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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA TESIS USO DE MICROONDAS COMO FUENTE DE ENERGÍA EN REACCIONES DE SILILACIÓN DE HIDRATOS DE CARBONO Y SU ANÁLISIS POR CROMATOGRAFÍA DE GASES QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE QUÍMICA EN ALIMENTOS PRESENTA Diana Itzel Campos Ramón México D.F. 2007 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. Jurado Asignado: Presidente prof. Hermilo Leal Lara Vocal prof. Josefina Elizalde Torres Secretario prof. Elba Rojas Escudero 1er suplente prof. Bertha Julieta Sandoval Guillén 2º suplente prof. Erika María Ramírez Maya Sitio en donde se desarrolló el tema: Laboratorio 224 Edificio B Facultad de Química Ciudad Universitaria México D.F. Asesora de Tema de Tesis M.en C. Elba Rojas Escudero Sustentante Diana Itzel Campos Ramón Agradezco a la Universidad Nacional Autónoma de México por haberme brindado las bases del conocimiento, que han forjado en mi disciplina, y un camino para mi vida profesional, así como por los momentos de alegría y los amigos que conocí durante esta bella etapa de estudiante. Por la gran oportunidad de ver los amaneceres y la lluvia de estrellas en altamar. Así como la enorme satisfacción de haber disfrutado una de las cosas que más me han llenado en la vida: La gimnasia Gracias a la maestra Elba por compartir su tiempo y experiencia para ayudarme a terminar esta etapa de mi vida, así como por su gran labor como profesionista y su calida humana, que me acompañaron en este camino. Gracias Dios por lo espectacular de la creación y el encanto de la vida que se encuentra aún en las situaciones difíciles. Mama te dedico este trabajo con todo mi amor, te agradezco el ejemplo que me has dado, como persona y la gran profesionista que eres, esto es uno de los pasos mas importante que he dado y esto es de las dos, que sea parte de una vida plena en todos los aspectos y que sirva de estímulo para lograr los sueños que no por lejanos son inalcanzables, son los que nos motivan a dar lo mejor que tenemos. Porque la vida no se limita a una situación en particular, y es nuestra responsabilidad desarrollar todo y cada uno de nuestros potenciales para procurarnos una vida feliz que podamos compartirla con los demás. INDICE i OBJETIVO ii INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I ANTECEDENTES 1 I.1 ENERGÍA DE MICROONDAS 1 I.1.1 INTERACCION DE LA ENERGÍA DE MICROONDAS EN LA MATERIA 3 I.2 HIDRATOS DE CARBONO 3 I.2.1 ESTRUCTURA, PROPIEDADES Y FUNCIONES DE LOS HIDRATOS DE CARBONO 5 I.2.2 FORMACIÓN DE OXIMAS 7 I.2.3 FORMACIÓN DE DERIVADOS SILILADOS 8 I.3 ESTEROIDES 10 I.3.1 PREGNENOLONA 11 I.3.2 HIDROCORTISONA 11 I.3.3 COLESTEROL 11 I.3.4 SILILACIÓN DE ESTEROIDES 12 I.4 CROMATOGRAFÍA 12 I.4.1 CROMATOGRAFÍA DE GASES 13 I.4.2 CROMATOGRAFÍA DE LÌQUIDOS 14 CAPÍTULO II METODOLOGÍA 16 II.1 REACTIVOS Y MATERIAL 16 II.2 EQUIPO 17 II.3 REACCIONES QUÍMICAS EN LOS HIDRATOS DE CARBONO 18 II.4 EXTRACCIÓN DE LOS HIDRATOS DE CARBONO EN EL JUGO 18 II.4.1 FORMACIÓN DE LA OXIMA 19 II.4.2 FORMACIÓN DEL DERIVADO SILILADO 19 II.5 REACCIONES QUÍMICAS EN LOS ESTEROIDES 19 CAPÍTULO III PARTE EXPERIMENTAL Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 22 III.1 CONDICIONES EXPERIMENTALES DE SEPARACIÓN Y ANÁLISIS DE LOS DERIVADOS SILILADOS 22 III.2 APLICACIÓN DE DIFERENTES POTENCIAS DE REACCIÓN DE LA OXIMA Y EL DERIVADO SILILADO 23 III.3 APLICACIÓN DE DIFERENTES POTENCIAS DE ENERGÍA DE MICROONDAS EN LA FORMACIÓN DE LA OXIMA Y EL DERIVADO SILILADO EN LA FRUCTOSA 25 III.4 ANÁLISIS CROMATOGRÁFICO CUALITATIVO 29 III.5 ANÁLISIS CUANTATIVO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO EN EL JUGO DE MARCA COMERCIAL III.6 DERIVADOS SILILADOS DE LOS ESTEROIDES 30 33 CONCLUSIONES 37 BIBLIOGRAFÍA 38 ANEXO INDICE DE ESQUEMAS, FIGURAS, GRAFICAS Y TABLAS Esquema 1. Esquema 2. Clasificación de los hidratos de carbono por estructura y propiedades químicas Clasificación de las funciones de los hidratos de carbono 5 6 Esquema 3. Métodos de análisis de los hidratos de carbono 6 Esquema 4. Clasificación general de la cromatografía 12 Figura 1. Longitud de onda 1 Figura 2. Baja frecuencia de longitud de onda 2 Figura 3. Alta frecuencia de longitud de onda 2 Figura 4. Estructura de hidratos de carbono 4 Figura 5. Reacción de formación de la oxima y el derivado sililado 8 Figura 6. Cromatógrafo de gases 13 Figura 7. Cromatograma del derivado sililado formado en la mezcla de estándares de los hidratos de carbono con NH2OH .HCl/ Anilina y BSTFA, utilizando energía de microondas 31 Figura 8. Cromatograma del derivado sililado formado en la muestra de jugo utilizando NH2OH .HCL / Anilina y BSTFA, utilizando energía de microondas 32 Figura 9. Cromatograma de pregnenolona y pregnenolona oxima - sililada con NH2OH .HCl/ Anilina y BSTFA utilizando energía de microondas 33 Figura 10. Cromatograma de colesterol y colesterol oxima - sililado con NH2OH .HCl/ Anilina y BSTFA utilizando energía de microondas 34 Figura 11. Cromatograma de hidrocortisona e hidrocortisona oxima - sililada con NH2OH .HCl/ Anilina y BSTFA utilizando energía de microondas 35 Gráfico 1. Subproductos formados en la fructosa aplicando diferente potencia de energía de microondas 27 Gráfico 2 . Subproductos formados en los derivados sililados de los hidratos de carbono en las condiciones seleccionadas de la reacción 27 Gráfico 3. Curva de calibración de la arabinosa 41 Gráfico 4. Curva de calibración de la fructosa 43 Gráfico 5. Curva de calibración de la glucosa 45 Gráfico 6. Curva de calibración de la sacarosa 47 Tabla 1. Reactivos sililantes en orden creciente del grupo donador 9 Tabla 2. Características de respuesta del detector de ionización de flama 14 Tabla 3. Disoluciones de los hidratos de carbono y de los esteroides 21 Tabla 4 . Curva de calibración de los hidratos de carbono 21 Tabla 5. Condiciones de temperatura y velocidad de calentamiento 22 Tabla 6. Condiciones experimentales de potencia de energía de microondas aplicada 23 Tabla 7. Formación de la oxima aplicando uan potencia de energía de microondas de 90 Watts 24 Tabla 8. Formación del derivado sililado aplicando una potencia de energía de microondas de 90 Watts y 7 min. de reacción para formar la oxima 24 Tabla 9. Determinación del % de oxima en la fructosa aplicando diferentes potencias de energía de microondas y tiempos de reacción 25 Tabla 10. Determinación del % del derivado sililado en la fructosa aplicandodiferentes potencias de energía de microondas y tiempos de reacción 26 Tabla 11. Comparación del número de subproductos formados en los derivados sililados de los hidratos de carbono a temperatura ambiente y aplicando las condiciones óptimas de la reacción 28 Tabla 12. Tiempos de retención de los derivados sililados formados en los hidratos de carbono y en los esteroides en las condiciones seleccionadas de reacción 29 abla 13. Porcentaje de los hidratos de carbono presentes en el jugo comercial 30 INTRODUCCIÓN El análisis de hidratos de carbono en alimentos es un parámetro útil en el control de calidad de la materia prima y del producto terminado. Por ejemplo la determinación de Glucosa y Fructosa en frutas son indicadores del estado de madurez de la fruta, los cuales se ven disminuidos al ser transformados en etileno por reacciones bioquímicas en la respiración del fruto. Las propiedades organolépticas de la fruta se ven determinadas por la concentración de los hidratos de carbono presentes. En el análisis cuantitativo de estos analitos se utilizan reacciones colorimétricas, de titulación, siendo Cromatografía de gases (CG) y Cromatografía de líquidos (CL) las técnicas de análisis más precisas y reconocidas por Normas Internacionales. Para ser analizados por Cromatografía de gases (CG), los hidratos de carbono requieren la formación de un derivado volátil, existen diferentes reacciones reportadas en la literatura para este fin. En este trabajo se lleva acabo la reacción de la formación de la oxima en el hidrato de carbono correspondiente con la finalidad de disminuir el número de subproductos, seguida de la reacción de sililación utilizando BSTFA como reactivo sililante. Estas reacciones se ven favorecidas al producto por aplicación de energía de microondas. El uso de microondas en reacciones químicas es una tecnología limpia que reduce el tiempo de reacción. La metodología desarrollada del presente trabajo, busca saber si es aplicable a moléculas de alto peso molecular, como los esteroides de importancia biológica: Pregnenolona, Hidrocortisona y Colesterol. OBJETIVO Llevar acabo la formación de la oxima y el derivado sililado en los hidratos de carbono, aplicando energía de microondas en las reacciones. Identificar y cuantificar por Cromatografía de Gases los derivados sililados. Aplicar la metodología desarrollada en moléculas que contengan el grupo Hidroxilo en su estructura, como por ejemplo en los esteroides. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Establecer las condiciones de las reacciones en función del tiempo y de la potencia del horno de microondas. Optimizar el análisis por Cromatografía de Gases (CG) de los derivados sililados en los hidratos de carbono. Aplicar la técnica desarrollada en una muestra comercial. 1 ANTECEDENTES I.1 ENERGÍA DE MICROONDAS La energía de microondas se define como las ondas de radio de alta frecuencia que son parte del espectro electromagnético, pueden ser generadas a partir de un horno de microondas, que trabaja por generación de campos electromagnéticos alternados que generan calor por la resonancia que se aplica a los átomos de las moléculas involucradas. La frecuencia y la longitud de onda son magnitudes cuya relación es inversamente proporcional, describen al espectro electromagnético y se relacionan con la potencia de energía de microondas, en la energía que se genera en función de estas magnitudes.[1,2] La longitud de onda es la distancia entre dos picos de valles de onda que se generan por la aplicación de un campo electromagnético, lo cual se describe en la Figura 1. λ= longitud de onda Figura 1. Longitud de onda La potencia de energía de microondas determina la frecuencia generada en el medio de reacción, la cual especifica el número de longitudes de onda que pasan por un punto específico por unidad de tiempo. A mayor longitud de onda menor será la frecuencia, debido a que la distancia entre dos valles de longitudes de onda es amplia entre sí, por lo que requieren más tiempo en recorrer el 2 mismo punto por unidad de tiempo. Esto se genera por una baja potencia de energía de microondas aplicada, estas características se representan en la Figura 2. v= Frecuencia 4Hz. Figura 2. Baja frecuencia de longitud de onda La Figura 3 describe la distancia entre dos valles de longitudes de onda la cual es corta entre sí, por lo que les toma menor tiempo recorrer el mismo punto por unidad de tiempo, generando una alta frecuencia, lo cual a su vez es generada por una alta potencia de energía de microondas.[3] v= Frecuencia 8 Hz. Figura 3. Alta frecuencia de longitud de onda 3 I.1.1 INTERACCIÓN DE LA ENERGÍA DE MICROONDAS EN LA MATERIA La aplicación de un campo electromagnético sobre la materia causa la circulación diamagnética de los electrones que se encuentran orbitando alrededor del núcleo, por lo que el campo magnético generado difiere del campo magnético ejercido por el núcleo, esta diferencia incrementa la densidad electrónica, la cual esta en función del tipo de enlace químico involucrado, que puede ser iónico o covalente. Un ejemplo de enlace iónico es la molécula del Hidroxilo -OH, debido a que el Oxígeno tiene una alta afinidad por el Hidrógeno porque tienen diferentes electronegatividades, donde el átomo que está más cerca de completar su capa de electrones para estabilizarse de acuerdo al octeto de Lewis es el Oxígeno. Por lo que hay una alta densidad electrónica orientada hacia él, y una mayor resonancia al ejercer una frecuencia de microondas sobre esa molécula en comparación con la resonancia ejercida sobre los grupos metilenos -CH2 y metilos -CH3 que al aplicarles la energía de microondas se ejerce una menor resonancia, estas moléculas tienen un enlace covalente donde la diferencia de electronegatividades es pequeña en comparación al enlace iónico, esto se debe a que pueden compartir mas fácilmente sus electrones ya que están mas lejos de completar el octeto de Lewis en su capa de electrones.[4] El calor generado por aplicar energía de microondas genera un campo eléctrico que produce polarización de cargas lo cual implica un realineamiento de electrones alrededor del núcleo, por lo que cambia la distancia entre el núcleo y los electrones del átomo, facilitando que se alcance la energía óptima de reacción en menor tiempo. [5] I.2 HIDRATOS DE CARBONO Los hidratos de carbono constituyen las ¾ partes del mundo biológico y su nombre se deriva del término alemán “kohlenhydrate” que significa hidratos de carbono, uno de los primeros elementos descubiertos. Los hidratos de carbono se conforman de monosacáridos (moléculas de bajo peso molecular), los cuales al combinarse dos de ellos entre sí forman los disacáridos, la unión de tres 4 monoscáridos forman trisacáridos, de 4 a 10 monosacáridos unidos forman oligosacáridos y 10 o más unidades de monosacáridos forman los polisacáridos. Los monosacáridos contienen 5 ó 6 átomos de carbono y grupos funcionales carbonilo e hidroxilo en su estructura. En la figura 4, se presentan algunas moléculas de los hidratos de carbono. CHO OHH HHO OHH OHH CH2OH D-Glucosa CH2OH O HHO OHH OHH CH2OH D-Fructosa CHO OHH HHO OHH CH2OH D-Xilosa CHO HHO OHH OHH CH2OH D-Arabinosa Figura 4. Estructura de hidratos de carbono A continuación se mencionan algunas de las características físicas de los hidratos de carbono. La D-Glucosa es el monosacárido más abundante de la naturaleza, es la fuente de energía de las células animales, la cadena D-glucosa con el enlace β (1-4) constituye a la celulosa que es el hidrato de carbono más abundante en las plantas y que forma parte de la paredcelular. La Xilosa y la Arabinosa son monosacáridos que forman parte de la pared celular de las plantas y se encuentran formando cadenas de xilanos y arabigolactanos. Las características físicas de estas cadenas de monosacáridos las hacen útiles para gelificar y dar consistencia en la industria de los alimentos. 5 La Salicina es un glucósido que se encuentra en las plantas y tubérculos como la papa. Enzímas como la populinasa pueden dergradarla para la utilización metabólica de la planta. El monosacárido D-Fructosa es el componente principal del jugo de la fruta y de la miel, en los que se encuentra comúnmente formando cadenas con la Glucosa, la unión de estos monosacáridos conforman la Sacarosa. La Sacarosa es un disacárido compuesto por la D-Glucosa y la D-Fructosa, se obtiene de la remolacha azucarera y de la caña de azúcar siendo uno de los principales productos de la industria.[6-7] I.2.1 ESTRUCTURAS, PROPIEDADES Y FUNCIONES DE LOS HIDRATOS DE CARBONO Las características físicas y químicas de los hidratos de carbono permiten clasificarlos de acuerdo al tamaño de su estructura, el grupo reactivo que contienen y la función que desempeñan, los Esquemas 1 y 2, describen detalladamente en que consiste su clasificación.