UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS Y FARMACÉUTICAS LABORATORIO DE BIOELECTROQUÍMICA “SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN ELECTROQUÍMICA DE NUEVOS 4-NITROIMIDAZOLES SUSTITUIDOS” Directores de tesis: Dr. J. Arturo Squella Serrano Dr. Luis J. Núñez-Vergara Tesis para optar al grado de Doctor en Química PAOLA ANDREA JARA ULLOA SANTIAGO-CHILE 2009 Esta tesis fue realizada con el apoyo de CONICYT a través de Beca de postgrado N°21040213, Beca apoyo a realización de tesis doctoral N°23070175 y Beca término de tesis doctoral N°23080034. Del mismo modo se agradece el financiamiento de FONDECYT proyecto N°1050767 y a MECESUP por beca de estadías cortas en el extranjero. PUBLICACIONES ORIGINADAS A PARTIR DE LA REALIZACIÓN DE ESTA TESIS • Electrochemical Reduction of 2-Nitroimidazole in Aqueous Mixed Medium. J.A.Squella, L. J. Núñez-Vergara, A. Campero, J. Maraver, P. Jara-Ulloa and J. Carbajo, Journal of the Electrochemical Society, 154 (4) F77-F81 (2007) • Micellar Effects on the Reduction of 4-Nitroimidazole Derivative: Detection and Quantification of the Nitroradical Anion. P. Jara-Ulloa, L. J. Núñez-Vergara, J. A. Squella, Electroanalysis, 19 (14), 1490-1495 (2007) • Voltammetric Reduction of a 4-Nitroimidazole Derivative on a Multiwalled Carbon Nanotubes Modified Glassy Carbon Electrode. P. Jara-Ulloa, S. Bollo, L. J. Núñez-Vergara, J. A. Squella, Electroanalysis, 20 (13), 1470-1474 (2008) ÍNDICE DE CONTENIDO Índice de contenido i Índice de figuras iii Índice de tablas ix Resumen x Summary xi 1.- Introducción 1 2.- Hipótesis 7 3.- Objetivos 7 3,1.- Objetivos generales 7 3,2.- Objetivos específicos 7 4.- Materiales y Métodos 8 4,1.- Materiales 8 4,1,1.- Compuestos en estudio 8 4,1,2.- Reactivos y solventes 9 4,1,3.- Material de vidrio 11 4,1,4.- Electrodos 11 4,1,5.- Equipos 11 4,2.- Métodos 13 4,2,1.- Métodos de síntesis 13 4,2,1,1.- Síntesis de 1 metil- 2-Hidroximetil- 4-nitroimidazol 13 4,2,1,2.- Síntesis de 1 metil- 2-Bromometil- 4-nitroimidazol 14 4,2,1,3.- Síntesis de 2-Hidroximetil- 4-nitroimidazol 15 4,2,2.- Medios de trabajo para estudios electroquímicos 17 4,2,2,1.- Medio acuoso 17 4,2,2,2.- Medio acuoso micelar 17 4,2,2,3.- Medio no acuoso 18 4,3.- Técnicas utilizadas 19 4,3,1.- Polarografía de pulso diferencial y Polarografía tast 19 4,3,2.- Voltamperometría cíclica 20 4,3,2,1.- Determinación de la razón de corriente (i / i ) 21 p,a p,c 4,3,2,2.- Determinación del tipo de reacción electródica 23 4,3,4.- Curvas electrocapilares 26 4,3,5.- Voltamperometría adsortiva 26 4,3,6.- Modificación de GCE con NTC 27 4,3,7.- Voltamperometría de onda cuadrada (SWV) 29 i 5.- Resultados y Discusión 30 5,1.- Determinación de CMCs por técnicas electroquímicas 30 5,1,1.- Curvas electrocapilares 30 5,1,2.- Voltamperometría adsortiva 34 5,2.- Caracterización catódica 36 5,2,1.- Medio Acuoso 36 5,2,1,1. - Polarografía de pulso diferencial y Polarografía Tast 36 5,2,1,2.- Voltamperometría cíclica 40 5,2,2.- Medio Heterogéneo: Surfactantes 41 5,2,2,1.- Polarografía de pulso diferencial y Polarografía Tast 41 5,2,2,2.- Voltamperometría cíclica 47 5,2,3.- Medio no acuoso 56 5,2,3,1.- Polarografía de Pulso Diferencial y Polarografía Tast 56 5,2,3,2.- Voltamperometría Cíclica 58 5,3.- Estabilización de RNO • : ¿micela o monómero? 63 2 5,3,1.-Voltamperometría cíclica 63 5,3,2.- Dispersión de luz 72 5,3,3.- Espectrofotometría UV-Visible 73 5,4.- Interacción del RNO • con endobióticos y xenobióticos 76 2 5,5.- Reducción de derivados 4-nitroimidazolicos sobre GCE modificados con NTCs 79 5,5,1. Voltamperometría cíclica 79 5,5,2. Voltamperometría de Onda Cuadrada 92 6.- Conclusiones 94 7.- Presentaciones a congresos 95 8.