Derivati Ai Ciclodextrinelor Utilizati In Monitorizarea Calitatii Mediului

Diverse

Derivati Ai Ciclodextrinelor Utilizati In Monitorizarea Calitatii Mediului

Byadmin ianuarie 1, 2024

BIBLIOGRAFIE

DUCHENE, D.: „New trends in cyclodextrins and derivates”, Editions de Santé, Paris 1991.

STEED, W.-J.; ATWOOD, L.-J.: „[NUME_REDACTAT] – a concise introduction”, [NUME_REDACTAT], Chichester 2000.

GRIGORIU, A.-M.; LUCA, C.: „Noi aplicații ale ciclodextrinelor în industria textilă”, Performantica, Iași 2010.

ASTRAY, G.; GONZALEZ-BARREIRO, C.; MEJUTO, J.-C.; RIAL-OTERO, R.; SIMAL-GA´NDARA, J.: „A review on the use of cyclodextrins in foods”, [NUME_REDACTAT], Vol. 23, pp. 1631–1640, 2009.

BREWSTER, M.-E.; LOFTSSON, T.: „Cyclodextrins as pharmaceutical solubilizers”, [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT], Vol. 59, pp. 645–666, 2007.

SZENTE, L.; CYCLOLAB Ltd., 15th [NUME_REDACTAT] Symposium, Vienna 2010.

SZEJTLI, J.: „Past, present, and future of cyclodextrin research”, [NUME_REDACTAT].Chem., Vol. 76, No. 10, pp. 1825–1845, 2004.

SZEJTLI, J.: „Utilization of cyclodextrins in industrial products and processes”, J. Mater. Chem., Vol. 7, No. 4 , pp. 575–587, 1997.

SURPATEANU, M.: „Elemente de chimia mediului”, Editura MATRIX ROM, București 2004.

HULANICKI, A.; GEAB, S.; INGMAN, F.: „[NUME_REDACTAT] Definitions and Classification”, Pure&App. Chem., Vol. 63, No. 9, pp. 1247-1250, 1991.

UENO, A.: „Review: fluorescent cyclodextrins for molecule sensing”, [NUME_REDACTAT] Vol. 3, No. 3, pp. l-36, 1996.

JURSIC, S.-B.; ZDRAVKOVSKI, Z.; FRENCH, A.-D.: „Molecular modeling methodology of β-cyclodextrin inclusion complexes”, Journal of [NUME_REDACTAT] 366, pp. 113-117, 1996.

DELATTRE, F.; WOISEL, P.; SURPATEANU, G.; BRIA, M.; CAZIER, F.; DECOCK, P.: „1,3-Dipolar cycloaddition reaction of bipyridinium ylides with the propynamido-b-cyclodextrin. A regiospecific synthesis of a new class of fluorescent b-cyclodextrins”, Tetrahedron, Vol. 60, pp. 1557–1562, 2004.

OGOSHI, T.; HARADA, A.: „[NUME_REDACTAT] Based on [NUME_REDACTAT]”, Sensors, Vol. 8, pp. 4961-4982, 2008.

LUNGU, N.-C.; DEPRET, A.; DELATTRE, F.; SURPATEANU, G.-G.; CAZIER, F.; WOISEL, P.; SHIRALI, P.; SURPATEANU, G.: „Synthesis of a new fluorinated fluorescent b-cyclodextrin sensor”, Journal of [NUME_REDACTAT], Vol 126, pp. 385–388, 2005.

SURPATEANU, G.-G.; BECUWE, M.; LUNGU, N.-C.; DRON, P.-I.; FOURMENTIN, S.; LANDY, D.; SURPATEANU, G.: „Photochemical behaviour upon the inclusion for some volatile organic compounds in new fluorescent indolizine -cyclodextrin sensors”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, Vol. 185, pp. 312–320, 2007.

BECUWE, M.; LANDY, D.; DELATTRE, F.; CAZIER, F.; FOURMENTIN, S: „[NUME_REDACTAT]-b-[NUME_REDACTAT] for the Detection of [NUME_REDACTAT] Compounds”, Sensors, Vol. 8, pp. 3689-3705, 2008.

SURPATEANU, G.; FOURMENTIN, S.; LANDY, D.; SURPATEANU, G.-G.; DECOCK, P.: „Cyclodextrin derivates used in the detection and the remediation of [NUME_REDACTAT] Compounds”, Trends in [NUME_REDACTAT], Vol. 11, pp.63-79, 2006.

CUPRINS

[NUME_REDACTAT] I. Generalitǎți ale ciclodextrinelor

I.1. Sinteza ciclodextrinelor

I.2. Nomenclatura și structura ciclodextrinelor

I.3. Proprietǎțile ciclodextrinelor

I.4. Compuși de incluziune ai ciclodextrinelor

I.5. Aspecte toxicologice ale ciclodextrinelor

I.6. Utilizǎrile ciclodextrinelor

I.7. Concluzii privind viitorul ciclodextrinelor

Capitolul II. Implicarea compușilor organici în reacții chimice ale atmosferei

II.1.Transformǎri ale poluanților în atmosferǎ

II.2.Reacții inițiate de radicalii OH

II.3. Implicarea oxizilor de azot în reacțiile chimice din atmosferǎ. Ceața fotochimicǎ oxidantǎ.

II.4. Reacții inițiate de ozon. Subțierea stratului de ozon atmosferic

Capitolul III. Derivați de indolizin-β-ciclodextrine fluorescente pentru detecția [NUME_REDACTAT] Volatili

III.1 Sinteza și studiul conformațional al derivaților de indolizin-β-ciclodextrină

III.2 Determinarea constantelor de formare

III.3 Determinarea factorilor de sensibilitate

III.4 Modelare molecularǎ

CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

Derivați ai ciclodextrinelor utilizați în monitorizarea calitǎții mediului

CUPRINS

[NUME_REDACTAT] I. Generalitǎți ale ciclodextrinelor

I.1. Sinteza ciclodextrinelor

I.2. Nomenclatura și structura ciclodextrinelor

I.3. Proprietǎțile ciclodextrinelor

I.4. Compuși de incluziune ai ciclodextrinelor

I.5. Aspecte toxicologice ale ciclodextrinelor

I.6. Utilizǎrile ciclodextrinelor

I.7. Concluzii privind viitorul ciclodextrinelor

Capitolul II. Implicarea compușilor organici în reacții chimice ale atmosferei

II.1.Transformǎri ale poluanților în atmosferǎ

II.2.Reacții inițiate de radicalii OH

II.3. Implicarea oxizilor de azot în reacțiile chimice din atmosferǎ. Ceața fotochimicǎ oxidantǎ.

II.4. Reacții inițiate de ozon. Subțierea stratului de ozon atmosferic

Capitolul III. Derivați de indolizin-β-ciclodextrine fluorescente pentru detecția [NUME_REDACTAT] Volatili

III.1 Sinteza și studiul conformațional al derivaților de indolizin-β-ciclodextrină

III.2 Determinarea constantelor de formare

III.3 Determinarea factorilor de sensibilitate

III.4 Modelare molecularǎ

CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

[NUME_REDACTAT] mai bine de un secol de la descoperirea lor, ciclodextrinele sunt printre moleculele gazdă cel mai frecvent utilizate în chimia supramoleculară, având o largă aplicabilitate în industria chimică, farmaceutică, cosmetică, în tehnologia alimentară, agricultură, zootehnie etc. Principalele lor avantaje sunt:

accesibilitatea și capacitatea de regenerare naturală continuă a materiei prime (amidon);

obținerea ecologică relativ simplă, la un cost acceptabil ;

posibilități multiple de sinteză a unor compuși de incluziune și a unor derivați pe bază de CD, având toxicitate minimă.

Toate aceste caracteristici ale ciclodextrinelor sunt prezentate în primul capitolul al acestei lucrǎri, Generalitǎți ale ciclodextrinelor.

Istoria de mai bine de o sută de ani a ciclodextrinelor (CD) este una destul de neobișnuită și a parcurs 3 etape:

a) perioada descoperirilor (1891-1930)

În 1891, Villiers a detectat, printre compușii de degradare bacteriană a amidonului, două substanțe cristaline pe care le-a numit “celulozine” (erau asemănătoare celulozei în ceea ce privește rezistența la hidroliză acidă). Studiind microorganismele termorezistente, Schardinger a remarcat că celulozinele sunt dextrine rezultate prin hidroliza enzimatică a amidonului în prezența Bacillus macerans.

În următorii 30 de ani un rol important în cercetările privind CD l-a avut Pringsheim, lui revenindu-i și meritul de a fi semnalat capacitatea acestora de a forma compuși de incluziune cu diferite substanțe organice.

b) studii sistematice asupra CD și compușilor lor de incluziune (1930-1970)

Enzima din Bacillus macerans, responsabilă de producerea CD, a fost izolată în 1938 de către Freudenberg și Meyer-Delius, iar în 1948 Freudenberg și Cramer au elucidat structurile principalilor compuși ciclici, α-, β- și y-CD.

Prima sinteză de literatură, consacrată CD a fost publicată în 1957 de către French. Deși excelentă, lucrarea conținea informații greșite privind presupusa toxicitate a CD și, ca urmare, a întârziat cu 25 de ani utilizarea acestora în produse destinate consumului uman.

c) producerea industrialǎ și utilizǎrile ciclodextrinelor (1970 pânǎ în prezent)

Au fost izolate tot mai multe organisme producătoare de ciclodextrin-glicoziltransferază. După studii toxicologice adecvate care au dovedit lipsa de nocivitate a CD, a crescut numărul companiilor producătoare de CD și astfel a scăzut costul produsului-cheie, β-ciclodextrina, de la 2000 $/kg la câțiva $/kg. De asemenea, a crescut numărul publicațiilor legate de CD, încât la începutul anului 2012 cu o simpla cautare a cuvantului ciclodextrinǎ gǎsim peste 29.000 de articole în acest sens.

Primul simpozion internațional privind CD a fost organizat în 1981 iar din 1984 un astfel de simpozion are loc o dată la 2 ani, anul acesta, in luna mai, organizandu-se cel de-al XVI-lea astfel de simpozion, la [NUME_REDACTAT], Tianjin, China.

Concomitent cu diversificarea tipurilor de produse, se impun în cercetare o serie de cerințe: proprietăți fizico-chimice prestabilite și reproductibile, corelate cu domeniul de aplicație, condiții blânde și nepoluante de prelucrare, consumuri energetice reduse, diminuarea cantitativă a deșeurilor.

Scopul acestei lucrǎri este de a sintetiza informațiile prezente în literatura de specialitate într-un domeniu care este încǎ la început; aplicații ale ciclodextrinelor în protecția mediului.

Având acest obiectiv în vedere, s-a considerat necesarǎ prezentarea unor elemente de chimia mediului, în capitolul II, în special reacțiile chimice în atmosfera joasǎ favorizate de poluare.

