revista de la societat catalana de quimica

Revista de la Societat Catalana de

Química

10 / 2011

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

URL: http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ ISSN: 1576-8961 (ed. impr.) ISSN: 2013-9853 (ed. electr.)

C

M

Y

CM

MY

CY

CMY

K

Portada SCQ 10-2011_llom 7mm.pdf 1 03/10/12 09:03

Revista de la

Societat Catalana de Química Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

10 / 2011

http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ REVISTA ANUAL ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica)

SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 1

Societat Catalana de QuímicaFilial de l’Institut d’Estudis Catalans

President: Romà TaulerSecretari: Xavier TomàsTresorera: Pilar SalagreVocals: Pere Alemany

Carles BoJosep BonjochAureli CaamañoJoan CabréRamon EritjaJordi GarciaJosefina GuitartJordi LlorcaJoan Carles ReyAnna RoglansRamon SayósPau Serra

Delegat de l'IEC: Àngel Messeguer

Revista de la Societat Catalanade Química

Director: Romà Tauler (CSIC)Consell Editorial: Jaume Farràs (UB) i Jordi Garcia (UB) Revisió lingüística: Miquel Aguilar

© dels autors dels articlesEditat per la Societat Catalana de Química,filial de l’Institut d’Estudis CatalansCarrer del Carme, 47. 08001 BarcelonaTelèfon: +34 935 529 106Fax: +34 932 701 180A. e.: [email protected]

REVISTA ANUALISSN: 2013-9853 (ed. electrònica)ISSN: 1576-8961 (ed. impresa)Dipòsit Legal: B-40.794-2000

Caràcter de la revista

La REVISTA DE LA SOCIETAT CATALANA DE QUÍMICA, adreçada al col·lectiu de químics i

estudiants avançats de grau i màster, publica articles de divulgació de quími-

ca i ciències frontereres. Alhora, també pot incloure seccions i apartats sobre

història, docència, Internet, documentació, actualitat, reflexions... En general,

els articles que es publiquen a la revista són per invitació expressa del Comitè

Editorial, que, en general, s'adrecen a conferenciants en actes de la Societat i

a persones premiades en les diverses convocatòries públiques (Premis de Re-

cerca, Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans...).

No obstant això, les persones interessades a publicar-hi un treball ho hauran

de fer saber al Comitè Editorial, tot indicant-ne el contingut i la llargada

aproximada, i aquest en valorarà l’adequació a la línia editorial de la revista.

Poden ser articles de treball de recerca originals o de revisió. Cal tenir present

que els lectors de la revista poden ser químics de qualsevol especialitat i per

això es demana als autors que facin un especial esforç a fi de facilitar la com-

prensió dels seus treballs.

Normes de publicació

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

vista:

http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Aquesta obra està subjecta —llevat que s'indiqui el contrari en el text, en les

fotografies o en altres il·lustracions— a una llicència Reconeixement - No co-

mercial - Sense obres derivades 3.0 Espanya de Creative Commons, el text

complet de la qual es pot consultar a http://creativecommons.org/licenses/

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

Així, doncs, s'autoritza al públic en general a reproduir, distribuir i comunicar

l'obra sempre que se'n reconegui l'autoria i l'entitat que la publica i no se'n

faci un ús comercial ni cap obra derivada.

2

SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 2

Editorial p. 5

Nanopartículas de metales de transición en síntesis orgánica p. 7per Miguel Yus

L’edat del bor: reacció de b-boració catalítica p. 15per Amadeu Bonet, Manuel Soriano, Cristina Pubill-Ulldemolins, Cristina Solé, Jessica Cid, Henrik Gulyas i Elena Fernández

Funcionalització d’o-carborans iodats per obtenir estructures dendrimèriques útils en aplicacions mèdiques p. 22per Ariadna Pepiol, Albert Vaca, Clara Viñas i Francesc Teixidor

Nous dendrímers quirals multifuncionals p. 28per Raquel Gutiérrez, Ona Illa i Rosa Maria Ortuño

Resolució multivariant en química: a la recerca de la bella simplicitat de la mesura p. 35per Anna de Juan, Joaquim Jaumot, Raimundo Gargallo i Romà Tauler

Metodologies analítiques basades en l’espectrometria de masses per a l’anàlisi de fàrmacs veterinaris p. 48per Anna Martínez

La informació física no específica: el bestseller de la quimiometria p. 55per Michele Forina, Monica Casale i Paolo Oliveri

Estratègies d’anàlisi de dades en quimiometria: selecció versus compressió p. 63per Alberto Ferrer

Del clor a les dioxines passant per James E. Lovelock i el detector de captura d’electrons p. 71per Miquel Gassiot, Jordi Díaz, Francesc Broto i Lluís Comellas

Interacció entre filtres solars p. 86per Mireia Marín, Virginie Lhiaubet-Vallet, Òscar Jiménez, Olga Gorchs, Carles Trullas i Miguel Ángel Miranda

Interaccions anió-p en sistemes biològics p. 94per Carolina Estarellas

Síntesi i caracterització dels materials multiferroics BiFeO3, La: BiFeO3 i Sr: BiFeO3 p. 102per Xavier Vendrell i Lourdes Mestres

3

Sumari

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 3 ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa)Filial de l’Institut d’Estudis Catalans http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 3

SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 4

Després d’un llarg període d’espera, la So-cietat Catalana de Química us pre senta elnúmero 10 de la seva revista a les acaba-lles del 2011. En aquest número, trobareuarticles recollits durant el bienni 2010-2011. Aquesta edició s’ha fet, primer, enformat electrònic, per passar a principi del

2012 a paper. A més, a ningú no se li escapa que la sortidad’aquest número coincideix amb el final de l’Any Internacio-nal de la Química. Podem considerar, doncs, aquest númerocom l’últim fruit d’un any, el 2011, que ha estat molt especial iactiu per a la Societat Catalana de Química, ja que ha promo-gut i ha donat suport a un bon nombre d’activitats relaciona-des amb aquesta celebració.

L’edició d’aquest nou exemplar s’ha fet amb una voluntat re-novadora. Diferents circumstàncies tècniques i humanes ha-vien provocat l’endarreriment del seu naixement, tot i l’inte-rès, tant de la Junta anterior com de l’actual, que el períoded’espera fos el més curt possible. En aquesta nova etapa, Jau-me Farràs i Jordi Garcia, de la Universitat de Barcelona, tenenl’encàrrec de la nova Junta, constituïda a principi del curs2011-2012, de normalitzar la publicació amb una periodicitatanual de la nostra revista i mirar de fer més dinàmica la sevaedició. Amb les eines editorials disponibles a l’Institut d’Estu-dis Catalans, intentarem, a partir del proper número i en lamesura del que sigui possible, bastir una estructura d’ediciómés semblant a les revistes científiques convencionals. Aixòsí, sense perdre l’estil rigorós i el tarannà català i proper delsnúmeros anteriors. No cal dir, no obstant això, que la nostrarevista sempre ha estat i també ara és patrimoni de tots elssocis, a banda que els comentaris i els suggeriments que pu-gueu fer tindran una molt bona acollida per part de l’equipeditorial.

Així, doncs, tot mantenint l’esperit dels anteriors números,però amb un format més funcional, us fem a mans el númerodel 2011. Podreu llegir-hi una dotzena d’articles que han anatarribant a la Societat sobretot al llarg del 2010. L’aspecte for-mal d’aquests treballs, si els compareu amb els de númerosanteriors, és un xic diferent. Hem incorporat totes les exigèn-cies necessàries perquè els materials publicats compleixin elsrequisits editorials més exigents i puguin ser indexats segonsels estàndards establerts per a revistes científiques. Així, veu-reu que incorporem capçaleres a totes les pàgines amb les da-des bibliogràfiques de la revista i l’article, l’adreça, el telèfon,

el fax i l’adreça electrònica de l’autor de referència en cadaarticle, així com una foto dels autors que així ho desitgin, alcostat d’un breu resum biogràfic. També hi apareixen paraulesclau i keywords, a més dels resums en català i en anglès queja eren en números anteriors.

El primer article del volum d’enguany reflecteix la base de laconferència del professor Miguel Yus sobre l’ús de nanopartí-cules metàl·liques en síntesi orgànica, impartida pel gener de2010 a la Universitat Autònoma de Barcelona, amb motiu de la XV Conferència Fèlix Serratosa. També trobareu dife-rents conferències del IX Memorial Enric Casassas, que, sobreel tema «La quimiometria: perspectives de futur», va tenir lloca l’Institut Químic de Sarrià (IQS) pel desembre de 2009. Així,la conferència inaugural, a càrrec del professor Michele Fori-na, de la Universitat de Gènova, ha estat posada negre sobreblanc i traduïda al català per l’amic Xavier Tomàs en formad’un article molt interessant i entenedor. De la mateixa troba-da també recollim les conferències del professor Alberto Fer-rer, de la Universitat Politècnica de València, i la doctora Annade Juan, de la Universitat de Barcelona, que tracten d’altresaspectes de la quimiometria. La nostra intenció és continuaren la mateixa línia i recollint en el futur les xerrades més re-presentatives d’aquests memorials, ben consolidats i repre-sentatius de la química orgànica i analítica.

També trobareu un article del professor Miquel Gassiot icol·laboradors sobre les tècniques cromatogràfiques ques’empren en la detecció i la quantificació d’alguns contami-nants clorats, i com això ha estat aplicat a la detecció de dio-xines en diferents formatges de tipus mozzarella.

Però la part més extensa del present número està formada perdiferents articles escrits pels joves premiats per les seves pre-sentacions en els diferents simposis de la Sisena Trobada deJoves Investigadors dels Països Catalans (València, 1-2 de fe-brer de 2010). Així, Amadeu Bonet, de la Universitat Rovira iVirgili, ens introdueix en alguns aspectes de la química delbor; Ariadna Pepiol, de l’Institut de Ciències de Materials deBarcelona, ens parla del treball del seu grup en dendrímers decarboborans iodats i la seva utilitat com a agents anticance-rosos mitjançant la tècnica BNCT (boron neutron capture the-rapy); el treball de la Raquel Gutiérrez, del grup de la profes-sora Ortuño a la Universitat Autònoma de Barcelona, tractatambé d’estructures dendrimèriques, però, en aquest cas, encompostos orgànics que presenten un nucli de ciclobutà. La

5

Editorial

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 5-6 ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa)Filial de l’Institut d’Estudis Catalans http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 5

guanyadora del simposi «Metodologia analítica», Anna Martí-nez, presenta un treball sobre l’ús de l’espectrometria de mas-ses en l’anàlisi de fàrmacs veterinaris que s’ha desenvolupat alseu grup de recerca de la Universitat de Barcelona. Per la sevabanda, Mireia Marín ha transformat la seva comunicació delsimposi «Medi ambient i qualitat de vida» en un entenedor re-lat sobre la problemàtica de combinar dos filtres UV en elsprotectors solars i el treball realitzat al seu grup de l’Institutde Tecnologia Química de València sobre la interacció de l’a-vobenzona amb altres filtres. El treball següent pertany alsimposi «Teoria i modelatge». La seva autora, Carolina Estare-llas, de la Universitat de les Illes Balears, ens explica la impor-tància de les interaccions anió-sistemes p en química macro-molecular i, en particular, en alguns sistemes biològics.L’estudi d’aquesta interacció no covalent, avui ben acceptadaper la comunitat científica, s’aborda al seu grup de maneraexperimental i teòrica.

El treball que tanca el present volum arriba de la Universitatde Barcelona i va ser presentat en forma de comunicació alsimposi «Materials i química de l’estat sòlid». En la lectura del’article, Xavier Vendrell ens explica l’obtenció, l’estructura i

les possibles aplicacions de diferents òxids de bismut i ferroamb propietats magnètiques i elèctriques. L’estudi d’aquestsmaterials multiferroics és actualment un camp molt actiu derecerca.

Aquest editorial no podria finalitzar sense fer una renovadacrida a la participació a la Revista de la Societat Catalana deQuímica. A la pàgina web de la revista trobareu properamentles normes de publicació i una plantilla. Els editors estaremencantats d’esvair qualsevol dubte, aplanar camins i encorat-jar els indecisos per tal que la nostra revista gaudeixi enaquesta nova etapa d’una vida plena.

Els editors,

Dr. Jaume FarràsUniversitat de BarcelonaA. e.: [email protected]

Dr. Jordi GarciaUniversitat de BarcelonaA. e.: [email protected]

6

SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 6

Introducción

La nanociencia se dedica al estudio (prepa ración,caracterización y aplicaciones) de los materialesorgánicos e inorgánicos a escala nanométrica (en-tre 1 y 100 nm).1 Un aspecto importante de estecampo de la ciencia, desde el punto de vista apli-cativo, se refiere al uso de nanopartículas de me-tales de transición en procesos catalíticos, tanto

en condiciones homogéneas como, y sobre todo, heterogéneas.Un tipo especial de nanopartículas son las compuestas por áto-mos de metales en estado cero de oxidación, es decir, nanopartí-culas metálicas,2 cuya preparación se realiza normalmente porreducción de las correspondientes sales anhidras. Los métodosde reducción más empleados a tal fin implican el uso de hidrurosmetálicos en un disolvente inerte3 y necesitan de un agente es-tabilizante que evite la agregación de las nanopartículas.4

Por otra parte, en los últimos años, en nuestro grupo de investi-gación se ha estado investigando en el uso de un nuevo método

de litiación altamente efectivo en distintos procesos que permi-ten generar compuestos organo líticos muy inestables en condi-ciones de reacción muy suaves. Esta metodología consiste en eluso de litio en polvo y una cantidad catalítica de un areno, sien-do naftaleno y 4,4’-di-terc-butilbifenilo (DTBB) los mas común-mente empleados.5 A través de esta sencilla tecnología, se hanconseguido realizar nuevas reacciones con interés sintético comoson: a) preparación de compuestos organolíticos a partir desustratos no halogenados (éteres, tioéters, sulfóxidos, sulfonas,alcoholes, sulfonatos, sulfonamidas, carbonatos, carbamatos yureas);6 b) preparación de compuestos organolíticos funcionali-zados7 por intercambio cloro/litio, azufre-litio8 o vía una aper-tura reductiva de compuestos heterocíclicos;9 c) generación desintones dilitiados,10 y activación de metales.11 Estos procesos noson en general posibles usando otras formas de litio,12 incluidala litiación promovida por un areno en cantidades estequiomé-tricas,13 lo que puede ser fácilmente explicado por la participa-ción de una dianión derivado del areno en la versión catalítica,14

en lugar del correspondiente anión radical ampliamente acepta-do como intermedio en la versión estequiométrica.15

En este artículo se expondrán resultados recientes en la gene-ración y aplicaciones en química orgánica de nanopartículasde níquel, cobre y hierro, preparadas a través de la litiacióncatalizada por un areno, comentada anteriormente.

7

Nanopartículas de metales de transición en síntesis orgánica Transition metals nanoparticles in organic synthesisMiguel YusUniversidad de Alicante. Facultad de Ciencias. Departamento de Química Orgánica e Instituto de Síntesis Orgánica (ISO)

XV Conferencia Fèlix Serratosa (Bellaterra, Barcelona,18 de enero de 2010)

Resumen. La reducción de cloruro de níquel(II) dihidratado con litio y una cantidad catalítica (5-10 %) de naftaleno o DTBBconduce a la formación de nanopartículas de níquel metálico altamente reactivas, que se han usado para la reducción de dife-rentes funcionalidades (olefinas, acetilenos, derivados halogenados, sulfonatos, compuestos aromáticos, derivados carbonílicosy sus iminas y otros compuestos aromáticos) y para reacciones de creación de enlaces carbono-carbono (homoacoplamientos,alquilación de cetonas y reacciones tipo Wittig y aza-Wittig). Usando el mismo procedimiento, se han preparado también na-nopartículas de cobre y hierro, que se han mostrado muy activas en procesos de reducción (deshalogenación, desulfonilacióny reducción de compuestos carbonílicos e iminas) y química click.

Palabras clave: Nanopartículas, reducción, formación enlaces C-C, química click, cobre, níquel, hierro.

Abstract. The reduction of nickel chloride(II) dihydrate with lithium and a catalytic amount (5-10 %) of naphthalene or DTBBleads to the formation of highly reactive metallic nickel nanoparticles, which have been used for the reduction of differentfunctionalities (olefins, acetylenes, halogenated derivatives sulfonates, aromatic compounds, carbonyl derivatives and imines,and other aromatic compounds) and for reactions generating carbon-carbon bonds (homocouplings, ketone alkylations, andWittig-type and aza-Wittig reactions). The same procedure was also applied to prepare nanoparticles of copper and iron,which have proved to be very active in reduction processes (dehalogenation, desulfonylation, and reduction of carbonyl com-pounds and imines) and «click» chemistry.

Keywords: Nanoparticles, reduction, C-C bond formation, click chemistry, copper, nickel, iron.

Correspondencia:Miguel Yus. Universidad de Alicante. Facultad de Ciencias. Departa-mento de Química Orgánica e Instituto de Síntesis Orgánica (ISO)Apdo. de correos 99. 03080 AlicanteTel.: +34 965 903 548. Fax: +34 965 903 549A. e.: [email protected]

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 7-14 DOI: 10.2436/20.2003.01.23 ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa)Filial de l’Institut d’Estudis Catalans http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 7

Nanopartículas de níquelLa combinación de cloruro de níquel(II) dihidratado/litio enpolvo/naftaleno o DTBB (ca. 10 %) en THF se ha mostradocomo muy conveniente para producir la reducción de una seriede funciones orgánicas a temperatura ambiente y en unas pocashoras. Así, olefinas,16a alquinos,16b derivados halogenados,16c

sulfo natos,16d compuestos aromáticos polinucleares,16d com-puestos carbonílicos e iminas,16e hidracinas y azo/azoxi compuestos,16f óxidos de aminas16f y nitro-nas16g pueden serreducidos fácilmente, como se indica en el esquema 1, en algunos ejemplos concretos. Si la sal de Ni contiene dos moléculas de D2O (en vez de agua), se obtienen los correspon-dientes compuestos deuterados.16

8

ESQUEMA 1.

Una versión de la combinación anterior que resulta muy útildesde el punto de vista manipulativo consiste en usar NiCl2anhidro y una cantidad estequiométrica de etanol comofuente de protones. Esta metodología permite ajustar conprecisión la cantidad de etanol, pudiendo realizarse, ademásde las reacciones indicadas en el esquema 1 con rendimien-tos similares,17a otros procesos nuevos. Dos ejemplos signifi-cativos son: a) la semihidrogenación de alquinos, que para elcaso de derivados internos conduce estereoselectivamente alos isómeros cis,17b y b) la reducción quimioselectiva decompuestos carbonílicos α, b-insaturados a los correspon-dientes sistemas saturados.17c Sendos ejemplos se incluyenen el esquema 2.

Todas las reacciones incluidas en los esquemas 1 y 2 pue-den ser efectuadas usando una versión que supone el em-pleo de un areno soportado sobre un polímero.18 En estecaso, no solo se utiliza una cantidad catalítica del areno so-portado, sino que, además, el catalizador puede recuperarseal final de la reacción por simple filtración y ser reutilizadohasta una decena de veces sin sufrir pérdida de su activi-dad. Un ejemplo de uso de ambas metodologías (areno endisolución o soportado) se incluye en el esquema 3, en elque se muestra la capacidad de la combinaciónNiCl2/Li/areno en la hidrogenación de diferentes funcionali-dades con hidrógeno molecular a presión atmosférica ytemperatura ambiente.19

SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 8

En lo que se refiere a la caracterización de las nanopartículasde níquel que se generan en todas las reacciones menciona-das hasta aquí, se han utilizado las técnicas habituales alefecto, concluyéndose que se trata de nanopartículas metáli-cas de un tamaño pequeño (2,5 ± 1 nm) y, por lo tanto, muyactivas, teniendo lugar las reacciones en la superficie de lasnanopartículas y no en disolución. Se trata, por lo tanto, de uncaso típico de ca tálisis heterogénea.20

Una vez establecido el mecanismo de actuación de las nano-partículas de níquel y su caracterización, se abordó otro tipo

de reacciones diferentes de la hidrogenación ya comentadausando agua, etanol o hidrógeno como fuentes próticas. Así,aparte del homoacoplamiento de yoduros arílicos y hetaríli-cos,21 se estudió, en primer lugar, la reacción de transferenciade hidrógeno usando isopropanol como fuente prótica: a tra-vés de esta metodología, es posible efectuar la reducción decompuestos carbonílicos (tanto en condiciones estequiométri-cas22a como catalíticas,22b respecto a la cantidad de nanopartí-culas empleadas), olefinas funcionarizadas o no,22c así comollevar a cabo la aminación reductiva de aldehídos,22d como seilustra en los ejemplos que se incluyen en el esquema 4. 9

ESQUEMA 2.

ESQUEMA 3.

SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 9

Finalmente, se ha estudiado la llamada autotransferencia dehidrógeno catalizada por nanopartículas de níquel,23a que con-siste en un proceso de deshidrogenación de un alcohol prima-rio por parte del níquel para dar un aldehído que reacciona insitu con una metil cetona generando un compuesto carboníli-co α, b-insaturado, el cual capta finalmente el hidrógeno cedi-do anteriormente, produciendo una cetona saturada. En con-

junto, tiene lugar un alquilación de la cetona, actuando el al-cohol como electrófilo y produciendo agua como único deshe-cho en el proceso. Por ello, tanto desde el punto de vista de laquímica «verde» como de la economía de átomos, el proceso esaltamente satisfactorio. Esta metodología se ha aplicado nosolo a la alquilación de cetonas,23b,c sino también a la reacciónaza-Wittig indirecta23c y a la propia reacción de Wittig indi-

10

ESQUEMA 4.

ESQUEMA 5.

SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 10

recta (esquema 5).23d En estos dos últimos procesos, se partede un alcohol primario, más estable y asequible que el corres-pondiente aldehído normalmente usado en esa reacción.

Nanopartículas de cobreSiguiendo una tecnología similar a la apuntada para el casode las nanopartículas de níquel, se han sintetizado nanopartí-culas de cobre partiendo de cloruro de cobre(II), conteniendobien dos moléculas de agua o de óxido de deuterio. Este cobreactivado, que presenta unas características macroscópicas si-

milares al níquel, se ha mostrado altamente efectivo en ladeshalogenación de derivados halogenados,24a reacciones dedesulfonilación,24b reducción de compuestos carbonílicos ysus correspondientes iminas,24c así como en la reacción clickentre acetilenos y azidas.24d Algunos ejemplos significativosse recogen en el esquema 6.

Nanopartículas de hierroEn el caso de la preparación de nanopartículas de hierro, se utili-zó el mismo método de reducción (litiación catalizada por DTBB),

11

ESQUEMA 6.

ESQUEMA 7.

SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 11

partiendo bien de cloruro de hierro(II) tetrahidratado o bien de lamisma sal, pero portadora de dos moléculas de óxido de deute-rio. Los resultados preliminares usando esta combinación indi-can que es altamente activa en la deshalogenación de deriva-dos halogenados alifáticos y aromáticos25a y en la reducciónde compuestos carbonílicos y sus correspondientes iminas.25b

Algunos ejemplos se recogen en el esquema 7. El análisis delas nanopartículas de hierro obtenidas indica que se tratade entidades de tamaño muy pequeño (1 ± 0,5 nm) y, por ello, de una elevada actividad.

ConclusionesDe lo expuesto en este artículo se concluye que la litiacióncatalizada por naftaleno o DTBB es un método adecuado parapreparar nanopartículas de metales de transición de elevadaactividad. Las derivadas de níquel, cobre y hierro han demos-trado su alta eficacia en procesos de reducción de distintasfuncionalidades (olefinas, acetilenos, derivados halogenados,sulfonatos, compuestos carbonílicos y sus iminas, sistemasaromáticos, así como compuestos nitrogenados) y en reaccio-nes de creación de enlaces carbono-carbono (homoacopla-mientos, alquilación de cetonas, procesos tipo Wittig y aza-Wittig y química click).

AgradecimientosLa investigación plasmada en este trabajo ha sido posible gra-cias a la generosa financiación recibida del actual MICINN(CTQ-2007-65218 y CONSOLIDER INGENIO 2010-CSD2007-00006), de la Generalitat Valenciana (PROMETEO 2009/039 y FEDER) y de la Universidad de Alicante.

Referencias[1] Monografías: a) Poole, C. P.; Owens, F. J. Introduction toNanotechnology. Wiley-VCH: Weinheim, 2003. b) New Trendsin Nanoscience: The Chemistry of Nanomaterials. Rao, C. N. R.;Müller, A.; Cheetham, A. K. (ed.). Wiley-VHC: Weinheim, 2004.c) Principles of Nanotechnology: Molecular-based Study ofCondensed Matter in Small Systems, Mansoori, G. A. (ed.).World Scientific Publishing: Singapur, 2005, p. 1-5. d) Ver número especial en Chem. Rev. 2005, 105(4). e) Ver númeroespecial en Acc. Chem. Res. 2008, 41(12).

[2] Revisiones y monografías: a) Rao, C. N. R.; Kulkarni, G. U.;Thomas, P. J.; Edwards, P. P. Chem. Soc. Rev. 2000, 29, 27. b) Bradley, J. S.; Schmid, G. en Nanopartículas: From Theory to Application. Schmid, G. (ed.). Wiley-VCH: Weinheim, 2004, cap. 3.2.1 y 3.2.2. c) Cushing, B. L.; Kolesnichenko, V. L.;O’Connor, C. J. Chem. Rev. 2004, 104, 3893. d) Jun, Y.; Choi, J.;Cheon, J. Chem. Commun. 2007, 1203. e) Lu, A.-H.; Salabas, E.L.; Schüth, F. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 1222. f ) Park, J.;Joo, J.; Kwon, S. G.; Jang, Y.; Hyeon, T. Angew. Chem. In. Ed.2007, 46, 4630. g) Dahl, J. A.; Maddux, B. L. S.; Hutchison, J. E. Chem. Rev. 2007, 107, 2228. h) Ferrando, R.; Jellinek, J.;Johnston, R. L. Chem. Rev. 2008, 108, 845. i) Vollath, D. Nano-materials: An Introduction to Synthesis, Properties and Appli-cation. Wiley-VCH: Weinheim, 2008. j ) Metal Nanoclusters in Catalysis and Materials Science: The Issue of Size Control. Corain, B.; Schmid, G.; Toshima, N. (ed.). Elsevier: Amsterdam,2008.[3] a) Mayer, A. B. R.; Antonietti, M. Colloid. Polym. Sci. 1998,276, 769. b) Chechick, V.; Crooks, R. M. J. Am. Chem. Soc.2000, 122, 1243. c) Crooks, R. M.; Zhao, M.; Sun, L.; Chechik,V.; Yeung, L. K. Acc. Chem. Res. 2001, 34, 181.[4] Ver, por ejemplo: a) Bonnemann, H.; Brijoux, W.; Brink-mann, R.; Dinjus, E.; Joussen, T.; Korall, B. Angew. Chem. Int.Ed. 1991, 30, 1312. b) Bucher, S.; Hormes, J.; Mondrow, H.;Brinkmann, R.; Waldöfner, N.; Bönnemann, H.; Beuermann, L.;Krischok, S.; Maus-Friedrichs, W.; Kempter, V. Surf. Sci. 2002,497, 321.[5] Revisiones: a) Yus, M. Chem. Soc. Rev. 1996, 25, 155.b) Ramón, D. J.; Yus, M. Eur. J. Org. Chem. 2000, 225. c) Yus, M.Synlett 2001, 1197. d ) Yus, M.; Ramón, D. J. Latv. J. Chem.2002, 79. e) Ramón, D. J.; Yus, M. Rev. Cubana Quím. 2002,14, 75. f) Yus, M. en The Chemistry of Organolithium Com-pounds. Rappoport, Z.; Marek, I. (ed.). J. Wiley & Sons: Chichester, 2004, vol. 1, p. 647.[6] Revisiones: a) Guijarro, D.; Yus, M. Recent Res. Devel. Org.Chem. 1998, 2, 713. b) Guijarro, D.; Pastor, I. M.; Yus, M. Curr.Org. Chem. 2011, 15, 375 (parte 1); 2011, 15, 2362 (parte 2).[7] Revisiones: a) Nájera, C.; Yus, M. Trends Org. Chem. 1991,2, 155. b) Nájera, C.; Yus, M. Org. Prep. Proced. Int. 1995, 27,383. c) Nájera, C.; Yus, M. Recent Res. Devel. Org. Chem. 1997,1, 67. d) Nájera, C.; Yus, M. Curr. Org. Chem. 2003, 7, 867.e) Nájera, C.; Sansano, J. M.; Yus, M. Tetrahedron 2003, 59,9255. f ) Chinchilla, R.; Nájera, C.; Yus, M. Chem. Rev. 2004,104, 2667. g) Chinchilla, R.; Nájera, C.; Yus, M. Tetrahedron2005, 61, 3139. h) Yus, M.; Foubelo, F. en Functionalized Organometallics. Knochel, P. (ed.). Wiley-VCH: Weinheim,

12

SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 12

2005, vol. 1, cap. 2; i ) Nájera, C.; Yus, M. en The Chemistry ofOrganolithium Compounds. Rappoport, Z.; Marek, I. (ed.). J.Wiley & Sons: Chichester, 2006, vol. 2, cap. 3. j ) Yus, M.; Fou-belo, F. Adv. Heterocycl. Chem. 2006, 91, 135. k) Chinchilla, R.;Nájera, C.; Yus, M. Arkivoc 2007, X, 152. l ) Ver también el número especial de Tetrahedron Symposium in Print, Nájera,C.; Yus, M. (ed.), dedicado a «Functionalised OrganolithiumCompounds», Tetrahedron 2005, 61, 13.[8] Revisión: Foubelo, F.; Yus, M. Chem. Soc. Rev. 2008, 37,2620.[9] Revisiones: a) Yus, M.; Foubelo, F. Rev. Heteroatom Chem.1997, 17, 73. b) Yus, M.; Foubelo, F. en Targets in HeterocyclicSystems. Attanasi, O. A.; Spinelli, D. (ed.). Italian Society of Chemistry: Roma, 2002, p. 136-171. c) Yus, M. Pure Appl.Chem. 2003, 75, 1453.[10] Revisiones: a) Foubelo, F.; Yus, M. Trends Org. Chem.1998, 7, 1. b) Foubelo, F.; Yus, M. Curr. Org. Chem. 2005, 9,459.[11] Revisiones: a) Alonso, F.; Yus, M. Chem. Soc. Rev. 2004,33, 284. b) Alonso, F.; Yus, M. Pure Appl. Chem. 2008, 80,1005.[12] Monografías: a) Wakefield, B. J. Organolithium Me-thods. Academic Press: Londres, 1988. b) Sapse, A. M.; Ragué Schleyer von, P. (ed.). Lithium Chemistry: A Theoreticaland Experimental Overview. J. Wiley & Sons: Nueva York,1995. c) Gray, M.; Tinkel, M.; Snieckus, V. en ComprehensiveOrganometallic Chemistry II. Abel, E. W.; Stone, F. G. A.; Wil-kinson, G.; McKillop, A. (ed.). Pergamon: Oxford, 1995, vol. 11,p. 1-92. d) Clayden, J. Organolithiums: Selectivity for Synthe-sis. Pergamon: Oxford, 2002. e) The Chemistry of Organoli-thium Compounds. Rappoport, Z.; Marek, I. (ed.). J. Wiley &Sons: Chichester, 2004.[13] a) Primer ejemplo: Screttas, C. G.; Micha-Screttas, M. J. Org. Chem. 1978, 43, 1064; 1979, 44, 713. b) Para una revisión, ver: Cohen, T.; Bhupathy, M. Acc. Chem. Res. 1989,22, 152.[14] Para estudios mecanísticos, ver: a) Yus, M.; Herrera, R. P.; Guijarro, A. Tetrahedron Lett. 2001, 42, 3455. b) Yus,M.; Herrera, R. P.; Guijarro, A. Chem. Eur. J. 2002, 8, 2574. c) Yus, M.; Herrera, R. P.; Guijarro, A. Tetrahedron Lett. 2003,44, 1309. d ) Herrera, R. P.; Guijarro, A.; Yus, M. TetrahedronLett. 2003, 44, 1313. e) Yus, M.; Herrera, R. P.; Guijarro, A.Tetrahedron Lett. 2006, 47, 6267. f) Melero, C.; Pérez, H.;Guijarro, A.; Yus, M. Tetrahedron Lett. 2007, 48, 4105.h) Melero, C.; Guijarro, A.; Baumann, V.; Pérez-Jiménez, A. J.; Yus, M. Eur. J. Org. Chem. 2007, 5514. i) Melero, C.;

Herrera, R. P.; Guijarro, A.; Yus, M. Chem. Eur. J. 2007, 13,10096.[15] Melero, C.; Guijarro, A.; Yus, M. Dalton Trans. 2009, 1286.[16] a) Alonso, F.; Yus, M. Tetrahedron Lett. 1996, 37, 6925; J.Chem. Educ. 2001, 78, 1517. b) Alonso, F.; Yus, M. TetrahedronLett. 1997, 38, 149. c) Alonso, F.; Radivoy, G.; Yus, M. Tetrahe-dron 1999, 55, 4441. d) Radivoy, G.; Alonso, F.; Yus, M. Tetra-hedron 1999, 55, 14479. e) Alonso, F.; Yus, M. Tetrahedron1998, 54, 1921. f ) Alonso, F.; Radivoy, G.; Yus, M. TetrahedronLett. 1996, 56, 8673. g) Radivoy, G.; Alonso, F.; Yus, M. Syn-thesis 2001, 427.[17] a) Alonso, F.; Osante, I.; Yus, M. Tetrahedron 2007, 63, 93.b) Alonso, F.; Osante, I.; Yus, M. Adv. Synth. Catal. 2006, 348,305. c) Alonso, F.; Osante, I.; Yus, M. Synlett 2006, 3017.[18] a) Gómez, C.; Ruiz, S.; Yus, M. Tetrahedron Lett. 1998, 39,1397. b) Gómez, C.; Ruiz, S.; Yus, M. Tetrahedron 1999, 55,7017. c) Yus, M.; Candela, P.; Gómez, C. Tetrahedron 2002, 58,6207. d) Alonso, F.; Gómez, C.; Candela, P.; Yus, M. Adv. Synth.Catal. 2003, 345, 275. e) Candela, P.; Gómez, C.; Yus, M. Russ.J. Org. Chem. 2004, 40, 795.[19] a) Alonso, F.; Yus, M. Adv. Synth. Catal. 2001, 343, 188. b) Ver también referencia 18d.[20] a) Alonso, F.; Calvino, J. J.; Osante, I.; Yus, M. Chem. Lett.2005, 34, 1262. b) Alonso, F.; Calvino, J. J.; Osante, I.; Yus, M. J. Exp. Nanosci. 2006, 1, 419. c) Alonso, F.; Riente, P.; Sirvent, J. A.; Yus, M. Appl. Catal. A: Gen. 2010, 378, 42.[21] Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Arkivoc 2008, IV, 8.[22] a) Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Tetrahedron 2008, 64,1847. b) Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Tetrahedron Lett. 2008,49, 1939. c) Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Tetrahedron 2009,65, 10637. d) Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Synlett 2008,1289; Synfact 2008, 9, 998.[23] a) Guillena, G.; Ramón, D. J.; Yus, M. Angew. Chem. Int. Ed.2007, 46, 2358. b) Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Synlett 2007,1877. c) Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Eur. J. Org. Chem. 2008,4908. d) Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Eur. J. Org. Chem. 2009,6034.[24] a) Alonso, F.; Moglie, Y.; Radivoy, G.; Vitale, C.; Yus, M.Appl. Catal. A: Gen. 2004, 271, 171. b) Radivoy, G.; Alonso, F.;Moglie, Y.; Vitale, C.; Yus, M. Tetrahedron 2005, 61, 3859. c)Alonso, F.; Vitale, C.; Radivoy, G.; Yus, M. Synthesis 2003, 443.d) Alonso, F.; Moglie, Y.; Radivoy, G.; Yus, M. Tetrahedron Lett.2009, 50, 2358.[25] a) Moglie, Y.; Alonso, F.; Vitale, C.; Yus, M.; Radivoy, G.Appl. Catal. A: Gen. 2006, 313, 94. b) Moglie, Y.; Alonso, F.; Vitale, C.; Yus, M.; Radivoy, G. Tetrahedron 2006, 62, 2812.

13

SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 13

14

Miguel Yus nació en Zaragoza en 1947, en cuya Universidad estudió Química (1969) y realizó su doctorado (1973). Despuésde dos años de posdoctorado en el Max-Planck-Institut de Mülheim (Alemania), volvió a la Universidad de Oviedo, dondefue profesor adjunto (1977) y catedrático (1987). En 1988 se trasladó a la Universidad de Alicante como catedrático de Química Orgánica, siendo en la actualidad director del Instituto de Síntesis Orgánica (ISO). Es coautor de más de quinientaspublicaciones, ha impartido más de ciento cincuenta conferencias y fundó la empresa MEDALCHEMY para comercializar productos de química fina.

M. Yus

SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 14

Introducció

Durant els últims anys, els compostos organo-borans s’han desenvolupat com a producted’interès en diverses àrees. Sectors com la in-dústria, la medicina o la farmàcia han acon-seguit desenvolupar noves tècniques per pro-duir compostos organoborans que donenresposta als problemes reals de la societat.

Noves teràpies per combatre el càncer,1 combustibles per aaeronaus,2 noves tècniques per a l’eliminació de residus,3 nousmaterials polimèrics resistents a la flama4 i nous compostosbiològicament actius5 són tan sols alguns exemples de com haevolucionat la química del bor en la química aplicada.

Aquesta nova perspectiva, però, no ha restat la importànciaque els compostos organoborans han tingut sempre en la re-cerca bàsica: el seu ús com un dels intermedis sintètics mésversàtils que existeixen en la síntesi de compostos orgànicsd’alt valor afegit.6

La seva versatilitat escau en la diversitat dels reactius boransque es poden utilitzar (àcids borònics, agents hidroborans odiborans), en la tolerància de la formació de l’organoborà enmúltiples grups funcionals i en la seva facilitat per transfor-mar aquest enllaç carboni–bor en un nou enllaç carboni–oxi-gen, carboni–nitrogen o carboni–carboni mitjançant proto-cols ja establers (figura 1).

D’aquesta manera, els intermedis organoborans són una alter-nativa senzilla i econòmica per obtenir múltiples compostos. Fàcilment es poden utilitzar per a la formació de compostos or-gànics complexos amb activitat biològica.7 També són útils a lasíntesi d’aquells compostos amb quiralitat axial, com ara elsproductes quimioluminescents que són utilitzats per fer panta-lles de plasma.8 I, a més, donen una alternativa sintètica decompostos quirals,9 ja que la metodologia establerta permetmantenir en el nou enllaç la configuració de l’enllaç carboni–boranterior amb bona esteroselectivitat i enantioselectivitat.

En el marc de l’estudi de la reacció catalítica de diboració,10

s’ha explorat l’addició de diborans en substrats α, β-insatu-rats. Aquests tipus de compostos no es diboren, sinó que esborilen, i aquesta addició, encara que no és bona des d’unpunt de vista d’economia atòmica, sí que és l’única forma efi-cient de sintetitzar compostos carbonilborans en posició 1,4.

Hosomi i Miyaura van ser els primers a establir el protocol dela reacció,11 però no va ser fins a Yun12 que es va demostrar el

15

L’edat del bor: reacció de β-boració catalítica Boron age: catalytic β-borationAmadeu Bonet,* Manuel Soriano, Cristina Pubill-Ulldemolins, Cristina Solé, Jessica Cid, Henrik Gulyas i Elena FernándezUniversitat Rovira i Virgili. Departament de Química Física i Inorgànica. Àrea de Química Inorgànica

Resum. En els darrers anys, els compostos organoborats han estat valorats en un ampli ventall d’aplicacions. Així mateix, elscompostos organoborans són uns dels intermedis sintètics més versàtils que existeixen per a la síntesi de compostos orgànicsd’alt valor afegit. En l’article següent es resumeixen, a partir de l’estat actual de l’estudi de la reacció de β-boració, els avençosen la reacció que ha desenvolupat el nostre grup en els darrers mesos.

Abstract. In the last years, organoboranes become important compounds in a wide range of applications. In addition, organo-borane compounds are one of the most useful synthetic intermediates for the synthesis of high values organic compounds. Inthis article, we summarize, from the state of the art of the reaction, the advances in the last months from our research group.

Correspondència: Amadeu Bonet. Universitat Rovira i Virgili. Departament de Química

Física i Inorgànica. Àrea de Química Inorgànica

Campus Sescelades. 43007 Tarragona

Tel.: +34 977 558 715. Fax: +34 977 558 205

A. e.: [email protected]


FIGURA 1. Representació de la versatilitat en la transformació dels compostos organobo-

rats en altres grups funcionals.

SCQ_10_02_– 20/09/12 20:51 Página 15

seu potencial real i que s’aconseguiren altes conversions enpoc temps i en condicions suaus (mitjançant l’addició de me-tanol com a additiu).

En el transcurs d’aquests últims anys, aquesta reacció haabordat nous reptes,13 tant la versió quiral com l’aquiral, i s’haestès a tot tipus de substrats α, β-insaturats: èsters i cetones(acíclics i cíclics), amides, nitrils i aldehids; a més, s’ha realit-zat amb diversos metalls, com ara el coure, el níquel, elpal·ladi, el platí i el rodi.

En el present article, resumirem de forma breu i entenedora eltreball del nostre grup durant els darrers mesos en la reacciócatalítica de β-boració.

Catalitzadors versàtils. Reacciótàndem one pot de β-boraciói Suzuki-MiyauraAmb la col·laboració de la professora M. Á. Úbeda, de la Univer-sitat de València, s’han utilitzat de forma efectiva en la reaccióde β-boració els complexos de pal·ladi indicats a la figura 4.

Els quatre complexos, sobretot, es diferencien pel fet de tenircaracterístiques electròniques molt diverses. Així, podem observar, des del complex 1 fins al 4, un ordre creixent en elcaràcter donador al metall, el qual ens permet estudiar lainfluència de les propietats electròniques en la catàlisi.

Un cop es van trobar les condicions idònies [0,003 mmol de complex de pal·ladi; 0,18 mmol de carbonat de cesi;

16

FIGURA 2. Diverses vies de formació de compostos d’alt valor afegit a partir d’intermedis

borats.

FIGURA 4. Complexos de pal·ladi utilitzats en la reacció.

FIGURA 3. Reacció de β-boració.

ESQUEMA 1. Cicle catalític de la reacció de β-boració.

SCQ_10_02_– 20/09/12 20:51 Página 16

0,125 mmol de substrat; 1,5 equivalents de bis(pinacolat)di-bor; 1,5 mmol de metanol, i 0,18 mmol d’aigua en 2 ml de te-trahidrofurà a temperatura ambient durant 6 h], la reacció deβ-boració es va portar a terme en tot tipus de substrats car-bonílics α, β-insaturats: èsters, cetones, aldehids i amidesterminals, internes, amb substituents en α, en β o en ambduesposicions, amb un o més d’un substituent alquílic o arílic.

Les conversions, en la majoria dels casos, són completes omolt elevades, i la quimioselectivitat en substrats conflictiuscom l’aldehid (pot donar reacció competitiva donant l’addició1,2 en lloc de l’addició 1,4) és molt bona. Cal destacar que, enaquest cas, el millor complex és l’1, que correspon al complexamb el centre metàl·lic menys bàsic.

Un cop establert el fet que els complexos de pal·ladi eren ca-paços de portar a terme la reacció de β-boració, es va intentarrealitzar la reacció tàndem (β-boració, acoblament creuat) enel medi de reacció anterior, tot afegint els reactius necessarisper poder dur a terme la reacció d’acoblament creuat.

Els resultats van ser satisfactoris, ja que tots els substrats ambbor terminal van aconseguir formar el nou enllaçcarboni–carboni en la reacció tàndem. Cal destacar que, enaquest segon pas de la reacció, el millor complex és el 4, elque presenta un centre metàl·lic més bàsic.

És interessant destacar el fet que els complexos funcionen deforma inversament proporcional en les dues reaccions. Això ésconseqüència del fet que en la reacció de β-boració no té lloc

una addició oxidant en el cicle catalític, sinó que l’etapa claués una transmetal·lació; per tant, no és necessària una gran ri-quesa electrònica al voltant del metall. En contrapartida, en lareacció de Suzuki-Miyaura, l’addició oxidant és moltes vega-des l’etapa limitant de la reacció; per tant, serà molt més ràpi-da o fàcil amb el complex que tingui més riquesa electrònica.

Aquest, doncs, és un exemple més de la versatilitat de la reac-ció per donar amb facilitat productes orgànics complexos i,alhora, una demostració de la polivalència d’aquests comple-xos de pal·ladi.

