UNIVERSIDAD DE CHILE

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS Y FARMACÉUTICAS LABORATORIO DE BIOELECTROQUÍMICA

“SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN ELECTROQUÍMICA DE NUEVOS 4-NITROIMIDAZOLES SUSTITUIDOS”

Directores de tesis: Dr. J. Arturo Squella Serrano Dr. Luis J. Núñez-Vergara

Tesis para optar al grado de Doctor en Química

PAOLA ANDREA JARA ULLOA

SANTIAGO-CHILE

2009

Esta tesis fue realizada con el apoyo de CONICYT a través de Beca de

postgrado N°21040213, Beca apoyo a realización de tesis doctoral

N°23070175 y Beca término de tesis doctoral N°23080034. Del mismo modo

se agradece el financiamiento de FONDECYT proyecto N°1050767 y a

MECESUP por beca de estadías cortas en el extranjero.

PUBLICACIONES ORIGINADAS A PARTIR DE LA REALIZACIÓN DE ESTA TESIS

• Electrochemical Reduction of 2-Nitroimidazole in Aqueous Mixed Medium.

J.A.Squella, L. J. Núñez-Vergara, A. Campero, J. Maraver, P. Jara-Ulloa and J.

Carbajo, Journal of the Electrochemical Society, 154 (4) F77-F81 (2007)

• Micellar Effects on the Reduction of 4-Nitroimidazole Derivative: Detection and

Quantification of the Nitroradical Anion. P. Jara-Ulloa, L. J. Núñez-Vergara, J. A.

Squella, Electroanalysis, 19 (14), 1490-1495 (2007)

• Voltammetric Reduction of a 4-Nitroimidazole Derivative on a Multiwalled Carbon

Nanotubes Modified Glassy Carbon Electrode. P. Jara-Ulloa, S. Bollo, L. J.

Núñez-Vergara, J. A. Squella, Electroanalysis, 20 (13), 1470-1474 (2008)

i

ÍNDICE DE CONTENIDO Índice de contenido i Índice de figuras iii Índice de tablas ix Resumen x Summary xi 1.- Introducción 1 2.- Hipótesis 7 3.- Objetivos 7 3,1.- Objetivos generales 7 3,2.- Objetivos específicos 7 4.- Materiales y Métodos 8

4,1.- Materiales 8 4,1,1.- Compuestos en estudio 8

4,1,2.- Reactivos y solventes 9 4,1,3.- Material de vidrio 11

4,1,4.- Electrodos 11 4,1,5.- Equipos 11

4,2.- Métodos 13 4,2,1.- Métodos de síntesis 13

4,2,1,1.- Síntesis de 1 metil- 2-Hidroximetil- 4-nitroimidazol 13 4,2,1,2.- Síntesis de 1 metil- 2-Bromometil- 4-nitroimidazol 14 4,2,1,3.- Síntesis de 2-Hidroximetil- 4-nitroimidazol 15

4,2,2.- Medios de trabajo para estudios electroquímicos 17 4,2,2,1.- Medio acuoso 17 4,2,2,2.- Medio acuoso micelar 17

4,2,2,3.- Medio no acuoso 18 4,3.- Técnicas utilizadas 19

4,3,1.- Polarografía de pulso diferencial y Polarografía tast 19 4,3,2.- Voltamperometría cíclica 20

4,3,2,1.- Determinación de la razón de corriente (ip,a/ ip,c) 21 4,3,2,2.- Determinación del tipo de reacción electródica 23

4,3,4.- Curvas electrocapilares 26 4,3,5.- Voltamperometría adsortiva 26 4,3,6.- Modificación de GCE con NTC 27 4,3,7.- Voltamperometría de onda cuadrada (SWV) 29

ii Paola Jara Ulloa

5.- Resultados y Discusión 30 5,1.- Determinación de CMCs por técnicas electroquímicas 30

5,1,1.- Curvas electrocapilares 30 5,1,2.- Voltamperometría adsortiva 34

5,2.- Caracterización catódica 36 5,2,1.- Medio Acuoso 36

5,2,1,1. - Polarografía de pulso diferencial y Polarografía Tast 36 5,2,1,2.- Voltamperometría cíclica 40

5,2,2.- Medio Heterogéneo: Surfactantes 41 5,2,2,1.- Polarografía de pulso diferencial y Polarografía Tast 41 5,2,2,2.- Voltamperometría cíclica 47

5,2,3.- Medio no acuoso 56 5,2,3,1.- Polarografía de Pulso Diferencial y Polarografía Tast 56 5,2,3,2.- Voltamperometría Cíclica 58

5,3.- Estabilización de RNO2• : ¿micela o monómero? 63

5,3,1.-Voltamperometría cíclica 63 5,3,2.- Dispersión de luz 72 5,3,3.- Espectrofotometría UV-Visible 73

5,4.- Interacción del RNO2• con endobióticos y xenobióticos 76

5,5.- Reducción de derivados 4-nitroimidazolicos sobre GCE modificados con NTCs 79

5,5,1. Voltamperometría cíclica 79 5,5,2. Voltamperometría de Onda Cuadrada 92

6.- Conclusiones 94 7.- Presentaciones a congresos 95 8.- Referencias 97

iii Paola Jara Ulloa

Índice de Figuras. Figura 1. 1 Bioactivación reductiva de compuestos. Figura 2. 4 Voltamperogramas cíclicos de barridos cortos a distintas velocidades de barrido de 4 NImOH, en Medio 100 % DMF. Figura 3. 13 Síntesis de 1 metil- 2-Hidroximetil- 4-nitroimidazol. Figura 4. 14 Síntesis de 1 metil- 2-Bromometil- 4-nitroimidazol. Figura 5. 15 Esquema general de la síntesis de 4NimOH. Figura 6. 19 Polarograma de pulso diferencial (A) y polarograma Tast (B). Figura 7. 22 Voltamperograma cíclico. Figura 8. 25 Curvas teóricas para dismutación (A) y dimerización (B). Figura 9. 30 Curvas electrocapilares a diferentes concentraciones de CTAB en solución de KNO3 0.1M (A), Tiempo de goteo vs logaritmo de la concentración de CTAB a diferentes potenciales aplicados (B).

Figura 10. 31 Curvas electrocapilares a diferentes concentraciones de Hyamina en solución de KNO3 0.1M.

Figura 11. 32 Tiempo de goteo vs logaritmo de la concentración de Hyamina a diferentes potenciales aplicados. Figura 12. 33 Curvas electrocapilares a diferentes concentraciones de SDS en solución de KNO3 0.1M (A), Tiempo de goteo vs logaritmo de la concentración de SDS a diferentes potenciales aplicados (B).

Figura 13. 34 Voltamperogramas lineales de Neutral Red 1μM sobre electrodo de Hg a diferentes tiempos de acumulación (A). Dependencia de la corriente de pico con el tiempo de acumulación (B). Velocidad de barrido: 345 mVs-1. Figura 14. 35 Gráficos corriente versus concentración de CTAB en presencia de Neutral Red 1 μM. Figura 15. 37 Polarogramas de pulso diferencial (A) y polarogramas TAST (B) para 0.1mM de 4-NimMeOH en britton Robinson 0.1 M a distintos pHs. Figura 16. 38 Dependencia del potencial de pico (A) y de la corriente de pico (B) con respecto al pH de una

iv Paola Jara Ulloa

solución 0.1mM de 4-NimMeOH en Britton Robinson 0.1 M. Figura 17. 38 Dependencia del potencial de media onda (A) y de la corriente límite (B) con respecto al pH de una solución 0.1mM de 4-NimMeOH en Britton Robinson 0.1 M. Figura 18. 39 Polarogramas de pulso diferencial y dependencia del potencial de pico para 0.1mM de 4-NImMeBr en Britton Robinson 0.1 M a distintos pHs.

Figura 19. 40 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH 4.85x10-4M (A) y 4-NimMeBr 5.1x10-4M (B) a diferentes pHs en tampón Britton Robinson 0.1M, velocidad de barrido: 100 mV/s. Figura 20. 41 Polarogramas de pulso diferencial (A) y polarogramas TAST (B) para 0.1mM de 4-NimMeOH en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M a distintos pHs. Figura 21. 42 Dependencia del Ep,c (A) y de la corriente de pico (B) con respecto al pH de una solución 0.1mM de 4-NimMeOH en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1M. Figura 22. 42 Dependencia del E1/2 (A) y de la ilim (B) con respecto al pH de una solución 0.1mM de 4-NimMeOH en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M. Figura 23. 43 Polarogramas de pulso diferencial y Tast para 0.1mM de 4-NimMeBr en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M a distintos pHs. Figura 24. 44 Dependencia del Ep,c (A) y de la ip,c (B) con respecto al pH de una solución 0.1mM de 4-NimMeBr, CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M. Figura 25. 45 Polarogramas de pulso diferencial y Tast para 0.5 mM de 4-NimHOH en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M a distintos pHs.

Figura 26. 48 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH 1mM en tampón Britton Robinson 0.1M a pH 8.4 en Presencia de 15 mM de diferentes surfactantes: A) CTAB, B) Triton-X, C) 100% BR (sin surfactante), D) SDS y E) Hyamina. Velocidad de barrido = 1 V/s. Línea continua desde A) hasta E) muestra el par redox RNO2/RNO2

• aislada. Figura 27. 49 Voltamperogramas cíclicos en aumento de la velocidad de barrido en presencia de surfactante aniónico (A), no iónico (B) y catiónico (C) para 1mM de 4-NImHOH en Britton Robinson 0.1 M.

Figura 28. 50 Voltamperogramas cíclicos del par redox RNO2/ RNO2

• de 4-NimMeOH 1mM en tampón Britton Robinson 0.1M a pH 8.4 en presencia de Hyamina 15 mM a diferentes velocidades de barrido. Figura 29. 50 Razón de corrientes Ipa/Ipc con respecto a la velocidad de barrido para 4-NimMeOH 1 mM en tampón Britton Robinson 0.1 M y Hyamina 15 mM a pH 7.4, 8.4 y 9.4.

v Paola Jara Ulloa

Figura 30. 52 Voltamperogramas cíclicos en aumento de la velocidad de barrido en presencia de surfactante catiónico para 1mM de 4-NimMeOH en Britton Robinson 0.1 M a pH 7.4 (A) y pH 8.4 (B). Figura 31. 53 Voltamperogramas cíclicos de 4-Nitroimidazol 2mM en CTAB 15mM desde pH 2 hasta 8, tampón Britton Robinson 0.1 M. Figura 32. 53 Voltamperogramas cíclicos a pH 8 a distintas velocidades de barrido (A) y Dependencia de la razón de corrientes ((ip,a/ip,c) ) con la velocidad de barrido(B) para 4-nitroimidazol 2mM en medio CTAB 15mM. Figura 33. 54 Voltamperogramas cíclicos de 2-nitroimidazol 2mM a distintos a pHs en CTAB 15mM (A) y en Hyamina 15 mM (B), tampón Britton Robinson 0.1M. Figura 34. 56 Polarogramas de pulso diferencial para el compuesto 4NimMeBr en Medio 100 % DMF.

Figura 35. 57 Polarogramas Tast para el compuesto 4-NimMeBr en Medio 100 % DMF. Figura 36. 58 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH (A) y 4NimOH (B) en 100% DMF, 0.1M PTBA.

Figura 37. 58 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeBr en 100% DMF, 0.1M PTBA. Figura 38. 59 Voltamperogramas cíclicos para el compuesto 4-NimMeBr en Medio 100 % DMF. Figura 39. 60 Voltamperogramas cíclicos a distintas velocidades de barrido de 4-NimMeBr (A), Razones de corriente con respecto la velocidad de barrido (B) en medio 100 % DMF (PTBA). Figura 40. 60 Curvas teóricas de dismutación y dimerización para un electrodo esférico (Hg). Resultados obtenidos para 4NimMeBr en 100% DMF. Figura 41. 61 Relación logarítmica entre ip,c y la velocidad de barrido para 4-NimMeOH (A) y 4NImMeBr, en Medio 100% DMF. Figura 42. 62 Voltamperogramas cíclicos de 4NImMeBr en aumento de la velocidad de barrido en Medio 100 % DMF. Figura 43. 62 Relación logarítmica entre ip,cI y ip,cII y la velocidad de barrido para 4-NimMeBr (A) y razón de corrientes ip,cII / ip,cI para 4NImMeBr, en Medio 100 % DMF. Figura 44. 63 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH en ausencia (A) y presencia de surfactante catiónico 15 mM (B), Britton Robinson 0.1 M, ph 8.4.

vi Paola Jara Ulloa

Figura 45. 65 Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Hg de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de CTAB, 100% Tampón Fosfato, pH 8.4. Figura 46. 65 Dependencia de la intensidad de corriente (A) y el Ep,c (B) con la concentración de CTAB, 4 NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4. Figura 47. 66 Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Pt de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de CTAB (A). Dependencia de la intensidad de corriente (B) y Ep,c (C) con la concentración de CTAB, 4-NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4. Figura 48. 67 Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Hg de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de Hyamina, Tampón Fosfato, pH 8.4. Figura 49. 68 Dependencia de la intensidad de corriente y el Ep,c con la concentración de Hyamina, 4NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4. Figura 50. 69 Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Pt de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de Hyamina (A). Dependencia de la intensidad de corriente (B) y Ep,c (C) con la concentración de CTAB, 4-NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4. Figura 51. 70 Estructuras de los surfactantes catiónicos Bromuro de cetiltrimetilamonio, CTAB (A) y Hyamina (B), utilizados para el estudio voltamperométrico de 4-NimMeOH. Figura 52. 70 Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Hg de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de BrETAB, 100% Tampón Fosfato, pH 8.4. Figura 53. 71 Dependencia de la intensidad de corriente (A) y el Ep,c (B) con la concentración de BrETAB, 4 NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4. Figura 54. 73 Distribución de tamaño obtenida por light scattering para CTAB. Figura 55. 73 Espectros de absorbancia de 4-NimMeOH en aumento de la concentración de CTAB. Figura 56. 74 Espectros de absorbancia de 4-NimMeOH en diferentes solventes. Figura 57. 76 Compuestos utilizados para el estudio de interacción con RNO2

•. Figura 58. 77 Voltamperogramas cíclicos de 1 mM de 4-NimMeOH en tampón Britton Robinson 0.1 M, 15 mM de CTAB, pH 8.4 a diferentes velocidades de barrido (100 – 10000 mV)(A). Dependencia de la razón de corrientes (ip,a/ip,c) con el logaritmo de la velocidad de barrido (B).

vii Paola Jara Ulloa

Figura 59. 77 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH 1 mM en tampón Britton Robinson 0.1 M, 15 mM de CTAB, pH 8.4 en presencia de diferentes concentraciones de endo/xenobióticos desde 0-6mM. Figura 60. 78 Razón de corrientes ipa/ipc del par redox RNO2/RNO2

• en presencia de diferentes concentraciones de endo/xenobióticos. Concentración de 4-NimMeOH 1mM en tampón Britton Robinson 0.1 M, 15 mM CTAB, pH 8.4. Velocidad de barrido: 5000 mV s-1. Figura 61. 79 Voltamperograma cíclico de 4-NimMeOH 1.18×10-4 M sobre GCE, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido:100 mVs-1 Figura 62. 80 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH sobre GCE, GCE/NTCs(H2O) y GCE/NTCs(DMF). Concentración de la dispersión de NTC: 1 mg/mL, tampón, Britton Robinson 0.1 M pH 2. Velocidad de barrido:100 mV s-1, tpo. de acumulación: 120 s. Figura 63. 82 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH sobre GCE/NTCs(H2O). Concentración de la dispersión de NTC: 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido: 250 mVs-1. Inserto: Dependencia de la corriente con la velocidad de barrido. Figura 64. 83 Curvas de calibración obtenidas con electrodos modificados con NTCs en distintos agentes dispersantes. [NTCs]:1 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M pH 2, tiempo de acumulación:120 s. Figura 65. 84 Curvas de calibración obtenidas a diferentes pHs Tampón Britton Robinson 0.1M. Concentración de la dispersión de NTCs: 1 mg/mL, tiempo de acumulación: 120 s. Figura 66. 85 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH sobre GCE y GCE/NTCS(H2O). Concentración de la dispersión de NTC: 0.2 y 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido: 100 mVs-1. Figura 67. 86 Dependencia de la corriente de pico con la concentracion de NTC. [4-NimMeOH]: 3×10-6M, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido: 100 mVs-1, tiempo de acumulación: 420 s. Figura 68. 87 Voltamperogramas lineales de 4-NimMeOH sobre electrodo GCE/NTC(H2O) a diferentes tiempos de acumulación. Inserto: dependencia de la corriente de pico con el tiempo de acumulación. [4NimMeOH]: 5×10-4 M, NTCs(H2O) : 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido: 100 mVs-1 Figura 69. 88 Dependencia del potencial de pico con respecto al pH. [4-NimMeOH] : 3×10-6 M, NTCs(H2O): 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2. Velocidad de barrido: 100 mV s-1. Figura 70. 89 Curvas de calibración de 4-NimMeOH obtenidas sobre GCE/NTCs(H2O) a dos tiempos de

viii Paola Jara Ulloa

acumulación (2 y 7min). NTCs(H2O): 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido:100 mVs-1. Figura 71. 90 Dependencia de la corriente de pico con el tiempo de acumulación. [4-NimMeBr] : 3×10-6 M, NTCs(H2O): 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido: 100 mVs-1. Figura 72. 91 Curvas de calibración de 4-NimMeBr obtenidas sobre GCE/NTCs(H2O) a tiempo de acumulación de 7min. NTCs(H2O): 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2. Velocidad de barrido: 100 mVs-1. Figura 73. 92 Voltamperogramas de onda cuadrada de [4-NimMeOH]: 3×10-6M obtenidas sobre GCE/NTCs(H2O), (A) variación de frecuencia, (B) variación de amplitud. Tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2, tiempo de acumulación: 420 s. Figura 74. 93 Curva de calibración de 4-NimMeOH obtenida sobre GCE/NTCs(H2O), tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2.

ix Paola Jara Ulloa

Índice de tablas. Tabla 1. 33 Valores de concentración micelar critica para CTAB y Hyamina. Tabla 2. 34 Valores de concentración micelar critica para CTAB y Hyamina. Tabla 3. 36 Potenciales de pico para nitrocompuestos en medio acuoso, tampón Britton Robinson a pH 2.

Tabla 4. 46 Potenciales de pico para nitrocompuestos en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M. Tabla 5. 52 Solución acuosa de Hyamina 5 mM Dato obtenido (referencia) desde soluciones en medio mixto b 30/70: Etanol/ tampón Britton-Robinson, c 60/40 : DMF/ tampón citrato. Constantes de disproporcionación, tiempo de vida media para el anión radical nitro y potenciales de pico catódico para el par redox RNO2/ RNO2

• en solución acuosa con Hyamina 15 mM a diferentes pHs. Tabla 6. 57 Potenciales de pico catódico para nitrocompuestos en medio 100% DMF. Tabla 7. 72 Tamaño de micelas observado por Light Scattering para el surfactante catiónico CTAB. Tabla 8. 72 Tamaño de micelas observado por Light Scattering para el surfactante catiónico Hyamina. Tabla 9. 74 Solvente utilizado y λmáx observado para 4-NimMeOH. Tabla 10. 81 Valores de potencial de pico catódico de 4-NimMeOH sobre GCE modificado con NTC en dos agentes dispersantes. Tabla 11. 83 Valores de sensibilidad para dos agentes dispersantes. Tabla 12. 83 Valores de sensibilidad para un electrodo GCE modificado con NTC dispersos en agua a distintos pH. Potencial de pico catódico para 4-NimMeOH en las mismas condiciones. Tabla 13. 91 Valores de sensibilidad para electrodo de GC modificado con diferentes NTCs.

x Paola Jara Ulloa

RESUMEN

Los nitroimidazoles en general, han presentado un gran interés desde el

punto de vista biológico, debido a que dichos compuestos son drogas efectivas

contra enfermedades infecciosas, utilizándose algunas como drogas

antibacterianas o antiprotozoarias y además, como agentes citotóxicos en la

terapia del cáncer.

