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Departamento de Química | PUC-Rio

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Tratamento do bambu usando nanopartículas de cobre para atividades

antifúngicas e catalíticas

Aluno: Carlos Eduardo R. Rocha

Orientador: Omar Pandoli

Co-orientadores: Elton J. R. Rodrigues e Druval S. Sá

1. Introdução

O bambu é uma matriz biológica constituída, principalmente, por três tipos de

tecidos: esclerênquima ou fibras, parênquima, e tecidos condutores ou feixes vasculares,

que por sua vez, possuem amido, celulose e hemicelulose. Esses polissacarídeos tornam

o material suscetível a ataques microbianos, deixando o bambu com a sua durabilidade

comprometida [1]

A utilização de nanopartículas de cobre (CuNPs) surge como solução para esse

problema, pois estudos recentes comprovam a capacidade das CuNPs em retardar ou até

mesmo inibir o crescimento de fungos e, por conseguinte, potencial ação antifúngicas

[2,3]. Entretanto, a facilidade de agregação e oxidação do cobre sob condições

atmosféricas é propriedade intrínseca desse metal, por conseguinte, dificultando a síntese

da nanopartícula [4].

Portanto, a síntese coloidal de nanopartículas de cobre estáveis (sem agregação) e

monodispersas torna-se um desafio. A utilização de polissacarídeos, como a

carboximetilcelulose (CMC), pode ser responsável por estabilizar e capear as

nanopartículas [5]; Enquanto, a dispersão é controlada com auxílio da microfluídica, por

possibilitar um controle em relação a transferência de massa e calor [6].

Em adição a aplicabilidade das nanopartículas de cobre em atividades antifúngicas,

destaca-se o uso das CuNPs como catalisador em reações “click-chemistry”, reação

empregada em química orgânica pelo acoplamento de diferentes sintons, onde há a

formação de um triazol resultante da cicloadição entre uma azida (R’-N3) e um alcino

terminal (R”-C≡C- H) [7,8,9].

A impregnação das CuNPs nos canais do bambu, possibilita o desenvolvimento de

sistema catalítico heterogêneo, onde o catalisador encontra-se suportado em uma fase

diferente da fase dos reagentes. Dessa forma, torna-se uma alternativa interessante no

âmbito da catalise heterogênea, pois possibilita a recuperação e reutilização do catalisador

sem a necessidade de filtração, inclusão de reações em fluxo continuo e baixo impacto

ambiental do suporte utilizado.

2. Objetivo

Sintetizar suspensões coloidais estáveis de nanopartículas de cobre (CuNPs) em

fluxo, investigando a relação entre concentração do capeante/estabilizante,

carboximetilcelulose (CMC), com o raio hidrodinâmico e carga superficial. Caracterizar

as CuNPs por Potencial-Zeta, Espalhamento dinâmico de Luz (DLS), Espectroscopia no

Ultravioleta-visível (UV-Vis), analisar a formação do complexo CMC-Cu(II) por

Espectroscopia por Infravermelho por Transformada de Fourier (FT- IR) e verificar sua


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ação catalítica na síntese do triazol proveniente da reação orgânica denominada como

“click-chemistry”.

3. Metodologia

3.1. Síntese CuNPs em fluxo

3.1.1. Estudo de condições da formação do complexo cobre-CMC

A síntese em fluxo ocorreu em microrreator de borosilicato da marca Micronit, cujo

diâmetro interno equivale a 150 µm. Diante disso, a formação de precipitados

compromete o fluxo de fluídos dentro dos microrreatores. Assim, inicialmente foi

investigada a condição ideal variando apenas o pH da solução de CMC.

Primeiramente, foram preparadas duas soluções de CMC, ambas de concentração

2,00 g L-1, porém, na primeira, o sólido polimérico foi dissolvido em água ultrapura;

Enquanto, na segunda, foi solubilizado em uma solução de 1,00 % v/v de ácido acético.