În ultimul capitol sunt prezentate sinteza și caracterizarea unor senzori cu proprietǎți fluorescente având β-ciclodextrina în calitate de componentǎ captoare, iar diversele resturi de indolizinǎ ca elemente de indicare.

Capitolul I. Generalitǎți ale ciclodextrinelor

I.1. Sinteza ciclodextrinelor

Ciclodextrinele (CD) se obțin prin hidroliza enzimaticǎ a amidonului în prezența ciclodextrin-glicozil-transferazei (CGT-azǎ, E.C.2.4.1.19.), produsǎ de numeroase microorganism (Bacillus macerans, Klebsiella oxytoca, Bacillus stearothermophilus, Bacillus circulans, alkalophilic Bacillaceae, Bacillus megaterium etc.). În prezent, odatǎ cu evoluția enzimologie, s-au putut obține enzime care prin specificitatea lor duc la un singur produs de reacție (figura I.1).

Figura I.1 Diferența între sinteza naturalǎ și cea industrialǎ.

Prepararea CD are loc în douǎ faze: într-o primǎ etapǎ amidonul parțial prehidrolizat este tratat cu enzima CGT-azǎ, conducând la un amestec de α-, β- și y-CD alǎturi de o serie de dextrine liniare. În cea de a doua fazǎ se realizeazǎ separarea produșilor ciclici și liniari ai degradǎrii enzimatice a amidonului. Cea mai simplǎ metodǎ pentru separarea α-, β- și y-CD din amestecul de reacție este precipitarea selectivǎ prin formarea compușilor de incluziune cu o moleculǎ oaspete corespunzǎtoare (de exemplu α-CD cristalizeazǎ prin adǎugare de ciclohexan, 1-decanol; β-CD este separatǎ prin formarea unui complex cu fluorbenzenul sau toluenul; y-CD se separǎ cu ajutorul antracenului, ciclohexadecenolului). Precipitatul este ușor îndepǎrtat prin centrifugare și apoi separat de agentul de complexare.

O altǎ metodǎ de separare este cea prin cromatografie, ce are capacitatea de a separa în funcție de timpul de retenție, ciclodextrine cu un numar foarte mare de unitǎți α-D(+)-glucopiranozice (figura I.2).

Figura I.2 Cromatogramǎ HPAEC-PAD ([NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] Chromatography with [NUME_REDACTAT] Detection).

I.2. Nomenclatura și structura ciclodextrinelor

Ciclodextrinele (denumite și dextrine Schardinger, cicloglucozǎ, cicloamilozǎ, ciclogluco-amilozǎ) sunt oligozaharide ciclice, nereducǎtoare, alcǎtuite din 6 pânǎ la 12 (ajungând chiar pânǎ la 115) unitǎți α-D(+)-glucopiranozice legate α-1,4-glicozidic (figura.I.3)

Figura I.3 Structura chimică a unei unități glucopiranozice.

În prezența glicozil-transferazei, macromolecula elicoidalǎ a amidonului se scindeazǎ hidrolitic, iar capetele fragmentelor astfel formate se unesc prin legǎturi α-1,4-glicozidice. Întrucât enzima nu prezintǎ specificitate, se obțin cicluri cu numǎr diferit de unitǎți glucozice. Din cauza împiedicǎrilor sterice și a preferințelor conformaționale nu s-au obținut ciclodextrine cu mai puțin de 6 unitǎți glucopiranozice în ciclu. În cantitatea cea mai mare si obțin α-, β- și y-CD cu 6, 7 și respective 8 resturi glucozice; ele se mai numesc ciclohexa-, ciclohepta- și ciclooctaamilozǎ sau C6A, C7A și C8A (figura I.4). Au mai fost studiate δ-CD (sau C9A), ε-CD (C10A), ι-CD (C14A) și C26A. Sunt semnalate în literaturǎ și CD cu mai mult de 100 unitǎți glucozice.

Figura I.4 Structura chimică ciclodextrinelor α, β și y.

Structura CD prezintǎ o serie de particularitǎți:

conformația clasicǎ ’’scaun’’ C1 a resturilor rigide de α-D-glucopiranozǎ;

distribuția specificǎ a grupelor hidrofile și hidrofobe: privite din lateral, CD au formǎ de trunchi de con, gol în interior (figura I.5), fiind descrise frecvent ca macrocicluri toroidale. Grupǎrile secundare O(2)H și O(3)H sunt situate pe baza mare iar grupǎrile primare O(6)H sunt situate pe baza micǎ a trunchiului de con. Prezența grupǎrilor hidroxilice la ambele baze ale trunchiului de con conferǎ CD o bunǎ solubilitate în soluție apoasǎ. Interiorul cavitǎții CD este hidrofob (este cǎptușit cu atomii de hidrogen ai grupǎrilor C(3)H și C(5)H, precum și cu atomii de oxigen glicozidici O(4)). Ca urmare, aceste cavitǎți formeazǎ în soluție o matrice hidrofobǎ într-o ambianțǎ hidrofilǎ, descrisǎ în literatura de specialitate ca ’’împrejmuire microeterogenǎ’’;

Figura I.5 Distribuția grupelor hidroxilice primare și secundare.

orientarea grupelor hidroxilice: grupǎrile secundare, atașate direct de inelul glucopiranozic, sunt rigide, în schimb cele primare, O(6)H, se pot roti în jurul legǎturilor C(5)-C(6), adoptând orientarea (-) sau (+) gauche (figura I.6). Forma (-) gauche, cea mai larg raspânditǎ, are grupa O(6)H îndreptatǎ spre exteriorul cavitǎții. Forma (+) gauche, cu gruparea O(6)H orientatǎ spre centrul cavitǎții, se întâlnește doar atunci când cerințele de împachetare a moleculelor din rețeaua compusului de incluziune o necesitǎ sau dacǎ se formeazǎ o legǎturǎ de hidrogen cu oaspetele inclus;

Figura I.6 Conformația unității de glucoză cu O(6)H în orientare (–) gauche(a) și (+) gauche(b)

forma cavitǎții CD nu este cilindricǎ ci ușor tronconicǎ; diametrul cavitǎților depinde de numǎrul unitǎților de glucozǎ, iar înǎlțimea macrociclului rǎmâne constantǎ;

existența unui ciclu al legǎturilor de hidrogen între grupele O(2)H și O(3)H ale unitǎților de glucozǎ adiacente, care stabilizeazǎ forma moleculei și influențeazǎ semnificativ solubilitatea acesteia în apǎ.

Figura I.7 Caracteristici structurale ale α, β și y-ciclodextrinelor.

I.3. Proprietǎțile ciclodextrinelor

Cele mai importante proprietǎți fizice precum și dimensiunile moleculare ale CD sunt sintetizate în Tabelul I.1. Datoritǎ prezenței atomilor de carbon asimetrici, CD manifestǎ activitate opticǎ.

Tabel I.1. Proprietăți fizico-chimice ale ciclodextrinelor

Studiul proprietǎților ciclodextrinelor, ale derivaților și ale complcșilor acestora, este un domeniu provocator pentru chimia soluțiilor: la prima vedere, pare să fie surprinzător că β-CD este mai puțin solubilă (la 25°C, în apă 18.5 g/L), α-CD este mai solubilă (145 g/L), și y-CD atinge cea mai mare solubilitatea (232 g/L). O soluție, chiar și proaspăt preparatǎ de y-CD, mult sub nivelul de saturație, întotdeauna devine tulbure, după câteva ore sau zile. Atașând cațiva substituenții hidrofobi la β-CD slab solubilă, solubilitatea crește nelimitat. Atașarea simetricǎ de grupe metil, de exemplu, în heptakis (2,6-di-O-metil)-β-CD acest derivat este solubil în apă rece, dar cu creșterea temperaturii solubilitatea scade rapid, și peste 60 °C, substanța poate fi izolatǎ ca o substanță cristalină nonhigroscopicǎ. Având în vedere că unul, și, probabil, cel mai mare, domeniul de utilizare practică al ciclodextrinelor se bazează pe capacitatea lor de solubilizare (în principal în industria farmaceutică), o atenție deosebită ar trebui acordată celor mai sus menționate și multor altor anomalii aparente ale ciclodextrinelor în soluție.

Figura I.8 Evoluția solubilitǎții odatǎ cu creșterea temperaturii pentru cele trei ciclodextrine representative.

În ceea ce privește proprietǎțile chimice, CD sunt nereducǎtoare, sunt stabile în soluții alcaline, dar sunt susceptibile la hidroliza acidǎ (formând glucozǎ și oligozaharide liniare). Razele y pot scinda legǎturile α-1,4-glicozidice ale β- și y-CD, în schimb CD sunt rezistente la acțiunea luminii UV-VIS și IR. De asemenea, CD sunt rezistente la acțiunea β-amilazei, dar pot fi hidrolizate de cǎtre α-amilaze (cu o vitezǎ mai redusǎ decât în cazul amidonului).

Datoritǎ structurii moleculare specifice, principala proprietate a CD este capacitatea de includere a diferite molecule oaspete cum ar fi: compuși polari (amine, acizi, esteri etc.), hidrocarburi alifatice și aromatice, gaze rare, oxigen, dioxid de carbon și chiar polimeri.

α-CD conține 18, β-CD 21 iar y-CD 24 grupǎri hidroxilice a cǎror reactivitate descrește în ordinea O(6)H >> O(2)H > O(3)H. Aceste grupǎri hidroxilice pot suferi diferite modificǎri chimice (eterificare, esterificare, sulfonare etc.) ce influențeazǎ proprietǎțile macrociclului, fǎrǎ a afecta capacitatea de complexare a CD (figura I.9)

Figura I.9 Derivați importanți ai ciclodextrinelor.

I.4. Compuși de incluziune ai ciclodextrinelor

Compușii de incluziune sunt, de regulǎ, substanțe solide, cristaline, stabile în anumite condiții de presiune și temperaturǎ, rezultate prin unirea spațialǎ a moleculelor, fǎrǎ afectarea sistemelor de legǎturi chimice ale componentelor. Se formeazǎ prin includerea unui component numit ’’oaspete’’ (sau ’’inclus’’) în spațiul liber al rețelei cristaline a celuilalt component numit ’’gazdǎ’’ (sau ’’suport’’). Deși denumirea de compus de incluziune este unanim acceptatǎ, numeroși cercetǎtori folosesc în continuare denumirile inițiale de aducți – pentru compuși ce prezintǎ rețea cristalinǎ cu canale, clatrați – pentru cei cu cavitǎți și intercalați – pentru cei cu structurǎ în formǎ de straturi.

Ciclodextrinele sunt molecule gazdǎ tipice; ele formeazǎ compuși de incluziune cu o gamǎ foarte largǎ de oaspeți, principala cerințǎ fiind ca aceste molecule sǎ se potriveascǎ total sau mǎcar parțial în cavitatea molecularǎ a gazdei (sǎ fie complementare din punct de vedere stereoelectronic). Ca o particularitate, compușii de incluziune ai CD pot exista atât în soluție cât și în stare solidǎ.

