Universidade do Estado de Santa Catarina

Centro de Ciências Tecnológicas – CCT

Departamento de Química – DQM

Disciplina: Química Inorgânica Experimental – QIE0001

Professor: Fernando R. Xavier

Relatório do experimento 10

Bioinorgânica: Síntese do Bisglicinatocobre(II)

Alunos: Cláudia Honara Da

Rosa Waisczik

Thiago Puccinelli

Joinville, Dezembro de 2013

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ÍNDICE RESUMO .................................................................................................... 3 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................ 3

1.1. Cobre .............................................................................................. 5 1.2. Glicina ............................................................................................. 7 1.3. Compostos de coordenação ou Quelatos ....................................... 7

2. OBJETIVOS............................................................................................ 9 3. MATERIAIS E MÉTODOS ...................................................................... 9 3.1. MATERIAIS UTILIZADOS ............................................................. 9 3.1.1. Materiais ..................................................................................... 9 3.1.2. Reagentes ................................................................................... 10 2.2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL.............................................. 10 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO .............................................................. 11 4.1. Caracterizações .............................................................................. 12 5. CONCLUSÕES ....................................................................................... 13 6. REFERÊNCIAL BIBLIOGRÁFICO ......................................................... 14

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RESUMO

A química inorgânica biológica ou química bioinorgânica corresponde ao

estudo dos elementos “inorgânicos” quando eles são utilizados em todos os

seres vivos. O foco principal esta nos íons metálicos, onde o interesse se faz

nas interações com os ligantes biológicos e nas propriedades químicas que

eles são capazes de exibir a um organismo vivo. O Cu(II) tem papel essencial

no organismo, sendo encontrado em várias enzimas e proteínas que tem

funções centrais em muitos processos biológicos. Ele pode interagir de

diversos modos com essas moléculas, já que elas apresentam diferentes sítios

de coordenação. A glicina, por exemplo, possui dois potenciais sítios de

ligação, que podem fazer do aminoácido um ligante mono ou bidentado. A

partir deste íon metálico e seu respectivo ligante, foi sintetizado com sucesso o

complexo cis-bisglicinatocobre(II).

1. INTRODUÇÃO

Pode-se dizer que a química bioinorgânica é um campo bastante recente

da ciência. Todavia, relatos de metais ligados em proteínas ou enzimas já

datam do século XVIII, e provavelmente, esses relatos poderiam ser

encontrados em épocas anteriores a esta ao trocar os termos proteínas e

enzimas por tecidos de animais e/ou vegetais.

A química bioinorgânica como tal surgiu nos anos 70 sendo chamada de

bioquímica inorgânica gerando então polêmica por seu título tão paradoxal.

Entretanto foi nesse período que cientistas dos mais variados campos do

conhecimento despertaram grande interesse pelo papel dos metais nos

sistemas vivos (XAVIER, 2006).

Com a descoberta de diversos sistemas que requerem íons metálicos

para seu funcionamento, o número de artigos científicos em química

bioinorgânica tem se multiplicado. Além disso, metais não essenciais também

têm sido introduzidos na biologia humana tanto no diagnóstico exploratório de

doenças quanto no tratamento das mesmas sob a forma de fármacos.

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Mecanismos de ação de drogas anticâncer de platina, agentes antiartrite

à base de ouro e radiofármacos de tecnécio são alguns tópicos em corrente

investigação na química bioinorgânica. Além disso, alguns elementos

inorgânicos também têm sido introduzidos artificialmente em sistemas

biológicos como exploradores de suas propriedades estruturais e funcionais.

Atualmente pode-se caracterizar dois grandes grupos de atuação na

química bioinorgânica: um no estudo da ocorrência natural de elementos

inorgânicos na biologia dos seres vivos e outro atuando na introdução de

metais em sistemas biológicos como dispositivos exploratórios e drogas

(XAVIER 2006).

Vários nutrientes inorgânicos, como já mencionados, são essenciais à

vida, estão distribuídos amplamente na natureza, e atuam no organismo

participando de várias funções bioquímico-metabólicas vitais, tais como: os

sistemas enzimáticos, envolvidos no metabolismo de proteínas, carboidratos e

lipídeos; na regulação hídrica e balanço eletrolítico; na consolidação óssea, na

atividade neural e muscular (BRODY, 1994).

Os metais de transição agem como ácidos de Lewis. O ferro e o cobre,

por exemplo, são centros ativos de metaloenzimas e também de proteínas

transportadoras de oxigênio. As interações dos íons metálicos com

biomoléculas geralmente consistem na formação de compostos de

coordenação, portanto as teorias da química de coordenação também se

aplicam a sistemas biológicos. Os ligantes mais comumente envolvidos em

sistemas biológicos são aminoácidos de cadeias laterais e ácidos nucleicos

(SOBRINHO, 2011).

