Caracterização do óleo essencial de lippia gracilis schum e de seus principais constituintes por termogravimetria

CAMPINAS

2012

CARLOS EDUARDO LIMA DE OLIVEIRA

CARACTERIZAÇÃO DO ÓLEO ESSENCIAL DE LIPPIA

GRACILIS SCHUM E DE SEUS PRINCIPAIS CONSTITUINTES

CAMPINAS

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA

CARLOS EDUARDO LIMA DE OLIVEIRA

CARACTERIZAÇÃO DO ÓLEO ESSENCIAL DE LIPPIA

GRACILIS SCHUM E DE SEUS PRINCIPAIS CONSTITUINTES

POR TERMOGRAVIMETRIA

Orientador: Prof. Dr. Marco Aurélio Cremasco

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Química da Faculdade de Engenharia Química da Universidade

Estadual de Campinas para obtenção do título de Mestre em Engenharia Química na Área de Concentração em Engenharia de Processos.

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO CARLOS EDUARDO LIMA DE OLIVEIRA E ORIENTADA PELO PROF. DR. MARCO AURÉLIO CREMASCO

FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA

BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP

OL4c

Oliveira, Carlos Eduardo Lima de

Caracterização do óleo essencial de lippia gracilis schum e de seus principais constituintes por

termogravimetria / Carlos Eduardo Lima de Oliveira. --Campinas, SP: [s.n.], 2012.

Orientador: Marco Aurélio Cremasco.

Dissertação de Mestrado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química.

1. Termodinâmica. 2. Cinética. 3. Óleo essencial. 4. Pressão de vapor. 5. Termogravimetria. I. Cremasco, Marco Aurélio, 1962-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Química. III. Título.

Título em Inglês: Characterization of the essential oil of lippia gracilis schum and its main constituents by thermogravimetry

Palavras-chave em Inglês: Thermodynamic, Kinetic, Essential oil, Vapour pressure, Thermogravimetry

Área de concentração: Engenharia de Processos Titulação: Mestre em Engenharia Química

Banca examinadora: Marco Aurélio Cremasco, Márcio Caliari, Antônio Carlos Luz Lisbôa

Data da defesa: 11-12-2012

Dissertação de Mestrado defendida por Carlos Eduardo Lima de Oliveira e aprovada em 11 de dezembro de 2012 pela banca examinadora constituída pelos doutores:

Este exemplar corresponde à versão final da Dissertação de Mestrado em Engenharia Química defendida por Carlos Eduardo Lima de Oliveira e aprovada em 11 de dezembro de 2012.

Aos meus pais, Lauro (em memória) e Eurides, por terem me mostrado o sentido da vida desde cedo e por terem me formado como pessoa. Sempre os amareis e os honrarei.

Aos meus queridos irmãos e

familiares, pela torcida, incentivos e pela fé em mim depositada.

Agradecimentos

A Deus, primeiramente, pela presença constante em minha vida e por me ajudar nos momentos difíceis da vida. Por me iluminar e me dar disposição para seguir em busca dos meus objetivos, mesmo quando já não tenho forças.

A minha família e parentes, pelo apoio incondicional cuja falta seria impossível concluir este trabalho.

Ao Prof. Dr. Marco Aurélio Cremasco, pela orientação, incentivo, confiança e por ter contribuído para que este trabalho fosse realizado.

Ao Prof. Dr. Odair dos Santos Monteiro, por, gentilmente, ter nos enviado as amostras de óleo essencial e por ter se disponibilizado em ajudar sempre que solicitado.

A todos os professores e alunos do Pavilhão Tecnológico e do Laboratório de Produtos Naturais, ambos da UFMA, envolvidos na coleta e extração do óleo essencial utilizado neste trabalho.

Ao Prof. Dr. Edson Thomaz por ter feito parte do meu exame de Qualificação, contribuindo com suas sugestões extremamente valiosas e que tiveram efeitos bastante positivos neste trabalho.

Ao Prof. Dr. Antônio Carlos Luz Lisbôa pela amizade, pelos conselhos muito bem recebidos, pelos ensinamentos e por ter feito parte do meu exame de Qualificação, cujas sugestões foram de grande importância neste trabalho.

A todos os professores do Departamento de Engenharia de Processos que de alguma forma ajudaram para que eu pudesse concluir esse trabalho.

Ao Prof. Dr. Marcos Nogueira Eberlin do Instituto de Química (Unicamp) por gentilmente ter me ajudado a identificar alguns espectros de massa de analitos envolvidos nesta Dissertação.

Ao técnico do LCPP, Celso, pelo suporte quanto aos equipamentos de análises termogravimétricas.

Ao amigo, Clairon Pinheiro, pela amizade e pelas sugestões sobre análises de cromatografia gasosa.

Aos amigos do Maranhão, Louryval, Audirene, Adilto, Dalmo e Diogo pelos encontros felizes que tivemos e com os quais sempre me sentia em casa quando nos reuníamos. Aos amigos Rodrigo, Helder, Raphael, Hugo, Erik e Jean, pelo companheirismo, amizade, contribuição, pelas risadas e brincadeiras.

Aos amigos do Amazonas Ivanei, Vicente, Alex, Bruno Tefé, Max, Jackinei, Claysson, pela amizade e descontração.

Aos novos amigos do Laboratório de Propriedades Reológicas e Coloidais (Exílio) Rafael, Ana, Absolon, Carla, Carol e Murilo, pelos momentos de felicidades.

A todos os amigos da Unicamp e a todos que de alguma forma contribuíram para que esse trabalho fosse concluído.

Ao amigo João Marques que, mesmo distante, sempre contribuiu. Ao SAE, pelo suporte desde minha chegada.

À Unicamp e à Faculdade de Engenharia Química pela estrutura e oportunidade cedida. À FAPEMA pelo suporte financeiro.

RESUMO

As espécies vegetais Lippia gracilis, popularmente conhecida como “alecrim-da-chapada” ou “alecrim-de-tabuleiro”, são arbustos caducifólios, ramificados, com caule quebradiço, de até 2 m de altura. Pertencem à família das Verbenaceae e são amplamente distribuídas nas Américas e na África, principalmente em países de clima tropical. No Brasil, esta espécie é geralmente encontrada na região Nordeste, cujo óleo essencial contém alto teor de timol e, em muitos casos, carvacrol. Tais compostos fenólicos possuem altíssima atividade antimicrobiana e um alto valor agregado. Na presente Dissertação, além de analisar a composição química do óleo essencial por cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (CG-EM), promoveu-se a caracterização do óleo essencial de Lippia gracilis Schum (arbusto com característica sublenhosa em touceiras de 1,60 m de altura) e de seus principais componentes por meio da análise termogravimétrica, com intuito de obter suas grandezas termodinâmicas, tais como energia molar de ativação, Evap, calor molar de vaporização, Hvap, e pressão de vapor. Por meio da análise CG-EM, foi possível identificar o timol como componente majoritário do óleo essencial de Lippia gracilis S. (81,73%). Os ensaios termogravimétricos foram realizados em triplicatas. O óleo essencial apresentou valores médios de Evap eHvap de 39,90 kJ mol-1 e 41,45 kJ mol-1, respectivamente. As curvas de pressão de vapor do óleo essencial foram determinadas com base na constante de calibração advinda do timol, válidas para o intervalo de temperatura de 56,13 a 149,80 °C. Além dos dados do óleo essencial, este estudo também determinou os parâmetros termodinâmicos e as curvas de pressão de vapor dos seus principais constituintes, sendo eles: timol, carvacrol, terpin-4-ol, alfa-cariofileno, trans-cariofileno, éter metílico de timol e 3-terc-butil-4-hidroxianisol, totalizando aproximadamente 93% do óleo. As curvas de pressão de vapor dos materiais utilizados neste estudo podem ser reproduzidas através das constantes de Antoine determinadas por meio da regressão não linear, usando o método dos mínimos quadrados e com base nas normas E 1719-05 e E 1782-08 da ABNT.

