U N I V E R S I & 6 & E F E D E R A L P E S f t H Tft C f t T f t f t I N R
Curst* Ptfs—GraduacSo em Flsico—ffujímic9 BE PAK TA MEM TO SE OUfMICA
MECANISMOS DE REAÇ0ES REDDX ENTRE
DL-METIONINA E COMPLEXOS DE
FERRO CIII> - <
k
- DIIMIHOS
D I S S E R T A Ç f t O S U B M E T I D A fc U N Í U E R S I D A D E F E D E R A L D E S A N T A C A T A R I N A P A R A A O B T E N Ç Ã O D O 6 R A U D E M E S T R E E M C I Ê N C I A S .
MARIA BERTILIA OSS GIACOMELLI
F L O R I A N d P O L I S
S A N T A C A T A R I N A - B R A S I L F e v e r e i r o d e 1 9 9 0
II M E C A N I S M O S D E R E A Ç 0 E S R E D O X E H T R E D L —M E T I O H I N A E C O M P L E X O S B E F E R R O CIII> - «* - S U M I M O S M A R I A B E R T I L I A O S S S I A C O M E L L I E S T A T E S E F O I J U L 6 A B A E A P R O V A D A E M S U A F O R M A F I N A L P E L O O R I E M T A B O R E M E M B R O S D A B A N C A E X A M I N A D O R A . P r o f . M a u r o C. M . L-aranjei&á, Dr_ _ ORIENTADOR ytCOU ( t ô v fr fr o f. Ademir N e v e s , D r . COORDENADOR B a n c a E x a m i n a d o r a : P r o f . M a u r o C. M-'LTàranjeirX» Dr. P r o f . R osendo fturfusto Y u n e s , D r.
III
MAo meu esposo José Aníonio, pelo carinho e apoio na
r <e ôtJjx açâo deste trabalho* ao meu filho Peitar», por ser o
começo de um novo amanhecer e aos meus pais Vit-áfrio e Mariarta por serem a razão da minha existência.
IV
A 6 R A D E C I M E N T D S
— Ao p r o f. Dr. M au ro C. M. Laranjeira, por s u a amizade e
orientação no d e c o r re r d e s t e trabalho.
Aos P r o fe s s o r e s Drs. Rosendo A. Y u n es, Ju a n Jacob Eduardo
H u m eres Allende, pela colaboração na realização dos trabalhos
experimentais.
Aos colegas Noel Levi, Rosenei Brun, Jaime Rodrigues, pela amizade, apoio e incentivo.
- dos p r o fe s s o r e s Ja r b a s José Cardoso e Fernando J o s é Aquino, pelo carinho e amizade dem onstrado em todos e s se s anos.
Ao CNPq e CAPES pelo auxílio financeiro.
- Ao m eu avô < in memorian > Osvaldo Necchi pela e t e r n a
RESUMO
Os complexos de C Fe <III) L3H3 + , < L = fenantrolina ou bipiridina) tem sido amplamente usado n a oxidação de s u b s t r a t o s orgânicos
«
de in teresse biológico tais como catecòis, quinòis, benzenodiòis, cisteína e tio uréia« com o objetivo de explicar as correlaçõ es e n t r e p arâ m etro s cinéticos e termodinâmicos com base na teoria de M a n c u s.
E s t u d o s cinéticos d a oxidação d a DL- metionina por tris < 1,10 - fenantro lina > fe r r o <1115 e tris ( 2 ,2 ' - bipiridina ) fe r r o <III>foram realizados em meio sulfúrico, sendo I— 1,5 M p a ra a dependência da con centraçã o d a DL-metionina e t e m p e r a t u r a e I = 0 ,7 3 M p a r a a dependência do pH.Todas as reações fo ra m de primeira ordem p a r a am bos com plexos.
A redu çã o do complexo de fe r r o <III) foi conduzida a t r a v é s da metionina num a faixa compreendida e n t r e 0,6 e 3 ,3 unidades de pH, na qual foi o b s e rv a d a um a dependência de pH, sendo determ inado o primeiro pKa da metionina igual a 1 , 6 que corresp o nd e ao grupo carboxílato.
A estequiom etria indicou que 1 moi de metionina reagiu com 2 moles do complexo de Fe CIII) L33+ .
Os produto s das reaçõ es foram identificados como metionina -sulfdxido e os c o rre sp o n d en tes complexos de Fe <115 L3E , os quais
s u g er em a form ação de um cátion radical METHt como intermediário na
e t a p a determ inante da velocidade.
Uma mecanismo de e s f e r a e x t e r n a p a ra e s ta s r e a ç õ e s foi atribuído com base n a teoria de H a r c u s p a ra r e a ç õ e s de e s f e r a e x te r n a ,
VI
n a qual a razã o e n t r e as c o n st a n te s de velocidade para as reaçâ es c r u z a d a s = 5 ,8 está. em boa concordância com a razão o b serv a d a
experim entalm ente = 3,3. E s te s dados possibilitaram estimar o
potencial redox de 1,30 U e velocidade de a u to - tro ca do elétron de 4 x 107 pa ra o par redo x M ETH+/ M E T H .
Uma evidência indireta p ara o mecanismo de e s f e r a e x t e r n a foi fornecida pelos valores de — - 21,98 c a l / m o i g ra u e -12,06 c a l /m o l
g r a u respectivam ente p a r a a reação com Fe CII1) <phen>33+ e
Fe <III> <bipy>33 + .
A reação de oxidação da DL- me tio nina pelo Fe <III> <phen>33+ também foi e s t u d a d a em p rese n ça de H2O2 à. 15°C . Um aum ento no valor de Kobs foi verificado, mantendo a concentração do aminoácido co n sta n te.
E s te s r e s u lt a d o s sugerem que no sistem a redox METH
VII
A B S T R A C T
The com plexes o f Fe CIII>I_3^ +, < L = phenant.hr oline or bipyridine), have been extensively u s e d in th e oxidation o f organic s u b s t r a t e s of biological in te re s t s u ch as. ca te ch o ls, quinols, benzenediols, cysteine and thiourea, in o r d e r to explain t h e correlation betuieen kinetic and thermodinamic p a r a m e t e r s b a s e d on t h e M a r c u s theo ry.
Kinetics studies of oxidation o f rnetionine by tris (1,10 - phenanthroline) iron <III> and tris (2,2* — bipyridine) iron <III) w e r e p erfo rm ed in s u l f u r a d d media, I = 1,5M fo r d ependence of concentration and t e m p e ra tu re o f DL-metiorrine, I — 0 ,7 5 f o r dependence of pH. All the reactions w ere first-order in both com plexes. The stoichiometry uias 2:1.
The p r o d u c t s o f reactions w e r e identified as
metionine-sulfdxido and the corresponding com plexes o f Fe <II>1_3 , uihich s u g g e s t the form ation of a radical cation MET H+ as intermediate in the r a t e determining step.
An o u t e r s p h e re mechanism f o r ail the reactions uias ascribed on the basis of M a r c u s fo r o u te r sp here reactions, in which th e ratio b e tw e e n the r a t e c o n st a n ts fo r , c r o s s reactions *<1 2 / ^ 1 3 “ 5*8 are in good agreem ent witch th e ob served experimental ratio l< ig/kj3 * 3 ,3 .
T hese d a t a enab le to estim ate f o r the couple MET H+/ M E T H the redox potencial o f 1,80 M and th e electro n s e lf exchange r a t e o f 4 x 107M “1s " 1.
A indirect evidence f o r the. mechanism ou ter- sphere uias given by the v a lu es o f £*S= = - 21,98 c a l / m o l g r a d e and — 12,06 c a l / m o l grade respectively f o r the reaction with Fe (III) Cphen>3^ + and Fe <IU> <bipy>3'*+ .
U III
*
Th e oxidation o f r e ac tio n by the F e < IIIX p h e n )33+’ w a s also s t u d ie d in p r e s e n c e o f HgOg a t 1 5 °C . An in c r e a s e in th e Kobs v a lu e o f uuas v erified, manteining t h e c o n c e n t r a t io n o f aminoacid c o n s t a n t .
T h e s e r e s u l t s s u g g e s t t h a t in t h e r e d o x s y s t e m M ET H - Fe<III5 <phen>33+ HgOg h a s a catalitic e f f e c t .
IX fNDICE 6ERAL C A P f T W L O I - IN T R O S U Ç f t O 1.1 - O b je t iy o ... ... 1 1.2 - R e a ç õ e s de T r a n s f e r ê n c i a de E l é t r o n s ... ... 1 1.3 - M ecanism o de E s f e r a I n t e r n a ... ... 2 1.4 - M ecanism o de E s f e r a E x t e r n a ... ... 5 1.5 - Teoria de M a r c u s ... 7
1.6 - Química dos C om plexo s de F e r r o ... ...8
1.7 - M ecan ism o s de R e a ç õ e s de C om p lex o s de F e r r o <111 > — ot - Diiminos ... 9
1.7.1 - Cinética e M ecan ism o s de Oxidação de E s f e r a do C ic lo hex an o n a pelo tris <Polilipiridil) C om p lex o s de F e r r o <III> e Rutênio <III> ... - 9
1.7.2 - Cinéticas e M ec a n ism o s de Oxidação do tio- d a n a t o pelo tris < l,10- fenantrolina F e r r o <II1> e s e u s Derivados ... ... ... 11
1 .7 .3 - Cinéticas e M e c a n ism o s de Oxidação de Qui- nòis p elo s c o m p lex o s de F e r r o (III>, tris Cl,lO-fe- nantrolina> em meio a q u o s o ácido percltírico ... 15
1 .7 .4 - Cinéticas e M ec a n ism o s de Oxidação d a Cis- teína e Tiouréia pelos C om plexos de F e r r o <III>-oc - Diiminos ... ... 16
1.8 - Química dos Tioéteres ...
