Bull. bc. C h h . h l g . vo1.911n* 211988 0037-9646/88/ 1 2.00 + 0.00 0 1988 Comiti5 van Beheer van het Bullet in V . Z . W .

ANALYSE POLAROGRAPHIQUE ET SPECTROPHOTOMETRIQUE DES REACTIONS DE DEPROTONATION ET DES MODIFICATIONS SUBSEQUENTES D'AROMATICITE

EN MILIEU ACIDE

R LeJeune et L. Thunus Laboratoire de Chimie Analytique, Institut de Pharmacie, rue Fusch 3 .

4000 Libge. Received . 27/01/1986 - Accepted : 13/09/1987

ABSTRACT

Former publications showed important modifications to occur in polarosra- phic and spectrophotometric curves when the pH of the solution changes. This may be assigned to perprotonation or to rearomatisation of pyridine derivati- ves. The authors investigate this problem and make an attempt to resolve it qualitatively and quantitatively

INTRODUCTION Lors des travaux precedents consacres h 1'6tude des acides mercaptopyri-

dinecarboxyliques par polarographie et par spectrophotometrie ultraviolette, des modifications maJeures de comportement sont apparues en milieu tres aci- de~z.8*14.1ar1r~. Elles ont Bt6 attribuees h des reactions de perprotonation ou de rearomatisation dventuellement couplhes. Le but de ce travail est de prdciser ces phbnom8nes. Pour atteindre cet obJectif nous avons recouru aux mhes techniques que celles employees lors des etudes systbmatiques. Nous avons seulement selectionne les parambtres Btudies et les conditions opbratoi- res en fonction du problbme trait4. Nous avons aussi choisi des molecules sim- ples, monofonctionnelles qui permettent de serier les questions abordees'"--" . Nous avons de la sorte differencie les reactions donn4es par les fonctions carbonylees et soufrbes.

La spectrophotombtrie et la polarographie sont deux techniques bien con- nues pour 1'6tude des reactions de protonation. P. Zwnan'zo' a notament expo- s6 trbs en detail l'influence du proton sur le comportement Blectrochimique des composes organiques. Signalons cependant que la formation de paires d'ions peut induire un deplacement de potentiel qui s'oppose h celui provoque par l'augmentation de la concentration en protons. Ce ph6nom*ne se produit entre autre lorsque des solutions h forte teneur en acide sulfurique sont utilisees car on observe alors une diminution de l'eau libre qui favorise l'association entre ions de signe 0ppos6'~'. A. Albert et E.P. Serjeant'l' ont consacre une etude aux influences de la protonation sur les spectres UV-visible des composes organiques.

La connaissance de la concentration en proton.reste cependant indispensa- ble pour l'estimation des valeurs que nous voulions Btablir. Chaque solution analysee est preparb8 avec soin en mdlangeant des quantitds exactement connues de compos4 h Btudier, d'acide sulfurique ou d'acide perchlorisue de titre con- nu, Bventuellement tamponne, et de l'eau tridistillee. Lorssue la concentra- tion en proton est inf4rieure h lo-' M, la valeur du PH de la solution ainsi constitube est mesuree au phbtre. Quand la teneur en acide est supbrieure h

- ias -

cette concentration, nous avons recours B l'expression decrite par Hammett et Deyrupc4' qui nous permet d'estimer une valeur de H- ou de M suivant les cas.

Paul et Long'a' dans leur review fournissent des tableaux permettant l'estima- tion des H- ou des M et qui d'aprbs Laviron""' donnent une meilleure repre- sentation de l'acidit6 rdelle en solution.

PARTIE EXPERIMENTALE

Les dBterminations ont 6t6 effectuees sur des solutions frafchement pre- par4es. La mesure du PH, lorsqu'elle est possible, b BtB effectuee au moyen d'un pHmetre CONSORT P 614, garni d'une electrode de verre combinee METROHM 6.0204.100.

metre UV-visible PERKIN ELMER 554.

Scanner 612 et un oscilloscope TEKTRONIX 5110, avec un tiroir 5D10 ont servi h leur obtention.

