Rendimiento cuántico de producción de radical hidroxilo por medidas de fluorescencia en el sistema TcPPFe/H₂O₂/UV-VIS

The Hydroxyl Radical (Φ_OH) Production's Quantic Yield, by Fluorosconco in the TcPPFe/H₂O₂/UV-VIS System

Carlos Enrique Díaz-Uribe^*
William Andrés Vallejo-Lozada^**
Lizeth Johanna Alvarado-Rueda^***

^* Ph.D.Universidad del Atlántico (Barranquilla, Atlántico - Colombia). carlosdiaz@mail.uniatlantico.edu.co
^** Ph.D. Universidad del Atlántico (Barranquilla, Atlántico - Colombia). williamvallejo@mail.uniatlantico.edu.co
^*** M.Sc. Universidad Santo Tomás (Bucaramanga, Santander - Colombia). lizethjohannnaalvaradorueda@mail.ustabuca.edu.co

Fecha de Recepción: 04 de Enero de 2014 Fecha de Aprobación: 02 de Febrero de 2014

Resumen

El rendimiento cuántico de producción de radical hidroxilo (Φ_OH) fue medido desde la fotólisis del peróxido de hidrógeno (H₂O₂) catalizada por la tetracarboxifenilporfirina de hierro (III) (TCPPFe) bajo luz ultravioleta. Φ_OH fue determinado por medidas de fluorescencia del producto de reacción entre el radical hidroxilo (HO^•) y el tereftalato disódico. La TCPPFe presenta un Φ_OH=0,13, mientras que la reacción estándar de la fotólisis del H₂O₂, no catalizada, tiene un Φ_OH=0,11. La reacción no tiene lugar en ausencia de luz, pero en presencia de luz visible, H₂O₂ y TcPPFe generan HO^•.

Palabras clave: Radical hidroxilo; Porfirina; Rendimiento cuántico.

Abstract

The quantum yield to production of hydroxyl radical (Φ_OH) was measured from the photolysis of hydrogen peroxide (H₂O₂) catalyzed by tetra-carboxy-phenyl-porphyrin Fe (III) (TCPPFe) under UV irradiation. Φ_OH was determined by fluorescence measurements by the reaction product between hydroxyl radical (HO^•) and the disodium terephthalate. The TCPPFepresented a Φ_OH = 0.13 while the standard uncatalyzed photolysis reaction of H₂O₂ presented a Φ_OH=O.11. Under light irradiation on H₂O₂ and TcPPFe, the radical HO^• was generated and, the reaction did not occur in the absence of light.

Keywords: Hydroxyl radical, Porphyrin, Quantum yield.

I. Introducción

La detección y cuantificación de las especies reactivas del oxígeno recibe hoy en día gran interés debido a su relación en procesos químicos, biológicos y ambientales [1-4]. En muy corto tiempo de vida de los radicales requiere para su detección métodos más sensibles y elaborados. La técnica de resonancia paramagnética electrónica (EPR) es la única técnica que específicamente detecta en forma directa espines no apareados; sin embargo, esta técnica presenta algunas limitaciones, como la baja sensibilidad en medios acuosos y por las condiciones de temperatura [5]. La técnica de fluorescencia es una buena alternativa para la identificación del radical hidroxilo, debido a su alta sensibilidad, a su respuesta lineal a un rango de concentraciones de especies reactivas del oxígeno y a su bajo background fluorescente [6]. El radical hidroxilo (HO^•) puede ser identificado debido a la fluorescencia del 2-hidroxitereftalato disódico (Fig.1), que es formado entre el HO^• y el tereftalato disódico. El 2-hidroxitereftalato disódico presenta una serial con un máximo en 425 nm [7].

Entre las maneras de generar radicales hidroxilo se encuentran las reacciones tipo Fenton y foto-Fenton, que utilizan para tal fin peróxido de hidrógeno, sales ferrosas y luz UV [8,9]. Bajo irradiación de la luz UV, el Fe³⁺ es continuamente reducido a Fe²⁺, y la reacción Fenton comienza nuevamente; además, las concentraciones son de órdenes de magnitud menores que en la reacción Fenton convencional[10].