[8] ESTRUCTURA NÚMERO DE CARBONOS Triosa (3C), Tetrosa (4C) Pentosa (5C), Hexosa (6C) TAMAÑO Monosacárido Disacárido Oligosacárido Polisacárido PROPIEDADES QUÍMICAS Reductores No reductores GRUPO FUNCIONAL Aldehído Cetona Esquema 1. Clasificación de los hidratos de carbono por estructura y propiedades químicas 6 FUNCIONES RESERVA Disponibles No disponibles Azúcares solubles Almidones Dextrina Fibra dietética Celulosa Hemicelulosa y pectina ESTRUCTURALES Celulosicos No celulosicos Celulosa Hemicelulosa Polisacáridos Mucílagos Pectinas Carragenina y Agar Glucomananos Mananos Esquema 2. Clasificación de las funciones de los hidratos de carbono La determinación de los hidratos de carbono se realiza por métodos físicos, químicos y bioquímicos los cuales se describen en el Esquema 3. MÉTODOS FÍSICOS Solubilidad Gravedad Específica Índice de Refracción Rotación óptica MÉTODOS QUÍMICOS Propiedades Reductoras Reacciones de Condensación Reacciones de Sustitución Formación de Complejos MÉTODOS BIOQUÍMICOS Reacciones enzimáticas Fermentaciones diferenciales con levaduras Esquema 3. Métodos de análisis de los hidratos de carbono 7 Los métodos físicos son sencillos, rápidos y no destructivos, se utilizan para disoluciones puras y clarificadas, son dependientes de la temperatura, indican la cantidad total de azúcares, sin embargo no son métodos selectivos que especifiquen el tipo de azúcar presente. Los métodos químicos pueden ser cualitativos o cuantitativos, son específicos y están basados en las propiedades químicas de la molécula. En medio alcalino los extremos reductores reaccionan con los iones oxidantes, en medios fuertemente ácidos, los monosacáridos se deshidratan y forman derivados coloridos. Los métodos bioquímicos son indirectos porque los azúcares son determinados con el subproducto de otra reacción. Son métodos específicos ya que solo se cuantifica el azúcar que reacciona con la enzíma. La identificación de la mezcla de azúcares utilizando ensayos microbiológicos, no resulta útil cuando se tienen azúcares no fermentables. Una de las desventajas de estos métodos es el largo proceso de análisis, como es el caso de la reacción con disoluciones reductoras por las cuales se conoce la cantidad de azúcares reductores totales. En reacciones químicas se pueden presentar interferencias por moléculas que tienen estructura parecida, las cuales pueden ser cuantificadas junto con la molécula de interés, por lo que es necesario cuantificar con técnicas de separación como son la Cromatografía de Gases (CG) y la Cromatografía de Líquidos (CL). La aplicación de las técnicas analíticas de separación mencionadas, permiten identificar y cuantificar los hidratos de carbono con mayor exactitud y precisión.[9] I.2.2 FORMACIÓN DE OXIMAS Las oximas son productos derivados del amoniaco de la forma Y-NH2, que por sustitución del oxígeno carboxílico por un átomo de nitrógeno producen compuestos estables tipo imina. Para su formación se involucra la reacción de compuestos carbonílicos con NH2OH .HCl en un medio líquido a pH básico. [10-11] Las oximas son uno de los intermediarios más importantes en la síntesis orgánica, entre los que destacan los derivados sililados, como precursores de oxazoles e intermediarios de los derivados de 8 la piridina. Trabajos realizados en síntesis de oximas aplicando energía de microondas señalan que otra de las aplicaciones de las oximas en síntesis orgánicas además de ser grupos protectores, es la de ser precursores de intermediarios de la reacción de Beckman, síntesis de oxazoles, derivados de oxacinas, de heterocíclicos, de azirinas y de piridinas.[12] I.2.3 FORMACIÓN DE DERIVADOS SILILADOS La formación de los derivados sililados imparte volatilidad a compuestos que no lo son, lo que facilita su análisis por Cromatografía de Gases (CG), los grupos funcionales -OH, -NH2, -SH contribuyen a fuertes interacciones moleculares, por lo que al ser sustituidos por grupos de alquilación, acilación o sililación se incrementa la volatilidad de la molécula que se desea analizar. Los hidratos de carbono, son un ejemplo de moléculas de baja volatilidad a altas temperaturas, por lo que la sustitución de los hidrógenos activos por grupos sililados, le imparten mayor estabilidad a la molécula facilitando su detección y análisis. Los derivados sililados se forman al reemplazar un Hidrógeno activo de los grupos funcionales -OH –NH2 y –SH. Previamente se genera un intermediario como lo es la oxima para inactivar el grupo reactivo de la molécula como el carbonilo, presente en la estructura de los hidratos de carbono. La Figura 5, describe la formación de la oxima como intermediario en la Glucosa seguida de la formación del derivado sililado. O H HO H HO H OH OHH H OH CHO OHH HHO OHH OHH CH2OH CH=NOH OHH HHO OHH OHH CH2OH CH=NOH OTMSH HTMSO OTMSH OTMSH CH2OTMS HONH2 HCl B: BSTFA. Glucosa Oxima Oxima-TMS Figura 5. Reacción de formación de la oxima y el derivado sililado 9 La reacción involucra un ataque nucleofílico. Un buen reactivo sililante debe presentar carácter básico, para estabilizar la carga negativa en estado de transición. La capacidad donadora de un reactivo sililante está en función de los disolventes utilizados en la catálisis de la reacción. Los grupos funcionales que requieren formar un derivado sililado en orden decreciente son los siguientes: Hidroxilo Fenilo Carboxilo Amina Amida Las reacciones utilizadas para formar derivados volátiles en los grupos –OH de los hidratos de carbono, implican la formación de derivados de acetilo, de trifluoroacetilo o trimetilsililados. [13] En la Tabla 1, se presentan algunos de los reactivos sibilantes más utilizados. Tabla 1. Reactivos sililantes en orden creciente del grupo donador Siglas de reactivos sililantes Nombre HMDS Hexametildisilazano TMCS Trimetilclorosilano MSA N-Metil-N-trimetilsililacetamida TMSDMA N-Trimetilsilildimetilamina MSTFA N-Metil-N-Trimetilsilil-Trifluoroacetamida BSA N-O-Bis(Trimetilisilacetamida) BSTFA N-O-Bis(Trimetilsililtrifluoroacetamida) TMSI N-Trimetilsililimidazol La formación de los derivados sililados se ha aplicado para determinar mezclas complejas que contienen varios grupos funcionales, por ejemplo en la determinación simultánea de mono, di y trisacáridos, a través de la formación de losderivados de la oxima, del trimetilsilil éter y de los derivados de ésteres, empleando NH2OH .HCl en piridina, y HMDS/ TMSI, como agentes sililantes. El tiempo requerido para la formación de los derivados es de 1.20 hr aplicando temperaturas entre 50ºC y 100°C.[14] 10 El uso de la energía de microondas en la química de los hidratos de carbono se ha aplicado en la protección selectiva del grupo carbonilo, así como en la desprotección del grupo -OH si se ha formado un intermediario previamente, es decir, la energía de microondas también se aplica para hacer reversibles las reacciones orgánicas. Su aplicación ha demostrado que disolventes con altas constantes dieléctricas alcanzan la energía cinética de la reacción rápidamente en el medio, lo que favorece que la reacción tenga altos rendimientos y poca formación de subproductos; opuesto a lo que ocurre a disolventes con constantes dieléctricas bajas. [15] La literatura reporta diferentes técnicas para preparar oximas utilizando energía de microondas, por ejemplo, en base sólida silica gel y añadiendo NaOH, método en el que se propone sustituir el uso de medio básico acuoso utilizando temperatura ambiente y tiempo de reacción que va de 4 a 8 min. o bien, utilizando catalizadores como KF/Al2O3 y K2CO3 en NH2OH .HCl y aplicando energía de microondas por 10 min. [16] Cabe señalar que se requiere la recuperación de la oxima formada cuando se utilizan catalizadores en medio seco y una columna de purificación para su recuperación y análisis. Este método de formación de oximas se ha aplicado en cetonas y en compuestos heterocíclicos.[17,18] I.3 ESTEROIDES Los esteroides, son compuestos que controlan gran variedad de las funciones en los organismos del reino animal, son promotores del crecimiento de plantas y animales, son principios activos de diferentes preparados farmacéuticos para el tratamiento y prevención de enfermedades provocadas por la deficiencia o exceso de algún esteroide, su determinación es útil en pruebas de diagnóstico de enfermedades, investigación y síntesis de fármacos anticancerígenos, anticonceptivos, monitoreo ambiental, antimicrobianos, control de calidad en la industria farmacéutica y alimentaria. La determinación de esteroides hormonales es importante para el control de los sistemas endocrino, neuronal e inmune.[19] A continuación se presentan las características principales de algunos de ellos. 