Resumen: E-027 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2006 Estudio de transferencia de protones en bases de Schiff mediante acoplamientos J(NH) Zarycz, Natalia - Aucar, Gustavo A. Universidad Nacional del Nordeste - Facultad de Ciencias Exactas, Naturales y Agrimensura Av Libertdad 5470 - CP: (3400) Corrientes. Argentina Email: gaa@unne.edu.ar Introducción Las bases de Schiff derivadas del aldehído salicílico han sido objeto de numerosos estudios debido a sus diversas aplicaciones en química, biología y tecnología [1, 2]. Las propiedades de estas bases están directamente relacionadas con la existencia de un enlace de hidrógeno intramolecular y la transferencia de protón en el equilibrio: OH - - - N=C <=> O - - - HN [3]. En estas bases se ha confirmado la existencia de un equilibrio tautomérico, ver Fig. 1, a temperatura ambiente mediante estudios espectróscopicos de RMN [4, 5]. IFigura1. Equilibrio tautomérico en las bases de Schiff X= 5-Cl; 3,5-diCl Estos sistemas han sido estudiados en cierta extención por W. Schilf y colaboradores. Los estudios de Schilf se han orientado a determinar el desplazamiento del equilibrio tautómerico, es decir el tautómero predominante, y la formación de enlaces de hidrógeno intramoleculares en varias de estas bases utilizando medidas experimentales de propiedades de RMN, más especificamente constantes de acoplamiemto spin-spin y apantallamientos magnéticos. De acuerdo con Schilf y colaboradores [3], la prueba más sensible de la transferencia de protón originada en el enlace de hidrógeno OH- - N, en el equilibrio tautomérico, es la constante de acoplamiento indirecto J(NH). Para un equilibrio entre dos especies A<=>B, que es el caso para la transferencia de protón en las bases de Schiff, el valor J(NH) es linealmente dependiente de la fracción molar de la forma tautomérica NH [5,6]. Los valores de J(NH) observados experimentalmente son un promedio de los valores correspondientes a las formas tautoméricas puras OH y NH. Para la forma OH el valor aceptado es 0 Hz [3], aunque hay quienes sugieren que es 1,5 Hz [7]. Para la forma tautomérica NH se han encontrado valores que van desde 87 a 95 Hz [7, 8]. El objetivo de este trabajo es determinar, mediante cálculos teóricos de mucha precisión, los valores de las constantes de acoplamiento J(NH) para las formas tautoméricas puras de algunas de estas bases, y así contribuir a dilucidar si los valores experimentales publicados en varios de los trabajos de Schilf corresponden a formas tautoméricas puras o a una mezcla de ambas. Se pretende además establecer los mecanismos electrónicos involucrados, es decir, cual (es) de los distintos mecanismos posibles es (son) el (los) principal (es). Métodos y Aspectos computacionales Las geometrías se optimizaron a nivel HF utilizando el conjunto de bases cc-pVDZ. Las geometrías obtenidas de este modo se compararon con las geometrías experimentales de compuestos semejantes en los casos en los que éstas estaban disponibles. Para realizar el cálculo de las propiedades se utilizaron los métodos SOPPA y DFT con la funcional de densidad B3LYP disponibles en el paquete de programas DALTON [9 ]. Se utilizaron distintos esquemas de bases, los cuales se detallan en las tablas correspondientes. Se emplearon bases de funciones gausianas de distintos tamaños, desde el conjunto de bases 6-31G al conjunto cc-pVTZ. El tamaño máximo de dichas bases estuvo determinado por la actual implementación del método SOPPA que no permite realizar cálculos con un número de funciones de base mayor a 