AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DAS CONDIÇÕES REACIONAIS NA CARBOXIMETILAÇÃO DA QUITINA

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1 AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DAS CONDIÇÕES REACIONAIS NA CARBOXIMETILAÇÃO DA QUITINA Aliny A. S. Monteiro, Pablyana L. R. Cunha, Regina C. M. Paula, Judith P. A. Feitosa*. * Depto. de Química Orgânica e Inorgânica da UFC Caixa postal 12200, CEP , Fortaleza/Ce - judith@dqoi.ufc.br Effect of the reaction parameter on the carboxymethylation of chitin The chemical derivatization of chitin can promote the obtainment of soluble materials, which amplify its possibility of application. One of this derivatization reaction is the carboxymethylation. The product is very soluble, with increase polyelectrolyte character, applied in many biomedical field. The carboxymethylation of polysaccharides depends on many factors, such as: reagents concentration, time and temperature of reaction and solvent. The effect of these parameters on the carboxymethylation of chitin was studied. The yield and the degree of substitution (DS) were determined. The better product was that with DS 0.53 and yield 92%. Introdução A quitina é um polissacarídeo muito abundante, encontrado na carapaça dos crustáceos [1]. Apresenta grande variedade de usos, principalmente na indústria têxtil, alimentícia e de cosméticos. A quitina é altamente hidrofóbica, sendo insolúvel em água e em muitos solventes orgânicos [2]. Ela é um polissacarídeo linear que consiste de unidades de 2-acetamido-2-deoxiβ-D-glicose ligadas por ligações glicosídicas β 1-4, podendo conter também unidades de 2- amino-2-deoxi- β -D-glicose. Algumas reações de modificação têm sido desenvolvidas na busca de aumentar a solubilidade deste polissacarídeo. A quitina, quando submetida à reação de carboximetilação, origina um polieletrólito aniônico solúvel em água, que está sendo aplicada com sucesso em vários campos biomédicos, devido a sua baixa toxicidade e alta biodegradabilidade [6]. Muitos trabalhos discutem a influência das condições reacionais no grau de substituição (GS) dos produtos obtidos [3-5] tais como: concentração de reagentes, tempo de reação, temperatura e solvente utilizados na reação de carboximetilação. O grau de substituição indica a quantidade de grupos carboximetila formados e a eficiência do processo é definida como a percentagem de reagente (ácido monocloroacético) que efetivamente reagiu com o polissacarídeo [4]. O objetivo deste trabalho é desenvolver derivados carboximetilados de quitina, testando algumas condições de reação.

2 Experimental 1. Carboximetilação da Quitina A carboximetilação foi baseada no procedimento descrito na literatura [6]. Uma massa de três gramas de quitina foi dispersa em 30 ml de NaOH 50%, contendo lauril sulfato de sódio 0,2% sob agitação por 1 hora a 4 C. Posteriormente, a mistura foi posta em freezer por 16 horas. A seguir, a suspensão foi posta em contato com 60 ml de isopropanol por 2 horas. Ao sistema foi adicionado ácido monocloroacético, sendo tal reação deixada por 2 horas, sob agitação magnética. Após este procedimento, ajustou-se o ph. A solução obtida foi dialisada contra água destilada e depois liofilizada. 2. Avaliação dos fatores que podem influenciar a carboximetilação da quitina Várias condições de reação foram testadas a fim de determinar qual a melhor condição reacional para a modificação da quitina por carboximetilação. Os fatores avaliados foram: - Série A: Tempo de permanência no solvente - Série B: Proporção quitina/ ácido monocloroacético (AMCA) - Série C: Temperatura de reação - Série D: Tempo de intumescimento no NaOH - Série E: Solvente 3. Métodos de Caracterização 3.1 Espectroscopia de absorção na região do infravermelho Os espectros na região do infravermelho foram obtidos em espectrômetro FT-IR da Shimadzu modelo IR Prestige 21 com varredura de 400 a 4000 cm -1. Para obtenção dos espectros, as amostras (quitina e a quitina carboximetilada QCMT) foram misturadas a brometo de potássio para obtenção de pastilhas. 3.2 Ressonância Magnética Nuclear de 13 C Os espectros foram obtidos em espectrômetro BRUKER modelo AVANCE-DMX-500 (CENAUREMN DQOI- UFC), acoplado a um transformador de Fourier. A QCMT foi dissolvida em água deuterada durante 12 horas. As freqüências de observação dos núcleos foram de 125 MHz ( 13 C).

