CAPÍTULO III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
III.4 Oxidación catalítica para la degradación de Paraoxón® con complejos
III.3.3. Evaluar la efectividad del sistema frente al pesticida Paraoxón®
Frente a los resultados obtenidos; sabiendo que la especie de Fe(IV) está presente durante algunos segundos, se quiso observar el comportamiento que podría presentar la adición del sustrato que se quiere oxidar, Paraoxón®. Para esto, se añadió Paraoxón® al sistema antes producido a pH ácido. En la Figura 46 se sigue el comportamiento cinético de la banda absorbente del pesticida (275nm, recordar Figura 35) en el tiempo.
Figura 46. Perfil cinético de la banda de absorción de Paraoxón® (275 nm), en presencia del sistema FeTPPS/H2O2 en agua a pH 3 a 25ºC.
En esta Figura se observa claramente que no hay ninguna modificación en la banda pesticida (275 nm), evidenciando que no hay reacción aparente durante la breve existencia del sistema de oxidación catalítica, mediante la técnica de espectroscopía UV-Vis.
Por todo lo anterior, el sistema propuesto no puede degradar u oxidar el pesticida, ya que es inestable para ser utilizado en catálisis homogénea bajo las condiciones descritas. Cuando estas especies de porfirina se ven enfrentados a fuertes oxidantes donores de oxígeno como H2O2 en un sistema
homogéneo, estos complejos son rápidamente desactivados debido a la rápida abstracción de hidrógeno en el ligando.
Una opción para prevenir esta desactivación, sin cambiar el ligando, es estabilizar su centro activo con estructuras poliméricas que prevengan o retarden, su autodegradación.
Es así, que se propuso la creación de complejos de inclusión entre las especies de porfirina de hierro y un macrociclo; una ciclodextrina.
Se conoce que las ciclodextrinas son macrociclos ampliamente utilizados como anfitrión en medio acuoso, debido a su cavidad relativamente hidrofóbica donde moléculas orgánicas de adecuado tamaño se pueden incorporar para formar un complejo de inclusión, o también llamado sistema de anfitrión- huésped, en disolución acuosa.[139-141]
Se ha reportado que dentro de las ciclodextrinas que conforman un complejo de inclusión eficiente en conjunto con complejos de porfirina son las b- ciclodextrinas, en específico: (2,3,6-tri-O-methyl)-b-ciclodextrina [TM-b-CD] y 2-hidroxipropil-b-cicledextrina [HP-b-CD] y que además el uso de KHSO5 da
resultados de oxidación más eficientes que el uso de H2O2 para estos
sistemas.[140]
Por lo anterior, en este estudio se incluye la presencia de la especie de [HP-b- CD](Figura 47) para estabilizar la especie de FeTPPS, como se observa a continuación.
Figura 47. Estructura de HP-b-CD
La Figura 48 muestra el espectro de la especie de porfirina FeTPPS en ausencia y en presencia del macrocliclo HP-b-CD.
Figura 48. Espectros de FeTPPS (–) y FeTPPS en presencia de HP-b-CD (--) en agua a pH 3, a 25º C.
El peak a 395 nm, corresponde a la banda soret de la porfirina en ausencia de HP-b-CD (línea negra). Luego, se ve un corrimiento a 420 nm, correspondiente a la banda soret de la porfirina, en presencia de HP-b-CD, comprobando así la formación del complejo de inclusión (línea roja).[140]
Para comprobar que el complejo de inclusión formado por la especie de porfirina y de ciclodextrina fuera efectivo para la estabilización de FeTPPS y prevenir su autooxidación, es que se adicionó el oxidante H2O2. Esta vez, no
hubo variación drástica en la banda de la porfirina en el tiempo, manteniéndose estable en un tiempo considerable (Figura 49), en comparación con la Figura 36. Su decaimiento ocurrió luego de más de 20 minutos, recordando que cuando no se tenía la incorporación de este macrociclo, el tiempo de autodegradación de la especie de porfirina ocurría en una escala de milisegundos. Esto indica que este sistema es bastante más estable en el tiempo frente a la acción de oxidantes, comparado con el complejo de porfirina
solo, sin la adición del macrociclo, lo que daría una posibilidad para utilizarlo frente a la degradación/oxidación de algún contaminante.
