Eugenol

OBJETIVOS

 Isolamento de compostos orgânicos a partir de materiais biológicos.

 Isolamento de óleos essenciais de tecidos vegetais (especiarias) por destilação com arraste a vapor (EUGENOL).

 Demonstrar experimentalmente o uso da extração contínua (Soxhlet) para isolamento de óleos fixos.

 Análise cromatográfica de óleos essenciais (ÓLEO DE CRAVO).

LEITURA RECOMENDADA

Extração de produtos naturais; óleos essenciais; destilação por arraste a vapor.

INTRODUÇÃO

O interesse dos homens por substâncias orgânicas teve sua origem ainda na pré-história. Pigmentos para tintas, perfumes e produtos usados na medicina popular eram basicamente compostos orgânicos, e requeriam algum tipo de extração da sua fonte natural, usualmente plantas. Muitos materiais orgânicos de origem natural, principalmente os cristalinos, foram isolados e purificados no séc. XIX. O estudo da suas reações constituiu o início da química orgânica, e durante muito tempo, esses produtos naturais, constituíam a principal fonte de produtos químicos orgânicos. Apenas com o desenvolvimento da síntese orgânica, a química libertou-se da total dependência dos compostos de origem natural, ainda assim, uma grande variedade de estruturas de origem natural é de provocar deslumbres pela sua arquitetura molecular, constituindo-se um desafio à síntese e elucidação.

O isolamento e o estudo de substâncias naturais é uma preocupação central das ciências químicas e biológicas. A bioquímica investiga a química de produtos naturais do metabolismo primário, que produz substâncias amplamente distribuídas nos seres vivos: aminoácidos, lipídios, carboidratos e macromoléculas (proteínas, polissacarídeos ácidos nucléicos). A química de produtos naturais do metabolismo secundário (especializado) é estudada por químicos orgânicos, freqüentemente reconhecidos como químicos de produtos naturais. O Esquema 1 apresenta uma tentativa de definição das atividades desenvolvidas pelos bioquímicos e pelos químicos de produtos naturais (geralmente, químicos orgânicos).

Os grupos de pesquisa em produtos naturais no nosso país, e na grande maioria dos outros países, atuam em cinco linhas básicas de pesquisas. Em muitos dos quais, todas essas linhas de pesquisa são exploradas concomitantemente:

 estudo sistemático da composição química de espécies pertencentes a determinadas famílias;

 pesquisas de elucidação estrutural, onde as técnicas espectrométricas dão o apoio fundamental;

 pesquisas sobre substâncias de origem vegetal, farmacologicamente ativas e potencialmente medicamentosas;

 novos métodos químicos de combate a doenças endêmicas tropicais e pragas de produtos agrícolas;

 síntese e/ou transformações químicas de interesse farmacológico em potencial. Esta linha de atuação que vem contribuído para o rápido crescimento de uma nova área de pesquisa de caráter multidisciplinar – Química Medicinal.

Esquema 1

A importância da química de produtos naturais pode ser avaliada pela relação de interdisciplinaridade com outras áreas do conhecimento, tais como: botânica, zoologia, biologia molecular, farmacologia, medicina humana e veterinária, entomologia, ecologia, etc. O Esquema 2 resume a importância e interdisciplinaridade do estudo das substâncias orgânicas naturais bioproduzidas pelo metabolismo secundário dos organismos vivos.

Esquema 2. Importância e interdisciplinaridade das substâncias orgânicas naturais bioproduzidas pelo metabolismo secundário (especializado).

Grande parte do trabalho do químico de produtos naturais reside na elucidação da estrutura molecular das substâncias isoladas a partir de fontes naturais, muitas delas vegetais. Pela tradição inicial, por volta de 1940, a dedução da estrutura molecular de produtos naturais era realizada por meio de reações químicas (oxidações, reduções, preparações de derivados, etc.). O químico orgânico necessitava de grandes quantidades de amostras para realizar a tarefa de identificação dos compostos, uma vez que, estes precisavam ser degradados em componentes mais simples e comparados através de suas propriedades químicas e físicas (ponto de fusão, ponto de ebulição dos compostos e de seus derivados, etc.) com amostras padrões. O processo era lento e necessitava de muito tempo e investimento. Adicionalmente, essa metodologia de análise era limitada às substâncias razoavelmente simples ou estáveis. Ainda assim, substâncias com a complexidade da morfina e a da estreptomicina A foram isoladas e tiveram suas estruturas deduzidas via métodos clássicos.