- Referencias 97 ii Paola Jara Ulloa Índice de Figuras. Figura 1. 1 Bioactivación reductiva de compuestos. Figura 2. 4 Voltamperogramas cíclicos de barridos cortos a distintas velocidades de barrido de 4 NImOH, en Medio 100 % DMF. Figura 3. 13 Síntesis de 1 metil- 2-Hidroximetil- 4-nitroimidazol. Figura 4. 14 Síntesis de 1 metil- 2-Bromometil- 4-nitroimidazol. Figura 5. 15 Esquema general de la síntesis de 4NimOH. Figura 6. 19 Polarograma de pulso diferencial (A) y polarograma Tast (B). Figura 7. 22 Voltamperograma cíclico. Figura 8. 25 Curvas teóricas para dismutación (A) y dimerización (B). Figura 9. 30 Curvas electrocapilares a diferentes concentraciones de CTAB en solución de KNO 0.1M (A), 3 Tiempo de goteo vs logaritmo de la concentración de CTAB a diferentes potenciales aplicados (B). Figura 10. 31 Curvas electrocapilares a diferentes concentraciones de Hyamina en solución de KNO 0.1M. 3 Figura 11. 32 Tiempo de goteo vs logaritmo de la concentración de Hyamina a diferentes potenciales aplicados. Figura 12. 33 Curvas electrocapilares a diferentes concentraciones de SDS en solución de KNO 0.1M (A), 3 Tiempo de goteo vs logaritmo de la concentración de SDS a diferentes potenciales aplicados (B). Figura 13. 34 Voltamperogramas lineales de Neutral Red 1μM sobre electrodo de Hg a diferentes tiempos de acumulación (A). Dependencia de la corriente de pico con el tiempo de acumulación (B). Velocidad de barrido: 345 mVs-1. Figura 14. 35 Gráficos corriente versus concentración de CTAB en presencia de Neutral Red 1 μM. Figura 15. 37 Polarogramas de pulso diferencial (A) y polarogramas TAST (B) para 0.1mM de 4-NimMeOH en britton Robinson 0.1 M a distintos pHs. Figura 16. 38 Dependencia del potencial de pico (A) y de la corriente de pico (B) con respecto al pH de una iii Paola Jara Ulloa solución 0.1mM de 4-NimMeOH en Britton Robinson 0.1 M. Figura 17. 38 Dependencia del potencial de media onda (A) y de la corriente límite (B) con respecto al pH de una solución 0.1mM de 4-NimMeOH en Britton Robinson 0.1 M. Figura 18. 39 Polarogramas de pulso diferencial y dependencia del potencial de pico para 0.1mM de 4-NImMeBr en Britton Robinson 0.1 M a distintos pHs. Figura 19. 40 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH 4.85x10-4M (A) y 4-NimMeBr 5.1x10-4M (B) a diferentes pHs en tampón Britton Robinson 0.1M, velocidad de barrido: 100 mV/s. Figura 20. 41 Polarogramas de pulso diferencial (A) y polarogramas TAST (B) para 0.1mM de 4-NimMeOH en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M a distintos pHs. Figura 21. 42 Dependencia del Ep,c (A) y de la corriente de pico (B) con respecto al pH de una solución 0.1mM de 4-NimMeOH en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1M. Figura 22. 42 Dependencia del E (A) y de la i (B) con respecto al pH de una solución 0.1mM de 4-NimMeOH 1/2 lim en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M. Figura 23. 43 Polarogramas de pulso diferencial y Tast para 0.1mM de 4-NimMeBr en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M a distintos pHs. Figura 24. 44 Dependencia del Ep,c (A) y de la ip,c (B) con respecto al pH de una solución 0.1mM de 4- NimMeBr, CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M. Figura 25. 45 Polarogramas de pulso diferencial y Tast para 0.5 mM de 4-NimHOH en presencia de CTAB 15 mM en Britton Robinson 0.1 M a distintos pHs. Figura 26. 48 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH 1mM en tampón Britton Robinson 0.1M a pH 8.4 en Presencia de 15 mM de diferentes surfactantes: A) CTAB, B) Triton-X, C) 100% BR (sin surfactante), D) SDS y E) Hyamina. Velocidad de barrido = 1 V/s. Línea continua desde A) hasta E) muestra el par redox RNO /RNO • aislada. 2 2 Figura 27. 