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1

Espectroscopía de la Benzocaína y sus complejos con fenol y tolueno como modelo de las interacciones

anestésico - receptor

Edurne Aguado Caballero

Octubre 2010

UNIVERSIDAD DEL PAÍS VASCO / EUSKAL HERRIKO UNIBERTSITATEAFACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA / ZIENTZIA ETA TEKNOLOGIA FAKULTATEA

Departamento de Química-Física / Kimika Fisikoa Saila

Introducción

Interacciones no covalentes: median/participan en procesos biológicos importantes

Reconocimiento molecular

Interacción con el Receptor proteico Cambio conformacional

Activación/desactivación de proteínas

Interacciones no covalentes en el Centro activo

Introducción

Interacciones Anéstesico-Receptor

Falta de información a nivel molecular sobre el MECANISMO DE ACCIÓN

Lugares específicos de interacción dentro del canal de Na+

III

1 2 3 4 5

I

1 2 3 4 5 6

II

1 2 3 4 5 6

IV

1 2 3 4 5

SUPERFICIE INTRACELULAR

SUPERFICIE EXTRACELULAR

66

X X X

BICAPA LIPÍDICA

Enfoque Reduccionista:

Interacción Bz-Tirosina Bz-FenolInteracción Bz-Fenilalanina Bz Tolueno

Simulación unión anestésico-receptor

Introducción

Interacciones Benzócaina-Receptor

BENZOCAÍNA - Anestésico local

Ampliamente empleado por dentistas (pastillas para la tos)

cremas

- lociones protectoras de la radiación solar

Aminoácidos clave: Tirosina y Fenilalanina

Objetivo: Estudio y caracterización de las interacciones en los complejos benzocaína-fenol y benzocaína-tolueno como modelo de las interacciones anestésico-receptor.

Trans-Bz Gauche-Bz ToluenoFenol

Objetivo

Isómeros conformacionales

Espectros vibracionales

Espectroscopía REMPI y R2PI Estado electrónico excitado

Técnicas de Doble resonancia Discrimina entre:

Expansiones supersónicas Preparación de muestras

−UV/UV Hole Burning discrimina entre los espectros vibracionales del S1

−IR/UV Ion Dip obtención de espectros vibracionales del S0

Espectroscopía ZEKE-PFI Estado fundamental del Ión

Técnicas Espectroscópicas

2

U. Fragmentación

U. Ionización

I0+

M*

M+

v0

v0

S1

S0

v0

Mhν

hν’

M + hν → M+ + e-

Detección de electrones con energía cinética cero

Pulso de extracción retrasado del momento de ionización


Esquema excitación REMPI →selección de estados intermedios

Tiempos de vuelo (µs)

Electrones ZEKE

Retraso del pulso

Electronesno-ZEKE

Señal de ElectronesZEKE y no-ZEKE

a) b)

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Detección de los electrones ZEKE en el proceso de ionización


Umbral de Ionización

n = 75

n = 100 Estados ZEKE

Estados ZEKE

Estados ZEKE

n = 30

v+=1

v+=2 Responsables Señal ZEKEElectrones ZEKE

Estado Rydberg:

Alto n (n>100)

−Largos tiempo de vida

−Convergentes a estados rovibracionales del ión

Pulso extracciónioniza estos estados

↓

ZEKE-PFI


Potencia de Cálculo Sistemas de gran tamaño

Precisión – Capacidad de Cálculo

Herramienta para interpretar resultados experimentales

Química computacional: Exploración Superficie Energía Potencial: mínimos de energía Parámetros estructurales: distancias y ángulos de enlaceModos vibraciones Asignación espectralEnergías de enlace, ionización, fragmentación,...