A solução preparada em água ultrapura foi dividas em 5 frações, e a estas foram

adicionadas soluções diluídas de HCl e NaOH até que estivessem em diferentes pH’s,

sendo esses variando de 6,0 a 10,0, escalando uma unidade. Essa aferição foi realizada

em um pHmetro digital.

Em seguida, em 6 recipientes foi adicionado 1,00 mL de uma solução de

CuCl2•2H2O 0,0100 mol L-1 e, por conseguinte, para cada recipiente foi adicionada 1,00

mL de uma solução CMC de pH distinto.

Os precipitados obtidos foram retirados da solução, secos na estufa à 60 °C por uma

hora e em seguida analisados por espectroscopia de infravermelho FT-IR comparando o

sólido obtido com a CMC pura.

3.1.2. Processo de síntese

A síntese em fluxo ocorreu em um microrreator de vidro borosilicato, com um

sistema de aquecimento acoplado a sua superfície. Este microrretor possui duas entradas,

onde as soluções de CuCl2•2H2O e CMC foram inseridas em cada uma com auxílio de

bombas-seringa, e uma saída, onde o fluído resultante foi recolhido em um recipiente,

com solução 2,00 mL de NaOH de concentração 0,433 mol L-1, em uma placa com banho

de glicerina a 90°C e agitação de 1000 rpm. A Figura 01 ilustra o sistema de síntese em

fluxo.

Figura 01: Representação da síntese de CuNPs em fluxo.


3

Foram realizadas 5 sínteses, onde a concentração final de CMC em cada síntese foi

de 1,0 g L-1, 2,5 g L-1, 5,0 g L-1, 7,5 g L-1 e 10,0 g L-1 e estas foram denominadas de C1 a

C5. As soluções de CMC foram preparadas sendo dissolvidas em uma solução de 1% v/v

de ácido acético e a concentração final de CuCl2•2H2O foi de 0,001 mol L-1. As soluções

de CMC e CuCl2•2H2O foram adicionadas a uma vazão de 0,20 mL min-1, onde foi

fluxado em cada bomba 4,00 mL dessas soluções. A Tabela 01 abaixo resume

concentrações iniciais e finais desse processo.

Tabela 01: Processo de síntese em fluxo, concentrações iniciais e finais de cobre e CMC

Amostra

Concentração

inicial de cobre

(mol L-1)

Concentração

final de cobre

(mol L-1)

Concentração

inicial de CMC

(g L-1)

Concentração

final de CMC

(g L-1)

C1 0,0025 0,0010 2,50 1,00

C2 0,0025 0,0010 6,25 2,50

C3 0,0025 0,0010 12,5 5,00

C4 0,0025 0,0010 15,0 7,50

C5 0,0025 0,0010 20,0 10,0

Após o fluxo de CMC e CuCl2•2H2O, o recipiente continuou sob aquecimento e

agitação por mais 10 minutos. Em seguida, as soluções foram filtradas com um filtro de

seringa de 0,45 µm, previamente ativado com metanol e água, e analisadas no DLS,

Potencial Zeta e UV-vis.

3.3. Reação “click-chemistry”

Foi realizada a “click-chemistry” em batelada com as CuNPs visando a

investigação da sua ação catalítca. Utilizou-se como solvente uma mistura de H2O/ MeOH

(2:1) e 100,0 µL da solução coloidal de cobre sintetizada em batelada com concentração

final de CMC de 1,00 g L-1 e a reação foi mantida em agitação em temperatura ambiente.

A Figura 02 mostra a esquematização da reação global na síntese do triazol.

Figura 02: Reação global das reações click-chemistry realizadas

Objetivando comparar o rendimento da reação, foi realizada duas reações com

nanopartícula (R1 e R2) e sem nanopartícula (T1). As quantidades de reagentes em mmol

utilizados nas reações “click-chemistry” estão na Tabela 02.


