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Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Química como parte dos requisitos para obtenção do título de MESTRE EM QUÍMICA. UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA INSTITUTO DE QUÍMICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA CARACTERIZAÇÃO FOTOFÍSICA DE DERIVADOS DE CUMARINAS Jacques Antonio de MirandaOrientador: Prof. Dr. Antonio Eduardo da Hora Machado Bolsista Capes Uberlândia – MG 2001

Dissertacao Jacques

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIA INSTITUTO DE QUMICA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM QUMICA

CARACTERIZAO FOTOFSICA DE DERIVADOS DE CUMARINAS

Jacques Antonio de MirandaDissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Qumica como parte dos requisitos para obteno do ttulo de MESTRE EM QUMICA.

Orientador: Prof. Dr. Antonio Eduardo da Hora MachadoBolsista Capes Uberlndia MG 2001

Por que eles falam to difcil? perguntou certa noite ao Ingls. Notoutambm que o Ingls andava meio aborrecido e sentindo falta de seus livros.

Para que s os que tm responsabilidade de entender que entendam disseele. Imagine se todo mundo sasse transformando chumbo em ouro. Daqui a pouco o ouro no ia valer nada. S os persistentes, s aqueles que pesquisam muito, que conseguem a Grande Obra. Por isso estou no meio deste deserto. Para encontrar um verdadeiro Alquimista, que me ajude a decifrar os cdigos. O Alquimista

Dedico este trabalho minha famlia

AgradecimentosA Deus, pela oportunidade de concluir mais uma etapa dessa breve passagem. Ao Prof. Dr. Antonio Eduardo da Hora Machado pela orientao, apoio e ateno dedicados durante a realizao desse trabalho. Prof. Dra. Ana Maria Ferreira de Oliveira Campos, da Universidade do Minho, Portugal, pela gentil cesso dos derivados de cumarinas estudados neste trabalho. Aos colegas do Grupo de Fotoqumica e Qumica de Lignocelulsicos pelo convvio e longa amizade. Aos Profs. Dr. David E. Nicodem e Dr. Ira Mark Brinn do Laboratrio de Espectroscopia Resolvida no Tempo - IQ/UFRJ. Aos Profs. Dr. Miguel Guillermo Neumann e Dr. Marcelo Gehlen do Laboratrio de Fotoqumica - IQSC/SP. Aos colegas Divinomar Severino, Valdemir Velani e Hosana M. Maciel Velani pelas contribuies durante algumas discusses. Aos colegas Alex F. de Paulo, Anderson A. Tossani, Cssio C. de Oliveira, Daniel R. Borges, Paulo R. Ramos Costa, Wilson J. Rosa Jr., pela amizade e companherismo. UFU e CAPES, pelo apoio financeiro. Todos os colegas, amigos, tcnicos e professores do IQ-UFU, em especial Prof. Dr. Evandro A. Nascimento, Prof. Dr. Maurcio Santos Matos, Prof. Dr. Reinaldo Ruggiero, Profa. Dra. Silvana Guilardi e Prof. Dr. Welington de Oliveira Cruz.

ndiceResumo................................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................................. III 1 Introduo .................................................................................................................. 1 1.1 As cumarinas ......................................................................................................... 1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.1.7 1.1.8 1.2.1 1.2.2 1.2.3 Cumarinas como agentes anticncer ............................................................ 4 Atividade mutagnica de cumarinas ............................................................. 6 Atividade anti-HIV de cumarinas.................................................................. 7 Atividade das cumarinas sobre o sangue e seus componentes...................... 8 Interaes de cumarinas com espcies ativas de oxignio ........................... 9 Cumarinas em sistemas de laser de corante ............................................... 11 Cumarinas como sondas de fluorescncia .................................................. 12 Furano-derivados de cumarina................................................................... 14 Espectroscopia no Visvel e UV-prximo.................................................... 16 Fotofsica Molecular: Diagrama de Jablonski e Princpio de FranckDeslocamento de Stokes e o efeito dos solventes ........................................ 22 1.2.3.1.1 Compostos solvatocrmicos ............................................................. 25 1.2.3.1.2 Teoria do efeito do solvente sobre o espectro de absoro no UVVisvel .. ........................................................................................................... 25 1.2.3.2 Efeitos do Solvente no Espectro de Emisso. ......................................... 27 1.2.3.3 Mecanismos para o Deslocamento Espectral e a Equao de Lippert. . 29 1.2.3.4 Outras Escalas de Polaridade. ............................................................... 32 1.2.4 Cintica dos processos fotofsicos............................................................... 36 1.2.4.1 Tempos de vida radiativos. ..................................................................... 36 1.2.4.2 Medidas de tempo de vida....................................................................... 38 1.2.4.3 Rendimentos Qunticos. ......................................................................... 41 1.2.4.3.1 Medidas experimentais de rendimento quntico de fluorescncia. .. 44 1.3 A fotofsica de cumarinas..................................................................................... 46 1.4 Objetivos .............................................................................................................. 50 2 Experimental ............................................................................................................ 51

1.2 Aspectos Tericos Para Um Estudo Fotofsico e Fotoqumico. .......................... 16 1.2.1.1 A Lei da Absoro................................................................................... 16 Condon. .................................................................................................................... 18 1.2.3.1 Efeitos do solvente no espectro de absoro .......................................... 23

2.1 Materiais e reagentes........................................................................................... 51 2.2 Experimental ........................................................................................................ 54 2.2.1 Medidas temperatura ambiente................................................................ 54 2.2.1.1 Efeito do solvente sobre a fotofsica das cumarinas............................... 54 2.2.1.2 Comportamento fotofsico das cumarinas 2 e 3 frente a variaes no pH do meio..................................................................................................................55 2.2.1.3 Comportamento fotofsico da cumarina 2 em diferentes misturas dioxano/gua ....................................................................................................... 55 2.2.1.4 Comportamento fotofsico da cumarina 3 em diferentes misturas metanol/DMF: Efeito do carter nucleoflico dos solventes orgnicos .............. 56 2.2.2 2.2.3 3 Medidas fotofsicas a baixa temperatura .................................................... 56 Eficincia quntica de gerao de oxignio singlete.................................. 56

Resultados e Discusso ............................................................................................ 58 3.1 Absortividade molar das cumarinas estudadas. .................................................. 58 3.2 A Natureza do Estado S1 ...................................................................................... 63 3.3 Efeito do Solvente Sobre a Transio S1 S0 ..................................................... 78 3.4 Energias de singlete e a capacidade de gerao de oxignio singlete para as cumarinas estudadas .................................................................................................. 112

4 5 6 7 8

Concluso............................................................................................................... 117 Sugestes para trabalhos futuros ........................................................................... 120 Apndice................................................................................................................. 121 Referncias Bibliogrficas ..................................................................................... 129 Produo Bibliogrfica (2000-2001)..................................................................... 141 8.1 Trabalhos em Eventos........................................................................................ 141 8.2 Artigos Publicados em Peridicos..................................................................... 143 8.3 Artigos em Redao ........................................................................................... 144

ndice de FigurasFigura 1 - Cumarina e cromona. ........................................................................................ 1 Figura 2 Rota biosinttica da cumarina. ......................................................................... 1 Figura 3 Formas cis e trans do cido cinmico. ............................................................. 2 Figura 4 Estruturas cis e trans glicosiladas.................................................................... 2 Figura 5 - Umbeliferona, a 7-hidroxicumarina.................................................................. 2 Figura 6 Cumarinas comumente encontradas na natureza............................................. 3 Figura 7 Cumarina e compostos similares. ..................................................................... 4 Figura 8 Cumarinas isoladas da Calophyllum Linn. Inophyllum. .................................. 7 Figura 9 Cumarinas isoladas da Calophyllum lanigerum. ............................................. 8 Figura 10 Cumarinas extradas da Zanthoxylum schinifolium com atividade antiagregante de plaquetas ................................................................................................ 9 Figura 11 Cumarina isolada da Peucedanum japonicium. ............................................. 9 Figura 12 Algumas cumarinas comumente utilizadas em laseres de corante . ............. 12 Figura 13 Cumarinas utilizadas na sntese do dendrmero, (a) utilizada na periferia e (b) utilizada no ncleo. ..................................................................................................... 13 Figura 14 Dendrmero contendo vrios substituintes constitudos de cumarinas ........ 14 Figura 15 Estrutura bsica dos psoralenos................................................................... 14 Figura 16 Exemplos de psoralenos utilizados em fotoquimioterapia ........................... 15 Figura 17 Esquema dos processos radiativos em um sistema de dois nveis. Probabilidade de transio para a absoro (Blu), para a emisso espontnea (Aul) e para a emisso estimulada (Bul)........................................................................................ 18 Figura 18 - Diagrama de Jablonski.................................................................................. 21 Figura 19 Curvas de energia potencial mostrando os nveis vibracionais em relao ao processo de absoro relacionado ao princpio de Franck-Condon................................ 22 Figura 20 - Diagrama de Jablonski para fluorescncia com relaxao pelo solvente. ... 28 Figura 21 Dipolo em meio dieltrico............................................................................. 29 Figura 22 Estrutura do iodeto de 1-etil-4-metoxicarbonilpiridnio. ............................. 32 Figura 23 Estrutura do corante de Reichardt, utilizado como padro de polaridade. . 33 Figura 24 Derivado do corante de Reichardt utilizado para estudos em solventes de baixa polaridade. .............................................................................................................. 34 Figura 25 Perfil bsico de uma curva de absoro Lorentziana. ................................. 37 Figura 26 Diagrama de Jablonski modificado, mostrando a competio entre fluorescncia, converso interna e cruzamento entre sistemas. ....................................... 38 Figura 27 Estrutura bsica das cumarinas. .................................................................. 47 Figura 28 Derivados de cumarina estudados................................................................ 50

Figura 29 Espectros de absoro em metanol das cumarinas estudadas. R = H (cumarina 1); R = NEt2 (cumarina 2); R = OH (cumarina 3)......................................... 58 Figura 30 Esquema do equilbrio cido-base proposto para a cumarina 2.................. 61 Figura 31 Esquema do equilbrio cido-base proposto para a cumarina 3................. 62 Figura 32 Espectros tpicos de absoro e emisso de fluorescncia para as cumarinas estudadas: (a) cumarina 1 em metanol (exc = 352 nm); (b) cumarina 2 em metanol (exc = 442 nm); (c) cumarina 3 em metanol (exc = 381 nm); (d) cumarina 3 em DMF, onde favorecida a desprotonao do substituinte OH da posio 7 do anel cumarnico (exc = 468 nm)................................................................................................................ 63 Figura 33 Espectros de absoro da cumarina 3 em acetona, (a) em acetona pura (abs = 374 nm e 460 nm) ; (b) ----- em acetona e cido clordrico (abs = 372 nm); (c) em acetona e NaOH (abs = 456 nm)....................................................... 65 Figura 34 - Espectros de emisso de fluorescncia da cumarina 3 em acetona, (a) em acetona pura, excitao a 374 nm; (a) em acetona pura, excitao a 460 nm; (b) em acetona e cido clordrico, excitao a 372 nm; (c) em acetona e NaOH , excitao a 456 nm............................................................................................................................... 66 Figura 35 Bandas de absoro e curvas de monitoramento da absorvncia do mximo de absoro da espcie desprotonada da cumarina 3 a diferentes valores de pH em mistura metanol/gua: (a) mistura (1:4 v/v); (b) mistura (1:99 v/v)................................ 67 Figura 36 Comportamento das bandas de emisso de fluorescncia da cumarina 3 a diferentes valores de pH em mistura metanol/gua: (a)mistura (1:4 v/v); (b) mistura (1:99 v/v)........................................................................................................................... 69 Figura 37 Espcies geradas pela protonao e desprotonao do substituinte OH..... 70 Figura 38 Espectros de absoro (a) e emisso de fluorescncia (b) para a cumarina 3 a diferentes propores na mistura metanol/DMF........................................................... 71 Figura 39 Espectros de emisso de fluorescncia (a) e monitoramento da variao da absorvncia a 382 nm, ocorrida para a cumarina 3 (b) em diferentes misturas de metanol/DMF.................................................................................................................... 72 Figura 40 Espectros de absoro e emisso de fluorescncia da cumarina 3 em diisopropilamina (exc = 384 nm). .................................................................................. 73 Figura 41 Bandas de absoro (a) e curvas de monitoramento da absorvncia do mximo de absoro ( = 452 nm) da espcie protonada da cumarina 2 (b) a diferentes valores de pH em mistura metanol/gua (1:99 v/v).......................................................... 74 Figura 42 - Comportamento das bandas de emisso de fluorescncia (a) e monitoramento da intensidade de fluorescncia a 497 nm (b) da cumarina 2 a diferentes valores de pH em mistura metanol/gua (1:99). .............................................................. 75

