56 A análise quantitativa das interações intermoleculares é um dos pontos de maior importância em química supramolecular, uma vez que possibilita avaliar a força das interações entre duas ou mais espécies (recetor (Host) e substrato (Guest)). Essas interações entre as espécies podem ser de vários tipos, (capítulo 1, pag. 2) podendo ser descrita como um equilíbrio entre as espécies livres (substrato e recetor) e a espécie supramolecular (HG) formada (Figura 3.1). É necessário salientar que substrato é um termo geral utilizado para descrever a espécie que interatua com o recetor independentemente da sua natureza química (catião, anião ou molécula neutra). Desse modo, neste capítulo a palavra substrato é utilizada apenas com o objetivo de referenciar espécies aniónicas que foram utilizadas no estudo dos recetores sintetizados
Figura 3.2 – Equilíbrio da interação entre substrato (Guest) e recetor (Host).
Devido a ser considerado um equilíbrio, as interações recetor-anião são quantificadas segundo um valor de contante de associação Ka (equação 1).[78]
𝐾𝑎= [𝐻𝐺]
[𝐻][𝐺] 𝑒𝑞 (1)
A equação 1, representa o caso da formação de uma espécie supramolecular com a estequiometria (1:1), ou seja, sistemas no qual uma molécula de recetor interatua com uma molécula de anião. Quando existem sistemas do tipo 1:2 ou 2:1 o equilíbrio em solução é dado pelas equações 2 e 3 sendo utilizada a mesma lógica para sistemas mais complexos.[78] É de notar que quanto maior for a
interação entre o recetor e o anião maior será a constante de associação Ka entre ambos.
𝐾𝑎1= [𝐻𝐺] [𝐻][𝐺] 𝑒 𝐾𝑎2= [𝐻𝐺2] [𝐻][𝐻𝐺] 𝑒𝑞 (2) 𝐾𝑎1= [𝐻𝐺] [𝐻][𝐺] 𝑒 𝐾𝑎2= [𝐻2𝐺] [𝐺][𝐻𝐺] 𝑒𝑞 (3)
Devido às informações fornecidas, aliada a facilidade de execução, as titulações espetroscópicas em química supramolecular são das experiências mais utilizadas para a determinação das contantes de associação. Estas experiências consistem em adições sucessivas de uma solução de substrato (G), de concentração conhecida, a um determinado volume de recetor, também este com concentração conhecida ([H]0). Essas adições, proporcionam a formação do complexo HG alterando assim as
propriedades físicas no seio da solução, podendo estas ser medidas espetroscopicamente. Dependendo das propriedades físicas alteradas, diferentes técnicas espetroscópicas podem ser utilizadas tais como: RMN, UV-vis e fluorescência.[78]
Neste trabalho foram realizadas titulações por 1H RMN. Essas consistem no registo da variação de
desvio químico (Δδ) dos protões do recetor após cada adição de anião. Este tipo de titulação é das mais usadas devido às várias informações estruturais que fornece, nomeadamente no conhecimento do sítio do recetor onde ocorre a interação com o substrato e, no caso específico de ocorrer desprotonação esta
57 poder ser rapidamente identificada por 1H RMN através do desaparecimento do sinal do protão do
recetor.
É necessário ter em atenção que numa titulação por 1H RMN, o valor de δ de cada sinal observado no
espetro, após cada adição do anião, traduz-se normalmente num valor “médio” entre o δ dos protões do recetor livre e o δ dos protões da espécie supramolecular. Isso deve-se ao tempo de relaxamento da técnica, não se observando normalmente os valores de δ dos protões do recetor e da espécie supramolecular simultaneamente no espetro. O ponto final de uma titulação por RMN é, portanto, dependente do valor da constante de associação (Ka), observando-se no caso de constantes Ka > 300 M- 1 um equilíbrio deslocado no sentido da formação da espécie supramolecular traduzindo-se na
estabilização da espécie em solução e dos valores de Δδ na curva de titulação (formação de um patamar na curva de titulação). Para constantes inferiores a Ka < 300 M-1 não existe um deslocamento evidente
do equilíbrio no sentido da formação da espécie supramolecular, apenas é observado uma alteração no comportamento da curva não se atingindo o patamar. As constantes de associação, dependem fortemente do tipo de solvente em que as titulações são realizadas. Solventes próticos como é o caso do metanol e água, presente no DMSO, provocam uma competição com o anião pela interação com o recetor provocando a diminuição da contante de associação Ka. A competição entre o solvente e o anião pode
ser minimizada através da utilização de solventes apróticos, como o acetonitrilo, ou solventes apolares como o clorofórmio. O DMSO, por questões de solubilidade é o solvente mais utilizado nas titulações de RMN, no entanto o solvente interatua com os recetores competindo com o anião o que se traduz normalmente em constantes de associação mais baixas do que utilizando solventes apróticos ou apolares como já referido.