Durante el desarrollo de esta tesis se realizó la síntesis y caracterización

electroquímica de dos series de compuestos derivados del 4-nitroimidazol. Las

series fueron diseñadas para estudiar y/o evaluar la influencia de diferentes

sustituyentes en las posiciones 1 y 2 del anillo nitroimidazólico, sobre la reducción

del grupo nitro, en cuanto a energética, estabilidad del anión radical generado y

mecanismo involucrado. La reducción del grupo nitro es el paso fundamental para

la actividad biológica de estos compuestos, debido a que se generan

intermediarios altamente reactivos. Se estudió la reducción electroquímica de éstos derivados sobre diferente

material de electrodo, en medio acuoso, no acuoso y en presencia de surfactantes

(aniónico, catiónico y no iónico), encontrándose que el mecanismo de reducción

es fuertemente dependiente de las variables antes mencionadas. Utilizando

voltamperometría cíclica (VC) entre otras técnicas, se logró estudiar la generación

del anión radical nitro y su estabilidad en medio micelar. Los experimentos por VC

demostraron que la reducción de los derivados nitroimidazólicos en presencia de

micelas catiónicas genera un anión radical nitro bien estabilizado en medio acuoso

desde pH 7.4 en adelante. Teniendo en cuenta que el ambiente micelar es

considerado como un modelo primitivo de la membrana biológica, este trabajo

otorgó una herramienta muy útil para estudiar la formación, estabilidad y

reactividad del anión radical nitro en estas condiciones.

Por otra parte, se realizó un estudio acerca del comportamiento electroquímico

de dos derivados sintetizados del 4-nitroimidazol, sobre electrodo de carbón vítreo

(GCE) y GCE modificado con nanotubos de carbono de (NTCs).

La respuesta electroquímica de los electrodos modificados con NTCs fue

xi Paola Jara Ulloa

evaluada por técnicas electroquímicas, optimizando varios parámetros, como pH

del medio, naturaleza y concentración de la dispersión de NTCs y tiempo de

acumulación. El electrodo modificado exhibió atractivas propiedades

electroquímicas, como el aumento de la intensidad de corriente y una reducción

significativa en el valor de potencial comparado con el GCE sin modificar.

xii Paola Jara Ulloa

SUMMARY Nitroimidazoles generally have a strong interest from the biological point of view, because

these compounds are effective drugs against infectious diseases, such as using certain

drugs or antibacterial antiprotozoarias and as cytotoxic agents in cancer therapy.

During the development of this thesis was the synthesis and electrochemical

characterization of two series of compounds derived from 4-nitroimidazole. The series was

designed to study and / or evaluate the influence of different substituents in positions 1

and 2 of the ring nitroimidazoles, on reducing the nitro group, in terms of energy stability of

the radical anion generated and mechanism involved.

The reduction of nitro group is a key step for the biological activity of these compounds,

because they generate highly reactive intermediate.

We studied the electrochemical reduction of these derivatives on different electrode

material in aqueous media, non-aqueous and in the presence of surfactants (anionic,

cationic and nonionic), found that the mechanism of reduction is heavily dependent on the

variables mentioned above.

Using cyclic voltammetry (CV) among other techniques, were able to study the generation

of the nitro and anion radical in micellar stability. The experiments showed that VC

reduction nitroimidazólicos derivatives in the presence of cationic micelles creates a good

stable nitro radical anion in water pH from 7.4 onwards. Taking into account that the

micellar environment is considered a model of primitive biological membrane, this paper

gave a very useful tool for studying the formation, stability and reactivity of the nitro radical

anion in these conditions.

Moreover, a study on the electrochemical behavior of two derivatives synthesized from 4-

nitroimidazole on glassy carbon electrode (GCE) and GCE modified with carbon

nanotubes (NTCs).

The electrochemical response of the electrodes modified NTCs was evaluated by

electrochemical techniques, optimizing various parameters such as pH of the environment,

nature and concentration of dispersed NTCs and time of accumulation. The modified

electrode exhibited attractive electrochemical properties, such as increasing the intensity

of flow and a significant reduction in the value of potential compared to the CGE

unchanged.

1

1.- INTRODUCCIÓN.

El estudio sobre los nitroimidazoles ha tenido un gran desarrollo debido a sus

interesantes propiedades. Dependiendo de la naturaleza del sustituyente y de la posición

del grupo nitro, los derivados nitroimidazólicos pueden mostrar diferentes tipos de

actividad farmacológica.1

Los compuestos nitroimidazólicos han sido utilizados en el tratamiento de diversas

enfermedades debido a que poseen características antibacterianas y antiprotozoarias.2-8

Variados estudios han sido realizados para dilucidar el mecanismo de acción de

estos compuestos, los que han permitido concluir que es necesario que ocurra la

reducción del grupo nitro para que exista actividad citotóxica9, ya que este genera varios

intermediarios altamente reactivos en las diferentes etapas de su reducción.

La reducción de estos compuestos puede ser llevada a cabo por dos rutas

distintas4,10 dependiendo si el medio es aeróbico o anaeróbico. En ausencia de oxígeno, el

proceso de reducción de los nitroimidazoles es similar al de nitrobenceno.11 En ambas

rutas de reducción, la primera etapa es la captación de un electrón por el grupo nitro para

dar el anión radical nitro correspondiente¡Error! Marcador no definido., de acuerdo a:

RNO2 + ē RNO2 • (Ec.1)

Un esquema clásico que describe la reducción del grupo nitro en condiciones

aeróbicas y anaeróbicas se presenta en la figura 1

RNO2 RNO2 RNO2H RNO RNHOH RNH2

R NO2- H+ R

RNO2 RN=NR

O

RN=NR + H2O

RNHNHR

anión radical nitro

radical im idazólico nitrito

descomposición(5-nitroim idazoles)

nitroso hidroxilam ina am ina

azoxy

azo

RNO2HH2O

dism utación

2e -2e -1e -1e - H+

RNO RNO

2e-

2H +

2e - + 2H +

O2 O2

H2O2

SOD2H + + e -

Fe++ Fe+++

OH + OH

T(S H)2

TS 2 H2O + 1/2 O2

DNA

(ox)DNA + T

Vía Aeróbica

ciclaje redoxVía Anaeróbica

Figura 1 : Bioactivación reductiva de compuestos

2 Paola Jara Ulloa

Tal como lo muestra la figura 1, es posible la formación de una gran variedad de

intermediarios donde uno o más de ellos son responsables de la toxicidad de estos

compuestos. En condiciones anaeróbicas, el anión radical nitro (RNO2•) puede reducirse

para formar el derivado nitroso (RNO), el derivado hidroxilamínico (RNHOH) y finalmente

el derivado amino (RNH2), como lo muestran las siguientes reacciones de transferencia

electrónica:

RNO2• + ē + 2H+ RNO + H2O (Ec.2)

RNO + 2ē + 2H+ RNHOH (Ec.3)

RNHOH + 2ē + 2H+ RNH2 + H2O (Ec.4)

En condiciones aeróbicas, el anión radical nitro (RNO2•) es oxidado por el oxígeno

molecular (O2) para producir anión radical superóxido (O2•) y regenerar el grupo nitro

inicial dando origen a un mecanismo de detoxificación denominado “ciclaje redox.”12,13

RNO2 • + O2 → RNO2 + O2 • (Ec.5)

Este anión radical superóxido (O2•) a su vez puede generar otras especies

reactivas de oxígeno como el radical hidroxilo (OH•), peróxido de hidrógeno (H2O2), etc..

Por lo tanto el anión radical nitro ocupa un rol fundamental en el mecanismo de

acción de los compuestos nitroimidazólicos, debido a que es la base de su actividad

biológica, es por ello que el conocimiento de su comportamiento es de suma importancia

ya que su química radicalaria es determinante para su uso.

Dentro de los derivados nitroimidazólicos se distinguen los nitrosustituidos en las

posiciones 2, 4 y 5 del anillo. Los 5 y 2-nitroimidazoles potencian el efecto de las

radiaciones sobre tumores de centro necrótico, pero solamente los 5- nitro derivados son

útiles como antibacterianos y antiparasitarios. Los compuestos nitrosustituidos en la

posición 4 son generalmente menos activos que los derivados 5-nitroimidazólicos, tales

como metronidazol, misonidazol, ornidazol, secnidazol, etanidazol y tinidazol; fármacos

comúnmente usados como agentes terapéuticos contra una variedad de infecciones

protozoicas y bacterianas.3,14-15

3 Paola Jara Ulloa

Sin embargo, tanto los derivados 2 y 5-nitroimidazólicos han mostrado efectos de

genotoxicidad frente a las células sanas del organismo al cual han sido administrados, el

caso más conocido dentro de los 5-nitroimidazoles es el metronidazol, ya que se ha

encontrado que es tóxico en algunos sistemas de prueba biológicos así como con

pacientes tratados con la droga,16 otros estudios les atribuyen propiedades mutagénicas y

cancerígenas.17-20

Estos antecedentes han conducido a sintetizar nuevos compuestos

nitroimidazólicos con similar actividad terapéutica pero con menor toxicidad para los seres

humanos; lo que en muchos casos ha derivado a los compuestos 4-nitroimidazólicos.21,22

Las técnicas voltamperométricas han sido aplicadas, a la investigación del

mecanismo de acción de los nitroimidazoles como agentes antimicrobianos,23 a su

determinación en formas farmacéuticas24-29 y a estudios clínicos.30,31

El electrodo de mercurio es el más empleado, pero también se han obtenido

buenos resultados con electrodos sólidos como por ejemplo para el estudio de

nitrobenceno32,33

La técnica electroquímica como la Voltamperometría Cíclica ha demostrado poseer

un importante rol en el estudio del anión radical nitro.34-44 En condiciones óptimas en el

medio adecuado, la reducción monoelectrónica del grupo nitro a anión radical nitro

produce voltamperogramas cíclicos muy bien resueltos debidos al par redox RNO2/RNO2•.

Por ello se propone utilizar esta técnica para estudiar la factibilidad de formación del anión

radical nitro,20el tiempo de vida media 36,37 y la reactividad con otras moléculas.38,39

Para el estudio de la formación y estabilidad de los aniones radicales generados,

en medio mixto a pH básico, así como en medio totalmente no acuoso, es posible obtener

una respuesta reversible que da cuenta de la transferencia monoelectrónica. En la figura 2

se puede apreciar un voltamperograma cíclico y su dependencia con la velocidad de

barrido para el caso del derivado 4NimOH.

4 Paola Jara Ulloa

-1100 -1200 -1300 -1400

-6

-3

0

3

6

9

12

15

i / μΑ

E / mV

0,1

0,5

12

4

6

V / s

Figura 2. Voltamperogramas cíclicos de barridos cortos a distintas velocidades de barrido (0.1 – 6 V/s) de 4-NImOH 1x10-3 M, en medio 100 % DMF, 0.1M de PTBA.

Los estudios electroquímicos de derivados de 4-nitroimidazol son escasos, el

primer trabajo registrado es de Vianello y col.45 En este trabajo se revisó el

comportamiento polarográfico, ciclovoltamperométrico y EPC-culombiométrico del 4-

nitroimidazol sólo en medio no acuoso. Mediante VC se encontraron dos picos de

reducción. El primer pico fue irreversible hasta una velocidad de 250 V/s mientras que el

segundo resultó ser reversible aún a bajas velocidades de barrido. El primer pico

irreversible fue atribuido a la siguiente reacción,

5HRNO2 + 4 ē → HRNHOH + 4RNO2

- + H2O (Ec.6)

y el segundo pico reversible se atribuyó a la reacción de reducción que genera un radical

di-anión nitro,

RNO2- + ē → RNO2

2- (Ec.7)

Además, en ese estudio se informó que el par RNO2/RNO2• no pudo ser aislado

debido al rápido decaimiento del RNO2• producto de una reacción de protonación por el

protón ácido del 4-nitroimidazol inicial (reacción padre-hijo) generando la base conjugada

(RNO2)- y el radical neutro RNO2H•. Esto describe una reacción intermolecular del tipo

padre-hijo entre el anión radical nitro y un protón ácido.

5 Paola Jara Ulloa

Posteriormente, Zuman y col.46 realizaron estudios polarográficos con una serie de

1,2-dialquil-4-nitroimidazoles, sólo en medio prótico donde se observó que todos los

compuestos son reducidos en una onda de cuatro electrones para producir el

correspondiente derivado hidroxilamínico. Este trabajo no hace ninguna mención a la

posible formación de aniones radicales nitro.

Adicionalmente, el grupo de Bioelectroquímica47 donde se realiza esta tesis, se

llevo a acabo un estudio acerca del comportamiento electroquímico de 4-nitroimidazol en

medio prótico en una amplia escala de pH. Los resultados obtenidos fueron distintos a los

informados por Vianello en medio no acuoso, ya que mostraron que la reducción del 4-

nitroimidazol, en medio prótico a pH básicos, produjo un anión radical nitro estable dentro

de la escala de tiempo de la voltamperometría cíclica, lo que no había sido posible en

medio no acuoso. Este resultado no fue el esperable ya que el anión radical nitro se sabe

más estable en medio no acuoso que en prótico. Según la publicación de Vianello, la

inestabilidad del anión radical se debe a una reacción de protonación intermolecular con

el mismo 4-nitroimidazol de modo que las reacciones intermoleculares del anión radical

afectan fuertemente su estabilidad. En el medio prótico estudiado el anión radical nitro

decayó de acuerdo a una reacción de 2do orden (disproporcionación) de tal manera que

la reducción monoelectrónica del 4-nitroimidazol y el posterior decaimiento del anión

radical siguió un esquema EC2 de acuerdo a,

RNO2 + ē → RNO2• (Ec.8)

2RNO2• + 2H+ → RNO2 + RNO + H2O (Ec.9)

Como se puede concluir del análisis del estado de la técnica no se cuenta con

estudios exhaustivos que permitan descripciones más concretas acerca de los

mecanismos electroquímicos involucrados en la reducción de compuestos derivados del

4-nitroimidazol, así como tampoco existen estudios electroquímicos que apunten a

dilucidar la influencia de los sustituyentes en el anillo 4-nitroimidazólico y como éstos

afectan los mecanismos de la reducción y fundamentalmente como afectan la formación y

estabilidad del anión radical nitro.

6 Paola Jara Ulloa

Por lo tanto se consideró de interés un estudio que contempló la síntesis de

compuestos derivados del 4-nitroimidazol con distintos sustituyentes en la posición 1 y 2

del anillo. Se estudió la reducción electroquímica de estos derivados sobre diferente

material de electrodo en medio acuoso, no acuoso y en presencia de surfactantes (medio

micelar).

Los sistemas micelares han sido utilizados en una variedad de aplicaciones

químicas como un modelo primitivo de la membrana biológica.48 Los estudios

electroquímicos en soluciones micelares se han dividido principalmente en dos líneas de

investigación. La primera examinando el efecto de las micelas sobre pares redox

reversibles y la segunda es la búsqueda de un sistema micelar capaz de estabilizar

intermediarios altamente inestables en solución acuosa. Saveant et al.49 tiene reportada

una notable estabilización del anión radical electrogenerado de ftalonitrilo en presencia de

micelas catiónicas y sugiere que la observación de una disminución de 250 veces la

velocidad de protonación del anión radical era debida a su asociación con la micela

cargada positivamente.

En un trabajo posterior, Blount et al. estudió la reducción electroquímica de

nitrobenceno (NB) en micelas aniónicas, catiónicas y no iónicas y encontró en contraste

con Saveant, que el único medio capaz de estabilizar el anión radical NB• no era en

micelas catiónicas sino aniónicas.50

Debido a lo anteriormente expuesto, se estudió la reducción de los derivados 4-

nitroimidazólicos en presencia de surfactantes catiónicos, aniónicos y no iónicos, de

manera de encontrar el medio óptimo para la estabilización del anión radical nitro.

Finalmente, se estudió el comportamiento electroquímico de un derivado

sintetizado del 4-nitroimidazol sobre electrodos de carbón vítreo (GCE) modificado con

nanotubos de carbono (NTCs), los NTCs han llamado mucho la atención debido a sus

notables propiedades eléctricas, químicas, mecánicas y estructurales,51 los electrodos

modificados con NTCs exhiben atractivas propiedades electroquímicas como un fuerte

efecto electrocatalítico.52

7 Paola Jara Ulloa

2.- HIPÓTESIS.

Un estudio electroquímico de compuestos 4-nitroimidazólicos sintetizados con

diferentes sustituyentes en la posición 1 y 2 del anillo, permitirá obtener información de la

viabilidad de la reducción del grupo nitro (potenciales de reducción), además la utilización

de surfactantes en el medio de trabajo permitirá la estabilización del anión radical nitro en

solución acuosa, de esta manera se obtendrá información del mecanismo de reducción,

de la estabilidad y reactividad de los productos y/o intermediarios de la reducción.

3.- OBJETIVOS. 3,1.- OBJETIVOS GENERALES.

Sintetizar y caracterizar electroquímicamente derivados del 4-nitroimidazol con un

sustituyente CH3 y H en posición 1 y CH2OH, CH2Br y H en posición 2.

Evaluar la influencia de los distintos sustituyentes sobre el mecanismo de reducción.

3,2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

• Sintetizar nuevos derivados del 4-nitroimidazol sustituidos en la posición 1 y 2 del

anillo.

• Dilucidar el comportamiento electroquímico de estos derivados en diferentes medios.

• Caracterización de los intermediarios REDOX generados en la reducción.

• Caracterizar la influencia de los sustituyentes en la posición 1 y 2 del anillo sobre el

mecanismo global de reducción.

• Obtención de las condiciones adecuadas de generación del anión radical nitro en los

distintos medios.

• Desarrollo de metodologías para la obtención de parámetros cuantitativos como

constantes de estabilidad y tiempos de vida media, que describan los distintos grados

de estabilidad de los radicales.

• Evaluar la interacción del anión radical nitro con endo/xenobióticos.

8 Paola Jara Ulloa

4.- MATERIALES Y MÉTODOS. 4,1.- MATERIALES. 4,1,1.- Compuestos en estudio. a) Código de síntesis: 4-NimMeOH. Fórmula global: C5H7N3O3.

Nombre: 2-Hidroximetil-1- metil - 4-nitroimidazol.

PM: 157 g / mol.

b) Código de síntesis: 4NimMeBr.

Fórmula global: C5H6N3O2Br.

Nombre: 2-Bromometil-1-metil-4-nitroimidazol.

PM: 220 g / mol.

c) Código de síntesis: 4NimHOH.

Fórmula global: C4H5N3O3.

Nombre: 2 -Hidroximetil-1H-4-nitroimidazol.

PM: 143, g / mol.

d) Fórmula global: C3H3N3O2.

Nombre: 4-nitroimidazol.

PM: 113,09 g / mol.

e) Fórmula global: C3H3N3O2.

Nombre: 2-nitroimidazol.

PM: 113,09 g / mol.

