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Síntesis y reactividad
del diperóxido de formaldehído
Jorge, Nelly L. - Leiva, Laura C. A. - Castellanos, María G.
Romero, Jorge M. - Gómez Vara, Manuel E.
Área de Química-Física - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura - UNNE.
Campus Universitario - Av. Libertad 5400 - (3400) Corrientes - Argentina.
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ANTECEDENTES
Los peróxidos orgánicos tienen actualmente gran campo de acción, comprendiendo desde aspectos biológicos
(involucrados en procesos oxidativos del metabolismo) hasta importantes aplicaciones industriales: iniciación de
reacciones de polimerización, fabricación de pinturas, etc., como describen Kohler [1], Adam y Cilento [2].
En los sistemas biológicos, ellos cobran actualmente gran importancia, ya que intervienen en transformaciones
de degradación celular, ocasionada por una autooxidación enzimática debida a especies peroxídicas
intermediarias. En este tema, el principal problema actual es poder detectar y/o aislar los peróxidos para su
caracterización, ya que su producción en la célula implica también consecuencias bioquímicas, siendo las más
pronunciadas las relacionadas con el envejecimiento o ciertas patologías como isquemia, diabetes y cáncer. Estos
efectos son, generalmente, provocados por los denominados oxígenos activos y radicales libres del oxígeno que
atacan a lípidos, proteínas, hidratos de carbono, enzimas y al mismo DNA, induciendo un perjuicio de tipo
oxidativo. También, los peróxidos cíclicos han cobrado importancia por su comprobada actividad antimalárica.
El 1,2,4,5-tetroxano, o diperóxido de formaldehído (DPF) no ha sido sintetizado hasta la actualidad, siendo
importante su estudio ya que es la estructura base de los diperóxidos, utilizados como antimaláricos, como
propone Vennestron [3] y de los que forman parte de los procesos de oxidación de alcanos y alquenos,
cualesquiera sean sus grupos sustituyentes, como cita Chiang et al [4].
En este trabajo se informa la síntesis del diperóxido de formaldehído utilizando la técnica descripta por Jorge et
al. [5], para la síntesis del diperóxido de benzaldehído. Además se estudió su
descomposición térmica en solución de metanol a distintas temperaturas, por
cromatografía directa, técnica descripta por Jorge y Cafferata [6].
H
O
El análisis por cromatografía directa se basa en un trabajo publicado por Schmiegel
O
H
H
O
et al [7] sobre la aplicación de la cromatografía gaseosa para determinar energías
O
de activación (Ea) de reacciones unimoleculares que incluyó el estudio de la
H
isomerización en fase gaseosa de difeniletileno o estilbeno.
Fig.1. Estructura del 1,2,4,5-tetroxano
MATERIALES Y METODOS
Síntesis del diperóxido de formaldehído
Se preparó haciendo reaccionar una solución de 7,2 mL (35,4 milimoles) de formaldehído (Merk), agregada gota
a gota sobre una solución agitada y enfriada a -20°C de 2,3 mL de peróxido de hidrógeno (56% v/v) y 50 mL de
ácido sulfúrico (90%, Merck) en 20mL agua destilada. La mezcla se continuó agitando por 10 minutos. La
solución de reacción se colocó en freezer por el término de 4 horas. El sólido blanco obtenido se aisló por
filtración.
Purificación del sólido blanco (DPF)
El sólido blanco se lavó repetidas veces con agua destilada hasta pH neutro. Se lo secó en un desecador al vacío
a temperatura ambiente. La purificación se realizó por recristalización, desde acetato de etilo (punto de
ebullición 77,06 °C).
Caracterización del DPF – Control del grado de pureza
A) Determinación del punto de fusión. Se llevó a cabo en un equipo de punto de fusión con una velocidad de
calentamiento de ±1°C/min, y apreciación de 0,1°C.
B) Cromatografía gaseosa capilar. Se prepararon soluciones del peróxido en metanol con n-octano, como patrón
interno. Se inyectaron muestras de 1 µl, en una columna capilar HP5 (30 m long. 250 µm d i.) con 5% de
fenilmetilsilicona como fase estacionaria (temperatura inicial de 30°C, tiempo inicial 3min, velocidad de
aumento de temperatura 30°C/min, temperatura final 150°C), instalada en un instrumento Hewlett Packard 5890
SerieII, con detector de ionización de llama (FID) a 300°C, inyector a 105°C y nitrógeno como gas portador.
