5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 Mecanismo da síntese da base de Schiff
A base de Schiff foi obtida a partir da reação entre a quitosana e o aldeído orto-valinina, como observado no mecanismo da rota de síntese ilustrado na figura 13. Para a formação de iminas é utilizada a catálise ácida uma vez que sem a presença de um catalisador, seu processo de formação é lento. Desta forma, a reação alcança sua máxima eficiência quando a carbinolamina intermediária é catalisada em pH fracamente ácido, num intervalo entre 4 e 5 (ARAÚJO, 2015).
Como observado na figura 13, o mecanismo de formação da base de Schiff ocorre em duas principais etapas. Na primeira, o nitrogênio do grupo amino presente na estrutura da quitosana age como nucleófilo, atacando o carbono carbonílico presente na estrutura da orto- vanilina. Na segunda etapa, ocorre a desprotonação do nitrogênio levando à formação de um bom grupo de saída (H2O) e da ligação característica do grupamento imina (C=N) (ARAÚJO,
2015).
5.2 Espectroscopia vibracional na região do infravermelho
A espectroscopia vibracional na região do infravermelho é uma técnica instrumental que consiste na incidência de radiação eletromagnética na região do infravermelho sobre uma substância, a qual absorve energia em determinados comprimentos de onda dependendo dos modos vibracionais presentes em sua estrutura de forma que, cada molécula possui frequências de vibração próprias gerando um espectro de absorção característico.
Esta técnica foi utilizada neste trabalho a fim de caracterizar os grupos presentes nos compostos bem como confirmar a presença da base de Schiff na esfera de coordenação do complexo.
5.2.1 Espectro de infravermelho da o-vanilina (OV)
O espectro de infravermelho da orto-vanilina apresenta bandas características referentes ao grupo carbonila do aldeído, metoxila e hidroxila. O espectro vibracional da OV pode então ser visualizado na figura 14, na região de 4000 a 400 cm-1.
Figura 14 - Espectro vibracional na região do infravermelho da o-vanilina em pastilha de KBr na região de 4000
a 400 cm-1.
Segundo Pavia et al., (2009) compostos fenólicos com substituintes carbonílicos na posição orto podem apresentar ligações de hidrogênio intramoleculares, o que leva ao deslocamento da banda de estiramento O-H que normalmente aparece na região de 3600 a 3200 cm-1 para frequências mais baixas, estando assim o valor de estiramento (O-H) em 3011 cm-1 observado no espectro da figura 14 de acordo com a literatura (PAVIA et al., 2009; GONZÁLEZ-BARÓ et al., 2010). Os estiramentos (C-H) do anel aromático apresentam-se na região de 2973 e 3038 cm-1, concordando assim com a literatura, na qual descreve que estiramentos de anéis aromáticos ocorrem em valores próximos à 3000 cm-1 (PAVIA et al., 2009).
Figura 15- Espectro vibracional na região do infravermelho da o-vanilina em pastilha de KBr na região de 2000
a 1100 cm-1.
Fonte: Autora, 2019.
Observa-se na figura 15 o estiramento referente à carbonila de aldeído da o-vanilina na região de 1639 cm-1, este valor está de acordo com a literatura que relata valores de estiramento (C=O) de aldeídos conjugados com aromáticos na faixa de 1700 a 1680 cm-1, de forma que, o deslocamento da banda pode ser justificado pela deslocalização dos elétrons π do anel e da carbonila (PAVIA et al., 2009). Observa-se também uma banda na região de 1587 cm-1
referente ao estiramento do anel aromático (GONZÁLEZ-BARÓ et al., 2010) e em 1390 cm-1 é possível visualizar a banda longa da deformação angular (O-H) no plano.
Na região de 1469 e 1455 cm-1 se fazem presentes os estiramentos das deformações angulares assimétrica e simétrica respectivamente, do grupo CH3 da metoxila. Em 1326 cm-1
está presente o estiramento (C-OH) do fenol e em 1257 cm-1 o estiramento (C-OCH3) referente
ao carbono do anel aromático e ao oxigênio do grupo metóxi (GONZÁLEZ-BARÓ et al., 2010).
Figura 16 - Espectro vibracional na região do infravermelho da o-vanilina em pastilha de KBr na região de 1100
a 400 cm-1.
