ESTUDOS DO COMPORTAMENTO DE CORANTES … · cristina de garcia venturini estudos do comportamento...

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


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


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 em 10 de fevereiro de 2005.

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 M-

β-CD...................................................................................................................35

2.2.3 Estudo espectroscópico do CR em diferentes solventes na presença de M-

β-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


concentrações de β-CD.............................................................................................40


concentrações de γ-CD. ............................................................................................41


concentrações de M-β-CD.........................................................................................42


inclusão da MB em M-β-CD. .....................................................................................43


concentrações de HP-β-CD.......................................................................................44

viii


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


Figura 28. Espectros de UV/Vis da MB em etanol contendo diferentes


Figura 29. Espectros de UV/Vis da MB em DMSO contendo diferentes


Figura 30. Espectros de UV/Vis da MB em acetona contendo diferentes


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


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


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


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


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-2-

ol), 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

232,12 dm3. mol

-1,128,15 dm

3. mol

-1 e 256,95 dm

3. mol

-1 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, acetonitrile, dimethylsufoxide, dimethylacetamide and

dimethylformamide) and apolar solvents (dichloromethane and chloroform)

containing cyclodextrins (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

calculated with Scott´s equation, being 232,12 dm3. mol

-1, 128,15 dm

3. mol

-1 and

256,95 dm3. mol

-1 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-β-

CD, 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 dye, cyclodextrin, inclusion complex,

hydrophobic interactions, hydrogen bonds.

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 Saint-

Gilles 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 vermelho-

alaranjado 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-1-

ona (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. αααα-CD ββββ-CD M-ββββ-CD HP-ββββ-CD γγγγ-CD

No de unidades de

glicose

6 7 7 7 8

Massa molecular

(g)

972,86 1135,01 ~1310,00 1309,00-

1599,00

1297,15

Solubilidade em

água a 25o C,

g.cm-3

0,114 0,016 ~1,145 * 0,179

Diâmetro interno

(Å)

4,5 – 6,0 6,0-8,0 * * ~8,0-10,0

Diâmetro externo

(Å)

14,6 +/- 0,4 15,4 +/- 0,4 * * 17,5 +/- 0,4

Volume da

cavidade (Å3)

~174 ~262 * * ~427

* 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 α-

e β-CD devido à compatibilidade do volume do substrato e da CD. Já no caso da γ-

CD, 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 Benesi-

Hildebrand, 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 não-

lineares 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)

Ácido 2-metilbenzóico 2,43

4-nitrofenolato 3,90

Benzeno 1,500 ± 0,001

Ciclohexano 2,31

αααα-CD

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

ββββ-CD

Heptano 3,37

Meclizina 2,54 ± 0,03

Terfenadina 4,49 ± 0,03

Orfenadrina 2,375 ± 0,007

M-ββββ-CD

Hidroxizine 2,58 ± 0,02

γγγγ-CD 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-ββββ-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-ββββ-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, utilizou-

se 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.

37

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020

-26-24-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-202

M-ββββ-CD

HP-ββββ-CD

γγγγ-CD

ββββ-CD αααα-CD

∆λm

áx (n

m)

[CDs] (mol.dm-3)

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 αααα-CD

M-ββββ-CD HP-ββββ-CD γγγγ-CD

∆λ∆λ∆λ∆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

entre 0,00 e 0,012 mol.dm-3.

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 αααα-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

0,000 0,005 0,010 0,015 0,0200,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

[α-C

D]∆

A-1 (m

ol.d

m-3)

[α-CD] (mol.dm-3)

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

K1:1 = 232,12 dm3. mol

-1. 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 ββββ-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 γγγγ-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 γ-

CD, 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-ββββ-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

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

-[M-β

-CD

]∆A

-1(m

ol.d

m-3)

[M-β-CD] (mol.dm-3)

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

K1:1 = 128,15 dm3 . mol

-1. 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-ββββ-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.

0,000 0,005 0,010 0,015 0,0200,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

[HP

-β-C

D]∆

A-1 (m

ol.d

m-3)

[HP-β-CD] (mol.dm-3)

Figura 23. Análise segundo a equação de Scott para o cálculo da constante de inclusão da MB em HP-β-CD.

45



valor da constante de inclusão para a MB em HP-β-CD, sendo obtido

K1:1 = 256,95 dm3 mol

-1. 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, observa-

se 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-β-

CD.

Analisando-se os valores das constantes de inclusão obtidos para α-, HP-

β- 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-ββββ-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.

λλλλmáx (nm) [M-ββββ-CD] (mol.dm-3) Metanol Etanol Propan-2-ol Butan-1-ol 2-Metilpropan-2-ol

0,000 484,9 516,5 523,9 531,0 579,5 0,002 486,0 515,7 523,9 531,1 580,3 0,004 484,9 513,1 523,9 531,1 579,2 0,006 486,0 515,7 523,9 531,1 577,8 0,008 484,9 513,1 523,9 531,1 576,6 0,010 486,0 514,8 523,9 528,0 575,6 0,012 486,0 515,1 523,9 526,3 575,6 0,014 486,0 513,1 522,0 526,2 575,9 0,016 486,9 514,8 522,0 521,9 574,8 0,018 486,0 512,4 522,0 524,7 574,8 0,020 484,9 514,8 521,1 518,0 573,0

∆λ∆λ∆λ∆λmáx (nm) 0,0 -1,7 -2,8 -13,0 -6,5

49

Tabela 5. Valores do λmáx da MB em função da concentração de M-β-CD em solventes polares apróticos.