Catalitzadors econòmics i altament modulables.Coure amb fosforoamidits

La indústria sempre busca reaccions econòmiques i estables,sobretot, que no siguin molt sensibles a l’aire o a l’aigua, i elsistema catalític (metall i lligands) moltes vegades és el puntcrític per aproximar la indústria a la recerca.

Un dels motius que ha fet créixer, en els darrers anys i de for-ma espectacular, l’ús dels metalls econòmics en la recerca ésel gran interès que hi ha dipositat la indústria. Exemples moltclars són l’ús del coure o el níquel en múltiples reaccions, desde la diboració fins a la reacció de formació d’enllaços C–C.14

L’altre punt important per a la indústria és l’ús de lligands deforma que la seva síntesi sigui senzilla amb rendiments ele-

17

FIGURA 5. Resultats de la β-boració amb el complex 1; C=conversió, Ch=quimioselectivitat.

FIGURA 6. Resultats de la reacció tàndem amb el complex 3 (boració, acoblament creuat).

SCQ_10_02_– 20/09/12 20:51 Página 17

vats i que tingui una alta modulabilitat, de manera quepermeti fer canvis en l’esquelet del lligand d’una formasenzilla.

Tenint en compte la idea d’aproximar la nostra recerca a laindústria, amb la col·laboració de l’empresa holandesa DSM,vam fer un estudi catalític de la reacció de β-boració amb lli-gands fosforoamidits (uns lligands extremament modulables,que no són molt sensibles a l’aigua o a l’aire i que, a més, sónràpids de sintetitzar).

D’aquesta forma, hem estudiat les possibilitats d’inducció asimètrica de diferents fosforoamidits amb diferents esque-lets. Fins al moment, no s’havien reportat en la literatura excessos enantiomèrics amb fosforoamidits en la reacció de β-boració.

Els lligands que van ser provats es mostren a la figura 7. L’estudi dels lligands es va fer seguint la metodologia high-throughput screening,15 que és una forma ràpida i eficaç de tenir un gran nombre d’informació útil en molt poc temps, tot obtenint una idea clara de quins esquelets de lligands són millors per a la reacció. Tot això va ser possiblemitjançant el multireactor amb capacitat per fer noranta-sisreaccions simultànies, que permeten fer l’estudi amb tres substrats model: el crotonat d’isobutil, el cinnamaldehid i el cinnamonitril. Els resultats més destacats es mostren a la taula 1.

Es mostra una selectivitat diversa, sobretot quant a excésenantiomèric. Els resultats, tot i ser rellevants, no són tanpositius com esperàvem. Els bons resultats obtinguts ambl’èster i, sobretot, amb l’aldehid i els lligands que tenen esquelets del TADDOL obren una porta a seguir modulantaquests lligands per obtenir uns millors resultats i per supe-rar els que hi ha a la literatura amb altres lligands més com-plexos.

Nous metalls econòmics i respectuosos amb el mediambient per la β-boració: ferro

En els últims anys, l’interès envers la química verda ha promo-gut de forma espectacular un renaixement de l’ús de metallsrespectuosos amb el medi ambient. En aquest context, els sis-temes catalítics de ferro sorgeixen com una gran alternativa,ja que, en els darrers anys, han demostrat un gran poder cata-lític en un gran ventall de reaccions diverses.16

En el nostre grup es va desenvolupar un nou sistema catalític deferro que ens permetés β-borar de forma selectiva. Es van provardiferents precursors amb diferents estats d’oxidació, tot compro-vant que diversos precursors de ferro(II) podien ser precursorsòptims per realitzar la reacció. Entre les millors opcions, es va fi-xar el ferro(II) acetilacetonat per la seva estabilitat i viabilitat.

Un cop vam tenir fixades les condicions de treball bàsiquesper a un substrat model (crotonat d’etil), es va augmentar elcamp d’aplicació, tot estenent-lo a múltiples substrats, i esvan obtenir conversions altes en diversos tipus de compostosα, β-insaturats, com ara èsters, cetones, nitrils i imines.

Tot i això, el que causa més controvèrsia en aquest treball ésque algun dels precursors de ferro conté un percentatge im-portant d’impuresa en forma de coure metàl·lic. La pregunta,doncs, esdevé necessària: és realment el ferro o el coure allòque fa la catàlisi?17 Realitzant dilucions d’un catalitzador decoure en quantitats comparables a les impureses de coure, esva determinar que la presència de coure en el ferro té una ac-tivitat totalment negligible (figura 8).

Així, vam realitzar una aproximació a la versió asimètrica pro-vant diferents lligands comercials. Els resultats van ser moltinteressants, ja que els lligands comercials bidentats o els lli-gands amb esquelets de ferrocè van donar enantioselectivi-tats baixes, mentre que els lligands monodentats de tipus fos-foroamidit van donar els millors resultats.

A més, vam veure que el fet de modificar les condicions de lareacció també afectava de forma significativa l’enantioselec-tivitat, de manera que podíem arribar a augmentar de formaconsiderable els excessos enantiomèrics. Avui dia, els millorsresultats són superiors al 62 %.18

TAULA 1. Resultats β-boració catalítica amb Cu/fosforamiditsSubstrat Lligand Conversió (%) ee (%)

Crotonat d'isobutil 28 74 50

29 95 51

Cinnamaldehid 28 50 37

29 59 39

Cinnamonitril 19 44 54

SCQ_10_02_– 20/09/12 20:51 Página 18

ConclusionsEl nostre grup ha aconseguit, en els últims anys, posar-se aprimera línia en la reacció de β-boració: s’ha realitzat la pri-

mera reacció tàndem en la qual una de les reaccions implica-des és la β-boració;18 s’ha aconseguit col·laborar amb la in-dústria amb l’ús de lligands modulables i complexos molt ba-rats i poc sensibles per a la β-boració, i s’han desenvolupatinnovadores metodologies en la reacció que han permès re-alitzar aquesta reacció amb metalls increïblement barats i nocontaminants, com ara el ferro.19

AgraïmentsUn agraïment a tot el Grup de Catàlisi Homogènia i Heterogè-nia de la Universitat Rovira i Virgili, especialment, a tots elsdoctorands; a la Generalitat, per la beca FI, i a la Societat Catalana de Química, per donar-nos l’oportunitat d’explicar el nostre treball i de fer-lo extensible a tots els químics de lasocietat catalana.

19

FIGURA 7. Llibreria de lligands fosforoamidits utilitzats.

FIGURA 8. Estudi de la reacció de β-boració d’etil crotonat amb coure (conversió/mmols

de Cu).

SCQ_10_02_– 20/09/12 20:51 Página 19

Referències i altres fonts[1] Plesek, J. Chem. Rev. 1992, 92, 269.[2] Shapiro, I.; Good, C. D.; Williams R. E. J. Am. Chem. Soc.1962, 84, 3837.[3] United States Patent 5082603.[4] Martín, C.; Ronda, J. C.; Cádiz, V. J. Polym. Sci., part A: Po-lym. Chem. 2006, 44, 1701.[5] Rezanka, T.; Sigler, K. Phytochemistry 2008, 69, 585.[6] Crudden, C. M.; Edwards, D. Eur. J. Org. Chem. 2003, 68, 4695.[7] Elford, T. G.; Hall, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 1488.[8] Balanta Castillo, A.; Godard, C.; Gladiali, S.; Claver, C. Tre-ball no publicat.[9] a) Lee, J.; Yun, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 145. b)Kliman, L. T.; Mlynarski, S. N.; Morken, J. P. J. Am. Chem. Soc.2009, 131, 13210.[10] a) Penno, D.; Lillo, V.; Koshevoy, I. O.; Sanaffl, M.; Úbeda,M. Á.; Lahuerta, P.; Fernández, E. Chem. Eur. J. 2008, 14,

10648. b) Ramírez, J.; Sanau, M.; Fernández, E. Angew. Chem.Int. Ed. 2008, 47, 5149.[11] a) Ito, H.; Yamanaka, H.; Tateiwa, J.-I.; Hosomi, A. Tetra-hedron Lett. 2000, 41, 6821. b) Takahashi, K.; Ishiyama, T.;Miyaura, N. Chem. Lett. 2000, 29, 982.[12] Mun, S.; Lee, J.-E.; Yun, J. Org. Lett. 2006, 8, 4887.[13] Schiffner, J. A.; Müther, K.; Oestreich, M. Angew. Chem.Int. Ed. 2010, 49, 2.[14] González-Bobes, F.; Fu, G. C. J. Am. Chem. Soc. 2006, 16, 5361.[15] Lefort, L.; Boogers, J. A. F.; Vries, A. H. M. de; Vries, J. G. de.Org. Lett. 2004, 6, 1733.[16] Czaplik, W. M.; Mayer, M.; Cvengros, J.; Wangelin, A. von.J. Chem. Sus. Chem. 2009, 2, 396.[17] Buchwald, S. L.; Bolm, C. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 5586.[18] Bonet, A.; Gulyás, H.; Koshevoy, I. O.; Estevan, F.; Sanaú,M.; Úbeda, M. Á.; Fernández, E. Chemistry Eur. J. 2010, 16, 6382.[19] Bonet, A.; Solé, C.; Gulyás, H.; Fernández, E. Treball no pu-blicat.

20

Amadeu Bonet va obtenir la llicenciatura en química per la Universitat Rovira i Virgili l’any 2007 i el màster en catàlisi l’any se-güent. L’any 2008, va realitzar un treball centrat en la hidroboració a la Universitat de Queens (Canadà), sota la supervisió de ladoctora Cathy Crudden. Al principi del 2009, va obtenir la beca FI de la Generalitat de Catalunya. La seva recerca se centra enla β-boració asimètrica de compostos α, β-insaturats i en l’aproximació de l’organocatàlisi en les diverses reaccions de boració.

Manuel Soriano es va llicenciar en química per la Universitat de València l’any 1999. L’any següent va estar treballant a la Universitat Paul Sabatier-Toulouse III (França), en un projecte Erasmus. L’any 2001, va obtenir el Diplôme d’Études Supé-rieures Universitaires Pierre-Fabre a Vigoulet (França) i, des de llavors, ha ocupat posicions de director tècnic a Radhe Shyam, SA (Barcelona) (2001-2003) i a Maystar, SL (Tarragona) (des del 2003). La seva investigació està centrada en diversos processos catalítics relacionats amb la indústria.

Cristina Pubill-Ulldemolins va obtenir la llicenciatura en química per la Universitat Rovira i Virgili l’any 2008. Durant l’any2007, va realitzar un Erasmus a la Friedrich-Alexandre University. L’any següent va aconseguir la beca ICIQ, que li permet ferun doctorat multidisciplinari en el qual explora la part d’estudis teòrics dels sistemes catalítics involucrats en la diboració,sota la supervisió del doctor Carles Bo, i simultàniament realitza la part experimental a la Universitat Rovira i Virgili, sota lasupervisió de la doctora Elena Fernández. L’estiu del 2008, va realitzar una estada a la Universitat de Durham, sota la super-visió del professor T. Marder, en un projecte de reaccions de ciclació. La seva recerca se centra en la diboració catalítica d’al-quens amb diversos metalls i estudis mecanístics.

A. Bonet M. Soriano C. Pubill-Ulldemolins

SCQ_10_02_– 20/09/12 20:51 Página 20

21

Cristina Solé va obtenir la llicenciatura en química per la Universitat Rovira i Virgili l’any 2008 i en bioquímica l’any següent. Va realitzar, l’any 2008, una estada Sèneca a Palma de Mallorca, i l’any 2009, un Erasmus a la Universitat de Reading. Actualment està acabant el màster oficial en catàlisi, durant el qual ha realitzat una estada a la Universitat deDurham, sota la supervisió del doctor Andy Witting. La seva recerca se centra en la β-boració de compostos insaturats per la síntesi de molècules bioactives.

Jessica Cid va obtenir la llicenciatura per la Universitat Rovira i Virgili l’any 2009. Durant l’any anterior, va realitzar una es-tada Erasmus a la Technische Universiteit d’Eindhoven. A l’octubre del 2009, va obtenir la beca URV, que li permet realitzarun doctorat multidisciplinari en el qual, sota la supervisió del doctor Jordi Carbó i de la doctora Elena Fernández, treballaràels aspectes teòrics i experimentals en les reaccions d’hidroboració i de diboració.

Henrik Gulyas va néixer a Hongria l’any 1971. Va obtenir el doctorat a la Universitat de Veszprém, sota la supervisió del pro-fessor J. Bakos. Entre els anys 2005 i 2007, va treballar com a postdoctoral en un projecte de BASF, sota la supervisió delprofessor P. van Leeuwen, a l’ICIQ. L’any 2007, va obtenir la beca Torres Quevedo, que li va permetre continuar treballant a l’ICIQ. A partir del 2009, passa a ser professor associat de la Universitat Rovira i Virgili i treballa en el grup de la doctoraElena Fernández. La seva recerca es basa en noves rutes sintètiques per obtenir compostos organoborans.

Elena Fernández va néixer l’any 1968. Va rebre la llicenciatura en química per la Universitat de Barcelona l’any 1991. Segui-dament, l’any 1995, va obtenir el doctorat per la Universitat Rovira i Virgili, sota la supervisió del professor Sergio Castillón ide la doctora Aurora Ruiz. Els dos anys següents va estar realitzant un postdoctorat a la Universitat d’Oxford, sota la super-visió del professor J. M. Brown. Va tornar a Tarragona, on va col·laborar amb la professora Carmen Claver i va aconseguir serpersonal permanent de la Universitat Rovira i Virgili l’any 2000. El seu grup se centra en l’estudi de les aplicacions de metallsde transició a la síntesi orgànica, tot posant un especial interès en les addicions selectives de bor i les subsegüents reaccionstàndem catalítiques.

C. Solé J. Cid H. Gulyas E. Fernández

SCQ_10_02_– 20/09/12 20:51 Página 21

22

Introducció

El bor és un element químic força peculiar quees comporta com un no-metall capaç de for-mar compostos moleculars covalents, mentreque la resta dels elements del seu mateix grup13 es consideren metalls que formen compos-tos iònics. De la mateixa manera que el carbo-ni, el bor presenta la capacitat d’enllaçar-se

amb ell mateix per formar estructures polièdriques diferents.Aquests agregats o clústers de bor, que podem anomenar borans, són poliedres de cares triangulars en els quals cada

vèrtex està ocupat per un àtom de bor enllaçat a un àtomd’hidrogen. La substitució d’alguna d’aquestes unitats per un altre element dóna lloc als heteroborans, dels quals caldestacar la família dels carborans, que contenen un o mésvèrtexs de carboni en la seva estructura polièdrica de carestriangulars.1

L’existència d’un gran nombre de borans i carborans sintetit-zats durant la primera meitat del segle XX va posar de mani-fest la necessitat d’establir-ne una classificació. Van ser R. E.Williams i K. Wade els qui van ordenar-los segons les sevescaracterístiques estructurals i estequiomètriques, determina-des sobretot pel nombre de vèrtexs ocupats i d’electrons disponibles. En van diferenciar tres grans grups:2 closo-, poliedres d’n vèrtexs amb 2n + 2 electrons; nido-, poliedres d’n -1 vèrtexs amb 2n + 4 electrons, i arachno-, poliedres d’n -2vèrtexs amb 2n + 6 electrons (figura 1).

Funcionalització d’o-carborans iodats per obtenirestructures dendrimèriques útils en aplicacions mèdiquesIodinated o-carboranes functionalization to produce dendrimericstructures useful in medicineAriadna Pepiol, Albert Vaca, Clara Viñas* i Francesc Teixidor Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC)

Resum. L’1,2-dicarba-closo-dodecaborà, l’o-carborà, és un clúster icosaèdric format per deu vèrtexs de bor–hidrogen i dosvèrtexs de carboni-hidrogen en posició adjacent. Aquesta molècula és químicament molt versàtil, ja que presenta una reactivi-tat diferenciada segons el tipus de vèrtex, la qual cosa en permet la derivatització en funció de l’aplicació mèdica desitjada. Alnostre grup de recerca, tenim una gran experiència en reaccions de substitució electrofílica sobre els àtoms de bor, sobretotper tal d’obtenir derivats B-iodats de l’o-carborà que continguin un elevat nombre d’àtoms de iode per molècula. Aquestacondició els converteix en bons candidats per ser usats com a agents de contrast opacs als raigs X en ciments ossis polimèricsde metilmetacrilat. Els enllaços de bor–iode d’aquests carborans poden ser posteriorment derivatitzats amb diferents grupsorgànics funcionals, tot formant nous vèrtexs de bor–carboni i obtenint, així, molècules útils com a nuclis d’estructures de ti-pus dendró. El creixement dendrimèric d’aquests nuclis es du a terme mitjançant reaccions d’acoblament amb altres clústers decarborà funcionalitzats, tot obtenint molècules amb un elevat contingut en àtoms de bor, molt útils com a agents anticancero-sos en la tècnica BNCT (boron neutron capture therapy).

Paraules clau: Carborans, iode, agents de contrast, raigs X, dendrons, captura de neutrons, BNCT, EINS.

Abstract. The 1,2-dicarba-closo-dodecaborane, o-carborane, is an icosahedral cluster consisting of ten boron-hydrogen verti-ces and two carbon-hydrogen adjacent vertices. This molecule is chemically versatile, has a differential reactivity dependingon the type of vertex, and this enables the functionalization according to the desired medical application. Our research grouphas extensive experience in electrophilic substitution reactions on the boron atoms, especially to obtain boron-iodinated car-borane derivatives, which contain a large number of iodine atoms per molecule. This condition makes them good candidatesfor use as X-ray contrast agents in methyl methacrylate bone cements. These boron-iodine bonds may be subsequently func-tionalized with various organic functional groups forming new boron-carbon vertices and producing useful molecules as den-dron nuclei. The growth of these dendrimeric cores is carried out by coupling reactions with other functionalized carboranesyielding molecules with high boron content, useful as anticancer agents in BNCT (boron neutron capture therapy).

Keywords: Carboranes, iodine, contrast agent, X-ray, dendrons, neutron capture, BNCT, EINS.

Correspondència: Clara Viñas. Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC)

Campus UAB. 08193 Bellaterra. Cerdanyola del Vallès

Tel.: +34 935 801 853. Fax: +34 935 805 729



SCQ_10_03_- 02/10/12 19:01 Página 22

Propietats químiques i reactivitatde l’orto-carboràDe tots els compostos polièdrics de bor que existeixen, cal remarcar, per la seva estabilitat tèrmica i per la seva resistènciaquímica, el clúster d’orto-carborà, de fórmula empírica 1,2-C2B10H12. Aquest compost presenta una estructura icosaèdricacloso- amb dos vèrtexs adjacents de carboni i deu vèrtexs de bor.

L’o-carborà té una gran versatilitat sintètica gràcies a la diferen-ciada reactivitat de cadascun dels seus vèrtexs. Una reactivitatcondicionada, sobretot, per les diferències d’electronegativi-tat entre els àtoms de bor, de carboni i d’hidrogen (segons l’es-cala de Pauling: 2,0, 2,5 i 2,2, respectivament), que fan que elshidrògens enllaçats als àtoms de carboni tinguin un cert caràc-ter àcid, mentre que els que estan enllaçats als àtoms de bor te-nen un cert caràcter d’hidrur. Alhora, dins del mateix clúster, estroben bors amb diferent reactivitat: d’una banda, els que estanconnectats a ambdós àtoms de carboni, que queden empobritselectrònicament a causa de la major electronegativitat dels car-bonis; de l’altra, els bors que es troben més allunyats dels carbo-nis, que presenten una certa densitat de càrrega negativa.

Així, doncs, gràcies a aquestes diferències d’electro -negativitat, es pot donar un gran ventall de reaccions quími-ques regioselectives sobre el poliedre de l’o-carborà. Una d’aquestes reaccions és la substitució sobre els àtoms de car-boni del clúster, en la qual els protons són arrencats per unabase forta (com l’n-butil liti o l’hidrur sòdic) per tal d’obteniruna espècie C-litiada altament nucleòfila que reaccionaràamb metalls, halurs orgànics o molècules inorgàniques.3

D’altra banda, per aconseguir una halogenació electrofílicasobre els bors més allunyats dels carbonis, cal la presènciad’un àcid de Lewis, com ara l’àcid tríflic o triclorur d’alumini,

que s’emporta l’hidrogen unit al vèrtex de bor com a hidrur, i, seguidament, cal també la presència d’un nucleòfil (com araun halogen elemental), que du a terme la substitució I–B delvèrtex. Aquesta seqüència de dues reaccions es coneix com a EINS (electrophilic induce nucleophilic substitution).4

Alhora, existeix un altre tipus de reacció àmpliament estudiadai molt important dins de la química de carborans: la degrada-ció parcial de l’o-carborà, en la qual es produeix la pèrdua d’undels vèrtexs del poliedre closo- per obtenir el corresponentclúster nido-. Per fer-ho, cal l’efecte d’una espècie nucleòfila,com ara l’ió etòxid o metòxid, que ataqui els bors més empo-brits electrònicament extraient-ne un fragment BH2+.5

Posteriorment, sobre aquell compost nido- anterior, es pot donar una reacció de complexació en presència de CoCl2, en la qual el Co(II) dismuta per donar Co0 i un compost sand-vitx de Co(III): l’anió cobaltabis(dicarballur), de fórmula [3,3’-Co(1,2-C2B9H11)2]–.6

I, finalment, també sobre aquest mateix compost nido-, es potdur a terme una reacció d’inserció d’un nou vèrtex per tornara donar el corresponent clúster closo-, en aquest cas, mit-jançant l’addició d’àcids de Lewis, com ara els halurs de bor(BXnR(3-n), n = 2,3).7,4b–d

Síntesi d’orto-carborans iodatsper ser usats com a agentsde contrast Al nostre grup de recerca s’han desenvolupat diverses rutessintètiques per tal d’obtenir o-carborans altament iodats, ambla intenció d’usar-los com a agents de contrast als raigs X enbiomaterials polimèrics radioopacs.4 Per a aquesta aplicació re-sulta indispensable que l’agent de contrast contingui un grannombre d’àtoms de iode, ja que són els àtoms de iode els quepresenten un elevat coeficient d’absorció en aquesta radiació.8

Així, doncs, els clústers d’o-carborà B-iodats es considerenuns bons candidats per ser usats com a agents dopants decontrast en ciments ossis radioopacs, ja que contenen un ele-vat percentatge de iode per molècula (que pot arribar a ser del90 %). D’aquesta manera, per obtenir valors òptims de radio-opacitat dins de les pròtesis òssies, calen quantitats raonable-

23

FIGURA 1. Exemple de la relació estructural entre closo-, nido- i arachno- borans, tot

essent n = 12 i B–H.

SCQ_10_03_- 02/10/12 19:01 Página 23

ment petites d’o-carborans iodats, ja que són agents de con-trast altament efectius.

Tal com es mostra a l’esquema 1, s’han dissenyat diferentsvies de síntesi que han permès obtenir compostos B-iodats «a la carta», en les quals no només ha estat possible controlarel grau de iodació, sinó també la posició dels àtoms de iodedins del clúster d’o-carborà.

La substitució electrofílica dels hidrògens (units als bors) peràtoms de iode es pot realitzar a partir de diferents mètodes: a) en dissolució, o b) a partir d’un mètode desenvolupat pelnostre grup de recerca amb el qual no s’han d’emprar dissol-vents. En aquestes reaccions de substitució electrofílica, l’ordrede reactivitat de cadascun dels vèrtexs és: B(9,12) > B(8,10) >B(4,5,7,11) >> B(3,6), totalment coherent amb la decreixentdensitat electrònica en els diferents vèrtexs de bor (vegeu lanumeració dels vèrtexs de l’o-carborà a l’esquema 1).

A partir de les reaccions de substitució electrofílica en dissolu-ció, és possible obtenir derivats altament substituïts, com arael 4,5,7,8,9,10,11,12-I8-1,2-carborà, tot usant ICl i CF3SO3H(vegeu I en l’esquema 1).9 En aquesta reacció, s’han introduïtàtoms de iode en tots els vèrtexs de bor del clúster, excepte enels que estan connectats alhora als dos carbonis, o sigui, elsvèrtexs més empobrits electrònicament: el B(3) i el B(6).

Per aconseguir funcionalitzar una d’aquestes dues posicionsanteriors, que són poc favorables a una substitució electrofíli-ca, cal recórrer a l’estratègia sintètica següent: primer, s’had’eliminar el vèrtex de bor B(3) mitjançant una degradacióparcial de clúster closo-. Per fer possible aquesta reacció, s’u-tilitza un agent nucleòfil fort, com ara l’EtOK, per obtenir elcorresponent derivat aniònic nido- de l’o-carborà, anomenat[7,8-nido-C2B9H10]2– (vegeu II en l’esquema 1). Després, és ne-cessari dur a terme la inserció d’un nou vèrtex B-I amb l’ús delBI3, per obtenir novament un clúster closo- neutre, que té laposició B(3) iodada (vegeu III en esquema 1), és a dir, el com-post 3-I-1,2-C2B10H11.

A continuació, fent ús novament del clorur de iode i de l’àcidtríflic sobre el derivat anterior, és possible iodar la resta delsvèrtexs susceptibles a atacs nucleofílics per obtenir el derivatamb nou àtoms de iode, el 3,4,5,7,8,9,10,11,12-I9-1,2-C2B10H3(vegeu IV en l’esquema 1).4b

La preparació del derivat periodat de l’o-carborà passa per unplantejament sintètic similar a l’anterior: es comença per unadegradació parcial del compost 3-I-7,8-C2B10H11, que dónalloc al corresponent derivat nido- [6-I-7,8-C2B9H10]2–, i, segui-dament, s’insereix el vèrtex B-I que li manca al clúster. D’a-questa manera, s’obté un carborà closo- amb dos àtoms deiode sobre els vèrtexs no susceptibles a la substitució nucleo-

24 ESQUEMA 1. Ruta sintètica per a la iodació regioselectiva de compostos derivats de l’o-carborà: I: ICl/CF3SO3H; II: KOH/EtOH; III: BI3/hexà; IV: ICl/CF3SO3H; V: primer pas KOH/EtOH, segon

pas, eliminar EtOH, tercer pas BI3/hexà; VI: ICl/CF3SO3H; VII: 10 eq.I2/ 265 ºC/3,5 h. El color gris fosc es correspon amb un vèrtex C-H i el color lilós, a un vèrtex B-I.

SCQ_10_03_- 02/10/12 19:01 Página 24

fílica, el 3,6-I2-1,2-C2B10H10 (vegeu V en l’esquema 1). Arribataquest punt, només resta l’últim pas per aconseguir l’o-car-borà amb tots els deu vèrtexs de bor substituïts per àtoms deiode, que consisteix a sotmetre el derivat diodat anterior acondicions de iodació electrofílica usant ICl i CF3SO3H, perobtenir, finalment, el compost 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12-I10-1,2-C2B10H2 (vegeu VI en l’esquema 1).4a

Finalment, segons una reacció de substitució electrofílica enabsència de dissolvents, ha estat sintetitzat el precursor B-io-dat 8,9,10,12-I4-C2B10H8 amb una molt bona selectivitat (vegeu VII en l’esquema 1).4g Aquest mètode de síntesi resultamolt més net, ràpid i efectiu que no pas qualsevol dels mèto-des en dissolució, ja que, d’una banda, no s’utilitzen dissol-vents i, de l’altra, es recupera gairebé tot l’excés d’un dels re-actius (I2) per sublimació; per tant, és un mètode amb unaelevada eficiència atòmica.

En aquesta reacció s’afegeixen directament els dos sòlids, l’o-carborà i l’I2, dins d’un tub de vidre Pyrex™. Seguidament, escongela el tub amb nitrogen líquid i se segella al buit amb unatorxa de propà/O2. La reacció es du a terme dins d’un forn, onl’ascens de la temperatura és progressiu, fins que s’assoleix latemperatura màxima de treball de 265 ºC durant 3,5 h. Percada molècula de iode que genera un nou enllaç B-I, esdesprèn un mol de iodur d’hidrogen, fet que fa augmentarconsiderablement la pressió dins del tub. A temperatura ipressió elevades, el iode es troba en estat líquid i dissol l’o-carborà, per la qual cosa no es pot considerar una reacció enestat sòlid. Un cop finalitzada la reacció, se sublima l’excés deiode i s’obté, amb un rendiment del 93 %, un sòlid d’aspectecristal·lí que correspon al derivat tetraiodat de l’o-carborà.

Funcionalització d’o-carboransiodats per obtenir estructuresdendrimèriques útils per a BNCTLa BNCT (boron neutron capture therapy) és un sistema binaride radioteràpia que consisteix en la irradiació d’un feix deneutrons lents sobre compostos que continguin un elevatnombre d’àtoms de bor. Aquesta teràpia de captura de neu-trons per part dels àtoms de bor, que va ser descoberta per Lo-cher l’any 1936, es fonamenta en la capacitat de l’isòtop 10B(d’una abundància natural del 19,8 %) per absorbir neutrons

tèrmics i transformar-se en un nucli excitat de 11B. Com aconseqüència d’això, s’alliberen ràpidament per fissió nuclearpartícules �a (4He2+), ions 7Li3+ i, en la majoria dels casos, fo-tons gamma (vegeu la figura 2).

Aquests ions generats són altament energètics, però tenenuna trajectòria força curta, aproximadament d’un diàmetrecel·lular de 10 m, i durant el seu recorregut seran capaços deproduir exclusivament la mort de la cèl·lula on hagin estatalliberats. Resulta imprescindible, per tant, que el fàrmac, queté un elevat contingut en bor, es trobi situat dins del tumor,de manera que les partícules energètiques que s’alliberarandestruiran únicament cèl·lules cancerígenes, mentre que lescèl·lules sanes del voltant restaran intactes.

La recerca en el camp de la BNCT està enfocada a l’optimitza-ció dels fàrmacs que s’utilitzen, que han de ser alhora efectiusi eficients. Primer, és necessari aconseguir compostos efi-cients, és a dir, que continguin un elevat nombre d’àtoms debor, la qual cosa faci augmentar la quantitat de partículesenergètiques generades. I segon, cal funcionalitzar aquestscompostos de bor amb grups portadors (hidrats de carboni,pèptids, aminoàcids i porfirines, entre d’altres)10 que tinguinespecificitat per les cèl·lules cancerígenes, de manera queaugmenti l’eficàcia de la tècnica.

Per tal d’obtenir compostos amb un elevat percentatge d’à-toms de bor, que resultin prou efectius per a la BNCT, una ma-nera pot ésser sintetitzant molècules ramificades que puguinactuar de nuclis d’estructures dendrimèriques (tipus dendró).

Els dendrons són macromolècules tridimensionals de midacontrolada, d’estructura ramificada ben definida i, a diferèn-cia dels polímers ramificats (que tenen un elevat grau de poli-dispersió a causa de la seva síntesi aleatòria), són monodis-persos. La síntesi d’aquest tipus de macromolècules es dóna

25

FIGURA 2. Esquema de la tècnica del BNCT, reacció d’absorció de neutrons tèrmics per

part de l’isòtop 10B.

SCQ_10_03_- 02/10/12 19:01 Página 25

mitjançant reaccions «en cascada», és a dir, a partir d’una se-qüència iterativa d’etapes de reacció. Amb cada nova etapa,s’aconsegueix fer créixer el dendró afegint una generació su-perior. L’estructura en forma d’arbre dels dendrons consta detres parts: el nucli (o core), d’on neixen les diferents branques;les branques unides al nucli, que s’estenen de forma radial, i laperifèria, on es troben els grups funcionals que determinen elcomportament químic i físic del compost, com, per exemple,la viscositat, la solubilitat o l’estabilitat tèrmica.11

El nucli d’un dendró ha de ser una molècula versàtil que perme-ti un elevat grau de creixement de l’estructura dendrimèrica.Per això ha de contenir grups funcionals prou reactius que n’a-favoreixin la ramificació. Així, al nostre grup de recerca s’hansintetitzat clústers d’o-carborà tetrasubstituïts acabats amb di-ferents grups orgànics funcionals (alquens, alcohols, halògens,azides) que es poden considerar uns nuclis de dendrons moltvàlids per a aquesta aplicació, ja que és possible tenir estructu-res dendrimèriques amb un elevat contingut en bor.

L’obtenció d’aquests nuclis de dendrons es dóna gràcies a lasubstitució dels enllaços B-I del compost 8,9,10,12-I4-1,2-C2B10H8 per enllaços B-C, mitjançant una reacció catalíticad’acoblament creuat de Kumada. En aquesta reacció, s’utilitzaun reactiu de Grignard com a font de grup orgànic en presèn-cia d’un catalitzador de pal·ladi [PdCl2(PPh3)2] i de CuI com acocatalitzador. Aquest tipus d’acoblament s’ha realitzat ambdiferents reactius de Grignard, com ara clorurs d’al·lil, de fenilo de vinilmagnesi, tot obtenint compostos tetrasubstituïtsamb diferents cadenes orgàniques (R), de tipus 8,9,10,12-R4-closo-1,2-C2B10H8.12

Posteriorment, sobre aquestes cadenes orgàniques unides alclúster d’o-carborà, s’han dut a terme noves reaccions de fun-cionalització per obtenir grups orgànics terminals més reactiusdavant de properes reaccions de creixement dendrimèric.Aquestes reaccions poden ser d’acoblament amb altres clústersde carborà, per fer augmentar el contingut en bor de la macro-molècula, o bé amb molècules biològiques, per aconseguirdendrons amb una certa especificitat per les cèl·lules tumorals.

Referències[1] Grimes, R. N. Carbaboranes. 2a ed. Academic Press: NovaYork, 2011.

[2] a) Williams, R. E. Inorg. Chem. 1971, 10, 210. Mingos, D.M. P. Nature (Phy. Science) 1972, 236, 99. b) Wade, K. J. Chem. Soc. D 1971, 792. c) Wade, K. Adv. Inorg. Chem. Radiochem. 1976, 18, 1. d) Williams, R. E. Adv. Inorg. Chem.Radiochem. 1976, 18, 67. e) Rudolph, R. W.; Pretzer, W. R. Inorg. Chem. 1972, 11, 1974. f ) Rudolph, R. W. Acc.Chem. Res. 1976, 9, 446.[3] Teixidor, F.; Viñas C. a Science of Synthesis. Thieme:Stuttgart, 2005, vol. 6, p.1235, i referències que se citen.[4] a) Teixidor, F.; Barberà, G.; Viñas, C.; Sillanpää, R.; Kive-käs, R. Inorg. Chem. 2006, 45, 3496. b) Barberà, G.; Teixidor,F.; Viñas, C.; Sillanpää, R.; Kivekäs, R. Eur. J. Inorg. Chem.2003, 1511. c) Barberà, G.; Teixidor, F.; Vaca, A.; Sillanpää, R.;Kivekäs R.; Viñas C. Inorg. Chem. 2008, 47, 7309. d ) Barberà,G.; Viñas, C.; Teixidor, F.; Rosair, G. M.; Welch, A. J. J. Chem.Soc., Dalton Trans. 2002, 3647. e) Puga, A. V.; Teixidor, F.; Si-llanpää, R.; Kivekäs, R.; Arca, M.; Barberà, G.; Viñas, C. Chem.Eur. J. 2009, 15, 9755. f ) Puga, A. V.; Teixidor, F.; Sillanpää,R.; Kivekäs, R.; Viñas, C. Chem. Eur. J. 2009, 15, 9764.d ) Vaca, A.; Teixidor, F.; Kivekäs, R.; Sillanpää, R.; Viñas, C.Dalton Transactions 2006, 4884. h) Teixidor, F.; Barberà, G.; Viñas, C.; Sillanpää, R.; Kivekäs R. Dalton Transactions2007, 1668.[5] Hawthorne, M. F.; Young, D. C.; Garret, P. M.; Owen, D. A.;Tebbe, F. N.; Wegner, P. A. J. Am. Chem. Soc. 1968, 90, 862.[6] Hawthorne, M. F.; Andrews, T. D. J. Chem. Soc., Chem.Comm. 1965, 443.[7] Hawthorne, M. F.; Wegner, P. A. J. Am. Chem. Soc. 1968, 90, 896.[8] Saralidze, K.; Hooy-Corstjens, C. S. J. van; Koole, L. H.;Knetsch, M. L. W. Biomaterials 2007, 28, 2457.[9] Srivastava, R. R.; Hamlin, D. K.; Wilbur, D. S. J. Org. Chem.1996, 61, 9041.[10] a) Plešek, J. Chem. Rev. 1992, 92, 269. b) Prashar, J. K.;Moore, D. E. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1993, 1051. c) Schaeck,J. J.; Kahl, S. B. Inorg. Chem. 1999, 38, 204. d) Fanning, J. C. Coord. Chem. Rev. 1995, 140, 27. e) Mehta, S. C.; Lu, D. R.Pharm. Res. 1996, 13, 344. f ) Barth, R. F.; Soloway, A. H.; Brug-ger, R. M. Cancer Invest. 1996, 14, 534. g) Grimes, R. N. J. Chem.Educ. 2004, 81, 658. h) Hawthorne, M. F.; Maderna, A. Chem. Rev. 1999, 99, 3421.[11] a) Newkome, G. R. Advances in dendritic macromolecules.JAI: Greenwich, 1996. b) Fisher, M.; Vögtle, F. Angew. Chem.Int. Ed. 1999, 38, 885.[12] Puga, A. V.; Teixidor, F.; Sillanpää, R.; Kivekäs, R.; Viñas, C.Chem. Commun. 2011, 47, 2252.26

SCQ_10_03_- 02/10/12 19:01 Página 26

27

Ariadna Pepiol és llicenciada en ciències químiques per la Universitat Autònoma de Barcelona (2005) i actualment està realitzant la tesi doctoral sobre la funcionalització de clústers d’o-carborà per ser usats en diferents aplicacions mèdiques a l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona, del CSIC.

Albert Vaca és llicenciat en química per la Universitat de Barcelona (2000) i doctor en química per la Universitat Autònomade Barcelona (2007), amb la tesi titulada Regioselectivitat en l’orto-carborà: Mono- i multisubstitució. Clústers de bor en lí-quids iònics. Actualment, és investigador a la Queen’s Universtiy de Belfast, on treballa en col·laboració amb multinacionalscom Invista o Petronas per millorar l’eficiència i reduir les emissions atmosfèriques de processos químics o petroquímics em-prant líquids iònics.

Clara Viñas és llicenciada en ciències químiques per la Universitat Autònoma de Barcelona (1975) i en farmàcia per la Uni-versitat de Barcelona (1980). Va iniciar-se en la recerca als laboratoris del professor Ralph W. Rudolph, a la University ofMichigan, durant un any. De tornada a Barcelona, va treballar a la indústria i, posteriorment, va guanyar una plaça al Labo-ratori Municipal de Sabadell, del qual va ser la directora. Es va doctorar en farmàcia per la Universitat de Barcelona l’any1991 i, l’any següent, va guanyar una plaça de científica titular a l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona, del CSIC.Va passar a ser científica titular l’any 2002 i és professora d’investigació des del 2006. Al llarg de la seva carrera científica,ha dirigit set tesis doctorals i dotze treballs de recerca, ha publicat més de dos-cents nou articles científics en revistes inclo-ses al SCI, disset capítols de llibre i un capítol d’enciclopèdia, entre d’altres.

Francesc Teixidor es va llicenciar en ciències químiques per la Universitat Autònoma de Barcelona l’any 1975 i es va docto-rar per la mateixa Universitat el 1979. Després, va marxar a la University of Michigan per fer una estada postdoctoral amb elprofessor Ralph W. Rudolph, durant dos anys i mig. De tornada a Barcelona, es va incorporar a la Universitat Autònoma deBarcelona com a professor adjunt de química. L’any 1987, va guanyar una plaça d’investigador científic del CSIC a l’Institutde Ciència de Materials de Barcelona, del qual és professor d’investigació des del 1999. Al llarg de la seva carrera científica,ha dirigit tesis doctorals i ha publicat més de dos-cents setanta articles científics en revistes incloses al SCI, vint-i-quatrecapítols de llibre i un capítol d’enciclopèdia, entre altres aportacions científiques.

A. Pepiol A. Vaca C. Viñas F. Teixidor

SCQ_10_03_- 02/10/12 19:01 Página 27

28

Introducció

Lanostra vida quotidiana està plena d’accions rutinàries sobre les quals no parem cap mena d’a-tenció. Però com és capaç de transmetre el nostrecervell l’ordre de moure el braç o d’articular unesdeterminades paraules?

Si imaginem el cervell com una gran xarxa d’autopistes for-mada per neurones, podrem fer-nos la idea del que està pas-sant. A mesura que una neurona rep missatges de les cèl·lulesque l’envolten, una càrrega elèctrica (o impuls nerviós) s’acu-mula. Aquesta descàrrega es desplaça a través de la neuronafins que arriba a l’axó. Allà es desencadena l’alliberamentd’uns missatgers químics anomenats neurotransmissors, quees mouen des de l’axó fins a la part superior d’una neuronaveïna (figura 1). Així, podríem dir que els neurotransmissors

són els vehicles emprats pel nostre organisme per fer arribarels missatges d’un lloc a un altre.

Nous dendrímers quirals multifuncionalsNew multifunctional chiral dendrimersRaquel Gutiérrez, Ona Illa i Rosa Maria Ortuño*Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química

Resum. Els dendrímers són (nano)arquitectures moleculars amb una mida i un nombre de grups terminals ben definits. Aques-tes molècules tenen aplicacions potencials com a biomaterials, medicaments o hostes. En el present treball, s’ha dut a terme la síntesi d’uns nous dendrímers ciclobutànics quirals multifuncionals a través d’una estratègia convergent. Aquesta meto-dologia sintètica, que consisteix en la unió al nucli d’uns dendrons prèviament sintetitzats, condueix a dendrímers de pes mo-lecular monodispers més fàcils de purificar. Al nostre laboratori s’han utilitzat, com a nuclis, benzens 1,3,5-trisubstituïts, mentre que, com a dendrons, s’han utilitzat un γ, ε-aminodiàcid ciclobutànic multifuncional i el tetrapèptid resultant de l’acoblament del γ, ε-aminodiàcid amb tres residus de GABA (àcid gamma-aminobutíric) convenientment funcionalitzats.Les propietats estructurals d’aquestes molècules i llurs possibles aplicacions en el camp dels nous materials estan sent estudiades.

Paraules clau: Dendrímers, ciclobutans, quiralitat, γ-aminoàcids, pèptids.

Abstract. Dendrimers are highly-branched molecular (nano)architectures of well defined size and number of terminal groups.These molecules have potential applications as biomaterials, drugs or hosts. In the present work, new chiral multifunctionalcyclobutane dendrimers have been synthesized through a convergent approach. This synthetic methodology, which consists inthe attachment of pre-synthesized dendrons to the core, leads to dendrimers of monodisperse molecular weight which are ea-sier to purify. In our laboratory 1,3,5-trisubstituted benzenes have been used as cores, whereas a multifunctional cyclobutaneγ, ε-amino diacid and the tetrapeptide resulting from the coupling of the γ, ε-amino diacid an three conveniently protectedGABA (gamma-aminobutiric acid) residues, have been used as dendrons.Structural properties of these molecules and their possible applications in the field of new materials are under study.

Keywords: Dendrimers, cyclobutans, chirality, γ-amino acids, peptides.

Correspondència: Rosa Maria Ortuño. Universitat Autònoma de Barcelona. Departament

de Química

Campus UAB. Edifici Ciències Nord. 08193 Bellaterra. Cerdanyola del Vallès

Tel.: +34 935 811 602. Fax:+34 935 812 477



FIGURA 1. Representació esquemàtica del mecanisme de neuro transmissió neuronal o

sinapsi.

SCQ_10_04__ 02/10/12 19:02 Página 28

Un tipus de neurotransmissor són els γ-aminoàcids i les es-tructures relacionades. Dins d’aquest grup, cal destacar l’àcidγ-aminobutíric (GABA), que és el neurotransmissor inhibitoriper excel·lència. Aquest presenta efectes relaxants i anticon-vulsius, i s’ha demostrat que els desordres en la seva biosíntesiestan relacionats amb l’ansietat, la depressió, l’epilèpsia i l’es-quizofrènia. Per tant, sembla que els γ-aminoàcids, com a anà-legs del GABA que són, presenten una aplicació potencial coma fàrmacs. És per aquest motiu que el nostre grup de recercaestà interessat en la preparació de molècules d’aquest tipus.

Tanmateix, abans d’endinsar-nos en els aspectes sintètics,caldrà considerar els aspectes estructurals. Els aminoàcids ipèptids petits presenten una elevada flexi bilitat conformacio-nal, motiu pel qual poden interaccionar amb múltiples recep-tors. Per evitar aquesta proble màtica, cal introduir alguna res-tricció conformacional, de tal manera que es potenciïl’activitat biològica com a conseqüència d’unes majors estabi-litat metabòlica i selectivitat. Un bon mètode per restringir lesconforma cions accessibles és la introducció d’un carbocicletensionat. Mitjançant l’ús d’aquest element, es pot accedir adiverses estructures secundàries, la qual cosa ens permetriaestablir una relació estructura–activitat. Aquesta informaciópot ser emprada en el disseny racional de pèptids com a fàr-macs. A l’hora de treballar amb molècules amb una activitatbiològica potencial, no es pot obviar el fet que cada enantiò-

mer presenta una resposta diferent enfront d’un mateix re-ceptor. És per aquest motiu que caldrà dur a terme una síntesienantioselectiva.

