UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU - FURB
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
MESTRADO ACADÊMICO EM QUÍMICA
ESTUDOS DO COMPORTAMENTO DE CORANTES
SOLVATOCRÔMICOS EM SOLUÇÕES DE CICLODEXTRINAS
CRISTINA DE GARCIA VENTURINI
BLUMENAU
2005
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CRISTINA DE GARCIA VENTURINI
ESTUDOS DO COMPORTAMENTO DE CORANTES SOLVATOCRÔMICOS EM
SOLUÇÕES DE CICLODEXTRINAS
Dissertação apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Química do
Centro de Ciências Exatas e Naturais
da
Universidade
Regional
de
Blumenau como requisito parcial para
a obtenção do grau de Mestre em
Química.
Prof. Dr. Clodoaldo Machado - Orientador
BLUMENAU
2005
CRISTINA DE GARCIA VENTURINI
ESTUDOS DO COMPORTAMENTO DE CORANTES
SOLVATOCRÔMICOS EM SOLUÇÕES DE CICLODEXTRINAS
Esta dissertação foi julgada e aprovada em sua forma final pelo Orientador e
membros da Banca Examinadora
Prof. Dr. Clodoaldo Machado
Orientador
Prof. Dr. Ricardo Andrade Rebelo
Coordenador
Banca Examinadora
Prof. Dr. Clodoaldo Machado
FURB
Prof. Dr. Vanderlei Gageiro Machado
UNISUL
Prof. Dr. Jürgen Andreaus
FURB
Prof. Dr. Valdir Soldi
UFSC
AGRADECIMENTOS
À minha família, principalmente à minha mãe Eliane e meu irmão
Vinícius, por sempre acreditarem na minha determinação e busca dos meus
objetivos de vida. Ao meu pai, Pedro e à minha irmã Patrícia.
Ao meu namorado, Luiz Paulo, pelo carinho, compreensão e amor
demonstrado durante estes anos.
Ao meu orientador Professor Dr. Clodoaldo Machado e aos meus
co-orientadores Professores Dr. Vanderlei Gageiro Machado e Dr. Jürgen
Andreaus pela experiência e dedicação prestada para a concretização deste
trabalho.
À minha amiga Ana Paula pela ajuda e força para a realização
deste objetivo.
À Carolina Ludwig Quintani pelos dados concedidos à este trabalho.
A todos que direta ou indiretamente contribuíram para a busca dos
meus ideais,
Meu Sincero Obrigado.
iv
ÍNDICE GERAL
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................1
1.1. Propriedades dos solventes..............................................................................1
1.2 Solvatocromismo ...............................................................................................3
1.3 Parâmetros de caracterização do solvente........................................................8
1.4 Ciclodextrinas ..................................................................................................11
1.4.1 Introdução às ciclodextrinas......................................................................11
1.4.2. Aspectos estruturais.................................................................................12
1.4.3 Ciclodextrinas naturais ..............................................................................17
1.4.4 Ciclodextrinas modificadas........................................................................19
1.4.5. Complexos de inclusão ............................................................................21
1.4.6. Mecanismos responsáveis pela inclusão .................................................23
1.4.7 Caracterização do complexo de inclusão..................................................28
1.4.8 Aplicações industriais das ciclodextrinas ..................................................30
1.5 Objetivos..........................................................................................................33
1.5.1 Objetivo Geral ...........................................................................................33
1.5.2 Objetivos Específicos ................................................................................33
2. PARTE EXPERIMENTAL .....................................................................................34
2.1 Materiais ..........................................................................................................34
2.2 Métodos ...........................................................................................................34
2.2.1 Estudo espectroscópico da MB em soluções aquosas contendo diferentes
ciclodextrinas .....................................................................................................34
2.2.2 Estudo espectroscópico da MB em diversos solventes na presença de Mβ-CD...................................................................................................................35
2.2.3 Estudo espectroscópico do CR em diferentes solventes na presença de Mβ-CD...................................................................................................................35
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................36
3.1 Estudos do comportamento da MB em solução aquosa contendo diferentes
ciclodextrinas .........................................................................................................36
v
3.1.1. Merocianina de Brooker em solução aquosa na presença de α-CD ........38
3.1.2 Merocianina de Brooker em solução aquosa na presença de β-CD .........39
3.1.3 Merocianina de Brooker em solução aquosa na presença de γ-CD..........40
3.1.4 Merocianina de Brooker em solução aquosa na presença de M-β-CD ....42
3.1.5 Merocianina de Brooker em solução aquosa na presença de HP-β-CD ...43
3.2 Estudos do efeito do solvente sobre o comportamento da MB em soluções de
M-β-CD ..................................................................................................................48
3.3 Estudos do comportamento do CR em diferentes soluções de M-β-CD.........55
4. CONCLUSÃO .......................................................................................................68
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.....................................................................71
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Corantes Solvatocrômicos: (1) merocianina de Brooker, (2) corante de
Reichardt e (3) quinolínio Betaína de Ueda-Schelly...................................................4
Figura 2. Merocianina de Brooker na (a) forma quinoidal e (b) forma zwitteriônica....5
Figura 3. Corante de Reichardt na (a) forma zwitteriônica e (b) forma quinoidal........7
Figura 4. Estrutura da α-CD: (a) seqüência de monômeros de glicose e (b)
numeração de um monômero de glicose (Lipkowitz, 1998 e SAENGER et al, 1998).
..................................................................................................................................13
Figura 5. Conformação de cadeira 4C1 clássica das unidades de glicose (Saenger et
al,1998). ....................................................................................................................14
Figura 6. Estrutura da β-CD: (a) estrutura de tronco de cone e (b) estrutura vista do
topo (UEKAMA et al, 1998). ......................................................................................14
Figura 7. Dimensão e tamanho da cavidade das ciclodextrinas naturais (Szejtli,
1998). ........................................................................................................................15
Figura 8. Descrição geométrica da ciclodextrina: (a) rotação dos grupos C6-O6 e
movimentos rotacionais sobre a ligação glicosídica C1(n)-O1(n-1)-C4(n-1) e (b) plano
principal da glicose e o plano principal da ciclodextrina (LIPKOWITZ, 1998)............15
Figura 9. Tipos de estruturas de CDs cristalizadas: (a) espinha de peixe; (b) tijolo e
(c) canal (SAENGER et al, 1998). .............................................................................16
Figura 10. Estrutura das ciclodextrinas naturais (LI e PURDY, 1992). .....................17
Figura 11. Estruturas de cristal: (a) δ-CD, (b) ε-CD e (c) ι-CD (HARATA, 1998)......18
vii
Figura 12. Estrutura das ciclodextrinas modificadas (SZEJTLI, 1998). ....................19
Figura 13. Mecanismo de formação de complexo de inclusão entre o substrato e a
ciclodextrina (LIPKOWITZ,1998)..............................................................................24
Figura 14. Estrutura de alguns compostos utilizados na complexação com CDs.....32
Figura 15. Variação do λmáx da MB em função das diferentes concentrações de CDs
em solução aquosa. ..................................................................................................37
Figura 16. Espectros de UV/Vis da MB em soluções aquosas contendo diferentes
concentrações de α-CD. ...........................................................................................38
Figura 17. Análise segundo a equação de Scott para o cálculo da constante de
inclusão da MB em α-CD. .........................................................................................39
Figura 18. Espectros de UV/Vis da MB em soluções aquosas contendo diferentes
concentrações de β-CD.............................................................................................40
Figura 19. Espectros de UV/Vis da MB em soluções aquosas contendo diferentes
concentrações de γ-CD. ............................................................................................41
Figura 20. Espectros de UV/Vis da MB em soluções aquosas contendo diferentes
concentrações de M-β-CD.........................................................................................42
Figura 21. Análise segundo a equação de Scott para o cálculo da constante de
inclusão da MB em M-β-CD. .....................................................................................43
Figura 22. Espectros de UV/Vis da MB em soluções aquosas contendo diferentes
concentrações de HP-β-CD.......................................................................................44
viii
Figura 23. Análise segundo a equação de Scott para o cálculo da constante de
inclusão da MB em HP-β-CD. ...................................................................................44
Figura 24. Soluções aquosas da MB (4,7 x 10–5 mol.dm-3) na (a) ausência de CD;
(b) presença de γ-CD; (c) α-CD; (d) β-CD; (e) M-β-CD e (f) HP-β-CD, todas as
soluções na concentração de 0,02mol.dm-3 de cada ciclodextrina. ..........................45
Figura 25. Variação do λmáx da MB em função da concentração de M-β-CD em
solventes polares próticos. ........................................................................................50
Figura 26. Variação do λmáx da MB em função da concentração de M-β-CD em
solventes polares apróticos. ......................................................................................51
Figura 27. Espectros de UV/Vis da MB em metanol contendo diferentes
concentrações de M-β-CD.........................................................................................52
Figura 28. Espectros de UV/Vis da MB em etanol contendo diferentes
concentrações de M-β-CD.........................................................................................52
Figura 29. Espectros de UV/Vis da MB em DMSO contendo diferentes
concentrações de M-β-CD.........................................................................................54
Figura 30. Espectros de UV/Vis da MB em acetona contendo diferentes
concentrações de M-β-CD.........................................................................................55
Figura 31. Variação do λmáx do CR em função da concentração da M-β-CD em
solventes polares próticos e apróticos. .....................................................................57
Figura 32. Espectros de UV/Vis do CR em acetonitrila contendo diferentes
concentrações de M-β-CD.........................................................................................59
Figura 33. Variação do λmáx do CR em função da concentração de M-β-CD em
solventes apolares. ...................................................................................................60
ix
Figura 34. Espectros de UV/Vis do CR em diclorometano contendo diferentes
concentrações de M-β-CD.........................................................................................61
Figura 35. Análise segundo a equação de Benesi-Hildebrand para o cálculo da
constante de associação do CR em diclorometano na presença de M-β-CD. ..........61
Figura 36. Espectros de UV/Vis do CR em clorofórmio contendo diferentes
concentrações de M-β-CD.........................................................................................62
Figura 37. Análise segundo a equação de Benesi-Hildebrand para o cálculo da
constante de associação do CR em clorofórmio na presença de M-β-CD. ...............63
Figura 38. Soluções do CR (1,0 x 10-4 mol.dm-3) em clorofórmio na (a) ausência de
CD e (b) na presença de M-β-CD (0,02 mol.dm-3). ...................................................64
x
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1. Algumas propriedades da α-, β-, M-β-, HP-β e γ-CDs..............................21
Tabela 2. Valores de constantes de inclusão de diversos substratos em solução
aquosa na presença de diferentes CDs. (REKHARSKY e INOUE, 1998).................28
Tabela 3. Variação do λmáx da MB entre as concentrações de 0,00 e 0,02 mol.dm-3
de CD em soluções aquosas.* ..................................................................................37
Tabela 4. Valores do λmáx da MB em função da concentração de M-β-CD em
solventes polares próticos. ........................................................................................48
Tabela 5. Valores do λmáx da MB em função da concentração de M-β-CD em
solventes polares apróticos. ......................................................................................49
Tabela 6. Valores da ∆λmáx, ETN, α e β para cada solvente utilizado nos
experimentos com a MB na presença de M-β-CD.....................................................53
Tabela 7. Valores do λmáx do CR em diferentes solventes na presença de M-β-CD.56
Tabela 8. Valores da ∆λmáx, ETN, α e β para cada solvente utilizado nos
experimentos com o CR na presença de M-β-CD.....................................................58
Tabela 9. Comparação entre o valor de λmax para as bandas solvatocrômicas do CR
e da MB em solventes puros, em solventes com 10% (w/w) de água e em solventes
com 0,02 mol dm-3 de M-β-CD. .................................................................................66
xi
ÍNDICE DE ABREVIATURAS
α-CD.........................................α-ciclodextrina
β-CD..........................................β-ciclodextrina
CD.............................................ciclodextrina
CDs...........................................ciclodextrinas
CGTases...................................ciclodextrina glicosiltransferases
CR.............................................corante de Reichardt
DLH...........................................doador de ligações de hidrogênio
DMA..........................................dimetilacetamida
DMF..........................................dimetilformamida
DMSO.......................................dimetilsulfóxido
DPE...........................................doador de par de elétrons
ETN.............................................energia de transição eletrônica normalizada
γ-CD..........................................γ-ciclodextrina
HP-β-CD....................................hidroxilpropil-β-ciclodextrina
λmáx............................................comprimento de onda máximo
MB.............................................merocianina de Brooker
M-β-CD......................................metil-β-ciclodextrina
N................................................número de pontos
pH..............................................potencial de hidrogênio
R2 ..............................................coeficiente de correlação
RMN..........................................ressonância magnética nuclear
RPE...........................................receptor de par de elétrons
S................................................substrato
SD.............................................desvio padrão
TMS...........................................tetrametilsilano
UV/Vis.......................................região do ultra violeta e visível
xii
RESUMO
Neste trabalho investiga-se o comportamento de corantes solvatocrômicos
em soluções contendo ciclodextrinas a fim de verificar a possível formação de
complexos
de
inclusão.
O
comportamento
espectroscópico
das
bandas
solvatocrômicas da merocianina de Brooker e do corante de Reichardt em diversos
solventes próticos (água, metanol, etanol, propan-2-ol, butan-1-ol e 2-metilpropan-2ol), dipolares apróticos (acetona, acetonitrila, dimetilsulfóxido, dimetilacetamida e
dimetilformamida) e apolares (diclorometano e clorofórmio) contendo ciclodextrinas
(α-, β-, γ-, metil-β- e hidroxipropil-β-CD) foi registrado pela técnica de UV/Vis. Os
estudos realizados demonstraram a ocorrência de deslocamentos batocrômicos em
soluções aquosas e deslocamentos hipsocrômicos nos demais solventes polares
próticos, polares apróticos e apolares com a adição da ciclodextrina.
Os resultados obtidos com a merocianina de Brooker apontaram para a
formação de complexo de inclusão em meio aquoso. As constantes de inclusão
foram determinadas a partir da equação de Scott, obtendo-se os valores de
3
-1
3
-1
3
-1
232,12 dm . mol ,128,15 dm . mol e 256,95 dm . mol para a α-CD, metil-β-CD e
hidroxipropil-β-CD, respectivamente. Em meio alcoólico não foram verificadas
interações entre os corantes solvatocrômicos e a metil-β-CD, devido ao fato dos
álcoois apresentarem pronunciadas características doadoras de ligações de
hidrogênio. Para os solventes polares apróticos, dimetilformamida, dimetilsulfóxido e
dimetilacetamida, observaram-se interações fracas entre os corantes e a metil-β-CD,
enquanto que em acetonitrila e acetona essas interações são intensas, sendo as
mesmas regidas pela capacidade doadora do meio. Em meio apolar, com o corante
de Reichardt, foi observada a formação de complexo de associação, regida
provavelmente pela formação de ligações de hidrogênio entre o corante e a
ciclodextrina.
Palavras-chave: corante solvatocrômico, ciclodextrinas, complexo de
inclusão, interações hidrofóbicas, ligações de hidrogênio.
xiii
ABSTRACT
The present work aims to investigate the behavior of solvatochromic dyes
in solutions containing cyclodextrins in order to verify the possible formation of
inclusion complexes. The spectroscopic behavior of the solvatochromic bands of
Brooker’s merocyanine and Reichardt’s dye in different aprotic solvents (water,
methanol, ethanol, propan-2-ol, butan-2-ol and 2 methylpropan-2-ol), aprotic-dipolar
solvents
(acetone,
dimethylformamide)
acetonitrile,
and
containing cyclodextrins
apolar
dimethylsufoxide,
solvents
dimethylacetamide
(dichloromethane
and
and
chloroform)
(α-, β-, γ-, methyl-β- and hydroxypropyl-β-CD) was
registered by the UV/Vis technique. The performed studies demonstrated the
occurrence of bathochromic shifts in aqueous solutions and the occurrence of
hypsochromic shifts in the other polar-protic, polar-aprotic and apolar solvents by the
addition of cyclodextrin.