Figura 49. Decaímiento de la banda de absorción de FeTPPS en el tiempo en
presencia de HP-b-CD, debido a la adición de H2O2. En el inserto, epectro de
absorción del complejo de inclusión en el tiempo.
Ya teniendo solucionado el problema de estabilidad del centro de hierro de FeTPPS, se probó el sistema FeTPPS/HP-b-CD/H2O2 con Paraoxón®.
En la Figura 50 se observa el comportamiento de la banda absorción (275 nm) del pesticida en el tiempo, la cual permanece constante, mientras va decayendo la banda de absorción del complejo de inclusión.
Figura 50. Espectro seguido en el tiempo del comportamiento de complejo de inclusión de FeTPPS con HP-b -CD, Paraoxón® (275 nm) y H2O2 a 25ºC.
Como se observa en la Figura 50, a pesar de la inclusión de un macrociclo, y con la adición de un oxidante de menor potencia, para favorecer, por un lado la estabilidad del sistema, y por el otro, el tiempo de existencia de la especie reactiva deseada de Fe(IV), no hay un cambio drástico en la banda de absorción del Paraoxón®. Sin embargo, sí se observa una leve modificación en su comportamiento, en el inserto (zoom), de la Figura 50.
Esto, podría dar indicios de pequeñas modificaciones en su estructura inicial, que; por un lado, puede que haya reacción en un pequeño porcentaje de conversión, o bien, los posibles productos absorben en bandas semejantes, como los productos de oxidación reportados por Oppenoorth [105] que es el
Banda absorción de Paraoxón®
diester de fosfato del Paraoxón® y el ácido acético. Por lo tanto, se necesitan otras técnicas para identificar su existencia.
Como se observó en la Figura 50, la banda de absorción del Paraoxón® se ve modificada muy levemenente, mostrando un posible cambio en su estructura, el cual se podría observar mejor por otra técnica analítica más sensible. Sin embargo, se descarta que uno de los productos sea p-nitrofenolato, unos de los productos propuestos por literatura. Esto, ya que ese producto es de color amarillo, y tiene una banda de absorción a 420 nm apróximadamente. En este caso, no se osbervó ni la banda en el espectro UV-Vis, ni tampoco un cambio de color aparente en la celda de reacción.
III.4.4. Análisis de producto
En función de determinar posibles productos de reacción de degradación u oxidación de Paraoxón®, se utilizaron diferentes técnicas analíticas, tales como UV-Vis, RMN-31P y ESI-MS.
Como se mencionó anteriormente, cuando la reacción entre el complejo de inclusión formado por FeTPPS y HP-b-CD, y Paraoxón® en presencia del oxidante H2O2, en medio acuoso, se siguió mediante espectroscopía UV-Vis
(Figura 50), se observó una leve modificación en la banda de absorción del pesticida.
Suponiendo que un posible producto de reacción es el producto fosforilado O-
etil, O-p-(nitrofenil)fosfato diéster, se analizó el espectro de absorción de una muestra autentica de O-etil, O-nitrofenil fosfato, sintetizada por nuestro grupo de estudio. La Figura 51 muestra el espectro UV-Vis de O-etil, O-p- (nitrofenil)fosfato diéster, donde se observa una banda de absorbancia máxima a 290 nm.
Figura 51. Espectro UV-Vis de O-etil-O-p-(nitrofenil)fosfato diéster.
Este posible producto absorbe muy cercano a la banda de absorción máxima del sustrato Paraoxón® (275 nm). A pesar de que el entorno es bastante distinto debido a la presencia de macrociclos como el complejo de porfirina y de ciclodextrina, no se observa un incremento de esta banda a 290 nm en el espectro de la Figura 48. Descartando así, la presencia o aparición de este producto vía UV-Vis.