Fonte: Autora, 2019.
Na figura 16 visualiza-se a presença do estiramento do metóxido C-O(H3C-O) na região
de 1070 cm-1 e da deformação angular do mesmo grupo na região de 946 cm-1. Destaca-se também a presença da deformação angular (O-H) fora do plano em 836 cm-1, da deformação angular (C-H) fora do plano em 762 e 718 cm-1, além da banda na região de 641 cm-1 referente
à deformação angular no plano do anel aromático. Os modos vibracionais descritos estão de acordo com os dados da literatura (GONZÁLEZ-BARÓ et al., 2010). As principais bandas observadas para o espectro da o-vanilina estão descritas na tabela 2 bem como suas atribuições.
Tabela 2 - Atribuições dos principais modos vibracionais observados no espectro vibracional de infravermelho
da o-vanilina.
Atribuições Presente trabalho
(cm-1) GONZÁLEZ-BARÓ et al., 2010 (cm-1) ν(O-H) 3011 3014 ν(C=O)aldeído 1639 1645 ν(anel) 1587 1591 δ(O-H)no plano 1390 1388 ν(C-OH)fenol 1326 1327 ν(C-OCH3)metóxido 1257 1273 ν(C-C)aldeído 1218 1217
νC-O(H3C-O)metóxido 1070 1070
δC-O(H3C-O) metóxido 946 947
δ(O-H)fora do plano 836 838
δ(C-H)fora do plano 762 e 718 737 e 763
δ(anel) 641 642
Fonte: Autora, 2019.
5.2.2 Espectro de infravermelho da quitosana purificada (QP)
As principais bandas observadas no espectro de infravermelho da quitosana purificada é mostrado na Figura 17, o espectro compreendendo a região de 4000 a 400 cm-1. A banda referente ao estiramento (O-H) entre 3400 a 3600 cm-1 aparece sobreposta à banda referente ao estiramento (N-H) da amida dificultando a visualização desta. Destacam-se também na região de 2920 e 2876 cm-1 a presença de estiramentos assimétrico e simétrico (C-H) respectivamente (GOMATHI et al., 2017).
Figura 17 - Espectro vibracional na região do infravermelho da quitosana purificada em pastilha de KBr na
região de 4000 a 400 cm-1.
Fonte: Autora, 2019.
A região de 2000 a 400 cm-1 é muito rica em sinais, assim com o objetivo de melhor
identifica-las restringiu-se o espectro da quitosana para esse intervalo, conforme apresentado na figura 18.
Figura 18 - Espectro vibracional na região do infravermelho da quitosana purificada em pastilha de KBr na
região de 2000 a 400 cm-1.
Fonte: Autora, 2019.
Nesta região do espectro é possível identificar a banda em 1656 cm-1 referente ao estiramento (C=O) da amida (GOMATHI et al., 2017) e em 1566 cm-1 a deformação angular (N-H) da amina primária correspondente à desacetilação do grupo acetamido da quitina. Na região de 1322 cm-1 está presente o estiramento (C-N) da amina referente à fração da molécula que sofreu desacetilação. Em alusão à fração da molécula que não sofreu desacetilação, apresenta-se em 1411 cm-1 o estiramento (C-N) da amida. Na região de 1381 cm-1 se faz
presente a deformação angular simétrica do grupo CH3 (CAVALCANTE, 2016). Em 1028 cm- 1, é observado o estiramento (C-O-C) referente ao anel glicosídico enquanto que em 1155 e 897
cm-1 apresentam-se bandas específicas da ponte glicosídica entre o carbono 1 e 4 da união das unidades monossacarídicas (BRAZ et al., 2020). Tais dados estão de acordo com os dados da literatura.
5.2.3 Espectro de infravermelho da base de Schiff (QP/OV) e do complexo (Cu/QP/OV)
Ao comparar o espectro de infravermelho da quitosana purificada (figura 14) com o da base de Schiff (figura 19) percebe-se uma diferença com relação a melhor definição das bandas, apresentando-se mais fina. Essa mudança no perfil sugere mudanças na sua estrutura.
Figura 19 - Espectro vibracional na região do infravermelho da base de Schiff (QP/OV) em pastilha de KBr na
região de 4000 a 400 cm-1.
