estudio teÓrico de las propiedades electrÓnicas de la...

XXV CONGRESO DE LA SOCIEDAD MEXICANA DE ELECTROQUÍMICA

3RD MEETING OF THE MEXICAN SECTION ECS

1388 31 DE MAYO – 4 DE JUNIO, 2010

ZACATECAS, MÉXICO

ESTUDIO TEÓRICO DE LAS PROPIEDADES ELECTRÓNICAS DE LA DOPAMINA Y EL ÁCIDO ASCÓRBICO A DIFERENTES pHs

A. Velasco Chávez1, A. Cuán1*, M. E. Palomar Pardavé1*, M. T. Ramirez Silva2,

M. A. Romero Romo1.

1 UAM-Azcapotzalco, Depto de Materiales. Av. San Pablo No. 180, Col. Reynosa, C.P. 02200 2 D.F. México.UAM-Iztapalapa. Depto. de Química. Av. Michoacán y la Purísima, Col.

Vicentina. C.P. 09340. *Tel (55)55318-9082, Fax (55)5553189577, [email protected],

RESUMEN

Se presenta el estudio de las propiedades intrínsecas para las especies de la dopamina

neutra (H2DA), protonada (H3DA+) y del acido ascórbico (AA). Se obtiene la distribución

electrónica de las especies, como son distribución orbital del HOMO y LUMO, cargas atómicas y

los espectros teóricos de la dopamina neutra y protonada, así como las longitudes de absorción

UV y se comparan con las reportadas experimentalmente. Se obtiene a través del cálculo de de

los índices globales de reactividad química que la dopamina protonada presenta una mayor

blandura con respecto a la neutra, lo que indica una mayor reactividad química de la especie

protonada frente a la neutra. Se obtienen las regiones susceptibles a procesos de oxidación-

reducción en las diferentes especies estudiadas y las geometrías de mínima energía para cada una

de ellas.

Palabras Clave: Dopamina, Dopamina Protonada, Ácido Ascórbico, Estudio Químico Cuántico,

Propiedades Intrínsecas.

EM135 1388 – 1399



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1. INTRODUCCIÓN

El estudio de neurotransmisores es de importancia fisiológica, debido a que son generadas

por las neuronas y estos neurotransmisores juegan un papel importante en el funcionamiento de

nuestro cuerpo, como son en el sistema nervioso central, sistema cardiovascular, renal y

hormonal [1]. Algunos neurotransmisores presentes en el organismo humano son dopamina,

adrenalina y noradrenalina. La valoración de estos neurotransmisores es importante porque su

alta o baja concentración puede llevar a enfermedades neurodegenerativas como son

esquizofrenia, epilepsia y el trastorno hiperactivo de déficit de atención; entre otras [2, 3]. La

problemática en su valoración es que siempre está presente el ácido ascórbico (AA) e interfiere

en ésta, esto debido a que sus potenciales de oxidación se encuentran localizados en la misma

región. A este respecto, varios investigadores se han avocado a la tarea de poder separar esta

interferencia encontrando algunas alternativas [4-10] pero hasta ahora los estudios realizados por

técnicas electroquímicas solo proporcionan una parte de la información electrónica pero no

genera una información de las geometrías o estructuras involucradas a lo largo del proceso y de

los parámetros que influyen en la formación de dicho complejo. La caracterización de las

especies aisladas y sus propiedades electrónicas de cada una de estas tiene que ser estudiada

previamente a la formación de dichos complejos. De esta manera, se obtiene información básica a

nivel molecular que ayuda a entender mejor el fenómeno que ocurre en determinado proceso ya

que se obtiene información intrínseca asociada a sus propiedades electrónicas y al

comportamiento de las moléculas y su posible interacción cuando se encuentra frente a otra [11].

Por lo que haciendo uso de los métodos de la química cuántica y computacional el presente

estudio se enfocará únicamente al caso de la dopamina (H2DA) y el AA como especies separadas,

obteniendo energías y conformaciones estables de éstas, así como, algunas de sus propiedades

electrónicas y la caracterización teórica de sus espectros de IR y UV, éstos se comparan con los

reportados experimentalmente. Para cada especie, se considerarán las escalas de pH a los valores

de 3.0 y 7.0, debido a que son los pHs que se manejan experimentalmente y de interés fisiológico.