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Tabela 02: Quantidades de alcino (Fenilacetileno) e azida utilizadas nas reações

Amostra Radical Fenilacetileno

(mmol)

Azida

(mmol)

R1 (a) ~Br 0,284 0,164

R2 (b) ~O-CH3 0,199 0,191

T1 (a)~Br 0,121 0,037

Essas reações foram acompanhadas por Cromatografia de Camada Delgada (TLC)

e após 9 horas foram realizadas três extrações com água ultrapura e clorofórmio (CHCl3)

coletando a fase orgânica. Os produtos foram purificados por coluna cromatográfica com

uma fase móvel hexano/acetato (70:30), o qual após a completa purificação do produto

foi retirado por rotaevaporação.

4. Resultados e discussão

O Estudo da formação do complexo cobre-CMC foi realizado a fim de investigar

as condições ideias para aplicar a metodologia ao microrreator. Após a execução do

procedimento, foi possível verificar que o aumento do pH ocasiona um aumento da

turbidez e da quantidade de precipitado; enquanto em meio ácido, não houve essa

mudança, conforme ilustrado na Figura 03.

Figura 03: Teste de complexação e precipitação entre cobre e CMC: A) Soluções iniciais contendo apenas

CuCl2•2H2O; B) “C0-1” representa a mistura com CMC acidificada com ácido acético; enquanto “C1-1”,

“C2-1”, “C3-1”, “C4-1” e “C5-1” são mistura proveniente de CMC com pH 6, 7, 8, 9 e 10 apresentaram

turbidez; C) Amostras que apresentaram turbidez precipitaram.

Dessa forma, para aplicar a metodologia em fluxo, a qual necessita de um

microrreator de vidro cujo raio interno 150 µm, a formação de precipitados na parte


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interior impossibilita a passagem de fluxo. Portanto, foi necessário acidificar a solução

de CMC com a solução de 1% de ácido acético. A Tabela 03 resume os resultados

obtidos.

Tabela 03: Resultados de complexação cobre-CMC

Amostra pH inicial CMC Turbidez Precipitado após

repouso

C0-1 2,58

(em 1% v/v ácido acético) Não Não

C1-1 6,02 Sim Sim

C2-1 7,08 Sim Sim

C3-1 8,03 Sim Sim

C4-1 9,02 Sim Sim

C5-1 10,05 Sim Sim

A Figura 04 exibe o resultado do tratamento de desidratação dos precipitados

resultantes da complexação da CMC com Cu (II).

x

Figura 04: Precipitados desidratados para análise no FT-IR

Todos foram analisados no equipamento de FT-IR apresentando espectros

similares. Para a comparação com o espectro da CMC pura (Figura 05), foi escolhido o

espectro relativo à amostra C2-1.


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Figura 05: Análise por espectroscopia infravermelho (FT-IR) do CMC puro e do complexo CMC-Cu (II)

obtido.

No espectro de infravermelho exibido na Figura 05, mais especificamente na região

de interesse compreendida entre 2000-1500 cm-1, relativa às absorções de grupamento

carbonila, pode-se notar um deslocamento de 17 cm-1 para valores menores de números

de onda, quando se compara a CMC pura com o complexo CMC-Cu(II). Tal efeito pode

ser atribuído às interações existentes entre o centro metálico e o fragmento que contém o

ânion carboxilato, presente na estrutura do polímero.

A banda presente na faixa de 3000 a 3600 cm-1 ocorre devido a presença de

estiramento do grupo hidroxila (~OH); enquanto a banda em 2931 é resultante da vibração

de estiramento do grupo ~ CH. A banda entre 1595-1578 cm-1 é proveniente do grupo

carbonila (C=0) e, por fim, a banda em 1072 cm-1 é resultante do alongamento do grupo

(CH-O-CH2) [10]. A Tabela 04 resume as bandas obtidas:

Tabela 04: Assinalamentos de FT-IR das amostras

Ligação Banda vibracional: Número de onda

(intensidade, forma)

O-H ν=3000-3600 cm-1 (m, L)

C-H ν=2931 cm-1 (f, a)

C=O ν=1595-1578 cm-1 (F, a)

CH-O-CH2 νass=1072 cm-1 (f,a)

Legenda: ν= estiramento, νass = estiramento assimétrico, F= forte, m= média, f= fraca, a= aguda, L= larga


7

Após o processo de síntese das soluções coloidais de nanopartículas de cobre

(CuNPs) foi possível verificar que as soluções obtiveram uma coloração amarela e,

conforme o aumento da concentração final de CMC, mais fraco é o tom da coloração da

solução (Figura 06-A). Ao incidir um feixe de luz sobre das amostras, foi possível

verificar o seu trajeto de luz, processo denominado como “Efeito Tyndall”, característicos

de soluções coloidais [11], onde há dispersão da luz (Figura 06-B).