Forțele motrice ale formǎrii compușilor de incluziune

În soluție apoasǎ, cavitatea slab apolarǎ a CD este ocupatǎ de molecule de apǎ care, datoritǎ mediului energetic nefavorabil (interacțiuni polar – apolare), sunt substituite cu ușurințǎ de molecule oaspete mai puțin polare decât apa. Forțele motrice ce conduc la formarea compușilor de incluziune ai CD sunt reprezentate de interacțiunea electrostaticǎ, forțele van der Waals, interacțiunea hidrofobǎ, legǎturile de hidrogen și de interacțiunea prin transfer de sarcinǎ. Studiile au arǎtat cǎ relaxarea tensiunii conformaționale și excluderea din cavitatea CD a apei cu entalpie ridicatǎ nu contribuie energetic la formarea compusului de incluziune, din cauza efectului de compensare entalpie-entropie (figura I.10). În prezent se considerǎ cǎ principalele forțe motrice ale complexǎrii CD sunt forțele van der Waals și interacțiunea hidrofobǎ, în timp ce interacțiunea electrostaticǎ și legǎturile de hidrogen pot influența semnificativ conformația unui compus de incluziune.

Figura I.10 Interacțiuni la formarea unui compus de incluziune.

Efecte ale procesului de includere

Compușii de incluziune formați pot fi izolați sub formǎ de substanțe cristaline stabile. La dizolvarea acestor compuși se stabilește un echilibru între speciile disociate și cele asociate, care este exprimat prin constanta de stabilitate a complexului Ka. Asocierea moleculelor de CD și de oaspete (D) și disocierea complexului CD-oaspete format sunt guvernate de un echilibru termodinamic:

CD + DCD · D (1)

K1:1=[CD·D]/[CD][D] (2)

Cele mai importante consecințe ale interacțiunii CD-oaspete slab solubil sunt:

– în soluție apoasǎ:

concentrația oaspetelui în faza dizolvatǎ crește semnificativ, în timp ce concentrația CD dizolvate de regula descrește;

proprietǎțile spectrale ale moleculei oaspete sunt modificate (de exemplu tranzițiile chimice ale atomilor ecranați anizotrop sunt modificate în spectrele RMN; când oaspeții nechirali sunt incluși în cavitatea chiralǎ a CD, ei devin optic activi și manifestǎ un puternic efect Compton indus asupra spectrelor circulare dicroice; uneori absorbanța maximǎ în spectrele UV este deplasatǎ cu cațiva nanometri și fluorescența este mult înbunatǎțitǎ);

reactivitatea oaspetelui este modificatǎ (în majoritatea cazurilor scade, adicǎ oaspetele este stabilizat, dar în multe cazuri CD se comportǎ ca o enzimǎ artificialǎ);

difuzia și volatilitatea oaspetelui inclus scad mult;

în stare inclusǎ, oaspetele inițial hidrofob devine hidrofil, modificându-și în consecințǎ mobilitatea cromatograficǎ.

– în stare solidǎ:

substanța inclusǎ este dispersatǎ molecular într-o matrice de carbohidrat, formând o pulbere microcristalinǎ sau amorfǎ, chiar și în cazul oaspeților gazoși;

sublimarea și volatilizarea sunt mult reduse;

complexul este hidrofil și se solubilizeazǎ rapid.

În tabelul I.2 este prezentatǎ calitativ, capacitatea de incluziune cu diverși oaspeti a α-, β, metil-β- și y-ciclodextrina. Din acest tabel, în functie de substanța vizatǎ pentru captare putem alege una din cele 4 ciclodextrine.

Tabelul I.2 Capacitatea de includere a diverselor substanțe (abilitatea de a forma/ de a nu forma complex este marcata prin +/-, cu ++ este notat complexul mai stabil).

Structura cristalinǎ a compușilor de incluziune

Elucidarea structurii spațiale a ciclodextrinelor și a compușilor lor de incluziune este esențialǎ pentru înțelegerea detaliatǎ a mecanismului de formare a acestor complecși.

Structurile cristaline ale compușilor de incluziune ai CD pot fi clasificate în trei tipuri: cu cavitǎți, cu canale și, respectiv, în straturi (figura I.11)

Structurile de tip cavitate, caracteristice moleculelor oaspete mici, pot prezenta douǎ moduri de împachetare: CH (cage-herringbone type) – moleculele de CD sunt aranjate încrucișat, și CB (cage-brick type) – dupǎ un model ce amintește de aranjamentul cǎrǎmizilor într-un perete. În structurile cristaline de acest tip, cavitatea unei molecule de CD este blocatǎ pe ambele capete de cǎtre ciclodextrinele vecine, obținându-se astfel cavitǎți izolate (figura I.11). Tipul CH de împachetare poate fi întalnit în cazul compușilor de incluziune ai α-, β- și y-CD, în timp ce tipul CB a fost observat, pânǎ în prezent, numai în cazul compușilor de incluziune ai α-CD cu compuși benzenici parasubstituiți sau cu amestecul dimetilsulfoxid/metanol.

În cazul compușilor de incluziune cu structurǎ tip canal (figura I.11), moleculele de ciclodextrinǎ sunt aranjate una deasupra celeilalte, formând astfel coloane ale cǎror cavitǎți se unesc în canale. Și în acest caz pot exista douǎ moduri de împachetare a moleculelor de CD prin legǎturi de hidrogen: aranjamentul cap-coadǎ (Ch HT-channel head-to-tail), respectiv aranjamentul cap-cap (Ch HH-channel head-to-head). Într-o anumitǎ structurǎ cristalinǎ nu putem întâlni decât un singur mod de suprapunere.

Totuși, în cazul compușilor de incluziune ai y-CD cu oaspeți organici mic moleculari, se observǎ un caz deosebit de împachetare în care alterneazǎ orientǎrile HT cu cele HH.

Structurile cristaline în straturi se întâlnesc doar când oaspetele este prea mare pentru a fi complet inclus în interiorul cavitǎții. Moleculele α-CD sunt aranjate aproape paralel cu un plan inelar pentru a forma un strat molecular. Cele 2 straturi adiacente sunt deplasate cu o jumǎtate de moleculǎ astfel încât capetele cavitǎților CD sǎ rǎmânǎ deschise spre spațiul dintre straturi. O astfel de structurǎ în straturi a fost observatǎ pentru compusul de incluziune al β-CD cu trietilaminǎ.

Figura I.11 Reprezentarea schematicǎ a diferitelor împachetǎri structurale: (a) tip Ch HH, (b) tip Ch HT, (c) tip cușcă, (d) tip strat, (e) strat compus din dimeri ai β-CD.

I.5. Aspecte toxicologice ale ciclodextrinelor

Atunci când se discută aplicațiile CD în procesele din industria chimică, un rol important îl dețin informațiile despre toxicitatea substanțelor. Nu s-a observat apariția de simptome toxice după administrarea zilnică a 100-600 mg de β-CD șobolanilor și câinilor, timp de 6 luni. Alte studii au arătat lipsa unor efecte mutagene, carcinogene sau teratogene. Din 13 noiembrie 2000, β-CD este autorizată în Germania ca aditiv alimentar (E 459) sub formă de tablete și drajeuri, cu limitarea „atât de mult cât este necesar”. A fost de asemenea autorizată drept suport sau solvent pentru aditivii alimentari cu limitarea la 1 g/kg.

Tabelul I.3.Toxicitatea ciclodextrinelor și a unora dintre derivații acestora

Recent s-au obținut mai multe date despre toxicitatea monoclorotriazinil-β-CD. Chiar dacă acest derivat conține atomi reactivi de halogen, el nu provoacă efecte mutagene, de iritare și sensibilizare a pielii. În ceea ce privește materialele textile finisate cu acest derivat, la testele clinice nu s-a detectat nici o iritare a pielii umane.

Alt aspect important privind posibilele aplicații ale CD în domeniul chimic este reprezentat de faptul că utilizarea acestora nu provoacă nici o problemă în ceea ce privește apele reziduale. CD sunt biodegradabile iar consumul lor chimic de oxigen este similar cu al celorlalți auxiliari aflați în uz .

I.6. Utilizǎrile ciclodextrinelor

Formarea compușilor de incluziune ai CD cu numeroase substanțe oaspete este o metodǎ eficientǎ de „încapsulare molecularǎ”, în unele privințe superioarǎ metodei clasice de microîncapsulare. Datoritǎ capacitǎții lor de complexare, CD și-au gǎsit deja utilizarea în cele mai variate domenii.

În industria farmaceuticǎ utilizarea CD pentru condiționarea medicamentelor s-a dovedit foarte eficientǎ. Formarea compusului de incluziune al unui medicament îi modificǎ proprietǎțile fizice și chimice, cu urmǎtoarele avantaje:

transformarea compușilor lichizi într-o formǎ cristalinǎ, convenabilǎ pentru producerea de tablete, cu miros și gust mascat;

posibilitatea de amestecare a componenților incompatibili dacǎ unul din ei este protejat prin includere;

creșterea stabilitǎții medicamentelor fațǎ de acțiunea degradativǎ a oxigenului, a luminii și a temperaturii (de exemplu vitamina D3, provitamina A);

creșterea biodisponibilitǎții medicamentelor slab solubile;

manipularea și prelucrarea cu risc scǎzut a unor substanțe explozive (de exemplu β-CD-nitroglicerina).

În industria alimentarǎ compușii de incluziune ai CD se folosesc pentru:

stabilizarea aromelor alimentare (s-au obținut complecși ai β-CD cu vanilina, uleiul de lǎmâie, coriandru, mentǎ, scorțișoarǎ etc., cu avantaje pentru conservarea aromelor, prepararea produselor dietetice);

mascarea mirosurilor și gusturilor neplǎcute ale unor alimente;

îmbunǎtǎțirea calitǎții și tehnologiei de prelucrare a alimentelor.

În industria cosmeticǎ CD sunt utilizate pentru prepararea pastelor de dinți, a deodoranților, a antisepticelor, a complecșilor parfumați, ca agent de antispumare.

În industria textilǎ se utilizeazǎ ciclodextrine pentru a imobiliza diferiți agenți de parfumare, antimicrobieni, antifungici etc. (figura I.12).

Figura I.12 Grefarea monoclortriazinil-β–ciclodextrinei (MCT-β-CD) pe un suport celulozic

(a) CD; (b) reacția MCT-β-CD-celuloză; (c) compusul de incluziune ancorat pe țesătură.

Compușii de incluziune ai CD își gǎsesc largi aplicații în agriculturǎ, sub forma pesticidelor condiționate și ca agenți de coacere a fructelor și a legumelor.

În zootehnie și pisciculturǎ, vitaminele liposolubile utilizate în hrana animalelor pot fi stabilizate prin complexare cu CD.

