Revista de la Societat Catalana de Química

COBERTA Revista Quimica 17.pdf 1 07/11/2018 13:05:25

Societat Catalana Química Revista de la

de

Revista anual de la SCQ, filial de l’Institut d’Estudis Catalans

17 / 2018 URL: http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ ISSN: 2013-9853

Institut d’Estudis Catalans

Revista Quimica 17.indd 4

07/01/2019 16:00:31

Revista de la

Societat Catalana de Química

Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

1 7 / 2018 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

REVISTA ANUAL ISSN: 2013-9853 Dipòsit Legal: B 40794-2000

Revista Quimica 17.indd 1

07/01/2019 16:00:31

Societat Catalana de Química

Caràcter de la revista

Filial de l’Institut d’Estudis Catalans President: Carles Bo i Jané Vicepresidenta: Nora Ventosa i Rull Secretari: Gregori Ujaque Pérez Tresorer: Ramón Sayós Ortega Vocals: Consol Blanch Colat Aureli Caamaño Ros Joan Cirujeda Ranzenberger Jordi Cuadros Margarit Josefina Guitart Mas Montserrat Heras Corominas Ciril Jimeno Mollet Rosa Maria Marcé Recasens Pere Grapí Vilumara Delegat de l’IEC: Àngel Messeguer Peypoch

Revista de la Societat Catalana de Química

La revista de la societat catalana de química, adreçada al col·lectiu de químics i estudiants avançats de grau i màster, publica articles de divulgació de química i ciències frontereres. Alhora, també pot incloure seccions i apartats sobre història, docència, Internet, documentació, actualitat i altres temes.

En general, els articles que es publiquen a la revista són per invitació expressa del Consell Editorial, i corresponen a conferenciants que han participat en actes de la Societat i a persones premiades en les diverses convocatòries públiques (Premis de Recerca, Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans...). No obstant això, si hi ha altres persones interessades a publicar-hi un treball, han de fer-ho saber al Consell Editorial i indicar-ne el contingut i la llargada aproximada, i aquest en valorarà l’adequació a la línia editorial de la revista.

Poden ser articles de treball de recerca originals o de revisió. Cal tenir present que els lectors de la revista poden ser químics de qualsevol especialitat i, per això, es demana als autors que facin un esforç especial a fi de facilitar la comprensió dels seus treballs.

Director: Carles Bo i Jané (ICIQ) Consell Editorial: Ciril Jimeno Mollet (IQAC-CSIC) i Montserrat Heras Corominas (UdG) Revisió lingüística: Unitat de Correcció del Servei Editorial de l’IEC

Normes de publicació Les normes detallades de publicació es poden trobar a la pàgina web de la

© dels autors dels articles Editat per la Societat Catalana de Química, filial de l’Institut d’Estudis Catalans Carrer del Carme, 47. 08001 Barcelona Telèfon: +34 935 529 106 Fax: +34 932 701 180 A/e: rscq@iec.cat

revista:

http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ Aquesta obra està subjecta —llevat que s’indiqui el contrari en el text, en les fotografies o en altres il·lustracions— a una llicència Reconeixement - No comercial - Sense obres derivades 3.0 Espanya de Creative Commons, el text complet de la qual es pot consultar a http://creativecommons.org/licenses/

REVISTA ANUAL ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) Dipòsit Legal: B 40794-2000

by-nc-nd/3.0/es/deed.ca.

Així, doncs, s’autoritza el públic en general a reproduir, distribuir i comunicar l’obra sempre que se’n reconegui l’autoria i l’entitat que la publica i no se’n faci un ús comercial ni cap obra derivada.

Revista Quimica 17.indd 2

07/01/2019 16:00:31

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 3 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Sumari

Editorial

p. 5

Pèptids terapèutics comercialitzats en el nostre país per Lidia Feliu i Marta Planas

p. 7

Aportacions de la cromatografia al coneixement dels lípids: olis i greixos per Miquel Gassiot, Lluís Comellas, Francesc Broto, Cristina Ribas, Gemma Gotor i Aracely Guadalupe Artiga

p. 17

Enginyeria de quitinases de la família GH18 per a l’obtenció de polímers de quitosà amb seqüències definides per Cristina Alsina, Almudena Aranda-Martínez, Enea Sancho-Vaello, Xevi Biarnés, Magda Faijes i Antoni Planas

p. 32

Estimació del coeficient de distribució octanol-aigua de compostos àcids mitjançant un sistema de cromatografia electrocinètica de microemulsions per Alejandro Fernández-Pumarega, Susana Amézqueta, Elisabet Fuguet i Martí Rosés

p. 45

Disseny d’un ànode molecular capaç de realitzar un milió de cicles en la catàlisi d’oxidació d’aigua per Jordi Creus, Roc Matheu, Itziar Peñafiel, Dooshaye Moonshiram, Pascal Blondeau, Jordi Benet-Buchholz, Jordi García-Antón, Xavier Sala, Cyril Godard i Antoni Llobet

p. 52

Control de la reactivitat amb interruptors moleculars fotoinduïts per Marc Villabona, Gonzalo Guirado i Jordi Hernando

p. 59

Estudi del comportament de les nanopartícules de plata en sòls agrícoles per Laura Torrent, Mònica Iglesias, Francisco Laborda, Eva Marguí i Manuela Hidalgo

p. 74

Estructura electrònica i propietats de sistemes multifuncionals: materials derivats del bisditiazolil per Cristina Roncero, Mercè Deumal, Jordi Ribas i Ibério de P. R. Moreira

p. 86

Exploració d’efectes estèrics de substituents en lligands a l’spin crossover de complexos de Fe(II) per Carlos Bartual-Murgui, Sergi Vela, Mohanad Darawsheh, Rosa Diego, Simon Teat, Olivier Roubeau i Guillem Aromí

p. 96

Nanomaterials amb propietats magnètiques i plasmòniques: nanotriangles d’or decorats amb nanopartícules d’òxid de ferro superparamagnètiques per Miquel Torras, Adrià Gordillo i Anna Roig

p. 107

Entrevista a Jordi Arbiol amb motiu de la commemoració del Premi Nobel de Química 2017

p. 120

Químics catalans al món: Jordi Burés, Universitat de Manchester (Regne Unit)

p. 126

Professor Josep Castells i Guardiola (1925-2018), in memoriam

p. 129

Activitats destacades de la Societat Catalana de Química

p. 132

3

Revista Quimica 17.indd 3

07/01/2019 16:00:31

Revista Quimica 17.indd 4

07/01/2019 16:00:31

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 5-6 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Editorial

U

n any més, la revista de la societat catalana de química publica un nou número, i enguany arribem al dissetè. Els articles d’aquesta edició han estat escrits majoritàriament pels joves investigadors que van participar en la X Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans, celebrada els dies 29 i 30 de gener de 2018 a la seu de l’Institut d’Estudis Catalans (Barcelona), i que van ser distingits en algun dels diferents simposis celebrats. A més, també hi trobareu un article del jove estudiant guanyador del premi al millor treball de fi de grau (TFG) del grau de química del curs 2015-2016. L’edició actual es complementa amb dos articles de revisió d’investigadors catalans de primer nivell, una entrevista al professor Jordi Arbiol, de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), i la secció habitual «Químics catalans al món». Així mateix, en l’edició d’enguany hem volgut recordar la figura del professor Josep Castells i Guardiola, que ens va deixar el passat 30 de juliol. Finalment, tanca aquest número el resum de les activitats destacades de la Societat Catalana de Química durant el curs 2017-2018.

Aquesta dissetena edició s’inicia amb el treball de les doctores Marta Planas i Lidia Feliu, de la Universitat de Girona, que ens presenten un revisió dels pèptids terapèutics que formen part de medicaments en el nostre país. De tots ells, en aquest article se n’analitzen les característiques estructurals, l’ús terapèutic i la via d’administració. A continuació, el doctor i professor emèrit de la Universitat Ramon Llull a l’Institut Químic de Sarrià Miquel Gassiot, juntament amb investigadors de la seva universitat, ens presenten un treball de revisió sobre les aportacions de la cromatografia de gasos al coneixement dels lípids. En aquest article es descriu com aquesta tècnica analítica ha permès caracteritzar olis, greixos i materials lipídics mitjançant el desenvolupament de mètodes ràpids i de gran reproductibilitat.

Tot seguit, trobarem els set articles dels joves investigadors premiats per les seves comunicacions orals en els diferents simposis de la X Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans. El primer correspon al treball de Cristina Alsina, guanyadora del simposi «Biomolècules, metal·lobiomolècules i biomimetisme». En aquest article es descriu la modificació del centre actiu de quitinases de la família GH18 per a utilitzar-les com a eina sintètica. L’investigador Alejandro Fernández-Pumarega, guanyador del simposi «Metodologia analíti-

Revista Quimica 17.indd 5

ca», ens detalla un nou mètode de determinació de la lipofilicitat de substàncies àcides parcialment ionitzades mitjançant la cromatografia electrocinètica de microemulsions.

A continuació, el guanyador del simposi «Catàlisi», el doctorand Jordi Creus, ens presenta un treball sobre la immobilització d’un complex molecular altament actiu en l’oxidació de l’aigua, el qual és capaç de fer un milió de cicles catalítics.

L’investigador Marc Villabona, guanyador del simposi «Materials i química de l’estat sòlid», ens descriu, en el seu article, estratègies per al control de la reactivitat química amb interruptors moleculars fotoinduïts i la seva possible ampliació en la captura i l’emmagatzematge reversible de CO2. En el treball següent, l’estudiant de doctorat Laura Torrent, guanyadora del simposi «Medi ambient i qualitat de vida», ens descriu un estudi sobre el comportament de nanopartícules de plata en sòls agrícoles. La investigadora Cristina Roncero, guanyadora del simposi «Teoria i modelatge», ens presenta un treball sobre modelització de la conducció elèctrica en materials multifuncionals derivats del bisditiazolil. El darrer treball sortit de la X Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans correspon a l’estudiant de doctorat Rosa Diego, guanyadora del simposi «Metodologia sintètica de compostos orgànics i inorgànics».

En aquest article s’analitzen els efectes estèrics de substituents en lligands a l’spin crossover de complexos de Fe(II).

Els articles d’investigació d’aquest número finalitzen amb el treball sobre la síntesi de nanopartícules híbrides d’or i ferro del jove investigador Miquel Torras, guanyador del premi al millor TFG del grau de química del curs 2015-2016, que va cursar a l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC).

La revista d’enguany també recull una entrevista al professor Jordi Arbiol, de l’ICN2, que va ser el conferenciant convidat a l’acte divulgatiu sobre el Premi Nobel de l’any vigent que cada desembre organitza la Societat Catalana de Química. El Premi Nobel de Química 2017 va ser atorgat a Jacques Dubochet, Joachim Frank i Richard Henderson per desenvolupar la microscòpia crioelectrònica per a la determinació estructural a alta resolució de biomolècules en dissolució. En l’entrevista, el professor Arbiol, com a expert en microscòpies electròniques aplicades a nanomaterials, ens detalla els aspectes més innovadors d’aquesta tècnica.

En la secció «Químics catalans al món», el doctor Jordi Burés ens explica el seu recorregut per diferents institucions inter-

5

07/01/2019 16:00:32

nacionals fins a arribar a esdevenir professor al Departament de Química de la Universitat de Manchester. La revista finalitza amb l’obituari pel professor Josep Castells i amb el recull de ressenyes de les activitats destacades de la Societat Catalana de Química durant el darrer trimestre del 2017 i fins al juny d’enguany.

Volem aprofitar aquest editorial per a informar els socis de la Societat Catalana de Química del canvi del nom en català de l’element 117 de la taula periòdica. Durant la tardor del 2016, el TERMCAT i experts de l’IEC van proposar nous noms en català per als elements 113, 115, 117 i 118. El juny del 2017, la Secció Filològica va qüestionar el nom de l’element 117 (tenessine en anglès, tennessi en català) i va demanar a la Comissió de Terminologia Científica i Tècnica de l’IEC un estudi sobre la forma lingüística inicialment proposada. El 12 de juny de 2018, la Comissió de Terminologia i el TERMCAT van acordar acceptar com a normatiu el terme tennes per a l’element 117 de la taula periòdica dels elements químics. Posem en coneixement dels socis de la Societat Catalana de Química que disposaran gratuïtament d’un nou exemplar de la taula periòdica que inclou aquest nou terme. D’altra banda, la So­cietat Catalana de Química, juntament amb altres institu­ cions, tant públiques com privades, estan organitzant un se-

guit d’activitats per al proper any 2019 amb motiu de l’Any Internacional de la Taula Periòdica.

Una any més, aquest editorial acaba amb una cordial invitació dels editors a participar en la revista de la societat catalana de química. Amb l’objectiu de continuar la nostra tasca de promoure i difondre l’interès per la química, us animem a fer divulgació de la vostra recerca, així com d’algun tema d’història de la química o d’altres àmbits relacionats amb aquesta disciplina que puguin ser d’interès per als nostres lectors. No dubteu a contactar amb nosaltres (rscq@iec.cat) i enviar-nos treballs per a publicar. Qualsevol dubte o suggeriment també serà benvingut.

Els editors, Montserrat Heras Corominas Universitat de Girona montserrat.heras@udg.edu Ciril Jimeno Mollet Institut de Química Avançada de Catalunya - Consell Superior d’Investigacions Científiques ciril.jimeno@iqac.csic.es

6

Revista Quimica 17.indd 6

07/01/2019 16:00:32

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 7-16 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.92 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Pèptids terapèutics comercialitzats en el nostre país Therapeutic peptides commercialized in Spain Lidia Feliu, Marta Planas Universitat de Girona. Departament de Química Laboratori d’Innovació en Processos i Productes de Síntesi Orgànica (LIPPSO)

Resum: Els pèptids terapèutics constitueixen candidats prometedors per al desenvolupament de medicaments indicats per al tractament de malalties de la societat actual. En aquest article s’han recopilat tots els pèptids que formen part de medicaments comercialitzats en el nostre territori, que es dispensen en oficines de farmàcia o són d’ús hospitalari. S’ha analitzat l’any d’autorització d’aquests pèptids, les seves característiques estructurals (número d’aminoàcids, seqüència lineal o cíclica, presència de ponts disulfur), el seu ús terapèutic i la via d’administració.

Paraules clau: Pèptids, fàrmacs, descobriment de fàrmacs, via d’administració, ús terapèutic.

Abstract: Therapeutic peptides are promising candidates for the development of drugs useful for the treatment of diseases that affect our society. In this paper, we have compiled the peptides that are components of medicines commercially available in Spain which are dispensed in pharmacies or which are used in hospital centers. The authorization year, structural features (number of amino acids, linear or cyclic sequence, presence of disulfide bonds), therapeutic use and route of administration of these peptides have been analyzed.

Keywords: Peptides, drugs, drug discovery, route of administration, therapeutic use.

Introducció

E

ls medicaments contribueixen a millorar l’esperança i la qualitat de vida, o bé donant solució a alteracions patològiques o bé fent cròniques algunes malalties que fins fa poc eren mortals. Durant el segle xx, el seu desenvolupament es va centrar principalment en fàrmacs amb una estructura química petita. No obstant, en les darreres dècades, els avenços de la biologia molecular i de la biotecnologia han promogut un interès creixent en l’ús clínic de compostos amb un pes molecular més elevat, com són les proteïnes i els pèptids. La genòmica, la transcriptòmica i la proteòmica han portat a la identificació de dianes terapèutiques basades en interaccions de tipus proteïna-proteïna. En comparació amb les molècules petites, les proteïnes i els pèptids presenten propietats més adequades per a actuar en aquest tipus de dianes, ja que s’hi poden unir amb un nombre més gran d’interaccions, de manera que donen lloc a una eficàcia i una especificitat molt elevades i causen relativament pocs efectes secundaris. És per això que les proteïnes i els pèptids poden respondre més fàcilment a les demandes de la medicina personalitzada, a més de complir els requisits de la legislació actual pel que fa a eficàcia i seguretat.

Correspondència: Marta Planas Universitat de Girona. Departament de Química C. de Maria Aurèlia Capmany, 69. 17003 Girona Tel.: +34 972 418 274. Fax: +34 972 418 150 A/e: marta.planas@udg.edu

Revista Quimica 17.indd 7

Respecte als pèptids, es pot considerar que se situen a mig camí entre les molècules petites i les proteïnes, de manera que combinen avantatges d’aquests dos tipus de compostos (figura 1). Presenten l’especificitat i l’eficàcia de les proteïnes, però són més petits i, per tant, més accessibles i més fàcils de sintetitzar mitjançant mètodes químics.

Des de principis dels anys vuitanta, els pèptids terapèutics han esdevingut un tipus rellevant de compostos farmacèutics.

Un cas d’èxit és la insulina humana, la qual constitueix el primer pèptid terapèutic preparat mitjançant síntesi recombinant, que va entrar en el mercat l’any 1982 [1]. Ha estat àmpliament utilitzada des de la seva autorització i avui en dia encara gaudeix del privilegi de ser el pèptid més prescrit arreu del món [2]. El 2016, Sabatino i col·laboradors varen descriure que existeixen en el mercat més de 60 pèptids terapèutics aprovats per la Food and Drug Administration (FDA), al voltant de 140 en fase clínica i més de 500 en estudis preclínics [3].

Tot i els avantatges dels pèptids i l’existència de molts exemples d’èxit, tradicionalment la indústria farmacèutica no ha mostrat interès en el seu desenvolupament com a agents terapèutics degut a les seves limitacions [4-8] (figura 1). Aquestes inclouen una biodisponibilitat oral baixa, una susceptibilitat elevada a la degradació per proteases, una semivida curta, una excreció ràpida i un cost de producció alt. Generalment, els pèptids no són adequats per a ser administrats per via oral.

La seva escassa absorció pot atribuir-se, en part, a la baixa

7

07/01/2019 16:00:32

Figura 1. Avantatges, limitacions i estratègies d’optimització dels pèptids.

permeabilitat intestinal que presenten [8, 9]. Aquest fet es relaciona amb la seva estructura, propensa a la formació de ponts d’hidrogen i poc lipòfila. A més, la hidròlisi dels pèptids, enzimàtica o dependent del pH, és la responsable de la seva degradació en el tracte gastrointestinal i en el fetge (efecte de primer pas hepàtic), la qual cosa en restringeix l’accés a la circulació sistèmica [9]. Consegüentment, els fàrmacs basats en pèptids generalment s’administren per via parenteral. D’altra banda, molts pèptids amb unes propietats farmacològiques in vitro prometedores no arriben a ser desenvolupats com a medicaments perquè no són efectius in vivo. Aquesta ineficàcia in vivo resulta d’una semivida plasmàtica curta (minuts) i d’una depuració renal alta, les quals estan estretament rela­ cionades amb la susceptibilitat dels pèptids a la proteòlisi enzimàtica i a la seva ràpida excreció [9].

8

Amb l’objectiu de potenciar l’aplicabilitat clínica dels pèptids, s’han esmerçat molts esforços per a aconseguir superar o, si més no, minimitzar les limitacions anteriors [6, 7, 9-11] (figura 1). Les estratègies desenvolupades per a millorar la permeabilitat dels pèptids se centren a reduir la formació de ponts d’hidrogen intermoleculars i la flexibilitat de l’estructura peptídica. Aquestes estratègies inclouen l’N-metilació, la formació de ponts d’hidrogen intramoleculars i la ciclació. La ciclosporina exemplifica aquestes estratègies, ja que incorpo-

Revista Quimica 17.indd 8

ra 7 grups N-metil i 4 ponts d’hidrogen intramoleculars i és cíclica [12]. Addicionalment, el tipus de formulació i, en particular, l’ús de determinats surfactants, sals biliars, fosfolípids o àcids grassos també pot afavorir l’absorció dels pèptids. D’altra banda, l’estabilitat d’una seqüència peptídica es pot incrementar mitjançant la modificació de l’esquelet o dels extrems N- i/o C- terminals, la incorporació d’aminoàcids no naturals, la ciclació o la conjugació a macromolècules. La desmopressina i l’octreòtida són dos exemples de pèptids terapèutics per als quals s’ha demostrat que la presència de d-aminoàcids allarga considerablement la semivida plasmàtica [13, 14].

Pel que fa a la depuració dels pèptids, una forma de disminuir-la consisteix en la introducció a la seva seqüència d’una estructura que s’uneixi a proteïnes plasmàtiques. N’és un exemple la liraglutida, que incorpora un residu d’àcid gras que s’uneix a l’albúmina i en disminueix la proteòlisi i la depuració renal [15]. Finalment, també s’han desenvolupat presenta­ cions parenterals que permeten l’alliberament prolongat del medicament mitjançant la incorporació del pèptid en polímers o micropartícules. Per exemple, existeixen formes farmacèutiques de goserelina o leuprorelina que s’administren un cop cada 1, 3 o 6 mesos [16].

Respecte a la síntesi, els pèptids tenen un cost de producció al voltant de 10-100 vegades més elevat que el de les molècules

07/01/2019 16:00:33

petites. Per a la seva preparació es poden emprar mètodes bio­ tecnològics o de síntesi química [3, 6, 10, 17]. En comparació amb els primers, els mètodes químics permeten la síntesi de seqüències que incorporen aminoàcids no naturals i, per tant, l’obtenció de pèptids amb més diversitat estructural. El primer pèptid terapèutic que es va preparar mitjançant síntesi química en solució va ser l’oxitocina, l’any 1953 [18]. Actualment, s’empren estratègies en fase sòlida que es poden combinar amb la síntesi en solució. Tot i que els reactius d’acoblament, les resines i els aminoàcids convenientment protegits són cars, s’està treballant en el desenvolupament de tecnologies més avançades, útils per a abaratir aquest procés de síntesi.

Aquest abaratiment s’està assolint gràcies a l’ús de reactors per a la producció de pèptids a gran escala, a l’automatització dels instruments i a les millores en els processos d’anàlisi i de purificació.

Els avenços esmentats anteriorment, juntament amb la incidència creixent de les malalties cardiovasculars i metabòliques, auguren als pèptids terapèutics un futur prometedor. De fet, el mercat global dels pèptids terapèutics es va valorar en 19 980 milions de dòlars el 2015 i s’espera que assoleixi els 23 700 milions de dòlars l’any 2020 [19].

Existeixen moltes revisions de pèptids terapèutics, però totes se centren en els pèptids autoritzats per l’FDA. Aquest estudi recull els pèptids que formen part de medicaments comercials en el nostre territori i que, per tant, estan disponibles en les oficines de farmàcia o s’utilitzen en l’àmbit hospitalari del nostre entorn. S’inclou una visió general d’aquests pèptids en relació amb l’any d’autorització, l’estructura, l’ús terapèutic i la via d’administració.

Resultats i discussió La principal font d’informació per a identificar els pèptids comercials en el nostre país ha estat la base de dades d’informació sanitària Bot PLUS 2.0, elaborada pel Consejo General de Colegios Oficiales de Farmacéuticos [20]. Paral·lelament, s’han consultat les monografies dels principis actius de tipus peptídic incloses en el Vademecum [21]. En aquestes bases de dades s’han explorat tots els grups de la classificació anatòmica, terapèutica i química (codi ATC), s’han identificat tots els principis actius de tipus peptídic i s’ha verificat que estiguessin en el mercat farmacèutic. A més, per a cadascun s’ha cer-

Revista Quimica 17.indd 9

cat la via d’administració, les marques registrades, els laboratoris que els comercialitzen i si són d’ús hospitalari. L’any d’autorització del principi actiu s’ha obtingut del Centre d’Informació Online de Medicaments (CIMA) de l’Agència Espanyola de Medicaments i Productes Sanitaris (AEMPS) [22]. No s’han considerat en aquest estudi aquells pèptids autoritzats que, en el moment de la cerca, no fossin comercials o bé estiguessin suspesos o anul·lats. Les característiques estructurals dels pèptids s’han consultat a les bases de dades DrugBank [23] i ChemSpider [24]. En particular, s’ha analitzat la llargada i si són cíclics o lineals, així com la presència de ponts disulfur.

Any d’autorització dels pèptids comercialitzats A partir de les bases de dades anteriors s’ha identificat que actualment existeixen 70 pèptids que es troben en la composició d’uns 160 medicaments comercials (no s’han tingut en compte els genèrics). En primer lloc, s’ha analitzat l’any en què aquests pèptids varen ser autoritzats per primera vegada (figura 2). D’entre ells, l’antibiòtic tirotricina és el que té una data d’autorització més antiga (1949) i es troba present en especialitats farmacèutiques d’ús bucal, oral o rectal. Entre els anys 1950 i 1969 es varen autoritzar els antibiòtics polimixina B, gramicidina D i bacitracina, l’antituberculós capreomicina i l’hormona no sexual oxitocina. D’aquesta anàlisi també s’extreu que la majoria de pèptids comercials s’han autoritzat a partir dels anys noranta. De fet, 54 pèptids (un 77 % del total) s’han aprovat i portat al mercat durant els últims vint-i-sis anys. A la taula 1 s’indiquen els pèptids autoritzats en els últims dotze anys. Les darreres autoritzacions, dels anys 2015-2016, s’han concedit a l’antineoplàstic carfilzomib, a l’agent antiparatiroidal etelcalcetida i a l’antibiòtic dalbavancina (figura 3).

Figura 2. Any d’autorització dels pèptids i el seu ús hospitalari o no hospitalari.

9

07/01/2019 16:00:33

Figura 3. Estructura del carfilzomib, l’etelcalcetida i la dalbavancina.

Taula 1. Pèptids autoritzats en el període 2006-2016 Pèptid

10

a

Ús/grup terapèutic

Via d’administració

AAa

Estructura

Daptomicina

Antiinfecciós

Parenteral

13

Cíclica

Cubicin®

MSD

2006

Ziconotida

Analgèsic

Parenteral

25

Lineal

Prialt®

Eisai Farmacéutica

2006

Anidulafungina

Antiinfecciós

Parenteral

6

Cíclica

Ecalta

Pfizer GEP, SL

2007

Mecasermina

Hormona no sexual

Parenteral

70

Cíclica

Increlex

Ipsen Pharma

2007

Carbetocina

Hormona no sexual

Parenteral

8

Cíclica

Duratobal , Carbetocina GP-Pharm

Ferring, GP-Pharm

2007

Exenatida

Hipoglucemiant

Parenteral

39

Lineal

Bydureon , Byetta

AstraZeneca

2007

Micafungina

Antiinfecciós

Parenteral

6

Cíclica

Mycamine

Astellas Pharma

2008

Icatibant

Cardiovascular

Parenteral

10

Lineal

Firazyr

Shire Pharmaceuticals Iberica

2008

Degarelix

Antineoplàstic

Parenteral

10

Lineal

Firmagon

Ferring

2009

Liraglutida

Hipoglucemiant

Parenteral

31

Lineal

Saxenda®, Victoza®

Novo Nordisk

2009

Mifamurtida

Immunomodulador

Parenteral

3

Lineal

Mepact®

Takeda Farmacéutica España

2010

Pasireotida

Hormona no sexuale

Parenteral

6

Cíclica

Signifor®

Novartis Farmacéutica

2012

Linaclotida

Gastrointestinal

Oral

14

Cíclica

Constella®

Allergan

2013

Cobicistat

Antiinfecciós

Oral

2

Lineal

Evotaz®, Genvoya®, Rezolsta®, Stribild®

Bristol-Myers Squibb, Gilead Sciences, Janssen-Cilag

2013

Lixisenatida

Hipoglucemiant

Parenteral

44

Lineal

Lyxumia®

Sanofi

2013

Teduglutida

Gastrointestinal

Parenteral

33

Lineal

Revestive

Shire Pharmaceuticals Iberica

2013

Dalbavancina

Antiinfecciós

Parenteral

7

Cíclica

Xydalba

Carfilzomib

Antineoplàstic

Parenteral

4

Etelcalcetida

Hormona no sexual

Parenteral

8

c

d

f

Marca registrada

Laboratori

®

®

®

®

®

®

®

®

®

®

Anyb

Angelini Farmacéutica

2015

Lineal

®

Kyprolis

Amgen

2015

Lineal

Parsabiv

Amgen

2016

®

®

Nombre d’aminoàcids; b any d’autorització del principi actiu; c factor de creixement; d estimulant uterí; e inhibidor de la síntesi d’hormones hipofisials no sexuals; f antiparatiroidal.

Revista Quimica 17.indd 10

07/01/2019 16:00:34

Els pèptids comercialitzats es troben en medicaments que són o no d’ús hospitalari (figura 2). En particular, 38 (un 54 % del total) formen part d’especialitats farmacèutiques que es poden adquirir en oficines de farmàcia, mentre que la resta s’utilitzen en l’àmbit hospitalari i només es dispensen en serveis de farmàcia hospitalària.

Característiques estructurals dels pèptids terapèutics Els 70 pèptids comercialitzats presenten una gran diversitat estructural (figura 4). Excepte el glatiràmer, la llargària de les seves seqüències varia des de 2 fins a més de 50 aminoàcids, els quals poden ser naturals o no naturals. El glatiràmer no s’ha considerat en aquesta anàlisi, ja que es tracta d’una mescla de múltiples pèptids resultant de la polimerització aleatòria d’àcid l-glutàmic, l-alanina, l-tirosina i l-lisina, de manera que el seu pes molecular està comprès entre 5 000 i 9 000 daltons. De fet, la seqüència de la majoria de pèptids (47, un 68 % del total) incorpora entre 2 i 10 aminoàcids, i només 5 (un 7 % del total) contenen més de 40 residus. L’antineoplàstic bortizomib, el potenciador farmacocinètic cobicistat i la carnosina, present en medicaments estimulants de la gana, tenen 2 aminoàcids. Els que tenen la seqüència més llarga (> 50 aminoàcids) són l’hipoglucemiant insulina, l’antifibrinolític aprotinina i el factor de creixement mecasermina. És destacable que dels 47 pèptids de 2 a 10 aminoàcids, 14 presenten 3 aminoàcids i són majoritàriament principis actius de

Figura 4. Agrupació dels pèptids lineals i cíclics en funció de la seva llargada i de la presència de ponts disulfur.

Revista Quimica 17.indd 11

medicaments utilitzats com a antihipertensius (inhibidors de l’angiotensina convertasa, 8 pèptids) o antivirals (inhibidors de la proteasa del virus de la immunodeficiència humana, 4 pèptids).

Des del punt de vista estructural, els pèptids comercialitzats es poden classificar en lineals i cíclics, i la proporció dels primers és més alta (41 vs. 28 pèptids, un 59 % vs. un 41 % del total) (figura 4). D’altra banda, 15 (un 22 % del total) es caracteritzen per incorporar ponts disulfur. Aquesta unió es troba principalment en pèptids cíclics: 13 d’aquests 15 pèptids tenen una estructura cíclica. Alguns exemples de pèptids amb aquest tipus d’enllaç són la insulina, l’agent de diagnòstic pentetreòtid d’indi (111In), l’etelcalcetida, l’antidiürètic desmopressina i l’inhibidor de la resorció òssia calcitonina.

Ús terapèutic dels pèptids Els pèptids s’han agrupat segons la classificació ATC. El nom d’aquestes agrupacions fa referència o bé al nom del grup anatòmic al qual pertanyen, i que indica el sistema sobre el qual actuen els fàrmacs, o bé al subgrup terapèutic o al seu ús farmacològic. Així, els pèptids comercialitzats s’han classificat com a agents de diagnòstic, analgèsics, antiinfecciosos (antibiòtics, antivirals, antifúngics i antituberculosos), antineoplàstics, antitrombòtics/antihemorràgics, hipoglucemiants, hormones no sexuals (superagonistes i antagonistes gonadotropínics, hiperglucemiants, hipocalcemiants, paratiroidals, antiparatiroidals, antidiürètics, factors de creixement, estimulants uterins, inhibidors de la síntesi d’hormones hipofisials no sexuals, immunomoduladors i fàrmacs per al sistema cardiovascular (antihipertensius, antagonistes dels receptors de la bradicinina), el sistema gastrointestinal (estimulants de la gana, promotors de l’absorció intestinal, laxants) i el sistema genitourinari (relaxants uterins).

A la figura 5 es mostra el nombre de pèptids segons la classificació anterior. Com es pot observar, la seva aplicabilitat és molt variada, tot i que majoritàriament es troben com a principis actius de medicaments antiinfecciosos (un 28 % del total) o bé són hormones no sexuals (un 24 % del total). També cal destacar que una proporció important de pèptids estan indicats per al tractament de trastorns oncològics (un 11 % del total) o de malalties relacionades amb el sistema cardiovascular (un 13 % del total).

11

07/01/2019 16:00:34

Figura 5. Nombre de pèptids segons el seu ús/grup terapèutic.

Pel que fa a la via d’administració, un 88 % dels pèptids s’administren per una única via (figura 6). La via parenteral és la principal (un 64 % del total), seguida de l’oral (un 21 % del total). Les vies nasal i tòpica són minoritàries i només són possibles per a un pèptid en cada cas. Un total de 8 pèptids es poden administrar per diverses vies.

12

Revista Quimica 17.indd 12

També s’ha comparat la distribució dels pèptids lineals amb la dels cíclics pel que fa a la classe terapèutica a què pertanyen i a la via d’administració (figures 7 i 8). D’aquesta anàlisi es pot extreure que l’ús farmacològic d’aquests dos tipus de pèptids és diferent. Els pèptids lineals s’utilitzen per al tractament d’una varietat més àmplia de malalties, majorità-

Figura 6. Nombre de pèptids segons la via d’administració.

07/01/2019 16:00:37

Figura 7. Nombre de pèptids lineals segons l’ús/grup terapèutic i la via d’administració.

Figura 8. Nombre de pèptids cíclics segons l’ús/grup terapèutic i la via d’administració.

riament com a antiinfecciosos (17 %), antineoplàstics (19 %), hormones no sexuals (17 %) i antihipertensius (22 %) (figura 7). En canvi, l’ús principal dels pèptids cíclics és com a antiinfecciosos (45 %) i com a hormones no sexuals (34 %) (figura 8). Concretament, excepte la gramicidina D, tots els

Revista Quimica 17.indd 13

antifúngics i antibiòtics tenen una estructura cíclica, mentre que la seqüència dels antivirals és lineal. D’aquest estudi també destaca que tots els pèptids amb activitat anticancerígena, antihipertensiva o hipoglucemiant són lineals.

13

07/01/2019 16:00:40

La comparació de les vies d’administració posa de manifest que la parenteral és la predominant tant en els pèptids lineals com en els cíclics, en què l’ús d’aquesta via és d’un 58 % i un 69 %, respectivament (figures 7 i 8). Per contra, els pèptids cíclics pràcticament no s’administren per via oral (3 %), mentre que en el cas dels lineals l’ús d’aquesta via arriba al 34 %.

Aquests darrers són principalment antiinfecciosos i antihipertensius, i tenen 3 aminoàcids a la seva estructura. El fet que el nombre de pèptids lineals que s’administren oralment sigui superior al dels cíclics es contraposa a la idea que aquests últims són més estables i, per tant, més apropiats per a la via oral [9]. Una explicació plausible d’aquesta observació seria que aquests pèptids lineals són petits i presenten aminoàcids no naturals.

Perspectives de futur dels pèptids terapèutics En els darrers anys l’interès de la indústria farmacèutica pel desenvolupament de medicaments basats en pèptids ha anat creixent. Aquest fet s’evidencia a partir dels 70 pèptids presents en més de 160 medicaments comercialitzats avui en dia en el nostre territori, i també arran de l’elevat nombre de pèptids que es troben en fase preclínica i clínica. L’èxit rau en l’activitat, l’especificitat i la seguretat d’aquest tipus de compostos, així com en els avenços científics que han permès millorar-ne la biodisponibilitat oral, la permeabilitat, l’estabilitat i la semivida plasmàtica, i abaratir-ne el cost de producció.

14

Els pèptids terapèutics, doncs, tenen un gran potencial i poden oferir noves oportunitats per a cobrir les necessitats mèdiques actuals. És d’esperar que el seu futur desenvolupament es beneficiï de properes millores químiques, tecnològiques, farmacològiques i galèniques, entre d’altres. El disseny de nous pèptids multifuncionals, de pèptids penetradors de cèl· lules i de conjugats peptídics augmentarà les seves àrees d’aplicació. Les innovacions en les eines computacionals in silico, en les tècniques de screening i en les tecnologies òmiques ajudaran a la identificació de nous pèptids bioactius. Així mateix, el millor coneixement de les bases moleculars de les malalties contribuirà a generar nous caps de sèrie. També cal destacar que les millores en les propietats farmacològiques i en la formulació de les especialitats farmacèutiques seran crucials per a l’autorització exitosa i la consegüent comercialització de medicaments basats en pèptids.

Revista Quimica 17.indd 14

Aquestes bones perspectives permeten augurar que, tot i els reptes i riscos a superar, els pèptids continuaran essent candidats prometedors per al desenvolupament de medicaments útils per al tractament de malalties que afecten la nostra societat. Per tant, es pot preveure que l’interès per aquest tipus de principis actius vagi ascendint.

Referències i altres fonts [1] Johnson, I. «Authenticity and purity of human insulin (recombinant DNA)». Diabetes Care, vol. 5, supl. 2 (1982), p. 4-12.

[2] Recio, C.; Maione, F.; Iqbal, A.; Mascolo, N.; De Feo, V. «The potential therapeutic application of peptides and peptidomimetics in cardiovascular disease». Front. Pharmacol., vol. 7 (2017), art. 526.

[3] Sabatino, G.; Guryanov, I.; Rombechi, A.; Zanon, J.; Ricci, A.; Cabri, W.; Papini, A. M.; Rovero, P. «Production of peptides as generic drugs: a patent landscape of octeotride». Expert Opin.

Ther. Pat., vol. 26, núm. 4 (2016), p. 485-495.

[4] Craik, D. J.; Fairlie, D. P.; Liras, S.; Price, D. «The future of peptide-based drugs». Chem. Biol. Drug Des., vol. 81, núm. 1 (2013), p. 136-147.

[5] Fosgerau, K.; Hoffmann, T. «Peptide therapeutics: current status and future directions». Drug Discov. Today, vol. 20, núm. 1 (2015), p. 122-128.

[6] Rafferty, J.; Nagaraj, H.; McCloskey, A. P.; Huwaitat, R.; Porter, S.; Albadr, A.; Laverty, G. «Peptide therapeutics and the pharmaceutical industry: barriers encountered translating from the laboratory to patients». Curr. Med. Chem., vol. 23, núm. 37 (2016), p. 4231-4259.

[7] Góngora-Benítez, M.; Tulla-Puche, J.; Albericio, F. «Multifaceted roles of disulfide bonds. Peptides as therapeutics». Chem.

Rev., vol. 114, núm. 2 (2014), p. 901-926.

[8] Lau, J. L.; Dunn, M. K. «Therapeutic peptides: historical perspectives, current development trends, and future direc­ tions». Bioorg. Med. Chem., vol. 26, núm. 10 (2017), p. 27002707.

[9] Di, L. «Strategic approaches to optimizing peptide ADME properties». AAPS J., vol. 17, núm. 1 (2015), p. 134-143.

[10] Vlieghe, P.; Lisowski, V.; Martinez, J.; Khrestchatisky, M. «Synthetic therapeutic peptides: science and market». Drug Discov. Today, vol. 15, núm. 1/2 (2010), p. 40-56.

[11] Zorzi, A.; Deyle, K.; Heinis, C. «Cyclic peptide therapeutics: past, present and future». Curr. Opin. Chem. Biol., vol. 38 (2017), p. 24-29.

07/01/2019 16:00:40

[12] Alex, A.; Millan, D. S.; Pérez, M.; Wakenhut, F.; Whitlock, G. A. «Intramolecular hydrogen bonding to improve membrane permeability and absorption in beyond rule of five chemical space».

Med. Chem. Commun., vol. 2, núm. 7 (2011), p. 669-674.

[13] Agerso, H.; Larsen, L. S.; Riis, A.; Lovgren, U.; Karlsson, M. O.; Senderovitz, T. «Pharmacokinetics and renal excretion of desmopressin after intravenous administration to healthy subjects and renally impaired patients». Br. J. Clin. Pharmacol., vol. 58, núm. 4 (2004), p. 352-358.

[14] Harris, A. G. «Somatostatin and somatostatin analogues: pharmacokinetics and pharmacodynamic effects». Gut, vol. 35, supl. 3 (1994), p. S1-S4.

[15] Malm-Erjefält, M.; Bjørnsdottir, I.; Vanggaard, J.; Helleberg, H.; Larsen, U.; Oosterhuis, B.; Lier, J. J. van; Zdravkovic, M.; Olsen, A. K. «Metabolism and excretion of the once-daily human glucagon-like peptide-1 analog liraglutide in healthy male subjects and its vitro degradation by dipeptidyl peptidase IV and neutral endopeptidase». Drug Metab. Dispos., vol. 38, núm. 11 (2010), p. 1944-1953.

[16] Cuéllar, S. «Antineoplásicos activos sobre señalización celular». A: Trastornos oncológicos. Madrid: Consejo General de Colegios Oficiales de Farmacéuticos, 2017, p. 79-119.

[17] Bray, B. L. «Large-scale manufacture of peptide therapeutics by chemical synthesis». Nat. Rev. Drug Discov., vol. 2, núm. 7 (2003), p. 587-593.

[18] Du Vigneaud, V.; Ressler, C.; Swan, J. M.; Roberts, C. W.; Katsoyannis, P. G. «The synthesis of oxytocin». J. Am. Chem. Soc., vol. 76, núm. 12 (1954), p. 3115-3121.

[19] Transparency Market Research. Peptide Therapeutics Market - Increasing Demand for Peptide Therapeutics in Cancer and Diabetes Treatment to Boost Sales; Global Industry Analysis, Size, Share, Growth, Trends and Forecast 2020, 2016. <https://globenewswire.com/news-release/2016/09/12/ 871199/0/en/Peptide-Therapeutics-Market-Increasing-­ Demand-for-Peptide-Therapeutics-in-Cancer-and-Diabetes-­ Treatment-to-Boost-Sales-Global-Industry-Analysis-SizeShare-Growth-Trends-and-Forecas.html> [Consulta: 11/01/2018].

[20] Consejo General de Colegios Oficiales de Farmacéuticos.

Base de dades del coneixement sanitari Bot PLUS Web. <http://botplusweb.portalfarma.com> [Consulta: 22/12/2017].

[21] Vademecum. <https://www.vademecum.es/> [Consulta: 22/12/2017].

[22] Centre d’Informació de Medicaments de l’AEMPS. <http://www.aemps.gob.es/cima> [Consulta: 22/12/2017].

[23] DrugBank. <http://www.drugbank.ca/> [Consulta: 22/12/2017].

[24] ChemSpider. <http://www.chemspider.com/> [Consulta: 22/12/2017].

15

Revista Quimica 17.indd 15

07/01/2019 16:00:40

L. Feliu

M. Planas

Lidia Feliu és doctora en farmàcia (2000) per la Universitat de Barcelona i professora agregada del Departament de Química de la Universitat de Girona. La seva recerca se centra en el disseny i la síntesi de pèptids amb activitat biològica, principalment antimicrobiana o antitumoral. Concretament, estudia pèptids lineals o cíclics que incorporen aminoàcids naturals o no naturals, depsipèptids, lipopèptids, pèptids conjugats i pèptids penetradors de cèl·lules.

Marta Planas és doctora en química (1996) per la Universitat de Girona i actualment és professora titular del Departament de Química d’aquesta mateixa universitat. La seva recerca se centra en la cerca de compostos bioactius amb activitat antimicrobiana o antitumoral. En particular, el seu interès principal és l’obtenció de pèptids antimicrobians i el desenvolupament de metodologies de síntesi d’aquest tipus de compostos.

16

Revista Quimica 17.indd 16

07/01/2019 16:00:41

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 17-31 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.93 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Aportacions de la cromatografia al coneixement dels lípids: olis i greixos Contributions of chromatography to the knowledge of lipids: oils and fats Miquel Gassiot,1 Lluís Comellas,1 Francesc Broto,1 Cristina Ribas,1 Gemma Gotor,1 Aracely Guadalupe Artiga2 Universitat Ramon Llull. Institut Químic de Sarrià (IQS). Departament de Química Analítica i Aplicada 2 Universitat Centreamericana José Simeón Cañas (UCA) (El Salvador)

1

Resum: La cromatografia, concretament la de gasos (GC, de l’anglès gas chromatography), ha fet possible caracteritzar els materials lipídics a nivell molecular i ha permès posar a punt mètodes ràpids i de gran reproductibilitat. En aquest treball, amb un enfocament històric, es descriuen alguns dels resultats de l’aplicació d’aquesta tecnologia analítica, que ha fet possible distingir clarament les diferents identitats i qualitats dels diversos tipus d’olis, greixos i materials lipídics. Per altra part, també s’explica com, gràcies a la GC, s’han resolt alguns greus incidents amb aquests importants productes alimentaris, deguts a contaminacions i a fraus. També es fa esment al tema de gran actualitat dels isòmers trans de l’àcid oleic i a les dificultats que implica la seva identificació analítica. S’aporten alguns resultats de correlació entre retenció cromatogràfica i estructura molecular, que contribueixen a la identificació d’alguns isòmers de configuració de l’àcid oleic trans.

Paraules clau: Cromatografia de gasos, lípids, àcids trans, QSRR.

Abstract: Gas chromatography (GC) has made it possible to characterize lipid materials at molecular level and it has also allowed the development of rapid and high-reproducibility analytical methods. With a historical focus, this paper describes some of the results obtained with this analytical technique relating to the characterization of various types of oils, fats and lipid materials. Likewise, this paper explains how this technique has allowed to solve some serious incidents stemming from contamination and fraud. It also deals with a subject of great interest at the present time: the trans isomers of oleic acid and the difficulty of their identification by analysis. Also presented in this paper are the results obtained in the identification of trans-oleic acid configuration isomers thanks to the application of the methodology of correlation between chromatographic retention time and the molecular structure of compounds (QSRR methodology).

Keywords: Gas chromatography, lipids, trans fatty acids, QSRR.

Introducció

E

l nom lípid prové del grec lipos, que vol dir ‘greix’.

L’ésser humà sempre ha associat el material greixós amb la seva característica fisicoquímica bàsica: ser immiscible amb l’aigua. Per aquest fet, els lípids s’identifiquen de forma primària, a diferència dels dos restants materials biològics bàsics: els glúcids i els pròtids, molt més compatibles amb l’aigua i dissolvents polars. Els lípids són substàncies fonamentals de la constitució dels éssers vius. Es consideren materials o substàncies lipídiques un gran nombre de substàncies naturals que es troben en els organismes vius i que, per la seva composició química, es constitueixen com la

Correspondència: Miquel Gassiot Institut Químic de Sarrià Via Augusta, 390. 08017 Barcelona Tel.: +34 932 672 000. Fax: +34 932 056 266 A/e: miquel.gassiot@iqs.url.edu

Revista Quimica 17.indd 17

part grassa d’aquests organismes. De totes aquestes substàncies, la part majoritària són els triglicèrids, considerats lípids simples: àcids grassos esterificats amb glicerina. També es consideren lípids simples les ceres (àcids grassos esterificats amb alcohols). A més, existeixen lípids compostos, com els fosfolípids (glicerina unida a dos àcids grassos i un grup fosfat unit a un alcohol) o lípids derivats, com els terpens, els esterols (colesterol), etc. Si bé aquestes darreres substàncies es troben en quantitats més petites, en certs casos poden ser significatives.

La naturalesa química dels triglicèrids, amb un fort caràcter hidrofòbic, els permet formar vesícules i cèl·lules, els lipòcits, en els teixits adiposos dels éssers vius. Per altra part, els lípids, molt concretament els olis i els greixos, són fonamentals en la nostra alimentació. De la seva ingesta acurada depèn la salubritat de la nostra dieta. No obstant, el tractament que es realitza amb els olis i greixos, tant en els processos de cuinat dels aliments com en la indústria agroalimentària (obtenció

17

07/01/2019 16:00:41

de preparats alimentaris d’acord amb les demandes), pot produir canvis estructurals en els triglicèrids. Aquestes modificacions poden afectar la qualitat nutritiva dels olis i greixos i arribar, així, a perjudicar la salut dels consumidors.

Afortunadament, les legislacions sanitàries i alimentàries han establert normes, cada vegada més estrictes, referents tant al mercat dels olis i dels greixos destinats al consum alimentari com als productes elaborats industrialment. Per aquest motiu, la FAO (Organització de les Nacions Unides per a l’Agricultura i l’Alimentació) [1] s’ha pronunciat en el sentit que els aliments greixosos comercialitzats han de declarar tant el contingut de colesterol com la proporció d’àcids grassos saturats i el contingut d’àcids grassos no saturats en configuració trans.

La cromatografia és la tècnica analítica que ha fet possible la caracterització dels lípids, molt especialment dels triglicèrids, a nivell molecular. No tan sols per a determinar la composició i la qualitat, sinó per a seguir les transformacions dels ma­te­rials lipídics durant els processos industrials i biològics.

La taula 1 conté la llista dels àcids grassos més comuns. S’inclou el nom i el símbol usat més comunament. També s’inclou el nombre lipídic i el nombre d’insaturacions. El nombre lipídic conté el número de carbonis seguit del nombre d’in­sa­tu­ra­ cions. Entre parèntesis s’indica la posició de les insaturacions.

Taula 1. Llista d’àcids grassos més comuns Símbols

Nombre lipídic

Butíric

C4:0

0

Co / C6

Caproic

C6:0

0

Cy / C8

Caprílic

C8:0

0

C / C10

Càpric

C10:0

0

La / C12

Làuric

C12:0

0

My / C14

Mirístic

C14:0

0

Pa / C16

Palmític

C16:0

0

Pl / C16′

Palmitoleic

C16:1

1

St / C18

Esteàric

C18:0

0

O / C18′

Oleic

C18:1 (9)

1

Linoleic (AGE)

C18:2 (9, 12)

2

Linolènic (AGE)

C18:3 (9, 12, 15)

3

C16″

Ln / C18‴

Revista Quimica 17.indd 18

La primera característica que els humans vam identificar com a pròpia dels olis i greixos va ser que eren saponificables. Els triglicèrids, que són la part majoritària dels lípids, es descomponen per tractament amb àlcalis (hidròxid de sodi o potassi) en les sals sòdiques o potàssiques dels àcids grassos i glicerina. Ha estat aquesta propietat la que ha donat la base per a una caracterització quantitativa d’un triglicèrid, ja sigui un greix o un oli.

La base de la reacció de saponificació és la següent: triglicèrid + hidròxid de potassi/sodi = sabó potàssic/sòdic + glicerina

Prenent com a base aquesta reacció, es va establir la primera metodologia de tipus quantitatiu per a determinar els mate­ rials de naturalesa lipídica, i va aparèixer l’índex o nombre d’esterificació, que es defineix com «els mil·ligrams de KOH que calen per a saponificar totalment 1 gram d’oli o greix».

Aquest índex dona una informació quantitativa del pes molecular mitjà dels àcids grassos que componen el triglicèrid estudiat.

Insaturacions

B / C4

L /

18

Nom

Caracterització clàssica dels materials lipídics abans del descobriment de la cromatografia: els índexs, que es fonamenten en la química bàsica dels olis i greixos

Els olis i greixos poden estar parcialment descomposts en àcids lliures i glicerina per causes molt diverses, una de les quals, usualment la més important, és l’acció de la humitat tant en el fruit del qual s’extreu l’oli com en el greix o oli mateix. Per tant, tot oli o greix pot tenir un cert grau d’acidesa degut a la hidròlisi dels corresponents èsters. Per aquest motiu, s’ha establert l’índex d’acidesa, que especifica de forma quantitativa el grau d’hidròlisi d’un triglicèrid i s’expressa com «els mil·ligrams de KOH necessaris per a neutralitzar un gram d’oli o greix utilitzant fenolftaleïna com a indicador». És evident que, quan es determina l’índex o nombre d’esterificació d’un triglicèrid, també es consumeixen uns mil·ligrams d’àlcali per formar els sabons corresponents als àcids grassos lliures. Per tant, la dada pròpiament representativa del pes

07/01/2019 16:00:41

molecular mitjà dels àcids grassos d’un triglicèrid serà l’índex o nombre d’esterificació menys l’índex d’acidesa. Aquesta diferència es denomina índex d’èster.

Una altra característica important dels lípids és el grau d’insaturacions que tenen en les cadenes hidrocarbonades els àcids grassos que els componen. Donat que una propietat de les olefines és la fixació d’àtoms de iode en els dobles enllaços, s’ha utilitzat aquesta característica per avaluar el nivell d’insaturació d’un glicèrid determinat. Així, es coneix com a índex de iode «els grams de iode que reaccionen amb 100 grams d’oli o de greix».

En la taula 2, es presenten els valors dels índexs de iode i d’èster, abans definits, d’alguns olis i greixos d’ús comú. També s’inclou la composició en esterols de la fracció no saponificable de cada oli o greix.

Taula 2. Valors dels índexs de iode i d’èster i informació de la fracció insaponificable de diferents olis i greixos Oli o greix

Índex de iode

Índex d’èster

Esterols (insaponificable)

Oli de palma

50-55

195-205

Greix de porc

52-70

192-197

98 % de colesterol

Oli d’oliva

75-95

184-196

97 % de β-sitosterol

Oli de soja

125-140

188-196

57 % de β-sitosterol

Oli de llinosa

170-190

187-194

Oli de colza

97-106

170-182

β-sitosterol i un 6 % de colesterol (fracc. esterols)

Els marges de variació dels índexs de iode o d’èster inclosos a la taula 2 poden superar el 5 %, fet que no ha de sorprendre perquè van associats a la diferència corresponent a l’origen de la llavor o del fruit o a la característica de l’animal del qual provenen els triglicèrids.

L’índex d’acidesa, molt sovint, està relacionat amb un mal emmagatzematge o un tractament inadequat dels fruits o llavors, o, fins i tot, pot ser resultat de patologies sofertes per l’espècie productora degudes a fongs o plagues.

En el cas de l’oli d’oliva, l’acidesa també pot estar relacionada amb la maduresa del fruit. En aquest cas, s’expressa com a grams d’àcid oleic per 100 grams d’oli, donat que aquest és l’àcid gras majoritari. Aquesta mesura específica s’utilitza per classificar la qualitat de l’oli d’oliva.

A la taula 3, es presenten diferents qualitats d’oli d’oliva en relació amb la seva acidesa [2].

Taula 3. Qualitat de l’oli d’oliva en relació amb el seu valor d’acidesa Qualitat de l’oli d’oliva

54 % de β-sitosterol i un 2 % de

Acidesa màxima (*)

colesterol (fracc. esterols)

Extraverge

0,8

63 % de β-sitosterol

Verge

2,0

Verge corrent

3,3

Refinat

0,3

Cal remarcar l’augment del valor de l’índex d’èster en disminuir el pes molecular mitjà dels àcids grassos majoritaris en la composició de l’oli o del greix. El valor d’índex d’èster més alt de la taula correspon a l’oli de palma, en el qual l’àcid gras majoritari és el palmític (C16:0) i, per tant, els triglicèrids d’aquest oli tindran un pes molecular mitjà inferior als de la resta de la taula, en els quals els àcids grassos majoritaris són l’oleic i l’esteàric, que tenen 18 àtoms de carboni.

Els valors d’índex de iode són baixos en l’oli de palma i el greix de porc, ja que tenen una proporció d’àcid oleic (C18:1) inferior. Aquest índex puja clarament en l’oli d’oliva, en què l’oleic és el majoritari, i encara augmenta més en els olis de soja i llinosa, per la presència d’àcids poliinsaturats, com el linoleic (C18:2) i el linolènic (C18:3).

Revista Quimica 17.indd 19

El cas de l’oli de colza és interessant, ja que té un índex de iode similar al de l’oli d’oliva per la important presència d’àcid oleic. Però l’oli de colza, a més, té àcid erúcic (C22:1). Per aquesta raó, té un índex d’èster inferior al de l’oli d’oliva.

* Mil·ligrams d’àcid oleic per 100 grams d’oli.

Si l’índex d’acidesa és un indicador del grau d’hidròlisi i, per tant, del deteriorament químic d’un triglicèrid, sorprèn que en el cas de l’oli d’oliva verge l’acidesa sigui superior a la de l’oli refinat, quan el mercat i la societat considera l’oli verge com el de més qualitat. Cal tenir en compte que la denominació de verge per a l’oli d’oliva es reserva, exclusivament, als olis en què les olives han estat tractades només per procediments mecànics: premsat, rentat amb aigua, sedimentació, filtració i centrifugació. Per aquesta raó, l’oli d’oliva verge conserva molts dels components del fruit que caracteritzen el gust d’aquest oli. No obstant, com que no ha estat tractat per algunes de les operacions de refinat, no ha perdut l’acidesa que

19

14/1/2019 12:28:17

s’iniciava ja en els fruits. Així, cal destacar que la qualitat màxima atribuïda a l’oli extraverge només es dona en aquells olis verges amb una acidesa no superior a 0,8. És convenient tenir en compte aquests aspectes sobre l’acidesa i la qualitat de l’oli d’oliva per utilitzar correctament aquest excel·lent producte lipídic per a la nostra alimentació.

L’oli verge és el millor oli per consumir cru, sempre que el sistema gàstric del consumidor no presenti alguna anomalia.

Però per cuinar, si es considera oportú utilitzar oli d’oliva, és recomanable que sigui refinat. En qualsevol cas, mai s’ha de sobreescalfar l’oli en els processos de fregida.

Fins al principi de la segona dècada del segle passat, tota la informació bàsica de què es disposava sobre olis i greixos es limitava als índexs esmentats. I, malgrat que els índexs tenien una relació evident amb la composició química dels glicèrids, aquesta era molt distant de la seva composició molecular concreta. Tanmateix, ja en el segle xix, els laboratoris de recerca havien aconseguit la descomposició analítica i la identificació de la major part dels lípids coneguts. Això va permetre identificar l’estructura bàsica dels triglicèrids i els corresponents àcids grassos. Berthelot, l’any 1854, sintetitza els primers mono-, di- i triglicèrids. Hildritch, el 1927, proposa classificar els glicèrids segons el contingut d’àcids saturats (S) i insaturats (U): SSS, SSU, SUU i UUU. En aquestes recerques i en altres de relacionades es fonamenta la metodologia analítica esmentada, la dels índexs, que encara s’utilitza, molt especialment en el cas de l’índex d’acidesa.

Fonament físic i químic de la cromatografia

20

La cromatografia és una tècnica de separació física que es fonamenta en la frenada selectiva dels components d’un fluid quan aquest percola a través d’un llit porós. El fluid pot ser líquid o gasós i el llit porós pot ser sòlid o un líquid estacionari suportat per un sòlid. En les primeres publicacions sobre cromatografia, les separacions es realitzaven utilitzant un gas com a fluid percolant, per això la tècnica es coneixia amb el nom de cromatografia en fase vapor. En la frenada selectiva és on rau la part més química d’aquesta tècnica. El descobriment de la cromatografia s’atribueix a Tswett (Mikhail Semenovic Tswett), nascut a Asti (Itàlia) l’any 1872 i mort a Rússia el 26

Revista Quimica 17.indd 20

de juny de 1919. És molt difícil atribuir actualment la nacionalitat real a Tswett. Si bé sempre se l’ha considerat rus, va néixer a Itàlia i era fill de mare italiana. Va estudiar i es va graduar com a doctor a la Universitat de Ginebra i va ser professor de la Universitat de Tartu (Estònia). Quan els alemanys, en la Primera Guerra Mundial, entren a Estònia, la Universitat es trasllada a Voronez (Rússia), on va morir Tswett. Per a més informació, vegeu la referència [3].

Irrupció de la cromatografia i l’analítica molecular Els experiments mateixos amb els quals Tswett va descobrir la cromatografia mitjançant la separació de les diferents clorofil· les posen en evidència la subtilesa separativa d’aquesta tècnica. Cal tenir en compte la poca diferència entre la fórmula química de la clorofil·la A (C55H72O5N4Mg) i de la clorofil·la B (C55H70O6N4Mg), ambdues separables cromatogràficament, per a poder apreciar la qualitat d’aquesta metodologia, que permet distingir i separar substàncies molt semblants i de pes molecular elevat. Per tant, era d’esperar que, amb els pro­ gressos tecnològics que van fer possible la cromatografia de gasos, aquesta nova versió de la tècnica s’apliqués ràpidament a dos tipus de materials de gran interès: les fraccions de destil· lació del petroli i l’analítica dels lípids, olis i greixos, i permetés una analítica molecular.

L’any 1952, Martin i James, premis Nobel de Química, publiquen la primera separació amb cromatografia de gasos d’una mescla d’àcids orgànics [2], des de l’acètic fins a l’n-valeriànic (figura 1). Per tant, s’havia donat un primer pas vers la separació i la identificació dels diferents àcids grassos que componen un glicèrid.

Figura 1. Cromatograma corresponent a la primera separació per GC d’una mescla d’àcids orgànics.

