SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE COPOLÍMEROS DE GLICINA Y LIGNINA EXTRAÍDA DE RETAMO ESPINOSO (Ulex europaeus)
ANDRÉS FERNANDO BONILLA OCAMPO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE COPOLÍMEROS DE GLICINA Y LIGNINA EXTRAIDA DE RETAMO ESPINOSO (Ulex europaeus)
ANDRÉS FERNANDO BONILLA OCAMPO
DOCUMENTO PARA OPTAR AL TÍTULO DE LICENCIADO EN QUÍMICA
DIRECTOR
JAVIER ANDRÉS MATULEVICH PELÁEZ Licenciado en Química
Especialista en Análisis Químico Instrumental Magister en Ciencias Biológicas - Fitoquímica
Docente Universidad Distrital FJC
CODIRECTOR
SEBASTIÁN GÓMEZ ROBLES Químico
Magister Química Orgánica Asesor Secretaría Distrital de Ambiente
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
AGRADECIMIENTOS
LISTA DE TABLAS
• Tabla 1. Clasificación taxonómica del Retamo espinoso... 22
• Tabla 2. Extracción de lignina... 25
• Tabla 3. Datos relevantes de la polimerización de lignina y glicina... 28
• Tabla 4. Correspondencia de bandas del espectro IR del copolímero... 33
LISTA DE FIGURAS • Figura 1. A) Reacción de polimerización por condensación. B) Ecuación de reacción de polimerización por adición... 13
• Figura 2. Distribución de pesos moleculares en un polímero... 14
• Figura 3. Clasificación de copolímeros... 15
• Figura 4. Tacticidad del Polipropileno (PP)... 16
• Figura 5. Constituyentes de la lignina... 17
• Figura 6. Estructura de la lignina... 18
• Figura 7. Partes generales del tallo de una planta... 18
• Figura 8. Estructura química de la glicina... 19
• Figura 9. Retamo espinoso... 20
• Figura 10. Distribución geográfica del Retamo espinoso... 21
• Figura 11. Humedales de Bogotá invadidos por Retamo espinoso... 21
• Figura 12. Metabolitos secundarios presentes en el Retamo espinoso... 22
• Figura 13. A) Lignina extraída por tratamiento alcalino. B) Lignina extraída por tratamiento con solvente orgánico... 25
• Figura 14. A) Espectro IR de lignina extraída por tratamiento alcalino. B) Espectro IR de lignina extraída por tratamiento con solvente orgánico... 27
• Figura 15. Apariencia de la mezcla resultante de la solución 1 y 2;
inmediatamente después de la mezcla (A) y cuando se ha evaporado gran parte del solvente (B). Cristales resultantes luego de la completa evaporación
del solvente (C). Cristales luego de limpiarlos con agua destilada (D)... 29
• Figura 16. Rompimiento homolítico de peróxido de hidrógeno... 29
• Figura 17. Formación de radicales lignina... 30
• Figura 18. Interacciones intermoleculares entre radicales lignina... 31
• Figura 19. Interacciones entre lignina y glicina. Mecanismo de reacción en la formación de amida (A) e imina (B)... 31
• Figura 20. Espectro IR de copolímero... 32
• Figura 21. Espectro TGA del copolímero... 35
• Figura 22. Espectro DSC del copolímero... 36
• Figura 23. Posible estructura del copolímero... 36
• Figura 24. Estudio de degradabilidad del copolímero en suelo de los cerros orientales. Porcentaje de masa en función del tiempo en horas... 37
LISTA DE ACRÓNIMOS
• FTIR: Espectroscopía Infrarroja con Tranformada de Fourier
• TGA: Análisis Termogravimétrico
• DSC: Calorimetría Diferencial de Barrido
• UV: Espectroscopía Ultravioleta
• SEC: Cromatografía de Exclusión por Tamaño
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RESUMENLa presente investigación consistió en la extracción de lignina del arbusto Ulex europaeus
(Retamo espinoso) para su posterior polimerización por condensación con glicina por
medio de la técnica en solución, usando peróxido de hidrógeno y cloruro de calcio como catalizadores e iniciadores de reacción y dioxano al 70% como solvente. Al polímero sintetizado se le realizaron estudios de degradabilidad en compostaje para corroborar su capacidad de biodegradación. Mediante espectroscopía de FTIR se caracterizaron e identificaron la lignina extraída y el polímero sintetizado, con lo cual se evidenciaron tensiones y flexiones característicos de grupos hidroxilo, aromáticos, carbonilo y éter para el caso de la lignina, y grupos hidroxilo, amina, amida, aromáticos, alquenos y éter para el caso del polímero. Por último, mediante análisis simultáneo termogravimétrico (TGA) y calorimetría diferencial de barrido (DSC) se evidenciaron picos correspondientes a reacciones de descomposición y deshidratación, procesos endotérmicos y un punto de fusión de 258.71 °C. Con base en los resultados obtenidos es posible afirmar que se sintetizó un nuevo material polimérico, entrecruzado, termoestable y con alto grado de cristalinidad a partir de materias primas renovables; aportando así a la solución de las problemáticas de la invasión del Retamo espinoso y de la contaminación por materiales
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1. RESUMEN ANALÍTICO EDUCATIVO
Título
SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE COPOLÍMEROS BIODEGRADABLES DE GLICINA Y LIGNINA EXTRAIDA DE RETAMO ESPINOSO (Ulex europaeus)
Autor Andrés Fernando Bonilla Ocampo
Institución Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Fecha Enero 6 de 2016
Descripción Trabajo de grado para optar al título de Licenciado en Química
Fuentes 47 fuentes bibliográficas
Contenidos
El documento inicia con una introducción acerca de la importancia de la implementación de estrategias que aporten a la resolución de los problemas del Retamo espinoso como plaga, la elaboración de
nuevos materiales biodegradables y prevención de mayor contaminación por materiales poliméricos. Posteriormente, se presentan los antecedentes, justificación y objetivos; donde se recopilan las investigaciones realizadas a nivel mundial y local a cerca del Retamo espinoso, modificación de lignina y
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de un nuevo material con propiedades biodegradables, cuya materia prima es el Retamo espinoso; se presentan y analizan las pruebas de
caracterización y se hacen una serie de recomendaciones para futuras investigaciones.
