitución nucleófila y como medida de la capacidad de un grupo para actuar como grupo saliente. En cuanto a su uso para el estudio de las reacciones de sustitución nucleófila, reseñar que las primeras correlaciones entre nucleofilia y reactividad se centraban únicamente en el pKa del ácido conjugado del nucleófilo. Para una serie de nucleófilos con similares propiedades electrónicas y estéricas, y utilizando el mismo disolvente, se puede obtener una buena correlación de la reactividad con la basicidad del nucleófilo que se puede expresar mediante la siguiente ecuación: log k = βNuc pKa + log C A esta ecuación se la suele denominar relación de Bronsted, y en ella se utiliza el pKa en lugar de la constante característica de los sustituyentes; k es la constante de velocidad de la reacción objeto de estudio, βNuc es un factor de sensibilidad, y log C es la ordenada en el origen de esta representación y no tiene significado físico. La representación de log k frente al pKa del ácido conjugado del nucleófilo da una línea recta cuando la basicidad es el factor dominante que determina cómo la estructura del nucleófilo afecta a la velocidad de reacción. En aquellas reacciones en las que βNuc = 1, el cambio en la basicidad se refleja totalmente en la nucleofilicidad, lo cual indica que un nucleófilo que es 100 veces más básico que otro, será también 100 veces más reactivo. Otro parámetro importante, y que está directamente relacionado con el anterior es βLG. De la misma forma que el carácter nucleófilo (o nucleofilicidad) se correlaciona directamente con la basicidad, la facilidad con la que un grupo saliente puede actuar como tal puede correlacionarse en muchos casos con la acidez de su Informe bibliográfico 69 ácido conjugado. Para correlacionar la nucleofugacidad (capacidad de un grupo de átomos para actuar como grupo saliente) con el pKa se utiliza el mismo tipo de ecuación que la utilizada para correlacionar la nucleofilicidad con el pKa: log k = βLG pKa + log C [12] En este caso de la pendiente se obtiene βLG, que nos da una medida de la sensibilidad de una reacción a la acidez del ácido conjugado del grupo saliente. Como la facilidad de un grupo saliente para actuar como tal aumenta al disminuir el pKa del ácido conjugado, de la ecuación [12] se puede deducir que βLG toma valores negativos. A la hora de realizar el análisis de un mecanismo de reacción es bastante importante el poder disponer de ambos índices, ya que su comparación proporciona información sobre la magnitud relativa del avance del ataque nucleófilo y la expulsión del grupo saliente en la etapa determinante de la velocidad. 1.3.3. Escalas de nucleofilia El concepto de reacciones ácido-base de Lewis ha sido muy útil para la comprensión cualitativa de reacciones químicas. La observación general de que las reactividades de las bases (ácidos) de Lewis dependen del ácido (base) de Lewis de referencia ha llevado a un amplio estudio de los factores responsables de este comportamiento. Los aspectos cuantitativos de la teoría ácido-base de Bronsted están relativamente bien entendidos, aunque de forma incompleta. Las constantes de equilibrio para la formación de ácidos conjugados a partir de bases de Bronsted y el protón proporcionan una escala de basicidad o acidez cuantitativa única, así todas las reacciones toman como referencia los mismos estados estándar. La interpretación cuantitativa incompleta de las reacciones ácido-base de Bronsted surge a partir de las variaciones en los coeficientes de actividad de los distintos ácidos y sus bases conjugadas. Así, el hecho de que el ion metóxido es una base más débil que el ion fluorenyl en disolución de metanol mientras que en una disolución de dimetilsulfóxido 70 Informe bibliográfico ocurre lo contrario,167 es directamente atribuible a las diferentes interacciones del disolvente con los distintos pares de ácido y base conjugada. Se ha podido encontrar la procedencia del problema de la variación de la fuerza de las bases de Bronsted, pero la situación con respecto a la fuerza de los ácidos y bases de Lewis es más compleja. Por ejemplo, el amoníaco y el ion cianuro en agua tienen casi la misma basicidad frente al protón, pero el ion cianuro en agua es más de 106 veces más básico frente al ion metilmercurio que el amoníaco168 en agua. La misma disparidad en la comprensión entre las reacciones ácido-base de Bronsted y Lewis tiene lugar con respecto a las velocidades de las reacciones. Las reacciones ácido-base de Bronsted normalmente se relacionan por la correlación de Bronsted del logaritmo de la velocidad frente al logaritmo de la basicidad o acidez y se han encontrado factores que rigen las velocidades de tales reacciones.169,170 Se ha hecho un progreso menor con respecto a las reacciones ácido-base de Lewis. Algunos de los intentos para entender las velocidades y equilibrio de estas reacciones se recogen a continuación. Cualitativamente, parece que varios factores, incluyendo basicidad de Bronsted, polarizabilidad, y solvatación, son importantes, aunque los intentos encontrados para determinar la importancia cuantitativa de estos factores tienen un éxito limitado. Con el fin de distinguir entre bases y ácidos de Bronsted y Lewis, los términos nucleófilo y electrófilo, respectivamente, se utilizan para las especies de Lewis y los términos no modificados de base y ácido para las especies de Bronsted. Correlación de Swain–Scott El primer intento en el tratamiento cuantitativo de reactividades nucleófilas se centró principalmente en las reacciones SN2. 167 C. D. Ritchie, “Solute–Solvent Interactions”, J. F. Coetzee and C. D. Ritchie, Ed. Marcel Dekker, New York, N. Y., 1969, Chapter 4. 168 R. G. Pearson, H. Sobel, y J Songstad, J. Amer. Chem. Soc., 90, 319–326, 1968. 169 M. Eigen, Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 3, 1, 1964. 170 C. D. Ritchie, J. Amer. Chem. Soc., 91, 6749, 1969. Informe bibliográfico 71 Swain y Scott utilizaron una aproximación de energía libre basada en la siguiente reacción:171 Nu CH3Br Nu CH3Br : kNu + + Esta reacción formalmente es una transferencia de  3 CH entre el nucleófilo entrante, Nu–:, y el bromuro, bastante parecida a la transferencia protónica entre bases. El cambio en la energía libre de activación se atribuye a un parámetro n (nucleofilia), obtenido mediante la ecuación:  [13] s n kk log 0  donde k0 y k son las constantes de velocidad para la reacción del sustrato con un nucleófilo estándar (agua) y con los distintos nucleófilos respectivamente; n es una constante característica del nucleófilo, Nu–:, y definida como 0,00 para el agua; y s es la constante del sustrato que expresa la sensibilidad de la velocidad a la nucleofilia, es un parámetro característico del sustrato y está definido como 1 para el bromuro de metilo en agua a 25°C. La ecuación de Swain–Scott, Ecuación [13], da buenos resultados en la correlación de reacciones de ataque sobre átomos de carbono saturados172 en disolventes próticos y puede resultar de utilidad en un sentido cualitativo para reacciones sobre átomos de azufre173,174,175,176 y fósforo.177 A veces la correlación de reactividad sobre otro tipo de centros falla, tal como ocurre en el caso del grupo carbonilo.178 El carbono carbonílico soporta una carga parcial positiva y por lo tanto es 171 C. G. Swain, y C. B. Scott, J. Am. Chem. Soc., 75, 141–147, 1953. 172 K. Bowden, y R. S. Cook, J. Chem. Soc. (B), 1529, 1968. 173 J. O. Edwards, J. Am. Chem. Soc., 76, 1540, 1954; 78, 1819, 1956. 174 J. L. Kice, y E. Legan, J. Am. Chem. Soc., 95, 3912, 1973. 175 J. L. Kice, G. J. Kasperek, y D. Patterson, J. Am. Chem. Soc., 91, 5516, 1969. 176 O. Rogne, J. Chem. Soc. (B), 1056, 1970. 177 H. J. Bestman, Angew. Chem. Int. Edn., 4, 645, 1965. 178 R. F. Hudson, y M. Green, J. Chem. Soc., 1055, 1962. 72 Informe bibliográfico “más duro” que el carbono saturado, de forma que tiene un orden de reactividad diferente. Posteriormente, Pearson y col.179 llevaron a cabo un estudio similar utilizando como centros electrófilos de referencia el yoduro de metilo y trans–[Pt(py)2Cl2] en metanol a 25°C. En este caso se toma 0 n ICH3para el CH3OH y s = 1 para el CH3I. Se eligió el yoduro de metilo como un ejemplo de centro electrófilo moderadamente débil y el Pt(py)2Cl2 como un ejemplo de centro electrófilo muy débil.180 La característica de un centro electrófilo débil es que reacciona rápidamente con nucleófilos altamente polarizables o blandos. Mientras que para centros electrófilos duros los mejores nucleófilos son las bases fuertes. Las nucleofilias determinadas para el yoduro de metilo y para el bromuro de metilo presentan una relación lineal, con algunas desviaciones: [14] n 1,4 n BrCHICH 33  La Ecuación [14] muestra un aumento de la reactividad hacia el yoduro de metilo. Esto parece ser una consecuencia del efecto simbiótico.181 Un estado de transición que posee un grupo entrante débil y un grupo saliente débil tiene una estabilización extra. Como el ion yoduro es más débil que el ion bromuro, la pendiente de la ecuación [14] es mayor de la unidad. Correlación de Ritchie Los parámetros de Swain–Scott expresan la nucleofilia en un contexto limitado, ya que es una cuantificación que depende en gran medida del disolvente. Además en estas reacciones el ataque nucleófilo está acompañado de la ruptura de un enlace con el grupo saliente lo que llevó a Ritchie a sugerir que las reacciones SN2 no son un buen modelo para el estudio de la nucleofilia.182 Ritchie propuso una 179 R. G. Pearson, H. Sobel, J. Songstad, J. Am. Chem. Soc., 90, 319–326, 1968. 180 R. G. Pearson, J. Am. Chem. Soc., 85, 3533, 1963; Science, 151, 172, 1966. 181 R. G. Pearson, y J. Songstad, J. Am. Chem. Soc., 89, 1827, 1967. 182 C. D. Ritchie, Acc. Chem. Res., 5, 348–354, 1972. Informe bibliográfico 73 escala, N+, de reactividades de sistemas nucleófilo/disolvente como un todo sobre carbocationes (Ecuación [15]). Nu R3CR3CNu : kNu + +(disolv) [15] N k log k log 0Nu    donde kNu es la constante de velocidad para la reacción de un carbocatión con un sistema nucleófilo dado (es decir, un nucleófilo dado en un disolvente determinado, k0 es la constante de velocidad para la reacción del mismo catión con la molécula de agua y en disolución acuosa (Nu–: = agua), y N+ es un parámetro característico del nucleófilo e independiente del catión. Una característica importante de esta correlación es la ausencia de un parámetro de susceptibilidad. Esta relación se cumple también para otros sustratos como compuestos carbonílicos183 y compuestos aromáticos deficientes en electrones,184 entre otros. Parece que una serie bastante numerosa de electrófilos del tipo carbocatión, como iones tropilio, iones diazonio, ésteres así como cationes trifenilmetilo, cumplen la ecuación [15] a pesar de las grandes diferencias en velocidades absolutas. Este resultado, aunque aparentemente parece violar el principio de reactividad– selectividad, lo que pone de manifiesto es la complejidad de estos sistemas aparentemente sencillos. La etapa lenta en esta reacción puede ser la formación de un par iónico con reorganización del disolvente bajo fuerzas electrostáticas:185,186 Nu R 3 CR 3 CNuNu R 3 C : + +(disolv) : +(disolv) Ritchie estudió la reactividad de diferentes combinaciones entre cationes y nucleófilos observando la existencia de correlación según la ecuación [15], en donde 183 C. D. Ritchie, J. Am. Chem. Soc., 97, 1170–1179, 1975. 184 C. D: Rittchie, y M. Sawada, J. Am. Chem. Soc., 99, 3754–3761, 1977. 