Moreover, the results obtained with Brooker’s merocyanine pointed to the
formation of inclusion complex in aqueous medium. The inclusion constants were
3
-1
3
-1
calculated with Scott´s equation, being 232,12 dm . mol , 128,15 dm . mol
3
-1
256,95 dm . mol
and
for α-CD, methyl-β-CD and hydroxypropyl-β-CD, respectively. In
alcoholic medium it was not observed interactions of the dyes with the methyl-β-CD,
probably due to the fact that alcohols present pronounced hydrogen bond donor
capacities. For the aprotic polar solvents, dimethylformamide, dimethylsufoxide and
dimethylacetamide, it was observed weak interactions of the dyes with the methyl-βCD, while in acetone and acetonitrile these interactions were strong, being directed
by the donor capacity of the medium. In apolar medium it was observed the formation
of an association complex, probably directed by the establishment of hydrogen bonds
of the dye and the cyclodextrin.
Key
words:
solvatochromic
hydrophobic interactions, hydrogen bonds.
dye,
cyclodextrin,
inclusion
complex,
1
1. INTRODUÇÃO
1.1. Propriedades dos solventes
Durante muitos anos considerou-se uma reação química um processo em
que substâncias reagentes se combinavam de forma a dar origem a um ou mais
produtos, desconsiderando-se o papel exercido pelo solvente. A partir da
esterificação do ácido acético em etanol realizada por Berthelot e Péan de SaintGilles em 1862, foi verificada a influência do solvente em uma reação. A velocidade
de esterificação sofre alteração, sendo a mesma desacelerada pela adição de um
solvente neutro não pertencente à reação propriamente dita. Tal fato comprovou a
influência do solvente no processo da reação. Trabalhos realizados por Menshutkin
(1890), no sentido de ratificar esta descoberta concluíram que uma reação química
não pode ser separada do meio em que é processada. Segundo Claisen, Knorr e
Wislicenus, a reação química “depende da natureza dos substituintes, da
temperatura e, para compostos em solução, também da natureza do solvente”. Estes
resultados foram primeiramente revisados por Stobbe em 1903, que dividiu os
solventes em: doadores de ligações de hidrogênio (próticos) e não doadores de
ligações de hidrogênio (apróticos) (Apud REICHARDT, 1994). Os solventes próticos,
como a água, o metanol e a formamida, possuem constantes dielétricas acima de
15. Já os solventes apróticos, apesar de conter átomos de hidrogênio, não podem
doar esses átomos para formar fortes ligações de hidrogênio. Alguns exemplos de
solventes
apróticos
são
dimetilformamida
(DMF),
dimetilacetamida
(DMA),
dimetilsulfóxido (DMSO), acetona e acetonitrila (PARKER, 1962).
Sendo estas premissas verdadeiras, partiu-se para estudos que levassem
ao melhor entendimento de como o solvente poderia influenciar efetivamente a
reação química. Descobriu-se que o responsável por todos os efeitos do meio é a
solvatação diferencial de reagentes e produtos; reagentes e complexos ativados; ou
moléculas em seu correspondente estado fundamental ou excitado. A extensão
deste diferencial de solvatação depende de forças intermoleculares entre soluto e
moléculas do solvente (BUCKINGHAM et al, 1988). As interações intermoleculares
envolvendo soluto e solvente são de natureza complexa e difíceis de serem
2
determinadas quantitativamente (REICHARDT, 1994). A necessidade de idealizar
modelos eletrostáticos para a descrição da solvatação de íons e moléculas
dipolares, considerando o solvente como uma estrutura contínua, levou ao uso de
constantes físicas, como a constante dielétrica estática, momento dipolar
permanente e índice de refração, como parâmetros macroscópicos do solvente para
avaliar o efeito do meio. Todavia, as interações soluto/solvente ocorrem em um nível
molecular microscópico dentro de uma estrutura descontínua consistindo de
moléculas individuais do solvente, capazes de interações mútuas soluto/solvente.
Tal consideração levou à busca de parâmetros que pudessem ser capazes de
melhor definir estas interações (REICHARDT, 1988).
As propriedades físicas e químicas dos solventes são muito importantes
para uma completa compreensão da relevante influência de um solvente sobre um
soluto. Esta influência é discutida no que diz respeito à polarizabilidade/polaridade e
à habilidade de formação de ligação de hidrogênio com o soluto. Aparentemente, a
definição de polaridade do solvente não pode ser descrita quantitativamente por um
parâmetro físico único do solvente. Uma definição favorável de polaridade do
solvente é a capacidade de solvatação geral (ou força de solvatação) dos solventes,
a qual depende da ação de todas as interações intermoleculares específicas ou
inespecíficas, entre moléculas ou íons do soluto e moléculas do solvente
(REICHARDT, 1965). A energia de solvatação é a energia de Gibbs molar
transferida de um íon ou molécula na fase gasosa para o solvente, e corresponde à
diferença de energia entre todas as interações soluto-solvente e todas as forças
solvente-solvente afetadas pela solvatação (SANDSTRÖM et al, 1990). Portanto, a
polaridade é a soma de todas aquelas propriedades moleculares responsáveis por
todas as forças de interação (Coulomb, direcional, indutiva, dispersão, ligações de
hidrogênio e forças de interação envolvendo doador e receptor de pares de
elétrons), excluindo aquelas interações que levam a uma alteração definitiva nas
moléculas do soluto, tais como: protonação, oxidação, redução, formação de
complexos químicos etc (REICHARDT, 1965).
3
1.2 Solvatocromismo
Mudanças no solvente causam alterações na posição, intensidade e forma
da banda de absorção de certos compostos na região do ultravioleta e visível
(UV/Vis), um fenômeno chamado de solvatocromismo por Hantzsch em 1922 (Apud
REICHARDT, 1988; SUPPAN, 1997). Muitas avaliações quantitativas do efeito do
solvente nas transições eletrônicas têm usado corantes zwitteriônicos. Esses são
corantes que possuem grupos doadores de elétrons ligados por sistemas
conjugados a grupos receptores de elétrons. A transição eletrônica dos mesmos é
associada a uma transferência de carga entre estes dois grupos, produzindo um
estado excitado com um momento de dipolo diferente do estado fundamental
eletrônico. Se o estado fundamental é mais dipolar do que o excitado, a banda de
absorção sofre uma mudança hipsocrômica com um aumento da polaridade do
solvente, caracterizando um solvatocromismo negativo (BUCKINGHAM et al, 1978).
Já a mudança batocrômica com o aumento da polaridade do solvente é
característica de compostos que exibem solvatocromismo positivo (REICHARDT,
1988).
Em geral, as moléculas de corantes com uma grande mudança em seu
momento de dipolo permanente sobre excitação exibem um forte solvatocromismo
(REICHARDT, 1994). Alguns corantes podem também mudar seu comportamento
solvatocrômico dependendo da polaridade do meio ao qual estão submetidos, sendo
este fenômeno conhecido como solvatocromismo reverso (REZENDE, 1997;
BUNCEL e RAJAGOPAL, 1990). Neste caso, observa-se um deslocamento
batocrômico com a diminuição da polaridade do solvente, porém, à medida que a
polaridade deste diminui ainda mais, o deslocamento passa a apresentar
comportamento hipsocrômico. O solvatocromismo reverso de muitos desses
corantes é compreendido por mudanças estruturais da molécula no seu estado
fundamental e excitado à medida que a polaridade do meio é alterada. A energia de
transição experimental reflete não somente efeitos não-específicos, os quais são
importantes para um tratamento teórico que diz respeito ao solvente como um todo,
mas é também o resultado de interações específicas entre corante e solvente, as
quais são únicas para cada corante solvatocrômico (REZENDE, 1997).
4
Na Figura 1 são apresentados os corantes solvatocrômicos mais
comumente encontrados na literatura sendo todos eles pertencentes à classe das
merocianinas.
(1)
(2)
(3)
Figura 1. Corantes Solvatocrômicos: (1) merocianina de Brooker, (2) corante de
Reichardt e (3) quinolínio Betaína de Ueda-Schelly.
Os corantes merocianínicos têm atraído uma atenção significativa devido
ao fato de seu espectro eletrônico exibir extrema sensibilidade ao meio. Estes
corantes apresentam a habilidade de alterar a cor da solução de vermelhoalaranjado em solventes polares próticos para azul em solventes apolares, com a
mudança do comprimento de onda máximo (λmáx) de 442 nm em água para 620 nm
em clorofórmio. Essa mudança observada é conseqüência do efeito dielétrico do
solvente e da habilidade de formação de ligações de hidrogênio com o átomo de
oxigênio periférico da merocianina (MORLEY et al, 1997; MORLEY et al, 1998). Em
solventes de baixas constantes dielétricas, a merocianina apresenta uma
ressonância híbrida a qual tende em direção à forma zwitteriônica.
O corante 1, 4-[(1-metil-4(1H)-piridinilideno)etilideno]-2,5-cicloexadien-1ona (Figura 2), denominado comumente de merocianina de Brooker (MB), possui
uma forma quinoidal (a), com a estrutura eletrônica no estado fundamental, e uma
forma zwiteriônica (b), onde a transição eletrônica está associada a uma
transferência de carga intramolecular entre o grupo doador e o receptor de elétrons,
5
produzindo um estado excitado com um momento de dipolo diferente daquele do
estado fundamental (MACHADO, 1996; REZENDE, 1997).
(a)
(b)
Figura 2. Merocianina de Brooker na (a) forma quinoidal e (b) forma zwitteriônica.
A estrutura ionizada, a qual predomina em solventes polares, tem uma alta
estabilidade relativa comparada à forma apolar porque cada anel benzênico adquire
uma ligação dupla extra na estrutura ionizada e desta forma uma energia de
ressonância adicional. Esta estabilização extra da forma polar também resulta em
uma redução substancial da absorção máxima na banda de transferência de carga
de um fator de quase 3 e um aumento na largura da banda por quase o mesmo fator
(LEVINE et al, 1978). Apesar da sua estrutura dipolar, a MB apresenta uma natureza
hidrofóbica sendo capaz de formar ligações de hidrogênio e interações solvofóbicas
com o meio em que está solvatada (BEVILAQUA et al; 2004).
O uso da MB como indicador de polaridade foi sugerido a partir da
observação de seu caráter solvatocrômico pronunciadamente negativo. Alguns
autores têm sugerido que a origem da mudança hipsocrômica no espectro das
merocianinas deve-se a uma mudança significativa na estrutura da forma quinoidal
em solventes apolares para a forma zwitteriônica em água e outros solventes
polares (BROOKER et al, 1951).
Devido ao fato da merocianina ser insolúvel em solventes apolares,
Jacques, com o objetivo de demonstrar o solvatocromismo positivo da mesma, usou
misturas de solventes e extrapolou o valor do λmáx para solventes apolares puros.
Examinando
os
resultados,
Jacques
concluiu
que
a
análise
revela
um
solvatocromismo com duas ramificações (JACQUES, 1986). Reichardt descreveu a
merocianina como o único cromóforo que mediante mudança de solvente exibe uma
tendência de solvatocromismo reverso, o qual é positivo em solventes apolares e
negativo em solventes polares. Tal fato ocorre devido à mudança induzida na
estrutura do solvente em seu estado fundamental eletrônico de um cromóforo menos
6
dipolar (em solventes apolares) para um mais dipolar (em solventes polares) com o
aumento da polaridade do solvente (REICHARDT, 1994). A mudança solvatocrômica
corresponde mais ao caráter doador de próton do solvente que a sua constante
dielétrica (SIMPSON, 1951; LUZHKOV e WARSHEL, 1991; BAYLISS e MCRAE,
1952).
Uma análise dos efeitos dos substituintes sobre o solvatocromismo das
merocianinas é descrita por Niedbalska e Gruda, que discutem a presença de NO2
como substituinte exercendo efeitos tais como uma mudança hipsocrômica
observada ao longo de todo espectro e a diminuição da extensão do
solvatocromismo medido através da variação do λmáx. O mesmo estudo também
demonstrou que a adição de grupos doadores de elétrons como CH3 e OCH3
causam uma mudança batocrômica no espectro e afeta discretamente a extensão do
solvatocromismo. Um composto com dois substituintes do tipo terc-butil constitui
uma exceção, apresentando uma variação do λmáx significativamente baixa
(NIEDBALSKA e GRUDA, 1990).
Corantes merocianínicos são bastante estudados devido às suas
aplicações em diversos campos. Em neurofisiologia, os corantes merocianínicos
sensíveis à voltagem têm um grande potencial para monitoramento da atividade
neural. Dos vários compostos estudados até hoje, esses corantes oferecem a mais
elevada sensibilidade à voltagem (BUNCEL e RAJAGOPAL, 1990). Por causa da
carga assimétrica dessas moléculas, as mesmas possuem uma das maiores
hiperpolarizabilidades de segunda ordem já medidas, resultando em importantes
propriedades ópticas não lineares (LEVINE et al, 1978). Além disso, promovem
reações proteolíticas e fotoquímicas que podem ser usadas como modelo químico
para armazenar informações e regenerações subseqüentes ao transporte de
informações em sistemas biológicos (CATALÁN et al, 1992). Em fotocromismo, as
merocianinas têm sido comumente citadas como corantes fotocrômicos desde três
décadas passadas (BUNCEL e RAJAGOPAL, 1990). Uma nova classe de corantes
merocianínicos, as chamadas macromoléculas fotodinâmicas, deverão ser capazes
de formar complexos de inclusão com receptores tais como ciclodextrinas (CDs) e
outras moléculas sintéticas (WINKLER e DESHAYES, 1987).
7
O corante solvatocrômico 2, o 2,6-difenil-4-(2,4,6-trifenil-1-piridínio)
fenolato, apresenta características extremamente relevantes na determinação da
polaridade de solventes. Ele foi escolhido por Dimroth e Reichardt em 1963 para
desenvolver uma escala de polaridade de solventes. Esta escala é baseada na
variação do λmáx da banda de absorção do mesmo, que é apresentado na Figura 3
na sua forma zwitteriônica (a) e quinoidal (b). O corante de Reichardt exibe uma
mudança pronunciada da banda solvatocrômica com a mudança do solvente,
apresentando solvatocromismo negativo, devido às ligações de hidrogênio com o
solvente (CATALÁN et al, 1993; REICHARDT, 1992). A banda de absorção é
deslocada hipsocromicamente (∆λmáx = 357 nm) quando se muda o solvente de éter
difenílico (λmáx = 810 nm) para água (λmáx = 453 nm). A solução deste corante é
vermelha em metanol, violeta em etanol, azul em álcool isoamílico, verde em
acetona e verde-amarelada em acetato de etila, desta forma englobando toda a
região visível, permitindo inclusive uma estimativa visual da polaridade do meio
(REICHARDT, 1992; REICHARDT, 1994; MACHADO e MACHADO, 2001).
(a)
(b)
Figura 3. Corante de Reichardt na (a) forma zwitteriônica
e (b) forma quinoidal.
As seguintes propriedades do corante 2 são responsáveis pela sua
estabilização no solvente a partir de um pronunciado estado fundamental eletrônico
dipolar para um estado excitado menos dipolar: (1) exibe um momento dipolar
permanente forte, adequado para registrar interações dipolo-dipolo induzido e
dipolo-dipolo; (2) possui um sistema π-elétron polarizado, adequado para registrar
8
interações de dispersão e (3) com o átomo de oxigênio fenóxido exibe um forte
centro básico doador de par de elétrons, sendo adequado para interações com
ácidos de Brönsted (ligações de hidrogênio) e ácidos de Lewis (doador de par de
elétrons e receptor de par de elétrons [DPE/RPE]). A carga positiva do corante de
Reichardt (CR) é deslocalizada e estericamente alterada. Desta forma, a absorção
de transferência de carga intramolecular desse corante depende da força de
solvatação eletrofílica dos solventes, como por exemplo, da sua habilidade de
doador de ligações de hidrogênio (DLH) e da capacidade de DPE/RPE
(REICHARDT, 1991; REICHARDT, 1992).
A posição da banda de absorção da solução do corante 2 no espectro do
UV/Vis depende da polaridade do solvente (solvatocromismo), da temperatura da
solução (termocromismo), da pressão externa aplicada na solução (piezocromismo)
e da natureza e concentração de eletrólitos (halocromismo) (REICHARDT et al,
1993).