La separació i la identificació dels components moleculars d’un material glicèrid és complexa malgrat les possibilitats de

07/01/2019 16:00:42

les tècniques cromatogràfiques. Cal tenir en compte que un greix o un oli d’origen natural serà una mescla de glicèrids en què caben totes les combinacions possibles dels èsters de la glicerina amb tots els àcids grassos de nombre lipídic 4 fins a 24, o inclús superior, amb totes les possibilitats d’insaturació en la cadena hidrocarbonada. Així mateix, cal tenir en compte que en un material lipídic també s’hi troben mono- i diglicèrids, àcids grassos lliures i la fracció insaponificable.

Aplicació de la cromatografia a l’estudi analític dels triglicèrids: dificultats i primers resultats A la figura 2 es mostra la separació dels àcids grassos metilats d’una mostra d’oli d’oliva en un cromatograma fet amb els mitjans de l’any 1964 (cromatografia de gasos amb columna reblerta).

Per aquesta raó, en un primer moment, per a la caracterització dels olis o greixos mitjançant cromatografia no es va optar per la separació i la identificació de cada un dels glicèrids que componen un oli o greix.

Encara que James i Martin havien separat els primers àcids grassos lliures amb una cromatografia en fase vapor, la separació d’acord amb les exigències que reclama la química analítica es va aconseguir quan van aparèixer els primers cromatògrafs de gasos en els laboratoris, entre els anys 1959 i 1960.

Per altra part, calia tenir en compte les limitacions de la tècnica mateixa: l’elevada temperatura a la qual s’havia de realitzar la cromatografia, les limitacions de resolució degut a la multiplicitat de compostos en forma de glicèrids o l’activitat especial dels àcids lliures, junt amb la limitada estabilitat tèrmica dels àcids lliures i dels olis o greixos.

Per aquests motius, es va decidir metilar els àcids grassos que componen un glicèrid i procedir a la separació cromatogràfica dels èsters metílics obtinguts.

Figura 2. Cromatograma corresponent a la separació dels àcids grassos metilats d’una mostra d’oli d’oliva (1964). Identificació dels pics: 1) dissolvent, 2) palmitat de metil (C16:0), 3) palmitoleat de metil (C16:1), 4) estearat de metil (C18:0), 5) oleat de metil (C18:1), 6) linoleat de metil (C18:2), 7) linolenat de metil (C18:3).

A la figura 3 també es mostra el cromatograma d’una mostra d’oli d’oliva realitzat el 2010 amb cromatografia de gasos d’alta eficàcia (columnes capil·lars). Com es pot observar, s’aconsegueix una bona resolució entre els pics corresponents als compostos que no se separaven de forma completa en el cromatograma de la figura 2 de l’any 1964 (palmitat amb palmitoleat de metil i oleat amb linoleat de metil).

Aquesta metodologia va obligar a assegurar que la metilació es realitzés de forma quantitativa i representativa. O sigui, que la composició dels èsters metílics obtinguts fos una reproducció fidel de la dels àcids grassos en l’oli, greix o glicèrid estudiat. Als anys seixanta ja es disposava dels mètodes pertinents per a metilar olis i greixos, que després de múltiples estudis, ajustos i modificacions han esdevingut norma oficial.

El Reglament (CEE) núm. 2568/91 de la Comissió Europea [2] estableix els mètodes per a la metilació de l’oli d’oliva i ofereix dues opcions:

Figura 3. Cromatograma corresponent a la separació dels àcids grassos metilats d’una mostra d’oli d’oliva (2010). Identificació dels pics: 1) dissolvent, 2) palmitat de metil (C16:0), 3) palmitoleat de metil (C16:1), 4) estearat de metil (C18:0), 5) oleat de metil (C18:1), 6) linoleat de metil (C18:2), 7) linolenat de metil (C18:3).

— Mètode A: Transesterificació en fred amb una dissolució metanòlica d’hidròxid potàssic.

— Mètode B: Metilació en calent amb una dissolució metanòlica de metilat sòdic, seguida d’esterificació en medi àcid.

No obstant, la cromatografia realitzada l’any 1964 permetia obtenir una informació qualitativa i quantitativa valuosa. Per aquesta raó, ja es va poder verificar una correlació matemàtica entre la retenció cromatogràfica i el nombre d’àtoms de

Revista Quimica 17.indd 21

21

07/01/2019 16:00:42

carboni de cada un dels èsters metílics d’àcids grassos separats [4].

Aquesta correlació entre la retenció cromatogràfica, representada amb el volum de retenció corregit i ajustat (V′p i V′a), i el nombre d’àtoms de carboni (n) es presenta a continuació: log V′p = ap + bp · n log V′a = aa + ba · n On: — els subíndexs p i a indiquen la característica de la fase estacionària amb què s’ha efectuat la separació cromatogràfica en fase vapor (a: no polar; p: polar).

— V′p i V′a és el volum de retenció corregit.

— n és el nombre d’àtoms de carboni de l’èster metílic considerat.

— aa, ba, ap i bp són les constants d’ajust, corresponents a la sèrie homòloga d’èsters metílics d’àcids grassos saturats separats per cromatografia de gasos a temperatura isoterma.

Per a la sèrie dels èsters metílics dels àcids grassos monoinsaturats s’obtenen unes equacions anàlogues.

Aquesta correlació lineal ha estat i és de gran utilitat per a la interpretació de les anàlisis d’èsters metílics de glicèrids, realitzades per cromatografia de gasos.

Cal destacar que aquestes primeres correlacions entre retenció (gas-cromatogràfica) i estructura, junt amb la important aportació de Kovats i els seus índexs de retenció [5], van ser el precedent d’una innovadora possibilitat d’aprofitament de la cromatografia, que s’inicia els anys vuitanta i dona com a resultat la tècnica QSRR (sigles en anglès de quantitative structure-retention relationship (relació quantitativa entre estructura i retenció)) [6]. Aquesta tècnica permetrà fer matisacions moleculars subtils per via experimental cromatogràfica.

Composició quantitativa en àcids grassos obtinguda per cromatografia de gasos d’alguns greixos i olis 22

A la taula 4 es presenta la composició d’àcids grassos d’una mantega de llet publicada per J. P. Wolff [7]. Aquestes dades

Revista Quimica 17.indd 22

Taula 4. Composició d’àcids grassos d’una mantega de llet (J. P. Wolff, 1968) Àcid gras

Límits (%)

Àcid gras

Límits (%)

C4:0

2,8-5,0

C15:0

1,5-1,8

C6:0

1,1-3,0

C15:1

0,1-0,2

C8:0

1,0-2,1

C16r

0,3-0,5

C10:0

2,1-3,9

C16:0

22,0-37,5

C10:1

0,2-0,5

C16:1

1,9-2,6

C11:0

0,0-0,1

C17r

1,1-1,6

C12:0

2,6-4,2

C17:0

0,5-0,7

C12:1

0,1-0,2

C17:1

0,3-0,6

C13r

0,1-0,2

C18r

0,1-0,3

C13:0

0,1-0,3

C18:0

6,6-13,5

C14r

0,2-0,3

C18:1

16,2-34,5

C14:0

8,2-14,5

C18:2

1,3-2,8

C14:1

0,9-1,5

C18:3

0,7-4,8

C15r

1,1-1,5

C20:0

0,0-0,3

r: ramificat.

són antigues, com indica la data de publicació de l’obra de Wolff (1968), però els resultats obtinguts per cromatografia de gasos dels corresponents èsters metílics són totalment vàlids actualment.

Com es pot observar a la taula 4, el greix de la llet és molt complex i s’hi troben àcids grassos des de C4(0) fins a C20(0), junt amb petites quantitats d’àcids amb un nombre senar d’àtoms de carboni i, fins i tot, alguns amb cadena ramificada.

Cal recordar que abans que existís la cromatografia hi havia l’opinió estesa que en la natura no hi havia greixos i olis amb àcids grassos amb un nombre senar d’àtoms de carboni.

A la taula 5 es presenta la composició d’àcids grassos d’un oli d’oliva, publicada per J. P. Wolff [7].

A la taula 6 es presenta la composició de l’oli de palma, junt amb la de l’oli d’oliva. S’indiquen els valors mitjans de la composició d’àcids grassos obtinguts per cromatografia, procedents de la mateixa font que els de la taula 5. És interessant remarcar la composició d’àcids grassos molt més complexa del greix de la llet en comparació amb la dels dos olis vegetals (oliva i palma), la qual cosa és comprensible si tenim en compte el nivell tròfic superior dels mamífers res-

07/01/2019 16:00:42

Taula 5. Composició d’àcids grassos d’un oli d’oliva (J. P. Wolff, 1968) Àcid gras

Límits (%)

C15:1

—

C16r

—

C16:0

—

C16:1

8,1-12,2

C17r

0,3-1,2

C17:0

—

C17:1

—

C18r

—

C18:0

2,5-3,8

C18:1

74,9-83,7

C18:2

2,4-8,4

C18:3

0,6-1,4

C20:0

0,2-0,5

C20:1

0,2-0,4

Els primers resultats assolits, a partir de 1965-1966, per la cromatografia dels èsters metílics dels àcids grassos d’un glicèrid va permetre donar una informació qualitativa i quantitativa sobre la composició dels triglicèrids de la part majoritària dels olis i dels greixos, a nivell molecular. No obstant, quedava encara pendent resoldre la separació i identificació dels components de la fracció insaponificable.

Aplicació de la cromatografia a la part no saponificable dels olis i greixos

Taula 6. Composició d’àcids grassos d’un oli de palma i d’un oli d’oliva [7] Àcid gras

Oli d’oliva (valor mitjà, %)

Oli de palma (valor mitjà, %)

C15:1

—

—

C16r

—

—

C16:0

—

—

C16:1

10,8

46,8

C17r

0,6

0,3

C17:0

—

—

C17:1

—

—

C18r

—

—

C18:0

3,1

5,3

C18:1

78,5

36,6

C18:2

5,7

8,6

C18:3

0,8

0,4

C20:0

0,3

0,5

C20:1

0,3

—

pecte dels productors de triglicèrids vegetals. Per altra part, cal notar que la proporció d’àcids grassos saturats en l’oli d’oliva (un 14,2 %, segons la taula 6) és molt inferior a la de l’oli de palma (54,1 %). Aquest fet està d’acord amb la temperatura mitjana en què creixen les oliveres i Elaeis guineensis, productora de l’oli de palma. Com més baixa sigui la tempera-

Revista Quimica 17.indd 23

tura mitjana en què visqui un organisme, més alta serà la proporció d’àcids insaturats dels glicèrids dels seus teixits.

Aquesta proporció ve establerta de manera que la fracció de glicèrids doni als teixits una plasticitat adequada a la temperatura mitjana a la qual es troba l’ésser viu corresponent i en faciliti el corresponent metabolisme (vegeu el treball d’A. R. Cossins i C. L. Prosser [8]).

Quan es realitza la saponificació d’un oli o un greix, els àcids grassos en forma de sals potàssiques o sòdiques es trobaran en la fase aquosa, mentre que el que resta queda en la fase orgànica (èter etílic o hexà).

La part més interessant pel que fa al contingut d’aquesta fase orgànica són els esterols, perquè de la seva composició és possible obtenir informació d’interès sobre la identitat i la qualitat de l’oli o el greix estudiat.

Uns anys després d’haver-se resolt la cromatografia dels èsters metílics dels àcids grassos es va emprendre la separació cromatogràfica de mescles d’esterols. Donat el pes molecular d’aquestes substàncies, calia realitzar la cromatografia a temperatura elevada, entre 280 i 300 oC, per a aconseguir una separació adequada. Aquest fet comportava el risc de descomposició de la mostra a l’injector. A més, per a obtenir una separació amb temps de retenció raonables, era necessari utilitzar columnes reblertes amb una metilsilicona sobre un suport sòlid desactivat i un grau d’impregnació baix, del 2 % o 3 % de la fase estacionària.

En els greixos d’origen animal ja s’hi havia identificat el colesterol com un dels components importants de la fracció no saponificable. No obstant, en els olis o materials greixosos d’origen vegetal, la cromatografia de gasos va permetre separar i

23

07/01/2019 16:00:42

identificar els següents esterols: campesterol, estigmasterol i β-sitosterol.

A la figura 4 es mostra la separació d’una mescla de patrons que contenen colesterol i els esterols propis dels olis vegetals (campesterol, estigmasterol i β-sitosterol). Cal tenir en compte que les estructures dels esterols són totes molt similars i es fonamenten en l’estructura de l’hidrocarbur ciclopentà-perhidrofenantrè.

gasos en l’entorn dels greixos i olis era ja molt satisfactòria.

Per altra part, la reproductibilitat de la informació quantitativa també era molt bona. Per aquesta raó, les tècniques cromatogràfiques es van imposar en la majoria de normatives analítiques de tipus oficial (UNE i FDA) i, més endavant, també als reglaments (CEE) corresponents de la Comissió Europea.

Aquestes metodologies d’analítica molecular, junt amb tot l’esforç per a aconseguir normes acreditades entre diversos laboratoris, han contribuït decisivament a la millora de la qualitat i seguretat dels aliments de base lipídica.

Malgrat que el nostre país i Europa disposen d’una capacitat analítica consolidada, els dos fets o anècdotes que es des­ criuen en els següents paràgrafs són un exemple que «l’absoluta previsió o el control analític global són una utopia».

L’oli de colza, un oli conflictiu: frau i problema sanitari

Figura 4. Separació cromatogràfica (GC-FID) d’una barreja d’esterols: colesterol, campesterol, estigmasterol i b-sitosterol.

La posada a punt d’aquesta tècnica va permetre detectar l’adulteració d’alguns olis vegetals amb greixos d’origen animal, fet que es va donar en el cas d’alguns olis d’oliva. Tanmateix, cal tenir en compte que es troba colesterol a la fracció insaponificable d’alguns olis vegetals. Per exemple, es pot trobar colesterol en l’oli de palma (de prop d’un 6 % de la fracció d’esterols), en l’oli de cacauet i en l’oli de lli (2 % de la fracció d’esterols).

La cromatografia com a eina bàsica per a la caracterització dels lípids: qualitat, identificació de mescles i contaminacions 24

Des dels anys vuitanta del segle passat, la sensibilitat i la capacitat de separació i d’identificació de la cromatografia de

Revista Quimica 17.indd 24

L’oli de colza s’extreu del premsat de les llavors de la colza, Brassica napus, i, convenientment refinat, s’utilitza en alimentació, especialment per a fregir en els països del nord d’Europa. No obstant, aquest oli ha esdevingut un material de partida per a l’obtenció de biodièsel i també s’ha usat en la indústria. Els olis de colza per a aplicacions industrials es tenyeixen amb un colorant o traçador per a evitar que determinades partides d’aquest oli passin a la cadena alimentària, ja que es consideren desnaturalitzats. Com correspon a un oli produït per un vegetal que creix en països freds, aquest oli té una elevada proporció d’àcids grassos insaturats. Entre aquests destaca l’àcid erúcic, amb un nombre lipídic de 20:1, que pot arribar a representar fins al 45 % del contingut d’àcids grassos en alguns tipus d’oli de colza.

A la taula 7, es mostren els marges de composició d’àcids grassos publicats per J. P. Wolff [9] per a olis amb un contingut baix d’àcid erúcic i un contingut alt d’aquest àcid. També s’ha inclòs en aquesta taula el resultat de l’anàlisi d’un oli de colza realitzat l’any 2016 a l’Institut Químic de Sarrià (IQS). És interessant remarcar el gran marge de variació en el contingut d’àcid erúcic (taula 7). La disminució de la concentració d’àcid erúcic ve compensada per un augment de la d’àcid oleic en els diferents tipus d’olis de colza. L’oli de colza canadenc és el que té un contingut més baix d’àcid erúcic.

07/01/2019 16:00:42

Taula 7. Oli de colza: marges dels àcids grassos per a olis amb un contingut baix i alt d’àcid erúcic (J. P. Wolff, 1968) [9]

Tipus de mostra d’oli

Fracció d’àcids grassos (%) Oli de colza

Baix contingut d’àcid erúcic [4]

Alt contingut d’àcid erúcic [4]

Oli de colza, IQS (2016)

C16:0

2,6-6,0

3,5-3,6

4,8

C16:1

0,1-0,3

0,1-0,2

0,3

C18:0

1,0-1,3

0,7-0,8

1,6

C18:1 (àcid oleic)

28,0-31,0

16,1-19,5

63,3

C18:2

10,0-17,5

14,0-15,4

20,2

C18:3

2,0-8,5

8,1-8,5

7,6

C20:0

0,4-0,5

0,3-0,8

0,6

C20:1

11,1-16,0

11,3-11,6

1,2

C20:2

0,0-0,5

0,0-0,5

0,0

C22:1 (àcid erúcic)

24,9-31,0

41,4-45,5

0,3

C22:2

0,2-0,3

0,2-1,5

0,1

L’any 1976, es va publicar una Directiva europea (76/621/CEE) que regulava la ingesta d’àcid erúcic en l’alimentació humana.

En el pròleg, es defineix l’àcid erúcic com una toxina vegetal natural a la qual s’atribueixen certs problemes sanitaris. S’havien realitzat estudis que posaven de manifest que no era convenient sobrepassar un cert nivell d’aquest àcid en el consum d’alguns glicèrids. La normativa esmentada va establir, l’any 1977, que el contingut d’àcid erúcic en greixos i olis no havia de superar el 10 %, i que al 1979 s’havia de reduir al 5 %. Més recentment, l’any 2006, l’Autoritat Europea de Seguretat Alimentària (EFSA) va establir una IDT (ingesta diària tolerable) d’àcid erúcic de 0,7 g/kg de pes corporal [10]. Per tant, és comprensible que s’hagin fet tota classe d’estudis genètics per a aconseguir plantes de Brassica napus que permetin obtenir olis de colza amb baixos continguts d’àcid erúcic.

Aquest fet explica els resultats de l’anàlisi realitzada a l’IQS l’any 2016 (taula 7), que indica un contingut d’àcid erúcic del 0,3 %.

Un altre aspecte interessant és la comparació de la relació entre el contingut d’àcids grassos insaturats i el contingut d’àcids saturats en olis de colza clàssics i en els olis d’oliva espanyols (taula 8).

L’alt contingut d’àcids insaturats de l’oli de colza (una relació superior a dues vegades la de l’oli d’oliva) és coherent amb les condicions climàtiques en què es cultiva Brassica napus.

Revista Quimica 17.indd 25

Taula 8. Relació entre àcids grassos insaturats i saturats en diferents olis Àcids grassos insaturats/saturats (%) (*)

Olis de colza clàssics

17,8

Oli de colza (IQS, 2016, taula 7)

13,0

Oli d’oliva espanyol

6,2

* Composició mitjana.

Tot i els recels de tipus sanitari que ha pogut generar l’oli de colza, basats en les característiques de l’àcid erúcic, no va tenir cap relació amb els greus problemes sanitaris de l’incident denominat síndrome tòxica, un greu problema que es va produir a Espanya la primavera de l’any 1981, quan una partida d’oli de colza desnaturalitzat amb anilina per a ús metal·lúrgic va passar fraudulentament a la cadena alimentària. El Laboratori de Cromatografia de l’IQS va identificar oleoanilida en mostres d’aquest oli. Aquest resultat demostrava que les mostres analitzades, que van ser lliurades com a «oli tòxic», havien estat desnaturalitzades amb anilina.

Quan una mala pràctica pot produir una contaminació en un producte alimentari i, al mateix temps, un seriós problema ambiental Ara farà una trentena d’anys, quan un carregament d’olives arribava al trull, es feia una valoració de l’oli que se’n podria obtenir. Aquest mesurament es realitzava pel mètode Fosslet.

De forma resumida, consistia a extreure amb percloroetilè (C2Cl4) l’oli d’una determinada quantitat d’olives. El percloroetilè té una densitat d’1,62 g · cm–3. Amb la disminució de la densitat per l’oli extret i el pes de la mostra, es deduïa la quantitat d’oli que es podria obtenir de la mostra.

El problema es va originar pel fet que, des de feia anys, el percloroetilè utilitzat anava a parar als desaigües. Aquests abocaments havien contaminat l’aigua dels aqüífers que després s’utilitzava en l’obtenció de l’oli. La solubilitat d’aquest dissolvent en aigua és de 0,015 grams per litre.

L’alarma sobre aquest tema es va disparar al Laboratori Cantonal de Zuric quan van detectar la presència de percloroetilè en oli d’oliva verge a una concentració de prop d’algunes parts per milió (ppm).

25

07/01/2019 16:00:42

Una comissió d’exportadors d’oli d’oliva va demanar ajuda a l’IQS per a trobar solució a aquest problema. L’IQS va concloure que aquell resultat era correcte. Quan es va tenir coneixement de com es procedia a valorar el contingut d’oli de les olives en diverses cooperatives, es va decidir estudiar la possible contaminació de l’aigua utilitzada en l’obtenció de l’oli d’oliva verge. Donada aquesta possible sospita, es va encarregar a l’IQS posar a punt un mètode per a detectar dissolvents clorats en aigua i estudiar els aqüífers de diverses zones en què es produïa oli. Es van trobar diversos aqüífers contaminats amb percloroetilè, dels quals alguns trulls cooperatius treien l’aigua per al procés de rentat de l’oli. En alguns casos, el nivell de contaminació arribava fins a la saturació, és a dir 0,015 g · L–1. Aquest resultat feia pensar que en el fons de l’aqüífer hi havia percloroetilè com una fase separada més densa, fet que va poder ser comprovat.

Tenint en compte la quantitat d’aigua que s’utilitzava en el procés, i d’acord amb la solubilitat del percloroetilè en l’aigua, els càlculs donaven un resultat de prop d’una ppm en l’oli, que coincidia amb el resultat trobat a Zuric: l’oli extreia el percloroetilè que hi havia a l’aigua.

El problema dels àcids trans en els olis i els greixos El colesterol és una substància essencial que, a part del que ingerim per la dieta, se sintetitza en el nostre organisme. El fetge és l’òrgan base de la síntesi, el subministrament, la distribució i l’excreció de lípids en el nostre organisme i, per tant, és el responsable que sigui correcte l’equilibri entre el que ingerim, el que sintetitzem i el que eliminem. Les lipoproteïnes són les encarregades del transport del colesterol i dels triglicèrids del fetge als teixits, i dels teixits al fetge per a l’excreció del colesterol sobrant. Les lipoproteïnes de baixa densitat (LDL) són les encarregades del transport del colesterol als teixits. Per tant, el colesterol que es detecta en les LDL no és bo que superi uns certs nivells. Contràriament, les lipoproteïnes d’alta densitat (HDL) són les que transporten el colesterol en sentit contrari (dels teixits al fetge). Per aquest motiu, el colesterol HDL convé que no baixi de certs valors.

26

En els olis i greixos naturals, els àcids insaturats es troben en conformació cis. En la gran majoria dels olis, l’àcid insaturat més important i majoritari, entre els monoinsaturats, és l’àcid

Revista Quimica 17.indd 26

oleic (C18:1). No obstant, qualsevol tractament que es faci sobre un oli o un greix pot posar en marxa la isomerització de l’àcid oleic a la forma trans, ja que aquesta és més estable que la cis.

La societat, amb les seves exigències des de fa més de cinquanta anys, demana reduir el temps i la feina en les cuines del món occidental. Aquest fet ha potenciat una importantíssima indústria agroalimentària. Per altra part, la competitivitat en aquest ja gran sector industrial ha anat influint en els gustos, les preferències i les modes de la nostra alimentació.

Aquesta realitat ha generat la posada a punt de diferents processos industrials per a adaptar olis i greixos naturals a la preparació dels més diversos productes alimentaris. En molts d’aquests processos, pot tenir lloc la isomerització de l’àcid oleic cis en el seu isòmer trans: l’àcid elaídic.

No obstant, no és correcte culpar exclusivament d’aquesta modificació els processos industrials, ja que aquesta també es pot produir en el més simple dels processos culinaris: fregir.

Des de principis del segle actual [11], es tenen indicis que la ingesta de greixos que contenen quantitats significatives d’àcids en estructura trans augmenta la probabilitat de patir malalties cardiovasculars. Més endavant es va saber que la presència en el nostre organisme d’aquests àcids trans dificulta la formació de lipoproteïnes HDL, i això provoca dificultats en l’eliminació del colesterol sobrant. Per aquesta raó, des de fa uns anys, les normatives sobre productes alimentaris exigeixen que s’especifiqui la quantitat d’àcids trans que conté, o pot arribar a tenir, un producte que es posa al mercat.

L’anàlisi dels isòmers trans que es fa per cromatografia de gasos és una anàlisi complexa i els mètodes establerts es redueixen a la determinació de l’àcid elaídic, que és l’isòmer trans de l’àcid insaturat majoritari dels olis i greixos. No obstant, cal tenir en compte que el problema d’isomeria no es limita a l’àcid oleic, ja que també els àcids poliinsaturats poden presentar aquests canvis conformacionals.

Per altra part, tant en els processos industrials com simplement amb el cuinat d’aliments, o també per efecte de la llum o de bacteris, es poden produir, a més de canvis de conformació de cis a trans, canvis en la transposició de la insaturació del carboni 9 (pròpia dels àcids oleic i elaídic) a altres posicions. De fet, s’han trobat diversos isòmers de posició de l’àcid

07/01/2019 16:00:42

elaídic en olis i greixos que han estat tractats per a la preparació de margarines. Alguns d’aquests isòmers encara no s’han pogut identificar.

L’objectiu és identificar i valorar cada un dels components que apareixen en el cromatograma entre l’estearat de metil i l’oleat de metil, i que en la figura es designen globalment com a «isòmers cis i trans de l’oleic».

La cromatografia de gasos en la separació i la identificació dels isòmers trans de l’àcid trans9-octadecenoic (àcid elaídic): correlacions entre retenció cromatogràfica i estructura

Per a aconseguir aquest repte, cal fer una separació prèvia amb cromatografia de líquids (LC), que permetrà obtenir diverses fraccions. La primera contindrà els èsters metílics dels àcids saturats; la segona correspon als àcids monoinsa­ turats amb conformació trans; la tercera, als àcids monoin­ saturats amb conformació cis, i la darrera, als àcids poliinsaturats.

Per a la separació dels isòmers cis i trans d’un determinat àcid gras, com a èsters metílics, cal recórrer a la cromatografia de gasos d’alta resolució, donada la poca diferència de retenció entre ambdós isòmers. La dificultat s’agreuja quan un dels isòmers és majoritari, com succeeix en el cas real de la separació de l’oleat de metil (cis) de l’elaïdat de metil (trans), en què el pic cromatogràfic de l’oleat serà prop de cent vegades més intens que el de l’elaïdat. La complexitat augmenta quan es tracta d’un greix real tractat, com és el cas d’una margarina, en què apareixen també els diferents isòmers de posició del doble enllaç format a l’àcid oleic i a l’elaídic (figura 5).

La separació de les fraccions dels cis i trans es va aconseguir amb cromatografia de capa fina, utilitzant sílice dopada amb un 10 % de nitrat de plata. L’ió plata (Ag+) té una capacitat especial per a la retenció selectiva dels orbitals π dels àcids insaturats, els quals tindran un impediment estèric diferent en conformació cis o bé en trans. Per a les experiències que es descriuen més endavant, s’ha utilitzat una microcolumna de Supelco amb Ag+. El rebliment d’aquesta columna està funcionalitzat amb grups alquil sulfònics ionitzats associats als ions plata que retenen selectivament les configuracions cis.

Per a aquest treball, només es va poder disposar dels patrons que es troben en el mercat com a «cis-trans FAME Mix», subministrats per Restek. La dissolució conjunta conté 10 mg · cm–3 dels patrons següents en les proporcions indicades a continuació: — C18:0, estearat de metil, 20 %; — C18:1, 6t, petroselinat de metil, 8 %; — C18:1, 9t, elaïdat de metil, 10 %; — C18:1, 11t, vaccenat de metil, 12 %; — C18:1, 6c, petroselinat de metil, 8 %; — C18:1, 9c, oleat de metil, 10 %; — C18:1, 11c, vaccenat de metil, 12 %; — C18:2, 9c, 12c, linoleat de metil, 20 %.

Figura 5. Cromatograma corresponent a la separació dels àcids grassos metilats d’una margarina (2009) a 165 ºC. Anàlisi dels isòmers cis i trans.

En la figura 5 s’observa com s’interfereixen els pics corresponents als isòmers cis i trans conjuntament amb els isòmers de posició de la insaturació de l’àcid cis-9-octadecenoic en forma d’èsters metílics.

Revista Quimica 17.indd 27

A la figura 6 es presenta el cromatograma de la mescla «cistrans FAME Mix». Cal destacar que els isòmers trans s’elueixen abans dels isòmers cis per a un mateix compost, ja que la fase estacionària és polar (cianopropilmetilpolisiloxà) i els isòmers cis tenen l’orbital π menys impedit per a interaccionar amb els grups ciano de la fase, de manera que queden més retinguts.

27

07/01/2019 16:00:43

— pics 2, 3 i 5: isòmers trans C18:1, 6t, petroselinat de metil; C18:1, 9t, elaïdat de metil, i C18:1, 11t, vaccenat de metil, respectivament. Coincideixen amb el patró de referència.

Figura 6. Cromatograma ampliat corresponent a la separació dels àcids grassos metilats d’una margarina (2009) a 165 ºC. Anàlisi dels isòmers cis i trans.

A la figura 7 es presenta l’ampliació del cromatograma de la fracció cis de la barreja de patrons separada per mitjà de la microcolumna i, també, el cromatograma de la fracció cis dels èsters metílics d’una margarina.

— pic 4: no present en el patró; podria ser un isòmer de posició de l’elaïdat de metil, també en conformació trans, del qual no es disposa de patró. [Pendent d’identificació.]

— pic 6: coincideix amb el cinquè pic del patró FAME. És el C18:1, 6c, petroselinat de metil.

— pic 7 (majoritari): C18:1, 9c, oleat de metil.

— pics 8 i 10: pendents d’identificació, no presents en el patró.

— pic 9: el darrer pic de FAME correspon amb el novè pic de la mostra de margarina, fet que permet suposar la presència de C18:1, 11c.

Figura 7. Cromatograma ampliat corresponent a la fracció dels isòmers cis obtingut per fraccionament per LC amb microcolumna d’ió plata (Supelco), tant del patró «cistrans FAME Mix» com d’una margarina.

Com es pot observar a la figura 7, en la fracció cis de la margarina, a més de l’oleat de metil (pic majoritari) apareixen tres petits pics, que molt possiblement corresponen a isòmers de posició de l’oleic en conformació cis. Aquest cromatograma evidencia la necessitat de separació prèvia dels èsters metílics de l’oli o greix per cromatografia de líquids amb columna d’ió plata, si es pretén detectar isòmers de posició de l’oleat de metil en conformació cis.

A la figura 8, es presenta una superposició del cromatograma de la mateixa mostra de margarina, però ampliant el registre de la zona on s’elueixen els isòmers d’interès cis i trans (color blau), amb la barreja «FAME Mix» (color vermell), analitzats en les mateixes condicions.

Cal tenir en compte que les identificacions proposades en la mostra de margarina ho són tan sols per coincidència en els temps de retenció dels patrons. Per altra part, en el cromatograma de la mostra queden tres pics per identificar (4, 8, 10).

Amb la finalitat d’aconseguir una identificació pluriparamètrica, era imprescindible estudiar la coincidència entre la mostra de margarina i la mescla de patrons FAME també en la fracció trans de la cromatografia de líquids de la margarina. A més, els cromatogrames es van realitzar a dues temperatures, 165 oC i 185 oC, respectivament.

A la figura 9 es presenten les superposicions dels cromatogrames de la fracció trans obtinguda per LC tant de la mostra de margarina (blau) com del patró FAME (vermell) a les dues

Com es pot observar a la figura 8, a l’extracte de margarina s’observen 10 pics, cinc dels quals coincideixen en temps de retenció amb el del patró: — pic 1: estearat de metil (coincideix amb el del patró).

28

Revista Quimica 17.indd 28

Figura 8. Superposició dels cromatogrames corresponents a l’extracte, tant del patró «cis-trans FAME Mix» (vermell) com d’una margarina (blau). Ampliació de la zona d’interès. Pics de l’extracte de margarina identificats (1 a 10).

07/01/2019 16:00:43

Així, per a aportar més arguments a la identificació dels possibles isòmers de posició en conformació trans de l’oleat de metil, s’han aplicat tècniques QSRR, i s’han obtingut correlacions interessants entre els temps de retenció relatius a l’èster metílic de l’àcid C17:0 i el nombre de la posició del primer carboni de la insaturació.

Figura 9. Superposició de cromatogrames: el blau correspon a l’extracte de la fracció trans obtingut per fraccionament per LC amb microcolumna d’ió plata (Supelco), i el de color vermell és el del patró «cis-trans FAME Mix». En els registres s’ha ampliat la zona d’interès. Els cromatogrames superiors s’han registrat en mode isotèrmic a 165 oC i els cromatogrames inferiors s’han registrat en mode isotèrmic a 185 oC.

temperatures assajades (165 oC i 185 oC). D’aquesta manera, es confirmen les coincidències dels pics corresponents a C18:1, 9t, i C18:1, 11t, en el cromatograma de la mostra de margarina estudiada. No obstant, en el pic de la mostra que semblava coincidir amb el patró C18:1, 6t, s’observa una diferència significativa de temps de retenció a les dues temperatures assajades, encara que s’accentua en el registre del cromatograma fet a 185 oC. Per aquesta raó, es descarta aquesta primera identificació, la qual cosa indica que el compost de la mostra és de naturalesa diferent a la del patró C18:1, 6t, ja que el gradient del temps de retenció respecte de la temperatura (δtr/δtemp) és diferent (l’un i l’altre tenen un ∆H de transferència de fase diferent).

En aquesta correlació, s’han inclòs els temps de retenció dels pics de la mostra que coincideixen amb els patrons, i se’ls ha assignat, com a hipòtesi, la mateixa insaturació del patró corresponent (6, 9 i 11, respectivament). Els pics de la fracció trans que no coincideixen amb els dels patrons se situen en els gràfics d’acord amb la correlació obtinguda, que s’ha aplicat als dos cromatogrames de la figura 9 (efectuats a 165 oC i a 185 oC).

La identificació més problemàtica és la del primer pic, que s’aproxima molt al del C18:1, 6t, del patró, però també es podria suposar que aquest compost és l’isòmer 7t o bé el 8t.

A continuació, es presenta la correlació entre el temps de retenció corregit i la posició de la insaturació, d’acord amb una de les dues possibles hipòtesis per al pic no identificat (7t o 8t), tant a 165 oC (figura 10) com a 185 oC (figura 11).

En aquest punt també es fa una primera suposició d’identificació dels pics desconeguts de la mostra.

Sembla que el pic identificat prèviament com a C18:1, 6t, podria correspondre al 7t o al 8t. Per altra part, el mateix raonament justifica afirmar que el pic de la mostra, que es manté tant a 165 oC com a 185 oC gairebé equidistant entre el 9t i el 11t, podria correspondre a l’èster metílic de l’àcid C18:1, 10t.

Correlacions de retenció cromatogràfica i estructura molecular entre els isòmers de posició del trans-9-octadecenoic en forma d’èsters metílics La QSRR [6] ha estat una tècnica interessant i útil, tant per a aportar recursos numèrics i estadístics que ajudin a identificar substàncies en una separació cromatogràfica com per a aconseguir una aproximació al mecanisme de retenció d’un compost en cromatografia. També s’ha recorregut a aquest tipus de correlacions per a obtenir informació de la polaritat complexa d’un compost orgànic.

Revista Quimica 17.indd 29

Figura 10. Correlació retenció-estructura dels cromatogrames registrats a 165 oC. Representació del temps de retenció corregit vs. el carboni d’insaturació. S’inclouen les dues hipòtesis per al pic posterior al del patró C18:1, 6t: hipòtesi 7t (esquerra) i 8t (dreta).

Figura 11. Correlació retenció-estructura dels cromatogrames registrats a 185 oC. Representació del temps de retenció corregit vs. el carboni d’insaturació. S’inclouen les dues hipòtesis per al pic posterior al del patró C18:1, 6t: hipòtesi 7t (esquerra) i 8t (dreta).

29

07/01/2019 16:00:44

A les figures 10 i 11 es mostren les equacions de correlació, molt similars per a les dues hipòtesis, si bé el coeficient de correlació R2 millora lleugerament per a la hipòtesi d’insaturació en el C7, destacada per la fletxa vermella. No obstant, en les correlacions realitzades en el cromatograma fet a 185 oC, la hipòtesi que la insaturació es troba en el C8 és la més versemblant.

Els resultats de les dues correlacions obtingudes a partir dels cromatogrames fets a 165 oC i 185 oC es contradiuen.

Cal reconèixer que, malgrat l’obtenció de nivells de correlació retenció-estructura tan bons, no s’ha aconseguit resoldre el problema: la insaturació arrenca del carboni 7 o del 8?

Podria ser que la diferència que pretenem distingir vagi més enllà de la sensibilitat o capacitat de discerniment de la tècnica cromatogràfica.

Quan l’estadística arriba al seu límit Per a intentar sortir d’aquesta contradicció, cal examinar amb atenció el cromatograma realitzat a 185 oC (figura 9). S’arriba a la conclusió que el primer pic de la mostra, el que suposem que és C18:1 insaturat en el carboni 7 o 8, queda fortament interferit pel pic que s’elueix immediatament després, que coincideix amb el C18:1, 9t. Aquest encavalcament altera la lectura automàtica del temps de retenció del pic a identificar.

Per a poder obtenir un valor més correcte d’aquest possible C18:1 (7t o 8t), caldria haver desconvolucionat aquesta part del cromatograma de la mostra realitzat a 185 oC, per tal de poder obtenir el vertader temps de retenció del primer pic i introduir-lo en el càlcul de la correlació.

Referències [1] Organització de les Nacions Unides per a l’Agricultura i l’Alimentació (FAO). Grasas y ácidos grasos en nutrición humana.

Consulta de expertos. Estudi núm. 91. Ginebra: FAO, 2008.

[2] Reglament (CEE) núm. 2568/91 de la Comissió, de l’11 de juliol de 1991, relatiu a les característiques dels olis d’oliva i dels olis de sansa d’oliva i sobre els seus mètodes d’anàlisi.

Annex i, punts 1 i 2.

[3] Gassiot, M. «L’inici de la química subtil: aproximació històrica a la cromatografia cinquanta anys després d’haver estat reconeguda amb el Premi Nobel de Química». Memorias de la Real Academia de Ciencias y Artes de Barcelona, 3a època, núm. 988, vol. 61, núm. 2 (2003), p. 45-88.

[4] Wolff, J. P. Manuel d’analyse des corps gras. París: Azoulay, 1968, p. 57.

[5] Kowats, E. «Retentionindices alipfhatischer Halogenide, Alcohole, Aldehyde und Ketone». Helv. Chim. Acta, vol. 41 (1958), p. 1915-1932.

[6] Héberger, K. «Quantitative structure-retention relation­ ships». A: Poole, C. F. (ed.). Gas chromatography. Amsterdam: Elsevier, 2012, p. 451- 475.

[7] Wolff, J. P. Manuel d’analyse des corps gras. París: Azoulay, 1968, p. 311 i 392.

[8] Cossins, A. R.; Prosser, C. L. «Evolutionary adaptation of membranes to temperature». Proceedings of the National Academy of Science USA, vol. 75 (1978), p. 2040-2043.

[9] Wolff, J. P. Manuel d’analyse des corps gras. París: Azoulay, 1968, p. 338.

[10] Autoritat Europea de Seguretat Alimentària (EFSA). Reglament (CE) núm. 1881/2006.

[11] Ratnayake, W. M. N.; Gagnon, C.; Dumais, L.; Lillycrop, W.; Wong, L.; Meleta, M.; Calway, P. «Trans fatty acid content of Canadian margarines prior to mandatory trans fat labelling».

J. Am. Oil Chem. Soc., vol. 84, núm. 9 (2007). © AOCS 2007.

Aquesta consideració reforça el valor de la correlació obtinguda amb el registre cromatogràfic de 165 oC, en el qual la interferència entre els dos primers pics considerats és mínima. Per tant, es reforça la hipòtesi que el primer pic correspon a l’èster metílic C18:1, 7t.

30

Revista Quimica 17.indd 30

07/01/2019 16:00:44

M. Gassiot

G. Gotor

L. Comellas

F. Broto

C. Ribas

A. G. Artiga

Miquel Gassiot és doctor en ciències químiques, professor emèrit de la Universitat Ramon Llull al Departament de Química Analítica i Aplicada de l’Institut Químic de Sarrià (IQS) i acadèmic numerari de la Reial Acadèmia de Ciències i Arts de Barcelona (RACAB).

Lluís Comellas és doctor en química per l’Institut Químic de Sarrià (IQS) de la Universitat Ramon Llull, professor catedràtic de la Universitat Ramon Llull a l’IQS i vicerector de Recerca i Innovació de la mateixa universitat.

Francesc Broto és doctor en química per l’Institut Químic de Sarrià (IQS) de la Universitat Ramon Llull, professor catedràtic de la Universitat Ramon Llull a l’IQS i investigador del Departament de Química Analítica i Aplicada de l’IQS. Cristina Ribas és doctora per la Universitat Ramon Llull i investigadora del Departament de Química Analítica i Aplicada de l’Institut Químic de Sarrià (IQS).

Gemma Gotor és doctora per la Universitat Ramon Llull i investigadora del Departament de Química Analítica i Aplicada de l’Institut Químic de Sarrià (IQS).

Araceli G. Artiga ha fet el Màster en Investigació en Química i Enginyeria Química de la Universitat Ramon Llull i és professora catedràtica a la Universitat Centreamericana José Simeón Cañas (UCA) d’El Salvador.

31

Revista Quimica 17.indd 31

07/01/2019 16:00:45

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 32-44 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.94 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Enginyeria de quitinases de la família GH18 per a l’obtenció de polímers de quitosà amb seqüències definides Engineering GH18 chitinases for the production of sequence-defined chitosan polymers Cristina Alsina, Almudena Aranda-Martínez, Enea Sancho-Vaello, Xevi Biarnés, Magda Faijes, Antoni Planas Universitat Ramon Llull. Institut Químic de Sarrià (IQS). Laboratori de Bioquímica

Resum: Les quitinases són glicosilhidrolases (GH) que catalitzen la hidròlisi d’enllaços glicosídics β(1→4) de polímers de quitina i quitosà. Les quitinases de la família GH18 presenten activitat de transglicosidació i poden catalitzar la formació de nous enllaços glicosídics entre un sucre donador i un acceptor, i obtenir així quitooligòmers (COS), que tenen diferents aplicacions biotecnològiques. Amb l’objectiu d’obtenir COS amb estructures definides, s’està utilitzant les quitinases com a eina sintètica.

En el present treball s’ha introduït l’estratègia glicosintasa sobre quitinases GH18. Mitjançant l’enginyeria del centre actiu de les quitinases es pretén eliminar/disminuir l’activitat hidrolítica natural i incrementar l’activitat de síntesi.

Paraules clau: Quitooligosacàrid, enginyeria de proteïnes, quitinasa, glicosintasa, hidròlisi, transglicosidació.

Abstract: Chitinases are glycoside hydrolases (GH) that catalyse the hydrolysis of β(1→4) glycosidic bonds of chitin and chitosan polymers. Some chitinases also have transglycosylase activity, allowing them to introduce new glycosidic bonds between donor and acceptor sugar molecules with the consequent generation of chitin-oligosaccharides (COS), which may be useful for a range of biological applications. Chitinases are used as a synthetic tool to obtain well-defined COS. We propose here the application of glycosynthase technology on GH18 chitinases. Protein engineering is used to increase the transglycosylation activity while concomitantly decreasing the hydrolysis activity.

Keywords: Chito-oligosaccharide, protein engineering, chitinase, glycosynthase, hydrolysis, transglycosylation.

Introducció

L

a quitina, polisacàrid lineal format per monòmers d’N-acetil-­D-glucosamina (GlcNAc) units per enllaços β(1→4), és considerada una de les fonts renovables més abundants de la Terra, i es troba en els exoesquelets d’artròpodes (insectes i crustacis), els endoesquelets de mol·luscs, en molts invertebrats i en la paret cel·lular de fongs i algunes algues dia­to­mees [1]. La desacetilació parcial de la quitina produeix quitosans, copolímers lineals formats per residus de GlcNAc i glucosamina (GlcNH2). Aquesta desacetilació parcial resulta en grups amino lliures que confereixen càrrega positiva als quitosans, que esdevenen, així, els únics polisacàrids policatiònics naturals.

Com a conseqüència de les seves propietats físicoquímiques i biològiques, els quitosans tenen un elevat interès per a un gran nombre d’aplicacions en àrees tan diverses com l’agricultura, el tractament d’aigües, la indústria alimentària, la medicina i la cosmètica, entre d’altres [2-7]. Entre les diferents funcions

32

Correspondència: Cristina Alsina, Antoni Planas Institut Químic de Sarrià Via Augusta, 390. 08017 Barcelona Tel.: +34 932 672 000. Fax: +34 932 056 266 A/e: cristinaalsinav@iqs.edu, antoni.planas@iqs.edu

Revista Quimica 17.indd 32

biològiques dins la indústria medicofarmacèutica, destaquen les següents: activitats antiinflamatòries [8-10], immunoestimulants [11, 12], antimicrobianes [13-15], antitumorals [16, 17] i de prevenció de l’obesitat i control del colesterol [18, 19], vectors per a teràpia gènica (gene delivery) [20-22] i promoció de la cicatrització i la regeneració de la pell [23-25]. Els quitosans també presenten aplicacions altament interessants en l’agricultura, com a tractament antimicrobià, antifúngic i antiviral [26-28] i com a promotors del creixement [29-31] i del sistema immunitari de les plantes [32, 33]. Aquestes propietats biològiques dels quitosans són altament dependents del nombre de residus (grau de polimerització, DP), de la proporció relativa de monòmers acetilats i desacetilats (grau d’acetilació, DA) i del patró d’acetilació (PA), és a dir, de la distribució dels monòmers GlcNAc i GlcNH2 en la cadena oligomèrica.

Avui en dia, la quitina s’obté a partir de les restes de gambes i crancs de la indústria pesquera mitjançant tractaments químics de desmineralització i desproteïnització. El quitosà és llavors preparat a partir de des-N-acetilacions químiques de la quitina. Aquest procés de producció requereix l’ús d’una quantitat elevada d’àcids i bases, així com d’aigua, té un requisits energètics elevats i produeix una quantitat abundant de residus. Mitjançant aquest procés no s’aconsegueix un únic producte, sinó que s’obtenen mescles heterogènies de quito-

07/01/2019 16:00:45

sans, que difereixen en el DP, el DA i el PA, la qual cosa compromet la reproductibilitat entre lots. Un altre desavantatge per a la utilització d’aquests quitosans, principalment en cosmètica i biomedicina, és el seu origen animal. Amb l’objectiu de superar aquests desavantatges, s’ha proposat com a alternativa l’ús d’eines biotecnològiques per a la producció de quitosans a partir de precursors simples per via enzimàtica [34, 35] o per enginyeria metabòlica [36], amb l’objectiu d’obtenir oligòmers i polímers de quitosà amb estructures definides.

Per tal de desenvolupar estratègies biotecnològiques de biosíntesi de quitosans amb estructures definides quant a DP, DA i PA, el projecte europeu Nano3Bio està desenvolupant noves estratègies de producció de nous materials biomimètics formats per unitats de GlcNAc i GlcNH2, tant in vivo, per enginyeria metabòlica, com in vitro, basades en processos biotecnològics innovadors que utilitzen tecnologies quimioenzimàtiques. Els principals enzims estudiats per al desenvolupament d’aquesta plataforma biotecnològica inclouen quitinasintases, quitinadesacetilases, quitinases i quitosanases.

El nostre grup de recerca realitza enginyeria de proteïnes amb la finalitat de generar biocatalitzadors per a la producció de quitosans amb PA definits. L’estratègia implica la desacetilació específica d’oligosacàrids de quitina (DP 2-5) per l’acció de desacetilases de quitina seleccionades i/o dissenyades per enginyeria de proteïnes, seguida de la polimerització enzimàtica per l’acció de glicosintases dissenyades per a generar nous polímers que tinguin un patró d’acetilació regular i ben definit, com a productes únics.

En el present article es presenta l’ús de quitinases com a eina de síntesi de quitooligosacàrids (COS) i es proposa i desenvolupa l’ús de la tecnologia glicosintasa sobre quitinases de la família GH18 de CAZy (carbohydrate-active enzymes), amb l’objectiu de desenvolupar nous mutants per a polimeritzar COS activats per a donar polímers de baix pes molecular amb estructures definides. Mitjançant l’enginyeria del centre actiu de quitinases, es pretén eliminar/disminuir l’activitat hidrolítica natural i incrementar l’activitat de síntesi.

Glicosilhidrolases El conjunt d’enzims actius en carbohidrats, involucrats en la formació, la modificació i la hidròlisi d’oligosacàrids, polisacà-

Revista Quimica 17.indd 33

rids i glicoconjugats, es classifiquen a la base de dades CAZy (www.cazy.org) [37] en funció de la similitud de seqüència i, consegüentment, de plegaments comuns en les seves estructures. Segons l’activitat del seu domini catalític, es classifiquen en: a) glicosilhidrolases o glicosidases (GH), encarregades d’hidrolitzar enllaços glicosídics; b) glicosiltransferases (GT), que catalitzen la formació d’enllaços glicosídics; c) polisacàrid-liases (PL), responsables de l’escissió no hidrolítica d’enllaços glicosídics; d) esterases de carbohidrats (CE), que hidrolitzen els èsters de carbohidrats, i e) enzims d’activitats auxiliars (AA), enzims redox que actuen conjuntament amb altres enzims actius en carbohidrats.

Algunes glicosidases, a més d’hidrolitzar enllaços glicosídics, també són capaces de catalitzar la formació d’aquests invertint la reacció d’hidròlisi o mitjançant reaccions de transglicosidació. Els enzims d’aquesta família es divideixen alhora en dues classes segons el mecanisme d’acció: enzims amb inversió de la configuració anomèrica i enzims amb retenció de la configuració. Ambdues classes actuen mitjançant un mecanisme catalític d’àcid-base general, i presenten dos residus catalítics essencials, generalment aspartats o glutamats [38].

Les glicosidases que actuen amb inversió de la configuració ho fan mitjançant un mecanisme de desplaçament únic a través d’un estat de transició de tipus oxocarbocatiònic. El residu que actua com a base general incrementa la nucleofília d’una molècula d’aigua, la qual ataca el carboni anomèric al mateix temps que el residu àcid general assisteix el trencament de l’enllaç O-glicosídic cedint un protó a l’oxigen glicosídic a escindir (figura 1A). En canvi, les glicosidases que actuen mitjançant retenció de la configuració segueixen una reacció de doble desplaçament en què es produeix la formació i la hidròlisi d’un intermedi enzim-substrat (intermedi covalent glicosil-enzim). En la primera etapa, anomenada glicosilació, el grup àcid/base cedeix un protó a l’oxigen glicosídic, mentre que el residu nucleòfil ataca el carboni anomèric per a formar l’intermedi covalent. En la segona etapa, la desglicosilació, el residu catalític prèviament desprotonat actua com a base recuperant un protó d’una molècula d’aigua, la qual ataca el carboni anomèric i genera el producte d’hidròlisi amb la mateixa configuració anomèrica que el glicòsid de partida (figura 1B). Existeix una variant del mecanisme amb retenció de la configuració, present en glicosidases que catalitzen la hidròlisi de l’enllaç glicosídic de sucres que contenen un grup acetamido (hexosaminidases). Aquestes glicosidases no presenten

33

07/01/2019 16:00:45

Figura 1. Mecanismes catalítics de les glicosidases, A) amb inversió de la configuració, B) amb retenció de la configuració i C) amb retenció de la configuració mitjançant un mecanisme catalític assistit per substrat. Adaptat de Planas et al. [68].

nucleòfil i actuen mitjançant una catàlisi assistida per substrat, en què el grup N-acetil del substrat actua com a nucleòfil intern i dona lloc a la formació d’un intermedi, l’oxazolina, que en el segon pas de la reacció és atacat per una molècula d’aigua, assistida per la base conjugada del residu àcid general, i dona lloc al producte amb retenció de la configuració anomèrica (figura 1C). Aquests enzims presenten un residu auxiliar que forma un pont d’hidrogen amb el NH- del grup acetamido i assisteix la formació de l’intermedi oxazolina [39].

34

Per altra banda, en funció de la localització de l’enllaç glicosídic hidrolitzat dins la cadena oligomèrica, les glicosidases s’agrupen en enzims exo-, que alliberen un monosacàrid o disacàrid d’un dels extrems de la cadena, principalment l’extrem no-reductor, o endo-, que actuen en els enllaços interns de la cadena.

Revista Quimica 17.indd 34

Quitinases de la família GH18 Les quitinases són enzims de la família de les glicosilhidrolases que catalitzen la hidròlisi dels enllaços β(1→4) presents en homopolímers de quitina. En funció de la similitud de seqüència, les quitinases es classifiquen en dues subfamílies, 18 i 19, que difereixen en estructura i mecanisme d’acció. La majoria de quitinases presents en la major part d’organismes vius pertanyen a la família GH18. El domini catalític d’aquesta família presenta un plegament (β/α)8 (TIM barrel) [40-44] i es caracteritza per la presència de diferents motius de seqüència conservats [45]. El motiu més destacat és el motiu DXDXE, que conté el glutamat que actua d’àcid general. El centre actiu està envoltat de residus aromàtics que contribueixen a la unió del substrat [43, 46]. Les quitinases de la família GH18 actuen mitjançant un mecanisme catalític assistit per substrat. Basant-se en estudis sobre l’endoquitinasa hevamina,

07/01/2019 16:00:46

Tews et al. [39] van proposar aquest mecanisme catalític, en què es forma l’intermedi oxazolina per atac nucleofílic de l’àtom d’oxigen del grup N-acetil sobre el carboni anomèric.

Altres estudis sobre aquesta endoquitinasa [47] i sobre la quitinasa B de Serratia marcescens [48], juntament amb simulacions computacionals [49], donen suport a aquest mecanisme catalític. Tot i que la similitud de seqüència entre les quitinases de la família 18 no és particularment elevada (un 21 % d’identitat), els seus centres actius contenen diversos residus conservats, amb funcions catalítiques conegudes [47, 50-52].

D’entre aquests residus destaca el segon aspartat localitzat en el motiu DXDXE, que actua de residu auxiliar en la catàlisi i assisteix la formació de l’intermedi oxazolina [48, 50].

Diverses quitinases de la família GH18, a més d’hidrolitzar els enllaços glicosídics, presenten activitat de transglicosidació (TG), és a dir, són capaces d’establir nous enllaços glicosídics entre un sucre donador i un sucre acceptor [53-57]. En aquest article es presenta l’ús d’aquestes quitinases de la família GH18 com a eina de síntesi de quitooligosacàrids.

Activitat de transglicosidació de les quitinases de la família GH18 El potencial de les glicosidases amb retenció de la configuració com a eina per a la síntesis regio- i estereoespecífica de glicòsids s’està explotant des dels anys vuitanta. Les dues estratègies clàssiques més destacades en la síntesi enzimàtica d’enllaços glicosídics es basen a invertir la reacció d’hidròlisi desplaçant l’equilibri cap a la formació de l’enllaç (control termodinàmic) o utilitzant donadors glicosídics activats (control cinètic). L’estratègia de control termodinàmic es basa en el desplaçament de l’equilibri de reacció mitjançant l’alteració de les condicions d’aquesta, per exemple, utilitzant concentracions elevades de substrat, augmentant la temperatura o afegint solvents orgànics. Per altra banda, l’estratègia de control cinètic més comuna es basa a accelerar la formació de l’intermedi de reacció i afavorir que un sucre acceptor ataqui ràpidament aquest intermedi, abans que una molècula d’aigua. Per a aquesta estratègia s’utilitzen donadors glicosídics activats, amb l’objectiu d’augmentar la concentració de l’intermedi enzim-substrat un cop finalitzada la primera reacció del mecanisme catalític.

Revista Quimica 17.indd 35

En el cas de les glicosidases amb retenció de la configuració que actuen mitjançant un mecanisme catalític assistit per substrat, com és el cas de les quitinases de la família GH18, el donador glicosídic per a la transglicosidació és un oligosacàrid (GlcNAc-R) o bé un oligosacàrid activat (GlcN-oxazolina) (figura 2). L’eficiència de transglicosidació és dependent de com l’enzim pot acomodar el sucre acceptor per competir contra una molècula d’aigua. S’han desenvolupat diferents estratègies per afavorir la transglicosidació respecte de la hidròlisi, amb un èxit variable en funció de l’enzim i del donador/acceptor utilitzats.

Com a conseqüència de les potencials aplicacions de la quitina i el quitosà en els sectors de l’agricultura i la medicina, ha sorgit un gran interès per l’obtenció de quitooligosacàrids amb estructures definides. Per aquest motiu, la utilització de quitinases de la família GH18 per a aquesta síntesi està essent àmpliament estudiada.

Kobayashi et al. reporten el primer exemple de glicosidació enzimàtica utilitzant un derivat oxazolina com a donador glicosídic [58, 59]. Per reacció del derivat oxazolina de GlcNAc com a donador i GlcNAc com a acceptor, catalitzada per una endoquitinasa de Bacillus sp., obtenen quitobiosa (GlcNAcβ1,4GlcNAc). També s’ha utilitzat l’oxazolina de la quitobiosa com a donador per a obtenir polímers de quitina artificial [60, 61]. En tots aquests experiments s’utilitza un anàleg de l’estat de transició (oxazolina) com a substrat, de manera que disminueix l’energia d’activació i es permet que l’etapa de glicosidació es produeixi a un pH en què es minimitza la hidròlisi, la qual cosa desplaça la reacció cap a la síntesi de polímers. Més recentment, també s’ha utilitzat l’oxazolina del disacàrid GlcNβ(1→4)GlcNAc per a l’obtenció de polisacàrids de quitosà amb una estructura formada per unitats de GlcNAc i GlcNH2 alternants. S’han utilitzat les quitinases de Bacillus sp. i Serratia marcescens per a la poliaddició del derivat oxazolina i s’han obtingut polímers de fins a 8-10 (un 70 % de rendiment) i 10-12 monòmers (un 75 % de rendiment), respectivament [62].

Recentment, dins el projecte europeu Nano3Bio, s’ha demostrat l’elevada activitat de transglicosidació de la quitinasa D del bacteri gramnegatiu Serratia proteamaculans (SpChiD).

SpChiD és una quitinasa de la família GH18 que presenta activitat de TG utilitzant oligòmers de quitina (DP 3-6) com a substrat i dona lloc a oligòmers amb un DP de fins a 13 quan

35

07/01/2019 16:00:46

Figura 2. Mecanisme catalític assistit per substrat present en les quitinases de la família GH18. Els dos residus Asp del domini DXDXE interaccionen mitjançant un enllaç d’hidrogen quan l’enzim està lliure (A). Quan s’uneix el substrat, hi ha un moviment del residu Asp auxiliar per formar un pont d’hidrogen amb el residu àcid general (Glu), el qual protona l’oxigen glicosídic (B). Consegüentment, es produeix l’atac nucleofílic del grup acetamido de la unitat GlcNAc situada en el subseti -1, la qual cosa dona lloc a la formació de l’intermedi oxazolina (C). El residu assistent Asp estabilitza l’intermedi oxazolina/oxazoloni. En la segona etapa, el residu Glu actua de base general (D). En funció de l’acceptor (R’OH), es produirà hidròlisi o transglicosidació.

36

s’utilitza l’hexàmer com a substrat [53]. L’eficiència de TG, considerant el nombre i la concentració dels productes de TG, depèn majoritàriament de la relació entre la concentració d’enzim i la de substrat. La formació dels productes de TG és inversament proporcional a la concentració d’enzim i directament proporcional a la concentració de substrat [53]. Tot i que SpChiD és una quitinasa amb una important activitat de TG en comparació amb altres quitinases de la família GH18, els rendiments obtinguts no són gaire elevats com a conseqüència de l’activitat hidrolítica predominant de l’enzim salvatge. Amb l’objectiu d’augmentar l’activitat de TG de quitinases bacterianes de la família GH18 s’està duent a terme enginyeria de proteïnes seguint un disseny racional, mutant els residus conservats i/o els residus aromàtics que poden te-

Revista Quimica 17.indd 36

nir un paper important en la catàlisi [54, 63]. S’han substituït diferents residus del centre catalític de la SpChiD, propers a la tríada catalítica DXDXE, i residus de regions més externes, i s’ha aconseguit augmentar l’activitat de TG (figura 3).

Els mutants M226A, Y228A i R284A mostren un increment de l’activitat de TG, tot i l’augment de l’activitat hidrolítica. En canvi, els mutants W120A, F64W, G119S, S116G, F125A, W247A i Y28A mostren una disminució de l’activitat hidrolítica i, alhora, un increment de l’activitat de TG (taula 1). S’ha aconseguit doblar la concentració de DP5 i DP6 provinents de TG respecte de l’enzim salvatge [63, 64]. Així mateix, amb la hipòtesi d’augmentar l’activitat de TG incrementant el temps de retenció del substrat en el centre catalític, s’han substituït

07/01/2019 16:00:47

Taula 1. Taula resum dels mutants de SpChiD caracteritzats per Podile et al.