Palavras-chave: Propriedades termodinâmicas; parâmetros cinéticos; análise

ABSTRACT

The plant species Lippia gracilis, popularly known as "alecrim-da-chapada" or "alecrim-de-tabuleiro", are deciduous shrubs, branched, with brittle stems, up to 2 m tall. Belong to the family Verbenaceae and are widely distributed in America and Africa, mainly in tropical countries. In Brazil, this species is usually found in the Northeast, whose essential oil contains high content of thymol and, in many cases, carvacrol. These phenolic compounds have very high antimicrobial activity and high added value. In this work, besides analyzing the chemical composition of the essential oil by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), promoted the characterization of essential oil of Lippia gracilis Schum (shrub with characteristic sublenhosa in clumps of 1.60 m height) and its major components by means of thermogravimetric analysis, in order to obtain their thermodynamic properties, such as molar activation energy, Evap, molar heat of vaporization, Hvap, and vapor pressure. By GC-MS analysis, it was possible to identify thymol as major component of essential oil of Lippia gracilis S. (81.73%). The thermogravimetric tests were performed in triplicate. The essential oil showed values of Evap e vap equal to 39.90 kJ mol-1 and 41.45 kJ mol-1, respectively. The vapor pressure curves of essential oil were determined based on the thymol calibration constant in a temperature range of 56.13 to 149.80 °C. Besides of the essential oil data, this study also determined the thermodynamic parameters and the vapor pressure curves of its principal constituents such as thymol, carvacrol, terpin-4-ol, alpha-caryophyllene, trans-caryophyllene, thymol methyl ether and 3-tert-butyl-4-hydroxyanisole. The vapor pressure curves of the substances used in this study can be reproduced through the Antoine constants determined by nonlinear regression, using least squares method and based on the standards E 1719-05 and E 1782-08 ABNT.

SUMÁRIO

RESUMO ... x

ABSTRACT ... xi

LISTA DE FIGURAS ... xv

LISTA DE TABELAS ... xviii

LETRAS, SÍMBOLOS E ABREVIATURAS ... xx

Capítulo 1 INTRODUÇÃO ... 1

1.2 Objetivos ... 2

Capítulo 2 REVISÃO DA LITERATURA ... 4

2.1 Plantas aromáticas e medicinais ... 4

2.1.1 Verbenaceae ... 5 Gênero Lippia ... 6 Lippia gracilis ... 6 2.2 Óleos essenciais ... 7 2.2.1 Definições gerais ... 7 2.2.2 Classificação ... 8 Fenilpropanóides ... 9 Terpenóides ... 10

2.2.3 Óleo essencial de Lippia gracilis ... 11

Importância industrial ... 14

2.2.5 Técnicas analíticas ... 15

Análise de cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (CG-EM) ... ... 16 Análise térmica ... 17 Termogravimetria (TG) ... 19 Termogravimetria derivada (DTG) ... 20 2.2.6 Grandezas termodinâmicas ... 21 2.2.7 Teoria ... 22

Energia molar de ativação ... 22

Calor molar de vaporização ... 24

Pressão de vapor ... 26

Métodos convencionais de obtenção de parâmetros termodinâmicos ... 27

Capítulo 3 PARTE EXPERIMENTAL ... 30

3.1 Materiais e métodos ... 30

3.1.1 Cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (CG-EM) ... 30

3.1.2 Análise termogravimétrica ... 31

3.1.3 Padrões ... 33

3.1.4 Área de coleta ... 33

3.1.5 Determinação dos parâmetros termodinâmicos ... 36

Energia molar de ativação ... 36

Curvas de pressão de vapor ... 37

Capítulo 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 39

4.1 Cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas ... 39

4.1.1 Identificação do componente majoritário ... 44

4.1.2 Proposta de identificação do composto M = 180 (tR = 27,74 min) ... 45

4.2 Determinação dos parâmetros cinéticos de evaporação ... 47

4.2.1 Timol ... 47

4.2.2 Carvacrol ... 55

4.2.3 Óleo essencial de Lippia gracilis Schum ... 60

4.2.4 Outros compostos ... 64

4.3 Determinação das curvas de pressão de vapor ... 66

4.3.1 Cálculo da constante de calibração ... 66

4.3.2 Curva de pressão de vapor do carvacrol ... 69

4.3.4 Curvas de pressão de vapor dos demais constituintes do óleo ... 73

4.4 Cálculo das constantes de Antoine por regressão não linear ... 76

CONCLUSÃO ... 77

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 79

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 - Espécie vegetal Lippia gracilis ( LORENZI e MATOS, 2008) ... 7

Figura 2.2 - Formação dos fenilpropanóides (adaptado de SIMÕES e SPITZER, 2007). .... 9

Figura 2.3 - Compostos sesquiterpênicos de ocorrência comum em óleos essenciais de Lippia gracilis. ... 10

Figura 2.4 - Compostos monoterpênicos de ocorrência comum em óleos essenciais de Lippia gracilis. ... 11

Figura 2.5 - Biossíntese do carvacrol, timol, para-cimen-8-ol e terpine-4-ol (baseado em BASER, 2008). ... 13

Figura 3.1 - Aparelhagem de análise termogravimétrica. ... 31

Figura 3.2 - Esquema de uma termobalança (adaptado de CREMASCO et al., 2010)... 32

Figura 3.3 - Localização do Município de Mirador-MA (Google Earth; i3GEO). ... 33

Figura 3.4 - Exsicata da L. gracilis Schum, depositada no Herbário João Murça Pires do Museu Paraense Emílio Goeldi (MPEG) - PA. ... 35

Figura 4.1 - Cromatograma da amostra de óleo essencial de Lippia gracilis S. ... 40

Figura 4.2 - Cromatograma expandido (6-18 min) da amostra de óleo essencial de Lippia gracilis S. ... 41

Figura 4.3 - Cromatograma expandido (18-33 min) da amostra de óleo essencial de Lippia gracilis S. ... 41

Figura 4.4 - Espectro de massas de (A) timol (tR = 19,83 min) e (B) proposto pela espectroteca NIST05. ... 44

Figura 4.5 - Comparação do espectro de massas (A) encontrado na literatura (NIST) com o

espectro de massas do analito (B) não identificado M = 180 (tR = 27,74 min).

... 46

Figura 4.6 - Aquecimento da amostra de timol ao longo do tempo. ... 47

Figura 4.7 - Curvas termogravimétricas do timol (TG). ... 48

Figura 4.8 - Curvas termogravimétricas derivadas do timol (DTG). ... 49

Figura 4.9 - Obtenção da energia de ativação do timol. ... 50

Figura 4.10 - Obtenção da energia de ativação média do timol. ... 51

Figura 4.11 - Obtenção do calor molar de vaporização do timol. ... 52

Figura 4.12 - Curvas termogravimétricas do carvacrol. ... 55

Figura 4.13 – Curvas termogravimétricas derivadas do carvacrol. ... 56

Figura 4.14 - Obtenção da energia de ativação do carvacrol. ... 57

Figura 4.15 - Obtenção do calor molar de vaporização do carvacrol. ... 58

Figura 4.16 - Curvas termogravimétricas do óleo essencial de Lippia gracilis S. ... 60

Figura 4.17 - Curvas termogravimétricas derivadas do óleo essencial de Lippia gracilis Schum (DTG). ... 61

Figura 4.18 - Obtenção da energia de ativação do óleo essencial de Lippia gracilis Schum. ... 62

Figura 4.19 - Obtenção do calor molar de ativação do óleo essencial de Lippia gracilis Schum. ... 63

Figura 4.20 - Obtenção da constante de calibração, , utilizando-se o timol como composto de referência. ... 67

Figura 4.21 - Curva de pressão de vapor do carvacrol. ... 69

Figura 4.22 - Comparação da curva média de pressão de vapor do carvacrol construída pelo método TG com as da literatura, construídas a partir das constantes de Antoine. ... 70

Figura 4.23 - Comparação das curvas de pressão de vapor do carvacrol obtida neste estudo com as da literatura na faixa de 346-440K. ... 71