9 Paola Jara Ulloa

4,1,2.- Reactivos y solventes. De síntesis

• Acetato de etilo, Equilab

• Acetona, Merck

• Ácido clorhídrico, Merck

• Ácido sulfúrico, Merck

• 1-Bencilimidazol, Aldrich

• 1-Metilimidazol, Aldrich

• Bicarbonato de sodio, Equilab

• Bromuro de tionilo, Sigma

• Cloruro de amonio, Scharlau

• Cloruro de sodio, Equilab

• Diclorometano, Equilab

• Dimetilsulfóxido-d6 (DMSO-d6), Sigma

• Etanol absoluto, Merck

• Éter etílico, Merck

• Hidróxido de potasio, Equilab

• Hielo seco, AGA

• Metanol, Equilab

• Nitrato de potasio, Merck

• Piridina, Sigma

• Sodio metálico, Merck

• Solución formalina 37%, Aldrich

• Solución hidróxido de amonio 25%, Equilab

• Sulfato de sodio, Merck

10 Paola Jara Ulloa

De electroquímica

• Ácido acético glacial p.a. Mallinckrodt

• Ácido bórico (99%) p.a. Fluka Chemica

• Ácido clorhídrico (36%) p.a. Reutter

• Ácido fosfórico (85%) p.a. Merck

• Agua desionizada pureza milli-Q

• Bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB), Aldrich

• Bromuro de 2-bromoetil trimetilamonio, Aldrich

• Cloruro de potasio (KCl), p.a Merck

• Dodecil sulfato de sodio (SDS), Sigma - Aldrich

• Fosfato monobásico de potasio, Merck

• Fosfato dibásico de sodio, JT Baker

• Hidróxido de sodio (pellets) p.a Merck

• Hyamina, Sigma - Aldrich

• Mercurio, Merck

• Neutral red, Sigma

• Nanotubos de carbono (MWNTCS) 1-5 µm X (30 ± 15) nm de

diámetro, NanoLab (USA);

• Nitrógeno extra puro, Indura

• N,N - dimetilformamida (DMF) p.a., Merck;

• Perclorato de tetrabutil amonio (PTBA), Fluka Chemica,

Merck.

• Triton-X, Merck

11 Paola Jara Ulloa

4,1,3.- Material de vidrio.

• Todo el material de vidrio utilizado fue clase A.

4,1,4.- Electrodos. a) De trabajo:

• Gota colgante de mercurio ((SMDE) Static Mercury Drop Electrode), BAS.

• Goteo de mercurio ((CGME) Controlled Growth Mercury Electrode), BAS.

• Electrodo de Platino ( PTE) de1.6 mm de diámetro (BASi MF-2013)

• Electrodo de carbono vítreo (Glassy carbon electrode GCE)) de 3 mm de

diámetro (Model CHI104, CH Instruments)

• Electrodo de carbono vítreo (Glassy carbon electrode (GCE)) de 3 mm de

diámetro (Model CHI104, CH Instruments) modificado con nanotubos de carbono

(NTCs).

b) Auxiliar : Alambre de platino. (BASi MW-1032)

c) De referencia : Ag / AgCl (BASi MF-2052)

4,1,5.- Equipos. a) Sistema voltamperométrico/polarográfico y computacional:

• Analizador voltamperométrico BAS CV-50W y BAS CV-100W.

• Analizador voltamperométrico CHI 900 (CH Instruments Inc., USA)

b) Sistema espectrofotométrico:

• Espectrofotómetro UV-Vis UNICAM modelo UV-2, software VISION 2.1 para

control del instrumento.

c) Equipos de uso general:

• Agitador magnético Heidolph MR 3002

• Balanza de precisión Precisa 40SM-200A (sensibilidad 0,01 mg)

12 Paola Jara Ulloa

• Espectrofotómetro UV-Vis, Unicam modelo UV-2

• Estufa WTB Binder.

• Lámpara UV- Visible para placas cromatográficas

• Manto calefactor

• Medidor de pH WTW modelo pMx 3000.

• Medidor de pH WTW modelo pH 537

• Micropipetas Socorex de volumen variable entre 1-10 mL

• Micropipetas Transferpette de volumen variable entre 2-1000 μL

• Sistema purificador de agua Milli-Q Ultra- Pure Water System

• Sonicador Bransonic Branson 2210

• Polarizador Thomson (Light Scattering)

• Rotavapor modelo HEIDOLPH WB2000.

d) Equipos para análisis de productos de síntesis:

• Punto de fusión, Electrothermal capillary.

• Espectroscopía NMR: espectrómetro Bruker Avance DRX 300.

• FT-IR: espectrómetro Bruker IFS 55 Equinox.

13 Paola Jara Ulloa

4,2.- MÉTODOS. 4,2,1.- Métodos de síntesis. Los compuestos estudiados fueron sintetizados de acuerdo a metodologías descritas53-57

o modificaciones simples de éstas, para su posterior estudio electroquímico.

4,2,1,1.- Síntesis de 1-metil- 2-Hidroximetil- 4-nitroimidazol. La síntesis de este compuesto se realizó de acuerdo al esquema que se presenta en la

fig. 3, utilizando como compuesto de partida 1-metil-imidazol (1).

N

N

CH3

N

N

CH3

OHN

N

CH3

OH

O2N

(1) (2) (3) Figura 3: Síntesis de 1 metil- 2-Hidroximetil- 4-nitroimidazol.

• Síntesis de 2-hidroximetil-imidazol (2). Se mezclaron 50 mL de 1-metil-imidazol con 100 mL de formalina al 37%, la solución

resultante fue calentada a reflujo con agitación por un tiempo de 27 horas.

Posteriormente, se evaporó el solvente mediante el uso de rotavapor, lavando la mezcla

de reacción con etanol y luego metanol, de manera de eliminar la formalina que no

reaccionó y el exceso de agua. El producto fue cristalizado lentamente, se filtró y se

recristalizó en metanol.

• Síntesis de 1-metil- 2-Hidroximetil- 4-nitroimidazol (3). Se tomaron 10 g de 1-metil-2-hidroximetilimidazol y se adicionaron a 20 g de nitrato de

potasio, se homogenizó esta mezcla y luego se adicionó en pequeñas cantidades con

agitación mecánica sobre 50 mL de ácido sulfúrico, ya que además de reactivo se utilizó

como solvente, sin sobrepasar los 50ºC. Luego, se calentó en un baño de agua por 3

horas; posteriormente, se agitó a temperatura ambiente por 15 horas. El producto fue

neutralizado hasta pH 7-8 con una solución de hidróxido de potasio concentrada. Se

extrajo con acetato de etilo, se secó con sulfato de sodio anhidro y se evaporó al vacío.

Se dejó cristalizar lentamente. Se recristalizó en etanol.

Formalina 37%

∆

KNO3/H2SO4

14 Paola Jara Ulloa

La caracterización física y química de este compuesto dio los siguientes resultados:

PF: 180-181ºC 1HRMN (300 MHz, DMSO-d6): δ 3,2 (s, 1H, OH), 3,8 (s, 3H, -N-CH3), 4,5

(s, 2H,-CH2-), 8,0 (s, 1H, -C=CH-N-CH3).

4,2,1,2.- Síntesis de 1- metil- 2-Bromometil- 4-nitroimidazol (4). La síntesis de este compuesto se realizó a partir del compuesto (3) del esquema de la

fig.1,

Figura 4: Síntesis de 1 metil- 2-Bromometil- 4-nitroimidazol.

Se tomó 1 g de 1-metil- 2-Hidroximetil- 4-nitroimidazol y se disolvió en el mínimo volumen

de piridina que fue posible, obteniéndose una solución traslúcida levemente coloreada

(amarillo muy claro). Una vez disuelto se agregan 700 μL de SOBr2, la mezcla resultante

cambió a un color naranjo intenso, se calentó a reflujo con agitación mecánica por un

tiempo de 3 horas. Se observó la aparición de un precipitado amarillo, se filtró al vacío y

se lavó el producto repetidas veces con acetona fría para eliminar el exceso de piridina, el

sólido fue recristalizado en metanol, obteniéndose cristales blancos.

La caracterización física y química de este compuesto dio los siguientes resultados:

PF: 219-220ºC 1HRMN (300 MHz, DMSO-d6): δ 4,9(s, 3H, NCH3), 7,2(s, 2H, CH2), 9,6(s,

1H, -C=CH-N-CH3).

N

N

CH3

OH

O2N

N

N

CH3

Br

O2N

SOBr2 Piridina

15 Paola Jara Ulloa

4,2,1,3.- Síntesis de 2-Hidroximetil- 4-nitroimidazol. La síntesis de este compuesto se realizó de acuerdo al esquema que se presenta en la

fig. 3, utilizando como compuesto de partida 1-Bencil-imidazol (5).

(5) (6)

Figura 5: esquema general de la síntesis de 4NimOH

• Síntesis de 1-bencil-2-hidroximetilimidazol (6). Se tomaron 10 g de 1-bencilimidazol y se adicionaron 90 mL de formalina al 37%, esta

mezcla fue calentada a reflujo con agitación mecánica por 24 horas. La solución

resultante fue lavada con etanol y evaporada al vacío. Luego, se lavó con metanol y se

evaporó al vacío. Se obtuvo un líquido viscoso de color amarillo, el cual no cristalizó.

Formación del clorhidrato: El 1-bencil-2-hidroximetilimidazol fue disuelto en 20 mL de

éter anhidro y burbujeado con HCl (g), el producto resultante son cristales blancos.

• Síntesis de 2-hidroximetilimidazol (7). Se agregaron 10,0 g de 1-bencil-2-hidroximetilimidazol a 150 mL de amoníaco líquido

recién preparado; luego, se adicionaron pequeñas piezas de Naº con agitación mecánica

hasta obtener un color azul permanente. La solución fue neutralizada con pequeñas

porciones de cloruro de amonio. La mezcla resultante se extrajo con 100 mL de etanol

absoluto y se evaporó al vacío, obteniéndose un líquido viscoso de color café, el cual no

cristalizó. Si eventualmente apareciera un sólido (sales) se agrega etanol absoluto frío, se

filtra al vacío y se evapora al vacío.

Formación del clorhidrato: El 2-hidroximetilimidazol fue disuelto en 20 mL de éter anhidro

y burbujeado con HCl (g), el producto resultante son cristales blancos.

Formalina 37%

∆

KNO3/H2SO4 Na° / NH3 liq.

NH4Cl N

N

N

N

H

OH

O2N

N

NOH

N

N

H

OH

(7) (8)

16 Paola Jara Ulloa

• Síntesis de 2-hidroximetil-4-nitroimidazol (8)

Se formó una mezcla con 7,0 g de 2-hidroximetilimidazol y 14 gramos de nitrato de

potasio, se homogenizó y luego se adicionó en pequeñas cantidades sobre 50 mL de

ácido sulfúrico, el que además de reactivo se utiliza como solvente, sin sobrepasar los

50ºC. Posteriormente se calentó con un baño de agua a 80 ºC por 2 horas, se mantuvo

con agitación mecánica a temperatura ambiente por 15 horas. El producto fue

neutralizado con una solución saturada de bicarbonato de sodio hasta pH 7-8. Se extrajo

con acetato de etilo, se secó con sulfato de sodio anhidro y se evaporó al vacío. El líquido

viscoso de color amarillo cristalizó en acetona seca, obteniéndose cristales amarillos.

La caracterización física y química de este compuesto dio los siguientes resultados:

PF: 148-150ºC 1HRMN(300 MHz, agua-d): δ 4,5 (s, 2H, -CH2-). 6,9 (s, 2H, -NH; OH), 7,3

(s, 1H, -C=CH-NH).

17 Paola Jara Ulloa

4,2,2.- Medios de trabajo para estudios electroquímicos. 4,2,2,1.- Medio acuoso.

• Preparación de soluciones. Soluciones stock de nitrocompuestos. Se prepararon soluciones stock de cada compuesto nitroimidazólico a una concentración

de 0.01 M en Britton-Robinson 0.1M.

Soluciones de trabajo. Se prepararon por dilución de la solución stock hasta obtener la concentración requerida,

para el caso de polarografía de pulso diferencial y Tast se trabajó a concentraciones del

orden de 10-4 M.

Para Voltamperometría Cíclica la solución de trabajo fue en el orden de 10-3 M. Estas

soluciones se mantuvieron refrigeradas y protegidas de la luz para evitar su

descomposición.

Soluciones tampón Britton Robinson 0.1 M. A un matraz aforado de 1000 mL se agregaron 500 mL de agua grado Milli-Q, luego se

adicionaron 6.18 g de ácido bórico, 5.7 mL de ácido acético glacial y 6.7 mL de ácido

fosfórico, la solución resultante fue agitada hasta completa disolución del ácido bórico y se

completó el volumen con agua grado Milli-Q. El pH de este tampón recién preparado fue

de 1.6.

4,2,2,2.- Medio acuoso micelar.

• Preparación de soluciones. Soluciones stock de nitrocompuestos. Se prepararon soluciones stock de cada compuesto nitroimidazólico a una concentración

de 0.01 M en la solución de surfactante a realizar el estudio. Las soluciones de trabajo

fueron preparadas por dilución de la solución madre hasta obtener la concentración

deseada. Estas soluciones se mantuvieron refrigeradas y protegidas de la luz para evitar

su descomposición.

18 Paola Jara Ulloa

Soluciones de surfactantes. Se pesó la cantidad en gramos necesaria de los siguientes surfactantes; Bromuro de

cetiltrimetilamonio, Hyamina, Dodecilsulfato de sodio y Triton-X, de manera de obtener

una concentración superior a la CMC de cada uno de ellos en Britton-Robinson 0.1 M.

4,2,2,3.- Medio no acuoso (100% DMF + 0.1M PTBA)

• Preparación de soluciones. Soluciones stock de nitrocompuestos. Se prepararon soluciones stock de cada compuesto nitroimidazólico a una concentración

de 0.01 M en DMF.

Soluciones de trabajo. Se tomó una alícuota de la solución stock preparada con DMF, se agregaron 0.34192 g

de electrolito soporte perclorato de tetrabutil amonio (PTBA) y luego se aforó a 10 mL con

DMF.

19 Paola Jara Ulloa

4,3.- Técnicas utilizadas. 4,3,1.- Polarografía de pulso diferencial (PPD) y Polarografía tast (Ptast).

Para los estudios polarográficos se prepararon soluciones de trabajo de

compuesto nitroimidazólico de una concentración del orden de 10-4M en los distintos

medios. Se utilizó como electrodo de trabajo, un electrodo goteante de mercurio (CGME),

como contra electrodo un alambre de platino y los potenciales fueron medidos contra un

electrodo de referencia de Ag/AgCl(sat). Antes de cada medición se burbujeó con

nitrógeno. El ajuste de pH de las soluciones acuosas se realizó con adiciones de

pequeñas alícuotas de NaOHconc. o HClconc.

Se tomó en cuenta el comportamiento que presentaron los parámetros

característicos (Fig.6), como el potencial de pico (Ep), potencial de media onda (E1/2),

corriente de pico (ip) y corriente límite (ilim) con respecto a la variación del pH, desde 2

hasta 12.

Figura 6. Polarograma de pulso diferencial (A) y polarograma Tast (B)

Ep,c

ip,c

0 -200 -400 -600 -800 -1000

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

i / μ

A

E / mV (Ag/AgCl)

A

0 -200 -400 -600 -800 -1000

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

i / μ

A

E / mV (Ag/AgCl)

E 1/2

ilim

B

20 Paola Jara Ulloa

4,3,2.- Voltamperometría cíclica.

El estudio voltamperométrico se realizó con soluciones de cada compuesto

nitroimidazólico a una concentración del orden de 10-3M en los distintos medios, una

alícuota de 10 mL de esta solución fue transferida a una celda de 25 mL y burbujeada

con nitrógeno por 10 minutos antes de cada experiencia. Se utilizaron como electrodos de

trabajo, gota colgante de mercurio (SMDE), y un electrodo de carbono vítreo modificado

con nanotubos de carbono (GCE/NTCs), un alambre de platino como contra electrodo y

los potenciales fueron medidos contra un electrodo de referencia de Ag/ AgCl(sat).

Se llevo a cabo el estudio de reversibilidad de la señal voltamperométrica variando

la velocidad de barrido y el valor de pH de la solución cuando el medio de trabajo fue

acuoso. Se ajustó el pH con adiciones de pequeñas alícuotas de NaOHconc. o HClconc.

A partir de los valores de corriente de pico catódico (ip,c) en función de la

velocidad de barrido, fue posible distinguir si el proceso era controlado por difusión o

adsorción. Para reacciones de transferencia electrónica reversibles se cumple la siguiente

relación para procesos controlados por difusión,

21

21

02

351069,2 vCDAnip ⋅⋅⋅⋅⋅×= (Ec.10)

y para procesos controlados por adsorción,

vCDAnip ⋅⋅⋅⋅⋅×= 21

02

351069,2 (Ec.11)

Donde

C = [mol / cm3]

A = [cm2], área del electrodo

D0 = [cm2 / s], coeficiente de difusión

ν = [V / s], velocidad de barrido

n = número de electrones

ip = [A] Intensidad de pico

21 Paola Jara Ulloa

Para casos irreversibles, se tiene la expresión:

( ) 21

21

002

151099,2 vDCAnni ap ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅×= α (Ec.12)

Donde,

n = número de electrones transferidos finales

na = número de electrones transferidos antes de la etapa determinante

α = coeficiente de transferencia electrónica

entonces según la relación logarítmica de la Ec.10 se tiene:

( ) ( )vLogkLogiLog p ⋅+=21

(Ec.13)

( )( ) 5.0=

∂

∂

vLogiLog p

(Ec.14)

De esta manera, un valor de pendiente igual a 0.5 de la ecuación 14, indica que el

proceso está controlado por difusión.

Por otra parte al realizar el mismo desarrollo para la ecuación 11 obtendremos una

pendiente (Log (ip) / Log (ν)) igual a 1, lo que indicaría que el proceso está controlado por

adsorción.

4,3,2,1.- Determinación de la razón de corriente (ip,a/ip,c).

La tendencia de una especie generada electroquímicamente para dar reacciones

químicas posteriores se ve reflejada en la razón de corrientes ip,a/ip,c. En este estudio la

razón de corrientes es el principal parámetro experimental, el cual es obtenido

directamente de cada voltamperograma. Es de utilidad tanto para evaluar cualitativamente

la formación del anión radical nitro como para determinar cuantitativamente la constante

cinética de estabilidad del mismo. Por lo tanto es importante definir una forma de medición

que sea lo mas fiable y reproducible del fenómeno observado. Para este efecto, se aplicó

22 Paola Jara Ulloa

un método simple desarrollado por Nicholson58, que permite medir la razón ip,a/ip,c desde

un voltamperograma cíclico, midiéndose tres puntos en cada voltamperograma como se

detalla en la figura 7.

Figura 7. Voltamperograma cíclico.

Donde

(Ip,a)0: intensidad de corriente anódica

(Ip,c)0: intensidad de corriente catódica

(Ip,s)0: intensidad de la corriente en el potencial de inversión de barrido

A partir de estos tres valores, se calcula la razón de corrientes según la siguiente

ecuación,

( )( )

( ) ( )( ) 086.0

485.0

0,

0,

0,

0,

,

, +⋅

+=cp

sp

cp

ap

cp

ap

ii

ii

ii

(Ec.15)

De este modo se evita la influencia negativa sobre la línea de base del pico de vuelta

debido a transferencias posteriores.

-500 -600 -700 -800 -900

-10

-5

0

5

10

15

20

i / μ

A

E / mV

(Ip,a)0 Anódico

(Ip,s)0

(Ip,c)0 Catódico

23 Paola Jara Ulloa

4,3,2,2.- Determinación del tipo de reacción electródica. Para la caracterización de la reacción química acoplada a la reacción de

transferencia electrónica involucrada en la formación de la especie radicalaria, se

utilizaron aproximaciones teóricas descritas por M.L Olmstead et. a.l 59,60 en las que se

relaciona la razón de corriente ip,a/ip,c con el parámetro cinético ω.

( ) ( )4034,0loglog 02 −+⋅⋅= ττω aCk (Ec.16)

( ) ( )4047,0loglog 02 −+⋅⋅= ττω aCk(Ec.17)

La Ec.16 está descrita para un mecanismo de Dimerización (b) y la Ec.17 está

descrita para un mecanismo de Dismutación (a).

)(2)(2

dim bDBaCAB

BeA

k

k

k

dis

s

⎯⎯→←

+⎯⎯→←

⎯→⎯+

Se tiene que, k2 es la constante de decaimiento de segundo orden, τ es la

constante de tiempo, definida por,

( )v

EE λτ−

= 2/1

(Ec.18)

En la que, E1/2 se obtiene

2,,

2/1cpap EE

E+

=(Ec.19)

y ν es la velocidad de barrido.