Cálculos teóricos

Métodos DFTB3LYP

– Bajo Coste computacional– Buena estimación de estructuras de

minima energía– Buena descripción de interacciones

por enlaces de hidrogeno

Métodos MP2– Buena descripción de Interacciones

por fuerzas dispersivas– Coste computacional Elevado

Nivel de TeóriaGaussian 03

Funciones Base

Polarizabilidad6-31g(d)

6-31+g(d)6-311++g(d,p)

AUG-cc-pVDZ

Polarizabilidad y Funciones Difusas

Cálculos teóricos

M05-2X− Buena descripción de interacciones por fuerzas dispersivas y de enlaces de Hidrogeno

− Coste computacional asequible

Cálculo de Energías de Enlace

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=∆ (R) SE (R) ME - (R) MSE (R)E

Optimización de las geometrías

Dejando variar libremente ángulos y distancias hasta convergencia

Incluyen la corrección de energía vibracional en el cero kelvin (ZPE)

Error de superposición de Base

( ) ( )⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +−⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ += )R(MSSE)R(MSME)R(SE)R(M E (R) BSSE(MS)

Cálculos teóricos

3

Sistema Experimental Sistema Experimental

Láser Nd-YAG + Láser de colorante(Láser de ionización )

Láser de excímeros + Láser de colorante(Láser de excitación)

Válvula pulsada

Amplificador

A vacio

A vacio

A vacio

SignalIN

SignalOUT

PcTratamiento de

datos

Osciloscopio

Sincronizador y

generador de pulsos

Fuente alimentación

(5Kv)

Esquema del sistema de espectroscopía ZEKE-PFI

Sistema Experimental

Válvulapulsada

Tubo de vuelo de Iones

A Vacío

SeñalSeñal

PMC PMC

A Vacío A Vacío

Tubo de vuelo de Electrones

Horno porta-muestras

VD1

VD2

VD3

VX1(-X)

VY1(-Y)

VA1(-G)

VA2(+G)

Esquema del espectrómetro ZEKE-PFI

-G: A1, placa extractora+G: A2, placa repulsora

A3, placa de aceleración-X: X1 lente deflectora-Y: Y1 lente deflectora+Y: Y2 lente deflectora

A3 A1 A2

-Y

-X

+Y


Esquema del sistema de espectroscopía M-RES

Láser sonda (UV) Láser Nd-YAG + Láser de colorante

Válvula pulsada

Pc Tratamiento de

Sincronizador y

generador de pulsos

Laser bombeo (IR) Láser Nd-YAG + Láser de

8

Boxcar Osciloscopio

A vacío

Fuente alimentación

(5Kv)

A vacío

TOF-MS


Espectroscopía del catión de Benzocaína

Resultados experimentales

4

Espectroscopía de Bz+Resultados Experimentales

34100 34200 34300 34400 34500 34600 34700 34800 34900 35000 35100

000

000 Trans-Bz

Gauche-Bz

ν6

9b6a 6b 10aI(NH2)

Número de Onda (cm-1)

Espectro R2PI

Resultados Experimentales Espectroscopía de Bz+

Espectros R2PI /Influencia del gas transporte

b)

a)

00 t-Bz

00 t-Bz

00 g-Bz

t-Bz/Ar 1:1

ν6

ν6

9b

9b

6a

6a

6b

6b

10a

10a

Número de onda (cm-1)


Barrera de isomerización

-100 -50 0 50 100 150 200 250

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ángulo (grados)

Ener

gía

(cm

-1)


Espectros ZEKE


29100 29200 29300 29400 29500 29600 29700 29800 29900 30000 30100 30200 30300 30400

ν1+

ν6

+

16a +1

ν12+

ρt +1 (NH2)

I +1 (NH2)