49 Voltamperogramas cíclicos en aumento de la velocidad de barrido en presencia de surfactante aniónico (A), no iónico (B) y catiónico (C) para 1mM de 4-NImHOH en Britton Robinson 0.1 M. Figura 28. 50 Voltamperogramas cíclicos del par redox RNO / RNO • de 4-NimMeOH 1mM en tampón Britton 2 2 Robinson 0.1M a pH 8.4 en presencia de Hyamina 15 mM a diferentes velocidades de barrido. Figura 29. 50 Razón de corrientes Ipa/Ipc con respecto a la velocidad de barrido para 4-NimMeOH 1 mM en tampón Britton Robinson 0.1 M y Hyamina 15 mM a pH 7.4, 8.4 y 9.4. iv Paola Jara Ulloa Figura 30. 52 Voltamperogramas cíclicos en aumento de la velocidad de barrido en presencia de surfactante catiónico para 1mM de 4-NimMeOH en Britton Robinson 0.1 M a pH 7.4 (A) y pH 8.4 (B). Figura 31. 53 Voltamperogramas cíclicos de 4-Nitroimidazol 2mM en CTAB 15mM desde pH 2 hasta 8, tampón Britton Robinson 0.1 M. Figura 32. 53 Voltamperogramas cíclicos a pH 8 a distintas velocidades de barrido (A) y Dependencia de la razón de corrientes ((ip,a/ip,c) ) con la velocidad de barrido(B) para 4-nitroimidazol 2mM en medio CTAB 15mM. Figura 33. 54 Voltamperogramas cíclicos de 2-nitroimidazol 2mM a distintos a pHs en CTAB 15mM (A) y en Hyamina 15 mM (B), tampón Britton Robinson 0.1M. Figura 34. 56 Polarogramas de pulso diferencial para el compuesto 4NimMeBr en Medio 100 % DMF. Figura 35. 57 Polarogramas Tast para el compuesto 4-NimMeBr en Medio 100 % DMF. Figura 36. 58 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH (A) y 4NimOH (B) en 100% DMF, 0.1M PTBA. Figura 37. 58 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeBr en 100% DMF, 0.1M PTBA. Figura 38. 59 Voltamperogramas cíclicos para el compuesto 4-NimMeBr en Medio 100 % DMF. Figura 39. 60 Voltamperogramas cíclicos a distintas velocidades de barrido de 4-NimMeBr (A), Razones de corriente con respecto la velocidad de barrido (B) en medio 100 % DMF (PTBA). Figura 40. 60 Curvas teóricas de dismutación y dimerización para un electrodo esférico (Hg). Resultados obtenidos para 4NimMeBr en 100% DMF. Figura 41. 61 Relación logarítmica entre i y la velocidad de barrido para 4-NimMeOH (A) y 4NImMeBr, en p,c Medio 100% DMF. Figura 42. 62 Voltamperogramas cíclicos de 4NImMeBr en aumento de la velocidad de barrido en Medio 100 % DMF. Figura 43. 62 Relación logarítmica entre i I y i II y la velocidad de barrido para 4-NimMeBr (A) y razón de p,c p,c corrientes i II / i I para 4NImMeBr, en Medio 100 % DMF. p,c p,c Figura 44. 63 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH en ausencia (A) y presencia de surfactante catiónico 15 mM (B), Britton Robinson 0.1 M, ph 8.4. v Paola Jara Ulloa Figura 45. 65 Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Hg de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de CTAB, 100% Tampón Fosfato, pH 8.4. Figura 46. 65 Dependencia de la intensidad de corriente (A) y el Ep,c (B) con la concentración de CTAB, 4 NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4. Figura 47. 66 Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Pt de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de CTAB (A). Dependencia de la intensidad de corriente (B) y Ep,c (C) con la concentración de CTAB, 4-NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4. Figura 48. 67 Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Hg de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de Hyamina, Tampón Fosfato, pH 8.4. Figura 49. 68 Dependencia de la intensidad de corriente y el Ep,c con la concentración de Hyamina, 4NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4. Figura 50. 69 Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Pt de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de Hyamina (A). Dependencia de la intensidad de corriente (B) y Ep,c (C) con la concentración de CTAB, 4-NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4. Figura 51. 