[63-65].

Mutant

Figura 3. Centre actiu de la quitinasa SpChiD (PDB: 4Q22). Model del complex amb DP5 per docking.

diferents residus ubicats en els punts d’entrada i sortida del centre actiu. La substitució del residu G201, situat a la sortida del centre actiu (subseti +2), per un Trp resulta en l’augment de l’activitat de TG, a causa d’un increment d’afinitat pel substrat i/o per la introducció d’un impediment hidrofòbic a la sortida que dificulta el trànsit de molècules d’aigua, la qual cosa desafavoreix la hidròlisi i, alhora, incrementa el temps de retenció de l’intermedi oxazolina o del substrat en el centre actiu [65]. S’ha demostrat la importància dels residus aromàtics presents en el centre actiu per a l’activitat de TG, com a conseqüència de la hidrofobicitat que aquests aporten, que disminueix l’accés de molècules d’aigua al centre actiu [64, 65].

Diverses substitucions de residus en el centre catalític incrementen substancialment l’activitat de TG. Tot i així, l’activitat d’hidròlisi predominant en aquest tipus d’enzims resulta en la degradació dels productes de transglicosidació. Amb l’objectiu de vèncer aquestes limitacions en la síntesi d’oligosacàrids i glicoconjugats, es va introduir el concepte glicosintasa.

Estratègia glicosintasa Les glicosintases són glicosilhidrolases amb retenció de la configuració en què s’ha substituït el residu que actua de nucleòfil per un residu no nucleofílic, la qual cosa dona lloc a un enzim hidrolíticament inactiu. L’estratègia glicosintasa va ser introduïda l’any 1998 tant en una exoglicosidasa, pel grup de Withers [66], com en una endoglicosidasa, pel nostre grup [67]. Aquests enzims, a causa de l’absència de nucleòfil, no poden formar l’intermedi glicosil-enzim, però són capaços de catalitzar la reacció de transglicosidació a partir d’un donador

Revista Quimica 17.indd 37

Activitat específica relativa (%)

Activitat de TG Activitat relativa (%)

Concentració de DP5 (%)

Concentració de DP6 (%)

SpChiD wt

100

10,0a

6,0

4,0

E159D

49,8

—

—

—

Y160A

151,3

7,5

M226A

5,0

2,5

204,9

17,0

b

12,0

5,0

Y228A

168,9

19,0b

13,6

5,4

R284A

190,5

15,0a

6,0

9,0

F64W

160,7

17,5a

12,9

4,6

S116G

74,9

18,0b

11,7

6,3

F125A

71,8

17,5b

10,4

7,8

W247A

75,8

16,0b

8,8

7,2

G119S

72,8

17,0b

8,6

8,4

G119W

11,2

—

—

—

W120A

830,6

—

—

—

G201W

113,6

16,3

9,9

6,4

W160A

> wt

—

W290A

> wt

W395A Y28A

a

b

—

—

10,6

a

4,3

6,3

≈ wt

16,7

d

12,4

4,3

< wt

16,1c

9,3

6,8

Condicions de reacció: 2 mM de DP4, 250 nM d’enzim, 20 mM d’acetat de sodi, pH 5,6, 40 ºC. La quantificació dels productes de TG (DP5 i DP6) es determina al cap de 30 minuts,a 6 hores,b 8 horesc o 12 horesd de reacció.

glicosídic activat amb configuració anomèrica oposada a la del substrat de la reacció d’hidròlisi, que mimetitza l’intermedi de reacció (figura 4A). A causa de la mutació del nucleòfil carboxilat per un residu més petit, la cavitat creada en el centre actiu permet la unió del donador activat. La transferència del glicòsid a un sucre acceptor és afavorida respecte de la hidròlisi, i el producte de TG no pot ser hidrolitzat per l’enzim com a conseqüència de la manca del nucleòfil catalític, la qual cosa incrementa el rendiment de transglicosidació [68].

S’han desenvolupat diverses glicosintases de diferents famílies de glicosidases [69-71].

Les quitinases de la família GH18 actuen mitjançant un mecanisme catalític assistit per substrat, i per tant no tenen residu nucleòfil. L’estratègia utilitzada per a aplicar aquesta tecnologia glicosintasa a aquests enzims és diferent, ja que se

37

07/01/2019 16:00:49

Figura 4. Enzims glicosintasa. A) Mutant del residu nucleòfil d’una glicosidasa amb retenció de la configuració, amb un fluorur de glicosil com a donador. B) Mutant del residu assistent d’una glicosidasa amb retenció de la configuració que actua mitjançant un mecanisme catalític assistit per substrat, amb un derivat oxazolina com a donador.

substitueix el residu assistent del centre actiu, que té un paper important en la formació de l’intermedi de reacció (figura 4B). El primer exemple d’intent de generació d’una glicosintasa sobre una glicosidasa amb mecanisme catalític assistit per substrat va ser amb l’enzim endo-β-N-acetilglucosaminidasa (endo-M), que pertany a la família GH85. L’enzim resultant de la mutació del residu assistent era capaç de dur a terme la reacció de TG a partir d’un donador oxazolina, i el glicopèptid resultant no era hidrolitzat [72]. Aquesta metodologia s’ha estès a altres enzims de les famílies GH85 i GH18.

38

En les quitinases GH18, el residu auxiliar que assisteix la formació de l’intermedi de reacció és el segon Asp del motiu DXDXE, altament conservat en aquesta família. Fins al moment, la tecnologia glicosintasa en quitinases GH18 només ha estat aplicada a les quitinases A1 de Bacillus circulans (BcChiA) i a la quitinasa 42 de Trichoderma harzanium (ThChit42). S’han obtingut quitooligòmers amb un DP d’entre 3 i 13 amb el mutant D202A (corresponent al residu assistent) de BcChiA, utilitzant el derivat oxazolina de quitobiosa. El rendiment màxim de TG s’obté al cap de 24-30 hores de reacció, tot i que al cap de cinc dies d’incubació encara es detecten productes de transglicosidació. La barreja de productes de TG indica que no només hi ha una autocondensació del donador, sinó que també hi ha reaccions de desproporció. S’han realitzat també experiments de TG utilitzant l’oxazolina de β-D-galactopirano-

Revista Quimica 17.indd 38

sil-(1,4)-quitobiosa com a donador i quitobiosa o quitopentaosa com a acceptor, i en els dos casos també s’ha obtingut una barreja de productes de TG. En el cas de la quitinasa ThChit42, els dos mutants del residu assistent, D170A i D170N, donen lloc a una barreja de productes de TG amb un DP entre 4 i 10 [73]. El conjunt d’experiments demostra com la mutació del residu Asp assistent produeix enzims amb activitat de transglicosidació. Tot i així, aquesta estratègia no elimina la capacitat de l’enzim de realitzar la reacció de transglicosidació a partir de quitooligosacàrids naturals, no activats. Com a conseqüència, s’obté una barreja de productes en lloc de quitooligosacàrids amb un DP determinat provinents de l’autocondensació del donador oxazolina per l’activitat glicosintasa. Aquests resultats demostren la implicació d’altres residus, no només de l’Asp auxiliar, en la formació de l’intermedi de reacció i, per tant, la necessitat de substituir no només el residu auxiliar, sinó també altres residus de l’enzim, per tal de generar nous polímers definits com a productes únics.

Aplicació de l’estratègia glicosintasa en quitinases GH18 El nostre grup, en el marc del projecte Nano3Bio, està desenvolupant noves glicosintases per a l’obtenció de polímers de

07/01/2019 16:00:50

quitosà definits pel que fa al DP, el DA i el PA. Amb l’objectiu de desenvolupar una glicosintasa efectiva a partir d’una quitinasa, primerament s’ha fet un cribratge de diferents candidats. S’han seleccionat diferents endoquitinases de la família GH18 amb activitat de transglicosidació reportada prèviament, amb la finalitat de dissenyar-les com a glicosintases.

Per al disseny de la primera generació de glicosintases, en primer lloc s’ha substituït l’Asp assistent, localitzat en el motiu DXDXE, per una Ala. Per a la caracterització dels enzims, s’analitza tant l’activitat hidrolítica com l’activitat de TG de cadascun. Per a l’anàlisi de l’activitat hidrolítica, s’utilitzen dos tipus de substrats: COS marcats amb un fluoròfor i COS naturals. En el cas de l’activitat de TG, se segueix la reacció d’autocondensació del derivat oxazolina de quitopentaosa (DP5ox) com a donador. Si l’enzim té activitat de TG, es forma un precipitat com a conseqüència de l’elevada insolubilitat dels oligòmers de quitina, que s’analitza per espectrometria de masses MALDI-TOF-MS. Tots els mutants glicosintasa dissenyats mostren activitat de TG utilitzant DP5ox com a substrat i, de la mateixa manera que amb el mutant D202A de BcChiA1 [73], s’obté una barreja de productes amb un DP entre 5 i 12. Un cop caracteritzats els mutants de la primera generació, se selecciona aquell mutant que presenta una menor activitat d’hidròlisi respecte de l’enzim salvatge i una elevada activitat de TG, i se segueix amb la posterior enginyeria

per a l’optimització de la glicosintasa. Per al disseny de nous mutants se substitueixen residus ubicats tant en el centre actiu com en l’entrada o sortida de la cavitat, amb l’objectiu principal d’eliminar l’activitat hidrolítica i, consegüentment, augmentar l’activitat de síntesi. S’ha creat una segona i una tercera generació de glicosintasa, corresponent a mutants dobles i triples, respectivament, amb els quals s’ha aconseguit disminuir l’activitat hidrolítica i s’ha incrementat el rendiment de TG fins al 60 % (p/p) en polímer (figura 5).

Amb aquests resultats, es pot concloure que la mutació puntual del residu assistent confereix activitat glicosintasa a l’enzim, però els mutants resultants mantenen certa activitat hidrolítica residual que dona lloc a la hidròlisi dels polímers formats. L’addició d’altres mutacions produeix variants amb una notable disminució de l’activitat hidrolítica i amb un increment de l’activitat glicosintasa, i fins ara s’han assolit rendiments del 60 % en la formació de polímers insolubles.

Aplicant aquestes condicions de reacció, actualment s’està estenent l’ús dels mutants glicosintasa més eficients a la polimerització de derivats oxazolina de COS parcialment desacetilats per a la formació de polímers de quitosà amb patrons d’acetilació definits segons el donador emprat.

Figura 5. Espectre de masses dels productes resultants de la polimerització de DP5ox catalitzada per la glicosintasa generada. Anàlisi per MALDI-TOF-MS de la barreja de COS presents en la fracció insoluble de la reacció.

Revista Quimica 17.indd 39

39

07/01/2019 16:00:51

Conclusions Amb l’objectiu de desenvolupar estratègies biotecnològiques per a l’obtenció de polímers de quitina i quitosà amb estructures definides, s’ha aplicat la tecnologia glicosintasa a quitinases de la família GH18 que actuen mitjançant una catàlisi assistida per substrat. La substitució del segon residu Asp del motiu DXDXE, corresponent al residu assistent, per una alanina dona lloc a enzims amb activitat de transglicosidació. Tot i així, no s’elimina la capacitat de l’enzim de formar l’intermedi glicosil-enzim a partir de substrats naturals no activats, i com a conseqüència s’obté una barreja de productes provinents tant de la hidròlisi del producte format com de l’activitat mateixa de TG de l’enzim. Amb el disseny i la caracterització de noves mutacions, s’ha assolit un triple mutant amb activitat glicosintasa sense pràcticament activitat hidrolítica residual, amb el qual s’ha augmentat el rendiment de TG fins al 60 % en polímers. Aquesta nova glicosintasa és el punt de partida per a seguir desenvolupant el procés d’obtenció d’oligòmers i polímers de quitosà amb diferents patrons d’acetilació.

Agraïments Treball finançat pel projecte europeu Nano3Bio del 7è PM de la UE (núm. de contracte 613931). Cristina Alsina agraeix el contracte predoctoral de Nano3Bio.

Referències

40

[1] Kurita, K. «Controlled functionalization of the polysaccharide chitin». Prog. Polym. Sci., vol. 26 (2001), p. 1921-1971.

[2] Azuma, K.; Ifuku, S.; Osaki, T.; Okamoto, Y.; Minami, S. «Preparation and biomedical applications of chitin and chitosan nanofibers». J. Biomed. Nanotechnol., vol. 10 (2014), p. 28912920.

[3] Croisier, F.; Jérôme, C. «Chitosan-based biomaterials for tissue engineering». Eur. Polym. J., vol. 49 (2013), p. 780-792.

[4] Kumar, M. N. V. R. «A review of chitin and chitosan applications». React. Funct. Polym., vol. 46 (2000), p. 1-27.

[5] Pestov, A.; Bratskaya, S. «Chitosan and its derivatives as highly efficient polymer ligands». Molecules, vol. 21 (2016), p. 330.

[6] Philibert, T.; Lee, B. H.; Fabien, N. «Current status and new perspectives on chitin and chitosan as functional biopoly-

Revista Quimica 17.indd 40

mers». Appl. Biochem. Biotechnol., vol. 181 (2017), p. 13141337.

[7] Rinaudo, M. «Chitin and chitosan: properties and applica­ tions». Prog. Polym. Sci., vol. 31 (2006), p. 603-632.

[8] Yoon, H. J.; Moon, M. E.; Park, H. S.; Im, S. Y.; Kim, Y. H. «Chitosan oligosaccharide (COS) inhibits LPS-induced inflammatory effects in RAW 264.7 macrophage cells». Biochem. Biophysical Res. Commun., vol. 358 (2007), p. 954-959.

[9] Yousef, M.; Pichyangkura, R.; Soodvilai, S.; Chatsudthipong, V. «Chitosan oligosaccharide as potential therapy of inflammatory bowel disease: therapeutic efficacy and possible mechanisms of action». Pharmacol. Res., vol. 66 (2012), p. 66-79.

[10] Chung, M. J.; Park, J. K.; Park, Y. I. «Anti-inflammatory effects of low-molecular weight chitosan oligosaccharides in IgE-antigen complex-stimulated RBL-2H3 cells and asthma model mice». Int. Immunopharmacol., vol. 12 (2012), p. 453459.

[11] Feng, J.; Zhao, L.; Yu, Q. «Receptor-mediated stimulatory effect of oligochitosan in macrophages». Biochem. Biophys.

Res. Commun., vol. 317 (2004), p. 414-420.

[12] Zhang, P.; Liu, W.; Peng, Y.; Han, B.; Yang, Y. «Toll like receptor 4 (TLR4) mediates the stimulating activities of chitosan oligosaccharide on macrophages». Int. Immunopharmacol., vol. 23 (2014), p. 254-261.

[13] Chung, Y.; Su, Y.; Chen, C.; Jia, G.; Wang, H.; Wu, J. C. G.; Lin, J. «Relationship between antibacterial activity of chitosan and surface characteristics of cell wall». Acta Pharmacol. Sin., vol. 25, núm. 7 (2004), p. 932-936.

[14] Hosseinnejad, M.; Jafari, S. M. «Evaluation of different factors affecting antimicrobial properties of chitosan». Int. J. Biol.

Macromol., vol. 85 (2016), p. 467-475.

[15] Xia, W.; Liu, P.; Zhang, J.; Chen, J. «Biological activities of chitosan and chitooligosaccharides». Food Hydrocoll., vol. 25 (2011), p. 170-179.

[16] Shen, K. T.; Chen, M. H.; Chan, H.; Jeng, J.; Wang, Y. «Inhib­ itory effects of chitooligosaccharides on tumor growth and metastasis». Food Chem. Toxicol., vol. 47 (2009), p. 18641871.

[17] Park, J. K.; Chung, M. J.; Choi, H. N.; Park, Y. I. «Effects of the molecular weight and the degree of deacetylation of chitosan oligosaccharides on antitumor activity». Int. J. Mol. Sci., vol. 12 (2011), p. 266-277.

[18] Pokhis, K.; Bitterlich, N.; Cornelli, U.; Cassano, G. «Efficacy of polyglucosamine for weight loss — confirmed in a random­ ized double-blind, placebo-controlled clinical investigation».

BMC Obes., vol. 2 (2015), p. 25.

07/01/2019 16:00:51

[19] Trivedi, V. R.; Satia, M. C.; Deschamps, A.; Maquet, V.; Shah, R. B.; Zinzuwadia, P. H.; Trivedi, J. V. «Single-blind, placebo controlled randomised clinical study of chitosan for body weight reduction». Nutr. J., vol. 15 (2016), p. 3.

[20] Ahmed, T. A.; Aljaeid, B. M. «Preparation, characterization, and potential application of chitosan, chitosan derivatives, and chitosan metal nanoparticles in pharmaceutical drug de­liv­ ery». Drug Des. Devel. Ther., vol. 10 (2016), p. 483-507.

[21] Maclaughlin, F. C.; Mumper, R. J.; Wang, J.; Tagliaferri, J. M.; Gill, I.; Hinchcliffe, M.; Rolland, A. P. «Chitosan and depolymer­ ized chitosan oligomers as condensing carriers for in vivo plasmid delivery». J. Control. Release, vol. 56 (1998), p. 259-272.

[22] Mansouri, S.; Lavigne, P.; Corsi, K.; Benderdour, M.; Beaumont, E.; Fernandes, J. C. «Chitosan-DNA nanoparticles as non-viral vectors in gene therapy: strategies to improve transfection efficacy». Eur. J. Pharm. Biopharm., vol. 57 (2004), p. 1-8.

[23] Ueno, H.; Yamada, H.; Tanaka, I.; Kaba, N.; Matsuura, M.; Okumura, M.; Kadosawa, T.; Fujinaga, T. «Accelerating effects of chitosan for healing at early phase of experimental open wound in dogs». Biomaterials, vol. 20 (1999), p. 1407-1414.

[24] Patrulea, V.; Ostafe, V.; Borchard, G.; Jordan, O. «Chitosan as a starting material for wound healing applications». Eur. J. Pharm. Biopharm., vol. 97 (2015), p. 417-426.

[25] Ueno, H.; Mori, T.; Fujinaga, T. «Topical formulations and wound healing applications of chitosan». Adv. Drug Deliv. Rev., vol. 52 (2001), p. 105-115.

[26] Ben-Shalom, N.; Ardi, R.; Pinto, R.; Aki, C.; Fallik, E. «Controlling gray mould caused by Botrytis cinerea in cucumber plants by means of chitosan». Crop Prot., vol. 22 (2003), p. 285-290.

[27] Kendra, D. F.; Hadwiger, L. A. «Characterization of the smallest chitosan oligomer that is maximally antifungal to Fusarium solani and elicits pisatin formation in Pisum sativum». Exp. Mycol., vol. 8 (1984), p. 276-281.

[28] Kulikov, S. N.; Chirkov, S. N.; Il’ina, A. V.; Lopatin, S. A.; Varlamov, V. P. «Effect of the molecular weight of chitosan on its antiviral activity in plants». Prikl. Biokhimiya i Mikrobiol., vol. 42, núm. 2 (2006), p. 224-228.

[29] Chamnanmanoontham, N.; Pongprayoon, W.; Pichayangkura, R.; Roytrakul, S.; Chadchawan, S. «Chitosan enhances rice seed­ ling growth via gene expression network between nucleus and chloroplast». Plant Growth Regul., vol. 75 (2015), p. 101114.

[30] Mondal, M. M. A.; Malek, M. A.; Puteh, A. B.; Ismail, M. R.; Ashrafuzzaman, M.; Naher, L. «Effect of foliar application of chi-

Revista Quimica 17.indd 41

tosan on growth and yield in okra». Aust. J. Crop Sci., vol. 6, núm. 5 (2012), p. 918-921.

[31] Nge, K. L.; Nwe, N.; Chandrkrachang, S.; Stevens, W. F. «Chitosan as a growth stimulator in orchid tissue culture». Plant Sci., vol. 170 (2006), p. 1185-1190.

[32] Hadwiger, L. A. «Plant science review: multiple effects of chitosan on plant systems: solid science or hype». Plant Sci., vol. 208 (2013), p. 42-49.

[33] Katiyar, D.; Hemantaranjan, A.; Singh, B.; Bhanu, A. N. «A future perspective in crop protection: chitosan and its oligosaccharides». Adv. Plants Agric. Res., vol. 1, núm. 1 (2014), p. 23-30.

[34] Jeon, Y. J.; Park, P. J.; Kim, S. K. «Antimicrobial effect of chitooligosaccharides produced by bioreactor». Carbohydr.

Polym., vol. 44 (2001), p. 71-76.

[35] Pantaleone, D.; Yalpani, M.; Scollar, M. «Unusual susceptibility of chitosan to enzymic hydrolysis». Carbohydr. Res., vol. 237 (1992), p. 325-332.

[36] Naqvi, S.; Moerschbacher, B. M. «The cell factory approach toward biotechnological production of high-value chitosan oligomers and their derivatives: an update». Crit. Rev. Biotechnol., vol. 37 (2017), p. 11-25.

[37] Cantarel, B. L.; Coutinho, P. M.; Rancurel, C.; Bernard, T.; Lombard, V.; Henrissat, B. «The carbohydrate-active enzymes database (CAZy): an expert resource for glycogenomics».

Nucleic Acids Res., vol. 37 (2009), p. 233-238.

[38] Mccarter, J. D.; Withers, S. G. «Mechanisms of enzymatic glycoside hydrolysis». Curr. Opin. Struct. Biol., vol. 4 (1994), p. 885-892.

[39] Tews, I.; Terwisscha van Scheltinga, A. C. T.; Perrakis, A.; Wilson, K. S.; Dijkstra, B. W. «Substrate-assisted catalysis unifies two families of chitinolytic enzymes». J. Am. Chem. Soc., vol. 119 (1997), p. 7954-7959.

[40] Perrakis, A.; Tews, I.; Dauter, Z.; Oppenheim, A. B.; Chet, I.; Wilson, K. S.; Vorgiasl, C. E. «Crystal structure of a bacterial chitinase at 2.3 Å resolution». Curr. Opin. Struct. Biol., vol. 2, núm. 12 (1994), p. 1169-1180.

[41] Terwisscha van Sheltinga, A. C.; Kalk, K. H.; Beintema, J. J.; Dijkstra, B. W. «Crystal structures of hevamine, a plant defence protein with chitinase and lysozyme activity, and its complex with an inhibitor». Curr. Biol., vol. 2, núm. 12 (1994), p. 11811189.

[42] Hollis, T.; Monzingo, A. F.; Bortone, K.; Ernst, S.; Cox, R.; Robertus, J. D. «The X-ray structure of a chitinase from the pathogenic fungus Coccidioides immitis». Protein Sci., vol. 9 (2000), p. 544-551.

41

07/01/2019 16:00:51

42

[43] Aalten, D. M. F. van; Synstad, B.; Brurberg, M. B.; Hough, E.; Riise, B. W.; Eijsink, V. G. H.; Wierenga, R. K. «Structure of a two-domain chitotriosidase from Serratia marcescens at 1.9-Å resolution». PNAS, vol. 97, núm. 11 (2000), p. 5842-5847.

[44] Fusetti, F.; von Moeller, H.; Houston, D.; Rozeboom, H. J.; Dijkstra, B. W.; Boot, R. G.; Aerts, J. M. F. G.; Aalten, D. M. F. van.

«Structure of human chitotriosidase: implications for specific inhibitor design and function of mammalian chitinase-like lectins». J. Biol. Chem., vol. 277, núm. 28 (2002), p. 2553725544.

[45] Terwisscha van Scheltinga, A. C.; Hennig, M.; Dijkstra, B. W. «The 1.8 Å resolution structure of hevamine, a plant chitinase/ lysozyme, and analysis of the conserved sequence and structure motifs of glycosyl hydrolase family 18». J. Mol. Biol., vol. 262 (1996), p. 243-257.

[46] Uchiyama, T.; Katouno, F.; Nikaidou, N.; Nonaka, T.; Sugiyama, J.; Watanabe, T. «Roles of the exposed aromatic residues in crystalline chitin hydrolysis by chitinase A from Serratia marcescens 2170». J. Biol. Chem., vol. 276, núm. 44 (2001), p. 41343-41349.

[47] Bokma, E.; Rozeboom, H. J.; Sibbald, M.; Dijkstra, B. W.; Beintema, J. J. «Expression and characterization of active site mutants of hevamine, a chitinase from the rubber tree Hevea brasiliensis». Eur. J. Biochem., vol. 269 (2002), p. 893-901.

[48] Aalten, D. M. F. van; Komander, D.; Synstad, B.; Gåseidnes, S.; Peter, M. G.; Eijsink, V. G. H. «Structural insights into the catalytic mechanism of a family 18 exo-chitinase». PNAS, vol. 98, núm. 16 (2001), p. 8979-8984.

[49] Brameld, K. A.; Goddard, W. A. I. «Substrate distortion to a boat conformation at subsite –1 is critical in the mechanism of family 18 chitinases». J. Am. Chem. Soc., vol. 120 (1998), p. 3571-3580.

[50] Synstad, B.; Gaseidnes, S.; Aalten, D. M. F. van; Vriend, G.; Nielsen, J. E.; Eijsink, V. G. H. «Mutational and computational analysis of the role of conserved residues in the active site of a family 18 chitinase». Eur. J. Biochem, vol. 271 (2004), p. 253-262.

[51] Watanabe, T.; Kobori, K.; Miyashita, K.; Fujii, T.; Sakaii, H.; Uchida, M.; Tanaka, H. «Identification of glutamic acid 204 and aspartic acid 200 in chitinase A1 of Bacillus circulans WL-12 as essential residues for chitinase activity». J. Biol. Chem., vol.

268, núm. 25 (1993), p. 18567-18572.

[52] Watanabe, T.; Uchida, M.; Kobori, K.; Tanaka, H. «Site-direct­ ed mutagenesis of the Asp-197 and Asp-202 residues in chi­ tinase A1 of Bacillus circulans WL-12». Biosci. Biotechnol.

Biochem., vol. 58, núm. 12 (2014), p. 2283-2285.

Revista Quimica 17.indd 42

[53] Purushotham, P.; Podile, A. R. «Synthesis of long-chain chitooligosaccharides by a hypertransglycosylating processive endochitinase of Serratia proteamaculans 568». J. Bacteriol., vol. 194, núm. 16 (2012), p. 4260-4271.

[54] Zakariassen, H.; Hansen, M. C.; Jøranli, M.; Eijsink, V. G. H.; Sørlie, M. «Mutational effects on transglycosylating activity of family 18 chitinases and construction of a hypertransglycosylating mutant». Biochemistry, vol. 50, núm. 25 (2011), p. 5693-5703.

[55] Suginta, W.; Vongsuwan, A.; Songsiriritthigul, C.; Svasti, J.; Prinz, H. «Enzymatic properties of wild-type and active site mutants of chitinase A from Vibrio carchariae, as revealed by HPLC-MS». FEBS J., vol. 272 (2005), p. 3376-3386.

[56] Suma, K.; Podile, A. R. «Chitinase A from Stenotrophomonas maltophilia shows transglycosylation and antifungal activities». Bioresour. Technol., vol. 133 (2013), p. 213-220.

[57] Aguilera, B.; Ghauharali-van der Vlugt, K.; Helmond, M. T. J.; Out, J. M. M.; Donker-Koopman, W. E.; Groener, J. E. M.; Boot, R. G.; Renkema, G. H.; Marel, G. A. van der; Boom, J. H. van [et al.]

«Transglycosidase activity of chitotriosidase: improved enzymatic assay for the human macrophage chitinase». J. Biol.

Chem., vol. 278, núm. 42 (2003), p. 40911-40916.

[58] Kobayashi, S.; Kiyosada, T.; Shoda, S. «A novel method for synthesis of chitobiose via enzymatic glycosylation using a sugar oxazoline as glycosyl donor». Tetrahedron Lett., vol. 38, núm. 12 (1997), p. 2111-2112.

[59] Ochiai, H.; Ohmae, M.; Kobayashi, S. «Enzymatic glycosida­ tion of sugar oxazolines having a carboxylate group catalyzed by chitinase». Carbohydr. Res., vol. 339 (2004), p. 2769-2788.

[60] Kobayashi, S.; Kiyosada, T.; Shoda, S. «Synthesis of artificial chitin: irreversible catalytic behavior of a glycosyl hydrolase through a transition state analogue substrate». J. Am. Chem.

Soc., vol. 118 (1996), p. 13113-13114.

[61] Kobayashi, S. «Enzymatic polymerization: a new method of polymer synthesis». J. Polym. Sci. Part A Polym. Chem., vol. 37 (1999), p. 3041-3056.

[62] Makino, A.; Kurosaki, K.; Ohmae, M.; Kobayashi, S. «Chitin­ ase-catalyzed synthesis of alternatingly N-deacetylated chitin: a chitin-chitosan hybrid polysaccharide». Biomacromolecules, vol. 7 (2006), p. 950-957.

[63] Madhuprakash, J.; Tanneeru, K.; Purushotham, P.; Guruprasad, L.; Podile, A. R. «Transglycosylation by chitinase D from Serratia proteamaculans improved through altered substrate inter­ actions». J. Biol. Chem., vol. 287 (2012), p. 44619-44627.

[64] Madhuprakash, J.; Bobbili, K. B.; Moerschbacher, B. M.; Singh, T. P.; Swamy, M. J.; Podile, A. R. «Inverse relationship between

07/01/2019 16:00:51

chitobiase and transglycosylation activities of chitinase-D from Serratia proteamaculans revealed by mutational and biophysical analyses». Sci. Rep., vol. 5 (2015), p. 15657.

[65] Madhuprakash, J.; Tanneeru, K.; Karlapudi, B.; Guruprasad, L.; Podile, A. R. «Mutagenesis and molecular dynamics simulations revealed the chitooligosaccharide entry and exit points for chitinase D from Serratia proteamaculans». Biochim. Biophys.

Acta, vol. 1840 (2014), p. 2685-2694.

[66] Mackenzie, L. F.; Wang, Q.; Warren, R. A. J.; Withers, S. G. «Glycosynthases: mutant glycosidases for oligosaccharide synthesis». J. Am. Chem. Soc., vol. 120 (1998), p. 5583-5584.

[67] Malet, C.; Planas, A. «From β-glucanase to β-glucansyn­ thase: glycosyl transfer to α-glycosyl fluorides catalyzed by a mutant endoglucanase lacking its catalytic nucleophile». FEBS Lett., vol. 440 (1998), p. 208-212.

[68] Planas, A.; Faijes, M.; Codera, V. «When enzymes do it better: enzymatic glycosylation methods». A: Cipolla, L. (ed.). Carbohydrates chemistry: state-of-the-art and challenges for drug development. Londres: Imperial College Press, 2015, p. 215-245.

[69] Faijes, M.; Planas, A. «In vitro synthesis of artificial polysaccharides by glycosidases and glycosynthases». Carbohydr.

Res., vol. 342 (2007), p. 1581-1594.

[70] Shaikh, F. A.; Withers, S. G. «Teaching old enzymes new tricks: engineering and evolution of glycosidases and glycosyl transferases for improved glycoside synthesis». Biochem. Cell Biol., vol. 86 (2008), p. 169-177.

[71] Armstrong, Z.; Withers, S. G. «Synthesis of glycans and glycopolymers through engineered enzymes». Biopolymers, vol. 99, núm. 10 (2013), p. 666-674.

[72] Umekawa, M.; Huang, W.; Li, B.; Fujita, K.; Ashida, H.; Wang, L.; Yamamoto, K. «Mutants of Mucor hiemalis endo-β-N-acetylglucosaminidase show enhanced transglycosylation and glycosynthase-like activities». J. Biol. Chem., vol. 283 (2008), p. 4469-4479.

[73] Martinez, E. A.; Boer, H.; Koivula, A.; Samain, E.; Driguez, H.; Armand, S.; Cottaz, S. «Engineering chitinases for the synthesis of chitin oligosaccharides: catalytic amino acid mutations convert the GH-18 family glycoside hydrolases into transglycosylases». J. Mol. Catal. B Enzym., vol. 74 (2012), p. 89-96.

43

Revista Quimica 17.indd 43

07/01/2019 16:00:51

C. Alsina

M. Faijes

A. Aranda-Martínez

E. Sancho-Vaello

X. Biarnés

A. Planas

Cristina Alsina és llicenciada en biologia i en bioquímica per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) (2012) i té el Màster en Bioquímica, Biologia Molecular i Biomedicina de la UAB. Actualment, està finalitzant la tesi doctoral a l’Institut Químic de Sarrià (IQS).

Almudena Aranda-Martínez és doctora en biologia aplicada per la Universitat d’Alacant (2016). Ha realitzat un postdoctorat al Laboratori de Bioquímica de l’Institut Químic de Sarrià (IQS) en el projecte Nano3Bio. Enea Sancho-Vaello és doctora en bioquímica per la Universitat de València (2013). Ha realitzat postdoctorats a la Unidad de Biofísica (CSIC-UPV/EHU) (2013-2015) i al Laboratori de Bioquímica de l’Institut Químic de Sarrià en el projecte Nano3Bio. Actualment, és professora associada al Departament de Microbiologia de la Universitat de Girona.

Xevi Biarnés és professor titular de la Universitat Ramon Llull a l’Institut Químic de Sarrià (IQS). És doctor en biotecnologia per la Universitat de Barcelona (2007) i ha fet postdoctorats a la SISSA (Trieste, Itàlia, 2008-2010) i al Laboratori de Bioquímica de l’IQS (2011-2013). Actualment, és investigador al Laboratori de Bioquímica de l’IQS. Magda Faijes és professora titular de la Universitat Ramon Llull a l’Institut Químic de Sarrià (IQS). És doctora en química per la Universitat Ramon Llull (2003) i ha fet un postdoctorat al Wageningen Center for Food Sciences d’Holanda (2003-2004).

Actualment, és investigadora al Laboratori de Bioquímica de l’IQS. Antoni Planas és catedràtic de la Universitat Ramon Llull a l’Institut Químic de Sarrià (IQS) i doctor enginyer químic per l’IQS (1987). Ha fet postdoctorats a la Universitat de Califòrnia a Berkeley (EUA) (1988-1989) i a l’Institut de Biologia Fonamental (IBF) de la Universitat Autònoma de Barcelona (1990-1992), i ha estat professor titular a l’IQS (1993-2003). És investigador principal del Laboratori de Bioquímica de l’IQS i coordinador del grup de Química Biològica i Biotecnologia (GQBB).

44

Revista Quimica 17.indd 44

07/01/2019 16:00:53

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 45-51 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.95 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Estimació del coeficient de distribució octanol-aigua de compostos àcids mitjançant un sistema de cromatografia electrocinètica de microemulsions Estimation of the octanol-water distribution coefficient of acidic compounds by a microemulsion electrokinetic chromatography system Alejandro Fernández-Pumarega,1, 2 Susana Amézqueta,1, 2 Elisabet Fuguet,1, 2, 3 Martí Rosés1, 2 1 Universitat de Barcelona. Departament d’Enginyeria Química i Química Analítica 2 Institut de Biomedicina de la Universitat de Barcelona (IBUB) 3 Pla Serra Húnter de la Generalitat de Catalunya

Resum: La lipofilicitat és una propietat clau en la caracterització fisicoquímica de substàncies bioactives, ja que determina la seva capacitat de penetració en membranes cel·lulars. El mètode habitual per mesurar el coeficient de distribució octanol-­ aigua és el shake-flask, que és llarg i tediós, i, per tant, s’han desenvolupat altres mètodes alternatius, entre els quals la cromatografia electrocinètica de microemulsions (MEEKC), que són capaços d’estimar aquest paràmetre per a substàncies neutres.

En el present treball es demostra l’aplicabilitat del mètode MEEKC per a substàncies àcides parcialment ionitzades.

Paraules clau: Electroforesi capil·lar, MEEKC, log Do/w, lipofilicitat, cromatografia electrocinètica de microemulsions, microemulsió.

Abstract: Lipophilicity is a key property in the physicochemical characterization of bioactive substances, since it is linked to the ability of the compounds to penetrate cell membranes. The most usual procedure for determining the octanol-water distribution coefficient is the shake-flask method, which is tedious and time-consuming. Due to these drawbacks, alternative methods have been developed such as microemulsion electrokinetic chromatography (MEEKC), which is able to estimate this parameter for neutral substances. In this paper, the applicability of the method for partially ionized acidic substances is demonstrated.

Keywords: Capillary electrophoresis, MEEKC, log Do/w, lipophilicity, microemulsion electrokinetic chromatography, microemulsion.

Introducció

E

l descobriment i desenvolupament de nous fàrmacs és un procés llarg (normalment, de més de deu anys) i costós. Aquest procés parteix de milers de substàncies potencials, de les quals, en una primera etapa, s’analitzen les propietats fisicoquímiques, primer in silico (a partir de diferents programes de càlcul) i després in vitro (mitjançant mesures experimentals), i a continuació les que presenten les característiques més òptimes se sotmeten a la investigació preclínica i clínica (in vivo). En aquest llarg procés s’avaluen, entre d’altres, l’efectivitat i la toxicitat dels compostos per seleccionar els més adequats, que puguin ser aprovats i registrats com a medicaments per les entitats reguladores, com ara l’EMA a la UE i l’FDA als Estats Units Correspondència: Alejandro Fernández-Pumarega Universitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament d’Enginyeria Química i Química Analítica C. de Martí i Franquès, 1-11. 08028 Barcelona Tel.: +34 934 021 797 A/e: a.fernandezpu@ub.edu

Revista Quimica 17.indd 45

[1, 2]. Una de les propietats més importants que es considera durant l’etapa inicial de cribratge és la lipofilicitat, que es defineix com la capacitat que tenen els diferents soluts per dissoldre’s en olis, greixos o dissolvent apolars. Com que les membranes cel·lulars estan formades principalment per una bicapa lipídica, es pot relacionar la lipofilicitat amb la capacitat que tenen els diferents compostos de travessar aquestes membranes i arribar a l’interior de la cèl·lula, on tindran la seva activitat terapèutica. Per tant, la lipofilicitat esdevé una característica fisicoquímica important en el desenvolupament de nous fàrmacs.

La lipofilicitat es pot avaluar utilitzant diferents paràmetres, el més àmpliament conegut i usat dels quals és el coeficient de partició octanol-aigua (Po/w), que mesura l’afinitat que presenten els compostos pels dos dissolvents del sistema (l’aigua, més polar, i l’octanol, més apolar). És a dir, el coeficient de partició octanol-aigua és la relació de concentracions en equilibri del compost en octanol i en aigua. Quan el compost pot estar en algun dels dos medis en més d’una forma, s’utilitza el coeficient de distribució (Do/w), que recull la suma de les

45

07/01/2019 16:00:53

concentracions de les diferents formes en els dos medis. AixĂ­, per a un Ă cid HA, que pot estar mĂŠs o menys ionitzat segons el pH del medi aquĂłs:

HA n octanol HA aigua

[Eq. 1]

HA n octanol HA aigua A aigua

[Eq. 2]

Po/w

Do / w

La manera directa de determinar aquest parĂ metre ĂŠs el mètode de shake-flask, en què el compost es dissol en un recipient que contĂŠ tant octanol com fase aquosa i sâ&#x20AC;&#x2122;agita. A continuaciĂł, es determina la concentraciĂł del compost en estudi en cada una de les fases i es calcula el coeficient de particiĂł/ distribuciĂł octanol-aigua.

Com mÊs lipòfil sigui un compost, mÊs afinitat tindrà per la fase apolar del sistema i mÊs gran serà el valor del coeficient de partició/distribució.

El mètode de shake-flask tĂŠ un procediment laboriĂłs i no estĂ completament automatitzat, raons per les quals ĂŠs interessant substituir-lo per mètodes alternatius, com ara lâ&#x20AC;&#x2122;Ăşs de sistemes cromatogrĂ fics, ja que alguns sistemes de cromatografia de lĂ­quids en fase invertida i de cromatografia electrocinètica de fases adequades presenten particions similars a la dâ&#x20AC;&#x2122;octanol-aigua. En aquests sistemes, els diferents compostos analitzats es particionen entre la fase mòbil i la fase estacionĂ ria en els sistemes basats en la cromatografia de lĂ­quids en fase invertida, i entre el tampĂł aquĂłs i la fase pseudoestacionĂ ria en els sistemes basats en la cromatografia electrocinètica. Per tant, en tots els casos les substĂ ncies es particionen entres dues fases immiscibles (una hidrofòbica i una aquosa). La fase apolar seria lâ&#x20AC;&#x2122;octanol en el mètode de shake-flask i la fase estacionĂ ria o pseudoestacionĂ ria en els mètodes cromatogrĂ fics, i la polar, lâ&#x20AC;&#x2122;aigua en shake-flask i la fase mòbil en cromatografia.

Per estimar el valor de particiĂł octanol-aigua a partir dels sistemes cromatogrĂ fics, es correlaciona el logaritme del coeficient de particiĂł octanol-aigua conegut de diferents soluts (log Po/w) amb el logaritme del seu factor de retenciĂł en el sistema cromatogrĂ fic adient (log k). Aquesta correlaciĂł hauria de respondre a una equaciĂł lineal com la segĂźent: 46

log Po/w = a + b ¡ log k

Revista Quimica 17.indd 46

[Eq. 3]

on a seria lâ&#x20AC;&#x2122;ordenada a lâ&#x20AC;&#x2122;origen i b el pendent de lâ&#x20AC;&#x2122;equaciĂł.

AixĂ­, ĂŠs possible estimar el valor de lipofilicitat dâ&#x20AC;&#x2122;una nova substĂ ncia a partir de la seva retenciĂł en el sistema cromatogrĂ fic adient.

El sistema amb el qual sâ&#x20AC;&#x2122;ha treballat en aquest estudi ĂŠs un sistema basat en la cromatografia electrocinètica de microemulsions (MEEKC), que ĂŠs una modalitat de lâ&#x20AC;&#x2122;electroforesi capil¡lar. En lâ&#x20AC;&#x2122;electroforesi capil¡lar, les diferents substĂ ncies migren en funciĂł de la seva relaciĂł massa/cĂ rrega en ser injectades en un capil¡lar ple de tampĂł aquĂłs i aplicar una diferència de potencial entre els extrems del capil¡lar.

Ara bĂŠ, en els sistemes basats en MEEKC, a la fase aquosa se li afegeix una microemulsiĂł (fase pseudoestacionĂ ria) que presenta la seva pròpia mobilitat, ja que estĂ carregada. Aleshores, els compostos no se separen nomĂŠs segons lâ&#x20AC;&#x2122;atracciĂł electroestĂ tica, sinĂł tambĂŠ per la particiĂł que experimenten entre la microemulsiĂł i el tampĂł (la fase aquosa).

En el present treball, la fase pseudoestacionĂ ria estĂ formada per un oli (heptĂ ), un tensioactiu (dodecilsulfat de sodi, SDS) i un cotensioactiu (1-butanol). El tensioactiu i el cotensioactiu estabilitzen les petites gotes de lâ&#x20AC;&#x2122;oli, de manera que sâ&#x20AC;&#x2122;obtĂŠ una microemulsiĂł amb una estructura semblant a la de la figura 1.

Figura 1.â&#x20AC;&#x192; Estructura de la microemulsiĂł.

Les gotes dâ&#x20AC;&#x2122;heptĂ i les parts apolars del tensioactiu i del cotensioactiu (les cues apolars) conformen el nucli de la microemulsiĂł, mentre que els caps polars de lâ&#x20AC;&#x2122;SDS i de lâ&#x20AC;&#x2122;1-butanol es troben en contacte amb la fase aquosa i constitueixen la superfĂ­cie de la microemulsiĂł [3].

En estudis anteriors [4-6] sâ&#x20AC;&#x2122;ha vist que, per a substĂ ncies neutres, aquesta microemulsiĂł permet emular satisfactòriament

07/01/2019 16:00:54

el sistema de particiĂł octanol-aigua. Ara bĂŠ, com que la majoria de fĂ rmacs en el mercat sĂłn substĂ ncies amb propietats Ă cid-base, en el present treball sâ&#x20AC;&#x2122;ha estudiat lâ&#x20AC;&#x2122;extensiĂł del mètode per a substĂ ncies Ă cides ionitzables.

Teoria La determinaciĂł del factor de retenciĂł de compostos Ă cids ĂŠs molt diferent a la de les substĂ ncies neutres, ja que la mobilitat electroforètica dâ&#x20AC;&#x2122;un compost Ă cid parcialment o totalment ionitzat ĂŠs el resultat de la contribuciĂł de dos factors principals [7]: a) la interacciĂł hidrofòbica entre lâ&#x20AC;&#x2122;Ă cid i la microemulsiĂł, i b) la mobilitat electroforètica de lâ&#x20AC;&#x2122;Ă cid per la seva atracciĂł electroestĂ tica per lâ&#x20AC;&#x2122;Ă node (elèctrode carregat positivament). La interacciĂł electroestĂ tica entre la microemulsiĂł i lâ&#x20AC;&#x2122;anĂ lit ionitzat es considera negligible, ja que els dos estan carregats negativament. Per tal de considerar Ăşnicament la primera de les dues contribucions, en el cĂ lcul del factor de retenciĂł sâ&#x20AC;&#x2122;ha de mesurar la mobilitat electroforètica de lâ&#x20AC;&#x2122;Ă cid en tampĂł sense microemulsiĂł (electroforesi capil¡lar en zona, CZE).

El factor de retenciĂł (kMEEKC) es calcula a partir de lâ&#x20AC;&#x2122;equaciĂł segĂźent:

kMEEKC

MEEKC CZE ME MEEKC

[Eq. 4]

on ÎźMEEKC ĂŠs la mobilitat electroforètica del compost en MEEKC, ÎźME ĂŠs la mobilitat de la microemulsiĂł (obtinguda mitjançant la mobilitat del marcador de la microemulsiĂł, dodecanofenona) i ÎźCZE ĂŠs la mobilitat electroforètica de lâ&#x20AC;&#x2122;Ă cid en CZE. En el cas de compostos neutres, ÎźCZE serĂ igual a 0.

Per calcular les mobilitats electroforètiques sâ&#x20AC;&#x2122;utilitza lâ&#x20AC;&#x2122;expressiĂł matemĂ tica segĂźent:

1 1 L ¡L T D tr t 0 V

[Eq. 5]

on tr ĂŠs el temps de retenciĂł de lâ&#x20AC;&#x2122;anĂ lit, t0 ĂŠs el temps de retenciĂł del marcador de flux electroosmòtic, LT i LD sĂłn, respectivament, la longitud total i efectiva del capil¡lar i, finalment, V ĂŠs la diferència de potencial aplicada.

Revista Quimica 17.indd 47

En estudis paral¡lels del grup de recerca, sâ&#x20AC;&#x2122;ha observat que la viscositat del tampĂł pot afectar la mobilitat electroforètica del compost. Per tant, com que sâ&#x20AC;&#x2122;estĂ treballant amb solucions de naturalesa diferent (amb microemulsiĂł i sense), sâ&#x20AC;&#x2122;ha introduĂŻt un factor de correcciĂł de viscositats en la mobilitat en CZE [8].

Part experimental Per realitzar les mesures electroforètiques sâ&#x20AC;&#x2122;ha utilitzat una electroforesi capil¡lar (G7100) equipada amb un detector dâ&#x20AC;&#x2122;UV-Vis dâ&#x20AC;&#x2122;Agilent Technologies (Santa Clara, Califòrnia, EUA).

El capil¡lar emprat, dâ&#x20AC;&#x2122;aproximadament 50 Îźm de diĂ metre intern, ĂŠs de Polymicro Technologies (Lisle, Illinois, EUA).

Les anĂ lisis sâ&#x20AC;&#x2122;han dut a terme a diferents valors de pH en dos conjunts de solucions diferents: en microemulsiĂł (anĂ lisi per MEEKC) i en tampĂł sense fase pseudoestacionĂ ria (anĂ lisi per CZE). Aquestes solucions sâ&#x20AC;&#x2122;han preparat en tampĂł de fosfat o acetat en funciĂł del pH avaluat i a una força iònica 0,05 m.

Les anĂ lisis, en ambdĂłs conjunts de solucions, sâ&#x20AC;&#x2122;han dut a terme a 25 °C, aplicant una diferència de potencial dâ&#x20AC;&#x2122;entre 8 i 15 kV i una pressiĂł en la separaciĂł en lâ&#x20AC;&#x2122;interval 0-50 mbar, amb un capil¡lar de 25 o 30 cm (en funciĂł del pH) de longitud efectiva. En els dos casos el solut sâ&#x20AC;&#x2122;ha injectat aplicant una pressiĂł de 50 mbar durant 5 s. La dodecanofenona sâ&#x20AC;&#x2122;ha usat com a marcador de la microemulsiĂł (ja que es particiona totalment en la fase pseudoestacionĂ ria), i el dimetilsulfòxid (DMSO), com a marcador del flux electroosmòtic (ĂŠs molt polar i prĂ cticament no es particiona en la fase estacionĂ ria). El ketoprofèn sâ&#x20AC;&#x2122;ha dissolt en una mescla de metanol/microemulsiĂł (1:9) per a lâ&#x20AC;&#x2122;anĂ lisi en MEEKC, i en una mescla de metanol/aigua (1:9) per a lâ&#x20AC;&#x2122;anĂ lisi en CZE, a una concentraciĂł de 200 mg ¡ Lâ&#x20AC;&#x201C;1.

PreparaciĂł de la microemulsiĂł La microemulsiĂł sâ&#x20AC;&#x2122;ha preparat en tampĂł dâ&#x20AC;&#x2122;acetat o fosfat (en funciĂł del pH desitjat) a una força iònica 0,05 m. Primer, es dissol el tensioactiu, en aquest cas lâ&#x20AC;&#x2122;SDS, a 1,30 % (m/v), desprĂŠs sâ&#x20AC;&#x2122;afegeix 1-butanol (el cotensioactiu) amb bureta i agitaciĂł magnètica constant fins a una concentraciĂł del 8,15 % (v/v) i, finalment, sâ&#x20AC;&#x2122;afegeix lâ&#x20AC;&#x2122;heptĂ fins a una concentraciĂł de lâ&#x20AC;&#x2122;1,15 % (v/v). La microemulsiĂł sâ&#x20AC;&#x2122;agita i se sotmet a ultrasons fins que la soluciĂł deixa de ser tèrbola [6].

47

07/01/2019 16:00:55

Resultats i discussiĂł

talment ionitzada de lâ&#x20AC;&#x2122;Ă cid (respectivament, k(HA) i k(Aâ&#x20AC;&#x201C;)) segons lâ&#x20AC;&#x2122;equaciĂł segĂźent [7]:

Recta de calibratge Per estimar el log Do/w de lâ&#x20AC;&#x2122;Ă cid model a diferents graus dâ&#x20AC;&#x2122;ionitzaciĂł, sâ&#x20AC;&#x2122;ha establert una recta de calibratge log Po/w â&#x20AC;&#x201C; log kMEEKC amb 20 substĂ ncies neutres que tenen valors de log Po/w coneguts i distribuĂŻts uniformement al llarg del rang 0-4 [9, 10]. La recta de calibratge es mostra a continuaciĂł (figura 2):

k 1 â&#x20AC;&#x201C; k HA k Aâ&#x20AC;&#x201C;

[Eq. 7]

El grau dâ&#x20AC;&#x2122;ionitzaciĂł (Îą) es calcula dâ&#x20AC;&#x2122;acord amb lâ&#x20AC;&#x2122;expressiĂł matemĂ tica segĂźent:

10pH pKa 1 10pH pKa

[Eq. 8]

Combinant les equacions 7 i 8, sâ&#x20AC;&#x2122;obtĂŠ:

k

k HA k Aâ&#x20AC;&#x201C; 10pH pK a 1 10pH pK a

[Eq. 9]

Per estudiar lâ&#x20AC;&#x2122;aplicabilitat dâ&#x20AC;&#x2122;aquest mètode a substĂ ncies Ă cides, sâ&#x20AC;&#x2122;ha mesurat el factor de retenciĂł del ketoprofèn a diversos valors de pH (entre 2,0 i 7,0, incloent-hi tots els graus dâ&#x20AC;&#x2122;ionitzaciĂł de lâ&#x20AC;&#x2122;Ă cid). Lâ&#x20AC;&#x2122;equaciĂł 9 sâ&#x20AC;&#x2122;ha ajustat als valors experimentals i sâ&#x20AC;&#x2122;ha obtingut el perfil k-pH de lâ&#x20AC;&#x2122;Ă cid model (figura 3).

Figura 2.â&#x20AC;&#x192; Log Po/w vs. log kMEEKC de la recta de calibratge.

Lâ&#x20AC;&#x2122;equaciĂł resultant ĂŠs la segĂźent: â&#x20AC;&#x192;â&#x20AC;&#x201A;log Po/w = 1,60 (Âą0,11) ¡ log kMEEKC + 1,51 (Âą0,08)

[Eq. 6]

Per tant, tal com sâ&#x20AC;&#x2122;ha vist en treballs anteriors [4-6], es pot concloure que ĂŠs possible estimar el log Po/w de substĂ ncies neutres a partir de mesures electrocinètiques.

Els parĂ metres estadĂ­stics de lâ&#x20AC;&#x2122;equaciĂł 6 sĂłn: R2 = 0,92, DEÂ =Â 0,33, n = 20 i F = 196, i indiquen una bona correlaciĂł entre els dos parĂ metres.

EstimaciĂł del log Do/w dâ&#x20AC;&#x2122;Ă cids ionitzables

48

La substĂ ncia que sâ&#x20AC;&#x2122;ha escollit com a model ha estat el ketoprofèn, un fĂ rmac antiinflamatori. Sâ&#x20AC;&#x2122;ha escollit aquest compost perquè presenta un pKa proper a 4 (dintre de lâ&#x20AC;&#x2122;interval de pH de treball electroforètic), presenta grups cromòfors (ĂŠs detectable per UV-Vis) i tĂŠ un comportament lipofĂ­lic conegut i estudiat en la bibliografia [11, 12].

Figura 3.â&#x20AC;&#x192; Perfil k-pH del ketoprofèn.

El factor de retenciĂł dâ&#x20AC;&#x2122;un compost Ă cid depèn del grau dâ&#x20AC;&#x2122;ionitzaciĂł (Îą) i del factor de retenciĂł de les espècies neutra i to-

A continuaciĂł, a partir de k(HA) i k(Aâ&#x20AC;&#x201C;) (obtinguts a partir de lâ&#x20AC;&#x2122;ajust) i de la recta de calibratge (equaciĂł 6), sâ&#x20AC;&#x2122;ha estimat el

Revista Quimica 17.indd 48

Els parĂ metres obtinguts a partir de lâ&#x20AC;&#x2122;ajust sĂłn: k(HA) = 6,02 (Âą0,09); k(Aâ&#x20AC;&#x201C;) = 0,49 (Âą0,07); pKa = 4,18 (Âą0,04); (R2 = 0,999; FÂ =Â 1â&#x20AC;&#x2030;474; DE = 0,10), que indiquen un bon ajust de lâ&#x20AC;&#x2122;equaciĂł 9 a les dades experimentals.

07/01/2019 16:00:56

logaritme de la particiĂł octanol-aigua de lâ&#x20AC;&#x2122;espècie neutra i totalment ionitzada de lâ&#x20AC;&#x2122;Ă cid (respectivament, log Do/w(HA) = 2,76 i log Do/w(Aâ&#x20AC;&#x201C;) = 1,01). Tal com el factor de retenciĂł, el coeficient de distribuciĂł octanol-aigua tambĂŠ depèn del grau dâ&#x20AC;&#x2122;ionitzaciĂł del compost, segons lâ&#x20AC;&#x2122;equaciĂł segĂźent: Do/w 1 Po/w HA Po/w A

[Eq. 10]

Finalment, a partir de lâ&#x20AC;&#x2122;equaciĂł 10, i considerant el pKa del compost de 4,18 (ajust de lâ&#x20AC;&#x2122;equaciĂł 9), ĂŠs possible estimar el log Do/w del ketoprofèn a qualsevol valor de pH. AixĂ­, sâ&#x20AC;&#x2122;han comparat les dades estimades a partir dâ&#x20AC;&#x2122;aquest mètode (log Dest) amb les determinades en la bibliografia a partir de mètodes tradicionals (log Dbibl) [11, 12] (taula 1).

Taula 1.â&#x20AC;&#x192; Diferències entre els valors estimats (log Dest) i els de la bibliografia (log Dbibl). pH

log Dbibl

Îą

Dest

log Dest

log Dbibl â&#x20AC;&#x201C; log Dest

2,0

3,12

0,007

566,66

2,75

0,37

4,5

2,53

0,676

191,57

2,28

0,25

5,5

1,8

0,954

35,86

1,55

0,2

6,5

0,8

0,995

12,95

1,11

â&#x20AC;&#x201C;0,3

7,4

0,1

0,999

10,62

1,03

â&#x20AC;&#x201C;0,9

7,4

â&#x20AC;&#x201C;0,25

0,999

10,62

1,03

â&#x20AC;&#x201C;1,28

Les diferències entre els valors estimats i els de la bibliografia sĂłn mĂŠs petits que 0,4 unitats de log Do/w quan lâ&#x20AC;&#x2122;Ă cid estĂ en forma neutra o parcialment ionitzat. En canvi, quan lâ&#x20AC;&#x2122;Ă cid es troba altament o totalment ionitzat (> 99,5 %), les diferències entre els dos parĂ metres sĂłn mĂŠs elevades. Aquest fet pot ser degut a la formaciĂł de parells iònics de naturalesa diversa que modificarien les mobilitats electroforètiques, ja que les dades estimades i les obtingudes de la bibliografia sâ&#x20AC;&#x2122;han determinat en condicions experimentals diferents (tampons diferents i concentracions de tampĂł diferents), o a la baixa retenciĂł de lâ&#x20AC;&#x2122;espècie totalment ionitzada (errors mĂŠs elevats en el cĂ lcul de k).

Conclusions A partir del sistema de MEEKC presentat en aquest estudi, ĂŠs possible determinar el coeficient de distribuciĂł octanol-aigua dâ&#x20AC;&#x2122;espècies Ă cides neutres i parcialment ionitzades (fins al 99,5 %) dâ&#x20AC;&#x2122;una manera acurada, rĂ pida i automatitzada.

Revista Quimica 17.indd 49

AgraĂŻments Alejandro FernĂĄndez-Pumarega dona grĂ cies a la Universitat de Barcelona per la seva beca predoctoral APIF. TambĂŠ agraĂŻm el suport financer del Ministeri dâ&#x20AC;&#x2122;Economia i Competitivitat (CTQ2017-88179-P) i del Govern catalĂ (SGR 2017- 1074).

Referències i altres fonts [1]â&#x20AC;&#x201A; Food and Drug Administration (FDA). Learn about drug and device approvals [en lĂ­nia]. <https://www.fda.gov/ForPatients/ Approvals/default.htm> [Consulta: 9 abril 2018].

[2]â&#x20AC;&#x201A; Agència Europea de Medicaments (EMA). <http://www.ema. europa.eu/ema/> [Consulta: 9 abril 2018].

[3]â&#x20AC;&#x201A; Ryan, R.; Altria, K; Mcevoy, E; Donegan, S.; Power, J. ÂŤA re­ view of developments in the methodology and application of microemulsion electrokinetic chromatographyÂť. Electrophoresis, vol. 34 (2013), p. 159-177.

[4]â&#x20AC;&#x201A; Ishihama, Y.; Oda, Y.; Uchikawa, K.; Asakawa, N. ÂŤEvaluation of solute hydrophobicity by microemulsion electrokinetic chromatographyÂť. Analytical Chemistry, vol. 67 (1995), p. 1588-1595.

[5]â&#x20AC;&#x201A; Abraham, M. H.; Treiner, C.; Roses, M.; Rafols, C.; Ishihama, Y. ÂŤLinear free energy relationship analysis of microemulsion electrokinetic chromatographic determination of lipophilicityÂť.

Journal of Chromatography A, vol. 752 (1996), p. 243-249.

[6]â&#x20AC;&#x201A; Subirats, X.; Yuan, H. P.; Chaves, V.; Marzal, N.; RosĂŠs, M. ÂŤMicroemulsion electrokinetic chromatography as a suitable tool for lipophilicity determination of acidic, neutral, and basic compoundsÂť. Electrophoresis, vol. 37 (2016), p. 20102016.

[7]â&#x20AC;&#x201A; Khaledi, M. G.; Smith, S. C.; Strasters, J. K. ÂŤMicellar electrokinetic capillary chromatography of acidic solutes - migration behavior and optimization strategiesÂť. Analytical Chemistry, vol. 63 (1991), p. 1820-1830.

[8]â&#x20AC;&#x201A; FernĂĄndez-Pumarega, A.; AmĂŠzqueta, S.; Fuguet, E.; RosĂŠs, M. [Manuscrit en preparaciĂł (2018)] [9]â&#x20AC;&#x201A; AndrĂŠs, A.; RosĂŠs, M.; RĂ fols, C.; Bosch, E.; Espinosa, S.; Segarra, V.; Huerta, J. M. ÂŤSetup and validation of shake-flask procedures for the determination of partition coefficients (logâ&#x20AC;&#x2030;D) from low drug amountsÂť. European Journal of Pharmaceutical Sciences, vol. 76 (2015), p. 181-191.