Recorrentemente os valores das constantes de associação são expressos em valores de Ka no entanto
podem ser também expressos em log (Ka).
Neste capítulo são apresentadas indicadas as titulações de novos recetores sintetizados dos quais nove diureias (96-101, 124-126) e quatro ditioureias (102-104, 127) com aniões halogeneto e oxoaniões (Figura 3.2).
Figura 3.2 – Aniões utilizados nas titulações por RMN.
Todos os recetores foram titulados com o anião cloreto sendo os outros halogenetos e oxoaniões titulados apenas com alguns recetores. A titulação dos recetores com os outros halogenetos e oxianiões serviu como um estudo inicial para avaliar a afinidade destas moléculas com diferentes aniões. É de salientar que as soluções de anião foram preparadas através de sais de tetrabutilamónio. A utilização destes sais orgânicos deveu-se á sua solubilidade em DMSO e ao tamanho do catião.
As titulações foram feitas em DMSO-d6 a 293,15 ± 0,20 K, devido à baixa solubilidade dos recetores noutros solventes deuterados.
A adição da solução de anião foi efetuada até se observar uma mudança clara no comportamento da curva de titulação, tendo-se adicionado no máximo 32 equivalentes de anião à solução do recetor.
58 As curvas de titulação foram traçadas tendo em conta os sinais de protão dos grupos ureia e tioureia devido a serem os protões que maior deslocamento sofreram no decorrer da titulação. Assim conclui-se que o sítio de interação da molécula com o anião é nos NH’s dos grupos ureia e tioureia do recetor, interatuando com o anião por ligações de hidrogénio. Posteriormente à obtenção das curvas de titulação procedeu-se ao refinamento dos dados obtidos com o auxílio do programa HypNMR 2008 [79]
de modo a determinar as constantes de associação, Ka, dos recetores estudados com os aniões
mencionados.
3.1 Titulações com o anião cloreto
Na Tabela 3.1 são apresentadas as concentrações das soluções de recetores e de cloreto utilizadas nas titulações sendo indicada na tabela 3.2 os valores de constante de associação de cada um dos recetores com o anião.
Tabela 3.1 – Concentrações das soluções de recetor e cloreto utilizadas nas titulações.
Recetor Concentração recetor [M] Concentração cloreto [M] 96 9 x 10-3 606 x 10-3 97 6 x 10-3 296 x 10-3 98 6 x 10-3 607 x 10-3 99 10 x 10-3 850 x 10-3 100 11 x 10-3 590 x 10-3 101 9 x 10-3 819 x 10-3 102 8 x 10-3 363 x 10-3 103 7 x 10-3 607 x 10-3 104 8 x 10-3 616 x 10-3 124 6 x 10-3 296 x 10-3 125 8 x 10-3 363 x 10-3 126 7 x 10-3 296 x 10-3 127 9 x 10-3 819 x 10-3
Tabela 3.2 – Valores de constante de associação dos recetores com o anião cloreto em DMSO-d6.
Recetor Constante de Associação [M-1]
Ureia 96 25,53 97 22,13 98 27,16 99 58,88 100 38,99 101 43,85 Tioureia 102 14,15 103 36,39 104 30,48 Ureia 124 37,67 125 38,28 126 27,54 Tioureia 127 15,14
59 Variação dos substituintes aromáticos (recetores 96-101)
Em primeiro lugar avaliou-se as propriedades de reconhecimento aniónico dos recetores bisureias
(96-99) devido á sua semelhança estrutural. Estes recetores distinguem-se pelo tipo de anel aromático
periférico, benzilo, furfurilo, tienilmetilo e tienilo onde nos recetores (96-98), os anéis aromáticos periféricos encontram-se separados dos NH’s exteriores (H6) por grupos metileno. Daqui em diante
apenas serão referidos os protões dos grupos ureia (H4 e H6) devido a terem sido os protões seguidos
durante a titulação dos recetores. Assim, a notação NH’s internos refere-se sempre aos H4 e NH’s
externos aos H6 de cada recetor.
Na figura 3.3 é indicado a título de exemplo os espetros referentes à titulação do recetor (96) onde é possível observar o deslocamento dos protões do recetor após a adição dos equivalentes de cloreto.
Figura 3.3 – Espetros de 1H RMN adquiridos ao longo da titulação do recetor (96) com o anião cloreto.
No decorrer da titulação, e como se pode ver na figura 3.4, os NH’s internos dos recetores (96-