Información Tecnológica-Vol. 17 N°5-2006, pág.: 63-66

QUIMICA APLICADA

Asignación de Bandas de Infrarrojo del Lapachol mediante Estudios Comparativos Teóricos y Experimentales

Infrared Band Assignment of Lapachol by means of Comparative Theoretical and Experimental Studies

Ramón A. Farfán, José R. Molina, Emilce Ottavianelli y José A. Espíndola
Universidad Nacional de Salta, Facultad de Ciencias Exactas, Departamento de Química,
Av. Bolivia Nº 5150, (4400) Salta-Argentina (e-mail: espindol@unsa.edu.ar)

Resumen

En este trabajo se comparan las frecuencias de vibración experimental con las frecuencias de vibración teóricas del Lapachol [2-hidroxi-3-(3-metil-2butenil)-1,4-naftoquinona]. Las frecuencias de vibración fueron calculadas usando la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT).  Estas frecuencias  se utilizaron como referencia para la asignación de las bandas correspondientes en el espectro de infrarrojo experimental, que fue obtenido a partir  del Lapachol extraído y purificado. Los valores experimentales y calculados tienen una muy buena correspondencia, validando así la eficiencia de la metodología utilizada para el cálculo y la simulación. Los resultados pueden ser usados en la asignación de las frecuencias de vibración correspondientes a complejos metálicos que tienen como ligando al Lapachol.

Palabras claves: lapachol, naftoquinona, extracción, espectroscopía vibracional, modelado

Abstract

This study compares experimentally measured vibration frequencies with theoretical vibration frequencies of Lapachol [2-hydroxy-3-(3-methyl-2-butenyl)-1,4-naphthoquinone]. The vibration frequencies were calculated using the Density Functional Theory (DFT). These frequencies are used as references for the assignation of the representative bands occurring in the experimental infrared spectrum obtained from the analysis of extracted, purified Lapachol. The experimental values obtained correlated well with calculated values, validating the accuracy of the methodology used for the calculation and simulation. The results could be used for the assignation of the vibration frequencies representing metallic complexes having Lapachol as a ligand.

Keywords: lapachol, naphthoquinone, extraction, vibrational spectroscopy, modeling

INTRODUCCIÓN

Desde la corteza y madera del árbol conocido como “Lapacho” (especie del género ipetabe-buia), en la región del noroeste argentino y que también crece en otros lugares de Sudamérica, se ha extraído un producto natural denominado “Lapachol”. Este producto fue aislado en forma conveniente y adecuada. El mismo tiene numerosas y diversas aplicaciones en el ámbito de las ciencias de la salud como agente antitumoral, antibiótico, antimalarial, anti-inflamatorio y antiulceroso (Ferraz et al., 2001), siendo por ello motivo de numerosos, variados e intensos estudios, observándose que es muy bien considerado por su actividad biológica y como agente anticancerígeno (Rafiullah, y Suleiman, 1999) y con potencial actividad contra el tripanosoma cruzi, agente causante del mal de Chagas (Oliveira et al., 2002). Químicamente se ha demostrado que el “Lapachol” responde a la estructura de una “naftoquinona” con una cadena lateral insaturada en posición 3 y un grupo oxidrilo en posición 2, cuyo nombre es [2-hidroxi-3-(3-metil-2-butenil)-1,4-naftoquinona] (Oliveira et al., 2002), la fórmula desarrollada se muestra en la figura 1, además existen las formas tautoméricas a y b (Burnett y Thomson, 1967) y también una forma dímera (Portugal et al., 1997; Larsen y Andersen, 1992).

Fig. 1: Estructura molecular del Lapachol

Por medio de cálculos teóricos se han obtenido los valores de las frecuencias de vibración de la molécula de Lapachol con cadena abierta. Estas frecuencias  se utilizaron como referencia para la asignación de las bandas correspondientes en el espectro de infrarrojo experimental, que fue obtenido a partir  del “Lapachol” extraído y purificado utilizando la metodología de Sardi y Poch (1985).