255. Resumen: E-027 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2006 Resultados y discusión Optimización de geometrías: En la tabla 1 se presentan las geometrías experimentales y optimizadas en forma teórica para el tautómero OH 5-Cl derivado. Tabla 1 . Distancias de los enlaces teóricas y experimentales para el tautómero OH 5,Cl-derivado Todos los valores están en angstrom. C6---C5 Enlace Valor teór. 1.37 Valor exp. 1.37 C6---C1 1.39 1.40 C1---C2 1.40 1.40 C2---C3 1.39 1.39 C5---C4 1.38 1.39 C4---C3 1.36 1.38 C7---C3 1.45 1.47 C4---O 1.36 1.33 C7---N1 1.26 1.26 C5---Cl 1.75 1.75 En cuanto a la numeración de loe átomos que aparecen en la tabla 1: el C1 es al átomo del anillo al que se encuentra unida la cadena lateral que contiene N, luego se continuan enumerando los átomo del anillo en sentido antihorario hasta C6. El C7 es el átomo de C directamente unido al anillo. Se observa que los valores de las distancias de enlace teóricas y experimentales son muy semejantes. La máxima variación es de 0.03 angstrom . Esto nos permite utilizar la geometría obtenida en forma teórica con confianza, para la evaluación de las propiedades magnéticas. En particular, nos permite trabajar con las geometrías obtenidas teóricamente de los modelos moleculares para el tautómero OH 3,5-diCl derivado y para los tautómero NH 3-Cl y 3,5diCl derivados, cuyas geometrías experimentales no fueron determinados aún o no se encuentran accesibles. Cálculo de constantes de acoplamiento A. Tautómero OH Los valores obtenidos para el acoplamiento J(NH) se muestran en la tabla 2. Tabla 2. Valores de J(NH) totales y contribuciones FC, SD, DSO y PSO para los tautómeros OH indicados. Compuesto 5-Cl derivado 3,5-Cl derivado a *SOPPA DFT (B3LYP) SOPPA DFT (B3LYP) J(NH) SOPPA Isotropic coupling Isotropic DSO contribution Isotropic PSO contribution Isotropic SD contribution Isotropic FC contribution Nº de funciones base Distacia N-H 3.59 Hz 3.6964 Hz -0.51 Hz -0.5104 Hz 0.71 Hz 0.6494 Hz -0.06 Hz -0.0447 Hz 3.45 Hz 3.6021 Hz 176 144 1.86 A 3.70 Hz -0.51 Hz 0.78 Hz -0.04 Hz 3.46 Hz 211 2.59 Hz 0.25 Hz 0.99 Hz -0.10 Hz 1.44 Hz 156 1.84 A 2.01 Hz 0.25 Hz 0.99 Hz -0.17 Hz 0.94 Hz 228 (a) Valor empírico [3,7]: 0-1.5 Hz. Bases utilizadas: 5-Cl derivado SOPPA *SOPPA DFT 6-31G:C1, C2, C3, C4, C5, C6, C1. 6-31G: C1, C2, C3, C4, C5, C6, Cl. 6-31G**: C1, C2, C3, C4, C5, C6, C1. cc-pVTZ: C7, H1, O, N. cc-pVDZ:C7,O/ cc-pVTZ :H1,N. cc-pVTZ: C7, H1, O, N. minimal:para el resto de los H. minimal: para el resto de los H. minimal: : para el resto de los H. 3,5-Cl derivado Bases utilizadas SOPPA DFT 6-31G: C1, C2, C3, C4, C5, C6, Cl1, Cl2. 6-31G**: C1, C2, C3, C4, C5, C6, Cl1, Cl2. cc-pVDZ: C7, O. cc-pVTZ: C7, O, H1, N. cc-pVTZ: H1, N. minimal: para el resto de los H. minimal: para el resto de los H. En todos los casos el H1 es el H unido al O. Se observa que los resultados teóricos son relativamente mayores, aunque del mismo orden, que los sugeridos en las referencias [3, 7 ] . Como se puede ver, tanto el cálculo SOPPA como el DFT con la funcional B3LYP dan valores muy cercanos entre sí. Se observa también que para ambos compuestos, es decir, el que tiene un sustituyente Cl y el que tiene dos sustituyentes Cl, el mecanismo predominante es el contacto de Fermi (FC). En el caso del derivado con un Cl en posición para respecto del oxígeno las contribuciones DSO y PSO aproximadamente se anulan entre sí. El efecto de la inclusión de un segundo Cl en la misma molécula en posición orto respecto del oxígeno para dar el 3,5-diCl derivado hace que disminuya en