1.8.1 - Com postos O r g a n o s u ifu r a d o s ... ... ...
1.9 - Bioquímica da Metionina ...
1.10. - Oxidação e Redução da Metionina S u lf dxido ...
C A P Í T U L O I I - P A R T E E X P E R I M E N T A L
2 . 1 - Principais Reagentes ...
2 .2 - Aparelhagens e Técnicas Experimentais ...
2 .3 - Síntese e Caracterização dos Complexos ... ...
2.3.1 - Síntese dos Complexos de CFe(II)
e C F e « IIX L >3:i3 * ...
2 .3 .2 - Caracterização dos Complexos ... ...
2 .3 .3 - Síntese da DL-Metiorúna S u l f d x i d o ...
2 .3 .4 - Síntese da DL-Metiorrina S u lfo n a ...
2 .4 - Estequiom etria ...
2 .5 - Obtenção e T ratam ento dos Dados Cinéticos ...
XI
2 .5 .2 - P a r â m e t r o s de Ativação ... 4 4
2 .6 - Identificação dos P r o d u t o s ... 4 5
C A P Í T U L O I I I — R E S U L T A D O S
3.1 - E s teq u io m e tria das R ea ç â es ... 4 7
3 .2 - Cinética d a Oxidação d a Metionina a t r a v é s dos lons Com
plexos C F e d l I X p h e n ^ I l 3 * e CFe<III> <bipy)33 3 + ... 51
3 .3 - D eterm in aç ã o do s P a r â m e t r o s de Ativação p a r a Oxidação d a M etionina a t r a v é s dos íons C o m p le x o s E F eC IID
<phen>3 3 3 + e E F eC lID (bipy>3l 3 + ... 5 8
3 .4 - D e p e n dê n cia d a C o n c e n t r a ç ã o do Acido —... 6 3
3 .5 - E feito d a H2O2 s ° b r e a R e a ç ã o e n t r e o Com plexo de EFe
< IIIXphen>33 3 + e o Aminoácido DL-Metionina ... 6 8
3 .6 - Cinética de Oxidação d a Metionina S u lfd x id o a t r a v é s
do Com plexo de C F e < IIlX p h en J3 3 3 + ... 6 8
3 .7 - P r o d u t o d a R eaçã o ... 6 9
C A P Í T U L O III - D I S C U S S f t O
4.1 - E s t e q u io m e tr ia ... -... ...7 0
XII
4 .3 - D e p en dê n cia d a T e m p e r a t u r a ... 7 2
4 .4 - D epen dên cia d a C o n c e n t r a ç ã o de ácido ... ... 7 5
4 .5 - M ec a n ism o s de R e a ç õ e s Redox ... -... ... 7 6
4.5.1 - Oxidação d a M etionina com C F eC IID
<phen>3l 3 + e CFe<III) <bipy>3 33 + ... ...7 6
4 .6 - Cálculo p a r a as C o n s t a n t e s de Uelocidades das R e a ç õ e s
C r u z a d a s p a r a o EFe< IIIXphen>3 33 + e CFe<IIIXbipy>3 33+ 7 9
4 .7 - Cálculo do Potencial Red ox e C o n s t a n t e de A u to - T r o c a
p a r a M E T H + /M E T H ...8 0
4 .8 - S istem a METH - CFeC IID < p hen)33 3+ - H£02 ... ... 8 5
C A P I T U L O U
5.1 - C o n c lu s õ e s ... 8 7
5 .2 - S u g e s t õ e s ... ...-— 8 8
XIII
fHDICE BE FIGURAS
Figura J — Perfil de energia potencial de superfície dos r e a g e n t e s R < üx* + Redg > e dos p r o d u to s, P < Redj + Oxg > de
um a reação de a uto - tro ea de e lé t ro n s ... 4
Figura & - Gráfico de log < Kobs^C SCN vs E ° p e r a os
complexos de Ferro (III) substituídos à. 2 5 ° C e 1M de H2SO4 .. 14
Figura J - E s t r u t u r a dos complexos de Fe l-3n + ; (a ) Fe <phen>3n+ e (b> Fe <bipy>3n + , onda n pode assum ir os valo
r e s de 3 e 2. ... ... 3 3
Figura 4 - a) Esp ectro de absorção no visível dos comple xos de C Fe (III) Cphen)333 + , em H2S 04 à 0 ,2 5 M e à 2 5 ° C .
b) Esp ectro de absorção no visível do complexo
de C Fe (II)<phen>33 £+, em H2S 04 à 0 ,2 5 M e à 2 5 °C ... 3 5 1
Figura 5 - c) Esp ectro de absorção no visível dos comple xos de C Fe <1115 <bipy>3:i3 + , em H2S 04 à 0 ,2 5 M e 4 2 5 °C .
d) E sp ectro de absorção no visível do complexo
de C Fe (IIXbipg>33 2 + í em H2S 04 k 0 ,2 5 M e à . 2 5 ° C ... 36
Figura tf - E s p e c tro infra-vermelho p a r a o aminoácido
DL- metionina s u l f óxido em pastilhas de KBr ... 39
Figura 7 - E s p e c tro inf ra-vermelho p a ra o aminoácido
Fi&tir-a 3 - C o n s t a n t e s de velocidade o b s e r v a d a s de p s e u d o -primeira o rd e m v s a c o n c e n t r a ç ã o de m etionina à. 2 5 ° C , p a r a r e a ç ã o com o c o m p lex o C Fe <IID <phen>33 3+’ ...
Fi^tira $ - C o n s t a n t e s de velocidade o b s e r v a d a s de p s e u d o -primeira o rd e m v s a c o n c e n t r a ç ã o de m etionina à. 2 5 ° C , p a r a a r e a ç ã o com o co m p lex o de C Fe <III> <bipy>3 33 + ...
Fj&ur-â 1Ü - Uariação d a c o n s t a n t e de v elocidade de s e g u n d a ordem em f u n ç ã o d a t e m p e r a t u r a , p a r a a oxidação da metionina pelo C Fe <1115 (p h e n )3 33+ ... ... ...
FSgura JJ - V ariação d a c o n s t a n t e de v elo cid ad e de s e g u n d a o rdem em f u n ç ã o d a t e m p e r a t u r a , p a r a a oxidação d a metioni n a pelo com plexo C F e <III> ( b i p y ^ U 3 "1’ ...
Figurs - Uariação d a c o n s t a n t e de velocidade de seigun- o rdem em f u n ç ã o do pH à 2 5 ° C , p a r a a oxidação d a metionina a t r a v é s do c o m p lex o de C Fe CIII) <phen>3U3 + ...
x u
Tabela 1 - C o n sta n tes de velocidade de terceira ordem p a r a oxidação do tiocianato pelos complexos de Fe <IID -fe-nantrolina substituídos à. 2 5 ° C e 1 M HgSÜ4 ...
Tabela «? - Ualor da pKa p ara os g ru p o s ionizáveis da me tio nina, à S 5°C ... ...
Tabela 3 - Transições do campo ligante em com plexos de pentacianof e rra to (II) com amin o ácidos ... ...
Tabela 4 - R e s u l t a d o s e s t e q u io m é t r ic o s , p a r a oxidação d a
metiorúna a t r a v é s do c o m p lex o de C F e <III> (phen>3 33 +
---Tabela 5 - R e su ltad o s estequiom étricos p a ra oxidação da metionina a t r a v é s do complexo de C Fe <III> (bipa>3 3^ +
---Tabela í - C o nstantes de velocidade o b s e rv a d a s de pseudo
-primeira ordem p a r a oxidação d a metionina peio complexo de
C Fe <I1I> <phen>3 33 + em H2S 04 0,5 M à 2 5 ° C , I ■ 1,5 M e a di f e r e n t e s c o n c e n tra ç õ e s de metionina ... ...
Tabela F - C o n sta n tes de velocidade de pseudo-prímeira ordem p a r a oxidação d a metionina pelo complexo C Fe <III) <bipy)33 3+ em H2S 04 0 ,5 M k 2 5 ° C , I = 1,5 M, k d ife ren te s c o n c e n tra ç õ e s de metionina ...