3 3.3 Determinação do grau de substituição por titulação potenciométrica Uma determinada massa de todos os derivados de carboximetilação da quitina foi eluída em coluna de troca iônica (H + ). Após a passagem pela coluna, a solução foi liofilizada. A massa de polissacarídeo obtida foi pesada e dissolvida em água (20 ml) e então titulada potenciometricamente com NaOH 0,1 M, utilizando-se um potenciômetro modelo ph330i da WTW. O volume de NaOH gasto para neutralizar os grupos carboxilato foi utilizado para o cálculo do grau de substituição. 3.4 Análise Elementar Os teores dos elementos C, H e N contidos nas amostras de quitina e de quitina carboximetilada (QCMT) foram determinados por análise elementar em um microanalisador CARLO ERBA EA1108. Através do percentual de carbono e de nitrogênio, pode-se calcular o grau de substituição da amostra carboximetilada. 3.5 Análise Reológica O comportamento reológico de fluxo da quitina carboximetilada foi analisado em um reômetro da TA Instruments modelo AR 550 utilizando uma geometria do tipo cone-placa de diâmetro de 40 mm a 25 C. 3.6 Análise termogravimétrica A análise termogravimétrica das amostras de quitina e QCMT foram realizadas em equipamento da SHIMADZU TGA 50 em atmosfera de ar sintético com um fluxo de 50 ml/min. A taxa de aquecimento utilizada foi de 10 C/min e a massa de amostra foi de 10 mg. Resultados e Discussão 1. Fatores que podem influenciar no grau de substituição dos derivados carboximetilados Os fatores avaliados, o grau de substituição dos derivados obtidos e o rendimento de cada uma destas reações encontram-se resumidos na Tabela 1.

4 Tabela1 - Avaliação das condições da reação sobre o grau de substituição e rendimento da carboximetilação da quitina. Fator avaliado Variação Rendimento (%) GS Tempo de permanência no solvente (h) (Série A) Proporção Molar AMCA:Quitina Temperatura da reação ( C) (Série C) , , ,33 4,6/1 43 0,16 9,2/1 92 0,53 (Série B) 13/1 31 0, , , Tempo de intumescimento no NaOH (h) (Série D) , ,64 Isopropanol 92 0,53 Solvente Água - - (Série E) Isopropanol/ água (50:50 v/v) 10 0,35 Na série A, o tempo de permanência no isopropanol é considerado zero, quando apenas misturou-se a suspensão quitina/naoh a este solvente e logo realizou-se a neutralização com ácido monocloroacético. Essa condição não originou um derivado solúvel. Para os demais tempos, percebe-se que ao aumentar o tempo de 2 para 4 horas, ocorre uma diminuição tanto no GS da carboximetilquitina como no rendimento da reação. A influência da razão molar ácido monocloroacético/quitina está mostrada na série B. O aumento da quantidade de AMCA promoveu um aumento no grau de substituição dos derivados carboximetilados até a amostra 2B. Comparando-se as amostras 2B e 3B verifica-se que elas têm GS semelhantes. No entanto, o rendimento da reação é diferente. As condições de obtenção do derivado 2B foram mais eficientes, já que o rendimento da reação foi de 92%. A influência da temperatura na reação de carboximetilação também foi avaliada e mostrada na série C. A uma temperatura de 15 C não há formação de derivado carboximetilado. O aumento da temperatura (de 30 C para 50 C) não aumenta o grau de substituição. O máximo de rendimento foi conseguido para uma temperatura de 30 C. O tempo de intumescimento da quitina na solução de NaOH foi também avaliado e está mostrado na série D. Nesta etapa espera-se que haja a formação do alcoóxido para posterior carboximetilação. Para um tempo de 6 horas, não ocorre a formação de derivado carboximetilado. Este tempo não foi suficiente para a formação do alcoóxido. Com o aumento do tempo de intumescimento houve um aumento no GS. No entanto ocorreu uma redução muito grande do rendimento da reação. O último fator avaliado foi a influência do solvente no grau de substituição da quitina, que está mostrado na série E. Ao utilizar água, não ocorreu a formação de derivado carboximetilado. Já