11 I.3.1 PREGNENOLONA La Pregnenolona es una hormona sintetizada a partir del Colesterol en las glándulas adrenales, se segrega en menor cantidad en el cerebro, ovarios y testículos. Es precursora de hormonas como la Progesterona, la Testosterona, el Estrógeno y el Cortisol, actúa en el cerebro como fuente de neuroesteroides, modulando la transmisión de mensajes de neurona a neurona y se cree que está altamente relacionado con los procesos de la memorización.[20] I.3.2 HIDROCORTISONA Es sintetizada en la corteza suparrenal y corresponde al grupo de los corticoesteroides, siendo la Hidrocortisona la más importante de este grupo de esteroides. Contribuye en el metabolismo de los hidratos de carbono, de las proteínas y de los lípidos, en la conservación del equilibrio de líquidos y electrolitos y en la preservación de la función normal de los sistemas cardiovascular e inmunitario, así como en los sistemas endócrino y nervioso. [20] I.3.3 COLESTEROL Es un esteroide que forma parte de las membranas celulares de origen animal, se sintetiza en el hígado a partir de los ácidos grasos saturados. Es precursor de las sales biliares, de las hormonas de la corteza suprarrenal y de las hormonas sexuales (Testosterona y Estrógenos) y de la vitamina D, regulando la calcificación de los huesos.[20,21] 12 I.3.4 SILILACIÓN DE ESTEROIDES La literatura reporta diferentes técnicas de sililación utilizando como reactivos BSTFA, BSTFA/TMCS ó BSA entre otros, generando la reacción a temperatura ambiente o calentando con energía de microondas aplicando diferentes tiempos de reacción. [22-25] I.4 CROMATOGRAFÍA La cromatografía es una técnica analítica desarrollada a principios del siglo XX, que permite la separación de sustancias que se encuentran en una mezcla. La palabra cromatografía significa descripción del color. El nombre es debido a que las primeras separaciones se llevaron acabo con pigmentos de plantas, las cuales se observaban como bandas coloridas. La cromatografía se describe como un proceso de separación por diferencia de migración, transportados por la fase móvil (líquido o gas) y retenidos selectivamente por la fase estacionaria (sólido, líquido o fluidos supercríticos).En función de la fase móvil, la Cromatografía se divide en Cromatografía de Líquidos y (CL) y en Cromatografía de Gases. Esquema 4. Clasificación general de la cromatogrfía CROMATOGRAFÍA Líquido GasFASE MÓVIL Sólido LíquidoFASE ESTACIONARIA Sólido Líquido Cromatografía Líquido-Sólido Cromatografía Líquido-Líquido Cromatografía Gas-Sólido Cromatografía Gas-Líquido 13 I.4.1 CROMATOGRAFÍA DE GASES En la Cromatografía de Gases (CG), la fase estacionaria (FE), se encuentra dentro de un tubo capilar, puede tener silicones como base y estar modificada con diversos grupos funcionales, para dar como resultado una gran variedad de fases estacionarias clasificadas como no-polar, polaridad media y polar. El proceso de separación está en función de las características de polaridad, estructura, tipo de enlace iónico o covalente del analito, su interacción en la fase móvil (FM) que es el gas acarreador y la fase estacionaria. Las muestras analizadas por esta técnica deben ser volátiles. En la Figura 6, se presenta un esquema básico de un Cromatógrafo de Gases (CG). Figura 6. Cromatógrafo de gases Los detectores que se utilizan en la Cromatografía de Gases (CG), son de Ionización de Flama, Captura de Electrones, Conductividad Térmica y Espectrometría de Masas, entre otros.[26] En el detector de ionización de flama se producen partículas cargadas, las cuales son detectadas por su energía, que genera una corriente eléctrica y son traducidas por el detector como señal amplificada. 14 Tabla 2. Características de respuesta del detector de ionización de flama El análisis por Cromatografía de Gases (CG) se puede realizar por análisis isotérmico, que utiliza temperatura constante o por gradiente de temperatura, en el que se modifica la temperatura a través del horno cromatográfico donde se utilizan diferentes temperaturas en función del tiempo de análisis. 1.4.2 CROMATOGRAFÍA DE LÍQUIDOS La Cromatografía de Líquidos (CL) es una técnica analítica comúnmente utilizada para separar macromoléculas, así como compuestos termolábiles. El fundamento físico en Cromatografía de Líquidos (CL) se conoce como partición, donde las moléculas del soluto están distribuidas entre dos líquidos inmiscibles y se encuentran en función de la solubilidad relativa con los disolventes involucrados, un líquido o una mezcla de líquidos, es la fase móvil y actúa como acarreador; la fase estacionaria es un sólido o un líquido donde fluye la fase móvil y las moléculas involucradas, se separan por diferencia de afinidad a la fase estacionaria y a la fase móvil. Existen detectores que son utilizados en la Cromatografía de Líquidos (CL), como por ejemplo el Espectrofotómetro UV-VISIBLE, el Amperométrico y el de Fluorescencia, entre otros. El uso de algún tipo de detector está en función de las propiedades físicas de los solutos a determinar. El detector UV- VISIBLE en la Cromatografía de Líquidos (CL), se basa en el fundamento de la Ley de Lambert y Beer, la cual explica que la concentración de un compuesto es proporcional a la luz absorbida por las moléculas presentes, por lo que la intensidad transmitida es conocida como absortividad molar.El análisis en la Cromatografía de Líquidos (CL) tiene las siguientes características: No requiere de altas temperaturas, el material eluído puede recuperarse LÍMITE DE DETECCIÓN Está en función de la respuesta al tipo de molécula orgánica analizada. RESPUESTA Selectiva, sensible a compuestos orgánicos. 15 al final de la columna para procedimientos analíticos posteriores como Espectometría de Masas, Resonacia Magnética Nuclear, etc. Las fases estacionarias utilizadas en la Cromatografía de Líquidos (CL), pueden ser de adsorción por fase normal, fase reversa, intercambio iónico y por formación de pares de iones. El análisis puede ser por elusión isocrática, donde el porcentaje de la fase móvil se mantiene constante o por gradiente de elusión que implica cambio del porcentaje de la fase móvil, durante la separación. Los factores que pueden contribuir en la eficiencia de la separación son: la temperatura y la proporción de la fase móvil. [27] Los métodos de cuantificación que existen para el análisis cromatográfico son por Estándar (E Ext) Estándar Interno (EI), y Adiciones Patrón. El método de (E Ext ), requiere del estándar del analito a cuantificar, su curva de calibración permite obtener la concentración, al extrapolar la respuesta de señal del área del pico cromatográfico. El (EI) requiere además del analito a cuantificar un estándar adicional que cubra con ciertos requisitos como son: no estar presentes en la muestra, no reaccionar con la muestra, ser de naturaleza química semejante a la del analito a cuantificar y en el análisis cromatográfico, eluir cerca del analito de interés, su curva de calibración es una relación de respuestas de señal vs relación concentraciones. Adición Patrón: Este método de cuantificación se utiliza para analitos que se encuentran en bajas concentraciones, a nivel traza en la muestra o bien que eluyen cerca de otro analito que se encuentra en una concentración elevada. El estándar del analito de interés se adiciona en concentraciones tales a la muestra, que permitan mediante el análisis determinar esta pequeña variación en la respuesta que está en función de la concentración añadida y por extrapolación determinar la concentración inicial del analito en la muestra. 