PREPARAÇÃO DE DERIVADOS DE QUITOSANA
POR ALQUILAÇÃO REDUTIVA E O EFEITO NA
SOLUBILIDADE E VISCOSIDADE DOS DERIVADOS
Keila S. Alves1, Ítalo G. M. da Silva1, Rosangela Balaban1*
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Departamento de Química da UFRN – Caixa Postal 1662, 59078-970 Natal/RN * balaban@digi.com.br
Preparation of chitosan derivatives by reductive alkylation and the effect on the solubility and viscosity of derivatives Chitosan is a linear polysaccharide obtained from the deacetylation of chitin. For introducing alkyl groups selectively at the amino group of chitosan, reductive alkylation is the most reliable procedure. Chitosan was treated with glutaraldehyde and 3-amino-1-propanol to give imine, which was converted into an N-alkyl derivative by reduction with sodium borohydride. With the increase of alkyl groups grafted onto chitosan, the polymer solubility in acetic acid aqueous solution was decreased. The viscosity as a function of shear rate increased significantly with the polymer concentration, suggesting the formation of strong intermolecular associations.
Introdução
A quitosana é um biopolímero obtido a partir da desacetilação da quitina, um dos polissacarídeos mais abundantes da natureza e constituinte do exoesqueleto de crustáceos, além de outras fontes. O desenvolvimento de novos materiais a partir de quitosana vem se destacando como alternativa para ampliação da aplicação desse biopolímero em diferentes áreas, tais como em tratamento de efluentes, cosméticos, alimentos, indústria farmacêutica e na produção de biomateriais. A importância da quitosana se deve, principalmente, às seguintes propriedades: biodegradabilidade, biocompatibilidade, não toxicidade, habilidade na formação de filmes e capacidade de quelação de metais [1].
A estrutura da quitosana é constituída de unidades ß-(1→4)-2-amino-2-deoxi-D-glucopiranose e ß-(1→4)-2-acetamido-2-deoxi-D-ß-(1→4)-2-amino-2-deoxi-D-glucopiranose em proporções variáveis. Devido às fortes interações intermoleculares e regularidade estrutural, a quitosana apresenta insolubilidade em água, mas dissolve em soluções ácidas diluídas, comportando-se como um polieletrólito. A
solubilidade da quitosana está relacionada com a quantidade de grupos amino protonados (NH3+) na
cadeia polimérica. Quanto maior a quantidade destes grupos, maior a repulsão eletrostática entre as cadeias, causando um aumento no volume hidrodinâmico do polímero e na viscosidade da solução. Suas propriedades em solução são estudadas através da variação de diferentes parâmetros, como concentração da solução, pH, força iônica, temperatura e concentração de sal [1].
A presença de grupos reativos em sua estrutura, tais como NH2 e OH, possibilita diversas
modificações químicas, responsáveis por mudanças nas propriedades físico-químicas do polímero e expansão dos seus campos de aplicação. Dentre as reações químicas realizadas com a quitosana, a
alquilação redutiva tem despertado interesse pelo potencial de aplicação em várias áreas [2]. Os grupos amino livres da quitosana podem reagir com aldeídos e cetonas gerando iminas (base de Schiff), que podem ser convertidas a derivados N-alquil pela redução com borohidreto de sódio ou cianoborohidreto de sódio. Devido às fortes interações intermoleculares através de ligações de hidrogênio e à regularidade estrutural, a quitosana apresenta insolubilidade em água. A incorporação de uma pequena quantidade de grupos hidrofóbicos à cadeia rígida da quitosana pode alterar propriedades como a solubilidade e flexibilidade do polímero, tornando seus derivados solúveis em água e ampliando suas aplicações. No entanto, estas propriedades dependem da estrutura molecular, do comprimento e da distribuição dos grupos laterais inseridos na cadeia polimérica [3,4].