Figura 1

Atualmente, as primeiras técnicas a serem aplicadas na determinação de quaisquer substâncias são os métodos espectrométricos. Estes além de serem imprescindíveis para controlar a qualidade de um produto que está sendo fabricado, verificar se uma certa transformação de fato ocorreu como se desejava, diagnosticar a presença de grupos funcionais, são instrumentos imprescindíveis para determinar a estrutura tridimensional ou a conformação preferida de uma nova substância isolada de fonte natural. Adicionalmente, tais métodos necessitam de apenas pequenas quantidades de amostras, e geralmente, são não destrutíveis.

O químico de produtos naturais precisa, freqüentemente, sintetizar as substâncias produzidas por organismos vivos para compará-las e provar assim a estrutura proposta. Na verdade, as sínteses de produtos naturais complexos, não só levaram à descoberta de muitas reações de utilidade geral em química sintética, como também, conduziram ao desenvolvimento e refinamento de muitas teorias químicas.

Atualmente, grande parte de tecnologia moderna repousa sobre o trabalho do químico sintético, capaz de produzir novas substâncias que poderão ser utilizadas como medicamentos, plásticos, corantes, detergentes, inseticidas, etc. O estudo dos constituintes produzidos pelo metabolismo secundário dos organismos vivos continua proporcionando a descoberta de diversas substâncias orgânicas. A avaliação da atividade biológica destas substâncias depende de investigações farmacológicas, toxicológicas e medicinais, merecendo atenção especial àquelas isoladas de plantas usadas na medicina popular. A comprovação de atividade biológica e outros resultados práticos promove freqüentemente o desenvolvimento de novos trabalhos de sínteses, principalmente quando os rendimentos obtidos de fontes naturais apresentam-se baixo, como ocorre na maioria dos casos. Esses trabalhos sintéticos, envolvendo com relativa freqüência estruturas moleculares novos, permitiram testar e descobrir reagentes e reações, promovendo o avanço científico da química orgânica e a formação de novos recursos humanos.

Dentre outros fatores, as dificuldades observadas na utilização prática de substâncias obtidas de fontes naturais em nosso País são resultado de: dificuldades sintéticas e viabilidade econômica, principalmente quando as moléculas naturais apresentam-se dotadas de vários centros assimétricos; interação interdisciplinar incipiente, consolidação de uma política consistente para a educação, ciência e tecnologia.

EXTRAÇÃO DE ÓLEOS (FIXOS E VOLÁTEIS) A PARTIR DE MATERIAL BIOLÓGICO

O químico dispõe de uma diversidade de procedimentos e sistemas para uso na extração do material biológico a partir da sua fonte natural. Dependendo do que se deseja extrair algumas técnicas são mais recomendadas que outras. Por exemplo, na extração de óleos voláteis a técnica de destilação por arraste a vapor é o procedimento mais aconselhável, por outro lado, a extração por meio de solvente orgânico (extrator Soxhlet) é de longe a metodologia mais indicada para extração de óleos fixos. Independentemente da técnica a ser usada na extração, o processo comum para a obtenção de produtos naturais a partir de fontes naturais envolve: escolha da fonte (material biológico, geralmente vegetais); secagem do material; trituração; extração e purificação.

Os óleos voláteis são os principais odoríferos encontrados em várias partes de plantas. Como evaporam quando expostos ao ar em temperaturas comuns, são chamados óleos voláteis, óleos essenciais ou essenciais. Este último é utilizado porque os óleos voláteis representam "essências" ou componentes odoríferos das plantas. Os óleos essenciais são normalmente encontrados em bolsas secretoras presentes nas partes vitais dos vegetais, tais como: pétalas das flores, folhas, sementes, caule, raiz e frutos. A qualidade do óleo essencial é variável de um gênero a outro, de uma a outra espécie, podendo-se encontrar vegetais que possuem essências quimicamente diferentes em várias de suas partes.