În domeniul chimic CD sunt utilizate cu succes pentru:

separarea componenților unui amestec de hidrocarburi prin complexare selectivǎ;

separarea enantiomerilor dintr-un amestec racemic;

separǎri analitice prin cromatografie în stare lichidǎ sau gazoasǎ;

medierea unor reacții stereoselective;

catalizarea unor reacții organice prin aplicarea derivaților de CD ca enzime artificiale;

obținerea polimerilor stereoregulați și optic activi prin polimerizarea în starea inclusǎ;

studiul compușilor de incluziune cu macromolecule;

obținerea de senzori moleculari și supramoleculari.

I.7. Concluzii privind viitorul ciclodextrinelor

[NUME_REDACTAT] există câteva colective de cercetare care au abordat unele probleme din domeniul ciclodextrinelor:

-obținerea, caracterizarea și utilizările compușilor de incluziune ai CD cu macromolecule;

-sinteza unor derivați fosforilați ai β-CD;

-sinteza unor polirotaxani pe bază de CD;

-sinteza și caracterizarea unor esteri nesaturați ai CD;

-obținerea compușilor de incluziune ai CD cu unele substanțe bioactive;

-studiul interacțiunilor liganzi organici – CD – proteine.

La nivel internațional, numărul de publicații în domeniul CD crește continuu, neatingând deocamdată faza staționară.

Cu toate că în acest deceniu vor mai apărea probabil sute de articole referitoare la noi microorganisme producătoare de CGT-ază, tehnologiile de producere a CD sunt bine stabilite. Ele vor fi, desigur, îmbunătățite continuu, dar nu se prognozează apariția unei tehnologii fundamental noi și nici o scădere semnificativă a costului de producție. Pentru această decadă este previzibilă o creștere constantă a pieței de desfacere a CD, nu numai pentru β-CD ci și pentru α- și y-CD.

Este de așteptat un studiu intens în domeniul modificărilor chimice și enzimatice ale CD. Ținând cont de faptul că CD au 18 (α-CD), 21 (β-CD) și respectiv 24 (y-CD) grupări hidroxilice ce pot fi substituite, numărul de derivați posibili este foarte mare. Dintre cei peste 1500 derivați ai CD raportați până în prezent, numai cei ce necesită o sinteză simplă (implicit cu un cost de producție rezonabil) și netoxici și-au găsit utilizarea practică în calitate de transportori (solubilizanți, stabilizatori) ai substanțelor biologic active, modele enzimatice, agenți de separare (pentru cromatografie sau procese discontinue), catalizatori, aditivi (detergenți, modificatori de vâscozitate etc.).

La scară industrială se produc ciclodextrine metilate, hidroxialchilate (hidroxipropil-β-CD, hidroxipropil-y-CD), acetilate (acetil-y-CD), reactive (clorotriazinil-β-CD) și ramificate (glucozil- și maltozil-β-CD). Este de așteptat ca această listă să fie completată cu CD sulfonate (sulfobutil-β-CD) și sulfatate, precum și cu polimeri ai CD. De asemenea, mai mult de 100 derivați ai CD sunt disponibili pe piață ca produse chimic pure, destinate în special cromatografiei, diagnosticului medical, ca intermediari în alte sinteze.

Modelele enzimatice sunt în general molecule complexe a căror testare nu a evidențiat efecte majore. De aceea, experimentele utilizând derivații de CD ca enzime artificiale vor avea, cel puțin în următorii ani, un caracter de cercetare fundamentală în domeniul enzimologiei.

Cercetarea va continua pentru găsirea unor derivați de CD stabili, optimi pentru transportul parenteral de medicamente cu specificitate pentru un anumit organ sau receptor. În prezent pot fi considerați ca transportori de medicamente β- și y-CD, derivații lor hidroxipropilați, acetil-y-CD și, în unele cazuri, α-CD. Niciunul dintre aceștia nu rezolvă toate problemele de solubilitate și stabilitate ale compoziției medicamentelor parenterale. Derivatul de CD optim ar trebui să fie foarte solubil în apă, ieftin, disponibil la o puritate ridicată, netoxic chiar în doze ridicate în tratarea bolilor cronice, puternic solubilizant pentru diferite medicamente, stabil în soluții apoase în timpul sterilizării și depozitării, inactiv chimic față de componentele membranei celulare, lipsit de orice acțiune farmacodinamică intrinsecă, să fie biodegradabil în organismul uman și să se elimine sub formă de metaboliți mic moleculari.

Cu excepția cromatografiei și a tehnicilor electroforetice, potențialul CD în tehnologiile de separare a fost exploatat numai într-o mică măsură. Pe lângă utilizările menționate anterior, se prevăd aplicații interesante ale CD în protecția mediului (au fost sintetizate în acest sens, de exemplu, polimeri ciclodextrină-poliuretan prin reacția ciclodextrinei cu hexametilen diizocianat în dimetilformamidă uscată și folosiți ca absorbanți pentru extracția în fază solidă a aminelor cancerigene din apă care pătrund în sol și pot contamina apa subterană) , nano- și biotehnologii, industria textilă.

În prezent CD mai sunt folosite în nanotehnologii ca nanoreactoare, nanoprotectori, nanocapsule, agenți de eliberare a medicamentelor la nivel nanometric si pentru recunoașterea aminoacizilor. Au fost sintetizați polimeri de ciclodextrină insolubilă co-polimerizați cu nanotuburi de carbon (figura I.13) pentru îndepărtarea poluanților organici din apă.

Figura I.13 Reacția de polimerizare a ciclodextrinei și nanotuburile de carbon.

Derivații de CD sunt folosiți ca întrerupători moleculari, pentru stocarea și conversia energiei, în fotonică (de ex. compușii de incluziune CD-polimeri fluorescenți cu rol de diode emițătoare de lumină albastră și verde), pentru obținerea nanoparticulelor de aur.

Cercetările de ultimă oră în acest domeniu deosebit de dinamic sunt cel mai bine evidențiate prin enumerarea câtorva din titlurile lucrărilor ce au fost susținute la al XIV-lea [NUME_REDACTAT] de Ciclodextrine (Kyoto, mai 2008): “Prepararea sericinei din mătase modificată cu ciclodextrine”, “Ciclodextrine modificate selectiv în calitate de glicozidaze artificiale”, “Noi derivați de CD folosiți drept selectori chirali pentru cromatografia enantioselectivă de gaze”, “Ciclodextrine fluorescente în calitate de chemosenzori pentru detectarea substanțelor de contaminare a apei”, “Sisteme de eliberare a ADN pe bază de polimeri ai CD”, “Folosirea nanoparticulelor pe bază de derivați amfifilici α-CD perfluoroalchilici pentru transportul medicamentelor antivirale”, “Îndepărtarea hidrocarburilor clorurate din apă prin folosirea adsorbanților legați de CD” etc..

O inovație în chimia macromoleculară este obținerea complexelor supramoleculare cu molecule p-conjugate. O aplicație în acest domeniu o reprezintă două metode existente de sinteză a rotaxanilor conținând CD-uri în apă (figura I.14). O metodă este de a amesteca polimerul cu o soluție saturată de ciclodextrine. O altă metodă este polimerizarea monomerilor „in situ” în cavitatea ciclodextrinei.

Figura I.14 Obținerea polirotaxanilor

Utilizând reacția de cuplare se obține DM-β-CD-poli pseudo rotaxani conținând politiofene.

O serie de noi DM-β-CD-oligotiofene cu rotaxani au fost preparate prin reacția de cuplare prin catalizare cu paladiu. [2]Rotaxanii și [3]rotaxanii, care au diferite lungimi de lanțuri, au fost izolate folosind cromatografia în fază inversă:

Capitolul II. Implicarea compușilor organici în reacții chimice ale atmosferei

II.1.Transformǎri ale poluanților în atmosferǎ

Odatǎ emiși în atmosferǎ, poluanții chimici sunt supuși unor procese variate și complexe care conduc în final la distrugerea sau depunerea lor pe suprafața pǎmântului (figura II.1). Aceste procese includ nu numai transformǎrile din fazǎ gazoasǎ ci și pe cele care presupun intervenția apei atmosferice. De asemenea, trebuie luatǎ în considerare, pe lângǎ transformarea poluanților primari, formarea poluanților secundari, care pot avea efecte adverse asupra mediului și sǎnǎtǎții omului.

Figura II.1 Tipuri de procese interpuse între emisia și depunerea poluanților atmosferici

De importanțǎ fundamentalǎ pentru înțelegerea chimiei poluanților gazoși este cunoașterea contribuției Soarelui, mai precis a radiațiilor UV. Acestea inițiazǎ reacții fotochimice în care sunt implicate atât molecule stabile cât și specii radicalice: radicalii hidroxil (HO•), hidroperoxil (HO2•), metil (H3C•). Un radical liber este o grupare de atomi, neutrǎ din punct de vedere electric, care se caracterizeazǎ prin existența, la unul din atomi, a unui orbital ocupat cu un singur electron (electron cu spin necompensat), simbolizat în formulele chimice printr-un punct. Existența electronului cu spin decompensat face ca un radical liber sǎ aibǎ urmǎtoarele proprietǎți:

o mare capacitate de reacție în transformǎrile chimice;

prezintǎ un moment magnetic;

au un timp de viațǎ foarte scurt.

Concentrația radicalilor liberi din atmosferǎ este micǎ dar nu nesemnificativǎ. Astfel, concentrația radicalilor OH în atmosferele poluate poate atinge 106-107 radicali/cm3 ceea ce înseamnǎ un radical la fiecare 1013 molecule de azot.

II.2.Reacții inițiate de radicalii OH

Toți compușii organici eliminați în atmosferǎ, inclusiv cei proveniți din emisiile autovehiculelor, evaporarea solvenților și a benzinei, volatilizarea erbicidelor sau a altor substanțe toxice, pot fi degradați prin una sau mai multe cǎi; cele mai importante sunt inițiate de radicalii hidroxil și ozon.

Formarea radicalilor hidroxil și hidroperoxil

Radicalul hidroxil are un rol cheie în chimia troposferei. Datoritǎ reactivitǎții extrem de ridicate, aceastǎ specie controleazǎ sau influențeazǎ conținutul multor altor specii chimice: monoxid de carbon, metan, ozon, oxizi de azot ș.a.