Figura 43 Cumarinas estudadas por Jones e colaboradores [129]. ............................. 76 Figura 44 - Espectros de absoro e emisso de fluorescncia para a cumarina 2 a diferentes pH em mistura metanol/gua (1:99): (a) cumarina 2 a pH = 1,67 (exc = 495 nm); (b) cumarina 2 a pH = 5,65 (exc = 452 nm); (c) cumarina 2 a pH = 9,31 (exc = 452 nm). ............................................................................................................................ 77 Figura 45 Deslocamento de Stokes em funo da polarizabilidade de orientao (f) para a cumarina 1 em solventes aprticos. (a) metilciclohexano; (b) tetracloreto de carbono; (c) tolueno; (d) dioxano; (e) clorofrmio; (f) acetato de etila; (g) THF; (h) DMSO; (i) DMF; (j) acetona; (k) acetonitrila.................................................................. 80 Figura 46 Deslocamento de Stokes em funo do parmetro de polaridade ETN para a cumarina 1 em solventes aprticos. (a) tetracloreto de carbono;(b) tolueno;(c) dioxano; (d) THF; (e) acetato de etila; (f) clorofrmio; (g) acetona; (h) DMF; (i) DMSO. .......... 81 Figura 47 Deslocamento de Stokes em funo do parmetro do solvente prtico para a cumarina 1. (a) 2-butanol; (b) 2-propanol; (c) etanol; (d) metanol; (e) etilenoglicol. . 82 Figura 48 Relao entre o rendimento quntico de fluorescncia da cumarina 1 e a polarizabilidade de orientao (f) do solvente utilizado. Pontos fechados ( ): (a) metilciclohexano;(b) tetracloreto de carbono;(c) tolueno; (d) dioxano; (e) clorofrmio; (f) acetato de etila; (g) THF; (h) DMSO; (i) DMF; (j) acetona; (k) acetonitrila. Pontos abertos (): solventes prticos.......................................................................................... 83 Figura 49 Relao entre o rendimento quntico de fluorescncia da cumarina 1 e o parmetro para solventes prticos. (a) 2-butanol; (b) 2-propanol; (c) etanol; (d) etilenoglicol; (e) metanol. ................................................................................................. 84 Figura 50 Deslocamento de Stokes em funo da polarizabilidade de orientao para a cumarina 2 em solventes aprticos. (a) tetracloreto de carbono, (b) tolueno, (c) dioxano, (d) acetato de etila, (e) DMSO, (f) DMF, (g) propanona, (h) acetonitrila. ...................... 88 Figura 51 - Espectros de emisso de fluorescncia da cumarina 2 em (a) diisopropilamina, (b) clorofrmio e (c) metanol. Dois mximos de emisso de fluorescncia podem ser visualizados: o primeiro, a 473 nm relativo ao estado LE, e a 490 nm relativo ao ICT. ................................................................................................... 90 Figura 52 - Comportamento do rendimento quntico de fluorescncia da cumarina 2 em solventes aprticos de polaridade intermediria a alta: (a) clorofrmio, (b) acetato de etila, (c) THF, (d) acetona, (e) acetonitrila, (f) DMF, (g) DMSO. ................................... 91 Figura 53 Comportamento do rendimento quntico de fluorescncia da cumarina 2 em funo do parmetro do solvente: (a) 2-butanol, (b) 2-propanol, (c) etanol, (d) etilenoglicol, (e) metanol, (f) gua.................................................................................... 92

Figura 54 Relao entre a constante de desativao no-radiativa para a cumarina 2 em funo do parmetro do solvente: (a) 2-butanol, (b) 2-propanol, (c) etanol, (d) etilenoglicol, (e) metanol, (f) gua.................................................................................... 93 Figura 55 - Espectros de absoro da cumarina 2 a diferentes propores de gua em dioxano. () 0 % gua; () 5 % gua; () 25 % gua; (--------) 50 % gua; () 75 % gua; (*****) 100 % gua........................................................................................ 94 Figura 56 - Espectros de emisso de fluorescncia da cumarina 2 em diferentes concentraes de gua, para misturas gua dioxano....................................................... 95 Figura 57 - Deslocamento de Stokes da cumarina 2 para diferentes misturas de dioxano/gua..................................................................................................................... 97 Figura 58 - Rendimento quntico de fluorescncia para diferentes misturas dioxano/gua..................................................................................................................... 97 Figura 59 - Relao de Stern-Volmer para a supresso da fluorescncia da cumarina 2 em misturas dioxano/gua. (a) variao entre 0 e 55,56 mol.dm-3 de gua; (b) variao entre 0 e 25 mol.dm-3 de gua.......................................................................................... 98 Figura 60 Valores relativos de absorvncia no mximo de absoro (a), deslocamento de Stokes(b) e rendimento quntico de fluorescncia (c) para a cumarina 2 em funo do pH do meio...................................................................................................................... 100 Figura 61 Relao de Stern-Volmer para a cumarina 2 utilizando-se H3O+ como supressor. (a) pH variando entre 1,67 e 9,31; (b) pH variando entre 1,67 e 2,15 (abaixo do pKa).. ......................................................................................................................... 100 Figura 62 Espectros de absoro e emisso de fluorescncia para a cumarina 3 em gua a pH 5,45................................................................................................................ 104 Figura 63 Deslocamento de Stokes em funo da polarizabilidade de orientao para a cumarina 3 desprotonada em solventes aprticos. (a) clorofrmio, (b) acetato de etila, (c) THF, (d) DMSO, (e) DMF. ............................................................................................. 106 Figura 64 Espectros de emisso de fluorescncia a 77 K em metilciclohexano para as cumarinas estudadas: (a) cumarina 1; (b) cumarina 2; (c) cumarina 3; (d) cumarina 3 desprotonada (soluo contendo 20 % de piridina). ...................................................... 112 Figura 65 Espectros de emisso de fluorescncia a 77 K para a cumarina 2 em: (a) acetato de etila; (b) etanol 99,8 %.................................................................................. 113 Figura 66 - Decaimento do 1O2, com emisso a 1270 nm, gerado por fotosensitizao pela: (a) cumarina 1; (b) cumarina 3. ............................................................................ 115 Figura 67 Curvas para a determinao da eficincia de gerao de oxignio singlete para as cumarinas. (P) fenalenona; (1) cumarina 1; (2) cumarina 2; (3) cumarina 3. . 115

ndice das TabelasTabela 1- Efeito inibitrio de cumarinas na gerao de superxido por leuccitos humanos PMN PMA-estimulada ...................................................................................... 10 Tabela 2 -Caractersticas tpicas de alguns cromforos. ................................................. 24 Tabela 3 Caractersticas dos principais padres utilizados na determinao de rendimentos qunticos de fluorescncia . ......................................................................... 45 Tabela 4 Valores estimados para os coeficientes de extino molar em diferentes solventes, obtidos para as cumarinas estudadas. ............................................................. 60 Tabela 5 Mximos de absoro e emisso, deslocamentos de Stokes, rendimentos qunticos de fluorescncia, constante de desativao natural, tempo de vida natural, tempo de vida experimental, tempo de vida de fluorescncia, constante de fluorescncia, constante dos processos no radiativos da cumarina 1................................................... 79 Tabela 6 Mximos de absoro e emisso, deslocamentos de Stokes, rendimentos qunticos de fluorescncia, constante de desativao natural, tempo de vida natural, tempo de vida experimental, tempo de vida de fluorescncia, constante de fluorescncia, constante dos processos no radiativos para a cumarina 2. .......................................... 87 Tabela 7 Comprimentos de onda nos mximos de absoro e emisso, deslocamentos de Stokes e rendimentos qunticos de fluorescncia para a cumarina 2 em diferentes composies dioxano/gua ............................................................................................... 96 Tabela 8 Mximos de absoro e emisso, deslocamentos de Stokes e rendimentos qunticos de fluorescncia da cumarina 2 para diferentes [H3O+], em misturas metanol/gua (1:99 v/v).................................................................................................... 99 Tabela 9 - Mximos de absoro e emisso, deslocamentos de Stokes, rendimentos qunticos de fluorescncia, constante de desativao natural, tempo de vida natural, tempo de vida experimental, tempo de vida de fluorescncia, constante de fluorescncia, constante dos processos no radiativos para a cumarina 3. .......................................... 102 Tabela 10 Mximos de absoro e emisso, deslocamentos de Stokes, rendimentos qunticos de fluorescncia, constante de desativao natural e tempo de vida natural para a cumarina 3 desprotonada.................................................................................... 105

Tabela 11 Efeito da composio da mistura metanol/DMF sobre a fotofsica da cumarina 3. ..................................................................................................................... 108 Tabela 12 Mximos de absoro e emisso, deslocamentos de Stokes, rendimentos qunticos de fluorescncia, constante de desativao natural, tempo de vida natural, tempo de vida experimental, tempo de vida de fluorescncia, constante de fluorescncia, constante dos processos no radiativos para a cumarina 3 em mistura metanol/gua (1:4 v/v) a diferentes pH......................................................................................................... 109 Tabela 13 Mximos de absoro e emisso, deslocamentos de Stokes, rendimentos qunticos de fluorescncia, constante de desativao natural, tempo de vida natural, tempo de vida experimental, tempo de vida de fluorescncia, constante de fluorescncia, constante dos processos no radiativos para a cumarina 3 em mistura metanol/gua (1:99 v/v) a diferentes pH. .............................................................................................. 110 Tabela 14 Energias de singlete e rendimentos qunticos de fluorescncia para as trs cumarinas estudadas....................................................................................................... 113 Tabela 15 Propriedades fsicas dos solventes utilizados............................................. 121 Tabela 16 Dados solvatocrmicos dos solventes utilizados ........................................ 122

ndice de Termos Adotadoss, constante dieltrica; n, ndice de refrao; , absortividade molar (coeficiente de extino molar); IC, converso interna; ISC, cruzamento entre sistemas; RV, relaxao vibracional; exp, tempo de vida experimental; f, tempo de vida de fluorescncia; kr0, constante natural radiativa; r0 , tempo de vida natural radiativo; kf, constante de fluorescncia; knr, constante para os demais processos; ~ , deslocamento de Stokes; f, rendimento quntico de fluorescncia; DMF, N,N-dimetilformamida; DMSO, dimetilsulfxido; THF, tetrahidrofurano; f, polarizabilidade de orientao; ET(30), energia de transio da banda de transferncia de carga da Betana 30, corante de Reichardt; ETN, valor normalizado do ET(30); abs, comprimento de onda de absoro; em , comprimento de onda de emisso; , diferena entre o momento de dipolo do estado excitado e o momento de dipolo do estado fundamental; a, raio de Onsager; , parmetro solvatocrmico que relaciona o carter doador de prton de um solvente em uma ligao de hidrognio; , parmetro solvatocrmico que relaciona o carter aceptor de prton de um solvente em uma ligao de hidrognio; solvente prtico, que possui um tomo de hidrognio hbil a formar uma ligao de hidrognio; solvente aprtico, que no possui um tomo de hidrognio para formar ligao de hidrognio.