As proteínas são constituídas de vinte aminoácidos essenciais,

representados na Figura 1.

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Figura 1. Lista dos aminoácidos responsáveis pela formação de

proteínas.

1.1 Cobre

O cobre é um microelemento essencial a todos os organismos vivos,

cuja característica química principal são os dois estados de oxidação

relevantes 1+ e 2+.

As funções vitais do cobre são devidas a sua capacidade de doar ou

receber elétrons, participando das reações de oxi-redução, entre outras,

aquelas catalisadas pelas enzimas, superóxido dismutase e citocromo oxidase.

O cobre é necessário para o desenvolvimento e crescimento infantil,

mecanismos de defesa, crescimento ósseo, maturação das células

sanguíneas, transporte de ferro e colesterol, metabolismo energético,

contratilidade do miocárdio e desenvolvimento cerebral (FRANZAN, 2006).

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Proteínas e enzimas que contêm cobre são responsáveis por funções

primordiais em organismos vivos, como no transporte de elétrons, ativação de

oxigênio para oxidações de substratos. Na figura 2 são apresentadas

resumidamente as principais enzimas e proteínas de cobre, e suas funções.

(CERCHIARO, 2005).

Figura 2. Descrição das principais proteínas e enzimas de cobre.

Embora o caráter bioessencial do cobre tenha sido estabelecido desde

aproximadamente 1925, a sua relevância biológica foi completamente

reconhecida somente durante as três ultimas décadas, quando houve um

rápido desenvolvimento da química bioinorgânica deste elemento.

A deficiência causada pelo cobre pode ser adquirida ou herdada. A

deficiência pode causar doenças neurodegenerativas (Alzheimer) e/ou

sintomas neurológicos, doenças de Menkes e doença de Wilson, sendo que as

proteínas de Menkes e Wilson têm sido caracterizadas como transportadoras

de cobre. A deficiência de cobre em ovelhas produz ataxia, mudanças na

pigmentação dos pelos, anemia, diarreia, perda de peso, com reflexo

econômico negativo nesta atividade agroindustrial.

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Os compostos de cobre altamente disponíveis são necessários no

mundo todo como suplementos dietéticos para corrigir aas deficiências

causadas pela ingestão inadequada ou baixa biodisponibilidade (FRANZAN,

2006).

1.2 Glicina

Conhecido também como ácido aminoacético e ácido 2-amino-etanóico,

é considerado um aminoácido apolar. Apresenta formula geral C2H5NO2. Sua

estrutura geométrica esta ilustrada na figura 3. O ponto isoelétrico da glicina ou

PH isoelétrico esta centrado entre o pK de seus dois grupos ionizáveis, do

grupo amino e do grupo ácido carboxílico.

Figura 3. Estrutura geométrica do aminoácido glicina.

A glicina é um aminoácido que tem somente um átomo de hidrogênio em

sua cadeia lateral, e é também o único que não é opticamente ativo. Sendo o

segundo aminoácido mais comum em proteínas, representa 5% dos

aminoácidos das proteínas do organismo humano.(RAMOS, 2006).

1.3 Compostos de coordenação ou Quelatos

Os quelatos são compostos de coordenação, onde o metal é o ligante

receptor de elétrons, em contraste, nos sais inorgânicos, o cátion é ligado

através de interações eletrostáticas. Uma vez quelado o mineral, os produtos

que o compõem, já não são aminoácidos ou íons de metal, eles compartilham

propriedades com os metais aminoácidos, conservando, porém, propriedades

exclusivas. Um mineral que foi corretamente quelado tende a ser absorvido no

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intestino de forma semelhante a um dipeptídeo ou tripeptídeo, que

normalmente apresentam altos coeficientes de absorção (BARUSELLI, 2005).

O cobre no seu estado 2+ pode formar uma grande quantidade de

compostos de coordenação, muitos deles são quelatos. Os ligantes bidentados,

como a glicina, apresentam isomeria cis-trans quando se coordenam com um

íon metal. O cobre, um íon metálico, apresenta maior diversidade no

comportamento esterioquímico que qualquer outro metal. As configurações

geométricas que o cobre (II) apresenta com mais freqüência são aquelas onde

ele tem quatro ligantes coplanares, formando uma geometria octaédrica.

(SILVA, 2010). A figura 4 mostra a isomeria do complexo Bisglicinatocobre(II).

Figura 4. Isomeria do complexo Bisglicinatocobre(II).

Vale-se ressaltar que o complexo Bisglicinatocobre(II) em meio aquoso,

muda rapidamente sua geometria espacial de quadrado-planar para octaédrica,

pois a água atua como ligante formando-se então o Bisaquodiglicinatocobre(II),

como na figura 5.