Fonte: Autora, 2019.
Ao analisar os espectros de infravermelho da base de Schiff com e sem a presença de cobre, figuras 19 e 20 observa-se a presença dos estiramentos (O-H) na região de 3452 cm-1 para a base de Schiff e em 3462 cm-1 para o complexo (BENABID et al., 2019) e (C-H) assimétrico em 2881 cm-1 para a base de Schiff e em 2879 cm-1 para o complexo (ARAÚJO, 2015) característico tanto da quitosana quanto da o-vanilina.
Figura 20 - Espectro vibracional na região do infravermelho do complexo Cu/QP/OV em pastilha de KBr na
região de 4000 a 400 cm-1.
Fonte: Autora, 2019.
De forma geral os espectros de infravermelho apresentam semelhanças, a figura 21 mostra o espectro de Infravermelho na região de 1800 a 400 cm-1, com o objetivo de melhor
caracterizar o material formado. Neste espectro é possível observar a presença do estiramento (C=N) da imina na região de 1637 cm-1 (ARAÚJO, 2015; BARBOSA; CAVALHEIRO, 2019;
BENABID et al., 2019) caracterizando assim a formação da base de Schiff. Em 1470 cm-1 visualiza-se o estiramento (C=C) do anel aromático (ARAÚJO, 2015), em 1415 cm-1 o estiramento assimétrico (CH3) da metoxila e em 1253 cm-1 o estiramento (C-O) de éter, estes
dois últimos são referentes ao grupo metoxila que é substituinte no anel aromático da vanilina, demonstrando assim que a modificação ocorreu somente na carbonila do aldeído (CAVALCANTE, 2016). Também são observadas bandas correspondentes aos estiramentos (C-H) do anel aromático em 781 e 739 cm-1 (BARBOSA; CAVALHEIRO, 2019). Bandas originadas de vibrações da ponte glicosídica da cadeia polimérica da quitosana β(1→4) estão presentes nas regiões de 1152 e 895 cm-1 (CAVALCANTE, 2016; ARAÚJO, 2015).
Figura 21– Comparação entre os espectros vibracionais na região do infravermelho em pastilha de KBr dos
compostos (QP/OV) (preto) e (Cu/QP/OV) (azul) na região de 2000 a 400 cm-1.
Fonte: Autora, 2019.
A banda referente à ligação O-Cu encontra-se em 561 cm-1 evidenciando assim a
coordenação do oxigênio fenólico ao metal. É observada também a presença do sinal característico da ligação N-Cu na região de 460 cm-1 correspondente à coordenação do nitrogênio imínico ao metal (ÇAKMAK et al., 2018; BENABID et al., 2019).
Observando a figura 21, propõe-se que a coordenação da base de Schiff ao centro metálico ocorra de maneira bidentada, através de ligação via oxigênio fenólico e nitrogênio imínico, tal proposição pode ser sustentada pela observação das bandas em 561 e 460 cm-1 referentes à ligação O-Cu e do sinal característico da ligação N-Cu respectivamente, observadas para o complexo, e ausentes no espectro para a base de Schiff. Além disso, o complexo Cu/QP/OV apresentou um deslocamento da banda na região de 1637 cm-1 referente à imina da base de Schiff para 1624 cm-1 após a formação do complexo. A reação de complexação também pôde ser confirmada visualmente, pela mudança imediata da coloração amarelada da base de Schiff, para verde escuro quando esta foi misturada à solução de cobre (II) (ARAÚJO, 2015).
A banda de estiramento (C-OH) do fenol em 1326 cm-1, do estiramento (C-OCH3) em
1257 cm-1, do estiramento C-O(H3C-O) em 1070 cm-1 e da deformação angular C-O(H3C-O)
em 946 cm-1, sendo os três últimos referentes ao grupo metóxido, observadas para a o-vanilina livre não são visualizadas nos espectros da base de Schiff e do complexo devido a sobreposição de bandas largas atribuídas à quitosana. Não foram observados outros deslocamentos significantes para os demais modos vibracionais. A tabela 3 ilustra os principais modos vibracionais desses compostos.
Tabela 3 - Principais modos vibracionais dos espectros de infravermelho dos compostos QP, QP/OV e
Cu/QP/OV.