Principalele cǎi de formare a radicalilor OH și HO2 sunt prezentate în continuare:

a. Fotoliza ozonului și reacția oxigenului atomic rezultat cu vaporii de apǎ:

O3 + hν (λ<310nm) → O2 + O• (2.1)

O• + H2O → 2HO• (2.2)

Reacția capǎtǎ o pondere importantǎ la generarea de radicali OH în timpul zilei, odatǎ cu creșterea concentrației ozonului.

b. Fotoliza acidului azotos acumulat în atmosferǎ pe timpul nopții:

HONO + hν (λ<400nm) → HO• + NO (2.3)

c. Fotoliza aldehidei formice, , care este atât un poluant primar (provenit de la emisiile motoarelor autovehiculelor) cât și unul secundar și a cǎrei concentrație poate crește semnificativ în timpul zilei:

H• + HCO•

HCHO + hν →(λ<370nm) (2.4)

H2 + CO

Atomii de hidrogen formați în reacția de mai sus sau din reacția:

HO• + CO → CO2 + H• (2.5)

reacționeazǎ cu oxigenul molecular pentru a da radicali hidroperoxil, conform ecuației:

H• + O2 + M → HO2• + M (2.6)

Radicalii hidroperoxil pot reacționa cu NO pentru a forma radicali hidroxil:

HO2• + NO → HO• + NO2 (2.7)

care reiau lanțul de reacții descrise anterior.

La rândul lui, radicalul formil, generat prin fotoliza aldehidei formice sau a aldehidelor superioare, servește ca precursor de radicali hidroperoxil și implicit, de radicali hidroxil:

HCO• + O2 → HO2• + CO (2.8)

În ultimii 15-20 de ani s-a produs o revoluție în ceea ce privește cunoașterea chimiei atomosferelor urbane. Complexitatea poluǎrii fotochimice a aerului a impus combinarea cercetǎrilor de laborator și a studiilor de modelare pe calculator în vederea determinǎrii vitezelor și mecanismelor reacțiilor ce implicǎ îndeosebi compuși organici, oxizi de azot și oxizi de sulf.

Aceste investigații au fost completate sau facilitate de dezvoltarea și aplicarea tehnicilor spectroscopice de analizǎ la distanțǎ precum și a altor metode analitice pentru identificarea și determinarea urmelor de poluanți atmosferici. De asemenea, dezvoltarea metodelor cinetice computerizate și aplicarea lor la datele de laborator sau la cele de pe teren s-au dovedit o bazǎ suplimentarǎ pentru înțelegerea complexitǎții reacțiilor chimice din atmosferele poluate.

Reacții cu hidrocarburi alifatice saturate. Radicalii cu aceastǎ clasǎ de compuși se produc prin extragerea de cǎtre radicalul OH a unui atom de hidrogen:

RH + HO• → R• + H2O (2.9)

Radicalii alchil rezultați dau naștere, prin adiție de oxigen, la radicali noi, peroxialchil. În atmosferele poluate, ultimii oxideazǎ rapid NO la NO2 și formeazǎ radicali alcoxi sau adiționeazǎ NO2 pentru a forma peroxinitrați de alchil:

RO2• + NO → RO• + NO2 (2.10)

RO2• + NO2 → RO2NO2 (2.11)

Radicalii alcoxi, la rândul lor, sunt antrenați în multiple alte reacții chimice care au ca efect global „dispariția” din atmosferǎ a hidrocarburii inițiale. Astfel, extragerea unui atom de hidrogen din radicalii alcoxi, prin intermediul oxigenului molecular, dǎ naștere la cetone:

R1RCHO• + O2 → R1COR + HO2• (2.12)

De asemenea, descompunerea sau izomerizarea radicalilor alcoxi contribuie la formarea altor compuși oxigenați:

RCHO + R1•

R1RCHO• (2.13)

R1CHO + R•

În același timp, radicalii hidroperoxil asigurǎ regenerarea radicalilor hidroxil care reiau ulterior acțiunea asupra compușilor organici.

Reacții cu alchene. Reacția alchenelor cu radicali OH decurge prin adiția acestora la dubla legǎturǎ. În cazul propenei, procesul continuǎ cu adiția oxigenului:

CH3CH=CH2 + HO• → CH3CH•CH2OH (2.14)

CH3CH•CH2OH + O2 → CH3CH(OO•)CH2OH (2.15)

Radicalul peroxi rezultat antreneazǎ oxidarea NO la NO2 și genereazǎ un radical alcoxi:

CH3CH(OO•)CH2OH + NO → CH3CH(O•)CH2OH + NO2 (2.16)

Descompunerea radicalului alcoxi și reacții ulterioare determinǎ formarea acetaldehidei și formaldehidei, ambii compuși fiind detectați în atmosferele poluate:

CH3CH(O•)CH2OH → CH3CHO + •CH2OH (2.17)

•CH2OH + O2 → HCHO + HO2• (2.18)

Are loc de asemenea reacția:

HO2• + NO → HO• + NO2 (2.19)

Procesul global rezultat din reacțiile prezentate poate fi redat sub forma:

HO• + CH3CH=CH2 + 2O2 + 2NO → CH3CHO + HCHO + 2NO2 + HO• (2.20)

urmat de fotodisocierea NO2 și formarea ozonului.

Prin urmare, reacția radicalilor OH cu alchene crește viteza conversiei NO la NO2 și determinǎ implicit creșterea concentrației ozonului. Aceasta ilustreazǎ rolul major pe care hidrocarburile îl joacǎ în producerea poluǎrii fotochimice a aerului.

Reacții cu hidrocarburi aromatice. Reacțiile radicalilor OH cu hidrocarburi aromatice se produc fie prin extragerea unui atom de hidrogen dintr-o grupǎ substituentǎ metil, fie prin adiția radicalului OH la nucleul aromatic (predominant în poziție orto).

(2.21)

Radicalii rezultați sunt antrenați ulterior în alte reacții chimice.

Reacții cu aldehide.

Aldehidele sunt consumate în atmosferǎ atât prin fotolizǎ cît și prin atacul radicalilor OH. Astfel, fotoliza acetaldehidei conduce la radicalii metil și formil:

CH3CHO + hν → CH3• + HCO• (2.22)

care, ulterior, reacționeazǎ așa cum s-a arǎtat.

Prin atacul radicalilor OH asupra acetaldehidei se formeazǎ radicali acetil:

CH3CHO + HO• → CH3CO• + H2O (2.23)

Aceștia pot adiționa oxigen molecular:

CH3CO• + O2 → CH3C(=O)OO• (2.24)

iar radicalii peroxiacetil rezultați formeazǎ, prin adiția ulterioarǎ a NO2, peroxiacetilnitrați:

CH3C(=O)OO• + NO2 → CH3C(=O)OONO2 (2.25)

Peroxiacetilnitratul (PAN) este principalul poluant din ceața fotochimicǎ și se caracterizeazǎ printr-un puternic efect lacrimogen.

PAN și în general peroxiacetilnitrații (RCO3NO2) pot „dipǎrea” din atmosferǎ prin descompunere termicǎ sau, mai probabil, prin depunere uscatǎ, reacția catalizatǎ de suprafețe solide cum sunt funzele copacilor , sol etc.

II.3. Implicarea oxizilor de azot în reacțiile chimice din atmosferǎ. Ceața fotochimicǎ oxidantǎ.

Cele mai serioase efecte de poluare sunt legate de prezența în atmosferǎ a oxizilor de azot și care duc la formarea așa numiților oxidanți fotochimici. Smogul oxidant sau ceața fotochimicǎ oxidantǎ este un fenomen însoțit de iritarea ochilor, vǎtǎmarea vegetației, apariția ozonului și a unui miros caracteristic.

Episoadele de ceațǎ oxidantǎ tipicǎ apar în perioade calde, însorite, în marile centre urbane și genereazǎ o atmosferǎ cu un indice oxidant foarte ridicat. Fenomenul, observat pentru prima datǎ în orașul [NUME_REDACTAT], a generat firesc întrebarea cum este posibil ca, pornind de la componenți cu caracter reducǎtor recunoscut (ex. NO, SO2 și hidrocarburi fǎrǎ nici o putere oxidantǎ, sǎ rezulte agenți poluanți cu o putere oxidantǎ atât de ridicatǎ, așa cum este ozonul.

Producerea oxidanților fotochimici este un proces complex, care se explicǎ prin intervenția anumitor hidrocarburi și produși de oxidare ai acestora în așa numitul ciclu fotolitic al oxizilor de azot.

Concentrațiile diurne ale oxizilor de azot și ale ozonului, în situații de ceațǎ fotochimicǎ, prezintǎ o variație caracteristicǎ (figura II.2). Se constatǎ cǎ în primele ore ale dimineții, odatǎ cu creșterea activitǎții oamenilor și intensificarea traficului auto, concentrația monoxidului de azot se mǎrește mult, dar fǎrǎ sǎ antreneze și o creștere a concentrației de NO2.

Figura II.2 Variația diurnǎ a concentrațiilor unor poluanți atmosferici.

Pe mǎsurǎ ce intensitatea luminii solare se mǎrește, devine evidentǎ creșterea notabilǎ a concentrației dioxidului de azot și scǎderea concentrației monoxidului, simultan cu apariția ozonului. Nivelul celor doi poluanți secundari, NO2 și O3, atinge un maxim dupǎ care descrește lent și revine aproape de valoarea de fond, odatǎ cu înserarea. Explicația acestor constatǎri are în vedere atât reacțiile chimice care se petrec în atmosferǎ joasǎ, cât și intervenția luminii solare.

Se considerǎ cǎ intensificarea activitǎții umane din cursul dimineții și mai ales a traficului auto determinǎ creșterea concentrației monoxidului de azot din atmosferǎ. O partea din aceasta poate fi oxidatǎ la NO2 prin reacția oxigenului molecular:

2NO + O2 → 2NO2 (2.26)

Radiațiile solare care strǎbat pǎtura de ozon, îndeosebi lumina UV cu λ=3000-4000Å, având energie suficient de mare, determinǎ ruperea legǎturii azot-oxigen din NO2. Fotoliza dioxidului de azot este:

NO2 + hν → NO + O• (2.27)

genereazǎ oxigen atomic și ulterior, datoritǎ reactivitǎții ridicate a acestuita, ozon:

O• + O2 + M → O3 + M (2.28)

Monoxidul de azot, la rândul lui, acționeazǎ ca regulator natural de ozon, reformând dioxidul de azot și oxigenul molecular, conform reacției:

NO + O3 → NO2 + O2 (2.29)

Deoarece reacția (2.29) decurge aproape instantaneu, rezultǎ cǎ nu apar concentrații apreciabile de ozon pânǎ când monoxidul de azot nu dispare practic din atmosfera înconjurǎtoare.

Succesiunea reacțiilor (2.27), (2.28), (2.29) reprezintǎ ciclul fotolitic al oxizilor de azot, iar efectul global constǎ în ciclizarea rapidǎ a dioxidului de azot. Ciclul fotolitic al oxizilor de azot este reprezentat în figura II.3a.

Teoretic, dacǎ în atmosferǎ nu existǎ alți reactanți (ex. hidrocarburi), concentrațiile de NO și NO2 nu se modificǎ, deoarece ozonul și monoxidul de azot se formeazǎ și se distrug în cantitǎți egale. Practic însǎ, chiar și compușii prezenți natural în atmosferǎ (vapori de apǎ, metan, oxid de carbon) pot fi antrenați în ciclul oxizilor de azot, fapt care determinǎ decompensarea lui. Situația este cu atat mai complexǎ în cazul atmosferelor poluate.