1.3 Parâmetros de caracterização do solvente
A falta de expressões teóricas abrangentes para calcular ou predizer os
efeitos do solvente na reatividade química e a inadequação da definição da
polaridade do solvente em termos de características físicas únicas do solvente, têm
levado à introdução dos chamados parâmetros empíricos de polaridade do solvente.
Muitas escalas têm sido designadas para descrever os efeitos dos solventes
baseadas em parâmetros únicos como a escala Y de Grunwald e Winstein, a escala
Z de Kosower, a escala dos parâmetros π∗, δ, α e β de Kamlet e Taft, e a escala
ET(30) de Dimroth e Reichardt.
O primeiro parâmetro empírico real da “força de ionização do solvente” foi
a escala Y introduzida por Grunwald e Winstein, em 1948, derivada da reação SN1
de heterólise do 2-cloro-2-metilpropano. A partir desta escala, muitas outras
surgiram com o objetivo de melhor quantificar a polaridade do solvente
(GRUNWALD e WINSTEIN, 1948).
A primeira sugestão de que corantes solvatocrômicos poderiam ser
utilizados como indicadores visuais da polaridade do solvente foi feita por Brooker
9
et al. (da Eastman Companhia Kodak em Rochester, NY), em 1951, mas Kosower foi
o primeiro a organizar uma escala de polaridade do solvente baseada no
comportamento destes compostos, em 1958. Esta foi chamada de escala Z e
fundamentada na transferência de carga intermolecular da absorção do iodeto de
1-etil-4-metoxicarbonilpiridínio como um processo de referência sensível ao solvente
(KOSOWER, 1958; KOSOWER et al, 1960).
Kamlet et al apresentaram uma escala em que quatro parâmetros
π∗, δ, α e β foram utilizados para definir melhor o efeito do solvente. Por meio destes
parâmetros, Kamlet e seus colaboradores descreveram os efeitos dos solventes na
velocidade de reações (KAMLET et al, 1979), nas mudanças químicas do espectro
de ressonância magnética nuclear (RMN) e infravermelho (CHAWLA et al, 1981) e
espectro de fluorescência e ultravioleta (TAFT et al, 1981; TAFT e KAMLET, 1976).
A equação 1 racionaliza o efeito geral do solvente.
onde XYZ é a medida da propriedade empírica do efeito do solvente, XYZo
é a medida da propriedade empírica do efeito do solvente no vácuo, π∗ mede a
polarizabilidade/polaridade do solvente, α é a aptidão para doar hidrogênio para
formar uma ligação de hidrogênio, β é a tendência de fornecer um par de elétrons e
δ um fator que modifica o efeito da polarizabilidade medido por π∗ para certas
classes de solventes (MIGRON e MARCUS, 1991). Os valores de Kamlet-Taft
quantificam numericamente interações soluto-solvente que representam o equilíbrio
da solução medindo-se uma interação específica na região de solvatação através de
um soluto solvatocrômico em solução (LAGALANTE et al, 1998).
Desde então, várias escalas de polaridade do solvente baseadas nos
espectros do UV/Vis têm sido desenvolvidas, usando corantes solvatocrômicos
diversos e, dependendo da sua estrutura, capazes de registrar todos ou um único
tipo de interação intermolecular soluto/solvente (REICHARDT, 1994). A escala
empírica de polaridade do solvente mais estudada e comumente empregada é a
10
ET(30),1 de Reichardt. Esta escala é baseada no solvatocromismo negativo do
corante solvatocrômico 2, e os valores são definidos em analogia com a escala Z de
Kosower como energia de transição eletrônica molar (ET) do corante em solução,
medidos em kcal/mol (25 oC, 1 bar), de acordo com a equação 2.
Na equação , h é a costante de Planck, c a velocidade da luz no vácuo, v o
número de onda do fóton que produz a excitação eletrônica, NA a constante de
Avogadro e λmax é o comprimento de onda máximo da banda de absorção
intramolecular da transferência de carga π−π∗ do corante.
A escala de polaridade de Reichardt pode ser normalizada (ETN),
atribuindo-se o valor 1,0 ao solvente mais polar, a água, e o valor 0,0 ao menos
polar, o tetrametilsilano (TMS), de acordo com a equação 3 (REICHARDT, 1994;
REICHARDT e SCHÄFER, 1995).
Desta forma, os corantes solvatocrômicos podem ser empregados para a
quantificação da polaridade do meio, e o valor encontrado analisado nesta escala
relativa. Os corantes solvatocrômicos podem também formar complexos de inclusão
com macromoléculas como as ciclodextrinas (SCHNEIDER et al, 1998) e como este
trabalho tem o objetivo de investigar o comportamento destes corantes em soluções
contendo ciclodextrinas, as próximas unidades são dedicadas ao estudo destes
oligossacarídeos macrocíclicos.
1
No primeiro trabalho publicado sobre este corante, o mesmo foi citado com o número 30, desta
forma o número foi adicionado para evitar confusão com a sigla ET (energia de transição) utilizada em
fotoquímica.
11
1.4 Ciclodextrinas
1.4.1 Introdução às ciclodextrinas
Ao longo das últimas décadas, as ciclodextrinas vêm despertando grande
interesse na comunidade científica e na química de macromoléculas, sendo
descritas como “moléculas sedutoras, atraindo a atenção dos investigadores tanto
no campo de pesquisa como no campo de tecnologias aplicadas” (D’SOUZA e
LIPKOWITZ, 1998). József Szejtli (1998) acredita que “dentre todas as moléculas
receptoras em potencial, as ciclodextrinas parecem ser as mais importantes”. Tal
afirmação deriva primordialmente do fato das mesmas formarem complexos do tipo
receptor-substrato, servindo como um ambiente único para reações químicas
(CHUNG et al, 1990), de relevância no âmbito científico e industrial.
Segundo Li e Purdy (1992), as CDs foram descobertas por Villiers em
1891, a partir da digestão do amido com Bacillus amylobacter, obtendo cerca de 3 g
de uma substância cristalina, a qual denominou “celulosina”, por suas características
semelhantes à celulose no que diz respeito à resistência à hidrólise ácida e porque
não apresentava propriedades de redução. Villiers determinou que a composição
desta substância deveria ser (C6H10O5)2.3H2O e na forma cristalina ainda pôde
observar que havia duas distintas “celulosinas” formadas provavelmente de
α e β-CDs.
Apesar do trabalho pioneiro de Villiers, as CDs foram primeiramente
detalhadas por Schardinger em 1903, que descreveu o processo de preparação e
isolamento das mesmas sendo por isso também conhecidas como dextrinas de
Schardinger (Apud. LI e PURDY, 1992). Segundo Szejtli (1998), Schardinger ainda
teve o mérito de distinguir α e β-CDs através da reação com iodo.
De 1930 a 1970 foram realizados estudos sistemáticos sobre CDs e seus
complexos de inclusão. Um grupo composto por Freudenberg e outros estudiosos
concluiu, na segunda metade da década de 30, que as CDs apresentam estrutura
cíclica. Ao final da década de 60, já de posse do método de preparação de CDs em
escala de laboratório, bem como de informações sobre sua estrutura, propriedades
físico-químicas e propriedades de formação de complexos de inclusão, as CDs
12
foram consideradas “moléculas muito interessantes e promissoras, merecendo
estudos mais profundos particularmente devido às suas aplicações industriais”.
Porém, a obtenção das CDs ainda apresentava custo elevado e sua utilização em
humanos era discutível uma vez que aparentemente apresentavam toxicidade
elevada (Apud. SZEJTLI, 1998).
Apenas a partir de 1970 a pretensa toxicidade das CDs foi desmentida
após estudos toxicológicos adequados, o que motivou um aumento significativo nas
pesquisas nesta área. Segundo Li e Purdy (1992), a descrição da estrutura e
propriedades das CDs e suas aplicações têm motivado um grande número de
pesquisas e publicações neste campo.
1.4.2. Aspectos estruturais
As CDs pertencem à família dos oligossacarídeos macrocíclicos, que
possuem a habilidade de formar complexos de inclusão com uma variedade de
compostos (HARATA, 1998). São produtos semi-naturais, produzidos a partir de um
material natural renovável, o amido, através de uma conversão enzimática
relativamente simples, seguindo técnicas ecologicamente corretas. Seu custo,
inicialmente alto, tem caído para níveis aceitáveis para propósitos industriais.
Possuem a habilidade de formar complexos de inclusão, proporcionando a alteração
de importantes propriedades das substâncias complexadas, sendo estes complexos
muito utilizados em produtos industriais, tecnológicos e métodos analíticos. Os
efeitos tóxicos podem ser eliminados pela seleção do tipo de CD apropriada ou um
derivado ou seleção do modo de aplicação. Desta forma, as CDs podem ser
consumidas por humanos como ingredientes de fármacos, comidas ou cosméticos
(SZEJTLI, 1998).
As ciclodextrinas são formadas durante a degradação do amido por
enzimas chamadas ciclodextrina glicosiltransferases (CGTases), isoladas da
bactéria Bacillus macerans. Este é o processo que forma a base para a produção
industrial das mesmas. Algumas outras enzimas podem também agir como
CGTases, catalisando ambas a clivagem de cadeias de polissacarídeos e as
subseqüentes ciclizações da degradação de produtos. Usualmente, polissacarídeos
13
servem como os precursores de oligossacarídeos cíclicos. Como resultado, a
variedade de oligossacarídeos cíclicos naturais ou semi-sintéticos é limitada
(GATTUSO et al, 1998).
As mais importantes CDs apresentando ocorrência natural são as
α-, β- e γ-ciclodextrinas, que possuem 6, 7 e 8 monômeros de glicose,
respectivamente. As características estruturais das mesmas são conhecidas com
base em investigações por cristalografia de raios-X no estado sólido e por estudos
de RMN em solução. A numeração dos monômeros de glicose de uma CD e a
numeração de um monômero de glicose é apresentada na Figura 4 (LIPKOWITZ,
1998; CONNORS, 1997). Estas moléculas possuem a forma de um tronco de cone,
com uma cavidade de 7,9 Å de profundidade. O diâmetro superior e inferior da
cavidade das ciclodextrinas são 4,7 e 5,3 Å para α-CD, 6,0 e 6,5 Å para β-CD, e 7,5
e 8,3 Å para γ-CD (REKHARSKY e INOUE, 1998).
(a)
(b)
Figura 4. Estrutura da α-CD: (a) seqüência de monômeros de
glicose e (b) numeração de um monômero de glicose (Lipkowitz,
1998 e SAENGER et al, 1998).
As CDs são constituídas por seis ou mais resíduos de α-D-glicopiranose
que permanecem em conformação de cadeira 4C1 (Figura 5)
e são unidas por
ligações glicosídicas envolvendo ligações axiais C1-O e equatoriais C4-O (GATTUSO
et al, 1998, CONNORS, 1997). Possuem uma cavidade hidrofóbica e a face externa
hidrofílica devido a uma organização especial dos grupos funcionais que veremos
14
mais adiante. Isto torna a cavidade adequada para a inclusão de diversas moléculas
orgânicas (REKHARSKY e INOUE, 1998).
Figura 5. Conformação de cadeira 4C1 clássica das unidades
de glicose (Saenger et al,1998).
Na estrutura química de α-, β- e γ-ciclodextrinas as unidades de glicose
apresentam uma conformação de cadeira 4C1 clássica como já citada anteriormente
(HARATA, 1998; LI e PURDY, 1992). Esta geometria é responsável pela forma de
tronco de cone com a superfície mais larga formada por grupos 2- e 3-hidroxil
secundários e a superfície mais estreita por grupos 6-hidroxil primários apresentada
na Figura 6.
(a)
(b)
Figura 6. Estrutura da β-CD: (a) estrutura de tronco de cone e (b)
estrutura vista do topo (UEKAMA et al, 1998).
15
Na Figura 7, verifica-se que a dimensão e o tamanho da cavidade são
determinados pelo número de unidades de glicose. A cavidade é delimitada por
átomos de hidrogênio e pontes de oxigênio glicosídicas. Os pares de elétrons não
ligantes das pontes de oxigênio glicosídicas são direcionados para o interior da
cavidade, sendo responsáveis pelo efeito hidrofóbico interno e produzindo uma alta
densidade de elétrons que proporciona ao interior da cavidade da CD um caráter
básico de Lewis (HARATA, 1998).
Figura 7. Dimensão e tamanho da cavidade das
ciclodextrinas naturais (Szejtli, 1998).
As ciclodextrinas podem ser consideradas estruturas bastante rígidas uma
vez que a única liberdade conformacional do macrociclo reside na rotação dos
grupos C6-O6 (Figura 8) e nos movimentos rotacionais sobre a ligação glicosídica
C1(n)-O1(n-1)-C4(n-1). Todas as glicoses estão alinhadas em posição cis em relação às
hidroxilas secundárias O2 e O3 de um lado conectadas por ligações de hidrogênio
O2(n)...O3(n-1) e em relação as hidroxilas primárias O6 do outro lado (Figura 8)
(LIPKOWITZ, 1998).
(a)
(b)
Figura 8. Descrição geométrica da ciclodextrina: (a) rotação dos grupos C6-O6 e
movimentos rotacionais sobre a ligação glicosídica C1(n)-O1(n-1)-C4(n-1) e (b) plano
principal da glicose e o plano principal da ciclodextrina (LIPKOWITZ, 1998).
16
A solubilidade das CDs em água e em solventes mais polares pode ser
justificada pela distribuição dos grupos hidrofílicos e hidrofóbicos, os últimos
ocupando o interior da cavidade (C3-H, C5-H, C6-H e C6-H2 e os oxigênios O4 com
características de éter) a qual constitui um ambiente microheterogêneo, enquanto os
hidrofílicos ocupam ambas as extremidades do cone.
Quando uma CD composta de 6, 7 ou 8 monômeros de glicose é
cristalizada, as moléculas são arranjadas em estruturas do tipo “canal” ou “gaiola”,
sendo que a última divide-se em estrutura do tipo “tijolo” e “espinha-de-peixe”,
conforme a Figura 9. Na estrutura tipo “canal” as moléculas de CDs são encaixadas
de forma que o topo de uma molécula una-se com o topo da outra molécula. Nesta
estrutura, as cavidades alinham-se linearmente, sendo que os substratos são
ajustados ao interior da cavidade e as CDs são estabilizadas por ligações de
hidrogênio. Na estrutura do tipo “gaiola” a cavidade da CD é bloqueada em ambos
os lados por CDs adjacentes, portanto a cavidade permanece isolada e a molécula
incluída em uma CD não entra em contato com outras CDs (SAENGER et al,1998).
Figura 9. Tipos de estruturas de CDs cristalizadas: (a) espinha de peixe; (b) tijolo e
(c) canal (SAENGER et al, 1998).
As mais comumente usadas e conhecidas α-, β- e γ-CDs constituem a
base para a compreensão dos mecanismos que influenciam o comportamento das
CDs em geral.
17
1.4.3 Ciclodextrinas naturais
Por muito tempo, apenas α-, β- e γ-CDs eram conhecidas e estudadas,
sendo as suas estruturas apresentadas na Figura 10. Porém, no início da década de
50, French observou a existência de CDs maiores com número de monômeros de
glicose igual ou superior a nove. Estas moléculas não apresentam estruturas
cilíndricas regulares e suas cavidades reais são menores que a da γ-CD
(Apud. SZEJTLI, 1998).
Figura 10. Estrutura das ciclodextrinas naturais (LI e PURDY, 1992).
Apesar de parecerem linearmente relacionadas, as CDs apresentam
características complexas, na maior parte das vezes derivadas de suas
conformações estruturais. Estas influenciam tanto na sua capacidade de
complexação como no seu comportamento geral, como por exemplo, sua
solubilidade em água (SAENGER et al,1998).
Na α-CD a rede de ligações de hidrogênio é incompleta, uma vez que a
unidade de glicopiranose está em posição distorcida (SZEJTLI, 1998), devido à
orientação do átomo O6 de uma unidade de glicopiranose em direção ao interior do
macrociclo. Isto permite que essa unidade de glicose forme ligações de hidrogênio
com uma molécula inclusa, porém interrompe a formação de ligações de hidrogênio
intramoleculares (HARATA, 1998).