XVI
Tabela & — C o n s t a n t e s d e velocidade de s e g u n d a ordem p a r a oxidação d a m etionina a t r a v é s do c o m p lex o de E Fe <II1> <phen>3 3 3 + , com d if e r e n t e s meios reacionais à. 2 5 ° C , H2S O4
0 ,5 M , I = 1,5 M ... _... 5 7
Tabela 9 — P a r â m e t r o s term odinâm icos d e a tivaçã o p a r a a oxidação d a metionina com E F e< IID (p hen >3 33 + ,em H2S O4 0 ,5 M e
M ETH ! = 7 .0 x IO- 2 M , I = 1,5 M ... 5 9
Tabela 10 — P a r â m e t r o s term odinâm icos de ativação p a r a a oxidação d a metionina com E Fe <1115 <biby)3ll3 + 5em H2S O4 Ü ,5M ,
I = 1,5 M e 1 M ETH ! = 5 ,0 x 10-2 ... — - 61
Tabela 11 - D e pen dê n cia d a c o n s t a n t e de velocidade de s e g u n d a o rd e m com a c o n c e n t r a ç ã o de ácido p a r a a oxidação d a m etionina a t r a v é s do com plexo E F e <III> <phen>3 3 3 '*’,à. 2 5 ° C
e ! METH ! = 5 x 10“ 2 ... ... 6 5
Tabela IS - Depen dên cia d a c o n s t a n t e de velocidade de s e g u n d a o rd e m com a c o n c e n t r a ç ã o de ácido p a r a a oxidação d a metionina a t r a v é s do com plexo E Fe <III> <bipy>3Ü3 + , à. 2 5 °C
e ! METH ! = 5 x IO- 2 ... 6 7 Tabela U — P a r â m e t r o s de ativação p a r a a s r e a ç õ e s e n t r e c o m p le x o s F e 11* l-3'3+ e amin o ácidos c o n t e n d o e n x o f r e ... 7 3 Tabela 14 - C o n s t a n t e s de velocidade de a u t o - t r o c a p a r a m e t io n in a ,d s t e í n a e tiouréia e os c o r r e s p o n d e n t e s potenciais p a d r ã o de r e d u ç ã o do cátion radical ... 8 4
1
C A P Í T U L O I
t . - IH T R O D U Ç f fO
1.1 - OBJETIVOS BESTE T#AJ#LHO
Tivem os o intuito de e lu c id a r com e s t e e s t u d o , o c o m p o r t a m e n t o cinético das r e a ç õ e s químicas e n t r e os c o m p lex o s de F e r r o <III> - o« - diiminos e a DL-metionina, assim com o e s t a b e l e c e r r e la ç õ e s com a te o ria de M a r c u s . O b je tiv a m o s ainda, d isc u tir os m ecanism o s de r e a ç õ e s r e d o x , com a finalidade de ampliar o co n h e cim e n to d a oxidação de t io é t e r e s a t r a v é s de c o m p le x o s m etálicos com possível aplicação n a química fina.
1.2 - REAÇ&ES BE TRüNSFEKÊNCI# BE ELéTRONS
R e a ç õ e s com t r a n s f e r ê n c ia de e l é t r o n s envo lvem u m a in te raç ã o ^bimolecular d ir e t a e n t r e um a g e n t e r e d u t o r e um a g e n t e o xidante.* E s s a s r e a ç õ e s a p r e s e n t a m u m tipo de p r o c e s s o de oxidaçãó- r e d u ç á o q u e inclui s is t e m a s quím icos e e le t r o q u ím ic o s .
As velocidades d a s r e a ç õ e s com t r a n s f e r ê n c i a de e lé t r o n s e s t ã o re la c io n a d a s com a probabilidade de o c o r r e r u m a b a r r e ir a e n e r g é t ic a , devido a u m a e l e v a d a e n e r g ia de ativação . P a r a q u e u m a r e a ç ã o com t r a n s f e r ê n c i a de e l é t r o n s p o s s a p r o c e s s a r - s e é n e c e ss á r io q u e os r e a g e n t e s e s t e j a m em c o n t a t o um com o o u t r o , isto é , o orbital d o a d o r do a g e n t e r e d u t o r in t e r a g e com o orbital r e c e p t o r do a g e n t e o xidante.
Os dois r e a g e n t e s so b colisão levam à dois c a s o s limites < fig u r a 15:
a> R e a ç ã o não adiabática : os r e a g e n t e s s a lt a m p a r a o perfil d o s p r o d u t o s .
b> R e a ç ã o adiabática : o s r e a g e n t e s vão n a t u r a l m e n t e p a r a o p erfil do s p r o d u t o s .
2 Nos ano s de 1953 - 1 9 5 4 ,T a u b e e c o l a b o r a d o r e s d e s e n v o lv e r a m um e s t u d o em q u e os p r o c e s s o s r e d o x , p u d e s s e m a p r e s e n t a r dois tipos de m ecanism o s de r e a ç ã o , um p or e s f e r a e x t e r n a e o u t r o p o r e s f e r a p interna.
A distinção e n t r e o m ecanism o de e s f e r a e x t e r n a e o m ecanism o de e s f e r a in t e r n a têm sido um clássico n a química inorgânica. E s s a s
d if e r e n ç a s f o r a m avaliadas em m uitos e s t u d o s , com o m o n o g r a fia s , a rtig o s , incluindo um e s t u d o <19?3>, fe it o por B e n e t t , b a s e a n d o - s e em e xe m p lo s bioin o r g ânic o s .
1.3 - MECANISMO HE ESFERA INTERNA
Os primeiros e s t u d o s s o b r e r e a ç ã o de t r a n s f e r ê n c i a de e lé t r o n de e s f e r a - l n t e r n a fo r a m fe it o s p or T a u b e .^ D u r a n t e e s s e p r o c e s s o de r e a ç ã o é n e c e ss á r io a f o r m a ç ã o de um interm ediário e q u e u m d o s c e n t r o s m etálicos s e j a mais lábil, fic a nd o o ligante p r e s o ao c e n t r o m etálico mais in e r t e .
O t r a t a m e n t o teó rico d e s s a s r e a ç õ e s d e p e n d e d a estabilidade do interm ediário bin u c le ar , c u j a química pode s e r m uito d ife r e n t e d a d o s r e a g e n t e s. 3
E s s a s r e a ç õ e s e n vo lv em um e s t a d o de t r a n s iç ã o b in u c le a r . As v e lo c id ad e s das r e a ç õ e s de e s f e r a in t e r n a d e p e n d e m d a n a t u r e z a do ligan te.
W ie g h a r d t e c o l a b o r a d o r e s ^ d e t e c t a r a m com auxílio d a e s p e c t r o s c o p ia UU-vis e eletroq u ím ica < Voltam etria Cíclica>, um interm ediário m uito e s t á v e l devido a r e d u ç ã o do RuCIII).
3
R e d u t o r
Ru <III> - L - CO <1115 externo >ru <h > -l - CO CIII> R á p i d o
R u < II> - L - C o < IIl> .4. K^ ,r;n> Ru< 1 1 1 > - L - Co< 1 1 > < 2 5 K - 1
R u ( I I I > - L - C o< II> --* 2 --> P r o d u t o s < 3 >
O nde:
K 1 = Ket C o n s t a n t e de velocidade de primeira o r d e m de t r a n s f e r ê n cia de elétron>
f n e r g i a p o t e n c i a l e n e r g i a p o t e n c i a l 4 -C-P^njjlcllj_r a c a o_ n_llcjlée a b_
Fietirs J — Perfil de e n e r g ia potencial de su p e rfíc ie dos r e a g e n t e s R < Oxj +■ Redg > e dos p r o d u t o s , P ( Redj + Oxg > de u m a r e a ç ã o de a u t o - t r o c a de e l é t r o n s < ^ 6° = 0 > com o u m a f u n ç ã o d a c o n fig u r a ç ã o n u c l e a r de t o d o s o s á tom o s do s is t e m a <A> = não adiabático; <B> = adiabático.
5
1.4 - MECANISMO HE ESFERA EA'TERNA
0 m ecanism o de e s f e r a e x t e r n a é c a r a c t e r iz a d o p ela a u s ê n c ia de r u p t u r a de q u a l q u e r ligação química e de a lt e r a ç ã o e s t r u t u r a l dos
c o m p o n e n t e s do s is t e m a r e a t iv o , d u r a n t e o p r o c e s s o de t r a n s f e r ê n c i a de e l é t r o n s .^
Um f a t o r indispensá vel p a r a a existê n c ia d e s s e m ecanism o é a v elocidade d a r e a ç ã o , a q u a l de v e s e r mais rá pida do q u e a velocidade de
4 s u b s t it u iç ã o d e q u a l q u e r ligante. Po dem o c o r r e r m odificações n a e s f e r a e x t e r n a de c o o r d e n a ç ã o e vizinhanças do s r e a g e n t e s e p r o d u t o s , devido a m u d a n ç a s do e s t a d o de oxidação aptís a t r a n s f e r ê n c i a de e l é t r o n s . E s s e p r o c e s s o d e v e o b e d e c e r o princípio de F r a n c k C on d o n , o q u a l exige um tem p o de meia vida c u r t a p a r a as tr a n s iç õ e s e le t r ô n ic a s , ou s e j a o te m p o n e c e ss á r io p a r a t r a n s f e r i r o e l é t r o n <C1 0-^ s ) é m uito m en o r do q u e o te m p o n e c essá rio p a r a o n ú cle o t r o c a r s u a posição <1 0-^3 s>^. A e n e r g ia de ativação p a r a e s s e p r o c e s s o químico, é m en o r do q u e p a r a a q u e l e no q u a l o c o r r e q u e b r a de ligação p a r a o m e ta l e o ligante.