Atribuições QP (cm-1) QP/OV (cm-1) Cu/QP/OV (cm-1)
ν(O-H) 3427 3452 3462 ν(C=N)imina - 1637 1624 δ(N-H)amina 1566 - - ν(C=C)aromático - 1470 1467 νas(CH3)metóxido - 1415 1446 ν(C-N)amina 1322 - - ν(C-OH)fenol - - -
ν(C-O) éter aromático - 1253 1221
νC-O(H3C- O)metóxido - 1070 - δC-O(H3C-O) metóxido - 946 - ν(C-H) aromático - 781 e 739 783 e 740 β(1→4) 1155 e 897 1152 e 895 1149 e 897 O-Cu - - 561 N-Cu - - 460 Fonte: Autora, 2019.
A espectroscopia eletrônica na região do ultravioleta e visível é uma técnica que se baseia no estudo das transições eletrônicas, de forma que quando é irradiada luz eletromagnética sobre determinada substância, uma parte da radiação pode ser absorvida de maneira que os elétrons são transferidos de orbitais atômicos ou moleculares de menor energia (estado inicial ou fundamental) para orbitais de maior energia (estado excitado). Tais transições eletrônicas podem ocorrer na forma de transições de íon metálicos (transições d-d de transferência de carga ligante-metal ou metal-ligante) e em moléculas orgânicas e inorgânicas (transições n → π* e transições π → π*) (WECKHUYSEN, 2004; PAVIA et al., 2009).
A partir desta técnica é possível obter-se informações estruturais além de realizar o acompanhamento de reações. Neste trabalho, a espectroscopia eletrônica no Uv-vis foi realizada a fim de verificar a presença de bandas referentes às transições características da base de Schiff, bem como do complexo.
5.3.1 Espectro eletrônico UV-vis da o-vanilina
Observa-se na figura 22 o espectro eletrônico obtido para a o-vanilina o qual apresenta três bandas em 216, 264 e 342 nm. Tais transições eletrônicas são de caráter π-π* do anel aromático.
Fonte: Autora, 2019.
5.3.2 Espectro eletrônico UV-vis do QP/OV
O espectro eletrônico da base de Schiff obtido em solução de tampão fosfato pH 5, apresenta três bandas intraligantes referentes às transições π-π* do anel aromático da orto- vanilina em 213 259 e 337 nm (WANG et al., 2011) como observado na figura 23.
Figura 23 - Espectro eletrônico da base de Schiff (QP/OV) na região de 200 a 800 nm realizado em meio aquoso
pH 5.
Fonte: Autora, 2019.
Observa-se na figura 24 o espectro da base de Schiff na região de 310 a 500 nm o qual visualiza-se a banda referente à ligação imínica C=N de caráter π-π* na região de aproximadamente 417 nm (KIANFAR et al., 2010) após um aumento na concentração da solução.
Figura 24 - Espectro eletrônico da base de Schiff (QP/OV) na região de 310 a 500 nm realizado em meio aquoso
pH 5 (preto) e mais concentrado (vermelho).
Fonte: Autora, 2019.
5.3.3 Espectro eletrônico UV-vis do Cu/QP/OV
Observa-se na figura 25, o espectro eletrônico UV-vis obtido para o complexo Cu/QP/OV em solução tampão fosfato pH 5, onde é possível visualizar bandas intraligantes referentes às transições π-π* do anel aromático da orto-vanilina em 216 263 e 341 nm (WANG
et al., 2011). Nota-se que estas três bandas apresentam um deslocamento em comparação com
Figura 25 - Espectro eletrônico do complexo (Cu/QP/OV) na região de 200 a 800 nm realizado em meio aquoso
pH 5.
Fonte: Autora, 2019.
A banda referente à ligação C=N de caráter n-π* pode ser observada na região de aproximadamente 420 nm (KIANFAR et al., 2010) após um aumento na concentração da solução conforme visualizado na figura 26. Complexos com centro metálico Cu2+ são passíveis de apresentarem até três bandas d-d, uma vez que possui camada de valência 3d9 4s0. Porém
nenhuma banda d-d referente ao cobre (II) foi observada para este complexo devido à dificuldade de constatação das bandas com baixas absortividades molares (CAVALCANTE, 2016).