Además, se realizaron mediciones de espectroscopía de resonancia magnetica nuclear de fósforo (RMN-31P) para observar algún cambio en la
señal característica del Paraoxón®, la cual se encuentra a -7,4 ppm apróximadamente.
La Figura 52 muestra el espectro de RMN-31P a tiempo final de la reacción
descrita entre Paraoxón® y el complejo de inclusión de FeTPPS con HP-b - CD, en presencia de la adición de H2O2.
Figura 52. Espectro de RMN-31P de la reacción entre Paraoxón® y el complejo
de inclusión de FeTPPS con HP-b -CD, en presencia de la adición de H2O2.
En esta Figura se observa un solo producto fosforado a -6,58 ppm. Según bibliografía y con evidencia también rescatada de la primera parte de esta tesis, éste producto podría corresponder a la especie O-etil, O-p- (nitrofenil)fosfato diéster, la cual tiene la señal de RMN-31P característica en -
6,5ppm. El espectro de RMN-31P de una muestra auténtica en agua a pH
ácido, se ve en la Figura A77 en anexos, Los resultados muestran que pose un desplazamiento a -6,52ppm.
Sin embargo, para comprobar que en la reacción estudiada se obtiene el producto O-etil, O-p-(nitrofenil)fosfato diéster, se mide el espectro de RMN-31P
del sustrato, Paraoxón®, en las mismas condiciones experimentales, pero sin la adición del oxidante H2O2.(Sólo en presencia de FeTPPS y HP-b-CD). Este
espectro se observa en la Figura A78 en anexos. Los resultados muestran que el desplazamiento químico del Paraoxón® en estas condiciones se encuentra en -6,60ppm.
Por lo anterior, no se puede determinar si el desplazamiento observado en la Figura 52, corresponde al posible producto O-etil, O-p-(nitrofenil)fosfato diéster, o bien al Paraoxón® que no reaccionó, sino que sólo se desplazó por su entorno.
Finalmente, para dilucidar algún producto de reacción en la degradación de Paraoxón® mediante oxidación catalítica, se realiza un análisis de producto por espectrometría de masas de alta resolución, ESI-MS. Para entender el sistema, se realizaron espectros de masas de agua sola, Paraoxón® en medio acuoso, FeTPPS en medio acuoso, HP-b-CD en medio acuoso. Todos los espectros se realizaron por duplicado, en modo positivo y negativo, considerando un barrido de masas desde 50 a 300 m/z bajo las mismas condiciones para todos (Figuras 53-55 y A79 a A85, en anexo). En el siguiente análisis sólo se discutirá sobre los espectros que se encuentran en modo negativo, debido a que las ionizaciones, fragmentos y posibles productos de las especies se visualizan mejor en este modo.
La Figura 53 corresponde al análisis ESI-MS del agua pura. Los resultados muestran algunas masas importantes, tales como 68,9445 m/z y 112,9844 m/z, entre otras, que podrían pertenecer al equipo, o bien impurezas del medio acuoso. Este espectro sirvió como un blanco y las masas encontradas acá luego se restaron de los siguientes espectros.
Figura 53. Espectro de masas ESI-MS de agua miliQ a pH 3, en modo negativo.
La Figura 54 reporta el espectro de ESI-MS de Paraoxón® en medio acuoso. Los resultados muestran algunas masas, en donde destacan la de 59,9840 y 246,0172 m/z, destacadas en color azul (sin considerar todas las coincidentes con el blanco de la Figura 53).
Figura 54. Espectro de masas ESI-MS de agua miliQ a pH 3 + Paraoxón®, en modo negativo.
La Figura A81 corresponde al espectro de masas de una muestra de FeTPPS en agua, en donde no se aprecia ninguna masa del complejo, sólo las coincidentes con la muestra usada como blanco(Figura 53).