Oliveira® r e a lizo u um e s t u d o cinético com c o m p le x o s de Fe<III>- oc - diiminos com o aminoácido cisteína, c u j o m ecanism o p r o p o s t o fo i o de s s f e r a - e x t e r n a , pelo f a t o d e q u e o s ligantes f e n a n t r o l in a e bipiridina e de u m modo g e r a l to do s os ligantes - diiminos são m uito r e s i s t e n t e s p a r a s e r e m d e s lo c a d o s d a c a m a d a de c o o r d e n a ç ã o in t e r n a do m e t a l. 7
0 m ecanism o de e s f e r a - e x t e r n a pode s e r ilu s t r a d o , c o n f o r m e a s e q u a ç õ e s ( 4 ) a ( 5 ) .
i M o <CH>8 3 ” + Mo* ( C H ) 6 4 " <4>
> F e Cbip»>33 * + R u <bip»>3 2 * <S)
Um s u p o s t o mecanismo de e s fe r a - e x t e r n * está. sendo atribuído às eq u a çõ es < 4 ) e < 5 ), pelo fa t o de as e s f e r a s de coordenação de ambos, tan to o o xidan te como o r e d u t o r , náo m udarem d u r a n t e a t r a n s fe r ê n c ia do e W t r o n . ®
6
M o Ce»»!*4 ' ♦ « o * <CH>3 3 -
7
1.5 - TEORIA DE MAR CUS
M a r c a s e o u t r o s ^ desenvolveram um modelo adiabático d« transferéncia. de elétro ns pelo mecanismo de e s fe ra - e x t e rn a , o qual prediz qua existe um a relação simples e n t r e as velocidades de d u as reaçõ es de t r a n s fe r ê n c ia de elétro ns e a velocidade d a co r r esp o n d en te reação c r u za d a .
Considerando a seguinte reação c r u z a d a :
0Xt + R a d g «^=£l2 =£=r R e d t > 0X2 < 6 >
E as respectivas reaçõ es de a u to - t ro c a de elétro ns:
OXj + R e d j R e d j ♦ OXj ( 7 >
OXrt + R ed. a Rtda + OX c a >
2 2 2 2 2 2 <• w >
Onde: OX, e 0 X _ _ sáo oxidantes l e 2
l 2 —
Redt e Redg - sâ.o r e d u t o r e s 1 e 2
A c o n sta n te de velocidade da reaçáo c r u z a d a pode ser
ca lcu la d a pela equaçáo < 9 >
k1 2 - < * « 1 1 » « 2 2 k 1 2 f 1 2 y 1 / 2 < 9 >
Onde: l n f j g = < 1 " K j g > 2 / 4 In < z 2 ) < 10 >
kji «C o n s t a n t e de velocidade de s e g u n d a ordem de a u to - tro ca d a reaçáo < l >
k g g s C o n s ta n te de velocidade de s e g u n d a ordem de a u to - tro ca d a r e a ç & o < S >
8
1 2= C o nsta nte de velocidade de s e g u n d a ordem p a r a a reaçã o
c r u z a d a < 1 > e < 2 >
K m ■ C onstante de equilíbrio p ara a reação c r u z a d a
Z ■ Frequência de colisão e n tre moláculas n e u t r a s em solução
f a Termo de correção p ara a diferença na energia livre de d u a s espécies r e a g e n t e s
Se < ln Kj2 > 2 e ln kjj kgg n a equação < 10 ) forem suficiente-A
m ente pequenos o valor de f será. aproxim adam ente igual a unidade .
1.6 - QUÍMICA SOS COMPLEXOS SE FERRO
Na química do fe r r o um dos pontos de maior in te re s s e é a m u d a n ç a do com portam ento cinético q u e acom panha a inversão do spin, t a n t o no e s t a d o de oxidação II como no e s ta d o de oxidação Eli. 1 0
As d u a s p o ss ív eis c o n fig u r aç ó e s q ue os complexos- de- ferro e t o do s os sistem as d® e d® podem a p r e s e n t a r s i o : a configuração de spin alto e spin baixo. N a fo r m a de spin baixo a estabilização pelo campo ligante é muito grande e os complexos a p re s e n ta m —se como sendo os mais inertes d e n t r e to d a s as configurações. Existe um a grande con centração de e s t u d o s em complexos de spin baixo, em virtude da relativa inércia em solução, a qual permite a utilização das técnicas convencionais de cinética le n t a 10, p a r a r eaç â es de substituição de ligantès. Por ou tro lado, e s t e s com plexos inertes de fe r r o tem d em onstrado serem e x c e le n t e s a g e n t e s r ed o x p a r a mecanismo de e s f e r a - e x t e r n a .^ ^ » ^ *
O e s t u d o cinético de reação envolvendo s u b s t r a t o s orgânicos e inorgânicos têm sido feitos com o objetivo de explicar a correlação e n tre os p arâ m etro s cinéticos e termodinâmicos utilizando-se a teoria de
9
M á r c u s . Os c o m p lex o s de Fe <IID - ce - diiminos, tais com o o f e r r o <III) -1,10 - fe n a n t r o lin a e f e r r o <III> - 2 ,2 bipidridina, tê m sido utilizado n a oxidação
1.7 - MECANISMOS SE FE AÇÕES SE COMPLEXOS SE FERRO i'III.> - iv - SUMIMOS
A s eg u ir s e r ã o d e s c r it o s o s m ec a n ism o s de r e a ç õ e s de C om plexo s de F e r r o <IIl) - « - diiminos com s u b s t r a t o s orgânicos.
1.7.1 - CINÉTICA E MECANISMO SE OXISAÇffO SE ESFERA -EXTERNA
SO CICLONEXANONA PELO TRIS \'PGL1P!RIS1L.> COMPLEXOS SE FERRO <!!!> E RO TÉ NI O <111,>
As oxidaçõ es de c ic lo h e x a n o n a p e lo s co m p lex o s < 1, 10 - fe n a n t r o lin a e 2, 2’ - bipiridina) e d e riv ad o s s u b stit u id o s fo r a m d e m o n s t r a d o s por Ng e H e n r y ^ , s e r e m de prim eira o rdem em r e la ç ã o 4 c ic lo h e x an o n a e primeira o rdem em re la ç ã o a o s co m p lex o s em 1M de H2SQ4. Foi de s c r ito q u e a oxidação do c ic lo h e x a n o n a pelo tris <1, 10 - fe n a n t r o lin a ) f e r r o <III), o c o r r e via u m a t r a n s f e rê n c ia de e l é t r o n de e s f e r a - e x t e r n a da c e t o n a p a r a Fe<lII). A e s t e q u io m e t r ia d a oxidação em condições a n a e r ò b ic a s é d e m o n s t r a d a n a e q u a ç ã o < 1 1 ) . A e t a p a d e t e r m in a n t e d a re a ç ã o foi p o s t u l a d a p a r a e n v o lv e r u m a t r a n s f e rê n c ia de e lé t r o n de e s f e r a - e x t e r n a com a participação ciclohexil radical, R-<eq. 11), ou u m átom o de hidrogênio abstraído . <eq. 13) de s u b s t r a t o s o rgâ nicos, tais com o c a t e c ò is **, quindis**, c e t o n a s , tio c ia na to s*3 , ben zenodiò is*^, cisteína®, t i o u r é r i a ^ , e o u t r o s s is t e m a s .
IO
<12)
< R->
A rápida p e r d a do próton gero u R* (e<?. 13)
F e < p h e n >3 ^ + + 0 = — > F e1I I < p h en >3 3 + H- * R* <135 r á p i d a
FeII<phen)3a * + Hh
Ralações lineares de energia livre fo r a m obtidas p a r a oxidaç&o
do ciclohexanona pelos complexos <polipiridil> de Fe <II1) e Ru com
inclinação de 0,51 . E s t e s r e s u lt a d o s estáo de acordo com a teoria de M a r c u s p a ra a reaçá o com t r a n s fe r ê n c ia de elétro n s, o qual prediz u m a inclinação de 0 ,5 0 .
0 mecanismo considerado sobre os dados cinéticos p a ra to da a
série de com plexos Fe CIII) <L)3^ + , onde L correspondem aos derivados da fenantrolina, é exibido a t r a v é s das e q u a ç õ e s 14 e 15, onde o radical R* re a g e s u b s e q u e n t e m e n t e em um núm ero de e t a p a s rápidas p ara g e r a r o p r o d u to oxidado.
O
= 0 » H* sgJSjaB» * M* < 14 >
11
1.7.2 - CiNÉTICAS E MECANISMOS HE 0X13A Ç#G HO TIOCIANATO
PFL O TRIS < I, JO FENANTROLINA .> FERRO <III> E SEUS HERIVABGS
Henry e Hg tam bém e s tu d a r a m a oxidação do tiocianato pelo tris < 1, 10 - fen-antrolina > Fe <IID c u jo s p r o d u t o s fo ra m os íons cianetos e
sulf a t o s. 1 3
A velocidade de oxidação exibiu u m a dependência de primeira ordem sobre o tiocianato a um á con centraçã o molar de tiocianato de potássio ">s 4 x 1Q~ 4 M .
