Ciclodextrinas estrutura, propriedades e aplicações

As ciclodextrinas (CDs) são oligossacáridos de origem natural obtidos a partir de fontes não poluentes. Estas apresentam uma estrutura tridimensional com uma cavidade hidrofóbica e um exterior hidrófilo, o que permite a formação de complexos de inclusão hidrossolúveis com uma grande variedade de moléculas (Andreaus et al., 2010; Venturini et al., 2008).

Modificações químicas nas CDs naturais, como a introdução de um grupo reativo, aumentam a sua aplicabilidade para diversos fins como por exemplo a ligação permanente a substratos poliméricos, flexíveis ou rígidos, (Andreaus et al., 2010).

Entres os agentes encapsulantes existentes, as CDs ocupam um lugar de destaque devido sobretudo ao facto de a sua produção ser económica e realizada em larga escala (o que permite a sua utilização a nível industrial). Um outro fator que torna as ciclodextrinas bastante atrativas é a reduzida toxicidade e a possibilidade de serem empregues como auxiliares na conceção de fármacos, alimentos, cosméticos, têxteis funcionais entre outras aplicações (Andreaus et al., 2010).

As CDs são moléculas cíclicas compostas por unidades de -D-(+)-glucopiranose unidas por ligações -1,4. A sua morfologia consiste essencialmente num anel cilíndrico cónico truncado cujos grupos hidroxilo secundários estão situados na parte onde o diâmetro do anel é maior e os grupos hidroxilo primários na parte onde o anel é menor. Dependendo do número de unidades glucosídicas na molécula de CD, os anéis assumem diâmetros internos de diferentes tamanhos ciclodextrinas (Andreaus et al., 2010; Drunkler et al., 1999; Venturini et al., 2008).

Na figura 4 encontram-se representadas as estruturas das ,  e ciclodextrinas.

As CDs naturais com maior importância e comercialmente fornecidas por diversos fabricantes são as ,  e , cujas estruturas são formadas por 6, 7 e 8 unidades de D-(+)- glucopiranose, respetivamente. Existem também CDs maiores com 9 (CD) a 13 ou até mais unidades de D-(+)-glucopiranose que correspondem a macrociclos elíticos com estrutura cíclica distorcida. Todavia, atualmente, não existem tecnologias eficientes para a produção de CDs com mais de 8 unidades de glucose a nível industrial e em quantidades maiores (Andreaus et al., 2010). As propriedades físico-químicas mais importantes das CDs de 6 a 9 unidades glucosídicas encontram-se representadas na tabela 2.

Tabela 2- Propriedades físicas e químicas das CDs mais comuns, (adaptado de Andreaus et al., 2010)

CD CD CD CD

Unidades de glucose 6 7 8 9

Massa molecular, M/(g/mol) 922,86 1135,01 1297,15 1459 Diâmetro externo, De/Å 14,6 ± 0,4 15,4 ± 0,4 17,5 ± 0,4

Diâmetro da cavidade, Dc/Å 4,7 a 5,3 6,0 a 6,5 7,5 a 8,3 Altura do cone, Hc/Å 7,9 ± 1 7,9 ± 1 7,9 ± 1

Rotação específica, /° 150,5 ± 0,5 162,5 ± 0,5 177,4 ± 0,5 191 ± 3 Ponto de fusão (decomp.) 1, P