ν21+

10a +

1 18a +

1

ν28+

9a +1

ν37+

1 +1

ν22+

6b1+

ν9

+ ν10

+

ν1+

ν6+

ν8+

ν9

+

16a +1

ν19+

10a +1 1 +

1 +ν24+

ν37+

ρr +1 (NH2) 18a +

1

trans-Bz+

gauche-Bz+

Pulso de extracción -3V/cm

Duración:300ns

Retraso: 200ns

Condiciones experimentales

Umbrales de IonizaciónTrans-Bz 63243 cm-1

Gauche-Bz 63245 cm-1


Límite de IVR: ~550 cm-1

0 400 800 1200

ν1 9a +1

D0

6b +1

18a +1

ν2+

9b +1

16b +1 6a +

1

10a

16a +1

16a +1

ν6+

ν9+

ν10+

ν12+

ν21+

10a +1

ν6+

ν6

2ν6+ 3ν6

+

ν21++ν6

+

9b +1 +ν9

+

9b +1 +16a +

1

9b +1 +2ν9

+

9b+1 +ν4

+

9b +1 +ν5

+

9b +1 +ν7

+

9b +1 +ν9

++16a +1

ν5+ ν6

+

ρt+1 (NH2) ?

16b +1 + ν10

+

16b +1 + ν11

+

6a

9b

00

D0

D0

D0

6b

6b +1

10a+1

10a +1 +ν1

+

6b +1

6a +1

Energía Relativa (cm-1)

ν22+ ν28

+ ν35

+

E. estado intermedios Background

Fenómenos de IVR


POTENCIALES DE IONIZACIÓN

28900 28920 28940 28960 28980 29000 29020 29040 29060 29080 29100

a) gauche - Bz

b) trans - Bz

28977 cm-1

28987 cm-1


28900 28920 28940 28960 28980 29000 29020 29040 29060 29080 29100

a) gauche - Bz

b) trans - Bz

28977 cm-1

28987 cm-1


6312234145gauche-Bz

6312134134trans-Bz

PIS1 S0

Campo de extracción continuo F = 467 V/cm

Cte de proporcionalidad c=6

∆E= 130 cm-1

F(V/cm)c)(cm E -1 =∆

5


POTENCIALES DE IONIZACIÓN

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

29094

29096

29098

29100

29102

29104

29106

29108

29110

29112

ΛEn

ergí

a (c

m-1)

F(V/cm)1/2

Trans –BzGauche -Bz

pdte: 3.45 ± 0.09

pdte: 3.64 ± 0.0429080 29090 29100 29110 29120 29130

9v 7v 5v 4v 3v 2v

Número de Onda (cm-1)

Pulsos de Extracción (V/cm)

29080 29090 29100 29110 29120 29130

Pulsos de Extracción (V/cm)

9v 7v 6v 5v 4v 3v 1v

Numero de Onda (cm -1)

trans-Bz

gauche-Bz

F(V/cm)c)(cm E -1 =∆

6325034145gauche-Bz

6324634134trans-Bz

PIS1 S0

Espectroscopía del complejo Benzocaína -Fenol

Resultados experimentalesResultados Experimentales

5 puntos de interacción de la Benzocaína

Grupo amino

Grupo

éster

Nube π del anillo aromatico

Resultados experimentalesBenzocaína-Fenol

Resultados Experimentales Resultados experimentalesBenzocaína-Fenol

Resultados Experimentales

Benzocaína

Fenol

Bz(PhOH)1

36349

34134

34145

34129

34134

* *


Espectros R2PI



Espectros Hole Burning

+5

± 0

gauche-Bz(PhOH)1

trans-Bz(PhOH)1

R2PI Bz(PhOH)1




Espectros PIE y Umbral de Fragmentación

62500 63000 63500 64000 64500 67000 67500 68000 68500

63122

63121

trans-Bz(PhOH)1

trans-Bz

gauche-Bz

67428

64480


U. Ionización U. fragmentación

62500 63000 63500 64000 64500 67000 67500 68000 68500

63122

63121

trans-Bz(PhOH)1

trans-Bz

gauche-Bz

67428

64480


62500 63000 63500 64000 64500 67000 67500 68000 68500

63122

63121

trans-Bz(PhOH)1

trans-Bz

gauche-Bz

67428

64480


U. Ionización U. fragmentación

2948D0(D0+)

