Proyecto orgánica. Perlas de alginato de calcio con propiedades magnéticas dadas por magnetita, encapsulada con quitosano

[pic 1]UAQ, laboratorio de química orgánica

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Universidad Autónoma de Querétaro

Facultad de Química

Perlas de alginato de calcio con propiedades magnéticas dadas por magnetita, encapsulada con quitosano

Integrantes:

Nadia Gabriela Muñoz Chalico

Karen Andrea Mayorga Melo

Andrea Valentina García Flores Frida Méndez Sánchez

Docente:

Isidro Reséndiz López

fecha de entrega: 21 de septiembre del 2023

Materia: laboratorio de química orgánica

INTRODUCCIÖN (aplicación de la química orgánica en la ciencia ficción)

Nuestro proyecto se basó en un personaje ficticio que aparece en las historietas de los X-Men publicadas por Marvel Comics, Magneto,un poderoso terrorista mutante con la habilidad de generar y controlar campos magnéticos mentales. Para poder pasar su poder al mundo de la química orgánica nos basamos en las propiedades de encapsulación del biopolímero quitosano y el polisacárido alginato, usando magnetita . Pero antes de explicar la idea primero explicaremos los conceptos.

A nivel químico, las extracciones hacen parte del compendio de procesos de separación que se realizan con el fin de realizar el aislamiento de uno o varios componentes deseados a partir de una materia primaria [8]. En el caso de este estudio esta permite la separación de los productos deseados a partir de un método químico en el cual se realiza haciendo uso de un protocolo comprendido por sus principales etapas de procesamiento conocidas como: desproteinización, desmineralización y desacetilación [9].

La quitina es la materia prima para la extracción de quitosano debido a que los exoesqueletos están compuestos principalmente a partir de esta y otras proteínas en menor cantidad [10]. Por lo tanto, este será el punto de partida para la producción del quitosano. De manera que, esta molécula es uno de los biopolímeros renovables más abundantes de la naturaleza, además, de que su obtención requiere de bajos costos de producción, pues es hallada en los desechos de los insectos y crustáceos. A nivel químico, la estructura molecular de las quitinas consiste en glucosamina N-acetilada y 2-amino-2-d-glucosa. La quitina contiene una alta proporción de GlcNAc. Sin embargo, su escasa solubilidad en agua limita el uso de este recurso natural [11]. Por lo tanto, es necesario hacer uso de un proceso de transformación que permita aumentar las aplicaciones de este compuesto aumentando la solubilidad con el fin de facilitar el uso de esta. Por ello se requiere del proceso de extracción para producir un derivado con propiedades mejoradas.

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imagen 1, quitina

El quitosano presenta una solución para los problemas de solubilidad de la quitina pues, al realizar un método de desacetilación de la quitina en condiciones alcalinas. La estructura de este varía, generando así un cambio en las propiedades fisicoquímicas del compuesto. Esto se debe a que el quitosano es un polisacárido lineal que contiene varias proporciones de 2amino-2-d-glucosa d-glucosamina (GlcN), como también en la quitina. Sin embargo, el proceso de desacetilación genera una sustitución en los grupos acetamido por grupos amino [12]. Lo anterior permite que la disolución del compuesto se facilite en medios ácidos orgánicos tales como: ácido fórmico, acético, cítrico y tartárico, y también en ácidos minerales diluidos a excepción del ácido sulfúrico . Este compuesto cuenta con varias aplicaciones en: las áreas nutricionales, agrícola y especialmente biomédica. Sin embargo, su pobre solubilidad en soluciones acuosas y su alta viscosidad son problemáticas para esas aplicaciones [13]. Este problema genera que no se puede utilizar de manera correcta para diferentes aplicaciones generando así diversos problemas.

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imagen 2, quitosano

De igual manera, es importante resaltar que el quitosano presenta un tamaño de partícula variable. Lo anterior permite que se obtengan dos tipos principales de quitosano en la industria: de bajo y alto peso molecular. Con el fin de determinar el tipo de quitosano obtenido es posible hacer uso de la medición del tamaño de partícula pues cada uno de estos tiene un rango de tamaño establecido[15].

El grado de desacetilación hace referencia a la relación que se obtiene al realizar la extracción entre la cantidad de quitina inicial y la quitina final, de manera que se puede evidenciar la cantidad de quitosano extraído. El grado de desacetilación (GD) de una muestra de quitooligosacáridos (COS) es uno de los factores más importantes para evaluar sus aplicaciones en los campos médico, nutricional, de tratamiento de aguas residuales y biotecnológico [16].

