Cationización de Carragenano Kappa y Caracterización de sus Derivados

TAMARA BARAHONA; HÉCTOR J. PRADO; MARÍA C. MATULEWICZ

Ciudad Autónoma de Buenos Aires

Simposio; X Simposio Argentino de Polímeros 2013; 2013

UBA, UNLP, INTI e ITBA

Cationización de Carragenano Kappa y Caracterización de sus DerivadosTamara Barahona 1*, Héctor Prado 2,3, M. Cristina Matulewicz 11: Departamento de Química Orgánica, CIHIDECAR (CONICET-UBA), Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Pabellón 2, Ciudad Universitaria, 1428EGA Buenos Aires, Argentina2: PINMATE-Departamento de Industrias, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Ciudad Universitaria, 1428EGA Buenos Aires, Argentina3: Cátedra de Tecnología Farmacéutica II, Departamento de Tecnología Farmacéutica, Facultad de Farmacia y Bioquímica, Universidad de Buenos Aires, Junín 956, 1113AAD Buenos Aires, Argentina* tamara.barahona@qo.fcen.uba.arResumenSe realizó la cationización de carragenano kappa (polisacárido sulfatado extraído de algas rojas) con cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropiltrimetilamonio (CHPTAC) en medio alcalino acuoso; se efectuaron ensayos variando la relación molar carragenano kappa:CHPTAC:NaOH; el tiempo de reacción fue 2 horas y la temperatura 60 ºC. Los derivados anfotéricos obtenidos con grados de sustitución entre 0,21 ? 0,41 se caracterizaron por espectroscopía de RMN, por ESI y SEM.También se midió la actividad floculante y de adsorción de colorante.Palabras claves: Carragenano kappa, cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropiltrimetilamonio, carragenano cationizado, polisacárido anfóterico.Sesión: Polímeros a partir de recursos renovables.1 INTRODUCCIÓNEn los últimos años ha aumentado la búsqueda por obtener a partir de fuentes renovables, materiales con alta aplicabilidad. Los polisacáridos se han usado como materias primas con este fin, los cuales no son tóxicos, son biodegradables y de bajo costo. Estos compuestos se han sometido a distintas modificaciones químicas para promover de este modonuevas y variadas propiedades (Xu, 2006). Los polisacáridos cationizados han reemplazado de manera creciente el uso de polímeros sintéticos en aplicaciones, tales como floculación de coloides, mejoramiento de las propiedades del papel, estabilizadores de emulsiones, carriers de drogas de bajo peso molecular, etc (Cansee, 2008).Por otro lado, la obtención de polisacáridos anfótericos, lo cuales incluyen en una misma moléculacargas positivas y negativas, ha mejorado y ampliado aun más el uso de los polisacáridos en la industria (Zhang et. al, 2005).En este trabajo se presenta la síntesis de un carragenano cationizado dando como producto unpolisacárido anfotérico, debido a que presenta cargas negativas y positivas en la misma molécula.2 MATERIALES Y MÉTODOS2.1 Sintesis de polisacáridos cationizados.Se utilizó carragenano kappa, polisacárido sulfatado extraído de alga roja cuya estructura se encuentra compuesta por b-D-galactopiranosa (1 - 4) a-D-3,6- anhidrogalactopiranosa. Se usó 1,33 g de polisacárido correspondiente a 6,53 mmol según la unidad promedio 204 g/mol. Se varió la concentración del reactivo cationizante cloruro de 3-cloro-2- hidroxipropiltrimetilamonio (CHPTAC) e NaOH (Tabla 1). El polisacárido se disolvió en agua y se agregó CHPTAC e NaOH (100 ml volumen final de la mezcla de reacción), la reacción se llevo a cabo por 2 h a 60 ºC. Posteriormente la mezcla de reacción se dializó contra NaCl 0,5% y luego contra agua destilada. Después se liofilizó (Prado, 2011). El grado de sustitución se calculó a través del porcentaje de nitrógeno encontrado en cada muestra previo análisis elemental con la siguiente fórmula:Donde:204: es el peso molecular de la unidad promedio delcarragenano kappa.%N: es el porcentaje de nitrógeno obtenido poranálisis elemental.14: es el peso molecular del nitrógeno.SAP 2013. 28-30 Agosto de 2013, Buenos Aires,Argentina.1152: es el peso molecular del grupo catiónicosustituyente.2.2 Espectroscopia Resonancia Magnética Nuclear (RMN).Las muestras (25 mg), previo intercambio isotópico con deuterio por repetidas evaporaciones, sedisolvieron en agua deuterada (0,5 ml), y se realizaron los espectros de RMN de 1H y 13C, utilizando como patrón interno acetona. 2.3 Espectrometría de masa con ionización por electrospray (ESI). Previo análisis de las muestras por ESI, se realizó la derivatización por metanolisis. Los polisacáridos (20 mg) se trataron con 3 ml de metanol/HCl (1,5 M) a 100 ºC por 3 h para dar los metilglicósidos, el producto se secó con aire y se almacenó en desecador hasta suestudio.2.4 Microscopía electrónica de barrido (SEM). Se obtuvieron imágenes del carragenano kappa y de sus derivados con distintos grados de sustitución, las magnificaciones usadas de las imágenes estuvieron en el rango de X200 ? X1300.2.5 Actividad floculante.La actividad floculante de las distintas muestras se midió contra una suspensión de caolín. Para este ensayo la suspensión (1 mg/ml de caolín en buffer tris/HCl pH 8) se mezcló con distintas concentraciones de muestras (0,5 ? 