f/°C 278 298-300 267 Solubilidade em água, S/(mol/L) 0,114a

0,138b

0,016 a

0,019 b 0,179

a Alta

Moléculas de água na cavidade 6 11 17 Fração mássica da água de

cristalização, Acr/%

10,2 13 a 15 8 a 18

a- _{a 25 °C}b-_{a 30 °C; decomp.- ocorre decomposição}

15 Mestrado Integrado em Engenharia Biológica

Apesar da ótima capacidade de encapsulamento por parte das ciclodextrinas, estas apresentam algumas limitações, sendo que uma das mais relevantes se prende com o facto de a sua cavidade ser da ordem dos angström, isto é, muito pequena, e assim, a gama de moléculas que pode formar complexos de inclusão com estas fica limitada. A polaridade é também um fator a ter em conta quando se pretende que a encapsulação seja bem sucedida. Moléculas orgânicas apolares ou com extremidade apolar podem ser incorporadas como moléculas hóspedes nas cavidades das CDs, originando assim um complexo de inclusão. Contudo, dependendo da relação entre as partes hidrofóbicas e hidrófilas que entram em contacto com a água, poderá ocorrer precipitação do complexo. De acordo com Andreaus et al., (2010), as hipóteses mais aceites para justificar a formação de complexos de inclusão com as CDs correspondem às interações hidrofóbicas, dipolo-dipolo, fatores de dispersão assim como fatores estereoquímicos. Em solução aquosa, a cavidade apolar das CDs hidrossolúveis, responsáveis pela formação da matriz hidrofóbica, é ocupada por moléculas de água numa interação polar-apolar energeticamente desfavorável, que por sua vez, são facilmente substituíveis por moléculas hóspedes menos polares do que a água. A força motriz da formação do complexo corresponde à substituição das moléculas de água, de entalpia elevada, por uma molécula hóspede apropriada (Andreaus et al., 2010; Rekharsky e Inove, 1998; Stella e He, 2008; Szejtli, 1998).

As CDs podem também formar complexos no estado sólido, sendo que, nos complexos sólidos se observa um arranjo hospedeiro:hóspede. Contudo, nos complexos formados em solução, a molécula incluída possui mais mobilidade (Andreaus, et al., 2010).

Geralmente, a relação hospedeiro:hóspede é de 1:1, porém associações como 2:1, 1:2, 2:2 ou outras estequiometrias, já foram relatadas na literatura (Andreaus et al., 2010).

As CDs naturais servem de base para a síntese de diversos derivados das mesmas, tais como as CDs metiladas ou hidroxipropiladas, conjugados de sílicas híbridas mesoporosas orgânicas- inorgânicas contendo ligações covalentes a ciclodextrinas, conjugados solúveis de ciclodextrinas, tais como epicloridrina--CD, entre outros. Segundo Oliveira et al., (2009), relativamente às CDs metiladas, estas são sintetizadas tendo em conta que modificações introduzidas provocam a diminuição do grau de substituição molar das mesmas mas que por outro lado tornam este tipo de CDs em moléculas de elevado poder solubilizante. Outros derivados dispõem de grupos catiónicos, hidrofóbicos ou de um grupo reativo igual aos corantes reativos, que por sua vez podem ser aplicados na modificação de substratos celulósicos ou sintéticos. A presença de um grupo reativo num derivado das CDs facilita a fixação permanente da CD a superfícies poliméricas como fibras de algodão, papel

ou outros polímeros naturais e sintéticos. Uma das CDs modificadas, mais recorrente é a que contem o grupo reativo monoclorotriazinil--ciclodextrina (MCT), este grupo encontra-se presente em muitos corantes reativos usados frequentemente no tingimento de fibras celulósicas, facilitando assim a reação de fixação das ciclodextrinas a diferentes substratos têxteis (Cabrales et al., 2012; Denter et al., 1997; Khan et al., 1998; Oliveira et al., 2009; Reuscher e Hirsenkorn, 1996; Ruppert et al., 1997; Sá, 2008).

Cada molécula de CD possui 2 a 3 grupos reativos (grupos hidroxilo) por cada anel glucosídico. Estes grupos possibilitam assim a formação de ligações covalentes estáveis com grupos nucleófilos, como OH, NH e SH, permitindo a fixação permanente da CD a superfícies poliméricas, a fibras têxteis sintéticas e naturais como o algodão, lã, poliéster (PES), poliamida (PA) e poliacrílicas. Estes derivados de CD podem também ter aplicações como agentes ligantes ou até bloco de construção para a formação de novos conjugados. Na figura 5 encontra-se representada a estrutura dos monómeros dos conjugados de sílicas híbridas mesoporosas orgânicas-inorgânicas contendo ligações covalentes a ciclodextrinas.

Figura 5- Estrutura dos monómeros dos conjugados de sílicas híbridas mesoporosas orgânicas-inorgânicas contendo ligações covalentes a ciclodextrinas (adaptado de Liu et al., 2004).