aproximadamente 1 Hz el acoplamiento J(NH); aunque la distancia N-H se mantiene Resumen: E-027 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2006 aproximadamente constante. Un hecho importante es que el mecanismo de contacto de Fermi disminuye en aproximadamente 2 Hz y que la contribución DSO se hace en este caso positiva. Otro aspecto por remarcar es la escasa dependencia de estos valores con las bases utilizadas. B. Tautómero NH En la tabla 3 se presentan los resultados obtenidos. Tabla 3. Valores de J(NH) totales y contribuciones FC, SD, DSO y PSO para los tautómeros NHindicados. Compuesto b J(NH) Isotropic coupling Isotropic DSO contribution Isotropic PSO contribution Isotropic SD contribution Isotropic FC contribution Nº de funciones base Distacia N-H 5-Cl derivado 3,5-Cl derivado SOPPA DFT (B3LYP) -78.72 Hz -78.60 Hz -0.37 Hz -0.37 Hz -1.58 Hz -1.67 Hz -0.24 Hz -0.29 Hz -76.53 Hz -76.25 Hz 176 211 SOPPA DFT (B3LYP) -79.73 Hz -78.73 Hz -0.37 Hz -0.37 Hz -1.67 Hz -1.66 Hz -0.23 Hz -0.29 Hz -77.45 Hz -76.40 Hz 156 228 1.00 A 1.00 A (b) Valor empírico [3,7]: 87-95 Hz 5-Cl derivado Bases utilizadas: SOPPA DFT 6-31G: C1, C2, C3, C4, C5, C6, Cl. 6-31G**: C1, C2, C3, C4, C5, C6, Cl. cc-pVTZ:C7, H1, O, N. cc-pVTZ:C7, H1, O, N. minimal: para el resto de los H. minimal: para el resto de los H. 3,5-Cl derivado Bases utilizadas SOPPA DFT 6-31G: C1, C2, C3, C4, C5, C6, Cl, Cl. 6-31G** : C1, C2, C3, C4, C5, C6, Cl, Cl. cc-pVDZ:C7, O. cc-pVTZ:C7, H1, O, N. cc-pVTZ:H1, N. minimal: para el resto de los H. minimal: para el resto de los H. En todos los casos el H1 es el H unido al átomo de N. Igual que en el caso de los tautómeros OH el mecanismo predominante en este caso es el contacto de Fermi, aunque para esta forma tautomérica su predominio es mucho más marcado. Para ambos compuestos todas las contribuciones al acoplamiento tienen signo negativo. La introducción de un segundo Cl en la molécula no produce cambio significativo en el valor total de J, ni a sus distintas contribucions, lo que es diferente de lo que ocurre para los tautómeros OH. Conclusiones Se corroboraron en forma teórica las hipótesis planteadas a partir de resultados experimentales. Los acoplamientos J(NH) son muy dependientes de la presencia de un enlace de hidrógeno OH - - - N=C. Sus valores isotrópicos se corresponden con los medidos experimentalmente. Estos valores son muy similares en cálculos realizados con el método SOPPA (el más confiable de los que se disponen en la actualidad) y con DFT utilizando la funcional B3LYP. A su vez se encontró que son ciertos mecanismos electrónicos y no la diferente distancia N- - -H los que producen una pequeña variación en los mismos cuando se consideran los tautómeros OH con uno o dos sustituyentes Cl. Los mecanismos de acoplamiento más importantes son, en primer lugar el contacto de Fermi, y luego el PSO. El término DSO cambia su signo al pasar del tautómero OH mono Cl sustituido al tautómero OH di Cl sustituido. Bibliografía [1] E. Hadjoudis, Mol. Engng. 5, 301 (1995) [2] T. Dziembowska, Polish. J. Chem. 72, 193 (1998) [3] W. Schilf, B. Kamienski, T. Dziembowska, Z. Rozwadowski, A. Szady-Chelmieniecka, J. Mol. Struct. 552, 33 (2000) [4] Z. Rozwadowski, T. Dziembowska, Magn. Reson. Chem. 37, 274 (1999) [5] Z. Rozwadowski, T. Dziembowska, E. Majewski, P. E. Hansen, J. Chem. Soc., Perkin Trans . 2, 2 (2000) [6] J. Sitowski, L. Stefaniak,T. Dziembowska, E. Grech, E. Jagodzinska,, G. A. Webb, J. Mol. Struct. 381,177 (1996). [7] L. N. Kurkovskaya, R. N. 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