Praticamente todos os óleos voláteis são constituídos por misturas químicas muito complexas; sua composição química varia muito. Neles podem ser encontrados quase todos os tipos de compostos orgânicos (hidrocarbonetos, álcoois, cetonas, aldeídos, ésteres, óxidos, éteres e outros) os quais podem ser agrupados em duas classes, com base na sua biossíntese que lhe deu origem: derivados dos terpenóides (I), formados pela via do ácido mevalônico-acetato e, compostos aromáticos (II) formados pela via do ácido chiquímico-fenil propanóides (Figura 2).

Figura 2. Componentes químicos de alguns óleos essenciais conhecidos.

As essências são imiscíveis com água sendo, entretanto, são solúveis em álcool, clorofórmio, diclorometano, éter e outros solventes orgânicos. Quando expostas ao ar, mesmo à temperatura ambiente, evaporam. Quando recém obtida são incolores, mas com o tempo podem sofrer oxidação, tornando-se escuras. O processo de extração das essências depende de uma série de fatores, tais como: sua localização no vegetal, suas propriedades físico-químicas e a finalidade a que se destina. A grande maioria pode ser isolada dos tecidos vegetais com arraste a vapor. Os constituintes de um óleo essencial em particular podem ser separados por: destilação fracionada a pressão reduzida, cristalização ou cromatografia.

A técnica de extração pelo arraste de vapor permite a separação de componentes voláteis, sem necessidade de temperaturas elevadas, evitando-se assim, a sua decomposição térmica. Em escala de laboratório, a técnica pode ser convenientemente realizada por meio de um sistema de destilação simples, adaptado com um funil de adição, através do qual água é adicionada constantemente, permitindo assim, que o nível da água no frasco de destilação permaneça constante (Figura 3).

Muitas plantas são usadas diretamente com fins medicinais, entretanto, de modo análogo, o próprio óleo volátil extraído da planta é usado como medicamento. Em muitos casos, plantas são pulverizadas e empregadas como especiarias e condimentos (anis, cravo-da-índia, noz-moscada). Além do uso em produtos farmacêuticos, certos óleos essenciais são bastante empregados como aromatizantes de alimentos e doces, bem como no comércio de especiarias, perfumes e cosméticos.

Figura 3. Aparelhagem para destilação por arraste de vapor.

Os óleos fixos, por sua vez, são elementos energéticos e estão associados a proteínas e carboidratos. Com função de evitar perda de água pelas plantas, eles estão espalhados por todo vegetal, principalmente nas sementes. Geralmente são solúveis em éter, clorofórmio e outros solventes orgânicos e insolúveis em água. Quando purificados, são incolores de sabor e odor suaves. Quando muito aquecidos, liberam um odor acre devido à formação de aldeído acrílico, acroleína. São untuosos ao toque e, quando filtrados em pape,l deixam mancha permanente.

Os óleos fixos, denominados genericamente de lipídios, são classificados como ésteres de álcoois e ácidos graxos de cadeia longa (triacilgliceróis) ou derivados e englobam as gorduras, os óleos e as ceras. São de grande valor na indústria alimentícia e na elaboração de sabões (sais de sódio e potássio dos ácidos graxos). Em Farmácia, são utilizados como veículos de outros medicamentos (emulsões líquidas) ou emulsões sólidas (cremes), e alguns, como o óleo de rícino (mamona), têm propriedades terapêuticas especiais como purgativos.

Figura 4. Triacilglicerol.

Quando se deseja extrair óleo fixo de uma fonte natural sólida prefere-se o método de extração contínua em um extrator Soxhlet. Em um extrator Soxhlet (Figura 5) o sólido é colocado em um cartucho apropriado de celulose na câmara do extrator. O solvente, colocado no balão, é aquecido e os vapores condensam-se na câmara do extrator, caindo sobre o material a extrair. Quando o nível do destilado na câmara de extração atingir o nível do sifão, a solução retornará ao balão. Esta metodologia torna a operação automática e menos laboriosa, além de empregar uma quantidade bem menor de solvente.

Figura 5. Extrator Soxhlet.

PARTE I – EXTRAÇÃO DE ÓLEOS FIXOS DE MATERIAIS BIOLÓGICOS

EXPERIMENTO DEMONSTRATIVO

Objetivo: Demonstrar experimentalmente o funcionamento de um extrator Soxhlet na extração de um óleo fixo de tecidos vegetais (castanha de caju, milho, noz moscada, etc.).