Metodología
Etapa 1. Toma y tratamiento de muestra. Etapa 2. Extracción de lignina.
Etapa 3. Polimerización de lignina y glicina.
Etapa 4. Identificación y caracterización del copolímero.
Conclusiones
El proceso de extracción de lignina por tratamiento alcalino es más efectivo que por tratamiento con solvente orgánico; lo cual aumenta el rendimiento del proceso en general. En cuanto a la polimerización, podemos afirmar que se obtuvo un nuevo material polimérico con base en los análisis instrumentales y con potenciales propiedades que lo convierten en una materia prima adecuada para la industria; sin embargo, es posible que utilizando otro catalizador el proceso sea más rápido y con mejores rendimientos. Finalmente, se concluye que la presente investigación es un aporte significativo para el desarrollo de materiales poliméricos, debido al uso de materias primas renovables y fácilmente asequibles, además de la facilidad en el proceso y la utilización de reactivos y equipos de laboratorio básicos.
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humedales declarados por el distrito y en diferentes puntos de la ciudad como en los cerros orientales y las zonas rurales. En Colombia se destacan las invasiones en la región Andina en los departamentos de Antioquia y Cundinamarca (1). Las acciones para su erradicación se fundamentan principalmente en la quema, revegetación con especies nativas y técnicas manuales y/o mecánicas con posterior control de rebrotes y bancos de semillas (2). Al ser de origen natural, el Retamo espinoso puede ser aprovechado en procesos que permitan suerradicación y que a su vez sea útil para la sociedad, como se demostró en 2012 con la elaboración de una mezcla de materiales poliméricos con fines de grifería a partir de biomasa de Retamo espinoso (3). La mencionada investigación es de gran interés porque
los materiales poliméricos son un tensionante ambiental debido a su gran acumulación en el ambiente, ya que luego de cumplir su ciclo de vida útil, los más comercializados no pueden ser degradados naturalmente y por tanto es posible encontrarlos en botaderos, calles e incluso terrenos protegidos como humedales. Por tal razón, se ha hecho imprescindible el desarrollo de técnicas y métodos que permitan su control y eliminación segura o la síntesis de materiales biodegradables y/o reciclables (4).
Teniendo en cuenta la problemática mencionada, la investigación se fundamentó en la utilización de una materia orgánica que constituye una amenaza, el uso de material renovable y la elaboración de nuevos materiales que pueden ser biodegradables o reciclables, a través de la elaboración de copolímeros de glicina y lignina extraída de
Retamo espinoso, haciendo uso de la técnica de polimerización en solución para
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demanda interesante, debido a su posible uso comercial, dadas sus propiedades de material reticulado, termofijo y biodegradable en condiciones controladas. Siendo así, el presente trabajo contribuye a dos problemáticas que aquejan a la población local, nacional y global, como lo son la invasión de Retamo espinoso y la síntesis de polímeros biodegradables; por
lo cual el presente trabajo se orientó al desarrollo de nuevos materiales poliméricos mediante la síntesis de un copolímero de glicina y lignina extraída de Retamo espinoso
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3. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN
La elaboración de nuevos materiales, principalmente los poliméricos, es un campo muy estudiado actualmente debido a la necesidad de apaciguar los impactos medioambientales generados por las actividades humanas que necesitan tales materiales; por tal razón, se ha buscado la solución a este problema en la misma naturaleza, experimentando para producir materiales poliméricos a partir de materias primas naturales como es el caso de la celulosa para la producción de papel. La lignina, como principal componente de las plantas, ha sido estudiada como resinas en procesos industriales y modificaciones estructurales como en la investigación realizada en 2001 por Hüttermann, Mai y Kharazipour denominada “Modification of lignin for the production of new compounded materials”(5), en la cual se
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utilizando el método en solución y usando como solvente soluciones alcalinas (13). La polimerización en solución, como ya se mencionó, es muy utilizada en la elaboración de polímeros cuyos monómeros conduzcan a la producción de poliamidas y poliésteres, en este sentido Rodríguez A. Franco L. y Puiggalí J. en 2011, en su “Biodegradable poly
(Ester Amida) s: Synthesis and applications”, presentan ejemplos de polimerizaciones en
solución para la obtención de este tipo de polímeros usando solventes como dimetilsulfóxido e iniciadores como trietilamina (14). En general, la revisión de metodologías para la polimerización en solución indican que se necesita un solvente, donde sean solubles los monómeros y el iniciador, y un baño termostatado (5,11,12,13,14,15).
Respecto a las interacciones entre la lignina y los aminoácidos, en el año de 1932 Waksman postuló su teoría de la lignina, donde plantea que el contenido de nitrógeno en los ácidos húmicos resulta de la condensación de la lignina modificada con proteínas (16). Esta teoría asume que la lignina es completamente utilizada por los microorganismos y el residuo se convierte en parte del humus del suelo (17). Weber en 2005 agregó que si bien es cierto que la lignina es menos fácilmente atacada por microorganismos que otros componentes de la planta, existen mecanismos en la naturaleza para su degradación aeróbica completa (18).
