O
P
O
O
NH
2H
3C
H
3C
Figura 6.1: Estructura del fosfamidato de dimetilo (DMAP).
Tabla 6.I: Frecuencias medidas en los espectros infrarrojo en fase líquida en la zona de entre 1000 y 2000 cm-1 para la molécula DMAP. Las asignaciones propuestas se realizan en función de los valores teóricos obtenidos para cada uno de los cuatro confórmeros estables calculados a nivel HF/6-31G**. Entre paréntesis, se indican las intensidades teóricas relativas.
Calculado(HF/6-31G**) Asignación FTIR gC1 Cs -gtC1 gtC1 1844(0,03) 1551(0,24) δa NH2 1653(0,30) 1544(0,16) 1543(0,19) 1538(0,10) 1461(0,01) 1462(0,01) 1460(0,01) 1461(0,01) 1461(0,02) 1459(0,01) 1459(0,02) 1458(0,01) δa CH3 1454(0,01) 1456(0,01) 1461(0,42) 1452(0,01) 1452(0,01) 1451(0,01) 1452(0,00) 1451(0,01) 1450(0,01) 1439(0,01) 1443(0,00) 1440(0,01) 1440(0,00) 1322(0,04) 1437(0,00) 1437(0,00) 1439(0,00) 1439(0,01) 1274(0,71) ν P=O 1257(0,86) 1197(0,66) 1253(0,47) 1253(0,31) ρra CH3 1175(0,05) 1176(0,02) 1173(0,07) 1176(0,09) 1111sh 1175(0,07) 1174(0,08) 1172(0,11) 1174(0,06) 1149(0,00) 1150(0,01) 1150(0,01) w CH3 1149(0,01) 1149(0,01) 1147(0,00) 1148(0,00) 1146(0,01) 1097(0,02) νs O-C 1089(0,36) 1081sh 1079(0,34) 1081(0,62) 1060(1,00) 1061(1,00) νa O-C 1058(0,73) 1050(1,00) 1045(1,00)
ν: vibración de estiramiento; νs: vibración de estiramiento simétrico; νa: vibración de estiramiento antisimétrico; ρra: vibración de balanceo antisimétrico; w: vibración de aleteo; sh: hombro.
Por otro lado, la presencia de este puente de hidrógeno, desestabilizaría las posibles interacciones entre los hidrógenos metílicos y el grupo fosforilo. Estas interacciones se han evaluado de importancia para explicar el comportamiento conformacional de los calcogenofosfatos de trimetilo.
Además, esta molécula presenta un interés en términos de su variabilidad conformacional pues, a diferencia de los fosfatos de trialquilo, dispone de sólo dos ángulos diedros O=P−O−C que tendrían libertad conformacional relevante, de manera que el número de confórmeros posibles y su degeneración energética disminuye drásticamente respecto de aquellos. Uno de los aspectos interesantes de estas moléculas se relaciona con las propiedades del grupo amido fosfórico y, entre ellas, la capacidad de sus protones para formar puentes de hidrógeno.(2)
2
Solov'ev, V.N., Martynov, I.V. and Zabirov, N.G. Crystal and molecular structure of two insecticides: O,S-dimethyl amidothiophosphate and O,S-
Tabla 6.II: Parámetros geométricos y fisicoquímicos del DMAP obtenidos a nivel HF/6-31G** confórmeros descritos como mínimos energéticos. Ángulos expresados en grados.