[10]â&#x20AC;&#x201A; Avdeef, A. Absorption and drug development: solubility, permeability, and charge state. Hoboken (Nova Jersey): John Wiley & Sons, 2012 (segona ediciĂł), p. 201.

49

07/01/2019 16:00:57

[11] La Rotonda, M. I.; Amato, G.; Barbato, F.; Silipo, C.; Vittoria, A. «Relationships between octanol-water partition data, chromatographic indices and their dependence on pH in a set of nonsteroidal anti-inflammatory drugs». Quantitative Struc­ ture-Activity Relationships, vol. 2 (1983), p. 168-173.

[12] Winiwarter, S.; Bonham, N. M.; Ax, F.; Hallberg, A.; Lennernäs, H.; Karlén, A. «Correlation of human jejunal permeabil­ ity (in vivo) of drugs with experimentally and theoretically derived parameters. A multivariate data analysis approach».

Journal of Medicinal Chemistry, vol. 41 (1998), p. 4939-4949.

50

Revista Quimica 17.indd 50

07/01/2019 16:00:57

A. Fernández-Pumarega

S. Amézqueta

E. Fuguet

M. Rosés

Alejandro Fernández-Pumarega és llicenciat en química per la Universitat Autònoma de Barcelona. Actualment està fent la tesi doctoral a la Universitat de Barcelona, on també va realitzar el Màster de Química Analítica. La seva tesi doctoral es basa en la química analítica aplicada al medi ambient i a l’àmbit farmacèutic.

Susana Amézqueta és llicenciada en química i doctora per la Universitat de Navarra. Actualment és professora lectora de la Universitat de Barcelona. La seva recerca se centra en la química analítica aplicada als camps de la farmàcia, la biomedicina, el medi ambient i els aliments.

Elisabet Fuguet i Jordà és llicenciada en química i doctora per la Universitat de Barcelona. Actualment és professora agregada Serra Húnter de la Secció de Química Analítica de la Universitat de Barcelona. La seva recerca se centra en la química analítica aplicada als camps de la farmàcia, la biomedicina, el medi ambient i els aliments.

Martí Rosés és doctor en ciències químiques i catedràtic de química analítica a la Universitat de Barcelona. La seva recerca se centra en l’estudi dels processos fonamentals de retenció i migració en cromatografia de líquids i electroforesi capil·lar i, en particular, en la seva aplicació a la caracterització fisicoquímica de fàrmacs en el procés de drug discovery. Té prop de dues-centes publicacions científiques i un índex h de 46 (WOS).

51

Revista Quimica 17.indd 51

07/01/2019 16:00:58

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 52-58 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.96 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Disseny d’un ànode molecular capaç de realitzar un milió de cicles en la catàlisi d’oxidació d’aigua Design of a molecular anode providing one million cycles in water oxidation catalysis Jordi Creus,1, 2 Roc Matheu,3 Itziar Peñafiel,2 Dooshaye Moonshiram,3 Pascal Blondeau,2 Jordi Benet-Buchholz,3 Jordi GarcíaAntón,1 Xavier Sala,1 Cyril Godard,2 Antoni Llobet3 1 Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química 2 Universitat Rovira i Virgili. Departament de Química Física i Inorgànica 3 Institute of Chemical Research of Catalonia (ICIQ). Barcelona Institute of Science and Technology (BIST)

Resum: L’obtenció de H2 com a vector energètic a partir de l’aigua i l’energia solar és una alternativa interessant als combustibles fòssils. La seva obtenció a través de la dissociació de l’aigua (water splitting) requereix catalitzadors que disminueixin la barrera energètica de les dues semireaccions involucrades: l’oxidació de l’aigua a O2 i la reducció de protons a H2. El desenvolupament de nous catalitzadors permet millorar el coneixement dels mecanismes de reacció i dissenyar-ne de nous amb pro­ pietats catalítiques avançades. En aquest treball presentem la immobilització d’un complex molecular altament actiu en l’oxidació de l’aigua, el qual és capaç de fer un milió de cicles catalítics.

Paraules clau: Oxidació d’aigua, immobilització de catalitzadors, ruteni, dissociació de l’aigua, water splitting.

Abstract: Molecular hydrogen is a promising candidate for replacing fossil fuels. The production of this gas by water splitting requires catalysts to speed up the respective semi-reactions: oxidation of water to O2 and reduction of protons to H2. The development of these catalysts helps to provide a better understanding of the catalytic pathways, allowing the rational design of new active species. In this study the immobilization of a highly active water oxidation molecular catalyst is achieved, reaching over 1 million TONs under catalytic conditions.

Keywords: Water oxidation, catalyst immobilization, ruthenium, water splitting.

Introducció

L’

ús abusiu de combustibles fòssils durant l’últim segle ha suposat un augment en la concentració de gasos com el CO2 o els NOx a l’atmosfera [1].

Aquests gasos són culpables de l’anomenat efecte d’hivernacle, així com de l’augment de la temperatura de la Terra i del forat de la capa d’ozó, problemes ambientals que afecten també el benestar de l’ésser humà, la flora i la fauna.

En les darreres dècades s’han dedicat grans esforços a desenvolupar energies alternatives, més netes que les basades en la combustió de derivats del carboni i, sobretot, inesgotables i renovables. Entre elles, l’ús d’energia solar ha atret bona part de la investigació cientificotècnica, degut a la gran quantitat de radiació que rep el planeta de manera contínua [2].

La radiació solar s’estén per tota la superfície de la Terra i,

52

Correspondència: Jordi Creus Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química Edifici C, despatx C7/349. Campus de la UAB, Bellaterra. 08193 Cerdanyola del Vallès Tel.: +34 935 812 891 A/e: jordi.creus@uab.cat

Revista Quimica 17.indd 52

per tant, és a l’abast de totes les societats, la qual cosa n’evita la monopolització, com passa per exemple amb el petroli o el gas natural, dels quals deriven la majoria de conflictes armats.

La radiació solar, però, necessita utilitzar-se al moment, com és el cas de l’energia solar tèrmica o la fotovoltaica, o bé emmagatzemar-se. Una de les opcions per emmagatzemar aquesta energia és mitjançant enllaços químics de molècules, de manera que es pugui transportar per fer-ne ús quan es necessiti o es desitgi. En aquesta línia, el H2 és un gas amb una combustió que allibera 33 kWh · kg–1 (la gasolina n’allibera 12,4) i es pot obtenir a través de l’electròlisi de l’aigua (a partir d’un potencial electroquímic) o del water splitting (WS, equació 1) [3], mitjançant l’energia del sol, en el procés que s’anomena fotosíntesi artificial. Aquest es divideix en dues semireaccions redox, l’oxidació de l’aigua a O2 (oxygen evolution reaction, OER, equació 2) i la reducció de protons a H2 (hydrogen evolution reaction, HER, equació 3): WS: 2H2O → 2H2 + O2

[Eq. 1]

OER: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e–

[Eq. 2]

HER: 4H+ + 4e– → 2H2

[Eq. 3]

07/01/2019 16:00:58

La reacció de WS no està termodinàmicament afavorida, motiu pel qual requereix una energia externa que en disminueixi l’activació, com ara la radiació solar. A més a més, les dues semireaccions (OER i HER) són cinèticament lentes (especialment l’OER, en què es trenquen quatre enllaços H–O i es forma un doble enllaç O=O), motiu pel qual s’utilitzen cata­ litzadors que disminueixen el sobrepotencial necessari per iniciar-se i que han de ser ràpids i estables en les condicions catalítiques. Pel que fa a la catàlisi d’oxidació d’aigua, en les últimes dècades s’han reportat nombrosos catalitzadors capaços de dur a terme aquesta reacció. De tots maneres, si el que es vol és obtenir un ànode basat en un compost molecular i amb una gran capacitat oxidativa, cal un mètode d’immobilització que sigui eficaç i robust [4]. Per altra banda, tenint en compte els dos possibles mecanismes de formació de l’enllaç O=O descrits fins ara (esquema 1), el catalitzador a immobilitzar hauria de funcionar a través de l’atac nucleofílic de l’aigua (WNA), el qual requereix únicament una molècula de complex [3]:

en el procés d’obtenció de l’espècie activa/reactiva. En aquest treball utilitzem un mètode d’immobilització basat en interaccions π-stacking, a través de lligands derivats de grups pirè i de nanotubs de carboni (MWCNT), per immobilitzar els complexos basats en el Ru-tda (C1 i C2 a la figura 1). Malgrat la baixa càrrega de catalitzador en l’elèctrode, aquest manté les mateixes activitats que el seu homòleg en solució i és capaç de catalitzar l’oxidació d’aigua fent un milió de cicles en 12 hores, sense una desactivació aparent.

Síntesi i preparació de l’ànode Aquesta part es va dur a terme en tres passos. En el primer, es va realitzar la síntesi de dos lligands diferents, L1 i L2 (vegeu la figura 1). La diferència entre aquests lligands rau en la unió entre el grup pirè i el grup piridina: mentre que en L1 hi ha dues cadenes amb grups metilè (les quals són susceptibles de ser oxidades en condicions catalítiques d’OER, però aporten flexibilitat al complex), la connexió entre els dos grups és directa per a L2 (no hi ha cap C-sp3 present en el lligand), de manera que és una espècie menys flexible però també menys susceptible a la degradació.

Esquema 1. Possibles processos de formació d’un enllaç O–O.

Si, per contra, el mecanisme que segueix és l’intramolecular (I2M), en què es requereixen dues molècules de catalitzador, pot succeir que les molècules no siguin prou flexibles per acostar-se l’una a l’altra degut a la immobilització en el suport, i que per tant l’energia destinada a l’oxidació de l’aigua s’acabi utilitzant per degradar els lligands i descompondre el complex, per exemple, un complex de Ru a RuO2 [5].

Recentment, en el nostre laboratori, s’ha descrit el complex [Ru(tda)(py)2] (i derivats, Ru-tda a partir d’ara), el qual ha demostrat ser altament actiu per a la catàlisi d’oxidació d’aigua en fase homogènia [6]. Aquest catalitzador conté un lligand terpiridina-dicarboxilat en la seva posició equatorial, el qual aporta set posicions de coordinació (sumant-li les dues axials) que estabilitzen el Ru en diferents estats d’oxidació, depenent de la coordinació del lligand. Els grups carboxilat són de gran importància, ja que són els responsables d’estabilitzar els estats d’oxidació alts, així com d’actuar com a bases potencials

Revista Quimica 17.indd 53

Figura 1. Complexos C1 i C2, els quals contenen els lligands L1 i L2, respectivament, ancorats a MWCNT.

El segon pas consisteix en la síntesi dels complexos. Aquesta síntesi ha estat prèviament optimitzada en el laboratori per a complexos similars (família Ru-tda), però més solubles en condicions de reacció. Aquest és un punt positiu, ja que la in-

53

07/01/2019 16:00:59

Esquema 2. Síntesi dels complexos C1 i C2.

solubilitat dels complexos en el medi de reacció, en contraposició a la solubilitat dels productes de partida, permet aïllar C1 i C2 amb una certa facilitat (esquema 2).

El darrer pas és la preparació del material electrocatalític.

Com a elèctrode de treball es va utilitzar un glassy carbon disk (GC) amb un diàmetre de 3 mm, en el qual es va dipositar una dispersió d’MWCNT per tal d’augmentar la superfície de l’elèctrode i poder immobilitzar una quantitat més gran de catalitzador. Un cop seca la dispersió i adherits els nanotubs, aquests elèctrodes es van submergir en una solució de complex durant una nit, i van quedar ancorats als MWCNT a través dels lligands pirè.

Avaluació electroquímica Tots els experiments es van dur a terme en una solució de tampó de fosfat a pH = 7 amb elèctrodes de Hg/HgSO4 i Pt com a referència i contraelèctrode, respectivament, i es representen en referència a l’elèctrode normal d’hidrogen (NHE). La prova que confirma l’eficiència del mètode d’immobilització

54

Revista Quimica 17.indd 54

és la voltametria cíclica (CV). En la figura 2 (C1: esquerra, C2: dreta) s’observen les dues ones redox reversibles del complex (RuIII/RuII i RuVI/RuIII, CV en vermell) als mateixos potencials observats per a l’homòleg molecular (0,55 V i 1,05 V, respectivament), així com una ona irreversible a 1,5 V deguda a l’oxidació dels MWCNT. L’àrea sota aquestes ones correspon al nombre d’electrons que s’han utilitzat per oxidar/reduir el Ru i, per tant, és proporcional als mols de Ru i de complex que hi ha dipositats. D’aquesta manera, es va definir una càrrega de 6,35 nmol · cm–2 per a C1 i de 0,20 nmol · cm–2 per a C2. Com es pot veure, la flexibilitat diferent dels lligands indueix una interacció diferent amb el suport, que resulta en una càrrega trenta vegades més petita per a C2 que per a C1. Això queda també palès en la densitat de corrent, que és unes cinc vegades més petita en C2 que en C1.

De manera anàloga al que es va observar per a les espècies moleculars, quan C1 i C2 se sotmeten a un procés d’oxidació a pH = 12 i E = 1,25 V durant 500 s, apareix una nova ona entre les ones reversibles del complex (0,75 V) deguda a una nova

Figura 2. CV dels complexos C1 (esquerra) i C2 (dreta), abans (vermell) i després (verd) del procés de formació de l’espècie activa. Determinació de les ones reversibles RuIII/RuII i RuIV/RuIII, l’espècie activa (RuIIIOH/ RuIIOH2) i l’ona catalítica (RuVO/RuIVO).

07/01/2019 16:00:59

espècie molecular (figura 2). Aquesta nova espècie és el resultat de la coordinació de l’aigua en el complex (en forma de –OH a pH = 12, RuIIIOH). Seguint el mecanisme concertat, conegut com a PCET (proton-coupled electron transfer), aquestes espècies perden un protó i un electró (o dos protons i dos electrons si partim de l’espècie RuIIOH2) i s’aconsegueix el grup RuIVO, que en condicions d’oxidació forma RuVO. Aquest és altament reactiu en les condicions catalítiques, i es redueix de nou formant O2 a partir de l’aigua. El corrent derivat de l’oxidació de l’aigua s’observa a l’ona irreversible a 1,2-1,3 V, que clarament creix després de formar aquesta nova espècie.

C1 i C2 es van sotmetre a dues proves d’estabilitat. La primera va ser la ciclació de l’elèctrode durant 1 000 cicles de poten­ cial (figura 3, a dalt), per observar quina és la tendència de les ones reversibles, i també de l’ona catalítica, en condicions d’OER. La segona va ser l’aplicació d’un potencial oxi­ datiu en què es doni la catàlisi (figura 3, a baix a l’esquerra), E = 1,45 V, per tal d’observar com canvia el corrent en funció del temps.

a)

Com es pot veure a simple vista, pel que fa a C1, els dos experiments mostren una caiguda del corrent, tant pel que fa a les ones reversibles del complex (figura 3a) com a l’electròlisi (figura 3c, en vermell). Per contra, C2 manté en tots dos casos corrents molt semblants, que són lleugerament més petits degut a la formació de bombolles de O2 durant la reacció, però conserven les ones reversibles del complex ancorat a l’elèctrode (figura 3b). Això és degut a la diferent configuració dels lligands L1 i L2. Com ja s’ha esmentat, la presència de grups metilè en L1 fa aquesta espècie més susceptible a la degradació en condicions electrocatalítiques, i per tant C1 presenta menys estabilitat que C2. De totes maneres, és també aquesta presència el que dona més flexibilitat a C1 respecte de C2; s’aconsegueix, així, una càrrega més alta i, per tant, unes densitats de corrent al voltant de cinc vegades més grans.

La major estabilitat de C2 ens va permetre fer una prova d’estabilitat de llarga durada (12 hores, figura 3d). El resultat va ser molt positiu, ja que pràcticament no es va observar desactivació del complex, a través de la integració de les ones reversibles, però sobretot perquè el catalitzador va ser capaç de

b)

8 7

2,1

6 j (mA/cm2)

j (mA/cm2)

5 4 3 2

1,6 1,1 0,6

1

0,1

0

–0,4

–1 0

0,4

0,8 E (V)

1,2

1,6

c)

0 d)

0,4

0,8 1,2 E (V)

1,6

1,2 0,9

TON · 106

2 j (mA/cm2)

2,6

1

0,6 0,3

0

0 0

2 000 4 000 6 000 8 000 t (s)

0

5 t (h)

10

Figura 3. Experiment de 1 000 CV per als complexos a) C1 i b) C2; c) electròlisi a 1,45 V de potencial per a C1 (vermell) i C2 (blau); d ) variació del TON en funció del temps en un experiment d’electròlisi a 1,45 V de potencial per a C2.

Revista Quimica 17.indd 55

55

07/01/2019 16:01:00

fer un milió de cicles catalítics (TON), un valor especialment alt en catalitzadors moleculars per a la reacció d’oxidació d’aigua.

Conclusions En resum, es va aconseguir sintetitzar i fabricar dos complexos, C1 i C2, i els ànodes corresponents, els quals van mostrar una activitat elevada en OER i van mantenir valors catalítics semblants als del complex homòleg en condicions homogènies, [Ru(tda)(Py)2] [6]. El disseny dels lligands L1 i L2 va permetre incrementar l’estabilitat de l’elèctrode i es va aconseguir un ànode molecular capaç de fer més d’un milió de cicles catalítics sense degradar-se.

Agraïments Antoni Llobet, Xavier Sala i Jordi García-Antón agraeixen al Ministeri d’Economia i Competitivitat el suport en els projectes CTQ-2016–80058-R, SEV-2013-0319; CTQ-2014–52974REDC i CTQ2015-64261-R. Jordi Creus agraeix a la Universitat Autònoma de Barcelona i a l’Euroregió Pirineus Mediterrània i Roc Matheu agraeix a ”La Caixa” les beques de doctorat.

Dooshaye Moonshiram agraeix el suport del Departament d’Energia dels EUA, núm. de contracte DEAC02-06-CH11357.

Aquesta recerca ha utilitzat recursos del feix de llum del sector 20 de l’Advanced Photon Source, operat pel Departament d’Energia dels EUA i Canadian Light Source. Jordi García-Antón agraeix la contractació al Programa Serra Húnter.

Referències [1] Hodgson, P. E. «Nuclear power and the energy crisis».

Modern Age, vol. 3 (2008), p. 238-246.

[2] Hammarström, L.; Hammes-Schiffer, S. «Artificial photosyn­ thesis and solar fuels». Acc. Chem. Res., vol. 42 (2009), p. 1859-1860.

[3] Berardi, S.; Drouet, S.; Francàs, L.; Gimbert-Suriñach, C.; Guttentag, M.; Richmond, C.; Stoll, T.; Llobet, A. «Molecular artificial photosynthesis». Chem. Soc. Rev., vol. 43 (2014), p. 75017519.

[4] a) Alibabaei, L.; Sherman, B. D.; Norris, M. R.; Brennaman, M. K.; Meyer, T. «Visible photoelectrochemical water splitting into H2 and O2 in a dye-sensitized photoelectrosynthesis cell».

J. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol. 112 (2015), p. 5899-5902; b) Pastori, G.; Wahab, K.; Bucci, A.; Bellachioma, G.; Zuccaccia, C.; Llorca, J.; Idriss, H.; Macchioni, A. «Heterogenized water oxidation catalysts prepared by immobilizing Kläui-type organometallic precursors». Chem. Eur. J., vol. 22 (2016), p. 1345913463; c) Li, F.; Zhang, B.; Li, X.; Jiang, Y.; Chen, L.; Li, Y.; Sun, L. «Highly efficient oxidation of water by a molecular catalyst immobilized on carbon nanotubes». Angew. Chem. Int. Ed., vol. 50 (2011), p. 12276-12279.

[5] Matheu, R.; Francàs, L.; Chernev, P.; Ertem, M. Z.; Batista, V.; Haumann, M.; Sala, X.; Llobet, A. «Behavior of the Ru-bda water oxidation catalyst covalently anchored on glassy carbon electrodes». ACS Catal., vol. 5 (2015), p. 3422-3429.

[6] Matheu, R.; Ertem, M. Z.; Benet-Buchholz, J.; Coronado, E.; Batista, V. S.; Sala, X.; Llobet, A. «Intramolecular proton transfer boosts water oxidation catalyzed by a Ru complex». J. Am. Chem. Soc., vol. 137 (2015), p. 10786-10795.

56

Revista Quimica 17.indd 56

07/01/2019 16:01:00

J. Creus

P. Blondeau

C. Godard

R. Matheu

I. Peñafiel

J. Benet-Buchholz

D. Moonshiram

J. García-Antón

X. Sala

A. Llobet

Jordi Creus es doctorà en química per la Universitat Autònoma de Barcelona i la Universitat Paul Sabatier de Tolosa el juliol de 2018.

Roc Matheu es doctorà en química per l’Institut Català d’Investigació Química el 2017 i actualment fa un postdoctorat a la Universitat de Califòrnia a Berkeley.

Itziar Peñafiel es doctorà en química per la Universitat d’Alacant l’any 2012, va fer postdoctorats a la Universitat Rovira i Virgili, al Centre Tecnològic de la Química de Catalunya (CTQC) i a la Universitat de Cambridge, i actualment és investigadora a la Universitat de Manchester.

Dooshaye Moonshiram es doctorà en química per la Universitat Purdue l’any 2013, va fer postdoctorats a l’Argonne Nation­ al Laboratory i a l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ) i actualment és investigadora al Max-Planck-Institut für chemische Energie-Konversion.

Pascal Blondeau es doctorà en química per la Universitat de Madrid l’any 2007 i actualment fa un postdoctorat a la Universitat Rovira i Virgili, des de 2009, després d’haver fet un primer postdoctorat a la Universitat de Pàdua.

57

Revista Quimica 17.indd 57

07/01/2019 16:01:02

Jordi Benet-Buchholz es doctorà en química per la Universitat d’Essen l’any 2004 i actualment és cap de la Unitat de Difracció de Raigs X (XRD) de l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ), després de ser cap del Laboratori de Cristal·lografia de BAYER AG a Leverkusen.

Jordi García-Antón es doctorà en química l’any 2003 per la Universitat Autònoma de Barcelona i actualment és professor agregat en aquesta universitat, després d’haver fet un postdoctorat al Laboratoire de Chimie de Coordination (LCC) de Tolosa (França).

Xavier Sala es doctorà en química per la Universitat de Girona l’any 2007 i va fer estades postdoctorals a l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ) i a l’Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries (IRTA). Actualment és professor agregat a la Universitat Autònoma de Barcelona, on lidera el grup de recerca Selective Oxidation Catalysis (SelOxCat).

Cyril Godard es doctorà en química per la Universitat de York l’any 2004 i ha tingut un contracte Ramón y Cajal a la Universitat Rovira i Virgili, on és professor agregat des de 2018.

Antoni Llobet es doctorà en química per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i va fer estades postdoctorals a la Universitat de Texas A&M i a la Universitat de Carolina del Nord. Actualment és catedràtic de química inorgànica a la UAB i group leader a l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ).

58

Revista Quimica 17.indd 58

07/01/2019 16:01:02

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 59-73 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.97 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Control de la reactivitat amb interruptors moleculars fotoinduïts Reactivity control with molecular photoswitches Marc Villabona, Gonzalo Guirado, Jordi Hernando Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química

Resum: L’ús d’interruptors moleculars fotoinduïts permet modular de forma remota la reactivitat química mitjançant irradiació amb llum. D’aquesta manera, no només és possible arribar a controlar externament quan, on i a quina velocitat es produeix una reacció, sinó també modificar-ne la situació d’equilibri termodinàmic que s’assoleix. En aquest article es fa una revisió de l’estat de la qüestió en aquest camp, tot descrivint les diverses estratègies proposades per al control de la reactivitat amb interruptors moleculars fotoinduïts i les aplicacions que se’n poden derivar. Entre elles es troba la preparació de materials fotoactius per a la captura i l’emmagatzematge reversible de CO2, una temàtica que actualment estem explorant al nostre grup de recerca i que es discutirà a la darrera part de l’article.

Paraules clau: Interruptors molecular fotoinduïts, modulació de la reactivitat, captura de CO2.

Abstract: The use of molecular photoswitches enables remote modulation of chemical reactivity by irradiation with light. This does not only allow the external control of where, when and how fast a reaction takes place, but also the modification of the thermodynamic equilibrium that is reached. This article reviews the state of art in this field, with special focus on the strategies described to achieve reactivity control with molecular photoswitches and the applications which may be derived from them. We are currently exploring the preparation of photoactive materials for reversible CO2 capture and storage, as is discussed in the final section of this paper.

Keywords: Molecular photoswitches, reactivity control, CO2 capture.

Introducció

E

l gran avenç de les metodologies sintètiques produït durant les darreres dècades fa possible avui en dia dur a terme una enorme varietat de transformacions químiques que donen accés a tot tipus de molècules i materials. Malgrat això, assolir un veritable control de la reactivitat química no només requereix poder determinar a voluntat què es produeix i com s’obté, sinó també arribar a decidir de forma remota on i quan té lloc la transformació desitjada.

Aquest control espaciotemporal de les reaccions químiques és fonamental per al desenvolupament de sistemes per a un ampli ventall d’aplicacions en el camp dels polímers [1], la farmacologia [2], la detecció d’anàlits [3], la catàlisi [4] o la computació molecular [5]. Entre els diversos tipus d’estímuls que s’han proposat per tal de modular externament el progrés d’una reacció [6], la llum és el que més atenció ha rebut, ja que: a) és un estímul no invasiu que es pot aplicar fàcilment de manera remota; b) l’ús de lents i de fonts de radiació polsades permet el control espacial amb precisió submicromètrica i Correspondència: Marc Villabona Pedemonte Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química Edifici CN. Campus de la UAB, Bellaterra. 08193 Cerdanyola del Vallès Tel.: +34 935 814 054. Fax: +34 935 812 477 A/e: marc.villabona@uab.cat

Revista Quimica 17.indd 59

el control temporal fins a l’escala de femtosegons, i c) ofereix una gran versatilitat pel que fa a les longituds d’ona i les intensitats aplicades, que poden adaptar-se al sistema químic sobre el qual es vol actuar [7]. De fet, utilitzant aquesta estratègia, no tan sols s’ha aconseguit controlar la localització i la temporalitat de diverses reaccions químiques [7], sinó també modificar equilibris termodinàmics [8] o donar lloc a reaccions que d’altra manera no serien possibles [9].

Interruptors moleculars fotoinduïts Per tal d’assolir el control de la reactivitat amb llum, cal incorporar al sistema reactiu d’interès una (o més) unitats fotosensibles. Entre les diverses opcions que s’han proposat, en aquest article considerarem un dels casos més habituals i prometedors: l’ús d’interruptors moleculars fotoinduïts com a unitats fotosensibles.

Els interruptors moleculars fotoinduïts són molècules capaces d’interconvertir-se reversiblement entre dos estats diferents termodinàmicament estables sota irradiació amb llum (figura 1a) [10]. L’exemple més comú d’aquests sistemes són els compostos fotocròmics, que a través de l’absorció de radiació

59

07/01/2019 16:01:02

Figura 1. a) Esquema general d’un interruptor molecular fotoinduït. b) Estructures d’alguns dels interruptors moleculars fotoinduïts més comuns de tipus T i P [8].

electromagnètica es transformen reversiblement entre dos estats amb espectres d’absorbància diferents i, per tant, colors diferents [10]. En la majoria dels casos, aquesta transformació es dona mitjançant una reacció d’isomerització i, a més de la variació en propietats òptiques, també comporta la modificació d’altres propietats moleculars que es poden explotar per modular la reactivitat química [10].

Els interruptors moleculars fotoinduïts basats en compostos fotocròmics es classifiquen en dos grups diferents en funció de l’estabilitat tèrmica dels seus dos estats: a) els de tipus T, per als quals l’estat fotoinduït no és tèrmicament estable i retorna a l’estat inicial espontàniament amb el temps a les fosques, i b) els de tipus P, els dos estats dels quals són estables tèrmicament [10]. Són exemples d’interruptors moleculars fotoinduïts de tipus T els azobenzens [2, 10] i els espiropirans [10, 11] (figura 1b), el canvi entre els dos estats dels quals es pot revertir tant per irradiació com tèrmicament. Són de tipus P els ditieniletens (DTE) [10, 12] i alguns estilbens [10, 13] (figura 1b), que presenten estabilitat tèrmica per a tots dos isòmers i, per tant, només es poden accionar reversiblement mitjançant il·luminació.

60

A més de l’estabilitat tèrmica, hi ha dues variables addicionals que caracteritzen el comportament fotoquímic dels interruptors moleculars fotoinduïts: a) el rendiment quàntic de fotoreacció (Φr), que defineix la probabilitat que es doni el procés

Revista Quimica 17.indd 60

de transformació fotoinduït després de l’absorció d’un fotó pel sistema, i b) l’absorbància de cada estat a la longitud d’ona d’irradiació [10]. Tots aquests paràmetres determinen l’efi­ ciència de les transformacions fotoinduïdes entre les dues formes de l’interruptor, que sovint és inferior al 100 %. És a dir, en lloc d’observar-se una conversió quantitativa entre elles, s’acaba assolint normalment un estat d’equilibri anomenat estat fotoestacionari (PSS), en què totes dues formes coexisteixen i s’interconverteixen a la mateixa velocitat [10], la qual cosa acaba limitant l’amplitud de la modulació de la reactivitat química que es pot assolir.

Fotomodulació de la reactivitat amb interruptors moleculars: estratègies Amb l’objectiu de modular la reactivitat química amb llum, s’aprofiten els canvis tant geomètrics com electrònics que es produeixen durant la fotoconversió dels interruptors moleculars fotoinduïts. En el cas dels efectes estèrics, són d’especial importància els compostos de tipus estilbè i, sobretot, azobenzè, ja que la fotoisomerització E/Z entre els seus dos estats produeix canvis molt importants en l’orientació dels substituents dels seus anells aromàtics i en la distància entre ells (figura 2a) [7]. Els sistemes de tipus DTE també presenten

07/01/2019 16:01:02

Figura 2. a) Canvis geomètrics que tenen lloc en la fotoisomerització entre els estats E i Z d’azobenzens [7]. b) Canvis electrònics i estèrics produïts en la fotoisomerització entre els estats obert i tancat de DTE [7].

variacions geomètriques significatives en ser irradiats, degut a la reacció de fotociclació conrotatòria que planaritza la molècula i que situa els substituents de l’anell format en configuració relativa trans. Tot i així, la seva aplicació a la fotomodulació de reaccions químiques està sobretot fonamentada en els canvis electrònics que experimenten aquests compostos en fotoisomeritzar (figura 2b) [7]. Per una banda, es produeix una modificació de la distribució electrònica als dos anells de tiofè i a l’anell de ciclopentè que els manté units a l’isòmer obert dels DTE. A més, això comporta una variació de la comunicació electrònica entre els substituents situats als extrems oposats de la molècula: en l’estat obert, els dos anells de tiofè i, per tant, els seus substituents R1 i R2 estan desacoblats electrònicament; en canvi, la conjugació s’estén per tota la molècula en l’isòmer tancat, la qual cosa permet posar en comunicació electrònica aquests substituents.

En conseqüència, la gran varietat de canvis geomètrics i electrònics que es produeixen en irradiar els interruptors moleculars fotoinduïts ha donat lloc a múltiples estratègies per a assolir el control de la reactivitat química amb llum, les més importants de les quals es descriuen a continuació.

Estratègies basades en efectes electrònics Tot i que se n’han descrit alguns exemples emprant espiropirans [11], la majoria d’estratègies basades en efectes electrònics fotoinduïts que s’han desenvolupat per a assolir el control òptic de reaccions químiques aprofiten els canvis en la conjugació electrònica que ocorren entre els dos estats dels DTE o d’altres compostos anàlegs de tipus diariletè (DAE).

Per una banda, el canvi de comunicació electrònica que es produeix entre els substituents dels DTE en fotoisomeritzar pot ser utilitzat per a modular la seva electrofília o nucleofília i, per tant, accelerar o desafavorir les reaccions de substitució

Revista Quimica 17.indd 61

i condensació en què es troben implicats. Tal com es mostra en la figura 3a, això es pot aconseguir en introduir: a) l’electròfil (E) o el nucleòfil (Nu) d’interès com a substituent en posició 2 d’un dels anells de tiofè del DTE, i b) grups donadors d’electrons (EDG) i acceptors d’electrons (EWG) en posició 6 del mateix anell de tiofè i en posició 2 de l’altre anell de tiofè.

En alterar la comunicació electrònica entre aquests grups quan es passa de l’isòmer obert al tancat del sistema, la densitat electrònica de les unitats de E o Nu varia i, en conseqüència, també ho fa la seva reactivitat [7]. De manera similar, aquesta estratègia també pot utilitzar-se per a modular l’acidesa i la basicitat de Brønsted dels substituents units als anells de tiofè dels DTE. Un exemple d’aquest tipus de comportament és el sistema que es mostra a la figura 3b, en què es va modular per fotoisomerització la nucleofília d’un grup piridina unit a un interruptor de DTE [14]. En concret, es va disminuir la reactivitat d’aquest grup en l’estat tancat d’1 en posar-lo en comunicació electrònica amb un substituent acceptor d’electrons de 4-piridini. Aquest efecte es va demostrar en mesurar la velocitat del procés de substitució nucleòfila d’1 amb el bromur de p-bromobenzil, per al qual es va observar una reducció de la constant cinètica de fins a tres vegades en passar de l’estat obert al tancat del DTE [14].

Per una altra banda, els canvis produïts en la distribució d’enllaços múltiples conjugats dels anells que formen part de l’estructura de DTE i DAE es poden utilitzar per a promoure o inhibir reaccions de cicloaddició, tal com s’il·lustra a la figura 4a [8]. Així, la fotoisomerització entre els estats obert i tancat d’aquests compostos permet variar el caràcter de diè dels anells que els constitueixen, la qual cosa fa possible controlar de manera selectiva la seva reactivitat enfront de dienòfils en cicloaddicions de tipus Diels-Alder. Aquest comportament es va observar per al sistema mostrat a la figura 4b, en què un dels anells de tiofè dels DTE es va substituir per una

61

07/01/2019 16:01:02

Figura 3. a) Estratègia per a modular la reactivitat de nucleòfils i electròfils utilitzant la fotoisomerització d’interruptors moleculars de DTE. b) Va­ria­ ció de la nucleofília d’un grup piridina utilitzant aquesta estratègia [14].

unitat de furà [15]. A l’estat obert de 3, el grup furà preserva el seu caràcter de diè i pot reaccionar amb un bon dienòfil com la maleïmida per a generar el cicloadducte corresponent.

En canvi, en modificar el sistema de dobles enllaços conjugats de la unitat de furà quan es passa a l’estat tancat de l’interruptor, la reacció de Diels-Alder amb la maleïmida no pot tenir lloc. De manera anàloga, en fotoisomeritzar l’estat obert del cicloadducte 4 format, l’isòmer tancat corresponent presenta una distribució electrònica diferent que inhibeix la corresponent reacció de retro-Diels-Alder. Això permet un segon efecte de control òptic sobre la reactivitat del grup de furà en l’estat inicial del sistema: l’equilibri termodinàmic assolit en la reacció de Diels-Alder d’aquest grup amb la maleïmida pot desplaçar-se per irradiació, ja que la formació de l’isòmer tancat de 4 evita que tingui lloc la reacció inversa 4o → 3o i augmenta així la conversió del procés de cicloaddició [15].

62

Finalment, els efectes electrònics causats en els anells de l’estructura de DTE i DAE en fotoisomeritzar aquests compostos

Revista Quimica 17.indd 62

també es poden utilitzar per a modular altres tipus de reaccions amb llum. Aquest és el cas de l’exemple que es mostra a la figura 5, en què el compost 5o presenta un anell central d’imidazoli. En fotoisomeritzar l’interruptor molecular i modificar-se la distribució electrònica del seu anell central, aquest perd el seu caràcter aromàtic i es transforma en un sistema imidazolini molt més reactiu sobre el qual, per exemple, es pot afegir un nucleòfil feble, com el metanol [16].

Estratègies basades en efectes estèrics Tal com s’ha comentat, la majoria de les estratègies de fotomodulació de la reactivitat basades en els efectes estèrics causats en irradiar interruptors moleculars fotoinduïts fan ús dels canvis geomètrics produïts en la fotoisomerització E/Z d’azobenzens, estilbens o altres sistemes amb dobles enllaços.

Tot i així, també s’han descrit alguns exemples amb altres tipus d’interruptors moleculars, com per exemple els DTE [17].

07/01/2019 16:01:03

Figura 4. a) Fotomodulació de la reacció de Diels-Alder entre els diens i/o dienòfils presents en interruptors de tipus DAE. b) Control òptic de la reacció de Diels-Alder entre el grup furà d’un diariletè i la maleïmida [15].

En qualsevol d’aquests casos, el control òptic de la reactivitat per efectes estèrics s’acostuma a aconseguir de dues maneres diferents: a) apropant els llocs reactius situats en diverses parts de l’interruptor per a permetre, accelerar o afavorir la reacció corresponent (figura 6a), i b) bloquejant per mitjà d’impediments estèrics l’accés a un grup reactiu enllaçat a l’interruptor molecular (figura 6b).

Com a exemple de la primera d’aquestes estratègies, Leigh et al. van dissenyar un sistema fotoactiu que permet modificar la regioselectivitat d’una reacció de formació de ponts disulfur [18]. Tal com es mostra a la figura 7, aquest sistema consta de: a) un interruptor molecular de tipus estilbè, b) dos grups disulfur en posicions diferents de la seva estructura que poden bescanviar-se entre si en el medi de reacció i donar lloc a l’equilibri entre els isòmers constitucionals 7 i 8. En aquests compostos, un dels ponts disulfur dona lloc a una estructura macrocíclica que uneix un dels grups aril del fotocrom d’estilbè amb dues parts diferents de la molècula: un anell fenílic lateral en el cas de 7 i l’altre grup aril estilbènic a 8. En conseqüència, l’equilibri entre 7 i 8 es pot controlar modulant la

Revista Quimica 17.indd 63

Figura 5. Modulació de la reactivitat d’addició nucleòfila sobre un àtom de carboni electròfil a través de la transformació per fotoisomerització del catió imidazoli a imidazolini [16].

63

07/01/2019 16:01:03

Figura 6. Esquema de les estratègies basades en efectes estèrics per a assolir la fotomodulació de la reactivitat química: a) mitjançant l’apropament dels llocs reactius en fotoisomeritzar l’interruptor molecular; b) impedint estèricament l’accés al lloc reactiu en fotoisomeritzar l’interruptor molecular.

distància entre els diversos grups que han de donar lloc al corresponent enllaç disulfur intramolecular. Així, quan la unitat d’estilbè es troba en configuració E, la geometria molecular que pren el sistema afavoreix la formació del pont disulfur intramolecular de E-7, que es troba en una proporció superior a 95:5 respecte de E-8 en l’estat d’equilibri. En canvi, la foto­ isomerització E→Z de l’interruptor estilbènic varia la distància entre els grups reactius i afavoreix la formació del pont disulfur intramolecular de Z-8, de manera que es desplaça l’equilibri d’isomeria constitucional entre Z-7 i Z-8.

64

Revista Quimica 17.indd 64

Pel que fa referència a la fotomodulació per efectes d’impediment estèric, aquest comportament s’observa en l’exemple de la figura 8 descrit per Hecht et al. [19]. Es tracta d’un compost format per dues unitats diferents: a) una unitat d’azobenzè fotoisomeritzable, un dels anells arílics de la qual presenta dos grups de tipus tert-butil, i b) una unitat d’N-metilpiperidina enllaçada a l’altre anell aromàtic del grup azobenzè. Mentre que a l’isòmer E de 9 l’amina està envoltada de grups voluminosos que fan que sigui poc accessible degut a efectes estèrics, aquesta situació varia en formar l’estat Z del com-

Figura 7. Modulació de la regioselectivitat en la formació d’un pont disulfur intramolecular per mitjà de la fotoisomerització E/Z d’un fotocrom d’estilbè, que varia la distància entre els grups reactius i afavoreix l’obtenció preferencial dels isòmers E-7 i Z-8 [18]. La interconversió entre els isòmers constitucionals 7 i 8 s’afavoreix per la presència d’una base (DBU) i un tiol lliure (DTT) al medi.

07/01/2019 16:01:04

Figura 8. Modulació de la basicitat d’un grup N-metilpiperidina per mitjà del canvi en impediment estèric causat en fotoisomeritzar entre les configuracions E i Z d’un fotocrom d’azobenzè [19].

post per fotoisomerització, la qual cosa n’augmenta la reactivitat. En concret, es va observar que la basicitat de l’N-metilpiperidina augmentava gairebé un ordre de magnitud en irradiar E-9 (ΔpKb = –0,8).

Fotomodulació de la reactivitat: rol de l’interruptor molecular En la majoria dels exemples descrits fins al moment, la fotomodulació de la reactivitat s’indueix sobre el reactiu del procés; és a dir, són les molècules de reactiu les que incorporen un fragment d’interruptor molecular fotoinduït en la seva estructura i les que, en funció de quin sigui l’estat en què es troba aquest interruptor, reaccionen amb més o menys eficiència. Aquest és, però, només un dels rols que pot tenir l’interruptor molecular en el procés de fotomodulació. Tal com es mostra a la figura 9, el control òptic d’una reacció química també es pot aconseguir mitjançant altres estratègies: a) induint el pas d’un estat a l’altre de l’interruptor a la molècula

de productes, la qual cosa pot permetre desplaçar l’equilibri termodinàmic assolit a la reacció, i b) introduint l’interruptor molecular al catalitzador de la reacció, de manera que la seva activitat sigui modulada per irradiació amb llum.

De fet, un exemple de control òptic de l’equilibri d’una reacció en fotocommutar les molècules de producte s’ha mostrat a la figura 4 de l’apartat anterior. Un cas similar va ser descrit per Branda et al., que, amb aquest objectiu, van sintetitzar el compost 10 de la figura 10 [20]. Aquest compost no té el comportament fotoquímic típic dels DTE, ja que no presenta un doble enllaç endocíclic que uneixi els seus dos anells de tiofè. En canvi, aquest comportament canvia en convertir-se en el producte 11o per reacció de Diels-Alder amb el 2,3-diciano­ fumarat de dietil, el qual sí que es pot fotoisomeritzar a l’estat tancat 11c corresponent. Donat que l’isòmer tancat no pot patir la reacció de retro-Diels Alder degut al canvi de distribució electrònica que es produeix en el cicloadducte, això permet desplaçar l’equilibri del procés 10 → 11o de manera irreversible.

Figura 9. Esquema dels possibles rols de l’interruptor molecular fotoinduït a l’hora de permetre el control òptic de reaccions químiques: a) com a reactiu, b) com a producte, i c) com a catalitzador.

Revista Quimica 17.indd 65

65

07/01/2019 16:01:04

Figura 10. Desplaçament de l’equilibri de la reacció de Diels-Alder entre 10 i el 2,3-dicianofumarat de dietil per mitjà de la fotoisomerització del compost 11o format [20].

Catalitzadors fotomodulables En comparació amb els casos en què l’interruptor molecular fotoinduït es troba incorporat a l’estructura de les molècules de reactius i/o productes, la preparació de catalitzadors fotomodulables per a assolir el control òptic de la reactivitat presenta diversos avantatges. En primer lloc, facilita la generalització del procés de fotomodulació a múltiples substrats diferents, ja que únicament les molècules de catalitzador s’han de modificar per a contenir unitats fotosensibles. Per una altra banda, i en la mesura que s’utilitzen quantitats subestequiomètriques de catalitzador i aquest es pot reciclar, això permet rendibilitzar l’esforç de síntesi necessari per a preparar els corresponents interruptors moleculars fotoinduïts [4].

66

A l’hora de dissenyar catalitzadors fotomodulables, s’han proposat diverses estratègies, en què els interruptors moleculars desenvolupen rols diferents. En el cas més senzill, l’interruptor molecular mateix presenta activitat catalítica, i aquesta varia en interconvertir-se entre els seus dos estats.

Aquest és el cas del derivat de DTE 12 dissenyat per Branda et al. per tal d’emular el paper del fosfat de piridoxal (PLP), un cofactor que participa en reaccions de transaminació mitjançant la formació reversible de bases de Schiff amb el seu grup aldehid (figura 11a) [21]. En el cas de 12, l’electrofília del grup aldehid i, per tant, la seva reactivitat amb amines es pot incrementar en passar de l’isòmer obert al tancat, ja que només en aquest darrer estat es troba en comunicació electrònica amb un grup acceptor d’electrons de 4-metilpiridini.

Per tal de demostrar l’activitat catalítica fotomodulable d’aquest compost, se’n va avaluar la capacitat per a induir la deuterització i la racemització d’l-alanina en aigua deuterada, que requereix la formació i la posterior dissociació de la corresponent base de Schiff amb l’aldehid de 12. Com es pot observar a la figura 11b, només el compost 12t va presentar

Revista Quimica 17.indd 66

activitat catalítica en aquesta reacció degut a la major electrofília del seu grup aldehid, de manera que l’evolució del procés es va poder modular en irradiar amb llum de longitud d’ona adient [21].

Una altra opció és utilitzar els interruptors moleculars fotoinduïts per a variar la geometria del catalitzador; d’aquesta manera, es modula l’accés del substrat i/o la seva interacció amb el catalitzador. Aquest és el cas del catalitzador 13 descrit per Mandolini et al., un complex dinuclear de bis-èter corona i ions bari capaç de catalitzar de manera eficient la reacció d’etanòlisi d’anilides que presenten un grup carboxilat en posició para de l’anell aromàtic (figura 12a) [22]. Aquesta activitat catalítica es veu afavorida per l’aparició d’efectes cooperatius en la interacció supramolecular entre el complex i el substrat, ja que aquest es pot coordinar amb tots dos ions metàl·lics del catalitzador a través dels seus grups amida i carboxilat. Això, però, requereix que aquests ions es trobin en una disposició espacial idònia que sigui complementària a la geometria de la molècula d’anilida, la qual pot ser modulada en fotoisomeritzar la unitat d’azobenzè que uneix entre si els dos grups èter corona. En conseqüència, els efectes cooperatius només es produeixen en l’isòmer Z de 13, per al qual s’afavoreix la interacció catalitzador-anilida i s’accelera la reacció d’etanòlisi del substrat, tal com es mostra a la figura 12b [22].

Finalment, els interruptors moleculars fotoinduïts poden utilitzar-se per a dissociar reversiblement l’estructura del catalitzador; d’aquesta manera, se’n modula l’activitat. Aquest concepte va ser demostrat per Rebek et al. per a la reacció de Knoevenagel entre malononitril i pentafluorobenzaldehid, que està catalitzada de manera molt eficient pel complex supramolecular entre l’ió piperidini i el cavitand 14 (figura 13) [23].

En fotoisomeritzar el grup lateral d’azobenzè que presenta el

07/01/2019 16:01:04

Figura 11. a) Fotomodulació de la reactivitat del derivat de DTE 12, l’electrofília del grup aldehid del qual es pot modular en interconvertir entre els seus isòmers obert i tancat. Aquest comportament es pot utilitzar per a fotomodular la reacció de deuterització i racemització de l’l-alanina catalitzada per 12. b) Conversió de la reacció de deuterització i racemització de l’l-alanina sense catalitzador i utilitzant com a catalitzador els compostos 12o i 12t. c) Conversió de la reacció de deuterització i racemització de l’l-alanina utilitzant 12 com a catalitzador i irradiant amb llum UV i visible per a isomeritzar entre els seus estats obert i tancat. (Adaptat de [21] amb permís. Copyright © 2012, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.)

cavitand, aquest complex es dissocia i la velocitat de la reacció de condensació disminueix significativament, perquè és catalitzada únicament pels ions piridini lliures en solució [23].

Aplicacions de la fotomodulació de la reactivitat amb interruptors moleculars El control òptic de la reactivitat química mitjançant l’ús d’interruptors moleculars fotoinduïts ha estat utilitzat en múltiples aplicacions, com ara en els exemples de catàlisi esmentats en l’apartat anterior o en altres camps, com la ciència de materials i la biologia.

Per exemple, la fotomodulació de reaccions químiques s’ha proposat com una via per a aconseguir l’autoreparació de materials polimèrics. Aquest és el cas del sistema desenvolupat

Revista Quimica 17.indd 67

per Hecht et al. per a assolir la reparació amb llum de polisiloxans funcionalitzats amb grups laterals de tipus amina (figura 14) [24]. Amb aquest objectiu, van incorporar-hi un derivat de DTE que presentava un grup aldehid als seus dos anells de tiofè, de manera que podia actuar com a agent entrecreuant de les cadenes polimèriques en formar els corresponents enllaços imina. No obstant, a les condicions en què es va preparar el material, es va afavorir la formació d’un únic enllaç imina, de forma que els fotocroms de DTE es trobaven inicialment en el seu isòmer obert i units a les cadenes polimèriques tan sols a través d’un dels seus grups aldehid (figura 14a). Ara bé, degut al fet que l’electrofília de l’altre grup aldehid lliure augmentava significativament en passar a l’estat tancat de l’interruptor molecular i entrar en comunicació electrònica amb el grup acceptor d’electrons imina present a l’altre extrem de la molècula, la reactivitat del sistema es podria incrementar sota irradiació i afavorir d’aquesta manera l’entrecreuament de les cadenes polimèriques. Aquest comportament es va aplicar a la fotoreparació d’esquerdes. Tal com es mostra a la figura 14b, es va observar que aquest fenomen es produïa a molta més

67

07/01/2019 16:01:05

Figura 12. a) La fotoisomerització del grup azobenzè de 13 modula la seva interacció supramolecular amb anilides d’N-(4-carboxilat)fenil, la qual cosa afavoreix la catàlisi de la reacció d’etanòlisi d’aquest tipus de substrats. b) Fotomodulació de la velocitat de reacció d’etanòlisi de la difluoroacetanilida d’N-(4-carboxilat)fenil-N-metil utilitzant 13 com a catalitzador i llum UV i visible per a fotoisomeritzar entre els estats E (línies vermelles) i Z (línies blaves) del sistema. Amb traç gruixut es mostra el progrés de la reacció mesurat mitjançant l’absorbància a 298 nm i amb traç més fi es representa la variació de la constant de velocitat aparent de la reacció. (Reproduït de [22] amb permís. Copyright © 2003, American Chemical Society.)

68

Revista Quimica 17.indd 68

Figura 13. Dissociació del complex supramolecular format entre ions piperidini i el cavitand 14 en fotoisomeritzar el seu grup azobenzènic.

L’activitat catalítica d’aquest complex per a la reacció de Knoevenagel entre el malononitril i el pentafluorobenzaldehid és molt superior a la dels ions piperidini lliures en solució [23].

07/01/2019 16:01:05

Aquesta reacció d’addició, però, depèn de la distància entre els grups alquè i tiol, la qual es pot variar interconvertirt entre les configuracions E i Z de l’aminoàcid fotoisomeritzable, tal com es mostra a la figura 15b. En concret, quan 15 es va incorporar a l’estructura de l’hormona urocortina-1, la reacció tiol-è es va poder induir de forma selectiva sota irradiació UV afavorint la formació de l’isòmer Z de l’interruptor d’azobenzè, la qual cosa va generar una modificació de l’estructura de la proteïna, que, al seu torn, va modificar-ne l’activitat biològica [25].

Fotomodulació de la captura i l’emmagatzematge de CO2

Figura 14. a) Representació esquemàtica del procés d’autoreparació de polisiloxans funcionalitzats amb grups laterals amina promogut per l’addició de DTE bis-formilats que poden actuar com a agents entrecreuadors per formació dels corresponents enllaços imina. Aquest procés està afavorit per a l’estat tancat de l’interruptor, ja que el canvi de comunicació electrònica induït en fotoisomeritzar augmenta l’electrofília del grup aldehid lliure. b) Comparació de la velocitat del procés d’autoreparació del material polimèric a les fosques (i. e., per a l’estat obert del DTE, a la dreta) i sota irradiació UV (i. e., per a l’estat tancat del DTE, a l’esquerra) [24]. (Reproduït de [24] amb permís. Copyright © 2016, Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.)

velocitat en aquelles zones del material irradiades amb radiació UV, a les quals es va induir la formació de l’estat tancat del DTE que presentava major tendència cap a la formació d’enllaços imina que entrecreuessin les cadenes polimèriques [24].

Finalment, la fotomodulació de la reactivitat química (i de les interaccions supramoleculars) s’està utilitzant àmpliament en el camp de la biologia i de la medicina per a aconseguir el control òptic de sistemes biològics amb llum. Aquest és el cas de l’exemple de la figura 15, desenvolupat per Beyermann et al., que van desenvolupar l’aminoàcid fotoisomeritzable 15 per a modular reaccions click de tipus tiol-è [25]. Aquest aminoàcid presenta un fotocrom d’azobenzè funcionalitzat amb un grup vinil terminal (figura 15a), el qual pot ser incorporat a la seqüència peptídica de proteïnes i reaccionar amb grups tiol de residus de cisteïna veïns.

Revista Quimica 17.indd 69

Al nostre grup de recerca estem explorant l’aplicació del control òptic de la reactivitat amb interruptors moleculars fotoinduïts al camp de la captura i l’emmagatzematge de diòxid de carboni, una tecnologia de vital importància per a la reducció de les emissions d’aquest gas d’efecte d’hivernacle a nivell industrial [26]. El nostre objectiu és desenvolupar una estratègia més sostenible per al reciclatge del material absorbent de CO2, que avui en dia es fa tèrmicament escalfant a altes temperatures, la qual cosa implica un cost energètic elevat i en dificulta la implementació [26]. Per a superar aquest inconvenient, s’ha proposat l’ús de materials fotosensibles capaços d’absorbir i alliberar CO2 sota irradiació amb llum [27].

Per tal d’implementar aquesta estratègia a nivell molecular, actualment estem desenvolupant compostos fotoisomeritzables integrats per: a) un grup terminal de tipus fenolat, amb gran capacitat de quimioadsorció de CO2 mitjançant una reac­ció d’addició nucleòfila [28]; b) un grup atractor d’electrons capaç de disminuir la nucleofília del lligand fenolat i, per tant, la seva afinitat pel CO2, i c) un fotocrom de DTE que faci d’unió entre aquests grups i que només els comuniqui electrònicament en l’estat tancat (figura 16). D’aquesta manera, quan el sistema es trobi en el seu isòmer obert, la reactivitat del grup fenolat seria elevada i hauria d’absorbir CO2 amb elevada eficiència. En canvi, en generar l’isòmer tancat de l’interruptor, la nucleofília i, en conseqüència, la seva capacitat d’absorció haurien de disminuir significativament (figura 16) [29].

69

07/01/2019 16:01:06

Figura 15. a) Estructura de l’aminoàcid fotoisomeritzable 15, que incorpora un interruptor molecular d’azobenzè funcionalitzat amb un grup vinil terminal. b) Representació esquemàtica de la fotomodulació de l’estructura d’una cadena polipeptídica en introduir 15 a prop d’un residu de cisteïna i induir la corresponent reacció d’addició tiol-è en generar l’isòmer Z de l’aminoàcid sota irradiació. En aplicar aquesta estratègia en condicions fisiològiques, es va observar que el producte d’addició tiol-è s’oxidava per a generar el corresponent sulfòxid [25].

Figura 16. Sistema proposat pel nostre grup de recerca per a la captura i l’emmagatzematge reversible de CO2 per mitjà de la llum.

Conclusions

70

L’ús dels interruptors moleculars fotoinduïts en el camp de la modulació de la reactivitat amb llum ha obert un ampli ventall de possibilitats tant en la capacitat de controlar quan, on i a quina velocitat es produeixen el processos químics com en la de modificar els equilibris termodinàmics que s’assoleixen en aquests processos. La gran varietat d’interruptors molecu-

Revista Quimica 17.indd 70

lars coneguts ha donat lloc a múltiples i diverses estratègies per a assolir aquests objectius, ja sigui explotant els canvis geomètrics o electrònics que es produeixen en aquests sistemes en ser irradiats. A més a més, aquestes estratègies es poden aplicar tant als reactius i als productes de les reaccions d’interès com als corresponents catalitzadors. Per tots aquests motius, s’estan proposant aplicacions de la fotomodulació de la reactivitat química amb interruptors moleculars en camps

07/01/2019 16:01:06

molt diversos, que van de la catàlisi a la ciència de materials i la biologia. Una d’aquestes aplicacions s’està explorant en el nostre grup de recerca i consisteix en el desenvolupament de materials fotosensibles per a la captura i l’emmagatzematge reversible de CO2.

Agraïments La recerca del nostre grup en el camp de la modulació de la reactivitat amb interruptors moleculars fotoinduïts està finançada pel Ministeri d’Economia i Competitivitat (projecte CTQ2015-65439-R) i pel Ministeri d’Educació, Cultura i Esports (beca predoctoral FPU de Marc Villabona).

Referències [1] a) Asadirad, A. M.; Boutault, S.; Erno, Z.; Branda, N. R. «Controlling a polymer adhesive using light and a molecular switch». J. Am. Chem. Soc., vol. 136 (2014), p. 3024-3027; b) Fuhrmann, A.; Göstl, R.; Wendt, R.; Kötteritzsch, J.; Hager, M. D.; Schubert, U. S.; Brademann-Jock, K.; Thünemann, A. F.; Nöchel, U.; Behl, M.; Hecht, S. «Conditional repair by locally switching the thermal healing capability of dynamic covalent polymers with light». Nature Commun., vol. 7 (2016), p. 13263.

[2] a) Beharry, A. A.; Woolley, G. A. «Azobenzene photo­ switches for biomolecules». Chem. Soc. Rev., vol. 40 (2011), p. 4422-4437; b) Szymański, W.; Beierle, J. M.; Kistemaker, H. V. A.; Velema, W. A.; Feringa, B. L. «Reversible photocontrol of biological systems by the incorporation of molecular photoswitches».

Chem. Rev., vol. 113 (2013), p. 6114-6178; c) Fehrentz, T.; Schönberger, M.; Trauner, D. «Optochemical genetics». Angew.

Chem. Int. Ed., vol. 50 (2011), p. 12156-12182.

[3] Lemieux, V.; Branda, N. R. «Reactivity-gated photochromism of 1,2-dithienylethenes for potential use in dosimetry applications». Org. Lett., vol. 7 (2005), p. 2969-2972.

[4] a) Neilson, B. M.; Bielawski, H. W. «Illuminating photo­ switchable catalysis». ACS Catal., vol. 3 (2013), p. 1874-1885; b) Blanco, V.; Leigh, D. A.; Marcos, V. «Artificial switchable catalysts». Chem. Soc. Rev., vol. 44 (2015), p. 5341-5370; c) Imahori, T.; Kurihara, S. «Stimuli-responsive cooperative catalysts based on dynamic conformational changes toward spatiotemporal control of chemical reactions». Chem. Lett., vol. 43 (2014), p. 1524-1531; d) Stoll, R. S.; Hecht, S. «Artificial

Revista Quimica 17.indd 71

light-gated catalyst systems». Angew. Chem. Int. Ed., vol. 49 (2010), p. 5054-5075.

[5] Silva, A. D. P.; McClenaghan, N. D. «Molecular-scale logic gates». Chem. Eur. J., vol. 10 (2004), p. 574-586.

[6] a) Hla, S. W.; Bartels, L.; Meyer, G.; Reider, K. H. «Inducing all steps of a chemical reaction with the scanning tunneling microscope tip: towards single molecule engineering». Phys.

Rev., vol. 13 (2000), p. 2777-2780; b) Ho, W. «Single-molecule chemistry». J. Chem. Phys., vol. 24 (2002), p. 11033-11060.

[7] Göstl, R.; Senf, A.; Hecht, S. «Remote-controlling chemical reactions by light: towards chemistry with high spatio-temporal resolution». Chem. Soc. Rev., vol. 43 (2014), p. 1982-1996.

[8] Kathan, M.; Hecht, S. «Photoswitchable molecules as key ingredients to drive systems away from the global thermodynamic minimum». Chem. Soc. Rev., vol. 46 (2017), p. 55365550.

[9] Fodor, S. A. P.; Read, J. L.; Pirrung, M. C.; Stryer, L.; Lu, A. T.; Solas, D. «Light-directed, spatially addressable parallel chemical synthesis». Science, vol. 251 (1991), p. 767-773.

[10] Feringa, B. L.; Browne, W. R. Molecular switches. Vol. 1.

2a ed. Weinheim: Wiley-VCH, 2011.

[11] Klajn, R. «Spiropyran-based dynamic materials». Chem.

Soc. Rev., vol. 43 (2014), p. 148-184.

[12] Irie, M.; Fukaminato, T.; Matsuda, K.; Kobatake, S. «Photo­ chromism of diarylethene molecules and crystals: memories, switches, and actuators». Chem. Rev., vol. 114 (2014). p. 12174-12277.