La lignina se encuentra distribuida en el tallo de todas las plantas y por tanto puede ser extraída de cualquiera de estas; este proceso puede realizase de diversas formas, sin embargo, se destacan las extracciones en solución acuosa y en solventes orgánicos, descritas en 2012 por Toledano en su investigación “Lignin extraction, purification and
depolimerization study”, por su facilidad y utilización de reactivos comunes (19). Según lo
anterior, es posible utilizar el Retamo espinoso como materia prima para la extracción de
lignina. En 2012 Iván Rodríguez fabricó un comprimido compuesto de una matriz polimérica (Goma arábiga y cristalán) reforzada con fibras naturales de Retamo espinoso,
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material, debido a que consistió en la síntesis química completa a partir de los monómeros y no la mezcla de materiales ya existentes que conformen un prensado de polímeros (20).
El Retamo espinoso ha sido estudiado ampliamente tanto química como biológicamente
debido a la gran problemática que genera, principalmente en ambientes de alta montaña. Estudios fitoquímicos, como el realizado por J. Mclean y J. B. Thomson en 1962, mostraron la presencia de metabolitos secundarios como alcaloides quinolizidínicos, aminoácidos, glucósidos, flavonoides, carotenos, hexacosanol y fitosteroles en el tallo de la planta (21). Otros estudios botánicos acerca de los efectos del Retamo espinoso en el
ecosistema de montaña indicaron gran influencia en aves propias del ambiente natural debido a la gran cantidad de espinas que cubren la planta; como lo demostraron Amaya y Renjifo en 2010 en su investigación Efecto Del Retamo espinoso (Ulex europaeus) Sobre
Las Aves De Borde En Un Bosque Altoandino (22).
Este arbusto ha sido sometido a diferentes procesos de erradicación que no han dado fruto debido a las características competitivas de la planta. Una parte de las investigaciones busca el control del Retamo espinoso; en este punto es posible encontrar experimentos que
comienzan a arrojar resultados importantes controlándola en fase de plántula a través de la conformación de doseles de especies nativas de rápido crecimiento o con sombra artificial. Las otras investigaciones para la erradicación del Retamo espinoso se centran en el proceso
de restauración ecológica con plantaciones de Pinuspatula, cultivando claros experimentales o aprovechando los claros formados por la caída de árboles. La solución a esta problemática de Retamo espinoso a simple vista parece fácil, pero hay que superar
muchas restricciones ambientales y sociales para restablecer las dinámicas naturales. Las biólogas Liliana Corzo y Luisa Pinzón indicaron que recuperar el bosque, que alguna vez existió en las zonas bajas del páramo de Sumapaz, es una tarea ardua; agregando que en la actualidad existen reductos mínimos de ese bosque, que no progresan por la invasión de
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Una de las principales causas de la pérdida de biodiversidad actual es la presencia de especies invasoras que pueden competir, depredar y desplazar especies nativas y causar alteraciones significativas a los ecosistemas naturales (24). En Colombia, el Instituto de Investigación de Recursos Biológicos “Alexander Von Humboldt” (2005) declaró como una de las especies invasoras al Retamo espinoso; lo cual coincide con las declaraciones de
la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (UICN) (2001); debido al alto impacto que ejerce sobre la composición y estructura de la vegetación, su gran resiliencia y su capacidad de reproducción (25). Todas estas propiedades del Retamo espinoso lo
convierten en una planta muy resistente y peligrosa. En Bogotá se encuentra una gran invasión, principalmente en las zonas de los cerros orientales; sin embargo, se pueden encontrar arbustos en diferentes sitios de la ciudad. Estas grandes plantaciones no han sido erradicadas debido a los procedimientos que se necesitarían ya que demandarían altos costos y tiempo; sin embargo, no se ha pensado en otra vía para resolver este problema como la elaboración de materiales poliméricos a partir del arbusto; conociendo que es preciso satisfacer las necesidades de una creciente población mundial que requiere de desarrollos tecnológicos que aprovechen mejor los recursos naturales sin poner en peligro la supervivencia de las generaciones futuras; por esta razón, estos desarrollos han buscado principalmente la investigación y creación de nuevos materiales que mejoren la calidad de vida (26). Desde estos dos puntos de vista, el desarrollo de la investigación se hizo necesario porque se obtuvieron nuevos materiales poliméricos con propiedades que permiten su utilización en productos de alto consumo y que tienen la posibilidad de ser biodegradados luego de cumplir su ciclo de vida. Igualmente, se está aportando a resolver el problema actual del Retamo espinoso, lo cual contribuiría a la resolución de dos
problemas Socio - Ambientales que aquejan actualmente a toda la población local, nacional y global; los cuales son: La invasión de Retamo espinoso y la contaminación por materiales
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4. OBJETIVOS4.1 Objetivo General:
Aportar al desarrollo de nuevos materiales poliméricos sustentables mediante la síntesis de un copolímero de glicina y lignina extraída de Retamo espinoso (Ulex europaeus) por
medio de polimerización en solución.
4.2 Objetivos Específicos:
• Extraer lignina a partir del tallo de Retamo espinoso (Ulex europaeus)
• Proponer y aplicar una metodología para la copolimerización de lignina y glicina
• Identificar y caracterizar el polímero sintetizado a partir de espectroscopía infrarroja
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5. MARCO REFERENCIAL
5.1 Polímeros
El uso y estudio de los materiales poliméricos se remonta a la prehistoria, ya que las macromoléculas han desempeñado un papel importante en el desarrollo de la cultura, de la economía y de la ciencia. A lo largo de cientos de años se han utilizado polímeros naturales procedentes de plantas y animales. Estos materiales incluyen madera, caucho, lana, cuero y seda. Otros polímeros naturales tales como las proteínas, los enzimas, los almidones y la celulosa tienen importancia en los procesos bioquímicos y fisiológicos de plantas y animales. Desde principios del siglo XX, la moderna investigación científica ha determinado la estructura molecular de este grupo de materiales y ha desarrollado numerosos polímeros, sintetizados a partir de pequeñas moléculas orgánicas. Muchos plásticos, cauchos y materiales fibrosos son polímeros sintéticos. Desde el fin de la Segunda Guerra Mundial, el campo de los materiales se ha visto revolucionado por la llegada de polímeros sintéticos. Las síntesis suelen ser baratas y las propiedades conseguidas comparables, y a veces superiores, a las de los análogos naturales. En algunas aplicaciones, los metales y la madera se sustituyen por polímeros, que tienen propiedades idóneas y se pueden fabricar a bajo coste (27).
