Page 1

Portada SCQ 10-2011_llom 7mm.pdf

1

03/10/12

09:03

Societat Catalana Química Revista de la

de

C

M

Y

CM

MY

CY

CMY

Revista anual de la SCQ, filial de l’Institut d’Estudis Catalans

K

10 / 2011 URL: http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ ISSN: 1576-8961 (ed. impr.) ISSN: 2013-9853 (ed. electr.)


SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 1

Revista de la

Societat Catalana de Química Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

10 / 2011 http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

REVISTA ANUAL ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica)


SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 2

Societat Catalana de Química

Caràcter de la revista

Filial de l’Institut d’Estudis Catalans President: Romà Tauler Secretari: Xavier Tomàs Tresorera: Pilar Salagre Vocals: Pere Alemany Carles Bo Josep Bonjoch Aureli Caamaño Joan Cabré Ramon Eritja Jordi Garcia Josefina Guitart Jordi Llorca Joan Carles Rey Anna Roglans Ramon Sayós Pau Serra Delegat de l'IEC: Àngel Messeguer

La REVISTA DE LA SOCIETAT CATALANA DE QUÍMICA, adreçada al col·lectiu de químics i estudiants avançats de grau i màster, publica articles de divulgació de química i ciències frontereres. Alhora, també pot incloure seccions i apartats sobre història, docència, Internet, documentació, actualitat, reflexions... En general, els articles que es publiquen a la revista són per invitació expressa del Comitè Editorial, que, en general, s'adrecen a conferenciants en actes de la Societat i a persones premiades en les diverses convocatòries públiques (Premis de Recerca, Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans...).

No obstant això, les persones interessades a publicar-hi un treball ho hauran de fer saber al Comitè Editorial, tot indicant-ne el contingut i la llargada aproximada, i aquest en valorarà l’adequació a la línia editorial de la revista.

Poden ser articles de treball de recerca originals o de revisió. Cal tenir present que els lectors de la revista poden ser químics de qualsevol especialitat i per això es demana als autors que facin un especial esforç a fi de facilitar la comprensió dels seus treballs.

Revista de la Societat Catalana de Química Director: Romà Tauler (CSIC) Consell Editorial: Jaume Farràs (UB) i Jordi Garcia (UB) Revisió lingüística: Miquel Aguilar

Les normes detallades de publicació es poden trobar a la pàgina web de la revista:

© dels autors dels articles Editat per la Societat Catalana de Química, filial de l’Institut d’Estudis Catalans Carrer del Carme, 47. 08001 Barcelona Telèfon: +34 935 529 106 Fax: +34 932 701 180 A. e.: scq@iec.cat

http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

REVISTA ANUAL ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) Dipòsit Legal: B-40794-2000

Així, doncs, s'autoritza al públic en general a reproduir, distribuir i comunicar

.

2

Normes de publicació

Aquesta obra està subjecta —llevat que s'indiqui el contrari en el text, en les fotografies o en altres il·lustracions— a una llicència Reconeixement - No comercial - Sense obres derivades 3.0 Espanya de Creative Commons, el text complet de la qual es pot consultar a http://creativecommons.org/licenses/ by-nc-nd/3.0/es/deed.ca.

l'obra sempre que se'n reconegui l'autoria i l'entitat que la publica i no se'n faci un ús comercial ni cap obra derivada.


SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 3

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 3 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Sumari

Editorial

p. 5

Nanopartículas de metales de transición en síntesis orgánica per Miguel Yus

p. 7

L’edat del bor: reacció de b-boració catalítica per Amadeu Bonet, Manuel Soriano, Cristina Pubill-Ulldemolins, Cristina Solé, Jessica Cid, Henrik Gulyas i Elena Fernández Funcionalització d’o-carborans iodats per obtenir estructures dendrimèriques útils en aplicacions mèdiques per Ariadna Pepiol, Albert Vaca, Clara Viñas i Francesc Teixidor

p. 15

p. 22

Nous dendrímers quirals multifuncionals per Raquel Gutiérrez, Ona Illa i Rosa Maria Ortuño

p. 28

Resolució multivariant en química: a la recerca de la bella simplicitat de la mesura per Anna de Juan, Joaquim Jaumot, Raimundo Gargallo i Romà Tauler

p. 35

Metodologies analítiques basades en l’espectrometria de masses per a l’anàlisi de fàrmacs veterinaris per Anna Martínez

p. 48

La informació física no específica: el bestseller de la quimiometria per Michele Forina, Monica Casale i Paolo Oliveri

p. 55

Estratègies d’anàlisi de dades en quimiometria: selecció versus compressió per Alberto Ferrer

p. 63

Del clor a les dioxines passant per James E. Lovelock i el detector de captura d’electrons per Miquel Gassiot, Jordi Díaz, Francesc Broto i Lluís Comellas

p. 71

Interacció entre filtres solars per Mireia Marín, Virginie Lhiaubet-Vallet, Òscar Jiménez, Olga Gorchs, Carles Trullas i Miguel Ángel Miranda

p. 86

Interaccions anió-p en sistemes biològics per Carolina Estarellas

p. 94

Síntesi i caracterització dels materials multiferroics BiFeO3, La: BiFeO3 i Sr: BiFeO3 per Xavier Vendrell i Lourdes Mestres

p. 102

3


SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Pรกgina 4


SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 5

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 5-6 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Editorial

esprés d’un llarg període d’espera, la Societat Catalana de Química us presenta el número 10 de la seva revista a les acaballes del 2011. En aquest número, trobareu articles recollits durant el bienni 20102011. Aquesta edició s’ha fet, primer, en format electrònic, per passar a principi del 2012 a paper. A més, a ningú no se li escapa que la sortida d’aquest número coincideix amb el final de l’Any Internacional de la Química. Podem considerar, doncs, aquest número com l’últim fruit d’un any, el 2011, que ha estat molt especial i actiu per a la Societat Catalana de Química, ja que ha promogut i ha donat suport a un bon nombre d’activitats relacionades amb aquesta celebració.

D

L’edició d’aquest nou exemplar s’ha fet amb una voluntat renovadora. Diferents circumstàncies tècniques i humanes havien provocat l’endarreriment del seu naixement, tot i l’interès, tant de la Junta anterior com de l’actual, que el període d’espera fos el més curt possible. En aquesta nova etapa, Jaume Farràs i Jordi Garcia, de la Universitat de Barcelona, tenen l’encàrrec de la nova Junta, constituïda a principi del curs 2011-2012, de normalitzar la publicació amb una periodicitat anual de la nostra revista i mirar de fer més dinàmica la seva edició. Amb les eines editorials disponibles a l’Institut d’Estudis Catalans, intentarem, a partir del proper número i en la mesura del que sigui possible, bastir una estructura d’edició més semblant a les revistes científiques convencionals. Això sí, sense perdre l’estil rigorós i el tarannà català i proper dels números anteriors. No cal dir, no obstant això, que la nostra revista sempre ha estat i també ara és patrimoni de tots els socis, a banda que els comentaris i els suggeriments que pugueu fer tindran una molt bona acollida per part de l’equip editorial. Així, doncs, tot mantenint l’esperit dels anteriors números, però amb un format més funcional, us fem a mans el número del 2011. Podreu llegir-hi una dotzena d’articles que han anat arribant a la Societat sobretot al llarg del 2010. L’aspecte formal d’aquests treballs, si els compareu amb els de números anteriors, és un xic diferent. Hem incorporat totes les exigències necessàries perquè els materials publicats compleixin els requisits editorials més exigents i puguin ser indexats segons els estàndards establerts per a revistes científiques. Així, veureu que incorporem capçaleres a totes les pàgines amb les dades bibliogràfiques de la revista i l’article, l’adreça, el telèfon,

el fax i l’adreça electrònica de l’autor de referència en cada article, així com una foto dels autors que així ho desitgin, al costat d’un breu resum biogràfic. També hi apareixen paraules clau i keywords, a més dels resums en català i en anglès que ja eren en números anteriors. El primer article del volum d’enguany reflecteix la base de la conferència del professor Miguel Yus sobre l’ús de nanopartícules metàl·liques en síntesi orgànica, impartida pel gener de 2010 a la Universitat Autònoma de Barcelona, amb motiu de la XV Conferència Fèlix Serratosa. També trobareu diferents conferències del IX Memorial Enric Casassas, que, sobre el tema «La quimiometria: perspectives de futur», va tenir lloc a l’Institut Químic de Sarrià (IQS) pel desembre de 2009. Així, la conferència inaugural, a càrrec del professor Michele Forina, de la Universitat de Gènova, ha estat posada negre sobre blanc i traduïda al català per l’amic Xavier Tomàs en forma d’un article molt interessant i entenedor. De la mateixa trobada també recollim les conferències del professor Alberto Ferrer, de la Universitat Politècnica de València, i la doctora Anna de Juan, de la Universitat de Barcelona, que tracten d’altres aspectes de la quimiometria. La nostra intenció és continuar en la mateixa línia i recollint en el futur les xerrades més representatives d’aquests memorials, ben consolidats i representatius de la química orgànica i analítica. També trobareu un article del professor Miquel Gassiot i col·laboradors sobre les tècniques cromatogràfiques que s’empren en la detecció i la quantificació d’alguns contaminants clorats, i com això ha estat aplicat a la detecció de dioxines en diferents formatges de tipus mozzarella. Però la part més extensa del present número està formada per diferents articles escrits pels joves premiats per les seves presentacions en els diferents simposis de la Sisena Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans (València, 1-2 de febrer de 2010). Així, Amadeu Bonet, de la Universitat Rovira i Virgili, ens introdueix en alguns aspectes de la química del bor; Ariadna Pepiol, de l’Institut de Ciències de Materials de Barcelona, ens parla del treball del seu grup en dendrímers de carboborans iodats i la seva utilitat com a agents anticancerosos mitjançant la tècnica BNCT (boron neutron capture therapy); el treball de la Raquel Gutiérrez, del grup de la professora Ortuño a la Universitat Autònoma de Barcelona, tracta també d’estructures dendrimèriques, però, en aquest cas, en compostos orgànics que presenten un nucli de ciclobutà. La

5


SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 6

guanyadora del simposi «Metodologia analítica», Anna Martínez, presenta un treball sobre l’ús de l’espectrometria de masses en l’anàlisi de fàrmacs veterinaris que s’ha desenvolupat al seu grup de recerca de la Universitat de Barcelona. Per la seva banda, Mireia Marín ha transformat la seva comunicació del simposi «Medi ambient i qualitat de vida» en un entenedor relat sobre la problemàtica de combinar dos filtres UV en els protectors solars i el treball realitzat al seu grup de l’Institut de Tecnologia Química de València sobre la interacció de l’avobenzona amb altres filtres. El treball següent pertany al simposi «Teoria i modelatge». La seva autora, Carolina Estarellas, de la Universitat de les Illes Balears, ens explica la importància de les interaccions anió-sistemes p en química macromolecular i, en particular, en alguns sistemes biològics. L’estudi d’aquesta interacció no covalent, avui ben acceptada per la comunitat científica, s’aborda al seu grup de manera experimental i teòrica. El treball que tanca el present volum arriba de la Universitat de Barcelona i va ser presentat en forma de comunicació al simposi «Materials i química de l’estat sòlid». En la lectura de l’article, Xavier Vendrell ens explica l’obtenció, l’estructura i

6

les possibles aplicacions de diferents òxids de bismut i ferro amb propietats magnètiques i elèctriques. L’estudi d’aquests materials multiferroics és actualment un camp molt actiu de recerca. Aquest editorial no podria finalitzar sense fer una renovada crida a la participació a la Revista de la Societat Catalana de Química. A la pàgina web de la revista trobareu properament les normes de publicació i una plantilla. Els editors estarem encantats d’esvair qualsevol dubte, aplanar camins i encoratjar els indecisos per tal que la nostra revista gaudeixi en aquesta nova etapa d’una vida plena. Els editors, Dr. Jaume Farràs Universitat de Barcelona A. e.: jfarras@ub.edu Dr. Jordi Garcia Universitat de Barcelona A. e.: jordigarciagomez@ub.edu


SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 7

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 7-14 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

DOI: 10.2436/20.2003.01.23

ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Nanopartículas de metales de transición en síntesis orgánica Transition metals nanoparticles in organic synthesis Miguel Yus Universidad de Alicante. Facultad de Ciencias. Departamento de Química Orgánica e Instituto de Síntesis Orgánica (ISO)

XV Conferencia Fèlix Serratosa (Bellaterra, Barcelona,18 de enero de 2010) Resumen. La reducción de cloruro de níquel(II) dihidratado con litio y una cantidad catalítica (5-10 %) de naftaleno o DTBB conduce a la formación de nanopartículas de níquel metálico altamente reactivas, que se han usado para la reducción de diferentes funcionalidades (olefinas, acetilenos, derivados halogenados, sulfonatos, compuestos aromáticos, derivados carbonílicos y sus iminas y otros compuestos aromáticos) y para reacciones de creación de enlaces carbono-carbono (homoacoplamientos, alquilación de cetonas y reacciones tipo Wittig y aza-Wittig). Usando el mismo procedimiento, se han preparado también nanopartículas de cobre y hierro, que se han mostrado muy activas en procesos de reducción (deshalogenación, desulfonilación y reducción de compuestos carbonílicos e iminas) y química click. Palabras clave: Nanopartículas, reducción, formación enlaces C-C, química click, cobre, níquel, hierro.

Abstract. The reduction of nickel chloride(II) dihydrate with lithium and a catalytic amount (5-10 %) of naphthalene or DTBB leads to the formation of highly reactive metallic nickel nanoparticles, which have been used for the reduction of different functionalities (olefins, acetylenes, halogenated derivatives sulfonates, aromatic compounds, carbonyl derivatives and imines, and other aromatic compounds) and for reactions generating carbon-carbon bonds (homocouplings, ketone alkylations, and Wittig-type and aza-Wittig reactions). The same procedure was also applied to prepare nanoparticles of copper and iron, which have proved to be very active in reduction processes (dehalogenation, desulfonylation, and reduction of carbonyl compounds and imines) and «click» chemistry. Keywords: Nanoparticles, reduction, C-C bond formation, click chemistry, copper, nickel, iron.

Introducción

Por otra parte, en los últimos años, en nuestro grupo de investigación se ha estado investigando en el uso de un nuevo método

de litiación altamente efectivo en distintos procesos que permiten generar compuestos organolíticos muy inestables en condiciones de reacción muy suaves. Esta metodología consiste en el uso de litio en polvo y una cantidad catalítica de un areno, siendo naftaleno y 4,4’-di-terc-butilbifenilo (DTBB) los mas comúnmente empleados.5 A través de esta sencilla tecnología, se han conseguido realizar nuevas reacciones con interés sintético como son: a) preparación de compuestos organolíticos a partir de sustratos no halogenados (éteres, tioéters, sulfóxidos, sulfonas, alcoholes, sulfonatos, sulfonamidas, carbonatos, carbamatos y ureas);6 b) preparación de compuestos organolíticos funcionalizados7 por intercambio cloro/litio, azufre-litio8 o vía una apertura reductiva de compuestos heterocíclicos;9 c) generación de sintones dilitiados,10 y activación de metales.11 Estos procesos no son en general posibles usando otras formas de litio,12 incluida la litiación promovida por un areno en cantidades estequiométricas,13 lo que puede ser fácilmente explicado por la participación de una dianión derivado del areno en la versión catalítica,14 en lugar del correspondiente anión radical ampliamente aceptado como intermedio en la versión estequiométrica.15

Correspondencia: Miguel Yus. Universidad de Alicante. Facultad de Ciencias. Departamento de Química Orgánica e Instituto de Síntesis Orgánica (ISO) Apdo. de correos 99. 03080 Alicante Tel.: +34 965 903 548. Fax: +34 965 903 549 A. e.: yus@ua.es

En este artículo se expondrán resultados recientes en la generación y aplicaciones en química orgánica de nanopartículas de níquel, cobre y hierro, preparadas a través de la litiación catalizada por un areno, comentada anteriormente.

a nanociencia se dedica al estudio (preparación, caracterización y aplicaciones) de los materiales orgánicos e inorgánicos a escala nanométrica (entre 1 y 100 nm).1 Un aspecto importante de este campo de la ciencia, desde el punto de vista aplicativo, se refiere al uso de nanopartículas de metales de transición en procesos catalíticos, tanto en condiciones homogéneas como, y sobre todo, heterogéneas. Un tipo especial de nanopartículas son las compuestas por átomos de metales en estado cero de oxidación, es decir, nanopartículas metálicas,2 cuya preparación se realiza normalmente por reducción de las correspondientes sales anhidras. Los métodos de reducción más empleados a tal fin implican el uso de hidruros metálicos en un disolvente inerte3 y necesitan de un agente estabilizante que evite la agregación de las nanopartículas.4

L

7


SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 8

Nanopartículas de níquel La combinación de cloruro de níquel(II) dihidratado/litio en polvo/naftaleno o DTBB (ca. 10 %) en THF se ha mostrado como muy conveniente para producir la reducción de una serie de funciones orgánicas a temperatura ambiente y en unas pocas horas. Así, olefinas,16a alquinos,16b derivados halogenados,16c

sulfonatos,16d compuestos aromáticos polinucleares,16d compuestos carbonílicos e iminas,16e hidracinas y azo/azoxi compuestos,16f óxidos de aminas16f y nitro-nas16g pueden ser reducidos fácilmente, como se indica en el esquema 1, en algunos ejemplos concretos. Si la sal de Ni contiene dos moléculas de D2O (en vez de agua), se obtienen los correspondientes compuestos deuterados.16

ESQUEMA 1.

8

Una versión de la combinación anterior que resulta muy útil desde el punto de vista manipulativo consiste en usar NiCl2 anhidro y una cantidad estequiométrica de etanol como fuente de protones. Esta metodología permite ajustar con precisión la cantidad de etanol, pudiendo realizarse, además de las reacciones indicadas en el esquema 1 con rendimientos similares,17a otros procesos nuevos. Dos ejemplos significativos son: a) la semihidrogenación de alquinos, que para el caso de derivados internos conduce estereoselectivamente a los isómeros cis,17b y b) la reducción quimioselectiva de compuestos carbonílicos α, b-insaturados a los correspondientes sistemas saturados.17c Sendos ejemplos se incluyen en el esquema 2.

Todas las reacciones incluidas en los esquemas 1 y 2 pueden ser efectuadas usando una versión que supone el empleo de un areno soportado sobre un polímero.18 En este caso, no solo se utiliza una cantidad catalítica del areno soportado, sino que, además, el catalizador puede recuperarse al final de la reacción por simple filtración y ser reutilizado hasta una decena de veces sin sufrir pérdida de su actividad. Un ejemplo de uso de ambas metodologías (areno en disolución o soportado) se incluye en el esquema 3, en el que se muestra la capacidad de la combinación NiCl2/Li/areno en la hidrogenación de diferentes funcionalidades con hidrógeno molecular a presión atmosférica y temperatura ambiente.19


SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 9

ESQUEMA 2.

ESQUEMA 3.

En lo que se refiere a la caracterización de las nanopartículas de níquel que se generan en todas las reacciones mencionadas hasta aquí, se han utilizado las técnicas habituales al efecto, concluyéndose que se trata de nanopartículas metálicas de un tamaño pequeño (2,5 ± 1 nm) y, por lo tanto, muy activas, teniendo lugar las reacciones en la superficie de las nanopartículas y no en disolución. Se trata, por lo tanto, de un caso típico de catálisis heterogénea.20 Una vez establecido el mecanismo de actuación de las nanopartículas de níquel y su caracterización, se abordó otro tipo

de reacciones diferentes de la hidrogenación ya comentada usando agua, etanol o hidrógeno como fuentes próticas. Así, aparte del homoacoplamiento de yoduros arílicos y hetarílicos,21 se estudió, en primer lugar, la reacción de transferencia de hidrógeno usando isopropanol como fuente prótica: a través de esta metodología, es posible efectuar la reducción de compuestos carbonílicos (tanto en condiciones estequiométricas22a como catalíticas,22b respecto a la cantidad de nanopartículas empleadas), olefinas funcionarizadas o no,22c así como llevar a cabo la aminación reductiva de aldehídos,22d como se ilustra en los ejemplos que se incluyen en el esquema 4.

9


SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 10

ESQUEMA 4.

ESQUEMA 5.

10

Finalmente, se ha estudiado la llamada autotransferencia de hidrógeno catalizada por nanopartículas de níquel,23a que consiste en un proceso de deshidrogenación de un alcohol primario por parte del níquel para dar un aldehído que reacciona in situ con una metil cetona generando un compuesto carbonílico α, b-insaturado, el cual capta finalmente el hidrógeno cedido anteriormente, produciendo una cetona saturada. En con-

junto, tiene lugar un alquilación de la cetona, actuando el alcohol como electrófilo y produciendo agua como único deshecho en el proceso. Por ello, tanto desde el punto de vista de la química «verde» como de la economía de átomos, el proceso es altamente satisfactorio. Esta metodología se ha aplicado no solo a la alquilación de cetonas,23b,c sino también a la reacción aza-Wittig indirecta23c y a la propia reacción de Wittig indi-


SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 11

recta (esquema 5).23d En estos dos últimos procesos, se parte de un alcohol primario, más estable y asequible que el correspondiente aldehído normalmente usado en esa reacción.

Nanopartículas de cobre Siguiendo una tecnología similar a la apuntada para el caso de las nanopartículas de níquel, se han sintetizado nanopartículas de cobre partiendo de cloruro de cobre(II), conteniendo bien dos moléculas de agua o de óxido de deuterio. Este cobre activado, que presenta unas características macroscópicas si-

milares al níquel, se ha mostrado altamente efectivo en la deshalogenación de derivados halogenados,24a reacciones de desulfonilación,24b reducción de compuestos carbonílicos y sus correspondientes iminas,24c así como en la reacción click entre acetilenos y azidas.24d Algunos ejemplos significativos se recogen en el esquema 6.

Nanopartículas de hierro En el caso de la preparación de nanopartículas de hierro, se utilizó el mismo método de reducción (litiación catalizada por DTBB),

ESQUEMA 6.

11 ESQUEMA 7.


SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 12

partiendo bien de cloruro de hierro(II) tetrahidratado o bien de la misma sal, pero portadora de dos moléculas de óxido de deuterio. Los resultados preliminares usando esta combinación indican que es altamente activa en la deshalogenación de derivados halogenados alifáticos y aromáticos25a y en la reducción de compuestos carbonílicos y sus correspondientes iminas.25b Algunos ejemplos se recogen en el esquema 7. El análisis de las nanopartículas de hierro obtenidas indica que se trata de entidades de tamaño muy pequeño (1 ± 0,5 nm) y, por ello, de una elevada actividad.

Conclusiones De lo expuesto en este artículo se concluye que la litiación catalizada por naftaleno o DTBB es un método adecuado para preparar nanopartículas de metales de transición de elevada actividad. Las derivadas de níquel, cobre y hierro han demostrado su alta eficacia en procesos de reducción de distintas funcionalidades (olefinas, acetilenos, derivados halogenados, sulfonatos, compuestos carbonílicos y sus iminas, sistemas aromáticos, así como compuestos nitrogenados) y en reacciones de creación de enlaces carbono-carbono (homoacoplamientos, alquilación de cetonas, procesos tipo Wittig y azaWittig y química click).

Agradecimientos La investigación plasmada en este trabajo ha sido posible gracias a la generosa financiación recibida del actual MICINN (CTQ-2007-65218 y CONSOLIDER INGENIO 2010-CSD200700006), de la Generalitat Valenciana (PROMETEO 2009/039 y FEDER) y de la Universidad de Alicante.

Referencias

12

[1] Monografías: a) Poole, C. P.; Owens, F. J. Introduction to Nanotechnology. Wiley-VCH: Weinheim, 2003. b) New Trends in Nanoscience: The Chemistry of Nanomaterials. Rao, C. N. R.; Müller, A.; Cheetham, A. K. (ed.). Wiley-VHC: Weinheim, 2004. c) Principles of Nanotechnology: Molecular-based Study of Condensed Matter in Small Systems, Mansoori, G. A. (ed.). World Scientific Publishing: Singapur, 2005, p. 1-5. d) Ver número especial en Chem. Rev. 2005, 105(4). e) Ver número especial en Acc. Chem. Res. 2008, 41(12).

[2] Revisiones y monografías: a) Rao, C. N. R.; Kulkarni, G. U.; Thomas, P. J.; Edwards, P. P. Chem. Soc. Rev. 2000, 29, 27. b) Bradley, J. S.; Schmid, G. en Nanopartículas: From Theory to Application. Schmid, G. (ed.). Wiley-VCH: Weinheim, 2004, cap. 3.2.1 y 3.2.2. c) Cushing, B. L.; Kolesnichenko, V. L.; O’Connor, C. J. Chem. Rev. 2004, 104, 3893. d) Jun, Y.; Choi, J.; Cheon, J. Chem. Commun. 2007, 1203. e) Lu, A.-H.; Salabas, E. L.; Schüth, F. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 1222. f ) Park, J.; Joo, J.; Kwon, S. G.; Jang, Y.; Hyeon, T. Angew. Chem. In. Ed. 2007, 46, 4630. g) Dahl, J. A.; Maddux, B. L. S.; Hutchison, J. E. Chem. Rev. 2007, 107, 2228. h) Ferrando, R.; Jellinek, J.; Johnston, R. L. Chem. Rev. 2008, 108, 845. i) Vollath, D. Nanomaterials: An Introduction to Synthesis, Properties and Application. Wiley-VCH: Weinheim, 2008. j) Metal Nanoclusters in Catalysis and Materials Science: The Issue of Size Control. Corain, B.; Schmid, G.; Toshima, N. (ed.). Elsevier: Amsterdam, 2008. [3] a) Mayer, A. B. R.; Antonietti, M. Colloid. Polym. Sci. 1998, 276, 769. b) Chechick, V.; Crooks, R. M. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 1243. c) Crooks, R. M.; Zhao, M.; Sun, L.; Chechik, V.; Yeung, L. K. Acc. Chem. Res. 2001, 34, 181. [4] Ver, por ejemplo: a) Bonnemann, H.; Brijoux, W.; Brinkmann, R.; Dinjus, E.; Joussen, T.; Korall, B. Angew. Chem. Int. Ed. 1991, 30, 1312. b) Bucher, S.; Hormes, J.; Mondrow, H.; Brinkmann, R.; Waldöfner, N.; Bönnemann, H.; Beuermann, L.; Krischok, S.; Maus-Friedrichs, W.; Kempter, V. Surf. Sci. 2002, 497, 321. [5] Revisiones: a) Yus, M. Chem. Soc. Rev. 1996, 25, 155. b) Ramón, D. J.; Yus, M. Eur. J. Org. Chem. 2000, 225. c) Yus, M. Synlett 2001, 1197. d) Yus, M.; Ramón, D. J. Latv. J. Chem. 2002, 79. e) Ramón, D. J.; Yus, M. Rev. Cubana Quím. 2002, 14, 75. f) Yus, M. en The Chemistry of Organolithium Compounds. Rappoport, Z.; Marek, I. (ed.). J. Wiley & Sons: Chichester, 2004, vol. 1, p. 647. [6] Revisiones: a) Guijarro, D.; Yus, M. Recent Res. Devel. Org. Chem. 1998, 2, 713. b) Guijarro, D.; Pastor, I. M.; Yus, M. Curr. Org. Chem. 2011, 15, 375 (parte 1); 2011, 15, 2362 (parte 2). [7] Revisiones: a) Nájera, C.; Yus, M. Trends Org. Chem. 1991, 2, 155. b) Nájera, C.; Yus, M. Org. Prep. Proced. Int. 1995, 27, 383. c) Nájera, C.; Yus, M. Recent Res. Devel. Org. Chem. 1997, 1, 67. d) Nájera, C.; Yus, M. Curr. Org. Chem. 2003, 7, 867. e) Nájera, C.; Sansano, J. M.; Yus, M. Tetrahedron 2003, 59, 9255. f ) Chinchilla, R.; Nájera, C.; Yus, M. Chem. Rev. 2004, 104, 2667. g) Chinchilla, R.; Nájera, C.; Yus, M. Tetrahedron 2005, 61, 3139. h) Yus, M.; Foubelo, F. en Functionalized Organometallics. Knochel, P. (ed.). Wiley-VCH: Weinheim,


SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 13

2005, vol. 1, cap. 2; i) Nájera, C.; Yus, M. en The Chemistry of Organolithium Compounds. Rappoport, Z.; Marek, I. (ed.). J. Wiley & Sons: Chichester, 2006, vol. 2, cap. 3. j) Yus, M.; Foubelo, F. Adv. Heterocycl. Chem. 2006, 91, 135. k) Chinchilla, R.; Nájera, C.; Yus, M. Arkivoc 2007, X, 152. l) Ver también el número especial de Tetrahedron Symposium in Print, Nájera, C.; Yus, M. (ed.), dedicado a «Functionalised Organolithium Compounds», Tetrahedron 2005, 61, 13. [8] Revisión: Foubelo, F.; Yus, M. Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 2620. [9] Revisiones: a) Yus, M.; Foubelo, F. Rev. Heteroatom Chem. 1997, 17, 73. b) Yus, M.; Foubelo, F. en Targets in Heterocyclic Systems. Attanasi, O. A.; Spinelli, D. (ed.). Italian Society of Chemistry: Roma, 2002, p. 136-171. c) Yus, M. Pure Appl. Chem. 2003, 75, 1453. [10] Revisiones: a) Foubelo, F.; Yus, M. Trends Org. Chem. 1998, 7, 1. b) Foubelo, F.; Yus, M. Curr. Org. Chem. 2005, 9, 459. [11] Revisiones: a) Alonso, F.; Yus, M. Chem. Soc. Rev. 2004, 33, 284. b) Alonso, F.; Yus, M. Pure Appl. Chem. 2008, 80, 1005. [12] Monografías: a) Wakefield, B. J. Organolithium Methods. Academic Press: Londres, 1988. b) Sapse, A. M.; Ragué Schleyer von, P. (ed.). Lithium Chemistry: A Theoretical and Experimental Overview. J. Wiley & Sons: Nueva York, 1995. c) Gray, M.; Tinkel, M.; Snieckus, V. en Comprehensive Organometallic Chemistry II. Abel, E. W.; Stone, F. G. A.; Wilkinson, G.; McKillop, A. (ed.). Pergamon: Oxford, 1995, vol. 11, p. 1-92. d) Clayden, J. Organolithiums: Selectivity for Synthesis. Pergamon: Oxford, 2002. e) The Chemistry of Organolithium Compounds. Rappoport, Z.; Marek, I. (ed.). J. Wiley & Sons: Chichester, 2004. [13] a) Primer ejemplo: Screttas, C. G.; Micha-Screttas, M. J. Org. Chem. 1978, 43, 1064; 1979, 44, 713. b) Para una revisión, ver: Cohen, T.; Bhupathy, M. Acc. Chem. Res. 1989, 22, 152. [14] Para estudios mecanísticos, ver: a) Yus, M.; Herrera, R. P.; Guijarro, A. Tetrahedron Lett. 2001, 42, 3455. b) Yus, M.; Herrera, R. P.; Guijarro, A. Chem. Eur. J. 2002, 8, 2574. c) Yus, M.; Herrera, R. P.; Guijarro, A. Tetrahedron Lett. 2003, 44, 1309. d ) Herrera, R. P.; Guijarro, A.; Yus, M. Tetrahedron Lett. 2003, 44, 1313. e) Yus, M.; Herrera, R. P.; Guijarro, A. Tetrahedron Lett. 2006, 47, 6267. f) Melero, C.; Pérez, H.; Guijarro, A.; Yus, M. Tetrahedron Lett. 2007, 48, 4105. h) Melero, C.; Guijarro, A.; Baumann, V.; Pérez-Jiménez, A. J.; Yus, M. Eur. J. Org. Chem. 2007, 5514. i) Melero, C.;

Herrera, R. P.; Guijarro, A.; Yus, M. Chem. Eur. J. 2007, 13, 10096. [15] Melero, C.; Guijarro, A.; Yus, M. Dalton Trans. 2009, 1286. [16] a) Alonso, F.; Yus, M. Tetrahedron Lett. 1996, 37, 6925; J. Chem. Educ. 2001, 78, 1517. b) Alonso, F.; Yus, M. Tetrahedron Lett. 1997, 38, 149. c) Alonso, F.; Radivoy, G.; Yus, M. Tetrahedron 1999, 55, 4441. d) Radivoy, G.; Alonso, F.; Yus, M. Tetrahedron 1999, 55, 14479. e) Alonso, F.; Yus, M. Tetrahedron 1998, 54, 1921. f) Alonso, F.; Radivoy, G.; Yus, M. Tetrahedron Lett. 1996, 56, 8673. g) Radivoy, G.; Alonso, F.; Yus, M. Synthesis 2001, 427. [17] a) Alonso, F.; Osante, I.; Yus, M. Tetrahedron 2007, 63, 93. b) Alonso, F.; Osante, I.; Yus, M. Adv. Synth. Catal. 2006, 348, 305. c) Alonso, F.; Osante, I.; Yus, M. Synlett 2006, 3017. [18] a) Gómez, C.; Ruiz, S.; Yus, M. Tetrahedron Lett. 1998, 39, 1397. b) Gómez, C.; Ruiz, S.; Yus, M. Tetrahedron 1999, 55, 7017. c) Yus, M.; Candela, P.; Gómez, C. Tetrahedron 2002, 58, 6207. d) Alonso, F.; Gómez, C.; Candela, P.; Yus, M. Adv. Synth. Catal. 2003, 345, 275. e) Candela, P.; Gómez, C.; Yus, M. Russ. J. Org. Chem. 2004, 40, 795. [19] a) Alonso, F.; Yus, M. Adv. Synth. Catal. 2001, 343, 188. b) Ver también referencia 18d. [20] a) Alonso, F.; Calvino, J. J.; Osante, I.; Yus, M. Chem. Lett. 2005, 34, 1262. b) Alonso, F.; Calvino, J. J.; Osante, I.; Yus, M. J. Exp. Nanosci. 2006, 1, 419. c) Alonso, F.; Riente, P.; Sirvent, J. A.; Yus, M. Appl. Catal. A: Gen. 2010, 378, 42. [21] Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Arkivoc 2008, IV, 8. [22] a) Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Tetrahedron 2008, 64, 1847. b) Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Tetrahedron Lett. 2008, 49, 1939. c) Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Tetrahedron 2009, 65, 10637. d) Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Synlett 2008, 1289; Synfact 2008, 9, 998. [23] a) Guillena, G.; Ramón, D. J.; Yus, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 2358. b) Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Synlett 2007, 1877. c) Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Eur. J. Org. Chem. 2008, 4908. d) Alonso, F.; Riente, P.; Yus, M. Eur. J. Org. Chem. 2009, 6034. [24] a) Alonso, F.; Moglie, Y.; Radivoy, G.; Vitale, C.; Yus, M. Appl. Catal. A: Gen. 2004, 271, 171. b) Radivoy, G.; Alonso, F.; Moglie, Y.; Vitale, C.; Yus, M. Tetrahedron 2005, 61, 3859. c) Alonso, F.; Vitale, C.; Radivoy, G.; Yus, M. Synthesis 2003, 443. d) Alonso, F.; Moglie, Y.; Radivoy, G.; Yus, M. Tetrahedron Lett. 2009, 50, 2358. [25] a) Moglie, Y.; Alonso, F.; Vitale, C.; Yus, M.; Radivoy, G. Appl. Catal. A: Gen. 2006, 313, 94. b) Moglie, Y.; Alonso, F.; Vitale, C.; Yus, M.; Radivoy, G. Tetrahedron 2006, 62, 2812.

13


SCQ_10_01_01 02/10/12 18:57 Página 14

M. Yus

Miguel Yus nació en Zaragoza en 1947, en cuya Universidad estudió Química (1969) y realizó su doctorado (1973). Después de dos años de posdoctorado en el Max-Planck-Institut de Mülheim (Alemania), volvió a la Universidad de Oviedo, donde fue profesor adjunto (1977) y catedrático (1987). En 1988 se trasladó a la Universidad de Alicante como catedrático de Química Orgánica, siendo en la actualidad director del Instituto de Síntesis Orgánica (ISO). Es coautor de más de quinientas publicaciones, ha impartido más de ciento cincuenta conferencias y fundó la empresa MEDALCHEMY para comercializar productos de química fina.

14


SCQ_10_02_– 20/09/12 20:51 Página 15

L’edat del bor: reacció de β-boració catalítica Boron age: catalytic β-boration Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 15-21 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

DOI: 10.2436/20.2003.01.24

ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Amadeu Bonet,* Manuel Soriano, Cristina Pubill-Ulldemolins, Cristina Solé, Jessica Cid, Henrik Gulyas i Elena Fernández Universitat Rovira i Virgili. Departament de Química Física i Inorgànica. Àrea de Química Inorgànica

Resum. En els darrers anys, els compostos organoborats han estat valorats en un ampli ventall d’aplicacions. Així mateix, els compostos organoborans són uns dels intermedis sintètics més versàtils que existeixen per a la síntesi de compostos orgànics d’alt valor afegit. En l’article següent es resumeixen, a partir de l’estat actual de l’estudi de la reacció de β-boració, els avenços en la reacció que ha desenvolupat el nostre grup en els darrers mesos.

Abstract. In the last years, organoboranes become important compounds in a wide range of applications. In addition, organoborane compounds are one of the most useful synthetic intermediates for the synthesis of high values organic compounds. In this article, we summarize, from the state of the art of the reaction, the advances in the last months from our research group.

Introducció urant els últims anys, els compostos organoborans s’han desenvolupat com a producte d’interès en diverses àrees. Sectors com la indústria, la medicina o la farmàcia han aconseguit desenvolupar noves tècniques per produir compostos organoborans que donen resposta als problemes reals de la societat.

D

Noves teràpies per combatre el càncer,1 combustibles per a aeronaus,2 noves tècniques per a l’eliminació de residus,3 nous materials polimèrics resistents a la flama4 i nous compostos biològicament actius5 són tan sols alguns exemples de com ha evolucionat la química del bor en la química aplicada. Aquesta nova perspectiva, però, no ha restat la importància que els compostos organoborans han tingut sempre en la recerca bàsica: el seu ús com un dels intermedis sintètics més versàtils que existeixen en la síntesi de compostos orgànics d’alt valor afegit.6 La seva versatilitat escau en la diversitat dels reactius borans que es poden utilitzar (àcids borònics, agents hidroborans o diborans), en la tolerància de la formació de l’organoborà en múltiples grups funcionals i en la seva facilitat per transformar aquest enllaç carboni–bor en un nou enllaç carboni–oxigen, carboni–nitrogen o carboni–carboni mitjançant protocols ja establers (figura 1).

Correspondència: Amadeu Bonet. Universitat Rovira i Virgili. Departament de Química

FIGURA 1. Representació de la versatilitat en la transformació dels compostos organoborats en altres grups funcionals.

D’aquesta manera, els intermedis organoborans són una alternativa senzilla i econòmica per obtenir múltiples compostos. Fàcilment es poden utilitzar per a la formació de compostos orgànics complexos amb activitat biològica.7 També són útils a la síntesi d’aquells compostos amb quiralitat axial, com ara els productes quimioluminescents que són utilitzats per fer pantalles de plasma.8 I, a més, donen una alternativa sintètica de compostos quirals,9 ja que la metodologia establerta permet mantenir en el nou enllaç la configuració de l’enllaç carboni–bor anterior amb bona esteroselectivitat i enantioselectivitat. En el marc de l’estudi de la reacció catalítica de diboració,10 s’ha explorat l’addició de diborans en substrats α, β-insaturats. Aquests tipus de compostos no es diboren, sinó que es borilen, i aquesta addició, encara que no és bona des d’un punt de vista d’economia atòmica, sí que és l’única forma eficient de sintetitzar compostos carbonilborans en posició 1,4.

Física i Inorgànica. Àrea de Química Inorgànica Campus Sescelades. 43007 Tarragona Tel.: +34 977 558 715. Fax: +34 977 558 205 A. e.: amadeu.bonet@urv.cat

Hosomi i Miyaura van ser els primers a establir el protocol de la reacció,11 però no va ser fins a Yun12 que es va demostrar el

15


SCQ_10_02_– 20/09/12 20:51 Página 16

seu potencial real i que s’aconseguiren altes conversions en poc temps i en condicions suaus (mitjançant l’addició de metanol com a additiu).

En el transcurs d’aquests últims anys, aquesta reacció ha abordat nous reptes,13 tant la versió quiral com l’aquiral, i s’ha estès a tot tipus de substrats α, β-insaturats: èsters i cetones (acíclics i cíclics), amides, nitrils i aldehids; a més, s’ha realitzat amb diversos metalls, com ara el coure, el níquel, el pal·ladi, el platí i el rodi. En el present article, resumirem de forma breu i entenedora el treball del nostre grup durant els darrers mesos en la reacció catalítica de β-boració.

Catalitzadors versàtils. Reacció tàndem one pot de β-boració i Suzuki-Miyaura FIGURA 2. Diverses vies de formació de compostos d’alt valor afegit a partir d’intermedis borats.

Amb la col·laboració de la professora M. Á. Úbeda, de la Universitat de València, s’han utilitzat de forma efectiva en la reacció de β-boració els complexos de pal·ladi indicats a la figura 4.

FIGURA 3. Reacció de β-boració.

FIGURA 4. Complexos de pal·ladi utilitzats en la reacció.

Els quatre complexos, sobretot, es diferencien pel fet de tenir característiques electròniques molt diverses. Així, podem observar, des del complex 1 fins al 4, un ordre creixent en el caràcter donador al metall, el qual ens permet estudiar la influència de les propietats electròniques en la catàlisi. 16

ESQUEMA 1. Cicle catalític de la reacció de β-boració.

Un cop es van trobar les condicions idònies [0,003 mmol de complex de pal·ladi; 0,18 mmol de carbonat de cesi;


SCQ_10_02_– 20/09/12 20:51 Página 17

0,125 mmol de substrat; 1,5 equivalents de bis(pinacolat)dibor; 1,5 mmol de metanol, i 0,18 mmol d’aigua en 2 ml de tetrahidrofurà a temperatura ambient durant 6 h], la reacció de β-boració es va portar a terme en tot tipus de substrats carbonílics α, β-insaturats: èsters, cetones, aldehids i amides terminals, internes, amb substituents en α, en β o en ambdues posicions, amb un o més d’un substituent alquílic o arílic.

FIGURA 6. Resultats de la reacció tàndem amb el complex 3 (boració, acoblament creuat).

una addició oxidant en el cicle catalític, sinó que l’etapa clau és una transmetal·lació; per tant, no és necessària una gran riquesa electrònica al voltant del metall. En contrapartida, en la reacció de Suzuki-Miyaura, l’addició oxidant és moltes vegades l’etapa limitant de la reacció; per tant, serà molt més ràpida o fàcil amb el complex que tingui més riquesa electrònica. FIGURA 5. Resultats de la β-boració amb el complex 1; C=conversió, Ch=quimioselectivitat.

Les conversions, en la majoria dels casos, són completes o molt elevades, i la quimioselectivitat en substrats conflictius com l’aldehid (pot donar reacció competitiva donant l’addició 1,2 en lloc de l’addició 1,4) és molt bona. Cal destacar que, en aquest cas, el millor complex és l’1, que correspon al complex amb el centre metàl·lic menys bàsic. Un cop establert el fet que els complexos de pal·ladi eren capaços de portar a terme la reacció de β-boració, es va intentar realitzar la reacció tàndem (β-boració, acoblament creuat) en el medi de reacció anterior, tot afegint els reactius necessaris per poder dur a terme la reacció d’acoblament creuat. Els resultats van ser satisfactoris, ja que tots els substrats amb bor terminal van aconseguir formar el nou enllaç carboni–carboni en la reacció tàndem. Cal destacar que, en aquest segon pas de la reacció, el millor complex és el 4, el que presenta un centre metàl·lic més bàsic. És interessant destacar el fet que els complexos funcionen de forma inversament proporcional en les dues reaccions. Això és conseqüència del fet que en la reacció de β-boració no té lloc

Aquest, doncs, és un exemple més de la versatilitat de la reacció per donar amb facilitat productes orgànics complexos i, alhora, una demostració de la polivalència d’aquests complexos de pal·ladi.