[13] Waldeck, D. H.«Photoisomerization dynamics of stilbenes». Chem. Rev., vol. 91 (1991), p. 415-436.

[14] Samachetty, H. D.; Lemieux, V.; Branda, N. R. «Modulating chemical reactivity using a photoresponsive molecular switch». Tetrahedron, vol. 64 (2008), p. 8292-8300.

[15] Göstl, R.; Hecht, S. «Controlling covalent connection and disconnection with light». Angew. Chem. Int. Ed., vol. 53 (2014), p. 8784-8787.

[16] Nakashima, T.; Goto, M.; Kawai, S.; Kawai, T. «Photomodulation of ionic interaction and reactivity: reversible photoconversion between imidazolium and imidazolinium». J. Am. Chem. Soc., vol. 130 (2008), p. 14570-14575.

[17] Sud, D.; Norsten, T. B.; Branda, N. R. «Photoswitching of stereoselectivity in catalysis using a copper dithienylethene complex». Angew. Chem. Int. Ed., vol. 44 (2005), p. 2019-2021.

[18] Barrel, M. J.; Campaña, A. G.; Delius, M. V.; Geertsema, E. M.; Leigh, D. A. «Light-driven transport of a molecular walker in either direction along a molecular track». Angew. Chem. Int. Ed., vol. 50 (2011), p. 285-290.

71

07/01/2019 16:01:06

[19] Peters, M. V.; Stoll, R. S.; Kuhn, A.; Hecht, S. «Photo­ switching basicity». Angew. Chem. Int. Ed., vol. 47 (2008), p. 5968-5972.

[20] Lemieux, V.; Gauthier, S.; Branda, N. R. «Selective and sequential P hotorelease using molecular switches». Angew.

Chem. Int. Ed., vol. 45 (2006), p. 6820-6824.

[21] Wilson, D.; Branda, N. R. «Turning “on” and “off” a pyri­ doxal 5’-phosphate mimic using light». Angew. Chem. Int. Ed., vol. 51 (2012), p. 5431-5434.

[22] Cacciapaglia, R.; Di Stefano, S.; Mandoliniilson, L. «The bis-barium complex of a butterfly crown ether as a photo­ tunable supramolecular catalyst». J. Am. Chem. Soc., vol. 125 (2003), p. 2224-2227.

[23] Berryman, O. B.; Sather, A. C.; Lledó, A.; Rebek Jr., J. «Switchable catalysis with a light-responsive cavitand».

Angew. Chem. Int. Ed., vol. 50 (2011), p. 9400-9403.

[24] Kathan, M.; Kovaříček, P.; Jurissek, C.; Senf, A.; Dallmann, A.; Thgnemann, A. F.; Hecht, S. «Control of imine exchange kinetics with photoswitches to modulate self-healing in polysiloxane networks by light illumination». Angew. Chem. Int. Ed., vol. 55 (2016), p. 13882-13886.

[25] Hoppmann, C.; Schmieder, P.; Heinrich, N.; Beyermann, M. «Photoswitchable click amino acids: light control of conformation and bioactivity». ChemBioChem., vol. 12 (2011), p. 2555-2559.

[26] Rochelle, G. T. «Amine scrubbing for CO2 capture». Sci­ ence, vol. 325 (2009), p. 1652-1654.

[27] a) Park, J.; Yuan, D.; Pham, K. T.; Li, J. R.; Yakovenko, A.; Zhou, H. C. «Reversible alteration of CO2 adsorption upon photochemical or thermal treatment in a metal-organic frame­ work». J. Am. Chem. Soc., vol. 134 (2012), p. 99-102, b) Lyndon, R.; Konstas, K.; Ladewig, B. P.; Southon, P. D.; Kepert, C. J.; Hill, M. R. «Dynamic photo-switching in metal-organic frameworks as a route to low-energy carbon dioxide capture and release».

Angew. Chem. Int. Ed., vol. 52 (2013), p. 3695-3698.

[28] Wang, C.; Luo, H.; Li, H.; Zhu, X.; Yu, B.; Dai, S. «Tuning the physicochemical properties of diverse phenolic ionic liquids for equimolar CO2 capture by the substituent on the anion».

Chem. Eur. J., vol. 18 (2012), p. 2253-2260.

[29] Villabona, M. New molecular photoswitches for light-­ controlled CO2 capture and detection. Treball de final de màster. Bellaterra: Universitat Autònoma de Barcelona, 2016.

72

Revista Quimica 17.indd 72

07/01/2019 16:01:06

M. Villabona

G. Guirado

J. Hernando

Marc Villabona és graduat en química (2015) per la Universitat Autònoma de Barcelona, on també va obtenir el títol de Màster en Química Industrial i Introducció a la Recerca Química (2016). En l’actualitat està fent la tesi doctoral en el camp dels interruptors moleculars a la mateixa universitat.

Gonzalo Guirado es va llicenciar en química per la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) el 1996, on va realitzar els estudis de doctorat dins del camp de l’electroquímica molecular. Posteriorment, va realitzar estades postdoctorals a la Universitat de Rochester (Estats Units) i al Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Études Structurales (CEMES) del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) de Tolosa (França), abans de reincorporar-se a la UAB l’any 2005. Actualment, és professor titular de química física a la UAB, on investiga el disseny de nous processos químics i dispositius electrocròmics respectuosos amb el medi ambient a partir de l’ús de tecnologies netes (electroquímica) i dissolvents verds (líquids iònics).

Jordi Hernando és llicenciat en química per la Universitat de Barcelona, on va realitzar la tesi doctoral en el camp de la cinètica i la dinàmica de reaccions químiques (2000). Després d’una estada postdoctoral a la Universitat de Twente (Països Baixos), es va incorporar al Departament de Química de la Universitat Autònoma de Barcelona com a investigador Ramón y Cajal (2004). Actualment, és professor agregat d’aquesta universitat i la seva activitat de recerca se centra en la síntesi de molècules i materials fotoactius i la seva caracterització a nivell macro- i nanoscòpic.

73

Revista Quimica 17.indd 73

07/01/2019 16:01:07

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 74-85 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.98 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Estudi del comportament de les nanopartícules de plata en sòls agrícoles Study of the behavior of silver nanoparticles in agricultural soils Laura Torrent,1 Mònica Iglesias,1 Francisco Laborda,2 Eva Marguí,1 Manuela Hidalgo1 1 Universitat de Girona. Departament de Química. Grup de Química Analítica i Ambiental 2 Universitat de Saragossa. Institut Universitari d’Investigació en Ciències Ambientals d’Aragó. Grup d’Espectroscòpia Analítica i Sensors

Resum: En aquest treball, s’han dut a terme estudis d’adsorció en discontinu i tests de lixiviació per a entendre els processos d’adsorció/desorció de les nanopartícules de plata (AgNP) en els sòls. S’ha observat que les AgNP presenten una retenció ràpida i una mobilitat baixa en els sòls i tenen un paper important la capacitat d’intercanvi catiònic i la conductivitat elèctrica del sòl, així com la càrrega superficial i la mida de les AgNP. Tres setmanes després d’estar en contacte amb el sòl, la majoria de les AgNP mantenen la seva nanoforma. L’aplicació de l’extracció en punt de núvol (cloud-point extraction) permet caracteritzar acuradament les AgNP en mostres que contenen plata iònica.

Paraules clau: Nanopartícules de plata, sòls, cinètiques d’adsorció, tests de lixiviació, extracció en punt de núvol, espectrometria de masses amb plasma d’acoblament inductiu.

Abstract: In this paper, batch adsorption studies and leaching tests have been performed to understand silver nanoparticle (AgNP) adsorption/desorption processes in soils. AgNPs show fast retention and low mobility in soils, with an important role being played by the cation exchange capacity and electrical conductivity of soils as well as by the surface charge and size of AgNPs. After three weeks of contact with soils, most AgNPs retain their nanoform. The application of cloud-point extraction allows an accurate AgNP characterization in samples containing ionic silver.

Keywords: Silver nanoparticles, soils, adsorption kinetics, leaching tests, cloud-point extraction, inductively coupled plasma mass spectrometry.

Introducció

L

es nanopartícules, segons l’ISO/TS 27687, són nanoobjectes amb les tres dimensions en el rang nanomètric (< 100 nm). Degut a la seva petita mida, la fracció d’àtoms a la superfície d’una nanopartícula és abundant, fet que li dona unes propietats fisicoquímiques (elèctriques, magnètiques, òptiques i mecàniques) úniques. Aquestes característiques de superfície especials que presenten han provocat que el seu ús en la indústria i en la vida quotidiana hagi augmentat dràsticament en els darrers anys, especialment en el cas de les nanopartícules de plata (AgNP), a causa de les seves propietats antibacterianes [1-3]. Com a conseqüència de les múltiples aplicacions que tenen, aquestes partícules es poden trobar en productes de consum (roba, cosmètics, higiene personal, electrodomèstics, joguines, recipients d’ús alimentari, etc.), productes mèdics i biomèdics (catèters,

74

Correspondència: Laura Torrent Universitat de Girona. Departament de Química. Grup de Química Analítica i Ambiental C. de Maria Aurèlia Capmany, 69. 17003 Girona Tel.: +34 972 418 271 A/e: laura.torrent@udg.edu

Revista Quimica 17.indd 74

sistemes d’infusió, tèxtils, sensors, detectors, etc.) i productes agrícoles (pesticides i nanosensors per a detectar patògens) [4-6]. Aquesta expansió en la seva producció incrementa les possibilitats que aquestes partícules arribin al medi ambient (l’aire, l’aigua i/o el sòl) de forma directa (aplicació de fangs de depuradora i/o pesticides als sòls agrícoles) o indirecta (abocadors, plantes incineradores i efluents de depuradora) [7]. El destí principal d’aquests contaminants emergents és el sòl, perquè s’espera un augment d’1,2 ng · kg–1/any, i de 110 ng · kg–1/any quan aquest és tractat amb fangs de depuradora [8]. Els sòls representen un medi complex, ja que estan formats per una part porosa (aigua i aire), en què les partícules disperses es mouen o s’estabilitzen en la solució del sòl, i una part sòlida (matèria orgànica i minerals), en què les partícules interaccionen amb els seus components. Aquesta complexitat dificulta la comprensió de les interaccions biòtiques i/o abiòtiques que es poden donar entre el sòl i les AgNP. Aquestes interaccions són les causes principals de les transformacions que poden patir aquests contaminants emergents en el medi, de manera que se’n modifica la mobilitat, el transport i la biodisponibilitat. Les interaccions abiòtiques estan basades majoritàriament en transformacions fisicoquímiques, les quals donen lloc a processos d’agregació/aglomeració, dissolució a

07/01/2019 16:01:07

ions metàl·lics o deposició en les superfícies de les partícules del sòl. L’agregació i l’aglomeració es veuen afectades per forces físiques del medi, com ara les forces de Van der Waals, les interaccions electroestàtiques i el moviment brownià. La dissolució depèn de diversos fenòmens, com les reaccions químiques degudes a la presència d’oxigen, clor o enzims, o també de les condicions termodinàmiques/cinètiques favorables que tendeixen a desintegrar les nanopartícules en els seus àtoms constituents. La deposició té lloc quan les partícules són retingudes en una superfície sòlida o quan es produeix la formació d’agregats (homo-/heteroagregació) i/o d’aglomerats. Aquests processos de transformació que poden patir les AgNP en el sòl es veuen afectats principalment per les propietats de les nanopartícules (mida, forma, superfície, estat d’aglomeració, cristal·linitat, potencial redox, activitat catalítica, càrrega superficial i porositat) i per les característiques del sòl (pH, contingut de matèria orgànica, força iònica, potencial Z i textura) [4, 9-12]. Per tant, hi ha molts factors que contribueixen a la mobilitat, el transport i la biodisponibilitat de les AgNP en els sòls. A més, quan aquestes partícules pateixen un procés de dissolució, donen lloc a la coexistència de dues espècies químiques: AgNP i plata dissolta (Ag(I)); aquesta última està directament relacionada amb la toxicitat de les AgNP i genera un risc per als organismes presents en el medi [13]. Per aquest motiu, és important entendre el comportament de les AgNP en medis tan complexos com són els sòls, la qual cosa suposa un repte analític des del punt de vista del desenvolupament i la selecció de les metodologies analítiques adequades.

Per a entendre la mobilitat dels contaminants en el medi, se solen dur a terme experiments en discontinu (batch) o experiments en columna que estudien la interacció d’aquests amb els sòls. Els primers estan dissenyats per a examinar els equilibris termodinàmics i ens permeten obtenir informació sobre la interacció dels contaminants amb els components del sòl [14, 15]. Segons diversos articles, les dispersions de nanopartícules metàl·liques, a diferència dels metalls en solució, són inestables i el seu comportament no es pot considerar com un procés d’equilibri. Tot i això, encara es considera que els estudis en discontinu ens poden donar informació valuosa sobre la cinètica d’adsorció/desorció de les nanopartícules en el sòl [16, 17]. En canvi, els experiments en columna simulen d’una manera més realista els processos de retenció i transport dels contaminants en el sòl, però un dels inconvenients que presenten aquests estudis és que requereixen més temps que els estudis en discontinu [14, 18, 19].

Revista Quimica 17.indd 75

D’altra banda, en la bibliografia existent hi ha poca informació sobre la desorció de les AgNP de les partícules del sòl a la fase líquida [15, 20]. Per a estudiar la desorció dels contaminants del sòl, se solen emprar tests de lixiviació (procediments d’extracció simple), que són acceptats com a eines analítiques pels organismes legisladors nacionals i internacionals. L’aplicació d’aquests tests a sòls contaminats permet predir la mobilitat dels contaminants en els sòls i la seva possible transferència a les plantes o la seva migració a un perfil del sòl que estigui connectat amb les aigües subterrànies [21, 22].

Els experiments de mobilitat de les AgNP en els sòls se solen combinar amb tècniques d’espectrometria atòmica, entre les quals es troben l’espectrometria d’emissió òptica per plasma d’acoblament inductiu (ICP-OES) [15, 23, 24], l’espectrometria de masses per plasma d’acoblament inductiu (ICP-MS) [15, 25, 26] i l’espectrometria de fluorescència de raigs X per reflexió total [27]. Aquestes tècniques analítiques permeten determinar el contingut total de metall en els extractes de sòl, però no permeten distingir les AgNP d’altres espècies presents en la solució del sòl, incloent-hi la Ag(I) [28]. Recentment, s’han desenvolupat tècniques analítiques acoblades a ICP-MS, com el fraccionament en flux mitjançant camp de flux asimètric, l’electroforesi capil·lar, la cromatografia hidrodinàmica i la cromatografia d’exclusió de mida, que permeten discriminar les dues formes químiques d’un mateix metall i separar les partícules per les seves característiques (mida, densitat, superfície i càrrega), de manera que s’obté informació de la distribució de mida de les partícules i de la concentració en massa. Addicionalment, hi ha una metodologia analítica que està guanyant popularitat en els últims anys, que consisteix a detectar les partícules individuals mitjançant l’espectrometria de masses per plasma d’acoblament inductiu (SP-ICP-MS), la qual permet identificar, caracteritzar i determinar tant la concentració en massa com en nombre de partícules. Per a fer servir aquest mètode analític, es requereixen solucions suficientment diluïdes i temps de mesura suficientment baixos per a assegurar que només es detecta una partícula en cada període de lectura. Una alternativa a aquestes tècniques analí­ tiques més sofisticades és usar metodologies simples de tractament de mostra en combinació amb les tècniques d’espectrometria atòmica. Entre els diferents tractaments de mostra existents hi ha l’extracció en punt de núvol, coneguda com a cloud-point extraction (CPE), que permet separar les AgNP de la Ag(I) i, a la vegada, preconcentrar les partícules, fet que pot ser beneficiós si es té en compte que els nivells de

75

07/01/2019 16:01:07

concentració d’aquests contaminants emergents en el sòl són baixos (ng · kg–1). La CPE consisteix a afegir a la mostra una quantitat de tensioactiu (normalment, TritonTM X-114 (1,1,3,3,-(tetrametilbutil)fenil-polietilenglicol)) superior a la concentració micel·lar crítica i aplicar-li una temperatura superior a la de punt de núvol (23 °C per al TritonTM X-114) per tal que es formin micel·les, que són les que encapsulen les nanopartícules. Degut al fet que les nanopartícules encapsulades són més denses que l’aigua, aquestes són dipositades i concentrades en un volum petit de tensioactiu mitjançant una centrifugació [6, 29-33].

rada a partir d’una solució estoc de nitrat de plata (AgNO3 en HNO3) de concentració 1 000 ± 2 mg · L–1 de Merck (Darmstadt, Alemanya). La dilució dels patrons, dels sobrenedants dels experiments en discontinu i dels extractes aquosos dels sòls contaminats s’ha dut a terme amb aigua ultrapura (Milli-Q, Millipore Corp., Bedford, Massachusetts, EUA). D’altra banda, per a determinar la quantitat de plata total en els extractes resultants de la CPE, els patrons de la recta de calibració i les mostres s’han diluït amb glicerol (Panreac, Barcelona, Espanya).

Els objectius que s’han plantejat en aquest estudi són: 1) avaluar l’adsorció/desorció de diferents tipus de nanopartícules de plata en sòls amb característiques fisicoquímiques diferents, mitjançant experiments en discontinu i tests de lixiviació; 2) detectar, caracteritzar i quantificar per SP-ICP-MS les nanopartícules de plata en lixiviats de sòl que contenen barreges de plata iònica i nanopartícules, aplicant prèviament la metodologia analítica de separació/preconcentració per CPE.

Sòls estudiats En aquest treball es van fer servir cinc sòls agrícoles amb propietats fisicoquímiques diferents (vegeu les taules 1 i 2) per tal d’avaluar-ne la influència en els processos d’adsorció/desorció de les AgNP. Els sòls estudiats provenien de les províncies de Barcelona i Girona: sòls 1 i 2 (Vallcebre), sòl 3 (Castellbisbal), sòl 4 (Gavà) i sòl 5 (la Tallada d’Empordà).

Taula 1. Propietats fisicoquímiques dels sòls estudiats

Part experimental Materials i reactius Les nanopartícules comercials que s’han usat per a l’estudi són AgNP de 40 nm i 100 nm de mida estabilitzades en medi citrat (AgNP-citrat) comprades a Sigma-Aldrich (Saint Louis, EUA), així com AgNP-citrat de 60 nm i 200 nm de diàmetre, AgNP de 75 nm i 100 nm amb recobriment de polivinilpirro­ lidona (AgNP-PVP) i AgNP recobertes de polietilenglicol de 100 nm de diàmetre (AgNP-PEG) proporcionades per Nano­ composix (San Diego, EUA).

Per a dur a terme la CPE, s’ha emprat tiosulfat sòdic pentahidratat (Na2S2O3 · 5 H2O), obtingut de Panreac (Barcelona, Espanya), i el tensioactiu no iònic TritonTM X-114 (1,1,3,3,-(tetrametilbutil)fenil-polietilenglicol)), comprat a Sigma-Aldrich (Saint Louis, EUA). Per a ajustar el pH de la mostra s’ha utilitzat àcid nítric 0,05 m preparat a partir d’àcid nítric hiperpur (HNO3 al 69 %, de Panreac, Barcelona, Espanya).

76

Per a la quantificació de la plata total en els extractes aquosos resultants dels experiments d’adsorció en discontinu i en els tests de lixiviació, s’ha usat una recta de calibratge prepa-

Revista Quimica 17.indd 76

a

pH (en H2O)

Humitat (%)

MO (%)a

CIC (meq · 100 g–1)b

CE (μS · cm–1)c

Distribució de partícula (mm)

Sòl 1

8,0

13,3

6,5

20,1

105,1

1-0,5

Sòl 2

7,4

13,05

5

18,9

2 460

< 0,125

Sòl 3

7,6

9,3

5,7

6,5

276,5

0,25-0,125

Sòl 4

7,4

3,7

6,1

7

427,3

< 0,125

Sòl 5

7,1

0,5

1,8

5,3

87,3

< 0,125

MO: contingut de matèria orgànica.

b

CIC: capacitat d’intercanvi catiònic.

c

CE: conductivitat elèctrica.

Com es pot veure a la taula 1, la conductivitat elèctrica del sòl 2 és més alta que la de la resta de sòls estudiats. Aquest fet podria estar relacionat amb el contingut considerable de guix (carbonat) d’aquest sòl respecte dels altres. La mineralogia del sòl, determinada per difracció de raigs X, també ens indica que les argiles que contenen els sòls 1 i 2 són principalment del grup de l’esmectita, amb subordinacions de caolinita, mentre que la resta de sòls presenten diferents combinacions d’argiles: el sòl 3, il·lita-caolinita, i els sòls 4 i 5, clorit-il·lita (vegeu la taula 2). Aquestes diferències en la composició mineralògica són les responsables de les diferències en la capacitat d’intercanvi catiònic (CIC) dels sòls, ja que l’esmectita pura pre-

07/01/2019 16:01:07

Taula 2. Composició mineral dels sòls estudiats obtinguda a partir de l’anàlisi per difracció de raigs X Sòl 1

Sòl 2

Sòl 3

Sòl 4

Sòl 5

Albita

-

-

-

-

++

Calcita

+

+++

+++

+++

++

Clorit

-

-

-

+

++

Dolomita

+++

+

+

++

+

Feldespat

-

-

+

-

-

Guix

-

+++

-

-

-

Hematites

+

+

+

-

-

Il·lita

-

-

+

+

++

Caolinita

+

+

+

-

-

+++

++

+++

+++

+++

Esmectita

+

+

-

-

-

Sanidina

-

-

-

++

++

Quars

-: absent; +: traça; ++: minoritari; +++: majoritari.

senta una CIC de 80 a 150 mEq · 100 g–1; la il·lita i el clorit, de 10 a 40 mEq · 100 g–1, i la caolinita, de 3 a 15 mEq · 100 g–1.

La distribució de mida de partícula també presenta diferències destacables entre els sòls 1 i 3, ja que contenen més quantitat de partícules grans respecte dels sòls 2, 4 i 5. Finalment, el pH de tots els sòls estudiats és lleugerament bàsic i el contingut de matèria orgànica és d’entre el 5 % i el 6 %, excepte en el sòl 5 (1,8 %) (vegeu la taula 1).

Experiments d’adsorció en discontinu En aquest estudi, s’han realitzat els experiments d’adsorció en discontinu per investigar la interacció de les AgNP amb el sòl en condicions controlades de laboratori. Per a dur a terme aquests experiments, s’han posat en contacte 0,5 g de sòl amb 20 mL d’una suspensió de AgNP de concentració 1 mg · L–1 o 10 mg · L–1 i s’han sotmès a agitació rotatòria (35 rpm).

Passat el temps específic de contacte (10 min, 20 min, 30 min, 1 h, 2 h o 4 h), les mostres per duplicat s’han retirat de l’agitació i s’han centrifugat (3 500 rpm, 8 min). Finalment, s’ha transvasat el sobrenedant de cada mostra a un tub de poliestirè i s’han conservat una nit a la nevera (4 °C) fins a fer-ne l’anàlisi per ICP-OES. D’altra banda, els sòls que contenien les AgNP adsorbides s’han assecat a l’estufa a 60 °C durant una nit.

Revista Quimica 17.indd 77

Prèviament a l’anàlisi de les mostres per ICP-OES, aquestes s’han sonicat durant 5 min per a trencar possibles agregats, s’han agitat durant 1 min i s’han filtrat amb filtres de 0,45 μm d’acetat de cel·lulosa (Whatman, Panreac, Barcelona, Espanya) per a eliminar les partícules en suspensió.

Estudis de desorció Per a investigar el possible alliberament de les AgNP del sòl, s’ha dut a terme un test de lixiviació anomenat DIN 38414-S4 [34], que dona informació sobre la mobilitat dels metalls [21, 35].

Amb aquest objectiu, s’han utilitzat els sòls que contenien quantitats conegudes de AgNP vint-i-un dies després dels experiments d’adsorció en discontinu. Als 0,5 g de sòl contaminat amb AgNP s’han afegit 5 mL d’aigua ultrapura i la barreja s’ha sotmès a agitació rotatòria (35 rpm) durant 24 h a temperatura ambient (22 °C). Passades 24 h, les mostres s’han centrifugat (3 500 rpm, 8 min) i el sobrenedant de cada mostra s’ha transvasat a un altre tub de poliestirè, que s’ha conservat a la nevera a 4 °C durant una nit fins a fer-ne l’anàlisi per ICP-OES. Prèviament a l’anàlisi de les mostres per ICP-OES, aquestes s’han sonicat durant 5 min per a trencar possibles agregats, s’han agitat durant 1 min i s’han filtrat amb filtres de 0,45 μm d’acetat de cel·lulosa (Whatman, Panreac, Barcelona, Espanya). L’anàlisi per ICP-OES ens ha permès determinar el contingut total de plata en les mostres. Finalment, les mostres s’han diluït a una concentració adient, en aquest cas aproximadament a 1 ng · mL–1, per a poder dur a terme l’anàlisi per SP-ICP-MS.

Separació AgNP/Ag(I) mitjançant CPE Com s’ha explicat en la introducció, una vegada que es troben en el sòl, les AgNP poden patir una sèrie de transformacions degut a les interaccions que pateixen amb els seus components. Entre les transformacions possibles hi ha la dissolució als seus àtoms constituents, que provoca la coexistència de les AgNP amb la Ag(I) en el medi. Aquest fet implica l’ús de metodologies analítiques que permetin la separació de les dues espècies del mateix metall per a facilitar-ne la caracterització i la detecció. En aquest treball, s’ha utilitzat la me-

77

07/01/2019 16:01:07

todologia CPE per a separar i preconcentrar les AgNP en lixiviats de sòls que contenien barreges de AgNP/Ag(I).

Per a dur a terme aquest experiment, s’ha utilitzat un sòl (sòl 3) que feia vuit setmanes que s’havia sotmès a un procediment d’adsorció en discontinu (vegeu el procediment a l’apartat «Experiments d’adsorció en discontinu») i que estava contaminat amb AgNP-citrat de 60 nm de diàmetre. En aquest sòl contaminat, s’ha aplicat el test de lixiviació DIN 38414-S4. En aquest cas, la quantitat d’aigua ultrapura que s’ha afegit als 0,5 g de sòl contaminat amb AgNP ha estat de 15 mL per tal de tenir prou quantitat de mostra per a dur a terme la CPE. El procediment seguit per a efectuar el test de lixiviació DIN 38414-S4 ha estat el mateix que el descrit en l’apartat anterior («Estudis de desorció»), però l’extracte resultant no s’ha filtrat. En lloc de filtrar les mostres, aquestes s’han centrifugat en unes condicions adequades (3 500 rpm, 12 min) per a poder pipetejar una quantitat de sobrenedant que contingués partícules inferiors a 0,2 μm [36].

Seguidament, s’ha dut a terme la CPE amb l’extracte aquós resultant del test de lixiviació [37]. Per a això, s’han posat en un tub de centrifugadora 9,5 mL de mostra aquosa i s’ha ajustat a pH 3,7 amb àcid nítric 0,05 m. Després, s’han afegit a la mostra 0,1 mL de Na2S2O3 · 5 H2O (1 m) i 0,2 mL d’una solució de tensioactiu TritonTM X-114 (5 %). Una vegada afegits tots els reactius necessaris a la mostra, aquesta s’ha agitat vigorosament i s’ha posat a incubar a 40 °C durant 30 min. Passat aquest temps, s’ha centrifugat la mostra (2 000 rpm, 5 min) i s’ha posat al congelador durant 10 min per a afavorir la separació de fases. Al cap de 10 min, s’ha decantat el sobrenedant i l’extracte resultant s’ha diluït a 9,5 mL amb una solució de glicerol a l’1 % per a poder-lo analitzar per ICP-OES i determinar la quantitat total de plata que contenia la mostra. Per a l’anàlisi per ICP-OES, s’han sotmès a sonicació les mostres 5 min per a desfer els possibles agregats i s’han analitzat tant els lixiviats del sòl com els extractes de la CPE. Finalment, totes les mostres (lixiviats del sòl i extractes de la CPE) s’han diluït a una concentració adequada per a dur a terme l’anàlisi per SP-ICP-MS (aproximadament, 0,4 ng · mL–1).

Instrumentació 78

Per a conèixer el contingut total de plata en els sobrenedants obtinguts en els experiments d’adsorció en discontinu, en els

Revista Quimica 17.indd 78

lixiviats dels sòls resultants dels estudis de desorció i en els extractes obtinguts en la CPE s’ha usat un ICP-OES Agilent 5100 Vertical Dual View (Agilent Technologies, Tòquio, Japó).

La longitud d’ona seleccionada per a les anàlisis de les mostres ha estat 328,068 nm.

D’altra banda, per a determinar la presència de nanopartícules en els lixiviats de sòl contaminats i comprovar que en els extractes de la CPE no hi ha pràcticament Ag(I), s’ha emprat un ICP-MS Agilent 7500C (Agilent Technologies, Tòquio, Japó).

Els paràmetres instrumentals han estat els següents: temps d’adquisició de 10 ms, temps de lectura de 60 s i ió monitoritzat 107Ag. Els resultats i les representacions gràfiques s’han obtingut a partir del full de càlcul d’Excel (Microsoft Office).

Els càlculs de la mida de partícula i de la concentració (en massa i nombre de partícules) s’han dut a terme seguint el procediment descrit per Torrent et al. [37].

Resultats i discussió Adsorció de les AgNP en diferents sòls: estudis cinètics Primerament, s’ha avaluat si les propietats fisicoquímiques del sòl afecten l’adsorció de les AgNP al sòl. L’estudi s’ha dut a terme amb AgNP-PVP de 75 nm de mida amb els diferents sòls descrits anteriorment (vegeu l’apartat «Sòls estudiats»).

En la figura 1, es pot observar que el percentatge d’adsorció obtingut pels diferents sòls testats després de 4 hores d’agitació rotatòria són superiors al 80 %. El sòl 2 és el que presenta una cinètica d’adsorció més ràpida, ja que pràcticament el 100 % de les nanopartícules s’ha adsorbit en menys de 10 min. En canvi, el sòl 5 és el que presenta una adsorció més baixa (≈ 85 %) passades 4 hores d’agitació rotatòria.

Aquestes diferències en l’adsorció de les AgNP en els diferents sòls estudiats poden ser degudes a la conductivitat elèctrica i a la capacitat d’intercanvi catiònic, perquè el sòl 2, que és el que presenta una cinètica d’adsorció més alta, és un dels sòls que té els valors més elevats d’aquests paràmetres. En canvi, el sòl 5, que és el que té una adsorció més baixa, és el que presenta una conductivitat elèctrica i una capacitat d’intercanvi catiònic més baixes. Aquest fet coincideix amb diversos treballs que indiquen que l’augment d’adsorció de les AgNP en el sòl està relacionat amb l’increment de la força iònica [7].

07/01/2019 16:01:07

Figura 1. Percentatge d’adsorció de les AgNP-PVP de 75 nm (10 mg · L–1) en sòls amb diferents propietats fisicoquímiques.

Efecte del recobriment en la cinètica d’adsorció de les AgNP en els sòls El recobriment és un dels principals responsables de la mobilitat i del transport de les nanopartícules en els sòls, degut al fet que afecta la càrrega superficial de la partícula, que és la que governa les interaccions d’atracció/repulsió amb els components del medi [11, 38, 39]. En aquest treball s’han estudiat tres recobriments (citrat, PVP i PEG) que difereixen en el seu potencial Z, el qual està relacionat amb la càrrega superficial.

Addicionalment, també s’han comparat les cinètiques d’adsorció de les AgNP amb la Ag(I) (afegida com a AgNO3). El sòl escollit per a dur a terme aquests experiments ha estat el

sòl 3, perquè, com s’ha vist anteriorment, és el que presenta una cinètica d’adsorció de les nanopartícules intermèdia. Els resultats han mostrat que la plata iònica és adsorbida més ràpidament que les nanopartícules (vegeu la figura 2). Aquesta elevada capacitat dels sòls per a adsorbir la Ag(I) pot ser deguda a la presència de grups tiol o a les par­tícules col·loidals [7]. Pel que fa a les nanopartícules, les AgNP-citrat són les que han mostrat una adsorció més lenta respecte de les AgNP-PVP i les AgNP-PEG. Aquesta diferència de comportament en els processos d’adsorció en el sòl es deu possiblement al potencial Z, que és la càrrega superficial en la doble capa elèctrica i és un indicador de l’estabilitat de les partícules.

Com més negatiu és el potencial Z, més estables es troben les

Figura 2. Percentatge d’adsorció de les AgNP amb diferents recobriments (1 mg · L–1) en el sòl 3.

Revista Quimica 17.indd 79

79

07/01/2019 16:01:08

partícules en la suspensió. Per tant, les AgNP-citrat han estat adsorbides més lentament pel sòl, possiblement perquè són més estables i perquè la seva tendència d’agregació és baixa degut a l’elevada repulsió amb les superfícies del sòl carregades negativament en comparació amb les altres nanopartícules estudiades [15, 40, 41].

Taula 3. Lixiviació en el DIN 38414-S4 del sòl 3 després de l’adsorció de les AgNP

Efecte de la mida en l’adsorció de les AgNP en els sòls L’efecte de la mida de les partícules en els processos d’adsorció en els sòls també s’ha avaluat en aquest treball. Les mides estudiades han estat 40 nm, 100 nm i 200 nm (AgNP-citrat).

Passades 4 hores d’agitació rotatòria, les nanopartícules de mida més gran (200 nm) han estat més retingudes que les més petites (40 nm) (valors no mostrats). Això pot ser degut al fet que, en treballar a la mateixa concentració en massa, el nombre de partícules presents en la suspensió de nanopar­ tícules de plata de 200 nm és més petit que el nombre de partícules presents en una suspensió de partícules de 40 nm.

Per tant, en la suspensió de AgNP-citrat de 40 nm hi ha més partícules per adsorbir que en les suspensions de nanopar­ tícules més grans (100 nm i 200 nm).

Desorció de les AgNP adsorbides en la superfície del sòl

80

Per a estudiar la mobilitat de les AgNP tres setmanes després de quedar adsorbides en el sòl (sòl 3) mitjançant els experiments d’adsorció en discontinu, els sòls s’han sotmès al test de lixiviació DIN 38414-S4. Els valors de recuperació que s’han obtingut per a totes les AgNP estudiades són inferiors al 4,6 %, la qual cosa indica que les nanopartícules són fortament retingudes pel sòl i, com a conseqüència, que la seva mobilitat en aquest compartiment del medi és baixa (vegeu la taula 3). També s’ha observat que el recobriment té un efecte en el procés de desorció de les AgNP del sòl, perquè les AgNP-PVP són menys desorbides que les AgNP-citrat i les AgNP-PEG. A més a més, la recuperació de la Ag(I) ha estat baixa (0,4 %). Finalment, la mida de les partícules de plata també n’afecta la desorció del sòl, ja que les AgNP-PVP de 75 nm i les AgNP-citrat de 40 nm han estat més desorbides que les nanopartícules més grans.

Revista Quimica 17.indd 80

Inicial (μg Ag)

Sobrenedant (μg Ag)a

Lixiviat (μg Ag)a

Recuperació (%)a

PVP 75 nm

19,7

0,6 (0,1)

0,16 (0,02)

0,8 (0,1)

PVP 100 nm

20,0

0,4 (0,2)

0,08 (0,02)

0,4 (0,1)

PEG 100 nm

18,6

1,1 (0,5)

0,21 (0,02)

1,2 (0,2)

Citrat 40 nm

20,3

9,8

0,5

4,6

Citrat 100 nm

20,2

5 (2)

0,165 (0,003)

1,1 (0,1)

Citrat 200 nm

20,3

1,6 (0,5)

0,14 (0,03)

0,8 (0,2)

Ag(I)

20,6

0,160 (0,008)

0,09 (0,01)

0,4 (0,1)

AgNP

a

Mitjana, n = 2 (DE), excepte per a les nanopartícules de 40 nm amb superfície de citrat (n = 1).

SP-ICP-MS dels lixiviats del sòl per a determinar la presència de AgNP En els sòls, les nanopartícules poden patir una sèrie de transformacions degut a les interaccions amb els seus components.

Aquestes transformacions poden donar lloc a canvis en la seva forma i afectar-ne el comportament en el medi [9]. Amb l’objectiu de determinar si les AgNP estudiades mantenen la seva nanoforma després d’estar tres setmanes en contacte amb el sòl (sòl 3), s’ha dut a terme l’anàlisi dels lixiviats aquosos del sòl amb SP-ICP-MS. Segons els fonaments de la tècnica analítica SP-ICP-MS, la Ag(I) genera un senyal continu i estable, ja que la distribució del metall en la solució és homogènia. En canvi, quan hi ha presència de AgNP a la mostra, s’observen una sèrie de pics per sobre de la línia base. Cada pic que apareix per sobre de la línia base representa una nanopartícula. Addicionalment, la representació en forma d’histogrames ens permet confirmar la presència de AgNP o bé de Ag(I) o d’ambdues formes químiques del metall. La presència de les dues formes químiques de la plata produeix en l’histograma dues distribucions: la primera correspon a la Ag(I) i la segona correspon a les AgNP [30, 42]. Com es pot veure a la figura 3, la mida de la nanopartícula afecta el procés d’adsorció/desorció, perquè es veuen certes diferències entre el gràfic que representa el temps versus la intensitat del senyal de les AgNP-citrat de 40 nm (A, B) i el de les AgNP-citrat de 100 nm (C, D). En el primer es pot veure clarament que la línia base es troba alta (aproximadament, 100 comptes) i el senyal de fons és continu, la qual cosa indica la presència de plata en solució. En canvi, en el segon s’observa la presència de nanopartícules, ja que hi ha molts pics per sobre de la línia base. Això

07/01/2019 16:01:08

Figura 3. Representacions de la intensitat de senyal versus el temps i histogrames de l’anàlisi per SP-ICP-MS dels lixiviats dels sòls contaminats amb AgNP-citrat de 40 nm (A, B), AgNP-citrat de 100 nm (C, D), AgNP-PEG de 100 nm (E, F) i AgNPPVP de 100 nm (G, H).

ens fa pensar que les AgNP més petites són més propenses a dissoldre’s que les nanopartícules de mida més gran. Alguns treballs indiquen que les nanopartícules més petites són més susceptibles de patir processos de dissolució degut a la gran fracció d’àtoms que es troben a la superfície o bé als baixos potencials redox que presenten [9]. El recobriment de les nanopartícules també afecta el procés d’adsorció/desorció del sòl, ja que l’histograma obtingut de les AgNP-PEG (figura 3, F) només mostra una distribució corresponent a la presència de Ag(I), mentre que les AgNP-PVP i les AgNP-citrat (figura 3, D i H) mostren dues distribucions, una que correspon a la Ag(I) i l’altra que correspon a les AgNP. Per tant, les AgNP-PEG són més susceptibles de dissoldre’s en comparació amb la resta de

Revista Quimica 17.indd 81

nanopartícules de plata estudiades i, per tant, són menys estables en el medi que les nanopartícules recobertes amb PVP o estabilitzades en medi citrat.

Aplicació de la CPE en lixiviats de sòl que contenen barreges (Ag(I)/AgNP) En les anàlisis mitjançant SP-ICP-MS, la coexistència de nanopartícules metàl·liques amb el metall homòleg en solució dificulta la separació del senyal corresponent a les AgNP i a la Ag(I), la qual cosa porta a conclusions errònies en els resultats de les anàlisis. Un exemple seria l’histograma de les AgNP-PVP de 100 nm (figura 3, H). Per aquest motiu, és necessari utilit-

81

07/01/2019 16:01:08

Figura 4. Histogrames d’un lixiviat de sòl contaminat amb AgNP-citrat de 60 nm abans de l’aplicació de la CPE (A) i després de l’aplicació de la CPE (B).

zar metodologies de separació i preconcentració, que ens permetin separar les AgNP de la Ag(I). En aquest treball, s’ha provat d’aplicar la CPE com a metodologia de separació de les AgNP de la Ag(I) per a facilitar la distinció del senyal corresponent a les nanopartícules respecte del mateix metall en solució. En la figura 4 es poden observar dos histogrames. Un s’ha obtingut a partir de l’anàlisi del lixiviat del sòl contaminat amb AgNP (citrat, 60 nm, 8 setmanes), en què es pot observar que les dues distribucions de la Ag(I) i les AgNP estan superposades. L’altre histograma resulta de l’anàlisi de l’extracte de la CPE del lixiviat del sòl contaminat amb AgNP (citrat, 60 nm, 8 setmanes) i mostra que la plata iònica present en el lixiviat aquós és pràcticament eliminada després d’aplicar-li el tractament de mostra per CPE. Consegüentment, la discriminació de la plata iònica de les partícules és més senzilla, la qual cosa probablement contribueix a una determinació més acurada de la concentració en nombre de partícules i en massa (vegeu la taula 4). Per a verificar l’efectivitat d’aquesta metodologia, caldria fer alguns experiments addicionals.

Taula 4. Mida de partícula, concentració en nombre de partícules de plata i concentració en massa en un lixiviat de sòl contaminat amb AgNP abans i després de l’aplicació de la CPE

Mida de partícula (nm) Concentració en nombre de partícules (partícula · L–1) Concentració en massa (ng · L–1)

Abans de la CPE

Després de la CPE

46

48

2,02 · 108

2,77 · 108

127

199

Conclusions 82

Els estudis efectuats han mostrat que les nanopartícules de plata són retingudes ràpidament i fortament pels sòls. Els fac-

Revista Quimica 17.indd 82

tors principals que afecten aquest procés són les característiques fisicoquímiques dels sòls i les propietats de les nanopartícules. Els resultats indiquen que la capacitat d’intercanvi catiònic i la conductivitat elèctrica són les característiques principals que afecten els processos d’adsorció de les nanopartícules en els sòls. D’altra banda, s’ha observat que la càrrega superficial de les AgNP també n’afecta la retenció en els sòls, ja que les de càrrega més negativa (AgNP-citrat) són retingudes més lentament que les de càrrega més positiva (AgNP-PVP). També s’ha vist que la mida influeix en les inter­ accions sòl-partícula, perquè les AgNP més grans (200 nm) són més adsorbides que les més petites (40 nm).

Addicionalment, aquests contaminants emergents, eluïts després d’estar tres setmanes en contacte amb el sòl i sota condicions de laboratori, mantenen la seva nanoforma, excepte les que es troben recobertes amb polietilenglicol, que han sofert un procés de dissolució. Finalment, la CPE en combinació amb l’SP-ICP-MS pot ser una bona eina analítica en mostres que continguin barreges de AgNP i Ag(I) per tal de quantificar i caracteritzar de manera més acurada les AgNP presents en els lixiviats de sòl que contenen aquestes barreges.

Agraïments Aquest treball ha estat finançat pel Ministeri d’Economia i Competitivitat a través dels projectes CGL2013-48802-C32-R (Programa 2014) i CTQ2015-68094-C2-1-R (Programa 2015). Laura Torrent agraeix també la beca predoctoral FPI del Ministeri de Ciència i Innovació (ref. BES-2014-070625) i la beca de mobilitat associada a les beques FPI (ref. EEBB-I-17-12391) per a realitzar l’estada de recerca a la Universitat de Saragossa.

07/01/2019 16:01:09

Referències [1] Krystek, P.; Ulrich, A.; Garcia, C. C.; Manohar, S.; Ritsema, R. «Application of plasma spectrometry for the analysis of engineered nanoparticles in suspensions and products». J. Anal.

At. Spectrom., vol. 26 (2011), p. 1701.

[2] Sajid, M.; Ilyas, M.; Basheer, C.; Tariq, M.; Daud, M.; Baig, N.; Shehzad, F. «Impact of nanoparticles on human and environment: review of toxicity factors, exposures, control strategies, and future prospects. Environ. Sci. Pollut. Res., vol. 22 (2015), p. 4122.

[3] Pulit-Prociak, J.; Banach, M. «Silver nanoparticles: a material of the future…?». Open Chem., vol. 14 (2016), p. 76.

[4] Pachapur, V. L.; Larios, A. D.; Cledón, M.; Brar, S. K.; Verma, M.; Surampalli, R. Y. «Behavior and characterization of titanium dioxide and silver nanoparticles in soils». Sci. Total Environ., vol. 563 (2016), p. 933.

[5] Blaser, S. A.; Scheringer, M.; MacLeod, M.; Hungerbühler, K. «Estimation of cumulative aquatic exposure and risk due to silver: contribution of nano-functionalized plastics and tex­ tiles». Sci. Total Environ., vol. 390 (2008), p. 396.

[6] Schaumann, G. E.; Philippe, A.; Bundschuh, M.; Metreveli, G.; Klitzke, S.; Rakcheev, D.; Grün, A.; Kumahor, S. K.; Kühn, M.; Baumann, T.; Lang, F.; Manz, W.; Schulz, R.; Vogel, H. J. «Understand­ ing the fate and biological effects of Ag- and TiO2-nanoparticles in the environment: the quest for advanced analytics and interdisciplinary concepts». Sci. Total Environ., vol. 535 (2015), p. 3.

[7] Anjum, N. A.; Gill, S. S.; Duarte, A. C.; Pereira, E.; Ahmad, I. «Silver nanoparticles in soil-plant systems». J. Nanopart. Res., vol. 15 (2013), p. 1896.

[8] Rui, M.; Ma, C.; Tang, X.; Yang, J.; Jiang, F.; Pan, Y.; Xiang, Z.; Hao, Y.; Rui, Y.; Cao, W.; Xing, B. «Phytotoxicity of silver nanoparticles to peanut (Arachis hypogaea L.): physiological re­ sponses and food safety». ACS Sustainable Chem. Eng., vol. 5 (2017), p. 6557.

[9] Dwivedi, A. D.; Dubey, S. P.; Sillanpää, M.; Kwon, Y. N.; Lee, C.; Varma, R. S. «Fate of engineered nanoparticles: implications in the environment». Coord. Chem. Rev., vol. 287 (2015), p. 64.

[10] Darlington, T. K.; Neigh, A. M.; Spencer, M. T.; Nguyen, O. T.; Oldenburg, S. J. «Nanoparticle characteristics affecting environmental fate and transport through soil». Environ. Toxicol.

Chem., vol. 28 (2009), p. 1191.

[11] Tourinho, P. S.; Gestel, C. A. M. van; Lofts, S.; Svendsen, C.; Soares, A. M. V. M.; Loureiro, S. «Metal-based nanoparticles in

Revista Quimica 17.indd 83

soil: fate, behavior, and effects on soil invertebrates». Environ.

Toxicol. Chem., vol. 31 (2012), p. 1679.

[12] Peralta-Videa, J. R.; Zhao, L.; Lopez-Moreno, M. L.; Rosa, G. de la; Hong, J.; Gardea-Torresdey, J. L. «Nanomaterials and the environment: a review for the biennium 2008-2010». J. Hazard. Mater., vol. 186 (2011), p. 1.

[13] Levard, C.; Hotze, E. M.; Lowry, G. V.; Brown, G. E. «Environmental transformations of silver nanoparticles: impact on stability and toxicity». Environ. Sci. Technol., vol. 46 (2012), p. 6900.

[14] Plassard, F.; Winiarski, T.; Petit-Ramel, M. «Retention and distribution of three heavy metals in a carbonated soil: comparison between batch and unsaturated column studies».

J. Contam. Hydrol., vol. 42 (2000), p. 99.

[15] Hoppe, M.; Mikutta, R.; Utermann, J.; Duijnisveld, W.; Kauf­ hold, S.; Stange, C. F.; Guggenberger, G. «Remobilization of ste­ rically stabilized silver nanoparticles from farmland soils determined by column leaching». Eur. J. Soil Sci., vol. 66 (2015), p. 898.

[16] Cornelis, G. «Fate descriptors for engineered nanoparticles: the good, the bad, and the ugly». Environ. Sci. Nano, vol.

2 (2015), p. 19.

[17] Praetorious, A.; Tufenkji, N.; Goss, K. U.; Scheringer, M.; Kammer, F. von der; Elimelech, M. «The road to nowhere: equilib­ rium partition coefficients for nanoparticles». Environ. Sci. Nano, vol. 1 (2014), p. 317.

[18] Wise, D. L.; Trantolo, D. J.; Cichon, E. J.; Inyang, H. I.; Stottmeister, U. (ed.). Remediation engineering of contaminated soils [en línia]. Nova York: CRC Press, 2000, cap. 2, p. 63-83. <https://www.taylorfrancis.com/books/9781482289930> [Consulta: 9 abril 2018].

[19] Treumann, S.; Torkzaban, S.; Bradford, S. A.; Visalakshan, R. M.; Page, D. «An explanation for differences in the process of colloid adsorption in batch and column studies». J. Contam.

Hydrol., vol. 164 (2014), p. 219.

[20] Coutris, C.; Joner, E. J.; Oughton, D. H. «Aging and soil organic matter content affect the fate of silver nanoparticle in soil». Sci. Total Environ., vol. 420 (2012), p. 327.

[21] Rauret, G. «Extraction procedures for the determination of heavy metals in contaminated soil and sediment». Talanta, vol. 46 (1998), p. 449.

[22] Heasman, L.; Sloot, H. A. van der; Quevauviller, Ph. (ed.)

Harmonization of leaching/extraction tests [en línia]. Amsterdam: Elsevier, 1997, cap. 1, p. 1-13. <https://www.elsevier. com/books/harmonization-of-leaching-extraction-tests/ heasman/978-0-444-82808-8> [Consulta: 9 abril 2018].

83

07/01/2019 16:01:09

84

[23] Hoppe, M.; Mikutta, R.; Utermann, J.; Duijnisveld, W.; Guggenberger, G. «Retention of sterically and electrosterically stabilized silver nanoparticles in soils». Environ. Sci. Technol., vol. 48 (2014), p. 12628.

[24] Braun, A.; Klumpp, E.; Azzam, R.; Neukum, C. «Transport and deposition of stabilized engineered silver nanoparticles in water saturated loamy sand and silty loam». Sci. Total Environ., vol. 535 (2015), p. 102.

[25] Cornelis, G.; Kirby, J. K.; Beak, D.; Chittleborough, D.; McLaughlin, M. J. «A method for determining the partitioning of manufactured silver and cerium oxide nanoparticles in soil environments». Environ. Chem., vol. 7 (2010), p. 298.

[26] Cornelis, G.; Pang, L.; Doolette, C.; Kirby, J. K.; McLaughlin, M. J. «Transport of silver nanoparticles in saturated columns of natural soils». Sci. Total Environ., vol. 463 (2013), p. 120.

[27] Torrent, L.; Iglesias, M.; Hidalgo, M.; Marguí, E. «Analytical capabilities of total reflection X-ray fluorescence spectrometry for silver nanoparticles determination in soil adsorption studies». Spectrochim. Acta Part B, vol. 126 (2016), p. 71.

[28] Koopmans, G. F.; Hiemstra, T.; Regelink, I. C.; Molleman, B.; Comans, R. N. J. «Asymmetric flow field-flow fractionation of manufactured silver nanoparticles spiked into soil solution».

J. Chromatogr. A, vol. 1392 (2015), p. 100.

[29] Laborda, F.; Bolea, E.; Cepriá, G.; Gómez, M. T.; Jiménez, M. S.; Pérez-Arantegui, J.; Castillo, J. R. «Detection, characterization and quantification of inorganic engineered nanomaterials: a review of techniques and methodological approaches for the analysis of complex samples». Anal. Chim. Acta, vol. 904 (2016), p. 10.

[30] Laborda, F.; Jiménez-Lamana, J.; Bolea, E.; Castillo, J. R. «Selective identification, characterization and determination of dissolved silver (I) and silver nanoparticles based on single particle detection by inductively coupled plasma mass spectrometry». J. Anal. At. Spectrom., vol. 26 (2011), p. 1362.

[31] Torrent, L.; Iglesias, M.; Hidalgo, M.; Marguí, E. «Determination of silver nanoparticles in complex aqueous matrices by total reflection X-ray fluorescence spectrometry combined with cloud point extraction». J. Anal. At. Spectrom., vol. 33 (2018), p. 383.

[32] Li, L.; Hartmann, G.; Döblinger, M.; Schuster, M. «Quantification of nanoscale silver particles removal and release from municipal wastewater treatment plants in Germany». Environ.

Sci. Technol., vol. 47 (2013), p. 7317.

[33] Laborda, F.; Jiménez-Lamana, J.; Bolea, E.; Castillo, J. R. «Critical considerations for the determination of nanoparticle number concentrations, size and number size distributions by

Revista Quimica 17.indd 84

single particle ICP-MS». J. Anal. At. Spectrom., vol. 28 (2013), p. 1220.

[34] Institut Alemany de Normalització. Norma DIN 38414-S4: German standard methods for the examination of water, waste water and sludge; group S (sludge and sediments); determination of leachability by water (S4). Berlín: Deutsches Institut für Normung E. V. (DIN), 1984.

[35] Kosson, D. S.; Sloot, H. A. van der; Eighmy, T. T. «An approach for estimation of contaminant release during utilization and disposal of municipal wate combustion residues». J. Hazard. Mater., vol. 47 (1996), p. 43.

[36] Bolea, E.; Laborda, F.; Castillo, J. R. «Metal associations to microparticles, nanocolloids and macromolecules in compost leachates: size characterization by asymmetrical flow field-­ flow fractionation coupled to ICP-MS». Anal. Chim. Acta, vol. 661 (2010), p. 206.

[37] Torrent, L.; Laborda, F.; Iglesias, M.; Marguí, E.; Hidalgo, M. «Combinación de la extracción en punto de nube con TXRF y SP-ICPMS para la determinación de nanoparticulas de plata en muestras acuosas». Actualidad Analítica, vol. 61 (2018), p. 25.

[38] Christian, P.; Kammer, F. von der; Baalousha, M.; Hofmann, Th. «Nanoparticle: structure, properties, preparation and behaviour in environmental media». Ecotoxicology, vol. 17 (2008), p. 326.

[39] Schultz, C.; Powell, K.; Crossley, A.; Jurkschat, K.; Kille, P.; Morgan, A. J.; Read, D.; Tyne, W.; Lahive, E.; Svendsen, C.; Spurgeon, D. J. «Analytical approaches to support current understanding of exposure, uptake and distributions of engineered nanoparticles by aquatic and terrestrial organisms». Ecotoxicology, vol. 24 (2015), p. 239.

[40] NanoComposix. Tech Note: zeta/pH curves and isoelectric point data for standard nanocomposix silver citrate and PVP nanoparticle dispersions [en línia]. V. 1.0 (2012). <https://cdn.shopify.com/s/files/1/0257/8237/files/Tech _Note_-_Zeta_and_pH_Curves_for_nanoComposix_Citrate _and_PVP_Capped_Silver_Nanoparticles.pdf> [Consulta: 9 abril 2018].

[41] Prathna, T. C.; Chandrasekaran, N.; Mukherjee, A. «Studies on aggregation behaviour of silver nanoparticles in aqueous matrices: effect of surface functionalization and matrix composition». Colloids and Surfaces A, vol. 390 (2011), p. 216.

[42] Mitrano, D. M.; Lesher, E. K.; Bednar, A.; Monserud, J.; Higgins, C. P.; Ranville, J. F. «Detecting nanoparticulate silver using single-particle inductively coupled plasma-mass spectrometry». Environ. Toxicol. Chem., vol. 31 (2012), p. 115.

07/01/2019 16:01:09

L. Torrent

M. Hidalgo

M. Iglesias

F. Laborda

E. Marguí

Laura Torrent és graduada en química per la Universitat de Girona (UdG) des de l’any 2013. Posteriorment, va cursar el Màster Interuniversitari en Tècniques Cromatogràfiques Aplicades (UdG, Universitat Rovira i Virgili i Universitat Jaume I). L’any 2015 va iniciar els estudis de doctorat a la UdG, sota la direcció de les doctores Mònica Iglesias i Eva Marguí. Actualment, es troba en el darrer any de doctorat.

Mònica Iglesias és professora agregada del Departament de Química de la Universitat de Girona i és membre del Grup de Recerca de Química Analítica i Ambiental. La seva recerca està centrada en el desenvolupament i l’aplicació de metodolo­ gies analítiques basades en tècniques d’espectroscòpia atòmica per a la determinació de metalls, metal·loides i nanopartícules metàl·liques, amb la finalitat d’avaluar-ne l’impacte en el medi ambient.

Francisco Laborda és catedràtic del Departament de Química Analítica de la Universitat de Saragossa (UNIZAR) i forma part del Grup d’Espectroscòpia Analítica i Sensors (GAES) d’aquesta universitat. Les seves línies d’investigació se centren en la nanometrologia analítica i el desenvolupament de mètodes per a la detecció, la caracterització i la quantificació de nanomaterials sintètics i naturals en mostres complexes.

Eva Marguí és professora agregada del Departament de Química de la Universitat de Girona i forma part del Grup de Recerca de Química Analítica i Ambiental de la mateixa universitat. Els seus interessos de recerca estan centrats en el desenvolupament de metodologies analítiques per a la determinació de metalls, metal·loides, nanopartícules metàl·liques i espècies inorgàniques en mostres ambientals, biològiques i industrials.

Manuela Hidalgo és catedràtica de química analítica a la Universitat de Girona i codirectora del Grup de Recerca de Quí­ mica Analítica i Ambiental. Els seus interessos de recerca inclouen les metodologies de tractament de mostra, les tècniques cromatogràfiques, l’espectrometria atòmica (ICP, XRF) i el comportament de contaminants orgànics i inorgànics en el medi ambient.

85

Revista Quimica 17.indd 85

07/01/2019 16:01:10

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 86-95 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.99 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Estructura electrònica i propietats de sistemes multifuncionals: materials derivats del bisditiazolil Electronic structure and properties of multifunctional systems: bisdithiazolyl-based materials Cristina Roncero, Mercè Deumal, Jordi Ribas, Ibério de P. R. Moreira Universitat de Barcelona. Departament de Ciència de Materials i Química Física. Secció de Química Física Universitat de Barcelona. Institut de Química Teòrica i Computacional

Resum: Els materials orgànics moleculars cada vegada tenen més aplicacions en la fabricació de dispositius electrònics per les seves propietats òptiques i de conducció. Quan els elements moleculars són radicals, cal tenir en compte alhora la càrrega i l’espín de l’electró desaparellat. La racionalització de l’estructura i de les propietats d’aquests materials multifuncionals requereix una descripció acurada de la seva estructura electrònica. En aquest treball s’analitza l’aplicabilitat dels models actuals en la modelització de la conducció elèctrica d’aquests materials, emprant tota una família de compostos derivats del bisditiazolil com a sistemes model.

Paraules clau: Materials moleculars orgànics, radicals, materials multifuncionals, conductivitat elèctrica, estructura electrònica.

Abstract: Molecular organic materials are finding increasing application in the manufacture of electronic devices thanks to their optical and conduction properties. When the molecular moieties are radicals, both charge and spin of the unpaired electron should be taken into account. The full rationalization of the structure and properties of these multifunctional materials requires a careful description of their electronic structure. In this paper, the applicability of the current models in the model­ ing of the electrical conduction of these materials is analyzed, using the family of bisdithiazolyl-based compounds as model systems.

Keywords: Organic molecular materials, radicals, multifunctional materials, electrical conduction, electronic structure.

Introducció

H

istòricament, els materials amb aplicacions en electrònica han estat materials inorgànics, com ara els metalls de transició, semiconductors com el silici o òxids conductors amb ions liti. Els compostos orgànics, en canvi, sempre s’havien vist com a aïllants sense cap interès en el camp de l’electrònica. Amb la síntesi de nous materials moleculars orgànics basats en esquelets de carboni-carboni extensos (grafè, polímers conductors, etc.) [1], s’ha desenvolupat tota una nova branca d’investigació de materials electrònics orgànics amb aplica­ cions molt diverses [2]. La motivació darrere l’estudi d’aquests nous materials és la millora de les propietats dels materials clàssics (inorgànics) amb propietats òptiques i electròniques més controlables per tal de fabricar dispositius més econòmics, flexibles i lleugers. Aquests materials orgànics estan

86

Correspondència: Cristina Roncero Universitat de Barcelona. Departament de Ciència de Materials i Química Física.

Secció de Química Física C. de Martí i Franquès, 1-11. 08028 Barcelona Tel.: +34 934 034 836. Fax: +34 934 021 231 A/e: cristina.roncero@ub.edu

Revista Quimica 17.indd 86

constituïts per molècules orgàniques amb enllaços dobles conjugats. En el cas dels materials orgànics moleculars, les interaccions febles entre els seus constituents poden facilitar la fabricació de dispositius, però, a la vegada, tenen efectes poc predictibles en l’empaquetament cristal·lí, ja que diferents polimorfs poden presentar propietats molt variades [3]. Per exemple, la conductivitat es veu molt afectada per la naturalesa feble d’aquestes interaccions intermoleculars i per la disposició relativa de les molècules en el cristall. En aquest sentit, un coneixement detallat de l’estructura cristal·lina i de la distribució electrònica en aquests sistemes és crucial per entendre’n i racionalitzar-ne les propietats. És per aquesta raó que s’han fet grans esforços per sintetitzar materials amb estructures ben definides que millorin aquestes propietats.