A estequiom etria da reação foi determ inada na p r e s e n ç a de ex c e ss o de Fe<IXX> pheng0 . 0 desaparecim ento de Fe <III) phenj'* foi acom panhada a 510 nm.
Para ca da moi de KSCN p r e se n te na m istura d a r eaç ã o , u m a proporção de 5 ,3 ± 0,2 moi de Fe<II> phen32 + ,foi o prod uto final d a reação.
D esta form a, a estequiom etria da reação pode s e r
r e p r e s e n t a d a pela equação < 16 5:
6 F e a i I > p h e n 3 3 + + S C N - + 4 H 2 0 ---- »> 6 F e < I I > p h « n3 3**-CM""+S0 4 2~ *8*l*
< 16 > Os valores cinéticos encontrados por Henry1 3 e Ng, su g erem o seguinte mecanismo:
Fe <III> phen33*+ SCH_ s=Í£l«3* C Fe Phen3 SGH J2+ < l? > 1
C F« CIII> Phen3 3 +SCH SCH~ — * 3 — > F e <II> p h e n 3 e + + < SCM>B~ < 18 )
12
0 p asso inicial d a reação envolve a form ação de um
intermediário reativo 1.
0 intermediário 1 reag e com u m a m olécula de SCN~ p a r a dar Fe<II5 phen32+" e o radical <SCN>gT. Uma reação rápida s u b s e q u e n t e d e s t e radical com Fe <III> p h e n33+ ou HgO p r o d u z Fe <115 p h e n 3 2 + , CN-, SÜ4^ ” .
É in te re s s a n te no ta r que a simples t ra n sferê n cia de elétron pelo SCH” p a ra Fe <III> phen33 + p a ra ob te r um radical SCH” não é favorável termodinamicamente.
0 valor E ° p a r a Fe <1115 phen3 3+---> Fe <115 pher»3£+ é 1,06U, e nqu anto pa ra SCN- é 1,8 U.
A formação- do par iônico como é a p r e s e n t a d a na < eq. 17 > provavelm ente s erv e para baixar o potencial de energia pa ra tra n s fe rir o elétro n s u b s e q u e n t e . 0 term o de primeira ordem reportado por Miim&rt e colaboradores poderia r e s u lt a r da decomposição de 1 pa ra dar Fe <II> phen3^ + e SCN*.
A seguir e s tá descrito alguns valores experimentais, <tabela 1> en co n tra do s por Henry13, o qual é de e x t r e m a importância p a r a um melhor entendim ento d a teoria de M ar c u s p a r a es se e s t u d o . Esses valores estão r e p re s e n t a d o s n a tabela l e fig u ra 2.
13
Tâl>eJâ 1 - C o n s t a n t e s de velocidade de t e r c e i r a o rd e m p a r a oxidação do t io d a n a t o p elo s c o m p le x o s d e F e <IID f e n a n t r o -lina s u b s t it u íd o s à 2 5 ° C e 1 M H2S O4 .
Com plexo a E ° K ob s C SCH 3t 2 x IO- 4 í M- 2 S 1 >
Cl> tris < 4 ,7 - dimetil- 1 , 1 0 - fe n a n t r o lin a ) F e rr o III 0 ,3 6 0 , 0 1 2 <.2j 5 - met-il - 1,10 - f e n a n t r o lin a 5 F e r r o III 1 , 0 2 1,4 <3> tris < 1,10 - f e n a n t r o - lina) F e rr o III 1,06 2 , 8 <4> <; 5 - clo ro - 1,10 te-
n an tro lin a ) F e r r o III 1 , 1 2 3 7 ,4
<5> < 5 - bro m o - 1,10 - fe-
n an tro lin a ) F e r r o III 1,13 3 5 ,0 ± 10,0
<6> < 5 - nitro - 1,10 - fe-
n an tro lin a ) F e r r o III 1,25 1 0 0 ,0 ± 5 0 ,0
14
E . V 0 LT
FrSi.tr 3 i? - Gráfico de log < K o b s^C SCN l y " ) vs E ° p a r a os c o m p l e x o s de F e r r o G I D s u b stitu íd o s à 2 5 ° C e lfl de H2S O4 .
IS
Se o ponto 6 é eliminado, um a inclinação maior do q u e a
inclinação obtida por M a r c a s , é obtida. Se o ponto 1 é eliminado um gráfico com coeficiente angular igual a 0,5 pode ser obtido, a trav és de um gráfico <^6° u e r su s
A relação de M a r c u s estará, de acordo com os dados, se o ponto 1, o qual e s t á fo r a da linha na fig u ra < 2 > surgiu do fa to q ue e s t e complexo tem 4,7 - substituintes enquanto que os o u tro s têm 5 - substituintes.
J. F. 7 - CINÉTICAS E MECANISMOS Bfi O,VIBAÇffO BS QUINdIS PELOS COMPLEXOS BE FERRO <IIJ.\, TRIS < 1*10 - FENANTROLINA -> EM MEIO AQUOSO A CIBO PER CL d RI CO
M entasti e Pelizzetti1 2 e s tu d a r a m a cinética de oxidação de quinòis por um núm ero de com plexos tris <l,10-fenantrolina > de Fe CIII> substituintes. Essas reações são rápidas, onde a velocidade le n t a de substituição dos ligantes no complexo oxidante s u g e r e atribuir um mecanismo via e s fe r a - e x t e r n a no complexo ativado.
A equação estequiom étrica obtida apòs sucessivas adições de
solução de hidroquinona sob re soluções de Fe (III) L3, exibiu que dois íons
Fe <III> L3 são reduzidos por m oléculas de s u b s t r a t o oxidado.
HZ Quin * 2 Fe <1113 L3 ----> P - Quín t 2 Fe <II> L3 + 2 H+ < 20 )
0 mecanismo proposto p a ra es sa s rea ç õ e s e s t á dem onstrado a seguir:
Hg Quin ♦ Fe <1113 L3 radical + Fe <II> L3 < 21 >
radical * Fe <III!> L3 > p ~ Quin ♦ Fe <II) L j
* 4
< 22 )
Comparando com as reaçõ e s a n t e r i o r e s ^ '^ , os valores
experimentais p a r a as reações investigadas n este e s t u d o , estão de acordo com os valores preditos por M a r c u s , d e s t a fo r m a um a mecanismo de e s fe r a - e x t e r n a é operativo, onde u m a simples t ra n s fe rê n c ia de um átomo
de hidrogênio, é o passo da velocidade determ inante.
1.7.4 - CINÉTICAS £ MECANISMOS PA GXIPAÇXO PA CISTEINA £
TIOÜRÉIA PELOS COMPLEXOS PE FERRO VIII.) - a- - P11MINGS
E s t u d o s cinéticos d a oxidação d a cisteína6 e tiouréia1 5 pelos complexos de tris < 1,10 - fenantrolina > fe r r o (III) foram realizados em meio sulfúrico < I = 0 ,7 5 M>.
A estequiom etria foi 1 : 1 . Os p r o d u to s das reaçõ es foram identificados como cisteína e formamidina d issu lfe to e os c o rre sp o n d en tes com plexos de Fe <II) l_3^ + , os quais s u g e r e m a form ação do cátion radical RSH+ como intermediário n a e t a p a determ inante de velocidade.
Todas as reações foram de primeira ordem em am bos os r e a g e n t e s .
Um mecanismo de e s fe r a - e x t e r n a p a r a todas as r e a ç õ e s foi atribuído com b ase n a teoria de M a r c u s p a r a r e a ç O e s de e s fe ra - e x t e rn a .
Maiores detalhes mecanísticos serão dicutidos no capítulo IU .
As equações estequiom étricas p a r a as reações e n t r e os com plexos Fe l-33+ com cisteína e tiouréia está o dem onstrados a seguir:
17
F e <III> < L 3 >3 + + R S H ---* F e CII> L 3 2 * + R S - S R + H * í 2 3 >
O n d e : RSH indica a cisteína e R S - S R a cistina . Com r e la ç ã o ao t r a b a l h o cinético r ealizado com a tio u réia1®. Os p r o d u t o s fo r m a d o s f o r a m Fe <II> e form am idina d i s s u l f e t o .
E s t u d o s d a oxidação d a cisteína e tio u ré ia r e a liza d o s r e s p e c t iv a m e n t e p or Oliveira® e C e c c a t o 1^ , a p r e s e n t a r a m u m a similar e t a p a d e t e r m in a n t e de v elocidade, r e p r e s e n t a d o p e la e q u a ç ã o 24 .
F e <III> L 3 3 * + R S H --- > F e < I I > L 3 a * + R S H t C 2 4 >
1.8 - 8UÍMICÜ BGS TTGÉTEPES
1.8.1 - COMPOSTOS OffeAHGSKL FURAHOS
Os s u l f e t o s sã o oxidados a s u lf ò x id o s e s u l t o n a s .