Figura 4.24 - Curva de pressão de vapor do óleo essencial. ... 72

Figura 4.25 - Curvas de pressão de vapor do 3-metil-4-hidroxianisol. ... 73

Figura 4.26 - Curvas de pressão de vapor do terpine-4-ol. ... 74

Figura 4.27 - Curvas de pressão de vapor do trans-cariofileno. ... 74

Figura 4.28 - Curvas de pressão de vapor do alfa-cariofileno. ... 75

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Espécies do gênero Lippia (Verbenaceae) existentes no Nordeste brasileiro

(BARBOSA et al., 2006). ... 5

Tabela 2.2 - Principais constituintes do óleo essencial de L. gracilis. ... 12

Tabela 2.3 - Descrição dos principais métodos convencionais de obtenção de dados termodinâmicos e sua comparação com o método termogravimétrico (MAJER e SVOBODA, 1989). ... 28

Tabela 2.4 - Vantagens e desvantagens dos principais métodos convencionais de obtenção de dados termodinâmicos e sua comparação com o método termogravimétrico (MAJER e SVOBODA, 1989). ... 29

Tabela 4.1 - Analitos identificados no óleo essencial de Lippia gracilis S. ... 42

Tabela 4.2 - Comparação do teor do timol desta Dissertação com os da literatura. ... 43

Tabela 4.3 - Taxa máxima de perda de massa do timol... 50

Tabela 4.5 - Calor molar de vaporização do timol. ... 53

Tabela 4.6 - Comparação dos valores de Hvap do timol com os da literatura. ... 54

Tabela 4.7 - Valores da energia de ativação do carvacrol. ... 57

Tabela 4.8 - Valores do calor molar de vaporização do carvacrol. ... 58

Tabela 4.9 - Comparação dos valores de Hvap do carvacrol com os da literatura. ... 59

Tabela 4.10 - Energia de ativação do óleo essencial de Lippia gracilis Schum. ... 62

Tabela 4.12 - Valores de Evap e Hvap do óleo essencial de Lippia gracilis S. em comparação com seu componente majoritário timol e o isômero carvacrol. ... ... 64

Tabela 4.13 - Valores da energia de ativação dos constituintes do óleo essencial de Lippia gracilis S. ... 65

Tabela 4.14 - Valores do calor molar de vaporização dos constituintes do óleo essencial de Lippia gracilis S. ... 65

Tabela 4.15 - Valores da constante , utilizando-se o timol como composto de referência. ... 68

Tabela 4.16 - Constantes de Antoine para os principais constituintes do óleo essencial de Lippia gracilis S. ... 76

LETRAS, SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

Letras latinas

a Área do cadinho (cm2)

A Fator pré-exponencial na Equação 2.3 e Parâmetro de Antoine na Equação 2.13 B Parâmetro de Antoine na Equação 2.3 e Constante da Equação de

Clausius-Clapeyron na Equação 2.17

C Parâmetro de Antoine Equação 2.3 dm/dt Fração evaporada (mg s-1)

kvap Coeficiente de evaporação (kg s-1)

sub

H

 Calor molar de sublimação (kJ mol-1)

vap

H

 Calor molar de vaporização (kJ mol-1)

Evap Energia molar de ativação (kJ mol-1) M Massa molar (g mol-1)

mf Massa final (mg) mi Massa inicial (mg)

mt Massa registrada em um determinado tempo t (mg) n Ordem da reação na Equação 2.4

R Constante universal dos gases (J mol-1 K-1) T Temperatura (°C, K)

t Tempo na Equação 2.6 (s)

Yvap Parâmetro constante da Equação 2.16 (kg2 s-1 K0,5 mol0,5)

Letras gregas

 Coeficiente de vaporização na Equação 2.12

 Fração evaporada

 Constante de calibração (Pa kg-1 K-0,5 mol-05 s); e parâmetro constante na Equação 2.8

Abreviaturas

ASTM American society for testing and materials CG Cromatografia gasosa

CG-CID Detector de ionização de superfície

CG-EM Cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas CG-FID Detector de ionização de chama

DSC Calorimetria diferencial de varredura DTA Análise térmica diferencial

EI Impacto de elétrons

EMEA Agência europeia de avaliação de medicamentos IBGE Instituto brasileiro de geografia e estatística IC Ionização química

ICP Ionização plasma indutivamente acoplado IR Espectroscopia de infravermelho

ISO Organização Internacional de Padrões

NIST National institute of standards and technology RMN Ressonância magnética nuclear

TG Termogravimetria TMA Análise termomecânica UV Espectroscopia de ultravioleta

Capítulo 1

INTRODUÇÃO

O Brasil é um país com uma grande biodiversidade, a qual tem sido o centro de atenções mundiais. Parte desta biodiversidade está ligada às regiões do cerrado que, segundo o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), constituem mais de dois milhões de hectares do território nacional, divididos entre os estados da região Centro-Sul e Nordeste, como é o caso do Maranhão. Por possuir alto grau de heterogeneidade, o Maranhão está sendo considerado como a nova fronteira agrícola do Brasil por ainda possuir a maior área natural de cerrado (CONCEIÇÃO e CASTRO, 2009).

Por conta de toda a riqueza de sua biodiversidade, os cerrados precisam ser conservados, para que assim possam garantir a qualidade de vida não só da geração atual com também das próximas gerações. Nesse sentido, o conhecimento das espécies existentes nestas áreas, além de frisar a importância da conservação, possibilita um uso mais apropriado. Além disso, as plantas têm atraído a atenção de indústrias brasileiras e internacionais que utilizam substâncias de origem natural para formulação de vários produtos.

Pertencentes ao gênero Lippia (Verbenaceae), as espécies de Lippia gracilis são próprias da vegetação do semiárido nordestino de terrenos bem secos, drenados, como é o caso dos cerrados. Esta espécie é tradicionalmente usada na medicina popular na forma de chá por infusão, em lavagem de ferimentos e raladuras (LORENZI e MATOS, 2008), além de serem usadas para o tratamento de influenza, tosse, sinusite, bronquite, congestão nasal (MATOS et al., 1996; ALBUQUERQUE et al., 2007; NEVES et al., 2008).

Esta espécie produz um óleo essencial com alto teor de timol, ou, em muitos casos, carvacrol. Essas substâncias são conhecidas por apresentarem altíssima atividade antimicrobiana, o que comprova o uso popular.

Por serem comercializados in natura, o processamento para a obtenção dos componentes majoritários desses óleos vem se tornando objeto de investigações científicas e tecnológicas. Entre as principais grandezas termodinâmicas que influenciam o processo de separação, está a energia de ativação, ΔEvap, o calor molar de vaporização, ΔHvap, assim como a pressão de vapor. Tais grandezas são de grande importância, não só para o processo fenomenológico de separação, como é o caso da destilação, como também para o próprio dimensionamento do equipamento (CREMASCO e BRAGA, 2011).

Na presente Dissertação, foi utilizada a técnica de cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas para caracterização química do óleo essencial e identificação dos seus componentes, além da análise termogravimétrica que, em conjunto com equações matemáticas, demonstra-se como uma boa ferramenta para determinação de parâmetros termodinâmicos.

O conhecimento da composição e propriedades termodinâmicas do óleo essencial de Lippia gracilis S. tem importância não só para as indústrias químicas e de transformação, como também para a população local, a qual pode usufruir desse patrimônio natural, utilizando-a de forma correta.

1.2 Objetivos

O presente trabalho tem como objetivo caracterizar o óleo essencial extraído das folhas da espécie Lippia gracilis Schum e seus principais constituintes por análise termogravimétrica.

 Identificar analiticamente os componentes do óleo da espécie em estudo, usando cromatografia gasosa e espectrometria de massas.

 Determinar a energia de ativação do óleo e dos seus principais constituintes.

 Determinar o calor molar de vaporização do óleo e dos seus principais constituintes.  Determinar a curva de pressão de vapor do óleo essencial e dos seus principais

constituintes.

 Determinar as constantes de Antoine para o óleo essencial e seus principais constituintes.