ResumoA fotofsica de trs derivados de cumarina foi estudada para uma srie de solventes orgnicos, mediante medidas de fluorescncia no estado estacionrio e resolvida no tempo. As medidas foram feitas tanto temperatura ambiente como a 77 K. As elevadas absortividades molares, em torno de 104 mol-1dm3cm-1, associadas transio S0S1, sugerem para essa um carter ,*. Esse carter ,* decorre principalmente do efeito aceptor de eltrons do grupo benzoxazol localizado na posio 3 do anel cumarnico. A transio sofre ainda uma contribuio n,*, resultado da interao de substituintes doadores de eltrons da posio 7 do anel cumarnico. Os resultados mostram que as cumarinas so fortemente fluorescentes, havendo, no entanto, certas particularidades relacionadas ao tipo de substituinte na posio 7 do anel cumarnico. No caso do derivado 3-benzoxazol-2-il-7dietilamino-cromen-2-ona, a combinao dos dois substituintes nas posies 3 e 7, faz com que ocorra uma transferncia intramolecular de carga (ICT), j no estado fundamental, sendo essa intensificada no estado excitado. O estado excitado observado a partir da emisso fluorescente provavelmente um estado TICT (Estado de Tranferncia Intramolecular de Carga Torcido). O comportamento desse composto afetado pela polaridade do solvente, sobretudo solventes prticos, onde a formao de ligaes de hidrognio favorece a desativao noradiativa do estado S1. Tanto para esse composto como para o derivado hidroxilado desprotonado, observa-se uma dependncia entre f e a temperatura. O efeito do pH sobre as caractersticas espectroscpicas foi investigado para a aminocumarina e para a hidroxicumarina. Nessa ltima, uma espcie aninica formada mostra propriedades fotofsicas distintas da forma neutra. Foi estimado um pKa de 6,20 para o equilbrio cido-base das duas espcies. A participao de processos no-radiativos de desativao favorecida quando a forma aninica predomina, decorrente, sobretudo do aumento das interaes entre pares inicos (espcie desprotonada e seu contra-on). Um comportamento similar observado em solventes nucleoflicos, como DMF e DMSO. A espcie desprotonada exibe um estado de transferncia intramolecular de carga, formado a partir da nova carbonila gerada na posio 7 do anel cumarnico. No estadoI

excitado possvel ainda observar um terceira espcie a pH inferior a 2, atribuda forma catinica, obtida pela protonao do grupo hidroxila. Para a aminocumarina, foi estimado um pKa de 2,36. O estado de transferncia de carga inviabilizado pela protonao do grupo amino, uma vez que nessas condies desfavorecida a induo eletrnica para o anel cumarnico. A espcie catinica no estado excitado fortemente desativada por converso interna. O derivado 3-benzoxazol-2-il-cromen-2-ona apresentou uma eficincia quntica de gerao de oxignio singlete de aproximadamente 15 %, enquanto que os demais derivados indicaram uma eficincia em torno de 6 %.

II

AbstractThe photophysics of three coumarins derivatives has been studied in different organic solvents, by steady-state and time-resolved fluorescence measurements. These measurements were performed both at room temperature and at 77 K. The high molar absorptivities, approximately 104 mol-1dm3cm-1, associated to S0S1 transition, suggest a ,* character. This ,* character is principally due to the electron-withdrawing effect of the benzoxazole group located at 3-position of the coumarin ring. An n,* perturbational contribution can also occur due to the interaction of eletron donor substituents at 7-position. The results show that the coumarins studied here are very strongly fluorescent. However, the kind of substituent at 7-positoin of coumarin ring has an important effect on the properties. For the 3-benzoxazol-2-il-7-diethylaminocromen-2-one derivative, the combination of the two substituents at positions 3 and 7 can viabilize an intramolecular charge transfer (ICT) at the ground state; effect which increases in the first excited singlet state. The excited state observed from fluorescent emission has a TICT character. The behaviour of this compound is affected by solvent polarity, principally protic solvents, where the formation of hydrogen bonds favors the non-radiative deactivation of S1 state. This compound and the deprotonated hydroxylated derivative show a temperature dependence for f . The pH effect on spectroscopic properties was investigated for aminocoumarin and hidroxycoumarin. In the latter an anionic specie is formed. It shows distinct photophysical properties from the neutral species. A pKa of 6.20 was estimated for the acid-base equilibrium. Non-radiative deactivation processes increase when the anionic form predominates, due to the interactions between the anionic specie and its counter ion. A similar behaviour is observed in nucleofilic solvents, like DMF and DMSO. The anionic species present an intramolecular charge transfer originating from the ketonic group at 7 position, formed due to the deprotonation. In the excited state is still possible to observe a third species at below pH 2, that is attributed to the cationic form, formed by the protonation of hidroxyl group.

III

A pKa of 2.36 was estimated for aminocoumarin. The intramolecular charge transfer state is inviabilized after protonation of the amino group, where there is no eletronic coupling with the coumarin ring. The cationic specie at the excited state is strongly deactivated by internal conversion. The 3-benzoxazol-2-il-cromen-2-one derivative showed a singlete oxygen generation quantum efficiency of 15 %, whereas the others an efficiency of approximately 6 % was found.

IV

Introduo-As cumarinas 1

11.1

IntroduoAs cumarinas [1]

Cumarinas so benzo-derivados da pirona, de ocorrncia natural ou sinttica, classificadas como benzo--pironas. As benzo--pironas so comumente conhecidas por cromonas. Cumarinas foram primeiramente isoladas de uma espcie de feijo em 1820, combinadas com glicose, sendo que a primeira sntese foi realizada em 1868 pelo qumico ingls Sir William Henry Perkin. Quando o aldedo saliclico aquecido com anidrido actico e acetato de sdio, o cido formado instvel e se cicliza espontaneamente, dando origem a lactona conhecida como cumarina.O

O benzo- -pirona

O

O benzo- -pirona

Figura 1 - Cumarina e cromona.

Na sua biosntese, os ncleos benzo-2-pirona de cumarinas simples, derivam do esqueleto fenilacrlico do cido cinmico.COOH (a) OHcido cinmico cido o-cumrico

COOH

(b) COOHh ou enzima

COOH Oglicose-D-glicosdeo do cido o-cumrico

(c)

Oglicose-D-glicosdeo do cido o-cumrico

(d)

Ocumarina

O

Figura 2 Rota biosinttica da cumarina.

Introduo-As cumarinas 2 A estrutura da cumarina derivada do cido cinmico via ortohidroxilao (a), trans-cis isomerizao da dupla ligao da cadeia lateral (b) e (c), e lactonizao (d). A forma trans estvel e no se cicliza. Portanto, dever existir algum tipo de isomerizao, e a enzima isomerase estar envolvida.H COOH Htrans cis

H H COOH OH

Figura 3 Formas cis e trans do cido cinmico.

A forma cis muito instvel; portanto, tender para a configurao trans. Glicose um bom grupo de sada, o qual ajuda na converso cis-trans. Uma enzima especfica, encontrada na Melilotus alba (leguminosae), hidrolisa especificamente o cis-glicosdio (beta-glicosidase).COOH Oglicosetrans cis

COOH Oglicose

Figura 4 Estruturas cis e trans glicosiladas.

Este caminho biosinttico dever ser seguido por todas as cumarinas, especialmente aquelas oxigenadas na posio 7.OH COOH o-glicose

HO

glicose 5 4 3 2 O 1 O

6 7 HO

8

7-hidroxicumarina (UMBELLIFERONA)

Figura 5 - Umbeliferona, a 7-hidroxicumarina.

Umbeliferona, esculetina e scopoletina so as cumarinas mais comuns na natureza.

Introduo-As cumarinas 3HO O cumarina O HO O Umbelliferona CH3O HO O Scopoletina O O HO O Esculetina O

Figura 6 Cumarinas comumente encontradas na natureza.

As cumarinas constituem uma classe de metablitos secundrios derivados do cido cinmico, amplamente distribudos no reino vegetal (em gramneas, cascas de citros e em folhas de alguns vegetais), podendo tambm ser encontradas em fungos e bactrias, sendo, hoje, identificadas mais de 1300 estruturas [1,2]. Podem ser encontradas sozinhas ou combinadas com acares ou cidos. Suas caractersticas odorferas permitem o uso na fabricao de perfumes e agentes flavorizantes, bem como repelente de insetos. Outra propriedade interessante a de inibir a germinao de alguns tipos de sementes [1]. A cumarina foi o primeiro perfume natural sintetizado a partir de produtos qumicos derivados do alcatro da hulha [1]. Em 1940, a FDA (Food and Drug Administration, USA) proibiu seu uso como aditivo alimentcio, devido sua potencial hepatotoxicidade [3,4]. H evidncias de que algumas cumarinas possam ser carcinognicas [1]. No entanto, as aplicaes desses compostos esto superando os aspectos negativos. A elas atribuda uma grande variedade de atividades biolgicas, como a ao antimicrobiana, antiviral, antiinflamatria, antiespasmdica, antitumoral e antioxidante, dentre outras, as quais podem estar relacionadas com a inibio de enzimas e com a sua capacidade de suprimir espcies ativas de oxignio (EAO) [2], alm tambm de, em alguns casos, ger-las [5,6]. No que diz respeito s aplicaes tecnolgicas, sua utilizao na indstria txtil vale-se da propriedade, como caso da 4-metil-7-dimetilaminocumarina, em aumentar a aparncia branca de tecidos, especialmente algodo, aps vrias lavagens [1]. O uso em sistemas de laser de corante tem tambm alcanado merecido destaque, uma vez que os rendimentos qunticos de fluorescncia de vrias cumarinas so bastante elevados [7]. Modificaes na estrutura bsica das cumarinas podem fornecer outras classes de compostos (figura 7). A importncia de se explorar as propriedades

Introduo-As cumarinas 4 desses compostos pode ser explicada pelo 6-metxi-8-hidrxi-3-metil-3,4dihidroisocumarina, que possui atividade antibitica e produzida pela cenoura aps infestao por fungos [2].O O O O O O O O O O

cumarina

isocumarina

furanocumarina

piranocumarina

Figura 7 Cumarina e compostos similares.