185 A. Pross, J. Am. Chem. Soc., 98, 776, 1976. 186 N. S. Isaacs, y K. Javaid, J. Chem. Soc., Perkin II, 839, 1983. 74 Informe bibliográfico las reactividades de los nucleófilos son independientes de la estructura y reactividad del catión, hecho que refuerza la conclusión de que los valores de N+ son medidas de una propiedad “inherente” de los sistemas nucleófilos. A priori, se sospecha que esta propiedad debe estar asociada con la solvatación del nucleófilo. Los valores de N+ de la Tabla 6 muestran como el poder nucleófilo está influenciado por el medio; el ion cianuro, por ejemplo, es casi 106 veces más reactivo en DMF que en agua. Los disolventes polares apróticos como la dimetilformamida, debido a su pobre capacidad para solvatar aniones, disminuirán menos la reactividad del nucleófilo de lo que lo harían disolventes de enlace de hidrógeno como alcohol o agua. Este efecto es paralelo a los cambios en los coeficientes de actividad de aniones nucleófilos debido a influencias del disolvente. Tabla 6. Valores de N+ SISTEMA N+ SISTEMA N+ Agua 0,00 (referencia) MeO–/metanol 7,5 Metanol 0,5  3 N/metanol 8,5 CN – /agua 3,8 CN – /DMSO 8,6  2 PhSO /metanol 3,8 CN – /DMF 9,4 OH – /agua 4,5  2 PhSO /MeOH 10,7  3 N/agua 5,4  2 PhSO /DMSO 13,1 CN – /metanol 5,9 1.3.4. Efectos isotópicos El estudio de la influencia que una sustitución isotópica tiene sobre la cinética de una reacción nos puede proporcionar importante información sobre la validez o no de un determinado mecanismo de reacción. La información que nos proporciona este tipo de estudios nos permite saber si un enlace se forma, se rompe o sufre algún cambio en la etapa lenta determinante de la velocidad de la reacción. Cuando los Informe bibliográfico 75 enlaces que sufren algún cambio son los que corresponden a un átomo unido al hidrógeno, el efecto de reemplazar 1H por 2H (≡ D, Deuterio) suele producir un cambio importante en la velocidad de reacción y pueden medirse de forma rutinaria. También pueden estudiarse efectos isotópicos en los que están implicados otros átomos, pero los efectos suelen ser muy pequeños y difíciles de cuantificar. Todos los efectos isotópicos tienen su origen en la diferencia en las frecuencias de varios modos vibracionales de una molécula que surgen cuando un isótopo es sustituido por otro. Analizaremos en primer lugar el efecto de la sustitución isotópica sobre un enlace que se rompe durante la etapa determinante de la velocidad de una reacción, que se conoce como efecto isotópico primario. Las contribuciones rotacional, traslacional y electrónica a la energía total de una molécula son prácticamente independientes de la sustitución isotópica, por lo que el cambio en la masa producido como consecuencia de una sustitución isotópica tiene un efecto muy pequeño sobre la energía total de una molécula. Por otra parte, las contribuciones vibracionales a la energía tienen una fuerte dependencia de la sustitución isotópica, y, tal como se mencionó anteriormente, los efectos isotópicos resultan principalmente de las diferencias en las frecuencias de vibración que se producen cuando un isótopo de un átomo se sustituye por otro en la molécula. La sustitución isotópica no cambia la superficie de energía potencial electrónica, su único efecto consiste en la modificación de las masas nucleares. El efecto sobre frecuencias vibracionales surge porque estas son inversamente proporcionales a la masa reducida. Para realizar una estimación de la magnitud del efecto de la sustitución isotópica podemos considerar el modelo del oscilador armónico como primera aproximación, por lo que la energía de los distintos niveles vibracionales de la molécula vendrá dada por la ecuación: En = (n+1/2)h donde n es el número cuántico vibracional. El nivel vibracional más bajo es el que corresponde a n = 0, y es el único poblado a temperaturas muy bajas. Su energía, conocida como energía del punto cero, es E0 = h/2. Si la vibración se representa a 76 Informe bibliográfico través del modelo del oscilador armónico, para una molécula R-A, la frecuencia de vibración viene dada por la ecuación:  = 1/(2π)·(k/μ)1/2 donde k es la constante de fuerza del enlace y μ la masa reducida, μ = mRmA/(mR+mA). Consideremos en primer lugar el caso en que A = H y A* = D, ya que corresponde a una situación en la que el efecto es importante y, por lo tanto, uno de los más utilizados en la práctica. Como mR >>mH para la mayor parte de los fragmentos moleculares R, se pueden expresar las masas reducidas por: μR-H  mH, y μR-D  mD Como la constante de fuerza del enlace, k, es independiente del isótopo, la relación entre las frecuencias vibracionales en el punto cero es: 2 m m ν ν H D DR HR    En el caso en que los enlaces R–H y R–D se hayan disociado totalmente en el estado de transición, la diferencia en las energías de activación será igual a la diferencia entre las energías del punto cero: Ea H – Ea D = E0 D - E0 H. Por lo tanto, a partir de la ecuación de Arrhenius se puede obtener la siguiente expresión para la relación de constantes de velocidad:          2RT N)ν21/h(1 exp k kAHR D H Consideremos en primer lugar que el átomo del grupo R unido al H o al D es un átomo de carbono. Un enlace C-H alifático tiene una frecuencia de tensión típica de 8,7x1013 s -1 o 2900 cm-1. La sustitución de este valor en la ecuación anterior nos proporciona un valor de kH/kD = 7,8, que correspondería a un efecto isotópico máximo Informe bibliográfico 77 para un proceso en el que el enlace C–H esté totalmente disociado en el estado de transición. En la mayor parte de los casos no se alcanza este valor límite ya que el enlace no se rompe totalmente en el estado de transición, y la magnitud del efecto isotópico dependerá del grado de disociación del enlace en el estado de transición. Un cálculo similar para enlaces O–H y N–H da valores de kH/kD de 10,6 y 8,5, respectivamente. Cuando la sustitución isotópica se realiza en una posición de la molécula que no interviene directamente en la reacción, el efecto isotópico suele ser mucho menor y se denomina efecto isotópico secundario. Al igual que en el caso anterior, el origen de este efecto isotópico está en la diferencia en las energías del punto cero entre los reactivos y el estado de transición. Si la sustitución isotópica se realiza en las moléculas de disolvente, al efecto cinético resultante se le denomina efecto isotópico del disolvente. El más estudiado es el que resulta de la sustitución de 1H2O por 2H2O (D2O). Estos dos disolventes tienen propiedades significativamente diferentes, por ejemplo, sus respectivos puntos de fusión son 0°C y 3,82°C, los puntos de ebullición 100 y 101,42°C, y sus productos iónicos 1,00x10-14 y 1,54x10-15. Las diferencias en los puntos de fusión y ebullición ponen de manifiesto la existencia de ciertas diferencias estructurales entre estos disolventes, mientras que la diferencia en pKw indica que D2O es un ácido más débil que el H2O. Los efectos isotópicos del disolvente pueden ser difíciles de interpretar, ya que son el resultado de distintas contribuciones.187,188,189,190 Una de estas contribuciones puede ser un efecto del medio, que probablemente es muy pequeño ya que H2O y D2O tienen una polaridad similar. Si en la reacción objeto de estudio intervienen un ácido o una base, su pKa será diferente en H2O y D2O, la 187 R. L. Schowen, Prog. Phys. Org. Chem., 9, 275, 1972. 188 K. B. J. Schowen, Transition States of Biochemical Processes, R. L. Schowen, y R. D. Gandour (eds), Plenum, New York, p. 225, 1978. 189 A. J. Kresge, R. A. More O’Ferrall, y M. F. Powell, Isotopes in Organic Chemistry, E. Buncel, y C. C. Lee (eds), Elsevier, Amsterdam, p. 177, 1987. 190 D. M. Quinn, y L. D. Sutton, Enzyme Mechanism from Isotope Effects, P. F. Cook (ed.), CRC Press, Boca Raton, 1991. 84 Informe bibliográfico HA a través de enlaces de hidrógeno facilitando así la formación del intermedio de adición con el nucleófilo a través de un camino de menor energía. Este tipo de mecanismo se conoce con el nombre de mecanismo de preasociación.203 En el siguiente esquema se representa la competencia entre los mecanismos de captura y preasociación: CH3CO NCH(CH3)O CH3CO HA NCH(CH3)O HA NCH(CH3)OH N N A + k1 k-1 (I-) + k'1 k'-1 k2 K'eq + -HA Keq+ -HA k-a ... - - - -- El intermedio I– es tan inestable que se sigue un camino de menor energía (K’eqk’1) hacia el intermedio más estable (NCH(CH3)O–●HA) evitando así la formación del intermedio I–. Se observa catálisis general por HA. El coeficiente de Bronsted para ácidos de pKa<10 es pequeño. Con ácidos débiles k2 es determinante de la velocidad, y α aumenta. Para los nucleófilos neutros, que son relativamente más débiles y mejores grupos salientes, la barrera para k-1 es probablemente muy pequeña y el intermedio zwitteriónico, I±, no tiene existencia independiente. En este caso, el ataque nucleófilo y la protonación por HA se convertirá en un proceso concertado como se muestra en el siguiente esquema: NCH2CHO HA NCH(CH3)OH AHA NCH(CH3)OH kc + + + + rápida + El coeficiente de Bronsted tiene un valor más alto que en los casos anteriores. 203 W. P. Jencks, y K. Salvensen, J. Am. Chem. Soc., 93, 1419, 1971. Informe bibliográfico 85 Diagramas de coordenadas de reacción multidimensionales Se puede obtener una visión diferente de las reacciones concertadas y en etapas, a partir de diagramas en los que se representa la relación entre la energía y los distintos cambios que tienen lugar en los enlaces. Un ejemplo de este tipo de diagramas lo constituyen los denominados diagramas de More O’Ferrall–Jencks. La utilización de estos diagramas puede ilustrarse mediante el análisis de un ejemplo concreto, como puede ser la reacción de hidrólisis de ortoésteres catalizada por ácidos, que transcurre a través de un mecanismo en el cual se forma un carbocatión en la primera etapa: COR O O R R R RC O O R R HA ROH A + +++(16) - En esta reacción hay implicados dos cambios importantes en lo que se refiere a enlaces: (1) la transferencia protónica del ácido a un átomo de oxígeno de un grupo éter del sustrato, y (2) ruptura de un enlace carbono-oxígeno del sustrato. Estos cambios pueden tener lugar simultáneamente en una única etapa, tal como se muestra en la reacción (16), o bien en dos etapas, representadas por las reacciones (17) y (18). Estas dos posibilidades mecanicistas pueden visualizarse en un diagrama de More O`Ferrall-Jencks como el que se recoge en la Figura 6. 86 Informe bibliográfico COR O O R R R RC O O R R O R H HA A RC O O R R ROH RC O O R R O R H + ++(17) - ++(18) + En esta figura (figura 6) los reactivos, el ácido y el ortoéster (SOR), se sitúan en la posición designada como A en la esquina superior derecha del diagrama; y los productos, el dialcoxicatión (S+), el alcohol y la base conjugada del ácido, se sitúan en la posición designada como C en la esquina inferior izquierda del diagrama. En la esquina superior izquierda, designada como B, se sitúan los intermedios de reacción para el proceso en etapas. El camino A→B representa la coordenada correspondiente a la transferencia protónica, y en el camino B→C se representan los cambios que tienen lugar en el enlace carbono-oxígeno. La energía se representaría en el eje perpendicular al plano que definen las dos coordenadas descritas anteriormente, pero suelen utilizarse líneas de contorno de igual energía tal como se muestra en la figura 6. El mecanismo en etapas para el paso de reactivos a productos seguiría los bordes de este diagrama, partiendo de A hacia el intermedio B a través de un estado de transición 1, y posteriormente de B hacia los productos C a través de otro estado de transición 2. Sin embargo, si la reacción tiene lugar a través de un mecanismo concertado, la reacción va de reactivos a productos a través de la diagonal pasando por un único estado de transición. Informe bibliográfico 87 Figura 6. Diagrama de More O’Ferrall–Jencks para la reacción de hidrólisis de ortoésteres. Este tipo de diagramas, como el que acabamos de describir, son utilizados con mucha frecuencia como ayuda para determinar mecanismos de reacción y analizar la estructura de los estados de transición. 