Capítulo 2

REVISÃO DA LITERATURA

2.1 Plantas aromáticas e medicinais

A diversidade de espécies de plantas nativas encontradas no Brasil é indiscutível. Toda essa diversidade é distribuída em seis biomas: Amazônia, Cerrado, Mata Atlântica, Caatinga, Pantanal e Pampa.

O emprego de plantas medicinais para o tratamento de algum tipo de enfermidade é uma prática antiga, frequentemente usada nos dias atuais e vem evoluindo a cada ano. A investigação científica na área de plantas medicinais expandiu-se e consolidou-se a partir de meados do século XX e está relacionada à implementação de instruções de pesquisas e à organização das disciplinas que a estudam, principalmente a botânica, a química e a farmacologia (FERNANDES, 2004). A quantidade de trabalhos publicados com algum tipo de planta é vasta, seja com seu uso direto pela população (COSTA-NETO e OLIVEIRA, 2000; MARODIN e BAPTISTA, 2001), seja pela identificação de seus princípios ativos (CAMURÇA-VASCONCELOS et al., 2005), ou pela isolação e caracterização dos óleos essências contidos nestas plantas, com objetivos diversos, por meio das mais variadas e importantes técnicas (HAZRA et al., 2002; MONTEIRO, 2008; CREMASCO et al., 2010; CREMASCO et al., 2011). Dentre as várias espécies existentes no país, encontra-se a do gênero Lippia, pertencente à família das Verbenaceae, a qual foi utilizada na presente Dissertação de Mestrado.

2.1.1 Verbenaceae

A família das Verbenaceae pertence à ordem das Lamiales. São caracterizadas por serem ervas, arbustos, cipós ou árvores de pequeno porte (CRONQUIST, 1981; CRONQUIST, 1988). Por serem encontradas em várias partes do mundo, principalmente em países de clima tropical, as opiniões sobre a quantidade de gêneros e espécies que compõem essa família divergem. Cronquist (1981), por exemplo, aponta cerca de 100 gêneros e 2600 espécies, com distribuição em países com clima tropical. Já Judd et al. (2008) descrevem apenas 35 gêneros e 1000 espécies, distribuídos em regiões de clima tropical. Os gêneros das Verbenaceae que contêm o maior número de espécies são: Verbena (200 ssp.), Lippia (200), Lantana (150), Citharexylum (130), Glandularia (100), Stachytarpheta (90), e Duranta (20) (JUDD et al., 2008).

No Brasil, essas espécies são usualmente encontradas na região Nordeste. Um levantamento feito por Barbosa et al. (2006) apontou 15 gêneros, totalizando 126 espécies. Por meio da Tabela 2.1, pode-se verificar que o gênero Lippia contém o segundo maior número de espécies (31), ficando atrás apenas do gênero Stachytarpheta V. com 34 espécies.

Tabela 2.1 - Espécies do gênero Lippia (Verbenaceae) existentes no Nordeste brasileiro

(BARBOSA et al., 2006).

Gênero Nº de espécies Gênero Nº de espécies

Aegiphila Jacq. 11 Lantana L. 16

Aloysia Juss 1 Lippia L. 31

Amasonia L. f. 2 PhylaLour. 1

Avicennia L. 2 Priva Adans. 2

Bouchea Cham. 1 Stachytarpheta Vahl 34

Casselia Nees & Mart. 1 Tamonea Aubl. 4

Citharexylum Mill. 2 Vitex L. 17

Gênero Lippia

O gênero Lippia possui aproximadamente 200 espécies, das quais pelo menos 46 foram quimicamente examinadas (CATALAN e LAMPASONA, 2002). Geograficamente, estas espécies estão distribuídas nos países de climas tropicais, sendo Brasil, Argentina e México os maiores representantes, conforme observado em Moldenke (1971). Destes países, o Brasil é o país que mais se destaca em termos de espécies do gênero Lippia (cerca de 150) com ocorrência especialmente nos campos rupestres e cerrados (SALIMENA, 2002 apud SALIMENA, 2000). Este gênero é de grande importância econômica devido aos diferentes usos dos óleos essenciais, sendo muitas espécies medicinais (SALIMENA, 2002).

A parte medicinal desta planta são as folhas juntamente com as flores, usada, popularmente, na forma de chá por infusão, em lavagem de ferimentos e raladuras (LORENZI e MATOS, 2008). São usadas, também, para o tratamento de influenza, tosse, sinusite, bronquite, congestão nasal (MATOS et al., 1996; ALBUQUERQUE et al., 2007; NEVES et al., 2008).

Espécies como Lippia sidoides são utilizadas popularmente para tratar corte na pele, picada de insetos e dor de garganta (BOTELHO et al., 2007 apud LEMOS et al., 1990).

Conforme revisado por Pascual et al. (2001), muitas espécies podem ser usadas como remédios gastrointestinais e respiratórios, outras mostram atividade antimalarial e antiviral, e algumas possuem folhas que podem ser usadas em preparações alimentares como é o caso da Lippia dulcis Trevir. Além disso, possuem atividade antimicrobiana (Bitu et al., 2012), anti-inflamatória, (GUILHON et al., 2011), larvicida (TELES et al., 2010).

Lippia gracilis

Também conhecidas como alecrim-da-chapada ou alecrim-de-tabuleiro, as espécies de Lippia gracilis (FIGURA 2.1) são caracterizadas por serem arbustos

caducifólios, ramificados, com caule quebradiço, de até 2 m de altura. Folhas aromáticas e picantes, simples, cartáceas, com nervação impressa bem visível, de um pouco mais de 1 cm de comprimento (LORENZI e MATOS, 2008). Inflorescências axilares 2-4, tetrásticas, brácteas membranáceas, ovais, imbricadas, conatas na base, glandulosas; corola alva, 0,5-1,8 cm comprimento, sendo uma espécie própria da vegetação do semiárido nordestino de terrenos bem secos, drenados, como é o caso do cerrado (SALIMENA e SILVA, 2009).

Figura 2.1 - Espécie vegetal Lippia gracilis ( LORENZI e MATOS, 2008)

2.2 Óleos essenciais

2.2.1 Definições gerais

As características farmacológicas das plantas estão diretamente ligadas às substâncias que elas produzem por meio de seu metabolismo secundário. Essas substâncias são denominadas óleos essenciais. As características dos óleos essenciais dependem muito da região, clima, idade da planta, época de colheita, etc.

Os óleos essenciais são também conhecidos como óleos voláteis, óleos etéreos, ou somente essências; podem ser denominados como compostos orgânicos voláteis extraídos das sementes, raízes, madeiras, cascas, folhas e flores das plantas (MOUCHREK FILHO, 2001). Pela Organização Internacional de Padrões (ISO), eles são definidos como os produtos obtidos de partes de plantas utilizando-se de destilação por arraste por vapor d’agua, bem como os produtos obtidos por expressão dos pericarpos de frutos cítricos, como é caso do limão e da laranja.

De forma geral, são misturas complexas de substâncias voláteis, lipofílicas, geralmente odoríferas e líquidas (SIMÕES e SPITZER, 2007). Conforme estes autores, todas essas denominações advêm de algumas de suas características físico-químicas. Por exemplo, o termo óleo é devido sua aparência oleosa e sua volatilidade e não por ser de natureza lipídica, como é o caso de óleos extraídos de sementes oleaginosas. O termo óleos etéreos é atribuído em função de sua alta solubilidade em solventes orgânicos, como o éter. Em termos de obtenção, existem várias técnicas que podem ser usadas para extração de óleos essenciais, as quais também dependem das diferentes partes das plantas. As principais técnicas de extração são: hidrodestilação, destilação por arraste de vapor d’água, extração com fluido supercrítico, extração por solvente e extração por prensagem (ou expressão) (MOUCHREK FILHO, 2001; SIMÕES e SPITZER, 2007; MONTEIRO, 2008).