1.1.1

Cumarinas como agentes anticncer

Vrios agentes teraputicos, contendo cumarinas como princpio ativo, tm sido testados como agentes anticncer [8-16]. Tanto compostos sintticos quanto extratos naturais esto sendo testados em diferentes tipos de clulas por diferentes mtodos teraputicos. Okuyama [8,9], estudando o extrato da ashitaba, uma espcie consumida como legume no Japo, observou um potente efeito inibitrio sobre o tumor induzido in vitro pelo 12-o-tetradecanoilforbol-13-acetato (TFA). Dentre os compostos ativos, destacam-se seis furanocumarinas do tipo linear e trs cumarinas de mesma estrutura, psoraleno, bergapteno e xantotoxina. Nishino [10] estudou o efeito da Pd-II [(+) anomalina, (+) praeuruptorina B)], um tipo de cumarina, sobre o tumor de pele em ratos, induzido pelo TFA, iniciado por 7,12-dimetilbenzoantraceno. Pd-II, aplicado 40 minutos aps a induo do tumor, suprimiu completamente sua formao sem apresentar qualquer toxicidade. Alm do Pd-II, foram identificadas vrias cumarinas de ao antitumor, todas isoladas do medicamento chins Qian-Hu, do qual o Pd-II foi obtido. Outro grupo de drogas que se mostraram ativas na inibio do crescimento de tumores induzidos pelo TFA foram as piranocumarinas de tipo angular, isoladas da Bai-Hua Qian-Hu [11]. Uma frao inibiu duas fases na formao de tumor pulmonar gerado por glicerol em ratos, utilizando 1-xido-4-nitroquinolina (4NQO) como iniciador [11]. Cumarinas obtidas de frutas da anglica (Archangelica officinalis) e parsnip frutfera (sativa de Pastinaca) inibiram o crescimento de clulas cancergenas HeLa-S3 in vitro, em concentraes de 5 mg/mL [12].

Introduo-As cumarinas 5 Warfarina, uma cumarina anticoagulante, mostrou-se citotxica sobre a metstase de clulas Mtln3, um carcinoma mamrio de ratos. A metstase espontnea de tais tumores nos pulmes de fmeas de ratos F344 tratadas com Warfarina foi inibida [13]. Cumarina uma substncia natural que apresenta atividade antitumor in vivo [15]. Apesar de no se conhecer o mecanismo exato de atuao da droga, Marshall e colaboradores, observaram a atividade inibitria, bem como a atividade imunomodulatria in vitro e in vivo, da cumarina e da 7hidroxicumarina (7-HC). As duas espcies mostraram-se citotxicas sobre as seguintes clulas malignas humanas: A549, ACHN, Caki-2, Dakiki, HS-sulto, H727, HCT-15, HL-60, K562, LNCaP, PC-3, Du145 COLO-232, MCF-7 e RP1788. A inibio do crescimento mostrou-se dependente do tempo e da dose, sendo reversvel quando as clulas eram retiradas do meio que continha a droga. De modo semelhante, tanto a cumarina quanto a 7-HC, inibiram a produo intracelular de antgeno prstata-especfico de clulas LNCaP [14]. Um estudo envolvendo essas duas cumarinas foi realizado tambm por Prosser, onde foi testada a toxicidade dessas espcies na presena e na ausncia de radiao sobre clulas LAT, um tumor asctico [15]. As duas cumarinas no mostraram nenhum efeito at o perodo de 18 horas. No entanto, a cumarina apresentou um significativo efeito sobre a viabilidade celular da LAT em um perodo superior a nove dias, verificado com estudos de transplantabilidade [15]. O efeito antitumor da cumarina (1,2 benzopirona) foi tambm evidenciado por Myers sobre quatro linhagens de clulas tumorais: 786-O e A498, clulas de carcinoma renal e, DU145 e LNCaP, clulas malignas prostticas. Aps cinco dias de tratamento, a cumarina inibiu o crescimento das quatro linhagens de clulas [16]. Gu observou que a administrao de 1,2 benzopirona (25 a 50 mg/kg) leva a uma citotoxicidade seletiva em mucosa olfativa de ratos Wistar e camundongos C57BL/6 [17]. Em comparao, grandes doses mostraram-se hepatotxicas em ratos [18]. A anlise dose-resposta da toxicidade da cumarina indica que ratos Wistar so mais sensveis do que camundongos C57BL/6 [17]. Outras espcies similares mostraram-se sensveis hepatoxicidade cumarinainduzida em estudos iniciais no fgado. Contudo, so diferentes no que diz respeito biotransformao da cumarina no fgado [19,20]. Em humanos, 7-

Introduo-As cumarinas 6 hidroxicumarina o metablito predominante in vivo e in vitro nos microssomos do fgado [21,22]. Com relao s cumarinas sintticas, tm-se obtido resultados interessantes. Dentre esses, pode-se destacar a sntese de derivados cumarnicos buscando a obteno de drogas onde, principalmente, seja eliminado o efeito carcinognico da espcie. Harvey e colaboradores sintetizaram derivados de cumarina, onde se destacam os anlogos de cumarinas policclicos de fenantreno, benzoantraceno e benzopireno. Os ensaios preliminares de atividade biolgica indicam que o anlogo do benzopireno um inibidor potente do tumor induzido por 7,12-dimetilbenzoantraceno, alm de no apresentar efeito carcinognico [23].

1.1.2

Atividade mutagnica de cumarinas

Dentre os problemas relacionados s cumarinas, est a sua ao mutagnica. Essa propriedade tem sido bastante estudada, numa tentativa de elucidar seus mecanismos e causas [24-28]. Grande nfase tem sido dada aos efeitos provocados por esses compostos sobre a estrutura do DNA, uma vez que vrias cumarinas antibiticas so conhecidas inibidoras de Girase de DNA bacteriano in vivo e in vitro. Kranz, por exemplo, observou a inibio das caractersticas capsulantes da Girase de DNA e a atividade ATP-dependente, ambas relacionadas cumarina [24]. Contreras, estudando a hidrlise do ATP e o enovelamento do DNA, atravs da Girase de DNA de Escherichia Coli, observou a inibio desses dois processos pela cumarina [25]. A genotoxicidade desses compostos ainda vem sendo testada [26-28]. O estudo mais detalhado para determinar a existncia ou no da ao mutagnica foi realizado por Goeger e colaboradores [28], estudando a co-mutagenicidade da cumarina com aflatoxina B1 em clulas S9 de fgado humano. Os resultados no mostraram nenhum sinal de mutagenicidade na ausncia de aflatoxina. Quando incubadas com 1 ou 10 M de aflatoxina, a cumarina produz um aumento da dose-dependncia na freqncia mutante e na citotoxicidade [28].

Introduo-As cumarinas 7 1.1.3 Atividade anti-HIV de cumarinas

A AIDS hoje uma das doenas para onde mais convergem os esforos cientficos na tentativa de alcanar uma cura. Dentre os diferentes mtodos existentes, baseados de drogas especficas, como o AZT, ou at mesmo nos modernos coquetis, misturas de inmeros agentes teraputicos, uma modalidade teraputica baseada no uso de cumarinas, tem sido desenvolvida. Os principais relatos de atividade anti-HIV so observados em extratos naturais [29-34]. Patil isolou alguns compostos, predominando duas cumarinas, da Calophyllum Linn. inophyllum, uma rvore tropical, que possuem atividade inibitria sobre o HIV (figura 8). As espcies inibiram a HIV transcriptase, com valores de IC50 de 38 e 130 NM e ambas eram ativas sobre culturas de clulas HIV-1 (IC50 de 1,4 e 1,6 mM) [35].Me Me O Ph Me Me O Ph

O Me Me (I) OH

O

O Me

O Me Me Me Me O Ph (II)

O

O

O Me Me (III) OH

O

O

Figura 8 Cumarinas isoladas da Calophyllum Linn. Inophyllum.

Kashman e colaboradores, tambm estudando uma rvore tropical, a Calophyllum lanigerum, isolaram oito cumarinas. As espcies I e II, mostradas na figura 9, agiram inibindo a replicao de HIV-1 com considervel citopaticidade (EC50 de 0,1 e 0,4 mM, respectivamente), mas mostraram-se inativas contra o HIV-2. Estudos com transcriptase reversa (TI) bacteriano recombinado revelaram que os caloneldeos so inibidores de HIV-1 RT especficos, o que promissor para a sntese de uma nova droga [36].

Introduo-As cumarinas 8

Me

Me O Pr (I) R = OH; R 1 = H (II) R = H; R 1 = OH

O R Me Me R1

O

O

Figura 9 Cumarinas isoladas da Calophyllum lanigerum.

A baixa bioviabilidade oral e excreo biliar de inibidores peptdeoderivados HIV protease, limitam sua utilizao como potenciais agentes teraputicos. Isso levou Thaisrivongs e colaboradores a desenvolver modelos que contivessem inibidores peptdeo-derivados e inibidores no-peptdeo, carboxiamida contendo 4-hidroxicumarinas e modelos 4-hidroxil-2-pirona. Os estudos resultaram em uma srie promissora de novos inibidores no-peptdicos HIV protease, com afinidade com a enzima ligante [33].

1.1.4

Atividade das cumarinas sobre o sangue e seus componentes

Sem dvida alguma, dentre todas as propriedades teraputicas das cumarinas, a mais explorada sua aplicao como agente anticoagulante [37-43]. Anticoagulantes orais so derivados da 4-hidroxicumarina ou da indan-1,3-diona. Estruturalmente, os derivados de cumarina com ao anticoagulante assemelhamse vitamina K, um importante elemento na sntese de inmeros agentes coagulantes [37]. No entanto, interferncias no metabolismo da vitamina K no fgado, causadas por derivados de cumarina, levam a um aumento no contedo de agentes coagulantes defeituosos e incapazes de se ligar a ons clcio (outro importante elemento na ativao de agentes coagulantes nas vrias etapas da coagulao) [37]. Os estudos nessa rea concentram-se fortemente na descoberta de novas drogas com atividade antiagregante de plaquetas. Dentre os produtos naturais isolados e que apresentaram tais propriedades, pode-se destacar o Schiifolina (I) e acetoxischilnifolina (II) (figura 10), identificados juntamente com mais cinco compostos j conhecidos (auraptena, dictamina, scoparona, skimmianina e bsitosterol) no extrato das razes da Zanthoxylum schinifolium [38].

Introduo-As cumarinas 9

Me Me2C=CHCHCH2C=CH2O R OMe I, R = H II, R=OAc O O

Figura 10 Cumarinas extradas da Zanthoxylum schinifolium com atividade antiagregante de plaquetas [38].

Uma nova cumarina isolada da Peucedanum japonicium (Umbelliferae) mostrou boa atividade em doses de 50 mg/mL. A figura 11 traz a estrutura da droga, onde R1 = senecioil e R2 = isovaleril [39].

O Me Me

O OR1 OR2

O

Figura 11 Cumarina isolada da Peucedanum japonicium.

Outro composto que vem sendo bastante estudado o AD6 (8-monocloro3-beta-dietilaminoetil-4-metil-7-etoxicarbonilmetoxicumarina). Este um derivado de cumarina capaz de inibir a agregao de plaquetas e liberao de cido araquidnio causado por vrios agentes como adrenalina, on Ca2+ e outros. Esse composto diminui a produo de araquidonato livre e diglicerdeo em plaquetas humanas, sugerindo ainda ser capaz de inibir fosfolipase A2 [44,45].