L’espintrònica o magnetoelectrònica [4-7] aprofita les propietats de certs materials multifuncionals en els quals el transport electrònic implica tant la càrrega com l’espín de l’electró.

Aquest camp, així doncs, permetrà l’obtenció de dispositius potencialment més ràpids i amb un menor consum energètic.

En el cas dels espintrònics moleculars orgànics, els elements constituents són radicals o diradicaloides [6] en què coexisteixen electrons desaparellats més o menys localitzats, que

07/01/2019 16:01:10

aporten el moment magnètic, amb electrons deslocalitzats responsables de la conductivitat del material. Aquest comportament tan diferenciat entre electrons d’un mateix sistema fa que, des del punt de vista teòric i computacional, els efectes de correlació necessaris per a la correcta descripció de l’estructura electrònica d’aquests materials impliquin l’ús d’aproximacions contraposades. En aquest cas, els electrons desaparellats localitzats requeririen una descripció acurada de la correlació electrònica intramolecular, mentre que la conducció implica bandes deslocalitzades. La correcta modelització de l’estructura electrònica i de les propietats electròniques i magnètiques d’aquests sistemes suposa, doncs, tot un repte, degut a la competició entre localitzar o transportar aquesta càrrega.

En aquest treball abordem la definició d’un esquema computacional apropiat per descriure l’estructura electrònica i les propietats elèctriques i magnètiques d’aquests materials multifuncionals en una família de materials representatius d’aquest comportament.

Abans d’introduir aquest model, cal descriure alguns aspectes de les propietats que es volen modelitzar. En el cas del comportament magnètic, la localització relativa dels electrons permet considerar el model de Heisenberg per interpretar-ne el comportament. En canvi, pel que fa a la conductivitat, els diferents comportaments límit observats han donat lloc al desenvolupament de models molt diferenciats. Per tant, la selecció del model més adequat és un punt crític a l’hora d’interpretar correctament la conductivitat d’un determinat material.

Transport per hopping versus conducció per bandes Fenomènicament, la conductivitat elèctrica (σ ) és un tensor de rang 2, que es determina a partir de la densitat de portadors de càrrega (ρc ), la càrrega d’aquests (q) i el tensor de mobilitat ( µ ), d’acord amb l’equació següent: q c .

La simulació de la conductivitat elèctrica d’un sistema requereix definir un model que relacioni els paràmetres macroscòpics que apareixen amb els seus estats quàntics. En aquest punt, es distingeixen tres règims diferents que dependran del mecanisme de transport de càrrega que prevalgui en el mate-

Revista Quimica 17.indd 87

rial. Per un costat, hi ha el model de bandes, en el qual el solapament entre els orbitals moleculars dona lloc a bandes amples semiplenes en les quals els electrons (o els forats) estarien deslocalitzats. En aquests sistemes, la conductivitat ve determinada per la naturalesa de les bandes al voltant del nivell de Fermi. Normalment, aquest model s’aplica en l’estudi de metalls i semiconductors inorgànics.

Un segon règim seria el del model de transport de càrrega per hopping. Segons el model de hopping, la càrrega es troba localitzada i la conductivitat és deguda a salts discrets de la càrrega d’un site a un altre. En aquest model, el site ve definit pel grau de deslocalització de la càrrega en els estats inicial i final de la transferència, i pot ser una molècula, una part especifica d’una molècula o un agregat de molècules. Aquest model, en contrast amb el model de bandes, sol emprar-se en la modelització de la conductivitat en cristalls moleculars amb acoblaments molt dèbils o en sòlids desordenats.

Finalment, els sistemes que tinguin unes propietats a mig camí de les descrites anteriorment, amb portadors de càrrega tant localitzats com deslocalitzats, es descriurien amb un model intermedi entre el de bandes i el de hopping.

A la bibliografia, hi ha nombrosos estudis computacionals que expliquen la conductivitat tant a partir d’un model de bandes [8] com d’un model de transport per hopping [9, 10]. Tot i que la majoria d’estudis que fan servir el model de bandes interpreten semiconductors inorgànics, aquest model també s’ha aplicat en l’estudi de la conductivitat de semiconductors moleculars orgànics [10]. Per altra banda, fins ara l’aplicació del model de hopping s’ha utilitzat majoritàriament en l’estudi de sistemes orgànics de capes tancades [9, 10].

En el cas que ens interessa, és a dir, en l’estudi de la conductivitat elèctrica de sistemes formats per radicals orgànics, la descripció de l’estructura electrònica dels materials és més complexa. Requereix un model que consideri alhora la deslocalització dels electrons, per tal que el material condueixi, i la localització dels electrons de les capes obertes. Aquest grau de localització limita l’ús d’un model de bandes i suggereix l’ús d’un model de transport per hopping o de règim intermedi per descriure aquestes característiques.

En el model de transport per hopping, les components del tensor de mobilitat de la càrrega, μij , necessari per calcular la

87

07/01/2019 16:01:10

conductivitat, es calculen com el sumatori de totes les velocitats de transferència de cà rrega entre un parell de molècules, una acceptora i una donadora, en la direcció i i segons la component j del camp elèctric aplicat [11]:

ij dab ,i ab

k ab Ej

on kab ĂŠs la velocitat de la transferència de cĂ rrega entre dos sites, dab, i ĂŠs la distĂ ncia entre ells i Ej ĂŠs la component del camp elèctric aplicat. La velocitat de transferència de cĂ rrega (kab ) entre dues molècules es pot calcular, en el lĂ­mit no adiabĂ tic (ĂŠs a dir, quan la funciĂł dâ&#x20AC;&#x2122;ona que descriu el sistema canvia de forma instantĂ nia en el moment en què es produeix la transferència de cĂ rrega), mitjançant lâ&#x20AC;&#x2122;equaciĂł de Marcus [12, 13]: k ab

2 2 1 Hab ď ¨ 4 kbT

TS

e G

â&#x20AC;Ą

on Hab ĂŠs lâ&#x20AC;&#x2122;acoblament electrònic entre els dos sites (a, donador i b, acceptor), Îť ĂŠs lâ&#x20AC;&#x2122;energia de reorganitzaciĂł, parĂ metre que estima el cost energètic associat a la incorporaciĂł (o pèrdua) de la cĂ rrega per la molècula, i â&#x2C6;&#x2020;G â&#x20AC;Ą ĂŠs lâ&#x20AC;&#x2122;energia dâ&#x20AC;&#x2122;activaciĂł dâ&#x20AC;&#x2122;aquest procĂŠs. Tant lâ&#x20AC;&#x2122;acoblament com lâ&#x20AC;&#x2122;energia de reorganitzaciĂł sĂłn parĂ metres que es poden avaluar mitjançant cĂ lculs dâ&#x20AC;&#x2122;estructura electrònica emprant models de dĂ­mers aĂŻllats (donador + acceptor) [3]. Dâ&#x20AC;&#x2122;aquesta manera, es resol un problema de simulaciĂł dâ&#x20AC;&#x2122;una propietat macroscòpica, com ĂŠs la conductivitat, amb lâ&#x20AC;&#x2122;avaluaciĂł dâ&#x20AC;&#x2122;una sèrie de parĂ metres microscòpics.

88

TĂ­picament, la conductivitat en els sistemes amb una energia tèrmica dâ&#x20AC;&#x2122;activaciĂł (Eact) superior a ~0,4 eV sâ&#x20AC;&#x2122;ajusten a un model de transport de cĂ rrega per hopping. Un altre factor que podria ser indicatiu dâ&#x20AC;&#x2122;un règim de hopping ĂŠs com es comporta la conductivitat enfront de la temperatura. Normalment, un increment de la conductivitat en augmentar la temperatura estĂ lligat a una conducciĂł de tipus hopping, mentre que si la conductivitat disminueix amb la temperatura, això podria deureâ&#x20AC;&#x2122;s a un augment en les interaccions electrĂł-fonĂł i ens trobarĂ­em davant dâ&#x20AC;&#x2122;un règim de conductivitat per bandes. Seguint aquests criteris, hem seleccionat una famĂ­lia de compostos derivats del bisditiazolil, sintetitzats i caracteritzats per Robertson et al. [14], com a primers candidats per al nostre estudi.

Revista Quimica 17.indd 88

Lâ&#x20AC;&#x2122;objectiu dâ&#x20AC;&#x2122;aquest treball ĂŠs, doncs, comprovar la validesa de lâ&#x20AC;&#x2122;Ăşs del model de hopping per a aquesta famĂ­lia de materials moleculars orgĂ nics de capes obertes, i de la simplificaciĂł del model estructural necessĂ ria per calcular els parĂ metres electrònics associats a la simulaciĂł de la conductivitat dâ&#x20AC;&#x2122;acord amb aquest model de hopping (Hab i Îť). En aquest treball presentem un estudi de lâ&#x20AC;&#x2122;estructura electrònica dâ&#x20AC;&#x2122;uns sistemes representatius dâ&#x20AC;&#x2122;aquests tipus de materials multifuncionals, emprant models periòdics que representen correctament lâ&#x20AC;&#x2122;estructura del sòlid, dins de lâ&#x20AC;&#x2122;aproximaciĂł monoelectrònica efectiva del funcional de la densitat (DFT). Això ens permetrĂ establir la naturalesa de lâ&#x20AC;&#x2122;estat fonamental dels materials, de les interaccions dominants i de les seves propietats estĂ tiques com a referència per aplicar les simplificacions necessĂ ries per descriure la conductivitat.

FamĂ­lia de compostos derivats del bisditiazolil Sâ&#x20AC;&#x2122;han reportat a la bibliografia tota una sèrie de sistemes derivats del bisditiazolil (figura 1) amb propietats conductores i magnètiques molt diverses [14-18]. Amb lâ&#x20AC;&#x2122;objectiu dâ&#x20AC;&#x2122;augmentar la conductivitat elèctrica, sâ&#x20AC;&#x2122;han sintetitzat diferents derivats dâ&#x20AC;&#x2122;aquests compostos modificant els substituents de lâ&#x20AC;&#x2122;anell piridĂ­nic o substituint els sofres per un element mĂŠs pesat, com ĂŠs el seleni. En tots els casos, es tracta de sistemes orgĂ nics amb electrons desaparellats, empaquetats en forma dâ&#x20AC;&#x2122;apilaments Ď&#x20AC; (vegeu lâ&#x20AC;&#x2122;exemple a la figura 2). En aquests estudis sâ&#x20AC;&#x2122;ha establert que lâ&#x20AC;&#x2122;elecciĂł dels substituents de lâ&#x20AC;&#x2122;anell piridĂ­nic afecta lâ&#x20AC;&#x2122;empaquetament i que, fins i tot, es pot arribar a suprimir la dimeritzaciĂł dâ&#x20AC;&#x2122;aquests radicals Ď&#x20AC;, problema molt freqĂźent en sistemes Ď&#x20AC; de capes obertes. Això permet que els sistemes conservin els electrons desaparellats en tot el rang de temperatures estudiat (per sobre de 100 K).

Figura 1.â&#x20AC;&#x192; FamĂ­lia de compostos derivats del bisditiazolil (1-4).

07/01/2019 16:01:12

Figura 2. Detall de l’estructura cristal·lina del sistema 1.

Per tal d’establir un model efectiu que descrigui l’estructura electrònica i les propietats d’aquests materials multifuncionals, s’han seleccionat quatre sistemes d’aquesta família, representats a la figura 1. Tots presenten un motiu estructural comú i es distingeixen entre si per la substitució de S per Se en les posicions E1 i E2 (figura 1). Els quatre materials presenten el mateix empaquetament cristal·lí (P421m), que consisteix en columnes de radicals apilats al llarg de l’eix c encarades entre si en forma de «molí de vent» i integrant un centre d’inversió (indicat com a 4 en la figura 2) en què els àtoms en les posicions E2 queden molt propers.

Tots quatre materials presenten propietats magnètiques i conductores, que es resumeixen a la taula 1 [14]. La conductivitat (σ) dels materials a 300 K varia al llarg de la sèrie de compostos amb la substitució de sofres per selenis. Les diferents conductivitats que mostren els materials 2 i 3 semblen indicar un possible efecte en la posició del Se en el sistema.

Tanmateix, s’observa una disminució de les Eact de 0,43 eV (sistema 1) a 0,19 eV (sistema 4). Aquest rang d’energies tèrmiques d’activació és prou ampli per poder estudiar els límits del model de hopping en materials moleculars basats en radicals orgànics.

Taula 1. Dades experimentals [14] de l’energia tèrmica d’activació (Eact) i la conductivitat (σ) a 300 K per als materials 1-4 Sistema

Eact (eV)

σ (S · cm–1)

1

0,43

3,2 · 10

2

0,27

1,0 · 10–4

Ferromagnètic

3

0,31

2,2 · 10–5

Antiferromagnètic

4

0,19

3,0 · 10–4

Ferromagnètic

Revista Quimica 17.indd 89

–6

Comportament magnètic Paramagnètic

Detalls computacionals Els càlculs de l’estructura electrònica dels materials moleculars derivats del bisditiazolil s’han realitzat segons la teoria del funcional de la densitat (density functional theory, DFT [19, 20]) emprant el funcional B3LYP [21], d’ús habitual en càlculs d’estructura electrònica de compostos orgànics.

Els càlculs que es presenten en aquest treball s’han realitzat amb el codi Crystal09 [22, 23], el qual té l’avantatge d’utilitzar una aproximació periòdica i funcions de base gaussianes atòmiques per construir els orbitals cristal·lins. Els detalls d’aquesta aproximació estan descrits en treballs previs [24, 25] i aquí només descriurem els aspectes computacionals més rellevants per reproduir els resultats que es presenten. Per als àtoms lleugers (H, C i N) s’han fet servir bases amb tots els electrons explícits, publicades per Gatti et al. [26], amb contraccions 3-1p1G per al H i 6-31d1G per al C i el N. En canvi, per als àtoms més pesants (S, Se i Cl) s’han utilitzat pseudopotencials per descriure els electrons més interns. Els pseudopotencials que s’han emprat són els següents: per al Cl s’ha utilitzat el pseudopotencial large core de Hay i Wadt [27]; per al S, un large core de Durand i Barthelat [28], i per al Se, un pseudopotencial small core de Stuttgart-Dresden [29]. Finalment, les bases per descriure els electrons de valència són pròpies de cada àtom: per al S és la descrita per Ouazzani et al. [30], que fa servir una contracció 31G*, per al Se s’ha fet servir la base optimitzada per Heyd et al. [31], amb una contracció de 6611-661d61G, i per al Cl s’ha utilitzat la base descrita per Prencipe [32], amb una contracció 31G. Totes aquestes bases estan disponibles a la pàgina web del programa Crystal [28].

Els criteris de convergència per als paràmetres d’energia total i de control dels desenvolupaments de les integrals mono- i

89

07/01/2019 16:01:12

Figura 3. Esquema de l’ordenació dels espins en les solucions de capes obertes. Els plans simbolitzen el pla perpendicular a la direcció de l’apilament π que conté el centre de masses de les molècules descrites (pla ab). S’ha representat només l’esquelet dels compostos per claredat.

bielectròniques, controlades pels paràmetres ITOL, han estat de 7, 7, 7, 7, 14 en tots els càlculs, uns valors prou estrictes per assegurar una convergència numèrica de l’energia total a 10–6 unitats de Hartree. L’espai recíproc s’ha representat seguint l’esquema de Monkhorst-Pack [33] amb una xarxa de 2 x 2 x 4 punts K en la zona de Brillouin.

90

A fi d’establir la naturalesa de l’estat fonamental dels sistemes, s’han realitzat càlculs periòdics considerant diferents solucions electròniques de capa tancada i capa oberta amb diferents ordenacions de l’espín. Aquestes solucions s’han definit mitjançant l’aproximació de simetria trencada (broken-symmetry, BS) amb funcions polaritzades d’espín (spin polarized), utilitzant un esquema descrit prèviament [34]. Les solucions calculades (figura 3) han estat les següents: a) la solució d’alt espín, que representaria un estat ferromagnètic (FM) en què cada molècula presenta un electró desaparellat, amb una ordenació dels espins paral·lela en totes les direccions (figura 3a); b) una solució de baix espín, amb un ordre d’espins paral·lels en la direcció dels apilaments π i antiparal·lels en els plans perpendiculars a l’apilament (AFM, figura 3b); c) una segona solució de baix espín, en aquest cas ordenant els espins de forma paral·lela en el pla perpendicular a l’apilament i de forma antiparal·lela al llarg de l’apilament (AFM1, figura 3c); d) una darrera solució d’espín baix, amb els espins completament antiparal·lels en totes les direccions del cristall (AFM2, figura 3d), i e) la solució diamagnètica, és a dir, de capa tancada (closed shell, CS). Per generar aquestes solucions s’han fet servir dos tipus de cel·les cristal·lines. En el cas de les solucions que presenten una ordenació d’espins antiparal·lels al llarg de l’eix de l’apilament π, el model ha consistit en una cel· la unitària corresponent a la cel·la convencional cristal·logràfica, amb 4 molècules (80 àtoms en total). En canvi, per a les solucions que presenten els espins ordenats antiparal·lelament

Revista Quimica 17.indd 90

al llarg de l’eix de l’apilament, s’ha hagut de duplicar la cel·la convencional en aquesta direcció, fet que implica una reducció de la simetria del sistema. En aquest cas, el model constarà de 8 radicals (160 àtoms). En tots els models s’han utilitzat les estructures cristal·lines determinades experimentalment i publicades per Robertson et al. [14] a 100 K.

Resultats i discussió Tal com s’ha esmentat anteriorment, el primer pas en l’estudi de la família de materials moleculars derivats del bisditiazolil ha estat l’avaluació de l’estabilitat de diferents solucions electròniques.

Taula 2. Energies per fórmula unitària (en cm–1) de les diferents solucions electròniques obtingudes a nivell de B3LYP per als sistemes 1-4 Sistema

FM

CS

AFM

AFM1

AFM2

1

0

2 795

9,2

3,8

–0,7

2

0

2 478

23,1

16,2

9,2

3

0

—

9,6

–1,1

1,3

4

0

2 463

18,8

1,3

15,0

Totes les energies estan referides a la solució FM.

En la taula 2 s’indiquen les energies de les diferents solucions electròniques referides a la solució FM. Si analitzem aquests resultats, veiem que l’estat fonamental és diferent per a cadascun dels materials i s’estableix una relació entre el comportament magnètic i la quantitat de Se. En tots els casos, les solucions de menor energia són de capes obertes i mostren que els electrons es mantenen desaparellats i localitzats a cada molècula. De fet, la solució de capes tancades (diamagnètica) queda sempre a uns 2 500 cm–1 per sobre de les soluci-

07/01/2019 16:01:13

ons de capes obertes. En el sistema 1, les solucions FM i AFM2 són molt properes en energia, quasi degenerades. Aquest fet és indicatiu d’un comportament paramagnètic, en consonància amb les observacions experimentals. En el sistema 3, en canvi, sembla que la solució és més estable si els espins al llarg de l’eix dels apilaments π es troben ordenats antiparal·lelament, la qual cosa fa que la solució de més baixa energia sigui l’AFM1. Finalment, quant als materials 2 i 4, en tots dos la solució més estable a baixa temperatura és l’FM, fet que concorda amb l’increment de la magnetització observat experimentalment a baixa temperatura. Tots aquests comportaments magnètics associats als estats fonamentals calculats impliquen un comportament magnètic que concorda amb les dades experimentals reportades per Robertson et al. [14]. Si analitzem en detall els resultats obtinguts enfront de la ràtio S/Se dels compostos, podem observar que l’augment de seleni en els monòmers sembla estabilitzar la solució ferromagnètica. A més, comparant els casos 2 i 3, observem que, tot i tenir la mateixa ràtio S/Se, presenten un comportament magnètic diferent. Així doncs, no només és important la ràtio S/Se, sinó que, tal com s’havia vist en les dades experimentals, també hi ha un efecte per la posició del seleni. El comportament magnètic dels compostos és totalment diferent depenent de si el Se es troba en la posició E1 o E2, tant a nivell experimental com teòric. Aquesta diferència també s’observa en la conductivitat. Si comparem les conductivitats a 300 K i les energies tèrmiques d’activació dels materials 2 i 3 (vegeu la taula 1), observem el mateix comportament: tant l’energia d’activació com la conductivitat mostren que el sistema 3 és més conductor que el 2, la qual cosa confirma que el compost és sensible a la posició del Se, degut a una menor distància entre molècules dins del pla ab.

Si comparem els comportaments observats en analitzar les energies amb les dades de conductivitat (taula 1), observem que els compostos que presenten una certa degeneració de la solució FM amb alguna AFM o un estat fonamental AFM són també els que tenen conductivitats més baixes (compostos 1 i 3). A mesura que s’estabilitza la solució FM, la conductivitat dels compostos augmenta (compostos 2 i 4). És important remarcar, però, que en tots els casos la solució de capes tancades (o diamagnètiques) es troba força propera en energia (aproximadament, 300 meV). Aquest fet podria implicar que aquest tipus de solucions metàl·liques podrien tenir un paper rellevant per interpretar les propietats elèctriques d’aquests materials.

Revista Quimica 17.indd 91

Les estructures de bandes obtingudes per a tots els sistemes estudiats són semblants entre elles. A la figura 4, a títol d’exemple, es representen els diagrames de bandes de les solucions FM i AFM dels sistemes 1 i 4. De totes les solucions de capes obertes calculades, només s’ha representat l’AFM pels motius següents: a) totes les solucions de baix espín donen estructures de bandes molt similars, i b) com que el camí depèn de la cel·la simulada, s’han utilitzat els estats calculats amb la cel·la més petita per simplificar la comparació de l’estructura electrònica entre els sistemes.

En totes les solucions de capes obertes trobem un band gap indirecte de l’ordre d’un semiconductor, d’aproximadament 1,3 eV, en contrast amb la solució diamagnètica (de capes tancades), que és metàl·lica. Com es pot veure analitzant les estructures de bandes, en tots els casos les bandes al voltant del gap aïllant presenten poca dispersió.

Si analitzem les solucions de capes tancades, observem que, tal com passava amb les solucions de capes obertes, les estructures de bandes dels quatre sistemes són molt similars.

A la figura 5 hem representat els diagrames de bandes obtinguts per a aquesta solució en els compostos 1 i 4. Comparant els diagrames de bandes de la solució CS amb els de les solucions AFM, veiem que les bandes AFM semblen originar-se amb un desdoblament de les bandes CS. En el cas de la solució diamagnètica, les bandes són més amples i tallen el nivell de Fermi, de manera que en resulta una solució conductora.

Les bandes obtingudes en les diferents solucions presenten poca dispersió. Aquest fet podria indicar que l’acoblament electrònic en aquests sistemes és força dèbil, requisit necessari per poder emprar el model de hopping en el càlcul de la conductivitat.

Malgrat la poca diferència que hi ha entre les estructures de bandes dels diferents sistemes descrits en aquesta secció, la conductivitat observada experimentalment varia d’una manera significativa, la qual cosa indica que es requereix un estudi més detallat del mecanisme de conducció. El model utilitzat habitualment per descriure la conductivitat en aquests sistemes seria el de hopping, però els nostres càlculs mostren que en tots els casos la solució metàl·lica (CS) es troba relativament a prop, i aquest estat podria participar en el mecanisme del material i fer que el model de bandes rígides no fos vàlid.

A priori, la similitud dels valors de band gap i les estabilitats

91

07/01/2019 16:01:13

Figura 4. Diagrames de bandes de les solucions FM (a, b) i AFM (c, d ) dels sistemes 1 i 4.

Figura 5. Diagrames de bandes de la solució CS dels sistemes 1 (a) i 4 (b).

92

de les solucions no podrien explicar la progressió de les propietats conductores en els sistemes. Per tant, el model de bandes no és suficient per descriure satisfactòriament el transport. Tot i així, la proximitat de la solució de capes tancades en tots els sistemes podria indicar que el model de transport

Revista Quimica 17.indd 92

per hopping per si sol tampoc és suficient per descriure la conductivitat en aquests sistemes. Aquest fet requereix una anàlisi més detallada de les propietats d’aquests compostos mitjançant models més elaborats, que s’estan desenvolupant en l’actualitat.

07/01/2019 16:01:13

Conclusions Les energies obtingudes per a les diferents solucions electròniques mostren una concordança entre l’estat fonamental del material i el comportament magnètic experimental. Tanmateix, s’ha pogut observar una certa correlació entre aquest estat fonamental calculat i el canvi en la conductivitat.

Les bandes poc disperses i el band gap de l’ordre de ~1,3 eV per a tots els materials, corresponent a un semiconductor, ens indica que el model de transport de bandes no pot explicar la diferència en les propietats elèctriques d’aquests sistemes. Tot i així, la proximitat amb una solució metàl·lica ens fa sospitar que potser en algun dels materials el model de hopping no serà suficient.

Actualment, s’està treballant en la modelització de la conductivitat del sistema mitjançant el model de transport de càrrega per hopping, avaluant els diferents paràmetres microscòpics mitjançant models simplificats de dímers que es podran validar utilitzant els resultats obtinguts amb els models periòdics. La complexitat de l’estructura electrònica dels materials multifuncionals fa que sigui important combinar els resultats de models locals i periòdics per aprofitar els avantatges de les aproximacions disponibles. Això permetrà la racionalització de les propietats d’aquest tipus de materials multifuncionals.

Agraïments Agraïm el suport econòmic del Ministeri d’Economia, Indústria i Competitivitat (projectes MAT2014-54025-P, CTQ201676423-P i CTQ2017-87773-P) i de la Generalitat de Catalunya (2014-SGR-1422 i 2017-SGR-348). Cristina Roncero agraeix a la Universitat de Barcelona la beca de doctorat APIF.

Referències i altres fonts [1] Klauk, H. Organic electronics: materials, manufacturing and applications. Weinheim: Wiley-VCH, 2006.

[2] Klauk, H. Organic electronics II: more materials and applications. Weinheim: Wiley-VCH, 2012.

[3] Bre, J.; Beljonne, D.; Coropceanu, V. «Charge-transfer and energy-transfer processes in π-conjugated oligomers and polymers: a molecular picture». Chem. Rev., vol. 104 (2004), núm. 11, p. 4971-5004.

Revista Quimica 17.indd 93

[4] Fabian, J.; Sarma, S. D. «Spintronics: fundamentals and applications». Rev. Mod. Phys., vol. 76 (2004), p. 323-410.

[5] Miller, J. S.; Gatteschi, D.; Sanvito, S. «Molecule-based magnets themed issue molecular spintronics». Chem. Soc. Rev., vol. 40 (2011), p. 3336-3355.

[6] Naber, W. J. M.; Faez, S.; Wiel, W. G. van der. «Organic spintronics». J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 40 (2007), p. R205-R228.

[7] Devkota, J.; Geng, R.; Subedi, R. C.; Nguyen, T. D. «Organic spin valves: a review», Adv. Funct. Mater., vol. 26 (2016), p. 38813898.

[8] Szulczewski, G.; Sanvito, S.; Coey, M. «A spin of their own».

Nat. Mat., vol. 8 (2009), p. 693-695.

[9] Kubas, A.; Gajdos, F.; Heck, A.; Oberhofer, H.; Elstner, M.; Blumberger, J. «Electronic couplings for molecular charge transfer: benchmarking CDFT, FODFT and FODFTB against high-level ab initio calculations. II». Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 17 (2015), p. 14342-14354.

[10] Kobayashi, H.; Kobayashi, N.; Hosoi, S.; Koshitani, N.; Murakami, D.; Shirasawa, R.; Kudo, Y.; Hobara, D.; Tokito, Y.; Itabashi, M. «Hopping and band mobilities of pentacene, rubrene, and 2,7-dioctyl[1] benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene (C8-BTBT) from first principle calculations». J. Chem. Phys., vol. 139 (2013), p. 014707.

[11] Oberhofer, H.; Reuter, K.; Blumberger, J. «Charge transport in molecular materials: an assessment of computational meth­ods». Chem. Rev., vol. 117 (2017), p. 10319-10357.

[12] Marcus, R. A. «On the theory of oxidation-reduction reactions involving electron transfer. I». J. Chem. Phys., vol. 24 (1956), p. 966-978.

[13] Marcus, R. A. «Electron transfer reactions in chemistry.

Theory and experiment». Rev. Mod. Phys., vol. 65 (1993), p. 599-610.

[14] Robertson, C. M.; Leitch, A. A.; Cvrkali, K.; Reed, R. W.; Myles, D. J. T.; Dube, P. A.; Oackley, R. T. «Enhanced conductivity and magnetic ordering in isostructural heavy atom radicals».

J. Am. Chem. Soc., vol. 130 (2008), p. 8414-8425.

[15] Robertson, C. M.; Leitch, A. A.; Cvrkalj, K.; Myles, D. J. T.; Reed, R. W.; Dube, P. A.; Oakley, R. T. «Ferromagnetic ordering in bisthiaselenazolyl radicals: variations on a tetragonal theme».

J. Am. Chem. Soc., vol. 130 (2008), p. 14791-14801.

[16] Leitch, A. A.; Yu, X.; Winter, S. M.; Secco, R. A.; Dube, P. A.; Oakley, R. T.; Ls, O. «Structure and property correlations in heavy atom radical conductors». J. Am. Chem. Soc., vol. 131 (2009), p. 7112-7125.

[17] Leitch, A. A.; Lekin, K.; Winter, S. M.; Downie, L. E.; Tsuruda, H.; Tse, J. S.; Mito, M.; Desgreiners, S.; Dube, P. A.; Zhang, S.;

93

07/01/2019 16:01:13

Liu,Q.; Jin, C.; Ohishi, Y.; Oakley, R. T. «From magnets to metals: the response of tetragonal bisdiselenazolyl radicals to pres­ sure». J. Am. Chem. Soc., vol. 133 (2011), p. 6051-6060.

[18] Lekin, K.; Phan, H.; Winter, S. M.; Wong, J. W. L.; Leitch, A. A.; Laniel, D.; Yong, W.; Secco, R. A.; Tse, J. S.; Desgreniers, S.; Dube, P. A.; Shatruk, M.; Oakley, R. T. «Heat, pressure and light-induced interconversion of bisdithiazolyl radicals and dimers». J. Am. Chem. Soc., vol. 136 (2014), p. 8050-8062.

[19] Hohenberg, P.; Kohn, W. «Inhomogeneous electron gas».

Phys. Rev., vol. 136 (1964), p. B864-B871.

[20] Kohn, W.; Sham, L. J. «Self-consistent equations including exchange and correlation effects». Phys. Rev., vol. 140 (1965), p. A1133-A1138.

[21] Becke, A. D. «Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange». J. Chem. Phys., vol. 103 (1993), p. 361-363.

[22] Dovesi, R.; Orlando, R.; Civalleri, B.; Roetti, C.; Saunders, V. R.; Zicovich-Wilson, C. M. Z. «CRYSTAL: a computational tool for the ab initio study of the electronic properties of crystals».

Kristallogr., vol. 220 (2005), p. 571-573.

[23] Dovesi, R.; Saunders, V. R.; Roetti, C.; Orlando, R.; Zicovich-Wilson, C. M.; Pascale, F.; Civalleri, B.; Doll, K.; Harrison, N. M.; Bush, I. J.; D’Arco, P.; Llunell, M. CRYSTAL09 User’s manual.

Torí: Università degli Studi di Torino, 2009.

[24] Dovesi, R.; Civalleri, B.; Orlando, R.; Roetti, C.; Saunders, V. R. «Ab initio quantum simulation in solid state chemistry». Rev. Comput. Chem., vol. 21 (2005), p. 1-125.

[25] Pisani, C. (ed.). Quantum-mechanical ab-initio calcula­ tions of the properties of crystalline materials. Berlín: Springer, 1996. (Lecture Notes in Chemistry; 67).

[26] Gatti, C.; Saunders, C.; Roetti, C. «Crystal-field effects on the topological properties of the electron-density in molecular-crystals - the case of urea». J. Chem. Phys., vol. 101 (1994), p. 10686-10696.

[27] Hay, P. J.; Wadt, W. R. «Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for main group elements Na to Bi». J. Chem. Phys., vol. 82 (1985), p. 284.

[28] Crystal. <http://www.crystal.unito.it/> [Consulta: 24 abril 2018].

[29] Peterson, K. A.; Figgen, D.; Goll, E.; Stoll, H.; Dolg, M. «Systematically convergent basis sets with relativistic pseudopotentials. II. Small-core pseudopotentials and correlation consistent basis sets for the post-d group 16-18 elements».

J. Chem. Phys., vol. 119 (2003), p. 11113-11123.

[30] Ouazzani, T.; Lichanot, A.; Pisani, C.; Roetti, C. «Relaxation and electronic structure of surfaces in lithium sulphide: a Hartree-Fock ab initio approach». J. Phys. Chem. Solids., vol. 54 (1993), p. 1603-1611.

[31] Heyd, J.; Peralta, J. E.; Scuseria, G. E.; Martin, R. L. «Energy band gaps and lattice parameters evaluated with the Heyd-­ Scuseria-Ernzerhof screened hybrid functional». J. Chem.

Phys., vol. 123 (2005), p. 174101.

[32] Prencipe, M. Tesi doctoral. 1990, p. 87-89.

[33] Monkhorst, H. J.; Pack, J. D. «Special points for Brillouin-zone integrations». Phys. Rev. B, vol. 13 (1976), p. 5188-5192.

[34] Rivero, P.; Moreira, I. de P.; Illas, F. «Spin Hamiltonian effective parameters from periodic electronic structure calculations». J. Phys.: Conf. Ser., vol. 117 (2008), p. 012025.

94

Revista Quimica 17.indd 94

07/01/2019 16:01:13

C. Roncero

M. Deumal

J. Ribas

I. de P. R. Moreira

Cristina Roncero va néixer el 1992 a Barcelona i es va graduar en química per la Universitat de Barcelona (UB) el 2015. Ha fet el Màster Interuniversitari de Modelització Computacional Atomística i Multiescala en Física, Química i Bioquímica i, actualment, cursa els estudis de doctorat a la UB amb una beca APIF, sota la direcció dels professors Mercè Deumal i Ibério de P. R. Moreira.

Mercè Deumal és doctora en química per la Universitat de Barcelona (UB, 1999). Des del 2005, és professora agregada Serra Húnter a la Secció de Química Física de la UB. La seva recerca se centra en l’estudi de materials moleculars amb propietats magnètiques i conductores, amb la finalitat de caracteritzar les interaccions magnètiques i de conducció a nivell microscòpic, interpretar-ne el mecanisme de propagació i simular-ne les propietats macroscòpiques.

Jordi Ribas és doctor en química per la Universitat de Barcelona (UB) des del 2006. Després d’una estada de recerca postdoctoral a la Universitat del Ruhr a Bochum amb una beca Humboldt, va obtenir un contracte Ramón y Cajal a la UB. Des del 2015 és professor agregat de la Secció de Química Física de la UB, i també és membre de l’Institut de Química Teòrica i Computacional de la UB. Els seus interessos en recerca inclouen estudis teoricocomputacionals de materials moleculars biestables, de materials moleculars magnètics i conductors, de mecanoquímica i de química verda.

Ibério de P. R. Moreira és doctor en química per la Universitat de Barcelona (UB, 2001) i actualment és professor titular del Departament de Ciència de Materials i Química Física de la UB. Va fer l’estada postdoctoral a la Universitat de Torí (Itàlia) i ha realitzat estades de recerca al Los Alamos National Laboratory (Nou Mèxic, EUA) i a les universitats Paul Sabatier de Tolosa (França), Groningen (Països Baixos) i Lund (Suècia). És coordinador del Màster Interuniversitari en Modelització Computacional Atomística i Multiescala en Física, Química i Bioquímica, organitzat per la UB i la Universitat Politècnica de Catalunya. Ha dut a terme estudis sobre l’estructura electrònica i les propietats magnètiques de sòlids i complexos organometàl·lics i actualment la seva recerca se centra en l’estudi de l’estabilitat i la reactivitat de radicals i nanomaterials orgànics.

95

Revista Quimica 17.indd 95

07/01/2019 16:01:15

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 96-106 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.100 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Exploració d’efectes estèrics de substituents en lligands a l’spin crossover de complexos de Fe(II) An examination of steric ligand substituent effects on the spin crossover in Fe(II) complexes Carlos Bartual-Murgui,1 Sergi Vela, 2 Mohanad Darawsheh,1 Rosa Diego,1 Simon Teat,3 Olivier Roubeau,4 Guillem Aromí1 Universitat de Barcelona. Departament de Química Inorgànica i Orgànica i Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB) 2 Universitat d’Estrasburg. Laboratori de Química Quàntica 3 Lawrence Berkeley National Laboratory. Advanced Light Source 4 Universitat de Saragossa - CSIC. Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA)

1

Resum: Identificar els factors que afecten la temperatura de l’spin crossover (SCO) és una tasca desafiant, ja que s’hi involucren diverses variables. Presentem una sèrie de tres derivats de Fe(II) 1,3-bpp de (2-(pirazol-1-il)-6-(1H-pirazol-3-il)piridina: 1) [Fe(1,3-bpp)2](ClO4)2; 2) [Fe(met1,3-bpp)2](ClO4)2, i 3) [Fe(dimet1,3-bpp)2](ClO4)2, i revelem com els substituents del lligand (cap, un metil o dos metils) poden modular dràsticament la temperatura de l’SCO a través d’interaccions intramoleculars i no covalents. Aquesta modulació de la temperatura de l’SCO es va observar en estat sòlid i en solució (amb TSCO (3) > TSCO (1) > TSCO (2)), la qual cosa permet quantificar la influència dels metils en la temperatura de l’SCO. L’origen d’aquests efectes es va demostrar per càlculs DFT, excloent efectes d’empaquetament dels cristalls i posant èmfasi en les interaccions intramoleculars no covalents o estèriques.

Paraules clau: Spin crossover, complexos de Fe(II).

Abstract: Identifying the individual factors affecting the temperature of spin crossover (SCO) is a challenging task since many variables are involved. We present a series of three Fe(II) derivatives of 1,3-bpp of (2-(pyrazol-1-yl)-6-(1H-pyrazol-3-yl) pyridine: [Fe(1,3-bpp)2](ClO4)2 (1), [Fe(met1,3-bpp)2](ClO4)2 (2), and [Fe(dimet1,3-bpp)2](ClO4)2 (3), revealing how the ligand substituents (containing zero, one or two methyl) can modulate drastically the SCO temperature through intramolecular non-covalent interactions as the main factor. This modulation of SCO temperature was observed in solid state and in solution (with TSCO (3) > TSCO (1) > TSCO (2)), allowing quantification of the influence of methyl substituents on SCO temperature. The origin of these effects was demonstrated by DFT calculations, excluding crystal packing effects and emphasizing intramolecular non-covalent or steric interactions.

Keywords: Spin crossover, Fe(II) complexes.

Introducció

E

ls complexos metàl·lics de transició octaèdrics en les configuracions de d4 a d7 poden trobar-se en dos estats d’espín diferents, depenent de l’energia de desdoblament dels orbitals t2g versus els eg en relació amb l’energia necessària per a aparellar dos electrons dins d’un orbital d. Si ambdues energies són comparables, és probable que el sistema presenti spin crossover (SCO) després d’aplicar petites pertorbacions externes [1-3]. Aquestes transicions d’espín produeixen canvis importants no només en les propietats

96

Correspondència: Rosa Diego Creixenti Universitat de Barcelona. Departament de Química Inorgànica i Orgànica.

Secció de Química Inorgànica Av. Diagonal, 645. 08028 Barcelona Tel.: +34 675 589 094 A/e: rosa.diego@qi.ub.es

Revista Quimica 17.indd 96

magnètiques, sinó també en l’estructura i en una sèrie de propietats físiques [4, 5]. Per aquest motiu, aquest fenomen es considera com una entrada prometedora en materials de commutació basats en molècules per a possibles aplicacions en nanotecnologia [6, 7]. Entre els metalls apropiats, el Fe(II) és especialment interessant, perquè la transició alterna el complex entre un estat diamagnètic (S = 0) i un estat paramagnètic (S = 2), provoca canvis dràstics de color i condueix a variacions de distàncies d’enllaç de Fe-lligand del 10 % o més grans [8, 9]. Per a un ió metàl·lic donat, la temperatura i la dinàmica de l’SCO són afectades per molts factors, sovint superposats, dependents dels lligands [10], del sistema cristal· lí [11], d’interaccions intermoleculars [5, 12, 13] o d’interaccions secundàries d’enllaç [14-16]. Molts químics sintètics estan dedicant esforços a dissenyar i crear complexos amb l’objectiu de donar a conèixer la influència específica de cada factor i, si fos possible, amb independència de qualsevol altre

07/01/2019 16:01:15

efecte. Nombroses formes en què la naturalesa específica dels lligands afecta la termodinàmica de l’SCO s’han estudiat recentment [10]. La millor manera d’investigar-ho, sempre que sigui possible, és en solució, més que en estat sòlid, ja que aquesta última situació implica sovint l’existència de solvatomorfs [17-26] i de vegades polimorfs [11], els quals afecten dràsticament les propietats de l’SCO. Els efectes en el camp de lligands, a causa de la incorporació de substituents en els lligands, s’han estudiat extensivament, però a vegades han donat resultats que poden semblar conflictius [27-30]. Alguns dels primers estudis indiquen la diferència entre les propietats de σ-donador i π-acceptor dels lligands per a explicar la complexitat dels efectes dels substituents en lligands sobre les propietats de l’SCO [30, 31]. Molt recentment, l’estudi en solució d’una extensa família de complexos 1bpp/Fe(II) (1bpp = 2,6-bis-(pirazol-1-il)-piridina) que presenten una varietat de substituents sobre la piridina central o sobre els anells de pirazole ha demostrat la coexistència i l’efecte oposat d’ambdues propietats d’enllaç, σ i π, així com la seva importància relativa depenent de la posició del substituent [32]. Una altra manera en què els substituents influeixen en la temperatura de l’SCO és a través de variacions en les interaccions intramoleculars o repulsives resultants dels canvis estructurals que acompanyen la transició d’espín. Aquest no és el cas de l’estudi esmentat, ja que els substituents investigats es localitzen en llocs distals, per la qual cosa no participen en aquestes interaccions. No obstant això, s’ha demostrat experimentalment que diverses famílies de lligands estabilitzen o fins i tot atrapen l’alt espín (HS) dels complexos de Fe(II) mitjançant la introducció d’una restricció estèrica a la unió retràctil que es produeix en l’SCO a l’estat d’espín baix (LS) [33-37]. Aquest factor també s’ha racionalitzat a través de càlculs DFT [37, 38]. En casos menys comuns, les interaccions intramoleculars bloquegen o impedeixen la transició cap a l’estat HS. Això succeeix en un complex escorpí de Fe(II) que presenta un grup voluminós que exerceix una repulsió estèrica intralligand, amb l’allargament de les distàncies de l’enllaç Fe–N que acompanya l’SCO [39]. També s’ha suggerit que succeeix amb el catió [Fe(Me4-1bpp)2]2+ (Me4-1bpp = 2,6-bis-(3,5-dimetilpirazol-1-il)-piridina), com a resultat de la interacció dels grups metil en la posició 5 del pirazole amb la piridina central en el cor d’1bpp [10]. El mateix efecte es va utilitzar per a explicar la disminució de la temperatura de l’SCO en un complex de Fe(II) d’un derivat d’indazoïlpiridina [35]. Hem dissenyat un sistema de lligands per a provar aquests dos efectes oposats del camp de lligands amb una sèrie analògica de complexos

Revista Quimica 17.indd 97

de Fe(II). Així, s’han preparat tres lligands: 2-(pirazol-1-il) -6-(1H-pirazol-3-il)piridina (1,3bpp), 2-(3-metilpirazol-1il)-6-(1H-pirazol-3-il)piridina (met1,3bpp) i 2-(3,5-dimetilpirazol-1-il)-6-(1H-pirazol-3-il)piridina (dimet1,3bpp), que mostren, respectivament, zero, un i dos substituents en els anells de pirazol-1-il. Es van preparar els corresponents complexos homolèptics de Fe(II): 1) [Fe(1,3bpp)2](ClO4)2 (publicat prèviament [40]); 2) [Fe(met1,3bpp)2](ClO4)2, i 3) [Fe(dimet1,3bpp)2](ClO4)2, i se’n va determinar les propietats magnètiques en estat sòlid i en solució. Els resultats mostren que el metil en la posició 3 afavoreix l’estat HS en comparació amb el sistema no substituït, i que el mateix substituent en la posició 5 afavoreix l’estat LS, amb una incidència més forta.

Aquests resultats s’han racionalitzat i quantificat amb l’ajuda de càlculs DFT en termes d’efecte d’interacció interlligands i intralligands. El mètode computacional s’ha utilitzat per a investigar el potencial de l’anàleg amb només un metil en la posició 5 (complex 4), no accessible de forma experimental amb el nostre procediment sintètic. Això ha permès confirmar les tendències observades i la seva interpretació.

Resultats i discussió Síntesi Els lligands met1,3bpp i dimet1,3bpp es van preparar en tres passos utilitzant un procediment anàleg a la síntesi d’1,3bpp [40]. Així, els diferents anells de pirazole substituïts s’acoblen a partir d’un àtom de N a la 2-acetil-6-bromopiridina. El pirazole amb un únic substituent s’acobla a l’àtom de nitrogen menys impedit i condueix al lligand met1,3bpp amb el substituent en la posició 3. Això, de fet, evita l’ús d’aquest procediment per a preparar met1,3bpp amb el metil en la posició 5. El producte és després funcionalitzat a la posició carbonílica amb N,N-dimetilformamida-dimetilacetal en el corresponent grup 3-(dimetilamino)prop-2-en-1-ona, el qual és ciclat fàcilment mitjançant un tancament d’anell amb hidrazina per a donar el grup pirazol-3-il de la piridina central, comú a tots els lligands d’1,3bpp. S’ha preparat el complex [Fe(1,3bpp)2] (ClO4)2 (1) tal com s’ha publicat [40]. Es podria obtenir, seguint procediments diferents, com a dos polimorfs diferents, 1a i 1b. Es van obtenir complexos [Fe(met1,3bpp)2](ClO4)2 (2) i [Fe(dimet1,3bpp)2](ClO4)2 (3) per reacció directa de la sal hidratada Fe(ClO4)2 amb els lligands met1,3bpp i dimet1,3bpp, respectivament, en presència d’una quantitat catalítica d’àcid

97

07/01/2019 16:01:15

ascòrbic per a evitar l’oxidació de Fe(II) a Fe(III). El compost 2 es va obtenir a partir d’una reacció en etanol absolut que produïa una solució groga, utilitzant hexà com a mitjà de cristal· lització. Els dissolvents utilitzats per a obtenir 3 com a cristalls vermells són l’acetona i l’èter dietílic.

Descripció de les figures L’estructura del complex 1 ja s’ha descrit en una publicació anterior [40]. Aquest compost es pot obtenir seguint dos procediments diferents, com a dos polimorfs, 1a i 1b, que mostren dues organitzacions diferents dels complexos catiònics de Fe(II) estretament relacionades amb les observades per als compostos 2 i 3, respectivament (vegeu més avall).

Complex [Fe(met1,3bpp)2](ClO4)2 L’estructura de 2 es va determinar a 100 K, sobre cristalls que havien canviat a vermell a partir del seu color groc original a temperatura ambient. El compost es troba lliure de solvent i en el grup espacial monoclínic C2/c. La unitat asimètrica consta d’una unitat de fórmula, i vuit d’aquestes estan presents en la cel·la unitària. El complex catiònic presenta un centre octaèdric distorsionat de Fe(II) coordinat a dos lligands tris-imina de met1,3bpp que són aproximadament perpendiculars entre si (figura 1). Com a resultat del caràcter asimètric dels lligands, aquest complex és quiral. Els dos enantiòmers estan presents a la xarxa, la qual és racèmica. La mitjana de les distàncies Fe-N és de 1,96(4) Å, la qual cosa corrobora l’estat LS del compost a aquesta temperatura. L’estat d’espín també és evident a partir

98

Figura 1. Representació molecular del compost 2 a 100 K amb els heteroàtoms etiquetats. Només es mostren els àtoms d’hidrogen dels grups N-H (en groc).

Les línies discontínues corresponen a enllaços d’hidrogen.

Revista Quimica 17.indd 98

dels paràmetres de distorsió Σ i Θ [41-43], que equivalen a 93,2 i 367,8, respectivament, uns valors situats dins de la regió prevista per als compostos LS [9]. Com és d’esperar en estructures de Fe/bpp sense dissolvents, amb almenys un anell de pirazole per lligand, els anions ClO4 estableixen enllaços d’hidrogen amb els seus grups N-H (figura 1). Els complexos s’organitzen a la xarxa com un dels polimorfs esmentat anteriorment, el compost 1 (1a) [40]. Així, es disposen com fulls que contenen els cations [Fe(met1,3bpp)2]2+. Dins els fulls, cada complex interactua amb dos veïns mitjançant dues interaccions π···π i sis interaccions C-H···π. Entre els fulls, cada catió estableix un total de sis contactes C-H···π més dèbils amb dos congèneres propers (figura 2). Les distribucions paral·leles dins d’aquests fulls alternen complexos de quiralitat oposada i també dues orientacions diferents. L’angle entre complexos en aquestes dues orientacions (mesurat mitjançant plans ideals de dos lligands equivalents) és de 41,40°. L’estructura de 2 també es va determinar a 300 K, en cristalls que s’havien convertit en groc pàl·lid com a conseqüència d’una conversió d’LS a HS. Després de l’SCO i l’expansió tèrmica, la cel·la unitària experimenta un creixement isotròpic, amb una expansió del volum del 5 %, la qual cosa es tradueix en un augment de la separació entre fulls de complexos catiònics de fins a 9,767 i 9,894 Å, respectivament. A més, la distància mitjana Fe-N a aquesta temperatura és de 2,16(2) Å, mentre que els paràmetres de distorsió són Σ = 147,5 i Θ = 378,2, respectivament, i confirmen que a 300 K el compost es troba en la configuració HS.

Figura 2. Organització dels cations de 2 en fulls, emfatitzant les seves dues direccions i les interaccions de cada complex amb els seus veïns més pròxims en el full.

07/01/2019 16:01:15

Complex [Fe(dimet1,3bpp)2](ClO4)2 L’estructura molecular de 3 es va determinar a 100 i 296 K. A les dues temperatures, la xarxa presenta el mateix grup espacial monoclínic P21/n, la unitat asimètrica coincideix amb la fórmula empírica i la cel·la unitària inclou quatre d’aquestes.

El complex catiònic [Fe(dimet1,3bpp)2]2+ és anàleg al de 2, ara amb el lligand dimet1,3bpp (figura 3). La mitjana de les distàncies Fe-N (1,95(4) Å a ambdues temperatures) i els paràmetres de distorsió Σ/Θ (88,7/367,2 i 90,0/367,1, respectivament) mostren que els centres de Fe(II) es troben en l’estat LS a 100 i 296 K. Els intents d’obtenir l’estructura de 3 en l’estat HS (> 400 K) no van tenir èxit a causa del dany del cristall. En l’estat LS, la xarxa està relacionada amb l’organització en fulls del compost 2. Una diferència principal és que dins dels fulls dels complexos catiònics, la quiralitat i l’orientació dels complexos són idèntiques, mentre que la distribució dels cations s’alterna en el moviment a través de capes adjacents. Dins de cada full, cada complex té quatre veïns, que estableixen quatre interaccions π···π i vuit interaccions C-H···π (figura 4). Curiosament, aquesta particular disposició és la mateixa que la de l’altre polimorf del compost 1 (1b), també caracteritzat anteriorment [40]. L’homogeneïtat de les fases descrites anteriorment va ser establerta mitjançant mètodes de difracció de raigs X en pols (PXRD). La puresa i l’homogeneïtat del compost 1, en les seves dues formes polimòrfiques, respectivament, s’havien establert anteriorment utilitzant aquest mètode [40].

Per als casos de 2 i 3, també es van realitzar experiments mitjançant el mètode PXRD. Els resultats demostren que, en ambdós casos, el material correspon al compost presentat per difracció de raigs X de monocristall.

Figura 3. Representació molecular del compost 3 a 100 K amb els heteroàtoms etiquetats. Només es mostren els àtoms d’hidrogen dels grups N-H (en groc).

Les línies discontínues corresponen a enllaços d’hidrogen.

Revista Quimica 17.indd 99

Figura 4. Organització dels cations de 3 en fulls, que mostra la seva única orientació i les interaccions de cada complex amb els seus veïns més pròxims en el full.

Propietats magnètiques i tèrmiques en estat sòlid La influència dels substituents de metil en l’SCO de complexos d’1,3bpp/Fe(II) es va avaluar a través de mesures magnètiques de susceptibilitat. Les dades de les mostres policristal·lines de 2 i 3 van ser recollides entre 5 i 400 K en els modes d’escalfament i refredament sota un camp magnètic constant i es van comparar amb les dels polimorfs 1a i 1b. Tots els resultats es mostren a la figura 5 en forma d’χmT vs. T (χm és la susceptibilitat paramagnètica molar). A baixa temperatura, tots els complexos són essencialment diamagnètics, amb valors d’χmT a 100 K que oscil·len entre 0,06 i 0,17 cm3 · K · mol–1. En tots els casos, en incrementar la temperatura es produeix un augment brusc d’χmT a valors gairebé constants de 3,01 (2), 3,26 (1a) i 3,4 cm3 · K · mol–1 (1b), mentre que per a 3 (2,64 cm3 · K · mol–1) encara augmenta a 400 K, la temperatura màxima aconseguida pel magnetòmetre. Els valors elevats de la temperatura mostren que els centres de Fe(II) arriben a l’HS (S = 2), i aquests resultats són consistents amb les dades obtingudes per SCXRD i amb el fenomen de l’SCO. Els perfils de l’SCO en el mode de refredament són gairebé superposables als del mode d’escalfament, la qual cosa indica l’absència d’histèresi, tot i que les transicions de 2 i 1b són clarament més abruptes que les d’1a i 3. Els diversos sistemes, a més, mostren una temperatura de transició dràsticament diferent, amb valors de T1/2 de 183 (2), 278 (1a), 314 (1b) i 378 K (3).

Aquestes observacions són totalment compatibles amb la dependència de la temperatura de la capacitat de calor molar.

99

07/01/2019 16:01:16

Estudis d’espectroscòpia per RMN 1H

Figura 5. Propietats d’SCO dels compostos 1a, 1b, 2 i 3; gràfiques d’χmT vs. T (superior) i mesures DSC (inferior). Les dades corresponen al mode d’escalfament.

100

De fet, s’observen anomalies a temperatures que coincideixen amb les dels processos d’SCO, les quals són molt estretes per a 2 i 1b i relativament amples per a 1a/3 (figura 5). L’excés d’entalpia i d’entropia associats amb l’SCO, ΔHSCO i ΔSSCO, proporcionen una mesura qualitativa de la cooperativitat en el procés d’SCO. L’excés d’entropies resulta ser molt més gran que el component electrònic Rln(5), la qual cosa indica un acoblament significatiu de l’SCO amb fonons de la xarxa.

Aquests paràmetres termodinàmics estan influïts per la temperatura dels processos d’SCO, que varia dràsticament en els compostos actuals. Tot i que els substituents del lligand d’1,3bpp certament tenen un impacte en T1/2, la marcada disparitat entre els polimorfs 1a i 1b (d’uns 40 K) demostra que l’empaquetament cristal·lí per si mateix és molt influent. Així, mentre que a l’estat sòlid les mesures són essencials per a investigar aquests últims efectes, especialment en la cooperativitat, aquesta tècnica no és apropiada per a quantificar amb independència la influència de la naturalesa i la ubicació dels substituents de metil en la temperatura de l’SCO.

Revista Quimica 17.indd 100

Per a identificar la influència del lligand en la temperatura de transició d’espín, excloent els efectes en estat sòlid, la millor opció és utilitzar un metodologia en solució, com l’RMN. La susceptibilitat paramagnètica a temperatura variable d’una substància soluble es pot calcular mitjançant aquesta tècnica utilitzant el mètode d’Evans [44-46]. Aquest es basa en la relació entre l’χm d’una substància paramagnètica i l’efecte que provoca en el desplaçament químic de qualsevol espècie en solució. Aquest efecte s’anomena desplaçament paramagnètic i es pot mesurar directament mitjançant una referència diamagnètica (com el TMS), recopilant l’espectre d’RMN amb un tub coaxial compost de dos compartiments separats que contenen tant el dissolvent com la referència. Un dels compartiments també ha de contenir l’espècie magnètica en solució. El desplaçament paramagnètic es pot obtenir directament de l’espectre, extraient la diferència entre els senyals de referència en tots dos compartiments. Els espectres d’RMN 1H a temperatura ambient dels complexos 1, 2 i 3 en CD3OD mostren conjunts de pics desplaçats i amplificats perpendicularment sense desdoblament hiperfí, consistents amb la simetria, el nombre de protons i la integració esperada en cada cas (considerant que els senyals dels grups N-H s’amplifiquen a causa de la seva proximitat a Fe(II) i la seva capacitat d’intercanvi). En aquests espectres, la resta de pics corresponen a TMS, MeOH residual, H2O i altres dissolvents, a més del lligand lliure. En vista de la seva estabilitat en la solució, els espectres dels tres compostos a diverses temperatures es van registrar entre 193 i 300 K. Les variacions del desplaçament paramagnètic de TMS proporcionen la dependència d’χm en la solució per a 1, 2 i 3 respecte de la temperatura. La gràfica d’χmT vs. T (figura 6) revela que els tres complexos presenten processos d’SCO graduals, amb valors de T1/2 (en K) de 232 (2), 262 (1) i 281 (3), aproximadament. Aquests valors es correlacionen amb les temperatures obtingudes a partir de mesures de susceptibilitat magnètica, mentre que les diferències s’atribueixen a la contribució dels efectes en l’estat sòlid. Aquests poden ser molt importants, com il·lustra la diferència de més de 100 K en la temperatura d’SCO del compost 3. A partir dels experiments de la solució, es dedueix que un grup metil en la posició 3 de l’anell de pirazole estabilitza l’estat HS respecte a l’estat LS (la qual cosa redueix la temperatura de l’SCO). La presència de grups metil en les posicions 3 i 5 condueix al resultat contrari, un augment de la temperatura de l’SCO. Per tant, un substituent en la posició 5 no només s’oposa a la in-

07/01/2019 16:01:16

Figura 6. Gràfica d’χMT vs. T derivada dels espectres d’RMN 1H en solució (d4-MeOH) d’1, 2 i 3 utilitzant el mètode d’Evans.

fluència del grup 3-metil, sinó que també té un impacte dominant. Això es podria corroborar si el compost amb només un grup metil en la posició 5 fos accessible de manera experimental, però aquest no és el cas (vegeu més amunt). En qualsevol cas, les dades anteriors demostren que l’elecció del derivat específic d’1,3bpp obre un mitjà d’ajust de la temperatura de l’SCO. Per a racionalitzar les causes dels efectes observats, es va investigar quin seria l’impacte net d’un hipotètic derivat de 5-metil mitjançant càlculs DFT.

Càlculs DFT L’estabilitat relativa dels estats HS i LS formats en fase gasosa es va calcular mitjançant DFT + U + D2 per als complexos 2 (derivat 3-metil) i 3 (derivat 3,5-dimetil) i per a un hipotètic derivat 5-metil (4). Els resultats es van comparar amb els publicats prèviament per al complex catiònic d’1 [37]. Les energies de les estructures optimitzades proporcionen les contribucions electròniques de la diferència d’entalpia existent entre els dos estats (ΔHelec). Els valors calculats són totalment coherents amb els resultats experimentals. Per a analitzar la influència del grup 3-metil, es van realitzar càlculs sobre les estructures optimitzades de 2LS i 2HS, després de substituir el grup metil per un àtom d’hidrogen i mantenint intacta la resta de la geometria. Aquestes espècies, anomenades 2core, equivalen a 1, però tenen configuracions nuclears HS i LS diferents. La comparació de les geometries optimitzades de 2 i 1

Revista Quimica 17.indd 101

revela que les estructures HS estan més allunyades entre elles que les geometries LS. Concretament, a l’HS, el pla del core d’1,3bpp presenta una rotació de ~10° al voltant del seu eix Npz-Fe-Npz quan es mou des d’1 fins a 2. Aquesta diferència pot ser deguda a l’efecte estèric del 3-metil, que empeny l’altre lligand cap enrere i, potser, també afavoreix una interacció atractiva de C-H···π entre el grup metil i la piridina central d’aquest lligand (figura 7). La contracció de l’esfera de coordinació de Fe(II) causada per l’SCO a l’estat LS força el grup metil a rotar i presentar dos contactes C-H···π més propers amb l’altre lligand (ara, aproximadament 2,8 Å cada un) en lloc d’un. La interacció atractiva pot ser ara no tan favorable o pot haver esdevingut repulsiva (la distància de l’enllaç Fe–N és més curta per al 3-pirazole que per a l’anell d’1-pirazole).