C) Espectroscopía UV. Se barrió el rango de longitudes de onda 200-370 nm, en un espectrofotómetro UVvisible CampSpec modelo M330, para una solución 2 mM del DPF en metanol
Purificación de solventes
Acetato de etilo. El producto comercial (Merck, p.a) se utilizó para la recristalización sin tratamiento previo.El
control de su pureza se realizó por cromatografia gaseosa.
Metanol. El producto comercial (Merck, p.a) no fue purificado. Su análisis por CGL no reveló la presencia de
impurezas orgánicas significativas.
Métodos analíticos y cinéticos
La determinación de la concentración de DPF remanente en su reacción de descomposición térmica fue realizada
aplicando el método del patrón interno en un cromatógrafo provisto con regulador electrónico de caudal
constante, marca Hewlet Packard, modelo 5890, Serie II Plus, utilizando N2 como gas portador y detector FID a
300°C. En los análisis se ha utilizado una columna capilar de n-metil-fenil silicona (530 µm d.i.: 30 m longitud;
1,2 µm de película líquida) a temperatura programada (40°C de temperatura inicial y 150°C de temperatura final
con una velocidad de calentamiento de 30°C/min), de tal manera que la solución del peróxido inyectado (1 µL)
no experimente descomposición en su paso por la columna. La temperatura (mantenida constante) del inyector
donde se llevó a cabo la termólisis (¨liner¨ de Pyrex 4 mm d.i.; 80 mm de longitud), estuvo comprendida entre
80° - 150°C.
Los tiempos de residencia hipotético en el inyector del cromatógrafo, descriptos por Smith [8], de la molécula
del peróxido estudiado se calcularon mediante la relación:
t = l / VL
(1)
correspondiente a un reactor tubular térmico de flujo constante, donde l es la longitud del ¨liner¨del inyector y
VL la velocidad lineal del gas portador en el mismo calculada teniendo en cuenta sus dimensiones y el caudal
(Q) en el cromatógrafo.
Los parámetros de activación de las reacciones estudiadas se calcularon reemplazando en la ec. de Eyring los
valores de los parámetros de las ecuaciones de Arrhenius correspondientes. La precisión de los resultados se
expresó efectuando un tratamiento computacional de los datos por el método de los cuadrados mínimos.
DISCUSION DE RESULTADOS
El diperóxido de formaldehído (DPF) obtenido presentó las
siguientes características: sólido cristalino, punto de fusión
122-123°C, UV (MeOH) λmax 204 nm (Fig. 2).
Absorbancia
0.800
0.600
Fig. 2. Espectro de absorción del DPF 2mM en metanol.
El análisis de una solución 2mM del DPF en metanol, por
cromatografía gaseosa se muestra en la Figura 3. Donde el
pico de mayor área corresponde al solvente, metanol,
mientras que el DPF presenta un único pico con tiempo de
retención de 2,230 minutos para las condiciones descriptas
en PARTE EXPERIMENTAL – Caracterización del DPF.
0.400
0.200
0.000
200
250
300
long de onda, nm
350
400
Fig. 3. Cromatograma de solución 2mM DPF, 10 mM n-octano en
metanol
Para completar la caracterización de este tetroxano sintetizado se lo
sometió a una descomposición térmica según se describe en PARTE
EXPERIMENTAL- Métodos analíticos y cinéticos. Los resultados
cinéticos de dicha descomposición en fase gaseosa del DPF, vehiculizado
con metanol (0.001 M), llevada a cabo en el inyector del cromatógrafo, se
muestran en la Tabla 1 y la representación gráfica en la Figura 4. Esta
representación lineal permite proponer que la termólisis sigue una cinética
de primer orden.
Estos datos fueron utilizados para el cálculo de los parámetros de la
ecuación de Arrhenius en la descomposición térmica del DPF.