Tal com ja s’ha comentat anteriorment, el nostre grup de re-cerca posseeix una àmplia experiència en la síntesi i l’estudiestructural de γ-aminoàcids i γ-pèptids ciclobutànics quirals.En estudis previs, s’ha posat a punt una ruta sintètica en laqual, partint de (–)-verbenona com a precursor quiral, es pre-parava l’intermedi clau 2, a partir del qual es podia accedir ados tipus d’aminoàcids (esquema 1). D’una banda, es van pre-parar aminoàcids en els quals l’anell ciclobutànic forma partde l’esquelet;1 l’acoblament peptídic d’aquests residus condueixa γ-pèptids policiclobutànics. D’altra banda, es podia acce-dir a γ-aminoàcis en els quals l’anell ciclobutànic forma partde la cadena lateral (esquema 1); si parem atenció a l’estruc-tura ramificada d’aquestes molècules, podem pensar en la sevaaplicació en la síntesi de dendrímers γ-peptídics. En el presenttreball, ens centrarem en aquest darrer tipus de molècules.

Els dendrímers són molècules polimèriques formades per uni-tats monomèriques ramificades o dendrons que emanen ra-dialment d’un cor central. Per tant, els dendrímers presententres regions diferenciades: el nucli (o cor), l’interior (o bran-ques) i la perifèria (o grups terminals) (figura 2).2 El que famés interessants aquestes molècules és la possibilitat de mo-

29Esquema 1.

SCQ_10_04__ 02/10/12 19:02 Página 29

dular-ne i controlar-ne la mida, l’estructura, la solubilitat i lespropietats químiques a través de la modificació d’alguna deles seves regions.

Síntesi de γ-aminoàcidsciclobutànics3

Tradicionalment, en el nostre grup d’investigació, s’han usat ter-pens quirals com a producte de partida per a la síntesi de deri-vats ciclobutànics. En una primera etapa, té lloc el trencamentoxidatiu del doble enllaç C-C de la (–)-verbenona, seguit de des-carboxilació (esquema 2). La utilització de RuO4 com a oxidant

condueix quantitativament a l’àcid (–)-cis pinonònic 2 senseque s’hi observi epimerització. A continuació, es procedeix ametilar l’àcid en condicions no epimeritzants. Seguidament, calreduir selectivament el carbonil d’èster en presència del grupmetilcetona. És per això que, primer de tot, s’ha de protegir elgrup cetona en forma d’acetal. Un cop protegida la metilcetona,es procedeix a reduir l’èster a aldehid. El compost obtingut 3,que és poc estable, s’usa directament en la condensació de Wit-tig amb el (t-butoxicarbonilmetilen) trifenilfosforà per obtenirla barreja isomèrica de les olefines 4 amb un 86 % de rendimentglobal. Aquesta barreja no se separa, ja que, a l’etapa següent,ambdós isòmers convergeixen en el mateix compost. D’aquestaforma, les olefines se sotmeten a una addició conjugada de ti-pus Michael de nitrometà. Tal com es veu a l’esquema 3, la subs-titució gem-dimetil de l’anell ciclobutànic indueix una diaste-reoselectivitat facial total. Així, l’atac del nitrometà està afavo-rit per la cara re de l’olefina, tot obtenint com a únic producte elnitroadducte 5 òpticament pur i generant un nou centre este-reogènic de configuració absoluta S, la qual es va assignar peranàlisi estructural mitjançant difracció de raigs X.

El grup nitro- es redueix amb hidrogen molecular sota catàliside pal·ladi (l’hidrogen es genera in situ a través de la descom-posició tèrmica del formiat amònic) i s’obté, amb un 96 % derendiment, el γ-aminoàcid 6, que és un intermedi versàtil,atès que permet accedir tant a aminoàcids ciclobutànics coma pèptids amb nucli ciclobutànic. Així, si el grup amino- esprotegeix com a carbamat de benzil usant el corresponentcloroformiat i NaHCO3 com a base, s’obté, amb un 70 % derendiment, un γ-aminoàcid ortogonalment protegit (7).

30ESQUEMA 2.

FIGURA 2. Morfologia d’un dendrímer.

SCQ_10_04__ 02/10/12 19:02 Página 30

Tot seguit, es procedeix a modificar el «braç esquerre» del ci-clobutà. Primer de tot, s’hidrolitza l’acetal d’etilenglicol alli-berant el grup metilcetona amb un rendiment gairebé quanti-tatiu. A continuació, aquest se sotmet a una degradació deLieben, de tal manera que s’obté el corresponent àcid carboxí-lic amb un rendiment del 97 %. Sense cap tipus de purificació,es destil·la diazometà sobre l’àcid per aïllar, després de les pu-rificacions pertinents, el γ, ε-aminodiàcid ciclobutànic 8 orto-gonalment protegit amb un 17 % de rendiment global des dela (-)-verbenona.

Síntesi de γ-pèptids amb nucliciclobutànic4

Tal com s’ha comentat anteriorment, l’amina 6 és un interme-di versàtil que ens permet accedir tant a aminoàcids com apèptids amb nucli ciclobutànic. Per preparar aquest darrer tipus de productes (esquema 4), l’amina 6 es fa reaccionaramb un residu de CbzN-GABA en condicions d’acoblamentpeptídic, per tal d’assolir el dipèptid híbrid ortogonalment pro-

tegit 9. De forma anàloga a la síntesi de l’aminoàcid, es modi-fica el «braç esquerre» del ciclobutà i s’obté l’àcid carboxíliccorresponent, que es fa reaccionar, en condicions d’acobla-ment peptídic, amb un residu de GABA-OMe i s’aïlla el tripèp-tid 10. A continuació, s’hidrolitza l’èster tert-butílic del tri-pèptid obtingut amb àcid trifluoroacètic usant Et3SiH com acatalitzador. Aquest àcid carboxílic es fa reaccionar amb unresidu de GABA-OtBu, en condicions d’acoblament peptídic,per obtenir el tetrapèptid ramificat 11 ortogonalment protegitamb un 31 % de rendiment global des de la (–)-verbenona.

Si parem atenció a l’estructura del tetrapèptid 11, veu rem queaquest està format per dos tipus d’unitats. D’una banda, pre-senta un nucli ciclobutànic amb una elevada restricció con-formacional. D’aquest pengen tres residus de GABA, que sónunitats amb una gran llibertat conformacional. És per aquestmotiu que ens va semblar interessant determinar si la molè-cula presentava una estructura secundària definida, promo-guda per la formació d’enllaços d’hidrogen intramoleculars.Amb aquest objectiu, es va dur a terme un estudi estructuralen solució per a la sèrie del dipèptid 9, tripèptid 10 i tetrapèp-tid 11 ortogonalment protegits.

Diversos experiments de RMN ens van aportar indicis de l’e-xistència d’enllaços d’hidrogen intramoleculars a tota la sèriede pèptids ortogonalment protegits (figura 3). Així, podríemdir que l’anell ciclobutànic és un bon inductor d’estructuressecundàries. Si a això sumem el fet que les molècules prepa-rades són ramificades i que presenten una naturalesa multi-funcional, podríem pensar en aquestes com a bones candida-tes per a la síntesi de dendrímers.

31ESQUEMA 4.

ESQUEMA 3.

SCQ_10_04__ 02/10/12 19:02 Página 31

Síntesi de dendrímers peptídicsEls dendrímers són una nova varietat de polímers que es carac-teritzen pel fet de presentar una estructura ramificada regular.Un tipus especial de dendrímers que ha creat moltes expectati-ves són aquells que contenen un eix de simetria C3. Recentment,ha aparegut un elevat nombre de referències a la literatura rela-cionades amb l’ús d’aquestes molècules com a agents de nu-cleació a polímers,5,6 com a additius per a vacunes o per al trac-tament del càncer,7–9 com a organocatalitzadors,10 com aorganogeladors,11 com a hostes supramoleculars,10 etc. Tenint en compte això, ens vam plantejar la síntesi de 1,3,5-benzen-triamides i triurees, ja que es poden preparar a partir de produc-tes disponibles comercialment i existeix un gran nombre de re-ferències a la bibliografia sobre les seves propietats i aplicacions.

L’estratègia sintètica per la qual vam optar va ser la conver-gent, que consisteix en la unió a un nucli d’uns monòmerspreformats (figura 4). Com a conseqüència, s’obtenen produc-tes amb un pes molecular monodispers que són més fàcils depurificar. En el nostre cas, vam usar, com a nucli, un anellbenzènic 1,3,5-trifuncionalitzat, i com a monòmers, l’amino-àcid 8 i el tetrapèptid 11 prèviament sintetitzats (figura 5).

Abans d’endinsar-nos en la síntesi, va caldre explorar la reac-tivitat dels diferents nuclis aromàtics i posar a punt una me-todologia sintètica. D’aquesta forma, vam poder determinarque, en el cas que el dendró presentés un grup amino-, podíemaccedir a triamides C=O centrades, per reacció amb el clorurde trimesoïl, o a triurees, si aquests es feien reaccionar amb elcorresponent triisocianat (figura 6). En canvi, si el dendró pre-sentava un grup carboxil, només podíem accedir a triamidesN-centrades, per reacció amb l’1,3,5-triaminobenzè (figura 6).

32

FIGURA 3. Representació dels enllaços d’hidrogen intramoleculars presents a la sèrie de

pèptids ortogonalment protegits.

FIGURA 4. Representació esquemàtica de l’estratègia convergent.

FIGURA 5. Materials de partida emprats en la síntesi de dendrímers C3-simètrics.

FIGURA 6. Representació del tipus de molècules a les quals es pot accedir partint de nu-

clis benzènics trifuncionalitzats.

SCQ_10_04__ 02/10/12 19:02 Página 32

Així, quan ja disposàvem d’una ruta sintètica adequa da, vampreparar una família de dendrímers C3 simètrics de primera ge-neració. Es van sintetitzar triamides N-centrades, triamides C=Ocentrades i triurees. Pel que fa als monòmers, es va usar tant el γ, ε-aminodiàcid ciclobutànic (8) com el tetrapèptid amb nucliciclobutànic (11). Per tant, disposem d’una varietat suficient deproductes per poder determinar quins són els efectes del grupconnector nucli–monòmer, així com de la longitud de l’espaiadornucli–monòmer. És per aquest motiu que actualment s’està du-ent a terme un estudi estructural complet de la família de pro-ductes sintetitzats. Així mateix, es preveu estudiar la seva apli-cabilitat en el camp dels organogeladors i dels nous materials.

ConclusionsEn el present treball s’ha descrit la síntesi enantioselectiva d’unγ, ε-aminodiàcid ciclobutànic i d’un tetrapèptid amb nucli ci-clobutànic ortogonalment protegits (8 i 11). L’estudi estructuralde 9, 10 i 11 ens ha permès determinar que l’anell ciclobutànicés un bon inductor d’estructures secundàries. Finalment, s’haaprofitat aquesta capacitat de l’anell ciclobutànic, a més de lanaturalesa ramificada i multifuncional de les molècules prèvia-ment descrites, per preparar una família d’1,3,5-benzentriami-des i triurees que actualment s’està estudiant en l’àmbit estruc-tural. Cal destacar que ens trobem davant dels primersexemples de síntesi de dendrímers ciclobutànics quirals.

Referències

[1] Rouge, P. D.; Moglioni, A. G.; Moltrasio, G. Y.; Ortuño, R. M.Tetrahedron: Asymmetry 2002, 14, 193.[2] Lee, C. C.; MacKay, J. A.; Fréchet, J. M.; Szoka, F. C. Nat.Biotechnol. 2005, 23, 12.[3] Aguilera, J.; Gutiérrez-Abad, R.; Mor, A.; Moglioni, A. G.;Moltrasio, G. Y.; Ortuño, R. M. Tetrahedron: Asymmetry 2008,19, 2864.[4] Gutiérrez-Abad, R.; Illa, O.; Ortuño, R. M. Organic Letters2010, 12, 3148.[5] Mohmeyer, N. (et al.). Polymer 2007, 48, 1612.[6] Blomenhofer, M. (et al.). Macromolecules 2005, 38, 3688.[7] Wieckowski, S. (et al.). Biochemistry 2007, 46, 3482.[8] Trouche, N. (et al.). J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 13480.[9] Kornbluth, R. S. (et al.). Journal of Leukocyte Biology 2006,80, 1084.[10] Pintér, A. (et al.). Eur. J. Org. Chem. 2008, 2375.[11] a) Ito, H.. Yamanaka, H.; Tateiwa, J.-I.; Hosomi, A. Tetrahe-dron Lett. 2000, 41, 6821. b) Takahashi, K.; Ishiyama, T.; Mi-yaura, N. Chem. Lett. 2000, 29, 982.[12] Loos, M. (et al.). Tetrahedron 2007, 63, 7285.

33

SCQ_10_04__ 02/10/12 19:02 Página 33

34

Raquel Gutiérrez va néixer a Tarragona l’any 1985. El juliol de 2007, va obtenir la llicenciatura en química per la UAB. Lla-vors va iniciar, a la mateixa Universitat, els seus estudis de doctorat, sota la tutela de la professora Rosa Maria Ortuño i ladoctora Ona Illa. La seva tesi, que actualment es troba en curs, està centrada en la síntesi i l’estudi de gamma-pèptids ciclo-butànics.

Ona Illa va néixer a Barcelona l’any 1978. Va obtenir la llicenciatura en química l’any 2000 per la UAB. Llavors va iniciar, a lamateixa Universitat, els seus estudis de doctorat, sota la tutela dels professors Rosa Maria Ortuño i Vicenç Branchadell, tottreballant en la síntesi de fosfino(silil)carbens i diazocompostos i en la seva reactivitat enfront de compostos carbonílics iolefines. L’any 2006, va dur a terme una estada postdoctoral durant sis mesos al grup del professor Antoine Baceiredo, a To-losa (França), on va treballar amb bisilurs de sofre i fòsfor. Al juny del mateix any, va començar una estada de dos anys algrup del professor Varinder Aggarwal, a Bristol (Regne Unit), on va treballar en la síntesi i aplicacions de nous sulfurs quirals.Actualment, és professora lectora al Departament de Química de la UAB.

Rosa Maria Ortuño va néixer a Barcelona l’any 1951. Va estudiar química a la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB),tot obtenint el grau de doctora l’any 1977. La seva tesi, dirigida pel professor Fèlix Serratosa, es va centrar en l’estudi de lasíntesi de l’alcohol de patxulí. Després, es va traslladar a París, on va fer una estada postdoctoral al grup de la professoraJacqueline Ficini, a la Université Pierre et Marie Curie, tot treballant en la síntesi d’alcaloides relacionats amb la yohimbina ila reserpina. Seguidament, es va reincorporar a la UAB, tot esdevenint professora titular l’any 1984 i catedràtica de químicaorgànica, el 1993. Els seus interessos científics són amplis i les línies de recerca en què treballa van des del disseny i sínteside noves biomolècules i el seu estudi estructural amb l’objectiu de trobar candidats com a fàrmacs o nous biomaterials finsal desenvolupament de noves metodologies sintètiques i la investigació dels mecanismes de reacció. Dirigeix el grup de Síntesi, Estructura i Reactivitat Químiques al Departament de Química de la UAB, on, des de l’any 2009, coordina els estudisde màster i doctorat.

SCQ_10_04__ 02/10/12 19:02 Página 34

Introducció

En l’art, els infinits matisos melòdics, de llums ide colors que percebem en una obra acabadasón el resultat del mestratge de l’artista al’hora de combinar un nombre molt petit denotes musicals o de pigments. La bellesa quederiva d’aquesta aparent complexitat no ésres més que el resultat de les mescles sorgides

de la inspiració de l’artista i d’uns elements bàsics extrema-ment senzills.

En la ciència, com en l’art, la mesura obtinguda sembla cadacop més difícil d’interpretar, però la complexitat que sugge-reix l’observació directa és sovint aparent i també pot ser des-crita per uns models bàsics altament simples i, per què no dir-ho, bells, ja que ens condueixen al coneixement científic demanera clara i precisa.

La quimiometria sorgeix com a disciplina que posa les einesestadístiques i matemàtiques al servei de la interpretació dela mesura química.1,2 No és, doncs, una branca teòrica aliena

al coneixement químic, sinó que pren el problema químiccom a punt de referència i desenvolupa i adapta mètodesd’anàlisi de dades potents i rigorosos a les característiquesespecífiques de la naturalesa del problema en estudi i deltipus de mesura que s’utilitza per a la seva investigació. In-dependentment del tipus de recerca que es dugui a terme,en quimiometria sempre regna el principi de parsimònia,l’esperit del qual fou introduït pel filòsof Guillem d’Occam,3

que estableix que el millor mètode o model és semprel’alternativa més simple que permet explicar el fenomen ob-jecte d’estudi.4

Els mètodes de resolució multivariant són un dels millorsparadigmes del principi de parsimònia. Són matemàticamentmolt simples, donen models petits de mida, fan ús del com-portament natural de la mesura química i proporcionen re-sultats directes amb sentit químic.5 Per fer-ne una ràpidadescripció, tan sols cal dir que proporcionen models linealsi additius que descriuen l’evolució/variació d’un sistema(químic, biològic o ambiental) com la suma sospesadad’un nombre petit de contribucions bàsiques o components.La manera en què es produeix la transició des de la informa-ció de les dades originals fins al model de contribucionsbàsiques i la variació de la definició de component peradaptar els mètodes de resolució a l’estudi de problemàti-ques extremament diverses són els temes que seran desen-volupats a les seccions següents.

35

Resolució multivariant en química: a la recerca de la bella simplicitatde la mesuraMultivariate resolution in chemistry: seeking the beautiful simplicityof the measurement Anna de Juan,1,* Joaquim Jaumot,1 Raimundo Gargallo1 i Romà Tauler21Universitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament de Química Analítica. Grup de Quimiometria2IDAEA-CSIC, Barcelona

Al Dr. Casassas, agraint el mestratge científic i els bons consells

Resum. En quimiometria, existeix una família de mètodes, coneguts sota la denominació comuna de resolució multivariant,que permeten descriure fenòmens molt complexos i diversos a partir de la combinació de poques contribucions bàsiques fàcil-ment interpretables. La versatilitat i simplicitat dels models de resolució multivariant han fet que s’hagin aplicat amb èxit enel modelatge de processos d’origen químic i bioquímic i en la interpretació de dades -òmiques i ambientals.

Paraules clau: Quimiometria, resolució multivariant, MCR-ALS.

Abstract. There is a family of chemometric methods, called multivariate resolution methods, which allows the description ofvery diverse and complex phenomena through the combination of a small number of basic and easily interpretable contribu-tions. The versatility and simplicity of the multivariate resolution models explains their successful application in modelingchemical and biochemical processes and in the interpretation of –omic and environmental data.

Keywords: Chemometrics, multivariate resolution, MCR-ALS.

Correspondència: Anna de Juan. Universitat de Barcelona. Facultat de Química.

Departament de Química Analítica. Grup de Quimiometria

C. de Martí i Franquès, 1-11. 08028 Barcelona

Tel.: +34 934 039 778. Fax: +34 934 021 233



SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 35

36

Fonaments dels mètodesde resolució multivariant.La recuperació del modelde la mesuraLa millor manera d’explicar el funcionament dels mètodesde resolució multivariant és triar un exemple químic ques’hi adapti perfectament, com ara les dades espectroscòpi-ques. La mesura espectroscòpica segueix la llei de Lambert-Beer, que és formalment idèntica al model bàsic dels mèto-des de resolució multivariant. Tal com ja s’ha indicatanteriorment, aquests mètodes s’orienten a descriure l’evo-lució d’un sistema químic seguit mitjançant una mesuramultivariant. Tal sistema podria ser un procés seguit espec-troscòpicament, tot considerant el terme procés en un sen-tit ampli, que inclouria des d’una reacció química fins a unaelució cromatogràfica o qualsevol canvi fisicoquímic que es

reflectís mitjançant una variació del senyal espectroscòpicadquirit.

La informació procedent d’un procés seguit espectroscòpica-ment es pot organitzar en una matriu (taula) de dades, D, en laqual les files són els espectres recollits a cada estadi del procés(valor de pH, temps d’elució, etc.) (figura 1). Si pensem en lanaturalesa de la mesura espectroscòpica, la taula de mesuresoriginals pot ser descrita com la suma del senyal proporcionatpels components purs del procés (espècies químiques, compos-tos eluïts, etc.) (figura 1a). El senyal pur d’un component potser expressat a partir de la forma del seu espectre pur (siT), sos-pesada en cada estadi del procés pel valor de concentració od’abundància que li correspon (ci). En termes matemàtics, aixòvol dir que la informació de la taula completa del senyal d’uncomponent pur pot ser expressada mitjançant una díada devectors (cisiT) (figura 1b). El model global de la mesura del pro-cés es pot expressar d’una manera més compacta agrupant la

FIGURA 1. Taula de dades d’un procés seguit espectroscòpicament expressada com a: a) suma de les taules de senyals purs dels components del procés; b) suma de les díades cisiT de cada

component del procés, i c) model bilineal CST.

SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 36

suma de les díades de tots els components purs com a produc-te de dues matrius (ST i C) que contenen els espectres purs delscomponents del procés i els seus perfils de concentració asso-ciats, respectivament. L’expressió final D = CST és la formamatricial de la llei de Lambert-Beer i també el model bilinealbàsic dels mètodes de resolució multivariant (en dades experi-mentals, cal afegir una matriu E a aquesta equació, que reflec-teix l’error experimental present a les dades).5–7 Cal notar, enaquest punt, dos aspectes particularment rellevants. Primer:que la informació de partida de la matriu D, que pot constar decentenars o milers de files i columnes que contenen un senyalen el qual totes les contribucions del procés es troben barreja-des, és perfectament descrita per un model de dimensions pe-tites, ja que ST i C tenen tantes files i columnes, respectiva-ment, com components purs participen en el procés. Segon:que els perfils d’aquestes matrius (espectres purs i perfils deconcentració) atorguen una informació química sobre el pro-cés directament interpretable.

Si bé la mesura espectroscòpica té un model subjacent extre-mament senzill i interpretable, calen eines per poder obtenir-lo a partir de la mesura original. Aquestes eines són els mèto-des de resolució multivariant, que treballen amb la informacióde partida mancada de selectivitat, D, per proporcionar el mo-del bilineal i interpretable que la descriu, CST.

Existeixen molts algorismes de resolució multivariant, peròens centrarem en la descripció d’un dels més simples i po-tents: el mètode de resolució de corbes per mínims quadratsalternats (multivariate curve resolution-alternating leastsquares, MCR-ALS).8–11 Aquest mètode iteratiu consta de lesetapes següents:

1) Determinació del nombre de components per a la descrip-ció de la variació de la matriu de dades originals. Es pot sabera priori o pot ser obtingut amb altres mètodes quimiomètrics,com ara l’anàlisi de components principals (PCA).12

2) Generació d’una estimació inicial de la matriu C o ST. Espot fer a partir del coneixement químic del sistema o ambmètodes quimiomètrics, com ara l’anàlisi de factors emer-gents (EFA)13 o els algorismes de selecció de variables pures,com ara SIMPLISMA.14

3) Càlcul de la matriu C i de la matriu ST a partir de la matriuD i de la matriu complementària del model bilineal, procedentde l’estimació inicial o del càlcul de la iteració anterior, permínims quadrats sota restriccions.

4) Comprovació de la correcta reproducció de la matriu ini-cial D a partir del model bilineal calculat, CST, segons uns cri-teris de convergència. Si no s’assoleix el criteri proposat, esretorna a l’etapa 3.

De fet, el pas 3 és l’etapa essencial de l’algorisme, i ho és entant que la informació química que es posseeix sobre el sis-tema i sobre les propietats dels perfils de concentració i deresposta pot ser introduïda en l’optimització iterativa sota laforma de restriccions. Una restricció és qualsevol propietatquímica o matemàtica que compleixi sistemàticamentels perfils del model bilineal.8,9,15 L’aplicació de les restric-cions als perfils de les matrius C i ST els atorga sentit químic.Com a restriccions més habituals, es poden esmentar lessegüents:

– No-negativitat: força els perfils a tenir elements iguals omajors que zero. Això és aplicable a valors de concentració ia molts senyals espectroscòpics, com ara l’espectroscòpiad’absorció UV-visible o la fluorescència.

– Unimodalitat: permet la presència d’un únic màxim perperfil. Útil en perfils de concentració o senyals en forma depic (per exemple, pics cromatogràfics o alguns senyals elec-troquímics) i en perfils de concentració de processos en elsquals els components apareixen i desapareixen de maneraseqüencial.

– Sistema tancat: és l’expressió del balanç de massa en siste-mes en reacció.

– Selectivitat: força l’absència de tots els components menysel selectiu en algunes finestres de perfils de concentració ode respostes.

Hi ha altres restriccions que fan referència a l’estruc turamatemàtica de les dades o a la incorporació d’un model fisi-coquímic explícit per modelar els perfils de concentració,però no es descriuran, atesa la seva complexitat i el fet quees poden trobar a les referències adjuntes.9,16–18 Algunes característiques importants de les restriccions són que laseva aplicació és opcional i flexible (C i ST es poden restrin-gir de manera diferent, de la mateixa manera que cadascundels seus perfils) i que se’n pot controlar la tolerància en elcompliment estricte de les condicions que les defineixen. La versatilitat en l’aplicació de les restriccions fa que l’algo-risme MCR-ALS s’adapti de manera específica a l’estudi d’ungran nombre de problemes químics i que en respecti la di-versitat.

37

SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 37

38

La resolució multivarianten l’anàlisi de dadesespectroscòpiques. L’aplicaciónatural del mètodeVista l’explicació de la secció anterior, no és estrany que la in-terpretació de processos seguits espectroscò picament hagiestat històricament l’àrea natural d’aplicació dels mètodes deresolució multivariant. En aquest cas, el model de la mesurainstrumental i el model bilineal són idèntics i hi ha una asso-ciació directa entre el concepte component del model (contri-bució) i el concepte component químic (entès com a ‘compost,espècie química, forma fisicoquímica o estereoquímica que duassociat un espectre pur clarament definit’).

Malgrat la claredat entre l’associació dels models espectros-còpics i bilineals de resolució, la interpretació de processos noés un problema senzill, particularment quan estan associats asistemes químics o biològics de gran complexitat, com ara lesmacromolècules de DNA o les proteïnes.19–22 Per tal de com-

prendre un procés biològic o un procés complex en general,sovint no és suficient la realització d’un únic experiment, sinóque cal utilitzar experiments que es realitzin en condicionsexperimentals diferents i també cal seguir l’evolució del pro-cés amb espectroscòpies diverses, que permetin detectar es-deveniments químics que es produeixen a diferents nivells estructurals o moleculars. La comprensió total del procés s’assoleix quan totes aquestes dades s’interpreten de maneraconjunta.

Si bé els fonaments dels mètodes de resolució multivariants’han explicat prenent com a referència l’anàlisi d’una únicataula de dades, el model bilineal bàsic utilitzat en resoluciós’estén a estructures de dades formades per l’acoblament dediverses matrius. Són el que s’anomena estructures multicon-junt (multiset). Aquestes estructures es poden configurar demaneres molt diverses (figura 2). Així, es poden acoblar ma-trius de dades en la direcció de les files (row-wise augmentedmatrix), que provinguin del seguiment del mateix procés ambtècniques espectroscòpiques diferents, o bé en la direcció deles columnes (column-wise augmented matrix), que siguin el

FIGURA 2. Tipus d’estructures de dades multiconjunt i models bilineals associats: a) matriu augmentada en la direcció de les files (row-wise augmented data matrix); b) matriu

augmentada en la direcció de les columnes (column-wise augmented data matrix), i c) matriu augmentada en la direcció de les files i de les columnes (row-wise and column-wise aug-

mented data matrix).

SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 38

resultat de realitzar experiments replicats o en condicions di-ferents sobre el mateix sistema utilitzant la mateixa tècnicaespectroscòpica. També es pot realitzar el doble acoblamenten la direcció de les files i de les columnes (row-wise and co-lumn-wise augmented matrix). L’ús d’aquests acoblamentsproporciona resultats extremament robustos i permet la in-terpretació global i exhaustiva de l’evolució del procés i deles característiques estructurals dels components que hi par-ticipen.9,10

A tall d’exemple de l’aplicació de la resolució multivariant aestructures multiconjunt procedents del seguiment d’un pro-cés biològic, presentem el cas de l’estudi de les transicionsde la proteïna hemoglobina induïdes per la variació del pH.23

En aquest cas, s’han utilitzat cinc tècniques espectroscòpi-ques per tal de veure quines són les transformacions que pa-teix la proteïna en els diferents nivells estructurals i en la co-

ordinació del seu grup hemo-. Les tècniques han estat el di-croisme circular (DC) a la regió de l’UV llunyà, sensible a lesvariacions en l’estructura secundària de la proteïna (formaciód’hèlix, fulles beta, etc.); el DC a la regió de l’UV proper i lafluorescència, sensible a canvis en l’estructura terciària (for-mació de l’estructura globular); el DC a la regió Soret, quepercep canvis associats a la coordinació del grup hemo-, il’espectroscòpia d’absorció UV-visible, que aprecia els canvisanteriors de manera global. S’ha recollit per a cadascuna deles tècniques una sèrie d’espectres mesurats en cadascun delsvalors de pH del procés (figura 3a).

Les cinc matrius de dades procedents d’aquestes tècniques espoden agrupar per donar una estructura multiconjunt multi-tècnica, com la presentada a la figura 2a. És important es-mentar que, en aplicar restriccions a estructures multicon-junt, també es poden fer diferències entre les condicions

39FIGURA 3. Transicions conformacionals de l’hemoglobina amb el pH: a) dades espectroscòpiques recollides durant el procés, i b) perfils de concentració i espectres resolts de les conforma-

cions proteiques involucrades en el procés.

SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 39

aplicades a les diferents submatrius (en aquest cas, a les sub-matrius Si que formen la matriu augmentada ST).9,10 Així, enaquest cas particular, mentre que els espectres purs de lessubmatrius de fluorescència i absorció molecular seran sot-mesos a la no-negativitat, les submatrius de dicroisme circu-lar no seran sotmeses a aquesta restricció, ja que els valorsd’el·lipticitat negatius són possibles en aquest tipus de tècni-ca. Pel que fa a l’única matriu de concentracions, s’han aplicatrestriccions de no-negativitat, unimodalitat i sistema tancatper modelar les transicions del sistema. Cal insistir en la granrobustesa de la descripció de l’evolució del procés proporcio-nada per l’única matriu C, ja que els perfils obtinguts són và-lids per descriure la variació de totes les tècniques espectros-còpiques emprades i no pateixen del soroll experimental o devariacions poc definides o inexistents en alguna de les tècni-ques instrumentals utilitzades.

La figura 3b mostra els resultats de la resolució associada aaquest procés. S’hi observen quatre contribucions, la natu-ralesa de les quals podrà ser elucidada a partir de la infor-mació que fa referència als valors de pH als quals les transi-cions entre components tenen lloc i a les característiquesespectrals que s’observen en els seus espectres purs asso-ciats. Així, la transició a pH 4 suggereix la desnaturalitzacióde la proteïna (és a dir, una pèrdua de les estructures secun-dària, terciària i del grup hemo-). Aquesta hipòtesi es corro-bora en estudiar l’espectre pur de les dues conformacionsinvolucrades en la transició, que passen de tenir una granestructura en totes les regions de DC en la forma nativa dela proteïna (abundant a valors de pH entre 4 i 8) a mostrarsenyals molt menys intensos o inexistents, típics de la con-formació desnaturalitzada (més abundant a valors de pH in-feriors a 4). També s’identifica clarament la transició que télloc a un pH al voltant de 8, que reflecteix el pas de l’hemo-globina a l’oxihemoglobina. En aquest cas, l’espectre pur as-sociat a l’oxihemoglobina presenta clars signes de la identi-tat d’aquesta estructura, com ara un desplaçament cap alroig a la banda de la regió Soret i l’aparició de petites ban-des entre la zona de 500 i 600 nm en l’espectroscòpia d’ab-sorció molecular.24 A més, els espectres resolts també indi-quen que aquest canvi en la coordinació no afectal’estructura secundària de la proteïna (espectres purs idèn-tics a la zona de l’UV llunyà de CD), però sí que té un efecteen l’estructura globular terciària de la proteïna. L’altra tran-sició a valors de pH més àcids s’efectua entre formes desna-turalitzades de la proteïna.

És important el fet de notar que tota aquesta informaciós’hauria obtingut de manera parcial i menys ben definida si s’haguessin estudiat aquestes tècniques separadament. Així,doncs, certs esdeveniments, com ara la coordinació del gruphemo-, no afecten tots els nivells estructurals de la proteïna i,per tant, no serien detectats amb algunes de les tècniques. I tampoc no seria possible la detecció i el modelatge d’espèciesque no presentessin senyal en certes regions (com ara la con-formació desnaturalitzada a la regió Soret). Per tant, sempreque sigui possible, cal treure partit de la potència de l’anàlisid’estructures multiconjunt en la interpretació de processos, jaque sempre proporcionarà una visió global igual o millor quela proporcionada per l’anàlisi individual de les taules de dadesi, en qualsevol cas, sempre serà més fiable i robusta.

En l’exemple presentat, la complexitat prové del procés quí-mic estudiat. Hi ha, però, altres casos de dades espectroscòpi-ques en els quals l’aparent dificultat procedeix de la naturale-sa intrínseca de la mesura instrumental: aquest és el cas deles imatges hiperespectrals. La imatge hiperespectral d’unamostra química està formada per milers d’espectres recollitsen diferents punts de la superfície de la mostra i anomenatspíxels.25 L’interès de les imatges hiperespectrals rau en l’ob-tenció simultània d’informació estructural i espacial sobre elscomponents de la mostra. La informació estructural es de-dueix de la forma global dels espectres o de la interpretacióde les seves bandes espectrals, mentre que la informació dedistribució espacial, que és la característica diferencial d’unaimatge, prové del fet que cadascun dels espectres recollitss’associa a una posició espacial concreta de la mostra. Pertant, la variació espectral entre els píxels de la nostra imatgeno és res més que el reflex de la variabilitat de la distribucióespacial dels components a la mostra analitzada.25,26

Les imatges hiperespectrals poden ser visualitzades d’una ma-nera molt clara com un cub de dades, en el qual dues de lesdimensions s’associen a les coordenades espacials dels píxels,mentre que la tercera és la dimensió espectral (figura 4a). Siaquest cub es desplega, s’obté una taula de dades espectros-còpiques, en la qual els espectres dels píxels estan l’un sotal’altre i s’hi poden aplicar els mètodes de resolució multiva-riant, tal com hem vist a l’exemple anterior del procés. Els re-sultats de la resolució multivariant proporcionen de maneradirecta els espectres purs dels constituents de la imatge (ma-triu ST) i, per tal de recuperar la informació relativa a la sevadistribució espacial, tan sols cal replegar cadascun dels perfils

40

SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 40

de concentració (matriu C) segons l’estructura espacial origi-nal de la imatge (figura 4a).27 A tall d’exemple, es mostren elsresultats de la resolució d’una imatge hiperespectral Ramanprocedent d’un càlcul urinari (figura 4b).25 En ella s’observenels mapes de distribució dels tres components del càlcul,identificats com a whewellita, whedellita i dahlita, gràcies ala bona correspondència entre la forma dels espectres resolts(en negre) i els espectres de referència procedents d’una bi-blioteca d’espectres Raman associada a compostos freqüentsen càlculs urinaris (en vermell).28

L’exemple presentat mostra que les mesures espectroscòpi-ques d’estructura aparentment complexa, com ara les imatgeshiperespectrals i d’altres que es visualitzen de forma tridi-mensional, com ara les procedents de cromatografies bidimensionals amb detecció espec troscòpica29 o de dades

espectroscòpiques 2D,30 també poden ser analitzades ambmètodes de resolució multi variant amb uns òptims resultats.

La resolució multivarianten dades ambientals i –òmiques.L’adaptació del conceptede componentL’adequació dels mètodes de resolució multivariant a les me-sures espectroscòpiques no presenta cap dubte, ja que amb-dós comparteixen el mateix model bilineal subjacent. Ara bé,és encara lícita o útil la resolució multivariant per a l’estudid’altres taules de dades en les quals el model bàsic és desco-negut o inexistent? Cal acollir-se de nou al principi de parsi-

41FIGURA 4. a) Resolució multivariant aplicada a l’anàlisi d’imatges hiperespectrals, i b) mapes de distribució i espectres resolts obtinguts a partir de la imatge hiperespectral Raman d’un càl-

cul urinari.

SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 41

mònia i respondre que, a falta d’un model explícit de compor-tament, el fet de provar de trobar pautes o relacions entremostres o variables a partir del model més simple, és a dir, elbilineal, sembla la primera opció que cal assajar. En fer aques-ta tria, caldrà afrontar nous aspectes, com ara la reformulaciódel concepte component, del significat científic de les contri-bucions bàsiques del model bilineal. En aquest sentit, les da-des -òmiques i les dades ambientals s’han revelat com acamps en els quals la resolució multivariant proporciona re-sultats sorprenentment útils i interpretables.

Un dels exemples més emblemàtics i pioners de dades -òmi-ques són les mesures procedents de micromatrius de DNA(DNA microarrays).31 Aquestes micro matrius són plaques quecontenen centenars o milers de pouets, cadascun dels qualss’utilitza per estudiar l’expressió d’un gen determinat en hi-

bridar-se a una seqüència d’una línia cel·lular d’interès, quepot correspondre a una patologia o a una condició vital con-creta. Es pot visualitzar una micromatriu de DNA com unataula d’experiments, en la qual les files designen les líniescel·lulars objecte d’estudi i les columnes, els gens dels quals esvol estudiar la resposta en aquelles línies cel·lulars. Sense en-trar en detall en la tecnologia de les micromatrius de DNA,només cal dir que el compor tament d’un gen davant d’unacerta línia cel·lular pot ser de tres tipus: normal, la qual cosavol dir que interacciona de la mateixa manera amb la líniacel·lular en estudi que amb una línia cel·lular de control, en laqual la patologia o condició en estudi és absent; sobreexpres-sat, quan el gen interacciona de manera clarament preferentamb la línia cel·lular d’interès, o infraexpressat, quan la inter-acció preferent es dóna amb la línia cel·lular de control. Elsgens d’interès sempre seran aquells que es trobin sobreex-

42 FIGURA 5. Resultats de la resolució multivariant procedents de l’anàlisi d’una micromatriu de DNA: a) signatures gèniques resoltes i diagrames de caixa relacionats, i b) perfils mostrals rela-

tius a les signatures gèniques bàsiques. Els tipus diferents de línies cel·lulars tumorals es diferencien pel color.

SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 42

pressats o infra expressats davant d’una certa línia cel·lular, jaque són els que presenten un comportament clarament dife-renciat de la resta en presència de la patologia o condiciód’interès.

Des del punt de vista de la mesura, els resultats numèrics d’unexperiment de micromatrius de DNA mantenen l’estructura dela taula d’experiments. Cada experiment proporciona un únicvalor numèric: un valor d’expressió gènica, que és gran i posi-tiu, si el gen està sobreexpressat; gran i negatiu, quan està in-fraexpressat, i proper a zero, quan presenta un comportamentnormal. Per tant, la taula de dades (matriu) procedent d’unamicromatriu de DNA té tantes files com línies cel·lulars i tan-tes columnes com gens assajats. Cada fila d’aquesta taulaconté el perfil d’expressió gènica d’una línia cel·lular particu-lar, és a dir, la resposta multivariant formada per l’expressiógènica de tots els gens assajats.

Arribats a aquest punt, cal pensar quina mena d’informaciótrobaríem en aplicar mètodes de resolució multivariant aaquest tipus de mesures, què significarien les contribucions bà-siques obtingudes i quin sentit biològic tindrien les matrius delmodel bilineal. La hipòtesi a considerar és que, de la mateixamanera que la combinació d’un nombre petit d’espectres purspot descriure tota la variabilitat de formes espectrals que esmesuren durant un procés, potser pot existir un nombre limitatde signatures gèniques bàsiques que, combinades adequada-ment, puguin reproduir el perfil d’expressió gènica de qualsevollínia cel·lular de la micromatriu en estudi. Aquestes signaturesbàsiques mostrarien, com a informació d’interès, grups de gensque sistemàticament apareixen sobreexpressats i infraexpres-sats de manera simultània. En aquest context, per fer més en-tenedor el model bilineal, podríem utilitzar la notació D = SGT,on GT seria la matriu que conté els perfils de les signatures gè-niques bàsiques de la micromatriu i S estaria formada pels per-fils mostrals (sample profiles) relacionats. Cada perfil mostralinclouria l’abundància (importància) d’una determinada signa-tura gènica bàsica per reproduir l’expressió gènica de les dife-rents línies cel·lulars. En observar els perfils mostrals, es podriaveure si certes patologies estan lligades de manera dominant auna signatura gènica en particular o si la combinació de signa-tures per a la seva descripció és més inespecífica.32,33

Per a una millor comprensió de la teoria, es descriu a continua-ció l’exemple de l’estudi d’una micromatriu de DNA formadaper seixanta línies de cèl·lules canceroses associades a dife-

rents tipus de tumors, sobre les quals s’han assajat mil quatre-cents setze gens.32 Es tracta del conjunt de dades NCI60, posata lliure disposició científica pel grup de Ross i els seus col·labo-radors.34 En utilitzar el mètode de resolució, les úniques res-triccions aplicades han estat la no-negativitat per definir elsperfilsmostrals (les contribucions de les signatures gèniquesbàsiques han de ser positives) i una condició de normalitzacióper a les signatures gèniques bàsiques obtingudes, que s’adap-ta a la naturalesa de la mesura instrumental utilitzada.

Les dades van poder ser descrites amb set contri bucions, setsignatures gèniques. Tal com es veu a la figura 5a, les signa-tures gèniques no donen una informació directa interpretable.A partir dels seus valors, es construeixen diagrames de caixa,però són els valors extrems superiors i inferiors, que assenya-len els gens sobreexpressats o infraexpressats, respectiva-ment, els que són objecte d’estudi posterior. La naturalesad’aquests gens es compara amb bases de dades d’informaciógènica ontològica per confirmar associacions gèniques de lesque s’hagi pogut tenir constància amb anterioritat, o bé ser-veixen de punt de partida per a la descoberta de noves asso-ciacions gèniques. Per a més detalls sobre la informació gèni-ca de les contribucions trobades pels mètodes de resolució enaquest exemple, adrecem el lector a la referència.32 Són demés fàcil interpretació els perfils mostrals resolts, presentatsa la figura 5b, on les línies cel·lulars dels diferents tipus de tu-mor es marquen amb un codi de color. En aquest cas, es veuclarament que certes signatures gèniques bàsiques s’associend’una manera molt dominant a certs tipus de tumor (com arala signatura g, al carcinoma de colon; la f, a la leucèmia; la e,a tumors del sistema nerviós central, o les a i b, al melanoma ial càncer de mama). D’altres són més inespecífiques i es po-drien associar a signatures gèniques pròpies de qualsevol pro-cés cancerós o de qualsevol estat cel·lular.

En el context de les dades –òmiques i, en concret, de les ge-nòmiques, cal insistir en la utilitat dels mètodes de resoluciócom una eina exploratòria de relacions gen–gen i gen–líniacel·lular molt potent, per a la qual no cal establir hipòtesisprèvies de tipus biològic. Els resultats obtinguts poden ser va-lidats amb altres fonts d’informació independents o podenproporcionar noves vies d’investigació no considerades.