Aquests fets poden explicar l’estabilització global de l’estat HS. L’efecte individual del grup metil en la posició 5 es va estudiar analitzant l’hipotètic compost 4.

De la mateixa manera que amb el procés descrit anteriorment, s’ha utilitzat el complex sense metil 4core per a quantificar: a) la tensió del core de [Fe(1,3-bpp)2]2+, i b) les interaccions intramoleculars directes. Primerament, la comparació entre 4core i 1 mostra que l’estat HS és 4,7 kJ · mol–1 menys estable en el primer cas (amb un ΔHelec de 16,6 kJ · mol–1 en el 4core i d’11,9 kJ · mol–1 en 1). Això es pot interpretar en el sentit que la presència de 5-metil causa una tensió en el core de [Fe(1,3bpp)2]2+ i acomoda part de la congestió estèrica entre el 5-metil i la piridina central. En segon lloc, la diferència entre 4 (19,6 kJ · mol–1) i 4core quantifica l’impacte directe de les interaccions intralligand associades amb el 5-metil (figura 8).

Llavors, l’estabilització de l’estat LS com a resultat d’una re-

Figura 7. Geometries optimitzades per DFT + U + D2 del complex 2 en els dos estats.

L’estructura de l’estat HS (esquerra) emfatitza el contacte curt entre el 3-metil i l’altre lligand. L’estructura de l’estat LS emfatitza les dues interaccions interlligand pròximes.

101

07/01/2019 16:01:17

beca de doctorat (MD). Aquesta investigació utilitza recursos de la Font de Llum Avançada, un centre del Departament d’Energia (DOE) dels Estats Units (Scientific User Facilities) sota el contracte núm. DE-AC02-05CH11231.

Referències Figura 8. Geometries optimitzades per DFT + U + D2 del complex 4 en els dos estats.

S’emfatitza el contacte pròxim entre el 5-metil i la piridina central del mateix lligand.

pulsió intralligand es mostra i es prova teòricament per primera vegada. L’anàlisi computacional suggereix que l’estabilitat de l’estat HS vs. LS és influïda per les interaccions interlligand alterant l’esfera de coordinació de FeN6 i no per impediment estèric.

Conclusions Preparant una família de complexos anàlegs de [Fe(1,3bpp)2] (ClO4)2, amb bpp no substituït i 3-metil o 3,5-dimetil substi­ tuïts, es demostra que aquests substituents remots tenen un efecte dràstic en la temperatura d’SCO del portador d’espín Fe(II). Aquesta influència es manifesta en el comportament tèrmic de l’estat sòlid dels sistemes i, de manera molt significativa, en l’SCO en solució, en què els efectes d’empaquetament són absents. Els càlculs DFT mostren que aquests efectes dràstics es deuen a interaccions intramoleculars estèriques o no covalents, que afavoreixen l’estat LS o HS, depenent de la posició del substituent.

Agraïments

102

Els autors agraeixen a la Generalitat de Catalunya el premi ICREA Acadèmia 2008 i 2013 i expressen reconeixement al Consell Europeu de Recerca per la beca Starting Grant StG2010-258060 (GA), al Ministeri d’Economia i Competitivitat per les subvencions MAT201453961-R (OR), MAT201570868-ERC (OR ), CTQ2012-32247 (GA) i CTQ2015-68370-P (GA, CBM, RD), al Laboratoire d’Excellence «Chimie des Systèmes Complexes» per la beca postdoctoral ANR-10LABX0026CSC (SV), al High-Performance Computing (HPC) de la Universitat d’Estrasburg pels recursos computacionals (SV) i al programa Avempace II Erasmus Mundus Action 2 per una

Revista Quimica 17.indd 102

[1] Gütlich, P.; Hauser, A.; Spiering, H. «Thermal and optical switching of iron(II) complexes». Angew. Chem. Int. Ed. Engl., vol. 33 (1994), p. 2024-2054.

[2] Gütlich, P.; Gaspar, A. B.; Garcia, Y.; Beilstein, J. «Spin state switching in iron coordination compounds». Org. Chem., vol. 9 (2013), p. 342-391.

[3] Gütlich, P.; Goodwin, H. A. (ed.). Spin crossover in transition metal compounds I. Berlín; Heidelberg: Springer, 2004, p. 1-47.

[4] Gütlich, P.; Garcia, Y.; Goodwin, H. A. «Spin crossover phenomena in Fe(II) complexes». Chem. Soc. Rev., vol. 29 (2000), p. 419-427.

[5] Halcrow, M. A. «Structure: function relationships in molecular spin-crossover complexes». Chem. Soc. Rev., vol. 40 (2011), p. 4119-4142.

[6] Bousseksou, A.; Molnár, G.; Salmon, L.; Nicolazzi, W. «Molec­ ular spin crossover phenomenon: recent achievements and prospects». Chem. Soc. Rev., vol. 40 (2011), p. 3313-3335.

[7] Gamez, P.; Sanchez Costa, J.; Quesada, M.; Aromí, G. «Iron spin-crossover compounds: from fundamental studies to practical applications». Dalton Trans., vol. 38 (2009), p. 78457853.

[8] Olguin, J.; Brooker, S. «Spin crossover active iron(II) complexes of selected pyrazole pyridine/pyrazine ligands». Coord.

Chem. Rev., vol. 255 (2011), p. 203-240.

[9] Craig, G. A.; Roubeau, O.; Aromí, G. «Spin state switching in 2,6-bis(pyrazol-3-yl)pyridine (3-bpp) based Fe(II) complexes».

Coord. Chem. Rev., vol. 269 (2014), p. 13-31.

[10] Halcrow, M. A. «The effect of ligand design on metal ion spin state—lessons from spin crossover complexes». Crystals, vol. 6 (2016).

[11] Tao, J.; We, R. J.; Huang, R. B.; Zheng, L. S. «Polymorphism in spin-crossover systems». Chem. Soc. Rev., vol. 41 (2012), p. 703-737.

[12] Guionneau, P. «Crystallography and spin-crossover. A view of breathing materials». Dalton Trans., vol. 43 (2014), p. 382393.

[13] Fumanal, M.; Jiménez-Grávalos, F.; Ribas-Arino, J.; Vela, S. «Lattice-solvent effects in the spin-crossover of an Fe(II)-based

07/01/2019 16:01:17

material. The key role of intermolecular interactions between solvent molecules». Inorg. Chem., vol. 56 (2017), p. 44744483.

[14] Ni, Z.; Shores, M. P. «Magnetic observation of anion bind­ ing in iron coordination complexes: toward spin-switching chemosensors». J. Am. Chem. Soc., vol. 131 (2009), p. 32-33.

[15] Barrett, S. A.; Halcrow, M. A. «Anion-dependent spin crossover in solution for an iron(II) complex of a 1H-pyrazolyl ligand». RSC Adv., vol. 4 (2014), p. 11240-11243.

[16] Young, M. C.; Liew, E.; Ashby, J.; McCoy, K. E.; Hooley, R. J. «Spin state modulation of iron spin crossover complexes via hydrogen-bonding self-assembly». Chem. Commun., vol. 49 (2013), p. 6331-6333.

[17] Bonnet, S.; Molnár, G.; Costa, J. S.; Siegler, M. A.; Spek, A. L.; Bousseksou, A.; Fu, W. T.; Gamez, P.; Reedijk, J. «Influence of sample preparation, temperature, light, and pressure on the twostep spin crossover mononuclear compound [Fe(bapbpy) (NCS)2]». Chem. Mater., vol. 21 (2009), p. 1123-1136.

[18] Wei, R. J.; Tao, J.; Huang, R. B.; Zheng, L. S. «Reversible and irreversible vapor-induced guest molecule exchange in spin-crossover compounds». Inorg. Chem., vol. 50 (2011), p. 8553-8564.

[19] Zhang, W.; Zhao, F.; Liu, T.; Yuan, M.; Wang, Z. M.; Gao, S. «Spin crossover in a series of iron(II) complexes of 2-(2-alkyl2H-tetrazol-5-yl)-1,10-phenanthroline: effects of alkyl side chain, solvent, and anion». Inorg. Chem., vol. 46 (2007), p. 2541-2555.

[20] Craig, G. A.; Costa, J. S.; Roubeau, O.; Teat, S. J.; Aromí, G. «Local coordination geometry and spin state in novel Fe(II) complexes with 2,6-bis(pyrazol-3-yl)pyridine-type ligands as controlled by packing forces: structural correlations». Chem.

Eur. J., vol. 18 (2012), p. 11703-11715.

[21] Costa, J. S.; Rodríguez-Jiménez, S.; Craig, G. A.; Barth, B.; Beavers, C. M.; Teat, S. J.; Aromí, G. «Three-way crystal-tocrystal reversible transformation and controlled spin switch­ ing by a nonporous molecular material». J. Am. Chem. Soc., vol. 136 (2014), p. 3869-3874.

[22] Barrios, L. A.; Bartual-Murgui, C.; Peyrecave-Lleixà, E.; Le Guennic, B.; Teat, S. J.; Roubeau, O.; Aromí, G. «Homoleptic versus heteroleptic formation of mononuclear Fe(II) complexes with tris-imine ligands». Inorg. Chem., vol. 55 (2016), p. 41104116.

[23] Cook, L. J. K.; Kulmaczewski, R.; Cespedes, O.; Halcrow, M. A. «Different spin-state behaviors in isostructural solvates of a molecular iron(II) complex». Chem. Eur. J., vol. 22 (2016), p. 1789-1799.

Revista Quimica 17.indd 103

[24] Miller, R. G.; Brooker, S. «Reversible quantitative guest sensing via spin crossover of an iron(II) triazole». Chem. Sci., vol. 7 (2016), p. 2501-2505.

[25] Rodríguez-Jiménez, S.; Feltham, H. L. C.; Brooker, S. «Non-porous iron(II)-based sensor: crystallographic insights into a cycle of colorful guest-induced topotactic transformations». Angew Chem. Int. Ed., vol. 55 (2016), p. 15067-15071.

[26] Steinert, M.; Schneider, B.; Dechert, S.; Demeshko, S.; Meyer, F. «A trinuclear defect-grid iron(II) spin crossover complex with a large hysteresis loop that is readily silenced by solvent vapor». Angew. Chem. Int. Ed., vol. 53 (2014), p. 6135-6139.

[27] Phonsri, W.; Macedo, D. S.; Vignesh, K. R.; Rajaraman, G.; Davies, C. G.; Jameson, G. N. L.; Moubaraki, B.; Ward, J. S.; Kruger, P. E.; Chastanet, G.; Murray, K. S. «Halogen substitution effects on N2O Schiff base ligands in unprecedented abrupt feII spin crossover complexes». Chem. Eur. J., vol. 23 (2017), p. 70527065.

[28] Lin, H. J.; Siretanu, D.; Dickie, D. A.; Subedi, D.; Scepaniak, J. J.; Mitcov, D.; Clerac, R.; Smith, J. M. «Steric and electronic control of the spin state in three-fold symmetric, four-coordinate iron(II) complexes». J. Am. Chem. Soc., vol. 136 (2014), p. 13326-13332.

[29] Martínez, V.; Gaspar, A. B.; Muñoz, M. C.; Bukin, G. V.; Levchenko, G.; Real, J. A. «Synthesis and characterisation of a new series of bistable iron(II) spin-crossover 2D metal–organic frameworks». Chem. Eur. J., vol. 15 (2009), p. 10960-10971.

[30] Park, J. G.; Jeon, I. R.; Harris, T. D. «Electronic effects of ligand substitution on spin crossover in a series of diiminoquinonoid-bridged FeII2 complexes». Inorg. Chem., vol. 54 (2015), p. 359-369.

[31] Nakano, K.; Suemura, N.; Yoneda, K.; Kawata, S.; Kaizaki, S. «Substituent effect of the coordinated pyridine in a series of pyrazolato-bridged dinuclear diiron(II) complexes on the spin-crossover behavior». Dalton Trans., vol. 4 (2005), p. 740743.

[32] Kershaw Cook, L. J.; Kulmaczewski, R.; Mohammed, R.; Dudley, S.; Barrett, S. A.; Little, M. A.; Deeth, R. J.; Halcrow, M. A. «A unified treatment of the relationship between ligand substituents and spin state in a family of iron(II) complexes». Angew.

Chem. Int. Ed., vol. 55 (2016), p. 4327-4331.

[33] Holland, J. M.; Barrett, S. A.; Kilner, C. A.; Halcrow, M. A. «Control of the spin state of Fe(II) 2,6-di(pyrazol-1-yl)pyridine complexes by distal ligand substitution». Inorg. Chem. Commun., vol. 5 (2002), p. 328-332.

[34] Elhaik, J.; Evans, D. J.; Kilner, C. A.; Halcrow, M. A. «A structural, magnetic and Mössbauer spectroscopic study of an

103

07/01/2019 16:01:17

unusual angular Jahn-Teller distortion in a series of high-spin iron(II) complexes». Dalton Trans., vol. 9 (2005), p. 1693-1700.

[35] Santoro, A.; Cook, L. J. K.; Kulmaczewski, R.; Barrett, S. A.; Cespedes, O.; Halcrow, M. A. «Iron(II) complexes of tridentate indazolylpyridine ligands: enhanced spin-crossover hysteresis and ligand-based fluorescence». Inorg. Chem., vol. 54 (2015), p. 682-693.

[36] Hoselton, M. A.; Wilson, L. J.; Drago, R. S. «Substituent effects on the spin equilibrium observed with hexadentate ligands on iron(II)». J. Am. Chem. Soc., vol. 97 (1975), p. 17221729.

[37] Bartual-Murgui, C.; Vela, S.; Roubeau, O.; Aromí, G. «De­ signed intramolecular blocking of the spin crossover of an Fe(II) complex». Dalton Trans., vol. 45 (2016), p. 1405814062.

[38] Vela, S.; Gourlaouen, C.; Fumanal, M.; Ribas-Arino, J. «Disclosing the ligand- and solvent-induced changes on the spin transition and optical properties of Fe(II)-indazolylpyridine complexes». Magnetochemistry, vol. 2 (2016), art. núm. 6.

[39] Hamon, P.; Thépot, J. Y.; Le Floch, M.; Boulon, M. E.; Cador, O.; Golhen, S.; Ouahab, L.; Fadel, L.; Saillard, J. Y.; Hamon J. R. «Dramatic remote substitutent effects on the electronic spin state of bis(scorpionate) iron(II) complexes». Angew. Chem.

Int. Ed., vol. 47 (2008), p. 8687-8691.

[40] Bartual-Murgui, C.; Codina, C.; Roubeau, O.; Aromí, G. «A sequential method to prepare polymorphsand solvatomorphs of [Fe(1,3-bpp)2](ClO4 )2 · nH2O (n = 0, 1, 2) with varying spin-crossover behaviour». Chem. Eur. J., vol. 22 (2016), p. 12767-12776.

[41] Guionneau, P.; Marchivie, M.; Bravic, G.; Letard, J. F.; Chasseau, D. «Co(II) molecular complexes as a reference for the spin crossover in Fe(II) analogues». J. Mater. Chem., vol. 12 (2002), p. 2546-2551.

[42] Marchivie, M.; Guionneau, P.; Letard, J. F.; Chasseau, D. «Photo-induced spin-transition: the role of the iron(II) environment distortion». Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Sci., vol. 61 (2005), p. 25-28.

[43] Gütlich, P.; Goodwin, H. A. «Spin crossover—an overall perspective». Top. Curr. Chem., vol. 233 (2004), p. 1-47.

[44] Evans, D. F. «The determination of the paramagnetic susceptibility of substances in solution by nuclear magnetic resonance». J. Chem. Soc. (1959), p. 2003-2005.

[45] Sur, S. K. «Measurement of magnetic susceptibility and magnetic moment of paramagnetic molecules in solution by high-field Fourier transform NMR spectroscopy». J. Magn.

Reson., vol. 82 (1989), p. 169-173.

[46] Grant, D. H. «Paramagnetic susceptibility by NMR».

J. Chem. Educ., vol. 72 (1995), p. 39.

104

Revista Quimica 17.indd 104

07/01/2019 17:06:46

C. Bartual

S. Teat

S. Vela

M. Darawsheh

R. Diego

O. Roubeau

G. Aromí

Carlos Bartual-Murgui és llicenciat en química per la Universitat de València (2007) i va cursar un màster en el grup d’A. Bousseksou. Posteriorment, va fer la tesi doctoral al Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) (Tolosa) en col·laboració amb l’Instituto de Ciencia Molecular (ICMOL) (València). Es va incorporar al CNRS com a investigador postdoctoral el 2011 i, posteriorment, a la Universitat de Saragossa, i el 2015 va fer una estada postdoctoral al Grup de Magnetisme i Molècules Funcionals (GMMF) de la Universitat de Barcelona.

Sergi Vela és llicenciat en química per la Universitat de Barcelona (UB, 2009) i va fer el Màster en Química Teòrica i Computacional a la UB (2010). Posteriorment, es va doctorar en química teòrica (UB) i va fer una estada postdoctoral a la Universitat d’Estrasburg. Actualment fa una estada postdoctoral a l’École Polytechnique Fédérale de Lausana.

Mohanad Darawsheh és llicenciat en química per la Universitat de Birzeit, Palestina (2007), on també va realitzar un màster (2012). Posteriorment, va obtenir el doctorat a la Universitat de Barcelona, al Grup de Magnetisme i Molècules Funcionals (GMMF) (2016). Actualment és investigador postdoctoral al I’Instituto de Ciencia Molecular (ICMOL) de València.

Rosa Diego és llicenciada en química per la Universitat de Barcelona (UB, 2015) i va fer el Màster en Química Orgànica de la UB (2016). Actualment fa el doctorat al Grup de Magnetisme i Molècules Funcionals (GMMF) (UB).

Simon Teat és físic i membre del personal científic de l’Advanced Light Source del Lawrence Berkeley National Laboratory des de 2006.

Olivier Roubeau és llicenciat en química per la Universitat de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ) i per la Universitat de París (1997). Va obtenir el doctorat a la Universitat de Leiden (2002) i va ser professor de fisicoquímica a la Univer­ sitat de Bordeus i al Centre National de la Recherche Scientifique - Centre de Neurophysique, Physiologie et Pathologie (CNRS-CRPP). Actualment és científic titular a l’Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA) de Saragossa.

105

Revista Quimica 17.indd 105

07/01/2019 16:01:18

Guillem Aromí és llicenciat en química i enginyeria química per la Universitat de Barcelona i per la Universitat d’Estrasburg, respectivament (1993). Va obtenir el doctorat a la Universitat d’Indiana (1999). Va fer el postdoctorat a la Universitat de Leiden (2002) i a la Universitat de Manchester (2003). Va ser premiat amb una beca Ramón y Cajal a la Universitat de Barcelona, on és professor associat des de 2007.

106

Revista Quimica 17.indd 106

07/01/2019 16:01:18

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 107-119 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.101 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Nanomaterials amb propietats magnètiques i plasmòniques: nanotriangles d’or decorats amb nanopartícules d’òxid de ferro superparamagnètiques Nanomaterials with magnetic and plasmonic properties: gold nanotriangles decorated with superparamagnetic iron oxide nanoparticles Miquel Torras, Adrià Gordillo, Anna Roig Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC)

Resum: La síntesi de nanopartícules multimaterial que presentin més d’una propietat funcional fent servir metodologies senzilles continua essent un gran desafiament. Aquí es presenta la fabricació ràpida i respectuosa amb el medi ambient de nanopartícules híbrides, combinació d’òxid de ferro i or en una sola nanopartícula, mitjançant una síntesi de poliol assistida per microones de dos passos. El sistema d’escalfament assistit per microones permet la fabricació de nanoestructures multicomponent i multifuncionals mitjançant la promoció d’un escalfament selectiu. Les nanopartícules multimaterial resultants presenten propietats magnètiques i plasmòniques, s’obtenen amb un alt control de la seva forma i evitant reactius tòxics i es poden destinar a noves aplicacions en biodetecció, imatge mèdica o teràpia. Aquests nanocompòsits consisteixen en nanotriangles d’or monodispersos d’uns 200 nm d’aresta amb un recobriment homogeni i uniforme de nanopartícules d’òxid de ferro superparamagnètiques de 14 nm. Els nanotriangles són fàcilment dispersables en aigua, mostren una forta resposta magnètica i presenten una banda de ressonància plasmònica localitzada a la regió de l’infraroig proper (800 nm). A més, aquestes partícules híbrides es poden autoassemblar a les interfícies líquid-aire. També es presenten un mètode per eliminar les nanopartícules d’òxid de ferro de la superfície dels nanocristalls d’or i algunes idees sobre els mecanismes de nucleació dels nanocristalls i el seu creixement.

Paraules clau: Nanotriangles d’or, materials plasmònics, nanopartícules d’òxid de ferro, superparamagnetisme, síntesi assistida per microones.

Abstract: Simple approaches to synthesize multimaterial nanoparticles that exhibit more than one functional property remain a huge challenge. Here, the fabrication of hybrid nanoparticles combination of iron oxide and gold on a single particle by a simple, fast and environmentally-friendly two-step microwave-assisted polyol synthesis is presented. Microwave assisted heating allows the fabrication of multicomponent, multifunctional nanostructures by promoting selective heating at desired sites. The resulting complex nanoparticles have magnetic and plasmonic properties, and are obtained with high control of their shape and avoiding cytotoxic reactants, being able to use them for novel applications in bio-sensing, medical imaging, or therapeutics.

These nanocomposites consist of monodisperse gold nanotriangles around 200 nm in size with a homogeneous and uniform coating of superparamagnetic iron oxide nanoparticles of 14 nm. These nanotriangles are readily dispersible in water, display a strong magnetic response and exhibit a localized surface plasmon resonance band in the near-infrared region (800 nm). More­ over, these hybrid particles can be easily self-assembled at the liquid–air interfaces. A method to remove the iron oxide nanoparticles from the gold nanocrystals surface and some insights on crystal nucleation and growth mechanisms are also provided.

Keywords: Gold nanotriangles, plasmonic materials, iron oxide nanoparticles, superparamagnetism, microwave-assisted synthesis.

Introducció

Correspondència: Miquel Torras Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC) Campus de la UAB, Bellaterra. C. dels Til·lers, s/n. 08193 Cerdanyola del Vallès Tel.: +34 935 801 853. Fax: +34 935 805 729 A/e: mtorras@icmab.es

Revista Quimica 17.indd 107

L

a demanda de nous materials amb millors propietats per a noves aplicacions està augmentant. Les noves aplicacions requereixen materials a nanoescala amb propietats funcionals i, entre ells, les nanopartícules (NP) concentren grans esforços d’investigació. Degut a les seves propietats úniques (elèctriques, òptiques, magnètiques i catalítiques, entre d’altres), derivades de la seva mida finita i d’una

107

07/01/2019 16:01:18

elevada relació superfície/volum, les NP han atret recentment un gran interès per a aplicacions en diferents camps de la nanotecnologia. S’espera que en el futur la nanotecnologia sigui omnipresent en molts sectors industrials i socials, com ara la salut, les tecnologies de la informació, l’energia, els materials, l’alimentació, el medi ambient o la instrumentació, amb un mercat mundial projectat de milers de milions d’euros. Els materials, l’electrònica i la farmacèutica són els sectors del mercat amb els majors ingressos esperats a tot el món.

En particular, les NP inorgàniques (com les metàl·liques i les d’òxid metàl·lic) han despertat un gran interès i tenen molta demanda en el mercat. Aquest treball té per objectius la síntesi col·loidal, la caracterització estructural i la caracterització funcional d’NP d’or (NP de Au) i d’NP d’òxid de ferro superparamagnètiques (SPION).

Les NP de Au són unes de les NP més estudiades en l’actualitat a causa de la gran quantitat d’aplicacions potencials per a les quals s’han proposat [1-11]. D’altra banda, les seves propietats, que es poden modular segons la mida i la forma, també són un focus d’estudi. La propietat més notable de les NP de Au és la ressonància plasmònica de superfície localitzada (LSPR).

L’LSPR de les NP de Au ja s’ha explotat per a usos biomèdics en imatge [1], detecció [2], distribució de fàrmacs i gens [3] i teràpies fototèrmiques [4]. Està ben establert que la forma [5], la mida [6] i la composició [7] de les NP de Au són crucials per determinar la posició espectral de l’LSPR. La possibilitat de controlar i desplaçar la banda d’absorció de la regió ultraviolada visible (UV-Vis) a la regió de l’infraroig proper (NIR) utilitzant NP de Au anisòtropes és interessant, ja que aquestes partícules absorbeixen la calor de manera més eficient a la regió NIR que les esfèriques a la regió UV-Vis, degut a la finestra biològica dels teixits respecte al NIR [8]. A més, les NP de Au no esfèriques són altament eficients per a l’espectroscòpia de Raman de superfície millorada (SERS) [9]. Així, la síntesi d’NP de Au amb formes anisotròpiques (nanobarres, NP platòniques, nanotriangles o nanoplaques) ha atret esforços de recerca intensos. En particular, els nanotriangles d’or són excel· lents nanoescalfadors en teràpia fototèrmica [10, 11] i nanoestructures efectives per a biosensors [9].

108

D’altra banda, les NP magnètiques representen una classe important de nanomaterials, les propietats exclusives dels quals han estat àmpliament estudiades a causa dels seus usos po-

Revista Quimica 17.indd 108

tencials en moltes aplicacions, com ara l’emmagatzematge d’informació magnètica, els dispositius de transport d’espín, la dispensació de fàrmacs i la imatgeria per ressonància magnètica (IRM), entre d’altres [12-15]. El fenomen magnètic més interessant per a aquestes aplicacions és el superparamagnetisme, que apareix a una temperatura determinada quan les NP tenen una mida prou petita. La temperatura per sobre de la qual les NP es troben en estat superparamagnètic es defineix com a temperatura de bloqueig, TB, que es pot determinar pel màxim de la corba zero-field-cooling (ZFC).

Les nanopartícules d’òxid de ferro superparamagnètiques (SPION) són unes de les NP magnètiques més estudiades en l’actualitat. Les seves propietats superparamagnètiques, juntament amb la seva biocompatibilitat i la seva facilitat per a la funcionalització, fan que siguin idònies per a aplicacions biomèdiques, com ara agents de contrast [16], lliurament de fàrmacs [17], etiquetatge cel·lular [18], bioseparació [19] i hipertèrmia [20].

En els escenaris descrits anteriorment, les NP multimaterial (NP que contenen dos o més materials en una mateixa nanoestructura i que mostren més d’una propietat funcional) són d’alt interès. Avui en dia, aquestes NP híbrides multicomponent són un important objecte d’estudi en química col·loidal a causa de la varietat de propietats destacades que poden presentar, la qual cosa podria donar lloc a aplicacions rellevants en diversos camps, com l’etiquetatge biològic, el diagnòstic i el tractament mèdics [21], l’òptica i les aplicacions electroòptiques, la millora de bateries [22], la captació d’energia solar [23] i altres [24]. Per exemple, les NP multimaterial que presentin propietats plasmòniques i superparamagnètiques són interessants per a un possible ús en un gran nombre de noves aplicacions relacionades amb la salut, com la biodetecció, la imatgeria i la teràpia [25-28].

En aquest treball, es reporta la síntesi de sistemes híbrids bio­com­pa­ti­bles que combinen or i òxid de ferro en una única nanopartícula (NP de Au-SPION) amb propietats magnètiques i plasmòniques. També es presenta un mètode senzill per eliminar les SPION de la superfície de les NP de Au després de la síntesi. Aquest material podria tenir aplicacions en anàlisi i detecció, com una millora de la SERS a causa de les propietats plasmòniques de l’or, sobretot si es té present que aquestes partícules híbrides poden autoassemblar-se com una monocapa en la interfície líquid-aire [9, 29] i constituir un material 2D fàcilment integrable en un dispositiu. També podria tenir apli-

07/01/2019 16:01:18

cacions en biomedicina: es podria utilitzar potencialment en el diagnòstic, gràcies a les seves propietats com a agent de contrast multimodal en imatgeria, tant en ressonància magnètica (IRM) com en imatgeria òptica. A més, es podria utilitzar en teràpia multimodal, també coneguda com a cures fototèrmiques, a causa de la calor local produïda quan les NP estan il·luminades amb una longitud d’ona com l’infraroig proper (NIR), o per a la hipertèrmia magnètica, amb la capacitat de dirigir el material superparamagnètic amb un camp magnètic.

lidona (PVP, pesos moleculars mitjans: 3 500, 10 000, 29 000, 58 000 i 360 000 g/mol) i l’hexà (≥ 95 %), es van comprar a Sigma Aldrich; l’etilenglicol (EG ≥ 99 %), l’àcid clorhídric (HCl, 37 %) i l’acetona (99,5 %) es van adquirir a Panreac, i l’alcohol benzílic anhidre (BA, 99 %) i l’etanol pur (> 99,9 %) es van comprar a Scharlau. Tots els materials es van utilitzar tal com es van rebre, sense més purificació. Es va utilitzar aigua Milli-Q (MQ-H2O) en tots els experiments.

El sistema d’NP multimaterial que es reporta en aquest treball, les NP de Au-SPION, pot obtenir-se a través de rutes químiques assistides per microones. És ben sabut que la migració de les NP des del laboratori al mercat és lenta. Aquesta migració es podria accelerar utilitzant rutes sintètiques químiques simplificades. En aquest treball, s’ha investigat una prometedora síntesi assistida per microones per explorar-ne el potencial per a la fabricació d’NP multimaterial orientades a aplicacions.

Síntesi de les SPION

La química assistida per microones és una tècnica atractiva per a la síntesi col·loidal, ja que disposa d’alguns avantatges competitius respecte a altres mètodes de fabricació. És ràpida, produeix rendiments elevats i és fàcil d’utilitzar, eficient en termes de consum energètic i respectuosa amb el medi ambient [30, 31]. També proporciona una millor reproductibilitat i un millor control de la reacció, mitjançant el seguiment i l’ajust de les temperatures de reacció. Un altre avantatge és que el procés es pot escalar fàcilment.

Fins ara, els intents d’explotar la irradiació de microones en NP híbrides multimaterial han resultat en escassos exemples de configuracions de nucli-closca bicomponents, tal com s’esmenta en una recent publicació sobre la síntesi assistida per microones de nanocristalls inorgànics col·loidals [31]. Per tant, aquest treball, que completa l’estudi iniciat en una investigació prèvia [32], proporciona un exemple pioner d’escalfament per microones com a font d’energia no convencional per a la síntesi química d’NP multimaterial complexes.

Les SPION amb un recobriment superficial de PVP es van fabricar modificant una síntesi de poliol assistida per microones prèviament reportada pel grup en un reactor CEM Discover (Explorer 12-Hybrid) a una freqüència de 2,45 GHz i a 300 W de potència [32]. Aquí, es van fer modificacions per a obtenir nanopartícules més grans. En resum, es van dissoldre 680 mg de PVP (10 000 g/mol, 0,068 mmol) en 4 ml de BA per sonicació contínua. A continuació, es van barrejar 12,36 mg de Fe(acac)3 (0,035 mmol) amb la solució preparada anteriorment en tubs especials de microones i es va agitar amb vòrtex durant uns minuts per a obtenir una solució homogènia de color vermell fosc. Els tubs de reacció es van transferir al reactor de microones i es van escalfar primer a 60 °C durant 5 min per a assegurar una solubilització completa del precursor i després a 210 °C durant 10 min per a la descomposició tèrmica del precursor. La solució final va ser de color marró fosc i no es va observar cap precipitat, la qual cosa indica que les NP es van dispersar en la solució. La solució es va dividir en dos tubs de centrifugadora amb el mateix volum i es van afegir 30 ml d’acetona a cadascun. A continuació, la solució es va centrifugar dues vegades a 6 000 rpm durant 30 min per a netejar la PVP restant i precipitar les PVP-SPION. El precipitat restant es manté sec fins que es necessita per a nous experiments o es redispersa en MQ-H2O per a la seva caracterització.

Síntesi de les NP de Au-SPION

Materials i mètodes Materials L’àcid tetracloroàuric trihidrat (HAuCl4 · 3H2O ≥ 99,9 %), l’acetilacetonat de ferro (III) (Fe(acac)3 ≥ 97,0 %), la polivinilpirro-

Revista Quimica 17.indd 109

Aquesta síntesi també es va fer seguint els resultats anteriors del grup descrits en la referència [32]. Les SPION obtingudes (una de les dues parts de la divisió de les SPION pel rentat anterior, ≈ 5,2 μmol) es van dispersar amb 25 mg de PVP (10 000 g/mol, 2,5 μmol) en 4 ml d’EG i es van sonicar per obtenir mescles homogènies de color marró. A continuació, es van

109

07/01/2019 16:01:18

barrejar 16 μl de HAuCl4 250 mm (4 μmol) amb la solució preparada anteriorment en tubs de microones i es va agitar amb vòrtex uns minuts. La relació molar entre la PVP lliure i el HAuCl4 va ser de 0,625:1, i entre les SPION i el HAuCl4 va ser d’1,3:1. Els tubs de reacció es van transferir al reactor de microones i es van escalfar a 120 °C durant 10 min. La solució final va ser taronja (la qual cosa correspon a la presència de diferents morfologies d’NP de Au amb absorció en l’infraroig) i no es va observar cap precipitat. En aquesta síntesi, la PVP s’utilitza com a agent capant (tant de les SPION com de l’or), per a modelar i estabilitzar les NP de Au, i com a agent reductor suau, mentre que l’EG actua com a solvent i agent reductor. La solució es va abocar en un tub de centrifugadora i es van obtenir les NP de Au-SPION afegint 30 ml d’acetona per a precipitar-les i eliminar l’excés de PVP, centrifugant a 6 000 rpm durant 30 min dues vegades i redispersant el precipitat en 2 ml d’MQ-H2O per a la posterior caracterització. Per a assegurar la reproductibilitat dels resultats, la síntesi es va repetir quatre vegades.

Cada mostra també es va netejar de l’excés d’SPION (SPION que no recobreixen l’or) separant les mostres en tubs d’Eppendorf d’1 ml i centrifugant durant 2 min a 6 000 rpm dues vegades. Finalment, els precipitats restants es van redispersar en 1 ml d’MQ-H2O i es van tornar a barrejar.

Un cop conegut el rendiment per a cadascuna de les morfologies que prenen les partícules d’or, es va investigar l’efecte de la concentració de les SPION de la mescla de reacció (deixant la resta de paràmetres independents) en el percentatge final de nanotriangles. Concretament, es van abordar les relacions molars següents entre les SPION i el HAuCl4: 1,3:1 (punt inicial), 0,65:1, 0,325:1, 0,13:1 i 0,065:1. L’efecte de la llargada de la cadena polimèrica de la PVP (a través del pes molecular mitjà, deixant la resta de paràmetres independents i utilitzant el millor cas de concentració d’SPION: 0,65:1) també va ser investigat. Específicament, es van analitzar el pesos moleculars següents per a la PVP: 3 500, 10 000 (punt inicial), 29 000, 58 000 i 360 000 g/mol.

Eliminació de les SPION de la superfície de les NP de Au

110

Les SPION es poden eliminar de la superfície de les NP de Au utilitzant HCl diluït (dilució 3:10). Els compòsits d’NP de Au-SPION es van concentrar mitjançant centrifugació

Revista Quimica 17.indd 110

a 3 000 rpm durant 15 minuts, es va decantar el sobrenedant i es va redispersar el precipitat en 0,5 ml d’MQ-H2O. Es va afegir 1 ml de HCl diluït gota a gota al sistema i es va incubar durant la nit. La solució àcida es va substituir per MQ-H2O fresca (2 ml) per a la posterior caracterització.

Assemblatge de les NP de Au-SPION Degut a la presència de la PVP, les NP de Au-SPION poden autoassemblar-se a la interfície aigua-aire per a formar una monocapa contínua d’or visible a ull nu. Es va reproduir el mètode proposat pel grup de Liz-Marzán [9]. Els compòsits d’NP de Au-SPION es van concentrar mitjançant centrifugació a 3 000 rpm durant 15 min, es va decantar el sobrenedant i es va redispersar el precipitat en 0,5 ml d’etanol. A continuació, es van afegir 0,75 ml d’hexà, es va homogeneïtzar la suspensió agitant i es va aconseguir una mescla d’etanol:hexà de relació volumètrica 2:3. Aquesta mescla es va transferir gota a gota sobre la superfície d’un recipient amb aigua i, aleshores, amb l’evaporació dels solvents orgànics volàtils, va tenir lloc l’assemblatge espontani en la interfície aigua-aire. La monocapa d’NP de Au-SPION muntada es va transferir a una reixeta de coure per a una posterior caracterització.

Caracterització dels materials La distribució de la mida, la forma i la morfologia de les PVP-SPION i les NP de Au-SPION es van analitzar en un microscopi electrònic de transmissió (TEM) JEOL JEM-1210 a una tensió d’operació de 120 kV. A més, l’equip també es va utilitzar per a identificar la fase cristal·lina de les NP usant els patrons de difracció d’electrons realitzats en una àrea seleccionada (SAED). Les mostres de TEM es van preparar posant algunes gotes de les suspensions aquoses de les mostres a la reixeta de coure, eixugant la reixeta de coure amb paper de filtre i deixant que l’aigua s’evaporés completament a temperatura ambient. Normalment, almenys 200 NP diferents es van comptar amb ImageJ per a representar l’histograma de distribució de mida i la mida mitjana de partícula amb la seva desviació estàndard (ajust a una funció gaussiana). Les fases cristal·lines es van determinar per Gatan.

El diàmetre hidrodinàmic de les PVP-SPION i de les NP de Au-SPION es va determinar amb un Zetasizer Nano ZS (Mal-

07/01/2019 16:01:19

vern) amb un làser He/Ne de 633 nm a 25 °C. Per a cada mostra, es van realitzar tres mesures independents, amb quinze escaneigs per a cada mesura. Atès que les NP precipiten al llarg del temps, abans de les mesures les mostres es van sonicar diversos minuts.

Es van registrar els espectres d’absorció de les NP de Au-SPION corresponents a les regions de l’ultraviolat, el vi­ sible i l’infraroig proper (UV-Vis-NIR) amb un espectrofotòmetre Varian Cary-5000 UV-Vis-NIR entre 350 i 1 400 nm.

Les mesures es van realitzar en cubetes de quars per a petits volums. Abans de cada mesura, es va fer un blanc amb aigua MQ-H2O. Les mesures magnètiques per a determinar la magnetització de les PVP-SPION i les NP de Au-SPION es van completar amb un magnetòmetre SQUID (del tipus dispositiu superconductor d’interferència quàntica) Quantum Design MPMS5XL. Normalment, 150 μl d’una solució aquosa amb concentració de Fe coneguda es van col·locar i assecar a la càpsula de policarbonat que s’insereix al magnetòmetre SQUID. Les corbes de magnetització es van registrar a 5 K en funció del camp magnètic aplicat, fins a 6 T. També es van registrar els valors de magnetització de les corbes zero-field-cooling i field cooling (ZFC-FC) en funció de la temperatura en un camp magnètic de 50 Oe.

Resultats i discussió Síntesi de les SPION Aquí es reporta la síntesi ràpida d’SPION esfèriques mitjançant descomposició tèrmica assistida per microones amb una distribució de mida de partícula estreta. Breument, la PVP es va dissoldre en BA. A continuació, el Fe(acac)3 es va afegir a la solució i es va escalfar en el reactor de microones 5 min a 60 °C i 10 min a 210 °C. Les PVP-SPION es van fer precipitar en acetona, es van centrifugar i es van redispersar en MQ-H2O per a deixar-les a punt per a la caracterització (les PVP-SPION són dispersables i estables en aigua, així com en altres solvents de caràcter tant polar com apolar, degut a la PVP: una espècie polimèrica orgànica que li confereix estabilitat en entorns apolars, però també en polars pel fet d’exposar grups hidroxil en els extrems de la cadena). La figura 1a mostra una imatge de TEM de les SPION obtingudes; aquestes tenen una gran homogeneïtat tant en mida com en forma, la qual es trasllada a un arranjament que forma hexàgons. La figura 1b conté el patró de difracció d’electrons SAED, el qual s’indexa a l’estructura d’espinel·la inversa de la fase cristal·lina maghemita de l’òxid de ferro (III) (γ-Fe2O3). El valor mitjà de la mida de partícula es va determinar en 14 ± 2 nm de diàmetre, resultat d’ajustar l’histograma de mida determinat per TEM a una distribució gaussiana (figura 1c). Els resultats de les me-

Figura 1. Caracterització de les SPION. a) Imatge de TEM. b) Patró de difracció d’electrons SAED. c) Histograma de distribució de mida determinat per TEM. d ) Distribució en volum del diàmetre hidrodinàmic determinat per DLS. e) Corba ZFC-FC a 50 Oe. f ) Corba de magnetització a 5 K en funció del camp magnètic aplicat. La inserció conté una amplificació a camps baixos per veure el cicle d’histèresi.

Revista Quimica 17.indd 111

111

07/01/2019 16:01:19

sures DLS per a aquestes NP (figura 1d, distribució en volum) indiquen de nou una distribució de mida monomodal, determinada en 31 ± 8 nm de diàmetre hidrodinàmic. Les mesures per ZFC-FC (figura 1e) defineixen un valor de 83 K per a la temperatura de bloqueig de les SPION obtingudes. Per tant, per sobre d’aquesta temperatura (per exemple, a temperatura ambient) les SPION tenen un comportament superparamagnètic. En el cas contrari (és a dir, a temperatures inferiors), el comportament és ferromagnètic, d’acord amb la naturalesa de la maghemita. Per aquest motiu, la corba de magnetització a 5 K en funció del camp magnètic aplicat (figura 1f ) mostra un cicle d’histèresi.

Síntesi de les NP de Au-SPION Les NP de Au-SPION es van sintetitzar en menys d’una hora a través d’una síntesi assistida per microones de dos passos. El primer pas és la síntesi de les SPION anteriorment descrites. El segon pas consisteix a col·locar una barreja homogeneïtzada d’aquestes SPION, PVP i HAuCl4 (relació molar PVP:HAuCl4 = 0,625:1, relació molar SPION:HAuCl4 = 1,3:1) en EG al reactor de microones a 120 °C durant 10 min. Les SPION disperses en el medi de reacció serveixen com a punts de nucleació per a les NP de Au. Després de la síntesi assistida per microones, la dispersió de les SPION en EG de color marró canvia a taronja, la qual cosa indica la síntesi satisfactòria d’NP de Au. Les NP

112

Revista Quimica 17.indd 112

de Au-SPION es van fer precipitar en acetona, es van centrifugar i es van redispersar en MQ-H2O per a deixar-les a punt per a la caracterització.

La figura 2a confirma la formació satisfactòria d’NP de Au, les quals estan uniformement decorades per una monocapa d’SPION (figura 2b). El patró de difracció d’electrons (figura 2c) confirma la presència de la fase maghemita de les SPION i d’or metàl·lic a les mostres. Aquestes NP tenen diferents morfologies i una mida mitjana > 200 nm. La distribució de forma es va obtenir de l’anàlisi de diverses imatges de TEM: nanotriangles (46 %), nanohexàgons (9 %), estructures platòniques (icosaedres i cubs) (15 %), nanoesferes (25 %) i nanobarres (5 %). Per tant, aquesta aproximació sintètica ofereix una ruta fàcil i ràpida per a sintetitzar nanotriangles híbrids magnetoplasmònics. A més, quan es consideren els hexàgons com a formes planes resultants del truncament de triangles, el rendiment obtingut és d’un 60 %, aproximadament. Els triangles tenen una mida de costat amb un valor mitjà de 203 ± 35 nm, que és el resultat d’ajustar l’histograma de mida determinat per TEM a una distribució gaussiana (figura 2d). Els resultats de les mesures per DLS per a aquestes NP (figura 2e, distribució en volum) indiquen de nou una distribució de mida monomodal, determinada en 350 ± 80 nm de diàmetre hidrodinàmic.

L’espectre UV-Vis-NIR de la figura 3a mostra una banda LSPR en el NIR (800 nm), la qual és característica de les nanoes-

Figura 2. Caracterització estructural de les NP de Au-SPION. a) Imatge de TEM. b) Imatge de TEM d’un sol nanotriangle d’or. c) Patró de difracció d’electrons SAED. d ) Histograma de distribució de mida determinat per TEM. e) Distribució en volum del diàmetre hidrodinàmic determinat per DLS.

07/01/2019 16:01:19

tructures anisòtropes d’or (per exemple, els nanotriangles). No obstant, la banda LSPR a 800 nm és bastant ampla i es pot relacionar amb la presència d’altres morfologies anisòtropes d’or. A més de la banda LSPR al NIR trobada a 800 nm, es pot observar una banda LSPR entorn de 600 nm, la qual s’assigna a la fracció d’NP de Au-SPION esfèriques.

Utilitzant un imant extern a prop del vial que conté la suspensió dels nanocompòsits de Au-SPION, és possible concentrar aquests nanocompòsits en menys de 10 minuts, la qual cosa indica que totes les NP de Au estan físicament connectades a les SPION i es dota de funcionalitat magnètica les estructures híbrides, amb la PVP com a nexe d’unió.

La corba de magnetització (cicle M-H) es representa a la figura 3b. Comparada amb les mesures magnètiques de les SPION, hi ha una disminució significativa del valor de la magnetització de saturació observada, degut a la naturalesa diamagnètica de l’or. A més, quan les corbes dels dos materials se superposen, aquestes coincideixen, la qual cosa confirma que l’or no afecta el comportament magnètic de les SPION. També es van mesurar les corbes ZFC-FC de les NP híbrides de Au-SPION, que indiquen que les SPION en el material híbrid mantenen el seu caràcter superparamagnètic, amb una temperatura de bloqueig de 87 K (figura 3c).

Per tant, hem demostrat que, fent servir l’escalfament selectiu i augmentant el moviment molecular, es poden fabricar materials nanoestructurats complexos per química assistida per microones en poc temps.

Tot i que una comprensió del mecanisme de creixement està més enllà de l’abast d’aquest treball, s’estudien alguns aspectes rellevants de la síntesi dels nanocristalls híbrids, com l’efecte de la concentració de les SPION en la mescla de reac-

ció i l’efecte de la llargada de la cadena polimèrica de la PVP dels apartats següents en la formació de les nanoestructures anisòtropes.

El control de la forma de les NP no és fàcil i alguns informes indiquen que les estructures planars es formen sota control cinètic [33] i que, en particular, es poden formar plaques triangulars amb errors d’apilament i cares cristal·lines superficials {111}. Les formes octaèdriques o icosaèdriques són termodinàmicament favorables, segons que es va informar per a les estructures de plata [34]. En aquest treball s’aconsegueixen estructures triangulars; per tant, el procediment de síntesi indicat anteriorment es guia sota control cinètic. Cal assenyalar que l’escalfament per microones del HAuCl4 en EG en presència de la PVP condueix a la reducció de Au(III) a Au(0), en què l’EG i la PVP serveixen com a reactius reductors (són reductors suaus, i aquest fet ajuda al control cinètic).

La PVP també actua com a agent estabilitzador, però té un rol important en la definició de la forma de les NP. Informes anteriors del grup de Xia [34, 35] van indicar el paper significatiu de la PVP en la formació d’estructures anisòtropes de plata en EG i en aigua. Quan el Au (0) comença la nucleació, i durant el creixement del cristall, la PVP lliure s’adsorbeix a totes les superfícies de l’or, a causa de la forta afinitat de la superfície d’aquest amb els nitrògens dels grups amida de la PVP, però aquesta s’adherirà preferentment a les cares cristal·lines amb menys energia superficial. Es produeix una adsorció selectiva a les cares {111} (cares superiors i inferiors dels nanotriangles d’or), mentre que les cares {100} (cares dels tres costats) continuen creixent a un ritme més ràpid. Així doncs, aquest fet també ajuda a la formació de formes triangulars.

Finalment, depenent de la proporció de les cares {111} respecte de les cares laterals {100}, es poden obtenir nanoestructures d’or triangulars o truncades [34].

Figura 3. Caracterització funcional de les NP de Au-SPION. a) Espectre UV-Vis-NIR. b) Corba de magnetització a 5 K en funció del camp magnètic aplicat; la inserció conté una amplificació a camps baixos per a veure el cicle d’histèresi. c) Corba ZFC-FC a 50 Oe.

Revista Quimica 17.indd 113

113

07/01/2019 16:01:20

Efecte de la concentració de les SPION en la mescla de reacció Hem identificat la relació molar SPION:HAuCl4 com un paràmetre clau per a controlar el rendiment dels nanotriangles d’or. S’han completat reaccions mantenint tots els paràmetres iguals a la síntesi descrita anteriorment, en què tan sols s’ha canviat la quantitat d’SPION en la mescla de reacció. Concretament, es van abordar les relacions molars següents entre les SPION i el HAuCl4: 1,3:1 (punt inicial), 0,65:1, 0,325:1, 0,13:1 i 0,065:1.

El rendiment en nanotriangles dels sistemes híbrids d’NP de Au-SPION augmenta significativament en passar la relació molar SPION:HAuCl4 del punt inicial a 0,65:1, i s’aconsegueix un màxim del 56 % (al voltant del 70 % quan es consideren els hexàgons com a formes planes resultants del truncament de triangles, figura 4a). A continuació, el fet de disminuir encara més la concentració de les SPION en la mescla de reacció comporta un decreixement del percentatge de triangles i un augment de les formes isòtropes (esferes). L’histograma de formes que resulta de l’anàlisi de diverses imatges de TEM mostra aquestes observacions (figura 4a). D’altra banda, quan s’utilitzen relacions molars SPION:HAuCl4 inferiors a 0,65:1, la monocapa d’SPION que decora la superfície de les NP de Au és cada vegada més pobra. Aleshores, les NP resultants perdran funcionalitat magnètica. Per aquest motiu, la relació molar SPION:HAuCl4 de 0,65:1 és l’estratègia sintètica amb millors resultats, ja que presenta el percentatge més gran de nanotriangles mantenint una monocapa d’SPION per a la funcionalitat magnètica.

114

Revista Quimica 17.indd 114

La taula 1 conté els resultats de la dispersió de mida dels nanocompòsits obtinguts, i mostra els valors mitjans dels costats dels nanotriangles (per TEM) i dels diàmetres hidrodinàmics (per DLS) de les diferents mostres. S’observa que les NP són cada vegada més petites quan disminueix la concentració de les SPION en la mescla de reacció, la qual cosa confirma que les SPION tenen un rol important en la formació i el creixement dels nanocristalls d’or.

Taula 1. Dispersió de mida de les diferents mostres de nanocompòsits de Au-SPION sintetitzats: resultats dels valors mitjans del costat dels nanotriangles (per TEM) i dels diàmetres hidrodinàmics (per DLS, distribució en volum) Relació molar SPION:HAuCl4

Pes molecular mitjà de la PVP (g/mol)

Costat del triangle (nm)

Diàmetre hidrodinàmic (nm)

1,3:1

10 000

203 ± 35

350 ± 80

3 500

236 ± 55

255 ± 33

10 000

187 ± 35

285 ± 43

29 000

216 ± 62

230 ± 30

58 000

174 ± 36

175 ± 28

360 000

289 ± 94

400 ± 56

0,325:1

10 000

154 ± 30

280 ± 30

0,13:1

10 000

110 ± 30

140 ± 33

0,065:1

10 000

85 ± 20

117 ± 38

0,65:1

Aquesta observació es confirma mitjançant l’espectroscòpia UV-Vis-NIR. En l’espectre de la figura 4b es mostra un desplaçament cap al blau de les bandes LSPR, que indica una disminució de la mida de partícula quan disminueix la concentració de les SPION en la mescla de reacció. Aquest desplaçament cap al blau també es deu, en part, a la disminució de les mor-

Figura 4. Efecte de la concentració de les SPION en la mescla de reacció (relacions molars SPION:HAuCl4 d’1,3:1, 0,65:1, 0,325:1, 0,13:1 i 0,065:1). Distribució de forma (a) i espectres UV-Vis-NIR (b) dels nanocompòsits de Au-SPION per a cada cas.

07/01/2019 16:01:20

fologies anisòtropes i a l’augment de les isòtropes (figura 4a).

Per a les relacions molars SPION:HAuCl4 més baixes (0,13:1 i 0,065:1), també es poden apreciar pics a la regió del NIR (a 900 i a 1 000 nm, respectivament). Aquests pics es poden atribuir a la presència d’agregats, ja que el fet d’afegir poques SPION (cobertes de PVP) a la mescla de reacció comporta una disminució de l’aportació total de PVP al medi, l’agent estabilitzador.

Efecte de la llargada de la cadena polimèrica de la PVP L’efecte de la llargada de la cadena polimèrica de la PVP en el rendiment en forma dels nanocompòsits s’ha estudiat utilitzant el pesos moleculars següents per a la PVP: 3 500, 10 000 (punt inicial), 29 000, 58 000 i 360 000 g/mol. S’han mantingut la resta de paràmetres com en el primer dels casos estudiats, llevat que s’ha utilitzat la relació molar SPION:HAuCl4 de 0,65:1 per haver mostrat els millors resultats en l’apartat anterior. Cal remarcar que, per a tota llargada de cadena (per a tot pes molecular mitjà), s’han afegit els 25 mg de PVP de la síntesi proposada inicialment. D’aquesta manera, les relacions molars PVP:HAuCl4 canvien a les següents: 1,785:1, 0,625:1 (punt inicial), 0,216:1, 0,108:1 i 0,017:1, respectivament.

Aquest cop, el rendiment en nanotriangles dels sistemes híbrids d’NP de Au-SPION es manté pràcticament constant, entorn del 60 % observat en l’apartat anterior (figura 5a). Tampoc no s’aprecien canvis significatius en els rendiments de forma de les altres morfologies. Les imatges de TEM dels

nanocompòsits obtinguts a diferents llargades de cadena confirmen la presència en tots els casos d’una monocapa d’SPION que decoren la superfície de les NP de Au i aporten funcionalitat magnètica a les NP híbrides.

Les diferències es troben en la mida dels nanocompòstits, tal com es mostra a la taula 1, la qual conté els valors mitjans dels costats dels nanotriangles (per TEM) i dels diàmetres hidrodinàmics (per DLS) de les diferents mostres. Per als casos de 10 000, 29 000 i 58 000 g/mol, com més gran és la llargada de la cadena polimèrica (és a dir, com més gran és el pes molecular mitjà), més petita és la mida de les NP resultants, ja que les nanoestructures que es van formant en el procés de nucleació i creixement dins del reactor de microones estan més estabilitzades estèricament. En el cas dels 360 000 g/mol, la relació molar PVP:HAuCl4 és tan desfavorable per a la PVP que s’estimula un creixement significativament més gran de les NP de Au. Finalment, per al cas de 3 500 g/mol, es pot interpretar una suma dels arguments anteriors. En efecte, la cadena polimèrica és més petita i s’esperaria una mida més gran de les NP (menys estabilització estèrica), però al mateix temps hi ha una relació molar PVP:HAuCl4 molt elevada a favor de la PVP, la qual cosa faria esperar un nombre més gran d’NP i que aquestes fossin més petites. Per aquest motiu, els valors de mida presentats es desvien dels arguments individuals anteriors cap a una situació intermèdia. Aquesta observació es confirma mitjançant l’espectroscòpia UV-Vis-NIR, a través de les posicions de les bandes LSPR dependents de la mida (figura 5b).

Es reafirma, doncs, que l’agent estabilitzador (en aquest cas, la PVP) té un rol important en la formació i el creixement dels

Figura 5. Efecte de la llargada de la cadena polimèrica de la PVP (pesos moleculars de la PVP de 3 500, 10 000, 29 000, 58 000 i 360 000 g/mol). Distribució de forma (a) i espectres UV-Vis-NIR (b) dels nanocompòsits de Au-SPION per a cada cas.

Revista Quimica 17.indd 115

115

07/01/2019 16:01:20

nanocristalls d’or. Així, per a la síntesi presentada, la llargada de la cadena polimèrica de la PVP és un paràmetre a decidir per a obtenir els nanocompòsits amb una mida modulable.

Eliminació de les SPION de la superfície de les NP de Au Les SPION es poden eliminar fàcilment de la superfície de les NP de Au utilitzant HCl diluït (dilució 3:10) i incubant durant una nit; llavors, la solució àcida se substitueix per aigua Milli-Q fresca. La figura 6a mostra una imatge de TEM representativa de l’eliminació de les SPION de la superfície de les NP de Au, en aquest cas, de la superfície d’un nanotriangle d’or.

Aquesta mateixa figura mostra que l’eliminació de l’òxid de ferro ha estat satisfactòria i que el tractament no afecta la morfologia de les partícules d’or.

Assemblatge de les NP de Au-SPION S’ha reportat la capacitat d’assemblatge dels nanotriangles d’or en una interfície líquid-aire, gràcies a la presència de la PVP, que formen una monocapa contínua d’or visible a ull nu [9, 29]. Aquí s’ha aconseguit fàcilment amb una mescla d’etanol:hexà de relació volumètrica 2:3 que contenia dispersats els nanocompòsits [9]. En transferir-la gota a gota sobre una superfície d’aigua, i amb l’evaporació dels solvents orgànics volàtils, va tenir lloc l’assemblatge espontani en la interfície aigua-aire. En efecte, es demostra que amb un canvi de solvent és possible transformar un material de l’estat col·loidal a un de dues dimensions, el qual es podria fer servir en diferents aplicacions, com ara la SERS. La figura 6b mostra una imatge

116

Revista Quimica 17.indd 116

de microscòpia òptica de la monocapa obtinguda, amb la coloració típica de l’or. La figura 6c mostra una imatge de TEM de la mateixa monocapa que demostra com les NP multimaterial s’han assemblat les unes al costat de les altres en una única capa.

Conclusions Aquí es proporciona un exemple pioner de la síntesi química de nanopartícules multimaterial complexes i funcionals per escalfament amb microones com a font d’energia no convencional.

S’han aconseguit nanopartícules complexes de Au-SPION amb funcionalitats magnètiques i plasmòniques. Cal destacar que es va assolir un rendiment del 60 % de triangles d’or abans de qualsevol possible purificació, amb les seves superfícies homogèniament decorades amb un monocapa d’SPION. Aquests nanotriangles són dispersables en aigua, mostren una excel· lent resposta magnètica, derivada de l’alta cristal·linitat i de la distribució de mida monodispersa de les SPION, i presenten la característica banda LSPR a la regió del NIR (800 nm).

Tot i que una comprensió del mecanisme de creixement està més enllà de l’abast d’aquest treball i podria ser de gran interès com a extensió, es planteja la hipòtesi que l’ús de reductors suaus (tant l’EG com la PVP serveixen com a agents reductors en la síntesi) ajuda al control cinètic, que sembla promoure estructures planes. D’altra banda, la PVP també té un paper important en la definició de la forma de les NP. Durant el creixement dels cristalls, la PVP lliure s’adsorbeix preferentment a les cares {111} (cares superiors i inferiors dels nanotriangles

Figura 6. a) Imatge de TEM d’un sol nanotriangle d’or després de l’eliminació de les SPION de la seva superfície. b) Imatge de microscòpia òptica. c) Imatge de TEM de la monocapa contínua d’or obtinguda amb l’assemblatge de les NP de Au-SPION en una interfície aigua-aire.

07/01/2019 16:01:21

d’or), mentre que les cares {100} (cares dels tres costats) continuen creixent a un ritme més ràpid. Així doncs, aquest fet també ajuda a la formació de formes triangulars.

A més, el nostre procés permet un cert control dels nanocompòsits de Au-SPION mitjançant una selecció dels paràmetres de síntesi, com la concentració de les SPION en la mescla de reacció i la llargada de la cadena polimèrica de la PVP. És possible variar la distribució de formes anisòtropes d’aquestes NP híbrides (la qual cosa augmenta fins a un 70 % el rendiment de triangles d’or), així com la seva mida. Per tant, es poden obtenir materials amb propietats òptiques modulables.

Les partícules magnètiques poden eliminar-se fàcilment de la superfície de les NP de Au utilitzant una solució àcida diluïda.

Finalment, s’ha demostrat que aquestes partícules híbrides s’autoassemblen fàcilment en una monocapa en les interfícies líquid-aire.

Agraïments Aquesta recerca va ser parcialment finançada pel Ministeri d’Economia i Competitivitat en cofinançament amb el Fons Social Europeu a través del projecte MAT2012-35324, la Generalitat de Catalunya (2014SGR213) i el Programa Severo Ochoa per als centres d’excel·lència en R+D (SEV-2015-0496).

Referències [1] Luke, G. P.; Yeager, D.; Emelianov, S. Y. «Biomedical applications of photoacoustic imaging with exogenous contrast agents». Ann. Biomed. Eng., vol. 4, núm. 2 (2012), p. 422-437.

[2] Xu, L.; Kuan, H.; Xu, C.; Ma, W.; Wang, L.; Kotov, N. A. «Re­ giospecific plasmonic assemblies for in situ Raman spectroscopy in live cells». J. Am. Chem. Soc., vol. 134, núm. 3 (2011), p. 1699-1709.