Procedimento: (detalhamento será apresentado pelo instrutor).

Discussão:

1. Quais são os dois principais métodos para extrair grosseiramente um produto natural de materiais biológicos?

2. Aponte três analogias entre óleo fixo e óleo volátil.

3. Às vezes um produto natural pode ser isolado macerando a fonte natural em água e extraindo a solução aquosa com um solvente diferente. Qual afirmação não é uma propriedade necessária de um solvente para extrair um produto natural desta solução aquosa?

(a) O solvente não deve reagir quimicamente com os componentes da mistura.

(b) O solvente extrator deve ser imiscível com a solução original.

(c) O coeficiente de distribuição, K, para o produto natural deve ser grande.

(d) O solvente extrator deve ter um ponto de ebulição alto.

(e) O solvente deve ser prontamente separável do soluto.

4. (Provão 2001) Lipídios podem ser recuperados de diversos materiais biológicos através da extração por solvente. Os tipos mais comuns de lipídios são gorduras e óleos derivados de ácidos carboxílicos de cadeias longas e do glicerol. A figura abaixo mostra um extrator do tipo Soxhlet onde pode ser efetuada a extração de lipídeos. O solvente a ser usado na extração, a região onde deve ser colocado o material biológico a ser extraído e o local de onde será recuperado o extrato de lipídios são, respectivamente:

Solvente Local onde deve ser colocado o material biológico Local onde será recuperado o extrato de lipídeo

(a) água cartucho poroso balão

(b) água balão cartucho poroso

(c) clorofórmio cartucho poroso balão

(d) clorofórmio balão cartucho poroso

(e) glicerol balão cartucho poroso

PARTE II. ISOLAMENTO DO EUGENOL A PARTIR DO CRAVO DA ÍNDIA

Objetivo: Isolamento de óleos essenciais de tecidos vegetais (especiarias) por destilação com arraste a vapor (EUGENOL).

O cravo da Índia contém entre 14% a 20% p/p de óleo essencial, cujo principal constituinte é o eugenol. Em menores quantidades, estão presentes ainda, na essência: o acetato de eugenila a o sesquiterpeno cariofileno (Figura 6).

Figura 6. Componentes do óleo essencial de cravo da Índia.

Procedimento:

Monte um aparato para destilação (Figura 3) usando um balão de duas ou três bocas com capacidade para 100 mL. O frasco coletor poderá ser um Erlenmeyer e o aquecimento poderá ser feito através de banho de óleo. Coloque 5,0 gramas de botões de cravo da Índia dentro do balão de destilação e adicione a estes 50 mL de água. Aqueça o sistema até que atinja uma temperatura na qual destile lento e ininterrupto. Durante a destilação, continue adicionando água através do funil de adição, a uma velocidade tal, que o nível original do líquido no balão de destilação permaneça constante. A destilação deverá ser continuada até que sejam recolhidos cerca de 100 mL do destilado. Transfira o destilado para um funil de separação e extraia com duas porções de 10 mL de diclorometano. Despreze a fase aquosa e seque o extrato orgânico combinado com sulfato de sódio anidro. Decante a solução orgânica em um béquer previamente tarado e evapore o solvente em banho de vapor (Cuidado!! Esta operação deve ser executada na capela). Quando restar apenas o óleo residual, pese para o cálculo do rendimento percentual do óleo em relação à quantidade original de cravo utilizada. Reserve uma alíquota para análises cromatográficas.

Discussão:

1. Em que categoria geral de produtos naturais se enquadram as essências?

2. Consulte nos catálogos (Index Merk, Handbooks, etc.) o ponto de ebulição do eugenol.

3. Baseado no peso original de cravo, calcular a porcentagem de recuperação do eugenol, considerando que as impurezas presentes no extrato são insignificantes.

4. Comente sobre a eficiência da montagem alternativa utilizada no processo de extração do eugenol.

5. Por que a destilação por arraste de vapor é preferida à destilação simples quando se trata de óleos essenciais?

6. Quando dois líquidos imiscíveis são misturados formando uma mistura heterogênea, cada substância exerce sua própria pressão de vapor, independentemente da presença da outra. Por que um sistema heterogêneo, como água e óleo essencial, destila a uma temperatura abaixo de 100oC?