2.2.2 Classificação

Os componentes químicos dos óleos essenciais variam desde hidrocarbonetos terpênicos, álcoois simples e terpênicos, aldeído, cetonas, fenóis, ésteres, éteres, óxidos, peróxidos, furanos, ácidos orgânicos, lactonas, cumarinas e até compostos com enxofre (MATTOS et al., 2007). Os óleos essenciais podem ser classificados basicamente em fenilpropanóides e terpenóides. Os compostos estão distribuídos nos óleos essenciais em concentrações bem diferentes; usualmente um composto (ou poucos) apresenta-se como majoritário com outros em teores mais baixos e alguns em pouquíssimas quantidades, considerados traços (SIMÕES e SPITZER, 2007).

Fenilpropanóides

As plantas acumulam um grande número de compostos fenólicos. Estes compostos são derivados da grade metabólica de fenilpropanóides e são caracterizados por conter uma cadeia lateral de três átomos de carbono ligada ao anel aromático, (GRAYA et al., 2012).

O metabolismo dos fenilpropanóides compreende uma matriz complexa de compostos; além dos compostos fenólicos já mencionados, inclui também, cumarinas, lignanas e ligninas (YAZAKI, 2004). Os fenilpropanóides se formam a partir do ácido chiquímico, que forma as unidades básicas dos ácidos cinâmicos e p-cumáricos, que são formados por meio de reduções enzimáticas, produzindo propenilbenzenos e/ou alilbenzenos e, por meio de oxidações com degradação das cadeias laterais, geram aldeídos aromáticos; ciclizações enzimáticas intramoleculares produzem cumarinas (SIMÕES e SPITZER, 2007) (FIGURA 2.2).

Figura 2.2 - Formação dos fenilpropanóides (adaptado de SIMÕES e SPITZER, 2007).

CH₂ R OH O R O R CH₃ R O C H₃ O OH O H OH OH O Ácido chiquímico Propenilbenzenos Ácidos cinâmicos Aldeídos aromáticos Cumarinas Alilbenzenos

Alguns fenilpropanóides são conhecidos por sua importância econômica dos quais se podem citar o safrol e o eugenol. O safrol é fonte para síntese do seu isômero isosafrol, o qual tem grande importância para as indústrias farmacêuticas e de fragrâncias (CREMASCO e BRAGA, 2010). O eugenol pode ser utilizado para síntese da vanilina, componente de grande interesse principalmente nas indústrias de alimentos e de bebidas (MONTEIRO, 2008).

Terpenóides

Os terpenóides constituem uma grande variedade de substâncias vegetais. Existem pelo menos 25000 terpenóides, cujas estruturas são conhecidas (CROTEAU et al., 2000). Classificam-se de acordo com a quantidade de carbonos como: hemiterpenos (C5), monoterpenos (C10), sesquiterpenos (C15), diterpenos (C20) e sesterterpenes (C25) e triterpenos (C30) (DEVARENNE, 2009).

Os compostos terpênicos mais frequentes nos óleos essenciais são os monoterpenos (que compreendem cerca de 90% dos óleos essenciais) e os sesquiterpenos (SIMÕES e SPITZER, 2007). Alguns sesquiterpenos e monoterpenos frequentemente presentes em óleos essenciais de Lippia gracilis estão apresentados nas Figuras 2.3 e 2.4, respectivamente. CH₃ CH₃ CH₃ C H₃ CH₃ CH₃ C H₃ CH₂ H H H H C H₃ CH₃ C H₃ CH₃ H Sesquiterpenos

alfa-humuleno aromadendreno _{delta-cadineno}

Figura 2.3 - Compostos sesquiterpênicos de ocorrência comum em óleos essenciais de Lippia gracilis.

CH₃ C H₃ CH₃ CH₃ C H₃ CH₃ CH₂ CH₂ CH₃ C H₃ CH₃ C H₃ O H CH₃ Monoterpenos 1,8-cineol (eucaliptol) CH₃ C H₃ CH₃ O C H₃ OH C H₃ CH₃ CH₂

gama-terpineno para-cimeno _beta-mirceno

terpen-4-ol linalol

Figura 2.4 - Compostos monoterpênicos de ocorrência comum em óleos essenciais de Lippia gracilis.

2.2.3 Óleo essencial de Lippia gracilis

O óleo essencial de L. gracilis geralmente é extraído das folhas e flores. Geralmente possuem atividade anti-inflamatória (GUILHON et al., 2011), antibacteriana (ALBUQUERQUE et al., 2006; NETO et al., 2010), inseticida (SILVA et al., 2008) e efeito analgésico (MENDES et al., 2010).

De acordo com a caracterização química encontrada na literatura, o óleo essencial desta espécie pode apresentar tanto o carvacrol quanto o timol como componente majoritário, variando numa faixa de 44-50% e 33-38%, respectivamente (TABELA 2.2).

Tais componentes apresentam fortíssima atividade antimicrobiana (NETO et al., 2010; TELES et al., 2010).

Tabela 2.2 - Principais constituintes do óleo essencial de L. gracilis.

Composto (%) SILVA et al. (2008) NETO et al. (2010) MENDES et al. (2010) NEVES et al. (2008) Timol 3,83 4,92 32,68 38,30 Carvacrol 44,43 50,13 7,53 0,70 -terpineno 9,16 8,08 14,9 -Terpineno - 1,46 1,76 - p-Cimeno - 10,73 17,82 - (Z)-b-Ocimeno - - - 3,40 o-Cimeno 9,42 - - - b-Cariofileno 8,83 5,96 6,47 -

Metil timol Etér 5,85 4,95 - -

Metil timol - - 10,83 - Timol acetato - - - 4,80 1,8-Cineol (Eucaliptol) - 3,45 3,45 - Mirceno - - 3,35 0,70 b-Mirceno 1,67 2,08 - - p-Acetilanisol - - - 10,10 a-Copaeno - - - 3,80 Biciclogermacreno 2,88 - - - Total 86,07 91,76 83,89 76,7

Segundo Baser (2008), o carvacrol e o timol são biosintetizados a partir do gama-terpineno e para-cimeno, além de outros intermediários como terpine-4-ol para-cimen-8-ol

(FIGURA 2.5). Dessa forma, a ocorrência de tais compostos é comum em óleos essenciais de plantas que contenham carvacrol e timol.

Figura 2.5 - Biossíntese do carvacrol, timol, para-cimen-8-ol e terpine-4-ol (baseado em

BASER, 2008).

2.2.4 Timol

O timol (2-isopropil-5-metilfenol) é um composto fenólico monoterpenóide com atividade antimicrobiana acentuada. Encontram-se diversos trabalhos na literatura no que diz respeito às atividades biológicas e farmacológicas deste fenol. Sua atividade antibacteriana, por exemplo, foi estudada in vitro por Botelho et al. (2007) e Nostro et al. (2007). Mais recentemente, Kuorwel et al. (2011) estudaram a atividade antimicrobiana do timol tanto in vivo como in vitro. Beer et al. (2007) demonstraram seu efeito analgésico sobre receptores adrenérgicos (2) de células nervosas. Estudos também mostraram a

CH₃ C H₃ CH₃ CH₃ C H₃ CH₃ CH₃ O H CH3 C H₃ CH₃ CH₃ C H₃ O H CH₃ C H₃ CH₃ OH CH₃ C H₃ CH₃ OH gama-terpineno para-cimeno terpine-4-ol para-cimen-8-ol carvacrol timol

importância do timol como antioxidante (MILOS et al., 2000), fungicida (AHMAD et al., 2011) e acaricida (DAEMON et al., 2012).

Importância industrial

Industrialmente, o timol pode ser empregado na odontologia, como desinfetante. Conforme relata Torres et al. (2000), este fenol tem sido usado na composição de produtos de higiene bucal, o qual age contra a formação da placa bacteriana e gengivite. Neste contexto, Shapiro e Guggenheim (1995) estudaram o efeito do timol sobre bactérias orais mostrando efeito positivo. Segundo esses autores, o efeito principal causado por esse terpeno é a perfuração da membrana bacteriana. Didry et al. (1994), por sua vez, também demonstraram seu efeito contra doenças orais, porém, fazendo combinações de timol, carvacrol, cinamaldeído e eugenol. Nesta ocasião, a mistura timol e carvacrol, seguida de timol e eugenol, foram as mais efetivas, o que enfatiza o efeito antimicrobiano do timol.