18
Como já citado anteriormente, as unidades de glicopiranose formam uma
rede de ligações de hidrogênio a qual é completa na β-CD (SZEJTLI, 1998), que
impõe restrições à inclinação das unidades de glicose (HARATA, 1998), o que a
torna uma estrutura mais rígida, sendo provavelmente a razão da sua menor
solubilidade em água (SZEJTLI, 1998). A formação de uma estrutura dimérica tem
sido freqüentemente observada na β-CD, o qual a face hidroxil secundária de cada
ciclodextrina liga-se através de ligações de hidrogênio formando uma estrutura de
“barril”. A cavidade do dímero tem um volume duplo, desta forma é fácil para incluir
substratos (HARATA, 1998).
Comparando a α- e a β-CDs, a densidade da estrutura aquosa ao redor da
α-CD é notavelmente menor do que na β-CD, que possui uma esfera de hidratação
substancial. A α-CD causa uma menor perturbação na água de solvatação do que a
β-CD, sendo esta última melhor estabilizada em água do que a primeira devido a sua
habilidade de ligação com moléculas de água (LIPKOWITZ, 1998).
A γ-CD forma uma estrutura circular não coplanar, portanto mais flexível
(SZEJTLI, 1998), a qual é mantida por ligações de hidrogênio intramoleculares
O2...O3 (HARATA, 1998), este fato a torna a mais solúvel em água das três CDs
naturais citadas (SZEJTLI, 1998). A distância da ligação O2...O3 entre as unidades
de glicose adjacentes torna-se menor na ordem α- > β- > γ-CD.
Estruturas de cristal δ-, ε- e ι-CD com 9, 10 e 14 resíduos de glicose
respectivamente têm sido determinadas, mas estas CDs não possuem um anel
circular, o que mostra a Figura 11, apesar da formação de ligações de hidrogênio
intramoleculares (HARATA, 1998).
(a)
(b)
(c)
Figura 11. Estruturas de cristal: (a) δ-CD, (b) ε-CD e (c) ι-CD (HARATA, 1998).
19
Devido
à
grande
utilização
das
CDs
atualmente,
atendendo
a
necessidades cada vez mais específicas e diferenciadas, foram realizadas
pesquisas intensivas com o objetivo de obter CDs modificadas que agreguem
funções e propriedades desejáveis para diversas utilizações.
1.4.4 Ciclodextrinas modificadas
As CDs modificadas surgiram a partir da tentativa de alterar ou melhorar
suas estruturas para obter complexos de inclusão adequados a vários setores como
industrial, alimentício e farmacêutico. Devido ao fato de serem compostos
poliidroxílicos, CDs podem ser transformadas em uma grande variedade de
derivados. Assim, modificações químicas em grupos hidroxílicos são empregadas
extensivamente nestas derivações (KHAN et al, 1998). Na Figura 12, são
apresentados dois exemplos de CDs modificadas, metil-β-ciclodextrina (M-β-CD) e
hidroxipropil-β-ciclodextrina (HP-β-CD).
Figura 12. Estrutura das ciclodextrinas modificadas (SZEJTLI, 1998).
Estudos computacionais foram realizados objetivando uma análise das
CDs permetiladas. Reinhardt, Richter e Mager utilizaram mecanismos moleculares e
mecanismos quânticos semi-empíricos para avaliar a mudança estrutural que ocorre
em CDs às quais são adicionados grupos metil ou alquil. Conclui-se que uma
alquilação sempre leva a um aumento na abertura da cavidade e no diâmetro interno
20
(REINHARDT et al, 1996). A metilação é uma modificação simples e as
propriedades de inclusão das CDs metiladas são muito estudadas. Devido às
diferenças na reatividade entre grupos hidroxílicos O-2H, O-3H e O-6H, dois tipos de
CDs metiladas têm sido preparadas (FRENCH e RUNDLE, 1942). A estrutura
macrocíclica da di-metil-CD é circular devido às ligações de hidrogênio O-3H...O-2.
Os grupos metila anexados são alinhados em anéis de ambas as bordas da
cavidade molecular, desta forma aumentando a profundidade da cavidade em 2 Å.
Devido a este aumento no tamanho da cavidade, substratos são incluídos em CDs
modificadas de forma diferente da inclusão em CDs naturais (HARATA, 1998).
Estruturas analisadas em raios-X demonstram que a monossubstituição
em ciclodextrinas não afeta a sua forma de macrociclo. Mas uma metilação nos
grupos hidroxílicos O-2, O-3 ou O-6 altera as propriedades físicas da cavidade e
afeta a formação de complexo. A substituição desses grupos hidroxílicos por grupos
metoxila causa em ambas as bordas da cavidade uma alteração no caráter
hidrofóbico para hidrofílico. As ligações de hidrogênio intramoleculares são
responsáveis por não afetar significativamente a conformação de macrociclo quando
ocorre uma metilação nas posições 2-O e 6-O, mantendo a estrutura circular. O
contrário é visto quando ocorre uma metilação completa causando uma distorção do
anel por destruir as ligações de hidrogênio intramoleculares (HARATA, 1998),
podendo afetar a geometria do complexo de inclusão.
Foram realizadas várias tentativas para modificar as unidades de glicose
das CDs por métodos químicos. Estas tentativas objetivaram melhorar as
propriedades de inclusão das mesmas para aplicações industriais procurando
aumentar o comprimento do cone com grupos alquila. Em abordagens mais
sofisticadas, grupos funcionais foram preservados para manter a atividade
semelhante a uma enzima que as CDs exibem devido às suas propriedades de
inclusão e à alta densidade dos grupos hidroxílicos (SAENGER et al, 1998). A
Tabela 1 apresenta um resumo das propriedades das ciclodextrinas utilizadas neste
trabalho.
21
Tabela 1. Algumas propriedades da α-, β-, M-β-, HP-β e γ-CDs.
No de unidades de
α-CD
β-CD
M-β
β -CD
HP-β
β -CD
γ-CD
6
7
7
7
8
972,86
1135,01
~1310,00
1309,00-
1297,15
glicose
Massa molecular
(g)
1599,00
Solubilidade em
0,114
0,016
~1,145
*
0,179
4,5 – 6,0
6,0-8,0
*
*
~8,0-10,0
15,4 +/- 0,4
*
*
17,5 +/- 0,4
~262
*
*
~427
o
água a 25 C,
g.cm-3
Diâmetro interno
(Å)
Diâmetro externo 14,6 +/- 0,4
(Å)
Volume da
~174
cavidade (Å3)
* Dados não encontrados na literatura.
1.4.5. Complexos de inclusão
Ciclodextrinas são amplamente conhecidas por formar complexos de
inclusão modificando características da molécula inclusa. Da mesma forma, as
mesmas catalisam reações químicas tal como hidrólise, oxidação e substituição
(HARATA, 1998).
As CDs formam complexos de inclusão relativamente não específicos com
uma grande variedade de substratos e a única condição fundamental é de que o
substrato possa adaptar-se à cavidade ainda que parcialmente. Devido a esta
habilidade, estas macromoléculas vêm sendo utilizadas como protótipos para
investigação de interações não covalentes entre diferentes compostos. Portanto,
uma grande variedade de substâncias, desde gases nobres a derivados de
benzenos, corantes aromáticos e água podem ser encontrados inclusos em CDs
(SAENGER et al, 1998). Quanto à estequiometria do complexo de inclusão, são
considerados quatro tipos mais comuns de complexo CD:S com 1:1, 1:2, 2:1 e 2:2,
dependendo do tamanho e aspecto estrutural do substrato (S) em relação à
cavidade da ciclodextrina (TAKAHASHI, 1998).
22
É geralmente constatado que o fenômeno de reconhecimento molecular, o
qual envolve interações não covalentes, deriva de interações tais como ligações de
hidrogênio, interações eletrostáticas, forças de van der Waals, interações
hidrofóbicas, interações dipolo-dipolo, transferências de cargas e efeitos estéricos
(REKHARSKY et al, 1995; TAKAHASHI, 1998). A discriminação estereosseletiva,
durante a formação do complexo, emerge das diferenças que o substrato em
potencial apresenta para se adaptar à cavidade da CD e o encaixe espacial é
considerado o fator mais importante para reger a reação de complexação (HARATA,
1998). Desta forma, para moléculas pequenas é mais fácil formar complexos com αe β-CD devido à compatibilidade do volume do substrato e da CD. Já no caso da γCD, se o substrato for muito pequeno o encaixe se torna desfavorável, devido ao
tamanho muito maior da cavidade dessa CD.
É interessante citar que, de forma geral, nenhuma interação fraca
individualmente é capaz de levar à interação específica de duas moléculas, tal só
pode ocorrer através da cooperação de diversas interações fracas simultâneas.
Rekharsky e Inoue afirmam que “o fenômeno de reconhecimento molecular químico
e biológico pode ser considerado como a química das interações fracas
cooperativas” (REKHARSKY e INOUE, 1998). Desta forma, conforme a citação, as
moléculas interagem umas com as outras a medida que são influenciadas por forças
decorrentes das características próprias de cada substância. Ocorre então, um
fenômeno complexo de interação molecular uma vez que cada interação
corresponde a um conjunto de forças distintas.
As extremidades da cavidade da CD isolada são abertas de tal forma que
o substrato pode penetrar no anel da CD por ambos os lados. Como já foi citado
anteriormente, a cavidade da CD é caracterizada por uma natureza altamente
hidrofóbica. Além disso, a mesma é amplamente carregada uma vez que sua parede
interna é coberta por átomos de hidrogênio dos grupos metila e metileno (HARATA,
1998). Em solução aquosa, a cavidade levemente apolar é ocupada por moléculas
de água que são energeticamente desfavoráveis, dada a natureza da interação
polar-apolar e, portanto, podem ser facilmente substituídas por um substrato que
seja menos polar que a água. Considera-se que a força motriz para a complexação
23
seja a substituição das moléculas de água de alta entalpia por substratos
apropriados (SZEJTLI, 1998)
Em sentido geral, o conceito do tamanho, o qual prediz a alta estabilidade
do complexo para o melhor encaixe geométrico e estérico do substrato e do
receptor, pode explicar a tendência geral da termodinâmica da complexação das
CDs naturais. Devido ao fato do diâmetro da cavidade de α-CD ser muito menor que
o da β-CD e porque forças de van der Waals são criticamente dependentes da
distância entre as moléculas, podemos esperar que as forças induzidas pela
complexação da cadeia estendida será maior (-∆H) para α-CD do que para β-CD.
Certamente, as interações de van der Waals são dependentes tanto do tamanho
quanto da forma da molécula inclusa (REKHARSKY e INOUE, 1998).
1.4.6. Mecanismos responsáveis pela inclusão
Em relação ao mecanismo de inclusão, pode-se afirmar que as mais
relevantes contribuições para a termodinâmica da complexação são originárias da
penetração da parte hidrofóbica do substrato na cavidade da CD e da quebra da
estrutura de água em torno do substrato orgânico (REKHARSKY et al, 1997). Uma
vez que a cavidade da CD é pronunciadamente hidrofóbica, a transferência da parte
hidrofóbica do substrato da água para a cavidade da CD pode ser considerada como
um processo típico de efeito hidrofóbico. No entanto, apesar de geralmente serem
considerados como efeitos cooperativos algumas vezes o primeiro é separado do
segundo e considerado como uma interação meramente de van der Waals
(REKHARSKY e INOUE, 1998).
O mecanismo de formação de complexos de inclusão pode ser dividido em
vários passos e uma ilustração é apresentada na Figura 13: (1) a aproximação entre
substrato e a CD; (2) a quebra da estrutura da água dentro do anel da CD e a
liberação de algumas moléculas para a água de solvatação (CRAMER et al, 1967),
envolvendo a perda da estabilização de forças de van der Waals e de ligações de
hidrogênio; as moléculas de água ganham liberdade de movimento (translação e
rotação) a qual não existia quando as mesmas estavam no interior da cavidade
(REKHARSKY e INOUE, 1998); (3) a quebra da estrutura da água ao redor de parte
24
do substrato, o qual será incluído na CD, e o transporte de algumas moléculas de
água para dentro da solução; (4) interações de substituintes nos substratos com
grupos do anel ou grupos dentro da CD; (5) possíveis formações de ligações de
hidrogênio entre o substrato e a CD (a formação de ligações de hidrogênio tem
demonstrado ser um processo extremamente rápido): esse passo envolve uma
mudança na energia conformacional da CD e estabilização de forças de van der
Waals com o substrato inserido no receptor (LIPKOWITZ,1998); (6) a reconstituição
da estrutura da água ao redor das partes expostas do substrato depois do processo
de inclusão (CRAMER et al, 1967).
Figura 13. Mecanismo de formação de complexo de inclusão entre o substrato e
a ciclodextrina (LIPKOWITZ,1998).
Nos passos 1, 4 e 5 os fatores estéricos são envolvidos (a estabilidade ou
a velocidade de formação do complexo mostra ser dependente da geometria); em
outras palavras, pode ser observada uma “inibição estérica”. Os passos 2, 3 e 6 têm
relação com a estrutura da água ao redor dos parceiros da reação. Os passos 1, 2 e
6 são passos gerais e, portanto, não devem causar o aumento das taxas de
especificidade do substrato dentro de uma mesma classe de compostos.
Dois tipos de estrutura da água devem ser considerados em princípio:
grupos carregados de água de solvatação ligados firmemente, os quais são capazes
de formar ligações de hidrogênio (1); e moléculas de água ao redor de grupos
25
hidrofóbicos (2). A degradação da estrutura da água do tipo 1 ao redor da parte da
molécula que entra no anel (passo 3) é determinante para a formação do complexo.
Quanto mais fortemente as moléculas de água estão ligadas, mais vagarosamente
elas serão removidas da esfera de ligação rígida ao redor do substrato (CRAMER et
al, 1967).
A reação de complexação 1:1 da CD com o substrato pode ser escrita da
seguinte forma:
Onde g representa o número de moléculas de água interagindo com o
substrato livre, h o número de ligações de moléculas de água dentro da cavidade da
CD livre e i a rede de moléculas de água sob complexação. Não existe informação
disponível dos valores de g, h e i em solução (REKHARSKY e INOUE, 1998).
Tabushi et al 1978, afirmam que a estabilização de forças de van der
Waals do complexo e a dissolução da água de solvatação no substrato apolar são
fatores responsáveis pela entalpia de inclusão. Quanto maior a estabilização de van
der Waals maior o colapso da água durante o processo de inclusão, e a contribuição
relativa destes dois termos compensatórios dita a estabilidade relativa do complexo
receptor-substrato para uma série de substratos relacionados. O aumento da
entropia acompanhando a quebra da estrutura de solvatação do substrato apolar é
substancial e contribui para estabilizar o complexo de inclusão (LIPKOWITZ, 1998).
Grupos carregados como amônio e carboxilato, ou grupos hidrofílicos
como hidroxila, amino e carboxila permanecem expostos na solvatação de solventes
até depois da inclusão em meios hidrofóbicos. Uma exceção a esta regra é o grupo
hidroxil aromático, o qual pode penetrar profundamente na cavidade da CD a qual se
une por ligações de hidrogênio aos grupos hidroxil periféricos da CD (ROSS, 1996).
Desta forma, ligações de hidrogênio podem contribuir para estabilizar o complexo de
CD com tais substratos. Deve ser notado que a natureza e a força motriz da
complexação em CD em solventes puros orgânicos pode diferir significativamente
daquela em água dependendo de sua natureza prótica ou aprótica, porém apenas
uma quantidade limitada de dados se encontra disponíveis para solventes orgânicos.
26
As tendências termodinâmicas gerais para reações de complexação de CDs
modificadas e naturais são consistentes com a natureza hidrofóbica de interações
envolvendo o substrato e a CD (REKHARSKY e INOUE, 1998).
Existe obviamente uma afinidade muito maior entre compostos neutros e a
cavidade da CD, do que entre a cavidade da CD e as espécies carregadas
correspondentes derivadas do mesmo substrato original (REKHARSKY et al, 1995).
Similarmente, a afinidade aumenta com o aumento da força iônica ou a
concentração de sal em solução aquosa. Tendências análogas são obtidas em
relação aos solventes orgânicos, porém as mesmas não podem ser consideradas
como derivadas de efeitos hidrofóbicos típicos.