Figura 06: Solução coloidais de nanopartículas de cobre (CuNPs) sintetizadas de C1 a C5, onde

concentração final de CMC varia de 1,0 g L a 10,0 g L: A) Coloração após sínteses; B) Efeito Tyndall.

Na análise por UV-Vis , as amostras com concentração final de CMC 7,5 g L-1 e

10,0 g L-1 (C4 e C5) apresentaram uma extinção (soma entre absorbância e espalhamento

da luz provocado pelas partículas) menor, quando comparadas a C1, C2 e C3, pois as

amostras mais claras ficaram mais claras, conforme Figura 6 -A. Somado a isso, o

espectro UV-Vis, Figura 07, não apresentou banda de ressonância plasmônica, assim,

sendo um indício de formação de nanopartículas ultra pequenas. [10]

Figura 07: Espectro UV-Vis das soluções coloidais de nanopartículas cobre (CuNPs) de C1 a C5.

Extin

çã

o (

u.a

.)


8

O estudo da relação do diâmetro hidrodinâmico (nanopartícula de cobre e polímero

de CMC capeado) foi realizado pelo DLS, os resultados indicaram uma relação direta de

concentração e tamanho do diâmetro, onde o diâmetro médio variou de 154,3 nm até

676,8 nm para a concentração de CMC variando de 1,0 g L-1 até 10,0 g L-1 .Portanto,

quanto maior a concentração maior do capeante, maior o diâmetro hidrodinâmico,

conforme ilustrado na Figura 08.

Figura 08: Relação do raio hidrodinâmico com as soluções coloidais de C1 a C5 para investigar a relação

do raio hidrodinâmico com a concentração de polímero.

Ao verificar a mediana dos diâmetros hidrodinâmicos em relação a dispersão das

amostras, é possível verificar que a amostra mais concentrada (C5: 10 g L-1) apresentou

uma maior polidispersão, conforme ilustrado na Figura 09, por conseguinte, sendo um

indicativo de excesso de CMC. Somado a isso, visivelmente pode ser verificado que a

viscosidade da solução aumenta em paralelo com a concentração do polímero, dessa

forma, as amostras C3, C4 e C5 impossibilitaram a síntese seguida em fluxo, pois causou

um entupimento dentro dos microrretores.

Figura 09: Relação da dispersão das amostras e do diâmetro hidrodinâmico das amostras.

Diâ

me

tro h

idro

din

âm

ico

mé

dio

(nm

)


9

Os valores médios da carga superficial, Potencial Zeta, das amostras C1 a C5 foram

negativos, conforme ilustrado na Figura 10, comprovando o fato da CMC ser um

polieletrólito negativo, aniônico. Entretanto, experimentalmente não foi possível

estabelecer uma relação direta entre a carga superficial e concentração do polímero, já

que não houve um comportamento padrão.

Figura 10: Valores médio do Potencial Zeta das amostras de C1 a C5.

Para os testes catalíticos primários das CuNPs em reações “click-chemistry”, foram

realizadas 2 reações (R1 e R2) contendo os fenilacetileno e as azidas 1a e 1b para a

formação dos triazóis 2a e 2b, respectivamente. Objetivando a comparação da efetividade

catalítica das CuNPs, foi realizada uma reação controle (T1) sem a presença das

nanopartículas com os reagentes fenilacetileno e azida 1a. Os rendimentos dos referidos

testes estão descritos na Tabela 05.