10 mg de muestra por g de caolín), luego se agitó por 5 min e inmediatamente se volcó una parte en una celda de espectrofotómetro y se registró la turbidez a 500 nm a través del tiempo; la variación de ésta se graficó en relación a la absorbancia inicial en función del tiempo (Prado, 2001).2.6 Adsorción de colorantes.La capacidad de adsorción de las muestras se estudió utilizando distintos tipos de colorantes: aniónicos y catiónicos. Verde brillante y azul de metileno correspondieron a los colorantes aniónicos y murexida y eosina amarillenta a los colorantes catiónicos. Se prepararon soluciones de cada uno y se mezclaron con las muestras (1 mg/ml), se midió la disminución de la absorbancia en función del tiempo por un total de 6 h (Wang, 2005).3 RESULTADOS Y DISCUSIÓNDe la reacción de cationización se obtuvieron derivados del carragenano kappa con distintos grados de sustitución. Dependiendo de las cantidades utilizadas de reactivo se encontró que a mayor concentración de base y de agente cationizante, mayor es el grado de sustitución presente en el polisacárido (Tabla 1).Tabla 1. Concentraciones de los reactivos utilizados y el grado de sustitución obtenido.Muestra* NaOH (mmol) CHPTAC(mmol) GS***: K2, K3 y K4 corresponden a los derivados cationizados del carragenano kappa.** GS, corresponde al grado de sustitución de las muestrasLos derivados se caracterizaron a través de RMN 1H y 13C, donde se identificaron principalmente las señales correspondientes al grupo catiónico sustituyente y además de una señal en la zona anomérica del espectro de 13C (Figura 1) a 96,3 ppm, que indica la presencia de una unidad de azúcar sustituida, la que podría corresponder a la 3,6-anhidrogalactosa, cuyo carbono anomérico presenta un desplazamiento distinto a la unidad sin sustituir (95,1 ppm). Por otra parte, la presencia del sustituyente en los derivados cationizados se corroboró a través de ESI, previotratamiento de las muestras para la obtención de los metilglicosidos. De los cromatogramas se identificaron señales correspondientes al metilgalactosido monosustituido (m/z 310), al metilglicósido de la unidad 3,6-anhidrogalactosa monosustituido (m/z 292) y la unidad de dimetilacetal de 3,6 anhidrogalactosa monosustituido (m/z 324).Figura 1. Espectro de RMN 13C de la muestra K3La microscopia de barrido entregó información sobre la superficie que presentaron los derivados (Figura 2), donde cabe destacar la similitud de las muestras K2 y K3, y la gran diferencia que estas presentan en comparación con K4.Figura 2. Microfotografías electrónicas de carragenano kappax100 (A), K2 x100 (B), K3 x200 (C) y K4 x120 (D).Se midió el desempeño en la floculación de caolín de cada una de las muestras, encontrándose quelos derivados K2 y K3 aumentaron la velocidad de floculación del caolín (Figura 3) en comparación a la velocidad que presenta este en ausencia de muestra.Figura 3. Actividad floculante de K2 a través del tiempoDel estudio de la adsorción de colorantes de las distintas muestras, se encontró que los derivadoscationizados presentaron una actividad menor al carragenano kappa de partida, independiente de la naturaleza del colorante empleado. El carragenano kappa presentó una mayor actividad frente alcolorante verde brillante.4 CONCLUSIONESEn este trabajo se presentó la síntesis de un polisacárido anfótero a partir de un polisacáridode alga, cuya estructura presenta grupos sulfatos. La reacción de cationización dio como resultadocompuestos con distintos grados de sustitución, la presencia de estos grupos catiónicos se corroboró a través de distintas técnicas. La cationización del carragenano kappa mejoró la actividad floculante en comparación a su material de partida.5 REFERENCIASCansee, S., Uriyapongson, J., Watyotha, C., Thivavarnvongs, T. & Varith, J. Amphoteric Starch inSimultaneus Process Preparation with Box-Behnken Design for Optimal Conditions, American Journal Applied Sciences, 11, 1535-1542, 2008.Prado, H. J., Matulewicz, M. C., Bonelli P. R. & Cukierman A. L. Studies on the Cationization ofAgarose, Carbohydrate Research, 346, 311-321, 2011.Wang, J., Xu, S., Wu, R., Wang, J., Wei, J., Li, X. &Li, H. Adsorption Behavior of Acid Yellow G by Highly- Crosslinked Amphoteric Starch, Journal of Polymer Research, 13, 91-95.Xu, S., Wang, J., Wu, R., Wang, J. & Li., H. Adsorption Behaviors of Acid and Basic Dyes on Crosslinked Amphoteric Starch, Chemical Engineering Journal, 117, 161-167.Zhang, M., Zhang, S., Ju, B. & Yang, J., A Review of Amphoteric Starches in Preparation and Applications.The Proceeding of the 3rd International Conference on Functional Molecules. Dalian, China, 3, pp. 31-35.