λλλλmáx (nm) [M-ββββ-CD] (mol.dm-3) Acetonitrila DMSO DMF DMA Acetona

0,000 570,6 571,6 577,2 589,8 589,4 0,001 557,3 ------ ------- ------- 589,4 0,002 545,4 570,7 574,9 589,8 580,2 0,003 542,1 ------ ------- ------- 575,6 0,004 537,8 570,2 574,9 588,8 571,5 0,006 532,9 569,2 574,6 585,5 569,6 0,008 531,4 569,2 573,6 586,0 564,2 0,010 531,0 568,0 572,5 582,2 562,7 0,012 530,5 569,6 572,5 584,3 561,2 0,014 527,8 568,7 571,9 582,2 559,7 0,016 527,8 568,0 572,8 582,2 555,8 0,018 526,1 568,0 569,8 580,3 555,8 0,020 524,6 569,2 572,1 582,2 553,0

∆λ∆λ∆λ∆λmáx (nm) -46,0 -2,4 -5,1 -7,6 -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

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

2-metilpropan-2-ol

butan-1-ol

propan-2-oletanol

metanol

∆λm

áx (n

m)


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

0,000 0,005 0,010 0,015 0,0200

10

20

30

40

50

DMSODMFDMA

acetona

acetonitrila

∆λm

áx (n

m)


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 β-

basicidade- 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.


experimentos com a MB na presença de M-β-CD. Solventes dipolares

próticos

∆λ∆λ∆λ∆λmáx 0,00-0,02

(nm)

ETN αααα ββββ

Água 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

Solventes dipolares

apróticos

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

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-ββββ-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. λλλλmáx (nm) [M-ββββ-CD]

(mol.dm-3) Etanol Acetonitrila DMSO DMF DMA Dicloro-metano

Clorofórmio

0,000 551,9 625,7 633,6 661,8 667,7 702,5 731,2 0,001 551,2 622,1 633,6 661,0 667,1 691,0 726,5 0,002 551,9 619,0 632,8 660,5 666,8 688,1 722,5 0,003 551,9 618,1 632,2 660,2 666,8 685,6 715,1 0,004 551,3 616,6 631,3 660,2 666,8 681,8 714,3 0,006 551,3 614,0 631,3 652,9 666,2 673,5 703,2 0,008 551,9 610,3 631,3 654,4 665,3 667,9 698,6 0,010 551,8 607,0 629,8 654,3 663,9 661,5 691,0 0,012 551,4 605,5 629,2 654,3 663,3 656,8 683,6 0,014 551,9 603,2 629,2 652,4 661,5 651,1 677,1 0,016 551,5 600,2 628,8 652,1 661,0 644,8 673,6 0,018 551,9 599,0 628,4 652,1 661,0 640,4 668,9 0,020 551,9 598,1 628,4 649,9 660,1 635,0 665,2

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

0,000 0,005 0,010 0,015 0,0200

5

10

15

20

25

30

DMA

DMF

DMSO

acetonitrila

etanol

∆λm

áx (

nm)


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


experimentos com o CR na presença de M-β-CD. Solventes dipolares

próticos

∆λ∆λ∆λ∆λmáx 0,00-0,02

(nm)

ETN αααα ββββ

Etanol 0,0 0,654 0,83 0,77

Solventes dipolares

apróticos

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

Solventes clorados

Diclorometano -67,5 0,309 0,30 0,00

Clorofórmio -66,0 0,259 0,44 0,00

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.

0,000 0,005 0,010 0,015 0,0200

10

20

30

40

50

60

70clorofórmiodiclorometano

∆λ m

áx(n

m)


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.

60 80 100 120 140 160 180 200 2202

3

4

5

6

7

-1/∆

A

1/[M-β-CD] (mol.dm-3)

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.

62



valor da constante de inclusão para o CR em M-β-CD, sendo obtido

K1:1= 22,13 dm3 mol

-1.

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

60 80 100 120 140 160 180 200 220

3,5

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

-1/∆

A

1/[M-β-CD] (mol.dm-3)

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.



valor da constante de associação para o CR em M-β-CD, sendo obtido

K1:1= 61,15 dm3 mol

-1.

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. λλλλmax (CR)/nm λλλλmax (MB)/nm

Solvente solventea

puro

com 10%

de águab

com

M-ββββ-CDc

solvented

puro

com 10%

de águad

com

M-ββββ-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 627 616 599 562 556 517 a (REICHARDT, 1994). b (ORTEGA et al,1996). cDeste estudo. d (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-β-

CD 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 dipolo-

dipolo, dipolo-dipolo induzido, as quais apresentam importância fundamental para o

processo de inclusão. Outrossim, através da observação da variação do λmáx pode-

se 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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