Figura II.3. Ciclul oxizilor de azot: a) în atmosferǎ nepoluatǎ; b) în ceața fotochimicǎ oxidantǎ

Se considerǎ cǎ hidrocarburile intervin în ciclul fotolitic al oxizilor de azot iar veriga decisivǎ o constituie atacul atomilor de oxigen asupra compușilor respectivi. Simplificat, se poate scrie:

RH + O• → R• + HO• (2.30)

R• + O2 → RO2• (2.31)

RO2• + NO → ROONO → RO• + NO2 (2.32)

iar schema ciclului oxizilor de azot trebuie modificatǎ (figura II.3b).

Aceastǎ reprezentare aratǎ cǎ este suficient ca un radical oxidant sǎ acționeze asupra NO și sǎ formeze NO2 pentru a se produce decompensarea: conțnutul de NO2 va crește în timp ce conținutul de NO va scǎdea. Concomitent se va înregistra creșterea conținutului de ozon.

În concluzie, hidrocarburile prezente în atmosferǎ (sau produșii lor de ardere incompletǎ) emise de aceleași surse ca și oxizii de azot, cu contribuția luminii solare, se interpun în ciclul fotolitic astfel încât acesta nu mai este compensat. Rezultatul constǎ în generarea unei atmosfere cu un caracter oxidant pronunțat care a fost numitǎ ceațǎ fotochimicǎ oxidantǎ sau smog oxidant. Cei mai importanți poluanți din smog sunt ozonul și nitrații de peroxiacetil.

Condițiile care permit formarea ceții fotochimice sunt urmǎtoarele:

eliminarea în atmosferǎ a unor cantitǎți mari de hidrocarburi și monoxid de azot (îndeosebi ca urmare a unui trafic intens);

închiderea acestor poluanți sub un strat de inversie, unde concentrația lor crește;

strǎlucirea puternicǎ a Soarelui, generatoare de reacții fotochimice.

În realitate, procesul este mult mai complicat, datoritǎ intervenției unor specii radicalice.

Rolul CO în ceața fotochimicǎ oxidantǎ

Pânǎ în ultimul timp CO era considerat prea puțin reactiv pentru a juca un rol determinant în accelerarea transformǎrii NO la NO2.

Recent s-a demonstrat cǎ reacția CO cu radicalul OH necesitǎ o energie de activare suficient de scǎzutǎ astfel încât ea are o importanțǎ semnificativǎ în atmosferǎ. Mecanismul acceptat pentru intervenția monoxidului de carbon presupune derularea reacțiilor (2.5), (2.6) și (2.7).

Suma celor trei reacții se poate exprima prin reacția globalǎ:

CO + O2 + NO + HO• → CO2 + NO2 + HO• (2.33)

Prin urmare, monoxidul de carbon accelereazǎ dispariția NO din atmosferǎ, apariția NO2 și a O3.

II.4. Reacții inițiate de ozon. Subțierea stratului de ozon atmosferic

Cea mai mare parte (90%) din conținutul de ozon, component natural al atomosferei, este concentratǎ între altitudinile de 15 și 50 km. Stratul de ozon acționeazǎ ca un filtru pentru radiația UV a Soarelui reținând cu precǎdere radiațiile cu o lungimi de undǎ mai mici de 300nm. Se realizeazǎ astfel protejarea vieții de efectele adverse ale radiațiilor UV care devin semnificative sub 320nm: lungimi de undǎ mai mici corespund la fotoni de energie înaltǎ care pot cauza arsuri și unele forme de cancer de piele. Aceasta se explicǎ prin faptul cǎ radiațiile cu λ<320nm sunt absorbite puternic de acidul dezoxiribonucleic (ADN), purtǎtorul informației genetice, ceea ce determinǎ efecte cancerigene și mutagene.

Orice subțiere a pǎturii de ozon stratosferic va conduce la creșterea radiației incidente pe suprafața pǎmântului și la un risc crescut de inducere a cancerului.

Diminuarea concentrației de ozon a fost legatǎ inițial de creșterea emisiilor de oxizi de azot proveniți de la avioanele supersonice ce zboarǎ în atmosferǎ joasǎ. Astfel, s-a arǎtat anterior cǎ monoxidul de azot reacționeazǎ rapid cu ozonul, procesul reprezentând principalul mod de „dispariție” a celui din urmǎ. La aceasta se adaugǎ însǎ și alte reacții chimice, îndeosebi cu diverși compuși organici.

Ozonul acționeazǎ destul de lent asupra hidrocarburilor alifatice saturate astfel încât reacțiile lui sunt neimportante, comparativ cu cele declanșate prin atacul radicalilor OH asupra acelorași compuși. Situația este asemǎnǎtoare și pentru hidrocarburile aromatice. În cazul alchenelor, totuși, reacția cu ozonul devine importantǎ îndeosebi atunci când concentrația lui în atmosferǎ o depǎșește pe cea a radicalilor OH.

Deși existǎ numeroase incertitudini cu privire la mecanismul acestor reacții, se considerǎ cǎ ele decurg prin formarea intermediarǎ a unei ozonide din care rezultǎ ulterior compuși carbonilici și biradicali:

(2.34)

[NUME_REDACTAT] rezultați, cu energie ridicatǎ și nestabili, se pot stabiliza prin diferite reacții, cele mai importante fiind cele cu aldehidele, SO2, apǎ și chiar cu oxizi de azot.

Pentru exemplificare, se vor prezenta reacțiile biradicalului CH3CH•OO• :

(ozonidǎ secundarǎ) (2.35)

CH3CH•OO• + SO2 + H2O → CH3CHO + H2SO4 (2.36)

CH3CH•OO• + H2O → CH3COOH + H2O (2.37)

În ultimul timp este susținutǎ din ce în ce mai mult ideea cǎ diminuarea concentrației de ozon atmosferic și deci subțierea stratului protector al Pǎmântului este cauzatǎ în principal de freoni.

Freonii reprezintǎ o clasǎ de compuși halogenați, de tip clor-fluor-carbon, cei mai cunoscuți fiind CFCl3 (freon 11) și CF2Cl2 (freon 12). Ei sunt folosiți ca propulsori pentru aerosoli, agenți de rǎcire în frigidere și ca gaze pentru producerea spumelor plastice. Aceasta se datoreazǎ faptului cǎ freonii sunt netoxici, neinflamabili și inerți din punct de vedere chimic.

Se estimeazǎ cǎ în lume existǎ în prezent cca 2,1 milioane tone de astfel de compuși. În general, din cantitatea produsǎ, 90% se elibereazǎ direct în atmosferǎ, în timp ce partea rǎmasǎ, folositǎ ca agenți de rǎcire, se adaugǎ la cealaltǎ atunci când echipamentul este dezafectat. Nivelul obișnuit al freonilor în atmosferǎ este de aproximativ 0,1 ppb.

Deși în troposferǎ sunt rezistenți la atacul diferitelor molecule sau radicali, atunci când urcǎ în stratosferǎ, radiația UV cu energie ridicatǎ poate sǎ determine fotodisocierea freonilor. Urmarea constǎ în generarea a douǎ specii clorate reactive, Cl• și ClO•, care, prin interconversie ciclicǎ, realizeazǎ consumarea ozonului:

Cl• + O3 → ClO• + O2 (2.38)

ClO• + O• → Cl• + O2 (2.39)

O• + O3 → 2O2 (2.40)

respectiv:

Cl• + O3 → ClO• + O2 (2.41)

ClO• + NO → Cl• + NO2 (2.42)

NO2 + O• → NO + O2 (2.43)

O• + O3 → 2O2 (2.44)

Speciile reactive Cl•, NO și ClO• pot fi îndepǎrtate prin formare de molecule stabile, de tipul HCl, HNO3 sau chiar nitrat de clor (ClONO2). Figura II.4 prezintǎ schematic principalele transformǎri suferite de constituienții chimici care afecteazǎ ozonul stratosferic.

Figura II.4.Reprezentarea schematicǎ a transformǎrilor suferite de constituienții chimici care afecteazǎ ozonul atmosferic

Clorul atomic și monoxidul de clor, specii clorate ce reprezintǎ partea activǎ a clorofluorocarbonilor, au fost identificate în concentrații mari îndeosebi în atmosfera de deasupra Antarcticii ([NUME_REDACTAT]) unde a fost poziționatǎ spǎrtura din pǎtura de ozon.

Capitolul III. Derivați de indolizin-β-ciclodextrine fluorescente pentru detecția [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] β-CD de a reține „oaspeții” în cavitate îi conferă caracter de captor pentru [NUME_REDACTAT] Volatili (COV), substanțe odorizante, medicamente etc. Dacă β-CD i se atașează un braț funcționalizat, rezultă un ansamblu care capătă caracteristici de senzor al prezenței unor asemenea compuși, de pildă, poluanți din mediul acvatic, datorită modificării caracteristicilor spectrale ale complexului gazdă (CD funcționalizată)-oaspete(COV etc.), spre deosebire de ale „gazdei” necomplexate.

În cazul acestor tipuri de senzori, studiile teoretice demonstrează existența mai multor conformeri, cei mai stabili pentru senzorii respectivi fiind conformerii „acoperit” și „deschis” (figura III.1).

Figura III.1 Ilustrarea conformerilor „deschis” (a) și „acoperit” (b)

Atașarea fluoroforilor de receptorii naturali sau sintetici a primit un interes crescut în ultimii ani, în cadrul eforturilor de a furniza noi senzori fluorescenți. În special, ciclodextrinele fluorescente s-au bucurat de un interes considerabil. Alternativ, derivați indolizinici sunt relevanți în produsele biologic-active și sunt bine cunoscute pentru o varietate de efecte farmacologice, inclusiv antiinflamatoare, cardiovasculare și pentru proprietăți antioxidante. În plus, unii compuși indolizinici se remarcǎ prin proprietățile lor de fluorescențǎ. Unele dintre ele au fost deja utilizate ca și coloranți sau markeri biologici. Acesta este motivul pentru care interesul pentru sinteza de noi senzori fluorescenți, care încorporează o unitate de indolizinǎ fluorescentǎ pe fragment 6-amino-β-ciclodextrină a crescut treptat.

Precursoarea acestei adevărate clase de compuși este 6-deoxi-6-amino-β-ciclodextrina, care se obține din β-ciclodextrină (β-CD), printr-un proces de transformare, într-o funcțiune aminică, a unei grupări hidroxilice, aparținătoare uneia dintre cele șapte grupări hidroximetilenice, aflate pe fața primară (mică) a β-ciclodextrinei tronconice, după procedura prezentată, sumar, în schema ce urmează:

III.1 Sinteza și studiul conformațional al derivaților de indolizin-β-ciclodextrină

Datele din literatura de specialitate oferă mai multe metode pentru sinteza indolizinelor. Printre acestea, reacțiile de cicloadiție care implică ilide de cicloimoniu și 1,3-dipolarofili conținând legǎturi duble sau triple au fost descoperite ca o strategie extrem de eficientă pentru a construi scheletul heterociclic. Două moduri diferite de sinteză au fost aplicate, în acest scop (figura III.2).