gCs(I) C1 (II) -gtCs (III) gtCs (IV)
ψ1 45 49 -32 46 ψ2 54 -39 178 171 P=O (Å) 1,45 1,45 1,45 1,45 P−O1 (Å) 1,58 1,58 1,59 1,58 P−O2 (Å) 1,58 1,58 1,58 1,58 HF/6-31G**(kcal/mol) 0,00 1,75 3,00 3,80 µ D (Müll)Calc. 2,74 3,24 3,93 5,40 Prop.a 298°K (peso 2:1:2:2) 0,97 0,03 0,01 0,00 µ D (Müll)Pond. 2,81
Dado que ciertas características espectroscópicas, de reactividad y conformacionales están determinadas por la formación preferencial de puentes de hidrógeno, el análisis de estas interacciones intramoleculares debería poder integrarse a la descripción del comportamiento estructural de esta molécula como componente fundamental. Ya se ha indicado que la capacidad de formación de puentes de hidrógeno intermoleculares, determina las particulares características de reactividad biológica de los fosfamidatos.(3)
Por otro lado existiría una fuerte interacción entre las nubes electrónicas de los enlaces P=O y P─N (4). Este dato, sumado a las interacciones por puentes de hidrógeno intramoleculares, restringe apreciablemente la variabilidad del ángulo ψN. de manera que el análisis conformacional de
la molécula dependería fundamentalmente de los ángulos diedros ψ1 y ψ2 de rotación de los enlaces P─O.
Descripción teórica
En la Tabla 6.II se presentan los valores de los parámetros geométricos y energéticos para cada uno de los cuatro confórmeros estables hallados a un nivel de cálculo HF/6-31G**.
dimethyl acetamidothiophosphate, Phosphorus, Sulfur Silicon.Relat.Elem. 57 (1-2): 135-141 (1991).
3
Singh, A.K. Quantitative structure-activity relationships for phosphoramidothioate toxicity in housefly, Comp. Biochem. Physiol.C.
Pharmacol. Toxicol. Endocrinol.123 (3): 241-255 (1999).
4
Pen'kovskii, V.V. and Boldeskul, I.E. Quantum-chemical study of dimethyl phosphoramidates, Teor.Eksp.Khim.20 (2): 198-202 (1984).
-90 0 90 180 270 360 0 1 2 3 4 kcal /m ol
Ψ
NFigura 6.2: Energía de rotación del ángulo ψN calculada a un nivel
Tabla 6.III: Frecuencias medidas en los espectros infrarrojo en fase líquida en la zona de entre 400 y 1000 cm-1 para la molécula DMAP. Las asignaciones propuestas se realizan en función de los valores teóricos obtenidos para cada uno de los cuatro confórmeros estables calculados a nivel HF/6-31G**. Entre paréntesis, se indican las intensidades teóricas relativas.
Calculado(HF/6-31G**) Asignación FTIR gC1 Cs -gtC1 gtC1 984(0,37) ρra NH2 970(0,13) 962(0,09) 930sh 940(0,07) 943(0,12) ν P-N 825(0,14) 880(0,25) 869(0,23) 862(0,49) 859(0,39) 782(0,15) 814(0,41) 815(0,16) νa P-O 803(0,44) 787(0,35) νs P-O 740(0,05) 703(0,03) 727(0,06) 716(0,06) 720(0,07) 630sh 607(0,54) w NH2 588(0,05) 523(0,45) 561(0,03) 515(0,09) 503(0,06) 499(0,15) 495(0,06) 505(0,06) 453(0,06) 500(0,07) δa P-(OCH3)2 446(0,04) 472(0,09) 439(0,03) 455(0,11) 432(0,03) 458(0,10) 455(0,14) δa P-(OCH3)2 423(0,29) 424(0,04) 410(0,04) 414 (0,04) 406(0,10) 415(0,17) w P(NH2)(OCH3)2 407(0,05) 403(0,06) 382(0,00)
νs: vibración de estiramiento simétrico; νa: vibración de estiramiento antisimétrico; δa: vibración de deformación antisimétrica; sh: hombro.
Se puede observar la preferencia de los metilos en
gauche, respecto al enlace P−O, de manera que los dos confórmeros de menor energía posicionan a ambos metilos en dicha situación. La superficie de energías rotacionales para ambos ángulos ψ1 y ψ2, presenta una complejidad mayor que
en el caso de los calcógenos de trimetilo, pudiendo observarse la ubicación relativa de cada uno de los mínimos propuestos.