Un polímero es una macromolécula, sin embargo no toda macromolécula es un polímero. La palabra polímero se deriva del griego poli (mucho) y mero (parte), es decir, muchas partes; por lo cual podemos definir un polímero como una gran molécula construida por la repetición de pequeñas unidades químicas que son conocidas como “meros”, los cuales al enlazarse durante la polimerización generan unas unidades repetitivas características de cada polímero (28,29). Dependiendo de su origen, los polímeros pueden ser clasificados como (30):
Polímeros Naturales: Son aquellos polímeros que se encuentran de forma natural, como el
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Polímeros Semisintéticos: Son aquellos polímeros que son producto de modificaciones
químicas realizadas a polímeros naturales como el caucho vulcanizado, nitrato de celulosa, acetato de celulosa, rayón, etc.
Polímeros Sintéticos: Son aquellos polímeros que se obtienen solamente por la elaboración
del hombre como polietileno, poliestireno, cloruro de polivinilo, etc.
Según esta clasificación, el material que se sintetizó a partir de lignina y glicina en el presente trabajo de grado puede ser considerado un polímero semisintético o sintético constituido por compuestos renovables.
Las moléculas que se combinan para formar los polímeros se conocen como monómeros y la reacción para obtener el polímero se denomina polimerización; se habla de homopolímero cuando el polímero se compone de solamente un tipo de monómero y cuando se trata de dos monómeros diferentes se habla de copolímero y copolimerización. Desde el punto de vista del mecanismo de reacción, los tipos de polimerización pueden ser los siguientes (29):
Polimerización por Condensación: Consiste en una serie de reacciones por etapas en las
que diferentes grupos funcionales de monómeros polifuncionales pueden reaccionar entre sí en diversos puntos y simultáneamente liberando una pequeña molécula, como por ejemplo agua (ver Figura 1-A).
Polimerización por Adición: Consiste en una serie de reacciones consecutivas en las que
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Figura 1. A) Reacción de polimerización por condensación. B) Reacción de polimerización
por adición [El autor]
Según lo anterior, en una polimerización por adición la unidad repetitiva es equivalente en composición atómica al monómero que la forma; mientras que en la polimerización por condensación, al haber eliminación de una molécula pequeña, no sucede esto.
La estructura de los polímeros suele estudiarse desde el punto de vista químico y físico, donde el primero se refiere a la composición y construcción del polímero y el segundo al comportamiento como materia final. Ambos aspectos se encuentran bastante relacionados, por tanto cualquier variación química tendrá consecuencias en sus características físicas. El tipo de átomos que conforman las cadenas poliméricas determinan las propiedades macromoleculares del polímero, es decir, propiedades químicas como la polaridad y el volumen de los átomos que conforman los monómeros afectarán a las fuerzas de cohesión entre las capas de polímero. Por tanto, la flexibilidad, la temperatura de transición vítrea, la temperatura de fusión y la capacidad de cristalización, entre otras propiedades del material polimérico dependerán de dichas propiedades químicas.
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unidades repetitivas no polares presentarán propiedades como bajos puntos de fusión, blandura, etc. Sin embargo, si se trata de unidades repetitivas polares, como las que contienen átomos de oxígeno, nitrógeno, halógenos, etc., las cadenas serán atraídas fuertemente debido a la generación de puentes de hidrógeno; lo cual conferirá al polímero cierta rigidez y mayores puntos de fusión o de reblandecimiento. Claramente es posible que se encuentren la acción de fuerzas débiles y fuertes simultáneamente; además estas pueden ser modificadas con fines industriales, como es el caso del polietileno de alta y baja densidad (30).
Además de las interacciones interpoliméricas e intrapoliméricas, el volumen de los grupos que conforman las unidades repetitivas influyen considerablemente en la rigidez del polímero, debido a que generan un efecto estérico y por tanto no permiten el flujo de cadenas; tal es el caso de grupos aromáticos. Otro aspecto importante en la estructura de los polímeros y que afecta las propiedades útiles del mismo es el peso molecular; el cual aumenta o disminuye características como la resistencia mecánica y la elasticidad según el bajo o elevado peso molecular. Cuando se trata de un polímero por condensación, se encontrará una determinada distribución de pesos moleculares (Figura 2), debido a que se encuentran diferencias notables entre las cadenas producidas, por lo cual se hacen necesarios ciertos cálculos para representar el peso molecular promedio en número y peso del polímero (30).
Figura 2. Distribución de pesos moleculares en un polímero(31)
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se unen con otras cadenas vecinas de igual o diferente naturaleza se llega a obtener una red polimérica y por tanto se habla de polímeros entrecruzados o reticulados. Los polímeros reticulados hacen parte de una gran clasificación de materiales enmarcados como termoestables; los cuales, debido a su estructura entrecruzada, no funden y son insolubles. Los polímeros de condensación pueden ser termoplásticos o termoestables según el grado de entrecruzamiento de cadenas poliméricas. Como ya se mencionó, cuando en un proceso de polimerización se utiliza dos o más monómeros de naturaleza química diferente, el polímero resultante se denomina copolímero, estos se clasifican según la secuencia de monómeros como copolímeros de bloque, de injerto o al azar como se indica en la Figura 3.
Figura 3. Clasificación de copolímeros (Cada esfera representa un monómero)(31)
La estructura química de los copolímeros es mucho más compleja que la de los homopolímeros, pues al estar formados por más de un tipo de monómero, pueden variar además en su composición y en la longitud de cadena, lo que condiciona las propiedades finales.