L’estudi, el control i la vigilància ambientals són també uncamp en el qual es generen quantitats ingents de dades quecal tractar i interpretar adequadament i per a les quals calen

43

SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 43

eines potents d’anàlisi de la informació.35 És molt freqüent elfet de trobar-se amb mesures que es poden organitzar d’unamanera bastant natural com a taules de dades de naturalesadiversa. Així, podem pensar en taules on les files designinpunts geogràfics o de mostratge i les columnes, concentra-cions o continguts de compostos o de contaminants, o bé entaules on les direccions siguin de naturalesa temporal (mesos,anys, estacions, etc.)36,37 o bé designin compartiments de l’e-cosistema (aigua, sediments, plantes, éssers vius, etc.).17,38

Així, es pot intuir que les combinacions d’informació podenser molt diverses i, pel mateix motiu, que la presència d’es-tructures multiconjunt en aquest tipus d’estudi és també moltfreqüent (per exemple, un agrupament de taules de dadesgeografico composicionals, cadascuna de les quals adquiridaen una època de l’any diferent, o bé un conjunt de taules quefan referència als mateixos punts de mostratge, però que con-

tenen informació diversa: concentració de contaminants,paràmetres fisicoquímics, etc.).38,39

També en aquest cas, com en el dels estudis de dades -òmi-ques, la reformulació del concepte component és important.En aquest cas, però, es pot resoldre d’una manera senzilla grà-cies al suport de la definició de component ambiental propo-sada pels especialistes del camp. En efecte, els models de re-ceptor que existeixen des de fa dècades en l’àrea del mediambient postulen que les mesures globals de concentracionsde contaminants o d’altres compostos que es troben en elmedi ambient es poden descriure com el resultat de l’aporta-ció de diferents fonts ambientals.40,41 Aquestes fonts tenenuna composició definida i se’ls poden associar pautes de va-riació geograficotemporals concretes. Així, doncs, en el con-text de les dades ambientals, un component és una font am-

44

FIGURA 6. Resultats de la resolució multivariant aplicada a l’estudi de la contaminació del delta de l’Ebre: a) perfils composicionals; b) perfils geograficotemporals de les fonts de contami-

nació, i c) representació de les pautes de contaminació geogràfiques amb la incorporació dels resultats de la resolució multivariant en un sistema d’informació geogràfica (GIS).

SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 44

biental i l’escenari mediambiental que representen una o méstaules de dades pot ser descrit com la suma de les aportacionsd’un nombre petit d’aquestes fonts. En una taula ambientaltípica, on les files poden ser punts de mostratge i les colum-nes, concentracions de contaminants, el model bilineal de re-solució D = CST es reinterpreta dient que la matriu ST contéels perfils composicionals de les fonts mediambientals (és adir, la representació de la proporció relativa dels diferentscompostos que la componen) i que la matriu C conté els perfils geogràfics relacionats, que marquen l’aportació decada font en funció del punt geogràfic objecte d’estudi.La matriu C pot marcar pautes geogràfiques de variació d’unafont, però també pautes temporals o pautes de variació entrecompartiments d’un ecosistema; tot dependrà de la definicióde les files de la taula de dades que s’estudiï.

Com a exemple que il·lustra les particularitats de les dades am-bientals i el resultat proporcionat pels mètodes de resolució, espresenta un estudi sobre la contaminació del delta de l’Ebre.39

Per tal d’entendre aquest fenomen mediambiental i les caracte-rístiques composicionals, geogràfiques i temporals de les fontsde contaminació d’aquesta àrea, es van efectuar mesures de laconcentració de quinze pesticides en onze punts geogràfics deldelta, que incloïen zones més properes al llit fluvial, canals dedrenatge i d’irrigació dels arrossars i zones de la desembocadu-ra més properes al mar. La determinació de la concentració delspesticides es va dur a terme un cop al mes, durant els mesos demaig a agost de 2006. Totes aquestes observacions van donarlloc a quatre taules de dades geograficocomposicionals, cadas-cuna d’elles relativa a un dels mesos en els quals es van realit-zar la presa de mostra i les determinacions analítiques corres-ponents. Aquestes taules de dades van ser organitzades comuna estructura multiconjunt, del tipus presentat a la figura 2b,en la qual la direcció comuna de les columnes la formen elsquinze pesticides determinats i les quatre taules de dades delsdiferents mesos, amb els onze punts geogràfics mostrejats, esdisposen l’una sota l’altra. En la resolució d’aquesta estructuramulticonjunt es va aplicar la restricció de no-negativitat a totsels perfils (les aportacions de les fonts de contaminació mai nopoden ser negatives) i es va forçar que la pauta de variació geo-gràfica d’algunes fonts fos idèntica als quatre mesos assajats(restricció de trilinealitat parcial).9,39

En aquest cas, el fenomen de contaminació del delta va poderser descrit mitjançant tres fonts de contaminació, de les qualses van obtenir els perfils de compo sició, geogràfics i temporals.

La figura 6amostra els perfils composicionals de les fonts. Laprimera s’interpreta com una contribució de fons del riu, ja queconté en major proporció pesticides que són d’ús generalitzaten agricultura; la segona s’associa d’una manera molt directaal conreu de l’arròs, ja que els pesticides dominants són espe-cífics per a aquest tipus de cultiu, i la tercera es creu més lliga-da a certes pràctiques de reg dels arrossars. La figura 6b pre-senta els perfils geograficotemporals de cadascuna d’aquestesfonts; les línies verticals puntejades a cada gràfic separen lainformació recollida al llarg dels diferents mesos. Atès que lesdues primeres fonts (contribució de fons del riu i conreu del’arròs) són sempre presents en els mesos estudiats, es van for-çar els seus perfils a tenir la mateixa forma en cadascun delsmesos, la qual cosa va donar resultats satisfactoris i interpre-tables. Per al cas de la contribució de fons del riu, s’aprecia unamajor abundància en els punts més alts del curs del riu (elspunts geogràfics, a les taules de dades, estan ordenats de ma-nera decreixent, segons la distància a la desembocadura),mentre que en el cas dels arrossars, els punts que mostren méscontribució de la font són els ubicats a les zones de cultiu. Enla tercera font de contaminació, la informació geogràfica variaentre mesos, però el mes de juliol, en el qual és més present,els punts de més abundància coincideixen amb canals d’irriga-ció o de drenatge. L’evolució temporal es reflecteix en la inten-sitat relativa de l’aportació de les fonts al llarg dels diferentsmesos. Hi ha una gran estabilitat en la font de contribució defons del riu, ja que sempre és present, mentre que la intensitatde la font relativa al conreu de l’arròs baixa en el decurs delsmesos, ja que l’administració dels pesticides es realitza pel mesde maig i, amb el temps, els pesticides es degraden o es diluei-xen. La tercera font és clarament més present en el mes de ju-liol, el mes més sec, en el qual cal realitzar certes pràctiques deretroirrigació per assegurar la humitat suficient als conreus.

La informació presentada és coherent i de gran interès, però,tot i el petit nombre de punts de mostratge analitzats enaquest exemple, es pot intuir la problemàtica d’interpretar lespautes de variació geogràfica de les fonts mediambientals entaules de dades en les quals els punts de mostratge són moltmés nombrosos i en les quals l’ús d’un perfil lineal no permetincorporar la situació geogràfica relativa d’uns punts respectedels altres. Per això, en aquest tipus d’aplica cions, la interpre-tació de les pautes de variació geo gràfica de les fonts milloraextraordinàriament fent ús dels sistemes d’informació geo-gràfica (GIS).39,42 En el GIS, els valors d’abundància del perfilgeogràfic resolt de cada font són utilitzats com a informació

45

SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 45

de partida per configurar un mapa d’abundància de la font, enel qual els valors de les coordenades geogràfiques no mostre-jades seran estimats per interpolació o krigatge dels valorstrobats mitjançant els mètodes de resolució per als puntsgeogràfics reals estudiats. La figura 6c mostra els mapes tro-bats per GIS a l’exemple presentat. La informació descrita alparàgraf anterior es visualitza i s’interpreta d’una maneramolt més clara sobre el seu entorn geogràfic real.

ConclusionsS’ha mostrat la utilitat dels mètodes de resolució multivarianten contextos força diversos. La flexibilitat i la facilitat d’apli-cació d’aquests mètodes, que fa que s’adaptin a les especifici-tats dels problemes estudiats, i la simplicitat del model obtin-gut, que atorga una interpretabilitat directa i clara alsresultats obtinguts, són els punts clau que justifiquen l’úscada vegada més estès d’aquestes eines. Ben establerts per alscamps d’aplicació més coneguts, l’explotació dels mètodes deresolució no està exhaurida i cal esperar trobar nous campsd’aplicació, noves maneres d’incorporar coneixement científicper a la millora dels perfils obtinguts i nous usos dels perfilsbàsics resolts, que comprimeixen la informació de les dadesbrutes d’una manera eficaç i interpretable com a punt de par-tida en estudis addicionals. No faltarà creativitat ni una fortavoluntat multidisciplinària per explorar totes aquestes noves iatractives possibilitats en el futur.

AgraïmentsEls autors volen agrair el suport econòmic del Govern espanyol(Projecte CTQ2009-11572) i el reconeixement com a grup derecerca consolidat (2009 SGR 45) a la Generalitat de Catalunya.

Referències[1] Massart, D. L.; Vandeginste, B. G. M.; Lewi, P. J.; Smeyers-Verbeke, J.; Buydens, L. M. C.; Jong, S. de. Handbook of Chemo -metrics and Qualimetrics. Elsevier, 1998. [2] Comprehensive Chemometrics. Brown, S.; Tauler, T.; Walc-zak, B. (ed.). Elsevier, 2009.[3] Hoffmann, R.; Minkin, V. I.; Carpenter, B. K. Ockham’s Ra-zor and Chemistry, HYLE—Inter. J. Philosophy of Chemistry1997, 3, 3.

[4] Seasholtz, M. B.; Kowalski, B. R. Anal. Chim. Acta 1993,277, 165.[5] Rutan, S. C.; Juan, A. de; Tauler, R. a Comprehensive Che-mometrics. Brown, S.; Tauler, R.; Walczak, B. (ed.). Elsevier, vol. 2, 2009, 249.[6] Juan, A. de; Tauler, R. Anal. Chim. Acta 2003, 500, 195.[7] Juan, A. de; Tauler, R. Crit. Rev. Anal. Chem. 2006, 36, 163.[8] Juan, A. de; Rutan, S. C.; Tauler, R. a Comprehensive Che-mometrics. Brown, S.; Tauler, R.; Walczak, B. (ed.). Elsevier, vol. 2, 2009, 325.[9] Tauler, R.; Maeder, M.; Juan, A. de a Comprehensive Che-mometrics. Brown, S.; Tauler, R.; Walczak, B. (ed.). Elsevier, vol.2, 2009, 473.[10] Tauler. R. Chemom. Intell. Lab. Sys. 1995, 30, 133.[11] Jaumot, J.; Gargallo, R.; Juan, A. de; Tauler, R. Chemom.Intell. Lab. Sys. 2005, 76, 101.[12] Golub, G. H.; Reinsch, C. Numer. Math. 1970, 14, 403.[13] Maeder, M. Anal. Chem. 1987, 59, 527.[14] Windig, W.; Guilment, J. Anal Chem. 1991, 63, 1425.[15] Tauler, R.; Smilde, A. K.; Kowalski, B. R. J. Chemometr.1995, 9, 31.[16] Tauler, R.; Marqués, I.; Casassas, E. J. Chemometr. 2001,15, 55. [17] Peré-Trepat, E.; Ginebreda, A.; Tauler, R. Chemom. Intell.Lab. Sys. 2007, 88, 69.[18] Juan, A. de; Maeder, M.; Martínez, M.; Tauler, R. Chemom.Intell. Lab. Sys. 2000, 54, 123.[19] Jaumot, J.; Eritja, R.; Tauler, R.; Gargallo, R. Nucleic AcidsRes. 2006, 34, 206.[20] Bucek, P.; Jaumot, J.; Aviñó, A.; Eritja, R.; Gargallo, R.Chemistry: A European Journal 2009, 15, 12663.[21] Navea, S.; Juan, A. de; Tauler, R.Anal. Chem. 2002, 64, 6031.[22] Navea, S.; Juan, A. de; Tauler, R.Anal. Chem. 2003, 75, 5592.[23] Muñoz, G.; Juan, A de. Anal. Chim. Acta. 2007, 595, 198.[24] Berova, N.; Nakanishi, K.; Woody, R. Circular dichroism:Principles and Applications. Wiley, 2000.[25] Infrared and Raman spectroscopic imaging. Salzer, R.;Siesler, H. W. (ed.). Wiley-VCH, 2009.[26] Grahn, H. F.; Geladi, P. Techniques and applications of hyperspectral image analysis.Wiley, 2007.[27] Juan, A. de; Tauler, R.; Dyson, R.; Marcolli, C.; Rault, M.;Maeder M. TrAC-Trends in Anal. Chem. 2004, 23, 70.[28] Dao, N. Q.; Daudon, M. Infrared and Raman spectra ofcalculi. Elsevier.[29] Stoll, D. R.; Li, X.; Wang, X.; Carr, P. W.; Porter, S. E. G.;Rutan, S. C. J. Chromatogr. A 2007, 1168, 3.[30] Jaumot, J.; Marchan, V.; Gargallo, R.; Grandas, A.; Tauler,R. Anal. Chem. 2004, 76, 7094.[31] Causton, H. C.; Quackenbush, J.; Brazma, A. Microarray: GeneExpression Data Analysis. Oxford, 2003.

46

SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 46

[32] Jaumot, J.; Tauler, R.; Gargallo, R. Anal. Biochem. 2006,358, 76.[33] Jaumot, J.; Piña, B.; Tauler, R. Chemom. Intell. Lab. Syst.2010. DOI: 10.1016/j.chemolab.2010.04.004.[34] Ross, D. T.; Scherf, U.; Eisen, M. B.; Perou, C. M.; Rees, C.;Spellman, P.; Iyer, V.; Jeffrey, S. S.; Rijn, M. van de; Waltham, M.;Pergamenschikov, A.; Lee, J. C. E.; Lashkari, D.; Shalon, D.; Myers,T. G.; Weinstein, J. N.; Botstein, D.; Brown, P. O. Nat. Genet.2000, 24, 227. [35] Tauler, R. «Interpretation of environmental data usingchemometrics», a Sample Handling and Trace Analysis ofPollutants: Techniques, Applications and Quality Assurance.Barceló, D. (ed.). Elsevier, 2000, cap. 16, p. 689.

[36] Alier, M.; Felipe-Sotelo, M.; Hernández, I.; Tauler, R. Anal.Chim. Acta 2009, 642, 77.[37] Felipe-Sotelo, M.; Gustems, L.; Hernández, I.; Terrado, M.;Tauler, R. Atmospher. Environ. 2006, 40, 7421. [38] Terrado, M.; Barceló, D.; Tauler, R. Anal. Chim. Acta 2010,657, 19. [39] Terrado, M.; Barceló, D.; Tauler, R. Environ. Sci. Tech. 2009,43, 5321.[40] Hopke. P. K. Receptor Modeling in Environmental Chemis-try. Wiley & Sons, 1985.[41] Hopke, P. K. Journal of Chemometrics 2003, 17, 265.[42] Terrado, M.; Barceló, D.; Tauler, R. Talanta 2006, 70, 691.

47

Anna de Juan és professora titular del Departament de Química Analítica de la Universitat de Barcelona. El seu àmbit derecerca és la quimiometria i el desenvolupament i aplicacions dels mètodes de resolució multivariant. Ha realitzat unessetanta publicacions en llibres i revistes internacionals i ha presentat més de cent comunicacions a congressos. El 2004, varebre l’Elsevier Chemometrics Award, i el 2009, el Kowalski Award. En l’actualitat, pertany als equips editorials assessors deles revistes Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems i Analytica Chimica Acta.

Joaquim Jaumot (nascut el 1978) és actualment professor lector al Departament de Química Analítica de la Universitat deBarcelona. La seva recerca està centrada en el desenvolupament d’eines quimiomètriques de resolució multivariant i la sevaaplicació a l’estudi de problemes bioanalítics. És autor d’una vintena d’articles en revistes científiques internacionals i hacodirigit diversos treballs de màster.

Raimundo Gargallo (nascut el 1968) ha estat investigador Ramón y Cajal i és actualment professor agregat al Departamentde Química Analítica de la Universitat de Barcelona. La seva recerca està centrada en l’estudi d’estructures complexes d’à-cids nucleics, com ara les estructures G-quàdruples i els motius-i (i-motif). És autor d’una cinquantena d’articles en revistescientífiques internacionals i ha codirigit diferents tesis doctorals i treballs de màster.

Romà Tauler (Barcelona, 1955) és professor d’investigació de l’Institut de Diagnòstic Ambiental i Estudis de l’Aigua (IDÆA,CSIC). És l’editor en cap de la revista Journal of Chemometrics and International Laboratory Systems i de l’obra de referènciaen quatre volums Major Reference Work: Comprehensive Chemometrics, Chemical and Biochemical Data Analysis. Ha rebutdiferents premis relacionats amb la quimiometria, com el 2009 Award for Achievements in Chemometrics i el 2009 KowalskiAward. Ha publicat uns dos-cents trenta treballs de recerca indexats a la Web of Knowledge, amb més de cinc mil set-centescitacions (novembre 2011). Actualment, és el president de la Societat Catalana de Química.

A. de Juan J. Jaumot R. Gargallo R. Tauler

SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 47

48

Introducció

Els fàrmacs veterinaris són utilitzats per tractari prevenir malalties en els animals de produc-ció, ja que és imprescindible el fet de disposard’animals salubres per tal d’assegurar un sub-ministrament de carn de qualitat amb garan-ties de seguretat. En aquest sentit, és impor-tant el fet de controlar la presència de

fàrmacs veterinaris en la carn de consum. De fet, els fàrmacsveterinaris comercials s’han distribuït i aplicat amb garantiesde seguretat en la producció animal des de fa més de cin-quanta anys,1,2 atès que el seu ús reporta importants benefi-cis, com ara la capacitat de millorar la salut dels animals i lareducció dels costos de producció limitant les malalties quepodrien disminuir la taxa de creixement.3 La utilització demedicaments veterinaris està estrictament legislada tant perla Unió Europea4 com pels diferents governs de cada país5 i esregulen diversos aspectes com la qualitat, la seguretat i l’efi-

càcia de cada fàrmac. Tot i els importants beneficis que repor-ten aquestes substàncies, del seu ús també deriven algunesconseqüències negatives que cal tenir en compte. El principalproblema prové del fet que l’administració de fàrmacs a ani-mals durant llargs períodes de temps pot comportar que lacarn que arriba al consumidor contingui residus de fàrmacsque, encara que es trobin a baixes concentracions, poden do-nar lloc a episodis de reaccions al·lèrgiques en individus hi-persensibles, però el més preocupant, pel seu abast més gene-ralitzat, és que es pot produir l’aparició de soques bacterianesresistents als fàrmacs per a humans.6 Per aquest motiu, els ni-vells de tolerància respecte a les concentracions de residusd’aquestes substàncies en productes destinats al consumhumà han estat revisats darrerament i han estat establerts lí-mits més exigents, la qual cosa obliga a desenvolupar novesmetodologies analítiques que siguin capaces de determinaraquests compostos a concentracions cada cop més baixes. En aquest context, la cromatografia de líquids acoblada a l’espectrometria de masses7-15 ha esdevingut la tècnica perexcel·lència i, en concret, ha proporcionat a la comunitatcientífica una eina de gran valor tant pel que fa a la seva capacitat de detecció de baixes concentracions de residus en matrius alimentàries com per les seves possibilitats en re-lació amb la caracterització de compostos químics i la identi-ficació de substàncies desconegudes.

Metodologies analítiques basades en l’espectrometria de masses per a l’anàlisi de fàrmacs veterinarisAnalysis of veterinary drugs based on mass spectrometryAnna MartínezUniversitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament de Química Analítica

Resum. Durant els últims anys, l’espectrometria de masses ha experimentat avenços importants que han fet que aquestatècnica es converteixi en quelcom omnipresent a la gran majoria dels laboratoris d’anàlisi química. En concret, els laboratorisdedicats a l’anàlisi de residus de contaminants en aliments constitueixen un dels principals grups d’usuaris d’aquesta tècnica.En relació amb la presència de residus i atesa la creixent preocupació per assegurar la qualitat dels productes alimentaris, lesautoritats governamentals dels diferents països han establert normatives cada cop més restrictives, la qual cosa sovint repre-senta un repte per a la metodologia analítica existent. En aquest treball es presenten alguns exemples en els quals es mostral’avantatge d’utilitzar l’espectrometria de masses per resoldre problemes concrets relacionats amb la presència de fàrmacsveterinaris en aliments d’origen animal.

Paraules clau: Coccidiosi, espectrometria de masses, seguretat alimentària, anàlisi de residus.

Abstract. In recent years, developments in mass spectrometry instrumentation have led this technique to become ubiquitous inthe vast majority of analytical chemistry laboratories. Specifically laboratories devoted to the analysis of residues in food aremajor users of this technique. The growing concern for safer animal products have forced authorities from different countriesto establish increasingly restrictive regulations that often represent a challenge to the existing analytical methodology. Thispaper presents some examples showing the advantage of using mass spectrometry to solve some specific problems related tothe presence of veterinary drugs in food.

Keywords: Coccidiosis, mass espectrometry, food safety, waste analysis.

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), 48-54 DOI: 10.2436/20.2003.01.28 ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa)Filial de l’Institut d’Estudis Catalans http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Correspondència: Anna Martínez. Universitat de Barcelona. Facultat de Química.

Departament de Química Analítica


Tel.: +34 934 039 127. Fax: +34 934 021 233


SCQ_10_06_06 20/09/12 16:25 Página 48

En aquest treball es descriuen alguns exemples de la utilitza-ció de l’espectrometria de masses per a la determinació i lacaracterització d’alguns fàrmacs veterinaris, concretament,els pertanyents a la família terapèutica dels anticoccidials,que es mostren a la figura 1.

InstrumentacióPer a la realització d’aquest estudi, s’han emprat diversosequips d’espectrometria de masses amb diferents analitza-dors, una trampa d’ions (LCQ Classic), un triple quadrupol(TSQ Quantum Ultra AM) i un linear trap-orbitrap (OrbitrapXL). Els estudis de fragmentació s’han dut a terme a la trampad’ions, tot treballant en espectrometria de masses en tàndemen el temps. S’han obtingut els espectres de masses en múlti-ples etapes (MS/MS, MS3 i MS4), la qual cosa ha permès esta-blir l’ordre genealògic dels fragments, ja que, amb aquest

tipus d’analitzadors de masses, no són freqüents les fragmen-tacions per col·lisions múltiples i només s’observen els ionsproducte originats directament de l’ió precursor aïllat en ca-dascuna de les successives etapes de fragmentació. Ara bé, enalguns casos, ha estat necessari mesurar la massa exacta pertal d’assignar correctament la composició elemental dels ionsmoleculars, la d’alguna interferència i la d’alguns ions pro-ducte generats en la fragmentació en tàndem. Per a aquestesmesures, s’ha emprat un instrument de triple quadrupol ambquadrupols hiperbòlics amb capacitat per dur a terme mesu-res de massa exacta mitjançant l’augment de la resolució delsquadrupols fins a 0,04 m/z FWHM (full width half maximum) i amb un calibratge adequat de l’eix m/z per tal d’obtenir va-lors amb errors inferiors a 5 mDa. Aquest tipus d’analitzadortreballa en espectrometria de masses en tàndem a l’espai, i enaquest tipus de tàndem és freqüent la fragmentació per col·li-sions múltiples en passar l’ió precursor seleccionat (primerquadrupol) per la cambra de col·lisió (segon quadrupol), la

49FIGURA 1. Estructures i noms dels coccidiostats.

SCQ_10_06_06 20/09/12 16:25 Página 49

50

qual cosa comporta que es puguin observar ions de diferentsgeneracions a la mateixa etapa de fragmentació MS/MS.Finalment, hem utilitzat un analitzador linear trap-orbitrap,que permet treballar a resolucions de fins a 100.000 i queproporciona errors en la mesura dels valors m/z inferiors a1 mDa, per tal d’identificar i confirmar correctament algundels ions producte que requerien aquesta precisió i exactitud.

L’augment de la resolució coma eina de treball en l’anàliside rutinaEn primer lloc, es comenta un exemple de l’avantatge que potproporcionar el fet d’augmentar la resolució en espectrome-tria de masses. En concret, es pretén il·lustrar l’aplicació d’a-questa estratègia en l’anàlisi del toltrazuril (un anticoccidialmolt utilitzat en aus de corral i en el sector porcí) i dels seusdos metabòlits majoritaris, la toltrazuril sulfona i el toltrazurilsulfòxid, el primer dels quals també presenta activitat farma-cològica.16 Per a aquesta anàlisi, es va desenvolupar un mètode de cromatografia de líquids ràpida acoblada a l’espectrome-tria de masses en tàndem emprant ionització química apressió atmosfèrica (APCI) en mode negatiu i un analitzadorde triple quadrupol. L’anàlisi de diferents productes carnis,tant crus com processats, que havien estat sotmesos a un

tractament de mostra molt senzill, una extracció amb aceto-nitril i purificació per extracció en fase sòlida (SPE), va posarde manifest que, encara que la baixa resolució (Q1 m/z 0,7;Q2 m/z 0,7) és una tècnica que pot permetre d’obtenir bonsresultats (per exemple, es podia determinar la toltrazuril sul-fona a les mostres), en alguns casos l’anàlisi no es pot dur aterme (en el nostre cas, el toltrazuril no es podia identificar a causa d’un important soroll de fons). En aquests casos, l’aug-ment de la resolució en el primer quadrupol (∆m/z 0,1 FWHM)permet eliminar possibles interferències isobàriques de l’ióprecursor, la qual cosa produeix una disminució del soroll. Si aquest procés es pot dur a terme sense una pèrdua signi-ficativa en la transmissió d’ions, com és el cas en treballaramb el triple quadrupol TSQ Quantum Ultra AM, es milloraconsiderablement la relació senyal-soroll. A la figura 2 esmostra, a tall d’exemple, el cromatograma corresponent altoltrazuril en una mostra de salsitxes de Frankfurt, on es potobservar la dificultat per identificar aquest compost a baixaresolució (SRM), mentre que, treballant en el mode H-SRM(Q1 ∆m/z 0,1 FWHM), la relació senyal-soroll augmenta fins a 14, la qual cosa permet confirmar la presència de tol-trazuril i determinar-ne la concentració (2,2 µg kg-1) a lamostra.17

A la figura 2 s’indiquen les transicions utilitzades per a la de-terminació i la confirmació del toltrazuril. En general, en elec-trospray (ESI) i APCI, l’ió precursor acostuma a ser la molècula

FIGURA 2. Cromatogrames en SRM i en H-SRM corresponents al toltrazuril en una mostra de salsitxa de Frankfurt. Transició de quantificació: 356 → 256; transició de confirmació:

356 → 124.

SCQ_10_06_06 20/09/12 16:25 Página 50

protonada, si es treballa en ionització positiva [M+H]+, i lamolècula desprotonada [M-H]-, si es treballa en mode nega-tiu. Ara bé, en el cas del toltrazuril, la molècula desprotonadaés molt difícil de fragmentar, per la qual cosa s’ha emprat coma precursor l’ió [M-69]-, generat per fragmentació a la font i acausa de la pèrdua de CF3 .

Identificació de substànciesdesconegudesEn l’anàlisi de mostres alimentàries, la presència de compos-tos interferents presents a la matriu dificulta amb freqüèncial’aplicació dels mètodes establerts. En l’exemple següent esmostra la identificació d’una interferència observada en la de-terminació en aliments de l’amprolium, un compost d’amoniquaternari emprat contra la coccidiosi, per al qual es va des-envolupar un mètode basat en cromatografia de líquids d’in-teracció hidrofílica (HILIC) acoblada a l’espectrometria demasses en tàndem (triple quadrupol) emprant electrosprayen mode positiu com a font d’ionització.

En analitzar mostres d’aliments (ou, pollastre) i de pinso em-prant un tractament de mostra senzill, que consistia única-ment en una extracció amb acetonitril i l’anàlisi directa delsextractes, es va observar que els patrons i les mostres amb lamateixa concentració d’amprolium donaven una resposta moltsuperior en el cas de les matrius addicionades que en el delspatrons. Una de les possibles causes que provoquen aquest fe-nomen, conegut amb el nom de matrix ion enhancement, és lacoelució amb l’amprolium d’alguna substància de la matriuque afavoreix la ionització del nostre anàlit. Es va observar que, en el moment de retenció de l’amprolium, apareixia una subs-tància amb un ió de massa m/z 162 (figura 3). Per tal d’obtenirinformació estructural sobre aquest ió i poder identificar elcompost, es va adquirir l’espectre d’ions producte i es van de-terminar les masses exactes de l’ió precursor (m/z 162,1167) idels dos ions producte més abundants (m/z 103,0371 i 85,0329). Acceptant un error de menys de 5 mDa respecte de les massesmesurades, només existeixen tres possibles composicions ele-mentals per al catió precursor. La utilització d’una base de da-des18 va permetre descartar dues de les tres composicions ele-mentals, ja que l’una no proporcionava cap estructura químicalògica i l’altra corresponia a molècules neutres, i identificar laL-carnitina com a possible substància interferent. Finalment,l’anàlisi d’un patró va permetre la confirmació d’aquesta hipò-

tesi, ja que tant el comportament cromatogràfic com l’espec-tre d’ions producte obtingut a partir del patró de L-carnitinavan ser idèntics al de la interferència. Per tant, aquesta era lasubstància responsable de l’efecte matriu en la determinaciód’amprolium en els aliments analitzats.19

Caracterització de polièters ionòforsEntre els compostos administrats en grans quantitats, sobretota les aus de corral, cal esmentar els polièters ionòfors, produc-tes naturals que s’empren no només en la prevenció i el tracta-ment de la coccidiosi,1 sinó que també s’administren en dosissubterapèutiques com a promotors del creixement.20 En aquestapartat, es comenten els estudis de fragmentació d’aquestscompostos duts a terme durant l’establiment d’un mètode decromatografia de líquids acoblada a l’espectrometria de mas-ses en tàndem per a l’anàlisi de nou polièters ionòfors. Aquestscompostos estan formats per un esquelet de múltiples èters cí-clics hidroxilats que contenen un àcid carboxílic i un hidroxilterminals i que presenten una elevada tendència a formar ad-ductes amb cations metàl·lics, la qual cosa ha comportat que,en treballar amb una font d’electrospray en polaritat positiva,

51

FIGURA 3. Identificació d’un compost de la matriu que coelueix amb l’amprolium:

a) cromatograma de la intensitat del corrent iònic total (TIC) d’una mostra d’ous;

b) espectre de masses de la interferència, espectre d’ions producte de l’ió precursor

m/z 162. En els espectres, s’indiquen les masses exactes de l’ió precursor i dels ions pro-

ducte més intensos.

SCQ_10_06_06 20/09/12 16:25 Página 51

52

tots els polièters ionòfors donin lloc a espectres de massesamb un únic ió, que correspon a l’adducte amb sodi. La frag-mentació d’aquest ió en espectrometria de masses en tàndemdóna lloc, per a la majoria dels polièters ionòfors, a espectresde masses en els quals el pic base correspon a la pèrdua d’ai-gua. Aquesta pèrdua es pot explicar per la presència de nom-brosos grups hidroxil en els corresponents compostos (figura 1).Els ionòfors amb un grup carbonil a l’estructura (salinomicina,narasina i lasalocid) presenten també una altra fragmentaciócaracterística, que correspon al trencament de l’enllaç enβ respecte del grup carbonil, la qual cosa dóna lloc a dos frag-ments amb una diferència de 100 unitats de massa. A la figura4a es mostra, a tall d’exemple, aquesta fragmentació per a lasalinomicina. Per a la maduramicina, en canvi, el pic base del’espectre d’ions producte (m/z 877) correspon a la pèrdua de 62 Da (figura 5a), una pèrdua que també s’observa a l’es-pectre de MS3 (figura 5b) de la monensina (m/z 613) emprantcom a ió precursor l’ió corresponent a la pèrdua d’aigua (m/z675) de l’espectre MS/MS. Tenint en compte les estructuresd’aquests dos compostos, aquests ions fragment poden prove-nir de la pèrdua de dos grups metoxi o de la pèrdua simultàniade CO2 i H2O. Amb l’objectiu d’assignar correctament aquestsfragments, es va emprar un instrument capaç de treballar aalta resolució, un linear Orbitrap XL, que va permetre calcularles masses exactes dels ions corresponents a la maduramicina(m/z 877,5272) i a la monensina (m/z 613,4045), que concor-den amb la pèrdua de CO2 i H2O (errors menors a 5 ppm). Arabé, aquesta pèrdua planteja un problema relacionat amb el fetque en un analitzador de trampa d’ions en general només s’ob-serven trencaments directes i, per tant, per perdre simultània-ment CO2 i H2O, cal que aquests dos grups estiguin propers.Això és possible si la molècula forma un pseudomacrocicleamb l’ió sodi al centre i els grups carboxílic i hidroxil terminalsenfrontats, tot establint-se interaccions per ponts d’hidro-gen.21,22 A tall d’exemple, a la figura 4b es mostra l’estructurapseudomacrocíclica de la monensina.23

ConclusionsS’ha posat de manifest que l’espectrometria de masses és unatècnica altament útil en l’anàlisi de residus de fàrmacs veteri-naris en mostres alimentàries. L’augment de la resolució en elprimer quadrupol ha possibilitat la confirmació de la presèn-cia de toltrazuril en mostres de salsitxa de Frankfurt, gràcies al’augment de la relació senyal-soroll, que permet millorar els

límits de detecció. Altrament, la utilització d’un equip capaçde treballar en mode de massa exacta ens ha permès la iden-tificació d’una interferència cromatogràfica en l’anàlisi d’am-prolium, responsable d’un important efecte matriu. Aquestasubstància ha estat identificada com a L-carnitina, un com-post d’amoni quaternari. Finalment, la utilització de l’espec-trometria de masses en múltiples etapes ha permès establir elpatró de fragmentació d’una família de compostos, els poli-èters ionòfors. La utilització de l’alta resolució, en aquest cas,ha permès confirmar la pèrdua simultània de CO2 i H2O, unafragmentació característica de la conformació espacial d’a-quests compostos.

AgraïmentsL’autora vol expressar el seu agraïment al Ministeri de Ciènciai Innovació del Govern espanyol pel finançament rebut a tra-vés del projecte CTM2006-00753/TECNO i Acción Comple-mentaria CTM2006-26237-E, i també per la concessió d’unabeca FPI per a la realització de la tesi doctoral.

FIGURA 4. a) Trencament en β respecte del carbonil per a la salinomicina; b) estructura

pseudomacrocíclica de la monens ina i la seva fragmentació.

SCQ_10_06_06 20/09/12 16:25 Página 52

Referències[1] Jones, F. T.; Ricke, S. C. Poultry Sci. 2003, 82, 613.[2] Castanon, J. I. R. Poultry Sci. 2007, 86, 2466.[3] Visek, W. J. J. Anim. Sci. 1978, 46, 1447.[4] Commission Regulation (EU) núm. 37/2010.[5] <http://www.aemps.es/actividad/legislacion/espana/veteri-narios.htm> [14/05/2010][6] Felipe, C. C. Environ. Microbiol. 2006, I, 1137.[7] Gentili, A.; Perret, D.; Marchese, S. TrAC-Trend. Anal. Chem.2005, 24, 704.[8] Reig, M.; Toldrá, F. Meat Sci. 2008, 78, 60.[9] Toldrá, F.; Reig, M. Trends Food Sci. Tech. 2006, 17, 482.[10] Zeleny, R.; Ulberth, F.; Gowik, P.; Polzer, J.; Ginkel, L. A. van;Emons, H. TrAC-Trend Anal. Chem. 2006, 25, 927.[11] Stolker, A. A. M.; Brinkman, U. A. T. J. Chromatogr. A 2005,1067, 15.

[12] Vranic, M. L.; Marangunich, L.; Fernández Courel, H.;Fernández Suárez, A. Anal. Chim. Acta 2003, 483, 251.[13] Weiss, C.; Conte, A.; Milandri, C.; Scortichini, G.;Semprini, P.; Usberti, R.; Migliorati, G. Food Control 2007, 18,1068.[14] Brabander, H. F. de; Noppe, H.; Verheyden, K.; VandenBussche, J.; Wille, K.; Okerman, L.; Vanhaecke, L.; Reybroeck,W.; Ooghe, S.; Croubels, S. J. Chromatogr. A 2009, 1216, 7964.[15] Olejnik, M.; Szprengier-Juszkiewicz, T.; Jedziniak, P. J. Chromatogr. A 2009, 1216, 8141. [16] Dirikolu, L.; Yohn, R.; Garret, E. F.; Chakkath, T.; Ferguson, D.C. J. Vet. Pharmacol. Ther. 2008, 32, 280.[17] Martínez Villalba, A.; Moyano, E.; Martins, C. P. B.; Galce-ran, M. T. Anal. Bioanal. Chem. 2010, 397, 2893.[18] <http://www.chemspider.com/> [18/01/2010][19] Martínez Villalba, A.; Moyano, E.; Galceran, M. T. J. Chro-matogr. A 2010, 1217, 580.

53

FIGURA 5. a) Espectres MS i MS/MS de la maduramicina; b) MS, MS/MS i MS3 de la monensina.

SCQ_10_06_06 20/09/12 16:25 Página 53

54

Anna Martínez va néixer a Barcelona l’any 1982. Va estudiar la llicenciatura de química a la Universitat de Barcelona i enaquests moments es troba realitzant la tesi doctoral al Departament de Química Analítica de la mateixa Universitat, sota ladirecció de la doctora Maria Teresa Galceran i Huguet (catedràtica de química analítica) i de la doctora Encarnación MoyanoMorcillo (professora titular).

A. Martínez

[20] Butaye, P.; Devriese, L. A.; Haesebrouck, F. Clin. Microbiol.Rev. 2003, 175.[21] Martinek, T.; Riddell, F. G.; Wilson, C.; Weller, C. T. J. Chem.Soc. Perkin Trans. 2 2002, 35.

[22] Paz, F. A. A.; Gates, P. J.; Fowler, S.; Gallimore, A.; Harvey, B.;Lopes, N. P.; Stark, C. B. W.; Staunton, J.; Klinowski, J.; Spencer,J. B. Acta Crystallogr. 2003, E59, m1050.[23] Martínez Villalba, A.; Moyano, E.; Galceran, M. T. RapidCommun. Mass Spectrom. 2009, 23, 1255.

SCQ_10_06_06 20/09/12 16:25 Página 54

Introducció

Fa aproximadament uns cinquanta anys, es vainiciar la quimiometria. La figura 1 mostra unfragment de la carta que Bruce Kowalski i Svante Wold, els fundadors de la Chemome-trics Society, van enviar als químics interessatsen l’aplicació de mètodes matemàtics i estadís-tics a la química, tot convidant-los a formar

part de la nova societat.

En un principi, els quimiòmetres van emprar informació quími-ca o informació física reconeguda a bastament com a informa-ció útil. El conjunt de dades ARCH,1,2 que formava part del pri-mer programari quimiomètric, ARTHUR, és un conjunt dedades de setanta-cinc mostres d’obsidiana provinents de qua-tre localitzacions properes a San Francisco, caracteritzades pelcontingut en deu metalls. En el conjunt de dades KETONES,que formava part de la primera versió del programari SIMCA,es descriuen vint ciscetones i transcetones mitjançant set va-riables obtingudes de llurs espectres IV i UV, i que descriuenl’efecte del grup carbonil i del doble enllaç sobre l’absorbància.

Molt aviat, els quimiòmetres van començar a utilitzar infor-mació física no específica.

Un cromatograma és exactament el registre d’un senyal físicno específic que esdevé informació química quan hom proce-deix a assignar els pics cromatogràfics a compostos químics.

55

La informació física no específica: el bestseller de la quimiometria Non-specific physical information: a chemometric bestsellerMichele Forina,* Monica Casale i Paolo Oliveri Universitat de Gènova. Departament de Química i Tecnologia Farmacèutica i Alimentària

Conferència inaugural del IX Memorial Enric Casassas (IQS, Barcelona, 2 de desembre de 2009; text traduït pel doctor Xavier Tomàs)

Resum. En aquesta conferència, homenatge al professor Enric Casassas, el professor Forina exposa, de manera molt didàctica,tres idees importants a tenir presents per tots els que treballen en quimiometria o utilitzen tècniques quimiomètriques. L’ob-jectiu sempre ha de ser resoldre una situació química real, tot procurant emprar eines de qualitat coneguda, i no cal tenir re-cança a aplicar-les a situacions com ara la informació física no específica.

Paraules clau: Quimiometria, informació física no específica, validació, procés analític, valors anòmals, selecció de variables.

Abstract. This lecture, a tribute to Prof. Enric Casassas, Prof. Forina presents in a very didactic way, three important ideas totake into account for all those who are working in chemometrics or use chemometric techniques. The main goal should alwaysbe to resolve a real chemistry situation, trying to use tools of known quality and we should not afraid to apply Chemometricsto situations such as non-specific physical information.

Keywords: Chemometrics, non-specific physical information, validation, analytical process, outliers, selection of variables.


Correspondència:Michele Forina. Università degli Studi di Genova. Dipartimento

di Chimica e Tecnologie Farmaceutiche ed Alimentari

Via Brigata Salerno, 13. I-16147 Genova (Italia)

Tel.: +39 010 353 2630. Fax: +39 010 353 2684

A. e.: [email protected] FIGURA 1. El «certificat de naixement» de la Chemometrics Society.

SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 55

Al seu torn, la informació química pot ser o no informació específica. La interpretació química d’un cromatograma pot esdevenir molt difícil, especialment en el cas dels croma-togrames complexos.

L’any 1978, Bruce Kowalski3 va utilitzar cromatogrames d’es-pai de cap «cecs» en un estudi que tenia com a objectiu la caracterització de marques de whisky. Com que l’objectiu del’estudi no era augmentar els coneixements químics, la inter-pretació química dels diferents pics cromatogràfics no era, enconseqüència, necessària.

Fonts d’informació físicano específicaAvui dia, la quimiometria s’aplica amb molta freqüència al’estudi d’informació física no específica provinent de dife-rents àmbits. Per a cada mostra, els instruments proporcionenmilers (en ocasions, milions) de variables, no totes necessària-ment útils. L’objectiu és, doncs, obtenir la informació útil perresoldre tant problemes de classificació com problemes de re-gressió. Els sectors d’aplicació més importants són el controlde qualitat, el control de processos, la traçabilitat dels ali-ments i la metabolòmica.

Les fonts d’informació física més emprades són l’absorcióo la reflectància dels espectres electromag nètics (com elvisible, l’ultraviolat, l’infraroig, els raigs X, la fluorescència iel Raman), els espectres de masses (com ara els obtingutsper un «nas artificial»), la potenciometria (dades obtingu-des per un conjunt d’elèctrodes), la voltametria (com és elcas d’algunes «llengües artificials»), els espectres de resso-nància magnètica nuclear, els diversos tipus de cromatogra-fia, etc.

La informació física que hom pot obtenir d’una mostra pot serun vector (com ara l’espectre obtingut d’una mostra de com-posició uniforme), una matriu bidimensional (com és el casd’un espectre Raman) o també una matriu tridimensional(com és el cas d’una imatge).

Al seu torn, cada tipus de senyal pot correspondre a unainformació molt diferent segons les característiques de l’ins-trument de mesura o els tractaments especials de les dadesoriginals. A tall d’exemple, l’espectre obtingut per espectros-

còpia en l’infraroig proper (NIRS) depèn molt de la sondaemprada, dels tipus de senyal mesurats (absorció, reflectàn-cia, transreflectància), de l’entorn físic de la mostra (com és elcas del NIR en dues dimensions, en el qual s’aplica una tensióde petita amplitud a la mostra, la qual cosa provoca una fluc-tuació dinàmica dels senyals IR) i de la mateixa font (com araen TOF–NIRS, on la font és un làser de polsos).

Segons el tipus de tractament (derivades, eliminació de ten-dències, transformada de Fourier, etc.), la informació físicapot donar resultats molt diferents. És més: a vegades, és pos-sible combinar la informació obtinguda amb diferents instru-ments amb uns resultats excel·lents.4

Entre les diferents fonts d’informació física no específica,l’espectroscòpia d’infraroig proper (NIR) és avui la tècnicalíder en control de qualitat tant del producte final comdels productes intermedis i de les matèries primeres. Aixòvol dir que milers de químics i tècnics utilitzen la tècnicaNIR cada dia fent milions de determinacions. Per aquestaraó, l’espectroscòpia NIR és un bestseller de laquimiometria.

La imatge de la quimiometria no és la pròpia dels quimiòme-tres, la de les poques persones que fan servir mètodes de qui-miometria avançada i publiquen articles d’alta qualitat, tot ique molt difícils de comprendre per a la majoria dels químics.La imatge pública de la quimiometria és la que presenten elsbestsellers a la gran majoria dels químics. En dir bestseller,ens referim simplement a un producte amb una circulaciómolt gran, malgrat que no que tingui necessàriament unagran qualitat. La qualitat final d’un bestseller pot ser pobra o, si més no, limitada.

Normalment, els químics que fan servir l’espectroscòpiaNIR en control de qualitat utilitzen el programari subministratpels fabricants dels instruments com si fos una «caixa negra».En general, aquest programari té una qualitat bona o almenysacceptable, però sempre ha estat dissenyat com una einasenzilla per ser emprada per persones sense coneixementsd’estadística elemental ni de quimiometria. Per aquesta raó,juntament amb els instruments i el programari, s’acostumen a proporcionar unes «regles d’or» que els usuaris segueixendesprés fil per randa.