4187D0(S1)

4182D0(S0)

Trans-BzFenol

contraintuitivo

6

Benzocaína-FenolResultados Experimentales

t-BzPhOH 3 t-BzPhOH 4

t-BzPhOH 5

t-BzPhOH 2 t-BzPhOH 1

gu-BzPhOH 2 gu-BzPhOH 1

gu-BzPhOH 3

gu-BzPhOH 5

gu-BzPhOH 4

gd-BzPhOH 3

gd-BzPhOH 5

gd-BzPhOH 2

gd-BzPhOH 4

gd-BzPhOH 1

1824t-BzPhOH 1

2260t-BzPhOH 5

1215t-BzPhOH 4

2045t-BzPhOH 3

946t-BzPhOH 2

Energías de Enlace MP2/6-31g(d)

1968gu-BzPhOH 1

2251gu-BzPhOH 5

1212gu-BzPhOH 4

2028gu-BzPhOH 3

1115gu-BzPhOH 2


2050gd-BzPhOH 1

2244gd-BzPhOH 5

1217gd-BzPhOH 4

2056gd-BzPhOH 3

1434gd-BzPhOH 2




trans-Bz(PhOH)1

0

300

350

400

t-BzPhOH 2

3300 3400 3500 3600 3700 3800 3900

0

25

450

475

500

t-BzPhOH 1

0

500

600

t-BzPhOH 3

0

200

400

600

t-BzPhOH 4

0

50

900

925

t-BzPhOH 5

ν OH

ν OH


ν OH

ν OH

ν OH

ν OH

νas NH2

νas NH2

νas NH2

νas NH2

νas NH2

νas NH2

νs NH2

νs NH2

νs NH2

ν NH2

νs NH2

νs NH2

3300 3400 3500 3600 3700 3800 3900

0

800

0

500

600

0

50

500

600

0

50

100

0

50

800

900

νOH

νOH

νs OH

νOH

ν OH

νs NH2 ν OH

νs NH2 νas NH2

νas NH2

νs(NH2)

νs NH2

νs NH2

νs NH2

νas NH2

νas NH2

νas NH2

νas NH2

gu-BzPhOH 1

gu-BzPhOH 2

gu-BzPhOH 3

gu-BzPhOH 4

gu-BzPhOH 5

gauche-Bz(PhOH)1


3300 3400 3500 3600 3700 3800 3900

0

800

0

500

0

50

500

600

0

50

100

020406080

800

900

νOH

ν OH

νOH

νOH

νOH

νs NH2 νOH

νs NH2 νas NH2

νas NH2

νs NH2

νs NH2

νs NH2

νs NH2

νas NH2

νas NH2

νas NH2

νas NH2


gd-BzPhOH 1

gd-BzPhOH 2

gd-BzPhOH 3

gd-BzPhOH 4

gd-BzPhOH 5

gauche-Bz(PhOH)1

Espectros IR t-Bz(PhOH)1 Espectros IR gu-Bz(PhOH)1 Espectros IR gd-Bz(PhOH)1

Espectros IR/UV Ion Dip



trans-Bz(PhOH)1

gauche-Bz(PhOH)1



Falta de actividad vibracional en la región del Fenol

Umbrales de Ionización y Fragmentación Cambios en la geometría del ión

Corta extensión del espectro R2PI

REACCIÓN QUÍMICA EN EL ESTADO EXCITADO DEL COMPLEJO

Energías de Disociación experimentales mayores que las calculadas



Estructura t-BzPhOH 5

B3LYP/6-31++g(d,p)