O complexo de inclusão formado pode ser isolado como substância
cristalina estável. Além disso, dissolvendo este complexo, um equilíbrio é
estabelecido entre espécies dissociadas e associadas, e este é expresso pela
constante de estabilidade do complexo, Ka. A associação da ciclodextrina (CD) e o
substrato (S), e a dissociação do complexo CD/S formado é governada por um
equilíbrio termodinâmico (SZEJTLI, 1998).
Onde a constante de estabilidade (K1:1) do complexo é dada pela equação 5
Onde CCD e a CS correspondem às concentrações de CD e substrato,
respectivamente, e Xi= [S . CD] / CS (YANG et al, 2000).
O cálculo da constante de associação é fundamental para compreensão
dos mecanismos de inclusão macromoleculares, os quais são freqüentemente
avaliados através dos métodos espectroscópicos baseados na equação de BenesiHildebrand, equação 6:
27
onde b é o caminho ótico da cubeta empregada; ∆A é a variação nas
absorbâncias para a molécula livre e com a CD adicionada; St é a concentração da
molécula livre; K1:1 é a constante de associação S:CD do tipo 1:1; ∆ε : é a variação
nas absorptividades molares para a molécula livre e para o complexo S:CD e [CD] é
a concentração da CD (CONNORS,1987).
Um exemplo de aplicação do método de Benesi-Hildebrand é o trabalho
de Sompornpisut et al (2002) que estudou o complexo de inclusão entre
β-ciclodextrina e L-fenilalanina utilizando espectroscopia de RMN de 1H e técnicas
de ligação molecular, o qual foi obtida uma constante de estabilidade no valor de
131 M-1 (SOMPORNPISUT et al, 2002).
O erro relativo no método de Benesi-Hildebrand ao medir a constante de
inclusão do complexo de CD é usualmente alto. Este método é recomendado
quando a complexação é modesta (i.e. K~1000 L mol-1 para a complexação com
CD) e a alteração na absorção é significativa. Em outras condições, métodos nãolineares são mais desejáveis (YANG et al, 2000).
A constante de associação também pode ser determinada através da
equação de Scott, equação 7:
Esta equação parte da consideração de que a concentração da CD é
superior a do substrato e, portanto, precisa ser levada em conta para obtenção de
dados estequiométricos (CONNORS, 1987).
Na Tabela 2, são apresentados alguns exemplos de valores de constantes
de inclusão em solução aquosa. Pode-se observar constantes com valores
semelhantes, com a exceção da constante de inclusão de benzeno em α-CD.
28
Tabela 2. Valores de constantes de inclusão de diversos substratos em solução
aquosa na presença de diferentes CDs (REKHARSKY e INOUE, 1998).
CDs
Substrato
Constante (log K)
α-CD
β-CD
M-β
β -CD
γ-CD
Ácido 2-metilbenzóico
2,43
4-nitrofenolato
3,90
Benzeno
1,500 ± 0,001
Ciclohexano
2,31
Heptano
3,39
4-nitrofenol
2,58 ± 0,05
Metil-laranja (ânion)
4,57 ± 0,02
D-alanina
3,52
D-leucina
3,67
Benzeno
2,03 ± 0,11
Ciclohexano
3,59
Heptano
3,37
Meclizina
2,54 ± 0,03
Terfenadina
4,49 ± 0,03
Orfenadrina
2,375 ± 0,007
Hidroxizine
2,58 ± 0,02
Benzeno
0,96 ± 0,01
1.4.7 Caracterização do complexo de inclusão
A formação de complexos de inclusão altera significativamente as
características do substrato. As mais importantes conseqüências diretas da inclusão
de um substrato em CD em solução aquosa são relativas ao aumento da
concentração do substrato na fase dissolvida enquanto que geralmente a
concentração de CD dissolvida diminui. Ocorre modificação das propriedades
espectrais do substrato, também a reatividade da molécula incluída sofre
modificação e a molécula anteriormente hidrofóbica, sob complexação torna-se
hidrofílica. Da mesma forma é afetada a inclusão e a volatilidade da molécula
incluída, que diminui significativamente.
29
Em sistema aquoso a formação do complexo de inclusão com a CD devido
às modificações sofridas pela molécula incluída, expostas anteriormente, pode ser
facilmente detectada através de análise de RMN, dicroísmo circular ou ainda através
de efeito catalítico, já que a molécula incluída muitas vezes apresenta alterações
consideráveis de λmáx no espectro de UV/Vis e tem sua fluorescência modificada a
partir da inclusão. Ocorrendo a transferência da molécula do ambiente polar aquoso
para um microambiente apolar, tal deslocamento pode ser detectado, apesar de nem
sempre ser possível isolar um complexo de inclusão cristalino bem definido
(SZEJTLI, 1998).
Apesar de uma variedade de técnicas serem utilizadas para analisar
complexos, apenas análises por RMN podem comprovar a formação efetiva do
mesmo a partir da observação de uma alteração sensível dos sinais obtidos tanto
para a CD como para o substrato. A modificação nos sinais da CD é conseqüência
direta das alterações causadas pela associação com o substrato que altera o
microambiente ao redor dos átomos de hidrogênio do interior da cavidade. Da
mesma forma, a molécula incluída sofre alteração na leitura dos sinais
correspondentes aos átomos que penetram na cavidade da CD, a qual constitui um
microambiente diferente daquele em que estavam originalmente solvatados
(HEDGES, 1998)
A espectroscopia de RMN tornou-se um importante instrumento para
experimentos in vitro, no futuro talvez até in vivo, para estudos de interações de CDs
com macromoléculas biológicas, ácidos nucléicos, proteínas ou membranas
celulares. Um dos principais interesses no uso dessa técnica é a compreensão da
força motriz e modo de ligação nestas associações não covalentes e como fazer um
ótimo uso destes fatores para novas aplicações. A força motriz para inclusão em
CDs é em geral de natureza solvofóbica e aplicações de CDs envolvem a ação na
matriz líquida, enfatizando a função da espectroscopia de RMN como um método
importante para aplicação em soluções (SCHNEIDER et al, 1998).
Na indisponibilidade de instrumentos para análise em RMN, outras
técnicas podem ser utilizadas para caracterização do complexo de inclusão, as quais
incluem: calorimetria de varredura diferencial, análise termogravimétrica (HEDGES,
1998), fluorescência, espectroscopia de UV/Vis, calorimetria etc (SCHNEIDER et al,
30
1998). Estas técnicas fornecem informações qualitativas e indiretas sobre os
modelos de inclusão e geometria do complexo obtido.
O ponto de intersecção de um grupo de espectros sobrepostos expressos
em base molar evidencia a presença de uma mistura de dois estados e é
denominado ponto isosbéstico. Em relação à espectroscopia de UV/Vis, pode ser
considerada uma forte evidência da formação de complexo de inclusão a presença
de um ponto isosbéstico no espectro de UV/Vis. Por outro lado, a inexistência de
ponto isosbéstico também não impossibilita a presença de complexos de inclusão,
uma vez que podem ser observadas alterações significativas no comprimento de
onda máximo. A presença de um ponto isosbéstico constitui somente uma parte da
evidência em estudos de sistemas envolvendo complexos, sendo importante
juntamente com outras provas consistentes (CONNORS, 1987). Assim, como um
exemplo, Cramer et al (1967) estudaram a formação de complexo de inclusão entre
α-CD e 4-nitrofenol a partir da conjugação da existência do ponto isosbéstico com a
consistência de dados termodinâmicos (CRAMER et al, 1967).
1.4.8 Aplicações industriais das ciclodextrinas
As CDs apresentam grande interesse comercial devido ao fato de
possibilitar a formação de complexos que alteram as características da molécula
inclusa, tais como a solubilidade da mesma. Além disso, proporciona estabilização
da molécula inclusa em relação a efeitos de luz, calor e oxidação, podendo ainda
mascarar os efeitos do substrato reduzindo e até eliminando efeitos irritantes ou
tóxicos e ainda possibilitando a redução da volatilidade. As CDs podem atuar na
direção de reações químicas e no controle de absorção de fluorescência ou luz
(HEDGES, 1998). Estas moléculas também foram empregadas em cromatografia
para separar isômeros constitucionais e enantiômeros (MANUNZA, 1997).
Em relação à solubilidade, o efeito da CD sobre o substrato pode ser
explicado pelo fato de que, uma vez incluído, os grupos hidrofóbicos do mesmo que
originalmente interagiam com o solvente, passam a interagir com a cavidade da CD
cuja face externa é hidrofílica, permitindo a solubilização do complexo. O controle de
solubilidade pode ser efetuado via seleção de uma CD adequada, uma vez que a
31
modificação dos grupos hidroxílicos na face externa da CD pode alterar
pronunciadamente sua solubilidade (HEDGES, 1998)
A substituição por um grupo neutro, como grupos hidroxílicos, ou grupos
iônicos, tais como carboximetila, amina terciária ou quartenária, aumenta a
solubilidade da CD modificada para 60% ou mais em água. Já uma substituição com
grupos alifáticos, como grupos hexila, ou substituição completa com grupos
pequenos, como acetila resulta em um aumento na solubilidade em solventes
orgânicos. O substrato exposto na borda da CD está sujeito aos mesmos efeitos da
solubilidade. Por exemplo, Sporanox líquido é uma solução contendo 10 mg/mL de
agente antifúngico, itraconazol, o qual é insolúvel na água. Itraconazol pode ser
solubilizado usando co-solventes, mas ele precipita no estômago e torna-se
indisponível para absorção. O uso de HP-β-CD previne a precipitação no estômago,
permitindo o uso da formulação por via oral (HEDGES, 1998). Outro exemplo é a
inclusão de 4,4´-oxidianilina em β-CD e seus derivados, o que aumentou a
solubilidade da poliamida em clorofórmio e em solventes apróticos polares (YANG,
et al, 2001).
Em relação à estabilização de compostos, pode-se considerar que a
cavidade da CD constitui um espaço finito. A ocupação da cavidade por um
substrato, impede a interação ou reação do mesmo com outras moléculas que por
sua vez não poderiam ocupar o espaço da cavidade concomitantemente com uma
molécula já incluída. No caso dos ácidos peróxidos que são usados como agentes
branqueadores e desinfetantes domésticos, indústriais e equipamentos médicos, a
complexação com CDs melhora o armazenamento e a estabilidade térmica
(HEDGES, 1998).
Quando o substrato sofre inclusão na CD é isolado e impedido de entrar
em contato com as superfícies do corpo humano onde poderia causar efeitos
colaterais indesejáveis, tal como a irritação. A liberação do substrato a partir do
complexo de inclusão é vagarosa. Um exemplo de formação de complexo visando a
diminuição de irritação após a administração de medicamento, pode ser encontrado
na pilocarpina, a qual foi administrada como pró-droga com HP-β-CD. A irritação
causada pela pilocarpina diminui com o aumento da concentração de CD (HEDGES,
1998). Em concentrações de 15%, a irritação foi reduzida para o mesmo nível da
32
formulação comercial e a liberação ocular foi substancialmente melhorada. Os
efeitos tóxicos e irritantes de inseticidas são reduzidos ou eliminados pela
complexação com CDs (MARZONA et al, 1996).
Os complexos de CDs com medicamentos apresentam a vantagem de
proteger o fármaco da biodegradação. Desta forma, a complexação ajuda a
aumentar a biodisponibilidade das moléculas da droga, conseqüentemente
aumentando a atividade, a seletividade e reduzindo efeitos desagradáveis do
medicamento (FERMEGLIA et al, 2003).
Os compostos podem também ser complexados com CDs para redução
da sua volatilidade. Por exemplo, o mentol pode ser complexado com β-CD
tornando-se menos volátil (HEDGES,1998). Algumas estruturas de compostos
utilizados na formação de complexos de inclusão com CDs estão reunidas na
Figura 14.
Figura 14. Estrutura de alguns compostos utilizados na
complexação com CDs.
33
Já é conhecida a importância da utilização de CDs em produtos
industriais, na área alimentícia, em cosméticos e farmacêuticos. Existe uma
expectativa em novas descobertas do uso das CDs na proteção ambiental, em
biotecnologia e na indústria têxtil.
1.5 Objetivos
1.5.1 Objetivo Geral
Este trabalho tem como objetivo geral investigar o comportamento de
corantes solvatocrômicos em soluções contendo ciclodextrinas, a fim de verificar a
possível formação de complexos de inclusão e, conseqüentemente, características
da cavidade das ciclodextrinas.
1.5.2 Objetivos Específicos
•
Utilizar as variações espectrais no UV/Vis como método de investigação
do comportamento da merocianina de Brooker e do corante de Reichardt
em solventes de diferentes polaridades contendo concentrações
crescentes de ciclodextrinas;
•
Estudar os fatores determinantes para que ocorra a inclusão da
merocianina de Brooker e do corante de Reichardt nas ciclodextrinas
determinando as características do processo de inclusão;
• Calcular as constantes de inclusão dos complexos formados entre os
corantes solvatocrômicos e as ciclodextrinas;
• Investigar a possibilidade de utilização dos corantes solvatocrômicos
para mapear a micropolaridade da cavidade das ciclodextrinas.
34
2. PARTE EXPERIMENTAL
2.1 Materiais
Neste trabalho utilizaram-se como corantes solvatocrômicos a merocianina
de Brooker e o corante de Reichardt, que foram adquiridos da Aldrich. Foram
utilizados também os seguintes solventes: água destilada, etanol, propan-2-ol,
butan-1-ol,
acetonitrila,
dimetilsulfóxido
(DMSO),
2-metilpropan-2-ol,
dimetilacetamida (DMA), acetona, diclorometano e clorofórmio, adquiridos da Vetec,
metanol e dimetilformamida (DMF) adquiridos da Merck. As ciclodextrinas α-, β-, γ-,
M-β- e HP-β-CD empregadas foram adquiridas da Cavasol.
2.2 Métodos
Todos os espectros de UV/Vis foram obtidos em um espectrofotômetro
Cary Bio 50 fabricado pela Varian, sem controle de temperatura.
A parte experimental se desenvolveu em três etapas distintas: (1) Estudo
espectroscópico da MB em soluções aquosas contendo diferentes ciclodextrinas; (2)
Estudo espectroscópico da MB em diversos solventes na presença de M-β-CD e (3)
Estudo espectroscópico do CR em diferentes solventes na presença de M-β-CD.
2.2.1 Estudo espectroscópico da MB em soluções aquosas contendo
diferentes ciclodextrinas
Foram preparadas soluções da MB (4,7 x 10–5 mol.dm-3) em água
destilada, em sistema tamponado em pH igual a 8,0 (tampão KH2PO4 e NaOH) de
forma a evitar a protonação da MB. Da solução da MB preparada retirou-se metade
do volume para o preparo da solução com concentração de 0,02 mol.dm-3 das CDs,
α-, β-, γ-, M-β- e HP-β-CD. No caso da β-CD a solução de maior concentração foi de
0,012 mol.dm-3 e para a M-β-CD utilizou-se uma concentração de 0,04 mol.dm-3. As
soluções contendo diferentes concentrações de CD foram preparadas pela mistura
destas duas soluções estoques, de forma que a concentração do corante
35
solvatocrômico fosse a mesma em todas as soluções. Para cada CD investigada
houve a preparação de uma nova solução da MB em água destilada.
2.2.2 Estudo espectroscópico da MB em diversos solventes na presença de
M-β
β -CD
Foram preparadas soluções da MB (4,7 x 10-5 mol.dm-3) em metanol,
etanol, propan-2-ol, butan-1-ol, acetonitrila, DMSO, 2-metilpropan-2-ol, DMA, DMF e
acetona. Da solução da MB preparada retirou-se metade do volume para o preparo
da solução com concentração de 0,02 mol.dm-3 da M-β-CD. As demais soluções em
cada solvente, contendo diferentes concentrações de M-β-CD, foram preparadas
pela mistura destas soluções.
2.2.3 Estudo espectroscópico do CR em diferentes solventes na presença de
M-β
β -CD
Prepararam-se soluções do CR (1,0 x 10-4 mol.dm-3) em etanol,
acetonitrila, DMSO, DMA, DMF, diclorometano e clorofórmio. Da solução do CR
preparada retirou-se metade do volume para o preparo da solução com
concentração de 0,02 mol.dm-3 da M-β-CD, exceto para as soluções de
diclorometano e clorofórmio. As demais soluções em cada solvente, contendo
diferentes concentrações de M-β-CD, foram preparadas a partir da mistura destas
soluções.