56

SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 56

La qualitat dels bestsellersquimiomètricsA continuació presentarem uns pocs exemples de la qualitatdels nostres bestsellers. Tots els exemples fan referènciaa l’ús de l’espectroscòpia NIR. Seguint l’esperit de la dita popular, farem esment del pecat, però no del pecador.

Exemple 1

En una conferència, un dels ponents va dir: «En el cas del po-tassi, el de variància en validació creuada explicada va ser del7 %. No és gaire, però sí que és prometedor».

Q2, és a dir, el de variància explicada en validació creuada,s’utilitza amb molta freqüència en la presentació de resultatsNIR quan hom aplica un calibratge multivariat. Q2 és un parà-metre enganyós respecte al paràmetre d’interès, la desviacióestàndard de l’error en predicció (SDEP) amb la qual es rela-ciona mitjançant la funció quadràtica inversa:

SDEP = √ 1 – Q2/100

sb

Aquí, sb és la desviació estàndard abans de la regressió o des-viació estàndard sense model, calculada a partir de les dife-rències entre els valors de la variable resposta i la mitjana deles respostes.

La figura 2 mostra com un valor igual a 7 de Q2 correspon aun valor de SDEP pràcticament igual a la desviació estàndardabans de la regressió. Aquest valor es deu a una petita corre-lació (no significativa i fortuïta) entre el potassi i l’espèciequímica, que té un efecte sobre l’espectre NIR. No hi ha res de prometedor en aquest valor tan petit.

Però fins i tot valors grans de Q2 no indiquen necessàriamentque s’hagin obtingut bons resultats. Un valor de Q2 igual a 50vol dir que SDEP és aproximadament igual a 0,7 vegades ladesviació estàndard abans de la regressió. Aquesta és unaquantitat experimental, una estimació del valor real de s queens és desconegut.

Ara bé:SDEP2

= ns2

Això es distribueix com una variable c2 amb n graus de lliber-tat, sent n el nombre de mostres emprades per a la validació.L’interval de confiança de s2 s’obté a partir dels valors críticsde la distribució de c2. Així, per n = 20, l’interval de confiançaal 95 % és aproximadament ± 35 %, la qual cosa vol dir queel model de calibratge es pot comportar pitjor (o també mi-llor) del que s’esperaria del valor de la SDEP obtinguda.

Ho sento pels estadistes, però Svante Wold, un dels fundadorsde la quimiometria, va escriure el següent:5

Si nosaltres, erròniament, considerem la filosofia de l’estadísti-ca més sòlida que la de la química, prendrem el trist i desafor-tunat camí de la biometria, la psicometria... que avui són depoc o cap interès per als biòlegs, els psicòlegs... Aquesta des-gràcia és la conseqüència de considerar més important el «rigor» matemàtic i estadístic que no pas el fet de resoldre elsproblemes científics. Naturalment, sempre s’ha de ser tan rigo-rós com sigui possible, però aquest rigor no ha de ser un rigormortis; el primer de tot sempre és el sentit químic.

Ara bé, això també vol dir que quasi sempre és necessari unmínim coneixement i ús de l’estadística bàsica.

Exemple 2

Generalment, l’índex de maduració de les pomes, un paràme-tre molt important per a un bon producte després del seu em-

57

FIGURA 2. Relació de Q2 i el quocient entre la desviació estàndard de l’error en predicció

(SDEP o SEP) i la desviació estàndard abans de la regressió.

0,985

7 20 40 60

Q2

SDEP

/sb

80

0,8

0,6

0,4

0,2

SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 57

magatzematge, es determina mitjançant la prova de iode imidó. Seguidament, un grup d’experts avalua la coloració ob-tinguda amb el reactiu en una zona de la poma com una pun-tuació en una escala sensorial. Els resultats no acostumen aésser satisfactoris a causa del caràcter subjectiu de l’avalua-ció i de la seva gran dispersió.

Per aquestes raons, un equip d’investigadors va desenvoluparun model objectiu seguint l’esquema que es mostra a lafigura 3 i van fer la prova sobre unes dues mil pomes.

Els científics van construir el model PLS amb prop de cent milvariables predictores (les reflectàncies dels píxels de les imat-ges NIR obtingudes per a cada mostra) i, com a resposta, lescorresponents puntuacions atorgades a les mostres per l’equipd’experts. Els resultats no van ser satisfactoris, més o menysequivalents als obtinguts per l’equip de tastadors.

Malgrat tot, es va continuar l’estudi, la qual cosa significamés pomes, més experts, instruments amb un interval de lon-gituds d’ona més ampli, imatges més grans i, en conseqüèn-cia, més diners.

Sembla com si les persones que treballen amb la quimiome-tria, a la pràctica, ignoressin que un model de calibratge maino pot tenir una qualitat superior a la que tenen les respostesque s’han mesurat (en aquest cas, les puntuacions sensorials)i que s’han emprat per construir el model.

Exemple 3

Una nova tècnica instrumental, TOF–NIR (temps de vol–NIR),es va aplicar a la determinació de sucres en fruites de pellgruixuda. El model es va construir sobre unes cent mostres i la

SDEP resultant va ser del 0,22 %. Aquest va ser un resultat es-plèndid, gairebé increïble, ja que aquesta precisió és molt pocfreqüent en les anàlisis.

Si analitzem els resultats de la predicció que es mostren a lafigura 4, observem que:

a) La resposta està expressada en percentatge de sucre.Això implica que el valor indicat de la SDEP és una desvia-ció absoluta, no relativa.

b) L’interval d’error correspon aproximadament al 70 % del’error de les variables resposta, aproximadament 1,4, ésa dir, del 9 % al 10,4 %. La precisió de la tècnica no és pasper entusiasmar-se.

Ara bé, també podríem emprar un model alternatiu. Aquestmodel es desenvoluparia de la manera següent:

Aquí, y és la variable resposta mesurada o predita. El valorpredit de la mostra i s’obté a partir de la resposta mesuradaen les altres N – 1 mostres, és a dir, el model està construït envalidació «total». Aquest model té una SDEP igual a 0,28 %,que no difereix significativament del valor 0,22 % obtingutper TOF–NIR. Aquest model, però, és molt més econòmic, jaque no necessita instruments.

Fem servir aquesta ironia per mostrar que amb massa freqüèncias’utilitza un munt de treball i de diners per desenvolupar mèto-des inútils i llurs resultats es presenten de manera enganyosa.

Validació «total» és allò que els quimiòmetres denominen vali-dació un a un (LOOV). En aquest cas, el model s’avalua tantesvegades com mostres es deixen fora, cada vegada una d’elles.S’utilitza, doncs, el model per predir el valor de la resposta (ode la categoria) de la mostra que ha estat exclosa. Els resul-tats obtinguts amb la validació LOOV es consideren general-ment massa optimistes i molts consideren que és preferiblesubdividir el conjunt en grups (entre tres i set) i calcular elmodel tantes vegades com grups s’han definit.

La capacitat de predicció s’obté cada vegada amb el modelaplicat a la mostra del grup que s’ha exclòs. Aquest procedi-ment es coneix amb el nom de validació creuada (CV).

58

FIGURA 3. Esquema de calibratge emprat per a l’índex de maduració de les pomes.

yiPREDITA =

∑yjMESURADA

j ≠ i

N – 1

SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 58

La quimiometria i el procésquímic analíticLa majoria dels químics considera la quimiometria simple-ment com un conjunt d’eines per a l’anàlisi de les dades, justal final del procés de l’anàlisi química. Al contrari, la quimio-metria és present en totes les etapes del procés analític(figura 5).

Aquest procés es duu a terme per tal d’obtenir la informacióquímica o física (però relacionada amb la composició química)necessària d’un problema (si és possible, d’un problema real).

La quimiometria és molt més que tot això i ha de ser empradaen cadascuna de les etapes del procés.

La quimiometria ajuda a clarificar els objectius del procés, adefinir el problema. La quimiometria és necessària a l’hora depreparar el disseny del pla de mostreig, és a dir, de recollirmostres representatives de totes les fonts de variació del sis-tema objecte del procés, possiblement, de la manera més eco-nòmica que es pugui. Molt sovint, a la pràctica, les mostres nosón gaire representatives, però les seves característiques po-ques vegades es discuteixen. Les tècniques quimiomètriquessón útils per optimitzar les tècniques de mesura, i a la fi delprocés són eines per a l’anàlisi de les dades, per extreure de

les dades originals la informació útil per als objectius del pro-blema. Cada un d’aquests aspectes constitueix un ampli capí-tol de la quimiometria.

En referència a l’anàlisi de les dades, hi ha punts concrets onno és recomanable aplicar les «regles d’or» de manera auto-màtica.

Valors anòmals, outliers

Els valors anòmals es defineixen com a objectes (mostres) quetenen unes característiques molt diferents a la resta dels ob-jectes del problema. Una bona pràctica, generalment admesa,consisteix a eliminar aquests valors anòmals. El guany segurés que, tant en problemes de classificació com de calibratge,després de l’eliminació, el model proposat funcionarà millor.

En el cas de l’anàlisi exploratòria de dades o en problemes declassificació, l’eliminació dels valors anòmals es realitza mit-jançant la prova de Hotelling (prova multivariada anàloga a laprova de Student), que implica el compliment de la hipòtesique totes les variables es distribueixen segons una llei normal,una circumstància que molt poques vegades es compleix quanhom treballa amb dades reals. En el cas dels problemes de re-gressió, els valors anòmals són també la causa per la qual l’er-ror en predicció és molt gran.

Provaré d’explicar el que pot passar amb l’eliminació acegues dels valors anòmals amb un exemple que no és químic.

59

FIGURA 4. Predicció de sucre mitjançant TOF-NIRS.

FIGURA 5. La quimiometria i el procés d’anàlisi química.

SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 59

La figura 6 mostra el resultat després d’analitzar la informa-ció, detectar el valor anòmal i eliminar-lo.

Pel que fa a la identificació del valor anòmal, és evident queuna part de la informació és redundant i, per tant, es pot eli-minar. La figura 7 mostra la informació un cop eliminada lainformació redundant.

La figura 8 mostra el valor anòmal a l’espai de la informacióreduïda, mentre que la figura 9 mostra el valor anòmal a l’es-pai de la informació original.

Aquest exemple posa de manifest que el valor anòmal pot sermolt important a l’hora de comprendre les dades i que l’elimi-nació d’informació pot ser útil només en aparença.

Selecció de variables

Quan hom treballa amb informació no específica, gairebésempre una part de la informació no és útil, la qual cosa ano-menem soroll. S’ha demostrat que l’eliminació d’aquesta in-formació soroll millora la qualitat dels models de classificacióo de calibratge.

Hi ha una gran quantitat de tècniques per a l’eliminació devariables predictores inútils. En el cas dels problemes de clas-sificació, la tècnica més important és l’anàlisi discriminant li-neal per etapes (SLDA).

Pel que fa als problemes de calibratge, s’ha desenvolupat una gran quantitat de tècniques que van des de la conegudaregressió per mínims quadrats pas a pas fins a l’aplicació d’algorismes genètics.

Els resultats següents fan referència a un problema de classi-ficació amb tres classes i seixanta objectes disponibles per talde construir un model de classificació (conjunt de dades FAN).El nombre de variables va ser d’un miler, massa per aplicar di-rectament una tècnica de classificació probabilística com aral’anàlisi discriminant lineal (LDA). Cal, doncs, procedir a realit-zar necessàriament una selecció de variables.

La selecció es va realitzar per SLDA, amb les restriccions habi-tuals (valor de tall de l’estadístic de Wilks i un nombre màximde variables predictores seleccionades igual a vint, per tal dedisposar d’una relació com a mínim igual a tres entre el nom-bre d’objectes i el nombre de variables).

La figura 10 mostra el resultat representat a l’espai de lesdues variables canòniques de l’anàlisi discriminant lineal. Laseparació de les tres classes és perfecta. D’altra banda, la vali-dació realitzada amb l’estratègia d’una validació «total» o, finsi tot, amb altres procediments de validació més elaborats in-dica una capacitat de predicció del 100 %.

Simplement un detall: el nom del conjunt de dades FAN ésuna abreviatura de FANTASY. Les dades són dades artificials

60

FIGURA 6. La informació després d’haver eliminat el valor anòmal.

FIGURA 7. La informació un cop s’ha eliminat la part redundant a l’hora de detectar el

valor anòmal.

FIGURA 8. El valor anòmal a l’espai de la informació reduïda.

FIGURA 9. El valor anòmal a l’espai de la informació original.

SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 60

obtingudes d’una distribució normal N(0;1), la mateixa per ales tres classes.

Validació

Com és possible que s’hagi obtingut aquest resultat?

En l’estratègia habitual de selecció de variables mitjançantSLDA s’utilitzen tots els objectes a la fase de selecció. La vali-dació es realitza en una etapa posterior per validar el modelamb les variables seleccionades. Aquest esquema es represen-ta a la figura 11a.

El fet de realitzar una validació completa significa que laselecció de variables s’aplica també als grups definits envalidació creuada, tal com mostra l’esquema representat a lafigura 11b.

Si fem servir la validació completa sobre el conjunt de dadesFAN, s’obtenen els valors de la capacitat de predicció quemostra la figura 12. S’evidencia que la capacitat de prediccióés lluny del 100 % i que, quan augmenta el nombre de varia-bles seleccionades, baixa exactament fins a un 33 % el que espot esperar de la classificació aleatòria en el cas de tres cate-gories. Conclusions

La imatge generalitzada de la quimiometria no és la que ofe-reixen les poques persones que fan servir acuradament leseines d’aquesta disciplina amb una plena comprensió de lateoria en la qual es fonamenten, les seves limitacions i elcompliment o no de les hipòtesis subjacents.

61

FIGURA 10. Conjunt de dades FAN: representació a l’espai de les varia bles canòniques LDA.

FIGURA 11. a) Validació habitual; b) validació completa.

FIGURA 12. Conjunt de dades FAN: capacitat de predicció avaluada mitjançant validació

completa en funció del nombre de variables selec cionades per SLDA.

SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 61

La imatge real és la que resulta de la utilització de la quimio-metria en milions de determinacions rutinàries, els bestsellersde la quimiometria.

En aquest cas, les eines quimiomètriques poden ser aplicadessense un coneixement suficient i, molt sovint, amb una sobre-valoració de les seves possibilitats o altres circumstàncies quepoden ser molt crítiques.

Creiem que els veritables quimiòmetres han de fer un esforçper apropar-se als problemes reals, potser de baix nivell, permostrar la manera correcta de treballar, tant amb el seu exemple com amb la seva pedagogia.

AgraïmentsVolem agrair sincerament als organitzadors d’aquest IX Memo-rial Enric Casassas la invitació a presentar aquesta conferència.

Hom recorda una persona per la seva qualitat humana, per laseva simpatia o pel temps passat junts.

Per tal de recordar un científic, necessàriament cal algunacosa més.

Un científic eminent, un excel·lent professor que mereixser recordat pels seus col·legues i estudiants, ha ser capaç de mirar al futur per adonar-se de quina serà l’evolució de la seva ciència. No és gens senzill, però sí molt poc fre-qüent.

L’Enric Casassas tenia aquest do.

Referències[1] Stevenson, D. F.; Stross, F. H.; Heizer, R. F. Archaeometry1971, 13, 17.[2] Harper, A. M.; Duewer, D. L.; Kowalski, B. R.; Fashing,J. L. a Chemometrics: Theory and applications. Kowalski, B. R.American Chemical Society: Washington, 1977, p. 14-52.(ACS Symposium Series; 52).[3] Saxberg, B. E. H.; Duewer, D. L.; Booker, J. L.; Kowalski,B. R. Anal. Chim. Acta 1978, 103, 201.[4] Casale, M.; Casolino, C.; Oliveri, P.; Forina, M. FoodChemistry 2010, 118, 163.[5] Wold, S. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems1995, 30, 115.

62

Michele Forina va néixer a Torí (Itàlia) i es va llicenciar en química per la Universitat La Sapienza de Roma. És catedràtic dequímica analítica a l’Instituto di Analisi e Tecnologie Farmaceutiche ed Alimentari de la Universitat de Gènova. El professorForina és un dels impulsors de la quimiometria en l’àmbit internacional i ha tingut molta influència en el naixement i poste-rior desenvolupament d’aquesta ciència a Catalunya i a la resta de l’Estat espanyol, tot mantenint contactes constants ambdiferents grups de treball. Juntament amb el professor Enric Casassas, va crear el Colloquium Chimiometricum Mediterra-neum el 1987, que ha estat un punt de trobada bianual dels investigadors en quimiometria de parla llatina. És autor de mésd’un centenar de treballs, de diversos llibres i del conegut programari Parvus, tot un clàssic en l’àmbit quimiomètric. Ha es-tat president de la International Chemometrics Society i membre de l’equip editorial de Chemometrics and Intelligent Labo-ratory Systems i del Journal of Food Technology.

M. Forina

SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 62

Introducció: Enric Casassasi el plaer de les xifres

Abans d’acceptar la invitació a participar enaquest memorial, no sabia res sobre el pro-fessor Casassas. No havia tingut l’oportuni-tat de conèixer-lo en persona ni d’haver lle-git algun dels seus treballs, potser perquè lameva aproximació a la quimiometria no ésdes del món de la química analítica, sinó des

de l’enginyeria química. No obstant això, he de reconèixer que,després de llegir algun dels seus treballs i comentaris sobre la

seva vida i obra, he descobert una persona inquieta per resoldrenous problemes, oberta a aprendre dels altres, disposada acol·laborar amb d’altres i compromesa amb la formació i la di-vulgació del seu coneixement, aspectes clau per a un veritablecientífic.

Enric Casassas es pot considerar un dels principals introduc-tors de la quimiometria a Catalunya. La va aplicar fonamen-talment a la química analítica. Va utilitzar tècniques de re-coneixement de patrons i d’anàlisi de conglomerats peranalitzar mostres d’interès arqueològic i d’altres camps;també va desenvolupar l’aplicació de l’anàlisi factorial i del’anàlisi de components principals en la interpretació delsresultats experimentals obtinguts en estudis d’equilibris ensolució sense la necessitat de postular models químics teòrics previs, els quals sorgeixen de la mateixa anàlisi numèrica.1

63

Estratègies d’anàlisi de dades en quimiometria:selecció versus compressió Data analysis in chemometrics: selection versus compressionAlberto FerrerUniversitat Politècnica de València. Departament d’Estadística i Investigació Operativa Aplicada i Qualitat

Resum. La quimiometria utilitza eines de mineria de dades per a la modelització empírica de sistemes (bio)químics. El desenvo-lupament explosiu de les tecnologies de la informació i de les comunicacions ha possibilitat la fabricació d’una gran varietatde sensors que són capaços de recollir grans quantitats de dades i emmagatzemar-les en dispositius informàtics. El repte està aextreure eficientment la informació potencial continguda en aquestes dades, la qual cosa depèn en gran mesura de l’estratègiad’anàlisi usada. Amb tanta quantitat de dades disponible, cal usar algun procediment de reducció del nombre de variables aanalitzar. En aquest article es presenten dues estratègies per a aquesta necessària simplificació: compressió versus selecció.La gran diferència entre ambdues és que en seleccionar, s’eliminen algunes de les variables mesurades, mentre que en compri-mir, no. Si la selecció es realitza al principi de la investigació, es corre el risc d’eliminar variables amb informació útil perresoldre el problema en qüestió. La recomanació és, per tant, comprimir i, si és necessari, seleccionar amb posterioritat. Elsbeneficis d’aquesta recomanació s’il·lustren amb diversos exemples reals.

Paraules clau: Quimiometria, estructures latents, anàlisi de components principals (PCA), anàlisi discriminant amb mínimsquadrats parcials (PLS-DA), compressió, selecció, mineria de dades, model de calibratge, diagnòstic multivariant de processos.

Abstract. Chemometrics uses data mining tools for empirical modeling of biochemical systems. The explosive development ofinformation and communications technology have enabled the manufacture of a wide variety of sensors that are able to regis-ter large amounts of data stored on computing devices. The challenge is to efficiently extract the potential information con-tained in the data, which depends heavily on the strategy of analysis used. With so much data available it is necessary to use aprocedure to reduce the number of variables to analyze. In this paper we present two strategies for this necessary simplifica-tion: compression versus selection. The big difference between them is that with selection some variables are discarded whereasafter compression all variables may be recovered. If the selection is made at the beginning of the investigation there is a riskof eliminating variables with useful information to solve the problem at hand. The recommendation is therefore compress and,if it is needed, select. The benefits of this recommendation are illustrated with actual examples.

Keywords: Chemometrics, latent structures, principal component analysis (PCA), partial least squares discriminant analysis(PLS-DA), compression, selection, data mining, soft sensor, multivariate process diagnosis.


Correspondència: Alberto Ferrer. Universitat Politècnica de València. Departament

d’Estadística i Investigació Operativa Aplicada i Qualitat

Campus de Vera. Camí de Vera, s/n. Edifici 7A. 46022 València

Tel.: +34 963 877 007. Fax: +34 963 877 499


SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 63

En el seu llibre Del plaer dels sentits al plaer de les xifres,2

el professor Casassas ens descobreix la seva passió per laquimiometria. La seva visió d’aquesta disciplina com de «l’artd’extreure informació rellevant des del punt de vista químicde les dades produïdes en els experiments químics quantita-tius» és molt semblant a la primera definició de la quimiome-tria establerta per Svante Wold l’any 1974:3 «La ciència d’extreure informació de sistemes químics mitjançant mo-dels empírics (basats en dades)».

La quimiometria està molt lligada a la incorporació i al desen-volupament de noves tecnologies per al tractament de la in-formació en àmbits tan rellevants com la química, la bioquí-mica, la modelització molecular i les tècniques QSAR(quantitative structure-activity relationships), la quimioinfor-màtica, les ciències –òmiques (genòmica, proteòmica i meta-bonòmica), l’estudi global del medi ambient, la modelitzacióde processos o la tecnologia analítica de processos (PAT, pro-cess analytical tech nology).

El desenvolupament explosiu de la instrumentació cientifico-tècnica, de l’automatització i de la informàtica ha permès que

en tots aquests àmbits es puguin enregistrar grans quantitatsde dades en poc temps, tot generant-se complexes estructu-res de dades de diversa naturalesa que contenen informaciósobre diferents tipus de propietats de les mostres analitzades.Alguns exemples d’aquesta estructura de dades variada sónels següents: espectres NIR, UV/visible o de masses, o croma-togrames de mostres de substàncies (relacionats amb propie-tats químiques); pressions, temperatures i cabals de processosquímics (relacionats amb propietats físiques); pH, conductivi-tats i concentracions d’oxigen en el tractament d’aigües resi-duals (lligats a paràmetres bioquímics), o bé perfils d’expres-sió gènica (relacionats amb propietats genètiques de sistemescel·lulars). Durant l’última dècada, el desenvolupament de la tecnologia dels sensors electrònics (i-sensing) ha permès lafabricació de «nassos i llengües electrònics», que proporcionensenyals elèctrics en reaccionar amb els composts de la mostraanalitzada. En certs processos, com els de la indústria de l’a-cer, on no és possible la mesura directa amb sondes ateses leselevades temperatures del procés, s’usa l’«oïda» electrònica,que transforma els senyals acústics en elèctrics, o la termo-grafia, que permet captar variacions de temperatura al fornde fusió. També l’avenç en la tecnologia digital ha permès fer

64FIGURA 1. Exemples de tipus de dades de diversa naturalesa.

SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 64

viable a la pràctica l’ús de les càmeres espectrals o hiperespec-trals, que proporcionen, per a cada un dels píxels d’una imat-ge, informació espectral a diferents longituds d’ona. En l’àm-bit del radiodiagnòstic mèdic, també són molt usades lesimatges de ressonància magnètica nuclear. La figura 1 mostraalguns exemples d’aquestes complexes estructures de dades.La naturalesa multivariant d’aquestes estructures de dades, elseu alt grau de colinealitat, conseqüència de la complexa xar-xa de relacions entre variables, i l’existència de valors absents(no enregistrats) en algunes variables constitueixen un verda-der repte a l’hora d’extreure eficientment la informació po-tencial continguda a les esmentades dades. Per tal d’aconse-guir-ho, les dades (xifres) no ens han de desconcertar, sinódespertar-nos passió pel tresor (informació) que tanquen. Elseu descobriment depèn en gran mesura de l’estratègia d’anà-lisi usada, tal com es comenta a l’apartat següent.

Compressió o selecció?En la tasca d’extreure la informació rellevant, la quimiometrianecessita utilitzar mètodes estadístics d’anàlisi de dades. En-tre els més coneguts i estudiats, que denominarem clàssics, hiha els mètodes de regressió lineal, l’anàlisi de la variància uni-variant i multivariant, l’anàlisi de conglomerats o l’anàlisi dis-criminant de Fisher. El problema d’aquests mètodes clàssics ésque van ser desenvolupats en contextos d’escassetat de da-des, en els quals s’enregistraven poques variables, poc relacio-nades, i en els quals el nombre de variables era habitualmentmolt inferior al d’individus o mostres. De fet, en presència defortes relacions entre variables o de situacions amb més va-riables que mostres enregistrades, les tècniques clàssiques sónmolt ineficients o, fins i tot, inviables.

Tal com ja s’ha comentat, vivim en un nou entorn que ha mo-dificat totalment la naturalesa de les dades disponibles, laqual cosa obliga a un canvi de paradigma: de l’escassetat a lasobreabundància de dades. Davant d’aquesta sobrecàrrega dedades, molts analistes i tècnics se senten desconcertats i, perpoder usar les tècniques estadístiques clàssiques, acaben se-leccionant a priori per a la presa de decisions sols unes quan-tes de les variables enregistrades atenent criteris subjectius,com ara l’ús de l’experiència prèvia, no comprovada de mane-ra científica. El problema d’aquesta estratègia de seleccióés que pot arribar a descartar variables potencialment útilsd’una manera fins a un cert punt cega i, per tant, arriscada,

la qual cosa pot dificultar enormement la comprensió del pro-blema estudiat. El professor Casassas era molt conscientd’aquest risc i no va dubtar a qüestionar la utilitat de les tèc-niques estadístiques clàssiques a l’hora d’analitzar aquestsnous tipus de dades, pròpies de la quimiometria moderna.2

Afortunadament, seleccionar no és l’única estratègia possible ila presència d’estructures complexes de relació entre variablesno és realment un problema, sinó la constatació que els pro-cessos estan governats per unes quantes estructures no mesu-rables directament (latents) que afecten les variables que síque es poden enregistrar (observables). Una cosa semblant liocorre a una marioneta, en la qual els moviments de les dife-rents parts del cos (variables observables) no són autònoms,sinó que estan governats a través dels fils o cordes de connexióamb els moviments de les varetes (variables latents), mogudesper les mans del titellaire. La relació entre els moviments de lesdiferents parts del cos depèn de l’estructura de la marioneta,és a dir, de la connexió de les seves articulacions a les varetes.De la mateixa manera que per poder comprendre el funciona-ment d’una marioneta cal conèixer-ne l’estructura, per podercomprendre els processos cal descobrir les estructures latentsque els governen. Aquest és precisament l’objecte de les tècni-ques estadístiques multivariants de projecció sobre estructureslatents com l’anàlisi de components principals (PCA, principalcomponent analysis)4 i la regressió en mínims quadrats par-cials (PLS, partial least squares).5 Aquestes tècniques manegenbé grans matrius de dades mal condicionades (fins i tot en elcas d’existir més variables que individus), són relativament ro-bustes a la presència de dades absents i comprimeixen la in-formació multidimensional en unes quantes variables latentsque expliquen una gran part de la variabilitat de les variablesmesurades, així com de les seves relacions, per la qual cosa espoden considerar l’alternativa eficient a l’estratègia de la se-lecció en els contextos de sobreabundància de dades.

La comprensió dels problemes (i dels processos involucrats)exigeix compressió, no selecció d’informació, almenys a priori.En comprimir, l’analista pot analitzar el seu procés en l’espaide les variables latents (de menor dimensió i, en molts casos,ortogonal), la qual cosa el pot ajudar a entendre millor els fe-nòmens químics, físics, bioquímics, etc., subjacents i fins i tota usar les eines estadístiques clàssiques. La compressió esta-bleix vincles de relació amb les variables originals, que enqualsevol moment es poden recuperar en l’anàlisi, per la qualcosa les variables originals no es perden, com ocorre amb

65

SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 65

aquelles variables descartades en l’estratègia de selecció. Unavegada comprès (comprimit) el procés, en certes aplicacions,com la construcció de models predictius (soft sensors) o l’es-tabliment d’esquemes de control estadístic multivariant deprocessos, pot ser recomanable realitzar una selecció a poste-riori de les variables originals. Això s’il·lustra a l’apartat se-güent amb diversos exemples.

Exemple 1. Construcció d’un model de calibratgeo predictor (soft sensor)

Es disposa de l’espectre d’absorbància a 1.701 longituds d’onade quinze mostres d’un aliment (figura 2), així com de valorsanalítics de dos dels seus paràmetres de qualitat, determinatsen laboratori. Es pretén construir un model de calibratge (pre-dictiu) multivariant per poder avaluar indirectament la quali-tat de futures mostres de l’aliment a partir del seu espectred’absorbància, sense la necessitat de recórrer als assaigs ana-lítics de laboratori.

La tècnica d’estadística clàssica a usar en aquest cas podria ser la regressió lineal múltiple, però, com que només es disposade quinze mostres, el model predictiu tan sols podria contenircom a variables predictores, com a màxim, les absorbàncies a 14 longituds d’ona. Això obligaria a seleccionar a priori 14 deles 1.701 absorbàncies registrades a l’espectre. Si es fes aques-ta selecció de manera automàtica, això donaria lloc a múltiplesmodels. Quin seria el «millor»? El fet que una longitud d’ona nos’elegís com a variable predictora s’hauria d’entendre com quel’absorbància a l’esmentada longitud d’ona no té relació ambles característiques de qualitat? Si s’apliqués el coneixementquímic per seleccionar les longituds d’ona que poguessin estara priorimés correlacionades amb les característiques de quali-tat, com es podria validar científicament l’esmentat coneixe-ment previ? Es podria estar raonablement confiat que no s’ha-guessin descartat longituds d’ona «informatives»?

Amb l’estratègia de compressió, el problema es resol d’una ma-nera molt simple. Aplicant, en aquest cas, la tècnica PLS, s’obtéun model que, amb una única variable latent, té una capacitatpredictiva d’aproximada ment un 95 %. La figura 3 mostra elgrau de relació de les variables predictores X (absorbàncies a 1.701 longituds d’ona) amb les dues variables de qualitat Y.D’aquest gràfic es dedueix que les dues variables de qualitat te-nen una forta relació inversa (correlació negativa) i que existei-xen zones de l’espectre molt relacionades i d’altres amb molt so-roll o poc relacionades amb les característiques de qualitat.Aquesta informació podria ser interessant de comprovar-la ambel coneixement teòric de la relació entre l’absorbància a deter-minades longituds d’ona i l’estructura química de l’aliment.

66

FIGURA 2. Espectres d’absorbància de les quinze mostres analitzades.

FIGURA 3. Relació de les variables predictores X (absorbàncies) amb les dues variables de qualitat Y en el model PLS original. Es marquen les variables predictores que tenen una relació

més forta i consistent amb les dues variables resposta.

SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 66

En aquest cas, per tal de millorar la qualitat (consistència) deles prediccions, és recomanable seleccionar aquelles zones de l’espectre amb una correlació més forta i consistent (asse-nyalades a la figura 3) i construir un nou model PLS usantcom a predictora aquesta selecció a posteriori de variables. La figura 4 mostra les prediccions d’una de les variables dequalitat obtingudes amb aquest nou model usant una part de l’espectre complet original (1.197 de les 1.701 longitudsd’ona). La capacitat predictiva continua sent d’aproximada-ment un 95 %. Altres models més senzills (parsimoniosos)també es podrien derivar a partir dels anteriors.

Exemple 2. Diagnòstic d’un procés químic

El procés objecte d’estudi consisteix en la fabricació d’un al-cohol mitjançant la hidrogenació selectiva d’una mescla d’ès-ters. L’objectiu és estudiar la consistència del procés en dife-rents campanyes de fabricació. Es disposa de dades desetanta-dues variables de procés mesurades cada hora en di-ferents unitats del mateix procés, així com de dades d’una va-riable de rendiment del procés, mesurada cada vuit hores du-rant dues campanyes de fabricació. La base de dades contéuns cinc mil registres per a les variables de procés i uns cinc-cents per a la de rendiment durant aproximadament vuit me-sos de producció.

La figura 5 mostra l’evolució del rendiment del procés durantles dues campanyes. S’hi observa que, encara que l’engegadad’ambdues campanyes no és similar, una vegada estabilitzat

el procés, els valors del rendiment en ambdues segueixen unaevolució similar, de manera que no existeixen diferències es-tadísticament significatives entre els seus valors mitjans (riscde primera espècie = 0,05).

Es pot concloure, per tant, que ambdues campanyes han estatprocessades en les mateixes condicions i que el producte ob-tingut és bàsicament el mateix? La resposta és clarament ne-gativa: un mateix rendiment no significa necessàriament unmateix producte ni un mateix procés. Una única característica

67

FIGURA 4. Prediccions del model PLS d’una característica de qualitat quan s’utilitza

solament una part de l’espectre complet original (1.197 de les 1.701 longituds

d’ona).

FIGURA 5. Rendiment del procés en les dues campanyes de fabricació.

SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 67

no defineix comple tament la «qualitat» del producte acabat.La qualitat és un concepte multidimensional que es defineixen relació amb la manera com el producte satisfà les expecta-tives del client. Ja que és inviable el fet de provar de caracte-ritzar completament la qualitat mitjançant múltiples anàlisisdel producte acabat, l’alternativa efectiva és provar d’avaluarla consistència en el procés de fabricació. Al cap i a la fi, laforma en la qual el producte ha estat processat constitueixuna «empremta dactilar» que es pot utilitzar per garantir laconsistència del producte obtingut.

Per respondre les qüestions plantejades, es va procedir a ana-litzar les dades de les setanta-dues variables del procés du-rant les dues campanyes de fabricació mitjançant un modelPLS discriminant. La figura 6 mostra el diagrama de dispersiódels scores (scores plot) de les dues campanyes. En aquest cas,

dues variables latents són capaces de resumir la informació de les setanta-dues variables del procés amb una bondat depredicció del 94 %. Si l’operativa del procés en les variablesanalitzades hagués estat la mateixa, els núvols de scoresd’ambdues campanyes estarien superposats, la qual cosa no ocorre, en aquest cas. La figura 6 indica que ambduescampanyes han estat processades en condicions diferentsd’algunes variables del procés i que la campanya 1 és més estable (el núvol de scores està més concentrat) que la cam-panya 2.

Un estudi detallat de la figura 7, en la qual es mostren els coeficients del model PLS que prediu la campanya 1, permetidentificar clarament les variables del procés que tenen uncomportament diferent en ambdues campanyes i separar-lesen dos grups: les de coeficients grans i positius són les que

68FIGURA 7. Coeficients (loadings) de les setanta-dues variables predictores del model PLS de predicció de la campanya 1.

FIGURA 6. Score plot de les dues campanyes en el model PLS discriminant.

SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 68

prenen uns valors majors a la campanya 1 respecte de la cam-panya 2; les de coeficients grans i negatius tenen el compor-tament contrari, de manera que prenen uns valors majors a lacampanya 2 respecte de la campanya 1. Les figures 8 i 9 il·lus-tren un exemple de cada tipus.

La informació proporcionada per la figura 7 va permetre alstècnics del procés confirmar que la segona campanya, a mésde ser més inestable, va tenir un major cost: es va realitzar amajor temperatura i amb un major aportament de catalitzador.

La comprensió de les diferències del procés en ambdues cam-panyes facilitada pel model compressor PLS discriminant haservit, en aquest cas, per convèncer els tècnics del procés dela necessitat de fer el seguiment no solament del rendiment,sinó també de l’operativa del procés, per garantir un producterendible de manera consistent. En aquests moments s’està es-tudiant la possibilitat de desenvolupar un sistema de controlestadístic multivariant del procés per provar d’aconseguiroperar campanyes futures d’una manera similar a la campa-nya 1, més estable i de menor cost.

69

FIGURA 8. Evolució d’una de les variables del procés que pren uns valors superiors a la campanya 1.

FIGURA 9. Evolució d’una de les variables del procés que pren uns valors superiors a la campanya 2.

SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 69

ConclusionsDe la mateixa manera que no seleccionem a priori les fotosd’un viatge abans d’enviar-les a un amic per no saturar la ca-pacitat màxima del missatge al correu electrònic, sinó queutilitzem programes de compressió que permetin al nostredestinatari, una vegada rebudes totes les fotos comprimides,gaudir del viatge i seleccionar a posteriori les que més li agra-din, tampoc no és adequat seleccionar a priori les variables autilitzar en les nostres anàlisis de problemes quimiomètrics,malgrat que disposem, en molts casos, de grans bases de da-des per analitzar. En seleccionar variables, es corre el risc deperdre informació útil. La comprensió dels processos exigeixno la selecció, sinó la compressió de la informació. Els mèto-des estadístics de projecció multivariant, com el PCA (anàliside components principals) o el PLS (regressió en mínims qua-drats parcials), constitueixen unes excel·lents eines per aaquest propòsit. Una vegada els fenòmens estudiats han estatsotmesos a compressió, tot utilitzant la interacció entre el co-neixement tècnic disponible i la informació obtinguda de l’a-nàlisi multivariant de les dades, si cal, es pot procedir a la se-lecció a posteriori de les variables més rellevants per al’objecte de l’estudi.

AgraïmentsÉs un plaer per a mi haver pogut participar en el IX MemorialEnric Casassas (2 de desembre de 2009), per la qual cosa vullmostrar el meu agraïment als organitzadors d’aquest esdeve-niment, els professors Romà Tauler, Xavier Tomàs i Anna deJuan, per la seva amable invitació.

Referències[1] Casassas, E. Sessió en memòria. Institut d’Estudis Catalans:Barcelona, 2000.[2] Casassas, E. «Del plaer dels sentits al plaer de les xifres o del’alquímia a la quimiometria». A: Del plaer dels sentits al plaerde les xifres. Casassas, E.; Simó, E.; Tauler, R. (ed.). Universitatd’Estiu; Institut d’Estudis Catalans: Barcelona, 1997, p. 7. (Monografies de les Seccions de Ciències; 13).[3] Wold, S. «Chemometrics: What do we mean with it andwhat do we want from it». Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems 1995, 30, 109.[4] Wold, S.; Esbensen, K.; Geladi, P. «Principal component analysis». Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems1987, 2, 37.[5] Martens, H.; Naes, T. Multivariate calibration. John Wiley & Sons: Nova York, 1992.

70

Alberto Ferrer és enginyer agrònom i doctor per la Universitat Politècnica de València. Actualment, és catedràtic del Depar-tament d’Estadística i Investigació Operativa Aplicades i Qualitat de la Universitat Politècnica de València, on dirigeix elgrup d’investigació en Enginyeria Estadística Multivariant, dedicat al desenvolupament de metodologia estadística per a l’anàlisi, el monitoratge i el diagnòstic de processos complexos. És coordinador del programa de doctorat «Estadística i opti-mització» de la Universitat Politècnica de València i ha estat editor associat de la revista Technometrics (2008-2009). Enl’actualitat, és membre del Consell de la International Society for Business and Industrial Statistics (ISBIS), així com de l’European Network for Business and Industrial Statistics (ENBIS) i de la Xarxa Espanyola de Quimiometria.

A. Ferrer

SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 70

Introducció

El clor és l’element número 17 de la taula periò-dica. Sembla que va ser descobert per WilhelmSheele, l’any 1774, a Suècia, fent reaccionarclorur sòdic amb biòxid de manganès i àcidsulfúric concentrat. Si es té en compte que alfinal del segle XVIII els laboratoris no disposa-ven dels rigorosos sistemes de protecció ac-

tuals, el primer impacte del nou element descobert en el sis-tema respiratori del seu descobridor seria del tot desagrada-ble. No obstant això, va ser Hamphry Davy, l’any 1810, qui vademostrar que els asfixiants fums que es desprenien de la reacció de Sheele corresponien a un nou element químic, alqual li dóna el nom de clor, a causa del seu color. Per tant,

la mateixa presentació d’aquest element en el seu naixementno hauria generat una especial simpatia en l’entorn en el qualva veure la llum.

El clor té una massa atòmica de 35,453 uma i una electrone-gativitat de 3,16 segons Pauling. El potencial de la primera ionització és de 1.251,2 kJ/mol o bé 13,01 eV. El clor té dosisòtops estables, 35Cl i 37Cl, que representen el 75,77 % i el24,23 %, respectivament, del clor que hi ha a la naturalesa.De totes les característiques fisicoquímiques d’aquest ele-ment, són l’elevada electronegativitat i l’especial composicióisotòpica les que tenen més interès per a aquest treball.

Les característiques asfixiants del gas clor van ser la causaque l’Exèrcit alemany utilitzés, per primera vegada a la histò-ria de manera extensiva, un gas com a arma de guerra: el clor,amb el nom clau de «Bertholita», el 22 d’abril de 1915, a l’inicide la batalla d’Ypres, a Langermarck, un poble de cinc mil ha-bitants. L’Exèrcit alemany va descarregar a les primeres líniesdel front cinc mil set-cents trenta cilindres per escampar

71

Del clor a les dioxines passant per James E. Lovelock i el detector de captura d’electronsFrom chlorine to dioxins through James E. Lovelock and the electroncapture detectorMiquel Gassiot,* Jordi Díaz, Francesc Broto i Lluís ComellasUniversitat Ramon Llull. Institut Químic de Sarrià. Departament de Química Analítica

Resum. El desenvolupament de l’anàlisi química i de les tècniques cromatogràfiques, gràcies a la gran sensibilitat dels detec-tors (especialment, el de captura d’electrons), va contribuir d’una manera important a la consolidació de la consciència ecolò-gica. El descobriment al medi ambient de residus de DDT i d’altres pesticides, que contenen clor en la seva molècula, juntamentamb residus de bifenils policlorats, va contribuir al fet que la societat vegi el clor i tots els compostos orgànics que el contenenen la seva estructura amb un gran recel. L’accident de Seveso, a Itàlia, i l’ús de l’agent taronja a la Guerra del Vietnam van seraltres aportacions per a la quasi general proscripció de l’element químic clor. En aquest treball, tot seguint l’itinerari que sug-gereix el títol, es fa una revisió de les anàlisis de mostres ambientals de bifenils policlorats i del detector de captura electròni-ca. La segona part es dedica a l’anàlisi de dioxines, tot destacant alguns exemples concrets, com ara la determinació de dioxi-nes en mostres de formatge mozzarella.

Paraules clau: Clor, PCB, DDT, ECD, PCDD, PCDF, cromatografia de gasos, espectrometria de masses, quimiometria.

Abstract. The development of chemical analysis and chromatographic techniques, due to the great sensitivity of the detectorsused (especially the electron capture detector) has decisively contributed to the consolidation of ecological conscience. Thedetection of DDT and other chlorinated pesticide residues in the environment, in addition to polychlorinated biphenyl residues,made raise the concern about chlorine and chlorinated compounds in the society. Seveso accident, in Italy, and the use ofOrange Agent in Vietnam War were two other contributions to the general proscription of the chemical element chlorine. Inthis work, following the itinerary suggested by the title, the analysis of polychlorinated biphenyls in environmental samplesand the use of the electron capture detector are reviewed. The second part of the work is devoted to the analysis of dioxins,pointing some specific examples, such as the determination of dioxins in samples of mozzarella cheese.

Keywords: Chlorine, PCB, DDT, ECD, PCDD, PCDF, gas chromatography, mass spectrometry, chemometrics.


Correspondència:Miquel Gassiot. Universitat Ramon Llull. Institut Químic de Sarrià.

Departament de Química Analítica

Via Augusta, 390. 08017 Barcelona

Tel.: +34 932 672 000. Fax: +34 932 056 266


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 71

160 tones de clor.1 Si bé aquesta operació va tenir un granimpacte psicològic, la seva eficàcia va ser molt discutible, acausa de la mateixa reactivitat del clor i la seva solubilitat enaigua. D’altra banda, un canvi en la direcció del vent va portarel núvol de clor a les línies alemanyes en diversos punts delfront. El fet que el clor i compostos de clor entressin a la his-tòria com a protagonistes dels primers gasos de guerra explicatambé el recel de la societat envers aquest element, tot obli-dant els grans beneficis que hi ha aportat.

Alguns d’aquests beneficis són la cloració de l’aigua, que vadesterrar greus epidèmies (com el còlera i les tifoidees), o béel p,p’-difeniltricloroetà (el popular DDT), que va resoldre lesclàssiques epidèmies de polls dels temps de guerra i que haestat de gran eficàcia contra la malària. Cal recordar que elPremi Nobel de Medicina de l’any 1948 va ser concedit a PaulHerman Müller pel fet d’haver descobert la gran eficiència delDDT en la lluita contra els insectes transmissors de moltesmalalties (entre elles, la malària). Es considera que gràcies al DDT es va eradicar la malària de les zones de paludismed’Europa.