Curva del estado excitado Barrera potencial 700cm-1

La correlación con el estado iónico 2000cm-1 por encima del mínimo

E. disociación 2000cm-1 mayores que las calculadas

Extensión del espectro R2PI

Espectroscopía del complejo Benzocaína -Tolueno

Resultados experimentalesResultados Experimentales

7

Resultados experimentalesBenzocaína-Tolueno



Bz

Bz(Tol)1

Bz(Tol)2

Bz(Tol)1 (H20)1

34134

34145

33969

33993

34210

33768

Espectros R2PI



*


Bz(Tol)1 ISO 4

Bz(Tol)1 ISO 1

Bz(Tol)1 ISO 3

– 165

– 366

– 135

Espectros Hole Burning

−362

Bz(Tol)1 ISO 2



6 04 00 6 080 0 6 120 0 61 60 0 62 000 62 400 628 00

6 00 00 6 04 00 6 080 0 61 20 0 61 60 0 62 000 62 400 62 800

6 30 00 63 100 63 20 0 6 33 00 634 00

63121

63122 trans-Bz

gauche-Bz

60299

62443

Bz(Tol)2 Bz(Tol)1(H2O)1

61328

Bz(Tol)1 ISO4 - 135

61008 Bz(Tol)1 ISO1 - 366

Bz(Tol)1 ISO3

Bz(Tol)1 ISO2

62041

61150

- 165

- 362


Campo de extracción continuo

470 V/cm

Espectros PIE

Pendientes muy suaves

Cambios en la geometría del complejo



33 Estructuras calculadas (MP2 y M05-2X)

10 estrcuturas t-BzTol n

12 estrcuturas gu-BzTol n

11 estrcuturas gd-Bz Tol n

Interacción N-H...π Interacción π...π Interacción éster...π



400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Número de onda (cm-1)

ISO 1

ISO 2

ISO 3

ISO 4

t-Bz Tol 1

t-Bz Tol 2

t-Bz Tol 3

t-Bz Tol 4

t-Bz Tol 5

t-Bz Tol 6

t-Bz Tol 7

t-Bz Tol 8

t-Bz Tol 9

t-Bz Tol 10

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Número de onda (cm-1 )

ISO 1

ISO 2

ISO 3

ISO 4

gu-Bz Tol 1

gu-Bz Tol 2

gu-Bz Tol 3

gu-Bz Tol 4

gu-Bz Tol 5

gu-Bz Tol 6

gu-Bz Tol 7

gu-Bz Tol 8

gu-Bz Tol 9

gu-Bz Tol 10

gu-Bz Tol 11

gu-Bz Tol 12

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Número de onda (cm-1 )

ISO 1

ISO 2

ISO 3

ISO 4

gd-Bz Tol 1

gd-Bz Tol 2

gd-Bz Tol 3

gd-Bz Tol 4

gd-Bz Tol 5

gd-Bz Tol 6

gd-Bz Tol 7

gd-Bz Tol 8

gd-Bz Tol 9

gd-Bz Tol 13

gd-Bz Tol 14

Espectros IR/UV Ion Dip

Espectros IR t-Bz(Tol)1 Espectros IR gu-Bz(Tol)1 Espectros IR gd-Bz(Tol)1



Energías de Enlace y Potenciales de Iónización

60921gu-Bz-Tol 10

61651t-Bz-Tol 2

61895gu-Bz-Tol 2

61591gd-Bz-Tol 2

60891t-Bz-Tol 7

60734gu-Bz-Tol 7

60808gd-Bz-Tol 7

61328Bz(Tol)1 ISO 4

62041Bz(Tol)1 ISO 3

61150Bz(Tol)1 ISO 2

61008Bz(Tol)1 ISO 1

Potencial Ionización Experimental (cm-1)