Catalitzadors econòmics i altament modulables. Coure amb fosforoamidits La indústria sempre busca reaccions econòmiques i estables, sobretot, que no siguin molt sensibles a l’aire o a l’aigua, i el sistema catalític (metall i lligands) moltes vegades és el punt crític per aproximar la indústria a la recerca. Un dels motius que ha fet créixer, en els darrers anys i de forma espectacular, l’ús dels metalls econòmics en la recerca és el gran interès que hi ha dipositat la indústria. Exemples molt clars són l’ús del coure o el níquel en múltiples reaccions, des de la diboració fins a la reacció de formació d’enllaços C–C.14 L’altre punt important per a la indústria és l’ús de lligands de forma que la seva síntesi sigui senzilla amb rendiments ele-

17


SCQ_10_02_– 20/09/12 20:51 Página 18

vats i que tingui una alta modulabilitat, de manera que permeti fer canvis en l’esquelet del lligand d’una forma senzilla. Tenint en compte la idea d’aproximar la nostra recerca a la indústria, amb la col·laboració de l’empresa holandesa DSM, vam fer un estudi catalític de la reacció de β-boració amb lligands fosforoamidits (uns lligands extremament modulables, que no són molt sensibles a l’aigua o a l’aire i que, a més, són ràpids de sintetitzar). D’aquesta forma, hem estudiat les possibilitats d’inducció asimètrica de diferents fosforoamidits amb diferents esquelets. Fins al moment, no s’havien reportat en la literatura excessos enantiomèrics amb fosforoamidits en la reacció de β-boració. Els lligands que van ser provats es mostren a la figura 7. L’estudi dels lligands es va fer seguint la metodologia high-throughput screening,15 que és una forma ràpida i eficaç de tenir un gran nombre d’informació útil en molt poc temps, tot obtenint una idea clara de quins esquelets de lligands són millors per a la reacció. Tot això va ser possible mitjançant el multireactor amb capacitat per fer noranta-sis reaccions simultànies, que permeten fer l’estudi amb tres substrats model: el crotonat d’isobutil, el cinnamaldehid i el cinnamonitril. Els resultats més destacats es mostren a la taula 1.

TAULA 1.

Resultats β-boració catalítica amb Cu/fosforamidits

Substrat

Lligand

Conversió (%)

ee (%)

Crotonat d'isobutil

28

74

50

29

95

51

Cinnamaldehid

Cinnamonitril

18

28

50

37

29

59

39

19

44

54

Es mostra una selectivitat diversa, sobretot quant a excés enantiomèric. Els resultats, tot i ser rellevants, no són tan positius com esperàvem. Els bons resultats obtinguts amb l’èster i, sobretot, amb l’aldehid i els lligands que tenen esquelets del TADDOL obren una porta a seguir modulant aquests lligands per obtenir uns millors resultats i per superar els que hi ha a la literatura amb altres lligands més complexos.

Nous metalls econòmics i respectuosos amb el medi ambient per la β-boració: ferro En els últims anys, l’interès envers la química verda ha promogut de forma espectacular un renaixement de l’ús de metalls respectuosos amb el medi ambient. En aquest context, els sistemes catalítics de ferro sorgeixen com una gran alternativa, ja que, en els darrers anys, han demostrat un gran poder catalític en un gran ventall de reaccions diverses.16 En el nostre grup es va desenvolupar un nou sistema catalític de ferro que ens permetés β-borar de forma selectiva. Es van provar diferents precursors amb diferents estats d’oxidació, tot comprovant que diversos precursors de ferro(II) podien ser precursors òptims per realitzar la reacció. Entre les millors opcions, es va fixar el ferro(II) acetilacetonat per la seva estabilitat i viabilitat. Un cop vam tenir fixades les condicions de treball bàsiques per a un substrat model (crotonat d’etil), es va augmentar el camp d’aplicació, tot estenent-lo a múltiples substrats, i es van obtenir conversions altes en diversos tipus de compostos α, β-insaturats, com ara èsters, cetones, nitrils i imines. Tot i això, el que causa més controvèrsia en aquest treball és que algun dels precursors de ferro conté un percentatge important d’impuresa en forma de coure metàl·lic. La pregunta, doncs, esdevé necessària: és realment el ferro o el coure allò que fa la catàlisi?17 Realitzant dilucions d’un catalitzador de coure en quantitats comparables a les impureses de coure, es va determinar que la presència de coure en el ferro té una activitat totalment negligible (figura 8). Així, vam realitzar una aproximació a la versió asimètrica provant diferents lligands comercials. Els resultats van ser molt interessants, ja que els lligands comercials bidentats o els lligands amb esquelets de ferrocè van donar enantioselectivitats baixes, mentre que els lligands monodentats de tipus fosforoamidit van donar els millors resultats. A més, vam veure que el fet de modificar les condicions de la reacció també afectava de forma significativa l’enantioselectivitat, de manera que podíem arribar a augmentar de forma considerable els excessos enantiomèrics. Avui dia, els millors resultats són superiors al 62 %.


SCQ_10_02_– 20/09/12 20:51 Página 19

FIGURA 7. Llibreria de lligands fosforoamidits utilitzats.

mera reacció tàndem en la qual una de les reaccions implicades és la β-boració;18 s’ha aconseguit col·laborar amb la indústria amb l’ús de lligands modulables i complexos molt barats i poc sensibles per a la β-boració, i s’han desenvolupat innovadores metodologies en la reacció que han permès realitzar aquesta reacció amb metalls increïblement barats i no contaminants, com ara el ferro.19

Agraïments FIGURA 8. Estudi de la reacció de β-boració d’etil crotonat amb coure (conversió/mmols de Cu).

Conclusions El nostre grup ha aconseguit, en els últims anys, posar-se a primera línia en la reacció de β-boració: s’ha realitzat la pri-

Un agraïment a tot el Grup de Catàlisi Homogènia i Heterogènia de la Universitat Rovira i Virgili, especialment, a tots els doctorands; a la Generalitat, per la beca FI, i a la Societat Catalana de Química, per donar-nos l’oportunitat d’explicar el nostre treball i de fer-lo extensible a tots els químics de la societat catalana. 19


SCQ_10_02_– 20/09/12 20:51 Página 20

Referències i altres fonts [1] Plesek, J. Chem. Rev. 1992, 92, 269. [2] Shapiro, I.; Good, C. D.; Williams R. E. J. Am. Chem. Soc. 1962, 84, 3837. [3] United States Patent 5082603. [4] Martín, C.; Ronda, J. C.; Cádiz, V. J. Polym. Sci., part A: Polym. Chem. 2006, 44, 1701. [5] Rezanka, T.; Sigler, K. Phytochemistry 2008, 69, 585. [6] Crudden, C. M.; Edwards, D. Eur. J. Org. Chem. 2003, 68, 4695. [7] Elford, T. G.; Hall, D. G. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 1488. [8] Balanta Castillo, A.; Godard, C.; Gladiali, S.; Claver, C. Treball no publicat. [9] a) Lee, J.; Yun, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 145. b) Kliman, L. T.; Mlynarski, S. N.; Morken, J. P. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 13210. [10] a) Penno, D.; Lillo, V.; Koshevoy, I. O.; Sanaffl, M.; Úbeda, M. Á.; Lahuerta, P.; Fernández, E. Chem. Eur. J. 2008, 14,

A. Bonet

M. Soriano

10648. b) Ramírez, J.; Sanau, M.; Fernández, E. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 5149. [11] a) Ito, H.; Yamanaka, H.; Tateiwa, J.-I.; Hosomi, A. Tetrahedron Lett. 2000, 41, 6821. b) Takahashi, K.; Ishiyama, T.; Miyaura, N. Chem. Lett. 2000, 29, 982. [12] Mun, S.; Lee, J.-E.; Yun, J. Org. Lett. 2006, 8, 4887. [13] Schiffner, J. A.; Müther, K.; Oestreich, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 2. [14] González-Bobes, F.; Fu, G. C. J. Am. Chem. Soc. 2006, 16, 5361. [15] Lefort, L.; Boogers, J. A. F.; Vries, A. H. M. de; Vries, J. G. de. Org. Lett. 2004, 6, 1733. [16] Czaplik, W. M.; Mayer, M.; Cvengros, J.; Wangelin, A. von. J. Chem. Sus. Chem. 2009, 2, 396. [17] Buchwald, S. L.; Bolm, C. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 5586. [18] Bonet, A.; Gulyás, H.; Koshevoy, I. O.; Estevan, F.; Sanaú, M.; Úbeda, M. Á.; Fernández, E. Chemistry Eur. J. 2010, 16, 6382. [19] Bonet, A.; Solé, C.; Gulyás, H.; Fernández, E. Treball no publicat.

C. Pubill-Ulldemolins

Amadeu Bonet va obtenir la llicenciatura en química per la Universitat Rovira i Virgili l’any 2007 i el màster en catàlisi l’any següent. L’any 2008, va realitzar un treball centrat en la hidroboració a la Universitat de Queens (Canadà), sota la supervisió de la doctora Cathy Crudden. Al principi del 2009, va obtenir la beca FI de la Generalitat de Catalunya. La seva recerca se centra en la β-boració asimètrica de compostos α, β-insaturats i en l’aproximació de l’organocatàlisi en les diverses reaccions de boració. Manuel Soriano es va llicenciar en química per la Universitat de València l’any 1999. L’any següent va estar treballant a la Universitat Paul Sabatier-Toulouse III (França), en un projecte Erasmus. L’any 2001, va obtenir el Diplôme d’Études Supérieures Universitaires Pierre-Fabre a Vigoulet (França) i, des de llavors, ha ocupat posicions de director tècnic a Radhe Shyam, SA (Barcelona) (2001-2003) i a Maystar, SL (Tarragona) (des del 2003). La seva investigació està centrada en diversos processos catalítics relacionats amb la indústria. Cristina Pubill-Ulldemolins va obtenir la llicenciatura en química per la Universitat Rovira i Virgili l’any 2008. Durant l’any 2007, va realitzar un Erasmus a la Friedrich-Alexandre University. L’any següent va aconseguir la beca ICIQ, que li permet fer un doctorat multidisciplinari en el qual explora la part d’estudis teòrics dels sistemes catalítics involucrats en la diboració, sota la supervisió del doctor Carles Bo, i simultàniament realitza la part experimental a la Universitat Rovira i Virgili, sota la supervisió de la doctora Elena Fernández. L’estiu del 2008, va realitzar una estada a la Universitat de Durham, sota la supervisió del professor T. Marder, en un projecte de reaccions de ciclació. La seva recerca se centra en la diboració catalítica d’alquens amb diversos metalls i estudis mecanístics. 20


SCQ_10_02_– 20/09/12 20:51 Página 21

C. Solé

J. Cid

H. Gulyas

E. Fernández

Cristina Solé va obtenir la llicenciatura en química per la Universitat Rovira i Virgili l’any 2008 i en bioquímica l’any següent. Va realitzar, l’any 2008, una estada Sèneca a Palma de Mallorca, i l’any 2009, un Erasmus a la Universitat de Reading. Actualment està acabant el màster oficial en catàlisi, durant el qual ha realitzat una estada a la Universitat de Durham, sota la supervisió del doctor Andy Witting. La seva recerca se centra en la β-boració de compostos insaturats per la síntesi de molècules bioactives. Jessica Cid va obtenir la llicenciatura per la Universitat Rovira i Virgili l’any 2009. Durant l’any anterior, va realitzar una estada Erasmus a la Technische Universiteit d’Eindhoven. A l’octubre del 2009, va obtenir la beca URV, que li permet realitzar un doctorat multidisciplinari en el qual, sota la supervisió del doctor Jordi Carbó i de la doctora Elena Fernández, treballarà els aspectes teòrics i experimentals en les reaccions d’hidroboració i de diboració. Henrik Gulyas va néixer a Hongria l’any 1971. Va obtenir el doctorat a la Universitat de Veszprém, sota la supervisió del professor J. Bakos. Entre els anys 2005 i 2007, va treballar com a postdoctoral en un projecte de BASF, sota la supervisió del professor P. van Leeuwen, a l’ICIQ. L’any 2007, va obtenir la beca Torres Quevedo, que li va permetre continuar treballant a l’ICIQ. A partir del 2009, passa a ser professor associat de la Universitat Rovira i Virgili i treballa en el grup de la doctora Elena Fernández. La seva recerca es basa en noves rutes sintètiques per obtenir compostos organoborans. Elena Fernández va néixer l’any 1968. Va rebre la llicenciatura en química per la Universitat de Barcelona l’any 1991. Seguidament, l’any 1995, va obtenir el doctorat per la Universitat Rovira i Virgili, sota la supervisió del professor Sergio Castillón i de la doctora Aurora Ruiz. Els dos anys següents va estar realitzant un postdoctorat a la Universitat d’Oxford, sota la supervisió del professor J. M. Brown. Va tornar a Tarragona, on va col·laborar amb la professora Carmen Claver i va aconseguir ser personal permanent de la Universitat Rovira i Virgili l’any 2000. El seu grup se centra en l’estudi de les aplicacions de metalls de transició a la síntesi orgànica, tot posant un especial interès en les addicions selectives de bor i les subsegüents reaccions tàndem catalítiques.

21


SCQ_10_03_- 02/10/12 19:01 Página 22

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 22-27 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

DOI: 10.2436/20.2003.01.25

ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Funcionalització d’o-carborans iodats per obtenir estructures dendrimèriques útils en aplicacions mèdiques Iodinated o-carboranes functionalization to produce dendrimeric structures useful in medicine Ariadna Pepiol, Albert Vaca, Clara Viñas* i Francesc Teixidor Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC)

Resum. L’1,2-dicarba-closo-dodecaborà, l’o-carborà, és un clúster icosaèdric format per deu vèrtexs de bor–hidrogen i dos vèrtexs de carboni-hidrogen en posició adjacent. Aquesta molècula és químicament molt versàtil, ja que presenta una reactivitat diferenciada segons el tipus de vèrtex, la qual cosa en permet la derivatització en funció de l’aplicació mèdica desitjada. Al nostre grup de recerca, tenim una gran experiència en reaccions de substitució electrofílica sobre els àtoms de bor, sobretot per tal d’obtenir derivats B-iodats de l’o-carborà que continguin un elevat nombre d’àtoms de iode per molècula. Aquesta condició els converteix en bons candidats per ser usats com a agents de contrast opacs als raigs X en ciments ossis polimèrics de metilmetacrilat. Els enllaços de bor–iode d’aquests carborans poden ser posteriorment derivatitzats amb diferents grups orgànics funcionals, tot formant nous vèrtexs de bor–carboni i obtenint, així, molècules útils com a nuclis d’estructures de tipus dendró. El creixement dendrimèric d’aquests nuclis es du a terme mitjançant reaccions d’acoblament amb altres clústers de carborà funcionalitzats, tot obtenint molècules amb un elevat contingut en àtoms de bor, molt útils com a agents anticancerosos en la tècnica BNCT (boron neutron capture therapy). Paraules clau: Carborans, iode, agents de contrast, raigs X, dendrons, captura de neutrons, BNCT, EINS.

Abstract. The 1,2-dicarba-closo-dodecaborane, o-carborane, is an icosahedral cluster consisting of ten boron-hydrogen vertices and two carbon-hydrogen adjacent vertices. This molecule is chemically versatile, has a differential reactivity depending on the type of vertex, and this enables the functionalization according to the desired medical application. Our research group has extensive experience in electrophilic substitution reactions on the boron atoms, especially to obtain boron-iodinated carborane derivatives, which contain a large number of iodine atoms per molecule. This condition makes them good candidates for use as X-ray contrast agents in methyl methacrylate bone cements. These boron-iodine bonds may be subsequently functionalized with various organic functional groups forming new boron-carbon vertices and producing useful molecules as dendron nuclei. The growth of these dendrimeric cores is carried out by coupling reactions with other functionalized carboranes yielding molecules with high boron content, useful as anticancer agents in BNCT (boron neutron capture therapy). Keywords: Carboranes, iodine, contrast agent, X-ray, dendrons, neutron capture, BNCT, EINS.

Introducció l bor és un element químic força peculiar que es comporta com un no-metall capaç de formar compostos moleculars covalents, mentre que la resta dels elements del seu mateix grup 13 es consideren metalls que formen compostos iònics. De la mateixa manera que el carboni, el bor presenta la capacitat d’enllaçar-se amb ell mateix per formar estructures polièdriques diferents. Aquests agregats o clústers de bor, que podem anomenar borans, són poliedres de cares triangulars en els quals cada

E

Correspondència: Clara Viñas. Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC) Campus UAB. 08193 Bellaterra. Cerdanyola del Vallès

22

Tel.: +34 935 801 853. Fax: +34 935 805 729 A. e.: clara@icmab.es

vèrtex està ocupat per un àtom de bor enllaçat a un àtom d’hidrogen. La substitució d’alguna d’aquestes unitats per un altre element dóna lloc als heteroborans, dels quals cal destacar la família dels carborans, que contenen un o més vèrtexs de carboni en la seva estructura polièdrica de cares triangulars.1 L’existència d’un gran nombre de borans i carborans sintetitzats durant la primera meitat del segle XX va posar de manifest la necessitat d’establir-ne una classificació. Van ser R. E. Williams i K. Wade els qui van ordenar-los segons les seves característiques estructurals i estequiomètriques, determinades sobretot pel nombre de vèrtexs ocupats i d’electrons disponibles. En van diferenciar tres grans grups:2 closo-, poliedres d’n vèrtexs amb 2n + 2 electrons; nido-, poliedres d’n -1 vèrtexs amb 2n + 4 electrons, i arachno-, poliedres d’n -2 vèrtexs amb 2n + 6 electrons (figura 1).


SCQ_10_03_- 02/10/12 19:01 Página 23

que s’emporta l’hidrogen unit al vèrtex de bor com a hidrur, i, seguidament, cal també la presència d’un nucleòfil (com ara un halogen elemental), que du a terme la substitució I–B del vèrtex. Aquesta seqüència de dues reaccions es coneix com a EINS (electrophilic induce nucleophilic substitution).4

Propietats químiques i reactivitat de l’orto-carborà

Alhora, existeix un altre tipus de reacció àmpliament estudiada i molt important dins de la química de carborans: la degradació parcial de l’o-carborà, en la qual es produeix la pèrdua d’un dels vèrtexs del poliedre closo- per obtenir el corresponent clúster nido-. Per fer-ho, cal l’efecte d’una espècie nucleòfila, com ara l’ió etòxid o metòxid, que ataqui els bors més empobrits electrònicament extraient-ne un fragment BH2+.5

De tots els compostos polièdrics de bor que existeixen, cal remarcar, per la seva estabilitat tèrmica i per la seva resistència química, el clúster d’orto-carborà, de fórmula empírica 1,2C2B10H12. Aquest compost presenta una estructura icosaèdrica closo- amb dos vèrtexs adjacents de carboni i deu vèrtexs de bor.

Posteriorment, sobre aquell compost nido- anterior, es pot donar una reacció de complexació en presència de CoCl2, en la qual el Co(II) dismuta per donar Co0 i un compost sandvitx de Co(III): l’anió cobaltabis(dicarballur), de fórmula [3,3’-Co(1,2-C2B9H11)2]–.6

FIGURA 1. Exemple de la relació estructural entre closo-, nido- i arachno- borans, tot essent n = 12 i

B–H.

L’o-carborà té una gran versatilitat sintètica gràcies a la diferenciada reactivitat de cadascun dels seus vèrtexs. Una reactivitat condicionada, sobretot, per les diferències d’electronegativitat entre els àtoms de bor, de carboni i d’hidrogen (segons l’escala de Pauling: 2,0, 2,5 i 2,2, respectivament), que fan que els hidrògens enllaçats als àtoms de carboni tinguin un cert caràcter àcid, mentre que els que estan enllaçats als àtoms de bor tenen un cert caràcter d’hidrur. Alhora, dins del mateix clúster, es troben bors amb diferent reactivitat: d’una banda, els que estan connectats a ambdós àtoms de carboni, que queden empobrits electrònicament a causa de la major electronegativitat dels carbonis; de l’altra, els bors que es troben més allunyats dels carbonis, que presenten una certa densitat de càrrega negativa. Així, doncs, gràcies a aquestes diferències d’electro negativitat, es pot donar un gran ventall de reaccions químiques regioselectives sobre el poliedre de l’o-carborà. Una d’aquestes reaccions és la substitució sobre els àtoms de carboni del clúster, en la qual els protons són arrencats per una base forta (com l’n-butil liti o l’hidrur sòdic) per tal d’obtenir una espècie C-litiada altament nucleòfila que reaccionarà amb metalls, halurs orgànics o molècules inorgàniques.3 D’altra banda, per aconseguir una halogenació electrofílica sobre els bors més allunyats dels carbonis, cal la presència d’un àcid de Lewis, com ara l’àcid tríflic o triclorur d’alumini,

I, finalment, també sobre aquest mateix compost nido-, es pot dur a terme una reacció d’inserció d’un nou vèrtex per tornar a donar el corresponent clúster closo-, en aquest cas, mitjançant l’addició d’àcids de Lewis, com ara els halurs de bor (BXnR(3-n), n = 2,3).7,4b–d

Síntesi d’orto-carborans iodats per ser usats com a agents de contrast Al nostre grup de recerca s’han desenvolupat diverses rutes sintètiques per tal d’obtenir o-carborans altament iodats, amb la intenció d’usar-los com a agents de contrast als raigs X en biomaterials polimèrics radioopacs.4 Per a aquesta aplicació resulta indispensable que l’agent de contrast contingui un gran nombre d’àtoms de iode, ja que són els àtoms de iode els que presenten un elevat coeficient d’absorció en aquesta radiació.8 Així, doncs, els clústers d’o-carborà B-iodats es consideren uns bons candidats per ser usats com a agents dopants de contrast en ciments ossis radioopacs, ja que contenen un elevat percentatge de iode per molècula (que pot arribar a ser del 90 %). D’aquesta manera, per obtenir valors òptims de radioopacitat dins de les pròtesis òssies, calen quantitats raonable-

23


SCQ_10_03_- 02/10/12 19:01 Página 24

ment petites d’o-carborans iodats, ja que són agents de contrast altament efectius. Tal com es mostra a l’esquema 1, s’han dissenyat diferents vies de síntesi que han permès obtenir compostos B-iodats «a la carta», en les quals no només ha estat possible controlar el grau de iodació, sinó també la posició dels àtoms de iode dins del clúster d’o-carborà. La substitució electrofílica dels hidrògens (units als bors) per àtoms de iode es pot realitzar a partir de diferents mètodes: a) en dissolució, o b) a partir d’un mètode desenvolupat pel nostre grup de recerca amb el qual no s’han d’emprar dissolvents. En aquestes reaccions de substitució electrofílica, l’ordre de reactivitat de cadascun dels vèrtexs és: B(9,12) > B(8,10) > B(4,5,7,11) >> B(3,6), totalment coherent amb la decreixent densitat electrònica en els diferents vèrtexs de bor (vegeu la numeració dels vèrtexs de l’o-carborà a l’esquema 1). A partir de les reaccions de substitució electrofílica en dissolució, és possible obtenir derivats altament substituïts, com ara el 4,5,7,8,9,10,11,12-I8-1,2-carborà, tot usant ICl i CF3SO3H (vegeu I en l’esquema 1).9 En aquesta reacció, s’han introduït àtoms de iode en tots els vèrtexs de bor del clúster, excepte en els que estan connectats alhora als dos carbonis, o sigui, els vèrtexs més empobrits electrònicament: el B(3) i el B(6).

24

Per aconseguir funcionalitzar una d’aquestes dues posicions anteriors, que són poc favorables a una substitució electrofílica, cal recórrer a l’estratègia sintètica següent: primer, s’ha d’eliminar el vèrtex de bor B(3) mitjançant una degradació parcial de clúster closo-. Per fer possible aquesta reacció, s’utilitza un agent nucleòfil fort, com ara l’EtOK, per obtenir el corresponent derivat aniònic nido- de l’o-carborà, anomenat [7,8-nido-C2B9H10]2– (vegeu II en l’esquema 1). Després, és necessari dur a terme la inserció d’un nou vèrtex B-I amb l’ús del BI3, per obtenir novament un clúster closo- neutre, que té la posició B(3) iodada (vegeu III en esquema 1), és a dir, el compost 3-I-1,2-C2B10H11. A continuació, fent ús novament del clorur de iode i de l’àcid tríflic sobre el derivat anterior, és possible iodar la resta dels vèrtexs susceptibles a atacs nucleofílics per obtenir el derivat amb nou àtoms de iode, el 3,4,5,7,8,9,10,11,12-I9-1,2-C2B10H3 (vegeu IV en l’esquema 1).4b La preparació del derivat periodat de l’o-carborà passa per un plantejament sintètic similar a l’anterior: es comença per una degradació parcial del compost 3-I-7,8-C2B10H11, que dóna lloc al corresponent derivat nido- [6-I-7,8-C2B9H10]2–, i, seguidament, s’insereix el vèrtex B-I que li manca al clúster. D’aquesta manera, s’obté un carborà closo- amb dos àtoms de iode sobre els vèrtexs no susceptibles a la substitució nucleo-

ESQUEMA 1. Ruta sintètica per a la iodació regioselectiva de compostos derivats de l’o-carborà: I: ICl/CF3SO3H; II: KOH/EtOH; III: BI3/hexà; IV: ICl/CF3SO3H; V: primer pas KOH/EtOH, segon pas, eliminar EtOH, tercer pas BI3/hexà; VI: ICl/CF3SO3H; VII: 10 eq.I2/ 265 ºC/3,5 h. El color gris fosc es correspon amb un vèrtex C-H i el color lilós, a un vèrtex B-I.


SCQ_10_03_- 02/10/12 19:01 Página 25

fílica, el 3,6-I2-1,2-C2B10H10 (vegeu V en l’esquema 1). Arribat aquest punt, només resta l’últim pas per aconseguir l’o-carborà amb tots els deu vèrtexs de bor substituïts per àtoms de iode, que consisteix a sotmetre el derivat diodat anterior a condicions de iodació electrofílica usant ICl i CF3SO3H, per obtenir, finalment, el compost 3,4,5,6,7,8,9,10,11,12-I10-1,2C2B10H2 (vegeu VI en l’esquema 1).4a Finalment, segons una reacció de substitució electrofílica en absència de dissolvents, ha estat sintetitzat el precursor B-iodat 8,9,10,12-I4-C2B10H8 amb una molt bona selectivitat (vegeu VII en l’esquema 1).4g Aquest mètode de síntesi resulta molt més net, ràpid i efectiu que no pas qualsevol dels mètodes en dissolució, ja que, d’una banda, no s’utilitzen dissolvents i, de l’altra, es recupera gairebé tot l’excés d’un dels reactius (I2) per sublimació; per tant, és un mètode amb una elevada eficiència atòmica. En aquesta reacció s’afegeixen directament els dos sòlids, l’ocarborà i l’I2, dins d’un tub de vidre Pyrex™. Seguidament, es congela el tub amb nitrogen líquid i se segella al buit amb una torxa de propà/O2. La reacció es du a terme dins d’un forn, on l’ascens de la temperatura és progressiu, fins que s’assoleix la temperatura màxima de treball de 265 ºC durant 3,5 h. Per cada molècula de iode que genera un nou enllaç B-I, es desprèn un mol de iodur d’hidrogen, fet que fa augmentar considerablement la pressió dins del tub. A temperatura i pressió elevades, el iode es troba en estat líquid i dissol l’ocarborà, per la qual cosa no es pot considerar una reacció en estat sòlid. Un cop finalitzada la reacció, se sublima l’excés de iode i s’obté, amb un rendiment del 93 %, un sòlid d’aspecte cristal·lí que correspon al derivat tetraiodat de l’o-carborà.

Funcionalització d’o-carborans iodats per obtenir estructures dendrimèriques útils per a BNCT La BNCT (boron neutron capture therapy) és un sistema binari de radioteràpia que consisteix en la irradiació d’un feix de neutrons lents sobre compostos que continguin un elevat nombre d’àtoms de bor. Aquesta teràpia de captura de neutrons per part dels àtoms de bor, que va ser descoberta per Locher l’any 1936, es fonamenta en la capacitat de l’isòtop 10B (d’una abundància natural del 19,8 %) per absorbir neutrons

tèrmics i transformar-se en un nucli excitat de 11B. Com a conseqüència d’això, s’alliberen ràpidament per fissió nuclear partícules a (4He2+), ions 7Li3+ i, en la majoria dels casos, fotons gamma (vegeu la figura 2).

FIGURA 2. Esquema de la tècnica del BNCT, reacció d’absorció de neutrons tèrmics per part de l’isòtop 10B.

Aquests ions generats són altament energètics, però tenen una trajectòria força curta, aproximadament d’un diàmetre cel·lular de 10 m, i durant el seu recorregut seran capaços de produir exclusivament la mort de la cèl·lula on hagin estat alliberats. Resulta imprescindible, per tant, que el fàrmac, que té un elevat contingut en bor, es trobi situat dins del tumor, de manera que les partícules energètiques que s’alliberaran destruiran únicament cèl·lules cancerígenes, mentre que les cèl·lules sanes del voltant restaran intactes. La recerca en el camp de la BNCT està enfocada a l’optimització dels fàrmacs que s’utilitzen, que han de ser alhora efectius i eficients. Primer, és necessari aconseguir compostos eficients, és a dir, que continguin un elevat nombre d’àtoms de bor, la qual cosa faci augmentar la quantitat de partícules energètiques generades. I segon, cal funcionalitzar aquests compostos de bor amb grups portadors (hidrats de carboni, pèptids, aminoàcids i porfirines, entre d’altres)10 que tinguin especificitat per les cèl·lules cancerígenes, de manera que augmenti l’eficàcia de la tècnica. Per tal d’obtenir compostos amb un elevat percentatge d’àtoms de bor, que resultin prou efectius per a la BNCT, una manera pot ésser sintetitzant molècules ramificades que puguin actuar de nuclis d’estructures dendrimèriques (tipus dendró). Els dendrons són macromolècules tridimensionals de mida controlada, d’estructura ramificada ben definida i, a diferència dels polímers ramificats (que tenen un elevat grau de polidispersió a causa de la seva síntesi aleatòria), són monodispersos. La síntesi d’aquest tipus de macromolècules es dóna

25


SCQ_10_03_- 02/10/12 19:01 Página 26

mitjançant reaccions «en cascada», és a dir, a partir d’una seqüència iterativa d’etapes de reacció. Amb cada nova etapa, s’aconsegueix fer créixer el dendró afegint una generació superior. L’estructura en forma d’arbre dels dendrons consta de tres parts: el nucli (o core), d’on neixen les diferents branques; les branques unides al nucli, que s’estenen de forma radial, i la perifèria, on es troben els grups funcionals que determinen el comportament químic i físic del compost, com, per exemple, la viscositat, la solubilitat o l’estabilitat tèrmica.11 El nucli d’un dendró ha de ser una molècula versàtil que permeti un elevat grau de creixement de l’estructura dendrimèrica. Per això ha de contenir grups funcionals prou reactius que n’afavoreixin la ramificació. Així, al nostre grup de recerca s’han sintetitzat clústers d’o-carborà tetrasubstituïts acabats amb diferents grups orgànics funcionals (alquens, alcohols, halògens, azides) que es poden considerar uns nuclis de dendrons molt vàlids per a aquesta aplicació, ja que és possible tenir estructures dendrimèriques amb un elevat contingut en bor. L’obtenció d’aquests nuclis de dendrons es dóna gràcies a la substitució dels enllaços B-I del compost 8,9,10,12-I4-1,2C2B10H8 per enllaços B-C, mitjançant una reacció catalítica d’acoblament creuat de Kumada. En aquesta reacció, s’utilitza un reactiu de Grignard com a font de grup orgànic en presència d’un catalitzador de pal·ladi [PdCl2(PPh3)2] i de CuI com a cocatalitzador. Aquest tipus d’acoblament s’ha realitzat amb diferents reactius de Grignard, com ara clorurs d’al·lil, de fenil o de vinilmagnesi, tot obtenint compostos tetrasubstituïts amb diferents cadenes orgàniques (R), de tipus 8,9,10,12-R4closo-1,2-C2B10H8.12 Posteriorment, sobre aquestes cadenes orgàniques unides al clúster d’o-carborà, s’han dut a terme noves reaccions de funcionalització per obtenir grups orgànics terminals més reactius davant de properes reaccions de creixement dendrimèric. Aquestes reaccions poden ser d’acoblament amb altres clústers de carborà, per fer augmentar el contingut en bor de la macromolècula, o bé amb molècules biològiques, per aconseguir dendrons amb una certa especificitat per les cèl·lules tumorals.

Referències 26

[1] Grimes, R. N. Carbaboranes. 2a ed. Academic Press: Nova York, 2011.

[2] a) Williams, R. E. Inorg. Chem. 1971, 10, 210. Mingos, D. M. P. Nature (Phy. Science) 1972, 236, 99. b) Wade, K. J. Chem. Soc. D 1971, 792. c) Wade, K. Adv. Inorg. Chem. Radiochem. 1976, 18, 1. d) Williams, R. E. Adv. Inorg. Chem. Radiochem. 1976, 18, 67. e) Rudolph, R. W.; Pretzer, W. R. Inorg. Chem. 1972, 11, 1974. f ) Rudolph, R. W. Acc. Chem. Res. 1976, 9, 446. [3] Teixidor, F.; Viñas C. a Science of Synthesis. Thieme: Stuttgart, 2005, vol. 6, p.1235, i referències que se citen. [4] a) Teixidor, F.; Barberà, G.; Viñas, C.; Sillanpää, R.; Kivekäs, R. Inorg. Chem. 2006, 45, 3496. b) Barberà, G.; Teixidor, F.; Viñas, C.; Sillanpää, R.; Kivekäs, R. Eur. J. Inorg. Chem. 2003, 1511. c) Barberà, G.; Teixidor, F.; Vaca, A.; Sillanpää, R.; Kivekäs R.; Viñas C. Inorg. Chem. 2008, 47, 7309. d) Barberà, G.; Viñas, C.; Teixidor, F.; Rosair, G. M.; Welch, A. J. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 2002, 3647. e) Puga, A. V.; Teixidor, F.; Sillanpää, R.; Kivekäs, R.; Arca, M.; Barberà, G.; Viñas, C. Chem. Eur. J. 2009, 15, 9755. f ) Puga, A. V.; Teixidor, F.; Sillanpää, R.; Kivekäs, R.; Viñas, C. Chem. Eur. J. 2009, 15, 9764. d) Vaca, A.; Teixidor, F.; Kivekäs, R.; Sillanpää, R.; Viñas, C. Dalton Transactions 2006, 4884. h) Teixidor, F.; Barberà, G.; Viñas, C.; Sillanpää, R.; Kivekäs R. Dalton Transactions 2007, 1668. [5] Hawthorne, M. F.; Young, D. C.; Garret, P. M.; Owen, D. A.; Tebbe, F. N.; Wegner, P. A. J. Am. Chem. Soc. 1968, 90, 862. [6] Hawthorne, M. F.; Andrews, T. D. J. Chem. Soc., Chem. Comm. 1965, 443. [7] Hawthorne, M. F.; Wegner, P. A. J. Am. Chem. Soc. 1968, 90, 896. [8] Saralidze, K.; Hooy-Corstjens, C. S. J. van; Koole, L. H.; Knetsch, M. L. W. Biomaterials 2007, 28, 2457. [9] Srivastava, R. R.; Hamlin, D. K.; Wilbur, D. S. J. Org. Chem. 1996, 61, 9041. [10] a) Plešek, J. Chem. Rev. 1992, 92, 269. b) Prashar, J. K.; Moore, D. E. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1993, 1051. c) Schaeck, J. J.; Kahl, S. B. Inorg. Chem. 1999, 38, 204. d) Fanning, J. C. Coord. Chem. Rev. 1995, 140, 27. e) Mehta, S. C.; Lu, D. R. Pharm. Res. 1996, 13, 344. f ) Barth, R. F.; Soloway, A. H.; Brugger, R. M. Cancer Invest. 1996, 14, 534. g) Grimes, R. N. J. Chem. Educ. 2004, 81, 658. h) Hawthorne, M. F.; Maderna, A. Chem. Rev. 1999, 99, 3421. [11] a) Newkome, G. R. Advances in dendritic macromolecules. JAI: Greenwich, 1996. b) Fisher, M.; Vögtle, F. Angew. Chem. Int. Ed. 1999, 38, 885. [12] Puga, A. V.; Teixidor, F.; Sillanpää, R.; Kivekäs, R.; Viñas, C. Chem. Commun. 2011, 47, 2252.


SCQ_10_03_- 02/10/12 19:01 Página 27

A. Pepiol

A. Vaca

C. Viñas

F. Teixidor

Ariadna Pepiol és llicenciada en ciències químiques per la Universitat Autònoma de Barcelona (2005) i actualment està realitzant la tesi doctoral sobre la funcionalització de clústers d’o-carborà per ser usats en diferents aplicacions mèdiques a l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona, del CSIC. Albert Vaca és llicenciat en química per la Universitat de Barcelona (2000) i doctor en química per la Universitat Autònoma de Barcelona (2007), amb la tesi titulada Regioselectivitat en l’orto-carborà: Mono- i multisubstitució. Clústers de bor en líquids iònics. Actualment, és investigador a la Queen’s Universtiy de Belfast, on treballa en col·laboració amb multinacionals com Invista o Petronas per millorar l’eficiència i reduir les emissions atmosfèriques de processos químics o petroquímics emprant líquids iònics. Clara Viñas és llicenciada en ciències químiques per la Universitat Autònoma de Barcelona (1975) i en farmàcia per la Universitat de Barcelona (1980). Va iniciar-se en la recerca als laboratoris del professor Ralph W. Rudolph, a la University of Michigan, durant un any. De tornada a Barcelona, va treballar a la indústria i, posteriorment, va guanyar una plaça al Laboratori Municipal de Sabadell, del qual va ser la directora. Es va doctorar en farmàcia per la Universitat de Barcelona l’any 1991 i, l’any següent, va guanyar una plaça de científica titular a l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona, del CSIC. Va passar a ser científica titular l’any 2002 i és professora d’investigació des del 2006. Al llarg de la seva carrera científica, ha dirigit set tesis doctorals i dotze treballs de recerca, ha publicat més de dos-cents nou articles científics en revistes incloses al SCI, disset capítols de llibre i un capítol d’enciclopèdia, entre d’altres. Francesc Teixidor es va llicenciar en ciències químiques per la Universitat Autònoma de Barcelona l’any 1975 i es va doctorar per la mateixa Universitat el 1979. Després, va marxar a la University of Michigan per fer una estada postdoctoral amb el professor Ralph W. Rudolph, durant dos anys i mig. De tornada a Barcelona, es va incorporar a la Universitat Autònoma de Barcelona com a professor adjunt de química. L’any 1987, va guanyar una plaça d’investigador científic del CSIC a l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona, del qual és professor d’investigació des del 1999. Al llarg de la seva carrera científica, ha dirigit tesis doctorals i ha publicat més de dos-cents setanta articles científics en revistes incloses al SCI, vint-i-quatre capítols de llibre i un capítol d’enciclopèdia, entre altres aportacions científiques.

27


SCQ_10_04__ 02/10/12 19:02 Página 28

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 28-34 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

DOI: 10.2436/20.2003.01.26

ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Nous dendrímers quirals multifuncionals New multifunctional chiral dendrimers Raquel Gutiérrez, Ona Illa i Rosa Maria Ortuño* Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química

Resum. Els dendrímers són (nano)arquitectures moleculars amb una mida i un nombre de grups terminals ben definits. Aquestes molècules tenen aplicacions potencials com a biomaterials, medicaments o hostes. En el present treball, s’ha dut a terme la síntesi d’uns nous dendrímers ciclobutànics quirals multifuncionals a través d’una estratègia convergent. Aquesta metodologia sintètica, que consisteix en la unió al nucli d’uns dendrons prèviament sintetitzats, condueix a dendrímers de pes molecular monodispers més fàcils de purificar. Al nostre laboratori s’han utilitzat, com a nuclis, benzens 1,3,5-trisubstituïts, mentre que, com a dendrons, s’han utilitzat un γ, ε-aminodiàcid ciclobutànic multifuncional i el tetrapèptid resultant de l’acoblament del γ, ε-aminodiàcid amb tres residus de GABA (àcid gamma-aminobutíric) convenientment funcionalitzats. Les propietats estructurals d’aquestes molècules i llurs possibles aplicacions en el camp dels nous materials estan sent estudiades. Paraules clau: Dendrímers, ciclobutans, quiralitat, γ-aminoàcids, pèptids. Abstract. Dendrimers are highly-branched molecular (nano)architectures of well defined size and number of terminal groups. These molecules have potential applications as biomaterials, drugs or hosts. In the present work, new chiral multifunctional cyclobutane dendrimers have been synthesized through a convergent approach. This synthetic methodology, which consists in the attachment of pre-synthesized dendrons to the core, leads to dendrimers of monodisperse molecular weight which are easier to purify. In our laboratory 1,3,5-trisubstituted benzenes have been used as cores, whereas a multifunctional cyclobutane γ, ε-amino diacid and the tetrapeptide resulting from the coupling of the γ, ε-amino diacid an three conveniently protected GABA (gamma-aminobutiric acid) residues, have been used as dendrons. Structural properties of these molecules and their possible applications in the field of new materials are under study.

Keywords: Dendrimers, cyclobutans, chirality, γ-amino acids, peptides.

Introducció

L

són els vehicles emprats pel nostre organisme per fer arribar els missatges d’un lloc a un altre.

a nostra vida quotidiana està plena d’accions rutinàries sobre les quals no parem cap mena d’atenció. Però com és capaç de transmetre el nostre cervell l’ordre de moure el braç o d’articular unes determinades paraules?

Si imaginem el cervell com una gran xarxa d’autopistes formada per neurones, podrem fer-nos la idea del que està passant. A mesura que una neurona rep missatges de les cèl·lules que l’envolten, una càrrega elèctrica (o impuls nerviós) s’acumula. Aquesta descàrrega es desplaça a través de la neurona fins que arriba a l’axó. Allà es desencadena l’alliberament d’uns missatgers químics anomenats neurotransmissors, que es mouen des de l’axó fins a la part superior d’una neurona veïna (figura 1). Així, podríem dir que els neurotransmissors

Correspondència: Rosa Maria Ortuño. Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química Campus UAB. Edifici Ciències Nord. 08193 Bellaterra. Cerdanyola del Vallès

28

Tel.: +34 935 811 602. Fax:+34 935 812 477

FIGURA 1. Representació esquemàtica del mecanisme de neurotransmissió neuronal o

A. e.: Rosa.Ortuno@uab.cat

sinapsi.