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Figura 5. Trans-Bisaquodiglicinatocobre(II).

2. OBJETIVOS

Sintetizar o complexo de relevância bioinorgânica bisglicinatocobre(II).

3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 MATERIAIS UTILIZADOS

3.1.1. Materiais

01 béquer de 100 mL

01 béquer de 25 mL

Espátulas

Funil de Büchner

Pipetas de 5 ou 10 mL

Papel filtro

Kitassato

Rolha p/ kitassato

Chapa de aquec. c/ agitação

Barra magnética

Termômetro

Banho de gelo

Dissecador

Cápsula de vidro

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3.1.2. Reagentes

CuCl2.2H2O

Glicina

CH3COONa

Etanol

Éter etílico ou Acetona

Água destilada

3.2 PROCEDIMETO EXPERIMENTAL

Pesou-se 0,85 g de Cloreto de Cobre Dihidratado, este foi dissolvido em

5 mL de água destilada, em um béquer de 100 mL. Adicionou-se na solução 5

mL de etanol 95%.

Conjuntamente, em um béquer de 25 mL, foi dissolvido 0,76 g de Glicina

em 5 mL de água destilada. Adicionou-se juntamente à solução 0,82 g de

acetato de sódio agitando o sistema até a total dissolução do sódio.

Adicionou-se o ligante ao metal com o auxilio de um conta-gotas,

observando-se um precipitado.

A reação foi aquecida à 70ºC em uma chapa de agitação magnética por

17 minutos e resfriada primeiramente em água corrente. Para maximizar o

processo de precipitação, colocou-se o béquer com a mistura em um banho de

gelo por 15 minutos.

Com o auxílio de um kitassato filtrou-se à vácuo o precipitado formado,

lavando-o com etanol gelado e éter etílico ambos gelados sucessivamente.

Acondicionou-se o complexo em uma cápsula de vidro, identificando-a.

Colocou-se o complexo no dissecador. Após uma semana, pesou-se o

complexo e foi calculado o rendimento.

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4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A síntese deste complexo é descrita pela junção de duas partes

isoladas, como visto no procedimento experimental. Na primeira parte é

adicionado álcool ao cloreto de cobre dihidratado, este tem como função criar

um ‘’meio orgânico’’ para favorecer na solubilidade do cloreto de cobre

dihidratado.

Isoladamente preparou-se no segundo béquer o ligante, onde o acetato

de sódio teve como papel a desprotonação da glicina. Durante esse processo

foi sentido um odor característico, gerando-se ácido acético.

Ao juntar as duas soluções, o glicinato por possuir dois potenciais sítios

de ligação, forma-se como um ligante bidentado, podendo-se ligar ao metal,

formando-se então o complexo bisglicinatocobre(II) de cor azul. A reação esta

descrita pela equação abaixo:

Como citado na literatura, o complexo formado possui isomeria

geométrica, neste respectivo experimento sintetizamos a isomeria cis,

Conquanto, o mais para formação da isomeria trans seria necessário um gasto

maior de energia.

Finalmente realizou-se a lavagem do complexo utilizando-se etanol para

retirada de impurezas, e de éter por ser muito volátil e carregar junto à ele o

etanol pelo método de filtração à vácuo. Vale-se ressaltar que a o uso de água

para a lavagem modificaria a estrutura do complexo, pois a água atuaria como

um ligante.

Com base nas quantidades de reagentes empregados no processo

pode-se afirmar que esta é uma reação química estequiométrica. Usando-se

0,85g de CuCl2 . 2H2O pode-se calcular o rendimento de 100% do complexo.

Porém no final do experimento foi obtido somente 0,83g do produto,

levando a um rendimento de 79%. Este erro de 21% pode ser esclarecido

devido ao tempo de aquecimento que foi submetido o complexo, a pesagem

imprecisa dos reagentes, ou também a perda de material durante a lavagem

por filtração a vácuo.

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4.1 Caracterizações

Após sintetizarmos o complexo cis-bisglicinatocobre(II), este foi

submetido à testes: via análise condutométrica e espectroscopia eletrônica.

Com o auxilio de um condutivímetro, permitiu-se a medição de

condutividade do complexo em solução. Como já mencionado, a água pode

atuar como ligante transformando o complexo em . cis-Bisaquodiglicinatocobre(II),

porém o mesmo apresentou baixa condutividade, pois não se ioniza gerando íons,

quantitativamente sua condutividade foi de 1,48 µS/cm, revelando que realmente o

estado de oxidação de seu centro metálico era 2+, e que o nível de impurezas do

complexo é baixo.