16 METODOLOGÍA La finalidad de la metodología desarrollada es optimizar las reacciones químicas de formación de los derivados sililados en los hidratos de carbono, disminuyendo el tiempo de reacción con el mínimo número de subproductos formados. Aplicar la técnica desarrollada a un producto de consumo comercial (jugo de pera) y en solutos de mayor peso molecular como lo son los esteroides. II.1 REACTIVOS Y MATERIAL Hidratos de carbono grado analítico: Arabinosa, Fructosa, Glucosa, Sacarosa y Salicina. Sigma –Aldrich. (Sigma-Chemical) U.S.A. Esteroides grado analítico Pregnenolona,Hidrocortisona y Colesterol. Sigma –Aldrich. (Sigma-Chemical) U.S.A. Reactivos para formar la oxima Clorhidrato de Hidroxilamina (NH2OH.HCl) Baker . U.S.A. Anilina 98% de pureza Sigma –Aldrich. (Sigma-Chemical) U.S.A Dimetilformamida (DMF) Baker . U.S.A. Reactivo sililante N,O-Bis(trimetilsilil)trifluoroacetamida (BSTFA) Grado analítico, Sigma –Aldrich. (Sigma-Chemical) U.S.A. 17 Gases para el Cromatógrafo Nitrógeno grado 5 (cromatográfico), ultra pureza 99.98%, Marca: Praxair Aire grado 5 (cromatográfico), ultra pureza 99.98% Marca: Praxair Hidrógeno grado 5 (cromatográfico), ultra pureza 99.995% Marca: AGA. Disolvente Etanol al 95% grado técnico. Marca Baker Muestra Jugo de pera de marca comercial Gerber. Material Matraces aforados de 5 y 10 mL Pipetas volumétricas de 1 y 0.5 mL Jeringa de 10 uL para el Cromatógrafo de Gases. Reactor de teflón de 10 cm de diámetro Viales de reacción de 2 mL Espátula Vortex II.2 EQUIPO Cromatógrafo de Gases Hewlett Packard, modelo 5890 series II. Equipado con inyector con divisor de flujo “split” y un detector de ionización de flama. Software HP Chem Station for CG System. (1990-1998). Columna HP-5 (Fenil metil silicón, entrecruzada) marca Hewellete Packard 30 m x 0.32 mm x 0.25 m Filmthecniques US patent No. 4,293,45 Made in U.S.A Horno de microondas marca Phillips (Sharp Carrousel I ). 18 II.3 REACCIONES QUÍMICAS EN LOS HIDRATOS DE CARBONO Preparación de la base para formar la oxima: Pesar 125 mg de NH2OH.Cl, añadir 1.5 mL de DMF (Dimetilformamida) y aforar a 25 mL con anilina, concentración final de 5mg/mL. Preparación de la oxima: En la tabla 3 (página 21), se indican las cantidad en peso de cada hidrato de carbono y el volumen de DMF correspondiente, la disolución se agita con vortex y se le adiciona la base, NH2OH .HCl en Anilina hasta el volumen de aforo indicado. Tomar una alícuota de 0.5mL y colocarla en el vial de reacción, colocar el vial dentro de un reactor de teflón e introducir en el horno de microondas, aplicar la potencia máxima de energía de microondas de 90 Watts por 7 min. Sacar el vial del reactor de teflón y enfriar en hielo por 3 min. Preparación del derivado sililado: A la oxima formada añadirle una alícuota de 0.15mL de BSTFA, agitar con el vortex y homogeneizar la mezcla, tapar el vial de reacción, introducir en el reactor de teflón y colocarlo dentro del horno de microondas. Aplicar la potencia máxima de energía de microondas de 90 Watts por 3 min. sacar el vial del reactor y enfriar en hielo por 3 min. Realizar el análisis cualitativo y cuantitativo de cada hidrato de carbono por Cromatografía de gases (CG). II.4 EXTRACCIÓN DE LOS HIDRATOS DE CARBONO EN EL JUGO A 50 mL de jugo comercial añadirle 30 mL de etanol grado técnico al 95%, calentar a ebullición y concentrar la mezcla a un volumen de 20 mL, hasta que adquiera una consistencia líquida más espesa. 19 Continuar añadiendo etanol al 95% hasta eliminar agua con presión y baño de calentamiento a 30° C, utilizando el evaporador rotatorio hasta obtener un caramelo suave color amarillo oscuro. La reacción de formación de los derivados sililados no ocurre en presencia de agua, por lo que se requiere eliminarla, en la muestra que se va a analizar. II.4.1 FORMACIÓN DE LA OXIMA Pesar 500 mg de caramelo, añadirle 1.5 mL de DMF a disolución total y aforar a 5 mL con NH2OH .HCl/Anilina (5mg/mL), homogeneizar la mezcla y tomar una alícuota de 0.5 mL y colocarla en el vial de reacción (Ver II.3). II.4.2 FORMACIÓN DEL DERIVADO SILILADO A la oxima formada añadirle una alícuota de 0.15 mL de BSTFA, homogeneizar la mezcla y formar el derivado sililado.(Ver II.3) Determinar la concentración de los hidratos de carbono en la muestra comercial de jugo mediante el análisis cuantitativo por Cromatografía de gases (CG). II.5 REACCIONES QUÍMICAS EN LOS ESTEROIDES Pesar individualmente 100 mg de cada uno de los esteroides, disolverlos en 10 mL de etanol al 95% e inyectar cada uno de ellos en el Cromatógrafo de Gases, para conocer su tiempo de retención. 20 Formación de la oxima: Pesar cada uno de los esteroides de acuerdo a lo descrito en la Tabla 3 (página 21), aforar con la base NH2OH .HCl /Anilina (5mg/mL) al volumen indicado, tomar una alícuota de 0.5mL, colocar en un vial de reacción y aplicar energía de microondas (Ver II.3). Formación del derivado sililado: A la oxima formada añadir una alícuota de 0.15 mL de BSTFA y aplicar energía de microondas (Ver II.3). Analizar el derivado sililado del esteroide por Cromatografía de Gases. 21 Tabla 3. Disoluciones de los hidratos de carbonoy de los esteroides ESTÁNDARES VOLUMEN DE DMF (mL) VOLUMEN DE AFORO CON (NH2OH.HCl)/ANILINA (5 mg/ mL) CONCENTRACIÓN ( mg /mL) ARABINOSA 100mg 1.0 10 10 FRUCTOSA 100mg 6.7 10 10 GLUCOSA 180 mg 4.0 10 18 SACAROSA 300 mg 6.5 10 30 SALICINA 200 mg 1.5 5 40 PREGNENOLONA 100 mg 0 10 10 COLESTEROL 100 mg 0 10 10 HIDROCORTISONA 100 mg 0 10 10 Tabla 4. Curva de calibración de los hidratos de carbono HIDRATO DE CARBONO CONCENTRACIÓN (mg/mL) ARABINOSA 1.2 2.0 3.7 5.0 6.2 7.5 FRUCTOSA 2.5 4.0 6.2 8.3 10.4 12.1 GLUCOSA 1.8 7.2 14.9 22.5 29.8 37.4 SACAROSA 6.3 12.3 18.9 25.5 31.8 38.1 22 PARTE EXPERIMENTAL Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Durante el desarrollo experimental del presente trabajo, se llevaron a cabo una serie de reacciones para seleccionar las condiciones óptimas de la reacción, en tiempo y potencia de energía de microondas, así como para establecer las mejores condiciones de separación en el análisis cromatográfico. En las Tablas, Gráficos y Figuras descritas a continuación, se presentan las condiciones más representativas, así como el análisis correspondiente. III. 1 CONDICIONES EXPERIMENTALES DE SEPARACIÓN Y ANÁLISIS DE LOS DERIVADOS SILILADOS La Tabla 5, describe las condiciones óptimas de separación en el análisis cromatográfico. Tabla 5. Condiciones de temperatura y velocidad de calentamiento T° Inicial (1 min) Velocidad de calentamiento T° 2 (0 min) Velocidad de calentamiento T° 3 (0 min.) Velocidad de calentamiento T° 4 (5 min.) 170°C 20° C/min 190° C 5°C/min 210° C 10°C/min 280° C Tº = Temperatura La rampa de temperatura seleccionada, permite obtener la mejor resolución y separación de la Glucosa y la Fructosa, estos hidratos de carbono presentan una estructura molecular muy semejante en la configuración espacial, por lo que su tiempo de retención era prácticamente el mismo. Bajo las condiciones seleccionadas de separación, descritas en la Tabla 5, se consiguió una buena resolución en el análisis de cada derivado sililado formado en los hidratos de carbono mencionados, así como para el derivado sililado formado en la Arabinosa, la Sacarosa y la Salicina, identificando su tiempo de retención. 23 Para conocer la potencia de energía de microondas adecuada, en la formación de la oxima y el derivado sililado, se aplicaron las siguientes condiciones, en la mezcla de los estándares de los hidratos de carbono. III.2 APLICACIÓN DE DIFERENTES POTENCIAS DE REACCIÓN DE LA OXIMA Y EL DERIVADO SILILADO Tabla 6. Condiciones experimentales de potencia de energía de microondas aplicada POTENCIA EN LA FORMACIÓN DE LA OXIMA (Watts) TIEMPO DE REACCIÓN DE LA OXIMA (min) TIEMPO DE REACCIÓN DEL DERIVADO SILILADO (min) POTENCIA DE REACCIÓN EN EL DERIVADO SILILADO (Watts) 30 6 5 50 50 6 2 50 50 6 5 50 50 12 5 50 50 12 3 90 90 5 5 90 90 5 3 90 90 7 3 90 El análisis cromatográfico obtenido al aplicar las condiciones descritas en la Tabla 6, indica que la formación de la oxima y el derivado sililado, se ven favorecidos utilizando la máxima potencia del horno de microondas de 90 Watts, debido a que la respuesta de señal bajo estas condiciones, es clara y con el menor número de subproductos formados, por lo que se busca conocer los tiempos óptimos de cada reacción, para ello, se mantendrá constante la aplicación de una potencia de energía de microondas de 90 Watts, en la mezcla de los estándares de los hidratos de carbono, los datos experimentales se indican en la Tabla 7 y 8 respectivamente. 