En el presente trabajo se aplicó la técnica de fluorescencia para la detección y cuantificación del HO^• formado en la fotólisis del peróxido de hidrógeno (H₂O₂) catalizada por la tetracarboxifenilporfirina de hierro (III) (TCPPFe) bajo luz UV y visible. Se encontró que la TCPPFe tiene un rendimiento cuántico de producción de radical hidroxilo de 0,2 en presencia de luz UV, y, además, que en presencia de luz visible (λ> 500 nm) se genera radical hidroxilo; esto puede indicar que hay una transferencia electrónica entre la tetracarboxifenilporfirina y el metal.

II. Materiales y métodos

A. Síntesis y caracterización del fotocatalizador

La tetracarboxifenilporfirina sin metal fue sintetizada de acuerdo con el siguiente método: El pirrol, previamente destilado (0.08 moles), fue adicionado a una mezcla de 4-carboxybenzaldehído (0.08 moles), ácido propiónico (150 mL) y nitrobenceno (45 mL); posteriormente fue calentado durante una hora a 120 °C; después de enfriarse y removerse el solvente al vacío, la porfirina fue disuelta en 250 mL de NaOH 0.1 M. La porfirina fue precipitada con una solución de HCl 0.1 M. El sólido obtenido se lavó con metanol [11].

La porfirina de hierro fue preparada colocando a reflujo la TCPP (0.33 mmol) con cloruro de hierro hexahidratado (1.82 mmol) en 70 mL de dimetilformamida por 2 horas y en ambiente de nitrógeno. El DMF fue destilado y la porfirina precipitada al adicionar agua. El sólido obtenido se lavó con NaOH y HCl. La cantidad de Fe es 0,025 moles por mg de TCPPFe. FT-IR (KBr, cm^-1): [1605 ν (C=C)]; [3411 ν (O-H)]; [1689 ν (C-N)]; [1268 ν (C-O)]; [1699 ν (C=O)].

Los espectros UV-Vis fueron tomados en un espectrofotómetro UV-Vis HP 8453. Los espectros infrarrojos se tomaron en un espectrofotómetro marca Bruker modelo Tensor 27, la cuantificación de hierro presente en la TcPPFe se realizó en un espectrofotómetro de absorción atómica Perkin-Elmer modelo 372.

B. Generación y detección del radical hidroxilo

Para la generación de radical hidroxilo se utilizaron 0,12 mmol de TCPPFe en 10 mL de una solución acuosa de tereftalato disódico (4 mM) a una temperatura de 298 K, y posterior adición de 100 uL peróxido de hidrógeno (30%) a un pH=3. Para las reacciones en presencia de irradiación ultravioleta se utilizó una lámpara de vapor de mercurio de baja presión (254 nm), y para radiación visible, una lámpara halógena de 100 W, haciendo pasar la luz por una solución de dicromato de potasio 1 M para remover longitudes de onda <500 nm. Varias muestras de la solución se colectaron, filtraron y registraron en un espectrofluorímetro SHIMADZU RF-5301PC en modo de emisión a una longitud de onda de excitación de 315 nm. El registro del espectro se hizo entre 350 y 600 nm.

C. Cálculo del rendimiento cuántico de producción de radical OH

Para estimar el rendimiento cuántico de la producción de radical OH durante la iluminación de la TCPPFe se usó la siguiente ecuación [12]:

Donde R_OH es la velocidad de producción de HO^•; I es la cantidad de fotones que entran al sistema por unidad de volumen y por unidad de tiempo (54 µEinstens/L.s), y A es la absorbancia inicial de la solución a la longitud de onda de irradiación (UV=254 nm). La concentración del radical hidroxilo fue determinada usando una curva de calibración del tere ftalato disódico hidroxilado; la velocidad de producción se determinó con el valor de la pendiente de la gráfica de ln [HO^•] vs.tiempo.