Según nuestros cálculos, la rotación del ángulo diedro ψN presenta una barrera energética de 4 kcal/mol, lo
que corrobora una rigidez importante (Figura 6.2). Sin embargo, se observan dos mínimos conformacionales en 0° y en alrededor de 200°, que entre sí no presentarían diferencias de energía de más de 1 kcal/mol. Dicha diferencia indica que, a temperatura ambiente, ambas posiciones resultan probables. Por otro lado, en estos mismos cálculos y para las estructuras más estables, el hidrógeno del grupo amino se ubica, respecto al oxígeno del grupo fosforilo, a una distancia de 2,7 Å,
Figura 6.3: Superficie de energía potencial de rotación de los ángulos diedros ψ1 y ψ2,
calculada a un nivel HF/PM3. Las flechas indican la ubicación de los confórmeros de mínima energía propuestos. 0 90 180 270 360 0,0 0,1 0 90 180 270 360 gtCs -gtCs C1 gCs Energía PM3 Ψ2 Ψ1
compatible con la presencia de un puente de hidrógeno y siempre a una distancia menor que la de los hidrógenos metílicos.
Caracterización espectroscópica
En general se disponen de escasos reportes espectroscópicos del DMAP, de manera que durante el desarrollo de este Capítulo, se incluyen la mayor parte de los datos obtenidos por medidas propias, aunque no sean importantes desde el punto de vista de la descripción conformacional de la molécula. Por la insolubilidad de esta sustancia en solventes orgánicos, las medidas de RMN se realizan en D2O, a diferencia de lo realizado sobre las
restantes sustancias. Esto dificulta la calibración adecuada de los espectros 13C RMN.
En el espectro de 1H NMR se observa claramente una estructura compleja de dobletes acoplados con dos valores diferenciados de acoplamiento espín-espín (Tabla 6.IV) que representan a dos picos independientes con una relación de 1:10 (Figura 6.4). Dichas señales corresponden a cada uno de ambos metilos. Es necesario tomar en cuenta el hecho que la medida se realiza en D2O, y por lo tanto la señal
correspondiente al NH2 desaparece por el rápido intercambio
de dichos protones con el deuterio del solvente.
En el espectro 13C RMN se observa la estructura esperada del doblete correspondiente a los carbonos metílicos con el correspondiente acoplamiento 2JC-P, como se puede
apreciar en la Figura 6.5.
Correlación de datos
En los espectros infrarrojos de la fase líquida, es posible asignarlos, con cierta precisión, a los modos vibracionales correspondientes. En dicha asignación, aparecen grupos de bandas que pueden originarse en la coexistencia conformacional según las diferencias que
Tabla 6.IV: Valores de corrimiento químico (en ppm) y de acoplamientos espín-espín (en Hz) para la molécula DMAP en los espectros 1H RMN (calibrado respecto a la señal del HDO: 4,82 ppm) y
13
C RMN. Entre paréntesis se indica la relación de área de los respectivos picos. El valor reportado para las señales 1H RMN es de 3,54 ppm (1).
ppm JH 3JP-H 2JC-P 3,86 (1,00) 0,7 11,7 1 H RMN 3,76 (0,12) 0,6 13,5 13 C RMN 53,8 6,7 Figura 6.4: Espectro 1H RMN del DMAP. Se observan dos dobletes análogos a los observados para el TMP.
(ppm)
3,70 3,92
Capítulo 6: La molécula de fosfamidato de dimetilo.
arrojan los cálculos teóricos. Estos datos se resumen en las Tablas 6.I, 6.III y 6.V.
Mediante consideraciones teóricas, se puede predecir un desdoblamiento del modo vibracional de aleteo PNH2, en valores de alrededor de los 300 cm-1.