24 Tabla 7. Formación de la oxima aplicando una potencia de energía de microondas de 90 Watts Tiempo de Formación de la Oxima (min) 1 2 3 5 6 7 El tiempo óptimo de reacción para la obtención de la oxima es de 7 min. ya que se genera en mayor proporción el producto de interés, lo cual se determinó al observar los cromatogramas aplicando las condiciones descritas en la Tabla 7. Posteriormente se llevó acabo la formación del derivado sililado, con la potencia de energía de microondas y el tiempo de reacción de la oxima, seleccionados, para encontrar el tiempo óptimo de esta reacción. Tabla 8. Formación del derivado sililado aplicando una potencia de energía de microondas de 90 watts y 7 min de reacción para formar la oxima Tiempo de Formación del derivado sililado (min) 1 2 3 5 6 7 El análisis cromatográfico en cada caso, permitió establecer que el tiempo óptimo de formación para el derivado sililado es de 3 min. de reacción utilizando 7 min. para la oxima con una potencia de energía de microondas de 90 Watts. La Fructosa, es el hidrato de carbono que presentaba mayor número de subproductos al llevar acabo la formación del derivado sililado, por lo que la potencia y 25 el tiempo de reacción fueron seleccionados en base a este analito, favoreciendo al producto principal. III.3 APLICACIÓN DE DIFERENTES POTENCIAS DE ENERGÍA DE MICROONDAS EN LA FORMACIÓN DE LA OXIMA Y EL DERIVADO SILILADO EN LA FRUCTOSA Tabla 9. Determinación del % de oxima en la fructosa aplicando diferentes potencias de energía de microondas y tiempos de reacción TIEMPO (min) POTENCIA DE ENERGIA DE MICROONDAS 5 6 7 12 30 14 14 ---- ---- 50 ---- 35 ---- 20 90 70 ---- 90 ---- La potencia de energía de microondas de 30 Watts, aplicada a los diferentes tiempos, no es suficiente para llevar acabo la reacción de formación de la oxima, debido a que el porcentaje máximo del producto formado es del 14%, el cual se determinó al comparar el área de la respuesta de los cromatogramas obtenidos en las condiciones de la Tabla 9. El mayor porcentaje de la oxima formada, aplicando 6 y 12 min. de reacción con una potencia de energía de microondas de 50 Watts, es del 35%, esto puede atribuirse a que no es suficiente la energía de microondas aplicada en la formación del producto de interés, aún cuando se incremente el tiempo de reacción bajo estas condiciones. Sin embargo aplicando una potencia de energía de microondas de 90 Watts, durante 7 min. se obtiene el mayor rendimiento de la oxima en la Fructosa. De igual manera para conocer las condiciones adecuadas en la reacción del derivado sililado, se aplicaron diferentes condiciones de potencia de energía de microondas y tiempos de reacción, aplicando las condiciones seleccionadas previamente en la formación de la oxima. 26 Tabla 10. Determinación del % del derivado sililado en la fructosa aplicando diferentes potencias de energía de microondas y tiempos de reacción TIEMPO (min) POTENCIA DE ENERGIA DE MICROONDAS 2 3 5 7 30 20 --- 25 --- 50 46 --- 52 --- 90 --- 90 --- 60 En la Tabla 10, se describen las condiciones de reacción y el % del derivado sililadoen la Fructosa, obtenido de analizar el área del pico cromatogáfico generado en las condiciones descritas, aplicando una potencia de energía de microondas de 30, 50 y 90 Watts. Al comparar el rendimiento, de cada experimento, se observa que la reacción se ve favorecida utilizando la máxima potencia de energía de microondas de 90 Watts, y el tiempo de reacción en el que se obtiene el mejor rendimiento del derivado sililado, es a 3 min. de la reacción. A tiempos mayores, se observa un decremento en el porcentaje del producto de interés, lo cual puede deberse a una descomposición de la molécula por un exceso de energía aplicada. Al utilizar potencias de energía de microondas de reacción entre 30 y 50 Watts, se obtienen rendimientos del derivado sililado en la Fructosa entre el 25 y 50%, el cual es inferior en comparación con el porcentaje obtenido, al aplicar una potencia de energía de microondas de 90 Watts. La comparación del número de subproductos formados en la Fructosa, utilizando diferentes condiciones de potencia de energía de microondas, se presenta a continuación. 27 Gráfico 1. Subproductos formados en la fructosa aplicando diferente potencia de energía de microondas 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 subproductos 30 W 50 W 90 W Potencia aplicada (Watts) El Gráfico 1, indica que al aplicar potencias de energía de microondas de 30 y 50 Watts, se obtienen tres subproductos en el derivado sililado de la Fructosa, mientras que se reduce a dos, utilizando una potencia de energía de microondas de 90 Watts. En el siguiente Gráfico, se presentan los resultados de los subproductos obtenidos en los estándares de los hidratos de carbono, utilizando las condiciones seleccionadas de las reacciones en la Fructosa. Gráfico 2 . Subproductos formados en los derivados sililados de los hidratos de carbono en las condiciones seleccionadas de la reacción 0 0 .5 1 1 .5 2 S u b p r o d u c t o s A r a b F ru c t G lu c S a c S a l i D e r iv a d o s s i l i la d o s d e lo s h id r a t o s d e c a r b o n o 28 El Gráfico 2, presenta el mínimo de subproductos obtenidos para cada hidrato de carbono, para la Glucosa y la Sacarosa se logró eliminarlos, para la Arabinosa y la Salicina se genera uno, y para la Fructosa solo se generan dos. Los resultados de la reacción de los derivados sililados en los hidratos de carbono, a temperatura ambiente descrito en la bibliografía [11], se utilizaron para compararlos con los obtenidos en la metodología desarrollada del presente trabajo, para establecer si el uso de energía de microondas logra hacer más eficiente la reacción de interés, lo cual se presentan a continuación. Tabla 11. Comparación del número de subproductos formados en los derivados sililados de los hidratos de carbono a temperatura ambiente y aplicando energía de microondas en las condiciones óptimas de la reacción Al comparar el número de subproductos obtenidos en las reacciones de los derivados sililados en los estándares de hidratos de carbono, aplicando las condiciones descritas en la Tabla 11, se determinó que el uso de energía de microondas para llevar acabo estas reacciones, disminuye significativamente el número de los subproductos formados, por lo que hace más eficiente la reacción. La aplicación de energía de microondas en las reacciones orgánicas, genera una polarización de cargas, lo que provoca un realineamiento de los electrones alrededor del núcleo, cambiando la densidad electrónica de la molécula, lo que favorece que se alcance la energía cinética óptima de la reacción permitiendo la formación de los productos de interés y disminuyendo los isómeros o los subproductos no deseados. En los trabajos publicados para formar los derivados sililados utilizand HIDRATO DE CARBONO SUBPRODUCTOS FORMADOS A TEMPERATURA AMBIENTE [11] SUBPRODUCTOS FORMADOS APLICANDO ENERGÍA DE MICROONDAS Arabinosa 2 1 Fructosa 3 2 Glucosa 2 0 Sacarosa 2 0 Salicina 2 1 29 energía de microondas, proponen un medio libre de disolventes, pero no mencionan su aplicación en alimentos ni en muestras con características semisólidas, como lo es el caramelo obtenido al deshidratar el jugo. Los reactivos que se utilizan en estas reacciones, son determinantes para obtener la mayor cantidad del producto de interés, los del presente trabajo fueron NH2OH .HCl/ Anilina, una base fuerte y BSTFA como un excelente agente donador de grupos sililantes. Sus características químicas en conjunto con la energía de microondas, favorecen que la reacción tienda a la formación del derivado sililado. Esta técnica permitió analizar los hidratos de carbono en un jugo de marca comercial, que es una matriz compleja por los solutos que lo componen, aunado a esto, la técnica de extracción de estos analitos, los hidratos de carbono, fue