Los valores calculados de las frecuencias serán utilizados posteriormente como referencia para la asignación de las frecuencias de vibración de complejos metálicos que tienen como ligando el Lapachol (Martinez et al., 2003; de Oliveira et al., 1997).

METODOLOGIA

Para la extracción de la sustancia en estudio, se ha utilizado como materia prima la corteza y madera del árbol mencionado (una especie autóctona de la región), material que se ha desmenuzado convenientemente, hasta la obtención de un tamaño de trozo regular próximo a 2 mm de largo y de espesor. Se ha introducido una cantidad adecuada del material recientemente preparado, en el dedal soporte de muestra de un aparato de extracción Soxhlet. Se ha utilizado cloroformo (grado reactivo p.a.) como solvente de extracción. Se ha observado que se forma una solución extractora marrón, cuyo color disminuye en intensidad durante el proceso de extracción.

Cuando la solución mencionada resulta ser incolora, se detiene la extracción y se la separa. Se procede a mezclar el resultado de la extracción con una solución acuosa de carbonato de sodio al 5% (m/v) y se agita enérgicamente, separándose la fase acuosa en un vaso de precipitados. Esta se acidifica débilmente hasta la aparición de un sólido amarillo, el que luego se filtra, se lava y se seca. El producto amarillo se disuelve en etanol y se purifica por recristalización.

El espectro infrarrojo del producto extraído, se obtiene utilizando un espectrofotómetro FTIR Brucker IFS88, con pastillas de KBr a la temperatura ambiente, siendo el ámbito de barrido la región de 4000–400 cm^-1, como se muestra en la figura 2.

Fig. 2: Espectro Infrarrojo experimental

Las frecuencias de vibración del espectro de infrarrojo simulado se obtienen a partir de la teoría del funcional de la densidad, con el programa ADF2004.01 (SCM, 2006; Versluis y Ziegler, 1988; Te Velde y Baerends, 1992; Fonseca et al., 1998). Primeramente se optimizó la geometría de la molécula con el funcional VWN (Vosko et al., 1980) y los conjuntos de funciones base TZ2P, utilizando como criterio de convergencia valores de 10^-6 para la energía, de 10^–4 para los gradientes, de 10^-6 para el ciclo autoconsistente, luego se realizó el cálculo de las frecuencias con un parámetro de exactitud igual a 6. El espectro infrarrojo fue simulado utilizando funciones Lorentzianas con un ancho de banda igual a 5 cm^-1, que se muestra en la figura 3.

Fig. 3: Espectro Infrarrojo calculado

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la tabla 1, se presentan los valores de las frecuencias de vibración experimental y calculadas del “Lapachol”. Observándose que en la región espectral de número de onda alto, existe una banda bien definida en los 3352 cm^-1, la que corresponde al estiramiento O-H, pudiendo existir una disminución relativa de esta posición, atribuida al enlace Intermolecular entre el hidrógeno del grupo O-H y el átomo de oxígeno vecino (Martinez et al., 2003), ya que el Lapachol formaría dímeros con enlaces puente de hidrógeno a determinadas concentraciones. La frecuencia de vibración para el estiramiento O-H calculado teóricamente da como resultado el valor de 3159 cm^-1.

En la región cercana a los 3000 cm^-1 del espectro infrarrojo simulado, figura 3, los cálculos predicen bandas correspondientes a los estiramientos de los grupos C-H, de intensidades débiles en 2924 cm^-1, 2928 cm^-1, 2967 cm^-1 y 2980 cm^-1, mientras que en el espectro experimental, figura 2, se observa que alrededor de los valores mencionados aparecen bandas en 2847 cm^-1, 2913 cm^-1, 2934 cm^-1 y 2974 cm^-1, también de intensidades débiles.