No caso específico das soluções em clorofórmio e diclorometano, utilizouse atmosfera inerte (constituída de nitrogênio) a fim de evitar a protonação do
corante. Este procedimento foi realizado diretamente na cubeta do UV/Vis.
36
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Ao longo da execução deste trabalho, foram realizados experimentos com
o objetivo de estudar o comportamento dos corantes solvatocrômicos, MB e CR, em
soluções contendo diferentes ciclodextrinas. O trabalho foi dividido em três
diferentes
etapas
obedecendo
às
características
dos
corantes
estudados.
Inicialmente foram utilizadas soluções aquosas da MB na presença de diferentes
CDs. Em uma segunda etapa, analisou-se o comportamento da MB em solventes
polares próticos e apróticos contendo M-β-CD. Na última fase, devido à reduzida
solubilidade da MB em solventes apolares, utilizou-se o CR para realização de
experimentos em solventes polares próticos, polares apróticos e apolares, na
presença
de
M-β-CD.
Os
dados
foram
obtidos
a
partir
das
medições
espectrofotométricas no UV/Vis, observando-se a variação do λmáx, variação da
absorbância e presença/ausência de pontos isosbésticos nos espectros dos
corantes solvatocrômicos presentes em soluções contendo diferentes concentrações
de CDs.
3.1 Estudos do comportamento da MB em solução aquosa contendo diferentes
ciclodextrinas
O comportamento da MB em água foi estudado na presença de diversas
CDs, α-, β-, M-β-, HP-β- e γ-CD, com o objetivo de avaliar a possibilidade de
formação de complexos de inclusão, bem como investigar a micropolaridade da
cavidade de cada uma das CDs utilizadas. Cabe lembrar que a MB apresenta um
solvatocromismo negativo, o qual acarreta em um deslocamento batocrômico do
λmáx com a diminuição da polaridade do meio. A Figura 15 apresenta os dados
referentes ao λmáx da MB em soluções aquosas contendo diferentes concentrações
de cada uma das ciclodextrinas estudadas.
∆λmáx (nm)
37
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22
-24
-26
0,000
γ-CD
β -CD
α-CD
HP-β -CD
M-β -CD
0,005
0,010
0,015
0,020
-3
[CDs] (mol.dm )
Figura 15. Variação do λmáx da MB em função das
diferentes concentrações de CDs em solução
aquosa.
Deslocamentos batocrômicos foram registrados com o aumento da
concentração das ciclodextrinas. Pode-se verificar que as CDs modificadas são as
que apresentam os maiores deslocamentos, correspondentes a uma maior variação
de λmáx da MB na maior concentração de CD e na sua ausência. A Tabela 3
apresenta a variação máxima (∆λmáx) do comprimento de onda para cada CD em
solução aquosa.
Tabela 3. Variação do λmáx da MB entre as concentrações de 0,00 e
0,02 mol.dm-3 de CD em soluções aquosas.*
CD
α-CD
M-β
β -CD
HP-β
β -CD
γ-CD
∆λmáx 0,00-0,02
(nm)
15,2
22,2
18,7
4,0
* A ∆λmáx para a β-CD é de 12,6 nm obtido para uma variação de concentração
-3
entre 0,00 e 0,012 mol.dm .
Analisando-se a Tabela 3, confirma-se uma maior variação do λmáx para as
CDs modificadas, sugerindo uma menor polaridade da cavidade interna dessas
38
ciclodextrinas em comparação às CDs naturais utilizadas neste trabalho. Para uma
melhor análise, os resultados de cada ciclodextrina estudada serão apresentados
nas próximas seções.
3.1.1. Merocianina de Brooker em solução aquosa na presença de α-CD
Na Figura 16 são apresentados os espectros de UV/Vis da MB na
presença de concentrações crescentes de α-CD em solução aquosa. Analisando-se
estes resultados, identifica-se claramente a presença de um ponto isosbéstico em
460 nm, bem como deslocamentos batocrômicos da banda solvatocrômica com o
aumento da concentração da α-CD. Esses dados parecem apontar para a formação
de um complexo de inclusão entre a MB e a α-CD.
Figura 16. Espectros de UV/Vis da MB em soluções
aquosas contendo diferentes concentrações de α-CD.2
A partir da indicação de formação de complexo de inclusão, os dados
foram analisados segundo a equação de Scott, a fim de calcular a constante de
inclusão. A Figura 17 apresenta o tratamento matemático realizado segundo a
equação 7.
2
Para todas as Figuras relacionadas aos espectros de UV/Vis dos corantes solvatocrômicos, as setas
indicam a seqüência das bandas de acordo com o aumento da concentração da CD.
39
0,16
0,14
-1
-3
[α-CD]∆A (mol.dm )
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
-3
[α-CD] (mol.dm )
Figura 17. Análise segundo a equação de Scott para o
cálculo da constante de inclusão da MB em α-CD.
Os
parâmetros
da
análise
estatística
obtidos
foram:
N
(número de pontos) = 11; R2 (coeficiente de correlação) = 0,9931 e SD (desvio
padrão) = 0,00326. A partir do coeficiente angular e linear resultantes determinou-se
o valor da constante de inclusão para o corante MB em α-CD, sendo obtido
3
-1
K1:1 = 232,12 dm . mol . Tanto a presença de um ponto isosbéstico, quanto os
deslocamentos batocrômicos observados e a adaptação dos resultados segundo a
equação de Scott indicam a formação de complexo de inclusão na proporção de 1:1
entre a MB e a α-CD.
3.1.2 Merocianina de Brooker em solução aquosa na presença de β -CD
Os espectros da MB na presença de diferentes concentrações de β-CD
em
solução
aquosa
são
apresentados
na
Figura
18.
Pode-se
observar
deslocamentos batocrômicos nos espectros do corante com o aumento da
concentração de β-CD e a ausência de ponto isosbéstico.
40
Figura 18. Espectros de UV/Vis da MB em soluções
aquosas contendo diferentes concentrações de β-CD.
Devido à presença de deslocamentos batocrômicos significativos pode-se
sugerir a formação de complexo de inclusão. Já a ausência de ponto isosbéstico
sugere que haja equilíbrio múltiplo, ou seja, a presença de mais de um tipo de
complexo. A baixa solubilidade da β-CD não permitiu a obtenção de dados
suficientes e, desta forma, não foi possível determinar a constante de inclusão.
3.1.3 Merocianina de Brooker em solução aquosa na presença de γ-CD
Diferentemente das situações relatadas nos itens 3.1.1 e 3.1.2, no caso
específico das soluções da MB na presença de γ-CD em meio aquoso não foram
registradas variações significativas do λmáx com o aumento da concentração de γCD, conforme pode ser observado na Figura 19. Este resultado e o fato de não se
observar ponto isosbéstico, apontam para a não formação de complexo de inclusão.
41
Figura 19. Espectros de UV/Vis da MB em soluções
aquosas contendo diferentes concentrações de γ-CD.
Comparando-se os resultados obtidos para a MB em solução aquosa na
presença das três CDs naturais, percebem-se comportamentos diferentes em
relação à formação ou não de complexos de inclusão. A α-CD forma complexo de
inclusão provavelmente na proporção de 1:1 MB:CD. Já no caso da β-CD sugere-se
a presença de mais de um tipo de complexo, enquanto que na γ-CD não houve
formação de complexo de inclusão. Tal fato pode ser explicado com base num dos
pressupostos do mecanismo de formação de complexo de inclusão, o qual está
relacionado ao perfeito ajuste do substrato à cavidade interna da CD. É sabido que
as CDs naturais, α-, β- e γ-CD apresentam diâmetros internos da cavidade variando
entre 4,5-6,0 Å; 6,0-8,0 Å e 8,0-10,0 Å, respectivamente. Desta forma, a γ-CD
apresenta uma cavidade de diâmetro superior ao das outras duas, o que
proporciona um ajuste imperfeito da molécula inclusa, quando seu tamanho for
reduzido, na cavidade da CD. Uma vez que o ajuste firme do substrato à CD é um
dos fatores mais importantes no mecanismo de inclusão, o qual é regido pela
combinação de interações tais como, ligações de hidrogênio, forças de van der
Waals, interações hidrofóbicas e efeitos estéricos (HARATA, 1998), os quais são
diretamente dependentes da distância entre as moléculas, um ajuste deficiente
proporcionado pela tentativa de inclusão de uma molécula de tamanho reduzido em
uma cavidade de diâmetro muito superior dará origem a forças de intensidade
reduzida que não são capazes, por sua vez, de manter a estabilidade do complexo
42
formado. Assim, parece que a α-CD possui o tamanho da cavidade mais adequado
para a inclusão da MB.
3.1.4 Merocianina de Brooker em solução aquosa na presença de M-β
β-CD
Os
resultados
obtidos
para
a
MB
em
soluções
aquosas
com
concentrações crescentes de M-β-CD podem ser observados na Figura 20. Pode-se
perceber a formação de um ponto isosbéstico em 461 nm e deslocamentos
batocrômicos significativos com o aumento da concentração de M-β-CD. Fatos
esses que apontam para a formação de complexos de inclusão.
Figura 20. Espectros de UV/Vis da MB em soluções
aquosas contendo diferentes concentrações de M-β-CD.
Devido às evidências para a formação de complexo de inclusão foram
realizados cálculos a partir da equação de Scott, cujo tratamento matemático é
apresentado na Figura 21.
43
0,22
0,20
-1
-3
-[M-β-CD]∆A (mol.dm )
0,18
0,16
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
-3
[M-β-CD] (mol.dm )
Figura 21. Análise segundo a equação de Scott para o
cálculo da constante de inclusão da MB em M-β-CD.
Os parâmetros da análise estatística obtidos foram: N = 15; R2 = 0,9991 e
SD = 0,00158. A partir do coeficiente angular e linear resultantes determinou-se o
valor da constante de inclusão para o corante MB em M-β-CD, sendo obtido
3
-1
K1:1 = 128,15 dm . mol . A correlação dos resultados com a equação de Scott, a
presença de um ponto isosbéstico e os deslocamentos batocrômicos observados
sugerem a formação de complexo de inclusão na proporção de 1:1 entre a MB e a
M-β-CD.
3.1.5 Merocianina de Brooker em solução aquosa na presença de HP-β
β-CD
Na Figura 22 são apresentados os espectros da MB na presença de
diferentes concentrações de HP-β-CD em solução aquosa. Pode-se perceber a
presença de um ponto isosbéstico em 458,1 nm e deslocamentos batocrômicos com
o aumento da concentração de HP-β-CD. Esses dados sugerem a formação de um
complexo de inclusão entre a MB e a HP-β-CD.
44
Figura 22. Espectros de UV/Vis da MB em soluções
aquosas contendo diferentes concentrações de HP-β-CD.
O tratamento matemático segundo a equação de Scott é apresentado na
Figura 23.
0,16
0,12
0,10
-1
-3
[HP-β-CD]∆A (mol.dm )
0,14
0,08
0,06
0,04
0,02
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
-3
[HP-β-CD] (mol.dm )
Figura 23. Análise segundo a equação de Scott para o
cálculo da constante de inclusão da MB em HP-β-CD.
45
Os parâmetros da análise estatística obtidos foram: N = 11; R2 = 0,9960 e
SD = 0,00245. A partir do coeficiente angular e linear resultantes determinou-se o
valor da constante de inclusão para a MB em HP-β-CD, sendo obtido
3
-1
K1:1 = 256,95 dm mol . Também neste caso, o tratamento matemático, aliado à
presença de um ponto isosbéstico e os deslocamentos batocrômicos observados
sugerem a formação de complexo de inclusão na proporção de 1:1 entre a MB e a
HP-β-CD.
A formação de complexo de inclusão da MB nas soluções contendo CDs
modificadas já era presumível, uma vez que a substituição de hidroxilas por grupos
metila e hidroxipropila fornecem à β-CD uma maior flexibilidade. Esta substituição
também aumenta significativamente a solubilidade das CDs em meio aquoso devido
à quebra da rigidez interna normalmente atribuída à β-CD por conta da formação de
ligações de hidrogênio intramoleculares.
Com o objetivo de visualizar os resultados obtidos, a Figura 24 apresenta
as colorações das soluções contendo as CDs utilizadas neste trabalho.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Figura 24. Soluções aquosas da MB (4,7 x 10–5 mol.dm-3) na (a) ausência de
CD; (b) presença de γ-CD; (c) α-CD; (d) β-CD; (e) M-β-CD e (f) HP-β-CD, todas
as soluções na concentração de 0,02mol.dm-3 de cada ciclodextrina.
46
É possível verificar que nas soluções onde os dados apontam para a
formação de complexo de inclusão (α-CD, M-β-CD e HP-β-CD) a coloração amarela
é mais intensa. Na solução com a presença de γ-CD a coloração tem a mesma
intensidade daquela da solução da MB em água.
Analisando-se os resultados obtidos para as cinco CDs empregadas nos
estudos, pode-se sugerir que a formação de complexo de inclusão foi dirigida por
dois fatores principais: (1) o ajuste da MB à cavidade, o que gera o aparecimento de
forças intermoleculares entre a CD e a MB, que contribuem para a estabilidade do
complexo formado e (2) o fato dos experimentos terem sido realizados em meio
aquoso, uma vez que a cavidade da CD possui um caráter extremamente
hidrofóbico, tendendo à expulsão das moléculas de água de alta entalpia
originalmente inclusas na cavidade para a água de solvatação e conseqüente
inclusão da MB. É importante lembrar que a MB apresenta um caráter polar em seu
estado fundamental mantendo-se na forma zwitteriônica em meio polar. Porém, da
mesma forma que interage com a água, sendo solvatada por esta, também é capaz
de interagir com as hidroxilas da cavidade interna da CD, as quais tendem a formar
ligações de hidrogênio com o grupamento doador de elétrons da MB.
O ajuste preciso da MB à cavidade é intensificado na α-CD pela presença
de um núcleo de glicose invertido. Este núcleo, o qual se desloca em direção ao
centro da cavidade, diminui o seu diâmetro interno, porém dilata a capacidade de
inclusão devido à ausência de um anel completo de ligações de hidrogênio
intramoleculares, que aumenta potencialmente a rigidez da molécula. A unidade de
glicopiranose em posição distorcida tende a formar ligações de hidrogênio com a
MB, o que estabiliza o complexo formado (SZEJTLI, 1998; HARATA, 1998).
Em relação à β-CD, onde sugere-se a formação de mais de um tipo de
complexo, observa-se que a mesma pode ter sido incentivada pela natureza
dimérica dessa CD em solução, o que aumenta substancialmente o tamanho da
cavidade interna. O indicativo de formação de complexo pela alteração do λmáx está
aparentemente em contradição com a ausência de ponto isosbéstico. Contudo,
apenas complexos 1:1 S:CD são capazes de originar um ponto isosbéstico nos
espectros de UV/Vis (CONNORS, 1987). Assim, um deslocamento da ordem de 12,6
47
nm e o tamanho da cavidade da β-CD na estrutura dimérica são duas fortes
indicações que apontam para a formação do complexo de inclusão nesta CD.
No que diz respeito à HP-β-CD e M-β-CD, moléculas estas mais flexíveis
que a β-CD natural e, portanto, mais suscetíveis à formação de complexos, observase um aumento na profundidade da cavidade devido à substituição das hidroxilas do
anel superior por grupamentos hidroxipropila e metila. A inclusão é dirigida pelos
dois fatores expostos anteriormente: ajuste da MB à cavidade da CD e a quebra das
ligações de hidrogênio entre a CD e as moléculas de água inclusa favorecendo a
expulsão das mesmas para a água de solvatação.