1.1.5

Interaes de cumarinas com espcies ativas de oxignio

Uma srie de dezesseis cumarinas simples foi testada por Pay e colaboradores em vrios sistemas envolvendo espcies ativas de oxignio para caracterizao de seus perfis antioxidantes [2]. Foram testadas suas habilidades de remover nions-radicais superxido gerados por leuccito polimorfonuclear humano quando estimulado por PMA (meristato acetato forbol). O mtodo de monitoramento foi baseado na reduo de ferricitocromo c e nitroblue tetrazolium (NBT). Outra caracterstica observada foi que tais compostos no

Introduo-As cumarinas 10 inibem a NADPH oxidase, responsvel por sua gerao [46]. Os resultados obtidos por Pay esto dispostos na tabela 1.Tabela 1- Efeito inibitrio de cumarinas na gerao de superxido por leuccitos humanos PMN PMA-estimulada [46].Mtodo do cit. c N Composto 1 2 3 4 5 %Inibio em 100 M IC50, M Mtodo do NBT %Inibio em 100 M IC50, M

4-hidroxicumarina 7-hidroxicumarina 7-metilcumarina 7-metoxicumarina 7-hidroxi-4metilcumarina 7-metoxi-4metilcumarina 7,8-dihidroxi-6metoxicumarina 6,7-dihidroxicumarina

1,1 0,6 26,7 3,3 8,3 3,4 4,4 0,6 21,7 2,2 8,7 2,7 99,1 0,5 9,0 1,8 6,7 0,9 44,2 6,4 2,0 0,5 0,6 0,4 99,3 1,0

2,3 3,1 U/mL

2,7 0,7 77,4 5,2 58,1 2,9 95,4 1,9 97,0 2,4 93,3 2,3

5,8 33,9 82,0 10,6 8,5 11,1 U/mL

6

7

8 9

6,7-dihidroxi-4metilcumarina 10 7-hidroxi-6metoxicumarina11 7-hidroxi-6-O-

glicosilcumarina12 7-hidroxi-6-metoxi-8-O-

glicosilcumarina13 5,7,-dihidroxi-4-

metilcumarina14 3,4-dihidrocumarina 15 7,8-dihidroxicumarina 16 7,8-dihidroxi-4-

metilcumarina*

Superxido (70 U/mL)

dismutase

(-) no testados; * Referncia

De especial interesse foram os resultados obtidos com o composto 13, pois em experimentos mais especficos, Pay observou uma variedade de

Introduo-As cumarinas 11 caractersticas potencialmente benficas. O composto um ativo inibidor da peroxidao lipdica e removedor de radicais alquilperxido, inativa radicais superxido e foi o mais ativo na remoo de cido hipocloroso, alm de ser no pro-oxidante [2].

1.1.6

Cumarinas em sistemas de laser de corante

A utilizao de cumarinas em sistemas de laser de corante tem sido bastante explorada [7,47-50], uma vez que os rendimentos qunticos de fluorescncia de inmeros compostos dessa classe so elevados. Quando uma soluo concentrada de um corante, com considervel rendimento quntico de fluorescncia, irradiada na banda do mximo de absoro, por um laser ou por uma lmpada pulsada, ocorre uma elevada populao eletrnica nos nveis vibracionais do estado S1 [75]. As populaes so rapidamente relaxadas atravs de colises para o mais baixo nvel vibracional de S1, de onde a emisso estimulada deve ocorrer [75]. Essa energia pode ser conduzida por um sistema de espelhos e ento reutilizada, possibilitando ento deslocar o comprimento de onda de irradiao do laser [7]. Inmeras cumarinas j foram estudadas e esto sendo utilizadas nesse tipo de sistema. Algumas delas foram dispostas na figura 12 [47].

Introduo-As cumarinas 12

HO

O

O

H2N

O

O (H C ) N 5 2 2

O

O N

CH3 cumarina 4 H5C2HN H3C CH3 cumarina 2 ou 450 (H5C2)2N O O (H C ) N 5 2 2 O O (H C ) N 5 2 2

CH3 cumarina 120 ou 440 O O (H C ) N 5 2 2

H

N

cumarina 7 ou 535 O O S N

cumarina 466 O O

cumarina 6 ou 540

N CF3 cumarina 152A, 481 ou 35 CH3

O

O

C cumarina 47 ou 460 O cumarina 334 ou 521

CH3

Figura 12 Algumas cumarinas comumente utilizadas em laseres de corante [47].

1.1.7

Cumarinas como sondas de fluorescncia

Alm da aplicao nos sistemas de laser de corante, as cumarinas podem ser utilizadas como sondas de fluorescncia. Uma vez que a fluorescncia desses compostos pode, em muitos casos, sofrer fortes interferncias do meio, possvel realizar experimentos de sondagem sobre certos ambientes, de modo a caracteriz-los. Em geral a sondagem realizada estudando-se as alteraes nas propriedades fotofsicas da sonda, de acordo com o microambiente, seja pelo efeito da polaridade ou at mesmo de interaes especficas, tais como ligaes de hidrognio. Alm da sondagem convencional, possvel ainda, caracterizar microambientes, construindo-os a partir dessas sondas. Um exemplo o estudo das macromolculas, conhecidas como dendrmeros [50]. Frchet e colaboradores, por exemplo, sintetizaram um dendrmero contendo diferentes cumarinas comumente utilizadas em sistemas de laser de corantes nas regies perifricas e central. As cumarinas escolhidas foram as cumarinas dispostas na figura 13.

Introduo-As cumarinas 13

oOH N H (a) (b) O O N O O

Figura 13 Cumarinas utilizadas na sntese do dendrmero, (a) utilizada na periferia e (b) utilizada no ncleo [50].

Do ponto de vista sinttico, as duas cumarinas apresentam caractersticas especficas. A cumarina (a) contm um grupo amino nucleoflico e a (b) um grupo eletroflico. Essa caracterstica permitiu a sntese de uma macromolcula contendo um grupo nucleoflico como grupo terminal, o que no ocorre na estratgia clssica (onde o grupo terminal sempre eletroflico). As cumarinas utilizadas possuem elevados rendimentos qunticos de fluorescncia e permitem ainda a transferncia de energia da cumarina (a) da periferia para a cumarina (b) do ncleo, permitindo obter informaes sobre as diferentes regies da macromolcula. Para que fosse possvel explorar as caractersticas ticas das duas cumarinas, a rota sinttica utilizada teve de considerar alguns aspectos importantes. Por exemplo, a amidao da cumarina b reduziria significativamente a magnititude da transferncia intramolecular de carga, que a origem das propriedades ticas desse composto. Caso fosse utilizada uma outra molcula espaadora para unir as cumarinas estrutura do dendrmero, o mecanismo de Frster seria desfavorecido ( necessrio que haja uma distncia mnima entre os cromforos envolvidos na transferncia de energia). A sada foi a sntese reversa, o que levou alterao das posies dos grupos com relao sntese clssica, mencionada anteriormente. Isso pode servir como um parmetro bastante favorvel para a construo de novos dendrmeros [50]. A macromolcula sintetizada por Frchet e colaboradores [50], est apresentada na figura 14.

Introduo-As cumarinas 14

O O O O N N N O O O N O O O O N N O O O O

O O O N N O

O O O

O O O O N N N O O O ON

O O O O N O O OO O O O

O N O O O O N O

N N

O

O

O O

Figura 14 Dendrmero contendo vrios substituintes constitudos de cumarinas [50].

1.1.8

Furano-derivados de cumarina

Psoralenos so furano-derivados da cumarina (figura 15) com potencial aplicao em fototerapia ou fotoquimioterapia [51-68]. O princpio dessa modalidade teraputica a combinao de uma droga especfica com luz UVA (em alguns casos pode ser utilizada radiao UVB), permitindo atuar no tratamento de pele e doenas do sangue, bem como na descontaminao de componentes do sangue, alm de ser utilizada tambm como modalidade teraputica no tratamento de alguns tipos de cncer [51-53]. Aps a irradiao os psoralenos induzem leses em vrios componentes da clula: protenas, lipdios e cidos nucleicos [54,55].4' 5' 5 4 3

OFigura 15 Estrutura bsica dos psoralenos.

8

O1

2

O

O mecanismo da fototerapia baseada no psoraleno tem sido relacionado com a formao de mono e bis-fotoadutos DNA-psoraleno no ncleo celular [56]. Os monoadutos so responsabilizados pela inibio da mitose celular [57]. Vrias tentativas tm sido feitas para a elucidao do mecanismo da terapia em sistemas

Introduo-As cumarinas 15 imunolgicos, como por exemplo, o monitoramento atravs de estudos da funo e estrutura de cidos nucleicos antes e aps o tratamento [58]. Este tipo de estudo tem mostrado que os psoralenos se intercalam a cidos nucleicos e promovem processos de fotocicloadio nas bases pirimidinas adjacentes [59], atravs de mecanismos tipo III. Alm disso, os psoralenos podem ser utilizados em reaes do tipo I e II, decorrentes dos processos de transferncia de eltrons e energia, respectivamente. Nas reaes do tipo I, radicais superxido so gerados como intermedirios reativos e nas do tipo II, oxignio singlete produzido [60]. Isso permite utiliz-los em propsitos prticos, como no tratamento de psorases [61], fotoquimioterapia de cncer [62], inativao de vrus [63,64], estudo da estrutura do cido nucleico [65] e investigao dos mecanismos de reparo do DNA [66]. Em geral as ligaes duplas C3C4 e C4C5 so fotoreativas, mas em soluo apenas a C3C4 est envolvida, mostrando que essa ligao particularmente reativa no estado triplete [52]. A substituio nas posies 3, 4, 4 e 5 por grupos volumosos ou com propriedades doadoras de eltrons pode reduzir a fotoreatividade das ligaes duplas, e impoem limites para a capacidade de intercalao desses compostos [52]. Compostos hbeis para atuar em fototerapia, mas que, no entanto, evitem a formao de ligaes cruzadas com as bases do DNA tm sido sintetizados. Um exemplo desse tipo de composto o anlogo benzodioxnico (a) do 8metoxipsoraleno (b), sintetizado por Besson e colaboradores [68].

O O OMe (a) O O O OMe O O

(b) Figura 16 Exemplos de psoralenos utilizados em fotoquimioterapia [68].

Introduo-Aspectos Tericos Para Um Estudo Fotofsico e Fotoqumico. 16

1.2

Aspectos Tericos Para Um Estudo Fotofsico e Fotoqumico.

O entendimento da fotofsica e da fotoqumica de um dado composto ou classe de compostos nos permite compreender e explorar vrias de suas propriedades. Se por um lado o mapeamento das possveis rotas de desativao de um certo estado excitado, atravs da compreenso da sua fotofsica, permite explorar melhor uma dada caracterstica de interesse, a fotoqumica permite expandir os limites dos conceitos das reaes qumicas, tratando os ftons como reagentes fundamentais, permitindo promover reaes que no ocorreriam com a espcie em seu estado fundamental.

1.2.1

Espectroscopia no Visvel e UV-prximo.