Deixant de banda que el clor constitueix el 60,6 % en pes dela sal comuna, que va ser el «salari» dels soldats de les legionsromanes durant segles i un compost essencial per a la vida, lasocietat actual veu amb recel el clor orgànic; no l’ió clorur,sinó els compostos orgànics que contenen clor amb enllaç co-valent en la seva estructura. És en aquest últim aspecte quel’opinió pública considera el clor com un element proscrit.Però l’origen d’aquest rebuig al clor orgànic no prové de l’úsdel clor i altres compostos de clor. Els famosos escrits de labiòloga nord-americana Rachel Carlson sobre el Silent spring(1962)2 van ser una contribució molt important al desvetlla-ment de la consciència ambiental al seu país i a tot el món,alhora que van promoure l’inici de diversos treballs de recercaper intentar trobar la causa d’aquest «silenci», descrit perCarlson de forma poètica en el fragment següent:

Over increasingly large areas of the United States, spring nowcomes unheralded by the return of the birds, and the earlymornings are strangely silent where once they were filled withthe beauty of bird song. This sudden silencing of the song ofbirds, this obliteration of the color and beauty and interestthey lend to our world have come about swiftly, insidiously,and unnoticed by those whose communities are as yet unaf-fected.

Rachel Carlson va néixer el 27 de maig de 1907 i va morir el14 d’abril de 1964, dos anys després de la seva publicació mésconeguda, Silent spring.

Com a fruit d’aquesta nova sensibilitat social impulsada perCarlson, un dels primers compostos químics de síntesi estu-diats va ser el DDT. Aquest producte havia estat usat de mane-ra massiva a partir de la Segona Guerra Mundial. Unes prime-res experiències van posar de manifest que les femelles d’ocellssotmeses a la ingesta de DDT ponien els ous amb una closcamolt més fràgil. Aquest fet contribuïa a explicar la gran baixa-da de la natalitat en algunes aus, detectada després de la Segona Guerra Mundial, que es podria deure a la gran difusiódel DDT en l’ambient, juntament amb la seva gran estabilitat.D’altra banda, els resultats d’aquests primers estudis feien su-posar que els aliments de les aus estaven contaminats peraquest compost.3 En aquests treballs es va posar de manifest lautilitat de la cromatografia de gasos, si bé se l’obligava a tre-ballar en el límit de les seves possibilitats, ja que es volia de-tectar els residus de DDT en els més diversos materials i prepa-rats: productes agrícoles, terrenys de conreu, la majoria delsaliments, llets, mostres de teixit adipós (no tant sols d’animals,sinó també d’éssers humans), etc. Les primeres anàlisis van po-sar de manifest que els residus de DDT, a causa de la seva fortalipofília, s’acumulen a les fraccions lipídiques i als teixits adi-posos dels éssers vius analitzats. En gairebé totes les mostreses van trobar també el p,p’-DDE (p,p’-dicloro-difenildicloroeti-lè) i el p,p’-DDD (p,p’-diclorodifenildicloro-età), que, amb elscorresponents isòmers, són impureses que acompanyen el DDTi són també els seus principals metabòlits ambientals. Cal des-tacar que Sören Jensen, un dels primers científics a trobar iquantificar residus de DDT mitjançant la cromatografia de ga-sos, va posar de manifest en els seus cromatogrames la pre-sència d’altres contaminants, que s’extreien de les mostresambientals conjuntament amb el DDT i els seus metabòlits.Jensen va aconseguir identificar els pics del cromatogramaque no corresponien als DDT com a bifenils policlorats, conta-minants provinents de l’àmplia aplicació de productes indus-trials obtinguts per cloració del bifenil, com ara els Aroclors. A la figura 1 es reprodueix un dels cromatogrames obtingutsper Jensen.4 Els pics assenyalats amb els números 3, 5, 7, 8, 9,10, 11 i 12 corresponen a bifenils policlorats denominats co-munament PCB.

L’alemany Schmitt-Shulz va aconseguir, l’any 1881, clorar elbifenil, tot obtenint per primera vegada la complexa barreja

72

SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 72

dels bifenils policlorats. L’any 1929, Monsanto va iniciar laproducció industrial dels PCB. Per classificar el producte fa-bricat i comercialitzar-lo d’acord amb el grau de cloraciócorresponent va establir una nomenclatura específica, laqual consistia en un número de quatre xifres: les dues pri-meres eren el número 12, corresponent als àtoms de carbonidel bifenil, i les dues següents expressaven el percentatge enpes de clor al producte. Així, aparegueren en el mercat elsproductes de Monsanto: Aroclor 1221, 1254, 1268, etc., aixòés, bifenils clorats amb un 21 %, un 54 % i un 68 % en pesde clor, respectivament. En aquestes barreges es podien tro-bar fins els dos-cent nou congèneres de cloració del bife-nil.5,6

Els bifenils policlorats han estat àmpliament utilitzats i, en elseu moment, van resoldre considerables problemes industrialsi tècnics com a fluids transmissors de calor no inflamables,estables a altes temperatures i elèctricament aïllants. Tambéhan estat molt utilitzats com a plastifi cants, en la indústria deles pintures i en la formulació de diversos insecticides. En l’ac-tualitat, la seva fabricació i utilització està pràcticament pro-hibida (Directiva 85/467/CEE) i tan sols s’accepta l’ús dels PCBcom a fluids dielèctrics en sistemes completament tancats.Fins i tot en aquests sistemes, segons la Directiva 96/59/CE,els PCB han de ser eliminats com a molt tard l’any 2010. Ambreferència als DDT, el Conveni d’Estocolm de l’any 2001 enprohibeix la producció i utilització exceptuant el cas de lalluita contra la malària.

James Ephraim Lovelock i eldetector de captura electrònica

James Ephraim Lovelock va néixer al Regne Unit el 26 de juliolde 1919, a Letchword Garden City, i es va graduar en químicaper la Universitat de Manchester l’any 1941. El 1948, va asso-lir el grau de doctor en medicina tropical. Lovelock va seguirels seus estudis i va aconseguir el grau en biofísica per la Uni-versitat de Londres l’any 1959. Va ser professor de química ala Baylor University College of Medicine de Houston (EUA) desdel 1961 fins al 1964 i va col·laborar durant aquest tempsamb la NASA. L’any 1960, va descobrir el detector de capturad’electrons.7

Les primeres anàlisis cromatogràfiques de mostres ambientalsvan posar de manifest les limitacions del detector d’ionitzacióde flama d’hidrogen (FID, flame ionization detector). Aquestalimitació era deguda al fet que els compostos amb àtoms d’elevada electronegativitat, com el clor, feien disminuir lasensibilitat d’aquest detector. Aquesta anomalia es produïaperquè els àtoms amb més afinitat electrònica capturen els electrons formats per la ionització química generada pels grups CH, CH2, CH3 i el CH4; base del senyal del FID. J. E. Lovelock va tenir l’encert d’aprofitar aquest fet per al dis-seny d’un nou detector que no funcionés per l’augment d’uncorrent de fons amb la presència dels analits que sortien de lacolumna, sinó per tot el contrari: els analits amb una elevada

73

FIGURA 1. Cromatograma obtingut per Soren Jensen, extret de la referència 4, i estructures del p,p’�-DDT, p,p’�-DDE i PCB.

SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 73

electronegativitat farien disminuir un corrent de fons generatper una font radioactiva de partícules . Aquest és l’origen deldetector de captura electrònica (ECD, electron capture de-tector).

Les primeres aplicacions de l’ECD, juntament amb la novasensibilitat desvetllada per Rachel Carlson, desperten en Lovelock una preocupació i una passió pel medi ambient i unavocació com a ecòleg que el porten a una profunda reflexiósobre la continuïtat de la vida al nostre planeta. El fruit d’a-questa reflexió es la teoria de Gaia, formulada el 1969 i publi-cada el 1979. Segons aquesta hipòtesi, la biosfera es compor-ta com un sistema autoregulat que tendeix a l’equilibrienfront de qualsevol acció de distorsió.8

Fonament físic de l’ECD

El disseny bàsic d’un ECD, tal com indica la figura 2,9 consis-teix en un petit recinte de l’ordre d’1 cm3 de volum on arribael gas emergent de la columna cromatogràfica i que entradins el detector per la part on hi ha l’ànode. El flux de gasos estroba amb el corrent d’electrons (radiació β relaxada energè-ticament) procedent del càtode, que també és la font de ra-diació β.

Hi ha diferents dissenys per als ECD. El de la figura 2 corres-pon a l’estructura denominada plana paral·lela, però, d’acord

amb la disposició de l’ànode i de la font de radiació (càtode)respecte del flux, l’estructura del detector pot ser també de-nominada coaxial i cilíndrica concèntrica. Els diferents dis-senys corresponen a les aportacions de les diferents empresesd’instrumentació, tot perseguint una millor sensibilitat i li-nealitat amb el mínim volum mort.

Un dels principals problemes de l’ECD va ser trobar la font deradiació adequada. A la taula 19 es presenten algunes de lespossibles fonts que poden proporcionar radiació β. Per aaquest detector, interessa que aquesta font sigui de baixa energia, per reduir al màxim el risc de contaminació del per-sonal que utilitzi l’ECD i el seu entorn.

Inicialment, es va utilitzar el triti com a font de radiació, peròràpidament va ser substituït pel 63Ni. L’abast mitjà de la radia-ció β del 3H i del 63Ni és uns 2 mm i 7 mm, respectivament. Unaltre aspecte pel qual cal que la radiació β sigui de baixa energia és evitar que es produeixi la ionització del fluid gasósi de l’analit, en comptes de la captura electrònica. A la taula 29

es donen els potencials d’ionització i excitació dels gasos por-tadors més relacionats amb l’ECD i també el potencial d’exci-tació de l’argó.

Cal tenir present que el potencial d’ionització de la majoriadels compostos orgànics és de l’ordre de 10 eV. Per tant, l’ener-gia de la radiació β emergent de la font de 63Ni supera en molt

74

FIGURA 2. Disseny bàsic d’un ECD.

TAULA 1. Característiques de les possibles fonts de radiació per a l’ECD i característiques9

Font Activitat (mCi) Partícula Energia (MeV) γ (MeV) Temperatura màxima (ºC) t1/2 (anys)

3H 130 β 0,018 no 200 12,5

99Tc 0,3 β 0,292 no 500 5·105

90Sr – β 0,55 no – 28

63Ni – β 0,06 no 400 85

SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 74

els potencials d’ionització del possible gas portador i de qual-sevol substància que passi per aquest detector. Per aquest mo-tiu, cal transformar les partícules β en electrons «tèrmics», és adir, en electrons que tinguin l’energia cinètica mitjana que elscorrespon a la temperatura del detector. En cas contrari, en llocde ser capturats, ionitzaran les molècules amb les quals im-pactin, tot fent augmentar el corrent de fons, en lloc de dismi-nuir-lo. Aquesta és la raó per la qual cal utilitzar un gas porta-dor que col·labori en la relaxació energètica de les partícules β.Per això s’utilitza un gas portador poliatòmic, com el N2, o béuna barreja d’argó amb metà (usualment, un 5 % de CH4). Enles reaccions següents, s’exposa un dels processos de relaxacióproposats per explicar el funcionament de l’ECD en el cas d’utilitzar argó-metà9 (a la figura, els electrons «tèrmics», re-sultat del procés exposat, es representen així: e, e1 i e2):

β + Ar → Ar+ + e1* + β*

Ar + e* → Ar* + e2*

Ar* + Ar* → Ar + Ar+ + eAr* + CH4 → Ar + CH4

*

e1* + e2

* +2 CH4 → e1 + e2 +2 CH*

4

Un altre aspecte important per al millor funcionament del’ECD és el voltatge de focalització, que queda comprès entre5 i 50 V. Aquesta tensió té com a finalitat aconseguir un bonnivell de corrent de fons en absència de substàncies electro-capturants, resultat de la relaxació energètica de la radiació β,sense accelerar sensiblement els electrons tèrmics. Quan aldetector hi ha compostos amb una elevada afinitat electròni-ca, el voltatge de focalització té com a finalitat dirigir els ionsnegatius cap a l’ànode. Cal tenir present que la disminució delcorrent de fons en aquest detector es produeix perquè elselectrons són substituïts per ions negatius, que tenen unamobilitat electrònica molt més baixa que els electrons. Si elvoltatge de focalització és massa elevat, es pot produir la re-acció de detachment, tal com s’expressa en el procés següent:

X– + Ar → X + Ar* + e

D’això resulta un augment del corrent de fons, tal com es posa de manifest al gràfic de la figura 3, extret de la referència 9.

Al gràfic de la figura 3, la línia contínua indica la variació delcorrent de fons en funció del voltatge de focalització en ab-sència de substàncies electrocap turants. S’hi observa que, apartir de 7 V, el corrent augmenta molt poc amb el voltatge.D’acord amb aquest gràfic, el voltatge adequat per al funcio-nament de l’ECD estaria situat entre 7 i 15 V. La línia de puntscorrespon a la variació del corrent de fons en presència d’unhidrocarbur halogenat. Cal destacar que, en aquest segon cas,per sobre dels 15 V, el corrent de fons s’acosta molt al nivellobtingut quan al detector tan sols hi ha gas portador. En con-seqüència, també es dedueix de la figura 3 que, a un voltatgesuperior als 15 V, disminuirà la sensibilitat del detector, acausa de l’efecte detachment.

El problema de la linealitat de l’ECD

A l’ECD, la captació d’electrons per part d’una substància d’e-levada afinitat electrònica, en fase gas, es realitza de manerasimilar a l’absorció de radiació electromagnètica per part d’u-na molècula cromòfora en dissolució. Per tant, la referència ala llei de Beer i Lambert pot ser útil per a qualsevol considera-ció sobre el funcionament d’aquest detector. Aquesta llei es-tableix que la llum absorbida per l’analit cromòfor no és di-recta ment proporcional a la concentració d’aquest en ladisso lució. D’una manera semblant, la resposta de l’ECD (dis-minució del corrent de fons) no és directament proporcional ala concentració de la substància captadora d’electrons que estroba al detector.

Si Ib és la intensitat del corrent de fons produïda per una font deradiació constant, quan tan sols circula gas portador i Ie és laintensitat del corrent de fons en presència d’un compost ambafinitat electrònica elevada, en un instant determinat, a unaconcentració c1, aleshores Ie < Ib. Si en aquest lapse de temps la concentració al detector augmentés fins a duplicar c1, la dismi-

75

TAULA 2. Potencials d’ionització i excitació dels gasos portadors més relacionats

amb l’EDC9

Gas Potencial ionització (eV) Potencial excitació (eV)

N2 15,5

Ar 15,7 11,5

CH4 14,5

FIGURA 3.

SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 75

nució del corrent de fons no es duplicaria, perquè les molèculessegüents es trobarien amb una densitat d’electrons inferior i laprobabilitat de captura electrònica seria clarament inferior. Enconseqüència, la resposta en funció de la concentració no serialineal i les concentracions més elevades donarien una respostaproporcionalment inferior a les més baixes.

Temptatives per augmentar la linealitat de l’ECD

El primer intent va ser dissenyar i construir ECD que funciones-sin amb voltatge de focalització polsant, amb la possibilitat deregular el voltatge i el període dels polsos. Amb aquesta modi-ficació, s’aconseguia que, entre cada pols, la font pogués res-tablir la densitat electrònica necessària perquè les noves molè-cules que entraven dins el detector es trobessin amb unacapacitat de captura similar a les primeres. Efectivament, ambaquesta modificació i ajustant correctament les dues variables(voltatge i freqüència de polsos), la resposta es podia conside-rar pràcticament com a lineal per a un marge de l’ordre de 102.

No obstant això, la millor solució va ser aportada per R. J.Maggs, P. L. Joynes, A. J. Davies i J. E. Lovelock10 amb a newmode of operation de l’ECD. Aquesta nova manera d’operar esfonamenta també en un voltatge polsant, però a freqüènciavariable. En aquest cas, quan la substància electrocapturantentra dins el detector a la concentració c, es genera la diferèn-cia Ib – Ie= Id,, on Id es denomina corrent de desequilibri. Aquestdóna lloc a un voltatge de desequilibri Vd, el qual fa augmentarla freqüència de polsos des de f0 (freqüència quan Id era 0) finsa f, un nou valor de freqüència per al qual Id esdevé 0 a la con-centració c. Els esmentats autors han comprovat que existeixuna relació lineal entre la concentració i (f – f0):

c = a(f – f0 )

La constant a depèn de l’afinitat electrònica de la molèculadetectada. Aquesta manera d’utilitzar el detector de capturad’electrons és, actualment, la més emprada. No obstant això,amb aquesta versió, el marge de linealitat difícilment va mésenllà de 104, és a dir, des del microgram a dècimes de nano-gram.

Anàlisi de PCB en mostresambientals

La detecció generalitzada de PCB, DDT i altres contaminantsen mostres ambientals va donar lloc al fet que la ComunitatEuropea intervingués en aquest tema, tot seguint la preocu-pació dels països membres i els consells i suggeriments delscientífics i ecòlegs que ja havien obtingut resultats sobre elsnivells de contaminació trobats en alguns punts del mar Me-diterrani. El resultat va ser el Conveni de Barcelona del 1976,signat per tots els estats membres de la Comunitat Econòmi-ca Europea i països tercers riberencs de la Mediterrània, en elqual tots els signataris es responsabilitzaven de la protecciód’aquesta conca. Una altra important conclusió d’aquesttractat va ser la posada en marxa del programa MEDPOL peral control del nivell de contaminants en aquest mar mitjan-çant els mètodes analítics més adequats per a cada tipus decontaminant i de mostra. Un aspecte particular del MEDPOLva ser el programa CATPOL, que havia de servir per analitzarla costa catalana i en el qual va participar l’Institut Químicde Sarrià, concretament, la Secció de Cromatografia, encol·laboració amb l’Institut Espanyol d’Oceanografia,11 quellavors depenia del Ministeri d’Obres Públiques. Aquestacol·laboració va permetre posar a punt, a l’Institut Químic deSarrià, els mètodes per determinar PCB i DDT en mostres ma-rines i per analitzar dues-centes trenta-set mostres recollidesper l’Institut Espanyol d’Oceanografia, corresponents a lescampanyes dels anys 1981, 1982, 1983, 1984, 1985, 1986 i1988.

Entre els resultats obtinguts a les campanyes esmentades,destaquen els elevats valors de contaminació en DDT trobatsa les mostres de sediments marins del delta de l’Ebre, unacontaminació característica de l’activitat agrícola del delta.D’altra banda, són especialment remarcables les 180 ppm de contaminació de PCB trobades en els sediments fluvials de l’Ebre a Flix i les 0,6 ppm de l’entorn del port de Barcelona.

76

TAULA 3. Dades comparatives entre el detector d’ionització de flama d’hidrogen

i el de captura d’electrons

Detector d’ionització de flama d’hidrogen Detector de captura d’electrons

Sensibilitat: 1 nanogram Sensibilitat: 0,1 picogram

(1·10-9 g) d’hidrocarbur. (0,1·10-12 g) de lindane.

Marge de linealitat: 107. Marge de linealitat: 104

(voltatge polsant amb

freqüència variable).

Calibratge: necessari, però molt menys Calibratge: imprescindible amb

crític que a l’ECD. patrons de concentració del

mateix ordre que en la mostra.

SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 76

Ja als anys vuitanta, es tenia coneixement que la toxicitatdels PCB depenia de l’estructura dels congèneres que conteniael producte contaminant. Aquesta toxicitat es relaciona ambl’estructura més o menys coplanar i amb el nombre d’àtoms

de clor: com més plana és la molècula, més gran és la seva toxicitat. El congènere més tòxic és el 3,3’,4,4’,5-pentaclo-robifenil (PCB 126, segons la nomenclatura específica de Ballschmitter).15 Per aquesta raó, interessava molt conèixer lacomposició en congèneres dels residus de PCB trobats a lesdiferents mostres. No obstant això, per a aquesta determina-ció analítica calia disposar de patrons purs de cada congène-re. Atesa la pràctica impossibilitat de disposar d’aquests pa-trons i davant la necessitat de donar alguns resultats sobre lesmostres preses, es va decidir prendre com a patrons els Aro-clors més comuns.15 D’acord amb aquest objectiu, F. Broto12

va optar per relacionar els perfils dels cromatogrames de PCBd’una mostra ambiental amb els que donaven els cromatogra-mes dels Aroclors 1242, 1248, 1254, 1260 i 1268, que eren els més utilitzats industrialment i, per tant, els que tenien mésprobabilitats d’haver-se dispersat en el medi ambient. Les fi-gures 4 i 5 són exemples d’aquests cromatogrames. Per tald’aconseguir aquesta relació, es va recórrer a l’algoritme deZobel13 i al mètode Simplex modificat.14 L’un i l’altre algoris-mes iteratius, per combinació lineal, ajusten la proporció decada cromatograma dels Aroclors de referència fins a aconse-guir reproduir el de la mostra amb la mínima diferència. Peraquest sistema es va poder atribuir una composició, en elsAroclors de referència, de les mostres de sediments i organis-mes marins preses durant les campanyes del CATPOL. Aquestainformació era d’un valor discutible des del punt de vista de la possible toxicitat de la mostra, però donava possibilitatsd’investigar l’origen de la contaminació. No obstant això,malgrat que els PCB eren contaminants permanents al medi

77

FIGURA 4. Cromatograma de PCB d’una mescla d’Aroclors.

.

FIGURA 5. Cromatogrames dels diferents Aroclors.

SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 77

ambient, aquestes substàncies es degraden lentament en fun-ció del seu grau de cloració. Per tant, la desconvolució del cro-matograma de la mostra partint dels cromatogrames dels Aro-clors implicava la limitació o l’error que els Aroclors patrons nohavien sofert una degradació similar a la de la mostra. Malgrataquesta important limitació, era imprescindible poder pendresuport en un patró com els Aroclors per obtenir una informacióquantitativa, ja que es treballava amb l’ECD, que, tal com s’havist, es caracteritza per la seva selectivitat i per la limitada li-nealitat de la resposta.

El gran interès que es va generar per la recerca en medi am-bient va fer que els organismes internacionals (com el Progra-ma de les Nacions Unides per al Medi Ambient, la FAO i la Co-munitat Europea) impulsessin la producció de patrons desubstàncies contaminants amb les corresponents validacions igaranties analítiques. Cap a l’inici de la dècada dels noranta,ja va ser possible disposar dels patrons dels dos-cents noucongèneres de PCB. En aquests anys, també es van iniciar elstreballs d’intercalibratge entre laboratoris i l’acreditació delsque havien superat satisfactòriament les proves correspo-nents. Actualment, tots els laboratoris que analitzen mostresambientals treballen amb patrons dels congèneres dels PCB idonen els resultats amb referència a aquests patrons. No obs-tant això, en alguns casos, la referència dels resultats als pa-trons d’Aroclors continua sent útil per a algunes investiga-cions específiques.

Anàlisi de dioxines (policloro dibenzo-p-dioxines) i furans (policloro dibenzofurans) en mostres ambientals i l’ECD

L’accident de Seveso (Itàlia) i l’aparició de noves malalties re-lacionades amb l’ús de l’agent taronja a la Guerra del Viet-nam van posar d’actualitat el tema de les dioxines i els furans com a agents contaminants del medi ambient. A dife-rència dels DDT i PCB, aquestes substàncies no són productesde tipus industrial. La seva presència al medi ambient és unresultat no desitjat de reaccions de descomposició de dife-rents productes (reaccions fortuïtes i accidentals, com va serel cas de Seveso). També es poden originar en fets naturals,com ara en incendis de boscos, o bé es poden formar en in-cendis d’edificis i d’instal·lacions industrials. Les incinerado-res de residus, si no estan ben gestionades, també poden pro-duir dioxines que seran arrossegades pels fums i dispersadesper l’atmosfera.16

Les dues estructures genèriques de les dioxines (PCDD) i delsfurans (PCDF) que s’indiquen a continuació ja insinuen unaestabilitat d’aquestes molècules similar a la dels PCB i, pertant, una llarga permanència al medi ambient d’aquests con-taminants.

Tant les dioxines com els furans són substàncies que, per laseva estructura, no ha de sorprendre que siguin el final mésestable de múltiples processos de descomposició, quan hi par-ticipen l’oxigen i el clor juntament amb una matriu orgànica.Es poden classificar com a compostos no polars i, per tant,s’extreuen de les mostres ambientals amb mètodes similarsals PCB, els quals gairebé sempre acompanyen les dioxinescom a contaminants. No obstant això, en tenir els PCB unapolaritat lleugerament superior, es pot realitzar un fracciona-ment en columna dels extractes d’ambdós contaminantsabans de procedir a la cromatografia de gasos.

Com en el cas dels PCB, dels setanta-cinc congèneres de lesdioxines i dels cent trenta-cinc dels furans, algunes estructu-res presenten més toxicitat que d’altres. En concret, les quetenen una major toxicitat, superior a les més perilloses delsPCB, són la 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina i el 2,3,7,8-tetraclorodibenzofurà, que es presenten a la figura 7.

La TDI (tolerable daily intake, ‘ingesta màxima tolerable’) per al’espècie humana és d’entre 1 i 4 ng per kg de pes corporal idia. Per poder assegurar que no se supera aquesta TDI, els con-trols a realitzar van exigir recórrer a les tècniques analítiques

78

FIGURA 6. Estructura de les dioxines i dels furans.

FIGURA 7. Estructura de la 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina i del 2,3,7,8-tetracloro-

dibenzofurà.

SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 78

més potents, com la cromatografia de gasos acoblada a l’es-pectrometria de masses d’alta resolució. Atenent que l’ECD téun límit de detecció de l’ordre de la dècima de picogram per allindane, s’arriba a la conclusió que aquest detector treballariaal límit de les seves possibilitats per a les anàlisis de dioxines ifurans, especialment, si tenim present la talla màxima de mos-tra que es pot sotmetre al procés analític, malgrat els recursosdel mateix mètode de concentració dels analits a detectar.D’altra banda, l’espectrometria de masses d’alta resolució, coma detector dels eluats cromatogràfics, permet el registre selec-tiu dels ions obtinguts a la cambra de ionització. Aquesta pos-sibilitat, juntament amb l’alta resolució, permet guanyar ensensibilitat i en seguretat en la identificació i la determinaciódels congèneres de més interès per la seva toxicitat.

Per aquesta raó, l’espectrometria de masses acoblada a la cro-matografia de gasos s’ha imposat com a tècnica analítica entots els mètodes oficials per a l’anàlisi de dioxines i furans en mostres ambientals i alimentàries.

La toxicitat dels congèneres de PCB, dioxines i furans

Ja s’ha dit que la toxicitat dels bifenils policlorats i de les dio-xines i els furans depèn del nombre i de la posició dels àtomsde clor. En el cas del PCB, la situació d’àtoms de clor en orto-provoca que el pla d’un anell benzènic tendeixi a ser perpen-dicular respecte de l’altre. La situació extrema es donarà quanles posicions 2 i 6 dels dos anells estiguin substituïdes peràtoms de clor, o sigui, quan totes les posicions orto- tinguinclor. Pel fet de ser aquestes estructures menys planes, aquestscongèneres seran menys tòxics.

A la llum dels resultats dels estudis toxicològics, l’OMS (Orga-nització Mundial de la Salut) va seleccionar els congène-res amb toxicitat significativa de les dioxines (set con-gèneres), dels furans (deu congèneres) i dels PCB (dotzecongèneres). Els PCB seleccionats s’especificaven com a «copla-nars», els quals, tal com s’ha dit, són els més tòxics. En concret,el més tòxic de tots és el 3,3’,4,4’,5-pentaclorobifenil (figura 8).

L’OMS també va establir el criteri de la toxicitat equivalent decada un dels congèneres seleccionats per a cada un dels tresgrups de contaminants, tot basant-se en la toxicitat relativade cada congènere respecte del de màxima toxicitat, al qualcorrespon el factor 1. D’aquesta forma, es va establir la tauladels TEF (toxic equivalent factors; taula 3) dels vint-i-nou

congèneres del conjunt de dioxines, els furans i els PCB copla-nars. Aquesta taula és fonamental per al càlcul de la concen-tració de TEQ (toxic equivalent). Cal destacar la gran diferència entre els TEF: des d’1 fins a 10-4 per als furans i les dioxines, i des de 0,1 fins a 10-5 per als PCB. Aquests factors, tal coms’indica a la taula 3, són els mateixos per a mamífers i éssershumans, tot i que diferents per a peixos i aus. Aquestes gransdiferències entre congèneres obliguen a una gran sensibilitat iselectivitat de les tècniques utilitzades per a aquestes anàlisis.Tan sols amb la informació que pot donar la cromatografia degasos d’alta resolució connectada amb l’espectrometria demasses també d’alta resolució és possible separar i quantificarcadascun dels compostos de la taula 3 i, d’aquesta manera,poder obtenir el TEQ o equivalent tòxic de la mostra correspo-nent, mitjançant la fórmula que consta a continuació. Els va-lors de TEF es revisen periòdicament.17,18

TEQ=∑[PCDD],*TEFi +∑[PCDF] *TEFJ+∑[PCB]K*TEFk [1]TEQ= i[PCDD],*TEFi + j[PCDF] *TEFJ+ k[PCB]K*TEFk [1]

TEQ Equivalent tòxic total de la mostra analitzada.

PCDDi Concentració detectada, en picograms per gram de

mostra (pg/g), de cada un dels congèneres de dioxines

considerats per l’OMS, que es multiplica pel TEFi corres-

ponent de cada congènere.

PCDFj El mateix que en el cas anterior, però referit als furans.

PCBk El mateix que en el cas anterior, però referit als PCB co-

planars.

Espectrometria de masses d’alta resolució

En aquestes anàlisis de congèneres de dioxines furans i bife-nils policlorats, tant la cromatografia de gasos com l’espec-trometria de masses treballen a la màxima resolució. Peraquest motiu, la cromatografia de gasos prèvia es realitzaamb columnes capil·lars de 60 m de longitud i, en molts casos,cal utilitzar dues fases estacionàries diferents. Generalment,la primera fase emprada és una metilsilicona amb un 5 % de

79

FIGURA 8. Estructura del 3,3’,4,4’,5-pentaclorobifenil.

SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 79

grups fenil, però, en diverses ocasions, cal repetir la separaciócromatogràfica amb una fase estacionària més polar, com arala cianometilsilicona. Com que la separació completa de totsels congèneres de la taula 3 no s’aconsegueix en cap de lesdues fases esmentades, cal recórrer a les dues cromatografiessuccessives, si es pretén la informació cromatogràfica de totsi cadascun dels congèneres. De fet, cal dir que, fins al mo-ment, no hi ha cap fase estacionària capaç de separar tots elsdisset congèneres de dioxines i furans 2,3,7,8-clorosubstituïts.

El congèneres separats i emergents de la columna cromato-gràfica entren dins la cambra d’ionització de l’espectròmetrede masses d’alta resolució, que està connectat en línia amb elcromatògraf. La necessitat de l’alta resolució a les anàlisis dedioxines en mostres ambientals es deu, tal com s’ha dit abans,a la complexitat de la mescla a separar i identificar els vint-i-nou congèneres, juntament amb els corresponents patrons in-terns, separats de tota la resta dels congèneres possiblementpresents a la mostra. Aquests patrons interns, imprescindiblesd’acord amb els protocols establerts, garanteixen la traçabili-tat de tot el complex procés analític. S’utilitzen com a patronsels mateixos congèneres que estem interessats a analitzar,però marcats amb 13C. La resolució dels espectròmetres demasses usuals (quadrupol, els clàssics de camp elèctric o d’a-nalitzador magnètic) tenen una resolució de l’ordre de 800, laqual cosa vol dir que és possible separar dos ions que tinguinuna relació massa/càrrega de 800 i 801. Efectivament, el feixd’ions que arriba al detector té una amplada que, en part, in-terferirà amb el feix d’ions que corresponen a una relaciómassa/càrrega immediata ment superior o inferior. La resolu-ció entre dos ions consecutius en l’espectre de masses es cal-cula amb la fórmula següent:

M2 + M1

2R =M2 – M2

≅ MM1

∆

En aquesta fórmula, M2 i M1 són la relació massa/càrrega dedos ions consecutius en l’espectre amb separació completa. A la figura 9 es presenta la separació de dos ions, demassa/càrrega de l’entorn de 200, amb resolució 1.000 i10.000. L’augment de resolució no tan sols permet la separa-ció d’ions amb una relació massa/càrrega molt semblant, comen el cas de la figura ∆M = 0,02, sinó que augmenta molt lasensibilitat perquè el feix d’ions que arriba al detector de l’es-pectròmetre de masses d’alta resolució és molt més estret i,

en conseqüència, el seu perfil és molt més agut. Per a l’anàliside dioxines, en la qual cal poder determinar tots els congène-res de la taula 3, cal treballar a una resolució de 10.000. L’altaresolució en espectrometria de masses s’aconsegueix mitjan-çant els analitzadors dels ions. L’aparell utilitzat en aquest casés de configuració EBE, que consisteix en una primera etapade sector o analitzador electrostàtic, una segona d’analitzadormagnètic i a la tercera, el darrer analitzador electrostàtic (figura 10).

Normalment, quan es pretén aconseguir la ionització per im-pacte electrònic, el compost se sotmet a un feix d’electrons de70 eV a la cambra d’ionització. Amb això es provoca la ionit-zació de la molècula i la descomposició de l’ió molecular. En el

80

TAULA 4. Valors de TEF per a dioxines, furans i PCB18

Congènere Mamífers/humans Peixos Aus

2,3,7,8-TCDD 1 1 1

1,2,3,7,8-PeCDD 1 1 1

1,2,3,4,7,8-HxCDD 10–1 5·10–1 5·10–2

1,2,3,6,7,8-HxCDD 10–1 10–2 10–2

1,2,3,7,8,9-HxCDD 10–1 10–2 10–1

1,2,3,4,6,7,8-HpCDD 10–2 10–3 <10–3

OCDD 10–4 < 10–4 10–4

2,3,7,8-TCDF 10–1 5·10–2 1

1,2,3,7,8-PeCDF 5·10–2 5·10–2 10–1

2,3,4,7,8-PeCDF 5·10–1 5·10–1 1

1,2,3,4,7,8-HzCDF 10–1 10–1 10–1

1,2,3,6,7,8-HxCDF 10–1 10–1 10–1

2,3,4,6,7,8-HxCDF 10–1 10–1 10–1

1,2,3,7,8,9-HxCDF 10–2 10–1 10–1

1,2,3,4,6,7,8-HpCDF 10–2 10–2 10–2

1,2,3,4,7,8,9-HpCDF 10–4 10–2 10–2

OCDF 10–4 < 10–4 10–4

PCB 77 10–4 10–4 5·10–2

PCB 81 10–4 5·10–4 10–1

PCB 186 10–1 5·10–3 10–1

PCB 169 10–2 5·10–5 10–3

PCB 105 10–4 < 5·10–6 10–4

PCB 114 5·10–4 < 5·10–6 10–4

PCB 118 10–4 < 5·10–6 10–5

PCB 123 10–4 < 5·10–6 10–5

PCB 156 5·10–4 < 5·10–6 10–4

PCB 157 5·10–4 < 5·10–6 10–4

PCB 167 10–5 < 5·10–6 10–5

PCB 189 10–4 < 5·10–6 10–5

SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 80

cas de l’anàlisi dels congèneres de dioxines, furans i PCB, inte-ressa que, en el corresponent espectre de masses, tingui pre-valença l’ió molecular. Per aquest motiu, la cambra d’ionitza-ció treballa a l’entorn d’uns 30 eV. Cal recordar que l’energiad’ionització de les substàncies orgàniques és de l’ordre de 10 eV; per tant, la tensió de 30 eV a la cambra d’ionització de l’espectròmetre de masses d’alta resolució és garantia queaquests congèneres, quan surtin de la columna cromatogràfi-ca, s’ionitzaran, però el petit excés d’energia no produirà unagran varietat de fragments de l’ió molecular. Aquesta particu-laritat facilita el fet de treballar amb registre selectiu d’ions através dels ions moleculars i permet guanyar sensibilitat en ladetecció. D’altra banda, l’especial composició isotòpica delclor donaria, per a cada ió molecular, com a mínim dos picsamb relació massa/càrrega M i M+2, si el congènere en qües-tió tingués tan sols un àtom de clor. Amb la multiplicitat d’à-toms de clor dels diferents congèneres, l’entorn de l’ió mole-cular es complica; a més, cal tenir en compte la presència delscongèneres marcats amb 13C.

El registre selectiu d’ions múltiple

El fet de poder registrar selectivament diferents ions, que cor-responen a les diverses substàncies que surten del CG i que

entren dins la cambra de ionització de l’espectròmetre demasses d’alta resolució, és un dels recursos de l’espectrome-tria de masses d’alta resolució per augmentar la sensibilitat.Per tal que l’espectròmetre de masses d’alta resolució puguipassar de focalitzar un ió Mi, que interessa, a un altre Mj, quetambé interessa, cal que el camp magnètic B (figura 10) o béel camp elèctric E s’ajustin al valor adequat perquè el feix decada ió coincideixi amb l’escletxa del detector. Aquest ajust

81

FIGURA 9. Comparació de resolució màssica 1.000 i 10.000.

FIGURA 10. Esquema d’un espectròmetre de masses d’alta resolució amb configuració EBE.

SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 81

s’ha de realitzar en un lapse de temps inferior a la diferènciade temps de retenció de dos congèneres consecutius en l’elu-ció cromatogràfica.

El temps d’ajust del camp magnètic és més llarg que el delcamp elèctric, que és pràcticament instantani. Per a compos-tos amb temps de retenció pròxims (i, per tant, amb ions mo-leculars semblants), la modificació de la focalització es realit-za a través de modificacions del camp elèctric (E), totmantenint constant el valor del camp magnètic del segonsector (B). Quan els ions a focalitzar corresponen a compostosde temps de retenció molt diferents i, per tant, amb ions mo-leculars molt diferents, cal variar el valor del camp magnètic.Tot aquest procés es realitza mitjançant el corresponent pro-grama de l’ordinador de control, dins el qual s’han introduïtels valors de massa/càrrega dels ions a registrar selectiva-ment. No cal dir que el mateix ordinador, amb el corresponentprogramari, permet tractar adequadament tota la informacióque ofereix el cromatograma de registre selectiu dels ions es-collits per obtenir la informació analítica desitjada per poderelaborar l’informe corresponent.

Preparació de la mostra

La primera etapa consisteix a extreure els contaminants de lamostra (dioxines, furans i PCB), que, pel seu caràcter lipòfil,s’extreuen amb Soxhlet i un solvent apolar. L’extracte obtin-gut es purifica i es fracciona en una columna de Florisil o car-bó. S’obté una primera fracció amb els PCB, que són els mésapolars, i una segona fracció amb les dioxines i els furans.L’esquema de la figura 11 informa sobre el mètode d’obtencióde l’extracte d’aquests contaminants de la mostra. Al finald’aquest procés d’extracció, es disposa de dos extractes: unque conté els PCB i un altre en el qual hi ha les dioxines i elsfurans. Després d’eliminar acuradament les restes de l’últimdissolvent amb corrent de N2, es disposa d’un extracte d’uns15-20 µl de cada fracció.

Per a una valoració quantitativa de màxima fiabilitat, cal lautilització de dos patrons interns. El primer és una barreja depatrons dels congèneres que es volen determinar, marcatsamb 13C i de concentració coneguda. Un volum acuradamentmesurat de la dissolució d’aquests patrons s’afegeix a una alí-quota de la mostra a analitzar. Aquests patrons tenen com afinalitat resoldre el problema de la pèrdua d’analits al llarg delprocés d’extracció, purificació i fraccionament, atès que

aquests patrons patiran les mateixes pèrdues que els analits,ja que són químicament idèntics a aquests i separables enl’espectròmetre de masses pel fet de ser de 13C12, en lloc de12C12. Els analits es podran referir quantitativament a la mos-tra per relació amb els patrons en el cromatograma, registrata l’espectròmetre de masses d’alta resolució, atès que es co-neix la quantitat exacta dels patrons que s’han introduït a l’alíquota de la mostra.

El segon patró intern, o «patró de xeringa», té com a objectiureduir la incertesa de la quantitat d’extracte injectada al CG,que normalment és d’entre 1 i 5 µl, que es mesuren amb unerror considerable. El «patró de xeringa» consisteix en doscongèneres determinats, també marcats amb 13C12, que noformen part de l’altre patró, i s’addiciona en una quantitatperfectament coneguda a l’últim extracte d’uns 15 µl imme-diatament abans de ser injectat al cromatògraf. Al cromato-grama es determina quantitativament la relació del senyaldels analits i dels patrons. Mitjançant els patrons addicionatsa l’alíquota de la mostra, s’obté la concentració dels contami-nants a la mostra objecte de l’anàlisi, mentre que, en saber la

82

FIGURA 11. Esquema de l’anàlisi de dioxines, furans i PCB.

SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 82

quantitat de «patró de xeringa» addicionada a l’extracte, s’ob-té amb una precisió acceptable la recuperació.

D’on procedeix la majoria de les mostres que podencontenir dioxines, furans i PCB?

En el medi ambient, les dioxines i els furans es troben enquantitats molt baixes, ja que es produeixen, o s’han format, a causa de fenòmens naturals que generen aquestes substàn-cies en quantitats molt petites. No obstant això, els éssers hu-mans podem generar aquests contaminants amb el nostrecomportament, tal com s’ha dit anteriorment. La contamina-ció per PCB és quasi exclusivament de tipus antropogènic,més concretament, provocada per les activitats de tipus in-dustrial. El cas de la contaminació per DDT també és de tipusantropogènic, si bé la seva dispersió està relacionada ambl’activitat agrícola i, indirectament, amb la sanitària.

Per aquestes raons, entre d’altres, s’investiga especialment lapresència de dioxines, furans i PCB en:– Emissions atmosfèriques (especialment, de plantes incinera-dores de residus).

– Residus en general (cendres, afluents aquosos, fangs de de-puradora, etc.).

– Sòls, sediments fluvials o marins, vegetació en general dezones especialment sensibles.

– Aire (especialment, de zones urbanes i industrials).– Productes d’alimentació humana i animal (pinsos i matèriesprimeres per a la seva producció i aliments per al consumhumà).

Un cas concret: presència de dioxines i furans en mostres de formatge mozzarella

Entre el març i l’abril de 2008, es va disparar l’alerta sobre lapresència de dioxines i furans en mozzarelles italianes. Cal re-marcar que aquest formatge és de gran consum a Itàlia i tam-bé un important producte d’exportació. L’origen de la mozza-rella i el principal lloc de producció és la Campània, ambNàpols com a capital. Deixant a part el consum directe d’a-quest formatge, cal recordar que és un dels principals ingre-dients de la pizza. Per tant, la possible presència de dioxines ala mozzarella va crear una gran inquietud, especialment a Ità-lia, un país ja escarmentat pels casos de cloracne causats pelnúvol tòxic que contenia dioxines i furans produït en l’acci-dent de la planta detriclorofenol de Seveso.

Com a resposta a aquesta alarma, estesa a tot Europa, a l’Ins-titut Químic de Sarrià es va decidir de realitzar un control deles mozzarelles que es trobaven al mercat. Es van compraronze mozzarelles en establiments de Barcelona. L’origen deles mostres va ser el següent: tres d’Espanya, una de Dinamar-ca i set d’Itàlia. De les onze, quatre procedien de llet de búfalai set, de llet de vaca.

Les mostres es va analitzar d’acord amb el mètode que s’hacomentat. Els resultats van posar de manifest que, si bé es vantrobar dioxines i furans en totes, en cap d’elles no s’arribava al nivell d’alerta de 2 pg TEQ/ g de greix i, per tant, encaramenys al nivell màxim permès de 3 pg TEQ/ g de greix. No obs-tant això, es va veure que, d’entre les mostres analitzades, les

83FIGURA 12. Resultats obtinguts en les anàlisis de formatge mozzarella, comparades amb els nivells d’intervenció i màxims i comparades per tipus de llet.

SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 83

obtingudes de llet de búfala (mostres 8, 9, 10 i 11) tenien uns nivells més alts que les de llet de vaca. Als gràfics de la figura 12 es representen aquests resultats.

A la figura 13 es representen els perfils dels congèneres2,3,7,8-clorosubstituïts, que són els més tòxics, a les mozza-relles de búfala i de vaca.

S’hi observa que, en el cas de les búfales, predominen els fu-rans de baix grau de cloració, mentre que, en el de les vaques,les dioxines d’alt grau de cloració són les predominants. El perfil detectat a les mozzarelles de búfala recorda en granmesura els perfils detectats en mostres de contaminació ambiental per dioxines i furans. La figura 14 correspon a una

fotografia de búfales en el seu ambient natural de pastura, la qual cosa pot insinuar una possible major absorció de contaminants lipòfils del medi ambient per part d’aquests bòvids.

