Estudo do comportamento ácido-base da 4,4'-ditiodipiridina
1. INTRODUÇÃO
O ligante 4,4'-ditiodipiridina (DTDP) tem sido, recentemente, bastante citado
na literatura científica com substancial enfoque à sua utilização como
modificador de eletrodos para o estudo eletroquímico de metaloproteínas1 e como
ligante de ponte, exibindo notadas qualidades condutoras de densidade
eletrônica entre centros metálicos em complexos binucleares de valência mista
2-5.
Estudos cristalográficos6 sugerem que, em dissulfetos aromáticos, existem
fortes interaçõesp entre os orbitais pp preenchidos dos anéis piridínicos e os
orbitais dp vazios dos átomos de enxofre, bem como entre os orbitais pp
preenchidos dos átomos de enxofre e os orbitais pp* vazios dos anéis
piridínicos.
Os valores do comprimento de ligação S-S, ao redor de 2,03 Å, e do ângulo
diedro de 80,3o, confirmam as observações gerais de que menores comprimentos da
ligação S-S, comparativamente ao valor de Pauling7 (2,08 Å), são associadas com
valores de ângulos diedros próximos de 90o, originando uma geometria molecular,
na qual a repulsão entre os pares de elétrons não ligantes dos átomos
adjacentes são mínimas e as interações p máximas6.
Cheng e Ritchie8 realizaram estudos posteriores em solução e calcularam,
através do momento de dipolo e da constante molar de Kerr, os valores a=73o e
f=5o. Tais valores reforçam a atribuição cristalográfica, sugerindo que um dos
anéis estaria torcido com relação ao outro, se afastando da coplanaridade, com
relação à ligação S-S, por apenas 5o.
Apesar dos estudos realizados por Cheng e Ritchie8, pouco se conhece acerca das
propriedades desta substância em solução, especialmente seu comportamento
ácido-base. Com o intuito de verificar essas propriedades, foram feitas reações
deste ligante com o ácido perclórico, em diferentes razões estequiométricas. As
espécies monoácido e diácido conjugados da base DTDP foram identificadas em
solução, tendo sido isolado, apenas, o diácido na forma de sal perclorato.
2. PARTE EXPERIMENTAL
2.1. Materiais e técnicas
4,4'-ditiodipiridina (Aldrich), etanol absoluto (Merck), ácido perclórico
(Riedel), óxido de deutério (Aldrich), ácido trifluoroacético (Aldrich),
hidróxido de sódio (Riedel) e nitrometano (Riedel) foram usados sem
purificações prévias.
Água bidestilada foi usada em todas as etapas experimentais.
As medidas de condutância foram obtidas pelo uso de um condutivímetro Weiss-
Techn.-Werkstatten, com célula de parede de vidro dupla, de constante
K=0,604cm-1, a 25oC. A termostatização foi efetuada através de um banho HAAKE-
FK2 com controle de temperatura de ± 0,1oC. As medidas de pH foram realizadas
utilizando-se de um pHmetro Corning, modelo 130, equipado com eletrodo de vidro
combinado Metrohm modelo EA-120.
As análises elementares de C, N e H foram efetuadas no Instituto de Química da
USP de São Paulo, em um analisador da Perkin Elmer, modelo 2400-CHN.
Os espectros vibracionais, na região do infravermelho, foram obtidos em um
espectrofotômetro Nicolet 55XC. As amostras sólidas foram preparadas sob forma
de pastilhas de KBr.
Os espectros de ressonância magnética nuclear foram obtidos em um espectrômetro
Bruker modelo AC 200, utilizando-se óxido de deutério como solvente e o 2,2-
dimetil-2-silapentano-5-sulfonato de sódio, DSS, como padrão interno.
Os espectros eletrônicos foram obtidos em solução e, em alguns casos, no estado
sólido, na forma de pastilhas de KBr, pelo uso dos espectrofotômetros HP-8451A
da Hewlett Packard e Carry 17D da Varian.
As determinações dos valores de pKa aparente foram efetuadas pelo método
espectrofotométrico9, acompanhando-se as variações de pH do meio tamponado, de
força iônica uniforme (m=0,1 mol. L-1 em CF3COONa) sob fluxo de argônio. Os
valores das absorvâncias das soluções foram medidos em comprimentos de onda
convenientemente selecionados e em condições de termostatização (25 ± 0,1oC).