1.4. Reacciones de adición nucleófila 1.4.1. Ataque nucleófilo sobre átomos de carbono saturados Para las reacciones de sustitución nucleófila sobre átomos de carbono alifáticos Ingold y Hughes describieron dos mecanismos principales, un proceso concertado SN2 (ANDN) y un proceso en etapas SN1 (DN+AN). Tal como hemos visto en el apartado anterior, reacción concertada es aquella en la que la ruptura y formación de enlaces tiene lugar en una única etapa elemental, y por lo tanto existirá un único estado de transición. Si además, el grado de ruptura y formación de enlaces en el estado de transición ha tenido lugar en la misma extensión, el proceso se denomina sincrónico. Para un proceso SN1 la situación es más complicada, ya que 88 Informe bibliográfico tiene lugar en dos etapas. En la primera de ellas tiene lugar la formación de un carbocatión, que posteriormente sufre un ataque nucleófilo. Hoy en día se sigue utilizando esta clasificación realizada inicialmente por Ingold y colaboradores. Sin embargo, se sabe que la mayor parte de las reacciones nucleófilas que transcurren a través de un intermedio catiónico no se ajustan perfectamente a la descripción realizada por Ingold para las reacciones SN1, sino que tienen características intermedias entre las que corresponden a un mecanismo SN1 y a un mecanismo SN2. La complejidad de los mecanismos de sustitución nucleófila alifática se pone de manifiesto en el Esquema 8 elaborado por Winstein204 sobre la base de esquemas más simples desarrollados por Hughes, Ingold, y otros.205 En este esquema se tiene en cuenta la posible formación de distintos tipos de pares iónicos: pares iónicos de contacto, representados por R+·Lg-, y pares iónicos separados por una molécula de disolvente, representados mediante R+║Lg-. SOH RLg R+·LgNuc- ··· R+·LgRNuc + Lg-(solv) R+ II LgNuc- ··· R+ II LgR+(solv) + Lg-(solv) ROS + H+(solv)+ Lg-(solv) SOH SOH NucNuc-NucNuc-Nuc- (a) ( b ) (c) Nuc-Nuc- (f) (d) (e) Esquema 8. Sustitución nucleófila sobre átomos de carbono saturado. El sustrato RLg puede sufrir una reacción SN2 directa (ANDN) que sería la que tiene lugar a través del proceso (b), o se puede ionizar sin asistencia del nucleófilo a través de la reacción SN1 (DN+AN) representada por el proceso (a). Entre estos dos mecanismos límite hay una situación intermedia, que corresponde al proceso (c) y en el cual un nucleófilo asiste la ionización. La complicación de este esquema surge del 204 T. H. Lowry, K. S. Richardson, Mechanism and Theory in Organic Chemistry, Harper Collins Publishers, 3rd Ed. 1987. 205 N. Isaacs, Physical Organic Chemistry, Longman Scientific & Technical, 2nd Ed. 1995. Informe bibliográfico 89 hecho de que la sustitución puede tener lugar en cualquiera de las tres formas en las que se encuentra el carbocatión: par iónico, par iónico separado por el disolvente y el carbocatión libre. Por otra parte Sneen y Larsen206,207,208 sugieren que el esquema es aún más complejo, y de acuerdo con sus hipótesis, las reacciones que aparentemente transcurren a través de un mecanismo SN2 en realidad tienen lugar a través de una etapa limitante que consiste en un ataque nucleófilo sobre un par iónico. Sin embargo, esta hipótesis ha sido descartada por el hecho de que la ionización de haluros de alquilo primarios tiene una barrera de activación comprendida entre 15 y 40 kcal mol-1 (63–170 kJ mol-1), barrera que es más alta que la observada.209,210 Este comportamiento complejo que se observa en las reacciones de sustitución nucleófila, nos sugiere la existencia de un continuo de reactividad entre lo que nosotros designamos como un mecanismo SN1 “puro” y un mecanismo SN2 “puro”, y para un determinado proceso el mecanismo va a depender del disolvente y de las estructuras de los reactivos. 1.4.2. Ataque nucleófilo sobre heteroátomos Halógenos El conjunto de reacciones que se clasifican como sustituciones nucleófilas pueden representarse mediante la siguiente ecuación: Y XY X+ + ZZ -[23] 206 R. A. Sneen, J. W. Larsen, J. Am. Chem. Soc., 91, 362, 1969. 207 R. A. Sneen, J. W. Larsen, J. Am. Chem. Soc., 91, 6031, 1969. 208 R. A. Sneen, Acc. Chem. Res., 6, 46, 1973. 209 M. H. Abraham, D. J. McLennan, J. Chem. Soc. Perkin Trans II, 873, 1977. 210 D. J. McLennan, Acc. Chem. Res., 9, 281, 1976. 90 Informe bibliográfico donde Z es un nucleófilo y X–Y una molécula de sustrato. En el caso concreto de sustratos que contienen un átomo de carbono pueden darse dos situaciones, que son las que se reflejan en las ecuaciones [24] y [25]: Y CY C C CX X ++ ZZ -SNC, AZCDCY [24] ++ ZZ -SNX, AZXDXC [25] Estas dos posibilidades ponen de manifiesto la existencia de dos centros electrófilos en la reactividad de compuestos que contengan el enlace C–X frente a distintos nucleófilos. Sin embargo, cuando se habla de sustituciones nucleófilas generalmente se quiere indicar la situación correspondiente a la ecuación [24], que es la reacción de sustitución nucleófila en el carbono analizada en el apartado anterior. Este tipo de reacciones en particular ha sido objeto de investigaciones teóricas y experimentales durante mucho tiempo, y son reacciones que describen en detalle la mayor parte de los libros de texto, que sin embargo no suelen mencionar la otra posibilidad. La segunda situación, que es la indicada en la ecuación [25], representa la reacción de sustitución nucleófila sobre un átomo X, en la cual el átomo de carbono juega el papel de grupo saliente. Este tipo de reacciones fueron designadas por N.S. Zefirov y D. I. Makhon'kov211 como reacciones X-fílicas (SNX, AZXDXC). Algunas reacciones de este tipo, como las reacciones de transferencia protónica (reacciones protofílicas, AZHDHC), consistentes en la abstracción de un protón han sido muy estudiadas, sin embargo otro tipo de reacciones X-fílicas como por ejemplo, las reacciones halogenofílicas donde X es un átomo de halógeno son mucho menos familiares. 211 N. S. Zefirov, y D. I. Makhon’kov, Chem. Rev., 82, 615–624, 1982. Informe bibliográfico 91 En el caso del enlace C–X, tal como se refleja en la ecuación [25], la reacción tiene lugar a través de la formación de un carbanión, por lo que la presencia de sustituyentes sobre el carbono que estabilicen este carbanión favorecen las reacciones X-fílicas. En la bibliografía no se han encontrado ejemplos para los que X = F,212,213 hecho que puede asociarse con la fuerza del enlace C–F, y con la carga parcial negativa existente sobre el átomo de flúor en la mayor parte de las moléculas. En realidad la dirección de la polarización del enlace carbono-halógeno (C+Hal-) no es favorable para estos procesos “halogenofílicos”. Los datos experimentales muestran que el orden de reactividad para estos procesos normalmente es: I > Br >> Cl.214,215,216 Sin embargo, el orden de reactividad de los halógenos no se conserva en todos los casos, y, además, depende de la naturaleza del nucleófilo utilizado. Por ejemplo, en la reacción de α-halosulfonas con un gran número de nucleófilos, el orden de reactividad es Br > I >> Cl.217,218 Esto puede explicarse en función de la fortaleza de los enlaces que se forman y se rompen (C–Hal, Hal–Z) en el estado de transición. Una situación más favorable se encuentra en los sistemas en los que los halógenos se encuentran unidos directamente a un átomo de nitrógeno o a un átomo de oxígeno, ya que en estos casos la diferencia de electronegatividades no es tan grande. Así, se ha puesto de manifiesto que para compuestos que tienen el grupo N– F son posibles reacciones de sustitución nucleófila sobre el átomo de flúor.219 Tanto los agentes fluorantes de este tipo (N–F) como aquellos en los que el flúor está unido a un átomo de oxígeno (O–F) se consideran habitualmente como agentes fluorantes electrófilos (F+). Sin embargo, la implicación de un átomo de flúor 212 J. F. Liebman, B. B. Jarvis, J. Fluorine Chem., 5, 41, 1975. 213 J. F. Liebman, J. Fluorine Chem., 5, 55, 1975. 214 R. Tanaka, M. Rodgers, R. Simonaitis, S. I. Millar, Tetrahedron, 27, 2651, 1971. 215 I. Taeko, S. I. Millar, J. Org. Chem., 43, 871, 1978. 216 R. Tanaka, S. A. Zheng, K. Kawagushi, T. J. Tanaka, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2, 1714, 1980. 217 B. B. Jarvis, B. A. Marien, J. Org. Chem., 41, 2182, 1976. 218 B. B. Jarvis, B. A. Marien, J. Org. Chem., 42, 2676, 1977. 219 Juan M. Antelo, Juan Crugeiras, J. Ramón Leis, y Ana Ríos, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2, 2071–2076, 2000. 92 Informe bibliográfico con una carga parcial positiva en la reacción con nucleófilos ha sido objeto de un importante debate en la bibliografía. El valor más alto de electronegatividad en la escala de Pauling para el átomo de flúor no permite justificar la polaridad del enlace (N-–F+) propuesta para explicar la capacidad de estos compuestos para transferir "F+" a centros nucleófilos. Una situación similar, aunque no tan drástica, se encuentra en el caso de agentes clorantes tales como las N-cloraminas, en las cuales la electronegatividad del átomo de cloro es ligeramente superior a la del nitrógeno. En este caso la reactividad observada presenta una gran similitud con la observada en el caso del flúor. Estas reacciones son sensibles al cambio en la estructura del nucleófilo. A partir de datos experimentales se puede concluir que los nucleófilos blandos son más reactivos frente a los halógenos. Es importante destacar que los compuestos no cargados pueden actuar como nucleófilos en reacciones X-fílicas (Ecuación [26]). En este caso la reacción tiene lugar con separación de carga y formación de un par iónico (ecuaciones [25] y [26]). X C XC Z + Z[26] +- Algunos casos de adición electrófila al doble enlace también pueden considerarse como reacciones Xfílicas, siendo la siguiente ecuación un ejemplo: Informe bibliográfico 93 Br C(NO2)3 Br O N O C(NO2)2 Br CBr(CN)2 Br CBr(CN)2 BrC(NO2)3 CBr2(CN)2 + - + + - [27] Hay que señalar que la asignación del mecanismo X-fílico, frecuentemente sólo se basa en las estructuras de los compuestos inicial y final sin un examen cuidadoso de las etapas del mecanismo. Por ejemplo, las etapas X-fílicas han sido proporcionadas por el aislamiento del producto debido a la transferencia de un halógeno “positivo” desde un átomo de carbono del sustrato al nucleófilo con la formación de un carbanión. En la mayor parte de los casos no se conoce bien el mecanismo. Se ha propuesto un mecanismo de transferencia electrónica simple (SET) tal y como se muestra en la Ecuación [28]. Este mecanismo fue postulado basándose en la estructura de los productos de reacción, pero son necesarios estudios especiales para distinguir este camino mecanicista. CX XC CX Z+ Z[28] + - ...