Referències i altres fonts[1] <http://es.wikipedia.org/wiki/cloro> [23/02/2010][2] Carlson, R. Silent spring. Houghton Mifflin: Boston,1962.[3] UNEP Chemicals. Regionally Based Assessment of Persis-tent Toxic Substances. <http://www.chem.unep.ch/pts>[4] Bernes, C. Persistent Organic Pollulants. Swedish Environ-mental Protection Agency: Estocolm, 1990.[5] Rodríguez Larena, M. C. Tesi doctoral, IQS, Universitat Ra-mon Llull, 1996.[6] Broto Puig, F. Tesi doctoral, IQS 1992.[7] Lovelock, J. E.; Lipsky S. R. J. Am. Chem. Soc. 1960, 82, 431.[8] Lovelock, J. E. Gaia, una nueva visión sobre la Tierra. Orbis:Barcelona, 1985.[9] Tsi, A. Treball final de carrera. IQS, 1984.[10] Maggs, R. J.; Joynes, P. L.; Davies, A. J.; Lovelock J. E. Anal.Chem. 1971, 43, 1966.[11] Gassiot, M.; Díaz-Marot, A.; Viñals-Aznar, P.; Ros, J. Bol.Inst. Oceanog. 1984, 1, 141.[12] Vegeu ref. 6.[13] Zobel, M. G. R. J. Assoc. Off. Anal. Chem. 1974, 57, 791.[14] González–Sabaté, L. Tesi doctoral. IQS, 1983.

84

FIGURA 13. Perfils dels congèneres 2,3,7,8-clorosubstituïts de les mostres de: a) mozzarella de búfala i b) mozzarella de vaca.

FIGURA 14. Búfals pasturant.19

SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 84

[15] Ballschmitter, K.; Bacher, R.; Mennel, A.; Fischer, R.; Riehle,U.; Swerev, M. J. High Resol. Chromatogr. 1992, 15, 260.[16] Jover, E. Revista de la Societat Catalana de Química2007, 8, 55.[17] NATO/CCMS (North Atlantic Treaty Organization, Com-mittee on the Challenges of Modern Society). Internationaltoxicity equivalency factor (I-TEF) method of risk assessmentfor complex mixtures of dioxins and related compounds. Informe núm. 176, 1988.

[18] Berg, M. van den; Birnbaum, L.; Bosveld, A. T. C.; Bruns-tröm, B.; Cook, P.; Feeley, M.; Giesy, J. P.; Harnberg, A.; Hase-gawa, R.; Kennedy, S. W.; Kubiak, T.; Larsen, J. C.; Leeuwen, F.X. R. van; Liem, A. K. D.; Nolt, C.; Peterson, R. E.; Poellinger, L.;Safe, S.; Schrenk, D.; Tillitt, D.; Tysklind, M.; Younes, M.;Waern, F.; Zacharewski T. Environ. Health Perspect. 1998, 106,775.[19] <http://es.wikipedia.org/wiki/Bubalus_bubalis>[23/02/2010]

85

Miquel Gassiot és professor emèrit de la Universitat Ramon Llull a l’IQS, Departament de Química Analítica, i acadèmic nu-merari de la RACA de Barcelona.

Jordi Díaz és professor titular de la Universitat Ramon Llull a l’IQS, Departament de Química Analítica, i cap del Laboratoride Dioxines de l’IQS.

Francesc Broto és professor catedràtic de la Universitat Ramon Llull a l’IQS, Departament de Química Analítica, i cap de laSecció de Cromatografia de l’IQS.

Lluís Comellas és professor catedràtic de la Universitat Ramon Llull a l’IQS, Departament de Química Analítica, i vicerectorde Recerca i Innovació de la mateixa Universitat.

M. Gassiot J. Díaz F. Broto L. Comellas

SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 85

86

El sol i els protectors solars

Hom coneix que la major part de laradiació solar que arriba a la Terra ésfiltrada per l’atmosfera, sobretot laradiació d’alta energia. No obstant això,una part d’aquesta radiació és capaç detravessar les capes atmosfèriques iarribar fins a la superfície terrestre. És la

radiació ultraviolada A i B (UVA: de 400 nm a 320 nm; UVB:de 320 nm a 280 nm). Quan aquesta radiació incideix sobreels éssers humans, pot produir efectes sovint adversos, perexemple, a la pell. A l’estiu, hom pren el sol per bronzejar-se.El bronzejat és la conseqüència de l’augment de producció demelanina, que actua com a pantalla natural del sol. Malgrataixò, depenent del tipus de pell, el temps durant el qual espren el sol, la freqüència, etc., l’exposició a la radiació solarpot causar cremades (eritemes), fotoenvelliment cutani i, finsi tot, es pot arribar a patir càncer de pell (fotocarcinogènesi).

Per tal de protegir-nos de la radiació solar ultraviolada i evitaraixí aquests efectes sobre la pell, sovint utilitzem filtres so-lars. Un filtre solar és una molècula capaç d’absorbir llum ul-

Interacció entre filtres solars Sunscreen interactionsMireia Marín,a Virginie Lhiaubet-Vallet,a Òscar Jiménez,b Olga Gorchs,b Carles Trullasb i Miguel Ángel Mirandaa,*aUniversitat Politècnica de València–CSIC. Institut de Tecnologia QuímicabISDIN, SA. Dermopharmaceutical Discovery Unit, Barcelona

Resum. Els protectors solars s’utilitzen per protegir la pell de la radiació solar ultraviolada (UV), particularment, de l’UVA il’UVB. Una característica important que hauria de tenir un filtre solar és la fotoestabilitat, és a dir, després d’irradiar un filtreUVA o UVB, aquest hauria de romandre invariable. Tanmateix, molts filtres presenten una certa reactivitat. Un conegut exem-ple és el del tert-butilmetoxidibenzoilmetà (BM-DBM, també conegut com a avobenzona), que, malgrat la seva fotolabilitat, ésun filtre UVA utilitzat habitualment. En la formulació de molts protectors solars, s’utilitzen almenys dos filtres, per tal de co-brir tot l’espectre UV. Això pot donar lloc o bé a un efecte sinergètic que afavoreix la fotoestabilització dels filtres, o bé a unaacceleració de la descomposició d’aquests. La millora de l’estabilitat dels filtres solars UV rau en el fet d’entendre les propietatsfotoquímiques i fotofísiques d’aquestes combinacions de filtres. Tot i això, fins ara no existia una metodologia generalmentacceptada per tal d’estudiar de manera sistemàtica els efectes d’aquestes combinacions.En aquest treball, s’ha centrat l’atenció en l’estudi de les interaccions de l’avobenzona combinada amb sis filtres UV comercials. A partir d’aquests compostos, s’ha dissenyat una estratègia per tal d’investigar la fotoestabilitat dels protectors solars d’unamanera més sistemàtica, tot tenint en compte els diferents processos que es poden donar considerant aquestes combinacions.

Paraules clau: Fotòlisi de flaix làser, filtres UV, avobenzona, oxigen singlet, estat excitat triplet, fotoestabilitat.

Abstract. Sunscreens are used to protect against ultraviolet (UV) radiation reaching earth i.e. UVA and UVB regions of the so-lar spectrum. Among the different characteristics a sunscreen should possess, photostability is important not only to maintainan efficient protection along exposition time but also to avoid adverse effects like phototoxicity and photoallergy. However,many filters are photoreactive. This is the case of the well-known tert-butylmethoxydibenzoylmethane (BM-DBM, also knownas avobenzone) which, in spite of its photolability, is a widely used UVA filter. In sunscreen formulation, at least two filters aregenerally present in order to cover all the UV spectra. This could produce a synergistic effect that favours filter stabilizationor, on the other hand, could accelerate filter decomposition. Thus, improvement of UV filter stability is a key factor in sun-screen development that relies on the understanding of photochemical and photophysical properties of the filter combination.However, until now a general methodology to study systematically these combinations does not exist.In this work, we have focused the attention on the interactions between avobenzone and six commercial UV filters. In order toinvestigate the photostability of sunscreens in a more systematic way, the designed strategy takes into account all the different processes that could occur between the different single components.

Keywords: Laser flash photolysis, UV-filters, avobenzone, singlet oxygen, triplet excited state, photostability.


Correspondència:Miguel Ángel Miranda. Universitat Politècnica de València-CSIC.

Institut de Tecnologia Química

Av. dels Tarongers, s/n. 46022 València

Tel.: +34 963 877 809. Fax: +34 963 877 807


SCQ_10_10_10 20/09/12 17:00 Página 86

traviolada i, en fer-ho, passa a un estat excitat de més ener-gia. Quan torna a l’estat fonamental, idealment ho fa mitjan-çant processos de desactivació no radiativa (és a dir, sense

emetre fluorescència o fosforescència, només «desprenent»calor) i torna invariable a l’estat inicial, de manera que pottornar a començar el cicle (figura 1). El procés de desactivacióha de ser molt ràpid i calen filtres que no formin espècies in-termèdies, és a dir, que siguin estables. Així, doncs, l’estabili-tat dels filtres evita altres processos (reaccions de les espèciesexcitades del filtre amb altres molècules o biomolècules,transferència d’energia a altres espècies, etc.) que poden do-nar lloc a fototoxicitat i fotoal·lèrgies.1,2,3

Per tant, l’estabilitat (o fotoestabilitat, en aquest cas, quanhom es refereix a estabilitat davant la llum) és una propietatmolt important dels filtres. Tot i que un filtre ideal hauria deromandre invariable quan és exposat a la llum (figura 1), nosempre és així. I és que, de vegades, els filtres mostren una

87

FIGURA 1. Esquema del funcionament d’un filtre solar.

FIGURA 2. Estructures de l’avobenzona (BM-DBM) i dels filtres UV d’estudi.

SCQ_10_10_10 20/09/12 17:00 Página 87

88

certa fotoreactivitat (és a dir, reaccionen en ser excitats ambllum). N’és un bon exemple el tert-butilmetoxidibenzoilmetà(BM-DBM), més conegut com a avobenzona. Aquesta, mal-grat la seva fotolabilitat4,5,6 (és a dir, no roman estable quanse l’exposa a irradiació lumínica), és un dels filtres més utilit-zats en formulació de protectors solars.

Filtres combinats: fotoestabilitzacióo fotodescomposició?A la indústria es poden trobar nombrosos tipus de filtres so-lars. Aquests es poden classificar, per exemple, segons la zonade l’UV on absorbeixen. Des d’aquest punt de vista, es pot par-lar de filtres UVA, UVB o d’ampli espectre (que cobreixen totesdues franges de l’UV). En formulació de protectors solars, so-vint s’utilitza una combinació d’almenys dos filtres (UVA iUVB) per tal de protegir la pell a tot l’espectre de la llum ul-traviolada. La combinació de dos filtres pot donar lloc a unefecte sinergètic que afavoreix la fotoestabilització dels filtreso bé a una acceleració de la descomposició d’aquests.

Així, doncs, la millora de l’estabilitat dels filtres solars UV rauen el fet d’entendre les propietats fotoquímiques i fotofísi-ques d’aquestes combinacions de filtres. Malgrat això, fins arano hi havia una metodologia generalment acceptada per tald’estudiar els efectes d’aquestes combinacions de manera sis-temàtica. En el treball que aquí es presenta, es proposa unametodologia sistemàtica per estudiar la interacció de l’avo-benzona (un dels filtres més emprats) amb un altre filtre UV.Els filtres tinguts en compte, utilitzats amb freqüència en laformulació de protectors solars, són els següents: octil meto-xicinamat (1), bis-etilhexiloxifenol metoxifenil triazina (2),octocrilè (3), dietilamino hidroxibenzoil hexil benzoat (4), oc-til triazona (5) i dioctil butamido triazona (6) (figura 2). Perdur a terme aquest estudi, s’han considerat diferents proces-

sos que podrien tenir lloc entre l’avobenzona i aquests filtres(figura 3). L’estudi d’aquests processos servirà, a més, per ava-luar l’estabilitat d’aquestes combinacions de filtres. A conti-nuació, es descriurà la casuística considerada:

Procés (I): s’ha descrit a la literatura que, en irradiar l’avoben-zona, la forma enòlica tautomeritza a la forma cetònica.7,8

A partir d’aquest tautòmer, poden tenir lloc diferents proces-sos secundaris.

Procés (II): quan l’avobenzona, en la seva forma cetònica[BM-DBM(K)], absorbeix llum, pot passar al seu estat excitattriplet [3BM-DBM(K)]. Els estats excitats triplets solen tenirun temps de vida llarg, de manera que tenen temps d’interac-cionar amb altres molècules i poden produir, així, reaccionsque de vegades no són desitjades.

Procés (III): des de l’estat triplet, la BM-DBM(K) pot formardiferents fotoproductes4–6 que, alhora, també poden donar al-tres reaccions.

Procés (IV): a més, el 3BM-DBM(K), en contacte amb oxigen,pot produir oxigen singlet (1O2).9 Aquesta és una espècie exci-tada d’oxigen que ha estat objecte de nombrosos estudis pelfet de ser molt reactiva amb biomolècules, entre d’altres.

Procés (VI): en presència d’un altre filtre, es pot donar unatransferència d’energia entre el 3BM-DBM(K) i la nova molè-cula. D’aquesta manera, es formaria l’estat excitat triplet delfiltre (3Filtre) i el triplet de l’avobenzona es desactivaria (tor-naria a l’estat fonamental).

Procés (VII): el 3Filtre, al seu torn, podria donar lloc a altresproductes de fotodescomposició.

A més, aquest segon filtre, en presència d’1O2 (que s’hauriagenerat en el procés IV), podria donar lloc a dos processos bendiferents:

– D’una banda, podria desactivar aquesta espècie reactivad’oxigen, la qual cosa seria un mecanisme favorable (pro-cés VIII).

– De l’altra, podria reaccionar amb aquest oxigen singlet perdonar lloc a diferents productes de fotooxidació (procés IX).

Procés (V): l’últim cas que s’ha tingut en compte és que laBM-DBM(E), en interaccionar amb l’oxigen singlet, es podriatambé degradar i donar lloc a diferents productes de fotooxi-dació.

FIGURA 3. Esquema dels diferents processos implicats en la fotoestabilitat d’una combi-

nació de dos filtres UV en la qual un d’ells és l’avobenzona.

SCQ_10_10_10 20/09/12 17:00 Página 88

Així, doncs, l’objectiu d’aquest treball és estudiar, a través d’u-na metodologia sistemàtica, l’estabilitat dels sistemes combi-nats de dos filtres solars UV quan un d’ells és l’avobenzona. Esdetallarà, a continuació, tot l’estudi sistemàtic suara presentat.

Procés (I): tautomerització de l’avobenzona

L’avobenzona, en formulació de protectors solars, està en laseva forma enòlica. No obstant això, en absorbir llum ultra-violada, es produeix una tautomerització a la seva forma ce-tònica. La implicació més «visual» d’això és que el seu espectred’absorció passa de tenir un màxim centrat a la zona de l’UVA(al voltant de 355 nm), en estar centrat a longituds d’ona mésenergètiques (al voltant de 280 nm), de manera que deixa aixídesprotegida la zona UVA (figura 4).

En aquest apartat es vol veure si, en combinar l’avobenzonaamb els diferents filtres, aquests són o no capaços d’evitar ode minimitzar la tautomerització. Per tal d’estudiar-ho, escombina l’avobenzona amb cada filtre, s’irradia el sistemaamb llum UVA i es monitoren els canvis mitjançant l’enregis-trament d’espectres d’absorció.

El que s’observa és que, a mesura que s’irradia el sistema, labanda de l’UVA (forma enòlica) desapareix, mentre que la bandamés energètica (forma cetònica) augmenta (figura 5). És a dir,es degrada la BM-DBM(E) per formar BM-DBM(K).

Si es compara la formació de la BM-DBM(K) en pre sènciadels filtres representant l’absorbància a 280 nm al llarg deltemps d’irradiació (figura 6), es pot observar (pel plateau)

que en algunes combinacions es forma més quantitat deBM-DBM(K) que en d’altres. De fet, són els filtres 2, 4 i 5 elsque eviten més la formació d’aquest tautòmer.

Procés (II): formació del triplet de la BM-DBM(K)

A continuació, s’avaluarà la formació de l’estat triplet de l’a-vobenzona cetònica en aquests sistemes combinats de dos fil-tres. Aquest punt és important perquè, tal com s’ha detallatanteriorment, des d’aquest estat triplet es poden donar nom-brosos processos secundaris no desitjats.

Cal aclarir, en aquest moment, que les mesures de l’avobenzo-na en forma cetònica s’han fet sempre utilitzant l’avobenzonametilada en la posició a dels carbonils [BM-DBM(K)-Me], jaque aquesta fixa el tautòmer dicetònic.9

89

FIGURA 4. Espectres d’absorbància de la BM-DBM(E) i la BM-DBM(K)-Me (avobenzona

metilada en la posició a del carbonil). S’ha utilitzat aquesta darrera espècie per mesurar

les propietats l’avobenzona cetònica, ja que fixa el tautòmer dicetònic.

FIGURA 5. Espectres d’absorció: diferència de l’avobenzona irradiada en acetonitril. Cada

traç correspon a la diferència entre l’espectre de la mostra irradiada i l’inicial sense irra-

diar. La irradiació s’ha dut a terme periòdicament, durant 45 min.

FIGURA 6. Augment de la banda de 280 nm en presència i absència dels diferents filtres

UV, representat en funció del temps d’irradiació.

SCQ_10_10_10 20/09/12 17:01 Página 89

90

Per tal d’enregistrar el senyal del 3BM-DBM(K), s’utilitza la tèc-nica de fotòlisi de flaix làser. Aquesta tècnica permet mesurartant els espectres d’absorció d’espècies transitòries (com ho ésun triplet) com els decaïments temporals d’aquestes espècies.Per tant, en un medi que conté avobenzona cetònica, s’afegei-xen concentracions creixents dels diferents filtres i s’enregis-tren els senyals obtinguts de 3BM-DBM(K) amb la tècnica es-mentada. En essència, el que s’observa, tal com es veu a lafigura 7 (exemple per al filtre 2), és que la intensitat del senyalde 3BM-DBM(K) disminueix a mesura que augmenta la concen-tració del filtre en qüestió. És a dir, els filtres eviten (almenys en part) la formació del triplet de l’avobenzona cetònica.

Si es quantifica aquesta disminució del senyal del 3BM-DBM(K) representant la intensitat d’aquest senyal versus la

concentració de filtre afegida, s’obtenen els gràfics de la figura 8. En aquests, un pendent més acusat de la recta in-dica que el filtre corresponent té una major capacitat de pro-tecció enfront de la formació del 3BM-DBM(K) i, per tant, una major capacitat de protegir els consegüents processos nodesitjats. L’ordre quant a capacitat de protecció és el següent:5 ≈ 6 > 2 > 3 ≈ 4 > 1.

Processos (III), (IV) i (V): fotoreactivitat del 3BM-DBM(K)

Aquests processos no s’estudien en aquest treball, ja que hanestat prèviament descrits a la literatura. Així, el procés (III)correspon sobretot a una fragmentació oxidativa iniciada perun mecanisme de Norrish tipus II.4 A més, el 3BM-DBM(K)també reacciona amb oxigen per formar 1O2, amb un rendi-ment quàntic de ∅∆= 0,3 (procés IV).9 Finalment, la fotoreac-tivitat de l’1O2 amb la forma enòlica de l’avobenzona ha estatdescrita també a la literatura.4,10,11 A grans trets, aquesta re-activitat implica la formació de diferents tipus de peròxids iels seus productes de ruptura.

Procés (VI): desactivació del 3BM-DBM(K)

En aquest apartat s’estudiarà si els diversos filtres són capa-ços de desactivar el triplet de l’avobenzona. Per tal d’enregis-trar el senyal d’aquest triplet, s’utilitzarà, igual que abans, latècnica de fotòlisi de flaix làser. Per tant, en un medi que con-té avobenzona cetònica, s’afegeixen els diferents filtres i s’a-valua l’efecte que això té sobre el senyal del 3BM-DBM(K). Engeneral, s’observa que, a mesura que augmenta la concentra-ció del filtre en qüestió, el temps de vida del 3BM-DBM(K) dis-minueix.

Això indica que aquest triplet es desactiva a causa de la pre-sència del filtre. Aquesta desactivació s’ha avaluat per a cadafiltre mitjançant el càlcul d’un paràmetre que es coneix com aconstant de desactivació (kq). Les constants de desactivació

FIGURA 8. Amplituds normalitzades dels senyals del 3BM-DBM(K)-Me en presència dels

diferents filtres UV (1-6) en funció de la concentració d’aquests. La normalització està

referida al senyal inicial en absència de filtre.

FIGURA 7. Decaïments temporals de la 3BM-DBM(K)-Me monitorats a 380 nm en ab-

sència de filtre (creus) i en presència del filtre 2 (rombes buits), en una proporció 1:1

pes/pes. Requadre: espectre d’absorció triplet-triplet de l’avobenzona metilada en ace-

tonitril i sota atmosfera inert.

TAULA 1. Constants de desactivació del 3BM-DBM(K) per als filtres UV

Filtre Kq / 109 M-1 s-1

1 7,3

2 1,9

3 2,8

4 1,8

5 –

6 –

SCQ_10_10_10 20/09/12 17:01 Página 90

del 3BM-DBM(K) obtingudes es mostren a la taula 1. D’a-quests valors, cal destacar que, excepte per als filtres 5 i 6, en els quals els senyals s’obtenien poc clars i amb interferèn-cies, els filtres 1, 2, 3 i 4 desactiven el triplet de l’avobenzonacetònica d’una manera eficient.

Procés (VII): estabilitat del 3Filtre

Tal com s’ha descrit anteriorment, quan el filtre interaccionaamb el triplet de l’avobenzona i el desactiva, ho fa a travésd’un procés de transferència d’energia. A partir d’aquest pro-cés, es forma el triplet del mateix filtre (3Filtre). És importantestudiar l’estabilitat d’aquest triplet, ja que el fet que aquestfos reactiu podria donar lloc a nombrosos processos secunda-ris. En aquest apartat s’avaluarà, doncs, si els filtres UV ques’estudien són estables des d’aquest punt de vista.

Per fer-ho, es forma el triplet del filtre a través d’un procésanomenat fotosensibilització. En aquest cas, aquest procés esduu a terme introduint acetona en un medi que ja conté el fil-tre i irradiant aquesta acetona selectivament. Amb això s’a-consegueix que es formi el triplet de l’acetona, que té una energia molt alta. Des d’aquest triplet, es produeix una trans-ferència d’energia al filtre, de manera que es forma el 3Filtre(figura 9).

Per tal d’avaluar la degradació d’aquest filtre sota aquestescondicions, se’n mesura l’absorbància al llarg del temps d’irra-diació de l’acetona. Després de trenta minuts d’irradició, ladegradació de cada filtre és la que es presenta a la figura 10.Aquest gràfic de barres permet veure que els filtres que méses degraden són l’1, el 4, el 5 i el 6; en canvi, els més fotoes-tables són el 2 i el 3.

Processos (VIII) i (IX): filtres + 1O2

Tal com s’ha comentat anteriorment, el 3BM-DBM(K), en contacte amb oxigen molecular, és capaç de generar 1O2

(procés IV). És important el fet d’estudiar l’efecte d’aquestaespècie (altament reactiva) sobre els filtres. Des d’aquest puntde vista, s’han considerat, tal com ja s’ha assenyalat, duespossibilitats:

– D’una banda, els filtres podrien ser capaços de desactivarl’1O2 de manera «neta», és a dir, sense degradar-se ells ma-teixos.

– De l’altra, els filtres, en contacte amb aquest 1O2, podriendonar lloc a productes de fotooxidació.

Per tal d’estudiar si els filtres són capaços de desactivar l’1O2,es genera aquesta espècie utilitzant perinaftenona com a fo-tosensibilitzador i es monitora la seva fosforescència en for-ma de decaïment temporal a 1.270 nm. En general, s’observaque el temps de vida de l’1O2 disminueix en afegir els filtres (a la figura 11, es veu un exemple per al cas del filtre 6), és adir, l’1O2 es desactiva. Aquesta desactivació es pot quantificar

91FIGURA 11. Decaïments temporals de fosforescència de l’oxigen singlet monitorats a

1.270 nm en absència (creus) o presència (rombes buits) del filtre 6.

FIGURA 10. Descomposició dels diferents filtes UV fotosensibilitzats per acetona. Els va-

lors d’absorbància relativa que es presenten fan referència a 30 min d’irradiació del sis-

tema.

FIGURA 9. Esquema del procés de fotosensibilització del filtre utilitzant acetona com a

fotosensibilitzador.

SCQ_10_10_10 20/09/12 17:01 Página 91

92

mitjançant els càlculs de les constants de desactivació. Commés gran sigui aquesta constant, els filtres desactivaran l’1O2d’una manera més eficient. Per als filtres 5 i 6, les constantsde desactivació es troben al voltant de 2 × 108 M-1s-1; per alsfiltres 3 i 4, són de l’ordre de 106 M-1s-1, i per als filtres 1 i 2,no es detecta cap desactivació.

Amb aquests resultats, s’ha volgut estudiar si els filtres quesón capaços de desactivar l’1O2 (és a dir, els filtres 3, 4, 5 i 6),en fer-ho, es degraden. Per fer això, es genera 1O2 amb tetra-metilporfina (TMP) com a fotosensibilitzador. Tot plegat es fa de la manera següent: s’afegeix TMP en un medi que contéel filtre i que, a més, està saturat d’O2; s’irradia selectivamentla TMP de manera que, a través d’un procés de fotosensibilit-zació, es forma 1O2 a partir de l’oxigen del medi; a mesuraque s’irradia la TMP i es forma aquest 1O2, es monitoren elscanvis en el filtre a través de l’enregistrament d’espectresd’absorció.

Per veure què es pot esperar, es fa l’experiment descrit ambuna espècie que se sap del cert que es degrada en reaccionaramb l’1O2: l’antracè. Si es monitoren els espectres d’absorbàn-cia de l’antracè a mesura que s’irradia la TMP en un sistemacom el que s’ha explicat, es veu com, a causa de la formaciód’1O2, l’espectre de l’antracè disminueix (figura 12). L’antracè,doncs, es degrada.

Així, es pren l’antracè com una espècie de referència i es com-para amb el que ocorre amb els filtres en les mateixes condi-cions. Per fer-ho, es representen els màxims d’absorbància pera cada espècie enfront del temps d’irradiació i s’obté el que esveu a la figura 13. Tal com es pot comprovar, l’absorbància

dels filtres no varia a mesura que es forma 1O2, és a dir, nos’observa cap degradació dels filtres a causa de la interaccióamb l’oxigen singlet.

ConclusionsCom a conclusió d’aquest treball, es pot extreure, en primerlloc, que s’ha aconseguit establir una metodologia sistemàticaper tal d’estudiar les interaccions filtre–filtre en una combi-nació de filtres solars en la qual l’un és l’avobenzona (un delsfiltres més emprats en formulació). Aquesta metodologia estàrelacionada, tal com s’ha vist, amb l’avaluació de la fotoesta-bilitat d’aquesta combinació de filtres.

Cal dir també que els resultats obtinguts per a aquesta meto-dologia s’han comparat amb una altra metodologia. Aquestadarrera consisteix a avaluar per HPLC la degradació de cadafiltre per separat després d’irradiar la barreja d’ambdós. A lafigura 14, en un gràfic de barres, es veuen els resultats de la degradació per a les combinacions de filtres estudiades enaquest treball. Mitjançant aquesta metodologia, s’ha obtingutque les combinacions més estables són les formades per l’avo-benzona i els filtres 2 i 3. Això es correlaciona bé amb els re-sultats obtinguts a l’estudi exposat i permet establir els as-pectes més importants a tenir en compte en la rutamecanística proposada. Així, doncs, per tal que el sistemacombinat de filtres sigui estable, és clau que la desactivaciódel 3BM-DBM(K) sigui eficient i, a més, que en desactivaraquesta espècie, el filtre romangui estable.

FIGURA 12. Canvis en l’espectre d’absorbància de l’antracè a mesura que es forma 1O2. FIGURA 13. Descomposició dels filtres UV 3-6 deguda a la presència d’1O2 al medi

(format per fotosensibilització). La descomposició de l’antracè sota les mateixes condi-

cions ha estat inclosa a la figura per tal de poder comparar-la amb el que els succeeix

als filtres.

SCQ_10_10_10 20/09/12 17:01 Página 92

Referències[1] Naylor, M. F.; Farmer, K. C. Arch. Dermatol. 1997, 133, 1146. [2] Darvay, A.; White, I. R.; Rycroft, R. J. G.; Jones, A. B.; Hawk,J. L. M.; McFadden, J. P. Br. J. Dermatol. 2001, 145, 601.

[3] Schauder, S.; Ippen, H. Contact Dermatitis 1997, 37, 221.[4] Schwack, W.; Rudolph, T. J. Photochem. Photobiol. B 1995,28, 229.[5] Roscher, N. M.; Lindemann, M. K. O.; Bin Kong, S.; Cho, C. G.; Jiang, P. J. Photochem. Photobiol. A 1994, 80, 417.[6] Dubois, M.; Gilard, P.; Tiercet, P.; Deflande, A.; Lefebvre, M. A. J. Chim. Phys. 1998, 95, 388.[7] Cantrell, A.; McGarvey, D. J. J. Photochem. Photobiol. B2001, 64, 117.[8] Aspée, A.; Aliaga, C.; Scaiano, J. C. Photochem. Photobiol.2007, 83, 481.[9] Paris, C.; Lhiaubet-Vallet, V.; Jiménez, O.; Trullas, C.; Mi-randa, M. A. Photochem. Photobiol. 2009, 85, 178.[10] Dondi, D.; Albini, A.; Serpone, N. Photochem. Photobiol.Sci. 2006, 5, 835.[11] Yoshioka, M.; Sakuma, Y.; Saito, M. J. Org. Chem. 1999, 64,9247.

93

Figura 14. Percentatge de recuperació dels filtres UV després de 4 h d’irradiació amb

un simulador solar. Els filtres han estat irradiats combinats amb la BM-DBM.

Miguel Ángel Miranda és professor de química orgànica a la Universitat Politècnica de València i director de l’Institut de Tec-nologia Química (UPV-CSIC). Estudià química a la Universitat de València i obtingué el doctorat a la Universitat Autònoma deMadrid el 1978, tot treballant al Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC). Féu dues estàncies postdoctorals a laUniversitat de Saarland i a la Universitat de Würzburg (Alemanya). Fou professor associat a la Universitat de València, i el 1990,acceptà el càrrec que té a l’actualitat. Els seus temes de recerca són la fotoquímica i la fotobiologia. El professor Miranda ha re-but el Premi Honda-Fujishima de la Societat Japonesa de Fotoquímica (2007), el Premi Janssen-Cilag de química orgànica de laReial Societat Espanyola de Química (2008) i el Premi en Memòria de Theodor Förster de la Societat Alemanya de Química i la Societat Bunsen de Físicoquímica (2010). Durant els anys 2009 a 2011, fou president de la Societat Europea de Fotobiologia.

Mireia Marín va nàixer a València. Estudià química a l’Institut Químic de Sarrià (Barcelona), on es llicencià el 2005. El seutreball final de carrera tractava dels sensors fotoquímics dirigit pel professor Santi Nonell a l’Institut Químic de Sarrià i ob-tingué el títol d’enginyera química d’aquesta Universitat l’any 2007. Tot seguit, inicià la seva tesi doctoral (que està finalit-zant actualment) en l’àmbit dels fotobiocatalitzadors a l’Institut de Tecnologia Química (UPV-CSIC), amb una beca JAE-Predoc i sota la direcció del professor Miranda i la doctora Lhiaubet-Vallet. Durant l’any 2010, va realitzar una estada predoctoral al Departament de Química i Farmàcia de la Universitat d’Erlangen-Nürnberg (Alemanya), en el grup del profes-sor Dirk M. Guldi. El febrer de 2010, va obtenir el premi a la millor presentació del simposi de medi ambient i qualitat de vidaotorgat per la Societat Catalana de Química en la VI Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans.

M. MarínM. Á. Miranda

SCQ_10_10_10 20/09/12 17:01 Página 93

94

Introducció

La química supramolecular és un camp interdis-ciplinari molt actiu que tracta les interaccionsno covalents de maneres diferents. D’una banda,aprofita aquest tipus d’interaccions per poderdissenyar arquitectures supramoleculars ambdiferents aplicaci ons. De l’altra, es basa enaquest tipus d’interaccions per poder explicar

diferents proces sos, com el de reconeixement molecular i for-mació d’estructures macromolecu lars, que es basen en inter-accions dèbils. És per aquesta raó que la química su pra -molecu lar té implicacions en disciplines com la química, labiologia, la física o l’enginyeria. Es poden trobar diferents in-teraccions no covalents com forces purament electrostàti-

ques, com la interacció ió-ió o ió-dipol; efectes hidrofòbics ointeraccions no covalents que impliquen anells aromàtics,com les interaccions d’apilament p o catió-p, àmpliament re-conegudes i descrites com a interaccions estabilitzadores enbiomolècules i reconeixement molecular.

És ben conegut que les interaccions no covalents desenvolu-pen un paper molt important en la conformació de les molè-cules.1 També són rellevants a les reaccions químiques, al re-coneixement molecular i als processos de regulació biològica.2

Aquests processos químics es duen a terme amb especificitat i eficiència mitjançant complicades combinacions d’inter-accions intermoleculars dèbils de diferents tipus. Les interac-cions no covalents, com els enllaços d’hidrogen, catió-p i apilament p, entre altres interaccions dèbils, governen l’orga-nització d’assemblatges supramoleculars multicomponents.3-6

Un profund enteniment d’aquestes interaccions és de granimportància per a la racionalització dels efectes observats endiferents camps, com la bioquímica o les cièn cies dels mate-rials. Una descripció quantitativa d’aquestes interaccions es

Interaccions anió-p en sistemes biològicsAnion-p interactions in biological systemsCarolina EstarellasUniversitat de les Illes Balears. Departament de Química. Àrea de Química Orgànica

Resum. Les interaccions no covalents són crucials en moltes àrees de la química moderna, especialment al camp de la químicasupramolecular i del reconeixement molecular. Les interaccions que impliquen sistemes aromàtics són importants forces d’en-llaç en sistemes químics i biològics. L’any 2002, tres grups de recerca diferents van demostrar teòricament la interacció entreanells aromàtics electrodeficients i anions. Aquest tipus d’interacció es coneix com a interacció anió-p. El nostre grup de re-cerca va descriure les interaccions anió-p entre diferents anions i l’hexafluorobenzè, per primera vegada, on l’anió es posicio-nava al llarg de l’eix C6 de l’anell. La interacció anió-p és dominada per les forces electrostàtiques i el terme de polaritzacióinduïda. Actualment, la interacció anió-p està essent reconeguda per la comunitat científica com una interacció no covalentque té implicacions en molts camps de recerca. En aquest treball, volem demostrar la importància de les interaccions anió-pen sistemes més complexos i de rellevància biològica, on l’anió, que es troba formant una interacció anió-p, pot interpretar unpaper fonamental en l’acció de determinats enzims.

Paraules clau: Càlculs ab initio, interaccions anió–p, sistemes donador-acceptor, models enzimàtics, química supramolecular.

Abstract. Noncovalent interactions are crucial in many areas of modern chemistry, especially in the field of supramolecularchemistry and molecular recognition. Interactions involving aromatic rings are important binding forces in both chemical andbiological systems. In 2002, three different research groups have demonstrated theoretically the interaction between electrondeficient aromatic ring and anions. This kind of interaction is knowed like anion-p interaction. Our research group describedat first, the anion-p interaction between different anions and hexafluorobenzene where the anion is positioned over the ringalong the C6 axis. The anion-p interaction is dominated by electrostatic and anion-induced polarization terms. Currently theanion-p interaction is recognized by the scientific community as a noncovalent interaction important in a lot of researchfields. In this work we want to demonstrate the importance of the anion-p interactions in more complex and relevant biologi-cal systems, where the anion has a key role in the function of determinate enzymes.

Keywords: Ab initio calculations, anion–p interactions, donor-acceptor systems, enzyme models, supramolecular chemistry.


Correspondència: Carolina Estarellas. Universitat de les Illes Balears. Departament

de Química. Àrea de Química Orgànica

Campus UIB. Ctra. de Valldemossa, km 7,5. 07122 Palma

Tel.: +34 971 173 498. Fax: +34 971 173 426


SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 94

pot realitzar mitjançant càlculs mecanoquàntics en un modelpetit del sistema real.7-9

D’altra banda, el camp de l’enginyeria de cristalls s’està expan-dint ràpidament com una disciplina global que està essent prac-ticada per molts científics amb diversos interessos sense la limi-tació de les fronteres interdisciplinàries tradicionals. Es tractad’avançar mitjançant modelització, síntesi, avaluació i utilitza-ció de sòlids cristal·lins amb les funcions desitjades o a partird’arquitectures topològiques que moltes vegades resulten fasci-nants.10-19 Però el potencial complet d’aquesta branca multidis-ciplinària de la ciència encara es troba al seu inici. El principi desíntesi dissenyada de materials funcionals ha de ser racionalit-zat, però el fet de garantir l’èxit de qualsevol experiment a l’en-ginyeria de cristalls té tendència a ser molt difícil de controlar, acausa de la delicada naturalesa del nombre de forces dèbils quecompeteixen entre elles.17,20 Per tant, la predicció de l’estructuracristal·lina és un exercici formidable i està molt lluny de ser re-solt. La clau per a la predicció de l’estructura cristal·lina és l’en-teniment precís i el control complet sobre la interrelació de lesinteraccions dèbils responsables de l’empaquetament cristal·lí,quan un nombre important d’elles està operant simultània-ment.20-23 De fet, el nostre grup ha estudiat recentment efectessinèrgics entre diferents interaccions no covalents i ha obtingutevidències experimentals24 i teòriques25,26 interessants. Les in-teraccions dèbils dispersives com l’enllaç d’hidrogen,16,27-31 api-lament p,32-34 catió-p35 i C-H/p36,37 són molt comunes i recone-gudes pels químics supramoleculars.

Diversos estudis de les interaccions del núvol p de l’hexafluo-robenzè amb diferents molècules electrodonadores van serdescrits per Alkorta et al.38 i Gallivan et al.39 Posteriorment,seguint amb el treball pioner en el qual es descrivien reac-cions en fase gas entre anions i l’hexafluorobenzè,40 i mitjan-çant els mètodes teòrics, Mascal et al.,41 Alkorta et al.42 i elnostre grup43 van quasi simultàniament informar de l’existèn-cia d’interaccions favorables entre anions i anells aromàticselectrodeficients, denominada interacció anió-p. Aquesta estàdominada principalment per dues forces, l’electrostàtica i lapolarització induïda. El terme electrostàtic és racionalitzatmitjançant el moment quadrupolar permanent (Qzz) de l’arèelectrodeficient i la polarització induïda està correlacionadaamb la pola ritzabilitat molecular (a||) del compost aromàtic.

Des de llavors, al voltant de vuit anys, les interaccions anió-p44,45 han atret una considerable atenció.46 Hi ha molta feina

experimental47-52 i teòrica53-56 que evidencia que la interaccióanió-p desenvolupa un paper molt important en diverses àreesde la química, així com al reconeixement molecular57 i al trans-port d’anions en trans mem branes.58,59

La coordinació d’anions és un important repte en la química su-pramolecular actual. Egli et al. han estès aquest concepte a unaforma més general, anomenada interaccions parell solitari-p(l. p.-p).60 Dos exemples importants d’interaccions parell solita-ri-p en biomacromolècules són els següents: a) l’estabilitzacióde l’estructura de l’ADN tipus Z61,62 i b) les interaccions H2O-pdins un fragment ribosòmic de RNA pseudoknot.63 És més: lesinteraccions parell solitari-p són fonamentals per a l’estabilitza-ció de macromolècules biològiques, de la mateixa manera queper enllaçar inhibidors al centre actiu de receptors bioquímics.64

Molt recentment, Gamez et al.,65 en un article de revisió, han de-mostrat la utilitat de les interaccions parell solitari-p com unnou enllaç supramolecular, a més de fer una rigorosa anàlisi alCambridge Structure Database (CSD) que revela que aquestaclasse d’interacció no és inusual als compostos orgànics i/o decoordinació, sinó que ha passat desapercebuda en el passat.

En aquest treball es mostra de manera experimental i teòricala importància de les interaccions anió-p i parell solitari-pen sistemes més complexos i de rellevància biològica, en elsquals aquestes interaccions, en alguns exemples, són la clauper obtenir un ordenament cristal·lí concret i, en altres casos,alteren la funció biològica de determinats enzims.

Resultats i discussióAquest apartat es divideix en dos grans blocs. El primer con-sisteix en l’anàlisi de les interaccions no covalents en l’empa-quetament cristal·lí i la influència que poden tenir aquestesinteraccions damunt les diferents arquitectures. El segon lloc,posa de manifest la importància de les interaccions no cova-lents en sistemes més complexos i de rellevància biològica.

1. Interaccions no covalents en l’empaquetamentcristal·lí

Un estudi interessant dut a terme pel nostre grup de treballha estat l’anàlisi de raigs X de dos derivats d’uracil: el hexilu-racil (1) i el 5-fluoro-1-hexiluracil (2). Les estructurescristal·lines d’aquests compostos posen de manifest que les 95

SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 95

96

interaccions no covalents implicades tenen una importànciafonamental en l’empaquetament cristal·lí. Aquestes interac-cions han estat analitzades computacionalment mitjançant lateoria de Bader, atoms-in-molecules (AIM).66 Els compostos1 i 2 s’obtenen fàcilment de l’uracil o 5-fluorouracil en duespasses. Finalment, s’obtenen cristalls adequats que poden és-ser analitzats per difracció de raigs X (esquema 1).

Les estructures de l’estat sòlid d’1 i 2 revelen característiquesinteressants. Evidentment, les interaccions no covalents mésfortes als dos sistemes són els enllaços d’hidrogen comple-mentaris C = O ... H-N. Però hi ha una complicada combinaciód’interaccions no covalents més dèbils que governen l’espaitridimensional de les estructures cristal·lines. L’empaqueta-ment cristal·lí del compost 1 (figura 1) és similar a l’estructurad’una bicapa lipídica. Les interaccions que governen la xarxatridimensional són efectes hidrofòbics i d’apilament p. El com-post 2 presenta una estructura cristal·lina fascinant, tal com espot veure a la figura 2, on l’àtom d’hidrogen s’ha substituït perun àtom de fluor. L’efecte que es produeix a l’estructura ésconsiderable. Passem d’una estructura de tipus bicapa lipídicaa una estructura de tipus ziga-zaga. Les responsables d’aquestcanvi són les diferents interaccions no covalents. Els enllaçosd’hidrogen es formen d’igual manera que al compost 1, entregrups donadors i acceptors d’enllaç d’hidrogen. Els efectes hi-drofòbics entre les cadenes alquíliques se segueixen formant,però la interacció d’apilament p desapareix i al seu lloc es tro-ba la interacció parell solitari-p entre un àtom d’oxigen i l’à-tom de fluor d’un anell de fluorouracil i el sistema p d’un altreanell. L’àtom de fluor provoca dos efectes. D’una banda, aug-menta l’acidesa de l’anell, tot facilitant la interacció l. p.-p.De l’altra, a causa del parell d’electrons solitaris que presental’àtom de fluor, pot participar en aquest tipus d’interacció.Aquest cas és un bon exemple del canvi d’arquitectura i de lacompetició entre la interacció parell solitari i apilament p.

S’han realitzat càlculs MP2 per estimar l’energia d’interaccióde diferents fragments cristal·logràfics que es troben descritsa la figura 3. La interacció parell solitari-p s’avalua al frag-ment A i presenta una energia de –4,85 kcal/mol. Al fragment B

FIGURA 1. Empaquetament cristal·lí d’1. Alguns àtoms desordenats s’han omès per claredat.

FIGURA 2. Empaquetament cristal·lí de 2. Alguns àtoms desordenats s’han omès per

claredat.

ESQUEMA 1. Ruta sintètica d’1 i 2.

SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 96

s’avalua la interacció C-H/p amb un valor de –4,29 kcal/mol.Aquesta és l’energia de dos interaccions C-H/p, la qual cosavol dir que cada una d’elles aporta 2,15 kcal/mol. Aquesta in-teracció pot ésser sobreestimada pel fet que els grups metil dela cadena alquílica també interaccionen. És d’esperar que lesinteraccions alquil-alquil siguin més petites, ja que es podenatribuir principalment a efectes de dispersió. Per corroboraraquest punt, vam fer un càlcul addicional per al fragment Ben el qual una de les cadenes alquíliques va ser substituïdaper un grup metil. D’aquesta manera, únicament hi ha presentla interacció C-H/p, que presenta una energia de –2,03 kcal/mol.Aquest fet indica que la interacció entre les cadenes alquíli-ques és únicament de 0,12 kcal/mol. Finalment, el fragment Caporta informació sobre el sistema ternari, on coexisteixen les interaccions parell solitari-p i C-H/p, amb una energia de –9,48 kcal/mol. Aquesta energia és més negativa que la suma de les energies d’interacció dels complexos binaris.Això indica un efecte cooperatiu favorable entre ambdues interaccions.