As determinações dos valores de pKa foram feitas graficamente pelo uso da
equação 1.
pH=pKa + log (A-Af/Ao-A) (1)
onde: Ao=Absorvância da espécie deprotonada
Af=Absorvância da espécie protonada
A=Absorvância da mistura
Os valores de pKa foram obtidos por interpolação no gráfico log A-Af / Ao- A
versus pH, no valor de pH para o qual log A-Af/ Ao-A=0.
2.2. Síntese do composto I
220 mg (1 mmol) de DTDP foram dissolvidos em 10 mL de etanol absoluto e postos
em condições de refluxo, sob agitação magnética. A esta solução, adicionou-se,
por gotejamento, 1 mmol de ácido perclórico diluído em 5 mL de etanol. Deixou-
se a mistura reacional sob refluxo durante 30 minutos, observando-se a formação
de um precipitado branco cristalino. Em seguida, o sistema foi resfriado à
temperatura ambiente e, logo após, em refrigerador. O sólido obtido foi
filtrado em funil de placa porosa, por sucção a vácuo, seguido de exaustiva
lavagem com etanol absoluto e secagem em dessecador contendo CaCl2.
2.3. Síntese do composto II
A síntese foi realizada pelo uso do mesmo procedimento experimental descrito
para o composto I, variando-se apenas a proporção dos reagentes: 1 mmol de DTDP
para 5 mmol de HClO4. Os produtos obtidos foram recristalizados em etanol.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1. Caracterização
A tabela_1 mostra os intervalos de fusão e os resultados das análises
elementares para os compostos obtidos nas sínteses I e II.
Os sólidos obtidos através dos dois procedimentos sintéticos apresentaram
idênticos intervalos de fusão, o que sugere, em uma primeira análise, tratarem-
se de um único produto. Os resultados das análises elementares, também sugerem
a obtenção de um único produto, em ambos procedimentos sintéticos, e são
consistentes com a formulação C10H10N2S2 Cl2O8, denotada por DTDPH2(ClO4)2.
Soluções milimolares dos produtos obtidos nas sínteses I e II, em nitrometano,
foram termostatizadas a 25oC e submetidas a medidas de condutância molar. Os
valores obtidos : 169,43 e 170,45 ohm-1cm2mol-1 apontam, mais uma vez, para a
obtenção de um único produto e são consistentes com a formulação DTDPH2(ClO4)2,
posto sugerirem um eletrólito do tipo10 1:2.
Os espectros vibracionais na região do infravermelho, da DTDP e dos sólidos
isolados nas sínteses I e II foram obtidos com fins comparativos e de
caracterização. Os espectros dos produtos obtidos mostraram-se idênticos e
foram atribuídos ao composto DTDPH2(ClO4)2. Como principais observações,
comparativas ao espectro da DTDP, pode-se citar a banda em 3237 cm-1,
característica do estiramento N-H, a qual é ausente no espectro da DTDP. A
banda, que originalmente aparece em 1406 cm-1 no espectro da DTDP,
provavelmente experimenta um deslocamento para maior frequência, encontrando-se
superposta à banda larga em 1481 cm-1, no espectro da DTDPH2(ClO4)2. O
deslocamento observado, provavelmente é ocasionado por redistribuição de carga,
devido a protonação dos átomos de nitrogênio11. As bandas em 1105 cm-1 (forte e
larga) e em 625 cm-1 são características dos modos vibracionais do íon ClO4- de
simetria tetraédrica. As demais bandas ocorrem em energias e intensidades
bastantes similares àquelas observadas no espectro da DTDP.
O espectro na região do ultravioleta-visível da DTDP deprotonada (figura_1)
apresenta três máximos de absorção: em 230 nm, 256 nm e 290 nm . Os espectros
dos produtos das sínteses I e II, obtidos em solução aquosa, pH=4,0,
apresentaram uma banda a 294 nm, que provavelmente origina-se do deslocamento
batocrômico da banda em 256 nm presente no espectro da DTDP. Uma outra banda,
230 nm, é idêntica em energia e abssortividade molar àquela observada no
espectro da DTDP. Observa-se, também, uma forte inflexão em 274 nm, originada
de uma terceira banda que encontra-se parcialmente encoberta pela banda de
maior intensidade, que ocorre em 294 nm (figura_2).