5 quando foi utilizada uma parte de água e outra de isopropanol, o GS foi 0,35. Maior GS foi conseguido utilizando-se isopropanol como solvente. A diferença no desempenho do solvente está relacionada com sua polaridade, já que um aumento na polaridade do solvente diminui a eficiência da carboximetilação [7]. As melhores condições para conduzir a reação de carboximetilação da quitina, considerando GS e rendimento da reação são as seguintes: Tempo no isopropanol de 2 horas, Proporção molar de 9,2: 1 de ácido monocloroacético:quitina; Tempo de intumescimento no NaOH de 16 horas; Neutralização realizada à temperatura ambiente por 2 horas e Solvente da reação, o isopropanol. Nestas condições acima citadas fez-se uma nova reação e obteve-se um derivado que será chamado de QCMT. As análises a seguir são referentes a essa amostra. 2. Caracterização da Quitina e do derivado carboximetilado (QCMT) 2.1 Espectro de infravermelho Figura 1. Os espectros de infravermelho da quitina e do seu derivado QCMT estão mostrados na QCMT ABSORBÂNCIA QUITINA N o de onda (cm -1 ) Figura 1 - Espectro de absorção no infravermelho da quitina e do derivado QCMT. Freqüências relativas aos grupos O-H ( cm -1 ), N-H (1650 cm -1 ), aos grupos C- O de álcool (1016 cm -1 e 1074 cm -1 ), e C-O-C (1159 cm -1 ), que são características da quitina, podem ser observadas.

6 A diferença significativa no espectro do derivado QCMT é o aparecimento de uma banda de absorção em 1730 cm -1, atribuída à vibração da ligação C-O do grupo ácido oriundo da carboximetilação. 2.2 Espectro de RMN de 13 C da quitina carboximetilada QCMT A fim de melhor avaliar a modificação da quitina por carboximetilação realizou-se o espectro monodimensional de RMN de 13 C (Figura 2). CH 2 OCH 2 COOH CH 2 OH O O OH O OH O NHCOCH 3 n NHCOCH 3 m Figura 2 - Espectro de RMN de 13 C da quitina carboximetilada QCMT em D 2O. O espectro da quitina carboximetilada mostra diferenças quando comparado ao espectro de quitina da literatura [9]. O aparecimento de sinal em 177 ppm, vizinho ao sinal de acetoamida de maior intensidade em 175 ppm, indica a presença de carbono de grupo ácido, confirmando assim a modificação. Além do sinal de C6 (60,9 ppm) mostrado no espectro da quitina [9], dois novos sinais surgem no espectro da QCMT na região de carbono de CH 2, um mais intenso em 71,0 ppm e um mais discreto em 69,8 ppm. A fim de confirmar se estes sinais realmente se tratam de carbono de CH 2 um experimento DEPT 135 da quitina carboximetilada foi realizado e o espectro está mostrado na Figura 3.

7 Figura 3 - Espectro de DEPT 135 da quitina carboximetilada QCMT em D 2O. No espectro de DEPT 135 da QCMT pode-se observar o sinal de CH 2 em 60,9 ppm, atribuído ao C6 das unidades de quitina sem modificação ( CH 2 OH). Além deste sinal observase um grupo de sinais de CH 2 na região de 65 a 72 ppm devido aos deslocamentos do carbono C6 do polissacarídeo substituído pelo grupo carboximetil, bem como -CH 2 - do grupo carboximetil adicionado à estrutura da quitina com a carboximetilação. Resultados semelhantes foram encontrados para a quitina carboximetilada [6]. 2.3 Análise Termogravimétrica Figura 4. A análise termogravimétrica das amostras de quitina e QCMT em ar estão mostradas na