Efectivamente, se predice una diferencia de 20 cm-1 para los confórmeros gC1 y Cs, correspondiendo la banda de menor
energía al confórmero más estable. De la misma manera, los modos vibracionales de balanceo antisimétrico de los grupos PO2 y PO2N, aparecen desdoblados para los cuatro
confórmeros propuestos.
A la luz de lo expuesto, podemos afirmar que los resultados experimentales y teóricos son consistentes en el sentido de entregar fuerte evidencia de coexistencia de múltiples confórmeros a temperatura ambiente.
Tabla 6.V: Valores teóricos de las frecuencias obtenidas para cada uno de los cuatro confórmeros estables calculados a nivel HF/6-31G** en la zona del infrarrojo cercano de entre 50 y 400 cm-1 para la molécula DMAP. Se proponen las asignaciones correspondientes. Entre paréntesis, se indican las intensidades teóricas relativas.
Calculado(HF/6-31G**) Asignación gC1 Cs -gtC1 gtC1 392(0,02) w P(NH2)(OCH3)2 379(0,01) 364(0,15) 356(0,06) 314(0,00) w P-NH2 304(0,06) 304(0,07) 295(0,11) 233(0,02) 236(0,00) ρrs PO2N 221(0,04) 211(0,01) w P-NH2 215(0,02) 208(0,01) 205(0,02) 205(0,05) ρra PO2N 167(0,00) 170(0,04) 159(0,01) 151(0,09) 130(0,00) ρrs PO2 123(0,02) 115(0,01) 111(0,00) 107(0,00) 108(0,00) 109(0,01) 94(0,00) 86(0,01) 81(0,01) ρra PO2 79(0,01) 65(0,01) 67(0,00) 55(0,01) 57(0,01) 56(0,01)
δa: vibración de deformación antisimétrica; ρrs: vibración de balanceo simétrico; ρra: vibración de balanceo antisimétrico; sh: hombro.
Figura 6.5: Espectro 13C RMN del DMAP. Se observa el doblete análogo al observado para el TMP.
(ppm) 53,10
El fosfamidotioato de dimetilo (DMATP) corresponde a un isómero de función del metamidofós o fosfamidotionato de O,S-dimetilo, un insecticida usado ampliamente en muchos cultivos intensivos y del que se reportan anualmente numerosas intoxicaciones. El DMATP
aparece como impureza en las formulaciones de grado técnico del metamidofós. Como ya se indicó en el Capítulo 6, un componente importante del desarrollo de una intoxicación por formulaciones de pesticidas puede ser responsabilidad de las impurezas que se encuentran presentes en ella.
Desde el punto de vista estructural, esta molécula es parte de la serie de calcogenofosfamidatos de dimetilo, debiéndose encontrar un comportamiento similar al descrito para el DMAP, con las particulares características aportadas por la presencia del grupo P=S.
Entre otras diferencias con su análogo oxigenado, la capacidad de formación de puentes de hidrógeno entre los nitrógenos amídicos y los pares libres del azufre estaría disminuida, fundamentalmente por la menor polarización del enlace P=S y la mayor deslocalización de las nubes electrónicas de los pares libres del azufre. Ya hemos mencionado que uno de los aspectos particularmente interesantes de estas moléculas se relaciona con las propiedades del grupo amido fosfórico, como la capacidad de sus protones para formar puentes de hidrógeno (1).
Dado que ciertas características espectroscópicas, de reactividad y conformacionales están determinadas por la formación preferencial de puentes de hidrógeno, el análisis de estas interacciones intramoleculares debería poder integrarse a la descripción del comportamiento estructural de esta molécula como componente fundamental. Por otro lado, también se ha indicado que la capacidad de formación de
1
Solov'ev, V.N., Martynov, I.V. and Zabirov, N.G. Crystal and molecular structure of two insecticides: O,S-dimethyl amidothiophosphate and O,S- dimethyl acetamidothiophosphate, Phosphorus, Sulfur Silicon.Relat.Elem. 57 (1-2): 135-141 (1991).