70 Estructuras de los surfactantes catiónicos Bromuro de cetiltrimetilamonio, CTAB (A) y Hyamina (B), utilizados para el estudio voltamperométrico de 4-NimMeOH. Figura 52. 70 Voltamperogramas cíclicos sobre electrodo de Hg de 4-NimMeOH, en ausencia y aumento de la concentración de BrETAB, 100% Tampón Fosfato, pH 8.4. Figura 53. 71 Dependencia de la intensidad de corriente (A) y el Ep,c (B) con la concentración de BrETAB, 4 NimMeOH 5mM, en tampón fosfato pH 8.4. Figura 54. 73 Distribución de tamaño obtenida por light scattering para CTAB. Figura 55. 73 Espectros de absorbancia de 4-NimMeOH en aumento de la concentración de CTAB. Figura 56. 74 Espectros de absorbancia de 4-NimMeOH en diferentes solventes. Figura 57. 76 Compuestos utilizados para el estudio de interacción con RNO •. 2 Figura 58. 77 Voltamperogramas cíclicos de 1 mM de 4-NimMeOH en tampón Britton Robinson 0.1 M, 15 mM de CTAB, pH 8.4 a diferentes velocidades de barrido (100 – 10000 mV)(A). Dependencia de la razón de corrientes (ip,a/ip,c) con el logaritmo de la velocidad de barrido (B). vi Paola Jara Ulloa Figura 59. 77 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH 1 mM en tampón Britton Robinson 0.1 M, 15 mM de CTAB, pH 8.4 en presencia de diferentes concentraciones de endo/xenobióticos desde 0-6mM. Figura 60. 78 Razón de corrientes ipa/ipc del par redox RNO /RNO • en presencia de diferentes concentraciones 2 2 de endo/xenobióticos. Concentración de 4-NimMeOH 1mM en tampón Britton Robinson 0.1 M, 15 mM CTAB, pH 8.4. Velocidad de barrido: 5000 mV s-1. Figura 61. 79 Voltamperograma cíclico de 4-NimMeOH 1.18×10-4 M sobre GCE, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido:100 mVs-1 Figura 62. 80 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH sobre GCE, GCE/NTCs(H O) y GCE/NTCs(DMF). 2 Concentración de la dispersión de NTC: 1 mg/mL, tampón, Britton Robinson 0.1 M pH 2. Velocidad de barrido:100 mV s-1, tpo. de acumulación: 120 s. Figura 63. 82 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH sobre GCE/NTCs(H O). Concentración de la dispersión 2 de NTC: 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido: 250 mVs-1. Inserto: Dependencia de la corriente con la velocidad de barrido. Figura 64. 83 Curvas de calibración obtenidas con electrodos modificados con NTCs en distintos agentes dispersantes. [NTCs]:1 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M pH 2, tiempo de acumulación:120 s. Figura 65. 84 Curvas de calibración obtenidas a diferentes pHs Tampón Britton Robinson 0.1M. Concentración de la dispersión de NTCs: 1 mg/mL, tiempo de acumulación: 120 s. Figura 66. 85 Voltamperogramas cíclicos de 4-NimMeOH sobre GCE y GCE/NTCS(H O). Concentración de la 2 dispersión de NTC: 0.2 y 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido: 100 mVs-1. Figura 67. 86 Dependencia de la corriente de pico con la concentracion de NTC. [4-NimMeOH]: 3×10-6M, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de barrido: 100 mVs-1, tiempo de acumulación: 420 s. Figura 68. 87 Voltamperogramas lineales de 4-NimMeOH sobre electrodo GCE/NTC(H O) a diferentes tiempos 2 de acumulación. Inserto: dependencia de la corriente de pico con el tiempo de acumulación. [4NimMeOH]: 5×10-4 M, NTCs(H O) : 4 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2 . Velocidad de 2 barrido: 100 mVs-1 Figura 69. 88 Dependencia del potencial de pico con respecto al pH. [4-NimMeOH] : 3×10-6 M, NTCs(H O): 4 2 mg/mL, tampón Britton Robinson 0.1 M, pH 2. Velocidad de barrido: 100 mV s-1. Figura 70. 89 Curvas de calibración de 4-NimMeOH obtenidas sobre GCE/NTCs(H O) a dos tiempos de 2 vii Paola Jara Ulloa