Tendo em vista a expectativa inicial da obtenção de duas espécies distintas,
isto é, DTDPH(ClO4) e DTDPH2(ClO4)2, e admitindo-se a possibilidade de terem
ocorrido dissociações ácidas dessas espécies nas soluções das quais se
registraram os espectros, os mesmos foram, também obtidos no estado sólido, em
pastilhas de KBr. Os espectros mostraram-se idênticos (figura_3), porém
distintos do espectro obtido em solução. O aparecimento das bandas em 236 nm,
274 nm e 322 nm é indicativo da existência, no estado sólido, de uma outra
espécie, provavelmente DTDPH2(ClO4)2, conforme sugerido pelos resultados de
análise elementar. O espectro obtido em solução seria representativo do
monoácido DTDPH+ conjugado da base DTDP, que teria sido originado da ionização
da espécie diácida DTDPH22+ em solução aquosa, a pH=4,0.
O espectro obtido em solução aquosa (pH=1,5), ilustrado na figura_4, mostrou-se
semelhante aos obtidos dos produtos das sínteses, no estado sólido, reforçando
a atribuição da espécie DTDPH22+. Os dados espectroscópicos atribuidos às três
espécies DTDP, DTDPH+ e DTDPH22+ encontram-se relacionados na tabela_2.
O espectro RMN (1H) da espécie DTDPH2(ClO4)2, em D2O, está ilustrado na figura
5. Forchioni e Pappalardo12 atribuíram ao espectro da DTDP o comportamento de
sistemas A2X2, embora seja esperado o aparecimento de 12 linhas no espectro de
tais sistemas, contrariamente `a observação de apenas 8 linhas no espectro da
DTDP. Neste caso, o centro de simetria de cada multipleto corresponde à posição
do deslocamento químico13. Os autores excluiram a possível atribuição de
configuração rígida, tendo em vista a observação da equivalência magnética
entre os prótons (H-3, H-5) e (H-3', H-5') em diferentes temperaturas. Em
dissulfetos possuidores de conformação rígida, os efeitos anisotrópicos devidos
à ligação S-S não são iguais para os prótons H-3 e H-5.
As rotações em torno das ligações Cpy-S geram diferentes conformações, cujas
energias são bastante similares. No espectro da DTDP em D2O, os multipletos em
8,44 ppm e 7,42 ppm foram atribuídos aos prótons H-2, H-6, H-2', H-6' e H-3, H-
5, H-3', H-5', respectivamente12. No espectro do DTDPH22+, observaram-se
variações nos deslocamentos químicos dos prótons H-2, H-6, H-2', H-6' e H-3, H-
5, H-3', H-5' para campo mais baixo. O multipleto atribuído aos prótons H-2, H-
6, H-2', H-6' apresentou deslocamento químico de 8,54 ppm e o dos prótons H-3,
H-5, H-3', H-5' apresentou deslocamento químico de 7,91 ppm. A tabela_3 mostra
esses valores, comparativamente aos observados no espectro da DTDP, onde pode
ser observada uma significativa menor variação no deslocamento químico
experimentado pelos prótons H-2, H-6, H-2', H-6', após protonação,
comparativamente aos prótons H-3, H-5, H-3', H-5'.
As variações, para campo mais baixo, observadas nos deslocamentos químicos de
prótons de anéis piridínicos protonados, foram atribuídas por Smith e
Schneider15à diminuição de densidade eletrônica nos átomos de carbono
individuais, como resultado de adição de carga positiva do próton ligado ao
átomo de nitrogênio. Segundo os autores, 60% da deficiência da unidade de carga
no íon C5H5NH+ está localizada no átomo de nitrogênio. O restante é distribuído
pelos átomos de carbono do anel. Gil e Murrel16, também, observaram variações
para campos mais baixos nos deslocamentos químicos dos prótons nas posições
orto (H-2 e H-6), meta (H-3 e H-5) e para (H-4), no íon C5H5NH+, quando
comparados às posições dos prótons no espectro da piridina. A variação
experimentada pelos prótons em orto foram menores em magnitude do que as
experimentadas pelos prótons em meta e para. Os autores argüiram que tais
variações nos deslocamentos químicos não podem ser entendidas somente em termos
da densidade eletrônica p do anel. Cálculos realizados pelos mesmos autores
mostraram, que na piridina, a eletronegatividade do átomo de nitrogênio remove
densidade elétrônica p dos átomos de carbono nas posições orto e para, e
aumentam, em pouco, a densidade eletrônica p do átomo de carbono na posição
meta16. Caso as posições dos sinais dos prótons fossem determinadas apenas
pelas densidades eletrônicas p nos átomos de carbono do anel, seria esperado
que o sinal dos prótons na posição para ocorresse em um valor intermediário
entre os valores dos sinais dos prótons em orto e meta. Entretanto, isto não
foi observado pelos autores. Baldeschwieler e Randall17 sugeriram que o sinal
dos prótons em orto da piridina é afetado pela contribuição paramagnética,
devido à transição n®p*, a qual é ausente no espectro do C5H5NH+.