Pe scurt, metoda sării a fost aplicată pentru a obține bipiridiniu-ilidele 4. 1,4-bipiridilul 1 este cuaternizat cu derivați organici bromurați 2, formând săruri de bipiridiniu 3, cu randamente ridicate. Aceste săruri obținute, în prezența trietilaminei (TEA), formeazǎ, "in situ", ilidele carbanion monosubstituite 4. Acestea sunt supuse unei reacții de cicloadiție 1,3-dipolarǎ cu 4-nitrofenilpropinoatul 5, pentru a furniza cicloaducții primari de dihidroindolizinǎ 6, care, în mod spontan, furnizează compuși indolizinici 7, după o reacție de dehidrogenare, cu randament bun. Este de precizat că prezența grupului (4-NO2-Ph-O-), folosit pentru prima dată în aceste experimente, nu afectează randamentul, în comparație cu alți dipolarofili utilizați de obicei.

Mono-6-amino-6-deoxi-β-CD-ul 8 a fost sintetizat printr-o cale care implică trei pași (i) o tosilare regioselectivǎ pe fața primarǎ a β-CD, (ii) o înlocuire a grupării tosil cu NaN3 și (iii) reducerea grupării azido folosind procedura Staudinger. După aceea compusul, mono-6-amino-6-deoxi-β-ciclodextrina 8 reacționează cu derivații indolizinici 7, în condiții omogene: dimetilformamidă (DMF) sau N-methilpirrolidonă (NMP), la 50-60°C, în atmosferǎ de azot, în absența luminii, timp de 18-24 de ore, în scopul de a oferi senzorii β-CD fluorescenți 9.

În paralel, senzorii identici 9 au fost obținuți printr-o reacție de cicloadiție 1,3-dipolarǎ conectând bipiridiniu-ilidele 4 și propinamido-β-ciclodextrina 10. Cicloaducții primari 11 eliminǎ ulterior hidrogen molecular furnizând senzorii indolizin-β-CD 9 fluorescenți. Aceste reacții trebuie să fie efectuate în absența luminii, cu scopul de a preveni scindarea legăturii C+-N- din ilide.

Prin ambele trasee sintetice a și b (figura III.2) produsul brut 9 a fost izolat, prin precipitare cu acetonă și apoi succesiv purificat cu ajutorul cromatografiei pe Sephadex G-25 și G-15. Comparând randamentele pentru cei unsprezece derivați obținuți, ambele metode de sintezǎ a și b ar putea fi efectuate, în conformitate cu natura senzorului dorit. Totuși sistematic, procedura a este recomandată pentru senzorii 9, datorită unui randament mai bun, în toate cazurile. Într-adevăr, grupul p-NO2-Ph-O- este inclus în cavitatea macrociclului, inducând, astfel, o poziție favorabilă pentru cuplarea pǎrții piridinoindolizinice. Randamentele de sintezǎ ale compușilor respectivi sunt între 25 și 35%.

Figura III.2 Sinteza senzorilor indolizin-β-ciclodextrinici

Alți senzori de tipul bis-CD apar, de asemenea, în literaturǎ de specialitate. De aceea, a fost sintetizată 1,3-[bis-N-6A-deoxi-β-CD-6A-il-aminocarbonil]-7-piridin-4-il indolizina (figura III.3), ca o parte a programului respective de cercetare, pentru a descoperi o nouă clasă de senzori β-CD fluorescenți.

Figura III.3 Calea de sintezǎ pentru senzorul dimer de β-ciclodextrină

Acesta este primul senzor care conține, în structura sa, douǎ fragmente de β-ciclodextrină, legate de o indolizinǎ fluorescentă.

Printre acești senzori moleculari fluorescenți, compusul 9a a fost clasificat ca un nou comutator molecular de pH, cu o valoare pKa de 5,01. Într-adevăr, s-a demonstrat că scăderea pH-ului spre domeniul acid conduce la o atenuare drastică a emisiilor de fluorescență (figura III.4), cu o deplasare batocromǎ maximă de emisie.

Figura III.4 pH-dependența reversibilǎ a spectrelor de emisie a 9a (0.0008mM, λexc.=366nm), în H2O, la 25°C.

Pentru a elucida acest fenomen, au fost efectuate experimente utilizând RMN 2D ROESY. A fost, în mod clar, observat că: spectrul înregistrat la pH neutru afișează interacțiuni dipolare puternice între protonii localizați în interiorul nucleul β-CD și protonii aromatici din fluorofore. Aceste interacțiuni la distanță au dispărut la pH-ul acid și au reapărut, după adăugarea de soluție alcalină deuteratǎ. Astfel, aceste corelații afișate, în mod clar, de mișcarea molecularǎ interior-exterior a restului fluorescent, controlată de protonarea atomului de azotului liber din piridil, vor induce o extincție a emisiei de fluorescentǎ, în condiții acide, prin excluderea restului fluorescent hidrofob din cavitate, spre apa din mediu (figura III.5).

Figura III.5 Structura piridin-4-il-indolizin-β-ciclodextrina 9a la pH 3 și pH 7.

Toate β-CD fluorescente descrise în figurile III.2 și III.3 au fost caracterizate ca senzori pentru unii COV. Strategia, în ceea ce privește includerea de COV pe senzorii indolizinici fluorescenți 9 și 16, a fost desfășurată în trei etape: (i) determinarea constantelor de formare experimentale ale complecșilor senzor/COV folosind spectroscopia UV-vis, fie prin titrare directă, fie cu o metodǎ spectralǎ de deplasare, (ii) stabilirea sensibilitǎții senzorului față de 1-adamantanol și unii COV aromatici reprezentativi și (iii) calcul energiei de complexare calculată printr-o metoda de andocare (doking) moleculară.

III.2 Determinarea constantelor de formare

Deoarece nivelul sensibilității fluorescenței este în funcție de fracțiunea de senzor complexată, a fost determinată în primul rând capacitatea de includere a fiecărui senzor față de trei oaspeți: 1-adamantanol, pentru capacitatea sa de se lega puternic de β-CD, fenol și p- crezol, compuși semi-volatili, care pot fi considerați ca modele solubile în apă pentru benzen și toluen (COV). Determinarea constantelor de formare a fost realizată prin intermediul unei deplasǎri spectrale, de natură spectrofotometrică, cu metil-orange (MO).

Complexarea cu MO de cavitatea β-CD-ului conduce la o scădere a absorbanței, ca o consecință a încapsulării parții diazo din indicator. Apoi, adăugarea oricărui oaspete implică o disociere parțială a complexului β-CD/MO, ceea ce duce la o creștere a absorbanței, deoarece o mare parte de MO este în forma liberă. O astfel de creștere este în funcție de stabilitatea compusului de incluziune și de concentrația totală a oaspetelui. În plus, trebuie să se menționeze că operațiunea de concentrare a MO și gama de lungimi de undă observate au fost optimizate pentru a oferi cele mai mari variații la includerea cu diferiți oaspeți. Aceste modificări permit, ulterior, o determinare exactă a constantelor de formare, prin intermediul unui tratament algoritmic dedicat.

Un exemplu de variații spectrale este prezentat în figura III.6, în cazul senzorului 9j, care a fost găsit ca cel mai fluorescent. Constantele de formare sunt rezultate sunt rezumate în tabelul III.1.

Figura III.6 Spectre de absorbție (la 25 °C) pentru soluțiile care conțin: (a) MO 0.1mM,

(b) MO 0.1mM si senzor 9j 0.1mM, (c) MO 0.1 mM, senzor 9j 0.1mM și benzen 4.35mM, (d) MO 0.1mM, senzor 9j 0.1mM și toluen 6.95mM, (e) MO 0.1mM, senzor 9j 0.1mM și fenol 13mM (f) MO 0.1mM, senzor 9j 0.1mM și p-crezol 4.8mM.

Tabelul III.1 Constantele de formare (M-1) ale compușilor de incluziune formați între senzori și oaspeții diferiți la 25 °C. Incertitudinile sunt egale cu ± 10%.

Întâi de toate, dacă se compară valorile obținute pentru β-CD și cele ale senzorilor, se pare că stabilitǎțile compușilor de incluziune sunt foarte asemănătoare, ceea ce duce la concluzia că puține interacții sterice apar între diferiții oaspeți și partea indolizinicǎ a senzorului. Acest lucru este în acord cu structurile așa-numite “cavitatea deschisǎ” ale senzorilor, deoarece încapsularea oaspeților nu implică nici o expulzare a fragmentului fluorescent. În plus, și cum era de așteptat de la capacitatea de includere a β-CD, există o puternică diferențǎ de recunoaștere între oaspeții aromatici și 1-adamantanol. În timp ce valorile stabilității sunt apropiate pentru fenol și p-crezol, 1-adamantanol-ul conduce la o valoare semnificativ mai mare a constantei de formare. Într-adevăr, geometria tridimensionalǎ a 1-adamantanol-ului, în comparație cu fenolul și p-crezolulul care sunt planare, ar trebui să conducă la o umplere mai bunǎ a cavitații interne, crescând astfel stabilizarea prin forțe van der Waals a compusului de incluziune. Putem observa in figura III.7 suprafața molecularǎ a complecșilor senzorului 9f fiind vizibil gradul de ocupare al fiecǎrui compus inclus.

Figura III.7 Conformațiile cele mai stabile ale compușilor de incluziune formate între

senzor 9f și fenol (a), crezol (b) și 1-adamantanol (c).

III.3 Determinarea factorilor de sensibilitate

1-Adamantanol-ul a fost ales în calitate de oaspete, pentru a determina sensibilitatea senzorilor fluorescenți 9 și 16, pentru capacitatea sa de se lega puternic în cavitatea interioară a β-CD și, de asemenea, pentru natura sa non-fluorescentǎ, care nu va interfera cu măsurătorile ulterioare ale fluorescenței. Un exemplu de spectrele de fluorescențǎ obținute pentru senzorul 9j este prezentat în figura III.7.

Factorul de sensibilitate ΔI/I0 a fost folosit pentru a cuantifica sensibilitatea sistemului, unde ΔI=I-I0 și cu I și I0 au fost notate intensitățile de emisie, în prezența și în absența oaspeților. Valorile pentru ΔI/I0 ale celor unsprezece senzori sunt rezumate în tabelul III.2.

Tabelul III.2 Factorii de sensibilitate ΔI/I0 față de 1-adamantanol, calculat pentru maximul de emisie al fiecărui senzor, la pH 7 și [1-adamantanol] = 10×[senzor].