Uma vez que a MB apresenta solvatocromismo negativo e foram
registrados deslocamentos batocrômicos na presença das CDs, isto indica o
deslocamento da molécula do corante de um meio mais polar para outro menos
polar, nesse caso a cavidade da CD. Por análise comparativa, quanto maior a
variação do λmáx após a inclusão, mais apolar é o microambiente do interior da
cavidade. Nesse caso, percebe-se que as CDs substituídas têm sua hidrofobicidade
aumentada em relação às naturais, apresentando a cavidade um caráter mais
apolar. Devido a esta característica, a HP-β-CD e a M-β-CD apresentam vantagens
no que diz respeito à formação de complexos de inclusão, já que apresentam uma
maior tendência à expulsão de moléculas de água inclusas para dar lugar ao
corante, mecanismo esse que dirige o processo de inclusão. Por outro lado, a α-CD
e a β-CD demonstraram variações do λmáx bastante semelhantes, sugerindo que a
polaridade de suas cavidades são semelhantes. No caso da M-β-CD e HP-β-CD, os
valores obtidos sugerem que a cavidade da M-β-CD é mais apolar que a da HP-βCD.
Analisando-se os valores das constantes de inclusão obtidos para α-, HPβ- e M-β-CD é possível observar uma semelhança entre as duas primeiras, enquanto
que o valor da constante de inclusão na M-β-CD é significativamente reduzido. Tais
valores apontam para uma complexação mais forte para HP-β-CD.
48
3.2 Estudos do efeito do solvente sobre o comportamento da MB em soluções
de M-β
β-CD
Em uma segunda etapa deste trabalho, aproveitando-se da elevada
solubilidade da M-β-CD em água, de sua maior disponibilidade e ampla utilização
comercial, foram realizados estudos com a MB em diferentes concentrações desta
CD, utilizando-se diversos solventes polares próticos e apróticos. Tal procedimento
visou avaliar a influência do solvente sobre o comportamento da MB em relação à
inclusão na presença de M-β-CD. Os valores obtidos para o λmáx, em função da
concentração da M-β-CD em solventes polares próticos e apróticos são
apresentados nas Tabelas 4 e 5, respectivamente.
Tabela 4. Valores do λmáx da MB em função da concentração de M-β-CD em
solventes polares próticos.
[M-β
β-CD]
(mol.dm-3)
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0,016
0,018
0,020
∆λmáx (nm)
Metanol
484,9
486,0
484,9
486,0
484,9
486,0
486,0
486,0
486,9
486,0
484,9
0,0
Etanol
516,5
515,7
513,1
515,7
513,1
514,8
515,1
513,1
514,8
512,4
514,8
-1,7
λmáx (nm)
Propan-2-ol
Butan-1-ol
523,9
531,0
523,9
531,1
523,9
531,1
523,9
531,1
523,9
531,1
523,9
528,0
523,9
526,3
522,0
526,2
522,0
521,9
522,0
524,7
521,1
518,0
-2,8
-13,0
2-Metilpropan-2-ol
579,5
580,3
579,2
577,8
576,6
575,6
575,6
575,9
574,8
574,8
573,0
-6,5
49
Tabela 5. Valores do λmáx da MB em função da concentração de M-β-CD em
solventes polares apróticos.
[M-β
β-CD]
(mol.dm-3)
0,000
0,001
0,002
0,003
0,004
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0,016
0,018
0,020
∆λmáx (nm)
Acetonitrila
570,6
557,3
545,4
542,1
537,8
532,9
531,4
531,0
530,5
527,8
527,8
526,1
524,6
-46,0
DMSO
571,6
-----570,7
-----570,2
569,2
569,2
568,0
569,6
568,7
568,0
568,0
569,2
-2,4
λmáx (nm)
DMF
577,2
------574,9
------574,9
574,6
573,6
572,5
572,5
571,9
572,8
569,8
572,1
-5,1
DMA
589,8
------589,8
------588,8
585,5
586,0
582,2
584,3
582,2
582,2
580,3
582,2
-7,6
Acetona
589,4
589,4
580,2
575,6
571,5
569,6
564,2
562,7
561,2
559,7
555,8
555,8
553,0
-36,4
Uma análise dos resultados permite concluir que o valor do λmáx em
soluções alcoólicas sofreu pequenas alterações. Observa-se ainda que quanto
menor a cadeia alifática do álcool, menor são as variações nos valores do λmáx. No
entanto, nos solventes polares apróticos, observou-se um comportamento
diferenciado em acetonitrila e acetona. Nestes solventes nota-se alterações
sensíveis nos valores do λmáx, enquanto em DMSO, DMF e DMA as variações são
bem menos acentuadas.
Enquanto
que
na
primeira
etapa
deste
trabalho
observaram-se
deslocamentos batocrômicos da banda solvatocrômica com o aumento da
concentração da CD em soluções aquosas, na presença de todos os solventes
utilizados nesta etapa foram observados deslocamentos hipsocrômicos.
Objetivando-se uma melhor visualização dos dados constantes nas
Tabelas 4 e 5 os mesmos são apresentados na forma gráfica nas Figuras 25 e 26.
50
14
butan-1-ol
12
∆λmáx (nm)
10
8
2-metilpropan-2-ol
6
4
2
propan-2-ol
etanol
0
metanol
-2
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
-3
[M-β-CD] (mol.dm )
Figura 25. Variação do λmáx da MB em função da
concentração de M-β-CD em solventes polares próticos.
O comportamento geral exibido pelos álcoois, é o de pequenas alterações
nos valores do λmáx. A exceção é o butan-1-ol, cuja curva apresenta uma maior
variação em relação as demais soluções.
51
50
acetonitrila
∆λmáx (nm)
40
acetona
30
20
10
0
0,000
DMA
DMF
DMSO
0,005
0,010
0,015
0,020
-3
[M-β -CD] (mol.dm )
Figura 26. Variação do λmáx da MB em função da
concentração de M-β-CD em solventes polares apróticos.
É possível verificar deslocamentos hipsocrômicos significativos da banda
solvatocrômica da MB em acetonitrila e acetona, cujos valores de λmáx tendem a
estabilização com o aumento da concentração da M-β-CD. Por outro lado, os
solventes DMA, DMF e DMSO apresentam curvas similares às obtidas em meio
alcoólico.
Os espectros de UV/Vis da MB em metanol e etanol são apresentados nas
Figuras 27 e 28, respectivamente. Observa-se nos espectros a ausência de ponto
isosbéstico, uma pequena variação do λmáx e diminuição da absorbância com o
aumento da concentração da M-β-CD.
52
Figura 27. Espectros de UV/Vis da MB em metanol
contendo diferentes concentrações de M-β-CD.
Figura 28. Espectros de UV/Vis da MB em etanol
contendo diferentes concentrações de M-β-CD.
A fim de facilitar a correlação dos resultados apresentados com as
características do meio, a Tabela 6 apresenta: a variação máxima (∆λmáx) do
comprimento de onda entre a solução com concentração de CD da ordem de 0,02
mol.dm-3 e aquela na ausência de CD; os valores de polaridade da escala
normalizada de Reichardt (ETN); α - acidez- relacionada ao caráter DLH e βbasicidade- relacionado ao caráter DPE, para cada solvente estudado. A Tabela 6
53
contém ainda os resultados obtidos em solução aquosa, permitindo uma análise do
comportamento geral da MB em diferentes solventes.
Tabela 6. Valores da ∆λmáx, ETN, α e β para cada solvente utilizado nos
experimentos com a MB na presença de M-β-CD.
ETN
α
β
22,2
1,000
1,17
0,18
Metanol
0,0
0,762
0,93
0,62
Etanol
-1,7
0,654
0,83
0,77
Propan-2-ol
-2,8
0,617
0,76
0,95
Butan-1-ol
-13,0
0,586
0,79
0,88
2-Metilpropan-2-ol
-6,5
0,389
0,68
1,01
Acetonitrila
-46,0
0,460
0,19
0,31
DMSO
-2,4
0,444
0,00
0,76
DMF
-5,1
0,386
0,00
0,69
DMA
-7,6
0,377
0,00
0,76
Acetona
-36,4
0,355
0,08
0,48
Solventes dipolares
∆λmáx 0,00-0,02
próticos
(nm)
Água
Solventes dipolares
apróticos
De maneira geral, o comportamento nos álcoois sugere uma relação
íntima entre o caráter doador de ligações de hidrogênio (representado pelo
parâmetro α de Kamlet e Taft) e as variações do λmáx. O caráter DLH dos álcoois é
diretamente relacionado ao comprimento da cadeia alifática. Portanto, quanto maior
a cadeia alifática, mais fracas são as interações via ligação de hidrogênio entre o
solvente e a MB e entre o solvente e a CD. O comprimento da cadeia alifática
influencia, dessa forma, diretamente na polaridade do álcool, conforme pode ser
comprovada pelos valores de ETN na Tabela 6. Pode-se sugerir que em meio
alcoólico as interações entre MB e CD são regidas pela formação de ligações de
hidrogênio.
Os solventes DMSO, DMF e DMA proporcionaram pequenas alterações
do λmáx e ausência de ponto isosbéstico, como pode-se observar na Figura 29 a qual
54
apresenta dados espectrofotométricos da MB em DMSO, sugerindo a não formação
de complexo.
Figura 29. Espectros de UV/Vis da MB em DMSO
contendo diferentes concentrações de M-β-CD.
Pode-se sugerir que a não formação de complexo de inclusão entre a MB
e M-β-CD em DMSO, DMF e DMA é conseqüência do elevado valor do parâmetro β
de Kamlet e Taft. Dessa forma, a capacidade de doar elétrons desses solventes
possibilita as interações entre solvente e corante, não permitindo, assim, interações
mais fortes entre a MB e a M-β-CD.
Já nas soluções em acetonitrila e acetona observaram-se variações
hipsocrômicas sensíveis do λmáx e ausência de ponto isosbéstico, dados estes
apresentados na Figura 30. Tais dados sugerem a não formação de complexo de
inclusão.
55
Figura 30. Espectros de UV/Vis da MB em acetona
contendo diferentes concentrações de M-β-CD.
Essa variação do λmáx em acetona pode estar indicando a proximidade da
MB em relação ao microambiente externo da CD. Tal região constitui um ambiente
de polaridade superior ao da solução. Como pode ser observado na Tabela 6, DMA,
DMF e DMSO apresentam valores elevados de β em relação à acetonitrila e
acetona, indicando que naqueles solventes ocorrem interações mais fortes entre o
solvente e a MB. Já para a acetonitrila e a acetona a interação corante-solvente é
mais fraca e a MB está mais livre para interagir com grupos, como as hidroxilas, da
M-β-CD, justificando-se assim a variação do λmáx registrado nestes dois solventes.
3.3 Estudos do comportamento do CR em diferentes soluções de M-β
β-CD
O comportamento do CR foi investigado em soluções com concentração
crescente de M-β-CD em etanol, acetonitrila, DMSO, DMF, DMA, diclorometano e
clorofórmio. Este corante apresenta um pronunciado solvatocromismo negativo,
demonstrando uma variação de λmáx da ordem de 357 nm quando modifica-se o
solvente de água para éter difenílico. Como o CR possui uma maior solubilidade em
solventes apolares do que a MB, o mesmo foi empregado com o objetivo de avaliar o
efeito destes solventes. A água não foi relacionada devido à insolubilidade do CR
neste solvente.
56
Na Tabela 7 apresentam-se os valores do λmáx do corante de Reichardt
em soluções contendo diferentes concentrações de M-β-CD.
Tabela 7. Valores do λmáx do CR em diferentes solventes na presença de M-β-CD.
[M-β
β-CD]
(mol.dm-3) Etanol Acetonitrila DMSO
0,000
0,001
0,002
0,003
0,004
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0,016
0,018
0,020
551,9
551,2
551,9
551,9
551,3
551,3
551,9
551,8
551,4
551,9
551,5
551,9
551,9
625,7
622,1
619,0
618,1
616,6
614,0
610,3
607,0
605,5
603,2
600,2
599,0
598,1
633,6
633,6
632,8
632,2
631,3
631,3
631,3
629,8
629,2
629,2
628,8
628,4
628,4
λmáx (nm)
DMF
DMA
661,8
661,0
660,5
660,2
660,2
652,9
654,4
654,3
654,3
652,4
652,1
652,1
649,9
667,7
667,1
666,8
666,8
666,8
666,2
665,3
663,9
663,3
661,5
661,0
661,0
660,1
Diclorometano
702,5
691,0
688,1
685,6
681,8
673,5
667,9
661,5
656,8
651,1
644,8
640,4
635,0
Clorofórmio
731,2
726,5
722,5
715,1
714,3
703,2
698,6
691,0
683,6
677,1
673,6
668,9
665,2
Uma análise da Tabela 7 demonstra a ausência de variações do λmáx do
CR em etanol. Em solventes polares apróticos, o único que apresentou uma
variação hipsocrômica significativa foi a acetonitrila. Em diclorometano e clorofórmio
obtiveram-se as maiores variações do λmáx em relação a todos os solventes
estudados neste trabalho.
Os dados presentes na Tabela 7 para os solventes polares próticos e
apróticos são apresentados na Figura 31, possibilitando a visualização das
tendências de variação do λmáx em cada solvente.
57
30
acetonitrila
25
∆λmáx (nm)
20
15
DMF
10
DMA
DMSO
5
0
0,000
etanol
0,005
0,010
0,015
0,020
-3
[M-β-CD] (mol.dm )
Figura 31. Variação do λmáx do CR em função da
concentração da M-β-CD em solventes polares
próticos e apróticos.
Pode-se verificar na Figura 31 que nos solventes DMA, DMF e DMSO
houve deslocamentos hipsocrômicos mínimos. Em acetonitrila, registraram-se as
maiores variações do λmáx entre todos os solventes polares próticos e apróticos
estudados.
Na Tabela 8 apresenta-se: a variação máxima (∆λmáx) do comprimento de
onda; o valor de ETN e os parâmetros α e β de Kamlet-Taft para cada solvente.
58
Tabela 8. Valores da ∆λmáx, ETN, α e β para cada solvente utilizado nos
experimentos com o CR na presença de M-β-CD.
Solventes dipolares ∆λmáx 0,00-0,02
ETN
α
β
próticos
(nm)
Etanol
0,0
0,654
0,83
0,77
Acetonitrila
-27,6
0,460
0,19
0,31
DMSO
-5,2
0,444
0,00
0,76
DMF
-11,9
0,386
0,00
0,69
DMA
-7,6
0,377
0,00
0,76
Diclorometano
-67,5
0,309
0,30
0,00
Clorofórmio
-66,0
0,259
0,44
0,00
Solventes dipolares
apróticos
Solventes clorados
É interessante observar que na segunda parte deste trabalho, quando da
utilização da MB, obtiveram-se resultados semelhantes aos aqui relatados para as
soluções em etanol. Naquela situação, a variação do comprimento de onda (∆λmáx)
foi inexistente para o metanol e da ordem de -1,7 nm para o etanol. Desta forma,
nota-se uma coincidência de resultados, o que reforça a idéia de que a capacidade
doadora do meio é responsável pelas interações solvente-corante e solvente-CD.
Pode-se também verificar que dado ao fato do CR apresentar um átomo de oxigênio
fenóxido altamente básico, o que portanto fornece ao corante um caráter DPE, as
interações com os solventes de caráter DLH são beneficiadas. O etanol preenche
essa condição, o que favorece uma interação pronunciada entre o solvente e o CR.
Em relação aos solventes DMA, DMF e DMSO, são observadas variações
reduzidas do λmáx sugerindo interações fracas entre a parte positivamente carregada
do CR e o solvente no qual se encontra solvatado. Sugere-se que essa interação se
deva aos elevados valores de β destes solventes. Como caracterizado na literatura
(REICHARDT, 1991), o comportamento do CR depende fortemente da força de
solvatação eletrofílica do solvente no qual se encontra, o que envolve
preponderantemente a habilidade DLH e o comportamento RPE do solvente. Porém,
59
os três solventes acima relatados apresentam caráter DPE preponderante, tal fato
dificulta a interação com o CR via átomo de oxigênio. Por outro lado, a interação
com o átomo de nitrogênio é dificultada, já que se trata de uma carga muito dispersa
e pouco acessível. Desta forma, devido a dificuldade de interagir com o corante, o
solvente passa a interagir com a CD, através de ligações de hidrogênio, dificultando
a aproximação do corante à mesma. Quanto mais fortes as interações entre solvente
e CD mais difícil é o acesso do CR à M-β-CD.
A Figura 32 apresenta os espectros do CR em acetonitrila em
concentrações crescentes de M-β-CD. Pode-se verificar neste solvente a ausência
de ponto isosbéstico.