SCQ_10_04__ 02/10/12 19:02 Página 29

Un tipus de neurotransmissor són els γ-aminoàcids i les estructures relacionades. Dins d’aquest grup, cal destacar l’àcid γ-aminobutíric (GABA), que és el neurotransmissor inhibitori per excel·lència. Aquest presenta efectes relaxants i anticonvulsius, i s’ha demostrat que els desordres en la seva biosíntesi estan relacionats amb l’ansietat, la depressió, l’epilèpsia i l’esquizofrènia. Per tant, sembla que els γ-aminoàcids, com a anàlegs del GABA que són, presenten una aplicació potencial com a fàrmacs. És per aquest motiu que el nostre grup de recerca està interessat en la preparació de molècules d’aquest tipus. Tanmateix, abans d’endinsar-nos en els aspectes sintètics, caldrà considerar els aspectes estructurals. Els aminoàcids i pèptids petits presenten una elevada flexibilitat conformacional, motiu pel qual poden interaccionar amb múltiples receptors. Per evitar aquesta problemàtica, cal introduir alguna restricció conformacional, de tal manera que es potenciï l’activitat biològica com a conseqüència d’unes majors estabilitat metabòlica i selectivitat. Un bon mètode per restringir les conformacions accessibles és la introducció d’un carbocicle tensionat. Mitjançant l’ús d’aquest element, es pot accedir a diverses estructures secundàries, la qual cosa ens permetria establir una relació estructura–activitat. Aquesta informació pot ser emprada en el disseny racional de pèptids com a fàrmacs. A l’hora de treballar amb molècules amb una activitat biològica potencial, no es pot obviar el fet que cada enantiò-

mer presenta una resposta diferent enfront d’un mateix receptor. És per aquest motiu que caldrà dur a terme una síntesi enantioselectiva. Tal com ja s’ha comentat anteriorment, el nostre grup de recerca posseeix una àmplia experiència en la síntesi i l’estudi estructural de γ-aminoàcids i γ-pèptids ciclobutànics quirals. En estudis previs, s’ha posat a punt una ruta sintètica en la qual, partint de (–)-verbenona com a precursor quiral, es preparava l’intermedi clau 2, a partir del qual es podia accedir a dos tipus d’aminoàcids (esquema 1). D’una banda, es van preparar aminoàcids en els quals l’anell ciclobutànic forma part de l’esquelet;1 l’acoblament peptídic d’aquests residus condueix a γ-pèptids policiclobutànics. D’altra banda, es podia accedir a γ-aminoàcis en els quals l’anell ciclobutànic forma part de la cadena lateral (esquema 1); si parem atenció a l’estructura ramificada d’aquestes molècules, podem pensar en la seva aplicació en la síntesi de dendrímers γ-peptídics. En el present treball, ens centrarem en aquest darrer tipus de molècules. Els dendrímers són molècules polimèriques formades per unitats monomèriques ramificades o dendrons que emanen radialment d’un cor central. Per tant, els dendrímers presenten tres regions diferenciades: el nucli (o cor), l’interior (o branques) i la perifèria (o grups terminals) (figura 2).2 El que fa més interessants aquestes molècules és la possibilitat de mo-

29 Esquema 1.


SCQ_10_04__ 02/10/12 19:02 Página 30

dular-ne i controlar-ne la mida, l’estructura, la solubilitat i les propietats químiques a través de la modificació d’alguna de les seves regions.

FIGURA 2. Morfologia d’un dendrímer.

Síntesi de γ-aminoàcids ciclobutànics3 Tradicionalment, en el nostre grup d’investigació, s’han usat terpens quirals com a producte de partida per a la síntesi de derivats ciclobutànics. En una primera etapa, té lloc el trencament oxidatiu del doble enllaç C-C de la (–)-verbenona, seguit de descarboxilació (esquema 2). La utilització de RuO4 com a oxidant

30 ESQUEMA 2.

condueix quantitativament a l’àcid (–)-cis pinonònic 2 sense que s’hi observi epimerització. A continuació, es procedeix a metilar l’àcid en condicions no epimeritzants. Seguidament, cal reduir selectivament el carbonil d’èster en presència del grup metilcetona. És per això que, primer de tot, s’ha de protegir el grup cetona en forma d’acetal. Un cop protegida la metilcetona, es procedeix a reduir l’èster a aldehid. El compost obtingut 3, que és poc estable, s’usa directament en la condensació de Wittig amb el (t-butoxicarbonilmetilen) trifenilfosforà per obtenir la barreja isomèrica de les olefines 4 amb un 86 % de rendiment global. Aquesta barreja no se separa, ja que, a l’etapa següent, ambdós isòmers convergeixen en el mateix compost. D’aquesta forma, les olefines se sotmeten a una addició conjugada de tipus Michael de nitrometà. Tal com es veu a l’esquema 3, la substitució gem-dimetil de l’anell ciclobutànic indueix una diastereoselectivitat facial total. Així, l’atac del nitrometà està afavorit per la cara re de l’olefina, tot obtenint com a únic producte el nitroadducte 5 òpticament pur i generant un nou centre estereogènic de configuració absoluta S, la qual es va assignar per anàlisi estructural mitjançant difracció de raigs X. El grup nitro- es redueix amb hidrogen molecular sota catàlisi de pal·ladi (l’hidrogen es genera in situ a través de la descomposició tèrmica del formiat amònic) i s’obté, amb un 96 % de rendiment, el γ-aminoàcid 6, que és un intermedi versàtil, atès que permet accedir tant a aminoàcids ciclobutànics com a pèptids amb nucli ciclobutànic. Així, si el grup amino- es protegeix com a carbamat de benzil usant el corresponent cloroformiat i NaHCO3 com a base, s’obté, amb un 70 % de rendiment, un γ-aminoàcid ortogonalment protegit (7).


SCQ_10_04__ 02/10/12 19:02 Página 31

ESQUEMA 3.

Tot seguit, es procedeix a modificar el «braç esquerre» del ciclobutà. Primer de tot, s’hidrolitza l’acetal d’etilenglicol alliberant el grup metilcetona amb un rendiment gairebé quantitatiu. A continuació, aquest se sotmet a una degradació de Lieben, de tal manera que s’obté el corresponent àcid carboxílic amb un rendiment del 97 %. Sense cap tipus de purificació, es destil·la diazometà sobre l’àcid per aïllar, després de les purificacions pertinents, el γ, ε-aminodiàcid ciclobutànic 8 ortogonalment protegit amb un 17 % de rendiment global des de la (-)-verbenona.

Síntesi de γ-pèptids amb nucli ciclobutànic4 Tal com s’ha comentat anteriorment, l’amina 6 és un intermedi versàtil que ens permet accedir tant a aminoàcids com a pèptids amb nucli ciclobutànic. Per preparar aquest darrer tipus de productes (esquema 4), l’amina 6 es fa reaccionar amb un residu de CbzN-GABA en condicions d’acoblament peptídic, per tal d’assolir el dipèptid híbrid ortogonalment pro-

ESQUEMA 4.

tegit 9. De forma anàloga a la síntesi de l’aminoàcid, es modifica el «braç esquerre» del ciclobutà i s’obté l’àcid carboxílic corresponent, que es fa reaccionar, en condicions d’acoblament peptídic, amb un residu de GABA-OMe i s’aïlla el tripèptid 10. A continuació, s’hidrolitza l’èster tert-butílic del tripèptid obtingut amb àcid trifluoroacètic usant Et3SiH com a catalitzador. Aquest àcid carboxílic es fa reaccionar amb un residu de GABA-OtBu, en condicions d’acoblament peptídic, per obtenir el tetrapèptid ramificat 11 ortogonalment protegit amb un 31 % de rendiment global des de la (–)-verbenona. Si parem atenció a l’estructura del tetrapèptid 11, veurem que aquest està format per dos tipus d’unitats. D’una banda, presenta un nucli ciclobutànic amb una elevada restricció conformacional. D’aquest pengen tres residus de GABA, que són unitats amb una gran llibertat conformacional. És per aquest motiu que ens va semblar interessant determinar si la molècula presentava una estructura secundària definida, promoguda per la formació d’enllaços d’hidrogen intramoleculars. Amb aquest objectiu, es va dur a terme un estudi estructural en solució per a la sèrie del dipèptid 9, tripèptid 10 i tetrapèptid 11 ortogonalment protegits. Diversos experiments de RMN ens van aportar indicis de l’existència d’enllaços d’hidrogen intramoleculars a tota la sèrie de pèptids ortogonalment protegits (figura 3). Així, podríem dir que l’anell ciclobutànic és un bon inductor d’estructures secundàries. Si a això sumem el fet que les molècules preparades són ramificades i que presenten una naturalesa multifuncional, podríem pensar en aquestes com a bones candidates per a la síntesi de dendrímers.

31


SCQ_10_04__ 02/10/12 19:02 Página 32

FIGURA 4. Representació esquemàtica de l’estratègia convergent.

FIGURA 3. Representació dels enllaços d’hidrogen intramoleculars presents a la sèrie de pèptids ortogonalment protegits.

FIGURA 5. Materials de partida emprats en la síntesi de dendrímers C3-simètrics.

Síntesi de dendrímers peptídics Els dendrímers són una nova varietat de polímers que es caracteritzen pel fet de presentar una estructura ramificada regular. Un tipus especial de dendrímers que ha creat moltes expectatives són aquells que contenen un eix de simetria C3. Recentment, ha aparegut un elevat nombre de referències a la literatura relacionades amb l’ús d’aquestes molècules com a agents de nucleació a polímers,5,6 com a additius per a vacunes o per al tractament del càncer,7–9 com a organocatalitzadors,10 com a organogeladors,11 com a hostes supramoleculars,10 etc. Tenint en compte això, ens vam plantejar la síntesi de 1,3,5-benzentriamides i triurees, ja que es poden preparar a partir de productes disponibles comercialment i existeix un gran nombre de referències a la bibliografia sobre les seves propietats i aplicacions.

32

L’estratègia sintètica per la qual vam optar va ser la convergent, que consisteix en la unió a un nucli d’uns monòmers preformats (figura 4). Com a conseqüència, s’obtenen productes amb un pes molecular monodispers que són més fàcils de purificar. En el nostre cas, vam usar, com a nucli, un anell benzènic 1,3,5-trifuncionalitzat, i com a monòmers, l’aminoàcid 8 i el tetrapèptid 11 prèviament sintetitzats (figura 5).

Abans d’endinsar-nos en la síntesi, va caldre explorar la reactivitat dels diferents nuclis aromàtics i posar a punt una metodologia sintètica. D’aquesta forma, vam poder determinar que, en el cas que el dendró presentés un grup amino-, podíem accedir a triamides C=O centrades, per reacció amb el clorur de trimesoïl, o a triurees, si aquests es feien reaccionar amb el corresponent triisocianat (figura 6). En canvi, si el dendró presentava un grup carboxil, només podíem accedir a triamides N-centrades, per reacció amb l’1,3,5-triaminobenzè (figura 6).

FIGURA 6. Representació del tipus de molècules a les quals es pot accedir partint de nuclis benzènics trifuncionalitzats.


SCQ_10_04__ 02/10/12 19:02 Página 33

Així, quan ja disposàvem d’una ruta sintètica adequada, vam preparar una família de dendrímers C3 simètrics de primera generació. Es van sintetitzar triamides N-centrades, triamides C=O centrades i triurees. Pel que fa als monòmers, es va usar tant el γ, ε-aminodiàcid ciclobutànic (8) com el tetrapèptid amb nucli ciclobutànic (11). Per tant, disposem d’una varietat suficient de productes per poder determinar quins són els efectes del grup connector nucli–monòmer, així com de la longitud de l’espaiador nucli–monòmer. És per aquest motiu que actualment s’està duent a terme un estudi estructural complet de la família de productes sintetitzats. Així mateix, es preveu estudiar la seva aplicabilitat en el camp dels organogeladors i dels nous materials.

Conclusions En el present treball s’ha descrit la síntesi enantioselectiva d’un γ, ε-aminodiàcid ciclobutànic i d’un tetrapèptid amb nucli ciclobutànic ortogonalment protegits (8 i 11). L’estudi estructural de 9, 10 i 11 ens ha permès determinar que l’anell ciclobutànic és un bon inductor d’estructures secundàries. Finalment, s’ha aprofitat aquesta capacitat de l’anell ciclobutànic, a més de la naturalesa ramificada i multifuncional de les molècules prèviament descrites, per preparar una família d’1,3,5-benzentriamides i triurees que actualment s’està estudiant en l’àmbit estructural. Cal destacar que ens trobem davant dels primers exemples de síntesi de dendrímers ciclobutànics quirals.

Referències [1] Rouge, P. D.; Moglioni, A. G.; Moltrasio, G. Y.; Ortuño, R. M. Tetrahedron: Asymmetry 2002, 14, 193. [2] Lee, C. C.; MacKay, J. A.; Fréchet, J. M.; Szoka, F. C. Nat. Biotechnol. 2005, 23, 12. [3] Aguilera, J.; Gutiérrez-Abad, R.; Mor, A.; Moglioni, A. G.; Moltrasio, G. Y.; Ortuño, R. M. Tetrahedron: Asymmetry 2008, 19, 2864. [4] Gutiérrez-Abad, R.; Illa, O.; Ortuño, R. M. Organic Letters 2010, 12, 3148. [5] Mohmeyer, N. (et al.). Polymer 2007, 48, 1612. [6] Blomenhofer, M. (et al.). Macromolecules 2005, 38, 3688. [7] Wieckowski, S. (et al.). Biochemistry 2007, 46, 3482. [8] Trouche, N. (et al.). J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 13480. [9] Kornbluth, R. S. (et al.). Journal of Leukocyte Biology 2006, 80, 1084. [10] Pintér, A. (et al.). Eur. J. Org. Chem. 2008, 2375. [11] a) Ito, H.. Yamanaka, H.; Tateiwa, J.-I.; Hosomi, A. Tetrahedron Lett. 2000, 41, 6821. b) Takahashi, K.; Ishiyama, T.; Miyaura, N. Chem. Lett. 2000, 29, 982. [12] Loos, M. (et al.). Tetrahedron 2007, 63, 7285.

33


SCQ_10_04__ 02/10/12 19:02 Página 34

Raquel Gutiérrez va néixer a Tarragona l’any 1985. El juliol de 2007, va obtenir la llicenciatura en química per la UAB. Llavors va iniciar, a la mateixa Universitat, els seus estudis de doctorat, sota la tutela de la professora Rosa Maria Ortuño i la doctora Ona Illa. La seva tesi, que actualment es troba en curs, està centrada en la síntesi i l’estudi de gamma-pèptids ciclobutànics. Ona Illa va néixer a Barcelona l’any 1978. Va obtenir la llicenciatura en química l’any 2000 per la UAB. Llavors va iniciar, a la mateixa Universitat, els seus estudis de doctorat, sota la tutela dels professors Rosa Maria Ortuño i Vicenç Branchadell, tot treballant en la síntesi de fosfino(silil)carbens i diazocompostos i en la seva reactivitat enfront de compostos carbonílics i olefines. L’any 2006, va dur a terme una estada postdoctoral durant sis mesos al grup del professor Antoine Baceiredo, a Tolosa (França), on va treballar amb bisilurs de sofre i fòsfor. Al juny del mateix any, va començar una estada de dos anys al grup del professor Varinder Aggarwal, a Bristol (Regne Unit), on va treballar en la síntesi i aplicacions de nous sulfurs quirals. Actualment, és professora lectora al Departament de Química de la UAB. Rosa Maria Ortuño va néixer a Barcelona l’any 1951. Va estudiar química a la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), tot obtenint el grau de doctora l’any 1977. La seva tesi, dirigida pel professor Fèlix Serratosa, es va centrar en l’estudi de la síntesi de l’alcohol de patxulí. Després, es va traslladar a París, on va fer una estada postdoctoral al grup de la professora Jacqueline Ficini, a la Université Pierre et Marie Curie, tot treballant en la síntesi d’alcaloides relacionats amb la yohimbina i la reserpina. Seguidament, es va reincorporar a la UAB, tot esdevenint professora titular l’any 1984 i catedràtica de química orgànica, el 1993. Els seus interessos científics són amplis i les línies de recerca en què treballa van des del disseny i síntesi de noves biomolècules i el seu estudi estructural amb l’objectiu de trobar candidats com a fàrmacs o nous biomaterials fins al desenvolupament de noves metodologies sintètiques i la investigació dels mecanismes de reacció. Dirigeix el grup de Síntesi, Estructura i Reactivitat Químiques al Departament de Química de la UAB, on, des de l’any 2009, coordina els estudis de màster i doctorat.

34


SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 35

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 35-47 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

DOI: 10.2436/20.2003.01.27

ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Resolució multivariant en química: a la recerca de la bella simplicitat de la mesura Multivariate resolution in chemistry: seeking the beautiful simplicity of the measurement Anna de Juan,1,* Joaquim Jaumot,1 Raimundo Gargallo1 i Romà Tauler2 1Universitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament de Química Analítica. Grup de Quimiometria 2IDAEA-CSIC, Barcelona

Al Dr. Casassas, agraint el mestratge científic i els bons consells Resum. En quimiometria, existeix una família de mètodes, coneguts sota la denominació comuna de resolució multivariant, que permeten descriure fenòmens molt complexos i diversos a partir de la combinació de poques contribucions bàsiques fàcilment interpretables. La versatilitat i simplicitat dels models de resolució multivariant han fet que s’hagin aplicat amb èxit en el modelatge de processos d’origen químic i bioquímic i en la interpretació de dades -òmiques i ambientals. Paraules clau: Quimiometria, resolució multivariant, MCR-ALS.

Abstract. There is a family of chemometric methods, called multivariate resolution methods, which allows the description of very diverse and complex phenomena through the combination of a small number of basic and easily interpretable contributions. The versatility and simplicity of the multivariate resolution models explains their successful application in modeling chemical and biochemical processes and in the interpretation of –omic and environmental data. Keywords: Chemometrics, multivariate resolution, MCR-ALS.

Introducció n l’art, els infinits matisos melòdics, de llums i de colors que percebem en una obra acabada són el resultat del mestratge de l’artista a l’hora de combinar un nombre molt petit de notes musicals o de pigments. La bellesa que deriva d’aquesta aparent complexitat no és res més que el resultat de les mescles sorgides de la inspiració de l’artista i d’uns elements bàsics extremament senzills.

E

En la ciència, com en l’art, la mesura obtinguda sembla cada cop més difícil d’interpretar, però la complexitat que suggereix l’observació directa és sovint aparent i també pot ser descrita per uns models bàsics altament simples i, per què no dirho, bells, ja que ens condueixen al coneixement científic de manera clara i precisa. La quimiometria sorgeix com a disciplina que posa les eines estadístiques i matemàtiques al servei de la interpretació de la mesura química.1,2 No és, doncs, una branca teòrica aliena Correspondència: Anna de Juan. Universitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament de Química Analítica. Grup de Quimiometria C. de Martí i Franquès, 1-11. 08028 Barcelona Tel.: +34 934 039 778. Fax: +34 934 021 233 A. e.: anna.dejuan@ub.edu

al coneixement químic, sinó que pren el problema químic com a punt de referència i desenvolupa i adapta mètodes d’anàlisi de dades potents i rigorosos a les característiques específiques de la naturalesa del problema en estudi i del tipus de mesura que s’utilitza per a la seva investigació. Independentment del tipus de recerca que es dugui a terme, en quimiometria sempre regna el principi de parsimònia, l’esperit del qual fou introduït pel filòsof Guillem d’Occam,3 que estableix que el millor mètode o model és sempre l’alternativa més simple que permet explicar el fenomen objecte d’estudi.4 Els mètodes de resolució multivariant són un dels millors paradigmes del principi de parsimònia. Són matemàticament molt simples, donen models petits de mida, fan ús del comportament natural de la mesura química i proporcionen resultats directes amb sentit químic.5 Per fer-ne una ràpida descripció, tan sols cal dir que proporcionen models lineals i additius que descriuen l’evolució/variació d’un sistema (químic, biològic o ambiental) com la suma sospesada d’un nombre petit de contribucions bàsiques o components. La manera en què es produeix la transició des de la informació de les dades originals fins al model de contribucions bàsiques i la variació de la definició de component per adaptar els mètodes de resolució a l’estudi de problemàtiques extremament diverses són els temes que seran desenvolupats a les seccions següents.

35


SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 36

Fonaments dels mètodes de resolució multivariant. La recuperació del model de la mesura La millor manera d’explicar el funcionament dels mètodes de resolució multivariant és triar un exemple químic que s’hi adapti perfectament, com ara les dades espectroscòpiques. La mesura espectroscòpica segueix la llei de LambertBeer, que és formalment idèntica al model bàsic dels mètodes de resolució multivariant. Tal com ja s’ha indicat anteriorment, aquests mètodes s’orienten a descriure l’evolució d’un sistema químic seguit mitjançant una mesura multivariant. Tal sistema podria ser un procés seguit espectroscòpicament, tot considerant el terme procés en un sentit ampli, que inclouria des d’una reacció química fins a una elució cromatogràfica o qualsevol canvi fisicoquímic que es

36

reflectís mitjançant una variació del senyal espectroscòpic adquirit. La informació procedent d’un procés seguit espectroscòpicament es pot organitzar en una matriu (taula) de dades, D, en la qual les files són els espectres recollits a cada estadi del procés (valor de pH, temps d’elució, etc.) (figura 1). Si pensem en la naturalesa de la mesura espectroscòpica, la taula de mesures originals pot ser descrita com la suma del senyal proporcionat pels components purs del procés (espècies químiques, compostos eluïts, etc.) (figura 1a). El senyal pur d’un component pot ser expressat a partir de la forma del seu espectre pur (siT), sospesada en cada estadi del procés pel valor de concentració o d’abundància que li correspon (ci). En termes matemàtics, això vol dir que la informació de la taula completa del senyal d’un component pur pot ser expressada mitjançant una díada de vectors (cisiT) (figura 1b). El model global de la mesura del procés es pot expressar d’una manera més compacta agrupant la

FIGURA 1. Taula de dades d’un procés seguit espectroscòpicament expressada com a: a) suma de les taules de senyals purs dels components del procés; b) suma de les díades cisiT de cada component del procés, i c) model bilineal CST.


SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 37

suma de les díades de tots els components purs com a producte de dues matrius (ST i C) que contenen els espectres purs dels components del procés i els seus perfils de concentració associats, respectivament. L’expressió final D = CST és la forma matricial de la llei de Lambert-Beer i també el model bilineal bàsic dels mètodes de resolució multivariant (en dades experimentals, cal afegir una matriu E a aquesta equació, que reflecteix l’error experimental present a les dades).5–7 Cal notar, en aquest punt, dos aspectes particularment rellevants. Primer: que la informació de partida de la matriu D, que pot constar de centenars o milers de files i columnes que contenen un senyal en el qual totes les contribucions del procés es troben barrejades, és perfectament descrita per un model de dimensions petites, ja que ST i C tenen tantes files i columnes, respectivament, com components purs participen en el procés. Segon: que els perfils d’aquestes matrius (espectres purs i perfils de concentració) atorguen una informació química sobre el procés directament interpretable. Si bé la mesura espectroscòpica té un model subjacent extremament senzill i interpretable, calen eines per poder obtenirlo a partir de la mesura original. Aquestes eines són els mètodes de resolució multivariant, que treballen amb la informació de partida mancada de selectivitat, D, per proporcionar el model bilineal i interpretable que la descriu, CST. Existeixen molts algorismes de resolució multivariant, però ens centrarem en la descripció d’un dels més simples i potents: el mètode de resolució de corbes per mínims quadrats alternats (multivariate curve resolution-alternating least squares, MCR-ALS).8–11 Aquest mètode iteratiu consta de les etapes següents: 1) Determinació del nombre de components per a la descripció de la variació de la matriu de dades originals. Es pot saber a priori o pot ser obtingut amb altres mètodes quimiomètrics, com ara l’anàlisi de components principals (PCA).12 2) Generació d’una estimació inicial de la matriu C o ST. Es pot fer a partir del coneixement químic del sistema o amb mètodes quimiomètrics, com ara l’anàlisi de factors emergents (EFA)13 o els algorismes de selecció de variables pures, com ara SIMPLISMA.14 3) Càlcul de la matriu C i de la matriu ST a partir de la matriu D i de la matriu complementària del model bilineal, procedent de l’estimació inicial o del càlcul de la iteració anterior, per mínims quadrats sota restriccions.

4) Comprovació de la correcta reproducció de la matriu inicial D a partir del model bilineal calculat, CST, segons uns criteris de convergència. Si no s’assoleix el criteri proposat, es retorna a l’etapa 3. De fet, el pas 3 és l’etapa essencial de l’algorisme, i ho és en tant que la informació química que es posseeix sobre el sistema i sobre les propietats dels perfils de concentració i de resposta pot ser introduïda en l’optimització iterativa sota la forma de restriccions. Una restricció és qualsevol propietat química o matemàtica que compleixi sistemàticament els perfils del model bilineal.8,9,15 L’aplicació de les restriccions als perfils de les matrius C i ST els atorga sentit químic. Com a restriccions més habituals, es poden esmentar les següents: – No-negativitat: força els perfils a tenir elements iguals o majors que zero. Això és aplicable a valors de concentració i a molts senyals espectroscòpics, com ara l’espectroscòpia d’absorció UV-visible o la fluorescència. – Unimodalitat: permet la presència d’un únic màxim per perfil. Útil en perfils de concentració o senyals en forma de pic (per exemple, pics cromatogràfics o alguns senyals electroquímics) i en perfils de concentració de processos en els quals els components apareixen i desapareixen de manera seqüencial. – Sistema tancat: és l’expressió del balanç de massa en sistemes en reacció. – Selectivitat: força l’absència de tots els components menys el selectiu en algunes finestres de perfils de concentració o de respostes. Hi ha altres restriccions que fan referència a l’estructura matemàtica de les dades o a la incorporació d’un model fisicoquímic explícit per modelar els perfils de concentració, però no es descriuran, atesa la seva complexitat i el fet que es poden trobar a les referències adjuntes.9,16–18 Algunes característiques importants de les restriccions són que la seva aplicació és opcional i flexible (C i ST es poden restringir de manera diferent, de la mateixa manera que cadascun dels seus perfils) i que se’n pot controlar la tolerància en el compliment estricte de les condicions que les defineixen. La versatilitat en l’aplicació de les restriccions fa que l’algorisme MCR-ALS s’adapti de manera específica a l’estudi d’un gran nombre de problemes químics i que en respecti la diversitat.

37


SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 38

La resolució multivariant en l’anàlisi de dades espectroscòpiques. L’aplicació natural del mètode Vista l’explicació de la secció anterior, no és estrany que la interpretació de processos seguits espectroscòpicament hagi estat històricament l’àrea natural d’aplicació dels mètodes de resolució multivariant. En aquest cas, el model de la mesura instrumental i el model bilineal són idèntics i hi ha una associació directa entre el concepte component del model (contribució) i el concepte component químic (entès com a ‘compost, espècie química, forma fisicoquímica o estereoquímica que du associat un espectre pur clarament definit’). Malgrat la claredat entre l’associació dels models espectroscòpics i bilineals de resolució, la interpretació de processos no és un problema senzill, particularment quan estan associats a sistemes químics o biològics de gran complexitat, com ara les macromolècules de DNA o les proteïnes.19–22 Per tal de com-

prendre un procés biològic o un procés complex en general, sovint no és suficient la realització d’un únic experiment, sinó que cal utilitzar experiments que es realitzin en condicions experimentals diferents i també cal seguir l’evolució del procés amb espectroscòpies diverses, que permetin detectar esdeveniments químics que es produeixen a diferents nivells estructurals o moleculars. La comprensió total del procés s’assoleix quan totes aquestes dades s’interpreten de manera conjunta. Si bé els fonaments dels mètodes de resolució multivariant s’han explicat prenent com a referència l’anàlisi d’una única taula de dades, el model bilineal bàsic utilitzat en resolució s’estén a estructures de dades formades per l’acoblament de diverses matrius. Són el que s’anomena estructures multiconjunt (multiset). Aquestes estructures es poden configurar de maneres molt diverses (figura 2). Així, es poden acoblar matrius de dades en la direcció de les files (row-wise augmented matrix), que provinguin del seguiment del mateix procés amb tècniques espectroscòpiques diferents, o bé en la direcció de les columnes (column-wise augmented matrix), que siguin el

FIGURA 2. Tipus d’estructures de dades multiconjunt i models bilineals associats: a) matriu augmentada en la direcció de les files (row-wise augmented data matrix); b) matriu

38

augmentada en la direcció de les columnes (column-wise augmented data matrix), i c) matriu augmentada en la direcció de les files i de les columnes (row-wise and column-wise augmented data matrix).


SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 39

resultat de realitzar experiments replicats o en condicions diferents sobre el mateix sistema utilitzant la mateixa tècnica espectroscòpica. També es pot realitzar el doble acoblament en la direcció de les files i de les columnes (row-wise and column-wise augmented matrix). L’ús d’aquests acoblaments proporciona resultats extremament robustos i permet la interpretació global i exhaustiva de l’evolució del procés i de les característiques estructurals dels components que hi participen.9,10 A tall d’exemple de l’aplicació de la resolució multivariant a estructures multiconjunt procedents del seguiment d’un procés biològic, presentem el cas de l’estudi de les transicions de la proteïna hemoglobina induïdes per la variació del pH.23 En aquest cas, s’han utilitzat cinc tècniques espectroscòpiques per tal de veure quines són les transformacions que pateix la proteïna en els diferents nivells estructurals i en la co-

ordinació del seu grup hemo-. Les tècniques han estat el dicroisme circular (DC) a la regió de l’UV llunyà, sensible a les variacions en l’estructura secundària de la proteïna (formació d’hèlix, fulles beta, etc.); el DC a la regió de l’UV proper i la fluorescència, sensible a canvis en l’estructura terciària (formació de l’estructura globular); el DC a la regió Soret, que percep canvis associats a la coordinació del grup hemo-, i l’espectroscòpia d’absorció UV-visible, que aprecia els canvis anteriors de manera global. S’ha recollit per a cadascuna de les tècniques una sèrie d’espectres mesurats en cadascun dels valors de pH del procés (figura 3a). Les cinc matrius de dades procedents d’aquestes tècniques es poden agrupar per donar una estructura multiconjunt multitècnica, com la presentada a la figura 2a. És important esmentar que, en aplicar restriccions a estructures multiconjunt, també es poden fer diferències entre les condicions

FIGURA 3. Transicions conformacionals de l’hemoglobina amb el pH: a) dades espectroscòpiques recollides durant el procés, i b) perfils de concentració i espectres resolts de les conformacions proteiques involucrades en el procés.

39


SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 40

aplicades a les diferents submatrius (en aquest cas, a les submatrius Si que formen la matriu augmentada ST).9,10 Així, en aquest cas particular, mentre que els espectres purs de les submatrius de fluorescència i absorció molecular seran sotmesos a la no-negativitat, les submatrius de dicroisme circular no seran sotmeses a aquesta restricció, ja que els valors d’el·lipticitat negatius són possibles en aquest tipus de tècnica. Pel que fa a l’única matriu de concentracions, s’han aplicat restriccions de no-negativitat, unimodalitat i sistema tancat per modelar les transicions del sistema. Cal insistir en la gran robustesa de la descripció de l’evolució del procés proporcionada per l’única matriu C, ja que els perfils obtinguts són vàlids per descriure la variació de totes les tècniques espectroscòpiques emprades i no pateixen del soroll experimental o de variacions poc definides o inexistents en alguna de les tècniques instrumentals utilitzades.

40

La figura 3b mostra els resultats de la resolució associada a aquest procés. S’hi observen quatre contribucions, la naturalesa de les quals podrà ser elucidada a partir de la informació que fa referència als valors de pH als quals les transicions entre components tenen lloc i a les característiques espectrals que s’observen en els seus espectres purs associats. Així, la transició a pH 4 suggereix la desnaturalització de la proteïna (és a dir, una pèrdua de les estructures secundària, terciària i del grup hemo-). Aquesta hipòtesi es corrobora en estudiar l’espectre pur de les dues conformacions involucrades en la transició, que passen de tenir una gran estructura en totes les regions de DC en la forma nativa de la proteïna (abundant a valors de pH entre 4 i 8) a mostrar senyals molt menys intensos o inexistents, típics de la conformació desnaturalitzada (més abundant a valors de pH inferiors a 4). També s’identifica clarament la transició que té lloc a un pH al voltant de 8, que reflecteix el pas de l’hemoglobina a l’oxihemoglobina. En aquest cas, l’espectre pur associat a l’oxihemoglobina presenta clars signes de la identitat d’aquesta estructura, com ara un desplaçament cap al roig a la banda de la regió Soret i l’aparició de petites bandes entre la zona de 500 i 600 nm en l’espectroscòpia d’absorció molecular.24 A més, els espectres resolts també indiquen que aquest canvi en la coordinació no afecta l’estructura secundària de la proteïna (espectres purs idèntics a la zona de l’UV llunyà de CD), però sí que té un efecte en l’estructura globular terciària de la proteïna. L’altra transició a valors de pH més àcids s’efectua entre formes desnaturalitzades de la proteïna.

És important el fet de notar que tota aquesta informació s’hauria obtingut de manera parcial i menys ben definida si s’haguessin estudiat aquestes tècniques separadament. Així, doncs, certs esdeveniments, com ara la coordinació del grup hemo-, no afecten tots els nivells estructurals de la proteïna i, per tant, no serien detectats amb algunes de les tècniques. I tampoc no seria possible la detecció i el modelatge d’espècies que no presentessin senyal en certes regions (com ara la conformació desnaturalitzada a la regió Soret). Per tant, sempre que sigui possible, cal treure partit de la potència de l’anàlisi d’estructures multiconjunt en la interpretació de processos, ja que sempre proporcionarà una visió global igual o millor que la proporcionada per l’anàlisi individual de les taules de dades i, en qualsevol cas, sempre serà més fiable i robusta. En l’exemple presentat, la complexitat prové del procés químic estudiat. Hi ha, però, altres casos de dades espectroscòpiques en els quals l’aparent dificultat procedeix de la naturalesa intrínseca de la mesura instrumental: aquest és el cas de les imatges hiperespectrals. La imatge hiperespectral d’una mostra química està formada per milers d’espectres recollits en diferents punts de la superfície de la mostra i anomenats píxels.25 L’interès de les imatges hiperespectrals rau en l’obtenció simultània d’informació estructural i espacial sobre els components de la mostra. La informació estructural es dedueix de la forma global dels espectres o de la interpretació de les seves bandes espectrals, mentre que la informació de distribució espacial, que és la característica diferencial d’una imatge, prové del fet que cadascun dels espectres recollits s’associa a una posició espacial concreta de la mostra. Per tant, la variació espectral entre els píxels de la nostra imatge no és res més que el reflex de la variabilitat de la distribució espacial dels components a la mostra analitzada.25,26 Les imatges hiperespectrals poden ser visualitzades d’una manera molt clara com un cub de dades, en el qual dues de les dimensions s’associen a les coordenades espacials dels píxels, mentre que la tercera és la dimensió espectral (figura 4a). Si aquest cub es desplega, s’obté una taula de dades espectroscòpiques, en la qual els espectres dels píxels estan l’un sota l’altre i s’hi poden aplicar els mètodes de resolució multivariant, tal com hem vist a l’exemple anterior del procés. Els resultats de la resolució multivariant proporcionen de manera directa els espectres purs dels constituents de la imatge (matriu ST) i, per tal de recuperar la informació relativa a la seva distribució espacial, tan sols cal replegar cadascun dels perfils


SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 41

de concentració (matriu C) segons l’estructura espacial original de la imatge (figura 4a).27 A tall d’exemple, es mostren els resultats de la resolució d’una imatge hiperespectral Raman procedent d’un càlcul urinari (figura 4b).25 En ella s’observen els mapes de distribució dels tres components del càlcul, identificats com a whewellita, whedellita i dahlita, gràcies a la bona correspondència entre la forma dels espectres resolts (en negre) i els espectres de referència procedents d’una biblioteca d’espectres Raman associada a compostos freqüents en càlculs urinaris (en vermell).28 L’exemple presentat mostra que les mesures espectroscòpiques d’estructura aparentment complexa, com ara les imatges hiperespectrals i d’altres que es visualitzen de forma tridimensional, com ara les procedents de cromatografies bidimensionals amb detecció espectroscòpica29 o de dades

espectroscòpiques 2D,30 també poden ser analitzades amb mètodes de resolució multivariant amb uns òptims resultats.

La resolució multivariant en dades ambientals i –òmiques. L’adaptació del concepte de component L’adequació dels mètodes de resolució multivariant a les mesures espectroscòpiques no presenta cap dubte, ja que ambdós comparteixen el mateix model bilineal subjacent. Ara bé, és encara lícita o útil la resolució multivariant per a l’estudi d’altres taules de dades en les quals el model bàsic és desconegut o inexistent? Cal acollir-se de nou al principi de parsi-

FIGURA 4. a) Resolució multivariant aplicada a l’anàlisi d’imatges hiperespectrals, i b) mapes de distribució i espectres resolts obtinguts a partir de la imatge hiperespectral Raman d’un càlcul urinari.

41


SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 42

mònia i respondre que, a falta d’un model explícit de comportament, el fet de provar de trobar pautes o relacions entre mostres o variables a partir del model més simple, és a dir, el bilineal, sembla la primera opció que cal assajar. En fer aquesta tria, caldrà afrontar nous aspectes, com ara la reformulació del concepte component, del significat científic de les contribucions bàsiques del model bilineal. En aquest sentit, les dades -òmiques i les dades ambientals s’han revelat com a camps en els quals la resolució multivariant proporciona resultats sorprenentment útils i interpretables. Un dels exemples més emblemàtics i pioners de dades -òmiques són les mesures procedents de micromatrius de DNA (DNA microarrays).31 Aquestes micromatrius són plaques que contenen centenars o milers de pouets, cadascun dels quals s’utilitza per estudiar l’expressió d’un gen determinat en hi-

42

bridar-se a una seqüència d’una línia cel·lular d’interès, que pot correspondre a una patologia o a una condició vital concreta. Es pot visualitzar una micromatriu de DNA com una taula d’experiments, en la qual les files designen les línies cel·lulars objecte d’estudi i les columnes, els gens dels quals es vol estudiar la resposta en aquelles línies cel·lulars. Sense entrar en detall en la tecnologia de les micromatrius de DNA, només cal dir que el comportament d’un gen davant d’una certa línia cel·lular pot ser de tres tipus: normal, la qual cosa vol dir que interacciona de la mateixa manera amb la línia cel·lular en estudi que amb una línia cel·lular de control, en la qual la patologia o condició en estudi és absent; sobreexpressat, quan el gen interacciona de manera clarament preferent amb la línia cel·lular d’interès, o infraexpressat, quan la interacció preferent es dóna amb la línia cel·lular de control. Els gens d’interès sempre seran aquells que es trobin sobreex-

FIGURA 5. Resultats de la resolució multivariant procedents de l’anàlisi d’una micromatriu de DNA: a) signatures gèniques resoltes i diagrames de caixa relacionats, i b) perfils mostrals relatius a les signatures gèniques bàsiques. Els tipus diferents de línies cel·lulars tumorals es diferencien pel color.


SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 43

pressats o infraexpressats davant d’una certa línia cel·lular, ja que són els que presenten un comportament clarament diferenciat de la resta en presència de la patologia o condició d’interès. Des del punt de vista de la mesura, els resultats numèrics d’un experiment de micromatrius de DNA mantenen l’estructura de la taula d’experiments. Cada experiment proporciona un únic valor numèric: un valor d’expressió gènica, que és gran i positiu, si el gen està sobreexpressat; gran i negatiu, quan està infraexpressat, i proper a zero, quan presenta un comportament normal. Per tant, la taula de dades (matriu) procedent d’una micromatriu de DNA té tantes files com línies cel·lulars i tantes columnes com gens assajats. Cada fila d’aquesta taula conté el perfil d’expressió gènica d’una línia cel·lular particular, és a dir, la resposta multivariant formada per l’expressió gènica de tots els gens assajats. Arribats a aquest punt, cal pensar quina mena d’informació trobaríem en aplicar mètodes de resolució multivariant a aquest tipus de mesures, què significarien les contribucions bàsiques obtingudes i quin sentit biològic tindrien les matrius del model bilineal. La hipòtesi a considerar és que, de la mateixa manera que la combinació d’un nombre petit d’espectres purs pot descriure tota la variabilitat de formes espectrals que es mesuren durant un procés, potser pot existir un nombre limitat de signatures gèniques bàsiques que, combinades adequadament, puguin reproduir el perfil d’expressió gènica de qualsevol línia cel·lular de la micromatriu en estudi. Aquestes signatures bàsiques mostrarien, com a informació d’interès, grups de gens que sistemàticament apareixen sobreexpressats i infraexpressats de manera simultània. En aquest context, per fer més entenedor el model bilineal, podríem utilitzar la notació D = SGT, on GT seria la matriu que conté els perfils de les signatures gèniques bàsiques de la micromatriu i S estaria formada pels perfils mostrals (sample profiles) relacionats. Cada perfil mostral inclouria l’abundància (importància) d’una determinada signatura gènica bàsica per reproduir l’expressió gènica de les diferents línies cel·lulars. En observar els perfils mostrals, es podria veure si certes patologies estan lligades de manera dominant a una signatura gènica en particular o si la combinació de signatures per a la seva descripció és més inespecífica.32,33 Per a una millor comprensió de la teoria, es descriu a continuació l’exemple de l’estudi d’una micromatriu de DNA formada per seixanta línies de cèl·lules canceroses associades a dife-

rents tipus de tumors, sobre les quals s’han assajat mil quatrecents setze gens.32 Es tracta del conjunt de dades NCI60, posat a lliure disposició científica pel grup de Ross i els seus col·laboradors.34 En utilitzar el mètode de resolució, les úniques restriccions aplicades han estat la no-negativitat per definir els perfils mostrals (les contribucions de les signatures gèniques bàsiques han de ser positives) i una condició de normalització per a les signatures gèniques bàsiques obtingudes, que s’adapta a la naturalesa de la mesura instrumental utilitzada. Les dades van poder ser descrites amb set contribucions, set signatures gèniques. Tal com es veu a la figura 5a, les signatures gèniques no donen una informació directa interpretable. A partir dels seus valors, es construeixen diagrames de caixa, però són els valors extrems superiors i inferiors, que assenyalen els gens sobreexpressats o infraexpressats, respectivament, els que són objecte d’estudi posterior. La naturalesa d’aquests gens es compara amb bases de dades d’informació gènica ontològica per confirmar associacions gèniques de les que s’hagi pogut tenir constància amb anterioritat, o bé serveixen de punt de partida per a la descoberta de noves associacions gèniques. Per a més detalls sobre la informació gènica de les contribucions trobades pels mètodes de resolució en aquest exemple, adrecem el lector a la referència.32 Són de més fàcil interpretació els perfils mostrals resolts, presentats a la figura 5b, on les línies cel·lulars dels diferents tipus de tumor es marquen amb un codi de color. En aquest cas, es veu clarament que certes signatures gèniques bàsiques s’associen d’una manera molt dominant a certs tipus de tumor (com ara la signatura g, al carcinoma de colon; la f, a la leucèmia; la e, a tumors del sistema nerviós central, o les a i b, al melanoma i al càncer de mama). D’altres són més inespecífiques i es podrien associar a signatures gèniques pròpies de qualsevol procés cancerós o de qualsevol estat cel·lular. En el context de les dades –òmiques i, en concret, de les genòmiques, cal insistir en la utilitat dels mètodes de resolució com una eina exploratòria de relacions gen–gen i gen–línia cel·lular molt potent, per a la qual no cal establir hipòtesis prèvies de tipus biològic. Els resultats obtinguts poden ser validats amb altres fonts d’informació independents o poden proporcionar noves vies d’investigació no considerades. L’estudi, el control i la vigilància ambientals són també un camp en el qual es generen quantitats ingents de dades que cal tractar i interpretar adequadament i per a les quals calen

43


SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 44

FIGURA 6. Resultats de la resolució multivariant aplicada a l’estudi de la contaminació del delta de l’Ebre: a) perfils composicionals; b) perfils geograficotemporals de les fonts de contaminació, i c) representació de les pautes de contaminació geogràfiques amb la incorporació dels resultats de la resolució multivariant en un sistema d’informació geogràfica (GIS).