la adecuada para su análisis cualitativo, sin interferencias de otras moléculas en la obtención de la oxima y el derivado sililado. III.4 ANÁLISIS CROMATOGRÁFICO CUALITATIVO La Tabla 12, presenta los tiempos de retención de los derivados sililados en los estándares de los hidratos de carbono y de los esteroides, aplicando la metodología desarrollada. Tabla 12. Tiempos de retención de los derivados sililados formados en los hidratos de carbono y en los esteroides en las condiciones seleccionadas de la reacción ESTÁNDARES TIEMPO DE RETENCIÓN (min.) Arabinosa 3.8 Fructosa 6.3 Glucosa 6.7 Salicina 15.8 Sacarosa 16.7 Pregnenolona 3.35 Colesterol 4.31 Hidrocortisona 4.33 30 Conocer el tiempo de retención de los derivados sililados en los estándares de los hidratos de carbono, permitió identificar cada uno de ellos por correlación con los picos cromatográficos en la muestra de jugo analizada, posteriormente se realizó su análisis cuantitativo. III.5 ANÁLISIS CUANTITATIVO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO EN EL JUGO DE MARCA COMERCIAL La determinación cuantitativa se hizo en una muestra de jugo comercial (ver II.4), a continuación se reporta el porcentaje de los hidratos de carbono determinados. El análisis se realizó por triplicado. Tabla 13. Porcentaje de los hidratos de carbono presentes en el jugo comercial REPLICAS(mg/100mg base seca) PROMEDIO HIDRATOS DE CARBONO R1 R2 R3 X ± ∂ ARABINOSA 3.28 3.36 3.52 3.36 ± 0.12 FRUCTUOSA 58.4 58.9 59.0 58.76 ±0.32 GLUCOSA 15.3 14.9 15.O 15.06 ± 0.20 SACAROSA 2.08 2.20 2.12 2.13 ± 0.06 R= Réplica En la Tabla 13, se observa que la Fructosa es el hidrato de carbono predominante en la muestra analizada, con un 58%, en segundo término es la Glucosa con un 15%, la Arabinosa y la Sacarosa, se encuentran en un menor porcentaje, 3 y 2 % respectivamente. En el caso de los esteroides, se determinó si logra llevarse a cabo la reacción de interés. Para ello se realizó el análisis disolviendo el analito en etanol, se obtuvo el cromatograma y se comparó con el 31 obtenido, al aplicar las condiciones óptimas de reacción de formación de la oxima y del derivado sililado en los esteroides,los cuales contienen un grupo –OH en su estructura. Los cromatogramas obtenidos durante el desarrollo experimental, se presentan a continuación, con el análisis correspondiente. Figura 7. Cromatograma del derivado sililado formado en la mezcla de estándares de los hidratos de carbono con NH2OH .HCl/ Anilina y BSTFA, utilizando energía de microondas 1,Disolvente;2,Arabinosa;3,Fructosa; 4,Glucosa;5 Salicina(Estándar interno); 6, Sacarosa. La Figura 7, representa el cromatograma de la mezcla de estándares de los hidratos de carbono sililados con energía de microondas, en el cual se define claramente cada uno de los analitos, esta 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 t (min) S eñ al 1 2 5 4 3 6 32 la referencia para determinar los tiempos de retención de cada soluto e identificarlos en la muestra de jugo de marca comercial y realizar su análisis cuantitativo. Figura 8. Cromatograma del derivado sililado formado en la muestra de jugo utilizando NH2OH .HCL / Anilina y BSTFA, utilizando energía de microondas 1, Disolvente; 2, Arabinosa; 3, Fructosa ; 4, Glucosa; 5, Salicina(Estándar interno); 6, Sacarosa La figura 8, representa el cromatograma de la muestra de jugo comercial, en la que se formó el derivado sililado con energía de microondas, ya identificados los picos cromtográficos por correlación con los tiempos de retención de los estándares y análisis cuantitativo, se determinó el % de cada hidrato de carbono (Tabla 13). Las condiciones seleccionadas de reacción para formar la oxima y el derivado sililado en los hidratos de carbono fueron aplicadas en los esteroides: Pregnenolona, la Hidrocortisona y el Colesterol, con la finalidad de conocer si la técnica desarrollada para el análisis de los hidratos de 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 t (min) Se ña l 1 2 3 4 5 6 33 carbono, puede aplicarse a las moléculas mencionadas, las cuales contienen al menos un grupo -OH en su estructura, este el sitio de reacción para dar paso a la formación del derivado sililado, por sustitución del H, por un grupo de menor polaridad del reactivo sililante (BSTFA). Los siguientes cromatogramas, representan los resultados obtenidos del análisis de los esteroides, disueltos en etanol y formando el derivado sililado. III.6 DERIVADOS SILILADOS DE LOS ESTEROIDES HO O H H H Figura 9. Cromatograma de pregnenolona y pregnenolona oxima-sililada con NH2OH .HCl/ Anilina y BSTFA, utilizando energía de microondas 1, Disolvente; 2, Pregnenolona; 3, Pregnenolona sililada 0 1 2 3 4 5 6 7 8 t ( mi n) 1 2 3 34 El derivado sililado formado en la Pregnenolona, (Figura 9), muestra una clara resolución y respuesta de señal, entre los picos cromatográficos 2 y 3, solo se presentan dos picos que corresponden al esteroide disuelto en etanol, que sirvió de referencia al del esteroide sililado este último presenta mayor tiempo de retención, la presencia de los picos sin subproductos, establece que se lleva acabo la reacción del derivado siliado. HO H H H Figura 10. Cromatograma de colesterol y colesterol oxima-sililado con NH2OH .HCl/ Anilina y BSTFA utilizando energía de microondas 1, Disolvente; 2, Colesterol; 3, Colesterol sililado 0 1 2 3 4 5 6 7 t ( min) 2 3 11 35 La Figura 10, representa el derivado sililado del Colesterol, este soluto, tiene una alta respuesta en el detector de ionización de flama del Cromatógrafo de Gases (CG), en comparación con la señal emitida por el Colesterol disuelto en etanol, la cual es muy pequeña, este último sirvió de referencia para determinar la formación del derivado sililado en este esteroide. Los tiempos de retención en las condiciones seleccionadas, son muy semejantes, aun cuando no se observa una separación de estos solutos con una resolución óptima de 1.5, se observa una mínima diferencia entre sus tiempos de elusión que permite identificarlos. O O HO HO HO H H H 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 t (min) Se ña l 1 2 3 Figura 11. Cromatograma de hidrocortisona e hidrocortisona oxima-sililada con NH2OH . HCl/ Anilina y BSTFA utilizando energía de microondas 1, Disolvente; 2, Hidrocortisona; 3, Hidrocortisona sililada 36 En la Figura 11, se representa el cromatograma de la Hidrocortisona, esteroide que en su estructura presenta tres grupos -OH, los resultados presentan picos cromatográficos con una gran diferencia de respuesta en la señal, entre el esteroide disuelto en etanol y el derivado sililado formado en la Hidocortisona, el arreglo espacial de sus grupos -OH, en comparación con el Colesterol y la Pregnenolona se encuentran ubicados en un extremo de la molécula, en un anillo cíclico de la estructura, por lo que la conformación espacial puede repercutir en la proporción y el rendimiento del derivado sililado formado en la Hidrocortisona, donde sus grupos –OH tienen una alta interacción química. Con la técnica de análisis propuesta se puede concluir que es sencilla y se obtiene en forma rápida la formación de derivados sililados en aquellos esteroides con un -OH. Sin embargo para esteroides que contengan más de un grupo -OH, como es el caso de la Hidrocortisna, o en otros solutos se tendrán que optimizar las condiciones de reacción, para su determinación por Cromatografía de Gases. El desarrollo experimental del presente trabajo ofrece resultados satisfactorios en el análisis cuantitativo de hidratos de carbono y el cualitivo de los etseroides como la Pregnenolona, y el Colesterol, en forma individual o en una mezcla de estos. Se sugiere continuar con este tema en futuros trabajos, para ampliar el número de analitos determinados en forma similar. 