Figura 32. Espectros de UV/Vis do CR em acetonitrila
contendo diferentes concentrações de M-β-CD.
Analisando-se o comportamento em acetonitrila, o qual se desvia daquele
apresentado pelos outros solventes polares apróticos, constata-se a influência da
capacidade DPE, a qual é representada pelo parâmetro β de Kamlet e Taft. Assim,
ocorre uma interação mais fraca do CR com o solvente e uma aproximação deste do
microambiente externo da CD. Como o microambiente externo da CD é mais polar
que a acetonitrila, justifica-se a variação hipsocrômica observada. A preponderância
da capacidade doadora na determinação do comportamento do CR em acetonitrila
emerge do fato deste solvente apresentar características nucleofílicas semelhantes a
dos demais solventes polares apróticos.
60
Nos solventes apolares, clorofórmio e diclorometano, registraram-se os
maiores deslocamentos hipsocrômicos. A Figura 33 apresenta a variação do λmáx em
função da concentração crescente da M-β-CD para esses dois solventes.
diclorometano
clorofórmio
70
60
∆λ
máx
(nm)
50
40
30
20
10
0
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
-3
[M-β -CD] (mol.dm )
Figura 33. Variação do λmáx do CR em função da
concentração de M-β-CD em solventes apolares.
A significativa variação do λmáx nestes dois solventes apolares sugere a
formação de complexo de associação formado por ligações de hidrogênio. Esta
sugestão é reforçada pela presença de um ponto isosbéstico na análise
espectrofotométrica realizada para os dois solventes. A formação de complexo de
associação parece uma hipótese mais coerente do que a formação de complexo de
inclusão, devido a elevada variação do λmáx obtida, o que sugere a aproximação do
CR a um microambiente pronunciadamente mais polar que aquele no qual se
encontrava. Sendo a face externa da CD mais polar do que sua face interna, é
correto imaginar que o corante associou-se a face externa. Por outro lado, o
tamanho do CR também compromete o seu ajuste a cavidade interna da CD. A
Figura 34 apresenta os espectros de UV/Vis do CR em diclorometano na presença
de M-β-CD.
61
Figura 34. Espectros de UV/Vis do CR em diclorometano
contendo diferentes concentrações de M-β-CD.
Devido a deslocamentos hipsocrômicos significativos e a presença de um
ponto isosbéstico em torno de 602,5 nm nos espectros do UV/Vis do CR em
diclorometano, utilizou-se a equação de Benesi-Hildebrand para calcular a constante
de associação. Esta equação foi utilizada devido à obtenção de um melhor
coeficiente de correlação do que na equação de Scott. O tratamento matemático é
apresentado na Figura 35.
7
6
-1/∆A
5
4
3
2
60
80
100
120
140
160
180
200
220
-3
1/[M-β-CD] (mol.dm )
Figura 35. Análise segundo a equação de BenesiHildebrand para o cálculo da constante de associação do
CR em diclorometano na presença de M-β-CD.
62
Os parâmetros da análise estatística obtidos foram: N = 9; R2 = 0,9989 e
SD = 0,06715. A partir do coeficiente angular e linear resultantes determinou-se o
valor da constante de inclusão para o CR em M-β-CD, sendo obtido
3
-1
K1:1= 22,13 dm mol .
A Figura 36 apresenta os espectros de UV/Vis do CR em clorofórmio na
presença de concentrações crescentes de M-β-CD.
Figura 36. Espectros de UV/Vis do CR em clorofórmio
contendo diferentes concentrações de M-β-CD.
A clara presença de um ponto isosbéstico em torno de 630,5 nm na Figura
36, e os deslocamentos hipsocrômicos registrados de acordo com a Figura 33
indicam a formação de complexo. A constante de associação também foi calculada a
partir da equação de Benesi-Hildebrand e o tratamento matemático é apresentado
na Figura 37.
63
7,5
7,0
6,5
-1/∆A
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
60
80
100
120
140
160
180
200
220
-3
1/[M-β-CD] (mol.dm )
Figura 37. Análise segundo a equação de BenesiHildebrand para o cálculo da constante de associação do
CR em clorofórmio na presença de M-β-CD.
Os parâmetros da análise estatística obtidos foram: N = 9; R2 = 0,9975 e
SD = 0,09751. A partir do coeficiente angular e linear resultantes determinou-se o
valor da constante de associação para o CR em M-β-CD, sendo obtido
3
-1
K1:1= 61,15 dm mol .
No caso do CR em clorofórmio, a diferença de coloração das soluções
contendo M-β-CD e na ausência desta são marcantes, conforme pode ser
visualizado na Figura 38.
64
(a)
(b)
Figura 38. Soluções do CR (1,0 x 10-4 mol.dm-3)
em clorofórmio na (a) ausência de CD e (b) na
presença de M-β-CD (0,02 mol.dm-3).
Esta alteração na coloração sugere que o CR migra de um ambiente
apolar, o clorofórmio, para um ambiente menos apolar, a superfície externa da CD,
formando um complexo de associação com a mesma.
Diante dos valores das constantes de associação apresentados
anteriormente podemos sugerir que em clorofórmio há uma maior parte de corante e
CD complexados do que em diclorometano. Tal diferença pode ser justificada devido
ao fato do clorofórmio apresentar um valor de ETN menor que o diclorometano,
comprovando uma menor polaridade do primeiro em relação ao segundo solvente.
Portanto, o diclorometano possui um momento dipolar mais elevado, levando a uma
maior afinidade com o corante. Uma vez que o CR na presença de solventes
apolares ainda mantém-se em boa parte na forma zwitteriônica, uma maior
polaridade do meio resulta em interações mais efetivas solvente-corante. Como no
clorofórmio estas interações são mais fracas, o CR tende a migrar em maior
proporção, se comparado ao diclorometano, para as proximidades do microambiente
65
externo da CD, o qual representa uma região mais polar e rica em hidroxilas. Desta
forma, ocorre a formação de complexo de associação via ligações de hidrogênio
entre corante e CD.
As soluções de clorofórmio e diclorometano se diferenciam das demais
tanto devido à baixa polaridade destes solventes, quanto em relação ao reduzido
valor do parâmetro β de Kamlet e Taft e o fato de apresentarem um caráter DLH
muito fraco. A ausência de formação de complexo de inclusão denota, aqui, a
importância preponderante de interações hidrofóbicas no processo de complexação
com ciclodextrinas.
Titulações com o reagente de Karl Fischer revelaram a presença de 10%
em massa de água na M-β-CD. Mudanças hipsocrômicas na banda solvatocrômica
dos corantes MB e CR são obtidas se a água é adicionada em co-solventes
orgânicos, devido a uma interação específica com o meio fenólico do corante, sendo
possível que as mudanças hipsocrômicas observadas fossem causadas por
moléculas de água presentes na CD. Desta forma, é importante comparar os dados
deste estudo com outros que relatam o efeito da presença de 10% (w/w) de água
adicionada em soluções dos corantes. Estes dados estão disponíveis na literatura
para o corante de Reichardt (ORTEGA et al,1996), e a merocianina de Brooker
(SILVA et al, 2002) em misturas de diversos solventes com água. Alguns destes
dados foram usados para calcular as alterações que ocorrem com a adição de 10%
de água em álcoois (metanol, etanol e propan-2-ol) e solventes DPE (DMSO, DMF,
acetona e acetonitrila). Estes dados são apresentados na Tabela 9 e mostram que
para estes corantes, apesar da adição de água em geral, ocorrem mudanças
hipsocrômicas na banda solvatocrômica, e está claro que uma parte dessa mudança
é devido a uma interação entre a CD e o corante. A acetona e acetonitrila, em
particular, proporciona uma alteração maior devido a presença da CD. Por exemplo,
uma mudança hipsocrômica de 30 nm é obtida para as soluções do CR em acetona
na presença da CD, quando o efeito devido a presença de água torna-se discreto.
66
Tabela 9. Comparação entre o valor de λmax para as bandas solvatocrômicas do CR
e da MB em solventes puros, em solventes com 10% (w/w) de água e em solventes
com 0,02 mol dm-3 de M-β-CD.
λmax (CR)/nm
λmax (MB)/nm
solventea
com 10%
com
solvented
com 10%
com
puro
de águab
M-β
β -CDc
puro
de águad
M-β
β -CDc
metanol
516
514
516
485
485
485
etanol
551
548
551
514
513
512
propan-2-ol
591
600
580
546
544
543
DMSO
634
635
629
568
568
566
DMF
662
653
650
583
579
572
acetona
677
668
638
588
578
552
acetonitrila
627
616
599
556
517
Solvente
a
b
562
c
d
(REICHARDT, 1994). (ORTEGA et al,1996). Deste estudo. (SILVA et al,2002).
O estudo do espectro de UV/vis dos corantes solvatocrômicos MB e CR
após a adição de M-β-CD em diferentes solventes mostram que estes corantes
proporcionam interações específicas fortes, tal como ligações de hidrogênio e efeitos
hidrofóbicos. A análise das mudanças espectrais dos corantes na presença de M-βCD apresenta, exceto em água, um modelo sendo explicado a partir da
consideração de interações corante-solvente, CD-solvente e CD-corante. De acordo
com este modelo, os solventes que possuem um alto valor de α interagem
fortemente com o corante por ligações de hidrogênio, portanto ocorre uma fraca
interação entre CD e corante. Solventes com altos valores de β demonstram fortes
interações solvente-CD, e desta forma fracas interações CD-corante. As interações
entre M-β-CD e o corante podem ser ajustadas com a alteração das propriedades de
acidez e basicidade do meio. Em solventes como o diclorometano e clorofórmio, que
exibem valores muito baixos de α e β, interações CD-corante tornam-se mais fortes
e desta forma, ocorre a formação de complexos de associação por ligações de
hidrogênio.
Este modelo falha se o solvente considerado for a água. O fato da MB
apresentar mudanças batocrômicas na banda solvatocrômica quando a CD é
adicionada sugere a inclusão deste corante na CD, demonstrando que a cavidade
67
da CD é hidrofóbica. Tentativas têm sido feitas por muitos autores para estabelecer
a polaridade da cavidade da CD (CONNORS, 1997). Apesar do caráter hidrofóbico
da cavidade da CD ser bem conhecido (SZEJTLI,1998; SAENGER et al, 1998; LI e
PURDY, 1992), as conclusões em relação aos dados experimentais não estão de
acordo quanto a comparação do microambiente da cavidade da CD com os
solventes puros (CONNORS, 1997). Isto é devido ao fato dos compostos utilizados
apresentarem diferentes estruturas e interagirem de maneira diferente com a
cavidade da CD, desta forma relatando diferentes micropolaridades. Portanto, este
estudo mostra a importância de utilizar os corantes MB e CR como prova de que a
polaridade da cavidade das CDs é lipofílica, mas a imprecisão quanto a efetiva
localização do corante na cavidade faz com que uma definição do “valor” exato para
esta polaridade seja dificultado. Pesquisas futuras devem ser realizadas com outras
classes de corantes na intenção de uma melhor e mais profunda compreensão desta
questão.
68
4. CONCLUSÃO
Foram investigados os comportamentos de dois corantes solvatocrômicos,
o corante de Reichardt e a merocianina de Brooker, em soluções contendo
ciclodextrinas, com a finalidade de estudar a possível formação de complexos de
inclusão.
A partir da discussão realizada para a inclusão em meio aquoso, pode-se
concluir que a hidrofobicidade da cavidade da CD aparece como fator preponderante
no processo de inclusão. Tal fato pode ser justificado pela ocorrência de formação
de complexo de inclusão somente em água e não nos demais solventes avaliados
neste trabalho. Além disso, o estudo comparativo das diferentes ciclodextrinas em
solução aquosa revelou que o ajuste da MB à cavidade interna das CDs estudadas
representa um segundo fator fundamental para formação e estabilização dos
complexos de inclusão. Sendo a MB uma molécula de tamanho reduzido, esta
encontrou melhor encaixe em α- e β-CD do que em γ-CD, onde não houve inclusão,
devido ao fato das duas primeiras apresentarem cavidades de menor diâmetro do
que esta última. A mesma observação vale para a M-β-CD e a HP-β-CD, que apesar
de apresentarem estruturas mais flexíveis devido à quebra da rede de ligações de
hidrogênio intramoleculares, têm diâmetros internos inferiores ao da γ-CD. O ajuste
da MB ao espaço interno da ciclodextrina, potencializado na α-CD pela presença de
um núcleo de glicopiranose invertido, em β-CD pela possível presença de uma
estrutura dimérica e nas CDs modificadas pelo aumento da profundidade da
cavidade, proporcionada pela substituição das hidroxilas externas pelos grupos
metila e hidroxipropila, acentua a importância de forças fracas de interação
criticamente
dependentes
da
distância
intermolecular.
Essas
interações
compreendem forças de van der Waals, ligações de hidrogênio, interações dipolodipolo, dipolo-dipolo induzido, as quais apresentam importância fundamental para o
processo de inclusão. Outrossim, através da observação da variação do λmáx podese sugerir que as CDs modificadas apresentam cavidades de polaridade inferior a
das CDs naturais, podendo a micropolaridade da cavidade das mesmas ser
relacionadas na seguinte ordem: M-β-CD < HP-β-CD < α-CD < β-CD.
69
Uma análise detida da segunda etapa deste trabalho permite concluir que
a polaridade do meio é importante para a formação do complexo de inclusão. Esta
se dá por interações específicas regidas principalmente pela hidrofobicidade, já que
em meio alcoólico, principalmente quando da utilização de metanol e etanol,
solventes esses com polaridade mais próxima a da água, não foi verificada inclusão.
É interessante ressaltar que tanto a cavidade da CD como os álcoois apresentam
características DLH pronunciadas.
Os resultados obtidos na segunda etapa denotam ainda interações
dissonantes na presença de solventes polares apróticos, sendo as mesmas regidas
pela capacidade doadora do meio. Dessa forma, na presença de DMF, DMSO e
DMA são observadas interações fracas entre a MB e a M-β-CD devido aos valores
elevados do parâmetro β de Kamlet e Taft desses solventes. Na presença de
acetonitrila e acetona, solventes de fraco caráter doador, as interações da MB com a
M-β-CD são intensas, ainda que se dêem apenas no âmbito do microambiente
externo dessa última, fato denotado pela significativa variação hipsocrômica do λmáx.
Os resultados obtidos na terceira etapa corroboraram aqueles obtidos até
então para solventes próticos e apróticos, acrescentando a possibilidade de análise
das interações do corante solvatocrômico com a M-β-CD em meio apolar. A
capacidade doadora de elétrons dos solventes polares apróticos utilizados nesta
etapa potencializam as interações do solvente com a CD em detrimento das
interações da CD com o corante. Por outro lado, na presença de solventes apolares,
como o clorofórmio e diclorometano, nota-se a formação de um complexo de
associação entre o CR e M-β-CD, viabilizado (a) pelas ligações de hidrogênio entre o
grupo fenóxido do corante e os grupos hidroxílicos da CD e (b) pelas fracas
interações do solvente com o corante solvatocrômico e a ciclodextrina.
De uma forma geral, pode-se então concluir que alguns fatores são
imprescindíveis para inclusão, dentre os quais se pode ressaltar o ajuste do
substrato à cavidade da CD, a hidrofobicidade e a soma de várias interações regidas
principalmente por ligações de hidrogênio, interações DPE e RPE e forças de van
der Waals. Dessa maneira, o solvente utilizado para o processamento das reações
de inclusão é determinante para ocorrência ou não das mesmas uma vez que a
existência de interações fortes entre solvente e a cavidade da CD excluem a
70
possibilidade de formação de complexo de inclusão. Pode-se assim sugerir que
existe uma competição entre solvente e corante regida pela afinidade destes com a
cavidade e com os grupos hidroxílicos da CD.
Finalmente, é possível constatar que as CDs modificadas que foram
utilizadas neste trabalho apresentam hidrofobicidade interna acentuada pela
substituição em relação as CDs naturais.
O trabalho aqui realizado apresenta relevância para a interpretação dos
mecanismos que regem o processo da formação de complexo de inclusão, bem
como para uma caracterização prévia da polaridade do microambiente interno e
externo das ciclodextrinas.
71
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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