8 % de massa Quitina QCMT Temperatura ( o C) Figura 4 - Curvas termogravimétricas das amostras de quitina e QCMT em ar sintético. Os eventos térmicos mostrados pela análise termogravimétrica estão resumidos na Tabela 2. Tabela 2 - Análise termogravimétrica em ar sintético da Quitina e QCMT. Amostra T i ( C) T max nos eventos ( C) I II III IV %residuo (900 C) Quitina ,0 QCMT ,0 Tanto a amostra de quitina como o seu derivado carboximetilado apresentam um evento de perda de massa em 66 C, que indica a perda de umidade. A QCMT apresenta 3 eventos de decomposição, enquanto que a quitina apresenta apenas um evento de decomposição. Os resíduos das amostras são iguais. O derivado carboximetilado apresenta uma grande redução de sua temperatura inicial de decomposição (T i ) quando comparado à da quitina, sendo esta redução de 60 C. Este derivado apresenta também um primeiro evento de decomposição em temperatura bastante inferior a temperatura observada para este mesmo evento na quitina. A termogravimetria indica a diminuição de estabilidade térmica da quitina depois de carboximetilada devido à diminuição no valor da temperatura inicial de decomposição (redução de 60 C). Em geral, a introdução de grupos carregados diminui a estabilidade térmica de polissacarídeos neutros [8].

9 2.4 Reologia Rotacional Uma solução de QCMT foi preparada na concentração de 1% em água destilada com o auxílio de agitação magnética e estudada por reologia rotacional (Figura 5). A amostra de QCMT demonstra um comportamento pseudoplástico, visto que os valores de viscosidade diminuem com o aumento da taxa de cisalhamento. Viscosidade (Pa.s) QCMT Taxa de cisalhamento (s -1 ) Figura 5 - Gráfico de viscosidade versus taxa de cisalhamento para QCMT em solução aquosa 1% à 25 C. 2.5 Análise Elementar Os dados da microanálise para as amostras quitina e quitina carboximetilada estão dispostos na Tabela 3. Tabela 3 - Análise elementar da Quitina e do derivado carboximetilado. Amostra %C %H % N GS Quitina 43,03 6,42 6,18 - QCMT 38,84 6,11 5,01 0,8 O grau de substituição foi obtido através da comparação da razão entre números de átomos de C/N da quitina carboximetilada e da quitina sem modificação. A QCMT apresentou um GS de 0,8.

10 Conclusões O método de carboximetilação da quitina apresentou eficiência na modificação da estrutura deste polissacarídeo, sendo que tanto o grau de substituição, quanto rendimento da reação pode ser variado, através de alguns parâmetros nas condições de reação de carboximetilação. Considerando os fatores estudados, o derivado de maior GS teve as seguintes condições reacionais: 2 h no isopropanol, proporção molar 9,2:1 AMCA:quitina, 16 h de intumescimento, 2 h de neutralização a uma temperatura de 30 C. O comportamento reológico da quitina carboximetilada foi do tipo pseudoplástico. A termogravimetria indica a diminuição de estabilidade térmica da quitina após a reação devido à introdução de grupos carregados. Agradecimentos A CAPES, CENAUREM-UFC (RMN), e a REDE NANOGLICOBIOTEC/CNPq. Referências Bibliográficas 1. X Zhao; K. Kato; Y. Fukumoto; K. Nakamae, International Journal of Adhesion & Adhesives, 2001, 21: M. R. Kumar, Reactive & Functional Polymers, 2000, 46:1. 3. D. L. Verraest; J. A. Peters; H. C. Kuzee; J. G. Batelaan; H. Van Bekkum, Carbohydrate Research, 1995, 271: D. Bhattacharyya; R. S. Singhal; P. R. Kulkarni, Carbohydrate Polymers, 1995, 27: C. J. Tijsen; H. J. Kolk; E.J. Stamhuis; A. A. C. M. Beenakers, Carbohydrate Polymers, 2001, 45: S. Tokura; N. Nishi; A. Tsutsumi; O. Somorin, Polymer Journal, 1983, 15: B. Barai; R. Singhal; P. Kulkarni, Carbohydrate Polymers, 1997, 32: M. Villeti; J. Crespo; M. Soldi; A. Pires; R. Borsali; E. Soldi, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2002, 67: A. Paulino; J. Simionato; J. Garcia; J. Nozaki, Carbohydrate Polymers, 2006, 64: 98.