A medida experimental do espectro eletrnico de absoro requer um instrumento que contenha uma fonte de radiao estvel variando continuamente dentro da regio do visvel e ultravioleta-prximo, e um detetor capaz de responder linearmente intensidade da radiao transmitida pela amostra. A amostra pode estar na fase gasosa, lquida ou slida, estando, contudo diluda em um recipiente confeccionado em material que exiba transparncia na regio de trabalho. O quartzo prefervel quando se deseja trabalhar no visvel e em regies inferiores a 300 nm [70].

1.2.1.1 A Lei da Absoro.

O espectro de absoro obtido experimentalmente consiste de sinais caractersticos exibidos em diferentes comprimentos de onda com diferentes intensidades, caractersticos da estrutura eletrnica de cada espcie [70]. Uma medida experimental da intensidade de absoro fornecida pela lei de LambertBeer:

I

= IO e

- klc

(Eq. 01)

Introduo-Aspectos Tericos Para Um Estudo Fotofsico e Fotoqumico. 17

onde: I a intensidade transmitida pela amostra I0 a intensidade de radiao incidente l o caminho tico a ser percorrido pela luz c a concentrao da amostra k o coeficiente molar neperiano de absoro dependente do comprimento de onda. Esta equao pode ainda ser escrita como:

ln I

( )IO

= kcl

(Eq. 02)

o termo absorvncia neperiana definido como,

Bonde B= -ln (I/I0).

= kcl

(Eq. 03)

A IUPAC recomenda que as unidades de k sejam dadas em m2.mol-1. No entanto, desde que c e l so usualmente reportados em unidades de mol.dm-3 e cm, respectivamente, a unidade tpica de k dm3.mol-1.cm-1. Contudo, os livros texto e artigos cientficos fazem referncia ao coeficiente de extino molar, :

log IOnde: = k/ln(10) = k/2,3026.

( )IO

= cl

(Eq. 04)

Assim, a equao 03, ento, pode ser escrita como:

A = cl

(Eq. 05)

O clculo das intensidades de absoro (ou emisso) feito considerandose as probabilidades de absoro (Blu) e emisso (Aul) entre os estados energticos envolvidos na transio [71], como ilustrado na figura 17.

Introduo-Aspectos Tericos Para Um Estudo Fotofsico e Fotoqumico. 18

n u Blu Aul m lFigura 17 Esquema dos processos radiativos em um sistema de dois nveis. Probabilidade de transio para a absoro (Blu), para a emisso espontnea (Aul) e para a emisso estimulada (Bul) [71].

Bul

Mulliken [71] relacionou a quantidade (Blu) com uma medida de intensidade, qual denominou fora de oscilador,

4,315 x 10 f = n

9

d

~

(Eq. 06)

~ onde n o ndice de refrao do solvente e d a diferencial do nmero de onda.

1.2.2

Fotofsica Molecular: Diagrama de Jablonski e Princpio de FranckCondon.

A absoro de radiao eletromagntica resulta na excitao de um eltron a estados eletronicamente excitados. Cada estado eletrnico (Eel), envolve um conjunto de estados vibracionais (Evib), cada um dos quais, por sua vez compreende estados rotacionais (Erot), de tal forma que a energia total (ET) de cada nvel, dada por [72]: ET = E el + E vib + E rot (Eq. 07)

A cada um desses estados est associada uma funo molecular (e,v,r), de modo que, (e, v, r ) = E(e )V(v )R (r )

(Eq. 08)

Introduo-Aspectos Tericos Para Um Estudo Fotofsico e Fotoqumico. 19 Ou seja, (e,v,r) o produto das funes eletrnica, vibracional e rotacional. As coordenadas nucleares tendem a se alterar nas transies eletrnicas. No entanto, em funo do princpio de Born-Oppenheimer [73], temos que admitir que as transies eletrnicas ocorrem muito mais rpido que as nucleares. Assim, possvel o tratamento matemtico em separado das transies eletrnicas. Dessa forma, a eq 08 pode ser rescrita como,

(e, v, r ) = E(e )N(v, r )

(Eq. 09)

onde: E(e) se relaciona aos termos eletrnicos e N(r,v) aos termos nucleares. A partir do esquema disposto na figura 17, podemos expressar os estados energticos em termos de funes de onda. A funo a seguir

(e, v, r ) = E (e)N (v, r )lm l lm

(Eq. 10)

refere-se ao emsimo estado vibracional do estado eletrnico l, enquanto a equao

(e,v, r ) = E (e)N (v, r )un u un

(Eq. 11)

corresponde ao ensimo estado vibracional do estado eletrnico u. Uma molcula excitada energeticamente instvel com relao ao estado fundamental [75]. Se a molcula no se rearranjar ou fragmentar (processo qumico), ela buscar perder energia para retornar ao estado fundamental (processo fsico). De fato, existe um nmero de diferentes possibilidades fsicas para a desexcitao, onde alguns processos podero ser mais favorecidos, dependendo do tipo de molcula e da natureza dos estados excitados envolvidos. Esses caminhos so caracterizados por velocidades muito rpidas, e so comumente classificados em trs categorias principais [75]: Processos radiativos, envolvendo a desexcitao por emisso do excedente de energia sob a forma de radiao eletromagntica pela molcula excitada;

Introduo-Aspectos Tericos Para Um Estudo Fotofsico e Fotoqumico. 20 Processos no-radiativos, onde os eltrons inicialmente em estados excitados so transferidos a outros de menor energia, sem que haja emisso de radiao eletromagntica; Processos de supresso, onde a energia transferida a outra espcie (aceptor). Os processos radiativos so geralmente classificados como fenmenos de luminescncia, que ocorrem a partir de estados eletronicamente excitados [69,76]. A luminescncia formalmente dividida em duas categorias, fluorescncia e fosforescncia, dependendo da natureza do estado excitado. Em estados excitados singlete, o eltron que foi excitado, preserva a multiplicidade que tinha quando no estado fundamental. Assim, seu retorno ao estado fundamental tende a ocorrer rapidamente pela emisso de um fton [69,76]. Esse processo chamado de fluorescncia. A velocidade de fluorescncia tipicamente da ordem de 108 s-1, com tempo de vida da ordem de 1-102 ns [76]. J a fosforescncia a emisso da luz a partir de estados triplete excitados, onde o eltron no estado excitado tem o mesmo spin do eltron remanescente no estado fundamental. Isto leva a transies com velocidades lentas (103 a 100 s-1), com tempos de vida que podem variar de milisegundos a segundos [76]. importante ressaltar que tanto a fluorescncia quanto a fosforescncia (levando-se em conta que o povoamento dos estados triplete ocorre pelo ISC a partir do estado S1) ocorrem usualmente a partir do estado S1. Isso porque a desativao de estados singlete superiores (S2, S3, etc), at S1 ocorre usualmente por via no-radiativa (converso interna) e extremamente rpida [69,76]. As transies no-radiativas envolvem a converso de um estado eletrnico para outro, sem emisso de radiao eletromagntica [75]. Apesar de todas as transies que no geram emisso de luz serem no-radiativas, incluindo a perda de energia por interaes particulares com o solvente, o termo noradiativo usado preferencialmente para indicar processos intramoleculares. Identificam-se dois processos para transies no-radiativas, de acordo com a multiplicidade do spin dos estados participantes: Converso interna (CI), envolve a transferncia de eltrons entre estados eletrnicos de mesma multiplicidade de spin;

Introduo-Aspectos Tericos Para Um Estudo Fotofsico e Fotoqumico. 21 Cruzamento entre sistemas (ISC), envolve a transferncia de eltrons entre estados de diferentes multiplicidades de spin [75]. Todos os processos acima citados so usualmente ilustrados pelo digrama de Jablonski. O diagrama de Jablonski o ponto-de-partida para a discusso da absoro e emisso de luz [69,75].

S2CI

Abs

T2RV

Re

S1AbsCI

ISC RV 5 4 3 2 1 0

FISC 5 4 3 2 1 0

T1P

Re

RV

S0Figura 18 - Diagrama de Jablonski.

Num diagrama de Jablonski tpico, os estados eletrnicos singlete fundamental, primeiro e segundo so descritos por S0, S1 e S2, respectivamente. Os subnveis denotados pelos nmeros qunticos 0, 1, 2, etc. representam os estados vibracionais (os quais so desativados por processos de relaxao vibracional, RV). As transies eletrnicas entre estados so indicadas por linhas verticais, ilustrando a natureza quase instantnea da absoro e emisso de luz. A absoro de radiao eletromagntica ocorre em aproximadamente 10-18 s, um tempo muito curto comparado ao movimento nuclear [76]. Assim, a transio vibrnica mais provvel ser aquela em que no esto envolvidas mudanas nas coordenadas nucleares. Essa transio chamada de mximo de Franck-Condon (FC), e representa uma transio vertical no diagrama de energia potencial [69,75]. O

Introduo-Aspectos Tericos Para Um Estudo Fotofsico e Fotoqumico. 22 mximo de FC corresponde superposio mxima entre a funo de onda vibracional do estado fundamental e a funo de onda vibracional do estado excitado. O envelope de bandas vibracionais do sistema de bandas de absoro chamado de envelope de FC e seus mximos correspondem ao mximo de FC. Esse mximo se aproxima da posio da absoro vibrnica mais intensa. Se a ltima for a transio 0-0, como o caso da absoro S0S1 de muitos hidrocarbonetos aromticos, isto significa que a configurao nuclear mdia do estado eletrnico excitado similar quela do estado fundamental, visualizada na figura 19 [77].E S1 E S1

0'

1'

2'

4' 3' (a) S0 0' 1'

2'

4' 3' (b) S0

0

1

2

3

4 0 1 2

3

4

r

x-y

r

x-y

Figura 19 Curvas de energia potencial mostrando os nveis vibracionais em relao ao processo de absoro relacionado ao princpio de Franck-Condon.

Todas estas observaes fazem parte do princpio de Franck-Condon.

1.2.3

Deslocamento de Stokes e o efeito dos solventes

A natureza do solvente (principalmente em termos da polaridade) e o ambiente local produzem profundos efeitos sobre o espectro eletrnico das espcies. Esses efeitos so a origem do deslocamento de Stokes ( ), que foi uma das primeiras observaes do fenmeno conhecido como fluorescncia, descrito por G. G. Stokes, em 1852 [76]. Uma causa comum para o deslocamento de Stokes a rpida relaxao da estrutura para nveis vibracionais mais baixos a partir de S1. A esse efeito so somados ainda os efeitos de acomodao do solvente frente espcie excitada, interaes especficas entre o solvente e o estado excitado da molcula, possveis reaes qumicas a partir do estado~

Introduo-Aspectos Tericos Para Um Estudo Fotofsico e Fotoqumico. 23 excitado, formao de complexos, alm da transferncia de energia [76]. Todas essas perdas de energia fazem com que a quantidade de energia absorvida seja maior que a emitida. Desse modo, Stokes estabeleceu um parmetro que permite relacionar a solvatao dos estados fundamental e excitado atravs do nmero de onda dos mximos de absoro e emisso, ou seja, = a - ~

~

~ f

[76].