ISOMEROS

61707t-Bz-Tol 10

61916gd-Bz-Tol 9

60969gu-Bz-Tol 9

62059t-Bz-Tol 9

61998gd-Bz-Tol 6

61857gu-Bz-Tol 6

62003t-Bz-Tol 6

Potencial Ionización Téorico (cm-1)ESTRUCTURAS

1009gd-Bz-Tol 2

1103gu-Bz-Tol 2

1042t-Bz-Tol 2

1176gu-Bz-Tol 10

1285t-Bz-Tol 10

1232gd-Bz-Tol 9

1395gu-Bz-Tol 9

1369t-Bz-Tol 9

1312gd-Bz-Tol 6

1388gu-Bz-Tol 6

1408t-Bz-Tol 6

1780gd-Bz-Tol 7

1721gu-Bz-Tol 7

1686t-Bz-Tol 7

D0 (cm-1)ESTRUCTURAS

8

t-BzTol 7



t-BzTol 2t-BzTol 10

t-BzTol 9t-BzTol 6

gd-BzTol 7

gu-BzTol 7



Cálculos dependientes del tiempo



Isómero al rojo –366 cm-1

t-BzTol 7


gu-BzTol 7

gd-BzTol 7

Bz(Tol)1 ISO 1 t-Bz(Tol) A

Bz(Tol)1 ISO 2 g-Bz(Tol) A




t-BzTol 6


gu/gd-BzTol 6

Bz(Tol)1 ISO 3 t-Bz(Tol) B

Bz(Tol)1 ISO 4 g-Bz(Tol) B

t-BzTol 10

t-BzTol 9

gu/gd-BzTol 9

gu/gd-BzTol 10

Interacción π...π

Interacción éster...π

Conclusiones

Espectroscopía ZEKE-PFI Caracterización D0+ de la Benzocaína

Potenciales de Ionización muy precisos

Parámetros estructurales (ángulos y distancias de enlace)

Asignación espectral confórmeros trans-Bz+ y gauche-Bz+

PI trans-Bz+: 63246 ± 0.2 cm-1

PI gauche-Bz+: 63250 ± 0.3 cm-1

Fenómenos de redistribución vibracional intramolecular trans-Bz+

Espectros ZEKE (00, ν6, 9b, 6a,6b y 10a)

Energía inerna del estado intermedio Background IVR

Límite IVR: 548 cm-1

Conclusiones

Caracterización del complejo Bz-Fenol2 Isómeros conformacionales Única interacción PhOH...NH2

Diferencias orientación relativa del grupo etilo (trans y gauche)

Orígenes muy próximos entre sí Grupo etilo NO INFLUYE en la interacción

Reacción química en el estado excitado

Consecuencias Biologicas

Región espectral corta (∼700 cm-1)

Actividad vibracional pobre

PI Bz(PhOH) > PI Bz Cambio geometría Ion

Bz utilizada en lociones de protección solar y cremas de uso tópicos

Exposición a radiación UV Reacción química Hipersensibilidad

Exploración SEP

Curva Estado Excitado

Forma Exortémica y

Barrera ∼700 cm-1

9

Conclusiones

Caracterización del complejo Bz-Tolueno4 Isómeros conformacionales

− 2 Isómeros: interacción NH...π

− Diferencias: orientación relativa del grupo etilo (trans y gauche)

− Orígenes muy próximos entre sí Grupo etilo NO INFLUYE en la interacción

− 2 interacción Éster-π o Interacción π-π

− Diferencia orientación relativa del grupo etilo (trans y gauche)

− Orígenes separados entre sí 30 (cm-1) Grupo etilo SI INFLUYE en la interacción

Actividad vibracional alta

Espectroscopía de la Benzocaína y sus complejos con fenol y tolueno como modelo de las interacciones

anestésico - receptor

Edurne Aguado Caballero

Octubre 2010

UNIVERSIDAD DEL PAÍS VASCO / EUSKAL HERRIKO UNIBERTSITATEAFACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA / ZIENTZIA ETA TEKNOLOGIA FAKULTATEA

Departamento de Química-Física / Kimika Fisikoa Saila

interacciones anéstesico-receptor interacciones … edurne.pdf · espectroscopía de la...

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