As propriedades características dos polieletrólitos, o caráter catiônico da quitosana em soluções aquosas ácidas, e a inserção de grupos hidrofóbicos na cadeia polimérica através de reações de alquilação possibilitam a formação de polímeros anfifílicos com características de grande interesse. Os polímeros anfifílicos são constituídos de uma cadeia hidrofílica contendo pequena quantidade de grupos hidrofóbicos. Em meio aquoso, os grupos hidrofóbicos se associam para minimizar o seu contato com a água, gerando agregados intra ou intermoleculares. A formação de agregados juntamente com as repulsões eletrostáticas nos polieletrólitos levam a um aumento significativo da viscosidade da solução polimérica. O potencial desses polieletrólitos modificados hidrofobicamente tem sido explorado em numerosos processos tecnológicos, como modificadores reológicos em indústrias de tintas, cosméticos e alimentos; em processos de floculação na separação de emulsões óleo/água e floculação de suspensões celulares; no tratamento de efluentes, pois esses compostos têm alta capacidade de retenção de metais. Também podem ser empregados em formulações farmacêuticas como hidrogéis, utilizados em sistemas de liberação controlada de fármacos, e no transporte e separação de proteínas [4-7, 10].
Este trabalho avalia o efeito das condições reacionais na modificação química da quitosana por alquilação redutiva, visando o aumento da solubilidade e viscosidade da quitosana modificada em função das mudanças estruturais do polímero.
Experimental
A amostra de quitosana comercial empregada na modificação química foi purificada através da seguinte metodologia: cerca de 1 g foi disperso em 300 mL de solução aquosa de ácido acético 0,5 M durante 24 horas. A solução obtida foi filtrada em membrana de porosidade 3 µm. À solução filtrada, adicionou-se solução NaOH 10% até a precipitação do polímero (pH ≈ 8.5). O polímero
precipitado foi lavado diversas vezes com água destilada até uma condutividade próxima de 20 µS e, em seguida, com soluções aquosas de etanol. O produto obtido foi seco sob vácuo a 60 ºC.
O processo de modificação da quitosana por alquilação redutiva consistiu de três etapas: (1) obtenção de iminas originadas da reação entre glutaraldeído e 3-amino-1-propanol, (2) obtenção de iminas derivadas de quitosana e iminas formadas na primeira etapa e (3) redução das iminas derivadas de quitosana.
A primeira etapa foi realizada a partir da reação entre glutaraldeído (G: solução aquosa 50%) e 3-amino-1-propanol (AM) na proporção molar 1:1. O pH da reação foi mantido entre 4 e 5 através da adição de ácido acético para favorecer a formação de iminas. Os reagentes permaneceram sob agitação durante uma hora em banho de gelo. Em seguida (etapa 2), uma solução de quitosana 1% (Q) em ácido acético 0,5M foi adicionada ao sistema inicial, ficando sob agitação por 4 horas. Na
terceira etapa, NaBH4 (AR), utilizado como agente redutor, foi introduzido no sistema reacional,
que foi mantido sob agitação por mais 24 horas. O polímero resultante foi precipitado em acetona e purificado através de lavagens com misturas de acetona e água até a diminuição da condutividade do sobrenadante (20 µS). Finalmente, a quitosana modificada foi lavada com acetona e seca em ambiente atmosférico. As condições reacionais estudadas durante a síntese são apresentadas na Tabela 1.
Os polímeros purificados foram caracterizados por espectroscopia na região do
infravermelho, no intervalo de 4.000 a 500 cm-1, em Espectrômetro ABB Bomen, a fim de
evidenciar as possíveis modificações na estrutura dos derivados de quitosana. Testes de solubilidade em solução aquosa de ácido acético 0,25 M foram realizados e o comportamento de fluxo foi acompanhado por reologia. As medidas reológicas foram realizadas em Reômetro RheoStress RS150 da Haake, acoplado a um banho termostatizado, utilizando sensor do tipo cilindros coaxiais DG41. A viscosidade aparente em função da taxa de cisalhamento foi medida em diferentes concentrações de polímero em solução aquosa de ácido acético 0,25 M, a 25 ºC.
Tabela I - Condições reacionais utilizadas na alquilação redutiva da quitosana.