Figura 26 - Espectro eletrônico do complexo (Cu/QP/OV) na região de 310 a 550 nm realizado em meio aquoso
pH 5(preto) e mais concentrado (vermelho).
Fonte: Autora, 2019.
5.3.4 Comparação entre os espectros eletrônicos da o-vanilina, QP/OV e Cu/QP/OV.
A partir da comparação entre os resultados obtidos para os três compostos, observa-se que as bandas referentes ao anel aromático presentes na base de Schiff apresentaram um deslocamento em relação às mesmas bandas na o-vanilina. Essa mudança é devido à formação da ligação C=N na base de Schiff, fazendo com que a densidade eletrônica no anel aromático sofra deslocalização por ressonância de maneira menos energética em comparação à deslocalização de densidade eletrônica quando na presença da carbonila de aldeído. A principal diferença entre os espectros destes dois compostos é o aparecimento da banda em 417 nm, na base de Schiff. Esta banda é devido a transição n-π* do grupo imina (CAVALCANTE, 2016). O complexo Cu/QP/OV também apresentou deslocamentos das bandas referentes às transições no anel aromático, podendo estes ser justificados pela coordenação do metal por grupos participantes da ressonância do anel. Observou-se ainda que a banda proveniente da ligação C=N também apresentou deslocamento, na base de Schiff essa banda aparece em 417 nm enquanto que no complexo aparece em 420 nm, sugerindo assim a coordenação deste grupo ao centro metálico. Visualiza-se na tabela 4 as atribuições das bandas dos espectros eletrônicos da o-vanilina, QP/OV e Cu/QP/OV.
Tabela 4 - Atribuições dos espectros eletrônicos da o-vanilina, QP/OV e Cu/QP/OV. Composto λ (nm) Atribuição o-vanilina 216 π-π* 264 π-π* 342 π-π* QP/OV 213 π-π* 259 π-π* 337 π-π* 417 n-π* Cu/QP/OV 216 π-π* 263 π-π* 341 π-π* 420 n-π* Fonte: Autora, 2019.
5.4 Ressonância magnética nuclear de 1H
A análise de ressonância magnética nuclear de hidrogênio foi realizada com o objetivo de confirmar a formação da base de Schiff biopolimérica (QP/OV) através da constatação do pico correspondente ao núcleo de H do grupo imina (C=N) característico de bases de Schiff, bem como corroborar para a elucidação da estrutura desta. O espectro de RMN de H1 do QP/OV é apresentado na figura 27 e a tabela 5 apresenta os valores de deslocamento químico do espectro, obtido em 60 ºC. Os sinais observados no espectro apresentaram-se em sua maioria com baixa intensidade, justificada pela baixa concentração da amostra, necessitando assim ser feita uma nova análise com o intuito de melhorar a resolução do espectro e a visualização dos desdobramentos.
Tabela 5 - Identificação dos núcleos e respectivos deslocamentos químicos (ppm) observados no espectro de 1H
RMN do QP/OV.
1 5,13 2 3,48 5 10,21 6 7,60 7 7,33 8 4,02 Fonte: Autora, 2019.
Os sinais referentes ao espectro de 1H RMN do QP/OV foram atribuídos de acordo com as referências (ARAÚJO et al., 2017; PAVIA et al., 2009). Tais sinais observados indicam uma alteração estrutural na base de Schiff biopolimérica quando o espectro obtido é comparado com o espectro da quitosana relatado na literatura, de forma que, a base de Schiff apresenta sinais de deslocamento superiores a 6,0 ppm, os quais não são visualizados para a quitosana (ARAÚJO et al., 2017). Observa-se na região de 10,21 ppm o pico correspondente ao núcleo de H referente ao grupo imina (C=N) caracterizando assim a formação do QP/OV.
Verifica-se no espectro a presença do sinal referente ao próton na posição 1 em 5,13 ppm, uma vez que este sofre desproteção através do efeito indutivo de ambos os oxigênios ligados diretamente ao carbono. Na região de 3,48 ppm observa-se o pico do próton na posição 2 o qual sofre menos efeito desprotetor.