III. Resultados y discusión

A. Caracterización del fotosensibilizador

El espectro UV-vis de la TCPP obtenida en este trabajo se muestra en la Fig. 2; en él se observa la banda de absorción Soreta 419 nm (transición a_1u(π]e_g^*(π)), y 4 bandas Q(514, 548, 588 y 645 nm), características de la porfirina no metálica, correspondientes a transiciones a_2u(π]e_g^*(π)[13].

El espectro UV-vis de la TCPPFe (Fig.3) exhibe la bandaSoret a 413 nmy 1 banda Q en 534 nm. La disminución del número de bandas Q es típico de las metaloporfirinas. Cuando el ión metálico se coordina con los átomos de nitrógeno del macrociclo, la simetría de la molécula se incrementa y el número de bandas Q decrece [14]. La metalación de las porfirinas produce desplazamiento de la bandas Soret y Q por la interacción del metal con la nube electrónica n de los macrociclos. En el espectro de la TCPPFe se observa un desplazamiento de las bandas de absorción hacia el azul, posiblemente debido a la desestabilización de la nube electrónica n del ligando inducida por el metal e incremento de la energía de transición [13].

B. Generación y detección del radical hidroxilo

La TcPPFe fue iluminada en presencia de tereftalato disódico y peróxido de hidrógeno con luz UV. El espectro de emisión de fluorescencia (Excitación a 315 nm) de la solución fue medido cada 10 minutos durante la irradiación. Como se muestra en la Fig. 4, el incremento gradual en la intensidad de fluorescencia a 425 nm fue observado con el aumento del tiempo de iluminación.

El espectro generado corresponde al compuesto 2-hidroxitereftalato disódico, producto formado durante la fotocatálisis de la TcPPFe debido a la reacción específica entre el radical hidroxilo y el tereftalatodisódico (Fig. 1).

El radical hidroxilo se genera al usar solo H₂O₂ y luz incidente de la lámpara de vapor de mercurio; la irradiación del peróxido de hidrógeno, que involucra longitudes de onda en el ultravioleta, cataliza la producción de radicales hidroxilo, debido a una ruptura del enlace O-O del peróxido de hidrógeno. Al adicionar TCPPFe se observó un aumento de la cantidad de radical hidroxilo de 0.25 mM a 0.29 mM (Fig. 5). La interacción de la luz con el hierro (III) lleva a la formación de hierro (II), conduciendo a la generación de radical hidroxilo y regresando nuevamente a hierro (III), continuando el ciclo catalitico.

El rendimiento cuántico de producción de radical hidroxilo (Φ_OH) se determinó midiendo la fluorescencia del producto de reacción entre el radical hidroxilo y el tereftalato disódico. Se encontró un Φ_OH de 0,13 para la TCPPFe, y uno de 0,11 para la reacción estándar de la fotólisis del H₂O₂. La generación de radical OH no ocurre en ausencia de luz.

Se observó que en presencia de luz visible, en el sistema TCPPFe/H₂O₂ se genera radical hidroxilo (Fig. 6); esto puede indicar que hay una transferencia electrónica entre la tetracarboxifenilporfirina y el metal; por tal motivo, existe un cambio de estado de oxidación de hierro (III) a hierro (II), y la reacción de Fenton ocurre y se produce radical hidroxilo. La concentración de HO^• estimada en esta reacción fue de 0.06 mM.

IV. Conclusiones

En este trabajo se utilizó la sal de tereftalato disódico, para cuantificar la cantidad de radical hidroxilo generado a partir de la reacción de la tetracarboxifenilporfirina de hierro (III) y peróxido de hidrógeno, bajo irradiación UV y visible. Se encontró que la concentración del radical hidroxilo es de 0.29 mM cuando se usa la TcPPFe, y de 0.25 mM en ausencia de éste y en presencia de luz UV. También se obtuvo una actividad del sensibilizador en presencia de luz visible con una cantidad de 0,06 mM de HO^•, indicando la transferencia electrónica entre el ligando de la TcPPFe y el metal para el inicio de la reacción de Fenton. Se encontró un Φ_OH de 0,13 para la TCPPFe, y uno de 0,11 para la reacción estándar de la fotólisis del H₂O₂.

Referencias

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