Si se acepta que el tiempo de residencia real de la sustancia introducida en
el inyector del cromatógrafo puede ser reemplazado por su tiempo de
residencia hipotético o de contacto (t = 33,4 s), la siguiente ecuación de
Arrhenius, representa el efecto de la temperatura sobre la termólisis del
DPF, con un coeficiente de correlación 0,9998:
ln kexp = (24,1±2,5) - (23375 ± 10) / RT
(2)
Tabla 1: Datos cinéticos de la termólisis del DPF en el
inyector (velocidad lineal del gas portador en el inyector,
VL=0,22 cm/s; caudal del gas portador, Q=1,65cm3/min).
Temp. inyector,
K
363
373
383
393
Co/C
ln ln Co/C
1,0087
1,0201
1,1094
1,2358
-4,7488
-3.9170
-2,2651
-1,5525
Los correspondientes parámetros de activación para la termólisis del DPF en fase gaseosa (∆H≠=22,6 ± 0,2
kcal/mol; ∆S≠= - 13,1 ± 0.3 cal/mol K; y ∆G≠= 27,5 ± 0,1 kcal/mol), son resultantes de la aplicación de la
ecuación de Eyring.
-1.00
Fig. 4. Representación de ln ln Co/C en función de la inversa de
la temperatura absoluta en la termólisis del DPF en solución de
metanol, llevada a cabo en el inyector del cromatógrafo.
Ln ln Co/C
-2.00
-3.00
-4.00
-5.00
0.002400
0.002500
0.002600
1000/T, 1/K
0.002700
0.002800
Con los valores de los parámetros de la ecuación de Arrhenius se
obtuvieron las correspondientes constantes de velocidad de
reacción (k) de termólisis del DPF (Tabla 2)
Los valores de los parámetros de activación hallados,
comparables a los obtenidos para otros tetroxanos estudiados
(Leiva et al)[9] permiten suponer que corresponden a la
descomposición térmica unimolecular del DPF, y que el
mecanismo de la reacción implica una homólisis inicial de un
enlace peroxídico de su molécula, con probable formación de un
birradical intermediario como es aceptado para reacciones
análogas de este tipo de sustancias. Este intermediario luego
experimentaría rupturas de uniones C-O originando
formaldehído y oxígeno molecular.
CONCLUSIONES
La técnica empleada para sintetizar el DPF permitió obtener un sólido de elevada pureza y con elevado
rendimiento, del orden del 90%.
La cinética que se realiza con la variedad cristalina obtenida esta de acuerdo a los cálculos semiempícos
realizados por Jorge et al. [10].
Tabla 2: Constantes de velocidad de primer orden
temp.(°C)
90
100
120
130
kexp x 104(s-1)
2,47
5,88
13,40
29,27
BIBLIOGRAFÍA
[1] Kohler, E. P., J. Am. Chem. Soc., 36 (1906) 177.
[2] Adam, W. and G. Cilento, Chemical and Biological Generation of Electronically Excited States, Academic
Press, New York(1982).
[3] Vennestron, J. L., H. Fu, W. Y. Ellis, A. Ager Jr., J. K. Wood, S. L Andersen, L. Gerena and K. Milhous,
Journal of Medicinal Chemistry, 35, 3023-3027 (1992).
[4] Chiang, C. Y., W. Butler, R. L. Kuczkowski, J. Chem. Soc. Chem. Commun. 00,465(1988).
[5] Castellanos, M. G., N L Jorge y M.E. Gómez Vara, Información Tecnológica, 11,3,125-128,(2000).
[6] Jorge, N. L. y L. F. R. Cafferata, Anales de la Asociación Química Argentina., 87(1/2), 37-42, (1999).
[7] Schmiegel, W. W., F. A. Litt and D. O. Cowan, J. Org. Chem., 33, 3334, (1968).
[8] Smith, J. M.; Ingeniería de la Cinética Química, Compañía Editorial Continental, S.A., México, pp. 117-121,
(1968).
[9] Leiva, L. C. A., Castellanos, M. G., Jorge, N. L., L. F. R. Cafferata y M. E. Gómez Vara, Rev. De la Soc.
Qca. De México, Vol.42, N°5 (1998), 223-227.
[10] Jorge, N. L., L. F. R. Cafferata, M. E. Gómez Vara, O. Ventura y A. Hernández Laguna, Theochem (en
prensa).