Levando em consideração as características dos grupos substituintes do anel aromático, sabendo-se que o grupo metoxila é um retirador de elétrons por indução mais significativo do que doador de elétrons por ressonância, este protege as posições orto e para do anel aromático, enquanto que a hidroxila provoca o efeito protetor por ressonância sobre o próton ligado ao carbono na posição 7, desta forma, atribuiu-se os sinais na região de 7,33 ao próton na posição 7 e 7,60 ppm aos prótons nas posições 6. Atribuiu-se ao pico em 4,02 ppm os hidrogênios presentes no grupo metóxi.
Os sinais presentes nas regiões entre 4,72 e 4,16 ppm foram atribuídos como provenientes dos hidrogênios presentes na cadeia polimérica, além disso, observa-se o alongamento do sinal em 4,72 ppm devido à forte presença de água.
Figura 27 - Espectro de ressonância magnética nuclear de hidrogênio para a base de Schiff (QP/OV).
Fonte: Autora, 2019.
Foi estimado o grau de substituição (GS) da base de Schiff através do espectro observado na figura 27, integrando a região imínica (H-5), em aproximadamente 1 ppm dividida pela área do hidrogênio na posição 2, em cerca de 3,8 ppm. O GS foi atribuído
a partir da equação 7 (ARAÚJO, 2015), obteve-se então um GS de aproximadamente 28,7%. % GS = (AH−5
AH−2) * 100 (Equação 7)
5.5 Análises voltamétricas
5.5.1 Perfil do eletrodo de trabalho utilizado nos experimentos
Antes de iniciar os estudos da identificação de nitrito, foi realizado um experimento com o eletrodo modificado, a fim de verificar o perfil deste na presença apenas do eletrólito, sem quaisquer adições de nitrito. A figura 28 apresenta o voltamograma cíclico da solução tampão fosfato 0,1 mol L-1 em pH 5, utilizando o eletrodo modificado com o complexo Cu/QP/OV.
Observa-se na figura 28 que não há nenhuma região característica que possa identificar um processo redox, não sendo possível visualizar nenhum pico de transferência de elétrons, apresentando assim apenas o perfil do eletrodo de trabalho.
Figura 28 - Voltamograma cíclico do eletrodo de trabalho modificado com o complexo Cu/QP/OV em tampão
fosfato 0,1 mol L-1, pH 5; velocidade de varredura de 0,05 Vs-1.
Fonte: Autora, 2019.
A escolha do eletrólito tampão fosfato 0,1 mol L-1 para as análises voltamétricas se deu devido a observação na literatura (OURANI et al., 2017) na identificação de nitrito em sistema semelhante ao estudado neste trabalho, de forma que este tipo de eletrólito se mostrou adequado para tal, também foram realizadas leituras em KH2PO4 e KCl ambos na concentração de 0,1
mol L-1, no entanto, o tampão fosfato 0,1 mol L-1 apresentou a melhor resposta. Para a escolha do pH, relata-se na literatura que, detecções a fim de investigar o processo anódico do nitrito ocorrem em valores de pH sempre maiores que 4,5, enquanto que para a verificação do processo catódico as análises são realizadas em valores de pH próximos da faixa de 1,0 a 4,0 (RAYMUNDO, 2007). Desta forma, estabeleceu-se o valor de pH igual à 5 para os estudos realizados uma vez que é um valor intermediário e além disso, visando uma futura aplicação do
método estudado na determinação de nitrito em amostras reais, como em águas por exemplo, o pH escolhido apresenta-se próximo dos valores destas.
5.5.2 Efeito da taxa de varredura
A figura 29 mostra os resultados obtidos utilizando o eletrodo de pasta de carbono quimicamente modificado com Cu/QP/OV em diferentes taxas de varredura (de 25 a 500 mVs-
1) variando em unidades de 25 mVs-1 em tampão fosfato 0,1 mol L-1. A velocidade escolhida
para este trabalho foi a de 50 mVs-1, uma vez que observa-se na literatura sistemas semelhantes em que foi utilizada esta velocidade (OURANI et al., 2017) e como visto na figura 29, a variação desta não ocasiona em grandes alterações, apenas uma relação de proporcionalidade entre o aumento da corrente com o aumento da velocidade de varredura. Sabe-se que, se escolhida uma velocidade muito alta, alguns processos podem ser perdidos e pode ocorrer ainda instabilidade na leitura da corrente. Verifica-se também que, não é possível observar quaisquer