10

Tabela 05: Relação dos testes “Click-Chemistry” e os respectivos rendimentos

Conforme observado na Tabela 05, as reações com as nanopartículas mostraram

atividade catalítica com rendimento de 40% (R1) em comparação com o controle (T1)

que apresentou rendimento 18%. Para a segunda reação (R2), sem o controle, foi possível

obter um rendimento de 67%.

Após purificados, o triazol 2a e 2b proveniente, respectivamente, da reação R1 e

R2 foram analisados por Ressonância Magnética Nuclear (RMN) dessa amostra, cujo

espectros encontram-se nas Figura 11 e 12, a seguir:

Figura 11: Espectro de RMN 1H do triazol 1a da reação R1

Código Reagentes Triazol Rendimento

Alcino Azida

T1

18%

R1

40 %

R2

67 %


11

Figura 12: Espectro de RMN 1H do triazol 2a da reação R2

Os espectros da Figuras 11 e 12 mostra o singleto característico do hidrogênio no

anel triazólico em 8,20 ppm e 8,11 ppm e os demais sinais característicos dos referido

produtos 2a e 2b, por conseguinte, indicando a possível formação dos referidos triazóis

2a e 2b proveniente da reação R1 e R2, respectivamente.

5. Conclusões

Foi possível obter soluções coloidais de nanopartículas de cobre sintetizadas em

fluxo, onde houve dispersão do feixe de luz comprovando o efeito Thyndall ocasionado

pelos coloides e que houve uma relação direta do diâmetro hidrodinâmico com a

concentração do polímero, onde a variação da concentração final de CMC entre 1,0 e 10,0

g L-1 possibilitou a mudança do valor médio de 154,3 nm até 676,8 nm. Em relação ao

Potencial Zeta, não foi possível estabelecer um padrão.

As CuNPs sintetizadas mostraram uma potencial ação catalítica. Em um teste

comparativo, com os mesmos reagentes, tempo e condições a reação com as

nanopartículas apresentaram um rendimento de 40%; enquanto a reação sem as CuNPs

apresentou um rendimento de 18%. Após purificado, o produto foi confirmado pelo

singleto característico do anel triazólico.


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6. Referências

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filler material to prevent fungal proliferation in bamboo. RSC Adv, 2016, 6, 98325.

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selected crop pathogenic fungi. Materials Letters, 2015, 115, 13–17.

4 - Wu, S.H.; Chen, D.H. Synthesis of high-concentration Cu nanoparticles in aqueous

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5 - Juncheng Liu, at al. Polysugar-Stabilized Pd Nanoparticles Exhibiting High Catalytic

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Langmuir. 2008, 24, 328-336.

6 - David Erickson, et al. Joule heating and heat transfer in poly(dimethylsiloxane)

microfluidic systems. Lab Chip, 2003, 3, 141–149.

7 - Miguel Yus, Francisco Alonso, et all. Copper nanoparticles in click chemistry: an

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Tetrahedron Letters 50 (2009) 2358–2362

8 - Francisco Alonso, Yanina Moglie and Gabriel Radivoy. Copper Nanoparticles in Click

Chemistry. Acc. Chem. Res. 2015, 48, 2516−2528

9 - Jane Totobenazara and Anthony J. Burke. New click-chemistry methods for 1,2,3-

triazoles synthesis: recente advances and applications. Tetrahedron Letters 56 (2015)

2853–2859

10 - Ahmad Budi Junaidi, et al. Preparation of carboxymethyl cellulose produced from

purun tikus (Eleocharis dulcis) . AIP Conference Proceedings 1868, 020008 (2017).

11 - S.T. Dexter and E.O Kraemer. The Light-Scattering Capacity (Tyndall Effect) and

Colloidal Behavior of Gelatine Sols and Gels. J. Phys. Chem., 1927, 31 (5), pp 764–782

12 - Aaron D. Brumbaugh, Katelyn A. Cohen, and Sarah K. St. Angelo. Ultrasmall

Copper Nanoparticles Synthesized with a Plant Tea Reducing Agent. ACS Sustainable

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