Devido a seu grande potencial, o timol faz parte da composição de muitos medicamentos. Dos quais se podem citar, o Bronchipret® TP, o qual é um medicamento à base de planta que contém 1,08 mg de timol, usado para o tratamento de tosse, bronquite e inflamação (KOHLERT et al., 2002). O Apiguard©, formulação gel de timol, é usado na apicultura para combater a Varoose, uma doença parasitária causada pelo ácaro Varroa em colônias de abelhas. Também para esse fim, existe o Thymovar©, uma esponja (5 x 14,5 cm) com 15 g de timol.

Além do seu potencial antimicrobiano, a volatilidade do timol possibilita obter um produto com menos resíduos. Assim sendo, dependendo da estação do ano, sua concentração média residual pode variar de 0,02 a 0,19 mg/kg de produto (BOLLHALDER, 1999).

Indicações de uso e toxicologia

O emprego do timol também tem despertado a atenção da União Europeia (EU), principalmente pelo uso das espécies de tomilho, uma erva com teor de timol que pode

variar de 36% (Thynus vulgaris), a 74% (Thymus zygis), conforme visto em Chizzola et al. (2008) e Jimenez et al. (1993), respectivamente.

Na Europa, o uso do timol é regulamentado pela Agência Europeia de Avaliação de Medicamentos (EMEA). O Comitê de Medicamentos para Veterinária recomenda doses diárias em animais como suínos, bovinos e ovinos de 10 mg/animal por até 5 dias, acumulando dose de 50 mg/individuo (EMEA, 1996).

Para classe dos aromatizantes, o Comitê de Especialistas em Substâncias Aromatizantes (CEFS) do Conselho da Europa estabelece o limite de timol em alimentos de 50 mg/kg e em bebidas 10 mg/kg.

O Comitê de Medicamentos para Veterinária indica o timol para o tratamento de bronquite, laringite, infecções superiores do trato respiratório, broncopneumonia, pleurites e pneumonia. Possui ainda atividade helmíntica e espasmolítica. Tudo isso enfatiza a utilidade do timol.

2.2.5 Técnicas analíticas

Existem várias técnicas analíticas utilizadas para avaliar as qualidades dos óleos essenciais. Por muito tempo, os componentes dos óleos essenciais foram identificados por espectroscopia de infravermelho (IR) com estereoquímica atribuída por ressonância magnética nuclear (RMN) e a espectroscopia de ultravioleta (UV) (ADAMS, 1995). No entanto, a técnica de cromatografia gasosa (CG) tornou-se a principal técnica para separação e análise de compostos voláteis (MCNAIR e MILLER, 1998), além de ser uma técnica de alta resolução e velocidade.

A técnica CG baseia-se em introduzir a amostra, por meio de um sistema de injeção, em uma coluna contendo uma fase estacionária (sólida ou líquida), usando temperaturas convenientes para garantir a vaporização das substâncias (analitos) contidas na amostra, as quais, de acordo com suas propriedades e da fase estacionária, são retidas em tempos determinados e chegam à saída da coluna em tempos diferentes, sendo identificadas

por um detector (BONATO, 2006). Além do tempo retenção, muitos autores utilizam o cálculo do índice de retenção (IR) para confirmar a estrutura de moléculas orgânicas. Este método utiliza uma série de alcanos normais como uma base de referência em vez de um único composto como no método de retenção relativo (KAISER e DEBBRECHT, 1977).

Existe uma grande variedade de métodos de detecção utilizados em cromatografia gasosa. Dentre os mais utilizados, pode-se citar os detectores de ionização como o Detector de Ionização de Chama (CG-FID), Detector de Ionização de Superfície (CG-SID) e o detector por espectrometria de massas (CG-EM) (EICEMAN et al., 1998).

Análise de cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de

massas (CG-EM)

A técnica de cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas (CG-EM) tem se tornado a técnica analítica mais utilizada nos últimos tempos em análise de óleos essenciais. Esse conjunto permite uma boa análise qualitativa devido a sua alta sensibilidade além de dar informações espectrais dos componentes (MCFADDEN, 1973). A qualidade da análise depende do método de ionização. O método de ionização mais usado atualmente é o de ionização por Impacto de Elétrons (EI), podendo ser auxiliado por Ionização Química (IC), identificando o íon molecular e aumentando a sensibilidade do método. Outros métodos de ionização empregados em espectroscopia de massas são a Ionização de Plasma Indutivamente Acoplado (ICP) e a Ionização a Laser (EICEMAN et al., 1998).

O EI, embora seja um método de ionização relativamente simples, fornece alta sensibilidade e resposta uniforme a todas as moléculas e átomos. Além disso, os padrões de fragmentação observados, combinados com as bibliotecas ricas em espectros de massa com EI de 70 eV, produzem informações valiosas para identificação molecular substancial e capacidade de informação estrutural (DAGAN e AMIRAV, 1995).

A análise CG-EM, além dos dados qualitativos, fornece, também, informações quantitativas. Depois da obtenção do cromatograma, faz-se a integração dos sinais, que

transformam a intensidade do sinal emitido pelo detector em uma medida relacionada com a quantidade da substância analisada (BONATO, 2006). Os métodos de integração eletrônicos mais utilizados são: método da normalização, padronização externa, padronização interna (KAISER e DEBBRECHT, 1977). No método da normalização, uma amostra é injetada no cromatógrafo, o qual gera picos para todos os componentes da amostra, de modo que tenham respostas idênticas no detector. Em seguida, é feito uma comparação da área obtida no cromatograma com a porcentagem da composição da mistura.

Análise térmica

A análise térmica é uma técnica utilizada mundialmente e é utilizada frequentemente para a caracterização de materiais. Existe uma grande preocupação para quem trabalha com análise térmica no que diz respeito à nomenclatura, definições e forma de apresentação dos resultados utilizados em livros, artigos, teses e dissertações. No Brasil, a Associação Brasileira de Análise Térmica e Calorimetria (ABRATEC) é a principal responsável pela regularização ou normalização destes termos publicados em português. Nesta Dissertação, todos os termos sobre análise térmica foram postos de acordo com a ABRATEC.

Com bases nos documentos da ABRATEC, a análise térmica pode ser definida, basicamente, como sendo um conjunto de técnicas em que uma propriedade física de uma substância e/ou produto de reação é medido em função da temperatura enquanto a substância é submetida a um programa controlado de temperatura. Para que uma técnica possa ser considerada termoanalítica, ela deve atender a três princípios (WENDLANDT, 1986):

o uma propriedade física deve ser medida;

o a medida deve ser expressa (direta ou indiretamente) em função da temperatura; o a medida deve ser feita sob um programa controlado de temperatura.

Existem várias técnicas de análise térmica, dentre elas as mais usadas são a termogravimetria e termogravimetria derivada (TG-DTG), análise térmica diferencial (DTA), calorimetria exploratória diferencial (DSC) e análise termomecânica (TMA). Essas técnicas permitem obter informações como ponto de fusão, ponto de ebulição, mudanças na estrutura cristalina, cinética da reação, etc. (BLAZEK, 1973). A análise térmica pode ser aplicada em diversas áreas de conhecimento, tais como: ciências naturais, forenses e geociências. Vários materiais podem ser analisados por meio da análise térmica como, materiais inorgânicos, orgânicos, poliméricos, metalúrgicos farmacêuticos, etc. (IONASHIRO, 2005).

Apesar das técnicas termoanalíticas serem amplamente usadas em várias áreas do conhecimento, sua aplicação em óleos essenciais ainda é pouco estudada. O controle de qualidade dos óleos essenciais normalmente inclui análise sensorial e química. Usualmente, é feita a caracterização físico-química dos óleos essenciais como massa específica, índice de refração e rotação ótica. Dessa forma, o aparecimento de técnicas instrumentais modernas complementa essas investigações, como é o caso da análise térmica (MONTEIRO, 2008).