Desta forma, a pequena variação no deslocamento químico dos prótons em orto,
observada no C5H5NH+, seria, em parte, explicada pela ausência de efeitos
paramagnéticos no íon piridínio, os quais têm larga influência na posição orto
da piridina deprotonada. Portanto, os deslocamentos químicos dos prótons em
orto, seriam justificados pelas influências da anisotropia e pelo momento de
dipolo associado com o par de elétrons não ligante do átomo de nitrogênio17.
Esta análise pode ser, também, utilizada na interpretação dos espectros da DTDP
e DTDPH22+, posto que os deslocamentos químicos dos prótons H-2, H-6, H-2', H-
6' e H-3, H-5, H-3', H-5', bem como suas variações, são de mesma natureza e
magnitude que aqueles observados nos espectros RMN da Py e PyH+.
3.2. Determinação dos valores de pka
A pequena solubilidade da DTDP em meio aquoso impossibilitou a determinação dos
valores de pKa pelo método potenciométrico, razão pela qual utilizou-se o
método espectrofotométrico na região do ultravioleta para tais fins. Este
método consiste na determinação da razão entre as espécies moleculares
(molécula neutra) e as ionizadas, em uma série de soluções tampão de valores de
pH conhecidos9. Quando a substância possui dois grupos ionizados,
interferências são experimentadas na determinação dos valores de pKa.
Particularmente, no método espectrofotométrico, as dificuldades surgem em
decorrência, não somente da existência de duas constantes desconhecidas mas,
também, pelo fato da absorvância de uma das espécies (geralmente a
monoprotonada) não poder ser determinada experimentalmente, devido à
superposição de bandas . Entretanto, observaram-se diferenças espectroscópicas
bastante significativas entre os espectros eletrônicos das espécies
deprotonada, monoprotonada e biprotonada, conforme ilustram as figuras_1, 2, 3
e 4. O máximo a 322 nm, que aparece no espectro da DTDPH22+, não se apresenta
no espectro da DTDPH+, que por sua vez possui características espectroscópicas
próprias e diferentes daquelas apresentadas pela DTDP. Isto credencia o método
espectrofométrico como adequado para se avaliarem os valores de pKa, nestes
sistemas, sem que se façam necessárias as aplicações de métodos de cálculo mais
sofisticados para eliminar as interferências nas medidas9,18,19.
As figuras_6 e 7 mostram as variações espectroscópicas observadas em diversas
soluções de mesma concentração, a diferentes valores de pH, ilustrando as duas
etapas distintas do equilíbrio. Em uma primeira etapa, os espectros obtidos de
soluções de valores de pH na faixa entre 7,5 e 4,1 (figura_6), mostraram
claramente que, a medida em que diminuem os valores de pH, o máximo de absorção
em 256 nm diminui em intensidade. Ao mesmo tempo, um outro máximo, em 294 nm
aumenta em intensidade. Isto é, a banda em 256 nm é deslocada para menor
energia. Já a banda em 230 nm não experimenta variações de energia. Em valores
de pH abaixo de 4,1 há uma tendência das curvas espectroscópicas de se
ausentarem do ponto isosbéstico, em 270 nm, o qual caracteriza esta etapa do
equilíbrio ácido-base:
As variações espectroscópicas experimentadas em valores de pH abaixo de 4,1
estão ilustradas na figura_7. Observaram-se que, a medida em que diminuem os
valores de pH, os espectros eletrônicos, registrados sucessivamente, tendem a
se assemelharem ao espectro da espécie DTDPH2(ClO4)2, obtido no estado sólido.