37 CONCLUSIONES Se forma la oxima y el derivado sililado en los hidratos de carbono utilizando energía de microondas. Las condiciones de reacción seleccionadas, permitieron disminuir a dos el número de subproductos formados en el derivado sililado de la Fructosa, a uno para el caso de la Arabinosa y la Salicina, mientras que para la Glucosa y la Sacarosa se eliminaron. La técnica desarrollada no requiere de métodos de purificación con disolventes, para la recuperación de la oxima y el derivado sililado formado en los hidratos de carbono aplicando la energía de microondas, por lo que se analiza directamente el producto de interés. Se establecen las condiciones óptimas de la reacción de formación del derivado sililado así como su análisis cualitativo y cuantitativo por Cromatografía de Gases (CG) de los hidratos de carbono en una muestra alimenticia con características semisólidas. Utilizando energía de microondas, el tiempo total de las reacciones en los hidratos de carbono: la oxima y el derivado sililado es de 10 min. A temperatura ambiente estas reacciones requieren de 20 min. para su formación. El uso de BSTFA como agente sililante, presenta la ventaja de que no se requieren mezclas de reactivos ni el uso de catalizadores para formar el derivado sililado, por lo que se utiliza menor cantidad de reactivos. La técnica desarrollada para formar los derivados sililados en los hidratos de carbono es aplicable a los esteroides: Pregnenolona y Colesterol, con resultados de buena simetría en los picos cromatográficos. 8 38 BIBLIOGRAFÍA [1] Higgins, J. Introduction to Energy Microwave. Chapter 1, Focal Press New York, (1990), 12-19. [2] Ebbing, D. Química General. Capítulo 7, 5a ed. Mc Graw Hill México, (1997), 273, 275. [3] Benford,J & Sweglwer, J. High Power Microwaves. Chapter 1, Arthec House, (1992), 52. [4] Koryu, T. Handbook of Microwave Technology. Chapter 3, Vol 2, Academic Press, New York, (1995), 355-356. [5] Blackman, L. Methods of Analysis of Carbohydrates. Chem. Soc. Review. 1991, 20, 145. [6] Fenema, R. Química de los Alimentos. Capítulo 5 y 6, 2ª ed, Pearson. 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Área de Arabinosa/ Área de Salicina. 1.2 296,289 226,175 4 0.31 1.31 2.5 410,627 238,737 4 0.62 1.72 3.7 670,131 251,929 4 0.93 2.66 5.0 829,208 238,965 4 1.25 3.47 6.2 1,198,497 239,469 4 1.56 4.80 7.5 1,398,475 236,229 4 1.87 5.92 Concentración de Alícuota (mg/mL) Área de Arabinosa Área de Salicina Concentración de Salicina (EI) (mg/mL) Conc. de Arabinosa/ Conc. de Salicina. Área de Arabinosa/ Área de Salicina. 1.2 258,823 218,284 4 0.31 1.15 2.5 412,003 229,849 4 0.62 1.81 3.7 602,400 262,959 4 0.93 2.49 5.0 799,767 259,971 4 1.25 3.51 6.2 1,044,053 249,687 4 1.56 4.57 7.5 1,274,167 258,370 4 1.87 5.66 Nota: El análisis se realizo por triplicado y método de estándar interno (EI) 41 y = 3.0331x + 0.0034 R2 = 0.9777 y = 2.9192x + 0.0128 R2 = 0.9887 y = 2.6671x + 0.1729 R2 = 0.9963 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0.5 1 1.5 2 Conc. arabinosa/Conc. salicina A re a ar ab in o sa /A re a sa li ci n a Gráfico 3. Curva de calibración de la arabinosa 42 ANÁLISIS CUANTITATIVO DE LA FRUCTOSA Concentración de Alícuota (mg/mL) Área de Fructosa Área de Salicina Concentración de Salicina (EI) (mg/mL) Conc. de Fructosa/ Conc. de Salicina. Área de Fructosa/ Área de Salicina. 2.50 586,0380 225,064 4 0.62 2.603 4.00 879,0320 227,626 4 1.00 3.861 6.20 1,171,970 241,928 4 1.55 4.844 8.30 1,464,970 227,854 4 2.07 6.429 10.4 1,757,964 228,458 4 2.60 7.694 12.1 2,050,958 225,118 4 3.00 9.110 Concentración de Alícuota (mg/mL) Área de Fructosa Área de Salicina Concentración de Salicina (EI) (mg/mL) Conc. de Fructosa/ Conc. de Salicina. Área de Fructosa/ Área de Salicina. 2.50 628,7660 226,175 4 0.62 2.786 4.00 869,0020 238,737 4 1.00 3.645 6.20 1,201,701 251,929 4 1.55 4.770 8.30 1,535,831 238,965 4 2.07 6.431 10.4 1,815,175 239,469 4 2.60 7.581 12.1 2,174,251 236,229 4 3.00 9.204 Concentración de Alícuota (mg/mL) Área de Fructosa Área de Salicina Concentración de Salicina(EI) (mg/mL) Conc. de Fructosa/ Conc. de Salicina. Área de Fructosa/ Área de Salicina. 2.50 556,6240 218,284 4 0.62 2.550 4.00 740,1130 229,849 4 1.00 3.225 6.20 1,145,975 262,959 4 1.55 4.358 8.30 1635,217 259,971 4 2.07 6.297 10.4 1,825,211 249,687 4 2.60 7.310 12.1 2,345,999 258,370 4 3.00 9.009 Nota: El análisis se realizo por triplicado y método de estándar interno (EI) 43 y = 2.6552x + 0.9888 R2 = 0.9934 y = 2.7097x + 0.592 R2 = 0.9829 y = 2.7097x + 0.592 R2 = 0.9829 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Conc.fructosa/Conc. salicina A re a fr u ct o sa /A re a sa li ci n a Gráfico 4. Curva de calibración de la fructosa 44 ANÁLISIS CUANTITATIVO DE LA GLUCOSA Concentración de Alícuota (mg/mL) Área de de Glucosa Área de Salicina Concentración de Salicina (EI) (mg/mL) Conc. de Glucosa/ Conc. de Salicina. Área de Glucosa/ Área de Salicina. 1.80 201,539 225,064 4 0.55 0.89 7.20 402,922 227,626 4 1.85 1.77 14.9 603,117 241,928 4 3.72 2.49 22.5 806,156 227,854 4 5.62 3.53 29.8 1,007,283 228,458 4 7.47 4.40 37.4 1,208,410 225,118 4 9.36 5.36 Concentración de Alícuota (mg/mL) Área de Glucosa Área de Salicina Concentración de Salicina (EI) (mg/mL) Conc. de Glucosa/Conc. de Salicina. Área de Glucosa/ Área de Salicina. 1.80 202,344 226,175 4 0.55 0.98 7.20 415,780 238,737 4 1.85 1.74 14.9 638,226 251,929 4 3.72 2.53 22.5 801,873 238,965 4 5.62 3.35 29.8 987,896 239,469 4 7.47 3.95 37.4 1,350,301 236,229 4 9.36 5.71 Concentración de Alícuota (mg/mL) Área de Glucosa Área de Salicina Concentración de Salicina (EI) (mg/mL) Conc. de Glucosa/ Conc. de Salicina. Área de Glucosa/ Área de Salicina. 1.80 199,687 218,284 4 0.55 0.91 7.20 401,502 229,849 4 1.85 1.74 14.9 612,387 262,959 4 3.72 2.32 22.5 798,321 259,971 4 5.62 3.00 29.8 965,446 249,687 4 7.47 3.86 37.4 1,128,630 258,370 4 9.36 4.36 Nota: El análisis se realizo por triplicado y método de estándar interno (EI) 45 y = 0.4991x + 0.6598 R2 = 0.9742 y = 0.3851x + 0.8648 R2 = 0.9904 y = 0.3851x + 0.8648 R2 = 0.9904 0 1 2 3 4 5 6 0 2 4 6 8 10 Conc. de Glucosa/conc. Salicina A re a G lu co sa / A re a S al ic in a Gráfico 5. Curva de calibración de la glucosa 46 ANÁLISIS CUANTITATIVO DE LA SACAROSA Concentración de Alícuota (mg/mL) Área de Sacarosa Área de Salicina Concentración de Salicina (EI) (mg/mL) Conc. de Sacarosa / Conc. de Salicina Área de Sacarosa / Área de Salicina. 6.3 59,361 225,064 4 1.59 0.271 12.3 118,296 227,626 4 3.17 0.514 18.9 177,047 241,928 4 4.78 0.670 25.5 237,444 227,854 4 6.37 0.913 31.8 296,325 228,458 4 7.95 1.186 38.1 355,7109 225,118 4 9.56 1.487 Concentración de Alícuota (mg/mL) Área de Sacarosa Área de Salicina Concentración de Salicina (EI) (mg/mL) Conc. de Sacarosa / Conc. de Salicina Área de Sacarosa / Área de Salicina. 6.3 47,543 226,175 4 1.59 0.210 12.3 105,398 238,737 4 3.17 0.441 18.9 169,058 251,929 4 4.78 0.671 25.5 236,941 238,965 4 6.37 0.991 31.8 288,145 239,469 4 7.95 1.154 38.1 372,551 236,229 4 9.56 1.577 Concentración de Alícuota (mg/mL) Área de Sacarosa Área de Salicina Concentración de Salicina (EI) (mg/mL) Conc. de Sacarosa / Conc. de Salicina Área de Sacarosa / Área de Salicina. 6.3 32,178 218,284 4 1.59 0.142 12.3 99,678 229,849 4 3.17 0.437 18.9 148,239 262,959 4 4.78 0.612 25.5 222,846 259,971 4 6.37 0.978 31.8 266,331 249,687 4 7.95 1.165 38.1 359,774 258,370 4 9.56 1.590 Nota: El análisis se realizo por triplicado y método de estándar interno (EI) 47 y = 0.4574x - 0.1196 R2 = 0.9958 y = 0.4069x - 0.2098 R2 = 0.9831 y = 0.4016x - 0.261 R2 = 0.9764 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 1 2 3 4 5 Conc. Sacarosa/Conc. Salicina. A re a S ac ar o sa /A re a sa li ci n a Gráfico 6. Curva de calibración de la sacarosa 48 GLOSARIO DMF Dimetilformilamida K2CO3 Carbontato de Potasio NH2OH .HCl Clorhidrato de Hidroxilamina KF Fluoruro de potasio HMDS Hexametildisilazano NaOH Hidróxido de Sodio BSTFA N-O-Bis(Trimetilsililtrifluoroacetamida) TMSI N-Trimetilsililimidazol Al2O3 Óxido de Aluminio Portada Índice Introducción Antecedentes Metodología Parte Experimental y Análisis de los Resultados Conclusiones Bibliografía Curvas de Calibración
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