24 Paola Jara Ulloa

Por otra parte, de las ecuaciones 16 y 17, el segundo término representa el efecto

del potencial de inversión de barrido (Eλ) sobre el parámetro cinético, ya que,

( )0EERTnFa −⋅=⋅ λτ

(Ec.20)

siendo,

RTnFva =

(Ec.21)

vEE )( 0−= λτ

(Ec.22)

Se ajustaron los valores de Eλ para que el producto a x τ sea igual a 4 en todas las

experiencias realizadas. Entonces así, se obtiene de las ecuaciones 16 y 17 la expresión,

τω ⋅⋅= 02 Ck(Ec.23)

relación lineal que nos permite determinar la constante de segundo orden de decaimiento.

Obtenido el valor de k2 se pudo calcular los valores de tiempo de vida media del

radical, según:

022/1

1Ck

t⋅

=(Ec.24)

25 Paola Jara Ulloa

Figura 8. Curvas teóricas para dismutación (A) y dimerización (B).

Olmstead y Nicholson59,60 presentan en sus trabajos curvas de trabajo de ip,a/ip,c

vs k2C0τ (log ω) que permiten interpolar valores experimentales de ip,a/ip,c obtenidos para

diferentes velocidades de barrido. En la fig.8 se muestran estas curvas teóricas para el

caso de dismutación (A) y dimerización (B). El parámetro cinético interpolado (k2C0τ)

graficado versus la constante de tiempo τ resulta en una relación lineal con pendiente

igual a k2C0 lo que permite obtener el valor de la constante cinética.

Por otra parte, como se mencionó en el punto 4,2,2,2. se prepararon las

soluciones de surfactantes por sobre la CMC de cada uno de ellos para la realización de

los estudios electroquímicos.

Si bien, existen numerosos de estos datos reportados en literatura acerca de la

CMC, de manera adicional se realizó un estudio para determinar la CMC de los

surfactantes utilizados por técnicas electroquímicas, las técnicas que se utilizaron fueron

las siguientes,

26 Paola Jara Ulloa

4,3,4.- Curvas electrocapilares61.

Las curvas electrocapilares fueron obtenidas con un BAS CV-100W. Se utilizó

como electrodo de trabajo, un electrodo goteante de mercurio (DME), un alambre de

platino como contra electrodo y los potenciales fueron medidos contra un electrodo de

referencia de Ag/AgCl(sat). Como electrolito soporte se empleó una solución de KNO3

0.1M. El oxígeno disuelto fue removido de la solución tras burbujear con nitrógeno por 10

minutos antes de cada medición.

El método consistió en obtener curvas electrocapilares (tiempo de goteo vs

potencial aplicado) en aumento de la concentración de surfactante en solución.

Posteriormente se graficó el tiempo de goteo vs Log [Surfactante] a diferentes

potenciales6263. La presencia de un mínimo en esta gráfica es tomada como el valor de

CMC.

4,3,5.- Voltamperometría adsortiva64.

La voltamperometría adsortiva es sumamente efectiva en el análisis de

compuestos orgánicos, debido a que muchos de estos compuestos pueden ser

adsorbidos sobre la superficie del electrodo. Al seleccionar las condiciones apropiadas de

preconcentración la sensibilidad de la voltamperometría adsortiva resulta ser mucho

mejor en comparación a otras técnicas voltamperométricas. La voltamperometría

adsortiva consiste básicamente en realizar una voltamperometría lineal, luego de haber

aplicado un determinado potencial sobre el electrodo de trabajo por un tiempo

determinado. Se utilizó como electrodo de trabajo, un electrodo de gota colgante de

mercurio, un alambre de platino como contra electrodo y los potenciales fueron medidos

contra un electrodo de referencia de Ag/ AgCl (sat). Antes de cada medición se burbujeó

con nitrógeno.

Para el desarrollo de este estudio se prepararon una serie de soluciones que

contenían una concentración de 1μM de Neutral Red (NR), compuesto orgánico

electroactivo (Ecuación 25) que fue utilizado como estándar interno debido a que es muy

soluble en medio apolar y poco soluble en agua, por lo tanto una vez formada la micela el

27 Paola Jara Ulloa

NR se solubilizará en su interior quedando menos disponible para su reducción en la

superficie del electrodo.

Ecuación 25. Reducción de Neutral Red

Inicialmente se realizó la optimización de las siguientes variables en ausencia de

surfactante; potencial de acumulación, tiempo de acumulación, velocidad de agitación,

tiempo de reposo y velocidad de barrido. Seleccionándose los parámetros de máxima

intensidad de corriente de NR. Luego se registraron los valores de corriente obtenidos

para NR en ausencia y en aumento de la concentración de los surfactantes en estudio.

4,3,6.- Modificación de GCE con NTC.

Los NTCs fueron oxidados por tratamiento químico con una mezcla 1:1 de H2SO4:

HNO3 ambos 3M y llevados a reflujo por 3 horas, luego la suspensión fue filtrada y lavada

con abundante agua hasta llegar a pH neutro. Todos los experimentos

voltamperométricos fueron obtenidos después de purgar con N2.

Preparación del electrodo de trabajo

Antes de cada modificación, el GCE fue pulido con alúmina al agua de 0.3 y 0.05 μm, y

luego lavado con abundante agua. Los NTC oxidados fueron dispersados a diferentes

concentraciones (mg/mL) en agua y DMF y sonicados por 5 minutos, este último

procedimiento se repitió 3 veces. La inmovilización de los NTCs fue llevada a cabo

tomando un volumen de 5 µL de la dispersión de NTCs (DMF, H2O) y depositándolos

sobre la superficie del GCE (Esquema 2). Para secar la dispersión, el GCE fue introducido

a una estufa a 50°C por 15 min. Los electrodos resultantes fueron llamados

GCE/NTC(DMF) y GCE/NTC(H2O) de manera de identificar en que medio fue realizada la

dispersión.

+ 2ē + 2H+ ↔ N

N NH2N N

N

N NH2

H

H

28 Paola Jara Ulloa

1. Dispersión de NTC en agua y/o DMF

2. Modificación del electrodo de GC: 5 µL de la dispersión de NTC

3. Secado del electrodo de GC: 15 min a 50°C. Generación electrodo modificado

(GC/NTC)

4. Acumulación del 4-NimMeOH: 250 rpm a un tiempo variable

5. Barrido de potencial (VC), señal cercana a -320 mV

6. Construcción de curva de calibración (CC) sobre un electrodo

Esquema 2. Modificación de GCE con NTCs.

50°C 15 Min

0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8-100

-50

0

50

100

150

200

i / μΑ

E / V

-0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5

50

60

70

80

i / μΑ

E / V

1

2

3

4

5

6

29 Paola Jara Ulloa

4,3,7.- Voltamperometría de onda cuadrada (SWV).

El estudio voltamperométrico, se realizó con soluciones del compuesto

nitroimidazólico a diferentes concentraciones, en solución tampón Britton-Robinson. Se

utilizó como electrodo de trabajo, un electrodo de carbono vítreo modificado con

nanotubos de carbono un electrodo de gota colgante de mercurio, un alambre de platino

como contra electrodo y los potenciales fueron medidos contra un electrodo de referencia

de Ag/AgCl(sat). Antes de cada medición se burbujeó con nitrógeno. Se optimizaron los

parámetros de frecuencia y amplitud.

30 Paola Jara Ulloa

5.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 5,1.- Determinación de CMCs por técnicas electroquímicas. 5,1,1.- Curvas electrocapilares

Se realizaron curvas electrocapilares utilizando KNO3 0.1M como electrolito

soporte. En este caso, el tiempo de goteo en función de la concentración, a un potencial

constante, presenta un valor mínimo, ese valor de concentración correlaciona con valores

de CMC reportados en literatura por técnicas convencionales.

500 0 -500 -1000 -1500 -2000

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

0.530 mM

0.045 mM

ATiem

po g

oteo

/ s

E / mV (Ag/AgCl)

-1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.20.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

B

Tiem

po g

oteo

/ s

Log [CTAB]

E / V -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -1.2 -1.4 -1.6

Figura 9. Curvas electrocapilares a diferentes concentraciones de CTAB en solución de KNO3 0.1M (A), Tiempo de goteo vs logaritmo de la concentración de CTAB a diferentes potenciales aplicados (B).

31 Paola Jara Ulloa

La figura 9A muestra las curvas electrocapilares obtenidas a diferentes

concentraciones de CTAB. En ausencia de CTAB el máximo electrocapilar se encontró a

-500 mV.

En aumento de la concentración de CTAB se observó entre -250 y -1250 mV una

disminución en el máximo electrocapilar y un cambio en el potencial de carga cero de la

curva electrocapilar.

Este comportamiento demuestra la absorción de CTAB sobre la superficie de

electrodo de Hg, el efecto más significativo fue encontrado entre -250 y -900 mV.

La figura 9B muestra el tiempo de goteo vs la concentración de CTAB, los

potenciales a los que se encontró la mayor diferencia en el tiempo de goteo fueron a -800

y -1000 mV. Donde se puede observar la presencia de dos mínimos, los que

correlacionan con valores de CMC reportados, el primer valor corresponde a la formación

de los agregados micelares y el segundo a la transición de la forma esférica a la de barras

alargadas.

0 -500 -1000 -1500 -20000.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

3.6

0.1

A

Tiem

po g

oteo

/ s

E / mV (Ag/AgCl)

Figura 10. Curvas electrocapilares a diferentes concentraciones de Hyamina en solución de KNO3 0.1M.

32 Paola Jara Ulloa

-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.60.6

0.7

0.8

0.9

1.0

BTiem

po g

oteo

/ s

Log [Hyamina]

E / V 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -1.2

Figura 11. Tiempo de goteo vs logaritmo de la concentración de Hyamina a diferentes potenciales aplicados.

La figura 10 muestra las curvas electrocapilares a diferentes concentraciones de

Hyamina. En ausencia de Hyamina el máximo electrocapilar se encontró a -500 mV. En

aumento de la concentración de Hyamina se observó entre 0 y -1300 mV una disminución

en el máximo electrocapilar y una deformación en la curva.

Este comportamiento demuestra la absorción de Hyamina sobre la superficie de electrodo

de Hg.

La figura 11 muestra el tiempo de goteo vs la concentración de Hyamina, los

potenciales a los que se encontró la mayor diferencia en el tiempo de goteo fueron a -250

y -600 mV. Donde se puede observar la presencia de dos mínimos, los que correlacionan

con valores de CMCI y CMCII reportados.

33 Paola Jara Ulloa

Se obtuvieron curvas electrocapilares para el mismo sistema KNO3 0.1M en

presencia de SDS (Fig.12). Este surfactante sufrió una fuerte adsorción sobre la superficie

del electrodo a concentraciones muy bajas, de modo que no fue posible obtener

información acerca de la CMC por esta técnica.

500 0 -500 -1000 -1500 -20000.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

A

Tiem

po g

oteo

/ s

E / mV (Ag/AgCl)-1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

BTiem

po g

oteo

/ s

Log [SDS]

E / V -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -1.2 -1.4

Figura 12. Curvas electrocapilares a diferentes concentraciones de SDS en solución de KNO3 0.1M (A), Tiempo de goteo vs logaritmo de la concentración de SDS a diferentes potenciales aplicados (B).

En la tabla 1 se resumen los valores de CMC obtenidos por curvas electrocapilares

Técnica CTAB Hy cmc-I Hy cmc-II

C Electrocapilares 0.83 mM 0.31 mM 1.25 mM

Literatura 0.88 mM 0.26 mM61 1.2 mM

Tabla 1. Valores de concentración micelar crítica para CTAB y Hyamina.

34 Paola Jara Ulloa

5,1,2.- Voltamperometría adsortiva. Para la voltamperometría adsortiva, se utilizó Neutral Red (NR) como estándar interno,

optimizándose inicialmente el tiempo de acumulación (Fig.13) y la velocidad de agitación

en ausencia de surfactantes, seleccionándose los parámetros de máxima intensidad de

corriente (200 s y 350 rpm). Bajo estas condiciones se observó una relación lineal entre la

corriente y la concentración de NR.

-200 -400 -600 -800 -1000 -1200

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6A

i / μ

A

E / mV (Ag/AgCl)

Figura 13. (A) Voltamperogramas lineales de Neutral Red 1μM sobre electrodo de Hg a diferentes tiempos de acumulación. (B) Dependencia de la corriente de pico con el tiempo de acumulación. Velocidad de barrido: 345 mVs-1

En presencia de los surfactantes, los resultados mostraron una disminución en el

valor de corriente de NR al aumentar la concentración de éstos (Fig.14), siendo los

quiebres en la tendencia los que se relacionaron con la CMC. La explicación a este

fenómeno es que el NR presenta una mayor liposolubilidad que hidrosolubilidad, por lo

tanto, al producirse la formación de la micela se solubiliza en su interior dejando de estar

disponible para ser reducido sobre la superficie del electrodo.

0 50 100 150 200 2500.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6 B

i / μ

A

Tiempo de acumulación / s

35 Paola Jara Ulloa

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

i / μΑ

[CTAB] / mM

Figura 14. Gráficos corriente versus concentración de CTAB en presencia de Neutral Red 1 μM.

En la tabla 2 se presentan los valores determinados por voltamperometría

adsortiva para CTAB y Hyamina, además de valores reportados en literatura

Técnica CTAB Hyamina

Voltamperometría 0.70 mM 0.30 mM

Literatura 0.88 mM64 0.26 mM Tabla 2. Valores de concentración micelar crítica para CTAB y Hyamina.

36 Paola Jara Ulloa

5,2.- Caracterización catódica 5,2,1.- Medio Acuoso (100% Tampón Britton-Robinson) 5,2,1,1. - Polarografía de pulso diferencial y Polarografía Tast

• Efecto sustituyente En medio 100% tampón Britton Robinson a pH 2, todos los compuestos fueron

estudiados, dando una señal de reducción tanto por PPD como por PTast. Los valores de

potencial encontrados se diferenciaron de manera significativa, en la tabla 3 se presentan

las estructuras de los compuestos y sus respectivos potenciales de pico.

Compuesto Ep,c mV

N

N

H

O2N

H A

-527

N

NOH

O2N

H B

-560

N

NOH

CH3

O2N

C

-132

N

NBr

CH3

O2N

D

-180

Tabla 3. Potenciales de pico para nitrocompuestos en medio acuoso sobre electrodo de Hg, tampón Britton Robinson a pH 2.

37 Paola Jara Ulloa

Nuestro anillo base es el 4-Nitroimidazol (A), el cual presentó un Ep,c de -527 mV

en las condiciones antes mencionadas, cuando se sustituyó con un hidroximetil (CH2OH)

en la posición 2 (B), se observó un desplazamiento de ≈ 30 mV en sentido negativo,

dificultando la reducción. En las mismas condiciones experimentales, el compuesto C, que

se encuentra sustituido con un grupo metil (CH3), y conserva el sustituyente (CH2OH) en

la posición 2, fue reducido a tan solo -132 mV, disminuyendo cerca de 400 mV el

potencial de reducción de nuestra molécula base. De estos resultados, es posible concluir

que la sustitución en la posición 1 del anillo, es la que determina el potencial de reducción.

Figura 15. Polarogramas de pulso diferencial (A) y polarogramas TAST (B) para 0.1mM de 4-NimMeOH en Britton Robinson 0.1 M a distintos pHs.

En la figura 15 se observan los polarogramas de pulso diferencial y Tast para el

4-NimMeOH en medio 100 % acuoso, tampón Britton Robinson a distintos valores de pH,

en ambos polarogramas se aprecia una única señal de reducción correspondiente a la

reducción del grupo nitro al derivado hidroxilamínico (Ec.17), esta señal se desplaza en

sentido negativo con el aumento del valor de pH, es decir, se dificulta el proceso de

reducción. En los polarogramas Tast se observa el mismo desplazamiento.

RNO2 + 4ē + 4H+ → RNHOH + H2O (Ec.17)

0 -200 -400 -600 -800 -1000-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4

i / μ

A

E / mV (Ag/AgCl)0 -200 -400 -600 -800 -1000

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

i / μΑ

E / mV (Ag/AgCl)

N

NOH

CH3

O2N

A B

38 Paola Jara Ulloa

Los resultados de un estudio más detallado de la influencia del pH para el 4-

NimMeOH en medio acuoso, se presentan en las figuras 16 y 17. Se analizó la señal en

todo el rango de pH y se midieron los parámetros: potencial de pico (Ep) y corriente de

pico (Ip) obtenidos mediante PPD y potencial de media onda (E1/2) y corriente límite (Ilim)

obtenidos por PTast.

Figura 16. Dependencia del potencial de pico (A) y de la corriente de pico (B) con respecto al pH de una solución 0.1mM de 4-NimMeOH en Britton Robinson 0.1 M.

Figura 17. Dependencia del potencial de media onda (A) y de la corriente límite (B) con respecto al pH de una solución 0.1mM de 4-NimMeOH en Britton Robinson 0.1 M.

2 4 6 8 10 120.25

0.50

0.75

1.00

1.25

i lim

/ μA

pH2 4 6 8 10 12

0

-100

-200

-300

-400

-500

-600

-700

-800

-900

E 1/

2 / m

V

pH

2 4 6 8 10 120.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

B

ip / μA

pH2 4 6 8 10 12

0-100-200-300-400-500-600-700-800-900

-1000-1100

A

Ep /

mV

pH

A B

39 Paola Jara Ulloa

Es posible apreciar en la figura 16A, la existencia de una dependencia lineal entre

el potencial de pico y el pH del medio hasta pH 9. A pH > 9 cambia este comportamiento

tornándose independiente.

El potencial de media onda tiene el mismo comportamiento antes descrito para el

potencial de pico (Fig. 17A). La corriente límite es independiente del pH, (Figura B) lo que

permite decir que el proceso es controlado por difusión y que se transfieren el mismo

número de electrones en todo el rango estudiado de pH.

Figura 18. Polarogramas de pulso diferencial y dependencia del potencial de pico para 0.1mM de 4-NImMeBr en Britton Robinson 0.1 M a distintos pHs.

En los polarogramas de pulso diferencial para el 4-NimMeBr (Fig.18) se aprecia

una única señal de reducción correspondiente a la reducción del grupo nitro al derivado

hidroxilamínico, esta señal se desplaza en sentido catódico con el aumento del valor de

pH, se observa una dependencia lineal del potencial de pico hasta pH cercano a 10.

La reducción de los otros compuestos siguió el mismo comportamiento antes

descrito.

0 2 4 6 8 10 12-100

-200

-300

-400

-500

-600

-700

m = -45.2

Ep /

mV

pH

0 -200 -400 -600 -800 -1000

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

i / μ

A

E / mV (Ag/AgCl)

40 Paola Jara Ulloa

5,2,1,2.- Voltamperometría cíclica

En medio acuoso, tampón Britton Robinson se obtuvieron voltamperogramas

cíclicos para 4-NimMeOH y 4-NimMeBr, en la figura 19 se observa para ambos

compuestos una única señal de reducción, de carácter irreversible, la cual se desplazó en

sentido catódico con el aumento de pH en la solución de trabajo.

En todos los voltamperogramas además se observó, en el barrido anódico, una

nueva señal, la cual correspondería a la oxidación de la especie hidroxilamínica generada

en el barrido catódico que corresponde al derivado nitroso.

0 -200 -400 -600 -800 -1000 -1200

-1

0

1

2

3

4

5

6

7 2 11

i/μA

E/mV (Ag/AgCl)0 -200 -400 -600 -800 -1000 -1200

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.53 11

i/μA

E/mV (Ag/AgCl)

Figura 19. Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH 4.85x10-4M (A) y 4-NimMeBr 5.1x10-4M (B) a diferentes pHs en tampón Britton Robinson 0.1M, velocidad de barrido: 100 mV/s

Para ninguno de los compuestos estudiados en medio acuoso fue posible obtener

la separación de la transferencia mono electrónica.