2. METODOLOGÍA COMPUTACIONAL

En este estudio se emplea el método semi-empírico AM1 y la Teoría de Funcionales de la

Densidad (DFT) implementada en el programa Gaussian 2003 [12]. Para el cálculo de la



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superficie de energía potencial (PES) de la rotación de ángulos diedros, se utilizó el método semi-

empírico AM1. Las geometrías obtenidas en los mínimos del PES, fueron optimizadas

nuevamente al nivel de teoría DFT, utilizando el funcional híbrido B3LYP [13] con base 6-31G

más dos funciones polarizadas (d) y seguidos de un cálculo a un solo punto al nivel de teoría

B3LYP/6-311G(d). Se realizaron los cálculos de frecuencia para la optimizaciones geométricas

realizadas (B3LYP/6-311G(d)), con el fin de corroborar que las geometrías corresponden a

mínimos en PES, así como, para la obtención de sus respectivos espectro Infra-Rojos de las

especies estudiadas. El estudio se realizó en fase gas. Los cálculos de estructura electrónica se

realizaron tomando en cuenta todos los electrones y el análisis de la distribución de carga atómica

se realizó bajo el esquema Mulliken. Los cálculos para la obtención del Espectro Teórico

Ultravioleta Visible se hicieron empleando el método post-Hartree CIS con una base de cálculo

6-31G(d).

Para la obtención de los índices de reactividad química se re-optimizaron las geometrías

obtenidas con AM1 al nivel HF/6-31G(d), seguidas de un cálculo a un solo punto al nivel de

teoría HF/6-311G(d), esto porque se emplean las energías orbitales para el cálculo. De esta

manera, se obtienen las propiedades intrínsecas también podemos obtener la dureza (η) [14] o

blandura (s) [15]de estas dos moléculas, así mediante la DFT, también se pueden obtener éstos

índices de reactividad química, aunado al potencial químico y con éste la electronegatividad (χ)

[16]. Entonces, N-electrones con una energía total E, se definen de la siguiente manera:

rN

E

(1)

rr

NN

E

2/12/12

2

(2)

21

S (3)

Donde μ y r corresponden al potencial químico y el potencial externo, respectivamente. La

dureza global (η) y el potencial químico (µ) pueden ser calculados en términos de las EHOMO y

ELUMO , como sigue:

2HL EE

(4)



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2

HL EE (5)

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Experimentalmente Sánchez-Rivera et al. [17] determinaron en medio acuoso el diagrama

de predominio para la adrenalina, encontrando tres pKa, ver Figura 1. La especie totalmente

protonada o catiónica (H3DA+), la especie neutra (H2DA), la especie aniónica (HDA-) y la

completamente desprotonada (DA2-).

Figura 1. Diagrama de las zonas de predominio para la dopamina [17].

Dado que al pH de trabajo experimental y el pH de interés fisiológico es a valores por

debajo de 7.0, en este estudio analizaremos solo las especies involucradas a este rango de pH, la

cual correspondería a la dopamina protonada H3DA+ y comparemos sus propiedades con respecto

a la especie neutra, H2DA. Esta última especie predomina en un pH de 9.05 a 10.58, valores

superiores al pH fisiológico de 7.0. En la primera parte del estudio, se realizó una búsqueda de las

diferentes conformaciones para la molécula de H2DA y H3DA+, esto se hizo a nivel semi-

empírico AM1. Φ1 y Φ2 son los ángulos diedros que fueron variados hasta obtener las

conformaciones geométricas de mínima energía de la dopamina neutra H2DA y protonada

H3DA+, ver Figura 2. El ángulo Φ1, está definido por los átomos 2C-1C-7C-10C; mientras que, el

ángulo Φ2 está definido por los enlaces 1C-7C-10C-11N. La rotación los ángulos diedros Φ

generó rotámeros de mínima y máxima energía en la superficie de energía potencial (PES), como

puede verse en la Figura 1 (b) y (c) se obtuvieron 3 rotámeros de mínima energía nombrados

como distal, proximal y anti, siendo la proximal la de menor energía de los tres, para ambas

especies tanto la neutra como la protonada. Cabe mencionar que los resultados aquí obtenidos



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reproducen los previamente reportados por [18] a un nivel de teoría de más alto. Esto válida la

metodología aquí empleada, ya en este caso, la variación de los ángulos diedros a un nivel de

teoría bajo (AM1) reproduce los resultados obtenidos a un nivel más alto, pero a un menor costo

computacional. La re-optimización geométrica también a un nivel más bajo seguida de un cálculo

a un solo punto B3LYP/6-311G(d)//B3LYP/6-31G(d), da diferencias de energía también

parecidas a las reportadas a un nivel más alto [18]. Comparando los perfiles de las graficas 1(b) y

(d) se puede ver que aunque los rotámeros de mínima energía son iguales, en el caso de la

dopamina protonada la conformación proximal distal pueden coexistir en el equilibrio, mientras

para alcanzar la conformación anti requerirá de una mayor energía y es estabilizada en menor

proporción con respecto a la distal y proximal, ver Tabla I y II. En el caso de la neutra, las tres

coexisten en el equilibrio indistintamente, pues las energías máximas rotacionales son muy

parecidas entre ellas, ver Figura 1(b).