Estudos de perda de massa em função do aquecimento são de grande importância na análise de materiais. Usualmente a técnica de DSC é utilizada para obter informações como ponto de fusão, ponto de ebulição, cujas propriedades são essenciais nas indústrias químicas.

Embora pouco usados na química de óleos essenciais, os métodos termoanalíticos são aplicados com sucesso no controle de qualidade de óleos vegetais (WESOLOWSKIE e ERECINSKA, 1998; SAMYN et al., 2011). OCHOCKA et al. (1990) e OCHOCKA et al. (1992) demonstraram que a análise térmica pode ser utilizada na avaliação da qualidade de óleos essenciais.

Nos últimos anos, o desenvolvimento da instrumentação termoanalítica tem se caracterizado pela combinação de métodos térmicos com outros métodos de análise (MOTHÉ e AZEVEDO, 2009). Ohrbach et al. (1983) estudaram a degradação térmica de complexos metálicos utilizando a termogravimetria acoplada a um equipamento de análise

térmica diferencial e um espectrômetro de massa (TG-DTA-EM). Este tipo de investigação é essencial quando se pretende conhecer a estabilidade térmica de um material, bem como os compostos que vão sendo gerados durante a ação térmica. A TG também tem sido combinada com espectroscopia de absorção na região do infravermelho e raios X, cromatografia gasosa, entre outras (KINOSHITA et al., 1993).

Além das técnicas combinadas, as técnicas de análises simultâneas também são muito utilizadas. As técnicas simultâneas envolvem a medida de duas ou mais propriedades numa mesma porção de amostra uma única programação de temperatura (BROWN, 1988). As técnicas de medidas simultâneas amplamente difundidas são as termogravimetria-análise térmica diferencial (TG-DTA), termogravimetria-calorimetria diferencial de varredura (TG-DSC) e análise termomecânica-análise térmica diferencial (TMA-DTA) (HUMBEECK, 1998).

Termogravimetria (TG)

Existem algumas definições aceitáveis para termogravimetria. Blazek (1973) define este método como sendo o registro contínuo da massa de uma amostra quando submetida a aquecimento ou resfriamento. Wendlandt (1986), por sua vez, define como o registro da alteração na massa de uma amostra (perda ou ganho) em função da temperatura e/ou do tempo. Estes equipamentos são também denominados de termobalança. Trata-se da combinação de uma microbalança eletrônica com um forno associado a um programador linear de temperatura (BROWN, 1988).

O experimento de análise termogravimétrica consiste, basicamente, em colocar a amostra em um cadinho (ou porta-amostra), o qual é levado para uma pequena plataforma suspensa por um fio metálico de platina conectado a uma balança. A atmosfera do forno deve ser escolhida de acordo com o tipo de amostra a ser estudada, podendo ser dinâmica ou estática. Os gases utilizados podem ser o hélio, nitrogênio ou argônio, como gases inertes ou de arraste, ou o oxigênio como gás oxidante (WENDLANDT, 1986). Os dados gerados como tempo, temperatura e massa da amostra são registrados automaticamente. Os

métodos de termogravimetria frequentemente usados são: termogravimetria isotérmica, termogravimetria quase-isotérmica e termogravimetria não-isotérmica (dinâmica).

Alguns fatores podem influenciar na curva TG, dentre os quais se podem citar: fatores instrumentais (razão de aquecimento, atmosfera do forno, geometria do recipiente) e características da amostra (quantidade de amostra, solubilidade dos gases envolvidos na amostra, natureza da amostra) (WENDLANDT, 1986).

Termogravimetria derivada (DTG)

As curvas de derivadas termogravimétricas (DTG) são normalmente empregadas para interpretar as curvas termogravimétricas (TG), principalmente quando ocorrem pequenas variações durante a ação térmica, que são impossíveis de se identificar apenas com a TG. A curva TG normalmente expressa a dependência da massa da amostra (m) com a temperatura (T) ou tempo (t), enquanto a curva DTG mostra a variação no peso com o tempo (dm/dt) em função da temperatura ou tempo (BLAZEK, 1973), segundo as Equações (2.1) e (2.2). ) , (T out f m (2.1) ) , (T out f dt dm  (2.2)

As curvas DTG apresentam os resultados em forma de picos, ou, dependendo da substância, em uma série de picos. Isso traz algumas vantagens como identificação mais clara das temperaturas inicial e final da reação, bem como a temperatura em que a taxa de perda de massa alcança o seu valor máximo, Tmáx. É importante frisar que a DTG apenas apresenta os resultados de forma diferente, cujas informações podem ser visivelmente mais acessíveis e os valores de DTG podem ser usados para obter informações cinéticas (WENDLANDT, 1986).

2.2.6 Grandezas termodinâmicas

A obtenção de parâmetros cinéticos sempre foi objeto de investigação na comunidade científica. Parâmetros termodinâmicos como calor molar de vaporização,

Hvap, e energia de ativação, Evap, são de grande importância para o dimensionamento e operação de plantas químicas (RAO e VISWANATHL, 1973). Nesse sentido, a termogravimetria tem se mostrado como uma ferramenta para obtenção de tais grandezas. Kumar et al. (1985) determinaram o perfil da taxa de evaporação de alguns líquidos por meio da termogravimetria. Aggarwal et al. (1997) usaram a análise termogravimétrica para determinar os dados cinéticos do benzoato de metila, composto de grande importância na fabricação de perfumes.

Não menos importante que Evap e Hvap, a pressão de vapor é uma propriedade de extrema importância na indústria química. Os projetos de colunas de destilação dependem crucialmente deste parâmetro (CASSERINO et al., 1996). Por muito tempo determinou-se a pressão de vapor de vários líquidos pelo método isoteniscópio e pelo ebuliômetro. No entanto, estes métodos além de necessitar de uma grande quantidade de substância, requerem um tempo longo para realização dos ensaios (CASSERINO et al., 1996). Neste caso, a termogravimetria demonstra-se ser boa ferramenta para determinação desses parâmetros, não só pela rapidez dos ensaios, como pela pequena quantidade de amostra necessária para realização dos ensaios experimentais. Este é um fator fundamental, principalmente quando se trabalha com materiais caros.

Existem diversos trabalhos que utilizam a análise termogravimétrica para determinação de pressão de vapor. Wright et al. (2004) determinaram as curvas de pressão de vapor do ácido adípico e trietanolamina pela técnica TG-DTA. Price (2001) determinou a pressão de vapor de plastificantes e absorventes UV por TGA. Price e Hawkins (1998) utilizaram a TGA para determinar a pressão de vapor de vários corantes. Butrow e Sayler (2003) demonstraram que a pressão de vapor de vários líquidos pode ser determinada por DSC.

Neste contexto, os óleos essenciais, devido a sua ampla variedade de aplicações, vêm se tornando uma fonte inesgotável de investigação científica e tecnológica, principalmente pela obtenção dos componentes majoritários. Por se tratarem de substâncias líquidas voláteis, os valores de Hvap, Evap e de pressão de vapor dos óleos essenciais são fundamentais não só para o projeto do equipamento, quando se pretende concentrar os componentes majoritários por meio da destilação, como para o próprio entendimento fenomenológico do processo de separação (CREMASCO e BRAGA, 2010).

2.2.7 Teoria

Energia molar de ativação

A evaporação pode ser acompanhada por meio da determinação da taxa de perda de massa quando uma substância sofre uma transição da fase líquida para vapor (DOLLIMORE e O’CONNELL, 1998). Dados de energia de ativação podem ser adquiridos diretamente da curva termogravimétrica (TG) de massa em função da temperatura ou tempo, convertidos em curva DTG, em que a taxa de perda de massa (dm/dt) é medida em função da temperatura ou do tempo.