A B

41 Paola Jara Ulloa

5,2,2.- Medio Heterogéneo: Surfactantes 5,2,2,1.- Polarografía de pulso diferencial y Polarografía Tast

Una vez establecido el comportamiento de los compuestos en solución acuosa, se

cambió el medio de estudio por solución acuosa con surfactantes.

Figura 20. Polarogramas de pulso diferencial (A) y polarogramas TAST (B) para 0.1mM de 4-NimMeOH en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M a distintos pHs.

Al realizar el estudio polarográfico en presencia de CTAB (Fig.20) se observa que

en la zona de pH > 2 < pH ≈ 8, existe una única señal que se desplaza a valores más

negativos de potencial a medida que aumenta el pH. A partir de pH 8, se produce un

desdoblamiento de la señal principal lo que indica, la ocurrencia de otro proceso

electródico. Dicho desdoblamiento no se observa en PTast.

Se repitió el estudio anterior en iguales condiciones, cambiando el surfactante

CTAB por Hyamina, observándose el desdoblamiento de la señal en ambos polarogramas

(pulso y tast).

En la figura 21A es posible observar el comportamiento del potencial de pico con

respecto al pH, se observa una dependencia lineal hasta valores cercanos a 8, para

posteriormente hacerse independiente. La segunda señal que aparece en presencia de

-200 -400 -600 -800 -1000 -1200 -1400-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

i / μ

A

E / mV

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

-200 -400 -600 -800 -1000 -1200

E / mV

A B

N

NOH

CH3

O2N

42 Paola Jara Ulloa

surfactantes catiónicos es independiente del pH en los potenciales que aparece. Además,

se observa en la figura 21A, un cambio de pendiente para 4-NimMeOH lo que indicaría,

un cambio en el mecanismo de reducción.

2 4 6 8 10 12

-500

-600

-700

-800

-900

-1000

-1100

m = 1.10

m = -37.6

Ep /

mV

pH

pico I pico II

Figura 21. Dependencia del Ep,c (A) y de la corriente de pico (B) con respecto al pH de una solución 0.1mM de 4-NimMeOH en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1M.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-500

-600

-700

-800

-900

m = - 37.89

E 1/

2 / m

V

pH Figura 22. Dependencia del E1/2 (A) y de la ilim (B) con respecto al pH de una solución 0.1mM de 4-NimMeOH en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M.

2 4 6 8 10 12

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

ip / μA

pH

pico I pico II

A B

2 4 6 8 100.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

i lim/ μ

Α

pH

A B N

NOH

CH3

O2N

43 Paola Jara Ulloa

La corriente límite es independiente del pH (Fig.22) hasta valores cercanos a 8 lo

que indica que en ese rango proceso es controlado por difusión y se transfieren el mismo

número de electrones. A pH > 8 este comportamiento cambia.

Como se observó en la figura 19, en medio acuoso, el 4-NimMeBr presentó una

señal de reducción en todo el rango de pH estudiado. Al cambiar el medio (+ CTAB) y a

medida que se fue alcalinizando la solución de trabajo, se produjo la aparición de una

nueva señal a potenciales más negativos, la cual fue detectada por ambas polarografías

(Fig.23).

Figura 23. Polarogramas de pulso diferencial y Tast para 0.1mM de 4-NimMeBr en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M a distintos pHs.

N

NBr

CH3

O2N

-200 -400 -600 -800 -1000 -1200

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

i / μΑ

E / mV (Ag/AgCl)

pH 5,5 6,5 7,5

-200 -400 -600 -800 -1000 -1200 -1400

0

1

2

3

4

i / μΑ

E / mV (Ag/AgCl)

pH 5,5 7,5

44 Paola Jara Ulloa

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-600

-700

-800

-900

-1000

-1100

-1200

-1300

m = 2.21

m = 16.31

Ep

/ mV

pH

pico I pico II

Figura 24. Dependencia del Ep,c (A) y de la ip,c (B) con respecto al pH de una solución 0.1mM de 4-NimMeBr. CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M.

Los potenciales de pico de ambas señales de reducción se muestran en la

Fig.24A, donde se observa una independencia del primer pico y una dependencia del

segundo pico. Para las intensidades de corriente se observa que a medida que aumenta

el valor de pH en solución, la señal I disminuye mientras la segunda señal aumenta en

intensidad. (Fig.24B)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-2

-1

0

1

2

3

pico I pico II

i / μΑ

pH

A B

45 Paola Jara Ulloa

Continuando con el estudio polarográfico de estos derivados nitroimidazólicos en

solución acuosa con surfactantes, se observa en la figura 25, como a 2 < pH < 8 existe

una única señal de reducción para 4-NimHOH, la que a medida que se incrementa el

valor de pH se intensifica para posteriormente a pH > 8 desdoblarse, dando cuenta de un

cambio de mecanismo. El mismo comportamiento se corrobora por polarografía tast.

200 0 -200 -400 -600 -800 -1000-1200-1400-1600

0

2

4

6

8

10

i / μΑ

E / mV (Ag/AgCl)

pH 1,8 6,8 7,5 8,4 10,5

-200 -400 -600 -800 -1000 -1200 -1400

0

2

4

6

8

10

i / μΑ

E / mV (Ag/AgCl)

Figura 25. Polarogramas de pulso diferencial y Tast para 0.5 mM de 4-NimHOH en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M a distintos pHs.

N

NOH

O2N

H

46 Paola Jara Ulloa

Se estudió la reducción del 4-nitroimidazol en presencia de Hyamina, tanto en

polarografía de pulso diferencial como Tast se observó la aparición de una segunda señal

a pH > 9.

Todos los compuestos estudiados presentaron el mismo comportamiento

electroquímico en presencia de surfactantes catiónicos, es decir, se observó de manera

general un desdoblamiento de la señal de reducción. En suma, el cambio de mecanismo

de una etapa a dos etapas de transferencia electrónica, cuya diferencia principalmente fue

el valor de pH a que esto ocurrió para cada uno de los compuestos sintetizados.(Tabla 4)

Compuesto pH Ep,c I / mV Ep,c II / mV

N

N

H

O2N

H

9.1 -773 -997

N

NOH

O2N

H

7.5 -732 -888

N

NOH

CH3

O2N

8.6 -744 -1000

N

NBr

CH3

O2N

5.5 -708 -968

Tabla 4. Potenciales de pico para nitrocompuestos en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M.

47 Paola Jara Ulloa

5,2,2,2.- Voltamperometría cíclica. Recordemos que en medio acuoso, tampón Britton Robinson, se observó una

única señal de reducción en todo el rango de pH estudiado, como se detallo en 5,2,1,2. El

desdoblamiento observado por PPD y PTast tras la adición de surfactantes catiónicos

también fue confirmado por voltamperometría cíclica. La figura 26 muestra

voltamperogramas correspondientes al 4-NimMeOH a pH ≈ 8.4 en presencia de diferentes

surfactantes. Se observa que tras la adición de los surfactantes catiónicos (CTAB y

Hyamina), el desdoblamiento de la señal de reducción del grupo nitro de acuerdo con la

ecuación 1 y 25,

RNO2 + ē RNO2

• (Ec.1)

RNO2• + 3ē + 4H+ → RNHOH + H2O (Ec.25)

En presencia de SDS y Tritón-X, la morfología del pico de reducción del grupo nitro

es esencialmente la misma que en ausencia de éstos, lo que indica que tanto SDS como

Triton-X no modifican las características del proceso electroquímico. De acuerdo a estos

resultados, exploramos la posibilidad de estabilizar el anión radical nitro en la interfase de

micelas catiónicas resultante, siendo ésta muy buena para el estudio de radicales libres

en medio acuoso. Sin embargo, los resultados encontrados son de alguna manera

contradictorios con los informados anteriormente por McIntire y col.50, quienes estudiaron

la reducción electroquímica de nitrobenceno en presencia de surfactantes aniónicos,

catiónicos y no iónicos. En ese trabajo se reportó que el único medio capaz de estabilizar

el anión radical nitro y en consecuencia susceptible de ser detectado por

voltamperometría cíclica resulto ser empleando surfactantes aniónicos. Con surfactantes

catiónicos no fue posible estudiar el anión radical nitro de NB. Por otra parte, Saveant y

col.49, han informado una notable estabilización del anión radical de ftalonitrilo en

presencia de micelas catiónicas, sugiriendo que la disminución en 250 veces de la

velocidad de protonación del anión radical, se debía a su asociación con la micela

cargada positivamente. Los resultados combinados permiten concluir que la influencia de

los sistemas micelares sobre los procesos electroquímicos de un sustrato no se pueden

predecir sobre la base de simples consideraciones electrostáticas, siendo fuertemente

dependientes de las estructuras de los surfactantes y el sustrato65.

48 Paola Jara Ulloa

Figura 26. Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH 1mM en tampón Britton Robinson 0.1M a pH 8.4 en presencia de 15 mM de diferentes surfactantes: A) CTAB, B) Triton-X, C) 100% BR (sin surfactante), D) SDS y E) Hyamina. Velocidad de barrido = 1 V/s. Línea continua desde A) hasta E) muestra el par redox RNO2/RNO2

• aislada.

0 -300 -600 -900 -1200 -1500-4

-2

0

2

4

6

8

i / μΑ

E / m V0 -300 -600 -900 -1200 -1500

0

1

2

3

4

5

i / μΑ

E / m V

A B

0 -300 -600 -900 -1200 -1500-2

0

2

4

6

8

i / μ

Α

E / mV0 -300 -600 -900 -1200 -1500

-2

0

2

4

6

8

i / μΑ

E / mV

D E

0 -300 -600 -900 -1200 -1500

-2

0

2

4

6

8

i / μ

A

E / mV

C

49 Paola Jara Ulloa

Utilizando la respuesta obtenida por voltamperometría cíclica, es posible estudiar

la cinética y la estabilidad del anión radical nitro. Como se observa en la fig. 26 (línea

continua) en el caso de Hyamina y CTAB se encuentra muy bien resuelto el par redox

RNO2 / RNO2• si se ajusta adecuadamente el potencial de inversión.

En la figura 27 se muestran los voltamperogramas cíclicos a distintas velocidades

de barrido, obtenidos en presencia de tres surfactantes. Si el surfactante es aniónico solo

es posible obtener una respuesta anódica a velocidades muy altas de barrido. Cuando el

surfactante fue no iónico, la señal fue irreversible en todo el rango de velocidades y

finalmente al emplear surfactantes catiónicos se obtuvieron voltamperogramas cíclicos

bien resueltos en medio 100% acuoso dando cuenta de la estabilización de la especie

radicalaria en estudio.

-500 -600 -700 -800 -900

E / mV

Figura 27. Voltamperogramas cíclicos en aumento de la velocidad de barrido en presencia de surfactante aniónico (A), no iónico (B) y catiónico (C) para 1mM de 4-NimHOH en Britton Robinson 0.1 M

En la figura 28, podemos observar los voltamperogramas cíclicos para el par

redox aislado RNO2 / RNO2• a diferentes velocidades de barrido utilizando Hyamina como

surfactante. Además, en la figura 29 se muestra el efecto del aumento de la velocidad de

barrido sobre las razones de corrientes (ip,a/ip,c) en soluciones con Hyamina a diferentes

pHs. La misma tendencia se observó con ambos surfactantes catiónicos, es decir, la

razón de corrientes (ip,a/ip,c) aumentó con el aumento de la velocidad de barrido.

-500 -600 -700 -800 -900

E / mV

10μA

-500 -600 -700 -800 -900 -1000

E / mV

A B C

50 Paola Jara Ulloa

Figura 28. Voltamperogramas cíclicos del par redox RNO2/ RNO2

• de 4-NimMeOH 1mM en tampón Britton Robinson 0.1M a pH 8.4 en presencia de Hyamina 15 mM a diferentes velocidades de barrido.

Figura 29. Razón de corrientes Ipa/Ipc con respecto a la velocidad de barrido para 4-NimMeOH 1 mM en tampón Britton Robinson 0.1 M y Hyamina 15 mM a pH 7.4, 8.4 y 9.4

-500 -600 -700 -800 -900

10 μΑ

E / mV (Ag/AgCl)

-0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2

0.4

0.6

0.8

1.0

i pa/ i

pc

Log ν

pH 7.4 8.4 9.4

V/s 10 5 2.5 1 0.5 0.1

51 Paola Jara Ulloa

Estos resultados cumplen con los requisitos de una reacción de transferencia de

carga reversible seguida de una reacción química irreversible de acuerdo con los criterios

de Nicholson y Shain58. Además, la razón de corrientes fue dependiente de la

concentración de 4-NimMeOH implicando una reacción de segundo orden. De acuerdo a

lo previamente observado para el mismo compuesto en medio mixto70, la reacción

química de segundo orden es de disproporcionación. En consecuencia, se utilizaron las

aproximaciones teóricas de Olmstead et al.59 de disproporcionación para calcular la

constante cinética de segundo orden, k2, y el correspondiente tiempo de vida media.

Las constantes cinéticas, k2, y los tiempos de vida media para el anión radical en

medio acuoso en presencia de micelas a diferentes pHs se muestra en la tabla 5, también

se incluye una comparación con soluciones de diferente concentración de surfactante y en

medio mixto sin micelas. De estos resultados podemos afirmar que el uso de surfactantes

es la única condición capaz de estabilizar el anión radical nitro de 4-MinMeOH hasta el

punto de ser detectable por VC, en solución acuosa en la zona de pH de 7-9. En medio

mixto sin surfactantes este estudio solo fue posible a partir de pH 10. Probablemente este

hecho se debe a la disminución en la velocidad de protonación del anión radical. Por otro

lado, cuando la concentración de Hyamina disminuyó de 15 a 5 mM, los valores de k2

muestran un aumento en seis veces y el potencial de pico catódico disminuyó alrededor

de 20 mV. Ambos hechos pueden ser asociados a la adsorción del surfactante sobre la

superficie del electrodo66,67, el que puede alterar el sobrepotencial del electrodo y a la

formación de agregados micelares que afectan la reacción de disproporcionación.

En todos los estudios, cuando el surfactante fue incorporado a la solución acuosa,

el potencial de pico catódico cambió hacia valores más negativos, dificultando la

reducción del compuesto. Además, si comparamos los resultados obtenidos con la misma

concentración de micelas a diferentes pHs (Figura 30), encontramos que el pH afecta

fuertemente la estabilidad del anión radical nitro (valores de k2), sin embargo, no afecta a

los valores de potencial del grupo nitro (Ep,c). Estos resultados confirman la dependencia

del pH de la reacción de disproporcionación y la independencia del pH de la reacción de

reducción vía un electrón de los derivados nitro para formar el anión radical nitro de

acuerdo con la ecuación 1.

52 Paola Jara Ulloa

-500 -600 -700 -800 -900

-5

0

5

10

15

20

25

30

A

i / μΑ

E / mV (Ag/AgCl)-500 -600 -700 -800 -900

-10

-5

0

5

10

15

20

B

i / μΑ

E / mV (Ag/AgCl)

Figura 30. Voltamperogramas cíclicos en aumento de la velocidad de barrido en presencia de surfactante catiónico para 1mM de 4-NimMeOH en Britton Robinson 0.1 M a pH 7.4 (A) y pH 8.4 (B).

pH 10-4 k2, dis / M-1 s-1 t1/2 / ms - EP,C / mV

8.4 4.30 ± 0.43 23.25 802

9.4 1.37 ± 0.21 72.99 796

9.4a 8.77 ± 0.62 11.40 774

10b 0.59 ± 0.03 169.49 760

10c 1.36 ± 0.21 73.52 727 Tabla 5 a Solución acuosa de Hyamina 5 mM Dato obtenido (referencia 68) desde soluciones en medio mixto b 30/70: Etanol/ tampón Britton-Robinson, c 60/40 : DMF/ tampón citrato. Tabla 5.- Constantes de disproporcionación, tiempo de vida media para el anión radical nitro y potenciales de pico catódico para el par redox RNO2/ RNO2

• en solución acuosa con Hyamina 15 mM a diferentes pHs.

Los estudios por voltamperometría cíclica anteriormente expuestos también fueron

realizados para los compuestos 4-NimMeBr, 4-NimHOH, 4-Nim y 2-Nim.

En las figuras 31 y 32, se muestra el comportamiento voltamperométrico del 4-

Nitroimidazol en presencia de CTAB 15 mM, donde es posible observar el desdoblamiento

de la señal de reducción a medida que se alcaliniza la solución de trabajo, así como

53 Paola Jara Ulloa

también a pH 8 se logra aislar el par redox RNO2/ RNO2•, corroborándose, el mismo

comportamiento electroquímico que los derivados nitroimidazólicos antes estudiados en

presencia de surfactantes catiónicos.

-200 -400 -600 -800 -1000 -1200 -1400

10 μA

E / mV (Ag/AgCl) Figura 31. Voltamperogramas cíclicos de 4-Nitroimidazol 2mM en CTAB 15mM desde pH 2 hasta 8, tampón Britton Robinson 0.1 M.

-400 -500 -600 -700 -800 -900-2

-1

0

1

2

3

4

i / μΑ

E / mV (Ag/AgCl)0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

i p,a /

i p,c

Log V

pH 8,0

Figura 32. Voltamperogramas cíclicos a pH 8 a distintas velocidades de barrido (A) y Dependencia de la razón de corrientes ((ip,a/ip,c) ) con la velocidad de barrido(B) para 4-nitroimidazol 2mM en medio CTAB 15mM.

A B

54 Paola Jara Ulloa

Se repitió el estudio, esta vez utilizando 2-Nitroimidazol, de manera de evaluar la

influencia que tiene la posición del grupo nitro en el comportamiento electroquímico.

-200 -400 -600 -800 -1000 -1200

A

E / mV (Ag/AgCl)

-200 -400 -600 -800 -1000 -1200

B

E / mV (Ag/AgCl)

Figura 33. Voltamperogramas cíclicos de 2-nitroimidazol 2mM a distintos a pHs en CTAB 15mM (A) y en Hyamina 15 mM (B), tampón Britton Robinson 0.1M.

55 Paola Jara Ulloa

Como se observa en la figura 33, los voltamperogramas cíclicos para el 2-

Nitroimidazol muestran una única señal de reducción en todo el rango de pH estudiado.

Independientemente del surfactante catiónico utilizado no se observó un cambio en el

mecanismo de reducción, por lo tanto no fue posible generar el RNO2• a partir del 2-

nitroimidazol en estos medios de trabajo.

A partir de este resultado, podemos concluir que la generación y por ende, la

estabilidad del RNO2• obtenido a partir de los derivados nitroimidazólicos, no tan solo

depende del medio, sino también de la posición en la cual se encuentra el grupo nitro en

la molécula. El comportamiento observado para el 2-Nitroimidazol en presencia de

surfactantes catiónicos, es muy similar al encontrado para los otros derivados

nitroimidazólicos en medio acuoso, por lo tanto la adición de surfactantes al medio de

trabajo no afectó el mecanismo de reducción del 2-Nitroimidazol.

56 Paola Jara Ulloa

5,2,3.- Medio no acuoso (100% DMF + PTBA 0.1M) 5,2,3,1.- Polarografía de Pulso Diferencial y Polarografía Tast

En este medio los compuestos 4-NimMeOH y 4NimOH presentaron una única

señal de reducción por ambas polarografías. Distinto fue el caso de 4NimMeBr (Figura

34), que como se observa, muestra un pre pico, la que puede ser atribuida a la reducción

de una especie formada producto de una reacción ácido–base.

Para verificar el probable equilibrio ácido-base, se adicionaron alícuotas de TBAOH, las

que causaron la desaparición de este pre pico.