Les mesures spectrophotometriques ont dtB obtenues avec un spectrophoto-

Quant aux donn6es polarographiques, un polarographe METROHM 506, un VA

RESULTATS ET DISCUSSION A. La fonction soufree

Nous n'avons pu mettre en evidence aucun phenomene de perprotonation sur les fonctions soufrees de la pyridine ayant conserve son aromaticit6. Les d6- rives aromatiques Btudies appartiennent h deux cat4gories: les thiobthers ou les mercapto-3 derives. En polarographie, le potentiel de demi-palier de ces composes n'est pas affect6 par les variations de pH. En spectrophotombtrie, les seuls phenombnes visibles sont des effets hyperchrome et hypochrome. sans alteration de points isosbestiques. 11s ne se marquent que sur les produits oh

subsiste un degrd de libert6. I 1 rdsulte de ces observations, que l'affima- tion precitbe est averbe par les deux techniques.

Les substances possedant une fonction soufree en position-2 ou -4 sur l'het6rocycle presentent un certain deficit d'aromaticite. Elles se revblent capables de catalyser la reduction polarosraphique du proton. En milieu non tamponn6, la reduction des ions hydrogbne est induite h deux potentiels dis- tincts auxquels correspondent des intensites trbs diff6rentes. Ceci demontre la reaction avec un proton au moins et laisse supposer l'existence de deux sites de fixation. Les spectres dans 1'UV et le visible pris en fonction du pH pr4sentent une serie de points isosbestiques.

Concomittamment, nous assistons h des effects hypsochromes trbs marqu4s. ce qui laisse entrevoir la possibilite d'une rearomatisation du systbme. I 1 semble par consequent que la fixation d'un proton sur le soufre tende h r6aro- matiser le derive Btudi4.

Toutefois 1'6tude quantitative de ce phbnomhne laisse apparartre l'exis- tance d'un deficit h ce niveau. En effet la some des poids des formes aroma- tiques et non aromatiques n'atteint pas l'unit6. L'effet hypsochrome se mani- feste g6n4ralement par l'apparition d'un pic nouveau h une longueur d'onde plus basse aux depens d'un autre. L'enregistrement de la d4riv6e seconde du spectre permet alors de mesurer le taux d'aromaticitb des compos4s analys4s. On procbde par comparaison h des pH ou H- identiques de deux composes analo- gues dont la fonction soufree est libre ou mdthyl4e. le second servant de 1-4- f4rence. Le pourcentage d'aromaticite est 4gal au rapport des distances entre les extremes de la deriv4e seconde situ4e dans la region du pic aromatique de

- 106 -

l'un et de l'autre produit ( F I G . 1 et 2). La determination du taux de forme thiocarbonyle s'effectue en mesurant de manibre semblable la denivellation montree par la derivee seconde de la region du pic de la forme envlsagee I 1 n'existe pas ici de produit de reference d'aromaticite nulle Aussi se sert-on d'une reference calculee Celle-ci est constituee par la mesure de la ddnivel- lation de la d6riv6e seconde du spectre de la substance 6tudiBe dans des con- ditions de pH ou aucune perprotonation n'a lieu (FIG 2 ) La valeur ainsi trouvee est corrigee en fonction du pourcentage de forme aromatique d6termind sur la m€me solution selon la premiere technique decrite ci-dessus Lorsque la procedure pr6cedente n est pas applicable, 11 est souvent possible d'utiliser directement le spectre d'absorption dans la region de longueurs d'onde sup&- rieurs a 400nm I 1 Y existe frequemment une separation absolue des pics des deux types Pour autant que l'absorbence de la forme thiocarbonyle tende vers zero pour des concentrations sufflsantes en acide, l'absorbance mesuree est

I I I I - 2 50 300 350 400 Xrn

FIG. 1. 1 : neutre; 2 : 100 Eq. HC104; 3 : 10.000 Eq. HC104; 4 : 30.000 Eq. HC104; 5 : 50.000 Eq. HC104; __--- pour quantifier la forme aromatique.

directement proportionnelle au taux de forme thiocarbonyle moyennant la cor- rection d6Jh d6crite (FIG. 3).