+ Las reacciones X-fílicas tienen gran importancia desde el punto de vista sintético, ya que su uso puede estar relacionado con el método de: (i) “X-ación (por ejemplo, halogenación, cianación” de los grupos nucleofílicos y (ii) la generación de un carbanión y su utilización con fines sintéticos. De acuerdo con las ecuaciones [26] y [27], es posible efectuar una transferencia de X a nucleófilos cargados y no cargados. En el primer caso da lugar a 100 Reacción de desproporción de la N-clorotaurina aunque el mecanismo por el cual las N-cloraminas dan lugar a las N,N-dicloraminas todavía no está claro. En este trabajo se estudiará la reacción de formación de derivados Nclorados de la taurina (TauNH2), así como de su estabilidad, ya que tiene gran importancia desde el punto de vista bioquímico. Se han elegido estos derivados de la taurina, la N-clorotaurina (TauNHCl) y la N,N-diclorotaurina (TauNCl2), por ser los componentes más importantes que se forman por reacción del cloro generado por el sistema MPO/H2O2/Cl– con la taurina, aminoácido que se encuentra en el organismo en concentraciones mayores que los demás aminoácidos.15,16 Se intentará establecer el mecanismo de la reacción de desproporción de la N-clorotaurina para dar N,N-diclorotaurina. Este proceso puede ser reversible en ciertas condiciones pudiendo estudiarse también en sentido inverso, es decir la reacción de la N,N-diclorotaurina con la taurina, lo cual nos va a permitir obtener la correspondiente constante de equilibrio. Procedimiento experimental La disolución de hipoclorito sódico se preparó haciendo pasar una corriente de cloro sobre una disolución de NaOH 0,5M; mediante este proceso se forma ácido hipocloroso o hipoclorito según la reacción: Cl2OH ClO OH2Cl ++ + 2-- La corriente de cloro se obtuvo haciendo gotear HCl sobre KMnO4 según la reacción: H+Cl MnO4Mn2+ Cl2OH2 + 85+++4 5 2 - 15 L. A. Márquez, y H. D. Dunford, J. of Biol. Chem., 269, 7950–7956, 1994. 16 C. R. Chinake, R. H. Simoyi, J. Phys. Chem. B, 102, 10490–10497, 1998. Reacción de desproporción de la N-clorotaurina 101 El gas que se desprende se lava haciéndolo pasar por una disolución de KMnO4 y por agua destilada, tal como se indica en la Figura 1. KMnO4 HCl KMnO4 H 2O NaOH 0.5M Figura 1. Montaje para la obtención de hipoclorito sódico. La disolución de hipoclorito así obtenida se guardó en un frasco color topacio y en la nevera, añadiéndole NaOH sólido para elevar el pH a un valor entre 12 y 13 para evitar su descomposición. A partir de esta disolución se prepararon las disoluciones diluidas utilizadas en las distintas experiencias cinéticas; determinando su concentración por medida directa de la absorbancia a 292nm y teniendo en cuenta que el coeficiente de absorción molar a dicha longitud de onda es 350M-1cm-1. Las disoluciones de taurina y de NaClO4 utilizada para mantener la fuerza iónica constante se prepararon por pesada directa del producto comercial de mayor pureza disponible. La disolución de NaOH se preparó por pesada directa del producto comercial, que fue valorada con biftalato potásico utilizando fenolftaleína como indicador. Así 102 Reacción de desproporción de la N-clorotaurina mismo, se preparó una disolución de HClO4 a partir del producto comercial que fue valorada con la disolución de NaOH previamente valorada, utilizando fenolftaleína como indicador. Las disoluciones tampón de acetatos sustituidos fueron preparados pesando cantidades adecuadas del correspondiente ácido acético sustituido (ácido dicloroacético, ácido monocloroacético, ácido metoxiacético o ácido acético) y de NaOH para conseguir el pH deseado. Las disoluciones tampón de fosfato y hexafluoroisopropanol fueron preparadas por neutralización de la forma ácida con NaOH. La disolución de N-clorotaurina se preparó directamente añadiendo taurina en exceso y las cantidades adecuadas de agua, NaClO4 e hipoclorito a un pH de 8–9. En estas condiciones la formación de la N,N-diclorotaurina es despreciable. La reacción de formación de la N-clorotaurina es rápida completándose en unos segundos desde su mezclado y agitación.17 La absorbancia a 250nm de una disolución de Nclorotaurina a un pH de 9,31 disminuye menos de un 1% después de 100 horas, lo que indica que las disoluciones de N-clorotaurina así preparadas, son estables durante varios días. La preparación de la N,N-diclorotaurina se llevó a cabo considerando que en medio ácido tiene lugar la reacción de desproporción de la monoclorotaurina, que se produce según la reacción: TauNHCl H3OTauNCl2TauNH3OH2 +++ 2+ + Para seguir la formación de la N,N-diclorotaurina se preparó la cloramina en medio básico y a esta disolución se le añadió la cantidad necesaria de ácido o tampón, con el fin de conseguir el pH adecuado para que se produzca la reacción de desproporción (pH = 2–2,5). Esta reacción es relativamente rápida, y se completa en menos de una hora. La N,N-diclorotaurina se preparó diariamente, y se comprobó que estas disoluciones son razonablemente estables observando que la absorbancia de 17 I. Weil, y J. C. Morris, J. AM. Chem. Soc., 71, 1664, 1949. Reacción de desproporción de la N-clorotaurina 103 una disolución de N,N-diclorotaurina a 301nm y un pH de 1, 88 disminuye menos del 5% después de 100 horas. Los espectros de las especies implicadas en la reacción y las cinéticas se realizaron en un espectrofotómetro de doble haz Kontron Uvikon 930 conectado a un ordenador, que recogía los datos absorbancia-tiempo almacenándolos en un disquete para su análisis posterior. El espectrofotómetro utilizado posee un portacubetas termostatado con agua procedente de un termostato Kontron Thermocontroller 900. Las cubetas empleadas son de 1 cm de paso de luz y de cuarzo para poder medir en la zona ultravioleta. También para estas medidas de absorbancia en el caso de reacciones rápidas, se empleó un espectrofotómetro de flujo detenido secuencial modelo Applied Photophysics DX17MV, con un programa para el tratamiento de datos. Todas las medidas de pH se realizaron con un pHmetro digital modelo PHM82 Standard de la casa Radiometer Copenagen provisto de un electrodo combinado (vidrio/calomelanos saturado de KCl) Radiometer GK2401C. Este pHmetro se calibró utilizando disoluciones tampón comerciales marca Crison de pH 4,01, 7,00 y 9,21 a 25°C. Todas las experiencias se realizaron manteniendo la fuerza iónica constante mediante la adición de la cantidad de NaClO4 necesaria para que la fuerza iónica fuese 0,5M. El medio de reacción se mantuvo a 25,0±0,1°C. 2.1. Reacción de desproporción de la N-clorotaurina Método cinético El estudio de la reacción de desproporción de la N-clorotaurina se llevó a cabo mezclando en una cubeta las cantidades adecuadas de taurina, agua, perclorato sódico e hipoclorito, se agitaba la mezcla consiguiendo la formación de la Nclorotaurina. Esta disolución de N-clorotaurina se termostataba (unos 10 ó 15 minutos) en el portacubetas del espectrofotómetro a la temperatura a la que se iba a llevar a cabo la reacción (25°C). Por otro lado, se mantenía termostatado el ácido o tampón utilizado, que se añadía a la cubeta una vez termostatada ésta, se agitaba y empezaba a contar el tiempo a partir del momento en que se produce la adición del 104 Reacción de desproporción de la N-clorotaurina ácido o tampón. En todas las experiencias realizadas la concentración inicial de clorotaurina fue 2,0x10-3M. En el estudio cinético de la reacción de desproporción de la N-clorotaurina se ha empleado una técnica espectrofotométrica convencional en la mayoría de los casos, registrando los valores de absorbancia del medio de reacción a distintos tiempos a la longitud de onda correspondiente al máximo de la banda de absorción del producto, es decir de la N,N-diclorotaurina formada (λ = 301nm, ε = 277M-1cm-1) como se puede ver en la Figura 2. Para valores de [H+] < 0,1M donde la reacción se hace muy rápida, se ha utilizado un espectrofotómetro de flujo detenido que posee dos jeringas para introducir las disoluciones en un baño termostatizado sin que se mezclen entre sí: en una se introduce la disolución de N-clorotaurina y en la otra el ácido o tampón y el perclorato sódico para mantener la fuerza iónica constante. El aparato inyecta volúmenes iguales de las dos disoluciones en la célula donde se produce la reacción. Las concentraciones que resultan en la mezcla reaccionante serán la mitad de las concentraciones inyectadas. Reacción de desproporción de la N-clorotaurina 105 / nm 240 260 280 300 320 340 360 380 Absorbancia 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Figura 2. Espectro de desproporción de la N-clorotaurina a 25°C. [TauNHCl] = 2,0x10-3M; [ClCH2COOH] = 0,50M; pH = 2,79; μ = 0,50M ∆t = 6 min. La información bibliográfica existente establece que la reacción de desproporción de la N-clorotaurina es de orden dos respecto a la concentración de clorotaurina, de acuerdo con esta información y con los resultados obtenidos en los estudios espectrofotométricos, se procedió a la obtención de los valores de las constantes de velocidad realizando el ajuste de los datos absorbancia-tiempo a una ecuación integrada de orden dos: ) A- (A 1 t ) A- (A k a 2 ) A- (A 1 00 obsd t  106 Reacción de desproporción de la N-clorotaurina Los valores de kobsd que se obtienen en todos los casos son el promedio de varias experiencias cinéticas. Para obtener estos promedios y las desviaciones estándar de los mismos se emplea una hoja de cálculo Microsoft Excel 5, obteniéndose unos errores para kobsd que son siempre menores del 3%. Equilibrio de desproporción El equilibrio de desproporción de la N-clorotaurina tiene lugar según el siguiente esquema: TauNHCl H3O TauNCl2TauNH3OH2 2++Kd +++ Espectrofotométricamente, se determinó la constante de equilibrio de desproporción de la N-clorotaurina a 25°C y μ = 0,50M midiendo la absorbancia a 250nm de mezclas en equilibrio a distintos valores de pH. Las reacciones empezaban al añadir la N-clorotaurina a una disolución de tampón fosfato cuyo pH varía entre 1,8–9. Las mezclas de reacción se dejan toda la noche hasta alcanzar el equilibrio y será entonces, cuando se realicen las medidas de pH y de absorbancia a 250nm. Reacción de desproporción de la N-clorotaurina 107 pH 0246810 A250 nm 0,0 0,2 0,4 0,6 Figura 3. Determinación de la constante de equilibrio para la desproporción de la N-clorotaurina. [TauNHCl]0 = 2,0x10-3M; [TauNH2] = 2,0x10-2M; μ = 0,50M; T = 25°C. La Figura 3 muestra la dependencia de la absorbancia de las mezclas de Nclorotaurina y N,N-diclorotaurina en equilibrio a 250nm en una disolución tampón de fosfato de concentración 2,0x10-3M a distintos valores de pH. La relación entre la absorbancia a 250nm y la concentración de H3O+ viene dada por la ecuación: [1] ]O[H b a ]O[H b ]O[H b - A A 2 1 3 2 3 2 3 min250nm          donde a y b vienen dadas por las ecuaciones [2] y [3] respectivamente, Amin es el mínimo de absorbancia a 250nm, [TauNHCl]0 es la concentración inicial de Nclorotaurina, [TauNH2]T es la concentración total de taurina y TauNHCl ε y 2 TauNCl ε son 108 Reacción de desproporción de la N-clorotaurina los coeficientes de absorción molar de la N-clorotaurina y la N,N-diclorotaurina respectivamente.   [2] 2 ε - ε [TauNHCl] 2 a 2 TauNClTauNHCl0      [3] K 42 ε - ε ][TauNH b dTauNClTauNHClT2 2  Mediante un ajuste de regresión no lineal de la ecuación [1] se obtiene un valor de 0,82±0,02 para el parámetro a y de (9,6±1,4)x10-7 para b y a partir de estos parámetros y de las concentraciones de [TauNH2]T y [TauNHCl]0 se determinó Kd obteniéndose un valor de (1,07±0,15)x106M-1. Resultados experimentales y discusión Se ha investigado la influencia del exceso de amina utilizado en la síntesis de N-cloraminas para ver su efecto sobre kobsd. Dado que la amina es un producto de la reacción de desproporción, el estudio de la influencia de este reactivo permitirá establecer si en las condiciones de trabajo utilizadas tendremos o no una reacción de equilibrio. Para ello, se procedió al estudio de la influencia de la concentración de esta especie variando la concentración de la misma entre 3,0x10-3 y 5,0x10-2M y manteniendo constante el resto de los reactivos. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que la concentración de taurina no tiene un efecto significativo sobre la constante de velocidad observada y por tanto, en las condiciones de trabajo empleadas no hay un equilibrio entre las formas mono y diclorada de la amina. También se ha estudiado la influencia de la concentración de protones sobre la constante de velocidad observada, (k2)obsd (M-1s-1), de la desproporción de la Nclorotaurina a 25°C y μ = 0,50M variando la concentración de ácido perclórico desde 0,05 hasta 0,50M. A la vista de los resultados obtenidos, Fig. 4, se puede observar Reacción de desproporción de la N-clorotaurina 109 una dependencia no lineal de (k2)obsd con la concentración de H3O+, comportamiento similar al encontrado para otras N-cloraminas.18,19,20 [H+] 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 (k2)obsd/M-1s-1 0 10 20 30 40 Figura 4. Influencia de la concentración de ácido sobre la constante de velocidad de desproporción de la N-clorotaurina. [TauNHCl]0 = 2,0x10-3M; μ = 0,50M; T = 25°C. Estos resultados están de acuerdo con que el proceso en ausencia de tampones, transcurre a través de un mecanismo de catálisis ácida específica. Este mecanismo implica la protonación de la cloramina en un equilibrio previo a la etapa determinante de velocidad, y el posterior ataque nucleófilo por parte del átomo de nitrógeno de una molécula de cloramina protonada, tal como se indica en el Esquema 1. 18 E. T. Gray, D. W. Margerum, y R. P. Huffman, in Organometals and Organometalloids, Occurrence and Fate in the Environment, ed. F. E. Brinckman and J. M. Bellama, ACS Symposium Series 82, American Chemical Society, Washintong, D. C., p. 264–277, 1978. 19 R. L. Valentine, y C. T. Jafvert, Environ. Sci. Technol., 22, 691, 1988. 20 J. M. Antelo, F. Arce, J. Franco, P. Rodríguez, y A. Varela, Int. J. Chem. Kinet., 21, 343, 1989. 116 Reacción de desproporción de la N-clorotaurina banda de absorción del producto, la N-clorotaurina (λ = 250 nm, ε = 367 M-1cm-1), y la otra, la correspondiente al máximo de la banda de absorción del producto de partida, es decir la N,N-diclorotaurina (λ = 301 nm, ε = 277 M-1cm-1).  / nm 200 250 300 350 400 Absorbancia 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Figura 7. Espectro de la mezcla de reacción en medio alcalino a distintos tiempos. [TauNCl2] = 2,5x10-4M; [TauNH2] = 0,10M; [NaH2PO4] = 0,10M; pH = 7,1; μ = 0,50M; ∆t = 6min; T = 25°C. La información bibliográfica existente, establece que la reacción de formación de clorotaurina a partir de diclorotaurina es de orden uno con respecto a la concentración de diclorotaurina. Así, de acuerdo con esta información y con los resultados obtenidos en los estudios espectrofotométricos se calcularon los valores de las constantes de velocidad realizando el ajuste de los datos absorbancia-tiempo a una ecuación integrada de orden uno.    t k - AA ln AA ln obsd0t   Reacción de desproporción de la N-clorotaurina 117 Los valores de kobsd que se obtienen en todos los casos son el promedio de varias experiencias cinéticas. Para obtener estos promedios y las desviaciones estándar de los mismos se emplea una hoja de cálculo Microsofot Excel 5, obteniéndose unos errores para kobsd que son siempre menores del 3%. Resultados y discusión El estudio cinético de la reacción de la N,N-diclorotaurina con la taurina se llevó a cabo en presencia de taurina cuando esta se utiliza como disolución reguladora. Para ello se realizaron varias experiencias a distintos valores de pH variando la concentración total de tampón entre 0,07M y 0,30M mientras se mantenía constante el pH del medio así como la concentración de diclorotaurina. En la Figura 8 se puede observar que la kobsd no varía de forma lineal con la concentración total de taurina lo que indica que la reacción es de orden superior a uno con respecto a la concentración de taurina. En cambio, el ajuste de kobsd / [TauNH2]T frente a la concentración de taurina son lineales y sugieren que la ecuación de velocidad tiene la forma: 2 T2T2obsd ][TauNH b ][TauNH a k  118 Reacción de desproporción de la N-clorotaurina [TauNH2]T 0,0 0,1 0,2 0,3 103 kobsd/s-1 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 102 kobsd/[TauNH2] M-1s-1 0,0 0,5 1,0 Figura 8. Influencia de la concentración de taurina sobre la constante de velocidad observada de primer orden. [TauNCl2] = 2,5x10-4M; pH = 8,48. En principio, si la reacción de desproporción era un proceso catalizado por bases generales, es de esperar que la reacción inversa sea un proceso de catálisis ácida general, tal como se indicó en el Esquema 2. La ecuación de velocidad que se deduce del Esquema 2 viene dado por la ecuación [7] [7] ]O[Hk k ][TauNH k 3 BH T 0 2-2obsd         donde [TauNH2] es la concentración de taurina en forma básica, 02 k(M-1s-1) es la constante de velocidad de segundo orden para la reacción catalizada por el disolvente y  BH T k(M-2s-1) es la constante catalítica del tampón. Si la taurina actúa como ácido general a través de una forma protonada,  3 TauNH , catalizando la Reacción de desproporción de la N-clorotaurina 119 reacción, la ecuación [7] se transforma en la ecuación [8], donde  3 TauNH f es la fracción de taurina presente en forma ácida. [8] ][TauNHfk k ][TauNH k T2 TauNH TauNH T 0 22 obsd 3 3   La representación de kobsd / [TauNH2] frente a la concentración de taurina total para la reacción de la N,N-diclorotaurina con la taurina en presencia de disoluciones reguladoras a distintos valores de pH se puede ver en la Figura 9. A partir de las ordenadas obtenidas del análisis de regresión lineal se obtienen los valores de 02 k, que aumentan al disminuir el pH. La dependencia lineal de 02 k con la [H3O+] nos permite obtener un valor de 11-4 OH 2sM0,5)x10 (7,9 k 2  para la reacción catalizada por agua y de 125 OH TsM0,2)x10(1,6 k 3   para la catálisis de esta reacción por H3O+ (ecuación [9]). [9] ]O[Hk k k 3 OH T OH 2023 2    La representación de las pendientes de las rectas de la Figura 9 frente a  3 TauNH f nos permite obtener una línea recta, de cuya pendiente se obtiene un valor para 12-2 TauNH TsM0,3)x10(3,5 k 3  . 120 Reacción de desproporción de la N-clorotaurina [TauNH2]T 0,00,10,20,30,4 102 kobsd / [TauNH2] 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Figura 9. Representación de kobsd / [TauNH2] frente [TauNH2]T para la reacción de la N,N-diclorotaurina con taurina utilizando taurina como tampón. ● pH = 8,48; ○ pH = 8,96; ▼ pH = 9,36. La catálisis por ácido acético se estudió variando su concentración entre 0,05M y 0,40M a pH = 9,00 en presencia de tampón de taurina al 50% de base libre. La reacción también se llevó a cabo en disoluciones reguladoras de fosfato y hexafluoroisopropanol variando su concentración entre 0,02M y 0,20M en presencia de un tampón de taurina al 50% de base libre y a un pH de 7,2 y 9,2 respectivamente. En todos los casos se observó que la pseudoconstante de primer orden, kobsd, tiene una dependencia lineal con [BH+], comportamiento que concuerda bastante bien con la ecuación [7]. Los valores de las constantes catalíticas para estos ácidos generales se obtuvieron a partir de las pendientes de los ajustes de kobsd frente [BH+] y la concentración de taurina no protonada. En la tabla 2 se recogen los valores de las constantes catalíticas correspondientes a los tampones estudiados, así como sus valores de pKa. Reacción de desproporción de la N-clorotaurina 121 Tabla 2. Valores de las constantes catalíticas de los distintos tampones utilizados a 25°C y μ = 0,50M Ácido pKBH 1-2BH TsM/ k  H3O+ 1,74 (1,6±0,2)x105 CH3CO2H 4,60 90±2  42POH 6,73 10,9±0,3 (CF3)2CHOH 9,30 0,326±0,010  3223 NH)S(CHO 9,06 (3,5±0,3)x102 H2O 15,74 (1,42±0,09)x105 El valor de la constante de velocidad para la reacción catalizada por agua de la N-clorotaurina y su forma protonada, OH 22 k, y el valor de la reacción inversa catalizada por H3O+,  OH T3 k, pueden utilizarse para calcular la constante de equilibrio de la reacción del esquema 2, obteniéndose un valor de M0,2)x10(1,1 kk -3 OH T OH 23 2 . Combinando este valor con las constantes de acidez de la taurina protonada, Ka = 8,71x10-10M, y de la N-clorotaurina Ka = 1,14M se ha obtenido la constante de equilibrio de desproporción de la N-clorotaurina: TauNHCl H3OTauNCl2TauNH3OH2 2++ Kd +++ cuyo valor es Kd = (1,1±0,2)x106M; valor que es del mismo orden que el obtenido para la reacción de desproporción de N-cloraminas alifáticas mediante un método espectrofotométrico.21 21 E. T. Gray, D. W. Margerum, y R. P. Fuman, A. C. S. Symp. Ser., 82, 264–277, 1978. 122 Reacción de desproporción de la N-clorotaurina Correlación de Bronsted Haciendo una correlación de Bronsted en la que se representa el logaritmo de las constantes catalíticas de los ácidos carboxílicos utilizados en la reacción de la Nclorotaurina y la N-clorotaurina protonada, B T k (círculos), y de los ácidos generales utilizados en la reacción de la N,N-diclorotaurina con la taurina, BH T k (triángulos), frente su pK, se obtienen rectas de pendiente β = 0,55±0,03 y α = 0,48±0,03 respectivamente. El círculo vacío corresponde a la constante de velocidad para la reacción de la N-clorotaurina y su forma protonada catalizada por H2O, y el triángulo vacío a las constantes de velocidad para el proceso inverso catalizado por H3O+ y el H2O actuando como un ácido. Los valores de las constantes de velocidad de tercer orden para las reacciones catalizadas por agua se calcularon dividiendo 0 2 k y 02 k entre 55,5M. Las desviaciones del punto correspondiente al agua en la correlación es normal en este tipo de representaciones.22 La suma de los exponentes de Bronsted es α + β = 1,03±0,04, resultado que se corresponde bastante bien con el valor de 1,00 que es el esperado para la dependencia del logaritmo de la constante de equilibrio con el pKa.23 22 A. J. Kresge, Chem. Soc. Rev., 2, 475, 1973. 23 R. P. Bell, The Proton in Chemistry, Chapman and Hall, London, 1973. Reacción de desproporción de la N-clorotaurina 123 pKBH-log (q/p) 0 5 10 15 log (kT B/q) o log (kTBH+ /p) -6 -4 -2 0 2 4 6 Figura 10. Representación de Bronsted para la reacción de desproporción de la N-clorotaurina catalizada por bases (●) y para el proceso inverso, la reacción de la N,N-diclorotaurina con la taurina (▲). El hecho de que la reacción de la N-clorotaurina y su forma protonada sea de catálisis básica general sugiere que la transferencia protónica tiene lugar en la etapa lenta determinante de la velocidad. Estos resultados experimentales están de acuerdo con un mecanismo en etapas que implica un equilibrio rápido que da lugar a la N,Ndiclorotaurina protonada como intermedio seguido de una etapa lenta que sería la transferencia protónica al medio. Sin embargo, las dicloraminas protonadas deben ser extremadamente ácidas. Se sabe que el pKa de N-cloraminas protonadas está unas 10 unidades de pKa por debajo del correspondiente a las aminas protonadas de las que derivan, encontrándose en bibliografía valores próximos a cero para distintas cloraminas.24,25 24 J. M. Antelo, F. Arce, J. Franco, M. Sánchez, y A. Varela, Bull. Soc. Chim. Belg., 98, 85, 1989. 