44

eines potents d’anàlisi de la informació.35 És molt freqüent el fet de trobar-se amb mesures que es poden organitzar d’una manera bastant natural com a taules de dades de naturalesa diversa. Així, podem pensar en taules on les files designin punts geogràfics o de mostratge i les columnes, concentracions o continguts de compostos o de contaminants, o bé en taules on les direccions siguin de naturalesa temporal (mesos, anys, estacions, etc.)36,37 o bé designin compartiments de l’ecosistema (aigua, sediments, plantes, éssers vius, etc.).17,38 Així, es pot intuir que les combinacions d’informació poden ser molt diverses i, pel mateix motiu, que la presència d’estructures multiconjunt en aquest tipus d’estudi és també molt freqüent (per exemple, un agrupament de taules de dades geograficocomposicionals, cadascuna de les quals adquirida en una època de l’any diferent, o bé un conjunt de taules que fan referència als mateixos punts de mostratge, però que con-

tenen informació diversa: concentració de contaminants, paràmetres fisicoquímics, etc.).38,39 També en aquest cas, com en el dels estudis de dades -òmiques, la reformulació del concepte component és important. En aquest cas, però, es pot resoldre d’una manera senzilla gràcies al suport de la definició de component ambiental proposada pels especialistes del camp. En efecte, els models de receptor que existeixen des de fa dècades en l’àrea del medi ambient postulen que les mesures globals de concentracions de contaminants o d’altres compostos que es troben en el medi ambient es poden descriure com el resultat de l’aportació de diferents fonts ambientals.40,41 Aquestes fonts tenen una composició definida i se’ls poden associar pautes de variació geograficotemporals concretes. Així, doncs, en el context de les dades ambientals, un component és una font am-


SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 45

biental i l’escenari mediambiental que representen una o més taules de dades pot ser descrit com la suma de les aportacions d’un nombre petit d’aquestes fonts. En una taula ambiental típica, on les files poden ser punts de mostratge i les columnes, concentracions de contaminants, el model bilineal de resolució D = CST es reinterpreta dient que la matriu ST conté els perfils composicionals de les fonts mediambientals (és a dir, la representació de la proporció relativa dels diferents compostos que la componen) i que la matriu C conté els perfils geogràfics relacionats, que marquen l’aportació de cada font en funció del punt geogràfic objecte d’estudi. La matriu C pot marcar pautes geogràfiques de variació d’una font, però també pautes temporals o pautes de variació entre compartiments d’un ecosistema; tot dependrà de la definició de les files de la taula de dades que s’estudiï. Com a exemple que il·lustra les particularitats de les dades ambientals i el resultat proporcionat pels mètodes de resolució, es presenta un estudi sobre la contaminació del delta de l’Ebre.39 Per tal d’entendre aquest fenomen mediambiental i les característiques composicionals, geogràfiques i temporals de les fonts de contaminació d’aquesta àrea, es van efectuar mesures de la concentració de quinze pesticides en onze punts geogràfics del delta, que incloïen zones més properes al llit fluvial, canals de drenatge i d’irrigació dels arrossars i zones de la desembocadura més properes al mar. La determinació de la concentració dels pesticides es va dur a terme un cop al mes, durant els mesos de maig a agost de 2006. Totes aquestes observacions van donar lloc a quatre taules de dades geograficocomposicionals, cadascuna d’elles relativa a un dels mesos en els quals es van realitzar la presa de mostra i les determinacions analítiques corresponents. Aquestes taules de dades van ser organitzades com una estructura multiconjunt, del tipus presentat a la figura 2b, en la qual la direcció comuna de les columnes la formen els quinze pesticides determinats i les quatre taules de dades dels diferents mesos, amb els onze punts geogràfics mostrejats, es disposen l’una sota l’altra. En la resolució d’aquesta estructura multiconjunt es va aplicar la restricció de no-negativitat a tots els perfils (les aportacions de les fonts de contaminació mai no poden ser negatives) i es va forçar que la pauta de variació geogràfica d’algunes fonts fos idèntica als quatre mesos assajats (restricció de trilinealitat parcial).9,39 En aquest cas, el fenomen de contaminació del delta va poder ser descrit mitjançant tres fonts de contaminació, de les quals es van obtenir els perfils de composició, geogràfics i temporals.

La figura 6a mostra els perfils composicionals de les fonts. La primera s’interpreta com una contribució de fons del riu, ja que conté en major proporció pesticides que són d’ús generalitzat en agricultura; la segona s’associa d’una manera molt directa al conreu de l’arròs, ja que els pesticides dominants són específics per a aquest tipus de cultiu, i la tercera es creu més lligada a certes pràctiques de reg dels arrossars. La figura 6b presenta els perfils geograficotemporals de cadascuna d’aquestes fonts; les línies verticals puntejades a cada gràfic separen la informació recollida al llarg dels diferents mesos. Atès que les dues primeres fonts (contribució de fons del riu i conreu de l’arròs) són sempre presents en els mesos estudiats, es van forçar els seus perfils a tenir la mateixa forma en cadascun dels mesos, la qual cosa va donar resultats satisfactoris i interpretables. Per al cas de la contribució de fons del riu, s’aprecia una major abundància en els punts més alts del curs del riu (els punts geogràfics, a les taules de dades, estan ordenats de manera decreixent, segons la distància a la desembocadura), mentre que en el cas dels arrossars, els punts que mostren més contribució de la font són els ubicats a les zones de cultiu. En la tercera font de contaminació, la informació geogràfica varia entre mesos, però el mes de juliol, en el qual és més present, els punts de més abundància coincideixen amb canals d’irrigació o de drenatge. L’evolució temporal es reflecteix en la intensitat relativa de l’aportació de les fonts al llarg dels diferents mesos. Hi ha una gran estabilitat en la font de contribució de fons del riu, ja que sempre és present, mentre que la intensitat de la font relativa al conreu de l’arròs baixa en el decurs dels mesos, ja que l’administració dels pesticides es realitza pel mes de maig i, amb el temps, els pesticides es degraden o es dilueixen. La tercera font és clarament més present en el mes de juliol, el mes més sec, en el qual cal realitzar certes pràctiques de retroirrigació per assegurar la humitat suficient als conreus. La informació presentada és coherent i de gran interès, però, tot i el petit nombre de punts de mostratge analitzats en aquest exemple, es pot intuir la problemàtica d’interpretar les pautes de variació geogràfica de les fonts mediambientals en taules de dades en les quals els punts de mostratge són molt més nombrosos i en les quals l’ús d’un perfil lineal no permet incorporar la situació geogràfica relativa d’uns punts respecte dels altres. Per això, en aquest tipus d’aplicacions, la interpretació de les pautes de variació geogràfica de les fonts millora extraordinàriament fent ús dels sistemes d’informació geogràfica (GIS).39,42 En el GIS, els valors d’abundància del perfil geogràfic resolt de cada font són utilitzats com a informació

45


SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 46

de partida per configurar un mapa d’abundància de la font, en el qual els valors de les coordenades geogràfiques no mostrejades seran estimats per interpolació o krigatge dels valors trobats mitjançant els mètodes de resolució per als punts geogràfics reals estudiats. La figura 6c mostra els mapes trobats per GIS a l’exemple presentat. La informació descrita al paràgraf anterior es visualitza i s’interpreta d’una manera molt més clara sobre el seu entorn geogràfic real.

Conclusions S’ha mostrat la utilitat dels mètodes de resolució multivariant en contextos força diversos. La flexibilitat i la facilitat d’aplicació d’aquests mètodes, que fa que s’adaptin a les especificitats dels problemes estudiats, i la simplicitat del model obtingut, que atorga una interpretabilitat directa i clara als resultats obtinguts, són els punts clau que justifiquen l’ús cada vegada més estès d’aquestes eines. Ben establerts per als camps d’aplicació més coneguts, l’explotació dels mètodes de resolució no està exhaurida i cal esperar trobar nous camps d’aplicació, noves maneres d’incorporar coneixement científic per a la millora dels perfils obtinguts i nous usos dels perfils bàsics resolts, que comprimeixen la informació de les dades brutes d’una manera eficaç i interpretable com a punt de partida en estudis addicionals. No faltarà creativitat ni una forta voluntat multidisciplinària per explorar totes aquestes noves i atractives possibilitats en el futur.

Agraïments Els autors volen agrair el suport econòmic del Govern espanyol (Projecte CTQ2009-11572) i el reconeixement com a grup de recerca consolidat (2009 SGR 45) a la Generalitat de Catalunya.

Referències

46

[1] Massart, D. L.; Vandeginste, B. G. M.; Lewi, P. J.; SmeyersVerbeke, J.; Buydens, L. M. C.; Jong, S. de. Handbook of Chemometrics and Qualimetrics. Elsevier, 1998. [2] Comprehensive Chemometrics. Brown, S.; Tauler, T.; Walczak, B. (ed.). Elsevier, 2009. [3] Hoffmann, R.; Minkin, V. I.; Carpenter, B. K. Ockham’s Razor and Chemistry, HYLE—Inter. J. Philosophy of Chemistry 1997, 3, 3.

[4] Seasholtz, M. B.; Kowalski, B. R. Anal. Chim. Acta 1993, 277, 165. [5] Rutan, S. C.; Juan, A. de; Tauler, R. a Comprehensive Chemometrics. Brown, S.; Tauler, R.; Walczak, B. (ed.). Elsevier, vol. 2, 2009, 249. [6] Juan, A. de; Tauler, R. Anal. Chim. Acta 2003, 500, 195. [7] Juan, A. de; Tauler, R. Crit. Rev. Anal. Chem. 2006, 36, 163. [8] Juan, A. de; Rutan, S. C.; Tauler, R. a Comprehensive Chemometrics. Brown, S.; Tauler, R.; Walczak, B. (ed.). Elsevier, vol. 2, 2009, 325. [9] Tauler, R.; Maeder, M.; Juan, A. de a Comprehensive Chemometrics. Brown, S.; Tauler, R.; Walczak, B. (ed.). Elsevier, vol. 2, 2009, 473. [10] Tauler. R. Chemom. Intell. Lab. Sys. 1995, 30, 133. [11] Jaumot, J.; Gargallo, R.; Juan, A. de; Tauler, R. Chemom. Intell. Lab. Sys. 2005, 76, 101. [12] Golub, G. H.; Reinsch, C. Numer. Math. 1970, 14, 403. [13] Maeder, M. Anal. Chem. 1987, 59, 527. [14] Windig, W.; Guilment, J. Anal Chem. 1991, 63, 1425. [15] Tauler, R.; Smilde, A. K.; Kowalski, B. R. J. Chemometr. 1995, 9, 31. [16] Tauler, R.; Marqués, I.; Casassas, E. J. Chemometr. 2001, 15, 55. [17] Peré-Trepat, E.; Ginebreda, A.; Tauler, R. Chemom. Intell. Lab. Sys. 2007, 88, 69. [18] Juan, A. de; Maeder, M.; Martínez, M.; Tauler, R. Chemom. Intell. Lab. Sys. 2000, 54, 123. [19] Jaumot, J.; Eritja, R.; Tauler, R.; Gargallo, R. Nucleic Acids Res. 2006, 34, 206. [20] Bucek, P.; Jaumot, J.; Aviñó, A.; Eritja, R.; Gargallo, R. Chemistry: A European Journal 2009, 15, 12663. [21] Navea, S.; Juan, A. de; Tauler, R. Anal. Chem. 2002, 64, 6031. [22] Navea, S.; Juan, A. de; Tauler, R. Anal. Chem. 2003, 75, 5592. [23] Muñoz, G.; Juan, A de. Anal. Chim. Acta. 2007, 595, 198. [24] Berova, N.; Nakanishi, K.; Woody, R. Circular dichroism: Principles and Applications. Wiley, 2000. [25] Infrared and Raman spectroscopic imaging. Salzer, R.; Siesler, H. W. (ed.). Wiley-VCH, 2009. [26] Grahn, H. F.; Geladi, P. Techniques and applications of hyperspectral image analysis. Wiley, 2007. [27] Juan, A. de; Tauler, R.; Dyson, R.; Marcolli, C.; Rault, M.; Maeder M. TrAC-Trends in Anal. Chem. 2004, 23, 70. [28] Dao, N. Q.; Daudon, M. Infrared and Raman spectra of calculi. Elsevier. [29] Stoll, D. R.; Li, X.; Wang, X.; Carr, P. W.; Porter, S. E. G.; Rutan, S. C. J. Chromatogr. A 2007, 1168, 3. [30] Jaumot, J.; Marchan, V.; Gargallo, R.; Grandas, A.; Tauler, R. Anal. Chem. 2004, 76, 7094. [31] Causton, H. C.; Quackenbush, J.; Brazma, A. Microarray: Gene Expression Data Analysis. Oxford, 2003.


SCQ_10_05_05 02/10/12 19:04 Página 47

[32] Jaumot, J.; Tauler, R.; Gargallo, R. Anal. Biochem. 2006, 358, 76. [33] Jaumot, J.; Piña, B.; Tauler, R. Chemom. Intell. Lab. Syst. 2010. DOI: 10.1016/j.chemolab.2010.04.004. [34] Ross, D. T.; Scherf, U.; Eisen, M. B.; Perou, C. M.; Rees, C.; Spellman, P.; Iyer, V.; Jeffrey, S. S.; Rijn, M. van de; Waltham, M.; Pergamenschikov, A.; Lee, J. C. E.; Lashkari, D.; Shalon, D.; Myers, T. G.; Weinstein, J. N.; Botstein, D.; Brown, P. O. Nat. Genet. 2000, 24, 227. [35] Tauler, R. «Interpretation of environmental data using chemometrics», a Sample Handling and Trace Analysis of Pollutants: Techniques, Applications and Quality Assurance. Barceló, D. (ed.). Elsevier, 2000, cap. 16, p. 689.

A. de Juan

J. Jaumot

[36] Alier, M.; Felipe-Sotelo, M.; Hernández, I.; Tauler, R. Anal. Chim. Acta 2009, 642, 77. [37] Felipe-Sotelo, M.; Gustems, L.; Hernández, I.; Terrado, M.; Tauler, R. Atmospher. Environ. 2006, 40, 7421. [38] Terrado, M.; Barceló, D.; Tauler, R. Anal. Chim. Acta 2010, 657, 19. [39] Terrado, M.; Barceló, D.; Tauler, R. Environ. Sci. Tech. 2009, 43, 5321. [40] Hopke. P. K. Receptor Modeling in Environmental Chemistry. Wiley & Sons, 1985. [41] Hopke, P. K. Journal of Chemometrics 2003, 17, 265. [42] Terrado, M.; Barceló, D.; Tauler, R. Talanta 2006, 70, 691.

R. Gargallo

R. Tauler

Anna de Juan és professora titular del Departament de Química Analítica de la Universitat de Barcelona. El seu àmbit de recerca és la quimiometria i el desenvolupament i aplicacions dels mètodes de resolució multivariant. Ha realitzat unes setanta publicacions en llibres i revistes internacionals i ha presentat més de cent comunicacions a congressos. El 2004, va rebre l’Elsevier Chemometrics Award, i el 2009, el Kowalski Award. En l’actualitat, pertany als equips editorials assessors de les revistes Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems i Analytica Chimica Acta. Joaquim Jaumot (nascut el 1978) és actualment professor lector al Departament de Química Analítica de la Universitat de Barcelona. La seva recerca està centrada en el desenvolupament d’eines quimiomètriques de resolució multivariant i la seva aplicació a l’estudi de problemes bioanalítics. És autor d’una vintena d’articles en revistes científiques internacionals i ha codirigit diversos treballs de màster. Raimundo Gargallo (nascut el 1968) ha estat investigador Ramón y Cajal i és actualment professor agregat al Departament de Química Analítica de la Universitat de Barcelona. La seva recerca està centrada en l’estudi d’estructures complexes d’àcids nucleics, com ara les estructures G-quàdruples i els motius-i (i-motif). És autor d’una cinquantena d’articles en revistes científiques internacionals i ha codirigit diferents tesis doctorals i treballs de màster. Romà Tauler (Barcelona, 1955) és professor d’investigació de l’Institut de Diagnòstic Ambiental i Estudis de l’Aigua (IDÆA, CSIC). És l’editor en cap de la revista Journal of Chemometrics and International Laboratory Systems i de l’obra de referència en quatre volums Major Reference Work: Comprehensive Chemometrics, Chemical and Biochemical Data Analysis. Ha rebut diferents premis relacionats amb la quimiometria, com el 2009 Award for Achievements in Chemometrics i el 2009 Kowalski Award. Ha publicat uns dos-cents trenta treballs de recerca indexats a la Web of Knowledge, amb més de cinc mil set-centes citacions (novembre 2011). Actualment, és el president de la Societat Catalana de Química. 47


SCQ_10_06_06 20/09/12 16:25 Página 48

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), 48-54 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

DOI: 10.2436/20.2003.01.28

ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Metodologies analítiques basades en l’espectrometria de masses per a l’anàlisi de fàrmacs veterinaris Analysis of veterinary drugs based on mass spectrometry Anna Martínez Universitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament de Química Analítica

Resum. Durant els últims anys, l’espectrometria de masses ha experimentat avenços importants que han fet que aquesta tècnica es converteixi en quelcom omnipresent a la gran majoria dels laboratoris d’anàlisi química. En concret, els laboratoris dedicats a l’anàlisi de residus de contaminants en aliments constitueixen un dels principals grups d’usuaris d’aquesta tècnica. En relació amb la presència de residus i atesa la creixent preocupació per assegurar la qualitat dels productes alimentaris, les autoritats governamentals dels diferents països han establert normatives cada cop més restrictives, la qual cosa sovint representa un repte per a la metodologia analítica existent. En aquest treball es presenten alguns exemples en els quals es mostra l’avantatge d’utilitzar l’espectrometria de masses per resoldre problemes concrets relacionats amb la presència de fàrmacs veterinaris en aliments d’origen animal. Paraules clau: Coccidiosi, espectrometria de masses, seguretat alimentària, anàlisi de residus.

Abstract. In recent years, developments in mass spectrometry instrumentation have led this technique to become ubiquitous in the vast majority of analytical chemistry laboratories. Specifically laboratories devoted to the analysis of residues in food are major users of this technique. The growing concern for safer animal products have forced authorities from different countries to establish increasingly restrictive regulations that often represent a challenge to the existing analytical methodology. This paper presents some examples showing the advantage of using mass spectrometry to solve some specific problems related to the presence of veterinary drugs in food. Keywords: Coccidiosis, mass espectrometry, food safety, waste analysis.

Introducció ls fàrmacs veterinaris són utilitzats per tractar i prevenir malalties en els animals de producció, ja que és imprescindible el fet de disposar d’animals salubres per tal d’assegurar un subministrament de carn de qualitat amb garanties de seguretat. En aquest sentit, és important el fet de controlar la presència de fàrmacs veterinaris en la carn de consum. De fet, els fàrmacs veterinaris comercials s’han distribuït i aplicat amb garanties de seguretat en la producció animal des de fa més de cinquanta anys,1,2 atès que el seu ús reporta importants beneficis, com ara la capacitat de millorar la salut dels animals i la reducció dels costos de producció limitant les malalties que podrien disminuir la taxa de creixement.3 La utilització de medicaments veterinaris està estrictament legislada tant per la Unió Europea4 com pels diferents governs de cada país5 i es regulen diversos aspectes com la qualitat, la seguretat i l’efi-

E

Correspondència: Anna Martínez. Universitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament de Química Analítica C. de Martí i Franquès, 1-11. 08028 Barcelona

48

Tel.: +34 934 039 127. Fax: +34 934 021 233 A. e.: anna_martinez@ub.edu

càcia de cada fàrmac. Tot i els importants beneficis que reporten aquestes substàncies, del seu ús també deriven algunes conseqüències negatives que cal tenir en compte. El principal problema prové del fet que l’administració de fàrmacs a animals durant llargs períodes de temps pot comportar que la carn que arriba al consumidor contingui residus de fàrmacs que, encara que es trobin a baixes concentracions, poden donar lloc a episodis de reaccions al·lèrgiques en individus hipersensibles, però el més preocupant, pel seu abast més generalitzat, és que es pot produir l’aparició de soques bacterianes resistents als fàrmacs per a humans.6 Per aquest motiu, els nivells de tolerància respecte a les concentracions de residus d’aquestes substàncies en productes destinats al consum humà han estat revisats darrerament i han estat establerts límits més exigents, la qual cosa obliga a desenvolupar noves metodologies analítiques que siguin capaces de determinar aquests compostos a concentracions cada cop més baixes. En aquest context, la cromatografia de líquids acoblada a l’espectrometria de masses7-15 ha esdevingut la tècnica per excel·lència i, en concret, ha proporcionat a la comunitat científica una eina de gran valor tant pel que fa a la seva capacitat de detecció de baixes concentracions de residus en matrius alimentàries com per les seves possibilitats en relació amb la caracterització de compostos químics i la identificació de substàncies desconegudes.


SCQ_10_06_06 20/09/12 16:25 Página 49

En aquest treball es descriuen alguns exemples de la utilització de l’espectrometria de masses per a la determinació i la caracterització d’alguns fàrmacs veterinaris, concretament, els pertanyents a la família terapèutica dels anticoccidials, que es mostren a la figura 1.

Instrumentació Per a la realització d’aquest estudi, s’han emprat diversos equips d’espectrometria de masses amb diferents analitzadors, una trampa d’ions (LCQ Classic), un triple quadrupol (TSQ Quantum Ultra AM) i un linear trap-orbitrap (Orbitrap XL). Els estudis de fragmentació s’han dut a terme a la trampa d’ions, tot treballant en espectrometria de masses en tàndem en el temps. S’han obtingut els espectres de masses en múltiples etapes (MS/MS, MS3 i MS4), la qual cosa ha permès establir l’ordre genealògic dels fragments, ja que, amb aquest

tipus d’analitzadors de masses, no són freqüents les fragmentacions per col·lisions múltiples i només s’observen els ions producte originats directament de l’ió precursor aïllat en cadascuna de les successives etapes de fragmentació. Ara bé, en alguns casos, ha estat necessari mesurar la massa exacta per tal d’assignar correctament la composició elemental dels ions moleculars, la d’alguna interferència i la d’alguns ions producte generats en la fragmentació en tàndem. Per a aquestes mesures, s’ha emprat un instrument de triple quadrupol amb quadrupols hiperbòlics amb capacitat per dur a terme mesures de massa exacta mitjançant l’augment de la resolució dels quadrupols fins a 0,04 m/z FWHM (full width half maximum) i amb un calibratge adequat de l’eix m/z per tal d’obtenir valors amb errors inferiors a 5 mDa. Aquest tipus d’analitzador treballa en espectrometria de masses en tàndem a l’espai, i en aquest tipus de tàndem és freqüent la fragmentació per col·lisions múltiples en passar l’ió precursor seleccionat (primer quadrupol) per la cambra de col·lisió (segon quadrupol), la

49 FIGURA 1. Estructures i noms dels coccidiostats.


SCQ_10_06_06 20/09/12 16:25 Página 50

qual cosa comporta que es puguin observar ions de diferents generacions a la mateixa etapa de fragmentació MS/MS. Finalment, hem utilitzat un analitzador linear trap-orbitrap, que permet treballar a resolucions de fins a 100.000 i que proporciona errors en la mesura dels valors m/z inferiors a 1 mDa, per tal d’identificar i confirmar correctament algun dels ions producte que requerien aquesta precisió i exactitud.

L’augment de la resolució com a eina de treball en l’anàlisi de rutina En primer lloc, es comenta un exemple de l’avantatge que pot proporcionar el fet d’augmentar la resolució en espectrometria de masses. En concret, es pretén il·lustrar l’aplicació d’aquesta estratègia en l’anàlisi del toltrazuril (un anticoccidial molt utilitzat en aus de corral i en el sector porcí) i dels seus dos metabòlits majoritaris, la toltrazuril sulfona i el toltrazuril sulfòxid, el primer dels quals també presenta activitat farmacològica.16 Per a aquesta anàlisi, es va desenvolupar un mètode de cromatografia de líquids ràpida acoblada a l’espectrometria de masses en tàndem emprant ionització química a pressió atmosfèrica (APCI) en mode negatiu i un analitzador de triple quadrupol. L’anàlisi de diferents productes carnis, tant crus com processats, que havien estat sotmesos a un

50

tractament de mostra molt senzill, una extracció amb acetonitril i purificació per extracció en fase sòlida (SPE), va posar de manifest que, encara que la baixa resolució (Q1 m/z 0,7; Q2 m/z 0,7) és una tècnica que pot permetre d’obtenir bons resultats (per exemple, es podia determinar la toltrazuril sulfona a les mostres), en alguns casos l’anàlisi no es pot dur a terme (en el nostre cas, el toltrazuril no es podia identificar a causa d’un important soroll de fons). En aquests casos, l’augment de la resolució en el primer quadrupol (∆m/z 0,1 FWHM) permet eliminar possibles interferències isobàriques de l’ió precursor, la qual cosa produeix una disminució del soroll. Si aquest procés es pot dur a terme sense una pèrdua significativa en la transmissió d’ions, com és el cas en treballar amb el triple quadrupol TSQ Quantum Ultra AM, es millora considerablement la relació senyal-soroll. A la figura 2 es mostra, a tall d’exemple, el cromatograma corresponent al toltrazuril en una mostra de salsitxes de Frankfurt, on es pot observar la dificultat per identificar aquest compost a baixa resolució (SRM), mentre que, treballant en el mode H-SRM (Q1 ∆m/z 0,1 FWHM), la relació senyal-soroll augmenta fins a 14, la qual cosa permet confirmar la presència de toltrazuril i determinar-ne la concentració (2,2 µg kg-1) a la mostra.17 A la figura 2 s’indiquen les transicions utilitzades per a la determinació i la confirmació del toltrazuril. En general, en electrospray (ESI) i APCI, l’ió precursor acostuma a ser la molècula

FIGURA 2. Cromatogrames en SRM i en H-SRM corresponents al toltrazuril en una mostra de salsitxa de Frankfurt. Transició de quantificació: 356 → 256; transició de confirmació: 356 → 124.


SCQ_10_06_06 20/09/12 16:25 Página 51

protonada, si es treballa en ionització positiva [M+H]+, i la molècula desprotonada [M-H]-, si es treballa en mode negatiu. Ara bé, en el cas del toltrazuril, la molècula desprotonada és molt difícil de fragmentar, per la qual cosa s’ha emprat com a precursor l’ió [M-69]-, generat per fragmentació a la font i a causa de la pèrdua de CF3 .

Identificació de substàncies desconegudes En l’anàlisi de mostres alimentàries, la presència de compostos interferents presents a la matriu dificulta amb freqüència l’aplicació dels mètodes establerts. En l’exemple següent es mostra la identificació d’una interferència observada en la determinació en aliments de l’amprolium, un compost d’amoni quaternari emprat contra la coccidiosi, per al qual es va desenvolupar un mètode basat en cromatografia de líquids d’interacció hidrofílica (HILIC) acoblada a l’espectrometria de masses en tàndem (triple quadrupol) emprant electrospray en mode positiu com a font d’ionització.

FIGURA 3. Identificació d’un compost de la matriu que coelueix amb l’amprolium: a) cromatograma de la intensitat del corrent iònic total (TIC) d’una mostra d’ous; b) espectre de masses de la interferència, espectre d’ions producte de l’ió precursor m/z 162. En els espectres, s’indiquen les masses exactes de l’ió precursor i dels ions producte més intensos.

En analitzar mostres d’aliments (ou, pollastre) i de pinso emprant un tractament de mostra senzill, que consistia únicament en una extracció amb acetonitril i l’anàlisi directa dels extractes, es va observar que els patrons i les mostres amb la mateixa concentració d’amprolium donaven una resposta molt superior en el cas de les matrius addicionades que en el dels patrons. Una de les possibles causes que provoquen aquest fenomen, conegut amb el nom de matrix ion enhancement, és la coelució amb l’amprolium d’alguna substància de la matriu que afavoreix la ionització del nostre anàlit. Es va observar que, en el moment de retenció de l’amprolium, apareixia una substància amb un ió de massa m/z 162 (figura 3). Per tal d’obtenir informació estructural sobre aquest ió i poder identificar el compost, es va adquirir l’espectre d’ions producte i es van determinar les masses exactes de l’ió precursor (m/z 162,1167) i dels dos ions producte més abundants (m/z 103,0371 i 85,0329). Acceptant un error de menys de 5 mDa respecte de les masses mesurades, només existeixen tres possibles composicions elementals per al catió precursor. La utilització d’una base de dades18 va permetre descartar dues de les tres composicions elementals, ja que l’una no proporcionava cap estructura química lògica i l’altra corresponia a molècules neutres, i identificar la L-carnitina com a possible substància interferent. Finalment, l’anàlisi d’un patró va permetre la confirmació d’aquesta hipò-

tesi, ja que tant el comportament cromatogràfic com l’espectre d’ions producte obtingut a partir del patró de L-carnitina van ser idèntics al de la interferència. Per tant, aquesta era la substància responsable de l’efecte matriu en la determinació d’amprolium en els aliments analitzats.19

Caracterització de polièters ionòfors Entre els compostos administrats en grans quantitats, sobretot a les aus de corral, cal esmentar els polièters ionòfors, productes naturals que s’empren no només en la prevenció i el tractament de la coccidiosi,1 sinó que també s’administren en dosis subterapèutiques com a promotors del creixement.20 En aquest apartat, es comenten els estudis de fragmentació d’aquests compostos duts a terme durant l’establiment d’un mètode de cromatografia de líquids acoblada a l’espectrometria de masses en tàndem per a l’anàlisi de nou polièters ionòfors. Aquests compostos estan formats per un esquelet de múltiples èters cíclics hidroxilats que contenen un àcid carboxílic i un hidroxil terminals i que presenten una elevada tendència a formar adductes amb cations metàl·lics, la qual cosa ha comportat que, en treballar amb una font d’electrospray en polaritat positiva,

51


SCQ_10_06_06 20/09/12 16:25 Página 52

tots els polièters ionòfors donin lloc a espectres de masses amb un únic ió, que correspon a l’adducte amb sodi. La fragmentació d’aquest ió en espectrometria de masses en tàndem dóna lloc, per a la majoria dels polièters ionòfors, a espectres de masses en els quals el pic base correspon a la pèrdua d’aigua. Aquesta pèrdua es pot explicar per la presència de nombrosos grups hidroxil en els corresponents compostos (figura 1). Els ionòfors amb un grup carbonil a l’estructura (salinomicina, narasina i lasalocid) presenten també una altra fragmentació característica, que correspon al trencament de l’enllaç en β respecte del grup carbonil, la qual cosa dóna lloc a dos fragments amb una diferència de 100 unitats de massa. A la figura 4a es mostra, a tall d’exemple, aquesta fragmentació per a la salinomicina. Per a la maduramicina, en canvi, el pic base de l’espectre d’ions producte (m/z 877) correspon a la pèrdua de 62 Da (figura 5a), una pèrdua que també s’observa a l’espectre de MS3 (figura 5b) de la monensina (m/z 613) emprant com a ió precursor l’ió corresponent a la pèrdua d’aigua (m/z 675) de l’espectre MS/MS. Tenint en compte les estructures d’aquests dos compostos, aquests ions fragment poden provenir de la pèrdua de dos grups metoxi o de la pèrdua simultània de CO2 i H2O. Amb l’objectiu d’assignar correctament aquests fragments, es va emprar un instrument capaç de treballar a alta resolució, un linear Orbitrap XL, que va permetre calcular les masses exactes dels ions corresponents a la maduramicina (m/z 877,5272) i a la monensina (m/z 613,4045), que concorden amb la pèrdua de CO2 i H2O (errors menors a 5 ppm). Ara bé, aquesta pèrdua planteja un problema relacionat amb el fet que en un analitzador de trampa d’ions en general només s’observen trencaments directes i, per tant, per perdre simultàniament CO2 i H2O, cal que aquests dos grups estiguin propers. Això és possible si la molècula forma un pseudomacrocicle amb l’ió sodi al centre i els grups carboxílic i hidroxil terminals enfrontats, tot establint-se interaccions per ponts d’hidrogen.21,22 A tall d’exemple, a la figura 4b es mostra l’estructura pseudomacrocíclica de la monensina.23

Conclusions

52

S’ha posat de manifest que l’espectrometria de masses és una tècnica altament útil en l’anàlisi de residus de fàrmacs veterinaris en mostres alimentàries. L’augment de la resolució en el primer quadrupol ha possibilitat la confirmació de la presència de toltrazuril en mostres de salsitxa de Frankfurt, gràcies a l’augment de la relació senyal-soroll, que permet millorar els

FIGURA 4. a) Trencament en β respecte del carbonil per a la salinomicina; b) estructura pseudomacrocíclica de la monensina i la seva fragmentació.

límits de detecció. Altrament, la utilització d’un equip capaç de treballar en mode de massa exacta ens ha permès la identificació d’una interferència cromatogràfica en l’anàlisi d’amprolium, responsable d’un important efecte matriu. Aquesta substància ha estat identificada com a L-carnitina, un compost d’amoni quaternari. Finalment, la utilització de l’espectrometria de masses en múltiples etapes ha permès establir el patró de fragmentació d’una família de compostos, els polièters ionòfors. La utilització de l’alta resolució, en aquest cas, ha permès confirmar la pèrdua simultània de CO2 i H2O, una fragmentació característica de la conformació espacial d’aquests compostos.

Agraïments L’autora vol expressar el seu agraïment al Ministeri de Ciència i Innovació del Govern espanyol pel finançament rebut a través del projecte CTM2006-00753/TECNO i Acción Complementaria CTM2006-26237-E, i també per la concessió d’una beca FPI per a la realització de la tesi doctoral.


SCQ_10_06_06 20/09/12 16:25 Página 53

FIGURA 5. a) Espectres MS i MS/MS de la maduramicina; b) MS, MS/MS i MS3 de la monensina.

Referències [1] Jones, F. T.; Ricke, S. C. Poultry Sci. 2003, 82, 613. [2] Castanon, J. I. R. Poultry Sci. 2007, 86, 2466. [3] Visek, W. J. J. Anim. Sci. 1978, 46, 1447. [4] Commission Regulation (EU) núm. 37/2010. [5] <http://www.aemps.es/actividad/legislacion/espana/veterinarios.htm> [14/05/2010] [6] Felipe, C. C. Environ. Microbiol. 2006, I, 1137. [7] Gentili, A.; Perret, D.; Marchese, S. TrAC-Trend. Anal. Chem. 2005, 24, 704. [8] Reig, M.; Toldrá, F. Meat Sci. 2008, 78, 60. [9] Toldrá, F.; Reig, M. Trends Food Sci. Tech. 2006, 17, 482. [10] Zeleny, R.; Ulberth, F.; Gowik, P.; Polzer, J.; Ginkel, L. A. van; Emons, H. TrAC-Trend Anal. Chem. 2006, 25, 927. [11] Stolker, A. A. M.; Brinkman, U. A. T. J. Chromatogr. A 2005, 1067, 15.

[12] Vranic, M. L.; Marangunich, L.; Fernández Courel, H.; Fernández Suárez, A. Anal. Chim. Acta 2003, 483, 251. [13] Weiss, C.; Conte, A.; Milandri, C.; Scortichini, G.; Semprini, P.; Usberti, R.; Migliorati, G. Food Control 2007, 18, 1068. [14] Brabander, H. F. de; Noppe, H.; Verheyden, K.; Vanden Bussche, J.; Wille, K.; Okerman, L.; Vanhaecke, L.; Reybroeck, W.; Ooghe, S.; Croubels, S. J. Chromatogr. A 2009, 1216, 7964. [15] Olejnik, M.; Szprengier-Juszkiewicz, T.; Jedziniak, P. J. Chromatogr. A 2009, 1216, 8141. [16] Dirikolu, L.; Yohn, R.; Garret, E. F.; Chakkath, T.; Ferguson, D. C. J. Vet. Pharmacol. Ther. 2008, 32, 280. [17] Martínez Villalba, A.; Moyano, E.; Martins, C. P. B.; Galceran, M. T. Anal. Bioanal. Chem. 2010, 397, 2893. [18] <http://www.chemspider.com/> [18/01/2010] [19] Martínez Villalba, A.; Moyano, E.; Galceran, M. T. J. Chromatogr. A 2010, 1217, 580.

53


SCQ_10_06_06 20/09/12 16:25 Página 54

[20] Butaye, P.; Devriese, L. A.; Haesebrouck, F. Clin. Microbiol. Rev. 2003, 175. [21] Martinek, T.; Riddell, F. G.; Wilson, C.; Weller, C. T. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2 2002, 35.

[22] Paz, F. A. A.; Gates, P. J.; Fowler, S.; Gallimore, A.; Harvey, B.; Lopes, N. P.; Stark, C. B. W.; Staunton, J.; Klinowski, J.; Spencer, J. B. Acta Crystallogr. 2003, E59, m1050. [23] Martínez Villalba, A.; Moyano, E.; Galceran, M. T. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2009, 23, 1255.

A. Martínez

Anna Martínez va néixer a Barcelona l’any 1982. Va estudiar la llicenciatura de química a la Universitat de Barcelona i en aquests moments es troba realitzant la tesi doctoral al Departament de Química Analítica de la mateixa Universitat, sota la direcció de la doctora Maria Teresa Galceran i Huguet (catedràtica de química analítica) i de la doctora Encarnación Moyano Morcillo (professora titular).

54


SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 55

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 55-62 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

DOI: 10.2436/20.2003.01.29

ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

La informació física no específica: el bestseller de la quimiometria Non-specific physical information: a chemometric bestseller Michele Forina,* Monica Casale i Paolo Oliveri Universitat de Gènova. Departament de Química i Tecnologia Farmacèutica i Alimentària

Conferència inaugural del IX Memorial Enric Casassas (IQS, Barcelona, 2 de desembre de 2009; text traduït pel doctor Xavier Tomàs) Resum. En aquesta conferència, homenatge al professor Enric Casassas, el professor Forina exposa, de manera molt didàctica, tres idees importants a tenir presents per tots els que treballen en quimiometria o utilitzen tècniques quimiomètriques. L’objectiu sempre ha de ser resoldre una situació química real, tot procurant emprar eines de qualitat coneguda, i no cal tenir recança a aplicar-les a situacions com ara la informació física no específica. Paraules clau: Quimiometria, informació física no específica, validació, procés analític, valors anòmals, selecció de variables.

Abstract. This lecture, a tribute to Prof. Enric Casassas, Prof. Forina presents in a very didactic way, three important ideas to take into account for all those who are working in chemometrics or use chemometric techniques. The main goal should always be to resolve a real chemistry situation, trying to use tools of known quality and we should not afraid to apply Chemometrics to situations such as non-specific physical information. Keywords: Chemometrics, non-specific physical information, validation, analytical process, outliers, selection of variables.

Introducció a aproximadament uns cinquanta anys, es va iniciar la quimiometria. La figura 1 mostra un fragment de la carta que Bruce Kowalski i Svante Wold, els fundadors de la Chemometrics Society, van enviar als químics interessats en l’aplicació de mètodes matemàtics i estadístics a la química, tot convidant-los a formar part de la nova societat.

F

Un cromatograma és exactament el registre d’un senyal físic no específic que esdevé informació química quan hom procedeix a assignar els pics cromatogràfics a compostos químics.

En un principi, els quimiòmetres van emprar informació química o informació física reconeguda a bastament com a informació útil. El conjunt de dades ARCH,1,2 que formava part del primer programari quimiomètric, ARTHUR, és un conjunt de dades de setanta-cinc mostres d’obsidiana provinents de quatre localitzacions properes a San Francisco, caracteritzades pel contingut en deu metalls. En el conjunt de dades KETONES, que formava part de la primera versió del programari SIMCA, es descriuen vint ciscetones i transcetones mitjançant set variables obtingudes de llurs espectres IV i UV, i que descriuen l’efecte del grup carbonil i del doble enllaç sobre l’absorbància. Molt aviat, els quimiòmetres van començar a utilitzar informació física no específica.

Correspondència: Michele Forina. Università degli Studi di Genova. Dipartimento di Chimica e Tecnologie Farmaceutiche ed Alimentari Via Brigata Salerno, 13. I-16147 Genova (Italia) Tel.: +39 010 353 2630. Fax: +39 010 353 2684 A. e.: forina@dictfa.unige.it

55 FIGURA 1. El «certificat de naixement» de la Chemometrics Society.


SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 56

Al seu torn, la informació química pot ser o no informació específica. La interpretació química d’un cromatograma pot esdevenir molt difícil, especialment en el cas dels cromatogrames complexos. L’any 1978, Bruce Kowalski3 va utilitzar cromatogrames d’espai de cap «cecs» en un estudi que tenia com a objectiu la caracterització de marques de whisky. Com que l’objectiu de l’estudi no era augmentar els coneixements químics, la interpretació química dels diferents pics cromatogràfics no era, en conseqüència, necessària.

Fonts d’informació física no específica Avui dia, la quimiometria s’aplica amb molta freqüència a l’estudi d’informació física no específica provinent de diferents àmbits. Per a cada mostra, els instruments proporcionen milers (en ocasions, milions) de variables, no totes necessàriament útils. L’objectiu és, doncs, obtenir la informació útil per resoldre tant problemes de classificació com problemes de regressió. Els sectors d’aplicació més importants són el control de qualitat, el control de processos, la traçabilitat dels aliments i la metabolòmica. Les fonts d’informació física més emprades són l’absorció o la reflectància dels espectres electromagnètics (com el visible, l’ultraviolat, l’infraroig, els raigs X, la fluorescència i el Raman), els espectres de masses (com ara els obtinguts per un «nas artificial»), la potenciometria (dades obtingudes per un conjunt d’elèctrodes), la voltametria (com és el cas d’algunes «llengües artificials»), els espectres de ressonància magnètica nuclear, els diversos tipus de cromatografia, etc. La informació física que hom pot obtenir d’una mostra pot ser un vector (com ara l’espectre obtingut d’una mostra de composició uniforme), una matriu bidimensional (com és el cas d’un espectre Raman) o també una matriu tridimensional (com és el cas d’una imatge).

56

Al seu torn, cada tipus de senyal pot correspondre a una informació molt diferent segons les característiques de l’instrument de mesura o els tractaments especials de les dades originals. A tall d’exemple, l’espectre obtingut per espectros-

còpia en l’infraroig proper (NIRS) depèn molt de la sonda emprada, dels tipus de senyal mesurats (absorció, reflectància, transreflectància), de l’entorn físic de la mostra (com és el cas del NIR en dues dimensions, en el qual s’aplica una tensió de petita amplitud a la mostra, la qual cosa provoca una fluctuació dinàmica dels senyals IR) i de la mateixa font (com ara en TOF–NIRS, on la font és un làser de polsos). Segons el tipus de tractament (derivades, eliminació de tendències, transformada de Fourier, etc.), la informació física pot donar resultats molt diferents. És més: a vegades, és possible combinar la informació obtinguda amb diferents instruments amb uns resultats excel·lents.4 Entre les diferents fonts d’informació física no específica, l’espectroscòpia d’infraroig proper (NIR) és avui la tècnica líder en control de qualitat tant del producte final com dels productes intermedis i de les matèries primeres. Això vol dir que milers de químics i tècnics utilitzen la tècnica NIR cada dia fent milions de determinacions. Per aquesta raó, l’espectroscòpia NIR és un bestseller de la quimiometria. La imatge de la quimiometria no és la pròpia dels quimiòmetres, la de les poques persones que fan servir mètodes de quimiometria avançada i publiquen articles d’alta qualitat, tot i que molt difícils de comprendre per a la majoria dels químics. La imatge pública de la quimiometria és la que presenten els bestsellers a la gran majoria dels químics. En dir bestseller, ens referim simplement a un producte amb una circulació molt gran, malgrat que no que tingui necessàriament una gran qualitat. La qualitat final d’un bestseller pot ser pobra o, si més no, limitada. Normalment, els químics que fan servir l’espectroscòpia NIR en control de qualitat utilitzen el programari subministrat pels fabricants dels instruments com si fos una «caixa negra». En general, aquest programari té una qualitat bona o almenys acceptable, però sempre ha estat dissenyat com una eina senzilla per ser emprada per persones sense coneixements d’estadística elemental ni de quimiometria. Per aquesta raó, juntament amb els instruments i el programari, s’acostumen a proporcionar unes «regles d’or» que els usuaris segueixen després fil per randa.


SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 57

La qualitat dels bestsellers quimiomètrics

0,985

SDEP/sb

0,8 A continuació presentarem uns pocs exemples de la qualitat dels nostres bestsellers. Tots els exemples fan referència a l’ús de l’espectroscòpia NIR. Seguint l’esperit de la dita popular, farem esment del pecat, però no del pecador.