Figura 2. (a) Estructura geométrica para la dopamina neutra, H2DA y (b) PES para la dopamina neutra, H2DA,

variación simultánea de los ángulos diedros Φ1 y Φ2; (c) estructura geométrica para la dopamina protonada, H3DA+ y (d) PES para la dopamina protonada, H3DA+. Los cálculos de realizaron en Gaussian 2003, a nivel semiempírico

AM1. Las estructuras geométricas resultantes se presentan en la Tabla I.

En la Tabla III se presenta la distribución de cargas atómicas y el momento dipolar para

ambas especies H2DA y H3DA+. Se obtiene un mayor momento para la especie protonada. En

negritas se resalta los átomos de hidrógeno más importantes de ambas especies, en donde para el

caso de la dopamina neutra los hidrógenos ligados a los oxígenos del grupo catecol muestran una

mayor acidez con respecto a los hidrógenos ligados al átomo de nitrógeno. Cuando la dopamina

se encuentra protonada se obtiene una redistribución de la carga atómica y ahora se obtiene una

acidez similar tanto para los hidrógenos ligados a los oxígenos del grupo catecol como para los

hidrógenos ligados al átomo de nitrógeno, tornándose ligeramente más ácido el hidrógeno H23,



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éste se encuentra ligado al átomo de nitrógeno en la dopamina protonada, ver Tabla III. La

redistribución de la carga atómica por la presencia del protón ácido en la estructura provoca

cambios electrónicos importantes en la dopamina, como se discutirá a continuación.

Tabla I. Se presentan los rotámeros de mínima energía para la dopamina neutra, obtenidos de la variación del los ángulos diedros Φ1 y Φ2, así como sus valores y las diferencias de energía entre ellos. El rotámero distal es tomado

como referencia. El cálculo se realizó B3LYP/6-31G(d).

Tabla II. Se presentan los rotámeros de mínima energía para la dopamina protonada, obtenidos de la variación del los ángulos diedros Φ1 y Φ2, así como sus valores y las diferencias de energía entre ellos. El rotámero distal es

tomado como referencia. El cálculo se realizó B3LYP/6-31G(d).

La distribución orbital del HOMO y LUMO para ambas moléculas H2DA y H3DA+ se

muestra en la Figura 3. Analizando la distribución de la isosuperficie, tanto del HOMO como del

LUMO en ambas moléculas (Figura 3(a),(b) (c), (d)), podemos ver que la distribución orbital de

la H2DA se ve afectada por la presencia del protón. De esta manera, para la H2DA, la distribución

del HOMO se localiza principalmente en la región cercana al grupo amino, mientras el LUMO

está localizado en la región perteneciente al grupo catecol. Curiosamente, la presencia del protón

en la H3DA+ invierte esta distribución, localizándose ahora el HOMO en la región del grupo

catecol y el LUMO en la región del grupo amino, como puede verse en las Figura 3. Si



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relacionamos el HOMO con la capacidad para ceder electrones (oxidación) y el LUMO con la

capacidad de aceptar electrones (reducción), entonces podríamos decir que el proceso de oxido-

reducción para la dopamina neutra, se vería modificado por la presencia del protón en su

estructura y que en el caso de una oxidación ó reducción en la molécula neutra, se vería

favorecido cualquiera de estos dos proceso en el grupo catecol. Pero en caso de la dopamina

protonada, solo se vería favorecida la oxidación en este grupo, pero no la reducción, la

distribución de la isosuperficie orbital coincide con la literatura [18].

Figura 3. Esquema de la isosuperficie del (a) HOMO, (b) LUMO para la Dopamina Neutra H2DA y (c) HOMO, (d)

LUMO para la Dopamina protonada H3DA+. Valor del contorno de la isosuperficie 0.06.

Haciendo un análisis de los parámetros de reactividad química, se obtuvieron los valores

del potencial químico (μ) y de la dureza global (η) de ambos sistemas, ver Tabla IV. De la tabla

se puede ver que la dopamina protonada, H3DA+, presenta una menor dureza que la H2DA neutra,

esto es, se vuelve más blanda por la presencia del protón en su estructura molecular. De acuerdo a

estos índices de reactividad química cuando una molécula es más blanda con respecto a otra, se

considera que puede presentar una mayor reactividad frente a otra especie, si las condiciones son

favorables. Por lo que se esperaría, que la H3DA+ presente una mayor reactividad química

Tabla III. Se presenta la distribución de carga atómica para las especies de dopamina neutra y

protonada al nivel de teoría B3LYP 6-311G(d)// B3LYP 6-31G(d).