25 J. M. Antelo, F. Arce, J. Crugeiras, E. T: Gray, y P. Yebra, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2, 651–655, 1999. 124 Reacción de desproporción de la N-clorotaurina Suponiendo que la sustitución de un segundo átomo de hidrógeno por un átomo de cloro tiene un efecto similar, el pKa de la molécula de N,N-dicloramina protonada sería -10. Por lo tanto su desprotonación en disolución acuosa sería, según la teoría de Eigen26, un proceso controlado por difusión. Estos argumentos sugieren que el intermedio propuesto es demasiado inestable para tener un tiempo de vida significativo en disolución acuosa y evidencian la existencia de un mecanismo concertado, en el cual la desprotonación de una molécula de cloramina neutra y la transferencia de cloro tienen lugar simultáneamente. El valor del parámetro β de Bronsted para la desproporción de la Nclorotaurina es de 0,55, lo que indica que el protón está transferido en un 50% en el estado de transición (Figura 11). Desafortunadamente, los resultados experimentales obtenidos para este proceso no proporcionan medidas de la extensión de la transferencia de cloro en el estado de transición, por lo que no se tiene información de si estos dos procesos, la transferencia protónica y de cloro, tienen lugar al mismo tiempo a lo largo de la coordenada de reacción.27,28 O3S (CH2)2N HH Cl N Cl (CH2)2 H SO3 B  |   + + - - Figura 11. Estado de transición propuesto para la reacción de desproporción de la N-clorotaurina 26 M. Eigen, Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 3, 1, 1964. 27 C. F. Bernasconi, Acc. Chem. Res., 20, 301, 1987. 28 C. F. Bernasconi, Adv. Phys. Org. Chem., 27, 119, 1992. Reacción de desproporción de la N-clorotaurina 125 El mecanismo propuesto para esta reacción se diferencia de los encontrados para la transferencia de cloro desde una cloramina a una amina.29 Este último, implica una protonación rápida de la cloramina en un equilibrio previo a la etapa lenta determinante de la velocidad, y el posterior ataque nucleófilo de la amina sobre el átomo de cloro (Esquema 3). RNH2Cl OH2RNHCl H3O R'NH2RNH2Cl R'NH2Cl RNH2 ++++ ++ ++ Ka k2 lenta Esquema 3 Esta reacción da lugar a una cloramina protonada de pKa mucho mayor que el de la N,N-dicloramina protonada, la cual puede existir como intermedio real en disolución acuosa. La gran inestabilidad de las N,N-dicloraminas protonadas respecto a la cesión de un protón al disolvente es la principal razón por la que la reacción de desproporción de cloraminas tiene lugar a través de un mecanismo concertado.30 29 M. P. Snyder, y D. W: Margerum, Inorg. Chem., 21, 2545, 1982. 30 W. P. Jencks, Chem. Rev., 72, 705, 1972. 132 Reacciones de sustitución nucleófila en N-cloraminas: Evidencia de un cambio de mecanismo al aumentar la reactividad del nucleófilo comercial y fueron posteriormente valoradas con la disolución de NaOH previamente valorada, utilizando fenolftaleína como indicador. Los siguientes tampones se utilizaron para mantener constante el pH del medio en los estudios de la reacción de la N-clorotaurina con distintos nucleófilos: cloroacetato, pH 2,5–3,2; metoxiacetato, pH 3,2–4,0; acetato, pH 4,5–5,2; fosfato, pH 5,8–7,2; ácido N-2-hidroxietil-piperazina-N’-2-etanosulfónico (HEPES), pH 7,6; borato, pH 8,2–9,6; taurina, pH 9,0; 1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropanol (HFIP), pH 8,6–9,9; carbonato, pH 9,4–10,3. En algunos experimentos con ion azida, el nucleófilo también se utilizó como disolución tampón (pH 5,0). Las disoluciones reguladoras de acetatos sustituidos se prepararon pesando las cantidades adecuadas del correspondiente ácido acético sustituido (ácido monocloroacético, ácido metoxiacético o ácido acético), y de NaOH para conseguir el pH deseado. Las disoluciones tampón de fosfato, HEPES, bórico, taurina, HFIP y carbonato fueron preparadas por neutralización de la forma ácida. La disolución tampón de ion azida se preparó añadiendo la cantidad de HClO4 necesaria para obtener el pH deseado. El óxido de deuterio (99,9%D) y el cloruro de deuterio (35% w/w, 99,5%D) utilizados para preparar las disoluciones necesarias para realizar los efectos isotópicos fueron suministrados por Aldrich. Los espectros de las especies implicadas en las distintas reacciones y las cinéticas se realizaron en un espectrofotómetro Cary 500 conectado a un ordenador que recogía los datos absorbancia–tiempo almacenándolos en un disquete para su análisis posterior. El espectrofotómetro utilizado posee un portacubetas termostatado con agua procedente de un termostato. Las cubetas utilizadas son de 1 cm de paso de luz. También para estas medidas de absorbancia en el caso de reacciones rápidas, se empleó un espectrofotómetro de flujo detenido secuencial modelo Applied Photophysics DX17MV, con un programa para el tratamiento de datos. Todas las medidas de pH se realizaron con un pHmetro digital modelo PHM82 Standard de la casa Radiometer Copenagen provisto de un electrodo combinado (vidrio/calomelanos saturado de KCl) Radiometer GK2401C. Este pHmetro se calibró utilizando disoluciones tampón comerciales marca Crison de pH 4,01; 7,00 y 9,21 a 25°C. En las reacciones estudiadas utilizando una técnica Reacciones de sustitución nucleófila en N-cloraminas: Evidencias de un cambio de mecanismo al aumentar la reactividad del nucleófilo 133 espectrofotómetrica convencional, el pH se determinó al final de la reacción. En los experimentos cinéticos de reacciones rápidas, para los cuales se utilizó un espectrofotómetro de flujo detenido, el pH se midió en disoluciones idénticas a las utilizadas en los experimentos realizados en el mencionado equipo. Los valores de pD se obtuvieron sumando 0,4 unidades a la lectura observada en el pH-metro. Los valores de pKa aparentes de los nucleófilos a 25°C y µ = 0,50 M dados por: (pKa)NuH = pH – log ([Nu] / [NuH]) se determinaron a partir del pH de la disolución y de las concentraciones estequiométricas de [Nu] y [NuH]. Todas las experiencias se realizaron manteniendo la fuerza iónica constante mediante la adición de la cantidad de NaClO4 adecuada para que la fuerza iónica fuese 0,5M. El medio de reacción se mantuvo a 25,0±0,1°C. Método cinético En el estudio cinético de la reacción de la N-clorotaurina con distintos nucleófilos se ha utilizado una técnica espectrofotómetrica de flujo detenido en la mayor parte de los casos, registrando los valores de absorbancia del medio de reacción a distintos tiempos a la longitud de onda adecuada en cada uno de los casos. En la unidad de manejo de muestras de este espectrofotómetro hay dos jeringas para introducir las disoluciones en un baño termostatado sin que se mezclen entre sí. En una de las jeringas se introduce la disolución de N-clorotaurina y en otra el ácido o tampón junto al nucleófilo correspondiente y el perclorato sódico para mantener la fuerza iónica constante. El aparato inyecta volúmenes iguales de las disoluciones en la célula donde se produce la reacción. Las concentraciones en la mezcla reaccionante resultan ser la mitad de las concentraciones inyectadas. En el caso de la reacción de N-clorotaurina con ion bromuro, para valores de [H+]<1,00x10-4 M y en el caso de la reacción con tiocianato para valores de [H+]<10-9,5M donde la reacción se hace más lenta, se ha utilizado una técnica espectrofotométrica convencional. En los estudios llevados a cabo con esta técnica se sigue un procedimiento similar: en la cubeta se mezclaban cantidades adecuadas de los reactivos según el siguiente orden: disolución del nucleófilo correspondiente, agua, perclorato sódico y el ácido o tampón correspondiente. Esta disolución se 134 Reacciones de sustitución nucleófila en N-cloraminas: Evidencia de un cambio de mecanismo al aumentar la reactividad del nucleófilo termostataba (unos 10 ó 15 minutos), en el portacubetas del espectrofotómetro a la temperatura a la que se iba a llevar a cabo la reacción (25°C). Una vez termostatada, se añade la N-clorotaurina, se agitaba y comenzaba a contar el tiempo. En todas las medidas cinéticas se utilizó el método de aislamiento, con una concentración de nucleófilo muy superior a la de N-clorotaurina. Los pares de datos absorbancia–tiempo se ajustaban perfectamente a la ecuación integrada de primer orden [3.1], y los valores de la pseuconstante de velocidad de primer orden, kobsd, eran reproducibles en un margen del 5%.    [3.1] tk - AA ln AA ln obsd0t   a) Ion Bromuro La información bibliográfica existente indica que a una longitud de onda de 266nm hay un máximo de absorción debido al ion tribromuro ( -11Br cm40900M ε3 )13 formado rápidamente según el equilibrio (3.1) por reacción del ion bromuro en exceso con el bromo formado en la mezcla de reacción. Br2Br Br +3(3.1) El espectro de la N-clorotaurina presenta una banda de absorción con un máximo en torno a los 250nm. La longitud de onda adecuada para seguir la reacción de la N-clorotaurina con ion bromuro es 266nm, pues ahí se tiene un máximo apreciable y la variación de absorbancia de dicho máximo durante el transcurso de la reacción es bastante grande. Todas las experiencias se llevaron a cabo utilizando una concentración de N-clorotaurina de 2x10-5M manteniendo la fuerza iónica constante 0,5M añadiendo la cantidad necesaria de perclorato sódico y a una temperatura de 25°C. 13 R. C. Beckwith, T.X. Wang, y D. W: Margerum, Inorg. Chem., 35, 995–1000, 1996. Reacciones de sustitución nucleófila en N-cloraminas: Evidencias de un cambio de mecanismo al aumentar la reactividad del nucleófilo 135 (b) Ion Yoduro La información bibliográfica existente indica la presencia de dos bandas de absorción claras que aparecen a longitudes de onda de 287nm (-11Icm40000M ε3 )14 y 353nm ( -11Icm26400M ε3 )15 en el espectro de reacción debidas a la formación del ion triyoduro. El estudio de la reacción de la N-clorotaurina con este ion se llevó a cabo a 287nm ya que, a esa longitud de onda no absorbe apreciablemente ninguna de las especias presentes en el medio de reacción y la variación de absorbancia es óptima para su medida experimental. Todas las experiencias se llevaron a cabo a una concentración de N-clorotaurina de 2x10-5M, fuerza iónica constante 0,5M añadiendo la cantidad adecuada de NaClO4 y a 25°C. (c) Ion Tiocianato Para llevar a cabo las medidas cinéticas de la reacción de la N-clorotaurina con tiocianato se realizaron los espectros de la N-clorotaurina, del tiocianato y de la mezcla de reacción, encontrándose que la banda correspondiente a dicha mezcla se superpone con el máximo de absorbancia de la cloramina (Figura 3.1), por lo que se ha elegido como longitud de onda para el seguimiento de la reacción 270nm, que pertenece a la banda de la N-clorotaurina ( -1-1 TauNHCl cm367M ε), por ser la región del espectro donde se observa una mayor diferencia de absorbancia. 14 R. C. Troy, M. D. Kelley, J. C: Nag, D. W. Margerum, Inorg. Chem., 30, 4838–45, 1991. 15 Krisham Kumar, Richard A. Day, y Dale W. MArgerum, Inorg. Chem., 25, 4344–4350, 1986. 136 Reacciones de sustitución nucleófila en N-cloraminas: Evidencia de un cambio de mecanismo al aumentar la reactividad del nucleófilo 400350300250200 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0  / nm Absorbancia TauNHCl SCN - Mezcla reacción  = 270nm Figura 3.1. Espectro de la mezcla de reacción de la N-clorotaurina con tiocianato a distintos tiempos.