tese
A cafeína vista sob nova abordagem: degradação do contaminante emergente e precursor de moléculas de interesse via reação de N-desmetilação
Caffeine seen under a new approach: degradation of the emerging contaminant and precursor of molecules of interest via N-demethylation reaction
Registro en:
ALMEIDA, F. V. M. de. A cafeína vista sob nova abordagem: degradação do contaminante emergente e precursor de moléculas de interesse via reação de N-desmetilação. 2021. 209 p. Tese (Doutorado em Agroquímica) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2021.
Autor
Almeida, Flávio Vieira Martins de
Institución
Resumen
Methylxanthines are alkaloids derived from the secondary metabolism of plants, represented
by caffeine, theobromine and theophylline, whose biosynthesis depends on the plant species,
thus caffeine is preferably formed in coffee, and theobromine in cocoa. They are purine
derivatives with fused pyrimidine and imidazole rings whose structural difference is due to the
absence of a methyl group at different positions. Caffeine is the chemical substance with
psychoactive activity most consumed by the population, being incorporated in industrialized
products such as stimulant drinks, dietary supplements and medicines. In the human body, it is
metabolized generating dimethylxanthines: paraxanthine, theobromine and theophylline. Due
to its high consumption and stability, caffeine has been found in wastewater and considered an
emerging micropollutant. Thus, conditions were studied to promote the degradation of caffeine
in an aqueous solution simulated by contamination, applying the Fenton, Fenton-type and
ascorbic acid conditions, which allowed evaluating the influence of Fenton H2O2/Fe2+ reagents,
in addition to pH and catalysts (Fe3+, iron oxides/hydroxides). The application of catalytic
reactions aimed at converting caffeine into dimethylxanthines was also investigated. The work
comprised the reactional monitoring with evaluation of caffeine transformation products,
monitored by HPLC. In addition, the application of analytical techniques paper
chromatography, UV-Vis and FTIR to detect caffeine in samples was evaluated, obtaining
better results with FTIR associated with the deconvolution technique or principal component
analysis, which made the semiquantification of caffeine possible, even in the presence of
theobromine. At the same time, an analytical method suitable for reaction monitoring aimed at
quantifying caffeine and its transformation products was sought. The HPLC method, consisting
of a mixture of water and acetonitrile (9:1) as mobile phase, flow 1.0 mL.min-1, C18 column
150 x 4.6 mm and 5μm particle size, detection at 272 nm using DAD, run time of 14 minutes,
allowed the verification of 10 transformation products, with the identification of theobromine
(3,7-dimethylxanthine) and the inference of other products such as paraxanthine, theophylline
and uric acid derivatives. A fraction of the sample was also evaluated by mass spectrometry
showing ion m/z 181, compatible with dimethylxanthines. The mechanisms of the Ndemethylation
and C-hydroxylation reactions were proposed, with a molar ratio caffeine/HO˙
of 1:2, via hydroxyl radicals, or caffeine/H2O2 1:1, mediated by H2O2. The observation of the
N-demethylation reaction in the formation of dimethylxanthines is interesting, since caffeine is
an important precursor of new molecules. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Programa de Doutorado-sanduíche no Exterior (PDSE) As metilxantinas são alcalóides derivados do metabolismo secundário das plantas,
representados por cafeína, teobromina e teofilina, cuja biosíntese depende da espécie da planta,
assim a cafeína é formada preferencialmente no café, e a teobromina no cacau. São derivados
da purina, com anéis pirimidínico e imidazólico fundidos cuja diferença estrutural é decorrente
da ausência de um grupo metila em diferentes posições. A cafeína é a substância química com
atividade psicoativa mais consumida pela população, sendo incorporada em produtos
industrializados como bebidas estimulantes, suplementos dietéticos e medicamentos. No
organismo humano, é metabolizada gerando as dimetilxantinas: paraxantina, teobromina e
teofilina. Devido ao seu grande consumo e estabilidade, a cafeína tem sido encontrada em águas
residuais e considerada um micropoluente emergente. Dessa forma, foram estudadas condições
para promover a degradação da cafeína em solução aquosa simulada de contaminação,
aplicando-se as condições Fenton, tipo-Fenton e com ácido ascórbico que permitiram avaliar a
influência dos reagentes Fenton H2O2/Fe2+, além do pH e catalisadores (Fe3+, óxidos/hidróxidos
de ferro). Também foi investigada a aplicação das reações catalíticas visando a conversão da
cafeína nas dimetilxantinas. O trabalho compreendeu o monitoramento reacional com avaliação
dos produtos de transformação da cafeína, monitorados por HPLC. Além disso, avaliou-se a
aplicação das técnicas analíticas cromatografia em papel, UV-Vis e FTIR para detecção de
cafeína em amostras, obtendo melhores resultados com FTIR associada a técnica de
deconvolução ou análise de componentes principais, que tornou possível a semiquantificação
de cafeína mesmo em presença de teobromina. Paralelamente, buscou-se um método analítico
adequado ao monitoramento reacional visando a quantificação da cafeína e de seus produtos de
transformação. O método de HPLC, constituído por mistura de água e acetonitrila (9:1) como
fase móvel, fluxo de 1,0 mL.min-1, coluna C18 150 x 4,6 mm e 5μm de tamanho de partícula,
detecção em 272 nm com uso de DAD, tempo de corrida de 14 minutos, possibilitou a
verificação de 10 produtos de transformação, com a identificação da teobromina (3,7-
dimetilxantina) e a inferência de outros produtos como paraxantina, teofilina e derivados do
ácido úrico. Também foi avaliada uma fração da amostra por espectrometria de massas
apresentando íon m/z 181, compatível com as dimetilxantinas. Os mecanismos das reações de
N-desmetilação e C-hidroxilação foram propostos, com razão molar cafeína/ HO˙ de 1:2, via
radicais hidroxila, ou cafeína/ H2O2 1:1, mediada por H2O2. A constatação da reação de Ndesmetilação
da formação das dimetilxantinas é interessante, uma vez que a cafeína se
configura como um importante precursor de novas moléculas.