ESTUDO DE INTERAÇÃO ENTRE MOLÉCULAS

A técnica de ressonância magnética nuclear (RMN) é muito usada no estudo das interações que podem ocorrer em soluções poliméricas. Esta técnica fundamenta-se na absorção seletiva de ondas de radiofreqüências (RF) por amostras colocadas num campo magnético. A amostra é excitada e regressa ao estado inicial (fundamental) emitindo energia radiante no domínio das radiofreqüências. Tanto pela determinação precisa dos valores da freqüência de RF específicas emitidas e da velocidade com que a amostra regressa ao estado fundamental (processo de relaxação) é possível obter informações tanto sobre a estrutura molecular da amostra como sobre a dinâmica interna global das moléculas.91,93

Sob condições apropriadas em um campo magnético, uma amostra pode absorver radiação eletromagnética na região de radiofreqüência (RF) em uma freqüência governada pelas características da amostra. A absorção é função de determinados núcleos da molécula. Núcleos com número quântico de spin diferente de zero, por exemplo 1H e 13C, são capazes de gerar picos de absorção em campos magnéticos intensos que aparecem em deslocamentos químicos diferentes, de acordo com o ambiente químico onde se encontram. 93

Por meio dos dados adquiridos pelas diferentes técnicas de RMN, por exemplo deslocamento químico, constantes de acoplamento e tempos de relaxação, é possível detectar interações entre moléculas dissolvidas e, no caso de tensoativos, determinar CMC e TMC dos mesmos. A determinação da CMC e TMC é realizada pela observação dos deslocamentos químicos de alguns grupos do tensoativo que sofrem alteração quando a molécula passa de sua forma unimérica à forma micelar, como por exemplo, para tensoativos do tipo copolímeros em bloco de poli(óxido de etileno) e poli(óxido de propileno). A detecção de interações entre moléculas dissolvidas pode ser realizada, estudando as modificações de seus espectros e quantificando os deslocamentos químicos encontrados para os diversos

grupamentos atômicos que constituem as moléculas, quando livres ou quando estão interagindo com outras moléculas, e observando variações nas velocidades de relaxação nuclear de cada molécula livre ou das que estão interagindo.94-95

Os sinais presentes nos espectros de 1_{H do copolímero C}

4-(PO)10-(EO)6-OH

tensoativo, em solução aquosa, apresentam deslocamentos químicos ligeiramente diferentes, em escala ppb. Os sinais que mais sofrem influência do meio, com mudanças mais significativas de deslocamento químico são aqueles relativos à parte hidrófoba (PO e C4) do copolímero, mais especificamente os picos relativos à cadeia

hidrocarbônica.

A Figura 11 (a) mostra o gráfico de variação de deslocamento químico (δ) dos hidrogênios do CH3 da cadeia hidrocarbônica em função do inverso da concentração

do copolímero na solução aquosa.

A Figura 11 (b) mostra um gráfico de (δobs-δunim)/δunim vs 1/C, usado em um modelo pseudofásico para determinar a CMC do tensoativo. Onde δobs representa o deslocamento químico observado pelo hidrogênio do CH3 da cadeia hidrocarbônica

do tensoativo, δunim é o deslocamento químico deste grupo na forma unimérica, ou seja, a uma concentração inferior a CMC. A extrapolação dos resultados de deslocamento, correspondente a concentrações elevadas para 1/C → 0, conduz ao deslocamento químico relativo ao próton do grupo CH3 do tensoativo, quando este

encontra-se incorporado à estrutura micelar (δmi). 92,94-95

O fenômeno de relaxação ocorre quando um núcleo, excitado por uma freqüência apropriada, volta ao seu estado normal emitindo energia, sob a forma de calor e espalhando pela vizinhança. A velocidade com que o núcleo relaxa está diretamente relacionada a sua dinâmica interna e global, ou seja, a flexibilidade e mobilidade do seu ambiente químico. A mobilidade de uma molécula é fortemente influenciada pelo ambiente químico onde ela se encontra e os valores de tempo de relaxação variam consideravelmente dependendo do solvente em que a molécula é observada. O tempo de relaxação de um soluto costuma ser bastante afetado quando, por exemplo, uma molécula que estava dissolvida em água é dissolvida numa micela. 96

1/C [(%)]-1 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 D es lo ca m en to q u ím ic o d o g ru p o C H3 d a ca d ei a C4 ( H z) 272 273 274 275 276 277 1/C [M]-1 0 20 40 60 80 100 10 3 * (δδδδ o b s-δδδδu n im )/δδδδu n im 0 2 4 6 8 10

Figura 11. (a) Deslocamento químico de CH3 da cadeia hidrocarbônica vs

concentração de C4-(PO)10-(EO)6-OH; (b) (δobs-δunim)/δunim vs concentração de

C4-(PO)10-(EO)6-OH na solução aquosa94 (a)

O tempo de relaxação T1, spin-rede, é a medida do tempo necessário para transferir energia de/ou para rede até que o sistema de spins atinja o equilíbrio químico. Os principais métodos de medida de valores de T1 são: saturação progressiva, inversão-recuperação e saturação-recuperação.

O tempo de relaxação T2, spin-spin, está associado a uma perda de coerência de fase durante o processo de relaxação transversal. As componentes transversais de magnetização passam a ter valores diferentes de zero e contribuem para o aumento de entropia do sistema. Apesar de ser mais sensível às interações intermoleculares, T2 é também mais difícil de ser medido, por ser mais sujeito à falta de homogeneidade do campo magnético B0.

O tempo de relaxação T1 é um parâmetro característico do movimento molecular. Ele segue um mecanismo pelo qual o núcleo no estado excitado transfere energia para rede e desta forma retorna ao estado original. Uma vez que os processos de relaxação nuclear dependem da existência de movimentos moleculares que geram campos magnéticos que variam ao acaso, pode-se obter informações destes movimentos experimentalmente.

A técnica usada nesta Tese para medir T1 foi a inversão-recuperação. Esta técnica tem como desvantagem o fato de que o usuário tem que ter uma estimativa prévia do T1 máximo dos sinais estudados. As principais vantagens são que ela é bastante sensível, produzindo resultados muito confiáveis, permite uma análise quantitativa e está menos sujeita a erros por falta de homogeneidade do campo magnético e da largura do pulso de 180º.96

A experiência é conceitualmente simples e como o nome indica, procede-se a uma inversão de magnetização sobre o eixo z, através de um pulso B1 de 180º no eixo x. Deixa-se a magnetização se recuperar durante um tempo d2 que varia cada vez que

o experimento é repetido. Em seguida, é aplicado um pulso de 90º em x, e o sinal é registrado durante um tempo de aquisição t2 em y. Para reiniciar o experimento é

máximo de T1, para garantir a completa relaxação do sistema antes de reiniciar o processo.

Variações de deslocamento químico podem demonstrar a presença de interações químicas entre grupamentos de moléculas, como no exemplo de um sistema de copolímero tensoativo, na presença de micelas. Por meio da técnica de relaxação nuclear, já foram realizados estudos de interação de moléculas biológicas, como antibióticos catiônicos, com micelas, comparando-se os valores de T1 das substâncias dissolvidas nas micelas. Foi observada uma queda considerável nos valores de T1 quando dissolvida na presença das micelas. Isto indica que a velocidade de relaxação aumentou em função da menor mobilidade dos hidrogênios do fármaco devido a sua interação forte com a micela.96

Assim sendo, a técnica de ressonância magnética nuclear é uma poderosa ferramenta para avaliar estados de agregação e interação molecular.