S O s o 2 <25>
N itrato cérico de amónio ( CAN ) f a v o r e c e a oxidação s e le t iv a de diaril s u l f e t o s p a r a d a r s u lfò x id o s -à. t e m p e r a t u r a a m bien te com e x e c e l e n t e s r e n d im e n t o s , m esm o em p r e s e n ç a d e e x c e s s o d e o x id a n t e s , as s u l f o n a s não sã o f o r m a d a s 18
T r a b a lh o s mais r e c e n t e s têm m o s t r a d o q u e u m sistem a, o xid an te de s u l f e t o s de diarilas q u e c o n té m q u a n t i d a d e s catalíticas de CAN p o d e s e r u s a d o p a r a oxidar s u l f e t o s c o m v a n t a g e n s 1 **.
As co n dições náo ácidas p erm item a o b t e n ç ã o d e s u l f e t o s de dialquilas com dtim os re n d im e n to s .
0 hidrogênio ligado ao e n x o f r e n um tiol é s u fic ie n t e m e n t e ácido p a r a f o r m a r um íon a l q u il s u l fe t o em p r e s e n ç a de hidróxido de p otá ssio . Assim, se náo f o r e m p re g a d o em e x c e s s o de HgS g a s o s o n a r e a ç ã o de f Q fo r m a ç ã o de tidis, o p r o d u t o principal s e r á t io é t e r1 . r - x + k o h + h 2 s e t a n o l > RSH + K x * H s 0 < 2 6 > R - S H + K O H > R - S~ K + < 2 7 > R - S ~ + K * + R - X > R - S - R + K X ( 2 8 ) O n d e : X = B r o u I
-A o b te n ç ã o s e le t iv a de s u lfd x id o a p a r tir de tio é t e r e s pode s e r r e a l iz a d a a t r a v é s de u m a l e n t a auto- oxidaçã o (u m a t r ê s dias> em s o l v e n t e s p o la r e s a a lt a s p r e s s õ e s d e Og e t e m p e r a t u r a s acima de 9 0 ° C ^ ® .
P o r o u t r o lado, Rilles e C o r r ê a ^ ® tê m in fo rm ad o q u e , a adição de u m a q u a n tid a d e catalítica de sais de Ce (IU) a c e le r a m a auto- oxidação d e t io é t e r e s a s u l fò x id o s , pelo m e n o s n u m f a t o r de 1 0^ , q u a n d o a p r e s s ã o e a t e m p e r a t u r a sáo b a ixa s, p r o d u z in d o u m a r e a ç á o s in te tic a m e n te c o n v e n ie n te . T o d a s as r e a ç õ e s d e Ce (IU) com aril e alquil t io é t e r e s são s e le t iv a s p a r a s u lfò x id o s , e a p r e s e n t a m u m a d e p e n d ê n c ia d a c o n c e n t r a ç ã o de p s e u d o primeira o r d e m p a r a o t io é t e r a u m a p r e s s ã o de oxigênio c o n s t a n t e .
19
A seletividade p a r a sulfòxidos é maximizada a pressão de
oxigénio igual ou maior à 15 b ar.
A oxidação seletiva de s u lfe t o s a sulfòxidos é u m a reação im portante devido à versatilidade sintética de sulfòxidos21, visto que
dependendo das condições eles podem se oxidar p ara s u lfo n a s ou se reduzir para s u l f e t o s . Uma variedade de complexos de metais de transição têm sido utilizados p ara o b ter e s t a oxidação.
Com r e a g e n t e s oxo-metálicos tais como ácido crômico,
perm anganato ou ÜSO4, a seletividade não é o b s e rv a d a p o rq u e os
sulfdxidos são n a s u a maioria mais reativos que os c o rre sp o n d en tes s u l f e t o s .
0 Ce (110 oxida o DMSO pa ra dimetil s u lfo n a em meio á ^ d o perclórico2 2 , conform e a equação descrita a seguir:
M e g S O * C e I U + H 2 0 ---- ----> H e S O g + C e 111* 2 H + < 2 9 )
Uma dependência de primeira ordem foi o b s e rv a d a sobre a
con centração do C DMSO 1 e a form ação de um complexo entre os r e a g e n t e s s u g e r e o seguinte mecanismo.
Ce OH3 + + H+ ^gi Ce4+ C 30 >
Ce4 + + Meg SO C complexo 3 < 31 )
20
Meg S+ - O- + H2 0 r ^ KilLfl— > Meg SO + H+ + -OH
21
1 . 9 - SIOQltíMIC# METIÕN1N#
A metionina é um dos principais vinte arnino-ácidos que compõem a cadeia proteica. 2 3 *2 4
E s t u d o s em animais ou células intactas com aminoácidos
adio ativos ou m arcad os, logo revelaram q ue as proteínas dos tecidos animais s o fr e m a lte r a ç õ e s metabólicas e q u e os aminoácidos e não os peptídeos simples sáo os p r e c u r s o r e s imediatos d a proteína. Na en ta m o e b a coli < E. coli > e em todos os o u tr o s procariontes a síntese de to d a s as
proteínas com eça com o aminoácido metionina metionina pode diferir
dos o u t r o s aminoácidos pela e s t r u t u r a de s u a cadeia lateral, aqui
denominada grupam ento R,® 4
H
I
R ---C --- C O O H
N H 2
como sendo urn arrano-ácido náo polar e hidrofòbico, contendo um átomo de
e n x o fr e .
0 e s q u e m a abaixo, r e p r e s e n t a a e s t r u t u r a d a metionina na fo r m a zuuiteriônica predominante na faixa de pH 6 ,0 à 7 ,0 .
T
CH3 --- s --- c h2 --- c h2 --- c --- c o 0“ h h3 *
O oxigênio,'o nitrogênio e e n x o fr e , p r e s e n te s nos aminoécidos, s«Lo átomos doado res que m arcam significativa p r e se n ç a em sistem as
22
biológicos. A participação em s is te m a s biológicos de um g r u p o fu n c io n a l c o n t e n d o e s s e s d o a d o r e s , d e p e n d e de su.a disponibilidade p a r a c o o r d e n a r o pH fisiológico.
0 valo r do p Ka p a r a o g r u p o io n iziv el d a metionina, à £ 5 °C , e s t á listado n a t a b e l a £ .2 4 ,2 5
23 T a b e l a £ - Ualor do p K a p a r a os g r u p o s ionizáveis da metionina, à 2 5 °C . Aminoácido pKa - COOH pKa - n h3 pH isoelétrico M etionina 2 , 2 8 a 9 , 21a 5 ,8 a 2 , 2 2 b 9 , 2 7 b ---2 , ---2 0 c 9 , 0 5 c ---Onde: a - r e f e r ê n c ia 2 4 : b - r e f e r ê n c i a 2 5 : c - r e f e r ê n c i a 2 6 E xiste um pH c ar a c te r ís t ic o p a r a c a d a aminoácido c h a m a d o pH isoelétrico ou pH de p o n to iso elé trico , pelo q u a l h á um balan ço igu al de g r u p o s c a r r e g a d o s positivam ente e n e g a t ic a m e n t e . p ro d u zin d o m o lé c u la s e l e t r ic a m e n t e n e u t r a s .
0 pH iso elétrico p a r a me tio nina é m o s t r a d o n a t a b e l a
acima-A maioria do s g r u p o s c o o r d e n a n t e s nos aminoácidos têm afinidade apreciável por p r ó t o n s , com v a lo r e s de p K a r e la t iv a m e n te a lt o s .
Em meios n e u t r o s , os aminoácidos e s t ã o so b a f o r m a Zuuiteriônica, isto é, RCH < NH3 + > COO-, o nde a p e n a s os re síd uo s carboxílicos e amínicos n-ão e s t á o p r o t o n a d o s , c o n t u d o em v ir tu d e d a com petiçáo com p r ó t o n , os equilíbrios de c o m p lex a ç á o de aminoácidos com íons m etálicos d e p e n d e m a c e n t u a d a m e n t e do pH.
24
Os modos de coordenação t rid e n ta d a é possível com amin o ácidos q u e a presentam resíduos c o o rd e n a n tes, como n a histidina, cisteína, ácido ascòrbico, metionina, e t c — Os complexos tridentados sáo mais estáveis que o s b i d e n t a d o s ^ ^ .
A c o n st a n te de estabilidade, de modo geral, diminui com o aum ento do tam anho do anel q u ela to , sendo mais fr e q u e n t e s e s t r u t u r a s com 5 ou 6 m em bros. Ao mesmo tempo e la c r e s c e com o núm ero de anéis q u ela to s. 0 poder de coordenaçáo dos resíduos p r e s e n te s nos aminoácidos também depende do tipo de íon metálico. Ho caso de íons d u r o s , a coordenaçáo se dá p referen cialm en te pelo carboxilato ao passo que p a ra íons moles, a coordenaçáo por meio do e n x o fr e d a cisteína ou metionina é
mais provável. 2 6
Nas m etaloproteínas, a afinidade dos íons metálicos pelos g ru p o s disponíveis é im portante p a r a a determinação do sítio de ligação.
0 grupo tioéter da metionina, sendo base fr a c a , é p o u c o
coordenante com respeito a íons d u r o s , ou d a primeira série de transicáo.• ^ ^
Contudo tem grande afinidade por íons moles como Pt<II>, A g (D , Hg<I>, Hg<II>, e Pd<CII>.