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Figura 4. Tacticidad del Polipropileno (PP)(31)
Los polímeros suelen ser caracterizados por diferentes medios, como los siguientes (32):
Métodos simples de caracterización: Densidad, solubilidad, pirólisis y prueba de llama. Análisis químico, molecular y estructural: Espectroscopía IR, RMN, UV y espectrometría
de masas.
Análisis térmico: Calorimetría diferencial de barrido (DSC), análisis dinámico mecánico
(DMA), análisis termogravimétrico (TGA) yCromatografía de exclusión por tamaño (SEC)
Comportamiento mecánico: Tensión, compresión, impacto y dureza.
Análisis de degradabilidad: Fotodegradación, degradación térmica, degradación hídrica y
biodegradación.
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de enlaces como la hidrólisis, medios ácidos y básicos. Los materiales semisintéticos poseen una mayor probabilidad de ser degradados naturalmente debido a su componente natural; mientras que los sintéticos necesitan de medios artificiales, por lo que en general recrudecen el problema ambiental (33).
5.2 Lignina
La lignina es una macromolécula fenólica compleja; después de la celulosa, es la sustancia más abundante en las plantas con un porcentaje entre el 15 y 30 por ciento. Es un polímero altamente reticulado de los grupos fenilpropanoides que desempeña funciones primarias y secundarias en la planta. No se conoce la estructura exacta de la lignina debido a la dificultad de extraerla completamente pura de las plantas, sin embargo se han propuestos estructuras muy cercanas (Figura 6). La lignina está formada por la unión de tres fenilpropanoides: Alcohol coniferílico, alcohol sinapílico y alcohol cumarílico (Figura 5)
(34).
Figura 5. Constituyentes de la lignina
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Figura 6. Estructura de la lignina(35)
La lignina se encuentra en la pared celular de varios tipos de tejidos de soporte de las plantas, sobre todo en las traqueidas y en los elementos de los vasos del xilema. Se localiza principalmente en la laminilla media de la planta (Figura 7) donde alcanza hasta un 35%. La lignina cumple funciones de rigidez de la pared celular, reduce la permeabilidad de la pared celular al agua y protege la madera de microorganismos actuando como un fungicida
(34).
Figura 7. Partes generales del tallo de una planta(34)
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representan cera de un 10% de su peso. Además se encuentran grupos carboxílicos y otros grupos que pueden ser producto de oxidación de hidroxilos (Figura 5) (35).
5.3 Glicina
La glicina es el aminoácido más pequeño y se representa con la letra G o la abreviación Gly. Su cadena lateral está compuesta solamente por un átomo de hidrógeno, como se muestra en la Figura 8, y por tanto es el único aminoácido con el carbono alfa no quiral
(37). La glicina también se conoce con el nombre de glicocola o ácido aminoetanoico.
Figura 8. Estructura química de la glicina
Los aminoácidos, al ser sales internas o iones dipolares, son sustancias cristalinas con puntos de fusión y descomposición elevados, poseen momentos dipolares de gran magnitud, son solubles en agua y, en solución acuosa, la basicidad y acidez del grupo amino y carboxílico respectivamente resultan más bajas de lo normal. Su uso se limita industrialmente a la producción de fármacos para el tratamiento de problemas en el sistema nervioso central (38).
5.4 Retamo espinoso (Ulex europaeus)
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ácidos de pH entre 4,5 – 5,0. Invade principalmente bordes de caminos; desarrollándose en altitudes entre 2000 y 3600 m.s.n.m (39).
Figura 9. Retamo espinoso – Ulex europaeus(1)
Este arbusto posee unas características biológicas y químicas que le permiten ser una de las 100 plantas invasoras más dañinas del mundo (40). Tiene gran resiliencia (Recuperación a disturbios), reproducción por esporas y aceites que la convierten en un potente cultivo de incendios forestales. Fue traída de Europa para ser utilizada como cerca viva, sin embargo el clima local y continental le permitió un extenso desarrollo (Figura 10), hasta el punto de una invasión casi completa del continente americano (38).
Como se puede observar en la figura 10, el Retamo espinoso ha llegado a colonizar cuatro
de los cinco continentes y numerosas islas tanto en climas tropicales como subtropicales. En Colombia se presenta en el altiplano cundiboyacense y está ampliamente distribuida en la zona andina a los 2000 m.s.n.m. El Retamo espinoso crece bien en la mayoría de los
Figura 10. Distribución geográfica del Retamo espinoso
Los humedales de Bogotá se encuentran
(Figura 11) y sus capacidades ya mencionadas le permiten renacer luego de exhaustivos procesos de erradicación
Conejera, Juan Amarillo, Córdoba, Jaboque, Meandro del Say, Capellanía, Techo y El Burro (24,25).
Figura 11. Humedales de Bogotá invadidos por Retamo espinoso
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Figura 10. Distribución geográfica del Retamo espinoso
Los humedales de Bogotá se encuentran fuertemente invadidos por
(Figura 11) y sus capacidades ya mencionadas le permiten renacer luego de exhaustivos procesos de erradicación. Se encuentra en los humedales de Torca, Guaymaral, La Conejera, Juan Amarillo, Córdoba, Jaboque, Meandro del Say, Capellanía, Techo y El
Figura 11. Humedales de Bogotá invadidos por Retamo espinoso Figura 10. Distribución geográfica del Retamo espinoso(38)
por Retamo espinoso
(Figura 11) y sus capacidades ya mencionadas le permiten renacer luego de exhaustivos en los humedales de Torca, Guaymaral, La Conejera, Juan Amarillo, Córdoba, Jaboque, Meandro del Say, Capellanía, Techo y El
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Su clasificación taxonómica se presenta en la tabla 1. En la literatura se encuentran análisis fitoquímicos de la planta en donde se han identificado alcaloides quinolizidínicos como citisina (A) y lupanina (B), aminoácidos, glucósidos, flavonoides, beta caroteno (C), hexacosanol (D) (alcohol cerílico) y fitosteroles como beta amirin (E), lupeol (F) y beta sitosterol (G) (21).
