Estudo mecanístico do sistema peróxi-oxalato

• Main Author: Cassius Vinicius Stevani
• Other Authors: Josef Wilhelm Baader
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 1997
• Subjects: CIEEL; Peróxi-oxalato; Quimiluminescência; Chemiluminescence; Peroxyoxalate
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/46/46135/tde-24042008-164916/

Ao contrário das reações bioluminescentes, que apresentam rendimentos quânticos de emissão de luz por volta de 90%, as reações quimiluminescentes, geralmente, apresentam rendimentos abaixo de 1%. Entretanto, existe um sistema quimiluminescente cujo rendimento está na faixa de 30%, o denominado sistema peróxi-oxalato, descoberto na década de 60 e muito utilizado hoje em dia como ferramenta analítica. O sistema peróxi-oxalato consiste na reação de ésteres fenólicos do ácido oxálico com H2O2, catalisada por uma base e em presença de compostos poliaromáticos fluorescentes com baixos potenciais de oxidação (ACT). Um dos principais motivos para que este sistema seja tão pesquisado há trinta anos deve-se ao seu alto rendimento quântico de emissão e à dificuldade em se obter informações sobre o mecanismo de geração de estados excitados. Na verdade, até hoje não se sabe com certeza qual é o intermediário de alta energia (IAE) que transfere a \"energia química\" para o ACT, levando este último para o estado excitado que, pelo decaimento, emite luz. Uma controvérsia ainda maior existe sobre o mecanismo de quimi-excitação. Enquanto a maior parte dos pesquisadores da área aceitam o mecanismo \"Chemically lnitiated Electron Exchange Luminescence\" (CIEEL) como operante no sistema peróxi-oxalato e em muitos outros sistemas quimiluminescentes, alguns pesquisadores argumentam em contrário a este mecanismo, mostrando as suas deficiências e a falta de evidências claras para a comprovação da seqüência de eventos proposta. Os estudos mecanísticos desenvolvidos até o presente momento sobre o sistema peróxi-oxalato permitiram propor (I) diversas moléculas como lAE, responsáveis pela excitação do ACT (I - IV). Neste trabalho é relatado um estudo mecanístico do sistema peróxi-oxalato, o único com alta eficiência comprovada que pode envolver o mecanismo CIEEL, com o objetivo de contribuir para um melhor entendimento do passo de quimi-excitação. Foi sintetizado um derivado do intermediário do tipo 11, o 4-clorofenil O,O-hidrogênio monoperoxalato (1), caracterizado por RMN 13C (INVGATE), infi-avermelho e espectrometria de massa. O resultado mais significativo deste trabalho é o fato de 1, em presença de um ACT (i.e. rubreno, DPA, perileno), não emitir luz, o que exclui, definitivamente, intermediários do tipo fi como intermediários de alta energia. 1 somente emite em presença de um ACT e de bases com pKa adequado (pKa > 6). Tal fato sugere que deve ocorrer uma reação química anterior à emissão, provavelmente uma ciclização, que dá origem ao intermediário de alta energia. Foram feitos estudos cinéticos da reação de 1 com diversas bases [i.e. imidazol, p-clorofenolato e t-butóxido de potássio e 1,8-bis(dimetilamino)naftaleno], observando-se a emissão de luz em presença de DP A ou a absorção do p-clorofenol liberado em 292 orn. Destes estudos puderam ser propostos esquemas mecanísticos dos processos que antecedem a etapa de quimiexcitação e foram obtidas evidências indiretas para a ocorrência da 1,2-dioxetanodiona (I) como lAE. Visando obter informações sobre a etapa de quimio-excitação foram medidos os rendimentos quânticos de quimiluminescência da reação de 1 com imidazol, em presença de sete ativadores, com diferentes potenciais de oxidação. Destes estudos foram obtidas informações indiretas a respeito da velocidade de transferência de elétron. Com estes dados pode-se verificar a validade do mecanismo CIEEL, propondo um mecanismo condizente com os resultados experimentais. Para finalizar, tentou-se verificar a natureza volátil do lAE e de seqüestrar o lAE, possivelmente a 1,2-dioxetanodiona (I), utilizando-se trifenilantimônio. Apesar de várias tentativas, utilizando diversas condições experimentais, os resultados foram pouco conclusivos. === Contrarily to bioluminescent reactions which present quantum yields of around 90%, chemiluminescent reactions generally present quantum efficiencies of around 1%. However, there is a chemiluminescent system discovered in the 60\'s and widely used nowadays as analytical tool, which quantum yields can reach up to 30%, the so called peroxyoxalate system. This system consists in the reaction of aromatic oxalyl esteres with H2O2 catalyzed by a base in the presence of polyaromatic, highIy fluorescent compounds with low oxidation potentials (ACT). The main reason for the studies of the peroxyoxalate system during 30 years is its highIy chemiluminescence quantum yield and difficulties to obtain informations about the mechanism of the excited states generation. In fact, there is no strong evidence till now about the high energy intermediate (HEI) responsible for the transformation of the \"chemical energy\" into the ACTs electronically excitation, which leads to light emission. There exists a still greater controversy with respect to the chemiexcitation mechanism. While the most chemiluminescence researchers accept the \"Chemically Initiated Electron Exchange Luminescence\" (CIEEL) mechanism to explain the chemiexcitation process in the peroxyoxalate and many others chemiluminescent systems, some researchers contest it, exposing the lack of clear evidences for the sequence of events proposed. The mechanistic research developed till now about the peroxyoxalate system allowed the proposal of several structures as (I) HEI, as the most probable to excite the ACT (I-IV). In this work is reported a mechanistic study on the peroxyoxalate system, the only one with proven high efficiency supposed to involve the CIEEL mechanism, aiming to contribute to a better knowledge of the chemiexcitation pathway. A type n intermediate derivative, 4-chIorophenyl O,O-hydrogen monoperoxalate (1), was synthesized and characterized by l3C NMR (INVGATE) inftared and mass spectrometry. Perhaps the most significant result in this work is the fact that 1, in the presence of a suitable ACT (i.e. rubrene, DPA, perylene) does not lead to light emission. What excludes definitively type n structures as high energy intermediates in the peroxyoxalate system. Moreover, as 1 only lead to light emission in the presence ofbases with suitable pKa (pKa > 6) and an ACT, it suggests that a chemical reaction has to take place before emission, probably a cyclization leading to the high energy intermediate. Kinetic investigations on the reaction of 1 with several bases [i.e. imidazole, potassiump-chlorophenolate and t-butoxide and 1,8-bis(dimethylamino)naphthaleneJ were performed. The reaction was followed either by light emission in the presence of DPA or by changes in absorption at 292 nm due to p-chlorophenol released. These investigations allow the proposal of mechanistic schemes for the processes that occur before chemiexcitation and indirect evidences for the occurrence of 1,2-dioxetanedione (I) as the HEI could be obtained. The chemiluminescent quantum yields of the reaction of 1 with imidazole in the presence of seven ACTs with different oxidation potentials were measured with the aim to obtain informations about the chemiexcitation pathway. Indirect informations on the electron transfer rate constant could be obtained. The validity of the CIEEL mechanism could be verified with these data and a mechanism proposed which is in agreement with the experimental results. Finally, trapping of the HEI, probably 1,2-dioxetanedione (I), using triphenylantimony was attempted. Several attempts to trap the HEI, although using various experimental conditions, were not successful. The results were not conclusive.