7. Os constituintes de um óleo essencial particular podem ser separados por destilação fracionada a pressão reduzida, cristalização ou cromatografia. Supondo que, com óleo essencial de cravo, nenhum dos procedimentos acima citados poderia ser adotado para separar os seus componentes (eugenol e acetato de eugenila). Nesse caso, proponha um fluxograma e equações mostrando como o eugenol pode ser separado (quimicamente!!!) do seu acetil derivado.

8. (Provão 2002) Em um laboratório efetuou-se a nitração do fenol, obtendo-se os isômeros o-nitrofenol (A) e p-nitrofenol (B). Os dois isômeros obtidos foram separados utilizando-se a seguinte aparelhagem de destilação:

O mecanismo escolhido para efetuar a separação baseia-se na destilação

(a) por arraste a vapor do componente A, pois A é mais volátil que B, por apresentar ligação hidrogênio intramolecular.

(b) por arraste a vapor do componente B, pois B é menos solúvel que A, por apresentar menor momento de dipolo.

(c) fracionada, onde o componente A é recolhido puro, pois apresenta menor ponto de ebulição que B.

(d) fracionada, onde o componente B é recolhido puro, pois apresenta menor solubilidade em água.

PARTE III – ANÁLISE CROMATOGRÁFICA DO ÓLEO ESSENCIAL DE CRAVO

Objetivo: Verificar experimentalmente a constituição do óleo essencial por meio da cromatografia em camada delgada.

Procedimento:

1. Aplica-se em pontos separados, através de tubos capilares, uma gotinha das soluções de eugenol (padrão) e do óleo de cravo recém extraído em uma mesma placa de cromatografia, a 1 cm da borda inferior da placa e mantendo-se cerca de 1 cm de distância entre os pontos de aplicação.

2. Introduz-se a placa na cuba com o solvente de desenvolvimento indicado pelo instrutor. de modo que o nível do líquido fique abaixo dos pontos de aplicação. Espera-se o desenvolvimento do cromatograma mantendo-se a cuba fechada.

3. Quando à frente do solvente ficar a 1 cm (registre essa distância) da borda superior da placa, retira-se e deixa-se secar totalmente ao ar (10 a 15 minutos).

4. Antes da revelação com iodo, verifica-se o cromatograma na lâmpada UV. Marca-se o contorno das manchas das substâncias UV ativas, cuidadosamente, com o auxílio de uma lapiseira.

5. Para revelação definitiva, insere-se a placa em um recipiente cilíndrico e seco de tamanho adequado contendo um pouco de iodo sólido e coberto com um vidro de relógio. Espera-se o surgimento de manchas na placa.

6. Registrar as distâncias percorridas pela frente do solvente e pelos componentes de cada amostra analisada (eugenol e do óleo de cravo recém extraído).

Discussão:

1. Com base no experimento realizado, apresente um desenho do seu cromatograma (revelado na luz ultravioleta e no vapor de iodo).

2. Determinar os Rf de todos os componentes das soluções analisadas.

3. Supondo que você precisa emitir parecer técnico em relação ao extrato obtido. Você poderia inferir no seu parecer que inequivocamente o mesmo contêm eugenol? Você pode inferir que seu extrato também contém acetato de eugenila e cariofileno? Ou nenhum deles? Ou outros constituintes? Explique.

4. Com base nos Rf dos componentes de sua amostra e considerando aspectos estruturais dos constituintes do óleo do cravo, você poderia fazer uma correspondência entre as manchas observadas e os componentes do óleo do cravo?

5. Observe o aspecto da sua cromatoplaca quando revelada sob luz ultravioleta e no vapor de iodo e diga quantos componentes foram detectados em cada caso. Considerando os aspectos estruturais dos constituintes do óleo do cravo, você avalia como coerente os resultados da comparação? Explique.

DISPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS E INSUMOS

 Seguindo indicação do instrutor, alguns resíduos aquosos poderão ser descartados na pia com água corrente.

 Os demais resíduos, líquidos e/ou sólidos, deverão ser acondicionados em frascos apropriados para posterior tratamento e reutilização.