1.2.3.1 Efeitos do solvente no espectro de absoro

Quando o espectro de absoro de uma molcula obtido em solventes com diferentes polaridades, a posio, a intensidade e a largura da banda podem ser modificadas [76,78,79]. Essas mudanas so resultado de interaes fsicas intermoleculares soluto-solvente (tais como on-dipolo, dipolo-dipolo, dipolodipolo induzido, ligao de hidrognio, dentre outras), que tendem a alterar a diferena de energia entre os estados fundamental e excitado [78]. Esse fenmeno est intimamente associado natureza dos cromforos presentes na molcula. Cromforos so tomos ou grupos de tomos associados a uma molcula que possuem caractersticas bem definidas de absoro da radiao eletromagntica. A tabela a seguir lista os principais cromforos e algumas de suas caractersticas [69].

Introduo-Aspectos Tericos Para Um Estudo Fotofsico e Fotoqumico. 24Tabela 2 - Caractersticas tpicas de alguns cromforos.

Cromforo C-C C-H C=C C=C-C=C Benzeno Naftaleno Antraceno C=O N=N N=O C=C-C=O C=C-C=O

mx (nm) protonada > desprotonada, ou seja, tanto na desprotonao quanto na protonao do substituinte hidrxi, deve-se esperar uma diminuio do momento de dipolo do estado excitado em relao ao estado fundamental. O rendimento quntico de fluorescncia da espcie desprotonada, em ambas misturas de solventes, tende a ser menor que o da espcie neutra e est relacionado ao aumento das interaes entre pares inicos presentes no meio (espcie desprotonada e seu contra-on), potencializando assim, a converso interna como rota de desativao no-radiativa. Alm disso, a relao entre os tempos de vida indica que a emisso de fluorescncia na mistura metanol/gua (1:4 v/v) ocorre de um estado solvatado distinto daquele em metanol/gua (1:99 v/v). Em pH bsico para a mistura (1:4 v/v), a relao f/r0 igual a 1, sugerindo que a emisso de fluorescncia nesse solvente est ocorrendo de um nvel relaxado bem prximo ao nvel de FranckCondon, enquanto que para a mistura (1:99 v/v), o valor que mais se aproxima da unidade observado em pH 5,45.

Resultados e Discusso1123.4 Energias de singlete e a capacidade de gerao de oxignio singlete para as cumarinas estudadas

Para nenhuma das cumarinas estudadas foi detectada fosforescncia como rota de desativao do estado S1. Os espectros de emisso de fluorescncia a baixa temperatura para as cumarinas estudadas so apresentados na figura 64.

(a)60

120

(b)

(396)

90

I30

I 6030

(460)

0 400 450 500 550

0 450 500 550 600

Comprimento de onda, nm (c)90 120

Comprimento de onda, nm (d) (464)

(418)

90

60

I30

I 6030

0 400

450

500

550

0 450

500

550

600

Comprimento de onda, nm

Comprimento de onda, nm

Figura 64 Espectros de emisso de fluorescncia a 77 K em metilciclohexano para as cumarinas estudadas: (a) cumarina 1; (b) cumarina 2; (c) cumarina 3; (d) cumarina 3 desprotonada (soluo contendo 20 % de piridina).

A partir desses espectros, foram estimados os valores correspondentes energia de singlete e o rendimento quntico de fluorescncia a 77 K para cada cumarina. Os resultados so apresentados na tabela 14.

Resultados e Discusso113Tabela 14 Energias de singlete e rendimentos qunticos de fluorescncia para as trs cumarinas estudadas.

Cumarina 1 E(S1), kJ.mol-1 302,63 0,97 0,94 2 260,04 0,90 0,64 3 286,08 0,94 0,94 3 Ionizada 257,91 0,79 0,63

f f , 25C

H uma tendncia de aumento nos valores estimados para os rendimentos qunticos de fluorescncia, quando comparados aos resultados obtidos temperatura ambiente. No caso da cumarina 2, o aumento superior a 40 %. Essa diferena uma indicao de que a temperatura tem um efeito significativo sobre o estado de transferncia intramolecular de carga. Um aumento do rendimento quntico de fluorescncia tambm observado para a cumarina 3 desprotonada, podendo tambm estar relacionado ao efeito provocado pela temperatura sobre um possvel estado ICT excitado dessa espcie. No caso da cumarina 2, especificamente, foi avaliado o efeito da polaridade do solvente sobre a fotofsica a 77 K. Os espectros de emisso de fluorescncia so apresentados a seguir.80

(472 nm)

(a)80

(474 nm)

(b)

60

I

40

I40

20

0 440

480

520

560

600

0480 520 560 600

Comprimento de onda, nm

Comprimento de onda, nm

Figura 65 Espectros de emisso de fluorescncia a 77 K para a cumarina 2 em: (a) acetato de etila; (b) etanol 99,8 %.

As energias de singlete estimadas de 253,20 e 252,13 kJ.mol-1 para a cumarina 2 em acetato de etila e etanol, respectivamente, indicam que o aumento da polaridade do meio tende a diminuir a energia de singlete da espcie. Isso est de acordo com o esperado, considerando-se que a formao do estado ICT

Resultados e Discusso114 favorecida pelo aumento da polaridade do solvente [140]. Entretanto, o principal efeito da polaridade do meio est relacionado banda prxima a 510 nm para os dois espectros de emisso de fluorescncia obtidos. A princpio, essa banda sugere a coexistncia do estado ICT com o LE (excitao localizada). Contudo, uma anlise mais detalhada do sistema deve ser realizada, na tentativa de se elucidar melhor as caractersticas do mesmo. A ausncia de fosforescncia pode ainda estar relacionada estrutura dos estados excitados das cumarinas estudadas. Considerando-se uma natureza * para o estado S1, uma provvel seqncia para os nveis de energia das cumarinas 3n* < 3* < 1* < 1n*. Essa seqncia viabilizada pelos substituintes benzoxazol, na posio 3 do anel cumarnico, e do substituinte doador de eltrons na posio 7. Medidas da gerao de oxignio singlete a partir da excitao das cumarinas estudadas, na presena de oxignio, foram feitas de modo a verificar, indiretamente, a participao de estados triplete na fotofsica dos derivados de cumarina estudados. Curvas de decaimentos tpicas para a emisso do oxignio singlete a 1270 nm podem ser visualizadas na figura 66.

Resultados e Discusso115

0,012

0,012

(a)0,009

(b)

0,009

Volts

0,006

Volts0,006 0,0030 200 400 600-6

0,003

0,000 800 1000

0

100

200

300-6

400

Tempo, 10 s

Tempo, 10 s

Figura 66 - Decaimento do 1O2,, com emisso a 1270 nm, gerado por fotosensitizao pela: (a) cumarina 1; (b) cumarina 3.

Os resultados obtidos foram dispostos graficamente, em relao ao padro fenalenona (P).

12

12

(P )9 9

(P )

I

6

I

6

3

(1 )

3

(3 ) (2 )

0 0 3 6 9

0 0 5 10 15 20 25

P o t n c ia , m J

P o t n c ia , m J

Figura 67 Curvas para a determinao da eficincia de gerao de oxignio singlete para as cumarinas. (P) fenalenona; (1) cumarina 1; (2) cumarina 2; (3) cumarina 3.

A partir dos grficos, foram determinadas as eficincias de gerao de oxignio singlete das trs cumarinas. Os resultados indicam uma eficincia de 15 % para a cumarina 1 e 6 % para as cumarinas 2 e 3. Esses resultados indicam que a presena de substituintes doadores de eltron na posio 7 do anel cumarnico deve dificultar ainda mais a ocorrncia de cruzamento entre sistemas. Em geral, a

Resultados e Discusso116 ocorrncia de cruzamento entre sistemas para aminocumarinas, por exmplo, tem sido apontada como sendo muito pequena [139]. Como o valor estimado para o rendimento quntico de fluorescncia em metilciclohexano a 77 K para a cumarina 1 no difere muito do valor estimado temperatura ambiente, possvel que o ISC possa ser favorecido em solventes mais polares como o caso do clorofrmio, onde os experimentos de fotosensitizao foram feitos. Outros solventes devero ser avaliados para uma concluso a respeito das caractersticas fotosensitizadoras dessa cumarina, e para uma melhor viso da sua fotofsica.

Concluses117

4

ConclusesA fotofsica dos trs derivados de cumarina estudados est relacionada

com um estado S1 de natureza ,*. A natureza ,* est relacionada, sobretudo, com o carter aceptor de eltrons do grupo benzoxazol na posio 3 do anel cumarnico. Os valores estimados para a absortividade molar para a cumarina 1 situam-se entre 14000 e 23000 mol-1dm3cm-1, para a cumarina 2 entre 41000 e 54000 mol-1dm3cm-1 e entre 21000 e 27000 mol-1dm3cm-1 para a cumarina 3. As principais singularidades so observadas para as cumarinas 2 e 3, sendo, sobretudo, relacionadas aos efeitos provocados pelos substituintes dietilamino e hidroxila, respectivamente. Os maiores valores para o coeficiente de extino molar so observados para a cumarina 2 e devem-se ocorrncia de transferncia intramolecular de carga. A protonao do substituinte dietilamino leva formao de uma nova espcie com coeficiente de extino molar igual a 34300 mol-1dm3cm-1, a pH 2, em metanol/gua (1:99 v/v). A transferncia intramolecular de carga inviabilizada pela protonao do grupo dietilamino. O pKa associado protonao est por volta de 2,36. A espcie gerada pela desprotonao do OH da cumarina 3 apresenta um coeficiente de extino molar de 40600 mol-1dm3cm-1, estimado em misturas metanol/gua (1:99 v/v) a pH 9,38. O pKa para a desprotonao do OH foi estimado como sendo 6,20 em mistura metanol/gua (99:1 v/v). A formao dessa espcie desprotonada d-se em solventes prticos, mas mais eficientemente em solventes bsicos. Esse parmetro fotofsico chega a 55000 mol-1dm3cm-1 em DMSO (solvente bsico), onde a espcie melhor estabilizada. Do mesmo modo que para a aminocumarina estudada, h a formao de um estado ICT para o estado excitado da cumarina 3 desprotonada, proveniente, nesse caso, da interao entre a carbonila gerada pela desprotonao do substituinte OH e o restante da molcula. O rendimento quntico de fluorescncia da espcie desprotonada menor que o da neutra em virtude da interao entre essa espcie aninica e contra-ons em soluo. H indcios da existncia de uma espcie catinica, resultado da protonao do grupo OH. No entanto, o pKa para o equilbrio no foi