Amostra Proporção molar
G/AM/Q/AR pH final do meio reacional QI 1/1/0,1/1 8 – 9 QII 1/1/0,1/0,5 5 – 6 QIIIa 1/1/0,1/0,5 5 – 6 QIVb 0,5/0,5/0,1/0,5 8 – 9 QVa 0,5/0,5/0,1/1 8 – 9
a: Atmosfera inerte (N2) nas etapas de reação antes da redução;
Resultados e Discussão
As condições descritas na Tabela 1 para a modificação da quitosana proporcionaram diferentes alterações no sistema reacional durante a síntese e no polímero após a purificação, tais como alterações de cor, pH, solubilidade e formação de gel.
Durante a primeira etapa, a reação entre glutaraldeído e 3-amino-1-propanol produziu mudança de cor do meio reacional para amarelo (reação na presença de nitrogênio) e vermelho
escuro, podendo ser explicada pela capacidade das aminas primárias adicionarem-se rapidamente
aos grupos carbonila de aldeídos ou cetonas em meio ácido, formando iminas, compostos que apresentam ligações químicas C=N, responsáveis pela coloração da solução de amarelo a vermelho. O mecanismo para esta reação é mostrado na Figura I. A formação da imina geralmente ocorre mais rapidamente entre pH 4 e 5, pois a reação processa-se por ataque nucleófilo do composto de nitrogênio básico ao átomo de carbono do grupo carbonila. A reação segue mais lentamente em pH muito baixo ou muito alto. Para favorecer a reação, a solução deve ser suficientemente ácida para que o composto carbonílico se encontre protonado, tornando o carbono ainda mais suscetível ao ataque nucleófilo, mais não tão ácida ao ponto da concentração de nitrogênio livre (nucleófilo) se tornar muito baixa, o que dificultaria a reação [8].
(A) (B)
(C)
Figura I – (A) Equilíbrio químico do grupo carbonílico em meio ácido; (B) Equilíbrio químico do grupo amino em meio ácido;
(C) Mecanismo de formação de iminas.
Na segunda etapa, a adição da solução de quitosana no meio reacional intensificou a coloração do sistema, produzindo novas iminas provenientes da reação entre glutaraldeído e
3-amino-1-propanol e os grupos NH2 da quitosana, gerando ramificações na cadeia polimérica.
glutaraldeído, além da formação de ligações cruzadas envolvendo grupos aldeído do glutaraldeído e
duas unidades NH2 da quitosana [9]. Quando as reações que envolvem quitosana e glutaraldeído
(agente reticulante) são favorecidas, o meio reacional transforma-se rapidamente em gel, dificultando a agitação mecânica do meio reacional e diminuindo a solubilidade da quitosana modificada em solução ácida, devido à formação de ligações cruzadas no polímero. A primeira etapa do procedimento deste trabalho, reação entre glutaraldeído e 3-amino-1-propanol, facilitou o processo de mistura durante as reações, evitando a formação de gel, minimizando a reticulação, podendo ser um fator auxiliador na redução das iminas na presença de agente redutor.
A Figura II mostra os espectros de absorção no infravermelho para os polímeros obtidos. Em
todos os espectros da quitosana modificada, observou-se o surgimento de banda a 2937 cm-1, que
foi atribuído aos grupos metileno da imina formada e inserida na cadeia polimérica. O
deslocamento e aumento da intensidade da banda a 1570 cm-1 foram atribuídos às aminas
secundárias presentes na ramificação após a redução. Absorções de grupos C=N e C=C na região
1650 – 1570 cm-1, procedentes da redução não efetiva das iminas e polimerização do glutaraldeído,
respectivamente, podem ocorrer e estar sobrepostas pelas demais absorções [9].
(B) (A)
Figura II – Espectros na região do infravermelho da quitosana modificada (A) e quitosana (B).