Figura III.7 Spectrele de fluorescențǎ (a) ale senzorului 9j în soluție apoasă (0.08mM,

la 25 °C), la diferite concentrații de 1-adamantanol (b) 0.002mM, (c) 0.008mM,

(d) 0.0125mM, (e) 0.02mM, (f) 0.05mM, (g) și 0.08 mM (h) 0.2mM.

În general, spectrul de fluorescențǎ al senzorilor de 9 și 16 are un singur pic în regiunea λmax de 438-470nm, lungimea de undă de excitare fiind între 274 și 370nm. Prin studierea datelor cantitative, prezentate în tabelul III.2, s-a aflat că două comportamente opuse ale acestor senzori indolizinici pot fi observate în timpul includerii oaspeților. Valorile pozitive ale factorilor de sensibilitate indică o creștere a intensității emisiilor în timpul includerii 1-adamantanol în cavitatea lor. În contrast, valorile negative ale aceluiași factor sugerează o scădere a intensității emisiilor în timpul incluziunii. Cu toate acestea, senzorii fluorescenți indolizinici cu valori mici ale factorilor de sensibile ar putea fi considerați ca posibili markeri. Rezultatele obținute cu acești senzori indolizinici fluorescenți sunt comparabile cu cele descrise în literatura de specialitate pentru diferiți senzori fluorescenți care conțin β-CD și chiar mai mare pentru senzorii 9e și 9j, comparativ cu 6-O-dansyl-β-CD (ΔI/I0=0.39 pentru 1-adamantanol).

Au fost efectuate aceleași experimente pentru două specii semi-volatile, fenol și p-crezol. Rezultatele obținute pentru unii dintre senzori sunt prezentate în tabelul III.3.

Tabelul III.3 Factorii de sensibilitate pentru patru senzori diferiți și oaspeți semi-volatili.

După cum se poate vedea, indiferent de creșterea sau scăderea intensității fluorescenței, în timpul incluziunii 1-adamantanol-ului, fiecare senzor prezintă o scădere în timpul incluziunii oaspeților aromatici. Unele deplasări batocrome, la includerea oaspeților, au fost, de asemenea, observate. Ca de exemplu, în figura III.8 sunt ilustrate spectrele de fluorescență ale senzorului 9c, în prezența celor trei oaspeți studiați.

Figura III.8 Spectrele de fluorescenta ale senzorului 9c, în soluție apoasă (0.0002mM, 25 °C), în prezența a 1-adamantanol 0.4mM, p-crezol 5mM și fenol 10mM.

Din aceste rezultate s-a descoperit că senzorul de cel mai bun, din această clasă de compuși, este (N-6-deoxi-β-ciclodextrin-6-il)-1-aminocarbonyl)-3-(4-fluorobenzoyl)-7-piridin-4-il indolizina 9j (a se vedea figura III.2). Deci, s-a determinat sensibilitatea acestuia pentru douǎ COV, benzen și toluen. Spectrele obținute sunt prezentate în figura III.9, în cazul toluenului și valorile factorilor de sensibilitate sunt prezentate în tabelul III.4.

Figura III.9 Spectrele de fluorescenta (a) ale senzorului 9j în soluție apoasă (0.1 mM, 25 °C),

la concentrații diferite de toluen (b) 2.7mM, (c) 5.4mM, (d) de 13.5mM,

(e) 18.9mM, (f) 27mM.

Tabelul III.4 Factorii de sensibilitate ale senzorului 9j față de benzen și toluen.

Factorii de sensibilitate obținuți pentru cei doi compuși organici volatili sunt apropiați de cei ai analogilor semi-volatili, deoarece singura diferență dintre acești compuși este grupa hidroxil și validează utilizarea acestor compuși ca modele pentru studiile alcătuite.

III.4 Modelare molecularǎ

O căutare multiconformatională a fost realizatǎ pe senzori și a fost urmată de o optimizare a geometriei în două etape: o minimizare preliminară, folosind metoda MM3 și apoi o minimizare AM1, fără a impune restricții. Între cele două tipuri generale de structurǎ care ar fi putut fi identificate, geometria conformerului de tip deschis este mai stabilǎ decât aceea a conformerului acoperit. Structura cea mai stabilă are fragmentul fluorescent orientat în așa fel încât puține interacțiuni apar cu cavitatea β-ciclodextrinei și, desigur, cu atât mai puțin, nici includerea în cavitatea acesteia nu este observată (figura III.10).

Figura III.10 Structura celor mai stabili conformerilor ai senzorilor 9a, 9c, 9d, 9e și 9f.

Ar trebui subliniat faptul că diferitele unghiuri diedre care leagă β-ciclodextrina de brațul fluorescent sunt constrânse de influența stericǎ a macrociclului dextrinic, astfel încât comportamentul dinamic al senzorului ar trebui să conducă la coexistența mai multor conformații deschise. Astfel de conformații reprezintă doar un instantaneu al β-CD modificate, dar pot arăta în ce măsură senzorii sunt în măsură să realizeze includerea compușilor organici ca oaspeți.

În acest scop, a fost evaluat câștigul de energie datorat asocierii de molecule oaspete (benzen, toluen, fenol și p-crezol) cu senzorul 9j, luând în considerare raportul 1:1 al complexului gazdă-oaspete. Cu alte cuvinte, am calculat energia de stabilizare ΔE ca urmare a includerii oaspeților în cavitatea interioară a senzorului. Valorile corespunzătoare și conformațiile sunt prezentate în tabelul III.5 și figura III.11.

Tabelul III.5 Energia de complexare calculatǎ, ΔE (kcal/mol).

Cum fracțiunea fluorescentǎ se păstrează în afara cavității, nu există nici o împiedicare stericǎ în timpul andocării pentru oricare oaspete. Acest rezultat explică faptul că valorile constantelor de formare observate pentru senzorii abordați au fost apropiate de acelea corespunzătoare β-CD, apendicele fluorescent având o influență redusă asupra complexǎrii. Mai mult decât atât, interacțiunile van der Waals sunt cunoscute ca fiind o parte dominantă a energeticii de stabilizare, includerea de toluen se va a fi mai stabilizantă decât aceea a benzenului, în timp ce crezolul este mai bine recunoscut decât fenolul. Ambii compuși hidroxilați prezintă, de asemenea, ΔE mult mai negative decât speciile lor apolare corespunzătoare. Aceste rezultate sunt în acord cu valorile experimentale, pentru cǎ se obține aceeași ordine de stabilitate. Deoarece cei patru oaspeți prezintă o structură similară, componenta entropicǎ de complexare este probabil să fie proporțională cu aceea entalpicǎ, în conformitate cu raportul entalpie/compensarea entropicǎ. Astfel, nu este surprinzător faptul că variația entalpiei calculată, ΔE, poate fi corelatǎ calitativ cu constantele de formare.

Figura III.11 Reprezentarea, văzută de sus, a conformației complexului gazdă-oaspete

(a) benzen, (b) toluen, (c) fenol și (d) p-crezol, cu senzorul 9j.

Senzorul 16 a fost construit ca și alți senzori din baza de date structurale, folosind biblioteca Cache. Structura cea mai stabilǎ a fost optimizatǎ, după o căutare multiconformaționalǎ bazatǎ pe câmpul de forță MM3, cu Hamiltonianul AM1 în stare gazoasă și, de asemenea, în apă. Conformația cea mai stabilă este ilustrată în figura III.12.

După cum se poate observa, fracțiunea bipiridinicǎ a fragmentului indolizinic acoperă fața primarǎ a uneia din cele două β-ciclodextrine. Mai mult decât atât, cele două cavități sunt direcționate în așa fel încât să nu apară nici o cooperare. Categoric, includerea oaspeților fenol, p-cresol sau 1-adamantanol necesită conformația "față în față" a dimerului, pentru a permite interacțiunile simultane ale oaspeților, cu cavitățile. Aceste rezultate ar putea explica eficiența relativ micǎ observatǎ în detecția fluorescenței: coeficienții de sensibilitate la includere a fenolului și p-crezolului, cu senzorul 16 sunt egali cu -0.05 și respectiv -0.09.

Figura III.12 Structura cea mai stabilǎ a senzorului dimeric 16.

CONCLUZII

Datoritǎ proprietǎților unice ale β-ciclodextrinei, aceasta a fost aleasa în calitate de captor. Aceasta prezintǎ o cavitate suficient de hidrofobǎ pentru ca moleculele de poluanți organici prezente sǎ fie captate. Mai mult captarea este la nivel stereochimic si nu bazatǎ pe reactivitate, realizându-se predominant prin intermediul interacțiunilor van der Walls, astfel chiar daca structura poluantului este prea mare pentru fi inclusǎ complet în cavitatea β-ciclodextrinei este suficient ca numai o parte din acesta sa fie gǎzduitǎ în interiorul acesteia sub forma unui complex stabil. Dovada fiind datǎ în unul din tabelele din aceastǎ lucrare unde compuși relativ mari puteau totuși forma complecși stabili cu β-CD sau cu Me-β-CD.

Utilitatea captǎrii compușilor organici este justificatǎ de rolul lor decisiv în fenomenul de poluare. Am putut vedea cum aceștia intervin în ciclul fotochimic al azotului, modificându-l radical și conducând la fenomenul de ceațǎ fotochimicǎ sau smog din jurul orașelor. De altfel acești compuși organici suferǎ în atmosferǎ modificǎri structurale, în unele cazuri ajungându-se la poluanți secundari mai nocivi decât cei de plecare. Prin urmare, deși se aflǎ într-o concentrație mult mai micǎ decât poluanții anorganici, efectul lor asupra sǎnǎtǎții oamenilor, animalelor și al mediului este mult mai mare și de aici nevoie de a fi limitați sau eliminați din atmosferǎ.

O posibilǎ soluție de monitorizare a calitǎții mediului este reprezentatǎ de aceastǎ nouǎ clasă de senzori pentru compușii organici volatili, obținutǎ prin cuplarea moleculei β-CD cu indolizine fluorescente. Posibilitatea utilizǎrii acestui tip de senzor, pentru determinǎri cantitative ale compușilor organici volatili ca poluanți în apǎ, a fost pusǎ în evidențǎ indirect cu ajutorul metil-orange-ului prin spectrometria de absorbție UV-VIS. În ceea ce privește determinarea calitativǎ, sesizarea prezenței într-o soluție apoasǎ a unui anumit poluant din categoria compușilor organici volatili s-a putut realiza pe baza spectrometriei de fluorescențǎ, prin intermediul lungimilor de undǎ specifice ale maximelor intensitǎții fluorescenței.

Capacitatea de detectare obținutǎ pentru cel mai eficient compus este printre cele mai ridicate observate în domeniul β-CD. Drept consecință, este luată în vedere imobilizarea acestor senzori de β-CD pe suporturi solide, cu scopul de a include acești compuși în aparatele de determare portabile pentru detectarea COV. În plus, o parte din β-CD-urile fluorescente obținute, care nu-și arată capacitatea de detectare, pot fi utilizate ca markeri biologici, deoarece își păstrează capacitatea de includere.