Si la somme des poids des differentes formes, calculees selon la technique mentionnee, n'est pas &gale B l'unit6, la difference ne peut Btre imputde qu'h la presence d'une forme ne presentant pas d'absorbence significative dans la region analys6e. Puisque le deficit constatd varie en fonction du d e w 6 d'aci- ditd du milieu et que ce parambtre n'influence pas la longueur d'onde d'absor-

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coocn,

i I \\ 5 - - n

I 1 I I 300 380 400 450 nm

FIG. 2 . 1 : neutre; 2 : 100 Eq. HC104; 3 : 10.000 Eq. HC10,; 4 : 30.000 Eq. HC104; 5 : 50.000 Eq. HClO-; _________ pour quantifier la forme aromatique; . . -. . -. . - pour quantifier la forme non aromatique.

FIG. 3. 1 : neutre; 2 : 100 Eq. HC104; 3 : 10.000 Eq. HCl(Z.; 4 : 30.000 Eq. HClOa; 5 : 50.000 Eq. HC104; . . -. , -. . - pour quantifier la forme non aromatique.

bence des derives aromatiques (FIG. 4 ) ce deficit ne peut s'expliquer que par la formation d'un compos6 perproton4 non aromatique. Par correlation de ces renseignements supplementaires avec les valeurs de H-, i l est possible d'esti- mer la valeur de la constante d'aciditd de ces formes perprotonbes.

FIG. 4 . 1 : neutre: 2 : 100 Eq. HClO-; 3 : 10.000 Eq. HClOs; 4 : 3 0 . 0 0 0 Eq. HClOa: 5 : 50.000 Eq. HClCL.

0"' N S

H- % Ar. % non Ar. A pKa

S P -0.4 29 63.0 8.0 -1.30

c -1.4 79 7.5 13.5 -1.15 : r -2.4 84 1.0 15.0 -1.22 0

m -1.22+0.0@

B. La fonction carbonylbe Les acides carboxyliques 8tudi6s par les mBmes techniques peuvent Btre

r6partis en deux categories suivant le desr6 de libert6 subsistant sur la mo- 16cule. En spectrophotom6trie les esters non methyl6 sur l'azote pyridinique pr6sentent tous une variation de l'absorbence en fonction du pH. Les effets hyperchromes enreglstres sont seneralement accompasn6s par l'apparition de points isosbestiques plus ou moins bien d6finis Quant aux ddrives mdthyl6s sur l'azote h6t6rocyclique. 11s ne manifestent qua des effets hyperchromes trbs limitds et non accompagn6s de l'apparition de points isosbestiques. I 1 r6sulte de ces observations que si la spectrophotom6trie fournit les donn6es necessaires 1'6valuation de la basicit6 de l'azote pyridinique, elle ne per- met pas d'obtenir des renseignements fiables concernant la perprotonation.

- 109 -

En polarographie. les composes qui ont les caracteristiques les plus ex- ploitables sont les dimethoxycarbonyl methyl-1 pyridiniums. Les seuls d'entre- eux que nous avons pu obtenir h l'dtat d'iodure sont les composes 2.5, 3.5 et 3.4 disubstitues. A eux trois cependant, 11s couvrent tous les produits disub- stitues par le groupe methoxycarbonyle avec l'un de ceux-ci en position -2 ,

-3 , ou -4. Si l'on ne tient pas compte des deplacements vers les potentiels nbgatifs par l'ausmentation de l'acidite, dus a la formation de paires d ions, on constate que le derive 3,5 disubstitue se reduit a un potentiel constant. Les derives 2,5 et 3.4 disubstitues subissent un deplacement de potentiel de demi-onde par unite de pH atteisnant 48 mV pour le premier et 51 mV pour le second lorsque l'acidite diminue au-delh de H- = -1. I 1 s'ensuit que les deux derniers composes sont capables de fixer un proton avant de reagir Blectrochi- miquement Comme toutes les fonctions sont bloquees par un radical methyle. le seul site de fixation possible est le sroupement m6thoxycarbonyle implique dans une reaction de perprotonation. Pour reagir, 11 doit toutefois se trouver en position -2 ou -4 sur la pyridine.