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comparada con la H2DA. Nuestros resultados obtenidos se comparan con la literatura [19]

mostrando resultados similares.

Tabla IV. Índices Globales de Reactividad Química para la dopamina neutra (H2DA) y la dopamina protonada (H3DA+), a nivel Hartree-Fock con la base 6-311G(d). Se realiza una comparación respecto al estudio realizado por

Aliste [19], a nivel Hartree-Fock con la base G-31G, para el rotámero proximal, ver Tabla I y II.

Haciendo un análisis de los parámetros de reactividad química, se obtuvieron los valores

del potencial químico (μ) y de la dureza global (η) de ambos sistemas, ver Tabla IV. De la tabla

se puede ver que la dopamina protonada, H3DA+, presenta una menor dureza que la H2DA neutra,

esto es, se vuelve más blanda por la presencia del protón en su estructura molecular. De acuerdo a

estos índices de reactividad química cuando una molécula es más blanda con respecto a otra, se

considera que puede presentar una mayor reactividad frente a otra especie, si las condiciones son

favorables. Por lo que se esperaría, que la H3DA+ presente una mayor reactividad química

comparada con la H2DA. Nuestros resultados obtenidos se comparan con la literatura []

mostrando resultados similares.

En las Tabla IV y V se presenta el análisis de frecuencia vibracional calculadas al nivel de

teoría B3LYP/6-31G(d), para la H2DA y H3DA+ y en la Figura 4, se presenta un diagrama

esquemático de su distribución, señalando las vibraciones más importantes para ambas

moléculas. Como se puede ver entre 0 y 1700 cm-1, corresponde a la huella digital de las

moléculas, respectivamente. De 3000 a 3200 cm-1, en el caso de la dopamina neutra, aparecen las

vibraciones –C-H correspondientes al grupo catecol y de 3400-3540 las vibraciones –NH2 del

grupo amino por último a 3700-3780 cm-1 aparecen las vibraciones –OH pertenecientes al grupo

catecol. Para el caso de la dopamina protonada, a altas frecuencias de 3200-3800 cm-1

desaparecen las vibraciones –C-H correspondientes al grupo catecol y solo se hacen presentes las



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Tabla V. Análisis de frecuencia vibracional calculada al nivel de teoría B3LYP/6-31G(d),

para la molécula de dopamina protanada, H3DA+.

vibraciones –OH y –NH2 del grupo catecol y amino, como puede observarse en la Figura 4 (a) y

(b).

En las Tabla VI y VII se presenta las longitudes de absorción Ultra violeta (UV) también

para ambas moléculas, H2DA y H3DA+, calculada al nivel de teoría CIS(d)/6-31-G(d) y se

compara con los valores experimentales reportados en [20], de acuerdo a los valores obtenidos, se

puede ver que los obtenidos teóricamente son muy cercanos a los experimentales, por lo que

queda bien representado con este nivel de teoría.

Ahora para el caso del AA y de acuerdo a lo obtenido para la molécula de dopamina, se

siguió el mismo procedimiento y se presentan solo los resultados obtenidos de la geometría

mínima y distribución orbital para la molécula neutra, la desprotonación se encuentra bajo

estudio. En la Figura 5, se muestra la geometría de mínima de energía obtenida para el AA y de

acuerdo con la distribución orbital del HOMO y el LUMO, se obtiene que principalmente se

encuentran distribuidos en la estructura endiol, por lo que esta sería la región más afectada en un

proceso de óxido-reducción.

Tabla IV. Análisis de frecuencia vibracional calculado al nivel de teoría B3LYP/6-31G(d), para la molécula de dopamina neutra, H2DA.



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Figura 5. (a) geometría de mínima energía obtenida para el ácido ascórbico, AA. Esquema de la isosuperficie del (b)

HOMO, (c) LUMO para el AA. Valor del contorno de la isosuperficie 0.06.

4. CONCLUSIONES

En este estudio se presento el estudio de las propiedades intrínsecas para las especies de la

dopamina neutra, protonada y del AA. Se muestra como se ve afectada las propiedades

electrónicas de las especies, en especial de la dopamina por la presencia de un protón en su

estructura. De tal manera que en un proceso biológico, en el cual el pH de equilibrio es alredor de

7.0, la dopamina se encuentra protonada y por lo tanto el grupo catecol podrá sufrir reacciones

de oxidación solamente, mientras para la molécula neutra podría sufrir indistintamente reacciones



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de oxidación-reducción en el grupo catecol. Se mostró, como la teoría puede generar información

a nivel fundamental importante que complementa los resultados obtenidos experimentalmente.

5. AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a CONACYT el soporte financiero a través de los diferentes

proyectos 58541, 49775-Y (24658) y SEP-CONACYT (80361).

6. REFERENCIAS

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