Tabla 1. Clasificación taxonómica del Retamo espinoso.
Reino Plantae División Magnoliofita
Clase Magnoliopsida Orden Fabales Familia Fabaceae Género Ulex Especie europaeus
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6. METODOLOGÍA
La metodología consistió en las siguientes cuatro (4) fases:
FASE 1: Recolección y tratamiento de muestra: Se realizó un muestreo aleatorio, tomando muestras de diferentes partes del tallo del arbusto ubicado en Barrio (UPZ) La Macarena, Facultad de Ciencias y Educación; Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Sede A, Bogotá D.C. Coordenadas: 4º36'49.26'' N - 74º3'49.59'' W. Posteriormente se combinaron las muestras para tomar una fracción de ¼ de la mezcla final de aproximadamente 100 g. Esta muestra se dejó secar a temperatura ambiente, se limpió (Libre de polvo, piedras y tierra), se molió y se hizo pasar por un tamiz hasta obtener partículas de polvo (19).
FASE 2: Extracción de lignina:
Por tratamiento alcalino: Se mezcló la muestra con solución de NaOH al 7,5% p/p en una
relación 1:0,6, se hizo reflujo durante 90 min y posteriormente se filtró. Al sobrenadante resultante se le adicionó H2SO4 2M hasta obtener un pH igual a 2, se agitó y se centrifugó a
4000 rpm durante 20 min. Finalmente el sólido resultante se secó en un horno a 50 °C y se realizó un análisis de espectroscopía IR (Espectrofotómetro FTIR Shimadzu IR Affinity usando el método de la pastilla de KBr utilizando 100 mg de KBr y 0.1 mg de muestra - Universidad Distrital Francisco José de Caldas) (19).
Por tratamiento con solvente orgánico: Se mezcló la muestra con etanol al 60% p/p en una
relación 1:0,6, se hizo reflujo durante 90 min con agitación magnética y posteriormente se filtró. Al volumen del sobrenadante resultante se le adicionó dos volúmenes de H2O
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FASE 3: Polimerización de lignina y glicina: Se disolvieron 0.5g de lignina en 20 ml de dioxano 70% en un balón de reacción. Posteriormente se mezclaron 1.5g de glicina, 5 ml de peróxido de hidrógeno y 0.2g de CaCl2 en 20 ml de dioxano 70%. En un vaso de
precipitados se agregaron ambas mezclas, se agitó vigorosamente y se dejó en reposo hasta la completa volatilización del solvente (41).
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7. RESULTADOS Y ANÁLISIS
7.1 Extracción de Lignina:
En la Tabla 2 se presentan algunos datos relevantes obtenidos en la extracción de lignina por tratamiento alcalino y con solvente orgánico, y en la Figura 13 se presentan las imágenes de la lignina extraída por cada procedimiento. La lignina extraída por tratamiento alcalino es de color café más oscuro que la extraída por tratamiento con solvente orgánico; además, la primera tiene un olor más penetrante y con un tamaño de partícula menor. Tabla 2. Extracción de lignina
*Calculada de acuerdo al porcentaje aproximado teórico de lignina en el tallo de una planta
Figura 13. A) Lignina extraída por tratamiento alcalino. B) Lignina extraída por
tratamiento con solvente orgánico
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completamente; por tal razón el segundo fundamento de la extracción consiste en su propiedad insoluble a pH bajos. El NaOH es una base fuerte que libera grupos hidroxilo (OH) al medio aumentando el pH; mientras que en el caso del etanol, el grupo OH puede atraer protones del medio acuoso y así liberar una pequeña cantidad de OH del agua aumentando en menor proporción que el NaOH, el pH de la solución. Esto último permite explicar por qué el rendimiento en medio alcalino fue mayor que en medio etanólico.
En los espectros mostrados en la Figura 14 se observa una banda en 3400 cm-1 correspondiente a tensiones de grupos OH, en 2900 cm-1 se evidencian las bandas de tensiones C-H, en 2400 cm-1 se encuentran las vibraciones en aromáticos, entre 2000 y 1750 cm-1 se muestran las bandas de combinación en aromáticos, en 1700 cm-1 se puede ver la banda de tensiones C=O, en 1450 cm-1 se presenta la tensión CH2-C=O, en 1300
cm-1 se visualiza la banda de tensiones –CO, entre cm-1cm-100 y cm-1cm-150 se ven las bandas de las tensiones C-O y entre 600 y 650 se observan las bandas correspondientes a la sustitución del anillo aromático.
~ 27 ~
B
Figura 14. A) Espectro IR de lignina extraída por tratamiento alcalino. B) Espectro IR de
lignina extraída por tratamiento con solvente orgánico
Como se puede observar los espectros obtenidos en ambos casos son muy similares, por lo que la deducción analítica del párrafo anterior puede aplicarse en ambos casos. Al comparar los resultados obtenidos en esta investigación con los reportados por Bykov en su tesis de maestría “Characterization of natural and technical lignins using FTIR spectroscopy” se
encontró gran similitud en la posición e intensidad de las bandas del espectro IR de varios tipos de lignina (42); además, en la tesis de doctorado de El Mansouri denominada “Despolimerización de lignina para su aprovechamiento en adhesivos para producir
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diferentes métodos, presentándose así gran similitud entre las ligninas extraídas con solventes orgánicos y con soda, tal como sucedió en la presente investigación (43).