0,6 0,4

Exemple 1

0,2 En una conferència, un dels ponents va dir: «En el cas del potassi, el de variància en validació creuada explicada va ser del 7 %. No és gaire, però sí que és prometedor». Q2, és a dir, el de variància explicada en validació creuada, s’utilitza amb molta freqüència en la presentació de resultats NIR quan hom aplica un calibratge multivariat. Q2 és un paràmetre enganyós respecte al paràmetre d’interès, la desviació estàndard de l’error en predicció (SDEP) amb la qual es relaciona mitjançant la funció quadràtica inversa: SDEP = √ 1 – Q2/100 sb Aquí, sb és la desviació estàndard abans de la regressió o desviació estàndard sense model, calculada a partir de les diferències entre els valors de la variable resposta i la mitjana de les respostes. La figura 2 mostra com un valor igual a 7 de Q2 correspon a un valor de SDEP pràcticament igual a la desviació estàndard abans de la regressió. Aquest valor es deu a una petita correlació (no significativa i fortuïta) entre el potassi i l’espècie química, que té un efecte sobre l’espectre NIR. No hi ha res de prometedor en aquest valor tan petit. Però fins i tot valors grans de Q2 no indiquen necessàriament que s’hagin obtingut bons resultats. Un valor de Q2 igual a 50 vol dir que SDEP és aproximadament igual a 0,7 vegades la desviació estàndard abans de la regressió. Aquesta és una quantitat experimental, una estimació del valor real de s que ens és desconegut.

7

20

40

60

80

2

Q

FIGURA 2. Relació de Q2 i el quocient entre la desviació estàndard de l’error en predicció (SDEP o SEP) i la desviació estàndard abans de la regressió.

Això es distribueix com una variable c2 amb n graus de llibertat, sent n el nombre de mostres emprades per a la validació. L’interval de confiança de s2 s’obté a partir dels valors crítics de la distribució de c2. Així, per n = 20, l’interval de confiança al 95 % és aproximadament ± 35 %, la qual cosa vol dir que el model de calibratge es pot comportar pitjor (o també millor) del que s’esperaria del valor de la SDEP obtinguda. Ho sento pels estadistes, però Svante Wold, un dels fundadors de la quimiometria, va escriure el següent:5 Si nosaltres, erròniament, considerem la filosofia de l’estadística més sòlida que la de la química, prendrem el trist i desafortunat camí de la biometria, la psicometria... que avui són de poc o cap interès per als biòlegs, els psicòlegs... Aquesta desgràcia és la conseqüència de considerar més important el «rigor» matemàtic i estadístic que no pas el fet de resoldre els problemes científics. Naturalment, sempre s’ha de ser tan rigorós com sigui possible, però aquest rigor no ha de ser un rigor mortis; el primer de tot sempre és el sentit químic. Ara bé, això també vol dir que quasi sempre és necessari un mínim coneixement i ús de l’estadística bàsica.

Exemple 2

Ara bé: SDEP2 = n s2

Generalment, l’índex de maduració de les pomes, un paràmetre molt important per a un bon producte després del seu em-

57


SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 58

magatzematge, es determina mitjançant la prova de iode i midó. Seguidament, un grup d’experts avalua la coloració obtinguda amb el reactiu en una zona de la poma com una puntuació en una escala sensorial. Els resultats no acostumen a ésser satisfactoris a causa del caràcter subjectiu de l’avaluació i de la seva gran dispersió. Per aquestes raons, un equip d’investigadors va desenvolupar un model objectiu seguint l’esquema que es mostra a la figura 3 i van fer la prova sobre unes dues mil pomes. Els científics van construir el model PLS amb prop de cent mil variables predictores (les reflectàncies dels píxels de les imatges NIR obtingudes per a cada mostra) i, com a resposta, les corresponents puntuacions atorgades a les mostres per l’equip d’experts. Els resultats no van ser satisfactoris, més o menys equivalents als obtinguts per l’equip de tastadors. Malgrat tot, es va continuar l’estudi, la qual cosa significa més pomes, més experts, instruments amb un interval de longituds d’ona més ampli, imatges més grans i, en conseqüència, més diners. Sembla com si les persones que treballen amb la quimiometria, a la pràctica, ignoressin que un model de calibratge mai no pot tenir una qualitat superior a la que tenen les respostes que s’han mesurat (en aquest cas, les puntuacions sensorials) i que s’han emprat per construir el model.

SDEP resultant va ser del 0,22 %. Aquest va ser un resultat esplèndid, gairebé increïble, ja que aquesta precisió és molt poc freqüent en les anàlisis. Si analitzem els resultats de la predicció que es mostren a la figura 4, observem que: a) La resposta està expressada en percentatge de sucre. Això implica que el valor indicat de la SDEP és una desviació absoluta, no relativa. b) L’interval d’error correspon aproximadament al 70 % de l’error de les variables resposta, aproximadament 1,4, és a dir, del 9 % al 10,4 %. La precisió de la tècnica no és pas per entusiasmar-se. Ara bé, també podríem emprar un model alternatiu. Aquest model es desenvoluparia de la manera següent:

∑ yj MESURADA yiPREDITA =

j≠i

N–1

Aquí, y és la variable resposta mesurada o predita. El valor predit de la mostra i s’obté a partir de la resposta mesurada en les altres N – 1 mostres, és a dir, el model està construït en validació «total». Aquest model té una SDEP igual a 0,28 %, que no difereix significativament del valor 0,22 % obtingut per TOF–NIR. Aquest model, però, és molt més econòmic, ja que no necessita instruments. Fem servir aquesta ironia per mostrar que amb massa freqüència s’utilitza un munt de treball i de diners per desenvolupar mètodes inútils i llurs resultats es presenten de manera enganyosa.

FIGURA 3. Esquema de calibratge emprat per a l’índex de maduració de les pomes.

Exemple 3

58

Una nova tècnica instrumental, TOF–NIR (temps de vol–NIR), es va aplicar a la determinació de sucres en fruites de pell gruixuda. El model es va construir sobre unes cent mostres i la

Validació «total» és allò que els quimiòmetres denominen validació un a un (LOOV). En aquest cas, el model s’avalua tantes vegades com mostres es deixen fora, cada vegada una d’elles. S’utilitza, doncs, el model per predir el valor de la resposta (o de la categoria) de la mostra que ha estat exclosa. Els resultats obtinguts amb la validació LOOV es consideren generalment massa optimistes i molts consideren que és preferible subdividir el conjunt en grups (entre tres i set) i calcular el model tantes vegades com grups s’han definit. La capacitat de predicció s’obté cada vegada amb el model aplicat a la mostra del grup que s’ha exclòs. Aquest procediment es coneix amb el nom de validació creuada (CV).


SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 59

FIGURA 5. La quimiometria i el procés d’anàlisi química.

FIGURA 4. Predicció de sucre mitjançant TOF-NIRS.

La quimiometria i el procés químic analític La majoria dels químics considera la quimiometria simplement com un conjunt d’eines per a l’anàlisi de les dades, just al final del procés de l’anàlisi química. Al contrari, la quimiometria és present en totes les etapes del procés analític (figura 5). Aquest procés es duu a terme per tal d’obtenir la informació química o física (però relacionada amb la composició química) necessària d’un problema (si és possible, d’un problema real). La quimiometria és molt més que tot això i ha de ser emprada en cadascuna de les etapes del procés. La quimiometria ajuda a clarificar els objectius del procés, a definir el problema. La quimiometria és necessària a l’hora de preparar el disseny del pla de mostreig, és a dir, de recollir mostres representatives de totes les fonts de variació del sistema objecte del procés, possiblement, de la manera més econòmica que es pugui. Molt sovint, a la pràctica, les mostres no són gaire representatives, però les seves característiques poques vegades es discuteixen. Les tècniques quimiomètriques són útils per optimitzar les tècniques de mesura, i a la fi del procés són eines per a l’anàlisi de les dades, per extreure de

les dades originals la informació útil per als objectius del problema. Cada un d’aquests aspectes constitueix un ampli capítol de la quimiometria. En referència a l’anàlisi de les dades, hi ha punts concrets on no és recomanable aplicar les «regles d’or» de manera automàtica.

Valors anòmals, outliers Els valors anòmals es defineixen com a objectes (mostres) que tenen unes característiques molt diferents a la resta dels objectes del problema. Una bona pràctica, generalment admesa, consisteix a eliminar aquests valors anòmals. El guany segur és que, tant en problemes de classificació com de calibratge, després de l’eliminació, el model proposat funcionarà millor. En el cas de l’anàlisi exploratòria de dades o en problemes de classificació, l’eliminació dels valors anòmals es realitza mitjançant la prova de Hotelling (prova multivariada anàloga a la prova de Student), que implica el compliment de la hipòtesi que totes les variables es distribueixen segons una llei normal, una circumstància que molt poques vegades es compleix quan hom treballa amb dades reals. En el cas dels problemes de regressió, els valors anòmals són també la causa per la qual l’error en predicció és molt gran. Provaré d’explicar el que pot passar amb l’eliminació a cegues dels valors anòmals amb un exemple que no és químic.

59


SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 60

La figura 6 mostra el resultat després d’analitzar la informació, detectar el valor anòmal i eliminar-lo.

FIGURA 9. El valor anòmal a l’espai de la informació original.

FIGURA 6. La informació després d’haver eliminat el valor anòmal.

Pel que fa a la identificació del valor anòmal, és evident que una part de la informació és redundant i, per tant, es pot eliminar. La figura 7 mostra la informació un cop eliminada la informació redundant.

FIGURA 7. La informació un cop s’ha eliminat la part redundant a l’hora de detectar el valor anòmal.

La figura 8 mostra el valor anòmal a l’espai de la informació reduïda, mentre que la figura 9 mostra el valor anòmal a l’espai de la informació original.

FIGURA 8. El valor anòmal a l’espai de la informació reduïda.

Aquest exemple posa de manifest que el valor anòmal pot ser molt important a l’hora de comprendre les dades i que l’eliminació d’informació pot ser útil només en aparença.

Selecció de variables

60

Quan hom treballa amb informació no específica, gairebé sempre una part de la informació no és útil, la qual cosa anomenem soroll. S’ha demostrat que l’eliminació d’aquesta informació soroll millora la qualitat dels models de classificació o de calibratge.

Hi ha una gran quantitat de tècniques per a l’eliminació de variables predictores inútils. En el cas dels problemes de classificació, la tècnica més important és l’anàlisi discriminant lineal per etapes (SLDA). Pel que fa als problemes de calibratge, s’ha desenvolupat una gran quantitat de tècniques que van des de la coneguda regressió per mínims quadrats pas a pas fins a l’aplicació d’algorismes genètics. Els resultats següents fan referència a un problema de classificació amb tres classes i seixanta objectes disponibles per tal de construir un model de classificació (conjunt de dades FAN). El nombre de variables va ser d’un miler, massa per aplicar directament una tècnica de classificació probabilística com ara l’anàlisi discriminant lineal (LDA). Cal, doncs, procedir a realitzar necessàriament una selecció de variables. La selecció es va realitzar per SLDA, amb les restriccions habituals (valor de tall de l’estadístic de Wilks i un nombre màxim de variables predictores seleccionades igual a vint, per tal de disposar d’una relació com a mínim igual a tres entre el nombre d’objectes i el nombre de variables). La figura 10 mostra el resultat representat a l’espai de les dues variables canòniques de l’anàlisi discriminant lineal. La separació de les tres classes és perfecta. D’altra banda, la validació realitzada amb l’estratègia d’una validació «total» o, fins i tot, amb altres procediments de validació més elaborats indica una capacitat de predicció del 100 %. Simplement un detall: el nom del conjunt de dades FAN és una abreviatura de FANTASY. Les dades són dades artificials


SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 61

obtingudes d’una distribució normal N(0;1), la mateixa per a les tres classes.

FIGURA 10. Conjunt de dades FAN: representació a l’espai de les variables canòniques LDA.

Validació Com és possible que s’hagi obtingut aquest resultat?

FIGURA 11. a) Validació habitual; b) validació completa.

En l’estratègia habitual de selecció de variables mitjançant SLDA s’utilitzen tots els objectes a la fase de selecció. La validació es realitza en una etapa posterior per validar el model amb les variables seleccionades. Aquest esquema es representa a la figura 11a. El fet de realitzar una validació completa significa que la selecció de variables s’aplica també als grups definits en validació creuada, tal com mostra l’esquema representat a la figura 11b. Si fem servir la validació completa sobre el conjunt de dades FAN, s’obtenen els valors de la capacitat de predicció que mostra la figura 12. S’evidencia que la capacitat de predicció és lluny del 100 % i que, quan augmenta el nombre de variables seleccionades, baixa exactament fins a un 33 % el que es pot esperar de la classificació aleatòria en el cas de tres categories.

FIGURA 12. Conjunt de dades FAN: capacitat de predicció avaluada mitjançant validació completa en funció del nombre de variables seleccionades per SLDA.

Conclusions La imatge generalitzada de la quimiometria no és la que ofereixen les poques persones que fan servir acuradament les eines d’aquesta disciplina amb una plena comprensió de la teoria en la qual es fonamenten, les seves limitacions i el compliment o no de les hipòtesis subjacents.

61


SCQ_10_07_07 20/09/12 15:12 Página 62

La imatge real és la que resulta de la utilització de la quimiometria en milions de determinacions rutinàries, els bestsellers de la quimiometria. En aquest cas, les eines quimiomètriques poden ser aplicades sense un coneixement suficient i, molt sovint, amb una sobrevaloració de les seves possibilitats o altres circumstàncies que poden ser molt crítiques. Creiem que els veritables quimiòmetres han de fer un esforç per apropar-se als problemes reals, potser de baix nivell, per mostrar la manera correcta de treballar, tant amb el seu exemple com amb la seva pedagogia.

Agraïments Volem agrair sincerament als organitzadors d’aquest IX Memorial Enric Casassas la invitació a presentar aquesta conferència. Hom recorda una persona per la seva qualitat humana, per la seva simpatia o pel temps passat junts.

Un científic eminent, un excel·lent professor que mereix ser recordat pels seus col·legues i estudiants, ha ser capaç de mirar al futur per adonar-se de quina serà l’evolució de la seva ciència. No és gens senzill, però sí molt poc freqüent. L’Enric Casassas tenia aquest do.

Referències [1] Stevenson, D. F.; Stross, F. H.; Heizer, R. F. Archaeometry 1971, 13, 17. [2] Harper, A. M.; Duewer, D. L.; Kowalski, B. R.; Fashing, J. L. a Chemometrics: Theory and applications. Kowalski, B. R. American Chemical Society: Washington, 1977, p. 14-52. (ACS Symposium Series; 52). [3] Saxberg, B. E. H.; Duewer, D. L.; Booker, J. L.; Kowalski, B. R. Anal. Chim. Acta 1978, 103, 201. [4] Casale, M.; Casolino, C.; Oliveri, P.; Forina, M. Food Chemistry 2010, 118, 163. [5] Wold, S. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems 1995, 30, 115.

Per tal de recordar un científic, necessàriament cal alguna cosa més.

M. Forina

Michele Forina va néixer a Torí (Itàlia) i es va llicenciar en química per la Universitat La Sapienza de Roma. És catedràtic de química analítica a l’Instituto di Analisi e Tecnologie Farmaceutiche ed Alimentari de la Universitat de Gènova. El professor Forina és un dels impulsors de la quimiometria en l’àmbit internacional i ha tingut molta influència en el naixement i posterior desenvolupament d’aquesta ciència a Catalunya i a la resta de l’Estat espanyol, tot mantenint contactes constants amb diferents grups de treball. Juntament amb el professor Enric Casassas, va crear el Colloquium Chimiometricum Mediterraneum el 1987, que ha estat un punt de trobada bianual dels investigadors en quimiometria de parla llatina. És autor de més d’un centenar de treballs, de diversos llibres i del conegut programari Parvus, tot un clàssic en l’àmbit quimiomètric. Ha estat president de la International Chemometrics Society i membre de l’equip editorial de Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems i del Journal of Food Technology. 62


SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 63

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 63-70 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

DOI: 10.2436/20.2003.01.30

ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Estratègies d’anàlisi de dades en quimiometria: selecció versus compressió Data analysis in chemometrics: selection versus compression Alberto Ferrer Universitat Politècnica de València. Departament d’Estadística i Investigació Operativa Aplicada i Qualitat

Resum. La quimiometria utilitza eines de mineria de dades per a la modelització empírica de sistemes (bio)químics. El desenvolupament explosiu de les tecnologies de la informació i de les comunicacions ha possibilitat la fabricació d’una gran varietat de sensors que són capaços de recollir grans quantitats de dades i emmagatzemar-les en dispositius informàtics. El repte està a extreure eficientment la informació potencial continguda en aquestes dades, la qual cosa depèn en gran mesura de l’estratègia d’anàlisi usada. Amb tanta quantitat de dades disponible, cal usar algun procediment de reducció del nombre de variables a analitzar. En aquest article es presenten dues estratègies per a aquesta necessària simplificació: compressió versus selecció. La gran diferència entre ambdues és que en seleccionar, s’eliminen algunes de les variables mesurades, mentre que en comprimir, no. Si la selecció es realitza al principi de la investigació, es corre el risc d’eliminar variables amb informació útil per resoldre el problema en qüestió. La recomanació és, per tant, comprimir i, si és necessari, seleccionar amb posterioritat. Els beneficis d’aquesta recomanació s’il·lustren amb diversos exemples reals. Paraules clau: Quimiometria, estructures latents, anàlisi de components principals (PCA), anàlisi discriminant amb mínims quadrats parcials (PLS-DA), compressió, selecció, mineria de dades, model de calibratge, diagnòstic multivariant de processos.

Abstract. Chemometrics uses data mining tools for empirical modeling of biochemical systems. The explosive development of information and communications technology have enabled the manufacture of a wide variety of sensors that are able to register large amounts of data stored on computing devices. The challenge is to efficiently extract the potential information contained in the data, which depends heavily on the strategy of analysis used. With so much data available it is necessary to use a procedure to reduce the number of variables to analyze. In this paper we present two strategies for this necessary simplification: compression versus selection. The big difference between them is that with selection some variables are discarded whereas after compression all variables may be recovered. If the selection is made at the beginning of the investigation there is a risk of eliminating variables with useful information to solve the problem at hand. The recommendation is therefore compress and, if it is needed, select. The benefits of this recommendation are illustrated with actual examples. Keywords: Chemometrics, latent structures, principal component analysis (PCA), partial least squares discriminant analysis (PLS-DA), compression, selection, data mining, soft sensor, multivariate process diagnosis.

Introducció: Enric Casassas i el plaer de les xifres bans d’acceptar la invitació a participar en aquest memorial, no sabia res sobre el professor Casassas. No havia tingut l’oportunitat de conèixer-lo en persona ni d’haver llegit algun dels seus treballs, potser perquè la meva aproximació a la quimiometria no és des del món de la química analítica, sinó des de l’enginyeria química. No obstant això, he de reconèixer que, després de llegir algun dels seus treballs i comentaris sobre la

A

Correspondència: Alberto Ferrer. Universitat Politècnica de València. Departament d’Estadística i Investigació Operativa Aplicada i Qualitat Campus de Vera. Camí de Vera, s/n. Edifici 7A. 46022 València Tel.: +34 963 877 007. Fax: +34 963 877 499 A. e.: aferrer@eio.upv.es

seva vida i obra, he descobert una persona inquieta per resoldre nous problemes, oberta a aprendre dels altres, disposada a col·laborar amb d’altres i compromesa amb la formació i la divulgació del seu coneixement, aspectes clau per a un veritable científic. Enric Casassas es pot considerar un dels principals introductors de la quimiometria a Catalunya. La va aplicar fonamentalment a la química analítica. Va utilitzar tècniques de reconeixement de patrons i d’anàlisi de conglomerats per analitzar mostres d’interès arqueològic i d’altres camps; també va desenvolupar l’aplicació de l’anàlisi factorial i de l’anàlisi de components principals en la interpretació dels resultats experimentals obtinguts en estudis d’equilibris en solució sense la necessitat de postular models químics teòrics previs, els quals sorgeixen de la mateixa anàlisi numèrica.1

63


SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 64

En el seu llibre Del plaer dels sentits al plaer de les xifres,2 el professor Casassas ens descobreix la seva passió per la quimiometria. La seva visió d’aquesta disciplina com de «l’art d’extreure informació rellevant des del punt de vista químic de les dades produïdes en els experiments químics quantitatius» és molt semblant a la primera definició de la quimiometria establerta per Svante Wold l’any 1974:3 «La ciència d’extreure informació de sistemes químics mitjançant models empírics (basats en dades)». La quimiometria està molt lligada a la incorporació i al desenvolupament de noves tecnologies per al tractament de la informació en àmbits tan rellevants com la química, la bioquímica, la modelització molecular i les tècniques QSAR (quantitative structure-activity relationships), la quimioinformàtica, les ciències –òmiques (genòmica, proteòmica i metabonòmica), l’estudi global del medi ambient, la modelització de processos o la tecnologia analítica de processos (PAT, process analytical technology). El desenvolupament explosiu de la instrumentació cientificotècnica, de l’automatització i de la informàtica ha permès que

64

FIGURA 1. Exemples de tipus de dades de diversa naturalesa.

en tots aquests àmbits es puguin enregistrar grans quantitats de dades en poc temps, tot generant-se complexes estructures de dades de diversa naturalesa que contenen informació sobre diferents tipus de propietats de les mostres analitzades. Alguns exemples d’aquesta estructura de dades variada són els següents: espectres NIR, UV/visible o de masses, o cromatogrames de mostres de substàncies (relacionats amb propietats químiques); pressions, temperatures i cabals de processos químics (relacionats amb propietats físiques); pH, conductivitats i concentracions d’oxigen en el tractament d’aigües residuals (lligats a paràmetres bioquímics), o bé perfils d’expressió gènica (relacionats amb propietats genètiques de sistemes cel·lulars). Durant l’última dècada, el desenvolupament de la tecnologia dels sensors electrònics (i-sensing) ha permès la fabricació de «nassos i llengües electrònics», que proporcionen senyals elèctrics en reaccionar amb els composts de la mostra analitzada. En certs processos, com els de la indústria de l’acer, on no és possible la mesura directa amb sondes ateses les elevades temperatures del procés, s’usa l’«oïda» electrònica, que transforma els senyals acústics en elèctrics, o la termografia, que permet captar variacions de temperatura al forn de fusió. També l’avenç en la tecnologia digital ha permès fer


SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 65

viable a la pràctica l’ús de les càmeres espectrals o hiperespectrals, que proporcionen, per a cada un dels píxels d’una imatge, informació espectral a diferents longituds d’ona. En l’àmbit del radiodiagnòstic mèdic, també són molt usades les imatges de ressonància magnètica nuclear. La figura 1 mostra alguns exemples d’aquestes complexes estructures de dades. La naturalesa multivariant d’aquestes estructures de dades, el seu alt grau de colinealitat, conseqüència de la complexa xarxa de relacions entre variables, i l’existència de valors absents (no enregistrats) en algunes variables constitueixen un verdader repte a l’hora d’extreure eficientment la informació potencial continguda a les esmentades dades. Per tal d’aconseguir-ho, les dades (xifres) no ens han de desconcertar, sinó despertar-nos passió pel tresor (informació) que tanquen. El seu descobriment depèn en gran mesura de l’estratègia d’anàlisi usada, tal com es comenta a l’apartat següent.

Compressió o selecció? En la tasca d’extreure la informació rellevant, la quimiometria necessita utilitzar mètodes estadístics d’anàlisi de dades. Entre els més coneguts i estudiats, que denominarem clàssics, hi ha els mètodes de regressió lineal, l’anàlisi de la variància univariant i multivariant, l’anàlisi de conglomerats o l’anàlisi discriminant de Fisher. El problema d’aquests mètodes clàssics és que van ser desenvolupats en contextos d’escassetat de dades, en els quals s’enregistraven poques variables, poc relacionades, i en els quals el nombre de variables era habitualment molt inferior al d’individus o mostres. De fet, en presència de fortes relacions entre variables o de situacions amb més variables que mostres enregistrades, les tècniques clàssiques són molt ineficients o, fins i tot, inviables. Tal com ja s’ha comentat, vivim en un nou entorn que ha modificat totalment la naturalesa de les dades disponibles, la qual cosa obliga a un canvi de paradigma: de l’escassetat a la sobreabundància de dades. Davant d’aquesta sobrecàrrega de dades, molts analistes i tècnics se senten desconcertats i, per poder usar les tècniques estadístiques clàssiques, acaben seleccionant a priori per a la presa de decisions sols unes quantes de les variables enregistrades atenent criteris subjectius, com ara l’ús de l’experiència prèvia, no comprovada de manera científica. El problema d’aquesta estratègia de selecció és que pot arribar a descartar variables potencialment útils d’una manera fins a un cert punt cega i, per tant, arriscada,

la qual cosa pot dificultar enormement la comprensió del problema estudiat. El professor Casassas era molt conscient d’aquest risc i no va dubtar a qüestionar la utilitat de les tècniques estadístiques clàssiques a l’hora d’analitzar aquests nous tipus de dades, pròpies de la quimiometria moderna.2 Afortunadament, seleccionar no és l’única estratègia possible i la presència d’estructures complexes de relació entre variables no és realment un problema, sinó la constatació que els processos estan governats per unes quantes estructures no mesurables directament (latents) que afecten les variables que sí que es poden enregistrar (observables). Una cosa semblant li ocorre a una marioneta, en la qual els moviments de les diferents parts del cos (variables observables) no són autònoms, sinó que estan governats a través dels fils o cordes de connexió amb els moviments de les varetes (variables latents), mogudes per les mans del titellaire. La relació entre els moviments de les diferents parts del cos depèn de l’estructura de la marioneta, és a dir, de la connexió de les seves articulacions a les varetes. De la mateixa manera que per poder comprendre el funcionament d’una marioneta cal conèixer-ne l’estructura, per poder comprendre els processos cal descobrir les estructures latents que els governen. Aquest és precisament l’objecte de les tècniques estadístiques multivariants de projecció sobre estructures latents com l’anàlisi de components principals (PCA, principal component analysis)4 i la regressió en mínims quadrats parcials (PLS, partial least squares).5 Aquestes tècniques manegen bé grans matrius de dades mal condicionades (fins i tot en el cas d’existir més variables que individus), són relativament robustes a la presència de dades absents i comprimeixen la informació multidimensional en unes quantes variables latents que expliquen una gran part de la variabilitat de les variables mesurades, així com de les seves relacions, per la qual cosa es poden considerar l’alternativa eficient a l’estratègia de la selecció en els contextos de sobreabundància de dades. La comprensió dels problemes (i dels processos involucrats) exigeix compressió, no selecció d’informació, almenys a priori. En comprimir, l’analista pot analitzar el seu procés en l’espai de les variables latents (de menor dimensió i, en molts casos, ortogonal), la qual cosa el pot ajudar a entendre millor els fenòmens químics, físics, bioquímics, etc., subjacents i fins i tot a usar les eines estadístiques clàssiques. La compressió estableix vincles de relació amb les variables originals, que en qualsevol moment es poden recuperar en l’anàlisi, per la qual cosa les variables originals no es perden, com ocorre amb

65


SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 66

aquelles variables descartades en l’estratègia de selecció. Una vegada comprès (comprimit) el procés, en certes aplicacions, com la construcció de models predictius (soft sensors) o l’establiment d’esquemes de control estadístic multivariant de processos, pot ser recomanable realitzar una selecció a posteriori de les variables originals. Això s’il·lustra a l’apartat següent amb diversos exemples.

Exemple 1. Construcció d’un model de calibratge o predictor (soft sensor) Es disposa de l’espectre d’absorbància a 1.701 longituds d’ona de quinze mostres d’un aliment (figura 2), així com de valors analítics de dos dels seus paràmetres de qualitat, determinats en laboratori. Es pretén construir un model de calibratge (predictiu) multivariant per poder avaluar indirectament la qualitat de futures mostres de l’aliment a partir del seu espectre d’absorbància, sense la necessitat de recórrer als assaigs analítics de laboratori.

FIGURA 2. Espectres d’absorbància de les quinze mostres analitzades.

66

La tècnica d’estadística clàssica a usar en aquest cas podria ser la regressió lineal múltiple, però, com que només es disposa de quinze mostres, el model predictiu tan sols podria contenir com a variables predictores, com a màxim, les absorbàncies a 14 longituds d’ona. Això obligaria a seleccionar a priori 14 de les 1.701 absorbàncies registrades a l’espectre. Si es fes aquesta selecció de manera automàtica, això donaria lloc a múltiples models. Quin seria el «millor»? El fet que una longitud d’ona no s’elegís com a variable predictora s’hauria d’entendre com que l’absorbància a l’esmentada longitud d’ona no té relació amb les característiques de qualitat? Si s’apliqués el coneixement químic per seleccionar les longituds d’ona que poguessin estar a priori més correlacionades amb les característiques de qualitat, com es podria validar científicament l’esmentat coneixement previ? Es podria estar raonablement confiat que no s’haguessin descartat longituds d’ona «informatives»?

Amb l’estratègia de compressió, el problema es resol d’una manera molt simple. Aplicant, en aquest cas, la tècnica PLS, s’obté un model que, amb una única variable latent, té una capacitat predictiva d’aproximadament un 95 %. La figura 3 mostra el grau de relació de les variables predictores X (absorbàncies a 1.701 longituds d’ona) amb les dues variables de qualitat Y. D’aquest gràfic es dedueix que les dues variables de qualitat tenen una forta relació inversa (correlació negativa) i que existeixen zones de l’espectre molt relacionades i d’altres amb molt soroll o poc relacionades amb les característiques de qualitat. Aquesta informació podria ser interessant de comprovar-la amb el coneixement teòric de la relació entre l’absorbància a determinades longituds d’ona i l’estructura química de l’aliment.

FIGURA 3. Relació de les variables predictores X (absorbàncies) amb les dues variables de qualitat Y en el model PLS original. Es marquen les variables predictores que tenen una relació més forta i consistent amb les dues variables resposta.


SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 67

En aquest cas, per tal de millorar la qualitat (consistència) de les prediccions, és recomanable seleccionar aquelles zones de l’espectre amb una correlació més forta i consistent (assenyalades a la figura 3) i construir un nou model PLS usant com a predictora aquesta selecció a posteriori de variables. La figura 4 mostra les prediccions d’una de les variables de qualitat obtingudes amb aquest nou model usant una part de l’espectre complet original (1.197 de les 1.701 longituds d’ona). La capacitat predictiva continua sent d’aproximadament un 95 %. Altres models més senzills (parsimoniosos) també es podrien derivar a partir dels anteriors.

Exemple 2. Diagnòstic d’un procés químic El procés objecte d’estudi consisteix en la fabricació d’un alcohol mitjançant la hidrogenació selectiva d’una mescla d’èsters. L’objectiu és estudiar la consistència del procés en diferents campanyes de fabricació. Es disposa de dades de setanta-dues variables de procés mesurades cada hora en diferents unitats del mateix procés, així com de dades d’una variable de rendiment del procés, mesurada cada vuit hores durant dues campanyes de fabricació. La base de dades conté uns cinc mil registres per a les variables de procés i uns cinccents per a la de rendiment durant aproximadament vuit mesos de producció. La figura 5 mostra l’evolució del rendiment del procés durant les dues campanyes. S’hi observa que, encara que l’engegada d’ambdues campanyes no és similar, una vegada estabilitzat

FIGURA 4. Prediccions del model PLS d’una característica de qualitat quan s’utilitza solament una part de l’espectre complet original (1.197 de les 1.701 longituds d’ona).

el procés, els valors del rendiment en ambdues segueixen una evolució similar, de manera que no existeixen diferències estadísticament significatives entre els seus valors mitjans (risc de primera espècie = 0,05). Es pot concloure, per tant, que ambdues campanyes han estat processades en les mateixes condicions i que el producte obtingut és bàsicament el mateix? La resposta és clarament negativa: un mateix rendiment no significa necessàriament un mateix producte ni un mateix procés. Una única característica

67 FIGURA 5. Rendiment del procés en les dues campanyes de fabricació.


SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 68

no defineix completament la «qualitat» del producte acabat. La qualitat és un concepte multidimensional que es defineix en relació amb la manera com el producte satisfà les expectatives del client. Ja que és inviable el fet de provar de caracteritzar completament la qualitat mitjançant múltiples anàlisis del producte acabat, l’alternativa efectiva és provar d’avaluar la consistència en el procés de fabricació. Al cap i a la fi, la forma en la qual el producte ha estat processat constitueix una «empremta dactilar» que es pot utilitzar per garantir la consistència del producte obtingut.

dues variables latents són capaces de resumir la informació de les setanta-dues variables del procés amb una bondat de predicció del 94 %. Si l’operativa del procés en les variables analitzades hagués estat la mateixa, els núvols de scores d’ambdues campanyes estarien superposats, la qual cosa no ocorre, en aquest cas. La figura 6 indica que ambdues campanyes han estat processades en condicions diferents d’algunes variables del procés i que la campanya 1 és més estable (el núvol de scores està més concentrat) que la campanya 2.

Per respondre les qüestions plantejades, es va procedir a analitzar les dades de les setanta-dues variables del procés durant les dues campanyes de fabricació mitjançant un model PLS discriminant. La figura 6 mostra el diagrama de dispersió dels scores (scores plot) de les dues campanyes. En aquest cas,

Un estudi detallat de la figura 7, en la qual es mostren els coeficients del model PLS que prediu la campanya 1, permet identificar clarament les variables del procés que tenen un comportament diferent en ambdues campanyes i separar-les en dos grups: les de coeficients grans i positius són les que

FIGURA 6. Score plot de les dues campanyes en el model PLS discriminant.

68 FIGURA 7. Coeficients (loadings) de les setanta-dues variables predictores del model PLS de predicció de la campanya 1.


SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 69

prenen uns valors majors a la campanya 1 respecte de la campanya 2; les de coeficients grans i negatius tenen el comportament contrari, de manera que prenen uns valors majors a la campanya 2 respecte de la campanya 1. Les figures 8 i 9 il·lustren un exemple de cada tipus. La informació proporcionada per la figura 7 va permetre als tècnics del procés confirmar que la segona campanya, a més de ser més inestable, va tenir un major cost: es va realitzar a major temperatura i amb un major aportament de catalitzador.

La comprensió de les diferències del procés en ambdues campanyes facilitada pel model compressor PLS discriminant ha servit, en aquest cas, per convèncer els tècnics del procés de la necessitat de fer el seguiment no solament del rendiment, sinó també de l’operativa del procés, per garantir un producte rendible de manera consistent. En aquests moments s’està estudiant la possibilitat de desenvolupar un sistema de control estadístic multivariant del procés per provar d’aconseguir operar campanyes futures d’una manera similar a la campanya 1, més estable i de menor cost.

FIGURA 8. Evolució d’una de les variables del procés que pren uns valors superiors a la campanya 1.

69 FIGURA 9. Evolució d’una de les variables del procés que pren uns valors superiors a la campanya 2.


SCQ_10_08_08 02/10/12 19:06 Página 70

Conclusions

Agraïments

De la mateixa manera que no seleccionem a priori les fotos d’un viatge abans d’enviar-les a un amic per no saturar la capacitat màxima del missatge al correu electrònic, sinó que utilitzem programes de compressió que permetin al nostre destinatari, una vegada rebudes totes les fotos comprimides, gaudir del viatge i seleccionar a posteriori les que més li agradin, tampoc no és adequat seleccionar a priori les variables a utilitzar en les nostres anàlisis de problemes quimiomètrics, malgrat que disposem, en molts casos, de grans bases de dades per analitzar. En seleccionar variables, es corre el risc de perdre informació útil. La comprensió dels processos exigeix no la selecció, sinó la compressió de la informació. Els mètodes estadístics de projecció multivariant, com el PCA (anàlisi de components principals) o el PLS (regressió en mínims quadrats parcials), constitueixen unes excel·lents eines per a aquest propòsit. Una vegada els fenòmens estudiats han estat sotmesos a compressió, tot utilitzant la interacció entre el coneixement tècnic disponible i la informació obtinguda de l’anàlisi multivariant de les dades, si cal, es pot procedir a la selecció a posteriori de les variables més rellevants per a l’objecte de l’estudi.

És un plaer per a mi haver pogut participar en el IX Memorial Enric Casassas (2 de desembre de 2009), per la qual cosa vull mostrar el meu agraïment als organitzadors d’aquest esdeveniment, els professors Romà Tauler, Xavier Tomàs i Anna de Juan, per la seva amable invitació.

Referències [1] Casassas, E. Sessió en memòria. Institut d’Estudis Catalans: Barcelona, 2000. [2] Casassas, E. «Del plaer dels sentits al plaer de les xifres o de l’alquímia a la quimiometria». A: Del plaer dels sentits al plaer de les xifres. Casassas, E.; Simó, E.; Tauler, R. (ed.). Universitat d’Estiu; Institut d’Estudis Catalans: Barcelona, 1997, p. 7. (Monografies de les Seccions de Ciències; 13). [3] Wold, S. «Chemometrics: What do we mean with it and what do we want from it». Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems 1995, 30, 109. [4] Wold, S.; Esbensen, K.; Geladi, P. «Principal component analysis». Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems 1987, 2, 37. [5] Martens, H.; Naes, T. Multivariate calibration. John Wiley & Sons: Nova York, 1992.

A. Ferrer

Alberto Ferrer és enginyer agrònom i doctor per la Universitat Politècnica de València. Actualment, és catedràtic del Departament d’Estadística i Investigació Operativa Aplicades i Qualitat de la Universitat Politècnica de València, on dirigeix el grup d’investigació en Enginyeria Estadística Multivariant, dedicat al desenvolupament de metodologia estadística per a l’anàlisi, el monitoratge i el diagnòstic de processos complexos. És coordinador del programa de doctorat «Estadística i optimització» de la Universitat Politècnica de València i ha estat editor associat de la revista Technometrics (2008-2009). En l’actualitat, és membre del Consell de la International Society for Business and Industrial Statistics (ISBIS), així com de l’European Network for Business and Industrial Statistics (ENBIS) i de la Xarxa Espanyola de Quimiometria. 70


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 71

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 71-85 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

DOI: 10.2436/20.2003.01.31

ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Del clor a les dioxines passant per James E. Lovelock i el detector de captura d’electrons From chlorine to dioxins through James E. Lovelock and the electron capture detector Miquel Gassiot,* Jordi Díaz, Francesc Broto i Lluís Comellas Universitat Ramon Llull. Institut Químic de Sarrià. Departament de Química Analítica

Resum. El desenvolupament de l’anàlisi química i de les tècniques cromatogràfiques, gràcies a la gran sensibilitat dels detectors (especialment, el de captura d’electrons), va contribuir d’una manera important a la consolidació de la consciència ecològica. El descobriment al medi ambient de residus de DDT i d’altres pesticides, que contenen clor en la seva molècula, juntament amb residus de bifenils policlorats, va contribuir al fet que la societat vegi el clor i tots els compostos orgànics que el contenen en la seva estructura amb un gran recel. L’accident de Seveso, a Itàlia, i l’ús de l’agent taronja a la Guerra del Vietnam van ser altres aportacions per a la quasi general proscripció de l’element químic clor. En aquest treball, tot seguint l’itinerari que suggereix el títol, es fa una revisió de les anàlisis de mostres ambientals de bifenils policlorats i del detector de captura electrònica. La segona part es dedica a l’anàlisi de dioxines, tot destacant alguns exemples concrets, com ara la determinació de dioxines en mostres de formatge mozzarella. Paraules clau: Clor, PCB, DDT, ECD, PCDD, PCDF, cromatografia de gasos, espectrometria de masses, quimiometria. Abstract. The development of chemical analysis and chromatographic techniques, due to the great sensitivity of the detectors used (especially the electron capture detector) has decisively contributed to the consolidation of ecological conscience. The detection of DDT and other chlorinated pesticide residues in the environment, in addition to polychlorinated biphenyl residues, made raise the concern about chlorine and chlorinated compounds in the society. Seveso accident, in Italy, and the use of Orange Agent in Vietnam War were two other contributions to the general proscription of the chemical element chlorine. In this work, following the itinerary suggested by the title, the analysis of polychlorinated biphenyls in environmental samples and the use of the electron capture detector are reviewed. The second part of the work is devoted to the analysis of dioxins, pointing some specific examples, such as the determination of dioxins in samples of mozzarella cheese.

Keywords: Chlorine, PCB, DDT, ECD, PCDD, PCDF, gas chromatography, mass spectrometry, chemometrics.

Introducció l clor és l’element número 17 de la taula periòdica. Sembla que va ser descobert per Wilhelm Sheele, l’any 1774, a Suècia, fent reaccionar clorur sòdic amb biòxid de manganès i àcid sulfúric concentrat. Si es té en compte que al final del segle XVIII els laboratoris no disposaven dels rigorosos sistemes de protecció actuals, el primer impacte del nou element descobert en el sistema respiratori del seu descobridor seria del tot desagradable. No obstant això, va ser Hamphry Davy, l’any 1810, qui va demostrar que els asfixiants fums que es desprenien de la reacció de Sheele corresponien a un nou element químic, al qual li dóna el nom de clor, a causa del seu color. Per tant,

E

Correspondència: Miquel Gassiot. Universitat Ramon Llull. Institut Químic de Sarrià. Departament de Química Analítica Via Augusta, 390. 08017 Barcelona Tel.: +34 932 672 000. Fax: +34 932 056 266 A. e.: mgassiot@iqs.url.edu

la mateixa presentació d’aquest element en el seu naixement no hauria generat una especial simpatia en l’entorn en el qual va veure la llum. El clor té una massa atòmica de 35,453 uma i una electronegativitat de 3,16 segons Pauling. El potencial de la primera ionització és de 1.251,2 kJ/mol o bé 13,01 eV. El clor té dos isòtops estables, 35Cl i 37Cl, que representen el 75,77 % i el 24,23 %, respectivament, del clor que hi ha a la naturalesa. De totes les característiques fisicoquímiques d’aquest element, són l’elevada electronegativitat i l’especial composició isotòpica les que tenen més interès per a aquest treball. Les característiques asfixiants del gas clor van ser la causa que l’Exèrcit alemany utilitzés, per primera vegada a la història de manera extensiva, un gas com a arma de guerra: el clor, amb el nom clau de «Bertholita», el 22 d’abril de 1915, a l’inici de la batalla d’Ypres, a Langermarck, un poble de cinc mil habitants. L’Exèrcit alemany va descarregar a les primeres línies del front cinc mil set-cents trenta cilindres per escampar

71


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 72

160 tones de clor.1 Si bé aquesta operació va tenir un gran impacte psicològic, la seva eficàcia va ser molt discutible, a causa de la mateixa reactivitat del clor i la seva solubilitat en aigua. D’altra banda, un canvi en la direcció del vent va portar el núvol de clor a les línies alemanyes en diversos punts del front. El fet que el clor i compostos de clor entressin a la història com a protagonistes dels primers gasos de guerra explica també el recel de la societat envers aquest element, tot oblidant els grans beneficis que hi ha aportat. Alguns d’aquests beneficis són la cloració de l’aigua, que va desterrar greus epidèmies (com el còlera i les tifoidees), o bé el p,p’-difeniltricloroetà (el popular DDT), que va resoldre les clàssiques epidèmies de polls dels temps de guerra i que ha estat de gran eficàcia contra la malària. Cal recordar que el Premi Nobel de Medicina de l’any 1948 va ser concedit a Paul Herman Müller pel fet d’haver descobert la gran eficiència del DDT en la lluita contra els insectes transmissors de moltes malalties (entre elles, la malària). Es considera que gràcies al DDT es va eradicar la malària de les zones de paludisme d’Europa. Deixant de banda que el clor constitueix el 60,6 % en pes de la sal comuna, que va ser el «salari» dels soldats de les legions romanes durant segles i un compost essencial per a la vida, la societat actual veu amb recel el clor orgànic; no l’ió clorur, sinó els compostos orgànics que contenen clor amb enllaç covalent en la seva estructura. És en aquest últim aspecte que l’opinió pública considera el clor com un element proscrit. Però l’origen d’aquest rebuig al clor orgànic no prové de l’ús del clor i altres compostos de clor. Els famosos escrits de la biòloga nord-americana Rachel Carlson sobre el Silent spring (1962)2 van ser una contribució molt important al desvetllament de la consciència ambiental al seu país i a tot el món, alhora que van promoure l’inici de diversos treballs de recerca per intentar trobar la causa d’aquest «silenci», descrit per Carlson de forma poètica en el fragment següent:

72

Over increasingly large areas of the United States, spring now comes unheralded by the return of the birds, and the early mornings are strangely silent where once they were filled with the beauty of bird song. This sudden silencing of the song of birds, this obliteration of the color and beauty and interest they lend to our world have come about swiftly, insidiously, and unnoticed by those whose communities are as yet unaffected.