N

N+

Br

O2N

CH3

H

N

N

Br

O2N

CH3

-800 -1000 -1200 -1400 -1600

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

i / μΑ

E / mV (Ag/AgCl)

100% DMF 100% DMF + 50uL TBAOH 100% DMF + 100uL TBAOH

Figura 34. Polarogramas de pulso diferencial para el compuesto 4NimMeBr en Medio 100 % DMF.

57 Paola Jara Ulloa

Observándose el mismo comportamiento por polarografía Tast. (Figura 35)

-800 -1000 -1200 -1400 -1600 -1800

0.5 μΑ

E / mV (Ag/AgCl)

100% DMF + 30 uL TBAOH + 60 uL TBAOH + 90 uL TBAOH + 120 uL TBAOH

Figura 35. Polarogramas Tast para el compuesto 4-NimMeBr en Medio 100 % DMF.

Los valores de Ep,c para los tres compuestos en medio 100% DMF se indican en

la tabla 6. El compuesto que presenta el potencial de reducción más bajo es el 4-

NimMeOH, a diferencia del medio 100% acuoso, en este medio se aprecia que la

incorporación de los sustituyente sobre el anillo base 4-Nitroimidazol, desplaza los

potenciales de reducción hacia valores más negativos.

Técnica -Ep,c/ mV

4-NimMeOH 1288

4NimMeBr 1200

4NimOH 1688

4Nim 900 Tabla 6. Potenciales de pico catódico para derivados sintéticos del 4-Nitroimidazol en medio 100% DMF.

58 Paola Jara Ulloa

5,2,3,2.- Voltamperometría Cíclica

Los voltamperogramas cíclicos para los tres compuestos se aprecian en las figuras

36 y 37 en las cuales se encuentra representado el par redox RNO2/RNO2• por la línea

continua.

-400 -800 -1200 -1600 -2000 -2400-4

-2

0

2

4

6

i / μ

A

E / mV ( Ag/AgCl)-400 -800 -1200 -1600 -2000 -2400

0

1

2

3

4

5

i / μ

A

E / mV (Ag/AgCl)

Figura 36. Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH (A) y 4NimOH (B) en 100% DMF, 0.1M PTBA.

-400 -800 -1200 -1600 -2000 -2400

0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

i / μΑ

E / mV (Ag/AgCl)

Figura 37. Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeBr en 100% DMF, 0.1M PTBA.

59 Paola Jara Ulloa

Los voltamperogramas del compuesto 4-NimMeBr presentan una pre onda, para

este caso, se repitió el procedimiento utilizado por PPD, es decir, la adición de TBAOH.

-600 -800 -1000 -1200 -1400 -1600

0.5 μΑ

E / mV (Ag/AgCl)

100% DMF + 30uL TBAOH + 60uL TBAOH + 90uL TBAOH + 120uL TBAOH

Figura 38. Voltamperogramas cíclicos para el compuesto 4-NimMeBr en Medio 100 % DMF.

Tal como se aprecia en la figura 38, luego de la segunda adición de TBAOH (60μL

en total) desapareció la pre onda, dando un voltamperograma muy bien resuelto.

Posteriormente, se evaluó el efecto de la velocidad de barrido sobre la reducción de 4-

NimMeBr (par redox RNO2/RNO2•) en estas condiciones (Figura 39A) y así construir el

gráfico de razones de corrientes (ip,a/ip,c) vs Log velocidad de barrido (Figura 39B). Se

observa el comportamiento característico descrito para una reacción de transferencia

electrónica seguida de una etapa química.

60 Paola Jara Ulloa

-600 -800 -1000 -1200 -1400 -1600

-2

-1

0

1

2

3

i / μΑ

E / mV (Ag/AgCl)-1.2 -0.9 -0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6 0.9

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

ipa

/ ipc

Log ν

Figura 39. Voltamperogramas cíclicos a distintas velocidades de barrido de 4-NimMeBr (A). Razones de corriente con respecto la velocidad de barrido (B) en medio 100 % DMF (PTBA).

El anión radical nitro formado, puede sufrir reacciones de decaimiento químico por

disproporción o dimerización. A diferencia de los medios acuosos donde ocurre una

reacción de decaimiento por disproporción, en este medio no acuoso, ya que no hay una

alta disponibilidad H+ y se espera una reacción de dimerización como la reacción más

probable.

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

1.05

ipa

/ ipc

Log ω

dis Hg dim Hg Experimental

Figura 40. Curvas teóricas de dismutación y dimerización para un electrodo esférico (Hg). Resultados obtenidos para 4NimMeBr en 100% DMF.

A B

61 Paola Jara Ulloa

La figura 40 muestra las curvas teóricas descritas por Olmstead para una reacción

de dimerización y una reacción de disproporción. Se presentan en círculos los datos

obtenidos experimentalmente para el el compuesto 4-NimMeBr en medio 100% DMF.

-1.2 -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.80.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2 A

A 0.76344B 0.44472R 0.99973

Log

ip,c

Log ν-1.2 -0.9 -0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6 0.9

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5 B

A 0,17226B 0,40211R 0,99556

Log

ipc

Log ν

Figura 41. Relación logarítmica entre ip,c y la velocidad de barrido para 4-NimMeOH (A) y 4NImMeBr, en Medio 100% DMF.

Para determinar si el proceso fue controlado por un fenómeno de adsorción o

difusión se estudio la relación de log ip,c v/s log ν (Figura 41) en que el valor de la

pendiente nos indica el tipo de proceso involucrado.

Para procesos controlados por difusión este valor es cercano a 0.5 y para

procesos controlados por adsorción el valor es cercano a 1. Los valores para ambos

compuestos son cercanos al valor teórico de 0.5 descrito para procesos controlados por

difusión.

Para esclarecer el origen de la pre onda observada para el 4-NimMeBr por las

técnicas utilizadas, y descartar algún fenómeno de tipo adsortivo, se realizó un estudio de

velocidad de barrido sin la adición de TBAOH. La figura 42 muestra los voltamperogramas

obtenidos en medio 100% DMF.

62 Paola Jara Ulloa

Tal como se observa, al aumentar la velocidad de barrido aumenta la intensidad de

corriente de ambas señales, ahora si graficamos el logaritmo de la corriente catódica para

cada señal (Ip,c) vs el logaritmo de la velocidad de barrido (Figura 49), podemos ver que

para ambas señales, la pendiente de la gráfica posee un valor cercano al valor teórico de

0.5 descrito para procesos controlados por difusión.

-800 -1000 -1200 -1400 -1600

-4

0

4

8

12

16

i / μΑ

E / mV (Ag/AgCl)

Figura 42. Voltamperogramas cíclicos de 4NImMeBr en aumento de la velocidad de barrido en Medio 100 % DMF.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2 0,42589

0,45157

Log

ip,c

Log ν

ip,cI ip,cII

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

i p,cII

/ ip,

cI

Log ν

Figura 43. Relación logarítmica entre ip,cI y ip,cII y la velocidad de barrido para 4-NimMeBr (A) y razón de corrientes ip,cII / ip,cI para 4NImMeBr, en Medio 100 % DMF. 5,3.- Estabilización de RNO2

• : ¿micela o monómero?

A B

63 Paola Jara Ulloa

5,3,1.- Voltamperometría cíclica

En los resultados anteriormente expuestos (5,2,2,2) se demostró que en presencia

de surfactante catiónicos es posible generar y estabilizar el anión radical nitro a partir de

pH 7.4. Sin embargo, la concentración utilizada para todos los experimentos fue de 15

mM, concentración muy superior a la CMC de cada uno de los surfactantes utilizados, por

lo que cabe preguntarse ¿es necesaria la existencia de micelas en solución para que

ocurra la estabilización del RNO2•?

C < CMC

Figura 44. Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH en ausencia (A) y presencia de surfactante catiónico 15 mM (B), Britton Robinson 0.1 M, pH 8.4.

El comportamiento electroquímico observado por voltamperometría cíclica para

todos los derivados nitroimidazólicos en medio 100% acuoso se presenta como una

reacción de reducción irreversible en todo el rango de pH y al aumentar la velocidad de

barrido, no es posible obtener una corriente anódica que de cuenta de la reacción de

oxidación del anión radical nitro a su precursor nitro. De acuerdo a la literatura la

-400 -500 -600 -700 -800 -900

-505

1015202530354045505560657075

i / μΑ

E / mV-400 -500 -600 -700 -800 -900

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

i / μΑ

E / mV

C > CMC A B

64 Paola Jara Ulloa

utilización de surfactantes para la estabilización de especies electrogeneradas, se estudia

en presencia de micelas, debido a que fundamentalmente se atribuye la estabilización del

compuesto en estudio a interacciones de tipo electrostáticas entre la micela cargada y el

compuesto de interés, o bien a la solubilización del compuesto en el core micelar.

Considerando estos antecedentes, cuando la concentración de surfactante en

solución es menor a la concentración micelar crítica (CMC) del mismo, las moléculas

anfifílicas tienden a ordenarse en las cercanías de la interfase aire/solución o bien en

las paredes del recipiente que las contiene. Al realizar un voltamperograma cíclico del 4-

NimMeOH en estas condiciones, se obtiene una señal única de reducción, irreversible al

igual que en ausencia de surfactante (Figura 44A). Ahora, si la concentración de

surfactante es mayor a la CMC, se obtienen dos señales de reducción, la primera

corresponde a la reducción monoelectrónica del RNO2 para dar RNO2•, especie de

interés. Para aislar esta señal, se realizan barridos de potencial más cortos, de manera de

obtener el par redox RNO2/RNO2• como una señal reversible (Figura 44B).

Con el propósito de dilucidar cual es el tipo de interacción entre los

nitrocompuestos y los surfactantes catiónicos, utilizados para estabilizar el anión radical

nitro, se realizó un estudio por voltamperometría cíclica en aumentando la concentración

de surfactante, en condiciones alcalinas, donde se determinó que por sobre la CMC, se

produce el cambio de mecanismo en la reducción de los nitrocompuestos.

65 Paola Jara Ulloa

0 -300 -600 -900 -1200 -1500

I II

[CTAB]

s / CTAB

20 μΑ

E / mV (Ag/AgCl) Figura 45. Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Hg de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de CTAB, 100% Tampón Fosfato, pH 8.4. En la figura 45, se muestran voltamperogramas cíclicos a partir de una solución de trabajo

en ausencia de surfactante, cuando la concentración de CTAB alcanza un valor de 3x10-5

M (<CMC). Este provoca la deformación del voltamperograma obtenido inicialmente, la

cual es progresiva, hasta llegar al completo desdoblamiento de la señal.

-5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.016

18

20

22

24

26

i / μΑ

Log [CTAB]

señal I señal II

-5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0

-1000

-900

-800

Log [CTAB]

señal I señal II

E /

mV

(Ag/

AgC

l)

Figura 46. Dependencia de la intensidad de corriente (A) y el Ep,c (B) con la concentración de CTAB, 4-NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4.

A B

66 Paola Jara Ulloa

La intensidad de la corriente de reducción de la señal original (Figura 46A),

disminuyó bruscamente cerca de 1x10-4M de CTAB. A concentraciones mayores de CTAB

la disminución de la corriente no fue tan marcada. Con respecto al potencial de

reducción, este permaneció prácticamente constante con el aumento de CTAB en el

medio. (Figura 46B)

(A)-300 -400 -500 -600 -700 -800 -900

20 μΑ

E / mV (Ag/AgCl)

-5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.57.5

10.0

12.5

15.0

45

50

i / μΑ

Log[CTAB]

ip,c ip,a

-5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5

-800

-700

-200

-100

E /

mV

(Ag/

AgC

l)

Log[CTAB]

Ep,c Ep,a ΔEp

Figura 47. Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Pt de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de CTAB (A). Dependencia de la intensidad de corriente (B) y Ep,c (C) con la concentración de CTAB, 4-NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4.

Cuando se utilizó un electrodo de disco de platino, el resultado fue bastante

distinto, como se aprecia en la figura 47. La morfología del voltamperograma permaneció

inalterada tras el aumento de la concentración de CTAB en el medio, del mismo modo, no

se observaron cambios en la intensidad de corriente, ni en el valor de potencial de

reducción.

B C

67 Paola Jara Ulloa

0 -400 -800 -1200 -1600

I II

[Hyamina]

s / Hyamina

20 μΑ

E / mV (Ag/AgCl)

Figura 48. Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Hg de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de Hyamina, Tampón Fosfato, pH 8.4.

Un comportamiento distinto, quedó en evidencia cuando el surfactante utilizado fue

Hyamina. En la figura 48, es posible observar claramente que luego de la primera adición

del surfactante al medio, cambia inmediatamente la forma del voltamperograma de

reducción del nitrocompuesto antes observada, provocando el desdoblamiento de la

señal. Tanto las intensidades de corriente, como los valores de potencial de reducción

permanecieron prácticamente constantes (Figura 49).

68 Paola Jara Ulloa

-5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.514

15

16

17

18

19

20

21

i / μΑ

Log[Hyamina]

señal I señal II

-5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5

-1100

-1000

-900

-800

E /

mV

(Ag/

AgC

l)Log[Hyamina]

señal I señal II

Figura 49. Dependencia de la intensidad de corriente y el Ep,c con la concentración de Hyamina, 4-NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4.

La concentración de Hyamina en la solución de trabajo tras la primera adición, fue

de 1x10-5M, valor bajo la concentración micelar crítica encontrada para este surfactante.

Por lo tanto a esa concentración de Hyamina no hay micelas aún formadas.

Al igual que con CTAB, cuando se utilizó un electrodo de disco de platino, al

aumentar la concentración de Hyamina, los voltamperogramas permanecieron inalterados

(figura 50), y no se observaron cambios en la intensidad de corriente, ni en el valor de

potencial de reducción.

A B

69 Paola Jara Ulloa

0 -200 -400 -600 -800 -1000

A

[Hyamina]

s / Hyamina

40 μA

E / mV (Ag/AgCl)

-5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.55

10

15

40

45

i / μΑ

Log [ Hyamina]

ip,c ip,a

-5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5

-0.8

-0.7

-0.2

-0.1

Ep

/ V

Log[Hyamina]

Ep,c Ep,a ΔEp

Figura 50. Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Pt de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de Hyamina (A). Dependencia de la intensidad de corriente (B) y Ep,c (C) con la concentración de CTAB, 4-NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4.

De estos resultados se puede concluir que cuando se utiliza un electrodo de

mercurio como electrodo de trabajo, no es necesaria la presencia de agregados micelares

para que ocurra la generación y estabilización del anión radical nitro en solución. Debido a

que el desdoblamiento de la señal de reducción se obtiene a concentraciones de

surfactante menores a la CMC de cada uno de ellos, dando cuenta que nuestro

compuesto es estabilizado por las cadenas alifáticas de los surfactantes utilizados. La

B C

70 Paola Jara Ulloa

figura 51 muestra las estructuras de los surfactantes catiónicos CTAB y Hyamina.

BrN+

CH3

CH3

CH3

A

N+

CH3

CH3

OO

CH3 CH3CH3

CH3CH3 Cl

B

Figura 51. Estructuras de los surfactantes catiónicos Bromuro de cetiltrimetilamonio, CTAB (A) y Hyamina (B), utilizados para el estudio voltamperométrico de 4-NimMeOH.

Debido a lo anteriormente expuesto, se propuso repetir el estudio

voltamperométrico con un compuesto que presentara una cabeza de amonio cuaternaria y

una cadena alifática corta, Bromuro de 2-bromoetil trimetilamonio (BrETAB). La figura 52

muestra los voltamperogramas cíclicos obtenidos para 4-NimMeOH en aumento de la

concentración de BrETAB.

0 -200 -400 -600 -800 -1000

4 μA

E / mV (Ag/AgCl) Figura 52. Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Hg de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de BrETAB, 100% Tampón Fosfato, pH 8.4.

 

BrN+

CH3

CH3

CH3Br

71 Paola Jara Ulloa

Es posible observar que los voltamperogramas obtenidos en presencia de

concentraciones crecientes de BrETAB, permanecen prácticamente inalterados en cuanto

a su morfolgía (Figura 52), esto se confirma al analizar las gráficas de ip,c y Ep,c vs la

concentración de BrETAB (Figura 53).

0,0 5,0x10-3 1,0x10-2 1,5x10-2 2,0x10-20

3

6

9

12

15

i / μ

A

[BrETAB] / M

ip,c

0,0 5,0x10-3 1,0x10-2 1,5x10-2 2,0x10-2

-570

-600

-630

-660

-690

-720

-750

E /

mV

(Ag/

AgC

l)

[BrETAB] / M

Ep,c

Figura 53. Dependencia de la intensidad de corriente (A) y el Ep,c (B) con la concentración de BrETAB, 4-NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4.

De este modo se demostró que la interacción del compuesto en estudio (4-

NimMeOH) es con las cadenas alifáticas de los surfactantes empleados y no con los

agregados micelares.

Además, se descarta que el cambio en el mecanismo de reducción se deba a un

fenómeno de adsorción de surfactantes sobre la superficie del electrodo de mercurio, ya

que el BrETAB presenta la misma cabeza de amonio que CTAB y Hyamina. Sin

embargo, no se observa el fenómeno de desdoblamiento de la señal de reducción del

derivado nitroimidazólico.

A B

72 Paola Jara Ulloa

5,3,2.- Dispersión de luz

Se utilizó la técnica de Light scattering (Fig.54), para verificar la presencia de

micelas a las concentraciones utilizadas en las experiencias electroquímicas, debido a

que la formación de micelas se puede ver alterada por la presencia de otros compuestos

en solución. En la Tabla 7, se indican los tamaños obtenidos por triplicado para distintas

soluciones de surfactante CTAB.

CTAB tamaño/nm

10 mM en Agua 2.3 2.6 2.5 2.5 ± 0.15

10 mM en tampón BR pH 8.4 5.1 6.3 4.2 5.2 ± 0.8

10 mM + 4-NimMeOH en tampón BR pH 8.4 4.8 5.2 4.9 5.1 ± 0.6

0.03 M + 4-NimMeOH en tampón BR pH 8.4 5.1 4.8 4.8 5.0 ± 0.5 Tabla 7. Tamaño de micelas observado por Light Scattering para el surfactante catiónico CTAB.

El tamaño del agregado micelar de CTAB observado en agua fue menor en

comparación al observado en tampón, una vez formada la micela en tampón BR, el

tamaño de esta es independiente de la concentración de CTAB del medio y del 4-

NimMeOH presente en la solución de trabajo.

Del mismo modo, las micelas de Hyamina tienen un tamaño menor que las de

CTAB, y tampoco presentan un cambio en su tamaño tras la adición del nitrocompuesto.

(Tabla 8)

Hyamina tamaño/nm

10 mM en tampón BR pH 8.4 4.1 4.2 4.1 4.13 ± 0.04

10 mM+4-NimMeOH en tampón BR pH 8.4 4.3 4.2 4.2 4.18 ± 0.06 Tabla 8. Tamaño de micelas observado por Light Scattering para el surfactante catiónico Hyamina.

73 Paola Jara Ulloa

0 20 40 60 80

0

10

20

30

40

Análisis de pico por volumen Pico área Promedio 1 100 5.2

% e

n ab

unda

ncia

Diámetro / nm Figura 54. Distribución de tamaño obtenida por light scattering para CTAB.

5,3,3.- Espectrofotometría UV-Visible Se realizaron espectros de absorción para el 4-NimMeOH, en ausencia y

presencia de concentraciones crecientes de surfactante en el medio, como muestra la

figura 55. El espectro de absorción permaneció inalterado en cuanto a la longitud de onda

máxima y el valor de absorbancia registrado para el compuesto en ausencia de

surfactante.

[CTAB]

Figura 55. Espectros de absorbancia de 4-NimMeOH en aumento de la concentración de CTAB.

200 300 400 500 600

λ/ nm

74 Paola Jara Ulloa

De este resultado podemos decir que, de existir la solubilización del

nitrocompuesto al interior de la micela, los espectros de absorbancia no dan cuenta de

este fenómeno, o bien el nitrocompuesto es insensible al cambio de polaridad del medio.