A sem elhança de r-eatividade do C Fé ( CNg) 3 -3, com o f e r r o <II> - heme. seria confirmado comparando-se a afinidade d e ste s íons metálicos pela metionina. A coordenação mais está v el deveria ocorrer a tr a v á e s do en x o fr e p r e s e n t e no aminoácido produzindo um complexo conform e e s t á rep re s e n ta d o n a e s t r u t u r a a seguir:
iã N 23 C H_
/
^ C H CH' 0*“ — C =s0 IH: 0 e s t u d o d o s c o m p o s t o s de p e n t a c i a n o f e r r a t o com m o lé c u la s biológicas^4 , podem m o s t r a r a l g u n s a s p e c t o s cinéticos, m ecanísticos e r e d o x em d e t e r m in a d a s r e a ç õ e s , o q u a l p od em se rv ir de f o r m a auxiliar p a r a o m e lh o r e n te n d im e n to das f u n ç õ e s do s c o m p o s t o s de f e r r o noo rganism o. (
B a t i s t a ^ d e m o n s t r o u em s e u t r a b a lh o a lg u n s v a lo r e s s o b r e t r a n s iç õ e s do cam po ligante, em c o m p lex o s de p e n t a c ia n o f e r r a t o <II> com am inoácidos. Os v a lo r e s s e g u in t e s f o r a m r e t ir a d o s do t r a b a lh o m encionado
24 acima.
26
Tabela 3 -TransiçOes do campo ligante em com plexos de pentacianof e r r a t o <II> com amin o ácidos.
Fe <CN>5 L X (nm) £ máx. <M * s “ *5 v <kK> L metionina 391 2 7 0 2 5,6 metionina-s u l f dxido 3 55 2 0 0 2 8 ,6 Onde: <kK> = 1000 cm * o^a
Os dados cinéticos e eletroquímicos obtidos nesse trabalho permitiram concluir que a p esa r d a d esfavo rá v el estabilidade, o grupo amino é c a p az de competir com grupos tio éteres, p r e s e n t e s em solução, form ando intermediários com tempo de vida c u r t o . Também permitem concluir que a coordenação entre a metiomna e o íon p e n t a d a n o f e r r a t o <II> e fetu a- se a tr a v é s do átomo de e n x o fr e . E s t a coordenação deve ser c a u s a d a pela p r e s e n ç a de pares de elétro ns livre no e n x o fr e , os quais podem interagir com os orbitais d do metal e baixar o valor de 1 0 Dq.
A estabilidade da metionina pode se r s u p e r a d a pela metionina- sulfdxido, em consequência das f o r t e s propriedades tT - acepto ras d este último ligante.2 **
1.10 - OXIDAÇtfQ £ #EDUÇ#Õ DA METIONINA-SUL FÓXIDO
0 tra ta m e n t o de aminoácidos, peptídeos e proteínas em solução a q u o s a de dimetil sulfòxido <Me2S 0) e ácido clorídrico <HCl), pode r e s u lt a r
27
n a oxidação d a metionina p a r a metionina s u l f tíxido. 2 7 Incubação da me tio nina sulfúxido com <Meg S> e HCl r e s u l t a n a conversã o de metionina sulfdxido p a r a metionina E s t a reação é ríp id a ( t j / g = 4 mim era t e m p e r a t u r a ambiente). 0 e s q u e m a q ue ilu s tr a a oxidação e r e d u ç ã o d a metionina pelo (M eg SO) e M egS e s t á r e p re s e n ta d o a seguir.
CH-* ~ H H -- C H -- C O
/
I
~ H H ---C H --- C 0 ~ 0 = S --- C H3 ^ Ç« 2 I _ --- Z> I C H » 0.5H H C 1 , 0 , 1 H M e2 S 0 C H2I
I
C H p 22°C, 30 - 180 min. S = 0 I I s c h3 I ch3 < 35 > CH-? ^ H H --C H -- C O ~ / I ** HH -- CH -- CO S --C H3 C H p | --- £ --- £ | C H2 4 , 0 - 1 0 , 7 M H C 1 , 0 , 3 H M e g S C H g CHp 2 2 ° C , 3 0 - 1 8 0 « I n . S I I S = 0 Ch3 c h3 < 3 6 >A t r o c a de oxigénio e n t r e Meg SO e a metionina é dependente da
acidez. 0 ânion cloro é efetivo n e s t a promoção de tro c a . A reação é
com p letada com a con centração de HC1 à. 0 ,5 - l,0M e de Meg S <k 0,01M,
eliminando possibilidade de d e sn a tu ra ç ã o d a proteína em altas
co n c en tra ç õ es de solven tes orgânicos.
28
o c o r r e a r e d u ç ã o d a m etionina s u lfd x id o p a r a metionina. E s t a r e a ç ã o pode s e r c o m p l e t a d a s o m e n t e a a lt a s c o n c e n t r a ç õ e s de HC1 <4 - 10,7M>, s e n d o d e s f a v o r á v e l p a r a a r e a ç ã o um a u m e n t o de á g u a no meio re a c io n a l. A c o n c e n t r a ç ã o n a fa ix a de 0 ,3 - 0,5^1 M e g S fo i indicado p a r a s e r s u fic ie n te n a c o m p l e t a c o n v e r s ã o de metionina p a r a c o r r e s p o n d e n t e s u l f tíxido em p ro t e ín a s . A in flu ê n c ia d e s t a c o n c e n t r a ç ã o de M eg S tem sido u s a d a p a r a
pp pq e s t u d a r a s p r o p r ie d a d e s fisicoquímicas e biológicas de p ro teín as. ’
O s p r o c e s s o s p a r a c o n v e r s ã o de metionina p a r a s u lfd x id o p erm ite d e t e r m in a r a reversibilidade do g r u p o tio é te r d u r a n t e a m odificação química do r e s t a n t e d o s aminoácidos. Tendo em v ista o c a r á t e r nucleofxlico d a f u n ç ã o t io é t e r , e c o n sid e r a n d o a metionina um r e a tiv o p ro m iss o r n a maioria do s r e a g e n t e s eletrofílicos u s a d o s qui/nicam ente
po 7n p a r a m odificar aminoácidos unidos em c ad eias p r o t e ic a s .
A r e d u ç ã o d a m etionina s u lfd x id o pode o c o r r e r d u r a n t e a hidrólise com HC1 SN em co ndições a n a e r d b ic a s ,^ ® o n d e a p r e s e n ç a de oxigênio n a hidrolização pode r e s u l t a r n a oxidação parcial d a m etionina p a r a s u l f d x i d o .3 *
D e t e r m in a ç ã o q u a n t it a t iv a d a metionina e metionina sulftíxida em p ro te ín as pode s e r fe it a pelo t r a t a m e n t o d a p roteína com bro m o cianogênio, com c o n v e r s ã o d a metionina p a r a hom o serin a, mas não m odifica a metionina s u l f tíxido.3 ^
Oxidação d a metionina em peptídeos p a r a su lfd x id o pode o c o r r e r sob m u ita s c o n d iç õ e s . Um e xe m p lo s e ria d u r a n t e a exposição de s o l u ç õ e s peptídicas diluídas em a r a t m o s f é r i c o .3 3 ,3 4
A t r a n s f e r ê n c i a de oxigênio p a r a su lfd x id o por um s u l f e t o tem sido d e s c r ito p o r M o d e n a ^ e R y n b r a n d t 3 6 , o n de p o u c o ou n e n h u m e fe it o catalítico te m sido d e m o n s t r a d o pelo ácido s u l f ú r ic o e o u t r o s á cido s.3 5 ,3 6
29
A r e a ç á o com t r a n s f e r ê n c i a fo r m a l de oxigênio está. d e m o n s t r a d o abaixo:
R 2 ' S + R2 3 0 -^ — > R 2 ’ S O + R 2 S < 3 7 >
Se os KTS são s e m e l h a n t e s , o equilíbrio pode s e r a lc a n ç a d o por
35 7 7
m u ito s meios. De q u a l q u e r m aneira, u s a n d o dimetil s u lfd x id o <DMSO> em e x c e s s o , a r e a ç ã o pode s e r s o l t a d a p a r a a fo r m a ç ã o d a metionina sulftíxido e dimetil s u l f eto .3® »^9
30
C A P I T U L O I I
2 - P A R T E E X P E R I M E N T A L
2.1 - PRINCIPAIS XEA&ENTES
Os r e a g e n t e s 1 , 1 0 - f é n a n t r o lin a monohidr a t a d a , 2,2’ bipiridina, p e r c l o r a t o de sòdio. didxido de c h u m b o , acido percló rico e s u l fú r ic o fo r a m de p r o c e d ê n c ia d a M e r c k . DL-metionána, o s u l f a t o de f e r r o h e p t a h id r a t a d o f o r a m obtidos d a C ario E r b a e o nitrogênio d a White M a r tin s.