[TauNHCl] = 1x10-3M; [NaSCN] = 5x10-2M; [TauNH2] = 1x10-2M; pH = 9,70; μ = 0,5M; ∆t = 5min; T = 25°C. Todas las experiencias se llevaron a cabo utilizando una concentración de N-clorotaurina de 1x10-3M; fuerza iónica constante 0,5M añadiendo la cantidad adecuada de perclorato sódico y temperatura de 25°C. (d) Ion Azida El estudio de la reacción de la N-clorotaurina con este ion se llevó a cabo por competencia con yoduro de forma que las medidas de absorbancia–tiempo se relizaron a la longitud de onda correspondiente al ion triyoduro λ = 287nm (-11Icm40000M ε3 ).16 Todas las experiencias se realizaron utilizando una concentración de N-clorotaurina de 1x10-5M; una concentración de NaI de 2x10-4M a una temperatura 16 R. C. Troy, M. D. Kelley, J. C. Nag, D. W. Margerum, Inorg. Chem., 30, 4838–45, 1991. Reacciones de sustitución nucleófila en N-cloraminas: Evidencias de un cambio de mecanismo al aumentar la reactividad del nucleófilo 137 de 25°C y manteniendo la fuerza iónica constante 0,5M añadiendo la cantidad de NaClO4 necesaria. (e) Ion Sulfito Para llevar a cabo el estudio de este ion se realizaron los espectros de la N-clorotaurina, del ion sulfito y de la mezcla de reacción encontrándose que a 287nm la variación de absorbancia es adecuada para el seguimiento de la reacción (Figura 3.2). 400350300250200 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0  / nm Absorbancia Mezcla reacción TauNHCl SO 3 2Figura 3.2. Espectro de la mezcla de reacción de la N-clorotaurina con ion sulfito a distintos tiempos. [TauNHCl] = 1x10-3M; [Na2SO3] = 5x10-2M; [Na2HPO4] = 0,05M; pH = 7,30; ∆t = 0,3min; T = 25°C. Todas las experiencias se realizaron utilizando una concentración de Nclorotaurina de 2x10-4M excepto las influencias de tampones de ácido metoxiacético, ácido acético y las influencias de sulfitos a distintos valores de pH donde se utilizó una concentración de N-clorotaurina de 5x10-4M mientras se mantenía constante la fuerza iónica (0,5M) y la temperatura del medio de reacción a 25°C. 138 Reacciones de sustitución nucleófila en N-cloraminas: Evidencia de un cambio de mecanismo al aumentar la reactividad del nucleófilo Las disoluciones de sulfito se oxidan fácilmente en presencia de O2. Esta descomposición también puede ser causada por determinados microorganismos. Por otra parte, una vez iniciada la descomposición, esta se acelera cuando la disolución es expuesta a la luz. Debido a esto, una vez realizadas las medidas de absorbancia– tiempo se valoraron las disoluciones mediante un método yodométrico.17 El yodo reacciona con el ion sulfito de acuerdo con la ecuación: SO3I2OH2SO4H+I 2222 + + ++ Para obtener buenos resultados en estas valoraciones han de utilizarse disoluciones diluidas, debe adicionarse la disolución de sulfito sobre la de yodo y evitar lo más posible la exposición de sulfito al aire. El indicador clásico en las yodometrías es la disolución de almidón. (f) 2–Mercaptoetanol Con el fin de llevar a cabo el estudio de la reacción de la N-clorotaurina con 2-mercaptoetanol se realizó el espectro de las especies implicadas en ella así como de la mezcla de reacción encontrándose que la longitud de onda adecuada para el seguimiento de este proceso es 250nm. 17 I. M. Kolthoff, R. Belcher, V. A Stenger, G. Matsuma In Volumetric Analysis; Interscience Publishers Ltd.: London, Vol. III, 1957. Reacciones de sustitución nucleófila en N-cloraminas: Evidencias de un cambio de mecanismo al aumentar la reactividad del nucleófilo 139 400350300250200 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0  / nm Absorbancia TauNHCl 2-MCE Mezcla reacción Figura 3.3. Espectro de la mezcla de reacción de la N-clorotaurina con 2-mercaptoetanol a distintos tiempos. [TauNHCl] = 5x10-4M; [2-MCE] = 5x10-3M; [NaH2PO4] = 5x10-2M; pH = 6,84; ∆t = 6min; T = 25°C. Todas las experiencias se realizaron utilizando una concentración de Nclorotaurina de 5x10-4M, manteniendo la fuerza iónica constante 0,5M y el medio de reacción a una temperatura de 25°C. (g) 2-(metiltio)etanol Se realizaron los espectros de todas las especies implicadas así como de la mezcla de reacción de la N-clorotaurina con 2-(metiltio)etanol encontrándose que la longitud de onda adecuada para el estudio de esta reacción es 240nm. 140 Reacciones de sustitución nucleófila en N-cloraminas: Evidencia de un cambio de mecanismo al aumentar la reactividad del nucleófilo  / nm 200 250 300 350 400 Absorbancia 0 1 2 3 2-MMCE TauNHCl  / nm 225 230 235 240 245 250 Absorbancia 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 2-MMCE mezcla reacción mezcla reacción Figura 3.4. Espectro de la mezcla de reacción de la N-clorotaurina con 2-(metiltio)etanol a distintos tiempos. [TauNHCl] = 5x10-4M; [2-MMCE] = 5x10-3M; [Na2HPO4] = 5x10-2M; pH = 6,98; ∆t = 6min; T = 25°C. Todas las experiencias fueron realizadas utilizando una concentración de Nclorotaurina de 5x10-4M manteniendo constante la fuerza iónica 0,5M y la temperatura del medio de reacción a 25°C. Cálculos mecanocuánticos Todos los cálculos se realizaron utilizando el programa Gaussian 03.(18) Las geometrías moleculares se optimizaron utilizando el método DFT/UB3LYP y las bases 6–31 + G(d). Los cálculos de frecuencia se llevaron a cabo para caracterizar todos los puntos estacionarios como mínimos o estados de transición sobre la superficie de energía potencial. Los cálculos DFT/UB3LYP con diferentes bases (6–311G**, CEP121g o aug–cc–pVTZ) y los cálculos MP2/6–31G* dieron prácticamente los mismos resultados. Los efectos del disolvente se simularon a 300,0 K mediante el 18 M. J. Frisch et al. Gaussian 2003; Gaussian, Inc.: Pittsburgh, PA, 2003. Reacciones de sustitución nucleófila en N-cloraminas: Evidencias de un cambio de mecanismo al aumentar la reactividad del nucleófilo 141 modelo PCM (modelo del continuo polarizable) utilizando un radio de Pauling para los átomos de soluto con un coeficiente de escala de 1,21 y la superficie interna de la cavidad particionada en 70 elementos. Resultados Para todos los iones estudiados se observó la existencia de una relación lineal entre la pseudoconstante de velocidad de primer orden, kobsd, y la concentración de nucleófilo: kobsd = (k2)obsd [Nu–]T [3.2] 0,120,10,080,060,040,020 200 150 100 50 0 [NaI] / M k obsd / s -1 0,060,050,040,030,020,010 30 20 10 0 [2-MMCE] / M kobsd / s-1 Figura 3.5. Influencia de la concentración de nucleófilo sobre la constante de velocidad observada. (●) Ion yoduro: [TauNHCl] = 2x10-5M; [Na2HPO4] = 0,05M; μ = 0,5M; λ = 287nm; T = 25°C; (■) 2–(metiltio)etanol: [TauNHCl] = 5x10-4M; [Na2HPO4] = 0,05M; pH = 6,55; μ = 0,5M; λ = 240nm; T = 25°C. Así, las constantes de velocidad observadas de segundo orden, (k2)obsd (M-1s-1), para las reacciones de Br–,  3 N; SCN–; I–; HOCH2CH2SCH3 y HOCH2CH2S– con N-clorotaurina, en presencia de disoluciones reguladoras a 25°C y fuerza iónica 0,5M, fueron determinadas a partir de las pendientes de los ajustes lineales de la pseudoconstante de primer orden, kobsd (s-1) frente la concentración total de nucleófilo o como (k2)obsd = kobsd / [Nu–]T. Las constantes de velocidad (k2)obsd para 244 Anexo II Tabla II 73. (Continuación) Nucleófilo Tampón o ácido pH [Nu] / M (k2)obsd a (M-1s-1) 2 3 SO  0,08 M 24 HPO  7,18 2,58x10-3 2,82x103 0,05 M 24 HPO  7,13 5x103 –5x102 2,31x10 3 0,02 M B(OH)3 8,19 2,58x103 64,1 0,04 M B(OH)3 8,24 2,58x103 89,2 0,06 M B(OH)3 8,25 2,58x103 112 0,08 M B(OH)3 8,26 2,58x103 132 0,12 M B(OH)3 8,23 2,58x103 169 0,02 M B(OH)3 8,35 2,63x103 62,5 0,04 M B(OH)3 8,35 2,63x10-3 85,0 0,06 M B(OH)3 8,33 2,63x103 109 0,08 M B(OH)3 8,31 2,63x103 130 0,12 M B(OH)3 8,30 2,63x103 172 0,02 M B(OH)3 9,53 2,72x103 18,5 0,04 M B(OH)3 9,58 2,72x103 25,9 0,06 M B(OH)3 9,60 2,72x103 30,9 0,08 M B(OH)3 9,63 2,72x103 35,0 0,02 M 3 HCO 9,40 2,58x103 18,4 0,04 M 3 HCO 9,43 2,58x103 24,7 0,06 M 3 HCO 9,43 2,58x103 30,9 0,08 M 3 HCO 9,44 2,58x103 36,9 0,12 M 3 HCO 9,45 2,58x103 47,7 0,02 M 3 HCO 10,20 2,63x103 12,2 0,04 M 3 HCO 10,24 2,63x103 13,7 0,06 M 3 HCO 10,28 2,63x103 15,2 Anexo II 245 Tabla II 73. (Continuación) Nucleófilo Tampón o ácido pH [Nu] / M (k2)obsd a (M-1s-1) 2 3 SO  0,08 M 3 HCO 10,31 2,63x10-3 16,2 0,12 M 3 HCO 10,31 2,63x103 19,3 a Determinadas como la pendiente del ajuste lineal de kobsd (s-1) frente la concentración total de nucleófilo o como (k2)obsd = kobsd / [Nu]T. b Ácido N-2-hidroxietil-piperazina-N’-2-etanosulfónico. Tabla II 74. Energías electrónicas, Densidades electrónicas de spin y Cargas atómicas de la forma reducida de la N-clorotaurina protonada (1–H) calculadas como una función de la distancia N–Cl. Fase Gas a d (N• • •Cl) / Å E (hartrees) ρ(N) ρ(Cl) q(N) q(Cl) 1,600 -1218,5317 -0,67 0,95 -0,03 -0,69 1,800 -1218,5968 0,25 0,72 -0,76 -0,46 2,000 -1218,6397 0,40 0,60 -0,79 -0,40 2,200 -1218,6592 0,45 0,56 -0,76 -0,41 2,400 -1218,6652 0,47 0,53 -0,73 -0,44 2,468 -1218,6655 0,47 0,52 -0,71 -0,45 2,600 -1218,6647 0,49 0,50 -0,69 -0,47 2,800 -1218,6614 0,51 0,47 -0,65 -0,50 3,000 -1218,6587 0,71 0,24 -0,48 -0,63 3,200 -1218,6564 0,68 0,26 -0,51 -0,64 3,400 -1218,6533 0,63 0,29 -0,56 -0,64 3,600 -1218,6507 0,51 0,35 -0,61 -0,60 3,800 -1218,6484 0,43 0,39 -0,70 -0,58 4,000 -1218,6466 0,37 0,42 -0,68 -0,56 4,200 -1218,6453 0,3 0,45 -0,71 -0,54 4,400 -1218,6444 0,25 0,47 -0,73 -0,52 5,000 -1218,6431 0,15 0,52 -0,77 -0,48 a DFT UB3LYP/6–31 + G(d). 246 Anexo II Tabla II 74. (Continuación). Disolución Acuosa b d (N• • •Cl) / Å E (hartrees) ρ(N) ρ(Cl) q(N) q(Cl) 1,600 -1218,6223 -0,35 1,09 -0,29 -0,81 1,800 -1218,6950 0,31 0,69 -0,81 -0,48 2,000 -1218,7376 0,43 0,58 -0,82 -0,44 2,400 -1218,7626 0,54 0,46 -0,74 -0,51 2,600 -1218,7648 0,58 0,41 -0,68 -0,57 2,800 -1218,7594 0,65 0,33 -0,62 -0,65 3,000 -1218,7523 0,88 0,09 -0,38 -0,81 3,200 -1218,7520 0,91 0,06 -0,37 -0,86 3,400 -1218,7514 0,93 0,03 -0,38 -0,91 b DFT UB3LYP/6–31 G(d) y PCM. Tabla II.75. Energías calculadas de los posibles productos formados en la Reducción de la Nclorotaurina protonada (1–H) en Fase Gas y en Disolución Acuosa. Fase Gas E (hartrees) a Disolución acuosa E (hartrees) b Cl– -460,2747 -460,3885 HO3SCH2CH2NH• -758,3258 -758,3537 Cl• -460,1383 -460,1445 – O3SCH2CH2NH2 -758,4766 -758,5875 a DFT UB3LYP/6–31 + G(d). b DFT UB3LYP/6–31 + G(d) y PCM. Anexo II 247 Tabla II.76. Energías de Reactivos, Productos e hipotéticos Intermedios para la reacción de ion bromuro con N-clorotaurina protonada (1–H) en Fase Gas y en Disolución Acuosa. Fase Gas E (hartrees) a Disolución acuosa E (hartrees) b –O3SCH2CH2NH2Cl+ (1–H) -1218,4885 -1218,5755 Br – -2571,8032 -2571,9071 – O3SCH2CH2NH2 -758,4766 -758,5875 ClBr -3031,8901 -3031,8912 Cl+ -459,5798 -459,7171 – O3SCH2CH2NH2ClBr -3790,4050 -3790,5062 a DFT UB3LYP/6–31 + G(d). b DFT UB3LYP/6–31 + G(d) y PCM.    