La desproteinización es un método utilizado en procesos químicos debido a la capacidad que tiene para eliminar las proteínas que no son requeridas para el producto deseado. Este proceso se realiza, generalmente, con la adición de hidróxido de sodio, ya que este permite que las proteínas contenidas en las cáscaras sean hidrolizadas de manera efectiva puesto que este tipo de bases tienen un pH lo suficientemente alto para realizar el procedimiento

[17].

La desmineralización es una etapa en la cual se realiza la eliminación de los componentes minerales de los exoesqueletos, dado su alto contenido en estos. En el caso específico de este estudio, las cáscaras de los mariscos tienen una composición del 20 al 50% [18] de carbonato de calcio (CaCO3) el cual se debe aislar para la producción del quitosano, puesto que es el causante de la baja solubilidad de la quitina. Este proceso se realiza a partir de la inmersión de los exoesqueletos en un medio ácido con molaridades mayores a 10 M, generalmente, de ácido clorhídrico [19].

Finalmente, como se mencionó con anterioridad la etapa más importante del proceso de extracción es la desacetilación, esta es la encargada de la sustitución del grupo acetilo en la quitina con un grupo amino que compondrá la nueva estructura del quitosano [20]. La importancia de este proceso radica en que este determinará el grado de desacetilación que hace referencia al contenido de grupos amino libres en la estructura obtenida. Este proceso se realiza a partir de un procedimiento de hidrólisis química en un medio alcalino. En el caso de la producción de quitosano las condiciones propicias para ejecutar este procedimiento son en condiciones relativamente severas de hidrólisis alcalina, en la cual se hace uso de solución acuosa concentrada de hidróxido de sodio (NaOH) a una temperatura de 110 a 140 ºC durante periodos de tiempo desde 4 hasta 24 horas en caso de realizarlo a temperatura ambiente. Es importante tener en cuenta, los factores de temperatura y tiempo pues al no ser controlados, estos pueden provocar la degradación de los biopolímeros generados [20].

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Preparación de perlas de alginato de calcio con propiedades magnéticas los geles con propiedades magnéticas pertenecen al tipo de materiales mixtos por que en su estructura contienen material orgánico (polímero) y material inorgánico (partículas coloidales de metales y óxidos que poseen propiedades magnéticas). La parte inorgánica consiste en compuestos de hierro, cobalto, níquel, etc., y la parte orgánica en polímeros tales como celulosa, almidón, albúmina, diferentes polisacáridos y diferentes polímeros sintéticos. La utilización de los componentes depende de la aplicación en la cual se va utilizar el gel.

En el campo de la medicina hay muchas aplicaciones de los geles con propiedades magnéticas, generalmente se utilizan para el transporte de medicamentos o drogas hacia las partes afectadas del organismo con ayuda de campos magnéticos, también se utilizan para extraer células enfermas. En el presente trabajo se han preparado perlas de alginato de calcio con propiedades magnéticas, las perlas con propiedades magnéticas fueron separadas de la solución con ayuda de un campo magnético o utilizando filtros magnéticos.

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imagen 4, proceso de perlas

La explicación del proceso es que el alginato al tener contacto con el ca+2, encapsula de ltal manera que queda como una caja de huevo quedando con cargas negativas el COONa pasa a ser COO- lo que nos va ayudar para el siguiente paso.

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imagen 5, mecanismo de reacción de alginato de sodio

Encapsulamiento de perlas de alginato de calcio con propiedades magnéticas con solución de quitosano: Los biopolímeros naturales son atractivos debido a su capacidad de reducir los iones de metales de transición de concentración a partes por mil millones de concentraciones. La quitina y el quitosano son de interés comercial debido a su alto contenido de nitrógeno y esto los hace agentes aglutinantes útiles. Los grupos amino libres en las moléculas de quitosano pueden ser fácilmente protonadas a NH3+, en soluciones ácidas por los que se puede enlazar con sustancias con carga negativa; mientras que en soluciones alcalinas, el quitosano adquiere una carga negativa debido a la disociación de los grupos de CH2OH o de la adsorción de OH– de la solución por lo que se puede utilizar para eliminar las sustancias con carga positiva. A la molécula de quitosano puede unirse los iones metálicos como el Cu2+, presentes en soluciones acuosas diluidas debido a la función quelante entre los átomos de N. Las perlas resultantes del alginato de calcio son porosas con carga negativa, por lo que al ponerlas en solución de quitosano este las encapsulara teniendo unas perlas más fuertes y quitando la porosidad.

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