O formato dos gráficos DTG é instrumental na atribuição de um mecanismo cinético preliminar para o processo. No caso de um mecanismo de ordem zero ideal, o gráfico DTG apresenta um aumento na taxa de perda de massa até um valor máximo de dm/dt em um ponto onde todo material é evaporado. A curva DTG então decresce verticalmente até a linha de base, caracterizando reação de ordem zero, comportamento típico de evaporação (CHATTERJEE et al., 2002; HAZRA et al., 2002; CREMASCO et al., 2010).

O método frequentemente usado para determinação dos parâmetros cinéticos de evaporação é baseado na equação de Arrhenius (Equação 2.3) (O’CONNELL, 1999).

         RT E A

em que k_vapé o coeficiente de evaporação; T, temperatura absoluta; R, a constante universal dos gases; A, o fator pré-exponencial e Evap, a energia molar de ativação necessária para que a evaporação ocorra. O valor do coeficiente de evaporação, k_vap, pode ser obtido segundo a Equação (2.4) (HAZRA et al., 2002).

1 (1 ) vap n d k dt     (2.4)

em que o expoente n é a ordem da reação e  a fração evaporada dada por

f i t i m m m m     (2.5)

em que mi e mf é a massa inicial e final em miligramas, respectivamente. Já mt é massa em um determinado tempo t (HAINES, 1995).

Quando acontece evaporação, a reação passa a ser caracterizada como processo de ordem zero. Desse modo, a Equação (2.4) pode ser descrita como (CREMASCO et al., 2010) vap d k dt   (2.6)

ou na forma, cuja fração evaporada fica sendo igual ao produto do tempo e o coeficiente de evaporação, kvap, ou seja (HAINES, 1995),

t k_vap.



 (2.6)

A uma temperatura constante, k_vapé igual a d/dt (HAINES, 1995). Nesse caso, a taxa de evaporação é dada por dm/dt e, para uma reação de ordem zero, o coeficiente de evaporação pode ser calculado dividindo dm/dt por unidade de área (DOLLIMORE e O’CONNELL, 1998).

Geralmente assume-se que o fator pré-exponencial, a ordem da reação e a energia de ativação não variam durante o curso da reação (SHEN e ALEXANDER, 1999). Dessa forma, construindo um gráfico na forma de ln(kvap)vs1/T nos dá o valor de Evap, por

meio do coeficiente angular da reta multiplicado pela constante universal dos gases, R, (DOLLIMORE et al., 1992; CREMASCO e BRAGA, 2011).

Calor molar de vaporização

A equação de Clausius-Clapeyron é frequentemente referida como a equação clássica e mais amplamente usada para avaliar as características de pressão de vapor com a temperatura, podendo ser usada para obter o calor molar de vaporização (HAZRA et al., 2004). Esta equação pode escrita, conforme (CREMASCO et al., 2010), como

2 ) ( RT H Δ dT p ln d vap  (2.7)

sendo (H_vap) o calor molar de vaporização, no caso de líquidos, ou calor molar de sublimação (Hsub), no caso de sólidos.

Price e Hawkins (1998) mostraram que é possível usar a técnica de análise térmica para determinar a pressão de vapor de uma substância por meio da equação de Langmuir para evaporação livre segundo (CREMASCO et al., 2010)

1 . ( _{i f}) . 2 d M p a dt m m RT      (2.8)

em que a é a área do recipiente (cadinho); p , pressão de vapor; M , massa molar da substância; , coeficiente de vaporização, usualmente constante com o valor igual a 1 (PRICE e HAWKINS, 1998), no entanto, na presença de um gás de arraste o valor desta constante tende a ser diferente de uma unidade (CHATTERJEE et al., 2001); R , constante universal dos gases; e T , a temperatura absoluta.

Identificando o coeficiente de evaporação da Equação (2.4), na Equação (2.8), esta passa a ser escrita como

( ) . . 2 vap i f M k a p m m RT     (2.9)

Dessa forma, a Equação (2.9) apresenta um resultado muito promissor ao ponto de se poder explicar a pressão de vapor em função do coeficiente de evaporação por meio de (CREMASCO et al., 2010; CREMASCO e BRAGA, 2011)

. _vap p Y (2.10) com 1 2 . a R     (2.11) e ( ) vap vap i f T Y k m m M   (2.12)

Substituindo a Equação (2.12) na Equação (2.10) e o resultado obtido na Equação (2.7), obtém-se 1/2 2 [ ( ) ( ) ] vap i f vap ΔH d ln k m m T dT    RT (2.13)

ou, a partir da Equação (2.12),

2 ) ( RT H Δ Y ln dT d vap vap  (2.14)

 

Assim sendo, o valor do calor molar de vaporização pode ser obtido, cujo valor advém do coeficiente angular da reta obtida ao se construir um gráfico na forma

1/T vs ) (Y ln vap .

Pressão de vapor

Para os cálculos da pressão de vapor, retomam-se as Equações (2.10), (2.11) e (2.12). Uma vez que  _{venha a ser constante para uma determinada configuração} experimental, então o gráfico p vs Y _vap fornece o valor de  , o qual se mantém constante para qualquer substância. Este valor pode ser obtido por meio do conhecimento de uma substância-padrão, cujos valores de pressão de vapor advêm de informações conhecidas da literatura, por exemplo, por intermédio da equação de Antoine,

C T B A (p) log    (2.16)

em que p é a pressão de vapor a uma pressão absoluta T; os termos A, B, e C são as constantes de Antoine para uma determinada substância a uma dada faixa de temperatura. Dessa maneira, ao se utilizar a Equação (2.16) em conjunto com a Equação (2.15), na Equação (2.10), torna-se possível construir um gráfico na forma de p vs Y_vap, o qual, caso resulte em uma reta, obtém-se o valor da constante  . O valor desta constante pode ser utilizado para calcular o valor da pressão de vapor para uma substância cujas constantes de Antoine não são conhecidas (WRIGHT et al., 2004). A determinação da curva de pressão para a substância desejada advirá do conhecimento da análise termogravimétrica por meio da obtenção curva obtida pela Equação (2.15) e da constante da célula de medição  .

Métodos convencionais de obtenção de parâmetros termodinâmicos

Os métodos convencionais de determinação experimental de grandezas termodinâmicas podem ser divididos em dois grupos. O primeiro é considerado como métodos diretos os quais se baseiam em medidas calorimétricas. Já o segundo, grupo dos métodos indiretos, utilizam-se de outros dados para obtenção de tais grandezas.

Em Majer e Svoboda (1989) há algumas abordagens em relação aos métodos mais convencionais de obtenção de grandezas termodinâmicas como pressão de vapor e calor de vaporização. Nesse caso, eles apresentam como principais métodos diretos: calorimétricos (condensação e vaporização), manométricos e isoteniscópicos (método estático), ebuliométricos (método dinâmico) e as células de Knudsen (método da efusão). Os principais métodos indiretos são: as determinações cromatográficas (cromatografia) e as determinações termogravimétricas (termogravimetria), as quais foram utilizadas neste trabalho.

Na literatura é possível encontrar diversos trabalhos que utilizam técnicas diretas. Kruif et al. (1981) determinaram a pressão de vapor de naftaleno líquido e sólido utilizando o método estático empregando manômetros. Na última década, Ewing e Ochoa (2004) determinaram pressões de vapor de acetonitrila por meio do método dinâmico utilizando ebuliometria comparativa. Silva e Monte (1990) determinaram pressões de vapor e entalpias de sublimação de compostos organometálicos sólidos e orgânicos por meio do método da efusão em célula de Knudsen. Em relação às técnicas indiretas, Kweskin et al. (2006) avaliaram entalpias de vaporização, fusão e sublimação de uma série de alcanos por correlações de cromatografia gasosa. Em relação à termogravimetria, Dollimore et al., (1992); Shen e Alexander (1999); Chatterjee et al. (2001); Hazra et al. (2002); Wright et al. (2004) são exemplos de autores que utilizaram e indicam o uso desta técnica como ferramenta de obtenção de grandezas termodinâmicas de várias substâncias. Um breve resumo das descrições, vantagens e desvantagens dos principais métodos convencionais e sua comparação com o método termogravimétrico pode ser visto nas Tabelas 2.3 e 2.4, respectivamente.