A partir de lo anterior, es posible asegurar que los grupos dominantes en la lignina corresponden a los aromáticos, alifáticos, hidroxilos, carbonilos y éter; pertenecientes a los fenilpropanoides que componen este biopolímero.
7.2 Polimerización de lignina y glicina:
En la Tabla 3 se muestra la relación de cantidades de reactivos de las dos soluciones preparadas para la polimerización de lignina y glicina; y la cantidad de copolímero obtenido.
Tabla 3. Datos relevantes de la polimerización de lignina y glicina.
Solución Reactivos Cantidad Solvente
Cantidad
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Figura 15. Apariencia de la mezcla resultante de la solución 1 y 2; inmediatamente
después de la mezcla (A) y cuando se ha evaporado gran parte del solvente (B). Cristales
de copolímero resultantes luego de la completa evaporación del solvente (C). Cristales de
copolímero luego de ser lavados con agua destilada (D)
La reacción de polimerización de lignina y glicina se fundamenta, principalmente, en adiciones producto de interacciones nucleofílicas, electrofílicas y por radicales libres. El primer paso de la reacción consiste en la formación de radicales ·OH que posteriormente producen radicales lignina altamente reactivos. Los radicales ·OH se obtienen a partir del rompimiento homolítico del peróxido de hidrógeno (Figura 16); que generan especies altamente inestables y, por tanto, reactivas. Los radicales ·OH atacan la nube electrónica de los anillos aromáticos y grupos alqueno de los fenilpropanoides (Figura 17) para finalmente obtener los radicales lignina mencionados anteriormente, los cuales tienen la capacidad de interaccionar de forma intramolecular con otros radicales lignina o con glicina de forma intermolecular.
H O O H 2 HO
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Figura 17. Formación de radicales lignina por ataque al anillo aromático (A) y por ataque al grupo alqueno (B) (44)
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Figura 18. Interacciones intermoleculares entre radicales lignina.
A
Figura 19. Reacciones entre lignina y glicina. Mecanismo de reacción en la formación de
amida (A) e imina (B)
La reacción que da lugar a la polimerización a través de la formación de grupos amida sigue un mecanismo de adición seguido de eliminación característico del grupo carbonilo; en este caso, el carbono con gran densidad de carga positiva del grupo carboxilo de la lignina es atacado por el átomo de nitrógeno presente en el grupo amina de la glicina, el cual tiene una alta densidad de carga negativa por su par electrónico libre, lo cual da lugar a un intermediario de muy baja estabilidad. Además el grupo hidroxilo es una base de Lewis débil, por lo cual fija protones para generar iones oxonio (-OH2) a través de un equilibrio
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Otra de las posibles reacciones ocurridas durante la polimerización consiste en la formación de iminas a partir de la reacción entre un grupo aldehído o cetona de la lignina con el grupo amina de la glicina; cuyo mecanismo se fundamenta, al igual que el caso anterior, en una adición a grupo carbonilo seguido de eliminación. Pero en este caso, el carbono con densidad de carga positiva del grupo carbonilo es atacado por el átomo de nitrógeno de la amina, formando así una carboxilamina como intermediario, la cual por un equilibrio ácido base, genera iones oxonio que posteriormente son eliminados en forma de agua y producen la imina (46).
7.3 Caracterización del copolímero:
En la Figura 20 se presenta el espectro IR del copolímero obtenido.
~ 33 ~
En la Tabla 4 se presenta la correspondencia de bandas del espectro IR del copolímero sintetizado; donde es posible distinguir la formación de nuevos grupos funcionales como el caso del grupo amida (tensión C=O en 1614.42 cm-1). A número de onda alto encontramos el solapamiento de gran cantidad de bandas; debido a que en esa zona (>3000 cm-1) se presentan las tensiones de grupos Alcohol (Tensión O-H), Amida (Tensión N-H) y Amina (Tensión N-H). Alrededor de los 2900 cm-1 se evidencian las bandas correspondientes a grupos metileno, éter y alqueno; las cuales se pueden confirmar en números de onda bajos. A su vez, es sencillo identificar las bandas de combinación de los grupos benceno entre 2000 y 1600 cm-1 (Huella del benceno). En bajos números de onda (<1650) se observa el grupo carbonilo (C=O) de amidas y otras bandas de confirmación de aminas, éteres, alcoholes, aromáticos y alquenos. Finalmente, es posible que la banda ubicada en 1612.49 cm-1 corresponda a grupos imida (C=N) formados por la reacción entre cetonas o aldehídos con aminas primarias. De igual manera, debido a la gran cantidad de grupos funcionales de la sustancia, podemos encontrar un alto grado de solapamiento entre bandas, en las que se destacan algunas de aromáticos, alquenos y aminas.
Tabla 4. Correspondencia de bandas del espectro IR del copolímero.