O comportamento reológico dos polímeros é apresentado na Figura III. Pode-se observar pelos gráficos da viscosidade aparente em função da taxa de cisalhamento, o aumento da viscosidade com o aumento da concentração de polímero em solução aquosa de ácido acético 0,25 M, a 25 ºC. A elevação da viscosidade e maior estabilidade das suspensões de polímero com o aumento da concentração podem ser atribuídas às interações intermoleculares entre as cadeias poliméricas. Os polímeros apresentaram comportamento pseudoplástico a baixas taxas de cisalhamento e newtoniano a médias e altas taxas de cisalhamento. No entanto, as espécies QV, em
concentração 20 g/L, descreveram um comportamento pseudoplástico na taxa de cisalhamento de
100 s-1, transferindo a característica newtoniana para taxas de cisalhamento ainda maiores, quando
comparado com os demais polímeros. A redução da viscosidade com o aumento da taxa de cisalhamento pode ser atribuída às perturbações nas cadeias poliméricas pelo progressivo rompimento das interações intermoleculares, diminuindo a resistência das cadeias poliméricas ao fluxo. Na maioria das condições reacionais utilizadas durante a síntese, a introdução de grupos hidrofóbicos na cadeia da quitosana diminuiu a solubilidade dos polímeros em solução aquosa de ácido acético. As condições reacionais de QII e QIV, provavelmente, favoreceram as interações entre os grupos hidrofóbicos e a formação de ligações cruzadas, diminuindo a solubilidade em soluções aquosas ácidas e gerando suspensões de baixa viscosidade. No entanto, a presença de nitrogênio e maior quantidade de agente redutor, possivelmente, atuaram na inibição do efeito oxidante do oxigênio atmosférico, ocasionando maior viscosidade e estabilidade das suspensões em QI e QIII.
Figura III – Viscosidade versus taxa de cisalhamento a 25 °C. (A) Cp = 10g/L e (B) CTaxa de cisalhamento (sp = 20g/L, em HAc 0,25M. -1)
QV QII QIV Q QI QIII Viscosidade apare nte (mP as) Taxa de cisalhamento (s-1) (A) (B) QI QIII Q QIV QII QV Viscosidade apare nte (mP as)
Deve-se destacar a importância dos efeitos de nitrogênio e maior quantidade de agente redutor aliados a uma menor quantidade de grupos hidrofóbicos inseridos na quitosana (condições empregadas na reação QV da Tabela I), que contribuíram para o aumento significativo da solubilidade, estabilidade e viscosidade dos polímeros em meio aquoso ácido. A Figura IV mostra a viscosidade aparente versus taxa de cisalhamento para diferentes concentrações de QV.
O aumento significativo da viscosidade da amostra QV em solução ácida diluída, mesmo em baixas concentrações de polímero, pode ser atribuído à diminuição de ligações cruzadas, aumentando a solubilidade do polímero no meio, e ao aumento no grau de redução das iminas pelo
conseqüentemente, um maior volume hidrodinâmico para o polímero em solução. Em meio aquoso, os grupos apolares se associam para minimizar o seu contato com a água, gerando agregados hidrofóbicos intra ou intermoleculares. Devido às agregações dos grupos hidrofóbicos, mesmo em soluções diluídas, verifica-se um aumento expressivo na viscosidade da solução polimérica [10].
Figura IV – Viscosidade versus taxa de cisalhamento a 25 °C em diferentes concentrações de QV. 0,4% 0,3% 0,2% 0,1% 0,5% 0,6% Viscosidade apare nte (mP as) Taxa de cisalhamento (s-1) Conclusões
Grupos alquila podem ser facilmente inseridos na cadeia da quitosana através da alquilação redutiva. Para as condições reacionais estudadas, possivelmente, houve a formação de iminas
provenientes da reação entre glutaraldeído e 3-amino-1-propanol e os grupos NH2 da quitosana,
além de alquenos derivados da polimerização do glutaraldeído e reticulação. Em seguida, parte das
iminas foi reduzida a aminas pelo NaBH4. As diferentes condições reacionais utilizadas levaram às
variações de solubilidade e viscosidade dos polímeros obtidos. Pode-se ressaltar que a inserção de pequena quantidade de grupos hidrofóbicos na quitosana e o aumento do grau de redução das iminas, utilizado nas condições QV, permitiu a solubilidade em meio aquoso ácido diluído e pôde gerar significativo poder viscosificante em solução.
Agradecimentos
Os autores agradecem à CAPES pelo suporte financeiro.
Referências Bibliográficas
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