3.3
Analisi strutturale dell’acido gallico
L’acido 3,4,5-triidrossibenzoico, chiamato comunemente acido gallico (GA) `e il costituente di base pi`u semplice dei tannini. `E un derivato dell’acido benzoico in cui le posizioni meta e para sono sostitute con gruppi ossidrilici, per questo motivo rientra nella classe dei polifenoli. GA ha caratteristiche di acido debole e da un calcolo approssimato che tiene conto solo della prima costante di dissociazione acida, relativa al protone del gruppo carbossilico, risulta che il pH di una soluzione 0.001M di GA in acqua `e di circa 3.5 unit`a, con un grado di dissociazione del 28%. La presenza dell’anello aromatico ne limita la solubilit`a in acqua che, per il composto anidro, `e di circa 1.1g/100ml a 20◦C.
pKa1 4.10 ± 0.01 pKa2 8.38 ± 0.01
Tabella 3.1: pKa acido gallico [36].
Le propriet`a conformazionali e spettroscopiche di GA in vuoto e in solvente sono state ampiamente esplorate a livello teorico. L’analisi della superficie di energia potenziale (PES) dell’ acido gallico rivela che le due strutture pi`u stabili sono quelle planari, riportate in figura 3.3, in cui ciascun atomo di idrogeno dei gruppi fenolici `e orientato in modo tale da massimizzare l’interazione H-bond con il gruppo adiacente. I due conformeri differiscono per una rotazione di 180◦ del gruppo carbossilico. Tali risultati sono ben riprodotti dai calcoli DFT effettuati con l’uso dei funzionali B3LYP e M06.
(a) Conformero A (b) Conformero B
Figura 3.3: Strutture ottimizzate a livello di calcolo M06/6-311g(d,p), in vuoto, dei conformeri pi`u stabili di GA.
L’analisi conformazionale condotta a livello di calcolo B3LYP/6-311++G(d,p), tenendo conto dell’energia di punto zero (ZPE) e delle correzioni termiche, indica che il conformero A `e pi`u stabile e la differenza tra i due `e pari a 0.350 Kcal/mol in vuoto e di 0.059 Kcal/mol in solvente (IEFPCM) [37].
Come test preliminare abbiamo verificato che il calcolo condotto con una base meno estesa e con un il funzionale DFT M06 riproduca un risultato analogo. Nella tabella 3.2 sono riportati i dati ottenuti. Il valore di ∆E riportato si riferisce alla differenza di energia libera elettronica
Capitolo 3. Studio teorico-sperimentale dell’acido gallico (GA) e di GAFe(II)
e non tiene conto della correzione vibrazionale e termica. Per i nostri scopi, sar`a comunque sufficiente considerare solo le differenze di energia elettronica.
vacuo water
a∆EB3LY P 0.35 0.06
b∆EB3LY P 0.45 0.05
b∆EM 06 0.45 0.06
Tabella 3.2: Dati strutturali ed energetici dei conformeri A e B dell’acido gallico a livello di calcolo DFT (a base 6-311++G(d,p);b
base 6-311G(d,p)) in vuoto e in solvente IEFPCM. La differenza di energia tra i due conformeri, espressa in Kcal/mol, `e data da ∆E = EB - EA.
La piccola differenza di energia tra i due conformeri pu`o essere trascurata nel prosieguo dell’analisi, pertanto sar`a per noi indifferente considerare l’uno o l’altro conformero. Il gruppo carbossilico e i tre gruppi fenolici presenti nella struttura di GA danno luogo ad una complessa rete di interazioni tipo legame ad idrogeno. La struttura cristallina di GA conferma l’alta planarit`a della molecola [38]. In soluzione acquosa sufficientemente diluita, GA da luogo a legami ad idrogeno con molecole d’acqua. Dagli studi di dinamica molecolare emerge che le molecole d’acqua della prima sfera di solvatazione interagiscono ad una distanza tipica per la formazione di legami ad idrogeno (circa 2.5 ˚A) con gli atomi che non sono coinvolti nei legami ad idrogeno intermolecolari [37].