BANDA (cm-1) CORRESPONDENCIA
3529.73 Tensión O-H en alcoholes 3408.22 Tensión N-H en amidas 3026.31 Tensión asimétrica =CH2 en alquenos
3007.02 Tensión simétrica =CH2 en alquenos
2827.64 Tensión –OCH3 en éteres
2000 – 1660 Bandas de combinación del benceno 1870.95 Balanceo fuera del plano =CH2 en alquenos
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1444.68 Balanceo cizalla CH2-C=C en alquenos
1413.82 Balanceo O-H en alcoholes 1332.81 Tensión C-N en aminas 1116.78 Tensión C-O en éteres 1114.86 Tensión C-O en alcoholes 1033.84 Tensión =C-O-C en éteres
910.40 Balanceo en el plano =CH2 en alquenos
893.04 Tensión fuera del plano =CH2 en alquenos
698.23 Balanceo fuera del plano N-H en aminas 673.16 Balanceo fuera del plano Ar-H en aromáticos
En la Figura 21 se muestra el termograma del TGA del copolímero; allí podemos encontrar una pérdida de peso a partir de aproximadamente los 205 °C que posiblemente es debido a desorción de solvente o rupturas pirolíticas debido al calentamiento del polímero, principalmente, en las regiones de lignina. Las rupturas mencionadas anteriormente pueden corresponder, como lo menciona Caballero J. en su tesis doctoral Estudio Cinético de la
Pirólisis de la Lignina, a la formación de pequeños monómeros de los fenilpropanoides que
conforman la lignina y sus derivados. Caballero J. también reporta la descomposición de los derivados a través de procesos endotérmicos que podrían explicar la posterior disminución del porcentaje de masa, el cual involucra una absorción de energía que se puede observar en el espectro DSC (Figura 22); sin embargo, es posible que dicha pérdida de masa corresponda a procesos de despolimerización de unidades de glicina. Los valores de temperatura correspondientes a los procesos mencionados anteriormente reportados por Caballero J. se encuentran un poco corridos a temperaturas menores, lo cual puede deberse a las interacciones lignina-glicina que disminuyen un poco las fuerzas inter e intramoleculares debido al impedimento estérico generado luego de la reacción de polimerización (47).
Schniewind, A. reporta en su artículo titulado Thermal Degradation of Wood Components
~ 35 ~
derivados son las reacciones de deshidratación. Entre 150 °C y 300 °C ocurre la escisión de enlaces alquil-aril-éter. Alrededor de 300 °C las cadenas laterales alifáticas empiezan a dividirse del anillo aromático. Finalmente, el enlace carbono-carbono entre las unidades de fenilpropanoides se escinden entre 370°C y 400 °C (48). Aproximadamente a 275 °C se encuentra un pico que indica una ganancia de masa, dicho pico es una interferencia durante el análisis debido a que el procedimiento se hizo en atmósfera inerte, por lo cual no hay manera por la que el polímero aumentara su masa.
En el termograma del DSC se observa un pico endotérmico alrededor de 258.71 °C que puede corresponder a varios puntos de fusión de segmentos semejantes, además es importante notar que de los monómeros el de mayor punto de fusión es la glicina, por tanto dicha agrupación de picos endotérmicos pueden responder a procesos de fusión de segmentos del polímero compuestos por cadenas de glicina, lo cual indicaría que dichas cadenas poseen mayores fuerzas intermoleculares en comparación con el monómero del cual provienen. Esta información es de vital importancia debido a que al hacer la comparación con los puntos de fusión teóricos de la lignina y glicina (158 °C – 185 °C y 233 °C respectivamente) es posible afirmar que el producto obtenido corresponde a una sustancia diferente a los reactivos utilizados.
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Figura 22. Espectro DSC del copolímero
Teniendo en cuenta toda la información recaudada y analizada a cerca de la estructura del polímero, es muy posible que consista en un núcleo de lignina con dendritas (ramificaciones) producto de la reacción con glicina (Figura 22); siendo así un polímero entrecruzado (en red), termoestable y con zonas susceptibles de cristalización (49); lo cual implica que debe tener cierto grado de organización molecular que coincide con los grupos funcionales formados.
~ 37 ~
7.4 Estudio de degradabilidad:El copolímero obtenido tiene alta solubilidad en agua, ello debido a que posee gran cantidad de grupos hidrófilos a lo largo de las cadenas; estos grupos comprenden principalmente aminas, amidas y grupos carboxilo; esta propiedad sugiere un material potencialmente biodegradable. En el estudio de degradabilidad realizado se evidencia una “degradación” total en 10 horas, sin embargo, es muy probable que tuviera lugar un proceso de solubilización del material; por lo que se recomienda realizar estudios de degradabilidad basados en la concentración de dióxido de carbono liberada.
Figura 24. Estudio de degradabilidad del copolímero en suelo de los cerros orientales.
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8. CONCLUSIONES
Entre los muchos problemas ambientales a los cuales se enfrenta la humanidad la presente investigación se enfocó en la contaminación por materiales poliméricos y la invasión de especies vegetales como el Retamo espinoso; buscando un acercamiento a una solución
unificada para dichas problemáticas.
Observando con detenimiento los resultados y su respectivo análisis, es posible encontrar que el proceso de extracción de lignina por tratamiento alcalino es más efectivo que por tratamiento con solvente orgánico; lo cual aumenta el rendimiento del proceso en general.
En cuanto a la polimerización, podemos afirmar que se obtuvo un nuevo material polimérico en red, termoestable, cristalino y con punto de fusión en 258.71 °C con base en los análisis instrumentales, potencialmente biodegradable según en el estudio de degradabilidad y con propiedades estructurales que lo convierten en una posible materia prima para la industria; sin embargo, es posible que utilizando otro catalizador el proceso sea más rápido y con mejores rendimientos.
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9. RECOMENDACIONES
Con el fin de profundizar en los procesos de polimerización y en el proceso de síntesis en general; se recomienda, en primera instancia, la utilización de diferentes tipos de lignina y diferentes métodos de extracción; además, se debe explorar otros catalizadores, como por ejemplo el catalizador del proceso de Fenton, donde se producen gran cantidad de radicales hidroxilo a partir de peróxido de hidrógeno y metales de transición interna, generalmente el hierro, lo cual aumentaría considerablemente la eficiencia del proceso.
Es de vital importancia realizar la síntesis en términos de mayores rendimientos que permitan realizar estudios para la identificación de las propiedades físicas del material.
Es posible vincular futuras investigaciones a fincas o lugares donde la invasión de Retamo
espinoso sea crítica; lo cual podría resumirse en posible financiación y mano de obra.
Para lograr un acercamiento a la estructura química, especialmente en cuanto al ambiente estereoquímico del copolímero, se recomienda hacer estudios de resonancia magnética nuclear en una y dos dimensiones empleando un equipo de alta frecuencia.
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