Rachel Carlson va néixer el 27 de maig de 1907 i va morir el 14 d’abril de 1964, dos anys després de la seva publicació més coneguda, Silent spring. Com a fruit d’aquesta nova sensibilitat social impulsada per Carlson, un dels primers compostos químics de síntesi estudiats va ser el DDT. Aquest producte havia estat usat de manera massiva a partir de la Segona Guerra Mundial. Unes primeres experiències van posar de manifest que les femelles d’ocells sotmeses a la ingesta de DDT ponien els ous amb una closca molt més fràgil. Aquest fet contribuïa a explicar la gran baixada de la natalitat en algunes aus, detectada després de la Segona Guerra Mundial, que es podria deure a la gran difusió del DDT en l’ambient, juntament amb la seva gran estabilitat. D’altra banda, els resultats d’aquests primers estudis feien suposar que els aliments de les aus estaven contaminats per aquest compost.3 En aquests treballs es va posar de manifest la utilitat de la cromatografia de gasos, si bé se l’obligava a treballar en el límit de les seves possibilitats, ja que es volia detectar els residus de DDT en els més diversos materials i preparats: productes agrícoles, terrenys de conreu, la majoria dels aliments, llets, mostres de teixit adipós (no tant sols d’animals, sinó també d’éssers humans), etc. Les primeres anàlisis van posar de manifest que els residus de DDT, a causa de la seva forta lipofília, s’acumulen a les fraccions lipídiques i als teixits adiposos dels éssers vius analitzats. En gairebé totes les mostres es van trobar també el p,p’-DDE (p,p’-dicloro-difenildicloroetilè) i el p,p’-DDD (p,p’-diclorodifenildicloro-età), que, amb els corresponents isòmers, són impureses que acompanyen el DDT i són també els seus principals metabòlits ambientals. Cal destacar que Sören Jensen, un dels primers científics a trobar i quantificar residus de DDT mitjançant la cromatografia de gasos, va posar de manifest en els seus cromatogrames la presència d’altres contaminants, que s’extreien de les mostres ambientals conjuntament amb el DDT i els seus metabòlits. Jensen va aconseguir identificar els pics del cromatograma que no corresponien als DDT com a bifenils policlorats, contaminants provinents de l’àmplia aplicació de productes industrials obtinguts per cloració del bifenil, com ara els Aroclors. A la figura 1 es reprodueix un dels cromatogrames obtinguts per Jensen.4 Els pics assenyalats amb els números 3, 5, 7, 8, 9, 10, 11 i 12 corresponen a bifenils policlorats denominats comunament PCB. L’alemany Schmitt-Shulz va aconseguir, l’any 1881, clorar el bifenil, tot obtenint per primera vegada la complexa barreja


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 73

FIGURA 1. Cromatograma obtingut per Soren Jensen, extret de la referència 4, i estructures del p,p’ -DDT, p,p’ -DDE i PCB.

dels bifenils policlorats. L’any 1929, Monsanto va iniciar la producció industrial dels PCB. Per classificar el producte fabricat i comercialitzar-lo d’acord amb el grau de cloració corresponent va establir una nomenclatura específica, la qual consistia en un número de quatre xifres: les dues primeres eren el número 12, corresponent als àtoms de carboni del bifenil, i les dues següents expressaven el percentatge en pes de clor al producte. Així, aparegueren en el mercat els productes de Monsanto: Aroclor 1221, 1254, 1268, etc., això és, bifenils clorats amb un 21 %, un 54 % i un 68 % en pes de clor, respectivament. En aquestes barreges es podien trobar fins els dos-cent nou congèneres de cloració del bifenil.5,6 Els bifenils policlorats han estat àmpliament utilitzats i, en el seu moment, van resoldre considerables problemes industrials i tècnics com a fluids transmissors de calor no inflamables, estables a altes temperatures i elèctricament aïllants. També han estat molt utilitzats com a plastificants, en la indústria de les pintures i en la formulació de diversos insecticides. En l’actualitat, la seva fabricació i utilització està pràcticament prohibida (Directiva 85/467/CEE) i tan sols s’accepta l’ús dels PCB com a fluids dielèctrics en sistemes completament tancats. Fins i tot en aquests sistemes, segons la Directiva 96/59/CE, els PCB han de ser eliminats com a molt tard l’any 2010. Amb referència als DDT, el Conveni d’Estocolm de l’any 2001 en prohibeix la producció i utilització exceptuant el cas de la lluita contra la malària.

James Ephraim Lovelock i el detector de captura electrònica James Ephraim Lovelock va néixer al Regne Unit el 26 de juliol de 1919, a Letchword Garden City, i es va graduar en química per la Universitat de Manchester l’any 1941. El 1948, va assolir el grau de doctor en medicina tropical. Lovelock va seguir els seus estudis i va aconseguir el grau en biofísica per la Universitat de Londres l’any 1959. Va ser professor de química a la Baylor University College of Medicine de Houston (EUA) des del 1961 fins al 1964 i va col·laborar durant aquest temps amb la NASA. L’any 1960, va descobrir el detector de captura d’electrons.7 Les primeres anàlisis cromatogràfiques de mostres ambientals van posar de manifest les limitacions del detector d’ionització de flama d’hidrogen (FID, flame ionization detector). Aquesta limitació era deguda al fet que els compostos amb àtoms d’elevada electronegativitat, com el clor, feien disminuir la sensibilitat d’aquest detector. Aquesta anomalia es produïa perquè els àtoms amb més afinitat electrònica capturen els electrons formats per la ionització química generada pels grups CH, CH2, CH3 i el CH4; base del senyal del FID. J. E. Lovelock va tenir l’encert d’aprofitar aquest fet per al disseny d’un nou detector que no funcionés per l’augment d’un corrent de fons amb la presència dels analits que sortien de la columna, sinó per tot el contrari: els analits amb una elevada

73


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 74

FIGURA 2. Disseny bàsic d’un ECD.

electronegativitat farien disminuir un corrent de fons generat per una font radioactiva de partícules . Aquest és l’origen del detector de captura electrònica (ECD, electron capture detector). Les primeres aplicacions de l’ECD, juntament amb la nova sensibilitat desvetllada per Rachel Carlson, desperten en Lovelock una preocupació i una passió pel medi ambient i una vocació com a ecòleg que el porten a una profunda reflexió sobre la continuïtat de la vida al nostre planeta. El fruit d’aquesta reflexió es la teoria de Gaia, formulada el 1969 i publicada el 1979. Segons aquesta hipòtesi, la biosfera es comporta com un sistema autoregulat que tendeix a l’equilibri enfront de qualsevol acció de distorsió.8

Fonament físic de l’ECD El disseny bàsic d’un ECD, tal com indica la figura 2,9 consisteix en un petit recinte de l’ordre d’1 cm3 de volum on arriba el gas emergent de la columna cromatogràfica i que entra dins el detector per la part on hi ha l’ànode. El flux de gasos es troba amb el corrent d’electrons (radiació β relaxada energèticament) procedent del càtode, que també és la font de radiació β.

Font 3H

Característiques de les possibles fonts de radiació per a l’ECD i característiques9 Activitat (mCi) 130

99Tc

74

0,3

90Sr

63Ni

Temperatura màxima (ºC)

t1/2 (anys)

no

200

12,5

0,292

no

500

5·105

0,55

no

28

0,06

no

400

85

Energia (MeV)

β

0,018

β β

Inicialment, es va utilitzar el triti com a font de radiació, però ràpidament va ser substituït pel 63Ni. L’abast mitjà de la radiació β del 3H i del 63Ni és uns 2 mm i 7 mm, respectivament. Un altre aspecte pel qual cal que la radiació β sigui de baixa energia és evitar que es produeixi la ionització del fluid gasós i de l’analit, en comptes de la captura electrònica. A la taula 29 es donen els potencials d’ionització i excitació dels gasos portadors més relacionats amb l’ECD i també el potencial d’excitació de l’argó.

γ (MeV)

Partícula β

Un dels principals problemes de l’ECD va ser trobar la font de radiació adequada. A la taula 19 es presenten algunes de les possibles fonts que poden proporcionar radiació β. Per a aquest detector, interessa que aquesta font sigui de baixa energia, per reduir al màxim el risc de contaminació del personal que utilitzi l’ECD i el seu entorn.

Cal tenir present que el potencial d’ionització de la majoria dels compostos orgànics és de l’ordre de 10 eV. Per tant, l’energia de la radiació β emergent de la font de 63Ni supera en molt

Hi ha diferents dissenys per als ECD. El de la figura 2 correspon a l’estructura denominada plana paral·lela, però, d’acord TAULA 1.

amb la disposició de l’ànode i de la font de radiació (càtode) respecte del flux, l’estructura del detector pot ser també denominada coaxial i cilíndrica concèntrica. Els diferents dissenys corresponen a les aportacions de les diferents empreses d’instrumentació, tot perseguint una millor sensibilitat i linealitat amb el mínim volum mort.


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 75

TAULA 2.

Potencials d’ionització i excitació dels gasos portadors més relacionats amb l’EDC9

Gas

Potencial ionització (eV)

N2

15,5

Ar

15,7

CH4

14,5

Potencial excitació (eV)

11,5

els potencials d’ionització del possible gas portador i de qualsevol substància que passi per aquest detector. Per aquest motiu, cal transformar les partícules β en electrons «tèrmics», és a dir, en electrons que tinguin l’energia cinètica mitjana que els correspon a la temperatura del detector. En cas contrari, en lloc de ser capturats, ionitzaran les molècules amb les quals impactin, tot fent augmentar el corrent de fons, en lloc de disminuir-lo. Aquesta és la raó per la qual cal utilitzar un gas portador que col·labori en la relaxació energètica de les partícules β. Per això s’utilitza un gas portador poliatòmic, com el N2, o bé una barreja d’argó amb metà (usualment, un 5 % de CH4). En les reaccions següents, s’exposa un dels processos de relaxació proposats per explicar el funcionament de l’ECD en el cas d’utilitzar argó-metà9 (a la figura, els electrons «tèrmics», resultat del procés exposat, es representen així: e, e1 i e2): β + Ar → Ar+ + e1 + β Ar + e → Ar + e2 Ar + Ar → Ar + Ar+ + e Ar + CH4 → Ar + CH4 e1 + e2 +2 CH4 → e1 + e2 +2 CH 4 *

*

*

*

*

*

FIGURA 3.

*

*

*

Al gràfic de la figura 3, la línia contínua indica la variació del corrent de fons en funció del voltatge de focalització en absència de substàncies electrocapturants. S’hi observa que, a partir de 7 V, el corrent augmenta molt poc amb el voltatge. D’acord amb aquest gràfic, el voltatge adequat per al funcionament de l’ECD estaria situat entre 7 i 15 V. La línia de punts correspon a la variació del corrent de fons en presència d’un hidrocarbur halogenat. Cal destacar que, en aquest segon cas, per sobre dels 15 V, el corrent de fons s’acosta molt al nivell obtingut quan al detector tan sols hi ha gas portador. En conseqüència, també es dedueix de la figura 3 que, a un voltatge superior als 15 V, disminuirà la sensibilitat del detector, a causa de l’efecte detachment.

*

*

*

Un altre aspecte important per al millor funcionament de l’ECD és el voltatge de focalització, que queda comprès entre 5 i 50 V. Aquesta tensió té com a finalitat aconseguir un bon nivell de corrent de fons en absència de substàncies electrocapturants, resultat de la relaxació energètica de la radiació β, sense accelerar sensiblement els electrons tèrmics. Quan al detector hi ha compostos amb una elevada afinitat electrònica, el voltatge de focalització té com a finalitat dirigir els ions negatius cap a l’ànode. Cal tenir present que la disminució del corrent de fons en aquest detector es produeix perquè els electrons són substituïts per ions negatius, que tenen una mobilitat electrònica molt més baixa que els electrons. Si el voltatge de focalització és massa elevat, es pot produir la reacció de detachment, tal com s’expressa en el procés següent: X– + Ar → X + Ar + e *

D’això resulta un augment del corrent de fons, tal com es posa de manifest al gràfic de la figura 3, extret de la referència 9.

El problema de la linealitat de l’ECD A l’ECD, la captació d’electrons per part d’una substància d’elevada afinitat electrònica, en fase gas, es realitza de manera similar a l’absorció de radiació electromagnètica per part d’una molècula cromòfora en dissolució. Per tant, la referència a la llei de Beer i Lambert pot ser útil per a qualsevol consideració sobre el funcionament d’aquest detector. Aquesta llei estableix que la llum absorbida per l’analit cromòfor no és directament proporcional a la concentració d’aquest en la dissolució. D’una manera semblant, la resposta de l’ECD (disminució del corrent de fons) no és directament proporcional a la concentració de la substància captadora d’electrons que es troba al detector. Si Ib és la intensitat del corrent de fons produïda per una font de radiació constant, quan tan sols circula gas portador i Ie és la intensitat del corrent de fons en presència d’un compost amb afinitat electrònica elevada, en un instant determinat, a una concentració c1, aleshores Ie < Ib. Si en aquest lapse de temps la concentració al detector augmentés fins a duplicar c1, la dismi-

75


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 76

nució del corrent de fons no es duplicaria, perquè les molècules següents es trobarien amb una densitat d’electrons inferior i la probabilitat de captura electrònica seria clarament inferior. En conseqüència, la resposta en funció de la concentració no seria lineal i les concentracions més elevades donarien una resposta proporcionalment inferior a les més baixes.

La constant a depèn de l’afinitat electrònica de la molècula detectada. Aquesta manera d’utilitzar el detector de captura d’electrons és, actualment, la més emprada. No obstant això, amb aquesta versió, el marge de linealitat difícilment va més enllà de 104, és a dir, des del microgram a dècimes de nanogram.

Temptatives per augmentar la linealitat de l’ECD El primer intent va ser dissenyar i construir ECD que funcionessin amb voltatge de focalització polsant, amb la possibilitat de regular el voltatge i el període dels polsos. Amb aquesta modificació, s’aconseguia que, entre cada pols, la font pogués restablir la densitat electrònica necessària perquè les noves molècules que entraven dins el detector es trobessin amb una capacitat de captura similar a les primeres. Efectivament, amb aquesta modificació i ajustant correctament les dues variables (voltatge i freqüència de polsos), la resposta es podia considerar pràcticament com a lineal per a un marge de l’ordre de 102.

TAULA 3.

Dades comparatives entre el detector d’ionització de flama d’hidrogen i el de captura d’electrons

Detector d’ionització de flama d’hidrogen

Detector de captura d’electrons

Sensibilitat: 1 nanogram

Sensibilitat: 0,1 picogram

(1·10-9 g) d’hidrocarbur.

(0,1·10-12 g) de lindane.

107.

Marge de linealitat: 104

Marge de linealitat:

(voltatge polsant amb freqüència variable). Calibratge: necessari, però molt menys crític que a l’ECD.

Calibratge: imprescindible amb patrons de concentració del mateix ordre que en la mostra.

No obstant això, la millor solució va ser aportada per R. J. Maggs, P. L. Joynes, A. J. Davies i J. E. Lovelock10 amb a new mode of operation de l’ECD. Aquesta nova manera d’operar es fonamenta també en un voltatge polsant, però a freqüència variable. En aquest cas, quan la substància electrocapturant entra dins el detector a la concentració c, es genera la diferència Ib – Ie= Id,, on Id es denomina corrent de desequilibri. Aquest dóna lloc a un voltatge de desequilibri Vd, el qual fa augmentar la freqüència de polsos des de f0 (freqüència quan Id era 0) fins a f, un nou valor de freqüència per al qual Id esdevé 0 a la concentració c. Els esmentats autors han comprovat que existeix una relació lineal entre la concentració i (f – f0): 76

c = a(f – f0 )

Anàlisi de PCB en mostres ambientals La detecció generalitzada de PCB, DDT i altres contaminants en mostres ambientals va donar lloc al fet que la Comunitat Europea intervingués en aquest tema, tot seguint la preocupació dels països membres i els consells i suggeriments dels científics i ecòlegs que ja havien obtingut resultats sobre els nivells de contaminació trobats en alguns punts del mar Mediterrani. El resultat va ser el Conveni de Barcelona del 1976, signat per tots els estats membres de la Comunitat Econòmica Europea i països tercers riberencs de la Mediterrània, en el qual tots els signataris es responsabilitzaven de la protecció d’aquesta conca. Una altra important conclusió d’aquest tractat va ser la posada en marxa del programa MEDPOL per al control del nivell de contaminants en aquest mar mitjançant els mètodes analítics més adequats per a cada tipus de contaminant i de mostra. Un aspecte particular del MEDPOL va ser el programa CATPOL, que havia de servir per analitzar la costa catalana i en el qual va participar l’Institut Químic de Sarrià, concretament, la Secció de Cromatografia, en col·laboració amb l’Institut Espanyol d’Oceanografia,11 que llavors depenia del Ministeri d’Obres Públiques. Aquesta col·laboració va permetre posar a punt, a l’Institut Químic de Sarrià, els mètodes per determinar PCB i DDT en mostres marines i per analitzar dues-centes trenta-set mostres recollides per l’Institut Espanyol d’Oceanografia, corresponents a les campanyes dels anys 1981, 1982, 1983, 1984, 1985, 1986 i 1988. Entre els resultats obtinguts a les campanyes esmentades, destaquen els elevats valors de contaminació en DDT trobats a les mostres de sediments marins del delta de l’Ebre, una contaminació característica de l’activitat agrícola del delta. D’altra banda, són especialment remarcables les 180 ppm de contaminació de PCB trobades en els sediments fluvials de l’Ebre a Flix i les 0,6 ppm de l’entorn del port de Barcelona.


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 77

FIGURA 4. Cromatograma de PCB d’una mescla d’Aroclors. .

FIGURA 5. Cromatogrames dels diferents Aroclors.

Ja als anys vuitanta, es tenia coneixement que la toxicitat dels PCB depenia de l’estructura dels congèneres que contenia el producte contaminant. Aquesta toxicitat es relaciona amb l’estructura més o menys coplanar i amb el nombre d’àtoms

de clor: com més plana és la molècula, més gran és la seva toxicitat. El congènere més tòxic és el 3,3’,4,4’,5-pentaclorobifenil (PCB 126, segons la nomenclatura específica de Ballschmitter).15 Per aquesta raó, interessava molt conèixer la composició en congèneres dels residus de PCB trobats a les diferents mostres. No obstant això, per a aquesta determinació analítica calia disposar de patrons purs de cada congènere. Atesa la pràctica impossibilitat de disposar d’aquests patrons i davant la necessitat de donar alguns resultats sobre les mostres preses, es va decidir prendre com a patrons els Aroclors més comuns.15 D’acord amb aquest objectiu, F. Broto12 va optar per relacionar els perfils dels cromatogrames de PCB d’una mostra ambiental amb els que donaven els cromatogrames dels Aroclors 1242, 1248, 1254, 1260 i 1268, que eren els més utilitzats industrialment i, per tant, els que tenien més probabilitats d’haver-se dispersat en el medi ambient. Les figures 4 i 5 són exemples d’aquests cromatogrames. Per tal d’aconseguir aquesta relació, es va recórrer a l’algoritme de Zobel13 i al mètode Simplex modificat.14 L’un i l’altre algorismes iteratius, per combinació lineal, ajusten la proporció de cada cromatograma dels Aroclors de referència fins a aconseguir reproduir el de la mostra amb la mínima diferència. Per aquest sistema es va poder atribuir una composició, en els Aroclors de referència, de les mostres de sediments i organismes marins preses durant les campanyes del CATPOL. Aquesta informació era d’un valor discutible des del punt de vista de la possible toxicitat de la mostra, però donava possibilitats d’investigar l’origen de la contaminació. No obstant això, malgrat que els PCB eren contaminants permanents al medi

77


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 78

ambient, aquestes substàncies es degraden lentament en funció del seu grau de cloració. Per tant, la desconvolució del cromatograma de la mostra partint dels cromatogrames dels Aroclors implicava la limitació o l’error que els Aroclors patrons no havien sofert una degradació similar a la de la mostra. Malgrat aquesta important limitació, era imprescindible poder pendre suport en un patró com els Aroclors per obtenir una informació quantitativa, ja que es treballava amb l’ECD, que, tal com s’ha vist, es caracteritza per la seva selectivitat i per la limitada linealitat de la resposta. El gran interès que es va generar per la recerca en medi ambient va fer que els organismes internacionals (com el Programa de les Nacions Unides per al Medi Ambient, la FAO i la Comunitat Europea) impulsessin la producció de patrons de substàncies contaminants amb les corresponents validacions i garanties analítiques. Cap a l’inici de la dècada dels noranta, ja va ser possible disposar dels patrons dels dos-cents nou congèneres de PCB. En aquests anys, també es van iniciar els treballs d’intercalibratge entre laboratoris i l’acreditació dels que havien superat satisfactòriament les proves corresponents. Actualment, tots els laboratoris que analitzen mostres ambientals treballen amb patrons dels congèneres dels PCB i donen els resultats amb referència a aquests patrons. No obstant això, en alguns casos, la referència dels resultats als patrons d’Aroclors continua sent útil per a algunes investigacions específiques.

Anàlisi de dioxines (policloro dibenzo-p-dioxines) i furans (policloro dibenzofurans) en mostres ambientals i l’ECD

78

L’accident de Seveso (Itàlia) i l’aparició de noves malalties relacionades amb l’ús de l’agent taronja a la Guerra del Vietnam van posar d’actualitat el tema de les dioxines i els furans com a agents contaminants del medi ambient. A diferència dels DDT i PCB, aquestes substàncies no són productes de tipus industrial. La seva presència al medi ambient és un resultat no desitjat de reaccions de descomposició de diferents productes (reaccions fortuïtes i accidentals, com va ser el cas de Seveso). També es poden originar en fets naturals, com ara en incendis de boscos, o bé es poden formar en incendis d’edificis i d’instal·lacions industrials. Les incineradores de residus, si no estan ben gestionades, també poden produir dioxines que seran arrossegades pels fums i dispersades per l’atmosfera.16

Les dues estructures genèriques de les dioxines (PCDD) i dels furans (PCDF) que s’indiquen a continuació ja insinuen una estabilitat d’aquestes molècules similar a la dels PCB i, per tant, una llarga permanència al medi ambient d’aquests contaminants.

FIGURA 6. Estructura de les dioxines i dels furans.

Tant les dioxines com els furans són substàncies que, per la seva estructura, no ha de sorprendre que siguin el final més estable de múltiples processos de descomposició, quan hi participen l’oxigen i el clor juntament amb una matriu orgànica. Es poden classificar com a compostos no polars i, per tant, s’extreuen de les mostres ambientals amb mètodes similars als PCB, els quals gairebé sempre acompanyen les dioxines com a contaminants. No obstant això, en tenir els PCB una polaritat lleugerament superior, es pot realitzar un fraccionament en columna dels extractes d’ambdós contaminants abans de procedir a la cromatografia de gasos. Com en el cas dels PCB, dels setanta-cinc congèneres de les dioxines i dels cent trenta-cinc dels furans, algunes estructures presenten més toxicitat que d’altres. En concret, les que tenen una major toxicitat, superior a les més perilloses dels PCB, són la 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina i el 2,3,7,8tetraclorodibenzofurà, que es presenten a la figura 7.

FIGURA 7. Estructura de la 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina i del 2,3,7,8-tetraclorodibenzofurà.

La TDI (tolerable daily intake, ‘ingesta màxima tolerable’) per a l’espècie humana és d’entre 1 i 4 ng per kg de pes corporal i dia. Per poder assegurar que no se supera aquesta TDI, els controls a realitzar van exigir recórrer a les tècniques analítiques


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 79

més potents, com la cromatografia de gasos acoblada a l’espectrometria de masses d’alta resolució. Atenent que l’ECD té un límit de detecció de l’ordre de la dècima de picogram per al lindane, s’arriba a la conclusió que aquest detector treballaria al límit de les seves possibilitats per a les anàlisis de dioxines i furans, especialment, si tenim present la talla màxima de mostra que es pot sotmetre al procés analític, malgrat els recursos del mateix mètode de concentració dels analits a detectar. D’altra banda, l’espectrometria de masses d’alta resolució, com a detector dels eluats cromatogràfics, permet el registre selectiu dels ions obtinguts a la cambra de ionització. Aquesta possibilitat, juntament amb l’alta resolució, permet guanyar en sensibilitat i en seguretat en la identificació i la determinació dels congèneres de més interès per la seva toxicitat. Per aquesta raó, l’espectrometria de masses acoblada a la cromatografia de gasos s’ha imposat com a tècnica analítica en tots els mètodes oficials per a l’anàlisi de dioxines i furans en mostres ambientals i alimentàries.

La toxicitat dels congèneres de PCB, dioxines i furans Ja s’ha dit que la toxicitat dels bifenils policlorats i de les dioxines i els furans depèn del nombre i de la posició dels àtoms de clor. En el cas del PCB, la situació d’àtoms de clor en ortoprovoca que el pla d’un anell benzènic tendeixi a ser perpendicular respecte de l’altre. La situació extrema es donarà quan les posicions 2 i 6 dels dos anells estiguin substituïdes per àtoms de clor, o sigui, quan totes les posicions orto- tinguin clor. Pel fet de ser aquestes estructures menys planes, aquests congèneres seran menys tòxics.

FIGURA 8. Estructura del 3,3’,4,4’,5-pentaclorobifenil.

congèneres del conjunt de dioxines, els furans i els PCB coplanars. Aquesta taula és fonamental per al càlcul de la concentració de TEQ (toxic equivalent). Cal destacar la gran diferència entre els TEF: des d’1 fins a 10-4 per als furans i les dioxines, i des de 0,1 fins a 10-5 per als PCB. Aquests factors, tal com s’indica a la taula 3, són els mateixos per a mamífers i éssers humans, tot i que diferents per a peixos i aus. Aquestes grans diferències entre congèneres obliguen a una gran sensibilitat i selectivitat de les tècniques utilitzades per a aquestes anàlisis. Tan sols amb la informació que pot donar la cromatografia de gasos d’alta resolució connectada amb l’espectrometria de masses també d’alta resolució és possible separar i quantificar cadascun dels compostos de la taula 3 i, d’aquesta manera, poder obtenir el TEQ o equivalent tòxic de la mostra corresponent, mitjançant la fórmula que consta a continuació. Els valors de TEF es revisen periòdicament.17,18 TEQ=∑[PCDD],*TEFi +∑[PCDF] *TEFJ+∑[PCB]K*TEFk [1] TEQ= i[PCDD],*TEFi + j[PCDF] *TEFJ+ k[PCB]K*TEFk [1] TEQ PCDDi

Equivalent tòxic total de la mostra analitzada. Concentració detectada, en picograms per gram de mostra (pg/g), de cada un dels congèneres de dioxines considerats per l’OMS, que es multiplica pel TEFi corres-

A la llum dels resultats dels estudis toxicològics, l’OMS (Organització Mundial de la Salut) va seleccionar els congèneres amb toxicitat significativa de les dioxines (set congèneres), dels furans (deu congèneres) i dels PCB (dotze congèneres). Els PCB seleccionats s’especificaven com a «coplanars», els quals, tal com s’ha dit, són els més tòxics. En concret, el més tòxic de tots és el 3,3’,4,4’,5-pentaclorobifenil (figura 8). L’OMS també va establir el criteri de la toxicitat equivalent de cada un dels congèneres seleccionats per a cada un dels tres grups de contaminants, tot basant-se en la toxicitat relativa de cada congènere respecte del de màxima toxicitat, al qual correspon el factor 1. D’aquesta forma, es va establir la taula dels TEF (toxic equivalent factors; taula 3) dels vint-i-nou

ponent de cada congènere. PCDFj

El mateix que en el cas anterior, però referit als furans.

PCBk

El mateix que en el cas anterior, però referit als PCB coplanars.

Espectrometria de masses d’alta resolució En aquestes anàlisis de congèneres de dioxines furans i bifenils policlorats, tant la cromatografia de gasos com l’espectrometria de masses treballen a la màxima resolució. Per aquest motiu, la cromatografia de gasos prèvia es realitza amb columnes capil·lars de 60 m de longitud i, en molts casos, cal utilitzar dues fases estacionàries diferents. Generalment, la primera fase emprada és una metilsilicona amb un 5 % de

79


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 80

grups fenil, però, en diverses ocasions, cal repetir la separació cromatogràfica amb una fase estacionària més polar, com ara la cianometilsilicona. Com que la separació completa de tots els congèneres de la taula 3 no s’aconsegueix en cap de les dues fases esmentades, cal recórrer a les dues cromatografies successives, si es pretén la informació cromatogràfica de tots i cadascun dels congèneres. De fet, cal dir que, fins al moment, no hi ha cap fase estacionària capaç de separar tots els disset congèneres de dioxines i furans 2,3,7,8-clorosubstituïts. El congèneres separats i emergents de la columna cromatogràfica entren dins la cambra d’ionització de l’espectròmetre de masses d’alta resolució, que està connectat en línia amb el cromatògraf. La necessitat de l’alta resolució a les anàlisis de dioxines en mostres ambientals es deu, tal com s’ha dit abans, a la complexitat de la mescla a separar i identificar els vint-inou congèneres, juntament amb els corresponents patrons interns, separats de tota la resta dels congèneres possiblement presents a la mostra. Aquests patrons interns, imprescindibles d’acord amb els protocols establerts, garanteixen la traçabilitat de tot el complex procés analític. S’utilitzen com a patrons els mateixos congèneres que estem interessats a analitzar, però marcats amb 13C. La resolució dels espectròmetres de masses usuals (quadrupol, els clàssics de camp elèctric o d’analitzador magnètic) tenen una resolució de l’ordre de 800, la qual cosa vol dir que és possible separar dos ions que tinguin una relació massa/càrrega de 800 i 801. Efectivament, el feix d’ions que arriba al detector té una amplada que, en part, interferirà amb el feix d’ions que corresponen a una relació massa/càrrega immediatament superior o inferior. La resolució entre dos ions consecutius en l’espectre de masses es calcula amb la fórmula següent: M2 + M1 2 R= ≅M 1 M2 – M2 ∆M

80

En aquesta fórmula, M2 i M1 són la relació massa/càrrega de dos ions consecutius en l’espectre amb separació completa. A la figura 9 es presenta la separació de dos ions, de massa/càrrega de l’entorn de 200, amb resolució 1.000 i 10.000. L’augment de resolució no tan sols permet la separació d’ions amb una relació massa/càrrega molt semblant, com en el cas de la figura ∆M = 0,02, sinó que augmenta molt la sensibilitat perquè el feix d’ions que arriba al detector de l’espectròmetre de masses d’alta resolució és molt més estret i,

en conseqüència, el seu perfil és molt més agut. Per a l’anàlisi de dioxines, en la qual cal poder determinar tots els congèneres de la taula 3, cal treballar a una resolució de 10.000. L’alta resolució en espectrometria de masses s’aconsegueix mitjançant els analitzadors dels ions. L’aparell utilitzat en aquest cas és de configuració EBE, que consisteix en una primera etapa de sector o analitzador electrostàtic, una segona d’analitzador magnètic i a la tercera, el darrer analitzador electrostàtic (figura 10). TAULA 4.

Valors de TEF per a dioxines, furans i PCB18

Congènere 2,3,7,8-TCDD 1,2,3,7,8-PeCDD

Mamífers/humans

Peixos

Aus

1

1

1

1

1

1

1,2,3,4,7,8-HxCDD

10–1

5·10–1

5·10–2

1,2,3,6,7,8-HxCDD

10–1

10–2

10–2

1,2,3,7,8,9-HxCDD

10–1

10–2

10–1

1,2,3,4,6,7,8-HpCDD

10–2

10–3

<10–3

OCDD

10–4

<

2,3,7,8-TCDF

10–1

5·10–2

1

1,2,3,7,8-PeCDF

5·10–2

5·10–2

10–1

2,3,4,7,8-PeCDF

5·10–1

5·10–1

1

1,2,3,4,7,8-HzCDF

10–1

10–1

10–1

1,2,3,6,7,8-HxCDF

10–1

10–1

10–1

2,3,4,6,7,8-HxCDF

10–1

10–1

10–1

1,2,3,7,8,9-HxCDF

10–2

10–1

10–1

1,2,3,4,6,7,8-HpCDF

10–2

10–2

10–2

1,2,3,4,7,8,9-HpCDF

10–4

10–2

10–2

OCDF

10–4

PCB 77

10–4

10–4

5·10–2

PCB 81

10–4

5·10–4

10–1

PCB 186

10–1

5·10–3

10–1

PCB 169

10–2

5·10–5

10–3

PCB 105

10–4

< 5·10–6

10–4

PCB 114

5·10–4

5·10–6

10–4

PCB 118

10–4

< 5·10–6

10–5

PCB 123

10–4

5·10–6

10–5

PCB 156

5·10–4

< 5·10–6

10–4

PCB 157

5·10–4

<

5·10–6

10–4

PCB 167

10–5

<

5·10–6

10–5

PCB 189

10–4

< 5·10–6

10–5

<

<

<

10–4

10–4

10–4

10–4

Normalment, quan es pretén aconseguir la ionització per impacte electrònic, el compost se sotmet a un feix d’electrons de 70 eV a la cambra d’ionització. Amb això es provoca la ionització de la molècula i la descomposició de l’ió molecular. En el


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 81

FIGURA 9. Comparació de resolució màssica 1.000 i 10.000.

cas de l’anàlisi dels congèneres de dioxines, furans i PCB, interessa que, en el corresponent espectre de masses, tingui prevalença l’ió molecular. Per aquest motiu, la cambra d’ionització treballa a l’entorn d’uns 30 eV. Cal recordar que l’energia d’ionització de les substàncies orgàniques és de l’ordre de 10 eV; per tant, la tensió de 30 eV a la cambra d’ionització de l’espectròmetre de masses d’alta resolució és garantia que aquests congèneres, quan surtin de la columna cromatogràfica, s’ionitzaran, però el petit excés d’energia no produirà una gran varietat de fragments de l’ió molecular. Aquesta particularitat facilita el fet de treballar amb registre selectiu d’ions a través dels ions moleculars i permet guanyar sensibilitat en la detecció. D’altra banda, l’especial composició isotòpica del clor donaria, per a cada ió molecular, com a mínim dos pics amb relació massa/càrrega M i M+2, si el congènere en qüestió tingués tan sols un àtom de clor. Amb la multiplicitat d’àtoms de clor dels diferents congèneres, l’entorn de l’ió molecular es complica; a més, cal tenir en compte la presència dels congèneres marcats amb 13C.

entren dins la cambra de ionització de l’espectròmetre de masses d’alta resolució, és un dels recursos de l’espectrometria de masses d’alta resolució per augmentar la sensibilitat. Per tal que l’espectròmetre de masses d’alta resolució pugui passar de focalitzar un ió Mi, que interessa, a un altre Mj, que també interessa, cal que el camp magnètic B (figura 10) o bé el camp elèctric E s’ajustin al valor adequat perquè el feix de cada ió coincideixi amb l’escletxa del detector. Aquest ajust

El registre selectiu d’ions múltiple El fet de poder registrar selectivament diferents ions, que corresponen a les diverses substàncies que surten del CG i que

81 FIGURA 10. Esquema d’un espectròmetre de masses d’alta resolució amb configuració EBE.


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 82

s’ha de realitzar en un lapse de temps inferior a la diferència de temps de retenció de dos congèneres consecutius en l’elució cromatogràfica. El temps d’ajust del camp magnètic és més llarg que el del camp elèctric, que és pràcticament instantani. Per a compostos amb temps de retenció pròxims (i, per tant, amb ions moleculars semblants), la modificació de la focalització es realitza a través de modificacions del camp elèctric (E), tot mantenint constant el valor del camp magnètic del segon sector (B). Quan els ions a focalitzar corresponen a compostos de temps de retenció molt diferents i, per tant, amb ions moleculars molt diferents, cal variar el valor del camp magnètic. Tot aquest procés es realitza mitjançant el corresponent programa de l’ordinador de control, dins el qual s’han introduït els valors de massa/càrrega dels ions a registrar selectivament. No cal dir que el mateix ordinador, amb el corresponent programari, permet tractar adequadament tota la informació que ofereix el cromatograma de registre selectiu dels ions escollits per obtenir la informació analítica desitjada per poder elaborar l’informe corresponent.

aquests patrons patiran les mateixes pèrdues que els analits, ja que són químicament idèntics a aquests i separables en l’espectròmetre de masses pel fet de ser de 13C12, en lloc de 12C . Els analits es podran referir quantitativament a la mos12 tra per relació amb els patrons en el cromatograma, registrat a l’espectròmetre de masses d’alta resolució, atès que es coneix la quantitat exacta dels patrons que s’han introduït a l’alíquota de la mostra.

Preparació de la mostra La primera etapa consisteix a extreure els contaminants de la mostra (dioxines, furans i PCB), que, pel seu caràcter lipòfil, s’extreuen amb Soxhlet i un solvent apolar. L’extracte obtingut es purifica i es fracciona en una columna de Florisil o carbó. S’obté una primera fracció amb els PCB, que són els més apolars, i una segona fracció amb les dioxines i els furans. L’esquema de la figura 11 informa sobre el mètode d’obtenció de l’extracte d’aquests contaminants de la mostra. Al final d’aquest procés d’extracció, es disposa de dos extractes: un que conté els PCB i un altre en el qual hi ha les dioxines i els furans. Després d’eliminar acuradament les restes de l’últim dissolvent amb corrent de N2, es disposa d’un extracte d’uns 15-20 µl de cada fracció.

82

Per a una valoració quantitativa de màxima fiabilitat, cal la utilització de dos patrons interns. El primer és una barreja de patrons dels congèneres que es volen determinar, marcats amb 13C i de concentració coneguda. Un volum acuradament mesurat de la dissolució d’aquests patrons s’afegeix a una alíquota de la mostra a analitzar. Aquests patrons tenen com a finalitat resoldre el problema de la pèrdua d’analits al llarg del procés d’extracció, purificació i fraccionament, atès que

FIGURA 11. Esquema de l’anàlisi de dioxines, furans i PCB.

El segon patró intern, o «patró de xeringa», té com a objectiu reduir la incertesa de la quantitat d’extracte injectada al CG, que normalment és d’entre 1 i 5 µl, que es mesuren amb un error considerable. El «patró de xeringa» consisteix en dos congèneres determinats, també marcats amb 13C12, que no formen part de l’altre patró, i s’addiciona en una quantitat perfectament coneguda a l’últim extracte d’uns 15 µl immediatament abans de ser injectat al cromatògraf. Al cromatograma es determina quantitativament la relació del senyal dels analits i dels patrons. Mitjançant els patrons addicionats a l’alíquota de la mostra, s’obté la concentració dels contaminants a la mostra objecte de l’anàlisi, mentre que, en saber la


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 83

quantitat de «patró de xeringa» addicionada a l’extracte, s’obté amb una precisió acceptable la recuperació.

D’on procedeix la majoria de les mostres que poden contenir dioxines, furans i PCB? En el medi ambient, les dioxines i els furans es troben en quantitats molt baixes, ja que es produeixen, o s’han format, a causa de fenòmens naturals que generen aquestes substàncies en quantitats molt petites. No obstant això, els éssers humans podem generar aquests contaminants amb el nostre comportament, tal com s’ha dit anteriorment. La contaminació per PCB és quasi exclusivament de tipus antropogènic, més concretament, provocada per les activitats de tipus industrial. El cas de la contaminació per DDT també és de tipus antropogènic, si bé la seva dispersió està relacionada amb l’activitat agrícola i, indirectament, amb la sanitària. Per aquestes raons, entre d’altres, s’investiga especialment la presència de dioxines, furans i PCB en: – Emissions atmosfèriques (especialment, de plantes incineradores de residus). – Residus en general (cendres, afluents aquosos, fangs de depuradora, etc.). – Sòls, sediments fluvials o marins, vegetació en general de zones especialment sensibles. – Aire (especialment, de zones urbanes i industrials). – Productes d’alimentació humana i animal (pinsos i matèries primeres per a la seva producció i aliments per al consum humà).

Un cas concret: presència de dioxines i furans en mostres de formatge mozzarella Entre el març i l’abril de 2008, es va disparar l’alerta sobre la presència de dioxines i furans en mozzarelles italianes. Cal remarcar que aquest formatge és de gran consum a Itàlia i també un important producte d’exportació. L’origen de la mozzarella i el principal lloc de producció és la Campània, amb Nàpols com a capital. Deixant a part el consum directe d’aquest formatge, cal recordar que és un dels principals ingredients de la pizza. Per tant, la possible presència de dioxines a la mozzarella va crear una gran inquietud, especialment a Itàlia, un país ja escarmentat pels casos de cloracne causats pel núvol tòxic que contenia dioxines i furans produït en l’accident de la planta detriclorofenol de Seveso. Com a resposta a aquesta alarma, estesa a tot Europa, a l’Institut Químic de Sarrià es va decidir de realitzar un control de les mozzarelles que es trobaven al mercat. Es van comprar onze mozzarelles en establiments de Barcelona. L’origen de les mostres va ser el següent: tres d’Espanya, una de Dinamarca i set d’Itàlia. De les onze, quatre procedien de llet de búfala i set, de llet de vaca. Les mostres es va analitzar d’acord amb el mètode que s’ha comentat. Els resultats van posar de manifest que, si bé es van trobar dioxines i furans en totes, en cap d’elles no s’arribava al nivell d’alerta de 2 pg TEQ/ g de greix i, per tant, encara menys al nivell màxim permès de 3 pg TEQ/ g de greix. No obstant això, es va veure que, d’entre les mostres analitzades, les

83 FIGURA 12. Resultats obtinguts en les anàlisis de formatge mozzarella, comparades amb els nivells d’intervenció i màxims i comparades per tipus de llet.


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 84

FIGURA 13. Perfils dels congèneres 2,3,7,8-clorosubstituïts de les mostres de: a) mozzarella de búfala i b) mozzarella de vaca.

obtingudes de llet de búfala (mostres 8, 9, 10 i 11) tenien uns nivells més alts que les de llet de vaca. Als gràfics de la figura 12 es representen aquests resultats. A la figura 13 es representen els perfils dels congèneres 2,3,7,8-clorosubstituïts, que són els més tòxics, a les mozzarelles de búfala i de vaca. S’hi observa que, en el cas de les búfales, predominen els furans de baix grau de cloració, mentre que, en el de les vaques, les dioxines d’alt grau de cloració són les predominants. El perfil detectat a les mozzarelles de búfala recorda en gran mesura els perfils detectats en mostres de contaminació ambiental per dioxines i furans. La figura 14 correspon a una

84 FIGURA 14. Búfals pasturant.19

fotografia de búfales en el seu ambient natural de pastura, la qual cosa pot insinuar una possible major absorció de contaminants lipòfils del medi ambient per part d’aquests bòvids.