Un mètode simple per avaluar els efectes cooperatius es basaen la teoria de Bader, AIM.66 La densitat de càrrega al punt crí-tic d’enllaç es pot emprar com a mesura de l’ordre d’enllaç; pertant, la variació d’aquests valors del complex ternari respectedel binari informa del reforçament o del debilitament de les in-teraccions. S’han fet els càlculs AIM dels fragments A, B i C di-rectament de la geometria dels raigs X. A la figura 4 es pot ob-servar la distribució de punts crítics (PC) per a les interaccions

del complex ternari. La distribució de punts crítics per als frag-ments binaris A i B es manté igual. Els valors dels PC d’enllaçque caracteritzen la interacció parell solitari-p al complex ter-nari són idèntics als obtinguts per al fragment A; per tant,aquesta interacció no es veu afectada per la presència de la C-H/p. Al contrari, el PC de caixa que caracteritza la interac-ció C-H/p és major al complex ternari que al sistema binari,tot indicant que aquesta interacció es reforça al complex ter-nari. Encara que les variacions són petites, són significativesper a aquest tipus d’interaccions.

En conclusió, pel que fa a l’ordenament cristal·lí, els resultatsexperimentals i teòrics demostren clarament que la combina-ció d’interaccions dèbils ha de ser analitzada, ja que és moltimportant al cristall, fins i tot en presència de forts enllaçosd’hidrogen.

2. Interaccions no covalents en sistemes biològics

En aquest apartat es vol destacar la importància de les inter-accions no covalents, en concret, de les interaccions anió-po parell solitari-p, en sistemes biològics rellevants. Durant elsdarrers anys, han crescut les evidències del fet que aquestaclasse d’interaccions dèbils són importants en diferents siste-mes d’interès biològic i químic. Egli et al.60 han trobat una in-teracció parell solitari-p (l. p.-p). Al seu treball es presentauna interacció parell solitari-p entre l’anió fosfat i una adeni-

97

FIGURA 3. Vista parcial de l’estructura de raigs X de 2. Les distàncies estan en Å.

Figura 4. Vista esquemàtica dels punts crítics (PC). Els PC d’enllaç estan representats en

vermell; els PC d’anell, en groc, i els PC de caixa, en verd. Els valors de 102r estan en a. u.

SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 97

98

na d’un ARN de transcripció, en la qual es posa de manifest laimportància d’aquest tipus d’interaccions, ja que són les res-ponsables del gir en forma de u de l’ARN.

Seguint aquesta línia, el nostre grup ha estudiat efectes co-operatius entre les interaccions d’enllaç d’hidrogen, apila-ment-p i parell solitari-p, a l’ADN de tipus Z. S’ha demostratque la presència de les interaccions d’enllaç d’hidrogen afavo-reixen les interaccions parell solitari-p i viceversa.

Altres sistemes biològics que presenten interaccions anió-psón els sistemes dependents de riboflavina, com ara el FAD(flavin adenosin fosfato) i el FMN (flavin mononucleotid), grà-cies al fet que presenten a la seva estructura anells electrode-ficients. Hem trobat exemples en els quals hi ha més d’un anióinteraccionant amb el sistema isoaloxozina.67

Un dels casos més interessants és l’obtingut a partir dels resul-tats a l’estudi teòric en el qual s’analitza la importància de lainteracció anió-p a l’enzim urato oxidasa.68 L’urato oxidasa(UOX) pertany a la trajectòria de degradació de la purina. Éscapaç de catalitzar en presència d’oxigen molecular i aigua lahidroxilació de l’àcid úric a un producte metastable identificatcom a 5-hidroxi-isourat, que, una vegada en dissolució, passalentament a al·lantoïna. Mitjançant estudis experimentals, s’hademostrat que, en dissolució, l’anió cianur inhibeix l’UOX, totprovocant una pèrdua d’activitat del 90 %. Hi ha dues possibi-

litats que expliquen l’acció del cianur (esquema 2). La primeraexplicació és que l’anió reemplaça la molècula d’oxigen queestà implicada en la formació de l’isourat. L’altra explicació ésque el cianur pot reemplaçar la molècula d’aigua implicada enla hidroxilació de l’isourat.

Afortunadament, s’ha pogut obtenir l’estructura de raigs X del’enzim inhibit. El centre actiu es mostra a la figura 5. Es potveure que l’àcid úric presenta interaccions d’enllaç d’hidrogenamb diversos residus, com ara l’arginina 176 i la glutamina 228.Cal destacar la posició de l’anió cianur, que forma una inter-

ESQUEMA 2. Acció de l’urato oxidasa en el pas de l’àcid úric a al·lantoïna, en el qual inter-

vé l’anió cianur.

FIGURA 5. Esquerra: estructura cristal·lina del centre actiu de la proteïna corresponent al PDB ID 2IBA (ref. 8). Dreta: estructura cristal·lina del centre actiu de la proteïna corresponent al PDB

ID 3BJP amb l’anió cianur.

SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 98

acció anió-p amb l’àcid i que és la responsable de la inhibicióde l’enzim. Al mateix temps, un residu de fenilalanina es trobaformant un apilament p amb l’àcid úric a la cara oposada res-pecte de l’anió cianur.

S’han realitzat alguns càlculs teòrics per avaluar el centre ac-tiu d’un model del complex enzim-substracte. Hem empratl’eina MIPp (potencial d’interacció molecular amb polaritza-ció),69 que particiona l’energia en tres termes (electrostàtic,de polarització i de repulsió-dispersió), per analitzar el poten-cial d’interacció amb anions a un pla paral·lel a l’anell aromà-tic. El mínim d’energia coincideix amb la posició del cianur al’estructura del complex de raigs X, tal com es pot observar a la figura 6. S’han dut a terme càlculs d’energia emprant l’es-tructura de raigs X amb el programa TURBOMOLE70 al nivellde teoria RI-MP2 amb les bases doble i triple x de Dunning. A la taula 1 es pot observar que tant els complexes binaris,anió-p (3) i apilament p (4), com el complex ternari presentenenergies d’interacció molt favorables, la qual cosa indica quela formació d’aquests complexos està afavorida.

ConclusionsEn resum, els resultats obtinguts en aquest treball confirmenla importància de les interaccions anió-p i parell solitari-p ensistemes complexos, com ara les xarxes cristal·lines, o en sis-temes biològics de rellevància, com és el cas de l’urato oxida-sa. Hi ha molts sistemes sensibles a sofrir aquest tipus d’inter-accions, com ara les bases nitrogenades, els sistemes dependents de riboflavina i en enzims. Pel fet que la interac-ció anió-p és relativament nova, no ha estat considerada enl’anàlisi d’una multitud de sistemes biològics, principalment,en estudis d’interaccions entre enzims i substractes. Tenint encompte que hi ha una multitud de molècules biològiques quesón anions (fins i tot l’ADN és un polianió), l’existència i lapossible importància d’aquesta interacció està garantida. És,doncs, molt important el fet de continuar investigant enaquesta direcció, ja que pot obrir noves línies d’investigació.71

Referències[1] Hunter, C. A.; Sanders, J. K. M. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112,5525.[2] Meyer, E. A.; Castellano, R. K.; Diederich, F. Angew. Chem.Int. Ed. 2003, 42, 1210.[3] Kim, K. S.; Tarakeshwar, P.; Lee, J. Y. Chem. Rev. 2000, 100,4145.[4] Lee, E. C.; Kim, D.; Jureèka, P.; Tarakeshwar, P.; Hobza, P.;Kim, K. S. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 3446.[5] Reddy, A. S.; Sastry, G. N. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 8893.[6] Èerný, J.; Hobza, P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 5291.[7] Rappé, A. K.; Bernstein, E. R. J. Phys. Chem. A 2000, 104,6117.[8] Hesselmann, A.; Jansen, G.; Schu� tz, M. J. Am. Chem. Soc.2006, 128, 11730.[9] Piacenza, M.; Grimme, S. Chem. Phys. Chem. 2005, 6,1554.[10] Desiraju, G. R. Crystal Engineering: The Design of OrganicSolids. Elsevier: Amsterdam, 1989.[11] Biradha, K. CrystEngComm 2003, 5, 374.[12] Zaworotko, M. J. Chem. Commun. 2001, 1.[13] Holman, K. T.; Pivovar, A. M.; Swift, J. A.; Ward, M. D. Acc.Chem. Res. 2001, 34, 107.[14] Aakeröy, C. B.; Beatty, A. M.; Helfrich, B. A. Angew. Chem.Int. Ed. 2001, 40, 3240.[15] Aakeröy, C. B. Acta Crystallogr. 1997, B53, 569.

99

FIGURA 6. Mapa d’energia bidimensional calculat per l’àcid úric que es troba establint in-

teraccions d’enllaç d’hidrogen, tot enfrontant (N–) a 3,5 Å sobre el pla molecular.

TAULA 1. Energies d’enllaç amb la correcció BSSE (EBSSE, kcal mol-1) als nivells

de teoria RI-MP2(full)/aug-cc-pVDZ i RI-MP2(full)/aug-cc-pVTZ,

per als complexos 1-3. Distàncies d’equilibri (Re, Å) de l’estructura

cristal·lina de la proteïna

EBSSE (AVDZ) EBSSE (AVTZ) Re

1 -16,24 -16,70 2,969

2 -8,61 -9,13 3,456

3 -23,34 -24,35 2,969/3,247/3,456

SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 99

100

[16] Desiraju, G. R. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 565.[17] Brammer, L. Chem. Soc. Rev. 2004, 33, 476.[18] Braga, D.; Brammer, L.; Champness, N. R. CrystEngComm2005, 7, 1.[19] a) Braga, D.; Desiraju, G. R.; Miller, J. S.; Orpen, A. G.; Price, S. L. CrystEngComm 2002, 4, 500. b) Hong, B. H.; Bae, S.C.; Lee, C.-W.; Jeong, S.; Kim, K. S. Science 2001, 294, 348. c)Singh, N. J.; Lee, H. M.; Hwang, I.-C.; Kim, K. S. Supramol.Chem. 2007, 19, 321.[20] a) Jana, A. D.; Manna, S. C.; Rosair, G. M.; Drew, M. G. B.;Mostafa, G.; Chaudhuri, N. R. Cryst. Growth Des. 2007, 7,1365. b) Singh, N. J.; Lee, H. M.; Suh, S. B.; Kim, K. S. PureAppl. Chem. 2007, 79, 1057. c) Lee, J. Y.; Hong, B. H.; Kim, W.Y.; Min, S. K.; Kim, Y.; Jouravlev, M. V.; Bose, R.; Kim, K. S.;Hwang, I.-C.; Kaufman, L. J.; Wong, C. W.; Kim, P.; Kim, K. S.Nature 2009, 460, 498.[21] Samai, S.; Biradha, K. CrystEngComm 2009, 11, 482.[22] Thakur, T. S.; Desiraju, G. R. Cryst. Growth Des. 2008, 8,4031.[23] Price, S. L. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 117.[24] García-Raso, A.; Albertí, F. M.; Fiol, J. J.; Tasada, A.; Barce-ló-Oliver, M.; Molins, E.; Escudero, D.; Frontera, A.; Quiñonero,D.; Deyà, P. M. Inorg. Chem. 2007, 46, 10724.[25] Frontera, A.; Quiñonero, D.; Costa, A.; Ballester, P.; Deyà,P. M. New. J. Chem. 2007, 31, 556.[26] Quiñonero, D.; Frontera, A.; Garau, C.; Ballester, P.; Costa,A.; Deyà, P. M. Chem. Phys. Chem. 2006, 7, 2487.[27] Jeffrey, G. A. An Introduction to Hydrogen Bonding. Oxford University Press: Oxford, 1997.[28] Desiraju, G. R.; Steiner, T. The Weak Hydrogen Bond inStructural Chemistry and Biology. Oxford University Press: Oxford, 1999.[29] Desiraju, G. R. Nature 2001, 412, 397.[30] a) Beatty, A. M. CrystEngComm 2001, 51, 1. b) Pak, C.;Lee, H. M.; Kim, J. C.; Kim, D.; Kim, K. S. Struct. Chem. 2005,16, 187. c) Lee, H. M.; Suh, S. B.; Lee, J. Y.; Tarakeshwar, P.;Kim, K. S. J. Chem. Phys. 2000, 112, 9759. d) Hong, B. H.; Lee,J. Y.; Lee, C.-W.; Kim, J. C.; Bae, S. C.; Kim, K. S. J. Am. Chem.Soc. 2001, 123, 10748.[31] Steiner, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 48.[32] Burley, S. K.; Petsko, G. A. Science 1985, 229, 23.[33] Singh, N. J.; Min, S. K.; Kim, D. Y.; Kim, K. S. J. Chem. Theor.Comput. 2009, 5, 515.[34] Janiak, C. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 2000, 3885.[35] a) Ma, J. C.; Dougherty, D. A. Chem. Rev. 1997, 97, 1303.b) Kim, D.; Hu, S.; Tarakeshwar, P.; Kim, K. S.; Lisy, J. M. J. Phys.

Chem. A 2003, 107, 1228. c) Kim, K. S.; Lee, J. Y.; Lee, S. J.; Ha,T.-K.; Kim, D. H. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 7399.[36] a) Nishio, M.; Hirota, M.; Umezawa, Y. The C-H/p Interac-tion: Evidence, Nature and Consequences. Wiley-VCH: NovaYork, 1998. b) Nishio, M. CrystEngComm 2004, 6, 130.[37] a) Burley, S. K.; Petsko, G. A. Science 1985, 229, 23. b)Kim, K. S.; Tarakeshwar, P.; Lee, J. Y. J. Am. Chem. Soc. 2001,123, 3323.[38] Alkorta, I.; Rozas, I.; Elguero, J. J. Org. Chem. 1997, 62, 4687.[39] Gallivan, J. P.; Dougherty, D. A. Org. Lett. 1999, 1, 103.[40] Hiraoka, K.; Mizuse, S.; Yamabe, S. J. Phys. Chem. 1987,91, 5294.[41] Mascal, M.; Armstrong, A.; Bartberger, M. J. Am. Chem.Soc. 2002, 124, 6274.[42] Alkorta, I.; Rozas, I.; Elguero, J. J. Am. Chem. Soc. 2002,124, 8593.[43] Quiñonero, D.; Garau, C.; Rotger, M.; Frontera, A.; Ballester,P.; Costa, A.; Deyà, P. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 3389.[44] Mooibroek, T. J.; Black, C. A.; Gamez, P.; Reedijk, J. Cryst.Growth. Des. 2008, 8, 1082.[45] Schottel, B. L.; Chifotides, H. T.; Dunbar, K. R. Chem. Soc.Rev. 2008, 37, 68.[46] Gamez, P.; Mooibroek, T. J.; Teat, S. J.; Reedijk, J. Acc.Chem. Res. 2007, 40, 435.[47] Demeshko, S.; Dechert, S.; Meyer, F. J. Am. Chem. Soc.2004, 126, 4508.[48] Schottel, B. L.; Bacsa, J.; Dunbar, K. R. Chem. Commun.2005, 46.[49] Rosokha, Y. S.; Lindeman, S. V.; Rosokha, S. V.; Kochi, J. K.Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 4650.[50] Hoog, P. de; Gamez, P.; Mutikainen, I.; Turpeinen, U.; Ree-dijk, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 5815.[51] Frontera, A.; Saczewski, F.; Gdaniec, M.; Dziemidowicz-Borys, E.; Kurland, A.; Deyà, P. M.; Quiñonero, D.; Garau, C.Chem. Eur. J. 2005, 11, 6560.[52] García-Raso, A.; Albertí, F. M.; Fiol, J. J.; Tasada, A.; Barce-ló-Oliver, M.; Molins, E.; Escudero, D.; Frontera, A.; Quiñonero,D.; Deyà, P. M. Eur. J. Org. Chem. 2007, 5821.[53] Berryman, O. B.; Bryantsev, V. S.; Stay, D. P.; Johnson, D.W.; Hay, B. P. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 48.[54] Mascal, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 2890.[55] Escudero, D.; Frontera, A.; Quiñonero, D.; Ballester, P.;Costa, A.; Deyà, P. M. J. Chem. Theory. Comput. 2007, 3, 2098.[56] Estarellas, C.; Quiñonero, D.; Frontera, A.; Ballester, P.;Morey, J.; Costa, A.; Deyà, P. M. J. Phys. Chem. A 2008, 112,1622.

SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 100

Carolina Estarellas (Palma, 1985) va estudiar la carrera de química a la Universitat de les Illes Balears (UIB), tot llicenciant-seal juny de 2008. Al setembre de 2009, va obtenir el títol de màster en ciència i tecnologia química per la UIB. Actualment, es troba fent el doctorat a l’àrea de química orgànica computacional, sota la supervisió dels seus directors de tesi, AntonioFrontera i Pere M. Deyà. La recerca es fonamenta en l’estudi de diferents interaccions no covalents i els possibles efectes sinèrgics que existeixen entre elles i que poden ajudar a explicar molts fenòmens a les àrees de la química o la biologia.

C. Estarellas

[57] Mascal, M.; Yakovlev, I.; Nikitin, E. B.; Fettinger, J. C. An-gew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 872.[58] Gorteau, V.; Bollot, G.; Mareda, J.; Pérez-Velasco, A.; Ma-tile, S. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 14788.[59] Gorteau, V.; Bollot, G.; Mareda, J.; Matile, S. Org. Biomol.Chem. 2007, 5, 3000.[60] Egli, M.; Sarkhel, S. Acc. Chem. Res. 2007, 40, 197.[61] Egli, M.; Gessner, R. V. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1995, 92,180.[62] Bancroft, D.; Williams, L. D.; Rich, A.; Egli, M. Biochemis-try 1994, 33, 1073.[63] Sarkhel, S.; Rich, A.; Egli, M. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125,8998.[64] Calabrese, J. C.; Jordan, D. B.; Boodhoo, A.; Sariaslani, S.;Vannelli, T. Biochemistry 2004, 43, 11403.

[65] Mooibroek, T. J.; Gamez, P.; Reedijk, J. CrystEngComm2008, 10, 1501.[66] Bader, R. F. W. Chem. Rev. 1991, 91, 893.[67] Mattevi, A.; Fraaije, M. W.; Mozzarelli, A.; Olivi, L.; Coda,A; Berkel, W. van. J. Structure 1997, 5, 907.[68] Gabison, L.; Prange, T.; Colloc’h, N.; El Hajji, M.; Castro, B.;Chiadmi, M. Bmc Struct. Biol. 2008, 8, 32.[69] Luque, F. J.; Orozco, M. MIPp was computed using theMOPETE computer program. Universitat de Barcelona: Barcelona, 1998.[70] Ahlrichs, R.; Bär, M.; Häser, M.; Horn, H.; Kölmel, C. Chem.Phys. Lett. 1989, 162, 165.[71] Treball afegit en la correcció de galerades: Estarellas, C.;Frontera, A.; Quiñonero, D.; Deyà, P. M. Angew. Chem. Int. Ed.2011, 50, 415.

101

SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 101

102

Introducció

Un material multiferroic és aquell que pre-senta la coexistència de com a mínim dosdels tres ordres ferroics, és a dir, ferro-electricitat, ferromagnetisme i/o ferroe-lasticitat.1 En els materials multi ferroics,la interacció d’acoblament entre els dife-rents paràmetres pot produir nous efec-

tes, com ara l’efecte magnetoelèctric, que es defineix,normal ment, com l’acoblament entre els camps elèctric imagnètic de la matèria, de tal manera que l’aplicació d’uncamp elèctric sobre el material provoca un canvi en la magne-tització, o al contrari, l’aplicació d’un camp magnètic pro-dueix una variació en la polarització del material.

El primer estudi sobre l’efecte magnetoelèctric va ser descritl’any 1888, quan Röntgen va descobrir que un dielèctric enmoviment sotmès a un camp elèctric es magnetitzava, mentreque si era sotmès a un camp magnètic, es polaritzava.2,3 Sisanys més tard, Pierre Curie va assenyalar la possibilitat d’una

certa relació entre la simetria cristal·lina i l’efecte magneto-elèctric sen se la necessitat de moviment (efecte magnetoe-lèctric intrínsec).4

Cal destacar, però, que el terme efecte magneto elèctric va serdefinit per primera vegada a la tercera dècada del segle pas-sat per Debye,5 però no fou fins al 1959 que Dzylashinskii6 vaestudiar experimentalment el comportament magnetoelèctricdel sistema Cr2O3. Així, a partir d’aquest moment, es van ini-ciar molts esforços per trobar i sintetitzar compostos que po-guessin tenir aques ta propietat. Concretament, es va observaraquesta propietat en més de vuitanta compostos diferents,entre ells, Ti2O3,7 GaFeO3,8 algunes boracites,9 fosfats10 i algu -nes solucions sòlides, com PbFe0,5Nb0,5O3.11

Actualment, l’estudi dels materials que presenten efecte mag-netoelèctric és un dels camps més explotats, atès que les se-ves aplicacions a l’àrea de l’enginyeria electrònica són forçaprometedores, sobretot pel que fa a la manipulació i l’emma-gatzematge de dades.

Materials susceptibles depresentar efecte magnetoelèctricExisteixen fonamentalment dues maneres diferents per obte-nir un material que presenti simultàniament un comporta-

Síntesi i caracterització dels materials multiferroics BiFeO3,La: BiFeO3 i Sr: BiFeO3Synthesis and characterization of multiferroic materials BiFeO3, La: BiFeO3 i Sr: BiFeO3Xavier Vendrell* i Lourdes MestresUniversitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament de Química Inorgànica.

Resum. Recentment, ha crescut un notable interès pels materials multiferroics (o materials que presenten simultàniament propietats elèctriques i magnètiques), a causa de les seves múltiples aplicacions, sobretot en el camp de l’electrònica. Aquestarticle pretén donar a conèixer els materials multiferroics, tant des del punt de vista de la física fonamental com de la químicade l’estat sòlid. Així mateix, es presentarà un dels materials multiferroics actualment més estudiats i s’exposaran els detalls dela seva síntesi i caracterització habituals en la química de l’estat sòlid.

Paraules clau: Multiferroic, reacció en estat sòlid, química suau, ferrita de bismut.

Abstract. Multiferroic materials, or materials that present both electric and magnetic ordering simultaneously, have attractedenormous attention recently due to their application in electronic devices. This paper aims to highlight such materials, asmuch for solid state chemistry considerations as for fundamental physics. At the same time, one of the most studied multifer-roic materials will be presented together with the synthetic details and characterization techniques most commonly used insolid state chemistry.

Keywords: Multiferroic, solid state reaction, soft chemistry, bismuth ferrite.

Correspondència: Xavier Vendrell. Universitat de Barcelona. Facultat de Química.

Departament de Química Inorgànica


Tel.: +34 934 021 225. Fax: +34 934 907 725



SCQ_10_12_12 20/09/12 16:19 Página 102

ment ferroelèctric i ferromagnètic i que, a més a més, hi hagiacoblament entre ambdues propietats.

Potser la manera més intuïtiva és la formació de composites,amb la qual una fase és ferroelèctrica i l’altra és ferromagnèti-ca, de tal manera que l’acoblament es realitza de manera me-cànica. Així, Van den Boomgaard i Van Suchtelen12,13 van sin-tetitzar per primera vegada un material que presentava efectemagnetoelèctric per combinació del compost ferroelèctric BaTiO3 i el compost ferromagnètic CoFe2O4 en la composicióde l’eutèctic (65:35) amb estructura laminar. Els composites es poden sintetitzar en bulk o bé en capa fina. Quan ho fan en capa fina, poden presentar dues geometries extremes:14

a) Multicapa, a partir de compostos ferroelèctrics d’una solafase i de compostos ferromagnètics també d’una so la fase. Així,es desenvolupa un material que consisteix en capes alternadesde fase ferroelèctrica amb fase ferromagnètica (figura 1).

b) Nanopilars, partint dels mateixos compostos que en el casanterior. S’arriba a una heteroestructura que consisteix en na-nopilars de fase ferromagnètica sostin guts sobre una matriude fase ferroelèctrica (figura 2).

L’existència de les dues geometries extremes és conseqüènciadels acoblaments en l’estructura entre les dues fases, a causa de la coordinació dels àtoms d’oxigen de la fase ferroelèctrica ambels de la fase ferromagnètica. El fet que es doni el multiferroicen una geometria o en l’altra serà en funció del caràcter de lesdiferents interaccions que tinguin lloc entre les dues fases.

Atès que emprant el mètode anterior cal sintetitzar dos com-postos i aconseguir que hi hagi un acoblament mecànic entreells, sorgeix la possibilitat de sintetitzar un únic compost quepresenti simultàniament un com portament ferroelèctric i fer-romagnètic. En aquest sentit, per tal de sintetitzar materialsmultiferroics, cal tenir en compte determinades limitacions.En primer lloc, la limitació estructural pot donar lloc, o no,tant a la ferroelectricitat com al ferromagnetisme. Per tant,el cristall haurà de pertànyer a algun dels grups puntuals quepermetin alhora la polarització tant elèctrica com magnètica.Els materials que presenten una estructura de tipus perovskita(ABX3) han estat els més estudiants dins d’aquest camp.

Així, doncs, s’ha observat que, per a una estructura de tipusperovskita, és necessari que un catió B presenti una configu-ració electrònica d0 per tal que el material presenti la propie-tat ferroelèctrica. D’altra banda, per tal que existeixi una po-larització d’espín magnètic, és necessari que el metall detransició de la perovskita posseeixi electrons desparellats alsorbitals d o f. Per tant, sembla que totes dues propietats siguinincompatibles. No obstant això, existeixen dos mecanismesdiferents pels quals es poden donar aquestes dues propietatsalhora en una mateixa fase.15,16

En primer lloc, si es manté el metall de transició B amb unaconfiguració electrònica d0, condició necessària perquè siguiferroelèctric, i, a més a més, si s’introdueix un element lantànidque tingui els orbitals f parcialment ocupats en la posició A dela perovskita, es pot afavorir el ferromagnetisme del compost.En segon lloc, si es manté el catió B com l’element que propor-ciona la propietat magnètica del material, la ferroelectricitat espot donar si en la posició A de la perovskita s’introdueix un ele-ment que presenti un parell d’electrons solitaris, ns2 (parellinert). Aquests cations que presenten un parell d’electrons soli-taris poden participar en la formació d’enllaços emprant orbi-tals híbrids sp (normalment, sp2 o sp3), però, en aquests siste-mes, sovint no hi participen. Així, la particular orientació delparell d’electrons inert en els orbitals híbrids pot generar dipolslocals que proporcionen el comportament ferroelèctric.1 Enaquest sentit, els cations Bi3+ i Pb2+ són dos exemples de cations que presenten aquesta característica i que, per tant,poden generar, en una estructura perovskita, la propietat fer-roelèctrica. Així, doncs, existeixen alguns exemples de perovski-tes que presenten aquests elements i que són materials multi-ferroics, com ara el Pb(Fe,Nb)O3 (PFN)11, amb la presència deplom, i el BiMnO317 (BMO) i el BiFeO318 (BFO), amb bismut.

103

FIGURA 1. Esquema de material multiferroic multicapa.

FIGURA 2. Esquema de material multiferroic formant nanopilars.

SCQ_10_12_12 20/09/12 16:19 Página 103

Atesa la toxicitat del plom i atès que la normativa europea derestricció de certes substàncies perilloses (2002/95/CE), o nor-mativa RoHS (restriction of hazardous substances), restringeixl’ús de sis materials perillosos (entre ells, el plom) en la fabri-cació de diversos tipus d’equips elèctrics i electrònics, sónmolts els esforços per intentar sintetitzar materials lliures deplom que presentin efecte magnetoelèctric. Un bon candidatés el BFO.

El compost BiFeO3 (BFO)La perovskita de bismut i ferro, BiFeO3 (BFO), ha suscitat tantinterès pel fet que presenta unes bones propietats tant elèc-triques com magnètiques a temperatura ambient, alhora quepresenta una tempe ratura de Curie ferroelèctrica19 i una tem-peratura de Néel elevades.20

Es pot definir l’estructura del BFO mitjançant una cel·la uni-tat romboèdrica amb un paràmetre de cel·la a = 3,96 Å, un angle romboèdric arh = 0,6º i una simetria R3c (figura 3).

Així, es pot observar clarament com la propietat ferroelèctricave determinada pel llarg desplaçament dels ions de Bi respectedels octaedres [FeO6] en la direcció <111> del romboedre.Aquest desplaçament disminueix a mesura de augmenta latemperatura, de tal manera que presenta una TC= 769 ºC.21

D’altra banda, cal destacar que presenta un mínim local per al’angle romboèdric arh, prop de la temperatura de Néel antifer-romagnètica TN =373 ºC,22 així com una rotació gradual delsoctaedres [FeO6] i un augment de l’angle Fe–O–Fe. Tanmateix,una de les distàncies Bi–Fe presenta també un màxim localprop de la TN. Aquests fets donen com a resultat unes caracte-rístiques força singulars, de tal manera que el BFO presenta un

ordenament antiferromagnètic de tipus G, en el qual els mo-ments magnètics dels cations Fe3+ es troben alineats de formaferromagnètica en un mateix pla, però s’orde nen antiferro-magnèticament en els plans adjacents. Addicionalment, el BFOposseeix una estructura cíclica d’espín en el bulk.23,24

Tal com s’ha pogut comprovar, les propietats magnètiques ielèctriques del BFO depenen directament de les posicions atòmiques dels elements que el formen. D’aquesta manera,sembla obvi de pensar que la introducció d’elements dopantspot fer variar lleugerament les propietats tant elèctriques com magnètiques. En aquest sentit, s’ha observat que al BFOdopat amb lantani es restringeix la formació d’una segonafase no ferroelèctrica, s’hi incrementa la magnetització i s’aconsegueix alliberar el dispositiu de fatiga per processos decommutació.25

D’altra banda, les propietats multiferroiques del BFO són tam-bé atribuïdes a l’efecte de la grandària de l’ió.26 Les substitu-cions a la posició A de la perovskita per ions de radi major(Bi3+ = 1,03 Å, NC = 6) i/o de diferent càrrega generen unamajor distorsió estructural i, per tant, una modificació en lespropietats magnètiques i ferroelèctriques del material. Ambaquest propòsit s’han sintetitzat compostos de BFO dopatsamb Ca,27 Sr,28 Ba29 i Pb.30

Mètodes de síntesi del BFO

Atès el gran interès científic que suscita aquest nou compost,en els últims anys s’ha publicat un gran nombre d’articles quefan referència a la síntesi del BFO. Tanmateix, la seva síntesiés força complexa i, en moltes ocasions, cal combinar diversosmètodes per obtenir un producte prou pur.

El mètode de síntesi per reacció en estat sòlid és potser undels mètodes més emprats en la química de l’estat sòlid. Nor-malment, es parteix dels òxids o carbonats corresponents is’hi apliquen tractaments tèrmics llargs a temperatures eleva-des. També és usual el fet de sinteritzar el producte per tald’obtenir una major densitat del material i per millorar-ne lespropietats. Això no obstant, les temperatures elevades i elstemps llargs en la síntesi fan que aquest mètode sigui pocrendible econòmicament i mediambiental. És per aquest mo-tiu que s’intenten reduir la despesa econòmica i la repercussiómediambiental mitjançant mètodes alternatius amb els qualses redueixi tant la temperatura com el temps de síntesi.

104

Figura 3. Cel·la unitat de tipus romboèdric de la perovskita de BiFeO3.

SCQ_10_12_12 20/09/12 16:19 Página 104

Aquests mètodes s’engloben en els anomenats mètodes dequímica suau, mitjançant els quals, en aquest cas, s’utilitzencom a reactius els nitrats de ferro(III) i bismut, i com a agentquelant, s’utilitzen àcid cítric, àcid tartàric, àcid màlic, àcidoxàlic, etc. El control exhaustiu del pH de la dissolució finalés important, ja que, a pH per sobre de 3, s’observa la precipi-tació d’hidròxid de ferro(III) i s’impedeix la completa comple-xació dels cations.31 Finalment, s’obté un precursor polimèricamb el qual es realitza el tractament tèrmic en condicions detemps i temperatura més suaus que en el cas del mètode ce-ràmic. Amb aquest mètode s’obté, normalment, un producteamb una mida de partícula a escala nanomètrica.

Abans d’iniciar la síntesi de la perovskita de bismut i ferro, tantpel mètode de reacció en estat sòlid com pel mètode de quími-ca suau, cal estudiar el seu diagrama de fases, en el qual es re-presenten els canvis de fase en funció de la temperatura i de laconcentració (figura 4). Tal com es pot observar al diagrama defases reportat per Palai et al.,32 el compost BiFeO3 està repre-sentat només en una línia, fet que pot provocar l’aparició d’al-tres fases riques en ferro(III), com Bi2Fe4O9, o riques en bismut,com Bi25FeO39. Així, és important tenir una especial precaucióen fer la pesada i en homogeneïtzar els compostos de partida.En segon lloc, cal destacar que, a temperatures properes als960 ºC, el compost de bismut i ferro descompon en forma d’òxid de ferro(III) i una fase líquida. D’altra banda, és impor-tant destacar que l’òxid de bismut és força volàtil i que presentaun punt de fusió relativament baix (Tfus = 817 ºC), de maneraque s’han d’evitar les temperatures massa elevades i els tempsde síntesi llargs per tal d’evitar també la pèrdua d’aquest òxiddurant el tractament tèrmic.

Finalment, cal fer notar que, en substituir el bismut per lan-tani o estronci per obtenir els compostos Bi1-xLaxFeO3 i Bi1-xSrxFeO3-x/2, respectivament, els diagrames de fases serandiferents als observats pel sistema Bi2O3–Fe2O3, de tal maneraque s’hauran d’optimitzar de nou les temperatures i els tempsde síntesi.

Tècniques de caracterització

El seguiment de la síntesi d’aquests materials es va dur a ter-me mitjançant la difracció de raigs X (DRX), ja que és una deles tècniques més emprades en la caracterització de materials,atès que permet, d’una ban da, identificar les fases cristal·linespresents a la mostra i, per tant, observar la presència o l’ab-sència d’impu reses a la mostra i, d’altra banda, analitzar lesseves propietats estructurals sense destruir-la.

Després d’optimitzar les condicions de síntesi tant per reaccióen estat sòlid com per química suau, s’analitzaren els diagra-mes de difracció obtinguts per a cada composició i mètode desíntesi emprat. D’aquesta manera, es van poder determinar lespropietats estructurals de cada material. A tall d’exemple, a lafigura 5 es mostren els diagrames de difracció de raigs X deles mostres BiFeO3, Bi0,85La0,15FeO3 i Bi0,8Sr0,25FeO2,875, així comels índexs de Miller, la simetria i els paràmetres de cel·la.

Una altra tècnica important en la caracterització dels mate-rials és la microscòpia electrònica de rastreig (MER), ja que ésuna tècnica força versàtil que permet estudiar la textura, latopografia i la morfologia.

105FIGURA 4. Diagrama de fases de Bi2O3 i Fe2O3.

Figura 5. Diagrames de difracció de raigs X corresponents a les mostres BiFeO3,

Bi0,85La0,15FeO3, Bi0,75Sr0,25FeO2,875.

SCQ_10_12_12 20/09/12 16:19 Página 105

La figura 6 mostra imatges de les diferents mostres en lesquals es pot apreciar clarament com tant la composició comel mètode de síntesi emprat modifiquen notablement les ca-racterístiques morfològiques i estruc turals d’aquests mate-rials. Les mostres de BiFeO3 i Bi0,75Sr0,25FeO2,875 sintetitzadesmitjançant el mètode de química suau presenten grans rec-tangulars i ben definits, tot i que, en el cas del BiFeO3, la midadel gra és significativament major. En canvi, en el cas delBi0,75Sr0,25FeO2,875 sintetitzat mitjançant el mètode de reaccióen estat sòlid, hi ha aglomerats de grans arrodonits i poc definits.

ConclusióTal com s’ha pogut constatar, existeix un notable interès enels materials multiferroics no només pel que fa a les sevesaplicacions en dispositius per a l’emmagat zematge d’informa-ció, sinó també des del punt de vista de la física fonamental.En aquests materials, el tipus d’estructura, la posició delsàtoms que conformen la cel·la unitat i el seu caràcter són clau per donar lloc a noves propietats, com l’efecte magne-toelèctric.

La síntesi del BiFeO3 és força complexa, ja que evitar la pre-sència de fases secundàries esdevé un repte difícil a assolir.Això no obstant, s’ha aconseguit obtenir una única fase tantper al BiFeO3 com per als seus derivats mitjançant dos mèto-des de síntesi diferents emprant temperatures de síntesi nosuperiors als 850 ºC i temps curts.

Mitjançant les tècniques de caracterització habituals en laquímica de l’estat sòlid i de materials, s’ha pogut comprovarcom tant la composició com el mètode emprat en la síntesimodifiquen la morfologia del material i, per tant, cal esperaruna resposta elèctrica diferent en cada cas.

Així, doncs, s’ha aconseguit obtenir materials que presentenles característiques tant estructurals com de composicióadients com per presentar l’efecte magneto elèctric i ser, pertant, materials multiferroics. Finalment, cal destacar la im-portància de la química de l’estat sòlid en l’actualitat, ja quenombrosos dispositius electrònics que s’empren actualment,com les memòries RAM o les bateries de liti, són el fruit d’una severa i constant investigació en aquesta àrea de laquímica.

Referències[1] Spaldin, N. A.; Pickett, W. E. Journal of Solid State Chemis-try 2003, 176, 615.[2] Röntgen, W. C. Ann. Phys. Chem. 1888, 35, 264.[3] Wilson, H. A. Phil. Trans. R. Soc. A 1905, 204, 129.[4] Curie, P. J. Physique 1894, 3, 393.[5] Debye, P. Z. Phys. 1926, 36, 300.[6] Dzyaloshinskii, I. E. Sov. Phys.-JETP 1959, 10, 628.[7] Al’shin, B. I.; Astrov, D. N. Sov. Phys.-JETP 1963, 17, 809.[8] Rado, G. T. Phys. Rev. Lett. 1964, 13, 335.[9] Ascher, E.; Rieder, H.; Schmid, H.; Stössel, H. J. Appl. Phys.1966, 37, 1404.[10] Santoro, R. P.; Segal, D. J.; Newnham, R. E. J. Phys. Chem.Solids 1966, 27, 1192.[11] Watanabe, T.; Kohn, K. Phase Trans. 1989, 15, 57.[12] Boomgaard, J. V. D.; Born, R. A. J. J. Mater. Sci. 1978, 13,1538.[13] Boomgaard, J. V. D.; Vanrun, A. M. J. G.; Suchtelen, J. V.Ferroelectrics 1976, 10, 295.[14] Zheng, H.; Wang, J.; Lofland, S. E.; Ma, Z.; Mohaddes-Ar-dabili, L.; Zhao, T.; Salamanca-Riba, L.; Shinde, S. R.; Ogale, S.B.; Bai, F.; Viehland, D.; Jia, Y.; Schlom, D. G.; Wuttig, M.; Royt-burd, A.; Ramesh, R. Science 2004, 303, 661. [15] Khomskii, D. I. Journal of Magn. & Magnetic Materials2006, 306, 1.[16] Hill, N. A.; Seshadri, R. Chem. Matter. 2001, 13, 2892.[17] Kadomtseva, A. M.; Zvezdin, A. K.; Popov, Yu. F.; Pyatakov,A. P.; Vorob’ev, G. P. JETP Lett. 2004, 79, 571. [18] Chu, Y. H.; Martin, L. W.; Zhan, Q.; Yang, P. L.; Cruz, M. P.;Lee, K.; Barry, M.; Yang, S. Y.; Ramesh, R. Ferroelectrics, 2007,354, 167.[19] Catalan, G.; Scott, J. F. Adv. Mater. 2009, 21, 2463.[20] Smolenskii, G. A.; Isupov, V. A.; Krainik, N. N.; Agranovs-kaya, A. I. Sov. Phys. Solid State 1961, 25, 1333.106

FIGURA 6. Imatges MER de les mostres: a) BiFeO3, b) Bi0,75Sr0,25FeO2,875 obtinguts mitjan-

çant mètode de química suau i c) Bi0,75Sr0,25FeO2,875 sintetitzat per reacció en estat sòlid.

SCQ_10_12_12 20/09/12 16:19 Página 106

[21] Fischer, P.; Polomska, M.; Sosnowska, I.; Szymanski, M. J. Phys. C: Solid State Phys. 1980, 13, 1931. [22] Selbach, S. M.; Einarsrud, M.-A.; Grande, T. Chem. Mater.2009, 21, 169.[23] Valant, M.; Axelsson, A.-K.; Alford, N. Chem. Mater. 2007,19, 5431.[24] Bea, H.; Bibes, M.; Fusil, S.; Bouzehouane, K.; Jacquet, E.;Rode, K.; Bencok, P.; Barthelemy, A. Phys. Rev. B. 2006, 74,20101.[25] Ostos, C.; Raymond, O.; Suárez-Almodóvar, N.; Bueno-Baqués, D.; Mestres, L.; Siqueiros, J. M. J. Appl. Phys. 2011,110, 024114.[26] Reyes, A.; Vega, C.; Fuentes, M. E.; Fuentes, L. J. Eur. Ceram. Soc. 2007, 27, 3709 [27] Murashov, V. A.; Rakov, D. N.; Ionov, V. M.; Dubenko, I. S.;Titov, Y. V.; Gorelik, V. S. Ferroelectrics 1994, 162, 359.[28] Popov Yu, U.; Kadomtseva, A. M.; Vorob’ev, G. P.; Zvezdin,A. K. Ferroelectrics 1994, 162, 483.[29] Sosnowska, I.; Peterlin-Neumaier, T.; Steichele, E. J. Phys.C 1982, 15, 4835.

[30] Petrov, P. K.; Palkar, V. R.; Tagantsev, A. K.; Chien, H.-I.;Prashanthi, K.; Axelsson, A.-K.; Bhattacharya, S.; Alford, N.J. Mater. Res. 2007, 22, 2179.[31] Mishra, R. K.; Pradhan, D. K.; Choudhary, R. N. P.; Baner-jee, A. J. Phys. Condens. Matter. 2008, 20, 45218.[32] Kothari, D.; Reddy, V. R.; Gupta, A.; Sathe, V.; Banerjee, A.;Gupta, S. M.; Awasthi, A. M. Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 202505.[33] Li, M.; Ning, M.; Ma, Y.; Wu, Q.; Ong, C. K. J. Phys. D: Appl.Phys. 2007, 40, 1603.[34] Khomchenko, V. A.; Kiselev, D. A.; Selezneva, E. K.; Vieira,J. M.; Lopes, A. M. L.; Pogorelov, Y. G.; Araujo, J. P.; Kholkin, A.L. Mat. Lett. 2008, 62, 1927.[35] Khomchenko, V. A.; Kiselev, D. A.; Vieira, J. M.; Jian, L.;Kholkin, A. L.; Lopes, A. M. L.; Pogorelov, Y. G.; Araujo, J. P.;Maglione, M. J. Appl. Phys. 2008, 103, 024105.[36] Selbach, S. M.; Einarsrud, M.-A.; Tybell, T.; Grande, T.J. Am. Ceram. Soc. 2007, 90, 3430. [37] Palai, R; Katiyar, R. S.; Schmid, H.; Tissot, P.; Clark, S. J.;Robertson, J.; Redfern, S. A. T.; Catalan, G.; Scott, J. F. PhysicalReview B 2008, 77, 014110.

107

Xavier Vendrell és llicenciat en química per la Universitat de Barcelona. Forma part del grup Química de l’Estat Sòlid i delDepartament de Química Inorgànica de la Universitat de Barcelona, on actualment és professor ajudant i on està realitzantuna tesi doctoral en ciència i tecnologia dels materials.

Lourdes Mestres és doctora en química per la Universitat de Barcelona i professora titular d’aquesta mateixa Universitat alDepartament de Química Inorgànica. La seva recerca dins el grup Química de l’Estat Sòlid se centra en la síntesi de nous ma-terials multifuncionals, la preparació de pel·lícules primes i l’estudi de les serves propietats per avaluar-ne l’aplicació en dis-positius electrònics.

X. Vendrell L. Mestres

SCQ_10_12_12 20/09/12 16:19 Página 107

SCQ_10_12_12 20/09/12 16:19 Página 108

Revista de la Societat Catalana de

Química

10 / 2011

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

URL: http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ ISSN: 1576-8961 (ed. impr.) ISSN: 2013-9853 (ed. electr.)

C

M

Y

CM

MY

CY

CMY

K

Portada SCQ 10-2011_llom 7mm.pdf 1 03/10/12 09:03

revista de la societat catalana de quimica

Documents