Concluses118 avaliado. Os resultados sugerem que a protonao dessa cumarina favorecida no estado excitado. A simetria observada para os espectros de absoro e emisso de fluorescncia dessas molculas sugere que a geometria do estado excitado deve ser similar do estado fundamental. Avaliaes feitas por clculo ab initio confirmam isso. O nico resultado que se mostra singular a essa tendncia observado para a cumarina 3 em diisopropilamina. Nesse solvente, o espectro de absoro indica a presena da espcie neutra, enquanto que, o espectro de emisso de fluorescncia similar ao da espcie desprotonada, indicando que a desprotonao favorecida no estado excitado. Uma das possveis causas para esse comportamento refere-se ao fato de a diisopropilamina atuar como um fraco solvente nucleoflico, devido principalmente ao efeito estrico pronunciado pelos substituintes isopropil. Os resultados obtidos para os deslocamentos de Stokes para as trs cumarinas estudadas sugerem que os momentos de dipolo do estado excitado maior que o estado fundamental. Estimativas feitas com base na equao de Lippert mostram que o de pelo menos, 5,26 Debye para a cumarina 1 e 6,48 Debye para a cumarina 2. Para a cumarina 3 desprotonada, os resultados indicam uma diminuio do momento de dipolo com a excitao da molcula. Esse resultado confirmado por clculo terico. A variao do momento de dipolo maior para a aminocumarina, e est relacionada, sobretudo, com a formao do estado ICT. J para a espcie protonada dessa cumarina, o momento de dipolo do estado fundamental de 21,80 Debye, enquanto que no estado excitado, foi estimado como sendo igual a 21,86 Debye, utilizando clculo terico. Esse resultado sugere que a protonao do grupo dietilamino desfavorece a transferncia intramolecular de carga, mas se assemelha ao comportamento esperado para um estado TICT. Todos os trs derivados possuem elevados rendimentos qunticos de fluorescncia. Entretanto, a fotofsica desses compostos fortemente dependente da natureza do substituinte na posio 7 do anel cumarnico e do solvente utilizado. Tanto a polaridade, quanto a natureza prtica do solvente utilizado, interferem nos processos de desativao dos trs derivados. Esse efeito menos eficiente para a cumarina 1, em funo do fato de que para essa cumarina, as

Concluses119 interaes tipo ligao de hidrognio entre a cumarina e o solvente, so formadas somente entre o substituinte benzoxazol e o solvente. Para a cumarina 2, os resultados mostram que a interao do estado ICT excitado com solventes prticos, favorece parcialmente processos de desativao no-radiativos, ao contrrio do reportado para outras aminocumarinas. Uma estimativa da supresso da fluorescncia dessa aminocumarina em virtude da formao de ligao de hidrognio entre o estado ICT excitado e o solvente resultou em uma constante de supresso igual a 3,72 x 106 mol-1.dm3.s-1, indicando ser esse um processo de transferncia de carga. A fotofsica das cumarinas 2 e 3 desprotonada sofre um significativo efeito da temperatura. Os experimentos realizados a 77 K sugerem que o estado ICT excitado proposto para essas duas espcies dependente da temperatura. No foi detectada fosforescncia para nenhuma das cumarinas estudadas. Entretanto, a existncia de estados triplete povoados foi observada atravs de experimentos de gerao de oxignio singlete. A cumarina 1 apresenta um rendimento quntico de gerao de oxignio singlete de 15%, o que torna possvel suas propriedades como fotosensitizador. Para os demais derivados, os resultados indicam uma baixa eficincia de gerao de 1O2, em torno de 6 %.

Sugestes para trabalhos futuros120

5

Sugestes para trabalhos futurosAvaliar a capacidade de gerao de oxignio singlete por parte da cumarina 1 em diferentes solventes, assim como parmetros cinticos relativos sua ao como fotosensitizador;

Avaliar a possibilidade da cumarina 2 atuar como sonda de fluorescncia para o estudo de microambientes; Avaliar o efeito da supresso da cumarina 2 frente presena de compostos capazes de realizar ligaes de hidrognio, de modo a esclarecer melhor os mecanismos envolvidos nos processos;

Estudar com detalhes, o processo de transferncia intramolecular de carga que ocorre na cumarina 2, elucidando o mecanismo; Avaliar de maneira mais aprofundada a fotofsica da cumarina 3 em termos do pH do meio, estudando detalhadamente as espcies presentes, realizando inclusive estudos com -ciclodextrina. A cavidade interna desse oligosacardeo tem uma excelente habilidade para incorporar molculas aromticas hidrofbicas em soluo aquosa, o que permite avaliar de modo mais detalhado a espectroscopia da molcula de interesse;

Estimar os parmetros fotofsicos da cumarina 3 protonada em misturas metanol/gua; Avaliar a possibilidade de ocorrncia de processos de transferncia intramolecular de prton no estado excitado para a cumarina 3, especialmente nos solventes de elevada polaridade;

Elucidar o papel do grupo benzoxazol, atravs de clculo terico, sobre as caractersticas observadas nos derivados estudados. Estudar a fotofsica das cumarinas a 77 K em outros solventes, avaliando o efeito da polaridade do meio, sobretudo para os sistemas que apresentam ICT;

Estudar o efeito da temperatura e da viscosidade do meio sobre as propriedades fotofsicas desses compostos.

Apndice121

6

Apndice

Tabela 15 Propriedades fsicas dos solventes utilizados.

Solvente Metilciclohexano (MCH) Tetracloreto de carbono (TCC) Tolueno 1,4-Dioxano (Diox) Diisopropilamina Clorofrmio (CHCl3) Acetato de etila (Ac.Etila) Tetrahidrofurano (THF) Dimetilsulfxido (DMSO) lcool BuOH) N,N-dimetilformamida (DMF) Etilenoglicol lcool PrOH) Propanona (acetona) lcool etlico (EtOH) Acetonitrila (ACN) lcool metlico (MeOH) 2-proplico (22-butlico (2-

Viscosidade a 25C, mPa.s 0,679 0,908 0,560 1,177 0,393 0,537 0,423 0,456 1,987 3,096 0,794 16,10 2,038 0,306 1,074 0,369 0,544

s2,024 2,238 2,379 2,219 2,923 4,807 6,081 7,520 47,24 17,26 38,25 41,40 20,18 21,01 36,64 33,00 25,30

n a 25C 1,4220 1,4580 1,4965 1,4200 1,4429 1,4481 1,3802 1,3995 1,4791 1,3955 1,4282 1,4320 1,3764 1,3587 1,3615 1,3435 1,3170

Apndice122

Tabela 16 Dados solvatocrmicos dos solventes utilizados

Solvente Metilciclohexano Tetracloreto de carbono Tolueno 1,4-Dioxano Diisopropilamina Clorofrmio Acetato de etila Tetrahidrofurano Dimetilsulfxido lcool 2-butlico N,N-dimetilformamida Etilenoglicol lcool 2-proplico Propanona lcool etlico Acetonitrila lcool metlico gua

f

ET(30), kcal.mol-1

ETN

0,0002 0,0117 0,0133 0,0222 / 0,198 0,0714 0,1475 0,1979 0,2115 0,2633 0,2642 0,2759 0,2761 0,2770 0,2848 0,2985 0,3030 0,3066 0,3190

32,4 33,9 36,0 39,1 38,1 37,4 45,1 47,1 43,8 54,9 48,4 42,2 45,6 55,4 51,9 63,1

0,052 0,099 0,164 0,259 0,228 0,207 0,444 0,506 0,404 0,747 0,546 0,355 0,460 0,762 0,654 1,000

0,00 0,00 0,37 0,00 0,45 0,55 0,76 1,01 0,69 0,52 0,95 0,48 0,77 0,31 0,62 0,18

0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,81 0,00 0,90 0,76 0,08 0,83 0,19 0,93 1,17

* o valor de f para o 1,4-dioxano assume dois valores, devido ao fato desse solvente possuir uma constante dieltrica dinmica, variando entre 5 e 7. Para uma constante de 7, o valor correspondente de f de 0,198.

Apndice/Espectros 1230.18

0.12 0.10

0.15

Intensidade

0.08 0.06 0.04 0.02

Intensidade

0.12 0.09 0.06 0.03 0.00

0.00 250 300 350 400 450 500 550 600

225

300

375

450

525

600

Comprimento de Onda, nm

Comprimento de Onda, nm

C1 em 2-BuOH (a=353 nm, e=445 nm).0.21 0.18

C1 em MeOH (a=352 nm, e=440 nm).0.10 0.08

intensidade

Intensidade

0.15 0.12 0.09 0.06 0.03 0.00 250 300 350 400 450 500 550 600

0.06 0.04 0.02 0.00 300 375 450 525 600

Comprimento de Onda, nm

Comprimento de Onda, nm

C1 em ACN (a=352 nm, e=443 nm).140 120

C1 em TCC (a=360 nm, e=444 nm).0.10 0.08

Intensidade

Intensidade

100 80 60 40 20 0 300 375 450 525 600

0.06 0.04 0.02 300 375 450 525 600

Comprimento de Onda, nm

Comprimento de Onda, nm

C1 em Diox (a=357 nm, e=443 nm).0.10

C1 em THF (a=354 nm, e=444 nm).0.10

0.08

Intensidade

0.08

Intensidade300 375 450 525 600

0.06 0.04 0.02 0.00

0.06 0.04 0.02 0.00 300 375 450 525 600

Comprimento de Onda, nm

Comprimento de Onda, nm

C1 em DMF (a=352 nm, e=445 nm).0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 225 300 375 450 525 600

C1 em DMSO (a=354 nm, e=453 nm).0.10 0.08

Intensidade

Intensidade

0.06 0.04 0.02 300 375 450 525 600

Comprimento de Onda, nm

Comprimento de Onda, nm

C1 em 2-PrOH (a=354 nm, e=444 nm).

C1 em tolueno (a=360 nm, e=445 nm) .

Apndice/Espectros 1240.12 0.10

Intensidade

0.08 0.06 0.04 0.02 300 375 450 525 600

Comprimento de Onda, nm

C1 em CHCl3 (a=356 nm, e=443 nm).0.12 0.10

Intensidade

0.08 0.06 0.04 0.02 300 375 450 525 600

Comprimento de Onda, nm

C1 em Ac. Etila (a=352 nm, e=443 nm).0.12 0.10

Intensidade

0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 300 375 450 525 600

Comprimento de Onda, nm

C1 em acetona (a=352 nm, e=444 nm).

Os espectros de emisso foram obtidos com fendas de excitao e emisso de1,0 nm.

Apndice/Espectros 125

0.10 0.08

0.12 0.10

Intensidade

Intensidade

0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 200 250 300 350 400 450 500 550 600

0.06 0.04 0.02 0.00 225

300

375

450

525

600

Comprimento de Onda, nm

Comprimento de Onda, nm

C2 em 2-ButOH (a=438 nm, e=487 nm)200 150 100 50 0 225 300 375 450 525 600

C2 em MeOH (a=442 nm, e=490 nm).0.12 0.10

Intensidade

Intensidade

0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 300 375 450 525 600

Com prim ento de Onda, nm

C2 em ACN (a=438 nm, e=490 nm).0.12 0.10

Comprimento de Onda, nm

C2 em TCC (a=433 nm, e=479 nm).0.12 0.10

Intensidade

0.08

Intensidade300 350 400 450 500 550 600

0.06 0.04 0.02 0.00 250

0.08 0.06 0.04 0.02

Comprimento de Onda, nm

0.00 300 375 450 525 600

C2 em Diox (a=428 nm, e=476 nm).0.12 0.10

Comprimento de Onda, nm

C2 em DMSO (a=444 nm, e=497 nm).0.12 0.10

Intensidade

0.08

Intensidade300 375 450 525 600

0.06 0.04 0.02 0.00

0.08 0.06 0.04 0.02

Comprimento de Onda, nm

0.00 375 450 525 600

C2 em DMF (a=441 nm, e=493 nm).0.12 0.10

Comprimento de Onda, nm

C2 em tolueno (a=434 nm, e=479 nm).0,12 0,10

Intensidade

0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 200

Intensidade250 300 350 400 450 500 550 600

0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 375 450 525 600

Comprimento de Onda, nm

C2 em 2-PropOH (a=438 nm, e=488 nm).

Comprimento de Onda, nm

C2 em CHCl3 (a=440 nm, e=480 nm).

Apndice/Espectros 126

0.12 0.