Por ello se decidió trabajar con una serie de solventes de distintas polaridades y

ver de que manera se comportaba el 4-NimMeOH.

≠ Solventes → ≠ λ max

Figura 56. Espectros de absorbancia de 4-NimMeOH en diferentes solventes.

Solvente λ / nm

2ButOH 292

Benceno 296

THF 304

Tolueno 295

Et-glicol 302

2PropOH 299

CH3CH2Cl2 303

CH2Cl2 301

CHCl3 294

ACN 301

EtOH 296

200 250 300 350 400

λ/nm

75 Paola Jara Ulloa

Tabla 9. Solvente utilizado y λmáx observado para 4-NimMeOH.

Al repetir los espectros de UV-Visible (Figura 56), utilizando distintos solventes

(tabla 9), se observa que existe un desplazamiento del valor de λmáx, demostrando que el

4-NimMeOH es sensible a la polaridad del medio, y que si el compuesto se encuentra en

el core de la micela, necesariamente se observaría un desplazamiento en la λmáx.

Dado que este fenómeno no ocurre, se tiene que la estabilización del anión radical

nitro no se produce por la solubilización de los compuestos en el interior apolar de la

micela, sino por una interacción electrostática con los monómeros de surfactante.

Tampón 307

76 Paola Jara Ulloa

5,4.- Interacción del RNO2• con endobióticos y xenobióticos

Una vez interpretado el fenómeno de estabilización del RNO2•, se evaluó la

capacidad de interacción del anión radical nitro generado a partir del 4-NimMeOH con los

endobióticos Glutation y Adenina, y el xenobiótico N-acetil cisteína.(Figura 57)

N-acetil cisteína Adenina

Glutatión

Figura 57. Compuestos utilizados para el estudio de interacción con RNO2•.

En cada experimento se varió la concentración de endo/xenobiótico entre 0 y 6

mM. Se prepararon soluciones blanco para cada una de los endo/xenobióticos en la

máxima concentración utilizada. Posteriormente se realizaron los barridos

voltamperométricos correspondientes, para descartar una posible interferencia en el rango

de potenciales estudiados.

Luego, mediante voltamperometría cíclica se generó el anión radical nitro (Figura

58) y se estudió la interacción con las moléculas Glutatión, Adenina, y N-acetil cisteína en

una solución de CTAB 15 mM, en tampón Britton Robinson 0.1M a pH 8.4. Los valores de

razón de corriente, Ip,a/Ip,c, del par redox RNO2/RNO2● fueron determinados para cada

voltamperograma. La velocidad de barrido utilizada para estudiar la interacción frente a

los tres compuestos fue 5000 mV/s.

N

N

N

N

N H

HH

OH NN

OH

NH2

SH

H

OOO

O

H

NSH OH

O

HO

CH3

77 Paola Jara Ulloa

-500 -600 -700 -800 -900

-10

-5

0

5

10

15

20A

i / μ

A

E / mV (Ag/AgCl)-0.4 0.0 0.4 0.8 1.2

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0B

i p,a/

i p,c

Log ν

ip,a/ip,c

Figura 58. A: Voltamperogramas cíclicos de 1 mM de 4-NimMeOH en tampón Britton Robinson 0.1 M, 15 mM de CTAB, pH 8.4 a diferentes velocidades de barrido (100 – 10000 mV). B: Dependencia de la razón de corrientes (ip,a/ip,c) con el logaritmo de la velocidad de barrido.

-500 -600 -700 -800 -900

-4

0

4

8

12

N-Acetilcisteína

i / μ

A

E / mV (Ag/AgCl)

-500 -600 -700 -800 -900-4

0

4

8

12

Glutation

i / μ

A

E / mV ( Ag/ AgCl) -500 -600 -700 -800 -900 -1000

-4

0

4

8

12

Adenina

i / μ

A

E / mV (Ag/AgCl) Figura 59. Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH 1 mM en tampón Britton Robinson 0.1 M, 15 mM de CTAB, pH 8.4 en presencia de diferentes concentraciones de endo/xenobióticos desde 0-6mM.

78 Paola Jara Ulloa

La razón de corrientes ip,a/ip,c refleja la tendencia de una especie

electroquímicamente generada, para dar reacciones químicas posteriores como podría

ser la interacción con endo/xenobióticos presentes en solución. En la figura 59 se

muestran los voltamperogramas cíclicos del par redox RNO2/RNO2● en presencia de

diferentes concentraciones de N-acetilcisteina, glutatión y adenina. De existir interacción,

se debería observar después de la adición de los compuestos, una disminución de la

corriente de pico anódico, correspondiente a la oxidación de RNO2● (regeneración de

RNO2) evidenciando que los compuestos reaccionan con el RNO2●.

En la figura 60, se muestran las razones de corriente ip,a/ip,c, estas son graficadas

en función de la concentración de los endo/xenobióticos. Se puede concluir de este

gráfico, que existe una interacción leve entre el anión radical nitro electroquímicamente

generado y los compuestos, lo cual se evidencia por la disminución de las razones de

corriente ip,a/ip,c a medida que aumenta la concentración de estos.

0 1 2 3 4 5 60.80

0.85

0.90

ip,a

/ ip

,c

[endo/xeno] / mM

N-acetil cisteina Glutation Adenina

Figura 60. Razón de corrientes ipa/ipc del par redox RNO2/RNO2

• en presencia de diferentes concentraciones de endo/xenobióticos. Concentración de 4-NimMeOH 1mM en tampón Britton Robinson 0.1 M, 15 mM CTAB, pH 8.4. Velocidad de barrido: 5000 mV s-1.

En términos cuantitativos N-acetilcisteina y glutatión disminuyeron la razón de

corrientes en un 5% y 7% respectivamente cuando la concentración presente en solución

fue de 6 mM.

79 Paola Jara Ulloa

5,5.- Reducción de derivados 4-nitroimidazolicos sobre GCE modificados con NTCs.69

5,5,1.- Voltamperometría cíclica

En trabajos previos, se estudió la reducción de derivados del 4-nitroimidazol en

medio acuoso, no acuoso y mixto sobre electrodo de Hg70, sin embargo no se han

encontrado publicaciones que describan el comportamiento de estos nitrocompuestos

sobre electrodos de carbono vítreo (GCE).

En la figura 61 se muestra el voltamperograma cíclico sobre GCE para 4-

NimMeOH en medio acuoso, la reducción de este compuesto ocurrió de manera similar a

lo reportado sobre Hg. Se observó una única señal irreversible en medio acuoso. Esta

señal fue atribuida a la reducción vía cuatro electrones del grupo nitro para dar el derivado

hidroxilamínico, mecanismo global conocido y aceptado (Ec.17) para la electro-reducción

de nitrocompuestos aromáticos y heterocíclicos.

0 -200 -400 -600 -800-2

0

2

4

6

8 GCE1.18 x 10-4M

i / μ

A

E / mV (Ag/AgCl)

Figura 61. Voltamperograma cíclico de 4-NimMeOH 1.18×10-4 M sobre GCE, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido:100 mVs-1

La utilización de nanotubos de carbono (NTC) como modificantes de superficies de

electrodo ha sido objeto de diversas investigaciones, debido a las propiedades eléctricas,

químicas, mecánicas y estructurales51 que presenta. Además, se ha demostrado que los

80 Paola Jara Ulloa

electrodos modificados con NTC muestran atractivas propiedades electroquímicas y que

producen un efecto electrocatalítico71. Existen algunos trabajos publicados donde se

reporta el uso de NTC sobre nitrocompuestos. Por ejemplo, métodos electroquímicos

simples y sensibles han sido aplicados para la determinación de metronidazol y

cloramfenicol sobre electrodo de carbón vítreo modificado con NTC72,73

Recientemente se estudió la reducción de nitrobenceno sobre un electrodo de carbono

pirolítico modificado con NTC, con el fin de remover este nitrocompuesto desde aguas

contaminadas74

Es por esta razón y considerando las ventajas que ofrece el uso de NTC, como su

elevada conductividad eléctrica, resistencia mecánica y actividad electrocatalítica75, que

se planteó el desarrollo de electrodos de GCE modificados con NTCs (GCE/NTCs) para

evaluar el comportamiento de nuestros nitrocompuestos.

0 -200 -400 -600 -800-40

-20

0

20

40

60

80

5.21 x 10-6M

1.18 x 10-4M

i / μ

A

E / mV (Ag/AgCl)

GCE + NTC 1mg/mL(H2O) GCE + NTC 1mg/mL(DMF) GCE

Figura 62. Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH sobre GCE, GCE/NTCs(H2O) y GCE/NTCs(DMF). Concentración de la dispersión de NTC: 1 mg/mL, tampón, Britton Robinson 0.1 M pH 2 . Velocidad de barrido:100 mV s-1, tpo. de acumulación: 120 s.

81 Paola Jara Ulloa

En la figura 62 se comparan los voltamperogramas de 4-NimMeOH obtenidos

sobre GCE y GCE/NTC con dos agentes dispersantes. Utilizando una solución de 4-

NimMeOH [5.21x10-6M] en tampón Britton Robinson 0.1M a pH 2, no se encontró

respuesta sobre GCE, en cambio se observó una muy buena señal de entre 7 y 13 μA

cuando el electrodo de GCE fue modificado con NTCs usando como dispersante DMF y

H2O respectivamente. Solo cuando la solución de 4-NimMeOH fue bastante más

concentrada ≈ [1×10-4 M] se obtuvo una señal voltamperométrica aceptable sobre GCE.

En todos los casos, se observó sólo una señal de reducción, indicando que bajo estas

condiciones experimentales el mecanismo de reducción permanece inalterado.

Como se muestra en la figura 62, los electrodos modificados exhibieron no tan solo

un aumento en la intensidad de la corriente, sino también un cambio significativo en el

valor de potencial, desplazando la señal hacia valores menos negativos. La disminución

del potencial puede ser atribuida a que la transferencia electrónica se ve favorecida sobre

los NTCs en comparación con GCE sin modificar. Los resultados obtenidos para los

dispersantes empleados se muestran en la tabla 10.

Electrodo -Ep,c / mV

GCE 500

DMF 310

H2O 318

Tabla 10. Valores de potencial de pico catódico de 4-NimMeOH sobre GCE modificado con NTC en dos agentes dispersantes.

El comportamiento electroquímico del 4-NimMeOH sobre esta superficie de

electrodo fue estudiado a través de voltamperometría cíclica aumentando la velocidad de

barrido (Figura 63). Solo una señal de reducción de tipo irreversible fue observada en todo

el rango de velocidades estudiadas. De la relación lineal entre el Log (ip,c) vs Log (v) se

obtuvo un valor de pendiente de 0.58, (inserto Fig.63) indicando un proceso de control

mixto.

82 Paola Jara Ulloa

Con el fin de obtener una mejor repuesta de la señal de reducción del 4-NimMeOH

se estudiaron y optimizaron algunos parámetros, como el agente dispersante de los

NTCs, pH de la solución, concentración de NTCs en la dispersión y tiempo de

acumulación.

0 -200 -400 -600 -800 -1000

-200

-100

0

100

200

300

400

-1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6-4.1

-4.0

-3.9

-3.8

-3.7

-3.6

Log

ip

Log V

20 V/s

250 V/s

i / μ

A

E / mV (Ag/AgCl)

Figura 63. Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH sobre GCE/NTCs(H2O). Concentración de la dispersión de NTC: 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido: 20-250 mVs-1. Inserto: Dependencia de la corriente con la velocidad de barrido.

Los agentes dispersantes utilizados, fueron agua y DMF, observándose que los

GCE modificados con NTCs dispersos en agua presentaban una mayor sensibilidad

dentro de un mismo rango de concentración de 4-NimMeOH (Figura 64). Los valores de

sensibilidad encontrados se presentan en la tabla 11.

83 Paola Jara Ulloa

Electrodo S / μA/μM

GCE 0.01

DMF 1.44

H2O 2.52

Tabla 11. Valores de sensibilidad para dos agentes dispersantes.

Otra condición experimental que se evaluó, fue el pH del medio, como muestra la

figura 71. La mejor respuesta a la variación de la concentración del 4-NimMeOH, se

obtuvo a pH ácido. Los valores encontrados se resumen en la tabla 12

Electrodo H2O1mg S / μA/μM - Ep,c / mV

pH 2 2.52 318

pH 7.2 0.98 660

pH 11 1.89 750

Tabla 12. Valores de sensibilidad para un electrodo GCE modificado con NTC dispersos en agua a distintos pH. Potencial de pico catódico para 4-NimMeOH en las mismas condiciones.

84 Paola Jara Ulloa

0 1 2 3 4 5 6 7 100 150 200 250 3000

2

4

6

8

10

12

[4NimMeOH] / μM

i / μ

A

Agua DMF GCE

Figura 64. Curvas de calibración obtenidas con electrodos modificados con NTCs en distintos agentes dispersantes. [NTCs]: 1 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M pH 2, tiempo de acumulación: 120 s.

0 1 2 3 4 5 60

2

4

6

8

10

12

[4NimMeOH] / μM

i / μ

A

pH

2 7,2 11

Figura 65. Curvas de calibración obtenidas a diferentes pHs Tampón Britton Robinson 0.1M. Concentración de la dispersión de NTCs: 1 mg/mL, tiempo de acumulación: 120 s.

La preparación de un electrodo modificado involucra la dispersión de NTCs para

formar posteriormente una película sobre el GCE. La naturaleza y el espesor de la

película dependerán del solvente usado para preparar la dispersión. Por esta razón se

probó agua y DMF como agentes dispersantes, obteniéndose una intensidad de corriente

ligeramente superior con agua, como se observa en la figura 62.

85 Paola Jara Ulloa

Por otra parte la homogeneidad de la película y el espesor pudieron ser regulados

con la concentración de la dispersión. Los siguientes voltamperogramas (figura 66)

muestran el efecto sobre la señal de reducción de dos concentraciones diferentes de

NTCs.

0 -200 -400 -600 -800

-3

0

3

6

9 GCE GCE + NTC (0.2 mg/mL)

E / mV (Ag/AgCl)

i / μ

A

-60

-30

0

30

60

90

GCE + NTC (4 mg/mL)

i / μA

Figura 66. Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH sobre GCE y GCE/NTCS(H2O). Concentración de la dispersión de NTC: 0.2 y 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2. Velocidad de barrido: 100 mVs-1.

De la figura 66, queda en evidencia que a concentraciones bajas de NTCs (0.2

mg/mL) el GCE no está enteramente recubierto siendo posible observar dos señales

electroquímicas debido a la reducción del 4-NimMeOH sobre GCE/NTC y GCE,

respectivamente.

En la figura 67 se presenta el efecto de concentración de la dispersión de NTCs

sobre la corriente del pico de reducción de 4-NimMeOH. De los resultados encontrados,

se propone que la formación de la película es un proceso progresivo que alcanza un

punto de saturación alrededor de una concentración de dispersión de 4 mg/mL. Por otra

parte, con dispersiones de NTCs más concentradas se producen películas inestables que

aumentan la RSD de la medida. En consecuencia se utilizó una concentración de 4

86 Paola Jara Ulloa

mg/mL de NTCs dispersos en agua de manera de obtener una señal reproducible en el

tiempo.

0 2 4 60

5

10

15

20

25i /

μA

[NTC] / mg/mL Figura 67. Dependencia de la corriente de pico con la concentracion de NTC. [4-NimMeOH]: 3×10-6M, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido: 100 mVs-1, tiempo de acumulación: 420 s.

El aumento considerable de la corriente de pico, es atribuido en parte a la gran

capacidad que tiene el GCE/NTCs para adsorber el nitrocompuesto, esto fue estudiado

registrando la dependencia de la corriente con el tiempo de acumulación del 4-

NimMeOH. La figura 68 muestra el efecto del tiempo de acumulación sobre la corriente de

pico del 4-NimMeOH (5×10-4M) utilizando una concentración de NTCs de 4 mg/mL.

La corriente de pico aumentó considerablemente durante los primeros 300 s

tendiendo a la estabilización, indicando la saturación del GCE/NTC.

Por otra parte, se observó que el valor de potencial de pico no cambió a los

diferentes tiempos de acumulación. Se utilizó para las siguientes experiencias un tiempo

de acumulación superior a los 300s (420s) de modo de obtener una óptima señal de

reducción.

87 Paola Jara Ulloa

-100 -200 -300 -400 -500 -600 -700-10

0

10

20

30

40

50

0 100 200 300 400 500 60010

15

20

25

30

35

40

45

i / μΑ

Accumulation time / s

i / μ

A

E / mV (Ag/AgCl)

Figura 68. Voltamperogramas lineales de 4-NimMeOH sobre electrodo GCE/NTC(H2O) a diferentes tiempos de acumulación. Inserto: dependencia de la corriente de pico con el tiempo de acumulación. [4-NimMeOH] : 5×10-4 M, NTCs(H2O) : 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido: 100 mVs-1

Por otra parte, de acuerdo al mecanismo de reducción de 4-NimMeOH (Ec.17), el

potencial de pico del 4-NimMeOH sería fuertemente dependiente de pH. Para corroborar

esta dependencia, se estudió el comportamiento del potencial de pico a diferentes pHs

entre 2-12. En la figura 69, se muestra el Ep,c vs pH, donde se aprecia una dependencia

lineal del potencial de pico, moviéndose hacia valores más negativos hasta pH cercano a

8.

La pendiente de la zona ácida Ep,c vs pH fue de 65 mV/pH. Una dependencia

similar fue obtenida sobre electrodo de Hg76. De esta similitud, es claro que el

comportamiento electroquímico del 4-NimMeOH siguió el mismo mecanismo global sobre

GCE/NTCS que sobre electrodo de Hg.

Tiempo de acumulación

88 Paola Jara Ulloa

0 2 4 6 8 10 12

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

-Ep

/ V (A

g/A

gCl)

pH Figura 69. Dependencia del potencial de pico con respecto al pH. [4-NimMeOH] : 3×10-6 M, NTCs(H2O): 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2. Velocidad de barrido: 100 mV s-1

La corriente de pico catódico del 4-NimMeOH, varió linealmente con la

concentración de éste. La intensidad máxima de corriente versus la concentración de la

dispersión de NTCs. A pH 2 en tampón Britton-Robinson, a dos diferentes tiempos de

acumulación se muestra en la figura 70, observándose un comportamiento lineal para

ambos tiempos.

Además, si consideramos la pendiente de la gráfica como criterio de sensibilidad,

se observa que un aumento en el tiempo de acumulación de 2 a 7 minutos provoca un

cambio en la sensibilidad de 3.80 a 6.42 μA/μM.

89 Paola Jara Ulloa

0 1 2 3 4 5 6

0

5

10

15

20

25

30

35

6.42 μA / μM

3.80 μA / μMi / μΑ

[4NimMeOH] / μM

4 mg/mL (7 min) 4 mg/mL (2 min)

Figura 70. Curvas de calibración de 4-NimMeOH obtenidas sobre GCE/NTCs(H2O) a dos tiempos de acumulación (2 y 7min). NTCs(H2O) : 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido:100 mVs-1

La repetibilidad de un GCE/NTCs fue evaluada midiendo la respuesta

electroquímica sobre diez mediciones consecutivas. El resultado obtenido fue de 20.12 ±

0.59 μA, con un coeficiente de variación de 2.9%, para una concentración constante de 4-

NimMeOH de 3.6x 10-6M, mostrando una muy buena repetibilidad y estabilidad del film.

Una vez estudiada la repetibilidad del GCE/NTCs, se prepararon independientemente diez

electrodos, dando un coeficiente de variación de 7% entre medidas.

Prosiguiendo, se evaluó el efecto del tipo de NTCs (largos, cortos, oxidados y no

oxidados) sobre la señal de reducción de 4-NimMeBr. Considerando los parámetros

anteriormente utilizados, se modificaron electrodos con una dispersión de 4 mg/mL de

NTC en agua, luego se efectúo un estudio del tiempo de acumulación del 4-NimMeBr vs

la respuesta en intensidad de corriente.