La Figura A83 corresponde al espectro de masas de una muestra de HP-b-CD en agua, donde solo destaca una masa de pequeña intensidad de 158,8459 m/z.
La Figura 55 se muestra el espectro de masas ESI-MS de la reacción a tiempo final producida entre el complejo de inclusión de FeTPPS y HP-b-CD, en medio acuoso a pH 3, con la adición de Paraoxón® y finalmente del oxidante H2O2.
59, 98 40 246, 0 172
Figura 55. Espectro de masas ESI-MS de agua miliQ a pH 3 + Paraoxón® + FeTPPS + HP-b-CD + H2O2, en modo negativo.
De la Figura se destacan nuevamente las masas de 59,9840 y 246,0171 m/z, las cuales también se observaron en el espectro del Paraoxón® sólo en medio acuoso (Figura 54). Estas masas podrían corresponder a los productos de la reacción de oxidación del Paraoxón®, tal como fue reportada por Oppenoorth [105], según muestra el Esquema 3.
Esquema 3. Esquema propuesto de reacción de oxidación de Paraoxón®.
Debido a que estas masas se aprecian tanto en la muestra original de Paraoxón®(Figura 54) y en el espectro de masas ESI-MS de la reacción de estudio (Figura 55), no se puede concluir que sean productos de reacción del sistema propuesto, o bien, sólo fragmentos producidos por la ionización del pesticida. 59, 98 40 96, 96 89 246, 0 171 138, 0 186
En esta misma Figura 55, destacan otras dos masas: 138,0186 y 96,9689 m/z., destacas en círculo rojo. Una de ellas podría corresponder a un producto de reacción de oxidación de Paraoxón® según la vía de reacción propuesta en el Esquema 4.
Esquema 4. Esquema propuesto de reacción de oxidación de Paraoxón®.
Mediante una primera oxidación, se podría obtener el producto p-nitrofenolato, el cual se sabe además que tiene un color característico amarillo y una banda de absorbancia cercana a los 400 nm. Ambas características nunca se observaron, debido a que la banda Soret de la porfirina y la del p-nitrofenolato se encuentran en el mismo rango de absorción, por lo que no se puede descartar la existencia de este producto. De todas maneras es posible que este producto se produce en muy pequeñas cantidades. Por otro lado, la masa de 96,9689 m/z podría corresponder al producto de reacción de una oxidación
consecutiva del primer producto O,O-dietil fosfato, la cual podría ocurrir debido a que se trabaja en condiciones de pseudo-primer-orden, o exceso de oxidante y complejo de inclusión, frente al Paraoxón®.
Finalmente, frente a todos los antecedentes antes expuestos; no se descarta por completo la degradación u oxidación del pesticida Paraoxón® con la utilización del sistema propuesto de oxidación catalítica. Se han reportado casos en los que este sistema ha sido efectivo para la oxidación de otros compuestos como tetrabromobifenol, sin embargo, en este caso en particular, el pesticida propuesto para la oxidación es altamente resistente y este sistema en específico da resultados en pequeños porcentajes.
Para diseñar un sistema más eficiente, que imite al sistema de catalizadores naturales como la catalasa, peroxidasa o las enzimas P450, se debe alcanzar un sistema de ligando catalizador sintético que resista las condiciones de oxidación agresivas durante un tiempo suficiente para que sea realmente útil. Es importante mencionar que esta dificultad de diseño se ve minimizada en las enzimas debido a presencias de proteínas que canalizan la reactividad y mantienen adyacente el sustrato objetivo al sitio activo antes que se inicia el ciclo catalítico. Este desafío al diseño de ligandos ha sido alcanzado solamente por Collins y colaboradores, mediante los complejos de Fe(III)- TAML (TAML: ligandos de tetraamido por sus siglas en inglés), quienes lograron la degradación del pesticida Fenitrotión®. Cabe mencionar que la síntesis de estos complejos está patentada. [142]