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Título: Imobilização de enzimas em nanotubos de titanato e sua aplicação como catalisadores nas reações multicomponentes de Mannich
Título(s) alternativo(s): Enzymes immobilized on titanate nanotubes and their application as catalysts in the Mannich multicomponente reactions
Autor(es): Kosctiuk, Juliane Bessoni
Orientador(es): Pilissão, Cristiane
Palavras-chave: Nanotubos
Hidrolases
Enzimas imobilizadas
Raman, Espectroscopia de
Química
Nanotubes
Hydrolases
Immobilized enzymes
Raman spectroscopy
Chemistry
Data do documento: 16-Jul-2019
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: KOSCTIUK, Juliane Bessoni. Imobilização de enzimas em nanotubos de titanato e sua aplicação como catalisadores nas reações multicomponentes de Mannich. 2019. 67 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Química) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Curitiba, 2019.
Resumo: O desenvolvimento de novas rotas sintéticas para a obtenção de compostos opticamente ativos têm recebido atenção nos últimos anos e, desta maneira, as reações multicomponentes são muito atrativas visto que consistem na interação entre três ou mais moléculas em uma única etapa de reação levando a formação de novas ligações carbono-carbono. Para a obtenção de compostos orgânicos opticamente ativos, pode-se usar biocatalisadores como as enzimas, pois elas podem ser usadas tanto em meio aquoso ou orgânico, atuam em condições brandas de temperatura e pressão, podem ser quimio, regio e enantiosseletivas e reduzem a formação de subprodutos. Todavia, elas possuem algumas desvantagens, como diminuição ou perda da atividade catalítica e estabilidade ao longo do tempo ou na presença de solventes orgânicos. Para contornar estas dificuldades, as enzimas costumam ser imobilizadas em diferentes tipos de suporte que facilitam sua recuperação e reuso. A partir dessas considerações, este trabalho teve como objetivo imobilizar diferentes enzimas em nanotubos de titanato, aplicar este sistema nas reações de Mannich para produzir compostos β-amino carbonilado quirais e avaliar diferentes condições reacionais. Os nanotubos de titanato foram preparados através do método hidrotérmico com TiO2 P25 Degussa e NaOH, e lavados com soluções ácidas e aquosas. A condição ideal para a síntese dos nanotubos foi observada para 0,5 g de TiO2 e 100 mL de NaOH 10M, a 120°C e lavagem com HCl 0,1M. A formação dos nanotubos de titanato foi evidenciada por MEV, MET, DRX, FT-IR e Espectroscopia Raman, sendo possível observar bandas de Ti-OH, Ti-O-Ti e OH presentes na superfície. Além disto, observou-se que os nanotubos formados possuem paredes múltiplas e têm de 8 a 9 nm de diâmetro e fórmula molecular Na2- xHxTi3O7·nH2O. Foram testadas 14 enzimas diferentes da classe das hidrolases, apresentando conversões que variaram de 13 a 67%, com destaque para a α- quimotripsina, que apresentou rendimento de 67% e proporção diasteroisomérica sin/anti de 25:75, determinada por RMN 1H. A tripsina, protease que funciona em conjunto com a α-quimotripsina no sistema digestivo mas com mecanismo distinto, apresentou inversão diasteroisomérica com relação à outra enzima, sendo que o respectivo produto foi obtido com 42% de conversão e a proporção sin/anti foi de 59:41. Desta maneira, estas duas enzimas foram escolhidas para imobilização. A imobilização destas proteases nos nanotubos de titanato foi realizada na proporção 1:1, com tampão fosfato nos pHs 6, 7 e 8. A eficiência de imobilização foi analisada pelo método de Bradford e o sistema enzima-nanotubo foi caracterizado por MEV, MET e FT-IR. As enzimas imobilizadas foram aplicadas como catalisadores na reação de Mannich, porém houve redução na conversão e razão sin/anti para a α- quimotripsina enquanto que para a tripsina ocorreu a diminuição da conversão, mas inversão diastereoisomérica.
Abstract: The development of new sinthesis routes for the production of optically active compounds has gained attention in the recent years and so multicomponent reactions are very attractive because they consist in the interaction of three or more molecules in only one reaction step and result in the formation of carbon-carbon bonds. Optically active organic compounds can be obtained using biocatalysis such as enzymes since they can be employed in both aqueous and organic solutions, act in milder conditions of temperature and pressure, are chemo-, regio-, and enantioselective and reduce the formation of by-products. However they have some drawback such as decrease or loss of catalytic activity and stability over time or in organic solvents. To overcome these difficulties the enzyme usually are immobilized on different kinds of supports which facilitate their recuperation and reutilization. Considering that, this work aims to immobilize different kinds of enzymes on titanate nanotubes, use them in Mannich reactions to produce chiral β-amino carbonylated compounds and evaluate different reaction conditions. The titanate nanotubes were sinthetized through the hydrothermal method using TiO2 P25 Degussa and NaOH, and washed with acid and aqueous solutions. The ideal condition for its sinthesis was found to be 0,5g of TiO2 and 100mL of 10M NaOH at 120°C for 24h and washed with 0,1M HCl. The formation of titanate nanotubes were proven using SEM, TEM, XRD, FTIR, and Raman Spectroscopy, through which the peaks of Ti-OH, Ti-O-Ti and OH present in their surface. Furthermore, it was seen that the nanotube are multi walled and have 8-9 nm of diameter and molecular formula of Na2-xHxTi3O7·nH2O. Fourteen different enzymes of the hydrolases class were tested, showing yields of 18 to 13 to 67%. α-chymotrypsin stood out because it has yield of 67% and diastereoisomer ratio of 25:75, determinated by 1H NMR. Trypsin, a protease that acts in tandem with α- chymotrypsin in the digestive system but different mechanism has shown diastereoisomeric inversion comparing to the other enzyme and had yield of 42% and sin:anti proportion of 59:41. Thus both enzymes were chosen to be immobilized. Their immobilization on the nanotubes was in a 1:1 ratio using phosphate buffer for pH values of 6, 7 and 8. The immobilization efficiency was analysed by the Bradford method and the enzyme-nanotube system was characterized through SEM, TEM and FTIR. The immobilized enzymes were used as catalysts in the Mannich reaction, however there was a reduction in the yield and diastereoisomeric ratio for α- chymotrypsin while for trypsin there was also a reduction in the yield but the immobilized trypsin has shown diastereoisomeric inversion.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/9194
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