El electrodo modificado con NTCcnox (Fig.71A) exhibió un aumento en la

intensidad de corriente hasta los dos minutos de acumulación, para luego permanecer

constante en un valor aprox. de 10 μA.

90 Paola Jara Ulloa

En el caso de los NTCcox y NTClox (Fig.71B) se observó un aumento sostenido

hasta los 5 y 7 minutos respectivamente, alcanzando valores de corriente entre los 150 y

200 μA a igual concentración de 4-NimMeBr.

1 2 3 4 5 6

4

6

8

10

NTC cnox

i / μ

A

Tiempo de acumulación / min Figura 71. Dependencia de la corriente de pico con el tiempo de acumulación. [4-NimMeBr] : 3×10-6 M, NTCs(H2O) : 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido: 100 mVs-1

Para el caso de los GC modificados con dispersiones de NTC largos no oxidados,

no fue posible realizar este estudio, debido a que una vez introducidos los electrodos

modificados a la solución de trabajo los NTC se desprendieron.

Una vez determinado el tiempo óptimo, se realizaron curvas de calibración con los

electrodos modificados con los diferentes NTC. En la figura 72 se muestran las curvas de

calibración obtenidas para un electrodo GC modificado con 4 mg/mL de NTC largos y

cortos oxidados, dispersos en agua y su comparación con el electrodo GC sin modificar.

0 2 4 6 8 10

0

40

80

120

160

200

240

i / μ

A

Tiempo acumulación / min

4mg / mL NTC Largos Oxidados NTC Cortos Oxidados

A B

91 Paola Jara Ulloa

0 1 2 3 4 5 6 7

0

20

40

60

80

100

120

140

160

i / μ

A

[4NimMeBr] / μM

GCE NTC Lox NTC Cox

Figura 72. Curvas de calibración de 4-NimMeBr obtenidas sobre GCE/NTCs(H2O) a tiempo de acumulación de 7min. NTCs(H2O) : 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido: 100 mVs-1

Todos los electrodos de GC modificados con los distintos NTC mostraron un

aumento de sensibilidad con respecto al GC. Sin embargo la respuesta obtenida con los

NTC oxidados fue sustancialmente mayor en comparación a los no oxidados. En la tabla

13 se presentan los valores de sensibilidad encontrados.

Electrodo S / μA/μM

GCE 0.01

GCE/ NTCcox 5.34

H2O/NTClox 9.76

Tabla 13. Valores de sensibilidad para electrodo de GC modificado con diferentes NTCs.

92 Paola Jara Ulloa

5,5,2. Voltamperometría de Onda Cuadrada

Por otra parte, se repitieron los estudios utilizando Voltamperometría de Onda

Cuadrada (SWV). La figura 73 muestra los voltamperogramas obtenidos variando los

parámetros de frecuencia y amplitud.

-150 -300 -450 -600 -750

A

20 μA

E / mV (Ag/AgCl)

f / Hz 30 50 75 150

-150 -300 -450 -600 -750

B20 μA

E / mV (Ag/AgCl)

5 15 25 35 50

Figura 73. Voltamperogramas de onda cuadrada de [4-NimMeOH]: 3×10-6M obtenidas sobre GCE/NTCs(H2O), (A) variación de frecuencia, (B) variación de amplitud. Tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2, tiempo de acumulación: 420 s.

93 Paola Jara Ulloa

Se construyó una curva de calibración con los parámetros óptimos, una amplitud

de 25 mV y frecuencia 75 Hz, la sensibilidad alcanzó un valor de 23.5 μA/μM.

Se obtuvieron valores para el límite de detección y cuantificación de 1.14x10-7 y 3.8x10-7M

respectivamente. (Figura 74)

Figura 74. Curva de calibración de 4-NimMeOH obtenida sobre GCE/NTCs(H2O), tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2.

0,4 0,8 1,2 1,6 2,05

10

15

20

25

30

35

40

m = 14.2

m = 23.5

i / μ

A

[4NimMeOH] / μM

94 Paola Jara Ulloa

6.- CONCLUSIONES.

• La síntesis y el posterior estudio electroquímico de los derivados del 4-nitroimidazol,

sustituidos en la posición 1 y 2, entregaron importantes resultados en cuanto a la

influencia de los sustituyentes sobre el mecanismo global de reducción.

Dilucidando así, que la sustitución en el nitrógeno 1 del anillo imidazólico es la que

provoca cambios significativos en el potencial de reducción del grupo nitro en todos

los medios de trabajo estudiados.

• La presencia de surfactantes catiónicos en el medio de trabajo, permitió la generación

de un anión radical nitro (RNO2•) lo suficientemente estable para ser detectado en la

escala de tiempo de la técnica de voltamperometría cíclica. Este hallazgo proporciona

una herramienta muy útil para cuantificar la formación, la estabilidad y la reactividad

del anión radical nitro con otras moléculas.

• Al realizar un estudio de solventes por espectrofotometría UV-Visible, se observó que

el λmáx. del 4-NimMeOH fue sensible a la polaridad del medio, sin embargo, no se

observó un desplazamiento en λmáx. en presencia de surfactante, determinándose que

la molécula no ingresa al interior apolar de la micela, por lo tanto no existe reparto.

Además, se propone que la disminución de la corriente y el cambio en el mecanismo

de reducción del derivado nitroimidazólico se debe a algún tipo de interacción del

compuesto con las cadenas alifáticas de las moléculas de monómero del surfactante

y no con la micela.

• Mediante la utilización de electrodos de carbono vítreo modificados con NTCs se

estudió la reducción de derivados del 4-nitroimidazol, los electrodos modificados

revelaron interesantes propiedades electroquímicas, como el aumento de la

intensidad de corriente, la disminución del potencial de reducción y una buena razón

señal/ruido en comparación con el electrodo de carbono vítreo sin modificar.

Los electrodos modificados con NTCs oxidados resultaron ser altamente

reproducibles en mediciones consecutivas, permitiendo la reutilización del electrodo

en este medio.

95 Paola Jara Ulloa

7.- PRESENTACIONES A CONGRESOS El trabajo de investigación de esta tesis ha sido presentado en los siguientes congresos: Internacionales

1. XXII Congreso de la Sociedad Iberoamericana de Electroquímica (SIBAE), 3-7

Abril, La Plata, Argentina (2006). Estabilidad del anión radical nitro en sistemas

heterogéneos: influencia del pH, P. Jara-Ulloa, L. Núñez-Vergara y J.A. Squella.

2. 210th Meeting of the Electrochemical Society, Cancun, México (2006).

“Voltammetric Behaviour of a 4-Nitroimidazole Derivative: Nitro Radical Anion

Formation in Presence of Surfactants” J.A. Squella, P. Jara-Ulloa y L. Núñez-

Vergara.

3. II Iberoamericano y IV Congreso Argentino de Química Analítica, Buenos

Aires, Argentina (2007). Reducción de nitrocompuestos: Evaluación del efecto

electrocatalítico de nanotubos de carbono adsorbidos sobre carbono vítreo. Jara-

Ulloa, P.; Bollo, S.; Squella. J.A.

4. II Iberoamericano y IV Congreso Argentino de Química Analítica, Buenos

Aires, Argentina (2007). Determinación de la CMC de surfactantes catiónicos por

Voltamperometría adsortiva. Jara-Ulloa, P.; Squella, J.A.; Nuñez-Vergara, L.J.;

Bollo, S.

Nacionales 5. XXVI Jornadas Chilenas de Química, Universidad de Concepción. 10 – 13 de

Enero, Concepción, Chile (2006). Efecto de surfactantes sobre la estabilidad del

anión radical nitro generado por voltametría cíclica en medio acuoso. P. Jara-

Ulloa, L. Núñez-Vergara & J.A. Squella.

6. VIII encuentro de Química Analítica y Ambiental, Universidad Arturo Prat, 13 –

16 de Octubre, Iquique, Chile (2006). Determinación de concentraciones micelares

críticas por técnicas electroquímicas, P. Jara-Ulloa, L.J. Núñez-Vergara, J.A.

Squella, S. Bollo.

96 Paola Jara Ulloa

7. XVII Jornadas Chilenas de Química, Chillán, Chile (2007). Estabilización del

anión radical nitro en sistemas organizados: ¿micela y/o monómero? P. Jara-Ulloa,

P.G. Molina, N.M. Correa, M.A. Zón, H. Fernández, L.J. Núñez-Vergara y J.A,

Squella.

8. XXVII Jornadas Chilenas de Química, Chillán, Chile (2007). Estabilidad del anión

radical nitro en sistemas organizados: influencia del sustituyente. P. Jara-Ulloa, L.

Núñez-Vergara y J. A. Squella.

9. XXVII Jornadas Chilenas de Química, Chillán, Chile (2007). Reducción de

nitrocompuestos sobre electrodos de carbono vítreo modificados con nanotubos

de carbono. J.A. Squella, P. Jara-Ulloa, L.J. Núñez-Vergara y S. Bollo.

10. IX encuentro de Química Analítica y Ambiental, Universidad de Concepción, 14

– 17 de Octubre, Concepción, Chile (2008). Electrodos de carbono vítreo

modificados con diferentes tipos de nanotubos de carbono: efecto sobre la

reducción de un derivado nitroimidazólico. P. Jara-Ulloa, J.A. Squella, L.J. Núñez-

Vergara y S.Bollo.

11. II Simposio de Electroquímica, Villa Alemana, 19 – 21 de Noviembre (2008).

Estudio del anión radical nitro en sistemas heterogéneos. P. Jara-Ulloa, L. Núñez-

Vergara y J. A. Squella.

ESTADÍAS DE INVESTIGACIÓN EN EL EXTRANJERO

• Universidad Nacional de Río Cuarto, Córdoba, Argentina. 22 de agosto al 22 de

septiembre de 2006. Laboratorio de Electroquímica, Facultad de Ciencias Exactas,

Físico-Químicas y Naturales.

• Universidad Nacional de Río Cuarto, Córdoba, Argentina. 19 de junio al 24 de

agosto de 2006. Laboratorio de Electroquímica, Facultad de Ciencias Exactas,

Físico-Químicas y Naturales.

97 Paola Jara Ulloa

8.- REFERENCIAS 1)J.H. Boyer, Nitroazoles, VCH Publishers, Inc., Deerfield Beach, FL., 165 (1986)

2) D.I. Edwards. Progress Med. Chem., 18, 87 (1981)

3) D.I. Edwards. J.Antimicrobiol. Chemo ther., 31, 9 (1993)

4) D.I. Edwards. Biochem. Pharmacol., 35, 53 (1986)

5) P.Wardman, Environ Health. Perfect., 64, 309 (1985)

6) M.Muller, Scand. J.Infect. Dis. (Suppl.) 26, 31 (1981)

7) H.Van den Bassche, Nature 273, 626 (1978)

8) D.I. Edwards. J.Antimicrobiol. Chemother., 31, 9 (1993)

9)Hanna-Kirsti S. Leiros, Sigrid Kozielski-Stuhrmann, Ulrike Kapp, Laurent Terradot,

Gordon A. Leonard, and Seán M. McSweeney. J. Biol. Chem., 279, 55840 (2004)

10)W. Bone, N. Jones, G. Kamp, C. Yeung, T Cooper. J. Reprod. Fertility 118, 127 (2000)

11) P. Zuman, Z. Fijalek, J. Electroanal. Chem. 296, 538 (1990)

12)C. Viodé, N. Battache, N. Cenas, L. Krauth-Siegel, G. Chauviere, N. Bakalara, J. Perie;

Biochem. Pharmacol. 57, 549 (1999)

13) R.P. Mason , J.L. Holtzman, Biochem. 16, 14, (1975)

14) N. Ravether, Parasitol. Res. 19, 90 (2003)

15)P.B. Petray, M.J. Morilla, R.S. Corral, E.L. Romero, Mem. Inst. Oswaldo Cruz 233, 99

(2004)

16) G. Elizondo, M.Gonsebatt, A.M. Salazar, I. Lares, P. Santiago, J. Herrera, E. Hong, P.

Ostrosky-Wegman. Mut. Res. 370, 75 (1996)

17) D. Menéndez, E. Rojas, L. Herrera, M. Lopez, M. Sordo, G. Elizondo, P. Ostrosky-

Wegman. Mut. Res. 478, 153 (2001).

18) P. Hrelia, C. Fimognari, F. Maffei, B. Brighenti, L. Garuti, S. Burnelli, G. Cantelli. Mut.

Res. 397, 293 (1998).

19) S. Trinh, G. Reisset. Mut. Res. 398, 55 (1998).

20) M. Lopez-Nigro, A. Gadano, M. Carballo. Toxicology in Vitro 15, 209 (2001).

21) M. D’Auria, F. D’Onofrio, J. Suwinski, K. Swierczek. Tetrahedron. 49 (18) 3899 (1993).

22) J. Suwinski, W. Szczepankiewicz, M. Widel. Archiv. Pharm. (Weinheim). 325, 317

(1992).

23) Y.W. Chien, S.S. Mizuba, J. Med.Chem. 21, 374 (1978)

24) S.A. O¨ zkan, Y. O¨ zkan, Z. Sentu¨rk, J. Pharm. Biomed. Anal. 17, 299 (1998)

25) G.J. Patriarche, J.C. Vire, Anal. Chim. Acta 196, 193 (1987)

98 Paola Jara Ulloa

26) A.Z.A. Zuhri, S. AlKhalil, R.M. Shubietah, I. El-Hroub, J. Pharm. Biomed. Anal. 881, 21

(1999)

27) A.Z.A. Zuhri, S.I. Alkhalil, M.S. Suleiman, Anal. Lett. 453,19 (1986).

28) C. Yarnitzky, W.F. Smith, Int. J. Pharm. 75, 161 (1991)

29) Y. Zhi, J.B. Hu, Z.D. Wu, Q.L. Li, Anal. Lett. 31, 429 (1998)

30) Z. Wang, H. Zhou, S. Zhou, Talanta 40, 1073 (1993)

31) G.O. El-Sayed, Microchem. J. 55, 110 (1997)

32) C. Nishihara, M. Kaise, J. Electroanal. Chem.149, 287 (1983)

33) C. Nishihara, H. Shindo, J. Electroanal. Chem. 221, 245 (1987)

34) J.A. Squella, J. Mosre, M. Blázquez, L.J. Núñez-Vergara, J. Electroanal. Chem. 319,

177(1991)

35) L.J. Núñez -Vergara, S. Bollo, A. Alvarez, M. Blázquez, J.A. Squella, J.Electroanal.

Chem. 345, 121 (1993)

36) Carbajo, S. Bollo, L.J. Núñez -Vergara, P. Navarrete, J.A. Squella, J. Electroanal.

Chem. 494, 69 (2000).

37) J.H. Tocher, D.I. Edwards, Int. J. Radiat. Biol. 57, 45 (1990)

38) J.A. Squella, C. Solabarrieta, L.J. Núñez -Vergara, Chem-Biol.Interact. 89, 197 (1993)

39) J.H. Tocher, D.I. Edwards, Biochem. Pharmacol. 50, 1367(1995)

40) L.J. Núñez -Vergara, M.E. Ortiz, S. Bollo, J.A. Squella, Chem-Biol. Interact. 106, 1

(1997)

41) S.Bollo, L.J.Núñez-Vergara, M. Bontá, G. Chauviere, J.Périé and J.A.Squella. J.

Electroanal. Chem. 511, 46 (2001)

42) L.J.Núñez-Vergara, M. Bontá, P.A.Navarrete-Encina and J.A.Squella. Electrochim.

Acta. 46, 4289 (2001)

43) M.Bontá, G.Chauviere, J. Périé, L.J.Núñez-Vergara and J.A.Squella. Electrochim. Acta

47, 4045 (2002)

44) S.Bollo, L.J.Núñez-Vergara, C.Martinez, G.Chauviere, J. Périé and J.A.Squella.

Electroanalysis. 15 (1) 19 (2003)

45)S. Roffia, C. Gottardi, E. Vianello. J. Electroanal. Chem. 142, 263 (1982)

46) D. Dumanovic, J. Jovanovic, D. Suznjevic, M. Erceg and P. Zuman. Electroanalysis. 4,

889 (1992)

47) J. Carbajo, S. Bollo, L.J. Núñez-Vergara, A. Campero, J.A.Squella. J. Electroanal.

Chem. 531, 187 (2002)

99 Paola Jara Ulloa

48) A.F. Kaifer, A.J. Bard. J. Phys. Chem. 89, 4876 (1985)

49) G. Meyer, L. Nadjo, J:M: Saveant. J. Electroanal. Chem. 136, 353 (1982)

50) G. L. Mcintire, A.M. Chiappardi, R. L. Casselbetty, H.N. Blount. J.Phys. Chem. 86,

2632 (1982)

51) J. Wang, Electroanalysis, 7, 17 (2005)

52) C.E. Banks, T.J. Davies, G.G. Wildgoose, R.G. Compton, Chem. Commun. 7, 829

(2005)

53) M.R. Grimmett, Adv. Heterocyclic Chem. 12,103 (1970)

54) P.C. Jocelyn. J. Chem. Soc. 3305 (1957)

55) J.E. Stambaugh, RW Manthei. J. Chromatog. 31,128 (1967)

56) R.G. Jones. J. Am. Chem. Soc. 71,383 (1949)

57) Y. Shyamsunder Rao, R. Filler. J. Org. Chem. 39, 22:3304(1974)

58) R.S. Nicholson and I. Shain, Anal Chem. 36, 1406 (1964)

59) M.L. Olmstead, R.S. Nicholson, Anal. Chem. 41,862 (1969)

60) M.L. Olmstead, R.G. Hamilton, R.S. Nicholson, Anal. Chem. 41,260 (1969)

61) J. García-Antón and J.L. Guiñon, Colloids and Surfaces, 137, 61 (1991)

62) W.U. Malik and P. Chand, J. Am Che,n. Soc., 285, 46 (1969)

63) W.U. Malik and O.P. Jhamb, J. Am. Oil Ch~m. Soc., 170, 49 (1972)

64) Chengsong Ma, Ganzuo Li, Yongming Xu, Hanqing Wang, Xingfu Ye Colloids and

Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 89, 143 (1998)

65) E. Gonzalez-Romero, M. B. Fernandez-Calvar, C. Bravo-Díaz. Langmuir, 10311, 18 (2002) 66) Sawamoto Hiromiti Reversible and irreversible adsorption of surfactants at a hanging

mercury drop electrode Analytical sciences, 1381, 19 (2003)

67) K. Bennis1, P. Martinet1, D. Schuhmann2 and P. Vanel2 Adsorption of cetyltrimetyl

ammonium at the free surface and at the mercury electrode

68) J. H. Fendler. “Membranes mimetic chemistry”; Wiley, NewYork, Chapter 2. 1982

69) P. Jara-Ulloa, S. Bollo, L. J. Núñez-Vergara, J. A. Squella, Electroanalysis 1470, 20 (2008) 70) C. Yañez, J. Pezoa, M. Rodriguez, L.J. Núñez-Vergara, J.A. Squella, J. Electrochem.

Soc. 152, J46 (2005)

71) C. E. Banks, T. J. Davies, G. G. Wildgoose, R. G. Compton, Chem. Commun. 7, 829.

(2005)

72) S. Lu´, K.. Wu, X. Dang, S. Hu, Talanta, , 63, 653 (2004)

100 Paola Jara Ulloa

73) F. Xiao, F. Zhao, J. Li, R. Yan, J. Yu, B. Zeng, Anal. Chim.Acta 596, 79 (2007)

74) Y-P. Li, H-B. Cao, C-M. Liu, Y. Zhang, J. Hazard. Mater. 148, 158 (2007)

69 C. Bayol-Denisot, J.L. Daval, P. Netter, A. Minn, Biochim.Biophys. Acta, 1497, 115

(2000)

76) P. Jara-Ulloa, L.J. Núñez-Vergara, J.A. Squella Electroanalysis 1490,19 (2007)