[3] Duncan, B.; Kim, C.; Rotello, V. M. «Gold nanoparticle platforms as drug and biomacromolecule delivery systems». J. Controlled Release, vol. 148, núm. 1 (2010), p. 122-127.

[4] Hirsch, L. R.; Stafford, R. J.; Bankson, J. A.; Sershen, S. R.; Rivera, B.; Price, R. E.; Hazle, J. D.; Halas, N. J.; West, J. L. «Nano­ shell-mediated near-infrared thermal therapy of tumors under magnetic resonance guidance». Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol. 100, núm. 23 (2003), p. 13549-13554.

Revista Quimica 17.indd 117

[5] Bastús, N. G.; Comenge, J.; Puntes, V. C. «Kinetically controlled seeded growth synthesis of citrate-stabilized gold nanoparticles of up to 200 nm: size focusing versus Ostwald ripening». Langmuir, vol. 27, núm. 17 (2011), p. 11098-11105.

[6] DuChene, J. S.; Niu, W.; Abendroth, J. M.; Sun, Q.; Zhao, W.; Huo, F.; Wei, W. D. «Halide anions as shape-directing agents for obtaining high-quality anisotropic gold nanostructures».

Chem. Mater., vol. 25, núm. 8 (2012), p. 1392-1399.

[7] Liz-Marzán, L. M. «Tailoring surface plasmons through the morphology and assembly of metal nanoparticles». Langmuir, vol. 22, núm. 1 (2005), p. 32-41.

[8] Govorov, A. O.; Richardson, H. H. «Generating heat with metal nanoparticles». Nano Today, vol. 2, núm. 1 (2007), p. 30-38.

[9] Scarabelli, L.; Coronado-Puchau, M.; Giner-Casares, J. J.; Langer, J.; Liz-Marzán, L. M. «Monodisperse gold nanotriangles: size control, large-scale self-assembly, and performance in surface-enhanced Raman scattering». ACS Nano, vol. 8, núm. 6 (2014), p. 5833-5842.

[10] Pelaz, B.; Grazu, V.; Ibarra, A.; Magen, C.; Pino, P. del; Fuente, J. M. de la. «Tailoring the synthesis and heating ability of gold nanoprisms for bioapplications». Langmuir, vol. 28, núm. 24 (2012), p. 8965-8970.

[11] Perez-Hernandez, M.; Pino, P. del; Mitchell, S. G.; Moros, M.; Stepien, G.; Pelaz, B.; Parak, W. J.; Galvez, E. M.; Pardo, J.; Fuente, J. M. de la. «Dissecting the molecular mechanism of apoptosis during photothermal therapy using gold nanoprisms». ACS Nano, vol. 9, núm. 1 (2015), p. 52-61.

[12] Figuerola, A.; Di Corato, R.; Manna, L.; Pellegrino, T. «From iron oxide nanoparticles towards advanced iron-based inorganic materials designed for biomedical applications». Pharmacol. Res., vol. 62, núm. 2 (2010), p. 126-143.

[13] Gupta, A. K.; Gupta, M. «Synthesis and surface engineering of iron oxide nanoparticles for biomedical applications». Biomaterials, vol. 26, núm. 18 (2005), p. 3995-4021.

[14] Tartaj, P.; Morales, M. P.; Gonzalez-Carreno, T.; Veintemillas-Verdaguer, S.; Serna, C. J. «The iron oxides strike back: from biomedical applications to energy storage devices and photoelectrochemical water splitting». Adv. Mater., vol. 23, núm. 44 (2011), p. 5243-5249.

[15] Yoo, D.; Lee, J. H.; Shin, T. H.; Cheon, J. «Theranostic magnetic nanoparticles». Accounts Chem. Res., vol. 44, núm. 10 (2011), p. 863-874.

[16] Taboada, E.; Solanas, R.; Rodríguez, E.; Weissleder, R.; Roig, A. «Supercritical-fluid-assisted one-pot synthesis of biocompatible core(γ-Fe2O3)/Shell(SiO2) nanoparticles as high relaxivity

117

07/01/2019 16:01:21

T2-contrast agents for magnetic resonance imaging». Adv. Funct. Mater., vol. 19, núm. 14 (2009), p. 2319-2324.

[17] Guo, S.; Li, D.; Zhang, L.; Li, J.; Wang, E. «Monodisperse mesoporous superparamagnetic single-crystal magnetite nanoparticles for drug delivery». Biomaterials, vol. 30, núm. 10 (2009), p. 1881-1889.

[18] Carenza, E.; Barceló, V.; Morancho, A.; Montaner, J.; Rosell, A.; Roig, A. «Rapid synthesis of water-dispersible superparamagnetic iron oxide nanoparticles by a microwave-assisted route for safe labeling of endothelial progenitor cells». Acta Biomater., vol. 10, núm. 8 (2014), p. 3775-3785.

[19] Yu, C. J.; Lin, C. Y.; Liu, C. H.; Cheng, T. L.; Tseng, W. L. «Synthesis of poly(diallyldimethylammonium chloride)-coated Fe3O4 nanoparticles for colorimetric sensing of glucose and selective extraction of thiol». Biosens. Bioelectron., vol. 26, núm. 2 (2010), p. 913-917.

[20] Di Corato, R.; Espinosa, A.; Lartigue, L.; Tharaud, M.; Chat, S.; Pellegrino, T.; Ménager, C.; Gazeau, F.; Wilhelm, C. «Magnetic hyperthermia efficiency in the cellular environment for dif­ ferent nanoparticle designs». Biomaterials, vol. 35, núm. 24 (2014), p. 6400-6411.

[21] Choi, J. S.; Jun, Y. W.; Yeon, S. I.; Kim, H. C.; Shin, J. S.; Cheon, J. «Biocompatible heterostructured nanoparticles for multimodal biological detection». J. Am. Chem. Soc., vol. 128, núm. 50 (2006), p. 15982-15983.

[22] Xua, D.; Luoa, G.; Yub, J.; Chena, W.; Zhanga, C.; Ouyanga, D.; Fanga, Y.; Yu, X. «CoS/CNTs hybrid structure for improved performance lithium ion battery». J. Al. Com., vol. 676 (2016), p. 551-556.

[23] Lu, R.; Xu, L.; Ge, Z.; Li, R.; Xu, J.; Yu, L.; Chen, K. «Improved efficiency of silicon nanoholes/gold nanoparticles/organic hybrid solar cells via localized surface plasmon resonance».

Nanoscale Res. Lett., vol. 11 (2016), p. 160-166.

[24] Costi, R.; Saunders, A. E.; Banin, U. B. «Colloidal hybrid nanostructures: a new type of functional materials». Angew.

Chem. Int. Ed., vol. 49, núm. 29 (2010), p. 4878-4897.

[25] Lee, J.; Yang, J.; Ko, H.; Oh, S.; Kang, J.; Son, J.; Lee, K.; Lee, S. W.; Yoon, H. G.; Suh, J. S.; Huh, Y. M.; Haam, S. «Multifunctional magnetic gold nanocomposites: human epithelial cancer detection via magnetic resonance imaging and localized sync-

hronous therapy». Adv. Funct. Mater., vol. 18, núm. 2 (2008), p. 258-264.

[26] Xu, C.; Wang, B.; Sun, S. «Dumbbell-like Au-Fe3O4 nanoparticles for target-specific platin delivery». J. Am. Chem. Soc., vol. 131, núm. 12 (2009), p. 4216-4217.

[27] Wang, C.; Irudayaraj, J. «Multifunctional magnetic-optical nanoparticle probes for simultaneous detection, separation, and thermal ablation of multiple pathogens». Small, vol. 6, núm. 2 (2010), p. 283-289.

[28] Mohammad, F.; Balaji, G.; Weber, A.; Uppu, R. M.; Kumar, C. S. S. R. «Influence of gold nanoshell on hyperthermia of superparamagnetic iron oxide nanoparticles». J. Phys. Chem. C, vol.

114, núm. 45 (2010), p.19194-19201.

[29] Lee, Y. H.; Lee, C. K.; Tan, B.; Rui Tan, J. M.; Phang, I. Y.; Ling, X. Y. «Using the Langmuir-Schaefer technique to fabricate large-area dense SERS-active Au nanoprism monolayer films».

Nanoscale, vol. 5, núm. 14 (2013), p. 6404-6412.

[30] Bilecka, I.; Niederberger, M. «Microwave chemistry for inorganic nanomaterials synthesis». Nanoscale, vol. 2, núm. 8 (2010), p. 1358-1374.

[31] Baghbanzadeh, M.; Carbone, L.; Cozzoli, P. D.; Oliver Kappe, C. «Microwave-assisted synthesis of colloidal inorganic nanocrystals». Angew. Chem., vol. 50, núm. 48 (2011), p. 1131211359.

[32] Yu, S.; Hachtel, J. A.; Chisholm, M. F.; Pantelides, S. T.; Laromaine, A.; Roig, A. «Magnetic gold nanotriangles by micro­ wave-assisted polyol synthesis». Nanoscale, vol. 7, núm. 33 (2015), p. 14039-14046.

[33] Personic, M. L.; Mirkin, C. A. «Making sense of the mayhem behind shape control in the synthesis of gold nanoparticles». J. Am. Chem. Soc., vol. 135, núm. 49 (2013), p. 18238-18247.

[34] Xiong, Y.; Washio, I.; Chen, J.; Sadilek, M.; Xia, Y. «Trimeric clusters of silver in aqueous AgNO3 solutions and their role as nuclei in forming triangular nanoplates of silver». Angew. Chem. Int. Ed., vol. 47, núm. 26 (2007), p. 4917-4921.

[35] Sun, Y.; Xia, Y. «Shape-controlled synthesis of gold and silver nanoparticles». Science, vol. 298, núm. 5601 (2002), p. 2176-2179.

118

Revista Quimica 17.indd 118

07/01/2019 16:01:21

M. Torras

A. Gordillo

A. Roig

Miquel Torras és graduat en química per la Universitat Autònoma de Barcelona (2016). També és graduat en física per la mateixa universitat (2016). Va cursar el Màster en Química de Materials Aplicada a la Universitat de Barcelona (2017). Actualment fa el doctorat en ciència de materials a l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), sota la direcció de la doctora Anna Roig.

Adrià Gordillo és graduat en nanociència i nanotecnologia per la Universitat Autònoma de Barcelona (2016). Actualment, està finalitzant el Màster en Direcció i Gestió de la Innovació (Universitat Oberta de Catalunya), alhora que cursa el Postgrau en Gestió Àgil de Projectes amb Scrum, Kanban, Lean i XP (Escola de Negocis de la Innovació i els Emprenedors).

Anna Roig és doctora en física per la Universitat Autònoma de Barcelona (1998). Actualment és professora d’investigació a l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), on dirigeix el grup Nanoparticles & Nanocomposites des del 2006. La seva activitat se centra en el disseny racional i la síntesi de nanopartícules i nanocompòsits, l’estudi de les seves propietats estructurals i funcionals i les seves possibles aplicacions.

119

Revista Quimica 17.indd 119

07/01/2019 16:01:22

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 120-125 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 DOI: 10.2436/20.2003.01.102 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Entrevista a Jordi Arbiol amb motiu de la commemoració del Premi Nobel de Química 2017 Interview with Jordi Arbiol on the commemoration of the Nobel Prize in Chemistry 2017 Jordi Arbiol Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA) a l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) i Barcelona Institute of Science and Technology (BIST). Group of Advanced Electron Nanoscopy (GAe-N) Entrevista feta per Ciril Jimeno i Montserrat Heras, editors de la revista de la societat catalana de química.

Resum: El Premi Nobel de Química 2017 va ser atorgat a Jacques Dubochet, Joachim Frank i Richard Henderson pel «desenvolupament de la microscòpia crioelectrònica per a la determinació estructural a alta resolució de biomolècules en dissolució».

En aquesta entrevista, el professor ICREA Jordi Arbiol, de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) i Barcelona Institute of Science and Technology (BIST), parla sobre els aspectes més revolucionaris d’aquesta tècnica, entre altres aspectes de la microscòpia electrònica.

Paraules clau: Microscòpia crioelectrònica, Premi Nobel de Química.

Abstract: The Nobel Prize in Chemistry 2017 was awarded to Jacques Dubochet, Joachim Frank and Richard Henderson “for developing cryo-electron microscopy for the high-resolution structure determination of biomolecules in solution”. In this interview, ICREA Prof. Jordi Arbiol, from Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), Spanish National Research Council (CSIC) & Barcelona Institute of Science and Technology (BIST), discusses the revolutionary aspects of this technique among other issues related to electron microscopy.

Keywords: Cryo-electron microscopy, Chemistry Nobel Prize.

P: Què són les microscòpies electròniques i quina importància han tingut i tenen en l’estudi de la matèria?

R: Les microscòpies, en general, són actualment els ulls que té la ciència a les escales més petites de la natura. En concret, les microscòpies electròniques ens permeten observar, mesurar i interactuar amb la matèria fins i tot a escala atòmica. Els grans avenços en microscòpia electrònica ens permeten observar els àtoms individualment i extreure’n les propietats. Podem deixar el feix d’electrons sobre un àtom i mesurar-ne la composició elemental, l’estat químic (per exemple, l’estat d’oxidació) o l’estat de coordinació. Podem congelar la matèria orgànica en líquid, mantenint les seves propietats estructurals, i observar les cèl·lules, els virus i les proteïnes en 3D amb resolucions properes a l’àngstrom. Les noves microscòpies electròniques ens permeten recrear i modelitzar la matèria en 3D àtom a àtom. Som capaços de mesurar i localitzar a escala subnanomètrica les energies dels plasmons, dels fotons emesos pel material, de la banda prohibida (o gap en els semiconductors) o de les seves vibracions fonòniques. En definitiva, estem explorant contínuament els límits de resolució que ens permet la física, per donar resposta i entendre les propietats físiques, estructurals i químiques dels materials i la composició i l’estructura 3D de la matèria orgànica.

Correspondència: Jordi Arbiol Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) Campus de la UAB, Bellaterra. 08193 Bellaterra 120 Tel.: + 34 937 372 649 A/e: arbiol@icrea.cat

Revista Quimica 17.indd 120

P: En particular, què és la microscòpia crioelectrònica i per què ha estat mereixedora del Premi Nobel? [1, 2] R: L’any 1934, Max Knoll i Ernst Ruska dissenyen el primer microscopi electrònic. Ja des dels inicis, un dels somnis de gran part de la comunitat científica va ser poder observar els components bàsics de la matèria, els àtoms i les molècules, per tal de poder entendre millor la natura. Les primeres proves d’aplicació d’un microscopi electrònic per observar teixits orgànics es realitzen el mateix any 1934, per part de Ladislaus L. Marton, i s’arriba a la conclusió que els electrons no són adequats, ja que la seva alta energia destrueix la matèria orgànica amb massa facilitat. Marton, en un article a la revista Nature, conclou: «Aquest alt poder de resolució no es pot aplicar en la recerca biològica sense abans desenvolupar una nova tècnica histològica que previngui la destrucció de les cèl·lules orgàniques degut a l’intens bombardeig electrònic.» Aquesta impossibilitat inicial no impedeix que, al cap d’uns anys, diversos grups d’arreu del món ho segueixin intentant, desenvolupant noves tecnologies que permetin minimitzar els efectes de l’exposició de la matèria als electrons.

La criomicroscòpia és, doncs, una metodologia complexa que aglutina diversos avenços científics que permeten, en definitiva, «congelar» les mostres i observar-les en un microscopi electrònic en el seu estat original, sense destruir-les.

Aquesta nova metodologia conté tres punts o aspectes primordials que han estat bàsics per al seu desenvolupament:

14/1/2019 12:24:34

1) en primer lloc, la posada a punt d’una nova metodologia de preparació de mostres que ens permet congelar-les a molt baixa temperatura de forma instantània i evita la cristal·lització del gel; 2) en segon lloc, el desenvolupament de tècniques que combinen imatges de múltiples angles, utilitzant un feix d’electrons de baixa potència, per generar imatges 3D dels «objectes» orgànics, 3) i finalment, en tercer lloc, el desenvolupament d’algorismes matemàtics que ens permetin recons-

truir els objectes observats en 3D a escales quasi atòmiques (vegeu la figura 1).

P: Com d’important és la preparació de la mostra per poder fer-ne l’observació?

R: Com he comentat abans, una correcta preparació i congelació de la mostra és primordial i necessària de cara a aconseguir una bona observació i adquisició de les dades que després

Figura 1. Esquemes de funcionament de: A) un microscopi electrònic (TEM); B) un portamostres de crio-TEM, i C) la cambra de vitrificació de mostres. Reproduït de J. Kuntschea, J. C. Horstb i H. Bunjesb, Int. J. Pharm., vol. 417 (2011), p. 120-137, amb permís d’Elsevier (Copyright © 2011). Vegeu la referència [3] per a més detalls.

Revista Quimica 17.indd 121

121

14/1/2019 12:24:36

seran reconstruïdes. La criogenització permet conservar les propietats estructurals de la mostra, tant de cèl·lules com de virus i proteïnes, durant la seva exposició al feix d’electrons. És per això que un dels tres guardonats amb el Premi Nobel, el professor Dubochet, ho ha estat pels seus treballs en el desenvolupament, la posada a punt i la millora de les tècniques de criogenització.

àcids nucleics fins a les cèl·lules mateixes). Si em pregunteu per una fita històrica o un descobriment clau gràcies a la criomicroscòpia electrònica, potser destacaria el desenvolupament metodològic que van fer A. K. Kleinschmidt i R. K. Zahn l’any 1959 per tal d’aconseguir una visualització directa dels àcids nucleics, i que va permetre, entre d’altres, demostrar amb gran precisió l’estructura de doble hèlix de l’ADN.

P: A quin nivell es poden observar les biomolècules en solució amb la criomicroscòpia electrònica? atòmic? nano?

Quines estructures i fins a quin detall és possible observar?

[2, 4] R: Amb els nous desenvolupaments tecnològics, podem treballar a un voltatge elevat (300 keV), la qual cosa augmenta la resolució i el poder de penetració dels electrons en el gel. Tot això, conjuntament amb tecnologies que ens permeten augmentar el contrast de les imatges tot i treballar amb una dosi baixa d’electrons per evitar el deteriorament de les mostres.

Per això, avui en dia es treballa amb detectors directes d’electrons, que ens permeten capturar senyal encara que es facin servir radiacions molt baixes. La suma de totes aquestes tecnologies, juntament amb uns algorismes de reconstrucció cada cop més sofisticats, ens permeten arribar a resolucions de l’entorn de dos àngstroms, prop de la resolució atòmica.

En alguns virus i proteïnes s’han aconseguit desxifrar les propietats estructurals a aquestes escales tan baixes.

P: Quina ha estat la contribució dels tres guardonats en aquest camp?

R: Els tres guardonats amb el Premi Nobel han estat pioners, cadascun d’ells, en un dels tres punts o aspectes primordials que, com he dit abans, han estat bàsics per al desenvolupament de la criomicroscòpia electrònica:

P: En quins àmbits científics i tecnològics s’utilitza més?

R: La criomicroscòpia s’utilitza sobretot en dues grans branques: 1) en biologia cel·lular, mitjançant la criotomografia electrònica, i 2) en biologia estructural, mitjançant la reconstrucció de partícules individuals (single particle) per a l’anàlisi de virus i proteïnes.

122

P: Ens podries posar un exemple d’algun descobriment en què aquesta tècnica hagi estat clau?

R: Es fa difícil posar un exemple d’algun descobriment, ja que es tracta d’una tècnica o metodologia en constant evolució en què els avenços o descobriments van des del desenvolupament tecnològic en si fins a les aplicacions més sofisticades en camps diversos, com la biomedicina, la genètica o la biologia cel·lular o estructural. De totes maneres, el fet de poder arribar a tenir resolucions de l’entorn de l’àngstrom en l’estudi de la matèria orgànica ens permet comprendre millor les relacions entre estructura i funcionalitat en les petites peces que componen tots els éssers vius (des de proteïnes, ribosomes o

Revista Quimica 17.indd 122

1) Jacques Dubochet va afegir el «crio» a la microscòpia electrònica posant a punt una nova metodologia de preparació de mostres que permetia congelar-les a molt baixa temperatura de forma instantània i evitar la cristal·lització del gel.

L’aigua de la mostra «vitrificada» està desordenada, però es conserva l’estructura 3D de les biomolècules a la mostra. Això li va permetre crear les primeres imatges de diversos virus.

2) Richard Henderson va ser la primera persona que va generar una imatge d’una proteïna amb microscòpia electrònica.

Va empaquetar moltes còpies de la proteïna bacteriorodopsina en una mostra i va combinar imatges de múltiples angles, utilitzant un feix d’electrons de baixa potència, per generar imatges 3D de la proteïna. Va continuar refinant aquestes tècniques fins a produir imatges amb la mateixa resolució que les de difracció de raigs X. 3) Finalment, Joachim Frank va contribuir crucialment en el processament i l’anàlisi de les imatges de criomicroscòpia.

Va desenvolupar mètodes computacionals per prendre imatges de múltiples proteïnes orientades a l’atzar dins d’una mostra i compilar-les en conjunts d’orientacions similars per obtenir imatges 2D més nítides, i va poder construir una imatge 3D a partir d’aquestes projeccions 2D. Va utilitzar els seus algorismes per generar imatges del ribosoma, una estructura massiva feta de diverses proteïnes i fils d’ARN (vegeu la figura 2).

Sense aquests tres desenvolupaments, no cal dir-ho, la criomicroscòpia electrònica actual no seria possible, i és per això que el Premi Nobel ha estat concedit a tots tres.

14/1/2019 12:24:36

Figura 2. Reconstruccions de quatre classes de ribosomes de la mateixa mostra. La subunitat gran i la petita han estat separades computacio­ nalment, de manera que l’ARNt es fa visible. A) Ribosoma unratcheted, amb ARNt en la posició clàssica (A/A, P/P). B) Ribosoma amb rotació intermèdia de la subunitat petita, i ARNt en posicions intermèdies. C) Ribosoma ratcheted, amb ARNt en posició híbrida (A/P, P/E). D) Estructura de ribosoma addicional en què la posició A no està ocupada per ARNt. Reproduït amb permís de Wiley VCH. Vegeu la referència [5] per a més detalls.

P: Al teu grup treballeu amb aquesta tècnica? Quin nivell d’implantació té a Catalunya?

R: En el meu grup, tot i fer un ús extensiu de les microscòpies electròniques avançades, normalment treballem amb materials i no amb matèria orgànica, per la qual cosa el nostre ús de la criomicroscòpia no és habitual. En ciència de materials prima sobretot la resolució espacial i energètica del feix d’electrons i, contràriament al que passa en les aplicacions biomèdiques, en les quals s’ha apostat per voltatges elevats i dosis d’electrons baixes, en el camp dels materials cada cop treballem amb voltatges més baixos, de prop de 60 keV. En el nostre camp fem servir correctors d’aberracions que ens permeten assolir resolucions per sota de l’àngstrom fins i tot a aquests voltatges tan baixos, i això ens permet estudiar materials tan sensibles com el grafè sense malmetre’n l’estructura.

Diguem que l’escala atòmica no és un secret per a nosaltres, sinó més aviat el dia a dia.

Pel que fa a la implantació de la microscòpia electrònica, com a mínim en ciència de materials i nanotecnologia, tenim a casa nostra grups capdavanters a nivell mundial, amb grans tecnòlegs i científics de reconegut prestigi. Tenim gent premiada a nivell europeu tant pel desenvolupament de tècniques com per l’aplicació d’aquestes a la millora del coneixement de nous materials, des dels mecanismes de creixement fins a la

Revista Quimica 17.indd 123

correlació de la seva estructura amb les seves propietats físiques i químiques.

Tot i això, a l’Estat hi ha vuit microscopis electrònics avançats amb correctors d’aberracions, mentre que a Catalunya encara no en tenim cap. Fa anys que en reclamem un i sembla que finalment ho aconseguirem. Hi ha una iniciativa que liderem des de l’ICN2 i el BIST, en col·laboració amb el CSIC i la Fundació CELLS, per dotar el Sincrotró ALBA amb dos microscopis d’última generació: un per a ciència de materials, amb correctors d’aberracions i monocromador, i un altre per poder des­ envolupar una criomicroscòpia correcta.

P: Quins són actualment els grups de recerca capdavanters en microscòpia crioelectrònica?

R: A Catalunya, ara mateix no hi ha cap grup capdavanter en criomicroscòpia electrònica, a diferència del que passa en microscòpia electrònica aplicada a materials. En el seu moment, tant la Universitat de Barcelona com la Universitat Autònoma de Barcelona i la Universitat Rovira i Virgili es van dotar de microscopis electrònics amb prestacions criogèniques. Però la pèrdua de personal qualificat i la manca d’inversió en nous equipaments han fet que moltes d’aquestes instal·lacions hagin quedat obsoletes. A nivell estatal hi ha diversos grups de molta qualitat al Centro Nacional de Biotecnología de Madrid,

123

14/1/2019 12:24:37

Figura 3. Imatge composta de l’enzim β-galactosidasa que mostra l’evolució de la resolució de la microscòpia crioelectrònica en els darrers anys. D’esquerra a dreta: mapa de baixa resolució, resolució a 2,2 Å i coordenades atòmiques ajustades. Crèdit: Veronica Falconieri, Subramaniam Lab, National Cancer Institute (Estats Units d’Amèrica).

i petits grups escampats per la geografia, com al País Basc o Andalusia. Però, malauradament, tampoc no hi ha cap criomicroscopi d’última generació a l’Estat. És per això que, amb la iniciativa que volem desenvolupar a l’ALBA, esperem que aquestes tècniques tan utilitzades pels nostres investigadors puguin tornar a ressorgir. Actualment hem d’anar fora a utilitzar aquestes noves tecnologies.

P: Com preveus que serà el desenvolupament futur d’aquesta tècnica i de les microscòpies electròniques?

Espero que en un futur no massa llunyà puguem aconseguir resolucions atòmiques reals en criomicroscòpia i es puguin reconstruir les diferents peces que componen la matèria orgànica àtom a àtom, com ja fem en ciència de materials. Això donaria una nova dimensió a la recerca en ciències de la vida i ens ajudaria a entendre alguns dels misteris que encara ens queden per resoldre. Perquè, en definitiva, observant el món a petita escala, podem entendre’l…, i entenent-lo, construïm el coneixement de la nostra societat (vegeu la figura 3).

Referències i altres fonts [1] The Nobel Prize in Chemistry 2017 [en línia]. <http://www. nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/> [Consulta: 24 abril 2018].

[2] Gelfand, A. «The rise of cryo-electron microscopy». Biomed­ ical Computational Review, vol. 12, núm. 1 (2016), p. 13-21. <http://biomedicalcomputationreview.org/content/rise-­cryoelectron-microscopy> [Consulta: 24 abril 2018].

[3] Kuntschea, J.; Horstb, J. C.; Bunjes, H. «Cryogenic transmis­ sion electron microscopy (cryo-TEM) for studying the morphology of colloidal drug delivery systems». Int. J. Pharm., vol. 417 (2011), p. 120-137.

[4] Merino, F.; Raunser, S. «Electron cryo-microscopy as a tool for structure-based drug development». Angew. Chem. Int. Ed., vol. 56 (2017), p. 2846-2860.

[5] Frank, J. «The ribosome comes alive». Isr. J. Chem., vol. 50 (2010), p. 95-98.

124

Revista Quimica 17.indd 124

14/1/2019 12:24:38

J. Arbiol

Jordi Arbiol és llicenciat en física per la Universitat de Barcelona (UB, 1997). Obtingué el doctorat en física en el Departament d’Electrònica de la UB l’any 2001 (amb menció europea i premi extraordinari de doctorat). Treballà als Serveis Cientificotècnics de la UB i com a professor associat del Departament d’Electrònica. El 2009, esdevingué professor ICREA, i fins al 2015 treballà a l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC). Des del 2015 és professor ICREA a l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) i líder del Group of Advanced Electron Nanoscopy (GAe-N). Des del 2017 és el president de la Sociedad de Microscopía de España (SME), en va ser vicepresident del 2013 al 2017 i des del 2009 és membre de la junta executiva. Des del 2019 és membre de la junta executiva de la International Federation of Societies for Microscopy (IFSM). És el supervisor científic de l’àrea transversal en microscòpia electrònica a l’ICN2 i a Barcelona Institute of Science and Technology (BIST). Va ser guardonat amb els premis EU40 Materials Prize 2014 (E-MRS) i EMS Outstanding Paper Award 2014 i va ser inclòs a la llista Top 40 Under 40 Power List (2014) per The Analytical Scientist. Té més de 320 pu­bli­ca­cions relacionades amb les microscòpies electròniques aplicades a nanomaterials, més de 12 000 cites, un índex h de 62 (WoS) i 71 (GoS) i més de 120 exposicions orals com a convidat, entre plenàries, keynotes, conferències i seminaris.

125

Revista Quimica 17.indd 125

14/1/2019 12:24:39

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 126-128 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Químics catalans al món: Jordi Burés Universitat de Manchester (Regne Unit)

Trajectòria professional

J

ordi Burés Amat (Barcelona, 1980) va estudiar química a la Universitat de Barcelona, on s’especialitzà en química orgànica. Acabada la llicenciatura, va treballar en la construcció de les primeres versions de la pàgina web de la Societat Catalana de Química (SCQ), alhora que feia un màster experimental al Departament de Química Orgànica sota la direcció del professor Jaume Vilarrasa. Posteriorment, va aconseguir una beca FPU del Ministeri d’Educació i Ciència (MEC) per a fer la tesi doctoral al grup esmentat. La seva tesi doctoral descriu diversos mètodes sintètics per a la transformació de nitrocompostos alifàtics, oximes i azides [1].

El 2007, va fer una estada doctoral al grup de la professora Donna Blackmond a l’Imperial College de Londres, on va dur a terme estudis cinètics de reaccions catalítiques mitjançant microcalorimetria.

Després del doctorat, el 2010, va aconseguir una beca del MEC per a una estada postdoctoral de dos anys al grup de la professora Donna Blackmond al prestigiós The Scripps Research Institute (La Jolla, Califòrnia, EUA). Allà va publicar una sèrie d’articles que desvelaven el mecanisme de reacció de diferents transformacions aminocatalítiques [2], el qual ha per-

Correspondència: Jordi Burés The University of Manchester. School of Chemistry Oxford Road, M13 9PL Machester, United Kingdom 126 Tel.: +44 161 275 4634 A/e: jordi.bures@manchester.ac.uk

Revista Quimica 17.indd 126

mès el desenvolupament de metodologies sintètiques més eficients i ecològiques.

El 2013, va aconseguir una plaça de Junior Research Fellow­ ship a l’Imperial College de Londres que li va permetre començar la seva carrera independent en una de les universitats més importants del Regne Unit. En aquesta universitat, com qualsevol altre membre acadèmic del Departament de Química, va participar en la docència de cursos pràctics i teòrics relacionats amb la química orgànica i va elaborar un nou curs sobre cinètiques de reaccions catalítiques. A l’Imperial College de Londres, també va crear el seu grup de recerca, format per un estudiant de doctorat, un investigador postdoctoral i estudiants de màster.

El 2016, va acceptar una plaça de lecturer en química orgànica a la Universitat de Manchester, la qual té el departament de química més gran del Regne Unit. Les motivacions principals per a triar aquesta universitat van ser la fortalesa investigadora del Departament de Química Orgànica i l’excel·lent Servei de Ressonància Magnètica Nuclear, una eina indispensable per a monitorar adequadament reaccions químiques.

Durant la seva carrera acadèmica, ha aconseguit diversos premis i beques per a finançar la recerca del seu grup d’investigació, tant d’agències públiques de la Unió Europea, d’Anglaterra i d’Espanya com d’empreses privades del sector químic i farmacèutic. Ha divulgat els resultats de la seva recerca en articles a les millors revistes de química i ha fet conferències en centres d’investigació i universitats d’arreu del món. Com a

07/01/2019 16:01:26

reconeixement, aquest any Jordi Burés ha rebut el premi Thieme Chemistry Journals Award 2018, atorgat per la junta editorial de les revistes Synthesis, Synlett i Synpacts, que reconeix l’excel·lència d’investigadors novells en l’àrea de la química orgànica a escala mundial.

Hi ha dues raons principals per les quals Jordi Burés ha començat la seva carrera investigadora i docent a Anglaterra. La primera és la il·lusió i l’ambició de formar un grup d’investigació propi en departaments de química globalment competitius. La segona és l’actual manca de condicions acceptables per a tornar a Catalunya a desenvolupar una carrera professional satisfactòria en l’àmbit universitari.

Àrea de recerca Com molts altres grups de recerca química, l’objectiu del grup liderat per Jordi Burés és desenvolupar processos químics més eficients i viables des del punt de vista econòmic i mediambiental. Però no ho fa examinant paràmetres de reaccions estàndards de manera sistemàtica, com tants altres grups, sinó mitjançant el coneixement derivat d’estudis mecanístics de les reaccions. Els estudis mecanístics permeten entendre el curs de les reaccions a escala molecular i predir com respondran les reaccions en canviar-ne diferents paràmetres. Així, és possible identificar paràmetres de reacció clau, que a priori no són evidents, per a millorar processos químics existents i dissenyar-ne de nous.

Gràcies a la seva experiència en estudis mecanístics, i particularment en estudis cinètics de reaccions orgàniques, Jordi Burés col·labora sovint amb químics sintètics i experts en catàlisi de tot el món. Com a conseqüència, el ventall de reac­cions estudiades al seu grup és força ampli, i comprèn reac­cions aminocatalítiques asimètriques [3], reaccions d’activació C-H amb pal·ladi i plata [4], reaccions catalitzades amb complexos d’or [5] i oxidacions aeròbiques catalitzades amb complexos de coure [6]. A part del treball experimental, Jordi Burés també és el creador d’un nou mètode d’anàlisi cinètica, anomenat VTNA (variable time normalization analysis), que permet elucidar l’ordre de reacció de qualsevol component de reacció d’una manera pràctica i senzilla [7]. Aquest mètode, publicat el 2016, ja ha estat emprat per grups d’arreu del món per a obtenir informació mecanística de tot tipus de reaccions.

Revista Quimica 17.indd 127

Per a més informació sobre el grup de recerca de Jordi Burés, es pot consultar la seva pàgina web, http://jordibures.wixsite. com/buresgroup, o el seu compte de Twitter, @BuresGroup.

Referències [1] Burés, J. Aplicació i estudis mecanístics de les reaccions de trimetilfosfina i diversos activadors amb nitrocompostos alifàtics, oximes i azides. Tesi doctoral. Barcelona: Universitat de Barcelona, 2009. <http://hdl.handle.net/10803/2825> [Consulta: 31 març 2018].

[2] a) Burés, J.; Armstrong, A.; Blackmond, D. G. «Mechanistic rationalization of organocatalyzed conjugate addition of linear aldehydes to nitro-olefins». J. Am. Chem. Soc., vol. 132 (2011), p. 8822-8825. b) Burés, J.; Armstrong, A.; Blackmond, D. G. «Curtin-Hammett paradigm for stereocontrol in organocatalysis by diarylprolinol ether catalysis». J. Am. Chem. Soc., vol.

134 (2012), p. 6741-6750. c) Burés, J.; Armstrong, A.; Blackmond, D. G. «Kinetic correlation between aldehydes/enamine stereisomers in reactions between aldehydes with alphastereocenters and chiral pyrrolidine-based catalysts». Chem.

Sci., vol. 3 (2012), p. 1273-1277. d) Burés, J.; Dingwall, P.; Armstrong, A.; Blackmond, D. G. «Rationalization of an unusual solvent-induced inversion of enantio-metric excess in organocatalytic selenylation of aldehydes». Angew. Chem. Int. Ed., vol. 53 (2014), p. 8700-8704. e) Burés, J.; Armstrong, A.; Blackmond, D. G. «Explaining anomalies in enamine catalysis: “downstream species” as a new paradigm for stereocontrol».

Chem. Soc. Rev., vol. 49 (2016), p. 214-222.

[3] a) Companyó, X.; Burés, J. «Distribution of catalytic species as an indicator to overcome reproducibility problems». J. Am. Chem. Soc., vol. 139 (2017), p. 8432-8435. b) Gunler, Z. I.; Companyó, X.; Alfonson, I.; Burés, J.; Jimeno, C.; Pericàs, M. A. «Deciphering the roles of multiple additives in organocatalyzed Michael additions». Chem. Commun., vol. 52 (2016), p. 68216824.

[4] a) Whitaker, D.; Burés, J.; Larrosa, I. «Ag(I)-catalyzed C–H activation: the role of the Ag(I) salt in Pd/Ag-mediated C–H arylation of electron-deficient arenes». J. Am. Chem.

Soc., vol. 138 (2016), p. 8384-8387. b) Colletto, C.; Burés, J.; Larrosa, I. «Reaction monitoring reveals poisoning mechanism of Pd2(dba)3 and guides catalysis selection». Chem. Commun., vol. 53 (2017), p. 12890-12893.

[5] Aikonen, S.; Muuronen, M.; Wirtanen, T.; Heikkinen, S.; Mus­ greave, J.; Burés, J.; Helaja, J. «Gold(I)-catalyzed 1,3-O-transposi­

127

07/01/2019 16:01:26

tion of ynones: mechanism and catalytic acceleration with electron-rich aldehydes». ACS Catal., vol. 8 (2018), p. 960-967.

[6] Marais, L.; Burés, J.; Jordaan, H. L. J.; Mapolie, S.; Swart, A. J. «A bis(pyridyl)-N-alkylamine/Cu(I) catalyst system for aerobic alcohol oxidation». Org. Biomol. Chem., vol. 15 (2017), p. 6926-6933.

[7] a) Burés, J. «A simple graphical method to determine the order in catalyst». Angew. Chem. Int. Ed., vol. 55 (2016), p. 2028-2031. b) Burés, J. «Variable time normalization analysis: general graphical elucidation of reaction orders from concentration profiles». Angew. Chem. Int. Ed., vol. 55 (2016), p. 16084-16087.

128

Revista Quimica 17.indd 128

07/01/2019 16:01:26

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 129-131 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Professor Josep Castells i Guardiola (1925-2018), in memoriam Montserrat Heras i Ciril Jimeno, editors de la revista de la societat catalana de química

E

nguany ha traspassat el professor Josep Castells, considerat un dels fundadors de l’Escola de Química Orgànica de Barcelona. L’empremta que ha deixat, tant en nombrosos deixebles encara actius com en la concepció mateixa de la química orgànica a Catalunya, ha estat enorme. Era membre numerari de la Secció de Ciències i Tecnologia de l’IEC des de l’any 1978 i, des de la Societat Catalana de Química, volem expressar el nostre reconeixement a la seva tasca científica i educativa. A continuació figura l’obituari publicat a La Vanguardia el passat 4 d’agost per un dels seus deixebles, el professor Josep Font, i, tot seguit, la transcripció del discurs d’homenatge del professor Àngel Messeguer a l’Institut d’Estudis Catalans.

mitjans espectroscòpics per fer-ho. Posteriorment va obtenir un títol de PhD a la Universitat de Manchester amb una recerca sobre la química d’esteroides dirigida pel professor E. R. H. Jones. Altre cop a Barcelona, ingressà el 1956 a l’Institut Alonso Barba del CSIC, on realitzà importants investigacions sobre els àcids fenilpropargiliden-carboxílics, els alcohols terpènics monocíclics i altres recerques relacionades amb la química del carboni. Després, com a professor d’investigació del Centre d’Investigació i Desenvolupament, va ser pioner, internacionalment reconegut, en l’aplicació de la química en fase sòlida, desenvolupant polímers funcionalitzats amb ancoratges diversos a partir dels quals es podien fer síntesis químiques precises o catalitzadors insolubles.

Recordo que a finals dels anys cinquanta del segle passat a les classes de química orgànica el professor Josep Pascual Vila ens explicava: «Es diu que existeixen uns electrons sigma i uns electrons pi...». Es referia, sense massa convicció, al canvi de paradigma que s’estava produint en la concepció de les ratlletes que representaven les valències covalents que unien els àtoms de les molècules orgàniques. Als obscurs laboratoris de la planta baixa de la facultat de Ciències de la Universitat de Barcelona (UB), quan només hi havia una estructura de catedràtic i bidell, l’insigne professor Pascual (1895-1979) mantenia vinculat al CSIC un trident d’investigadors (formats tots ells en universitats estrangeres —com ell mateix s’havia format molts anys abans a Alemanya— després d’obtenir un doctorat sota la seva direcció). Els tres investigadors eren Manuel Ballester Boix, Josep Castells Guardiola i Fèlix Serratosa Palet. El proppassat 30 de juliol va traspassar, als noranta-tres anys, l’últim que quedava del trident, el doctor Castells. Aquest conjunt de quatre personatges, que han enaltit la ciència catalana i de retruc l’espanyola, han estat els pilars de l’anomenada Escola de Química Orgànica de Barcelona.

Però de l’enorme treball realitzat pel doctor Castells destaca sobretot la seva tasca docent. A través d’un periple de concursos oposició, impossible de reflectir en aquestes curtes línies, va poder fer el salt del CSIC a professor universitari. Primer (1969) com a professor agregat de l’acabada de crear Universitat Autònoma de Barcelona (via Universitat de Saragossa), després com a catedràtic de la UAB i finalment (1975) com a catedràtic de química orgànica a la UB. Atent i obert a totes les innovacions científiques que van tenir lloc a partir del 1950, dos temes en sobresurten: a) la interpretació amb orbitals moleculars de l’enllaç covalent (bàsic dels compostos orgànics) amb la derivada d’un coneixement més precís dels mecanismes de les reaccions químiques, d’on neixen els electrons sigma i pi de què ens parlava el doctor Pascual, i b) la determinació estructural dels compostos orgànics fent ús de tècniques espectroscòpiques: l’infraroig (IR), la ressonància magnètica nuclear (RMN) d’hidrogen i de carboni-13, l’espectrometria de masses (EM) van ser tècniques demanades a l’Administració fins a l’extenuació i adquirides finalment entre el 1961 i el 1965 —l’EM, però, ben entrat l’any 1969.

El doctor Castells era dels tres el més decidit a compaginar la recerca amb la docència. Seguia el lema que no es pot ensenyar bé si no es fa recerca i, alhora, no es pot fer bona recerca si no tens l’oportunitat d’ensenyar-la i transmetre-la. I això, creia, només es pot fer a la universitat, institució que ell volia reformar des de dins. Llicenciat en ciències químiques per la UB el 1945, va defensar l’any 1950 una tesi doctoral dirigida pel doctor Pascual a la Universitat de Madrid (únic lloc on es podien presentar treballs de tesi) sobre l’assignació estereoquímica d’uns estereoisòmers cis-trans quan no existien encara els

L’empremta docent del doctor Castells ha quedat permanentment lligada a la introducció d’aquestes tècniques a Catalunya (i a Espanya i a Xile). Però van ser les seves classes d’interpretació dels espectres, acompanyades sempre per uns apunts generats a cop de ciclostil, les que van revolucionar en el nostre entorn l’anàlisi química orgànica que fins aleshores es feia lentament via anàlisi per combustió, determinació de la fórmula empírica i generació de derivats cristal·lins. Per tota la seva tasca va ser guardonat per la Generalitat de Catalunya amb la Medalla Narcís Monturiol i amb la Medalla d’Or al Mè-

Revista Quimica 17.indd 129

129

07/01/2019 16:01:26

rit Científic. També va ser premi Solvay, membre de l’Institut d’Estudis Catalans i acadèmic de la Reial Acadèmia de Ciències i Arts de Barcelona.

Nogensmenys, Castells va estar obert a totes les innovacions de la ciència i el seu mestratge divulgatiu va ser excepcional: ús de l’hidrogen com a vector energètic, nous materials orgànics com el ful·lerè i el grafè, conceptes termodinàmics posats a l’abast dels alumnes de primer, nucleosíntesi estel·lar i cosmogonia evolutiva, especialment de la química del carboni com a element central i singular de la taula periòdica que entronca necessàriament amb la biologia molecular i per tant amb la vida. I pertot on va passar sempre va tenir cura de les biblioteques i de la seva modernització.

Com ens deia la seva esposa, la Maria Dolors, va ser un home savi, però sobretot un home bo. Jefe, descansa en pau. Tots els teus alumnes, que som molts, et recordarem sempre.

Josep Font i Cierco

Senyor president, estimats col·legues, Josep Castells i Guardiola nasqué a Barcelona el 27 de maig del 1925. Estudià de manera molt brillant la carrera de química a la Universitat de Barcelona i decidí fer el doctorat en l’especialitat a la mateixa universitat, sota la direcció del professor Josep Pascual Vila, el creador de l’anomenada Escola de Química Orgànica de Barcelona, si bé hagué de presentar la tesi a Madrid, el 1950, com era reglamentari en aquells anys.

El 1969, s’incorpora com a professor agregat a la recentment creada Universitat Autònoma de Barcelona. Les primeres classes encara les feia a aules de l’Hospital de Sant Pau. La seva capacitat de formar i dirigir equips es materialitza amb el trasllat al Campus de Bellaterra, on comença a consolidar un equip dins de l’especialitat de química orgànica i es consolida com a catedràtic, envoltat de científics rellevants de la química catalana que estaven, com ell fins aquells anys, als laboratoris del Centre d’Investigació i Desenvolupament del CSIC a Barcelona i que tenien una decidida vocació docent. Josep Font, Marcial Moreno, Fèlix Serratosa en són exemples rellevants.

130

De fet, durant els pocs anys d’estada als laboratoris del CSIC, primer als espais de l’edifici històric de la Universitat de Barcelona i

Revista Quimica 17.indd 130

més tard al Centre de Pedralbes, és quan el professor Castells desenvolupa l’activitat investigadora més rellevant pel seu caràcter de pionera a l’Estat i, en certa manera, al món. De la seva estada al laboratori anglès de la Universitat de Manchester, on havia obtingut el segon doctorat en el camp dels esteroides sota la supervisió del professor E. R. H. Jones, en resulta una formació fonamental en les innovadores tècniques espectroscòpiques per a la identificació de composts orgànics, com ara l’espectroscòpia d’infraroig i, sobretot, la ressonància magnètica nuclear. A ell es deu la compra i posada a punt (a còpia de nits al costat de l’aparell perquè els tramvies que passaven per la Gran Via no l’importunessin amb interferències) del primer aparell de RMN del país.

Aquesta passió per la tècnica el forçà a adquirir una sòlida formació de química teòrica, especialitat que mirà d’impulsar a través de cursos de doctorat i de seminaris i conferències.

Amb tot, també és en aquells anys del CSIC quan estimula i dirigeix una aportació pionera a escala mundial: l’ús de polímers insolubles com a suports per a fer reaccions químiques, l’anomenada química en fase sòlida. Fins que ell i el seu grup no comencen a treballar-hi, solament hi havia un científic nord-americà, posteriorment premiat amb el Nobel, el professor Merrifield, que ho hagués desenvolupat, per a combinar aminoàcids i fer pèptids. Castells és qui amplia aquesta possibilitat a determinades reaccions clàssiques de la química orgànica en dissolució, les quals impliquen la formació d’enllaços carboni-carboni. Encara avui, en qualsevol revisió o tractat de química en fase sòlida surt la referència bibliogràfica dels treballs dirigits per Castells. A tall anecdòtic, al Centre del CSIC de Pedralbes es conserva un manuscrit d’ell, pensat i redactat a finals dels anys seixanta, on descriu la possibilitat d’aplicar la química en fase sòlida a una gran varietat de reaccions orgàniques. La seva intenció era patentar aquesta idea i, per aquesta raó, va enviar la proposta a l’Oficina de Patents britànica.

Malauradament, la hi van denegar perquè després de la Segona Guerra Mundial ja no s’acceptava patentar idees.

L’any 1975 es fa realitat un dels seus somnis i guanya la plaça de catedràtic de química orgànica de la Facultat de Química de la Universitat de Barcelona, posició en la qual romangué fins a la jubilació, l’any 1990. Al llarg d’aquests anys desenvolupa una intensa tasca de direcció del departament, d’organització dels seus grups d’investigació i d’una activitat docent remarcable. És fruit de la seva iniciativa l’organització, entre altres esdeveniments, de cursets d’estiu impartits per primeres figures, incloent-hi premis Nobel, de la química mundial.

07/01/2019 16:01:26

Després de la jubilació, i fins a pocs mesos abans del seu traspàs, Josep Castells segueix sent un científic profundament inquiet i curiós, apassionat pels avenços de la ciència i les seves aplicacions, a més d’interessat sempre en la divulgació del coneixement científic. Així doncs, treballa i aprofundeix la seva formació en temes com ara l’ús de l’hidrogen com a vector energètic, l’aparició de nous materials orgànics com el ful·lerè i el grafè, la nucleosíntesi estel·lar o la cosmogonia evolutiva, especialment de la química del carboni com a element central i singular de la taula periòdica, que en un enfocament ascendent (bottom-up) entronca necessàriament amb la biologia molecular i per tant amb la vida.

Tota la trajectòria docent i investigadora de Josep Castells es veié reconeguda per la Generalitat de Catalunya amb la Meda-

lla Narcís Monturiol i amb la Medalla d’Or al Mèrit Científic.

Fou també premi Solvay i acadèmic de la Reial Acadèmia de Ciències i Arts de Barcelona. L’any 1978 esdevingué membre de l’Institut d’Estudis Catalans.

Amb el seu traspàs, la química catalana ha perdut un dels seus referents principals. La munió de deixebles que ha deixat en donaren bon testimoni en ocasió de l’homenatge que se li organitzà en fer els noranta anys. Un científic rigorós, honest, capdavanter de múltiples iniciatives, creador i estabilitzador de grups de recerca, entre altres virtuts. Però també, manllevant les dues paraules pronunciades per la seva vídua el matí calorós del seu funeral, un «home bo». Descansi en pau. Moltes gràcies. Àngel Messeguer i Peypoch

131

Revista Quimica 17.indd 131

07/01/2019 16:01:26

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 17 (2018), p. 132-134 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Activitats destacades de la Societat Catalana de Química

X Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans La X Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans es va celebrar a Barcelona els dies 29 i 30 de gener de 2018 a la seu de l’Institut d’Estudis Catalans, al qual pertany la Societat Catalana de Química. En aquesta edició es va poder gaudir de tres conferències plenàries impartides per investigadors de prestigi reconegut, com són els professors Miquel A. Pericàs, Joan Grimalt i Jordi Llorca. Aprofitant el gran nombre de joves investigadors que sempre apleguen aquestes trobades, es va fer la presentació de la European Young Chemists’ Network (EYCN), a càrrec del doctor Fernando Gomollón Bel, que actualment és comunicador científic a l’Institut Català d’Investigació Química (ICIQ). A més de les sessions científiques, també es va celebrar una taula rodona, amb el títol «I després del doctorat, què?», en què es va debatre sobre les diferents sortides professionals que ofereix actualment el mercat laboral als joves doctors. La taula rodona va reunir tres ponents, procedents tant de centres públics com privats, que exerceixen en àmbits molt diferents: la doctora Maribel Crespo, cap del departament Discovery Alliances de la companyia Almirall; la senyora Maria Rosa Marsal, responsable del departament Recruiting and Development de la companyia Basf, i la senyora Anna Prades, gestora de projectes de l’Agència per a la Qualitat del Sistema Universitari de Catalunya (AQU).

Enguany, com en les edicions anteriors, la part primordial de la Trobada la van protagonitzar els joves investigadors a través de les seves comunicacions orals. Per a poder atendre l’elevat nombre de sol·licituds, es van programar tres sessions paral·le-

132

Assistents a la Trobada de Barcelona. Foto cedida per l’Institut d’Estudis Catalans (IEC).

Revista Quimica 17.indd 132

les. La Trobada es va dividir en set simposis per a poder incloure l’ampli ventall de temàtiques de la química, que va des de la teoria i el modelatge fins a les biomolècules i materials i l’estat sòlid, passant per la catàlisi i les metodologies, tant sintètiques com analítiques, el medi ambient i la qualitat de vida.

També, com en les edicions anteriors, es va premiar la comunicació oral més destacada de cada simposi. La revista d’enguany recull en format d’article les set xerrades premiades.

Des de la Junta de la Societat Catalana de Química volem agrair a tots els joves la seva participació i felicitar-los per l’elevada qualitat de tots els treballs presentats i l’entusiasme que van mostrar.

Conferències Enric Casassas i Fèlix Serratosa La Societat Catalana de Química col·labora en l’organització de les conferències Enric Casassas i Fèlix Serratosa.

La XVII Conferència Enric Casassas es va celebrar a l’Institut Químic de Sarrià (IQS) de la Universitat Ramon Llull de Barcelona el 20 de desembre de 2017. Amb el títol Ensenyar sobre dades als futurs químics. Què i com?, la jornada es va centrar en com abordar l’ensenyament de l’anàlisi de dades per als actuals estudiants universitaris de química. El programa de l’acte va incloure les conferències següents: «Thinking with data. Teaching about data analysis to STEM undergrads», a càrrec del professor Nicolas J. Norton, del Departament de Matemàtiques i Estadística de l’Amherst College (Massachusetts, Estats Units d’Amèrica), i «Què necessiten saber els investigadors en química?», impartida per la professora Anna de Juan, del Departament d’Enginyeria Química i Química Analítica de la Universitat de Barcelona. A més, la jornada va incloure una taula rodona en què professors d’estadística, quimiometria o disciplines afins de diferents universitats catalanes van debatre sobre l’anàlisi de dades en els currículums actuals de química.

La primera sessió del la 23a Conferència Fèlix Serratosa va tenir lloc a la Facultat de Ciències de la Universitat Autònoma de Barcelona el 25 de gener de 2018, amb les conferències de la professora Carmen Nájera, de la Universitat d’Alacant, ti­ tulada «Enantiocatalyzed 1,3-dipolar cycloadditions of azomethine ylides: applications to the synthesis of highly substi-

07/01/2019 16:01:28

tuted prolines with biological activity», i del doctor Antoine Baceiredo, del Laboratoire Hétérochimie Fondamentale et Appliquée de la Universitat Paul Sabatier de Tolosa, titulada «Carbones and carbenes: eficient synthetic tools».

La segona sessió d’aquesta edició es va celebrar el 26 de gener de 2018 a l’Institut de Química Avançada de Catalunya (IQAC-CSIC) de Barcelona. La segona conferència del doctor Baceiredo, amb el títol «The chemistry of new stable silylenes: potential applications in catalysis», es va centrar en la utilització de sililens com a catalitzadors.

Commemoració del Premi Nobel de Química 2017 El 19 de desembre de 2017 es va dur a terme l’acte científic amb motiu de la commemoració del Premi Nobel de Química 2017 a la seu de l’Institut d’Estudis Catalans. La conferència, titulada «Microscòpies electròniques: com entendre i avançar en la ciència a partir de veure’n els petits detalls», va ser a càrrec del professor Jordi Arbiol, de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), que va parlar del desenvolupament i de l’estat de la qüestió actual de les microscòpies electròniques.

En acabar la conferència, es van lliurar els diplomes a les persones doctorades a les universitats catalanes en l’àmbit de la química durant el curs 2016-2017.

Patrocini d’altres actes científics La Societat Catalana de Química, en la mesura de les seves possibilitats, patrocina i col·labora en l’organització de diverses activitats que tenen lloc en diferents institucions del país.

El 6 de juny de 2017, com cada any, per a commemorar el Dia Mundial del Medi Ambient, es va celebrar a l’IEC la setena jornada Medi ambient i societat. L’acte va ser organitzat conjuntament pel Departament de Química Ambiental de l’Institut de Diagnòstic Ambiental i Estudis de l’Aigua (IDAEA-CSIC), l’associació Dones d’Avui.Cat, Aigües de Barcelona i la Societat Catalana de Química. En aquesta edició, les xerrades es van centrar en les pautes actuals de gestió ambiental, principalment per al tractament de la contaminació d’aigües. També va haver-hi un espai de reflexió sobre el passat, el present i el futur de les dones en la ciència.

Del 4 al 7 de setembre de 2017, es va celebrar a l’Institut d’Estudis Catalans la 11th European Conference on Theoretical and Computational Chemistry (EUCO-TCC 2017), amb la col· laboració de la Societat Catalana de Química.

Del 16 al 20 d’abril de 2018, es van celebrar a la Universitat Rovira i Virgili les XI Jornades sobre Química Verda. Aquest any, el títol de l’activitat va ser «Vectors energètics alternatius». Les Jornades van consistir en un seguit de conferències, projecció de documentals, tallers i debats. En aquesta edició, també es van programar visites a les empreses ASESA i Repsol Química.

La cloenda de l’acte es va celebrar amb una copa de cava.

Dotzena edició dels Premis de Batxillerat

El president de la Societat Catalana de Química amb els nous doctors dels curs 20162017 en l’àmbit de la química. Foto cedida per l’Institut d’Estudis Catalans (IEC).

Revista Quimica 17.indd 133

En el marc de les activitats que organitza la Societat Catalana de Química adreçades a l’ensenyament de la química a secundària, cal destacar la convocatòria de premis als millors treballs de recerca de batxillerat dins l’àmbit de la química. La comissió avaluadora encarregada de seleccionar els treballs guanyadors ha valorat molt positivament el nombre de treballs presentats en aquesta edició, més elevat que en cap altra convocatòria (fins a cent trenta-tres treballs) i n’ha destacat l’excel·lent qualitat. Com en les darreres edicions, a més dels premis, accèssits i mencions als millors treballs presentats,

133

07/01/2019 16:01:30

a tots els finalistes se’ls ofereix una estada científica a diferents institucions catalanes de recerca, a les quals la Societat Catalana de Química reitera el seu agraïment per la seva col· laboració. En aquesta edició, han estat vint-i-vuit els estudiants guanyadors d’una estada científica en diferents centres de Catalunya.

Els guanyadors en l’edició de 2018 han estat dos primers premis ex aequo: L’all com a font d’antibiòtics naturals, de Maria Torrent Lara, de l’Institut Serrallarga (Blanes), i Anàlisi de contaminants atmosfèrics i contaminants que agreugen el canvi climàtic a Malgrat de Mar, d’Helena Lasheras Forroll, de l’Institut Ramon Turró i Darder (Malgrat de Mar). La dotació de cada primer premi (ex aequo) fou de 600 euros.

També es van concedir tres accèssits de 300 euros cadascun: a Érika González Chivite, de l’Institut Francesc Xavier Lluch i Rafecas (Vilanova i la Geltrú), pel treball titulat Un treball per a recordar; a Alba Torrecilla Edo, de l’Institut El Sui (Cardedeu), pel treball titulat La fotosíntesi artificial, i a Carlos Cebrián Jerónimo, de l’Institut de Sentmenat, pel treball titulat Impacte i gestió de les marees negres a la costa gallega.

Sants (Vic); Julia Orío Tejada, de l’Institut d’Altafulla; Paula Lafuerza Martínez, de l’Institut Guindàvols (Lleida); Marc Benet Caballero, de l’Institut d’Altafulla; Raúl López Firvida, del Col·legi Sagrada Família - Sant Andreu de Palomar (Barcelona), i Pol Gorrea Acín, de l’Escola Ramar-2 (Sabadell), i el treball conjunt de Paula González Martínez i Queralt Olesti Domingo, de l’Institut Joaquima Pla i Farreras (Sant Cugat del Vallès).

El lliurament dels premis i de les estades científiques es va dur a terme durant la jornada del XXX Debat de Química a l’Institut d’Estudis Catalans, que tingué lloc el 9 de maig de 2018.

Enguany, la jornada, que arribava a la trentena edició, va dur per títol «Connectar la ciència dels materials amb els joves i les aules». A més, els alumnes guanyadors van exposar el seu treball, en format de pòster, com a reconeixement a la tasca duta a terme i amb l’objectiu de compartir-la amb el públic assistent. En aquesta edició, com en les darreres, la casa Thermo Fisher Scientific, SL, va regalar un lot de material de laboratori valorat en 200 euros al centre guanyador del millor pòster, així com dos lots de material de laboratori valorats en 150 euros cadascun als centres dels treballs guanyadors del primer premi.

Vuit treballs més van rebre una menció honorífica: els dels estudiants Pau Ubach Raya, de l’Institut Jaume Balmes (Barcelona); Clara Sayós Crosas, del Col·legi Sant Miquel dels

A tots, moltes felicitats des de la Junta de la Societat Catalana de Química.

Els guanyadors de la dotzena edició dels Premis als Treballs de Recerca de Batxillerat dins l’Àmbit de la Química. Foto cedida per l’Institut d’Estudis Catalans (IEC).

Pau Ubach Raya, guanyador del millor pòster dins la jornada del XXX Debat de Química a l’Institut d’Estudis Catalans. Foto cedida per l’Institut d’Estudis Catalans (IEC).

134

Revista Quimica 17.indd 134

07/01/2019 16:01:31

Revista Quimica 17.indd 135

07/01/2019 16:01:31

COBERTA Revista Quimica 17.pdf 1 07/11/2018 13:05:25

Societat Catalana Química Revista de la

de

Revista anual de la SCQ, filial de l’Institut d’Estudis Catalans

17 / 2018 URL: http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ ISSN: 2013-9853

Institut d’Estudis Catalans