Tabla 1: Frecuencias* experimentales en cm^-1 y calculadas, 
asignaciones y diferencias

En la región característica para los estiramientos C=O, el método teórico predice bandas en 1668 cm^-1, 1657 cm^-1 y 1600 cm^-1, muy próximas a las observadas experimentalmente, en donde puede existir una contribución de la vibración del doble enlace C₂=C₃ conjugado con el grupo C=O. La interpretación y la asignación de las bandas observadas en la región comprendida entre 1400-700 cm^-1 se hace dificultosa, porque se esperan bandas de combinación entre los distintos tipos de vibraciones, como las uniones C-C, C-O, deformaciones de los C-H y del grupo O-H con la de los anillos (Rostkowska et al.,1998; Oliveira et al., 2002).

CONCLUSIONES

Mediante las comparaciones realizadas se observa y se concluye que para las diferentes frecuencias de vibración consideradas, los valores experimentales y calculados tienen una muy buena correspondencia, lo que nos permite confirmar con cierta precisión las asignaciones propuestas para las frecuencias de vibración características del Lapachol, en particular para las de mayor intensidad dentro de la estructura, validando así la eficiencia de la metodología utilizada para el cálculo y la simulación.

Los resultados obtenidos nos ayudarán en un futuro con las asignaciones de las frecuencias de vibración de complejos metálicos que utilizan como ligando al Lapachol siguiendo una metodología similar.

REFERENCIAS

Burnett, A.R. y R.H. Thomson, Naturally occurring quinones. Part X. The quinonoid constituents of Tabebuia Avellanedae (Bignonia-ceae), J. Chem. Soc. C: Organic, 2100-2104 (1967).

de Oliveira  E.H., G.E.A. Medeiros, C. Peppe, M.A. Brown y D.G. Tuck, The direct electrochemical synthesis of some metal derivatives of lapachol, Can. J. chem. 75: 499-506 (1997).

Ferraz, P.A.L., F.C. de Abreu, A.V. Pinto, V. Glezer, J. Tonholo y M.O.F. Goulart, Electrochemical aspects of the reduction of biologically active 2-hydroxy-3-alkyl-1,4-naphtho-quinones, Journal of Electroanalytical Chemistry, 507 (1-2), 275-286 (2001).

Fonseca, C., J.G.  Snijders, G. Te Velde y E.J. Baerends, Towards an order-N DFT method, Theor. Chem. Acc. 99, 391-403 (1998).

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Martinez, M.A., M.C. Lagarrigue de Jiménez, E.E. Castellano, O.E. Piro, y P.J. Aymonino, Synthesis, Structure and properties of a zinc(II) complex with the lapacholate anion  and ethanol as ligands, J. Coord. Chem., Vol. 56, 803-816 (2003).

Oliveira, M.F., T.L.G. Lemos, M.C. de Mattos, T.A. Segundo, G.M.P. Santiago y R. Braz-Filho, New enamine derivatives of lapachol and biological activity, An. Acad. Bras. Cienc., 74 (2), 211-221 (2002).

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Rafiullah, M.K. y M.M. Suleiman, 5-Hydroxy lapachol: a cytotoxic agent from Tectona grandis, Phytochemistry 50, 439-442 (1999).

Rostkowska, H., M.J. Nowak, L. Lapinski y L. Adamowicz, Molecular structure and infrared spectra of 2-hydroxy-1,4-Naphthoquinone; Experimental matrix isolation and theoretical Hartree-Fock and post Hartree-Fock study, Spectroquimica Acta, Part A, 54 1091-1103 (1998).

Sardi, J.C. y M.J. Poch, Aportes al estudio de las especies Tabebuia: Lapacho, Tribuna Farmacéutica N° 1-2do ciclo, Universidad Nacional de Tucumán, Argentina (1985).

SCM, Scientific Computing & Modelling, Departament of theoretical Chemistry, Vrije Universiteit, Ámsterdam http://www.scm.com (2006).

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Versluis L. y T. Ziegler, The determination of molecular structures by density functional theory. The evaluation of analytical energy by numerical integration, J. Chem. Phys. 88, 322-328 (1988).

Vosko, S.H., L. Wilk y M. Nusair, Accurate spin dependent electron liquid correlation energies for local spin density calculations: a critical analysis, Can. J. Phys. 58, 1200-1211 (1980).

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