2 .2 - APARELHAGENS E TÉCNICAS EXPERIMENTAIS
O s d a d o s cinéticos, o s e s p e c t r o s UU-visível fo r a m d e t e r m in a d o s a t r a v é s de um e s p e c t r o f o t ô m e t r o S h im ad zu UU-visível m odelo UU-190, equipado com r e g is t r a d o r RB-101 d a E.C .B . (E q u ip a m e n to s Científicos do Brasil) e ta m b é m f o r a m o btidos por u m e s p e c t r o f o t ô m e t r o u l t r a viole ta- visível m odelo Cary 219.
A análise do s p r o d u t o s foi r e a liz a d a em um e s p e c t r o f o t ô m e t r o HP < Heuulett P o c k a r d >, m odelo 8 4 5 0 A , Diode A r r a y .
A t e m p e r a t u r a fo i c o n t r o l a d a , utilizando- se um t e r m o s t a t o H a a k e F. j. e um r e o s t a t o ética (E q u ip a m e n to s Científicos).
O s e s p e c t r o s in fra- v e rm elh o f o r a m tirados num e s p e c t r o f o t ô m e t r o Perkin Elm er modelo 781.
As p e s a g e n s f o r a m r a liza d a s em u m a b a la n ç a ananlítica M e t l e r , m olelo AE-100. 0 pH d as s o l u ç õ e s f o r a m medidos em u m pH- m etro M icronal B .3 7 5
31
2 .3 - SÍNTESE E CARACTEPIZAÇffO DOS COMPLEXOS
2 .3 .1 - S/N TESE DOS COMPLEXOS PE E Fe <111 fL.>s J3 * e EFeilll.WL ) jJ3 *.
O X A síntese d o s c o m p lex o s de CFe <II) <L)g^ e f o r a m r e a liz a d a s de a c o r d o com m eto do lo gia l i t e r a t u r a . 40*41
Os c o m p lex o s de Fe <II> l-32 + f o r a m s in t e tiz a d o s adicionando u m a q u a n tid a d e e q u iv a le n t e do ligante a pro priado n u m a s o lu ç ã o de s u l f a t o d e f e r r o <II> h e p t a h id r a t a d o n u m a r a z ã o de 3:1, e precipitado como sal de p e r c l o r a t o p e la adição d e p e r c l o r a t o de sòdio.
Os c o m p lex o s de Fe <CII> L-3 2 + f o r a m dissolvidos n u m a s o lu ç ã o de ácido s u l f ú r ic o diluido < 5 g de co m p lexo p a r a 2 0 0 ml. de ácido) e oxidados a F e (III) l_33 + , com a adição de didxido de c h u m b o <IU> em e x c e s s o . 0 s u l f a t o de chu m b o e o e x c e s s o de didxido de c h u m b o <IU> f o r a m rem ovidos a t r a v é s de filtraç ã o a v á c u o . Os c o m p lex o s de Fe (III) l-3 ^ + f o r a m precipitados n a f o r m a de sal de p e r c l o r a t o p e la adição de ácido p ercldric o 0 ,5 M à 0 ° C . E s s e s co m p lexo s em s o lu ç ã o p o s s u e m u m a c o lo ra ç ã o a z u l e são b a s t a n t e instáveis em meio n e u t r o e em s o lu ç õ e s diluidas de ácidos, t r o c a n d o de cor r a p id a m e n t e .
N a síntese d e s t e s c o m p le x o s f o r a m t o m a d a s as s e g u in t e s p r e c a u ç õ e s :
1> S e c a r c o m p le t a m e n t e os m ateriais de vidro utilizados.
CFe CIII) <L)3D3 + d e s c r it a n a
32
2> P recipitar o co m p lex o f o r m a d o , com sais de p e r c l o r a t o ou ácido p erc ló ric o c o n c e n t r a d o .
3> M a n t e r a t e m p e r a t u r a do meio r e a d o n a l a 0 ° C , p a r a q ue o c o r r a u m a m e lh o r precipitação.
33
N
w
00
_ N
Figura 3 - E s t r u t u r a dos c o m p lex o s de Fe l_3n + ; (a) Fe <phen>3n+ e <b> Fe (bipy>3n + , onde n p od e assu m ir os v a lo r e s de 3 e 2 .
34
£ .3 .2 - C#f?#CTE#lZ#ç&0 HOS COMPLEXOS
O s c o m p l e x o s C F e <II> <phen>3 3^+ e C F e <IID <phen>3 H^ + 5
C Fe <ID <bipy> 3 l ^ e C Fe <III> (bipy> 3 a p r e s e n t a r a m r e s p e c t iv a m e n t e c o m p rim en to s de o n d a máximo £ X m áx. > em 510 nm , 6 0 2 nm, 5 2 2 nrn, 617 nm e c o e fic ie n te s de extinç-ão < £ > com os s e g u in t e s v a lo r e s : 1 1 . 1 0 0 M cm 8 7 0 M c m -*, 8 .6 5 0 M c m '* , 3 2 0 M c m -* , o s quais e s tã o c a r a c t e r iz a d o s nas f ig u r a s 4 e 5.
AB SO R BA N G l A 35
Fi.9i.tra 4 — a> E s p e c t r o de a b so r ç ã o no visível do s co m p lex o s de C Fe <I1D (p h e n )3 3 3 + , em H2S 04 à. 0 ,2 5 M e à. 2 5 °C _
b> E s p e c t r o de a b s o r ç ã o no visível do co m p lexo de C Fe (II)
a b s o r b a n c i a 36 C O M P R I M E N T O D E O N D A (N M )
Fisur-B 5 - c) E s p e c t r o de a b so r ç á o no visível dos c o m p lex o s de C F e CIID <bipy>33 3 + , em H2S O4 à 0 ,£ 5 M e à. 2 5 ° C .
d) E s p e c t r o de a b s o r ç ã o no visível do c o m p lexo de C Fe (II)
37
2 .3 .3 - SÍNTESE DA DL - MET1QM1H# SUL FáXIIfÜ
n h2 o
C H3 — S — CH2CH 2 CHCOOH + HgOg g l a c i a l > c h3 _ g --- c h2c h 2 c h c o o h
A c id o A c é t i c o
0 m é to d o utilizado p a r a a síntese d e s t a s aminoácidos foi o m é to do de R o p er e M c l l u ia in .^
F o ram m is t u r a d o s 6g de DL - metionina com 3 0 ml de -ácido acético glacial a t é fo r m a r u m a m a s s a p a s t o s a b r a n c a . Foram adicionados d e z p o r ç õ e s de 0 ,3 ml de peròxido de hidrogénio de £ em 2 m in u to s, sen do q u e a t e m p e r a t u r a d a r e a ç ã o foi m an tida a 6 0 ° C , com o auxílio de um banho de á g u a e g e lo . Apòs um in t e r v a lo de 15 m inutos foi adicionado o r e s t a n t e do peròxido de hidrogênio, em 4 p o r ç õ e s de 0 ,6 ml. A so lu ç ã o foi m an tida p o r 10 h o r a s n a t e m p e r a t u r a de 3 0 - 4 0 ° C . Um v o lum e de e t a n o l (3 9 ml) foi adicionado, e depois q u e a s o lu ç ã o foi r e s f r i a d a um s e g u n d o v o lum e de e t a n o l foi tam b é m adicionado <39 ml) e a s o lu ç ã o foi m an tida por 2 4 h o r a s n a t e m p e r a t u r a de 0 - 5 ° C , so b agitação b r a n d a .
0 precipitado d a metionina s u lfd x id o foi filt r a d o e lavado com 15 ml de e t a n o l. A m a s s a p a s t o s a foi dissolvida em <15 ml) de á g u a q u e n t e <30 - 100°C>. P a r a c l a r e a r a s o lu ç ã o foi c o lo c ad o 0 ,7 5 g de norite <ca.rvão ativado) e 0 ,3 g de celite ( t e r r a dia to m á c e a ), e a p ò s a m is t u r a foi f e r v id a por cinco m in u to s.
0 filt r a d o d a s o lu ç ã o foi r e s fr ia d o e p o s t e r io r m e n t e 15 ml de e t a n o l f o r a m adicionados, s e n d o mantido n u m a t e m p e r a t u r a de 0 - 5 ° C por 12 h o r a s . A s e g u ir , um s e g u n d o v o lum e de e t a n o l <15 ml> foi adicionado e m antido n o v a m e n t e por 24 h o r a s n a t e m p e r a t u r a de 0 - 5 °C . 0 p r o d u t o BL- metionina s u lfd x id o foi filt r a d o e lavado com 15 ml de e t a n o l.
38
A c o n firm aç ã o do p r o d u t o obtido s e d e u a t r a v é s d e um e s p e c t r o in fr a - v e r m e lh o < f i g u r a - 6) e o p o n to de f u s ã o 2 3 1 °C .
A b a n d a principal d ã m etionina s u lfd x id o fo i c a r a c t e r i z a d a em 1040 c m -*, q u e com põe a ligação e n x o f r e e oxigênio. Em 2 9 5 0 c m -* foi c a r a c t e r i z a d a a b a n d a p a r a ligação carbono- hidrogânio, assim com o em 3 4 0 0 c m -* p a r a o g r u p o -NHg e 1600 c m -* p a r a a ligação carbono- oxigênio.
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Figur-a í — E s p e c t r o in fra- v erm elh o p a r a o aminoácido DL- m etionina s u lfò x id o em p astilhas de KBr.