La valeur du pKa est determin6e graphiquement en abaissant sur l'abcisse des pH ou des H- l'intersection des asymptotes B la courbe representative de la variation du potentiel de demi-onde en fonction de l'aciditt! (FIG. 5 et 6; pointille).

C L'association des fonctions soufree et carbonylee En spectrophotom6trie. les renseisnements recueillis au swet des acides

mercaptopyridinecarboxyliques et de leurs derives mbthyles. ne revelent aucune interaction detectable entre les deux fonctions sue1 que soit le degre d'aro- maticite des composes Toutes les methodes d'investisation utilisees aux points A et B sont directement applicables h cette serie (FIG 1, 2 , 3 et 4)

I 1 en va de meme en polarosraphie, quoique. pour certains composes. 11 soit possible de reveler les reactions de rearomatisation dont la spectropho- tom6trie permet 1'8tude qualitative et quantitative Le phenomene se traduit par une modification de comportement en fonction du PH. ce dernier evoluant du type decrit pour les derives non aromatiques vers celui decrit pour les compo- ses aromatiques (points A et B) Les pentes des courbes El,.,/pH obtenues ainsi sue les valeurs de potentiel de demi-onde stabilisees en milieu acide indi- went les formes reactionnelles sont alors perprotonees et aromatiques (FIG 5 et 61

- 110 -

FIG. 5

-1.2-

-0.9-

-06-

Iodure de mBthoxycarbon~1-2 mbthyl-1 methylthio-3 pyridiniurn. Variation du potentiel de demi-onde. mesure par rapport h 1'Blectrode nu calomel saturB, en fonction du PH ___-- DBtermination graphique du PKa de perprotonation.

, -0.61 1

-4 -1 0 2 4 6 I

PU

FIG. 6. MBthoxycarbonyl-6 mbthyl-1 thiocarbonyl-2 dihydro-1.2 pyridine. Variation du potentiel de demi-onde, mesure par rapport h 1'6lectrode au calomel satut-6. en fonction du PH _____ DBtermination graphique du pKa de perprotonation.

CONCLUSION Au cours de ce travail, nous avons r6alisB la d4termination de la valeur

de la constante de perprotonation pour une vinstaine de composbs. Ces valeurs ont BtB obtenues tant6t par polarographie. tantot par spectrophotom6trie. Pour les cas oh les deux techniques ont apportb un r6sultat. ceux-ci. sont en bonne correlation.

- 111 -

Valeurs des pKa de perprotonation des comPos6s pyridiniques

N'

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

R1

- CHx

CHx

CH%

-

CHx

CHT

CHx

- CHx

CHr

CHx

CH,

CHx

- CH,

CH,

CH3

CHx

Formule sen6rale

Pos .

2

2

2

3

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

3

3

3

3

Nature

s

S

COOCHz

COOCHx

S

SCH,

S

S

S

S

SCH,s

SCHx

S

S

S

SCHx

SCHx

SH

SH

10s.

3 - - 5

4

3

4

4

4

4

5

6

6

6

6

6

2

2

2

2 -

Nature

CH-

-

COOCHT

COOCHr

COOCHx

COOCHr

COOCHx

COOH

COOCHx

COOH

COOCHx

COOH

COOCHx

COOH

COOCHx

COOCHx

COOH

COOCHx

COOH

Forme

N.A.

N.A.

A.

A .

N.A.

A.

N.A.

n.A.

N.A.

N.A.

A.

A.

A./N.P

N.A.

A./N.I

N.A.

A .

A.

A.

A.

A.

A .

Methode

I 1

I

I

I

I 1

I

I 1

I 1

I 1

I 1

I

I

I

I 1

I

I 1

I 1

I

I

I

I 1

I

Methode: I - Polarosraphie Forme: A. - Aromatique 11- Spectrophotombtrisue N.A.- Non aromatisue

* Interference possible de l a dissociation SH/S-' + H+'

Valeur

-1 .22

-1.19

-1.31

-0 .23

-1 .41

-1.50

-1 .a3 -1.86

-2 .25

-1 .96

-0.78

-0.80

-1.70

-1 .91

-1.80

-1 .93

-1.34

0 . 1 5

0 . 0 6

0 .30

0 .60*

0 . 1 3

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