Referències i altres fonts [1] <http://es.wikipedia.org/wiki/cloro> [23/02/2010] [2] Carlson, R. Silent spring. Houghton Mifflin: Boston, 1962. [3] UNEP Chemicals. Regionally Based Assessment of Persistent Toxic Substances. <http://www.chem.unep.ch/pts> [4] Bernes, C. Persistent Organic Pollulants. Swedish Environmental Protection Agency: Estocolm, 1990. [5] Rodríguez Larena, M. C. Tesi doctoral, IQS, Universitat Ramon Llull, 1996. [6] Broto Puig, F. Tesi doctoral, IQS 1992. [7] Lovelock, J. E.; Lipsky S. R. J. Am. Chem. Soc. 1960, 82, 431. [8] Lovelock, J. E. Gaia, una nueva visión sobre la Tierra. Orbis: Barcelona, 1985. [9] Tsi, A. Treball final de carrera. IQS, 1984. [10] Maggs, R. J.; Joynes, P. L.; Davies, A. J.; Lovelock J. E. Anal. Chem. 1971, 43, 1966. [11] Gassiot, M.; Díaz-Marot, A.; Viñals-Aznar, P.; Ros, J. Bol. Inst. Oceanog. 1984, 1, 141. [12] Vegeu ref. 6. [13] Zobel, M. G. R. J. Assoc. Off. Anal. Chem. 1974, 57, 791. [14] González–Sabaté, L. Tesi doctoral. IQS, 1983.


SCQ_10_09_09 20/09/12 16:57 Página 85

[15] Ballschmitter, K.; Bacher, R.; Mennel, A.; Fischer, R.; Riehle, U.; Swerev, M. J. High Resol. Chromatogr. 1992, 15, 260. [16] Jover, E. Revista de la Societat Catalana de Química 2007, 8, 55. [17] NATO/CCMS (North Atlantic Treaty Organization, Committee on the Challenges of Modern Society). International toxicity equivalency factor (I-TEF) method of risk assessment for complex mixtures of dioxins and related compounds. Informe núm. 176, 1988.

M. Gassiot

J. Díaz

[18] Berg, M. van den; Birnbaum, L.; Bosveld, A. T. C.; Brunström, B.; Cook, P.; Feeley, M.; Giesy, J. P.; Harnberg, A.; Hasegawa, R.; Kennedy, S. W.; Kubiak, T.; Larsen, J. C.; Leeuwen, F. X. R. van; Liem, A. K. D.; Nolt, C.; Peterson, R. E.; Poellinger, L.; Safe, S.; Schrenk, D.; Tillitt, D.; Tysklind, M.; Younes, M.; Waern, F.; Zacharewski T. Environ. Health Perspect. 1998, 106, 775. [19] <http://es.wikipedia.org/wiki/Bubalus_bubalis> [23/02/2010]

F. Broto

L. Comellas

Miquel Gassiot és professor emèrit de la Universitat Ramon Llull a l’IQS, Departament de Química Analítica, i acadèmic numerari de la RACA de Barcelona. Jordi Díaz és professor titular de la Universitat Ramon Llull a l’IQS, Departament de Química Analítica, i cap del Laboratori de Dioxines de l’IQS. Francesc Broto és professor catedràtic de la Universitat Ramon Llull a l’IQS, Departament de Química Analítica, i cap de la Secció de Cromatografia de l’IQS. Lluís Comellas és professor catedràtic de la Universitat Ramon Llull a l’IQS, Departament de Química Analítica, i vicerector de Recerca i Innovació de la mateixa Universitat.

85


SCQ_10_10_10 20/09/12 17:00 Página 86

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 86-93 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

DOI: 10.2436/20.2003.01.32

ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Interacció entre filtres solars Sunscreen interactions Mireia Marín,a Virginie Lhiaubet-Vallet,a Òscar Jiménez,b Olga Gorchs,b Carles Trullasb i Miguel Ángel Mirandaa,* aUniversitat Politècnica de València–CSIC. Institut de Tecnologia Química bISDIN, SA. Dermopharmaceutical Discovery Unit, Barcelona

Resum. Els protectors solars s’utilitzen per protegir la pell de la radiació solar ultraviolada (UV), particularment, de l’UVA i l’UVB. Una característica important que hauria de tenir un filtre solar és la fotoestabilitat, és a dir, després d’irradiar un filtre UVA o UVB, aquest hauria de romandre invariable. Tanmateix, molts filtres presenten una certa reactivitat. Un conegut exemple és el del tert-butilmetoxidibenzoilmetà (BM-DBM, també conegut com a avobenzona), que, malgrat la seva fotolabilitat, és un filtre UVA utilitzat habitualment. En la formulació de molts protectors solars, s’utilitzen almenys dos filtres, per tal de cobrir tot l’espectre UV. Això pot donar lloc o bé a un efecte sinergètic que afavoreix la fotoestabilització dels filtres, o bé a una acceleració de la descomposició d’aquests. La millora de l’estabilitat dels filtres solars UV rau en el fet d’entendre les propietats fotoquímiques i fotofísiques d’aquestes combinacions de filtres. Tot i això, fins ara no existia una metodologia generalment acceptada per tal d’estudiar de manera sistemàtica els efectes d’aquestes combinacions. En aquest treball, s’ha centrat l’atenció en l’estudi de les interaccions de l’avobenzona combinada amb sis filtres UV comercials. A partir d’aquests compostos, s’ha dissenyat una estratègia per tal d’investigar la fotoestabilitat dels protectors solars d’una manera més sistemàtica, tot tenint en compte els diferents processos que es poden donar considerant aquestes combinacions. Paraules clau: Fotòlisi de flaix làser, filtres UV, avobenzona, oxigen singlet, estat excitat triplet, fotoestabilitat.

Abstract. Sunscreens are used to protect against ultraviolet (UV) radiation reaching earth i.e. UVA and UVB regions of the solar spectrum. Among the different characteristics a sunscreen should possess, photostability is important not only to maintain an efficient protection along exposition time but also to avoid adverse effects like phototoxicity and photoallergy. However, many filters are photoreactive. This is the case of the well-known tert-butylmethoxydibenzoylmethane (BM-DBM, also known as avobenzone) which, in spite of its photolability, is a widely used UVA filter. In sunscreen formulation, at least two filters are generally present in order to cover all the UV spectra. This could produce a synergistic effect that favours filter stabilization or, on the other hand, could accelerate filter decomposition. Thus, improvement of UV filter stability is a key factor in sunscreen development that relies on the understanding of photochemical and photophysical properties of the filter combination. However, until now a general methodology to study systematically these combinations does not exist. In this work, we have focused the attention on the interactions between avobenzone and six commercial UV filters. In order to investigate the photostability of sunscreens in a more systematic way, the designed strategy takes into account all the different processes that could occur between the different single components. Keywords: Laser flash photolysis, UV-filters, avobenzone, singlet oxygen, triplet excited state, photostability.

El sol i els protectors solars om coneix que la major part de la radiació solar que arriba a la Terra és filtrada per l’atmosfera, sobretot la radiació d’alta energia. No obstant això, una part d’aquesta radiació és capaç de travessar les capes atmosfèriques i arribar fins a la superfície terrestre. És la

H

radiació ultraviolada A i B (UVA: de 400 nm a 320 nm; UVB: de 320 nm a 280 nm). Quan aquesta radiació incideix sobre els éssers humans, pot produir efectes sovint adversos, per exemple, a la pell. A l’estiu, hom pren el sol per bronzejar-se. El bronzejat és la conseqüència de l’augment de producció de melanina, que actua com a pantalla natural del sol. Malgrat això, depenent del tipus de pell, el temps durant el qual es pren el sol, la freqüència, etc., l’exposició a la radiació solar pot causar cremades (eritemes), fotoenvelliment cutani i, fins i tot, es pot arribar a patir càncer de pell (fotocarcinogènesi).

Correspondència: Miguel Ángel Miranda. Universitat Politècnica de València-CSIC. Institut de Tecnologia Química Av. dels Tarongers, s/n. 46022 València

86

Tel.: +34 963 877 809. Fax: +34 963 877 807 A. e.: mmiranda@qim.upv.es

Per tal de protegir-nos de la radiació solar ultraviolada i evitar així aquests efectes sobre la pell, sovint utilitzem filtres solars. Un filtre solar és una molècula capaç d’absorbir llum ul-


SCQ_10_10_10 20/09/12 17:00 Página 87

emetre fluorescència o fosforescència, només «desprenent» calor) i torna invariable a l’estat inicial, de manera que pot tornar a començar el cicle (figura 1). El procés de desactivació ha de ser molt ràpid i calen filtres que no formin espècies intermèdies, és a dir, que siguin estables. Així, doncs, l’estabilitat dels filtres evita altres processos (reaccions de les espècies excitades del filtre amb altres molècules o biomolècules, transferència d’energia a altres espècies, etc.) que poden donar lloc a fototoxicitat i fotoal·lèrgies.1,2,3

FIGURA 1. Esquema del funcionament d’un filtre solar.

traviolada i, en fer-ho, passa a un estat excitat de més energia. Quan torna a l’estat fonamental, idealment ho fa mitjançant processos de desactivació no radiativa (és a dir, sense

Per tant, l’estabilitat (o fotoestabilitat, en aquest cas, quan hom es refereix a estabilitat davant la llum) és una propietat molt important dels filtres. Tot i que un filtre ideal hauria de romandre invariable quan és exposat a la llum (figura 1), no sempre és així. I és que, de vegades, els filtres mostren una

87 FIGURA 2. Estructures de l’avobenzona (BM-DBM) i dels filtres UV d’estudi.


SCQ_10_10_10 20/09/12 17:00 Página 88

certa fotoreactivitat (és a dir, reaccionen en ser excitats amb llum). N’és un bon exemple el tert-butilmetoxidibenzoilmetà (BM-DBM), més conegut com a avobenzona. Aquesta, malgrat la seva fotolabilitat4,5,6 (és a dir, no roman estable quan se l’exposa a irradiació lumínica), és un dels filtres més utilitzats en formulació de protectors solars.

Filtres combinats: fotoestabilització o fotodescomposició? A la indústria es poden trobar nombrosos tipus de filtres solars. Aquests es poden classificar, per exemple, segons la zona de l’UV on absorbeixen. Des d’aquest punt de vista, es pot parlar de filtres UVA, UVB o d’ampli espectre (que cobreixen totes dues franges de l’UV). En formulació de protectors solars, sovint s’utilitza una combinació d’almenys dos filtres (UVA i UVB) per tal de protegir la pell a tot l’espectre de la llum ultraviolada. La combinació de dos filtres pot donar lloc a un efecte sinergètic que afavoreix la fotoestabilització dels filtres o bé a una acceleració de la descomposició d’aquests. Així, doncs, la millora de l’estabilitat dels filtres solars UV rau en el fet d’entendre les propietats fotoquímiques i fotofísiques d’aquestes combinacions de filtres. Malgrat això, fins ara no hi havia una metodologia generalment acceptada per tal d’estudiar els efectes d’aquestes combinacions de manera sistemàtica. En el treball que aquí es presenta, es proposa una metodologia sistemàtica per estudiar la interacció de l’avobenzona (un dels filtres més emprats) amb un altre filtre UV. Els filtres tinguts en compte, utilitzats amb freqüència en la formulació de protectors solars, són els següents: octil metoxicinamat (1), bis-etilhexiloxifenol metoxifenil triazina (2), octocrilè (3), dietilamino hidroxibenzoil hexil benzoat (4), octil triazona (5) i dioctil butamido triazona (6) (figura 2). Per dur a terme aquest estudi, s’han considerat diferents proces-

sos que podrien tenir lloc entre l’avobenzona i aquests filtres (figura 3). L’estudi d’aquests processos servirà, a més, per avaluar l’estabilitat d’aquestes combinacions de filtres. A continuació, es descriurà la casuística considerada: Procés (I): s’ha descrit a la literatura que, en irradiar l’avobenzona, la forma enòlica tautomeritza a la forma cetònica.7,8 A partir d’aquest tautòmer, poden tenir lloc diferents processos secundaris. Procés (II): quan l’avobenzona, en la seva forma cetònica [BM-DBM(K)], absorbeix llum, pot passar al seu estat excitat triplet [3BM-DBM(K)]. Els estats excitats triplets solen tenir un temps de vida llarg, de manera que tenen temps d’interaccionar amb altres molècules i poden produir, així, reaccions que de vegades no són desitjades. Procés (III): des de l’estat triplet, la BM-DBM(K) pot formar diferents fotoproductes4–6 que, alhora, també poden donar altres reaccions. Procés (IV): a més, el 3BM-DBM(K), en contacte amb oxigen, pot produir oxigen singlet (1O2).9 Aquesta és una espècie excitada d’oxigen que ha estat objecte de nombrosos estudis pel fet de ser molt reactiva amb biomolècules, entre d’altres. Procés (VI): en presència d’un altre filtre, es pot donar una transferència d’energia entre el 3BM-DBM(K) i la nova molècula. D’aquesta manera, es formaria l’estat excitat triplet del filtre (3Filtre) i el triplet de l’avobenzona es desactivaria (tornaria a l’estat fonamental). Procés (VII): el 3Filtre, al seu torn, podria donar lloc a altres productes de fotodescomposició. A més, aquest segon filtre, en presència d’1O2 (que s’hauria generat en el procés IV), podria donar lloc a dos processos ben diferents: – D’una banda, podria desactivar aquesta espècie reactiva d’oxigen, la qual cosa seria un mecanisme favorable (procés VIII). – De l’altra, podria reaccionar amb aquest oxigen singlet per donar lloc a diferents productes de fotooxidació (procés IX).

88

FIGURA 3. Esquema dels diferents processos implicats en la fotoestabilitat d’una combinació de dos filtres UV en la qual un d’ells és l’avobenzona.

Procés (V): l’últim cas que s’ha tingut en compte és que la BM-DBM(E), en interaccionar amb l’oxigen singlet, es podria també degradar i donar lloc a diferents productes de fotooxidació.


SCQ_10_10_10 20/09/12 17:01 Página 89

Així, doncs, l’objectiu d’aquest treball és estudiar, a través d’una metodologia sistemàtica, l’estabilitat dels sistemes combinats de dos filtres solars UV quan un d’ells és l’avobenzona. Es detallarà, a continuació, tot l’estudi sistemàtic suara presentat.

que en algunes combinacions es forma més quantitat de BM-DBM(K) que en d’altres. De fet, són els filtres 2, 4 i 5 els que eviten més la formació d’aquest tautòmer.

Procés (I): tautomerització de l’avobenzona L’avobenzona, en formulació de protectors solars, està en la seva forma enòlica. No obstant això, en absorbir llum ultraviolada, es produeix una tautomerització a la seva forma cetònica. La implicació més «visual» d’això és que el seu espectre d’absorció passa de tenir un màxim centrat a la zona de l’UVA (al voltant de 355 nm), en estar centrat a longituds d’ona més energètiques (al voltant de 280 nm), de manera que deixa així desprotegida la zona UVA (figura 4).

FIGURA 5. Espectres d’absorció: diferència de l’avobenzona irradiada en acetonitril. Cada traç correspon a la diferència entre l’espectre de la mostra irradiada i l’inicial sense irradiar. La irradiació s’ha dut a terme periòdicament, durant 45 min.

FIGURA 4. Espectres d’absorbància de la BM-DBM(E) i la BM-DBM(K)-Me (avobenzona metilada en la posició a del carbonil). S’ha utilitzat aquesta darrera espècie per mesurar les propietats l’avobenzona cetònica, ja que fixa el tautòmer dicetònic.

En aquest apartat es vol veure si, en combinar l’avobenzona amb els diferents filtres, aquests són o no capaços d’evitar o de minimitzar la tautomerització. Per tal d’estudiar-ho, es combina l’avobenzona amb cada filtre, s’irradia el sistema amb llum UVA i es monitoren els canvis mitjançant l’enregistrament d’espectres d’absorció. El que s’observa és que, a mesura que s’irradia el sistema, la banda de l’UVA (forma enòlica) desapareix, mentre que la banda més energètica (forma cetònica) augmenta (figura 5). És a dir, es degrada la BM-DBM(E) per formar BM-DBM(K). Si es compara la formació de la BM-DBM(K) en presència dels filtres representant l’absorbància a 280 nm al llarg del temps d’irradiació (figura 6), es pot observar (pel plateau)

FIGURA 6. Augment de la banda de 280 nm en presència i absència dels diferents filtres UV, representat en funció del temps d’irradiació.

Procés (II): formació del triplet de la BM-DBM(K) A continuació, s’avaluarà la formació de l’estat triplet de l’avobenzona cetònica en aquests sistemes combinats de dos filtres. Aquest punt és important perquè, tal com s’ha detallat anteriorment, des d’aquest estat triplet es poden donar nombrosos processos secundaris no desitjats. Cal aclarir, en aquest moment, que les mesures de l’avobenzona en forma cetònica s’han fet sempre utilitzant l’avobenzona metilada en la posició a dels carbonils [BM-DBM(K)-Me], ja que aquesta fixa el tautòmer dicetònic.9

89


SCQ_10_10_10 20/09/12 17:01 Página 90

Per tal d’enregistrar el senyal del 3BM-DBM(K), s’utilitza la tècnica de fotòlisi de flaix làser. Aquesta tècnica permet mesurar tant els espectres d’absorció d’espècies transitòries (com ho és un triplet) com els decaïments temporals d’aquestes espècies. Per tant, en un medi que conté avobenzona cetònica, s’afegeixen concentracions creixents dels diferents filtres i s’enregistren els senyals obtinguts de 3BM-DBM(K) amb la tècnica esmentada. En essència, el que s’observa, tal com es veu a la figura 7 (exemple per al filtre 2), és que la intensitat del senyal de 3BM-DBM(K) disminueix a mesura que augmenta la concentració del filtre en qüestió. És a dir, els filtres eviten (almenys en part) la formació del triplet de l’avobenzona cetònica.

concentració de filtre afegida, s’obtenen els gràfics de la figura 8. En aquests, un pendent més acusat de la recta indica que el filtre corresponent té una major capacitat de protecció enfront de la formació del 3BM-DBM(K) i, per tant, una major capacitat de protegir els consegüents processos no desitjats. L’ordre quant a capacitat de protecció és el següent: 5 ≈ 6 > 2 > 3 ≈ 4 > 1.

Processos (III), (IV) i (V): fotoreactivitat del 3BM-DBM(K) Aquests processos no s’estudien en aquest treball, ja que han estat prèviament descrits a la literatura. Així, el procés (III) correspon sobretot a una fragmentació oxidativa iniciada per un mecanisme de Norrish tipus II.4 A més, el 3BM-DBM(K) també reacciona amb oxigen per formar 1O2, amb un rendiment quàntic de ∅∆= 0,3 (procés IV).9 Finalment, la fotoreactivitat de l’1O2 amb la forma enòlica de l’avobenzona ha estat descrita també a la literatura.4,10,11 A grans trets, aquesta reactivitat implica la formació de diferents tipus de peròxids i els seus productes de ruptura.

Procés (VI): desactivació del 3BM-DBM(K)

FIGURA 7. Decaïments temporals de la 3BM-DBM(K)-Me monitorats a 380 nm en absència de filtre (creus) i en presència del filtre 2 (rombes buits), en una proporció 1:1 pes/pes. Requadre: espectre d’absorció triplet-triplet de l’avobenzona metilada en acetonitril i sota atmosfera inert.

En aquest apartat s’estudiarà si els diversos filtres són capaços de desactivar el triplet de l’avobenzona. Per tal d’enregistrar el senyal d’aquest triplet, s’utilitzarà, igual que abans, la tècnica de fotòlisi de flaix làser. Per tant, en un medi que conté avobenzona cetònica, s’afegeixen els diferents filtres i s’avalua l’efecte que això té sobre el senyal del 3BM-DBM(K). En general, s’observa que, a mesura que augmenta la concentració del filtre en qüestió, el temps de vida del 3BM-DBM(K) disminueix. TAULA 1.

Constants de desactivació del 3BM-DBM(K) per als filtres UV

Filtre

Kq / 109 M-1 s-1

1

7,3

2

1,9

3

2,8

4

1,8

5

6

FIGURA 8. Amplituds normalitzades dels senyals del 3BM-DBM(K)-Me en presència dels diferents filtres UV (1-6) en funció de la concentració d’aquests. La normalització està referida al senyal inicial en absència de filtre.

90

Si es quantifica aquesta disminució del senyal del 3BMDBM(K) representant la intensitat d’aquest senyal versus la

Això indica que aquest triplet es desactiva a causa de la presència del filtre. Aquesta desactivació s’ha avaluat per a cada filtre mitjançant el càlcul d’un paràmetre que es coneix com a constant de desactivació (kq). Les constants de desactivació


SCQ_10_10_10 20/09/12 17:01 Página 91

del 3BM-DBM(K) obtingudes es mostren a la taula 1. D’aquests valors, cal destacar que, excepte per als filtres 5 i 6, en els quals els senyals s’obtenien poc clars i amb interferències, els filtres 1, 2, 3 i 4 desactiven el triplet de l’avobenzona cetònica d’una manera eficient.

Procés (VII): estabilitat del 3Filtre Tal com s’ha descrit anteriorment, quan el filtre interacciona amb el triplet de l’avobenzona i el desactiva, ho fa a través d’un procés de transferència d’energia. A partir d’aquest procés, es forma el triplet del mateix filtre (3Filtre). És important estudiar l’estabilitat d’aquest triplet, ja que el fet que aquest fos reactiu podria donar lloc a nombrosos processos secundaris. En aquest apartat s’avaluarà, doncs, si els filtres UV que s’estudien són estables des d’aquest punt de vista. Per fer-ho, es forma el triplet del filtre a través d’un procés anomenat fotosensibilització. En aquest cas, aquest procés es duu a terme introduint acetona en un medi que ja conté el filtre i irradiant aquesta acetona selectivament. Amb això s’aconsegueix que es formi el triplet de l’acetona, que té una energia molt alta. Des d’aquest triplet, es produeix una transferència d’energia al filtre, de manera que es forma el 3Filtre (figura 9).

FIGURA 10. Descomposició dels diferents filtes UV fotosensibilitzats per acetona. Els valors d’absorbància relativa que es presenten fan referència a 30 min d’irradiació del sistema.

(procés IV). És important el fet d’estudiar l’efecte d’aquesta espècie (altament reactiva) sobre els filtres. Des d’aquest punt de vista, s’han considerat, tal com ja s’ha assenyalat, dues possibilitats: – D’una banda, els filtres podrien ser capaços de desactivar l’1O2 de manera «neta», és a dir, sense degradar-se ells mateixos. – De l’altra, els filtres, en contacte amb aquest 1O2, podrien donar lloc a productes de fotooxidació. Per tal d’estudiar si els filtres són capaços de desactivar l’1O2, es genera aquesta espècie utilitzant perinaftenona com a fotosensibilitzador i es monitora la seva fosforescència en forma de decaïment temporal a 1.270 nm. En general, s’observa que el temps de vida de l’1O2 disminueix en afegir els filtres (a la figura 11, es veu un exemple per al cas del filtre 6), és a dir, l’1O2 es desactiva. Aquesta desactivació es pot quantificar

FIGURA 9. Esquema del procés de fotosensibilització del filtre utilitzant acetona com a fotosensibilitzador.

Per tal d’avaluar la degradació d’aquest filtre sota aquestes condicions, se’n mesura l’absorbància al llarg del temps d’irradiació de l’acetona. Després de trenta minuts d’irradició, la degradació de cada filtre és la que es presenta a la figura 10. Aquest gràfic de barres permet veure que els filtres que més es degraden són l’1, el 4, el 5 i el 6; en canvi, els més fotoestables són el 2 i el 3.

Processos (VIII) i (IX): filtres + 1O2 Tal com s’ha comentat anteriorment, el 3BM-DBM(K), en contacte amb oxigen molecular, és capaç de generar 1O2

FIGURA 11. Decaïments temporals de fosforescència de l’oxigen singlet monitorats a 1.270 nm en absència (creus) o presència (rombes buits) del filtre 6.

91


SCQ_10_10_10 20/09/12 17:01 Página 92

FIGURA 12. Canvis en l’espectre d’absorbància de l’antracè a mesura que es forma 1O2.

FIGURA 13. Descomposició dels filtres UV 3-6 deguda a la presència d’1O2 al medi (format per fotosensibilització). La descomposició de l’antracè sota les mateixes condi-

mitjançant els càlculs de les constants de desactivació. Com més gran sigui aquesta constant, els filtres desactivaran l’1O2 d’una manera més eficient. Per als filtres 5 i 6, les constants de desactivació es troben al voltant de 2 × 108 M-1s-1; per als filtres 3 i 4, són de l’ordre de 106 M-1s-1, i per als filtres 1 i 2, no es detecta cap desactivació. Amb aquests resultats, s’ha volgut estudiar si els filtres que són capaços de desactivar l’1O2 (és a dir, els filtres 3, 4, 5 i 6), en fer-ho, es degraden. Per fer això, es genera 1O2 amb tetrametilporfina (TMP) com a fotosensibilitzador. Tot plegat es fa de la manera següent: s’afegeix TMP en un medi que conté el filtre i que, a més, està saturat d’O2; s’irradia selectivament la TMP de manera que, a través d’un procés de fotosensibilització, es forma 1O2 a partir de l’oxigen del medi; a mesura que s’irradia la TMP i es forma aquest 1O2, es monitoren els canvis en el filtre a través de l’enregistrament d’espectres d’absorció. Per veure què es pot esperar, es fa l’experiment descrit amb una espècie que se sap del cert que es degrada en reaccionar amb l’1O2: l’antracè. Si es monitoren els espectres d’absorbància de l’antracè a mesura que s’irradia la TMP en un sistema com el que s’ha explicat, es veu com, a causa de la formació d’1O2, l’espectre de l’antracè disminueix (figura 12). L’antracè, doncs, es degrada.

92

Així, es pren l’antracè com una espècie de referència i es compara amb el que ocorre amb els filtres en les mateixes condicions. Per fer-ho, es representen els màxims d’absorbància per a cada espècie enfront del temps d’irradiació i s’obté el que es veu a la figura 13. Tal com es pot comprovar, l’absorbància

cions ha estat inclosa a la figura per tal de poder comparar-la amb el que els succeeix als filtres.

dels filtres no varia a mesura que es forma 1O2, és a dir, no s’observa cap degradació dels filtres a causa de la interacció amb l’oxigen singlet.

Conclusions Com a conclusió d’aquest treball, es pot extreure, en primer lloc, que s’ha aconseguit establir una metodologia sistemàtica per tal d’estudiar les interaccions filtre–filtre en una combinació de filtres solars en la qual l’un és l’avobenzona (un dels filtres més emprats en formulació). Aquesta metodologia està relacionada, tal com s’ha vist, amb l’avaluació de la fotoestabilitat d’aquesta combinació de filtres. Cal dir també que els resultats obtinguts per a aquesta metodologia s’han comparat amb una altra metodologia. Aquesta darrera consisteix a avaluar per HPLC la degradació de cada filtre per separat després d’irradiar la barreja d’ambdós. A la figura 14, en un gràfic de barres, es veuen els resultats de la degradació per a les combinacions de filtres estudiades en aquest treball. Mitjançant aquesta metodologia, s’ha obtingut que les combinacions més estables són les formades per l’avobenzona i els filtres 2 i 3. Això es correlaciona bé amb els resultats obtinguts a l’estudi exposat i permet establir els aspectes més importants a tenir en compte en la ruta mecanística proposada. Així, doncs, per tal que el sistema combinat de filtres sigui estable, és clau que la desactivació del 3BM-DBM(K) sigui eficient i, a més, que en desactivar aquesta espècie, el filtre romangui estable.


SCQ_10_10_10 20/09/12 17:01 Página 93

Figura 14. Percentatge de recuperació dels filtres UV després de 4 h d’irradiació amb un simulador solar. Els filtres han estat irradiats combinats amb la BM-DBM.

Referències [1] Naylor, M. F.; Farmer, K. C. Arch. Dermatol. 1997, 133, 1146. [2] Darvay, A.; White, I. R.; Rycroft, R. J. G.; Jones, A. B.; Hawk, J. L. M.; McFadden, J. P. Br. J. Dermatol. 2001, 145, 601.

M. Á. Miranda

[3] Schauder, S.; Ippen, H. Contact Dermatitis 1997, 37, 221. [4] Schwack, W.; Rudolph, T. J. Photochem. Photobiol. B 1995, 28, 229. [5] Roscher, N. M.; Lindemann, M. K. O.; Bin Kong, S.; Cho, C. G.; Jiang, P. J. Photochem. Photobiol. A 1994, 80, 417. [6] Dubois, M.; Gilard, P.; Tiercet, P.; Deflande, A.; Lefebvre, M. A. J. Chim. Phys. 1998, 95, 388. [7] Cantrell, A.; McGarvey, D. J. J. Photochem. Photobiol. B 2001, 64, 117. [8] Aspée, A.; Aliaga, C.; Scaiano, J. C. Photochem. Photobiol. 2007, 83, 481. [9] Paris, C.; Lhiaubet-Vallet, V.; Jiménez, O.; Trullas, C.; Miranda, M. A. Photochem. Photobiol. 2009, 85, 178. [10] Dondi, D.; Albini, A.; Serpone, N. Photochem. Photobiol. Sci. 2006, 5, 835. [11] Yoshioka, M.; Sakuma, Y.; Saito, M. J. Org. Chem. 1999, 64, 9247.

M. Marín

Miguel Ángel Miranda és professor de química orgànica a la Universitat Politècnica de València i director de l’Institut de Tecnologia Química (UPV-CSIC). Estudià química a la Universitat de València i obtingué el doctorat a la Universitat Autònoma de Madrid el 1978, tot treballant al Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC). Féu dues estàncies postdoctorals a la Universitat de Saarland i a la Universitat de Würzburg (Alemanya). Fou professor associat a la Universitat de València, i el 1990, acceptà el càrrec que té a l’actualitat. Els seus temes de recerca són la fotoquímica i la fotobiologia. El professor Miranda ha rebut el Premi Honda-Fujishima de la Societat Japonesa de Fotoquímica (2007), el Premi Janssen-Cilag de química orgànica de la Reial Societat Espanyola de Química (2008) i el Premi en Memòria de Theodor Förster de la Societat Alemanya de Química i la Societat Bunsen de Físicoquímica (2010). Durant els anys 2009 a 2011, fou president de la Societat Europea de Fotobiologia. Mireia Marín va nàixer a València. Estudià química a l’Institut Químic de Sarrià (Barcelona), on es llicencià el 2005. El seu treball final de carrera tractava dels sensors fotoquímics dirigit pel professor Santi Nonell a l’Institut Químic de Sarrià i obtingué el títol d’enginyera química d’aquesta Universitat l’any 2007. Tot seguit, inicià la seva tesi doctoral (que està finalitzant actualment) en l’àmbit dels fotobiocatalitzadors a l’Institut de Tecnologia Química (UPV-CSIC), amb una beca JAEPredoc i sota la direcció del professor Miranda i la doctora Lhiaubet-Vallet. Durant l’any 2010, va realitzar una estada predoctoral al Departament de Química i Farmàcia de la Universitat d’Erlangen-Nürnberg (Alemanya), en el grup del professor Dirk M. Guldi. El febrer de 2010, va obtenir el premi a la millor presentació del simposi de medi ambient i qualitat de vida otorgat per la Societat Catalana de Química en la VI Trobada de Joves Investigadors dels Països Catalans. 93


SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 94

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 94-101 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

DOI: 10.2436/20.2003.01.33

ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Interaccions anió-p en sistemes biològics Anion-p interactions in biological systems Carolina Estarellas Universitat de les Illes Balears. Departament de Química. Àrea de Química Orgànica

Resum. Les interaccions no covalents són crucials en moltes àrees de la química moderna, especialment al camp de la química supramolecular i del reconeixement molecular. Les interaccions que impliquen sistemes aromàtics són importants forces d’enllaç en sistemes químics i biològics. L’any 2002, tres grups de recerca diferents van demostrar teòricament la interacció entre anells aromàtics electrodeficients i anions. Aquest tipus d’interacció es coneix com a interacció anió-p. El nostre grup de recerca va descriure les interaccions anió-p entre diferents anions i l’hexafluorobenzè, per primera vegada, on l’anió es posicionava al llarg de l’eix C6 de l’anell. La interacció anió-p és dominada per les forces electrostàtiques i el terme de polarització induïda. Actualment, la interacció anió-p està essent reconeguda per la comunitat científica com una interacció no covalent que té implicacions en molts camps de recerca. En aquest treball, volem demostrar la importància de les interaccions anió-p en sistemes més complexos i de rellevància biològica, on l’anió, que es troba formant una interacció anió-p, pot interpretar un paper fonamental en l’acció de determinats enzims. Paraules clau: Càlculs ab initio, interaccions anió–p, sistemes donador-acceptor, models enzimàtics, química supramolecular.

Abstract. Noncovalent interactions are crucial in many areas of modern chemistry, especially in the field of supramolecular chemistry and molecular recognition. Interactions involving aromatic rings are important binding forces in both chemical and biological systems. In 2002, three different research groups have demonstrated theoretically the interaction between electron deficient aromatic ring and anions. This kind of interaction is knowed like anion-p interaction. Our research group described at first, the anion-p interaction between different anions and hexafluorobenzene where the anion is positioned over the ring along the C6 axis. The anion-p interaction is dominated by electrostatic and anion-induced polarization terms. Currently the anion-p interaction is recognized by the scientific community as a noncovalent interaction important in a lot of research fields. In this work we want to demonstrate the importance of the anion-p interactions in more complex and relevant biological systems, where the anion has a key role in the function of determinate enzymes. Keywords: Ab initio calculations, anion–p interactions, donor-acceptor systems, enzyme models, supramolecular chemistry.

Introducció a química supramolecular és un camp interdisciplinari molt actiu que tracta les interaccions no covalents de maneres diferents. D’una banda, aprofita aquest tipus d’interaccions per poder dissenyar arquitectures supramoleculars amb diferents aplicacions. De l’altra, es basa en aquest tipus d’interaccions per poder explicar diferents processos, com el de reconeixement molecular i formació d’estructures macromoleculars, que es basen en interaccions dèbils. És per aquesta raó que la química supramolecular té implicacions en disciplines com la química, la biologia, la física o l’enginyeria. Es poden trobar diferents interaccions no covalents com forces purament electrostàti-

L 94

Correspondència: Carolina Estarellas. Universitat de les Illes Balears. Departament de Química. Àrea de Química Orgànica Campus UIB. Ctra. de Valldemossa, km 7,5. 07122 Palma Tel.: +34 971 173 498. Fax: +34 971 173 426 A. e.: carol.estarellas@uib.es

ques, com la interacció ió-ió o ió-dipol; efectes hidrofòbics o interaccions no covalents que impliquen anells aromàtics, com les interaccions d’apilament p o catió-p, àmpliament reconegudes i descrites com a interaccions estabilitzadores en biomolècules i reconeixement molecular. És ben conegut que les interaccions no covalents desenvolupen un paper molt important en la conformació de les molècules.1 També són rellevants a les reaccions químiques, al reconeixement molecular i als processos de regulació biològica.2 Aquests processos químics es duen a terme amb especificitat i eficiència mitjançant complicades combinacions d’interaccions intermoleculars dèbils de diferents tipus. Les interaccions no covalents, com els enllaços d’hidrogen, catió-p i apilament p, entre altres interaccions dèbils, governen l’organització d’assemblatges supramoleculars multicomponents.3-6 Un profund enteniment d’aquestes interaccions és de gran importància per a la racionalització dels efectes observats en diferents camps, com la bioquímica o les ciències dels materials. Una descripció quantitativa d’aquestes interaccions es


SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 95

pot realitzar mitjançant càlculs mecanoquàntics en un model petit del sistema real.7-9 D’altra banda, el camp de l’enginyeria de cristalls s’està expandint ràpidament com una disciplina global que està essent practicada per molts científics amb diversos interessos sense la limitació de les fronteres interdisciplinàries tradicionals. Es tracta d’avançar mitjançant modelització, síntesi, avaluació i utilització de sòlids cristal·lins amb les funcions desitjades o a partir d’arquitectures topològiques que moltes vegades resulten fascinants.10-19 Però el potencial complet d’aquesta branca multidisciplinària de la ciència encara es troba al seu inici. El principi de síntesi dissenyada de materials funcionals ha de ser racionalitzat, però el fet de garantir l’èxit de qualsevol experiment a l’enginyeria de cristalls té tendència a ser molt difícil de controlar, a causa de la delicada naturalesa del nombre de forces dèbils que competeixen entre elles.17,20 Per tant, la predicció de l’estructura cristal·lina és un exercici formidable i està molt lluny de ser resolt. La clau per a la predicció de l’estructura cristal·lina és l’enteniment precís i el control complet sobre la interrelació de les interaccions dèbils responsables de l’empaquetament cristal·lí, quan un nombre important d’elles està operant simultàniament.20-23 De fet, el nostre grup ha estudiat recentment efectes sinèrgics entre diferents interaccions no covalents i ha obtingut evidències experimentals24 i teòriques25,26 interessants. Les interaccions dèbils dispersives com l’enllaç d’hidrogen,16,27-31 apilament p,32-34 catió-p35 i C-H/p36,37 són molt comunes i reconegudes pels químics supramoleculars. Diversos estudis de les interaccions del núvol p de l’hexafluorobenzè amb diferents molècules electrodonadores van ser descrits per Alkorta et al.38 i Gallivan et al.39 Posteriorment, seguint amb el treball pioner en el qual es descrivien reaccions en fase gas entre anions i l’hexafluorobenzè,40 i mitjançant els mètodes teòrics, Mascal et al.,41 Alkorta et al.42 i el nostre grup43 van quasi simultàniament informar de l’existència d’interaccions favorables entre anions i anells aromàtics electrodeficients, denominada interacció anió-p. Aquesta està dominada principalment per dues forces, l’electrostàtica i la polarització induïda. El terme electrostàtic és racionalitzat mitjançant el moment quadrupolar permanent (Qzz) de l’arè electrodeficient i la polarització induïda està correlacionada amb la polaritzabilitat molecular (a||) del compost aromàtic. Des de llavors, al voltant de vuit anys, les interaccions anióp44,45 han atret una considerable atenció.46 Hi ha molta feina

experimental47-52 i teòrica53-56 que evidencia que la interacció anió-p desenvolupa un paper molt important en diverses àrees de la química, així com al reconeixement molecular57 i al transport d’anions en transmembranes.58,59 La coordinació d’anions és un important repte en la química supramolecular actual. Egli et al. han estès aquest concepte a una forma més general, anomenada interaccions parell solitari-p (l. p.-p).60 Dos exemples importants d’interaccions parell solitari-p en biomacromolècules són els següents: a) l’estabilització de l’estructura de l’ADN tipus Z61,62 i b) les interaccions H2O-p dins un fragment ribosòmic de RNA pseudoknot.63 És més: les interaccions parell solitari-p són fonamentals per a l’estabilització de macromolècules biològiques, de la mateixa manera que per enllaçar inhibidors al centre actiu de receptors bioquímics.64 Molt recentment, Gamez et al.,65 en un article de revisió, han demostrat la utilitat de les interaccions parell solitari-p com un nou enllaç supramolecular, a més de fer una rigorosa anàlisi al Cambridge Structure Database (CSD) que revela que aquesta classe d’interacció no és inusual als compostos orgànics i/o de coordinació, sinó que ha passat desapercebuda en el passat. En aquest treball es mostra de manera experimental i teòrica la importància de les interaccions anió-p i parell solitari-p en sistemes més complexos i de rellevància biològica, en els quals aquestes interaccions, en alguns exemples, són la clau per obtenir un ordenament cristal·lí concret i, en altres casos, alteren la funció biològica de determinats enzims.

Resultats i discussió Aquest apartat es divideix en dos grans blocs. El primer consisteix en l’anàlisi de les interaccions no covalents en l’empaquetament cristal·lí i la influència que poden tenir aquestes interaccions damunt les diferents arquitectures. El segon lloc, posa de manifest la importància de les interaccions no covalents en sistemes més complexos i de rellevància biològica.

1. Interaccions no covalents en l’empaquetament cristal·lí Un estudi interessant dut a terme pel nostre grup de treball ha estat l’anàlisi de raigs X de dos derivats d’uracil: el hexiluracil (1) i el 5-fluoro-1-hexiluracil (2). Les estructures cristal·lines d’aquests compostos posen de manifest que les

95


SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 96

interaccions no covalents implicades tenen una importància fonamental en l’empaquetament cristal·lí. Aquestes interaccions han estat analitzades computacionalment mitjançant la teoria de Bader, atoms-in-molecules (AIM).66 Els compostos 1 i 2 s’obtenen fàcilment de l’uracil o 5-fluorouracil en dues passes. Finalment, s’obtenen cristalls adequats que poden ésser analitzats per difracció de raigs X (esquema 1).

ESQUEMA 1. Ruta sintètica d’1 i 2. FIGURA 1. Empaquetament cristal·lí d’1. Alguns àtoms desordenats s’han omès per claredat.

96

Les estructures de l’estat sòlid d’1 i 2 revelen característiques interessants. Evidentment, les interaccions no covalents més fortes als dos sistemes són els enllaços d’hidrogen complementaris C = O ... H-N. Però hi ha una complicada combinació d’interaccions no covalents més dèbils que governen l’espai tridimensional de les estructures cristal·lines. L’empaquetament cristal·lí del compost 1 (figura 1) és similar a l’estructura d’una bicapa lipídica. Les interaccions que governen la xarxa tridimensional són efectes hidrofòbics i d’apilament p. El compost 2 presenta una estructura cristal·lina fascinant, tal com es pot veure a la figura 2, on l’àtom d’hidrogen s’ha substituït per un àtom de fluor. L’efecte que es produeix a l’estructura és considerable. Passem d’una estructura de tipus bicapa lipídica a una estructura de tipus ziga-zaga. Les responsables d’aquest canvi són les diferents interaccions no covalents. Els enllaços d’hidrogen es formen d’igual manera que al compost 1, entre grups donadors i acceptors d’enllaç d’hidrogen. Els efectes hidrofòbics entre les cadenes alquíliques se segueixen formant, però la interacció d’apilament p desapareix i al seu lloc es troba la interacció parell solitari-p entre un àtom d’oxigen i l’àtom de fluor d’un anell de fluorouracil i el sistema p d’un altre anell. L’àtom de fluor provoca dos efectes. D’una banda, augmenta l’acidesa de l’anell, tot facilitant la interacció l. p.-p. De l’altra, a causa del parell d’electrons solitaris que presenta l’àtom de fluor, pot participar en aquest tipus d’interacció. Aquest cas és un bon exemple del canvi d’arquitectura i de la competició entre la interacció parell solitari i apilament p.

FIGURA 2. Empaquetament cristal·lí de 2. Alguns àtoms desordenats s’han omès per claredat.

S’han realitzat càlculs MP2 per estimar l’energia d’interacció de diferents fragments cristal·logràfics que es troben descrits a la figura 3. La interacció parell solitari-p s’avalua al fragment A i presenta una energia de –4,85 kcal/mol. Al fragment B


SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 97

s’avalua la interacció C-H/p amb un valor de –4,29 kcal/mol. Aquesta és l’energia de dos interaccions C-H/p, la qual cosa vol dir que cada una d’elles aporta 2,15 kcal/mol. Aquesta interacció pot ésser sobreestimada pel fet que els grups metil de la cadena alquílica també interaccionen. És d’esperar que les interaccions alquil-alquil siguin més petites, ja que es poden atribuir principalment a efectes de dispersió. Per corroborar aquest punt, vam fer un càlcul addicional per al fragment B en el qual una de les cadenes alquíliques va ser substituïda per un grup metil. D’aquesta manera, únicament hi ha present la interacció C-H/p, que presenta una energia de –2,03 kcal/mol. Aquest fet indica que la interacció entre les cadenes alquíliques és únicament de 0,12 kcal/mol. Finalment, el fragment C aporta informació sobre el sistema ternari, on coexisteixen les interaccions parell solitari-p i C-H/p, amb una energia de –9,48 kcal/mol. Aquesta energia és més negativa que la suma de les energies d’interacció dels complexos binaris. Això indica un efecte cooperatiu favorable entre ambdues interaccions.

del complex ternari. La distribució de punts crítics per als fragments binaris A i B es manté igual. Els valors dels PC d’enllaç que caracteritzen la interacció parell solitari-p al complex ternari són idèntics als obtinguts per al fragment A; per tant, aquesta interacció no es veu afectada per la presència de la C-H/p. Al contrari, el PC de caixa que caracteritza la interacció C-H/p és major al complex ternari que al sistema binari, tot indicant que aquesta interacció es reforça al complex ternari. Encara que les variacions són petites, són significatives per a aquest tipus d’interaccions. En conclusió, pel que fa a l’ordenament cristal·lí, els resultats experimentals i teòrics demostren clarament que la combinació d’interaccions dèbils ha de ser analitzada, ja que és molt important al cristall, fins i tot en presència de forts enllaços d’hidrogen.