A banda, originalmente em 230 nm, experimentou um deslocamento batocrômico para
236 nm. A banda, originalmente em 294 nm, no espectro da DTDPH+, diminui em
intensidade, ao mesmo tempo em que surgem as bandas em 274 nm e 322 nm, que são
características da espécie DTDPH22+. Os pontos isosbésticos em 225 nm, 233 nm,
281 nm e 308 nm são indicativos da existência desta etapa de ionização da DTDP:
Tendo em vista a possibilidade de ter ocorrido a redução da ligação S-S, em
meio ácido, que conduziria à formação da 4-mercaptopiridina (MCP), outros
experimentos complementares foram efetuados.
Albert e Barlin20 estudaram o comportamento ácido-base da MCP e concluiram que
a forma tioamida (I) é favorecida frente a forma tiol (II).
Tais considerações foram feitas por comparações entre os espectros eletrônicos
e as constantes de ionização das mercaptopiridinas e dos seus N-metil e S-metil
derivados. Os autores atribuiram à banda em 324 nm como sendo indicativa da
protonação no átomo de nitrogênio, em face da grande semelhança dos espectros
da 4-mercaptopiridina e do seu N-metil derivado. Já no espectro do S-metil
derivado as bandas a 230 nm e 324 nm não se fazem presentes, ocorrendo apenas
uma outra a 264 nm. Desta forma, parece bastante razoável atribuir a banda a
322 nm no espectro da espécie biprotonada DTDPH22+ à protonação dos átomos de
nitrogênio dos anéis piridínicos e não a presença de derivados da redução da
ponte S-S da DTDP.
As reações de oxiredução da 4-mecaptopiridina e da DTDP foram, também
investigadas quimicamente por adições controladas de persulfato de potássio e/
ou ácido ascórbico como oxidante e redutor, respectivamente. Constatou-se nos
experimentos que a MCP sofre oxidação à DTDP, sendo isso evidenciado por
espectroscopia eletrônica. O espectro da solução resultante da adição de S2O82-
à 4-mercaptopiridina mostrou o aparecimento dos máximos em 230 nm e 256 nm,
característicos do espectro da DTDP, e o desaparecimento da banda a 322 nm.
Também, foi observado que a adição de ácido ascórbico à DTDP em solução, conduz
ao aparecimento do máximo em 324 nm, característico do espectro da 4-
mercaptopiridina.
A redução da DTDP pelo ácido ascórbico foi também evidenciada por Bensch e
colaboradores21. Outros autores22 justificaram a redução da ligação S-S na DTDP
através dos valores dos potenciais de redução deste ligante e do ácido
ascórbico. Segundo os mesmos autores, o potencial de redução da DTDP, Eo=-0,10
V, mostrou-se mais positivo do que o do ácido ascórbico, Eo=-0,33 V.
A decomposição da DTDP à 4-mercaptopiridina20 não foi evidenciada em meio
ácido, posto que, o máximo de absorção em 322 nm não desapareceu após adição de
S2O82-. Essas análises eliminam definitivamente a suposição de ter ocorrido a
redução da ligação S-S na DTDP, levando à formação da 4-mercaptopiridina, e
reforçam a atribuição de reversibilidade do equilibrio ácido-base conjugados:
Uma provável justificativa para o não aparecimento da banda em 320 nm no
espectro da DTDPH+, em solução, seria a formação de ligação hidrogênio do tipo
N-H.......N. O próton ligado parcialmente aos dois átomos de nitrogênio dos
anéis piridínicos, não estabilizaria suficientemente os orbitais p*, tal como
ocorre no diácido, fazendo com que a energia da banda, originalmente presente
em 256 nm no espectro da DTDP, assuma um valor intermediário entre 256 nm e 322
nm. Esta análise é consistente com o aparecimento do máximo a 294 nm, no
espectro da DTDPH+ .
As determinações dos valores de pKa, para os dois processos de ionização (m=0,1
mol.L-1 em CF3COONa) foram feitas utilizando-se a metodologia descrita na parte
experimental 9. Para a primeira etapa do equilíbrio ácido-base, Ka1 foi
avaliado pelo máximo em 322 nm, o qual é característico apenas da espécie
biprotonada. Na segunda etapa, selecionaram-se os máximos de absorção em 256 nm
e 294 nm como comprimentos de onda analíticos. As retas obtidas para os dois
processos estão mostradas na figura_8, de onde se extrairam os valores
pKa1=2,70 e pKa2=4,80.