3.3.1 Transizioni elettroniche in GA
Le soluzioni di acido gallico sono incolore ma il composto manifesta un forte assorbimento nell’UV con due bande particolarmente intense, note come banda (I) a 263 nm e banda (II) a 212 nm. La posizione esatta del picco dipende dallo stato di ionizzazione delle molecole di acido gallico. L’elevato coefficiente di estinzione molare impone di lavorare con concentrazioni di acido gallico inferiori a 10−3M per evitare assorbanze eccessivamente elevate.
In figura 3.4 sono riportati gli spettri di assorbimento di acido gallico in acqua e in tampone a pH 5. I due spettri sono molto simili, la presenza del tampone non ha effetti significativi sullo spettro ad eccezione del fatto che anch’esso ha un elevato assorbimento nell’UV e quindi rende difficile la misura corretta dall’assorbanza a λ < 210 nm se nella cella di riferimento `e presente come bianco il tampone alla stessa concentrazione del campione per errori di sottrazione strumentale.
Lo spettro UV-VIS di GA `e correttamente riprodotto dal calcolo TD-DFT. I due spettri riportati in figura 3.5 sono calcolati testando due funzionali diversi, B3LYP e CAM-B3LYP. Entrambi i funzionali ben riproducono l’intensit`a relativa delle due bande e in particolare il B3LYP riproduce pi`u fedelmente la posizione dei massimi mentre il CAM-B3LYP tende a sovrastimare le energie di eccitazione.
Dall’analisi degli orbitali molecolari emerge che la banda (I), ad energie di eccitazioni minori, deriva essenzialmente una transizione HOMO-LUMO di tipo π − π∗. L’orbitale mo- lecolare HOMO coinvolge principalmente l’anello aromatico mentre il LUMO ha importanti
3.3. Analisi strutturale dell’acido gallico 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 200 250 300 350 400 Assorbanza wavelenght (nm) GA 0.04 mM in acqua GA 0.04 mM in tampone pH5
Figura 3.4: Spettro UV-Vis dell’acido gallico [GA]=4·10−5 mol/L in acqua e in tampone AcOH/AcNa 0.01 M a pH 5. 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 200 250 300 350 400 epsilon Oscillator strength wavelenght (nm) B3LYP CAM-B3LYP
Figura 3.5: Spettro UV-Vis simulato a livello TDDFT/6-311+G(d,p) in vuoto. I segmenti ver- ticali indicano l’energia delle transizioni elettroniche; la forma della spettro `e ottenuta mediante una combinazione lineare di funzioni gaussiane, ciascuna centrata su ogni riga di assorbimento.
contributi anche da parte del gruppo carbonilico. La banda (II) `e costituita invece dalla parziale sovrapposizione di due transizioni, che coinvolgono ancora orbitali di tipo π − π∗, in particolare HOMO - LUMO+2 e HOMO-1 → LUMO+2, schematizzati in figura 3.6.
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(a) HOMO-1 (π) (b) HOMO (π) (c) LUMO (π*) (d) LUMO+2 (π*)
Figura 3.6: Rappresentazione grafica degli orbitali di frontiera in GA.
L’effetto dell’ambiente sulle transizioni elettroniche `e principalmente di tipo elettrosta- tico e lo shift delle bande di assorbimento dovuto al solvente `e quasi del tutto recuperato utilizzando un modello di solvente continuo [37]. L’effetto del solvente `e batocromo con uno spostamento dei picchi di assorbimento di 10 nm per la banda (I) che si rivela pi`u sensibile all’effetto di un campo elettrostatico esterno rispetto alla la banda (II) che si sposta di soli 3 nm. 0 5000 10000 15000 20000 25000 200 250 300 350 400 epsilon wavelenght (nm) B3LYP - vacuo B3LYP - water IEFPCM
Figura 3.7: Spettri UV-VIS di GA simulati a livello TDDFT B3LYP/6-311+G(d,p) in vuoto e in acqua (modello di solvatazione continuo IEFPCM).