Anex o Dato s amin a o III: s para a s en d la tra d isolu c nsfere c ión acncia d uosa d e clo r r o ent r  r e  Anexo III 251 BENCILAMINA (BA) Tabla III.1. Influencia de la concentración de bencilamina con Taurina a pH constante sobre kobsd para la reacción de la N-clorotaurina con bencilamina. [TauNHCl] = 3x10-4M; [TauNH2] = 5x10-3M; [NaH2PO4] = 0,10M; μ = 0,50M; pH = 6,46 λ = 230nm; T = 25°C. [BA] / M kobsd / s-1 pH 3x10-3 (5,09±0,04)x10-4 6,45 6x103 (7,41±0,02)x104 6,45 1x102 (1,04±0,05)x103 6,45 2x102 (1,66±0,05)x103 6,47 3x102 (2,21±0,01)x103 6,46 Tabla III.2. Influencia de la concentración de bencilamina con Taurina a pH constante sobre kobsd para la reacción de la N-clorotaurina con bencilamina. [TauNHCl] = 3x10-4M; [TauNH2] = 1x10-2M; [NaH2PO4] = 0,10M; μ = 0,50M; pH = 6,50 λ = 230nm; T = 25°C. [BA] / M kobsd / s-1 pH 3x10-3 (9,28±0,050)x10-4 6,50 6x103 (1,14±0,003)x103 6,50 1x102 (1,40±0,005)x103 6,50 2x102 (1,99±0,010)x103 6,50 3x102 (2,50±0,023)x103 6,50 Tabla III.3. Influencia de la concentración de bencilamina con Taurina a pH constante sobre kobsd para la reacción de la N-clorotaurina con bencilamina. [TauNHCl] = 3x10-4M; [TauNH2] = 2x10-2M; [NaH2PO4] = 0,10M; μ = 0,50M; pH = 6,50 λ = 230nm; T = 25°C. [BA] / M kobsd / s-1 pH 3x10-3 (1,68±0,02)x10-3 6,50 6x103 (1,80±0,01)x103 6,50 1x102 (2,08±0,01)x103 6,50 2x102 (2,67±0,02)x103 6,50 3x102 (3,24±0,04)x103 6,50 Tabla III.4. Influencia de la concentración de bencilamina con Taurina a pH constante sobre kobsd para la reacción de la N-clorotaurina con bencilamina. [TauNHCl] = 3x10-4M; [TauNH2] = 3x10-2M; [NaH2PO4] = 0,10M; μ = 0,50M; pH = 6,50 λ = 230nm; T = 25°C. [BA] / M kobsd / s-1 pH 3x10-3 (2,54±0,05)x10-3 6,49 6x103 (2,62±0,03)x103 6,49 1x102 (3,08±0,03)x103 6,50 2x102 (3,47±0,03)x103 6,50 3x102 (4,17±0,07)x103 6,50 252 Anexo III Tabla III.5. Influencia de la concentración de bencilamina con Taurina a pH constante sobre kobsd para la reacción de la N-clorotaurina con bencilamina. [TauNHCl] = 3x10-4M; [TauNH2] = 4x10-2M; [NaH2PO4] = 0,10M; μ = 0,50M; pH = 6,49; λ = 230nm; T = 25°C. [BA] / M kobsd / s-1 pH 3x10-3 (3,38±0,15)x10-3 6,49 6x103 (3,30±0,07)x103 6,49 1x102 (3,52±0,05)x103 6,49 2x102 (4,16±0,05)x103 6,49 3x102 (4,69±0,08)x103 6,49 Tabla III.6. Influencia de la concentración de bencilamina a concentración de Taurina constante y tampón fosfato de un 20% de base libre sobre kobsd para la reacción de la N-clorotaurina con bencilamina. [TauNHCl] = 3x10-4M; [TauNH2] = 5x10-3M; [NaH2PO4] = 0,03M; μ = 0,50M; pH = 5,81 λ = 230nm; T = 25°C. [BA] / M kobsd / s-1 pH 3x10-3 (6,03±0,027)x10-4 5,80 6x103 (7,59±0,018)x104 5,81 1x102 (9,69±0,073)x104 5,81 2x102 (1,66±0,006)x103 5,80 3x102 (2,23±0,001)x103 5,81 Tabla III.7. Influencia de la concentración de bencilamina a concentración de Taurina constante y tampón fosfato de un 20% de base libre sobre kobsd para la reacción de la N-clorotaurina con bencilamina. [TauNHCl] = 3x10-4M; [TauNH2] = 5x10-3M; [NaH2PO4] = 0,05M; μ = 0,50M; pH = 5,82 λ = 230nm; T = 25°C. [BA] / M kobsd / s-1 pH 3x10-3 (5,37±0,015)x10-4 5,82 6x103 (7,52±0,018)x104 5,82 1x102 (9,71±0,033)x104 5,81 2x102 (1,68±0,005)x103 5,81 3x102 (2,26±0,013)x103 5,82 Anexo III 253 Tabla III.8. Influencia de la concentración de bencilamina a concentración de Taurina constante y tampón fosfato de un 20% de base libre sobre kobsd para la reacción de la N-clorotaurina con bencilamina. [TauNHCl] = 3x10-4M; [TauNH2] = 5x10-3M; [NaH2PO4] = 0,10M; μ = 0,50M; pH = 5,83 λ = 230nm; T = 25°C. [BA] / M kobsd / s-1 pH 3x10-3 (5,32±0,020)x10-4 5,82 6x103 (7,80±0,025)x104 5,83 1x102 (1,05±0,003)x103 5,83 2x102 (1,70±0,005)x103 5,82 3x102 (2,26±0,013)x103 5,83 Tabla III.9. Influencia de la concentración de bencilamina a concentración de Taurina constante y tampón fosfato de un 20% de base libre sobre kobsd para la reacción de la N-clorotaurina con bencilamina. [TauNHCl] = 3x10-4M; [TauNH2] = 5x10-3M; [NaH2PO4] = 0,15M; μ = 0,50M; pH = 5,85 λ = 230nm; T = 25°C. [BA] / M kobsd / s-1 pH 3x10-3 (5,17±0,020)x10-4 5,85 6x103 (7,76±0,077)x104 5,85 1x102 (1,12±0,017)x103 5,85 2x102 (1,66±0,005)x103 5,84 3x102 (2,36±0,015)x103 5,85 Tabla III.10. Influencia de la concentración de bencilamina a concentración de Taurina constante y tampón fosfato de un 50% de base libre sobre kobsd para la reacción de la Nclorotaurina con bencilamina. [TauNHCl] = 3x10-4M; [TauNH2] = 5x10-3M; [NaH2PO4] = 0,03M; μ = 0,50M; pH = 6,45 λ = 230nm; T = 25°C. [BA] / M kobsd / s-1 pH 3x10-3 (5,81±0,022)x10-4 6,44 6x103 (7,82±0,018)x104 6,46 1x102 (1,07±0,003)x103 6,46 2x102 (1,66±0,005)x103 6,45 3x102 (2,24±0,012)x103 6,45 Tabla III.11. Influencia de la concentración de bencilamina a concentración de Taurina constante y tampón fosfato de un 50% de base libre sobre kobsd para la reacción de la Nclorotaurina con bencilamina. [TauNHCl] = 3x10-4M; [TauNH2] = 5x10-3M; [NaH2PO4] = 0,05M; μ = 0,50M; pH = 6,48 λ = 230nm; T = 25°C. [BA] / M kobsd / s-1 pH 3x10-3 (5,49±0,017)x10-4 6,48 6x103 (8,01±0,025)x104 6,48 1x102 (1,06±0,003)x103 6,48 2x102 (1,69±0,005)x103 6,48 3x102 (2,29±0,013)x103 6,47    Anex o Artíc u o IV: u los p u u blica d d os / a c c eptad o o s      Nucleophilic Substitution Reactions of N-Chloramines: Evidence for a Change in Mechanism with Increasing Nucleophile Reactivity Paula Calvo, Juan Crugeiras,* Ana R´os,andMiguelA.R´os Departamento de Qu´mica F´sica, Facultad de Qu´mica, UniVersidad de Santiago, 15782 Santiago de Compostela, Spain [email protected] ReceiVed NoVember 15, 2006 Third-order rate constants (kNu)H(M-2s-1) for the hydronium ion catalyzed reactions of a range of nucleophiles with N-chlorotaurine (1) in water at 25 CandI)0.5 (NaClO4) are reported. The solvent deuterium isotope effects on hydronium ion catalysis of the reaction with 1of bromide and iodide ion are (kBr)H/(kBr)D)0.30 and (kI)H/(kI)D)0.54, respectively. The inverse nature of these isotope effects and the absence of general acid catalysis are consistent with a stepwise mechanism involving protonation of 1in a fast preequilibrium step. The appearance of strong catalysis by general acids for the reaction of the more nucleophilic SO32-and HOCH2CH2S-with the chloramine indicates a change to a concerted mechanism, with protonation of the chloramine at nitrogen and chlorine transfer to the nucleophile occurring in a single step. A rough estimate of the lifetime of the protonated chloramine in the presence of the thiolate anion suggests that the concerted mechanism is enforced by the absence of a significant lifetime of the protonated substrate in contact with the nucleophile. Theoretical calculations provide evidence against an electron-transfer mechanism for chlorination of the nucleophiles by protonated 1. Introduction It is well-known that N-chloro compounds are formed in vivo and play an important role in immunity.1Activated phagocytes generate a large number of highly reactive oxidants, including hypochlorous acid (HOCl), a product of the myeloperoxidaseH2O2-Cl-system. HOCl is the major microbiocidal agent in neutrophils, but its excessive production leads to tissue damage. Taurine, a sulfur-containing amino acid (-O3SCH2CH2NH3+) present in mammalian plasma and cells, acts as a major trap for HOCl forming the more stable and weaker oxidant taurine chloramine (-O3SCH2CH2NHCl (1)).2This species exerts a protective effect in neutrophils and helps to preserve the bacteriocidal potential for prolonged periods. Recent studies suggest that 1may function as a physiological modulator of inflammation, inhibiting the production of proinflammatory agents.3 The large number of reports in the literature on the biological activity of 1, nowadays a very active area of research, shows the crucial role that this N-chloro amino acid plays in the human immune system.4,5 In contrast, there have been few studies of the chemical reactivity of this compound, despite its importance in biology and medicine. Although the chemical properties of 1have been analyzed recently,6kinetic studies which could (1) Thomas, E. L.; Learn, D. B. In Peroxidases in Chemistry and Biology; Everse, J., Everse, K. E., Grisham, M. B., Eds.; CRC Press: Boca Raton, FL, 1991; Vol. 1, pp 83-103. (2) Marquez, L. A.; Dunford, H. B. J. Biol. Chem. 1994,269, 79507956. (3) Marcinkiewicz, J.; Grabowska, A.; Bereta, J.; Stelmaszyn˜ska,T.J. Leukocyte Biol. 1995,58, 667-674. 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Chem. 2009,74, 5381–5389 5381 r2009 American Chemical Society pubs.acs.org/joc Kinetic and Thermodynamic Barriers to Chlorine Transfer between Amines in Aqueous Solution Paula Calvo, Juan Crugeiras,* and Ana Rı ´os Departamento de Quı´mica Fı´sica, Facultad de Quı´mica, Universidad de Santiago, 15782 Santiago de Compostela, Spain [email protected] Received April 28, 2009 Third-order rate constants for the acid-catalyzed reversible reaction of N-chlorotaurine with benzylamine and dimethylamine were determined in water at 25 °CandI= 0.5 (NaClO 4 ). The reaction with benzylamine shows inverse solvent deuterium isotope effects of k H /k D =0.57 and 0.47 in the forward and reverse directions, respectively. These isotope effects, together with the absence of detectable general acid catalysis for this reaction, provide evidence for a stepwise mechanism involving fast equilibrium protonation of N-chlorotaurine followed by rate-determining chlorine transfer from the protonated chloramine to benzylamine. The observation of strong catalysis by general acids of the reaction of dimethylamine with N-chlorotaurine suggests a change to a concerted mechanism with proton and chlorine transfer occurring in a single step. This change in mechanism is enforced by the absence of a significant lifetime for protonated chlorotaurine in contact with this strongly nucleophilic amine. The kinetic and thermodynamic parameters for the reaction between protonated chlorotaurine and benzylamine are used to estimate a Marcus intrinsic reaction barrier of ΔG 0 q = 4.1 kcal/mol for chlorine transfer between amines. Comparison of this intrinsic barrier with those reported previously for bromine transfer between carbanions points to the existence of certain similarities between halogen and proton transfer reactions. Introduction N-Chloramines play a significant role in important biological processes. They have been implicated as intermediates in the myeloperoxidase/H 2 O 2 /Cl - initiated oxidation of biomolecules, which is involved in the microbiocidal response of phagocytic cells. 1-3 More recently, it has been suggested that a lysine chloramine is the chlorinating species responsible for conversion of free tryptophan to 7-chlorotryptophan at the active site of the flavin-dependent halogenase RebH. 4,5 N-Chloramines are formed in vivo by reaction of HOCl with amino groups of amino acids, peptides, and proteins. 6 These N-chloro compounds are longer lived than HOCl but retain an effective oxidizing and chlorinating capacity, being able to react with a variety of nucleophilic groups in biological substrates. In the past few years, significant efforts have been made to identify possible targets for N-chloramines in biological systems. 7-12 However, relatively little is known about the mechanisms (1) Takeshita, J.; Byun, J.; Nhan, T. Q.; Pritchard, D. K.; Pennathur, S.; Schwartz, S. M.; Chait,A.; Heinecke, J. W. J. Biol. Chem. 2006,281, 3096–3104. (2) Kulcharyk, P. A.; Heinecke, J. W. Biochemistry 2001,40, 3648–3656. (3) Pattison, D. I.; Davies, M. J. Curr. Med. Chem. 2006,13, 3271–3290. (4) Yeh, E.; Blasiak, L. C.; Koglin, A.; Drennan, C. L.; Walsh, C. T. Biochemistry 2007,46, 1284–1292. (5) Flecks, S.; Patallo, E. P.; Zhu, X.; Ernyei, A. J.; Seifert, G.; Schneider, A.; Dong, C.; Naismith, J. H.; van Pee, K.-H. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 9533–9536. (6) Hawkins, C. L.; Pattison, D. I.; Davies, M. J. Amino Acids 2003,25, 259–274. (7) Peskin, A. V.; Winterbourn, C. C. Free Radical Biol. Med. 2001,30, 572–579. (8) Peskin, A. V.; Winterbourn, C. C. Free Radical Biol. Med. 2003,35, 1252–1260. (9) Peskin, A. V.; Midwinter, R. G.; Harwood, D. T.; Winterbourn, C. C. Free Radical Biol. Med. 2004,37, 1622–1630. (10) Prutz, W. A.; Kissner, R.; Koppenol, W. H. Arch. Biochem. Biophys. 2001,393, 297–307. (11) Pattison, D. I.; Davies, M. J. 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