A espectroscopia eletrônica se mostra bastante versátil no estudo da natureza

energética das transições eletrônicas que um complexo pode conter.

De acordo com esse teste, o comprimento de onda (ƛ) máximo da solução de

cis-bisglicinatocobre(II) 1.0 x 10-2 mol L-1 foi de 629 nm e a absorvância (A) 0,412.

Baseando-se nesses valores pode-se calcular a absortividade molar (ɛ) do complexo

descrita pela equação da Lei de Lambert-Beer, resultando em 41,2 M-1 cm-1. A figura 5

revela o gráfico da solução do complexo gerado pelo espectrofotômetro UV-visível de

bancada.

Figura 5. Espectro do Cis-Bisaquodiglicinatocobre(II)

A partir desses valores conclui-se que a energia gasta para que ocorra

uma transição eletrônica é gradativamente baixa, a confirmação desses fatos

se dá na cor do complexo: azul, emitindo radiação eletromagnética na região

do visível. Conforme indica a Figura 4, os complexos formados, sejam em sua

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forma cis ou trans, apresentam estrutura quadrado-planar. O Cu(II) é um íon d9,

e o diagrama de energia para o desdobramento dos orbitais é representado na

Figura 6:

Figura 6: Digrama de níveis de energia mostrando o desdobramento dos orbitais para

íons d9

Como mostra o diagrama, a distribuição é assimétrica em eg, ocorrendo a

distorção de Jahn-Teller. Para o caso de coordenação com a glicina, um ligante de

campo forte, ocorre a inversão – em termos de energia – entre os orbitais dxy e dz2

e perda dos ligantes axiais, estabilizando o complexo na estrutura quadrado-

planar.

5. CONCLUSÕES

A síntese do Bisglicinatocobre(II) foi realizada com sucesso, com um

rendimento de 79%. Este erro de 21% pode ser esclarecido devido ao tempo

de aquecimento que foi submetido o complexo, a pesagem imprecisa dos

reagentes, ou também a perda de material durante a lavagem por filtração a

vácuo. Nenhuma equipe teve dificuldade para a realização desta prática, que

se baseia em um campo recente do estudo de química: a Química

Bioinorgânica, sendo esta, essencial à vida.

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6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BARUSELLI, M. S. Suplementos e co-produtos na nutrição de gado de

corte. SIMBOI – Simpósio sobre Desafios e Novas Tecnologias na

Bovinocultura de Corte, Brasília, 2005.

BRODY, T. Nutritional Biochermistry. Ed Academic Press, cap 09, p.485-

623, 1994.

CERCHIARO, G. Reatividade e Implicações em Processos Biológicos de

Complexos Imínicos de Cobre(II). 2005. 210 f. Tese – (Doutorado) – Instituto de

Química, Universidade de São Paulo, São Paulo. 2005.

FRANZAN, R. Preparação e Caracterização Físico-Química de

Complexos de Hidrolisados Parciais de Proteína com Minerais. 2006. 100f.

Dissertação – (Mestrado) – Medicamentos e Cosméticos, Faculdade de Ciências

Farmacêuticas de Ribeirão Preto/USP, Ribeirão Preto. 2006.

RAMOS, J. M. T. A.; Estudo espectroscópio vibracional de complexos de

Ni(II) com aminoácidos serina, glicina e ácido guanidoacético. 2006. 167 f.

Dissertação – (Mestrado em Química) – Universidade Federal Fluminense,

Niterói. 2006.

SILVA, A. M. et al. Avaliação da estabilidade de complexos formados

entre o íon cobre (II) e os aminoácidos tirosina e glicina. In: CONGRESSO

BRASILEIRO DE QUÍMICA, 50, 2010, Cuiabá – MT. Anais. Rio de Janeiro:

Associação Brasileira de Química, 2010. Disponível em:

<http://www.abq.org.br/cbq/2010/trabalhos/2/2-443-4723.htm>. Acesso em: 01

Dez. 2013.

SOBRINHO, J. A. Um experimento em Química Bioinorgânica: Síntese

de Compostos de Cobre-Glicina. Universidade Estadual Paulista, Presidente

Prudente. 2011.

XAVIER, F. R. Novos Complexos Binucleares Não-Simétricos de

Ferro(III)Cobalto(II) e de Gálio(III)Cobalto(II) Como Modelos Miméticos Para a

Fosfatases Ácidas Púrpuras Metalo-Substituídas.2006. 158f. Dissertação

(mestrado) – Universidade Federal de Santa Catarina, UFSC, Programa de

Pós-graduação em Química, Florianópolis. 2006.

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ANEXOS

Segue em anexo algumas imagens tiradas durante o experimento.

As imagens estão enumeradas cronologicamente de acordo com o

procedimento experimental.