Figura 4. Vista esquemàtica dels punts crítics (PC). Els PC d’enllaç estan representats en vermell; els PC d’anell, en groc, i els PC de caixa, en verd. Els valors de 102r estan en a. u.

FIGURA 3. Vista parcial de l’estructura de raigs X de 2. Les distàncies estan en Å.

2. Interaccions no covalents en sistemes biològics Un mètode simple per avaluar els efectes cooperatius es basa en la teoria de Bader, AIM.66 La densitat de càrrega al punt crític d’enllaç es pot emprar com a mesura de l’ordre d’enllaç; per tant, la variació d’aquests valors del complex ternari respecte del binari informa del reforçament o del debilitament de les interaccions. S’han fet els càlculs AIM dels fragments A, B i C directament de la geometria dels raigs X. A la figura 4 es pot observar la distribució de punts crítics (PC) per a les interaccions

En aquest apartat es vol destacar la importància de les interaccions no covalents, en concret, de les interaccions anió-p o parell solitari-p, en sistemes biològics rellevants. Durant els darrers anys, han crescut les evidències del fet que aquesta classe d’interaccions dèbils són importants en diferents sistemes d’interès biològic i químic. Egli et al.60 han trobat una interacció parell solitari-p (l. p.-p). Al seu treball es presenta una interacció parell solitari-p entre l’anió fosfat i una adeni-

97


SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 98

FIGURA 5. Esquerra: estructura cristal·lina del centre actiu de la proteïna corresponent al PDB ID 2IBA (ref. 8). Dreta: estructura cristal·lina del centre actiu de la proteïna corresponent al PDB ID 3BJP amb l’anió cianur.

na d’un ARN de transcripció, en la qual es posa de manifest la importància d’aquest tipus d’interaccions, ja que són les responsables del gir en forma de u de l’ARN. Seguint aquesta línia, el nostre grup ha estudiat efectes cooperatius entre les interaccions d’enllaç d’hidrogen, apilament-p i parell solitari-p, a l’ADN de tipus Z. S’ha demostrat que la presència de les interaccions d’enllaç d’hidrogen afavoreixen les interaccions parell solitari-p i viceversa. Altres sistemes biològics que presenten interaccions anió-p són els sistemes dependents de riboflavina, com ara el FAD (flavin adenosin fosfato) i el FMN (flavin mononucleotid), gràcies al fet que presenten a la seva estructura anells electrodeficients. Hem trobat exemples en els quals hi ha més d’un anió interaccionant amb el sistema isoaloxozina.67

98

Un dels casos més interessants és l’obtingut a partir dels resultats a l’estudi teòric en el qual s’analitza la importància de la interacció anió-p a l’enzim urato oxidasa.68 L’urato oxidasa (UOX) pertany a la trajectòria de degradació de la purina. És capaç de catalitzar en presència d’oxigen molecular i aigua la hidroxilació de l’àcid úric a un producte metastable identificat com a 5-hidroxi-isourat, que, una vegada en dissolució, passa lentament a al·lantoïna. Mitjançant estudis experimentals, s’ha demostrat que, en dissolució, l’anió cianur inhibeix l’UOX, tot provocant una pèrdua d’activitat del 90 %. Hi ha dues possibi-

ESQUEMA 2. Acció de l’urato oxidasa en el pas de l’àcid úric a al·lantoïna, en el qual intervé l’anió cianur.

litats que expliquen l’acció del cianur (esquema 2). La primera explicació és que l’anió reemplaça la molècula d’oxigen que està implicada en la formació de l’isourat. L’altra explicació és que el cianur pot reemplaçar la molècula d’aigua implicada en la hidroxilació de l’isourat. Afortunadament, s’ha pogut obtenir l’estructura de raigs X de l’enzim inhibit. El centre actiu es mostra a la figura 5. Es pot veure que l’àcid úric presenta interaccions d’enllaç d’hidrogen amb diversos residus, com ara l’arginina 176 i la glutamina 228. Cal destacar la posició de l’anió cianur, que forma una inter-


SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 99

acció anió-p amb l’àcid i que és la responsable de la inhibició de l’enzim. Al mateix temps, un residu de fenilalanina es troba formant un apilament p amb l’àcid úric a la cara oposada respecte de l’anió cianur. S’han realitzat alguns càlculs teòrics per avaluar el centre actiu d’un model del complex enzim-substracte. Hem emprat l’eina MIPp (potencial d’interacció molecular amb polarització),69 que particiona l’energia en tres termes (electrostàtic, de polarització i de repulsió-dispersió), per analitzar el potencial d’interacció amb anions a un pla paral·lel a l’anell aromàtic. El mínim d’energia coincideix amb la posició del cianur a l’estructura del complex de raigs X, tal com es pot observar a la figura 6. S’han dut a terme càlculs d’energia emprant l’estructura de raigs X amb el programa TURBOMOLE70 al nivell de teoria RI-MP2 amb les bases doble i triple x de Dunning. A la taula 1 es pot observar que tant els complexes binaris, anió-p (3) i apilament p (4), com el complex ternari presenten energies d’interacció molt favorables, la qual cosa indica que la formació d’aquests complexos està afavorida.

FIGURA 6. Mapa d’energia bidimensional calculat per l’àcid úric que es troba establint interaccions d’enllaç d’hidrogen, tot enfrontant (N–) a 3,5 Å sobre el pla molecular.

TAULA 1.

Energies d’enllaç amb la correcció BSSE (EBSSE, kcal mol-1) als nivells de teoria RI-MP2(full)/aug-cc-pVDZ i RI-MP2(full)/aug-cc-pVTZ, per als complexos 1-3. Distàncies d’equilibri (Re, Å) de l’estructura cristal·lina de la proteïna EBSSE (AVDZ)

EBSSE (AVTZ)

Re

1

-16,24

-16,70

2,969

2

-8,61

-9,13

3,456

3

-23,34

-24,35

2,969/3,247/3,456

Conclusions En resum, els resultats obtinguts en aquest treball confirmen la importància de les interaccions anió-p i parell solitari-p en sistemes complexos, com ara les xarxes cristal·lines, o en sistemes biològics de rellevància, com és el cas de l’urato oxidasa. Hi ha molts sistemes sensibles a sofrir aquest tipus d’interaccions, com ara les bases nitrogenades, els sistemes dependents de riboflavina i en enzims. Pel fet que la interacció anió-p és relativament nova, no ha estat considerada en l’anàlisi d’una multitud de sistemes biològics, principalment, en estudis d’interaccions entre enzims i substractes. Tenint en compte que hi ha una multitud de molècules biològiques que són anions (fins i tot l’ADN és un polianió), l’existència i la possible importància d’aquesta interacció està garantida. És, doncs, molt important el fet de continuar investigant en aquesta direcció, ja que pot obrir noves línies d’investigació.71

Referències [1] Hunter, C. A.; Sanders, J. K. M. J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 5525. [2] Meyer, E. A.; Castellano, R. K.; Diederich, F. Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 1210. [3] Kim, K. S.; Tarakeshwar, P.; Lee, J. Y. Chem. Rev. 2000, 100, 4145. [4] Lee, E. C.; Kim, D.; Jureèka, P.; Tarakeshwar, P.; Hobza, P.; Kim, K. S. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 3446. [5] Reddy, A. S.; Sastry, G. N. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 8893. [6] Èerný, J.; Hobza, P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 5291. [7] Rappé, A. K.; Bernstein, E. R. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 6117. [8] Hesselmann, A.; Jansen, G.; Schutz, M. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 11730. [9] Piacenza, M.; Grimme, S. Chem. Phys. Chem. 2005, 6, 1554. [10] Desiraju, G. R. Crystal Engineering: The Design of Organic Solids. Elsevier: Amsterdam, 1989. [11] Biradha, K. CrystEngComm 2003, 5, 374. [12] Zaworotko, M. J. Chem. Commun. 2001, 1. [13] Holman, K. T.; Pivovar, A. M.; Swift, J. A.; Ward, M. D. Acc. Chem. Res. 2001, 34, 107. [14] Aakeröy, C. B.; Beatty, A. M.; Helfrich, B. A. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 3240. [15] Aakeröy, C. B. Acta Crystallogr. 1997, B53, 569.

99


SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 100

100

[16] Desiraju, G. R. Acc. Chem. Res. 2002, 35, 565. [17] Brammer, L. Chem. Soc. Rev. 2004, 33, 476. [18] Braga, D.; Brammer, L.; Champness, N. R. CrystEngComm 2005, 7, 1. [19] a) Braga, D.; Desiraju, G. R.; Miller, J. S.; Orpen, A. G.; Price, S. L. CrystEngComm 2002, 4, 500. b) Hong, B. H.; Bae, S. C.; Lee, C.-W.; Jeong, S.; Kim, K. S. Science 2001, 294, 348. c) Singh, N. J.; Lee, H. M.; Hwang, I.-C.; Kim, K. S. Supramol. Chem. 2007, 19, 321. [20] a) Jana, A. D.; Manna, S. C.; Rosair, G. M.; Drew, M. G. B.; Mostafa, G.; Chaudhuri, N. R. Cryst. Growth Des. 2007, 7, 1365. b) Singh, N. J.; Lee, H. M.; Suh, S. B.; Kim, K. S. Pure Appl. Chem. 2007, 79, 1057. c) Lee, J. Y.; Hong, B. H.; Kim, W. Y.; Min, S. K.; Kim, Y.; Jouravlev, M. V.; Bose, R.; Kim, K. S.; Hwang, I.-C.; Kaufman, L. J.; Wong, C. W.; Kim, P.; Kim, K. S. Nature 2009, 460, 498. [21] Samai, S.; Biradha, K. CrystEngComm 2009, 11, 482. [22] Thakur, T. S.; Desiraju, G. R. Cryst. Growth Des. 2008, 8, 4031. [23] Price, S. L. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 117. [24] García-Raso, A.; Albertí, F. M.; Fiol, J. J.; Tasada, A.; Barceló-Oliver, M.; Molins, E.; Escudero, D.; Frontera, A.; Quiñonero, D.; Deyà, P. M. Inorg. Chem. 2007, 46, 10724. [25] Frontera, A.; Quiñonero, D.; Costa, A.; Ballester, P.; Deyà, P. M. New. J. Chem. 2007, 31, 556. [26] Quiñonero, D.; Frontera, A.; Garau, C.; Ballester, P.; Costa, A.; Deyà, P. M. Chem. Phys. Chem. 2006, 7, 2487. [27] Jeffrey, G. A. An Introduction to Hydrogen Bonding. Oxford University Press: Oxford, 1997. [28] Desiraju, G. R.; Steiner, T. The Weak Hydrogen Bond in Structural Chemistry and Biology. Oxford University Press: Oxford, 1999. [29] Desiraju, G. R. Nature 2001, 412, 397. [30] a) Beatty, A. M. CrystEngComm 2001, 51, 1. b) Pak, C.; Lee, H. M.; Kim, J. C.; Kim, D.; Kim, K. S. Struct. Chem. 2005, 16, 187. c) Lee, H. M.; Suh, S. B.; Lee, J. Y.; Tarakeshwar, P.; Kim, K. S. J. Chem. Phys. 2000, 112, 9759. d) Hong, B. H.; Lee, J. Y.; Lee, C.-W.; Kim, J. C.; Bae, S. C.; Kim, K. S. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 10748. [31] Steiner, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 48. [32] Burley, S. K.; Petsko, G. A. Science 1985, 229, 23. [33] Singh, N. J.; Min, S. K.; Kim, D. Y.; Kim, K. S. J. Chem. Theor. Comput. 2009, 5, 515. [34] Janiak, C. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 2000, 3885. [35] a) Ma, J. C.; Dougherty, D. A. Chem. Rev. 1997, 97, 1303. b) Kim, D.; Hu, S.; Tarakeshwar, P.; Kim, K. S.; Lisy, J. M. J. Phys.

Chem. A 2003, 107, 1228. c) Kim, K. S.; Lee, J. Y.; Lee, S. J.; Ha, T.-K.; Kim, D. H. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 7399. [36] a) Nishio, M.; Hirota, M.; Umezawa, Y. The C-H/p Interaction: Evidence, Nature and Consequences. Wiley-VCH: Nova York, 1998. b) Nishio, M. CrystEngComm 2004, 6, 130. [37] a) Burley, S. K.; Petsko, G. A. Science 1985, 229, 23. b) Kim, K. S.; Tarakeshwar, P.; Lee, J. Y. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 3323. [38] Alkorta, I.; Rozas, I.; Elguero, J. J. Org. Chem. 1997, 62, 4687. [39] Gallivan, J. P.; Dougherty, D. A. Org. Lett. 1999, 1, 103. [40] Hiraoka, K.; Mizuse, S.; Yamabe, S. J. Phys. Chem. 1987, 91, 5294. [41] Mascal, M.; Armstrong, A.; Bartberger, M. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 6274. [42] Alkorta, I.; Rozas, I.; Elguero, J. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 8593. [43] Quiñonero, D.; Garau, C.; Rotger, M.; Frontera, A.; Ballester, P.; Costa, A.; Deyà, P. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 3389. [44] Mooibroek, T. J.; Black, C. A.; Gamez, P.; Reedijk, J. Cryst. Growth. Des. 2008, 8, 1082. [45] Schottel, B. L.; Chifotides, H. T.; Dunbar, K. R. Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 68. [46] Gamez, P.; Mooibroek, T. J.; Teat, S. J.; Reedijk, J. Acc. Chem. Res. 2007, 40, 435. [47] Demeshko, S.; Dechert, S.; Meyer, F. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 4508. [48] Schottel, B. L.; Bacsa, J.; Dunbar, K. R. Chem. Commun. 2005, 46. [49] Rosokha, Y. S.; Lindeman, S. V.; Rosokha, S. V.; Kochi, J. K. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 4650. [50] Hoog, P. de; Gamez, P.; Mutikainen, I.; Turpeinen, U.; Reedijk, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 5815. [51] Frontera, A.; Saczewski, F.; Gdaniec, M.; DziemidowiczBorys, E.; Kurland, A.; Deyà, P. M.; Quiñonero, D.; Garau, C. Chem. Eur. J. 2005, 11, 6560. [52] García-Raso, A.; Albertí, F. M.; Fiol, J. J.; Tasada, A.; Barceló-Oliver, M.; Molins, E.; Escudero, D.; Frontera, A.; Quiñonero, D.; Deyà, P. M. Eur. J. Org. Chem. 2007, 5821. [53] Berryman, O. B.; Bryantsev, V. S.; Stay, D. P.; Johnson, D. W.; Hay, B. P. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 48. [54] Mascal, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 2890. [55] Escudero, D.; Frontera, A.; Quiñonero, D.; Ballester, P.; Costa, A.; Deyà, P. M. J. Chem. Theory. Comput. 2007, 3, 2098. [56] Estarellas, C.; Quiñonero, D.; Frontera, A.; Ballester, P.; Morey, J.; Costa, A.; Deyà, P. M. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 1622.


SCQ_10_11_11 02/10/12 19:07 Página 101

[57] Mascal, M.; Yakovlev, I.; Nikitin, E. B.; Fettinger, J. C. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 872. [58] Gorteau, V.; Bollot, G.; Mareda, J.; Pérez-Velasco, A.; Matile, S. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 14788. [59] Gorteau, V.; Bollot, G.; Mareda, J.; Matile, S. Org. Biomol. Chem. 2007, 5, 3000. [60] Egli, M.; Sarkhel, S. Acc. Chem. Res. 2007, 40, 197. [61] Egli, M.; Gessner, R. V. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1995, 92, 180. [62] Bancroft, D.; Williams, L. D.; Rich, A.; Egli, M. Biochemistry 1994, 33, 1073. [63] Sarkhel, S.; Rich, A.; Egli, M. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 8998. [64] Calabrese, J. C.; Jordan, D. B.; Boodhoo, A.; Sariaslani, S.; Vannelli, T. Biochemistry 2004, 43, 11403.

[65] Mooibroek, T. J.; Gamez, P.; Reedijk, J. CrystEngComm 2008, 10, 1501. [66] Bader, R. F. W. Chem. Rev. 1991, 91, 893. [67] Mattevi, A.; Fraaije, M. W.; Mozzarelli, A.; Olivi, L.; Coda, A; Berkel, W. van. J. Structure 1997, 5, 907. [68] Gabison, L.; Prange, T.; Colloc’h, N.; El Hajji, M.; Castro, B.; Chiadmi, M. Bmc Struct. Biol. 2008, 8, 32. [69] Luque, F. J.; Orozco, M. MIPp was computed using the MOPETE computer program. Universitat de Barcelona: Barcelona, 1998. [70] Ahlrichs, R.; Bär, M.; Häser, M.; Horn, H.; Kölmel, C. Chem. Phys. Lett. 1989, 162, 165. [71] Treball afegit en la correcció de galerades: Estarellas, C.; Frontera, A.; Quiñonero, D.; Deyà, P. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 415.

C. Estarellas

Carolina Estarellas (Palma, 1985) va estudiar la carrera de química a la Universitat de les Illes Balears (UIB), tot llicenciant-se al juny de 2008. Al setembre de 2009, va obtenir el títol de màster en ciència i tecnologia química per la UIB. Actualment, es troba fent el doctorat a l’àrea de química orgànica computacional, sota la supervisió dels seus directors de tesi, Antonio Frontera i Pere M. Deyà. La recerca es fonamenta en l’estudi de diferents interaccions no covalents i els possibles efectes sinèrgics que existeixen entre elles i que poden ajudar a explicar molts fenòmens a les àrees de la química o la biologia.

101


SCQ_10_12_12 20/09/12 16:19 Página 102

Revista de la Societat Catalana de Química, núm. 10 (2011), p. 102-107 Filial de l’Institut d’Estudis Catalans

DOI: 10.2436/20.2003.01.34

ISSN: 2013-9853 (ed. electrònica) ISSN: 1576-8961 (ed. impresa) http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ

Síntesi i caracterització dels materials multiferroics BiFeO3, La: BiFeO3 i Sr: BiFeO3 Synthesis and characterization of multiferroic materials BiFeO3, La: BiFeO3 i Sr: BiFeO3 Xavier Vendrell* i Lourdes Mestres Universitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament de Química Inorgànica.

Resum. Recentment, ha crescut un notable interès pels materials multiferroics (o materials que presenten simultàniament propietats elèctriques i magnètiques), a causa de les seves múltiples aplicacions, sobretot en el camp de l’electrònica. Aquest article pretén donar a conèixer els materials multiferroics, tant des del punt de vista de la física fonamental com de la química de l’estat sòlid. Així mateix, es presentarà un dels materials multiferroics actualment més estudiats i s’exposaran els detalls de la seva síntesi i caracterització habituals en la química de l’estat sòlid. Paraules clau: Multiferroic, reacció en estat sòlid, química suau, ferrita de bismut.

Abstract. Multiferroic materials, or materials that present both electric and magnetic ordering simultaneously, have attracted enormous attention recently due to their application in electronic devices. This paper aims to highlight such materials, as much for solid state chemistry considerations as for fundamental physics. At the same time, one of the most studied multiferroic materials will be presented together with the synthetic details and characterization techniques most commonly used in solid state chemistry. Keywords: Multiferroic, solid state reaction, soft chemistry, bismuth ferrite.

Introducció n material multiferroic és aquell que presenta la coexistència de com a mínim dos dels tres ordres ferroics, és a dir, ferroelectricitat, ferromagnetisme i/o ferroelasticitat.1 En els materials multiferroics, la interacció d’acoblament entre els diferents paràmetres pot produir nous efectes, com ara l’efecte magnetoelèctric, que es defineix, normalment, com l’acoblament entre els camps elèctric i magnètic de la matèria, de tal manera que l’aplicació d’un camp elèctric sobre el material provoca un canvi en la magnetització, o al contrari, l’aplicació d’un camp magnètic produeix una variació en la polarització del material.

U

El primer estudi sobre l’efecte magnetoelèctric va ser descrit l’any 1888, quan Röntgen va descobrir que un dielèctric en moviment sotmès a un camp elèctric es magnetitzava, mentre que si era sotmès a un camp magnètic, es polaritzava.2,3 Sis anys més tard, Pierre Curie va assenyalar la possibilitat d’una Correspondència: Xavier Vendrell. Universitat de Barcelona. Facultat de Química. Departament de Química Inorgànica

certa relació entre la simetria cristal·lina i l’efecte magnetoelèctric sense la necessitat de moviment (efecte magnetoelèctric intrínsec).4 Cal destacar, però, que el terme efecte magnetoelèctric va ser definit per primera vegada a la tercera dècada del segle passat per Debye,5 però no fou fins al 1959 que Dzylashinskii6 va estudiar experimentalment el comportament magnetoelèctric del sistema Cr2O3. Així, a partir d’aquest moment, es van iniciar molts esforços per trobar i sintetitzar compostos que poguessin tenir aquesta propietat. Concretament, es va observar aquesta propietat en més de vuitanta compostos diferents, entre ells, Ti2O3,7 GaFeO3,8 algunes boracites,9 fosfats10 i algunes solucions sòlides, com PbFe0,5Nb0,5O3.11 Actualment, l’estudi dels materials que presenten efecte magnetoelèctric és un dels camps més explotats, atès que les seves aplicacions a l’àrea de l’enginyeria electrònica són força prometedores, sobretot pel que fa a la manipulació i l’emmagatzematge de dades.

Materials susceptibles de presentar efecte magnetoelèctric

C. de Martí i Franquès, 1-11. 08028 Barcelona

102

Tel.: +34 934 021 225. Fax: +34 934 907 725 A. e.: xavier.vendrell@ub.edu

Existeixen fonamentalment dues maneres diferents per obtenir un material que presenti simultàniament un comporta-


SCQ_10_12_12 20/09/12 16:19 Página 103

ment ferroelèctric i ferromagnètic i que, a més a més, hi hagi acoblament entre ambdues propietats. Potser la manera més intuïtiva és la formació de composites, amb la qual una fase és ferroelèctrica i l’altra és ferromagnètica, de tal manera que l’acoblament es realitza de manera mecànica. Així, Van den Boomgaard i Van Suchtelen12,13 van sintetitzar per primera vegada un material que presentava efecte magnetoelèctric per combinació del compost ferroelèctric BaTiO3 i el compost ferromagnètic CoFe2O4 en la composició de l’eutèctic (65:35) amb estructura laminar. Els composites es poden sintetitzar en bulk o bé en capa fina. Quan ho fan en capa fina, poden presentar dues geometries extremes:14 a) Multicapa, a partir de compostos ferroelèctrics d’una sola fase i de compostos ferromagnètics també d’una sola fase. Així, es desenvolupa un material que consisteix en capes alternades de fase ferroelèctrica amb fase ferromagnètica (figura 1).

FIGURA 1. Esquema de material multiferroic multicapa.

b) Nanopilars, partint dels mateixos compostos que en el cas anterior. S’arriba a una heteroestructura que consisteix en nanopilars de fase ferromagnètica sostinguts sobre una matriu de fase ferroelèctrica (figura 2).

FIGURA 2. Esquema de material multiferroic formant nanopilars.

L’existència de les dues geometries extremes és conseqüència dels acoblaments en l’estructura entre les dues fases, a causa de la coordinació dels àtoms d’oxigen de la fase ferroelèctrica amb els de la fase ferromagnètica. El fet que es doni el multiferroic en una geometria o en l’altra serà en funció del caràcter de les diferents interaccions que tinguin lloc entre les dues fases.

Atès que emprant el mètode anterior cal sintetitzar dos compostos i aconseguir que hi hagi un acoblament mecànic entre ells, sorgeix la possibilitat de sintetitzar un únic compost que presenti simultàniament un comportament ferroelèctric i ferromagnètic. En aquest sentit, per tal de sintetitzar materials multiferroics, cal tenir en compte determinades limitacions. En primer lloc, la limitació estructural pot donar lloc, o no, tant a la ferroelectricitat com al ferromagnetisme. Per tant, el cristall haurà de pertànyer a algun dels grups puntuals que permetin alhora la polarització tant elèctrica com magnètica. Els materials que presenten una estructura de tipus perovskita (ABX3) han estat els més estudiants dins d’aquest camp. Així, doncs, s’ha observat que, per a una estructura de tipus perovskita, és necessari que un catió B presenti una configuració electrònica d0 per tal que el material presenti la propietat ferroelèctrica. D’altra banda, per tal que existeixi una polarització d’espín magnètic, és necessari que el metall de transició de la perovskita posseeixi electrons desparellats als orbitals d o f. Per tant, sembla que totes dues propietats siguin incompatibles. No obstant això, existeixen dos mecanismes diferents pels quals es poden donar aquestes dues propietats alhora en una mateixa fase.15,16 En primer lloc, si es manté el metall de transició B amb una configuració electrònica d0, condició necessària perquè sigui ferroelèctric, i, a més a més, si s’introdueix un element lantànid que tingui els orbitals f parcialment ocupats en la posició A de la perovskita, es pot afavorir el ferromagnetisme del compost. En segon lloc, si es manté el catió B com l’element que proporciona la propietat magnètica del material, la ferroelectricitat es pot donar si en la posició A de la perovskita s’introdueix un element que presenti un parell d’electrons solitaris, ns2 (parell inert). Aquests cations que presenten un parell d’electrons solitaris poden participar en la formació d’enllaços emprant orbitals híbrids sp (normalment, sp2 o sp3), però, en aquests sistemes, sovint no hi participen. Així, la particular orientació del parell d’electrons inert en els orbitals híbrids pot generar dipols locals que proporcionen el comportament ferroelèctric.1 En aquest sentit, els cations Bi3+ i Pb2+ són dos exemples de cations que presenten aquesta característica i que, per tant, poden generar, en una estructura perovskita, la propietat ferroelèctrica. Així, doncs, existeixen alguns exemples de perovskites que presenten aquests elements i que són materials multiferroics, com ara el Pb(Fe,Nb)O3 (PFN)11, amb la presència de plom, i el BiMnO317 (BMO) i el BiFeO318 (BFO), amb bismut.

103


SCQ_10_12_12 20/09/12 16:19 Página 104

Atesa la toxicitat del plom i atès que la normativa europea de restricció de certes substàncies perilloses (2002/95/CE), o normativa RoHS (restriction of hazardous substances), restringeix l’ús de sis materials perillosos (entre ells, el plom) en la fabricació de diversos tipus d’equips elèctrics i electrònics, són molts els esforços per intentar sintetitzar materials lliures de plom que presentin efecte magnetoelèctric. Un bon candidat és el BFO.

El compost BiFeO3 (BFO) La perovskita de bismut i ferro, BiFeO3 (BFO), ha suscitat tant interès pel fet que presenta unes bones propietats tant elèctriques com magnètiques a temperatura ambient, alhora que presenta una temperatura de Curie ferroelèctrica19 i una temperatura de Néel elevades.20 Es pot definir l’estructura del BFO mitjançant una cel·la unitat romboèdrica amb un paràmetre de cel·la a = 3,96 Å, un angle romboèdric arh = 0,6º i una simetria R3c (figura 3).

ordenament antiferromagnètic de tipus G, en el qual els moments magnètics dels cations Fe3+ es troben alineats de forma ferromagnètica en un mateix pla, però s’ordenen antiferromagnèticament en els plans adjacents. Addicionalment, el BFO posseeix una estructura cíclica d’espín en el bulk.23,24 Tal com s’ha pogut comprovar, les propietats magnètiques i elèctriques del BFO depenen directament de les posicions atòmiques dels elements que el formen. D’aquesta manera, sembla obvi de pensar que la introducció d’elements dopants pot fer variar lleugerament les propietats tant elèctriques com magnètiques. En aquest sentit, s’ha observat que al BFO dopat amb lantani es restringeix la formació d’una segona fase no ferroelèctrica, s’hi incrementa la magnetització i s’aconsegueix alliberar el dispositiu de fatiga per processos de commutació.25 D’altra banda, les propietats multiferroiques del BFO són també atribuïdes a l’efecte de la grandària de l’ió.26 Les substitucions a la posició A de la perovskita per ions de radi major (Bi3+ = 1,03 Å, NC = 6) i/o de diferent càrrega generen una major distorsió estructural i, per tant, una modificació en les propietats magnètiques i ferroelèctriques del material. Amb aquest propòsit s’han sintetitzat compostos de BFO dopats amb Ca,27 Sr,28 Ba29 i Pb.30

Mètodes de síntesi del BFO

104

Figura 3. Cel·la unitat de tipus romboèdric de la perovskita de BiFeO3.

Atès el gran interès científic que suscita aquest nou compost, en els últims anys s’ha publicat un gran nombre d’articles que fan referència a la síntesi del BFO. Tanmateix, la seva síntesi és força complexa i, en moltes ocasions, cal combinar diversos mètodes per obtenir un producte prou pur.

Així, es pot observar clarament com la propietat ferroelèctrica ve determinada pel llarg desplaçament dels ions de Bi respecte dels octaedres [FeO6] en la direcció <111> del romboedre. Aquest desplaçament disminueix a mesura de augmenta la temperatura, de tal manera que presenta una TC = 769 ºC.21 D’altra banda, cal destacar que presenta un mínim local per a l’angle romboèdric arh, prop de la temperatura de Néel antiferromagnètica TN =373 ºC,22 així com una rotació gradual dels octaedres [FeO6] i un augment de l’angle Fe–O–Fe. Tanmateix, una de les distàncies Bi–Fe presenta també un màxim local prop de la TN. Aquests fets donen com a resultat unes característiques força singulars, de tal manera que el BFO presenta un

El mètode de síntesi per reacció en estat sòlid és potser un dels mètodes més emprats en la química de l’estat sòlid. Normalment, es parteix dels òxids o carbonats corresponents i s’hi apliquen tractaments tèrmics llargs a temperatures elevades. També és usual el fet de sinteritzar el producte per tal d’obtenir una major densitat del material i per millorar-ne les propietats. Això no obstant, les temperatures elevades i els temps llargs en la síntesi fan que aquest mètode sigui poc rendible econòmicament i mediambiental. És per aquest motiu que s’intenten reduir la despesa econòmica i la repercussió mediambiental mitjançant mètodes alternatius amb els quals es redueixi tant la temperatura com el temps de síntesi.


SCQ_10_12_12 20/09/12 16:19 Página 105

Aquests mètodes s’engloben en els anomenats mètodes de química suau, mitjançant els quals, en aquest cas, s’utilitzen com a reactius els nitrats de ferro(III) i bismut, i com a agent quelant, s’utilitzen àcid cítric, àcid tartàric, àcid màlic, àcid oxàlic, etc. El control exhaustiu del pH de la dissolució final és important, ja que, a pH per sobre de 3, s’observa la precipitació d’hidròxid de ferro(III) i s’impedeix la completa complexació dels cations.31 Finalment, s’obté un precursor polimèric amb el qual es realitza el tractament tèrmic en condicions de temps i temperatura més suaus que en el cas del mètode ceràmic. Amb aquest mètode s’obté, normalment, un producte amb una mida de partícula a escala nanomètrica. Abans d’iniciar la síntesi de la perovskita de bismut i ferro, tant pel mètode de reacció en estat sòlid com pel mètode de química suau, cal estudiar el seu diagrama de fases, en el qual es representen els canvis de fase en funció de la temperatura i de la concentració (figura 4). Tal com es pot observar al diagrama de fases reportat per Palai et al.,32 el compost BiFeO3 està representat només en una línia, fet que pot provocar l’aparició d’altres fases riques en ferro(III), com Bi2Fe4O9, o riques en bismut, com Bi25FeO39. Així, és important tenir una especial precaució en fer la pesada i en homogeneïtzar els compostos de partida. En segon lloc, cal destacar que, a temperatures properes als 960 ºC, el compost de bismut i ferro descompon en forma d’òxid de ferro(III) i una fase líquida. D’altra banda, és important destacar que l’òxid de bismut és força volàtil i que presenta un punt de fusió relativament baix (Tfus = 817 ºC), de manera que s’han d’evitar les temperatures massa elevades i els temps de síntesi llargs per tal d’evitar també la pèrdua d’aquest òxid durant el tractament tèrmic.

Finalment, cal fer notar que, en substituir el bismut per lantani o estronci per obtenir els compostos Bi1-xLaxFeO3 i Bi1-xSrxFeO3-x/2, respectivament, els diagrames de fases seran diferents als observats pel sistema Bi2O3–Fe2O3, de tal manera que s’hauran d’optimitzar de nou les temperatures i els temps de síntesi.

Tècniques de caracterització El seguiment de la síntesi d’aquests materials es va dur a terme mitjançant la difracció de raigs X (DRX), ja que és una de les tècniques més emprades en la caracterització de materials, atès que permet, d’una banda, identificar les fases cristal·lines presents a la mostra i, per tant, observar la presència o l’absència d’impureses a la mostra i, d’altra banda, analitzar les seves propietats estructurals sense destruir-la.

Figura 5. Diagrames de difracció de raigs X corresponents a les mostres BiFeO3, Bi0,85La0,15FeO3, Bi0,75Sr0,25FeO2,875.

Després d’optimitzar les condicions de síntesi tant per reacció en estat sòlid com per química suau, s’analitzaren els diagrames de difracció obtinguts per a cada composició i mètode de síntesi emprat. D’aquesta manera, es van poder determinar les propietats estructurals de cada material. A tall d’exemple, a la figura 5 es mostren els diagrames de difracció de raigs X de les mostres BiFeO3, Bi0,85La0,15FeO3 i Bi0,8Sr0,25FeO2,875, així com els índexs de Miller, la simetria i els paràmetres de cel·la.

FIGURA 4. Diagrama de fases de Bi2O3 i Fe2O3.

Una altra tècnica important en la caracterització dels materials és la microscòpia electrònica de rastreig (MER), ja que és una tècnica força versàtil que permet estudiar la textura, la topografia i la morfologia.

105


SCQ_10_12_12 20/09/12 16:19 Página 106

La figura 6 mostra imatges de les diferents mostres en les quals es pot apreciar clarament com tant la composició com el mètode de síntesi emprat modifiquen notablement les característiques morfològiques i estructurals d’aquests materials. Les mostres de BiFeO3 i Bi0,75Sr0,25FeO2,875 sintetitzades mitjançant el mètode de química suau presenten grans rectangulars i ben definits, tot i que, en el cas del BiFeO3, la mida del gra és significativament major. En canvi, en el cas del Bi0,75Sr0,25FeO2,875 sintetitzat mitjançant el mètode de reacció en estat sòlid, hi ha aglomerats de grans arrodonits i poc definits.

Així, doncs, s’ha aconseguit obtenir materials que presenten les característiques tant estructurals com de composició adients com per presentar l’efecte magnetoelèctric i ser, per tant, materials multiferroics. Finalment, cal destacar la importància de la química de l’estat sòlid en l’actualitat, ja que nombrosos dispositius electrònics que s’empren actualment, com les memòries RAM o les bateries de liti, són el fruit d’una severa i constant investigació en aquesta àrea de la química.

Referències

FIGURA 6. Imatges MER de les mostres: a) BiFeO3, b) Bi0,75Sr0,25FeO2,875 obtinguts mitjançant mètode de química suau i c) Bi0,75Sr0,25FeO2,875 sintetitzat per reacció en estat sòlid.

Conclusió Tal com s’ha pogut constatar, existeix un notable interès en els materials multiferroics no només pel que fa a les seves aplicacions en dispositius per a l’emmagatzematge d’informació, sinó també des del punt de vista de la física fonamental. En aquests materials, el tipus d’estructura, la posició dels àtoms que conformen la cel·la unitat i el seu caràcter són clau per donar lloc a noves propietats, com l’efecte magnetoelèctric. La síntesi del BiFeO3 és força complexa, ja que evitar la presència de fases secundàries esdevé un repte difícil a assolir. Això no obstant, s’ha aconseguit obtenir una única fase tant per al BiFeO3 com per als seus derivats mitjançant dos mètodes de síntesi diferents emprant temperatures de síntesi no superiors als 850 ºC i temps curts.

106

Mitjançant les tècniques de caracterització habituals en la química de l’estat sòlid i de materials, s’ha pogut comprovar com tant la composició com el mètode emprat en la síntesi modifiquen la morfologia del material i, per tant, cal esperar una resposta elèctrica diferent en cada cas.

[1] Spaldin, N. A.; Pickett, W. E. Journal of Solid State Chemistry 2003, 176, 615. [2] Röntgen, W. C. Ann. Phys. Chem. 1888, 35, 264. [3] Wilson, H. A. Phil. Trans. R. Soc. A 1905, 204, 129. [4] Curie, P. J. Physique 1894, 3, 393. [5] Debye, P. Z. Phys. 1926, 36, 300. [6] Dzyaloshinskii, I. E. Sov. Phys.-JETP 1959, 10, 628. [7] Al’shin, B. I.; Astrov, D. N. Sov. Phys.-JETP 1963, 17, 809. [8] Rado, G. T. Phys. Rev. Lett. 1964, 13, 335. [9] Ascher, E.; Rieder, H.; Schmid, H.; Stössel, H. J. Appl. Phys. 1966, 37, 1404. [10] Santoro, R. P.; Segal, D. J.; Newnham, R. E. J. Phys. Chem. Solids 1966, 27, 1192. [11] Watanabe, T.; Kohn, K. Phase Trans. 1989, 15, 57. [12] Boomgaard, J. V. D.; Born, R. A. J. J. Mater. Sci. 1978, 13, 1538. [13] Boomgaard, J. V. D.; Vanrun, A. M. J. G.; Suchtelen, J. V. Ferroelectrics 1976, 10, 295. [14] Zheng, H.; Wang, J.; Lofland, S. E.; Ma, Z.; Mohaddes-Ardabili, L.; Zhao, T.; Salamanca-Riba, L.; Shinde, S. R.; Ogale, S. B.; Bai, F.; Viehland, D.; Jia, Y.; Schlom, D. G.; Wuttig, M.; Roytburd, A.; Ramesh, R. Science 2004, 303, 661. [15] Khomskii, D. I. Journal of Magn. & Magnetic Materials 2006, 306, 1. [16] Hill, N. A.; Seshadri, R. Chem. Matter. 2001, 13, 2892. [17] Kadomtseva, A. M.; Zvezdin, A. K.; Popov, Yu. F.; Pyatakov, A. P.; Vorob’ev, G. P. JETP Lett. 2004, 79, 571. [18] Chu, Y. H.; Martin, L. W.; Zhan, Q.; Yang, P. L.; Cruz, M. P.; Lee, K.; Barry, M.; Yang, S. Y.; Ramesh, R. Ferroelectrics, 2007, 354, 167. [19] Catalan, G.; Scott, J. F. Adv. Mater. 2009, 21, 2463. [20] Smolenskii, G. A.; Isupov, V. A.; Krainik, N. N.; Agranovskaya, A. I. Sov. Phys. Solid State 1961, 25, 1333.


SCQ_10_12_12 20/09/12 16:19 Página 107

[21] Fischer, P.; Polomska, M.; Sosnowska, I.; Szymanski, M. J. Phys. C: Solid State Phys. 1980, 13, 1931. [22] Selbach, S. M.; Einarsrud, M.-A.; Grande, T. Chem. Mater. 2009, 21, 169. [23] Valant, M.; Axelsson, A.-K.; Alford, N. Chem. Mater. 2007, 19, 5431. [24] Bea, H.; Bibes, M.; Fusil, S.; Bouzehouane, K.; Jacquet, E.; Rode, K.; Bencok, P.; Barthelemy, A. Phys. Rev. B. 2006, 74, 20101. [25] Ostos, C.; Raymond, O.; Suárez-Almodóvar, N.; BuenoBaqués, D.; Mestres, L.; Siqueiros, J. M. J. Appl. Phys. 2011, 110, 024114. [26] Reyes, A.; Vega, C.; Fuentes, M. E.; Fuentes, L. J. Eur. Ceram. Soc. 2007, 27, 3709 [27] Murashov, V. A.; Rakov, D. N.; Ionov, V. M.; Dubenko, I. S.; Titov, Y. V.; Gorelik, V. S. Ferroelectrics 1994, 162, 359. [28] Popov Yu, U.; Kadomtseva, A. M.; Vorob’ev, G. P.; Zvezdin, A. K. Ferroelectrics 1994, 162, 483. [29] Sosnowska, I.; Peterlin-Neumaier, T.; Steichele, E. J. Phys. C 1982, 15, 4835.

X. Vendrell

[30] Petrov, P. K.; Palkar, V. R.; Tagantsev, A. K.; Chien, H.-I.; Prashanthi, K.; Axelsson, A.-K.; Bhattacharya, S.; Alford, N. J. Mater. Res. 2007, 22, 2179. [31] Mishra, R. K.; Pradhan, D. K.; Choudhary, R. N. P.; Banerjee, A. J. Phys. Condens. Matter. 2008, 20, 45218. [32] Kothari, D.; Reddy, V. R.; Gupta, A.; Sathe, V.; Banerjee, A.; Gupta, S. M.; Awasthi, A. M. Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 202505. [33] Li, M.; Ning, M.; Ma, Y.; Wu, Q.; Ong, C. K. J. Phys. D: Appl. Phys. 2007, 40, 1603. [34] Khomchenko, V. A.; Kiselev, D. A.; Selezneva, E. K.; Vieira, J. M.; Lopes, A. M. L.; Pogorelov, Y. G.; Araujo, J. P.; Kholkin, A. L. Mat. Lett. 2008, 62, 1927. [35] Khomchenko, V. A.; Kiselev, D. A.; Vieira, J. M.; Jian, L.; Kholkin, A. L.; Lopes, A. M. L.; Pogorelov, Y. G.; Araujo, J. P.; Maglione, M. J. Appl. Phys. 2008, 103, 024105. [36] Selbach, S. M.; Einarsrud, M.-A.; Tybell, T.; Grande, T. J. Am. Ceram. Soc. 2007, 90, 3430. [37] Palai, R; Katiyar, R. S.; Schmid, H.; Tissot, P.; Clark, S. J.; Robertson, J.; Redfern, S. A. T.; Catalan, G.; Scott, J. F. Physical Review B 2008, 77, 014110.

L. Mestres

Xavier Vendrell és llicenciat en química per la Universitat de Barcelona. Forma part del grup Química de l’Estat Sòlid i del Departament de Química Inorgànica de la Universitat de Barcelona, on actualment és professor ajudant i on està realitzant una tesi doctoral en ciència i tecnologia dels materials. Lourdes Mestres és doctora en química per la Universitat de Barcelona i professora titular d’aquesta mateixa Universitat al Departament de Química Inorgànica. La seva recerca dins el grup Química de l’Estat Sòlid se centra en la síntesi de nous materials multifuncionals, la preparació de pel·lícules primes i l’estudi de les serves propietats per avaluar-ne l’aplicació en dispositius electrònics.

107


SCQ_10_12_12 20/09/12 16:19 Pรกgina 108


Portada SCQ 10-2011_llom 7mm.pdf

1

03/10/12

09:03

Societat Catalana Química Revista de la

de

C

M

Y

CM

MY

CY

CMY

Revista anual de la SCQ, filial de l’Institut d’Estudis Catalans

K

10 / 2011 URL: http://revistes.iec.cat/index.php/RSCQ ISSN: 1576-8961 (ed. impr.) ISSN: 2013-9853 (ed. electr.)

Revista de la Societat Catalana de Quimica  

N. 10 - 2011