Síntese de acetato de geranila e acetato de nerila via catálise heterogênea com resina de troca iônica e caracterização dos ésteres para potenciais aplicações como aditivos antimicrobianos

Abstract

Aditivos antimicrobianos são empregados em diversas aplicações industriais, dentre elas na produção de alimentos, embalagens, cosméticos, perfumaria, produtos de higiene, fármacos, nutrição animal e produtos dedicados à saúde. Alguns produtos de origem natural, principalmente derivados de óleos essenciais, apresentam ação antimicrobiana frente a diversos micro-organismos e têm sido aplicados com esta função. O acetato de geranila e o acetato de nerila são ésteres derivados do geraniol e do nerol, e são encontrados em óleos essenciais de diversas plantas, porém em quantidades relativamente baixas, o que inviabiliza a sua extração e torna necessário a sua produção por meio de reações de esterificação. Nas reações de esterificação para a síntese desses compostos catalisadores homogêneos ácidos têm sido empregados, porém estes apresentam diversas desvantagens, dentre elas a dificuldade de separação e à agressão aos equipamentos e ao meio ambiente. Além disso, enzimas têm sido utilizadas como catalisadores heterogêneos, porém estas apresentam sensibilidade elevada às condições operacionais e maior dificuldade para o controle reacional. Neste contexto, o objetivo desta tese foi sintetizar os acetatos de geranila e nerila a partir da esterificação direta entre geraniol e nerol com anidrido acético, via catálise heterogênea, utilizando a resina de troca iônica Lewatit® GF 101 como catalisador, bem como, avaliar os ésteres obtidos quanto à atividade antimicrobiana e à toxicidade oral com vistas em aplicações futuras como aditivos antimicrobianos. Os resultados mostraram que é possível realizar a síntese dos ésteres com elevadas eficiências de conversão e seletividade, com condição experimental ótima de temperatura de 40 °C, teor de catalisador de 7% e razão molar de 1:4 (álcool:anidrido acético). A conversão completa do geraniol foi alcançada aos 70 minutos de reação com 95,94% de seletividade para o acetato de geranila, enquanto a conversão completa do nerol foi alcançada em 40 minutos com 82,34% de seletividade para o acetato de nerila. A taxa de reação foi controlada apenas pelo decaimento do álcool. O valor obtido para a constante cinética da reação principal, encontrada por um modelo pseudo-homogêneo, foi 31 vezes maior que o da reação paralela para a síntese do acetato de geranila e 6 vezes maior para a síntese do acetato de nerila. A resina demonstrou baixa perda da atividade catalítica por 3 ciclos de reutilização. Os compostos demonstraram ação antimicrobiana para bactérias Gram-positivas (Staphylococcus aureus e Bacillus cereus) e Gram-negativas (Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Proteus mirabilis e Pseudomonas aeruginosa) com concentração inibitória mínima entre 3 mg/mL e 85 mg/mL e para fungos (Aspergillus niger, Aspergillus flavus e Candida albicans) com concentrações entre 75 ug/mL e 400 ug/mL. A avaliação da toxicidade oral dos compostos demonstrou que a dose letal está entre 2000 mg/kg e 5000 mg/kg, sendo que quando ingeridos em doses repetidas de até 1 mg/kg os compostos não apresentaram toxicidade. A combinação dos resultados obtidos permite concluir que a síntese de acetato de geranila e nerila pela rota proposta é viável e que os mesmos possuem potencial para serem utilizados como aditivos antimicrobianos atóxicos para diversas aplicações na indústria.

Abstract: Antimicrobial additives are used in several industrial applications, as in the production of food, packaging, cosmetics, perfumery, hygiene products, pharmaceuticals, animal nutrition and products dedicated to health. Some products of natural origin, mainly derived from essential oils, present an antimicrobial action against several microorganisms and have been applied with this function. Geranyl acetate and neryl acetate are esters derived from geraniol and nerol, are found in essential oils of several plants, but in relatively low amounts, which makes their extraction unfeasible and makes its production through esterification reactions necessary. In the esterification reactions for the synthesis of these compounds, acidic homogeneous catalysts have been used, which have several disadvantages, including the difficulty of separation, aggression to equipment and the environment. Furthermore, enzymes have been used as heterogeneous catalyst, but they have high sensitivity to operating conditions and greater difficulty for the reaction control. In this context, the objective of this thesis was to synthesize geranyl and neryl acetates from direct esterification between geraniol and nerol with acetic anhydride by heterogeneous catalysis using the Lewatit® GF 101 ion exchange resin as catalyst, as well as, evaluate the esters obtained for antimicrobial activity and oral toxicity with a view to future applications as antimicrobial additives. The results showed that it is possible to carry out ester synthesis with high conversion efficiencies and selectivity, with optimal experimental condition at temperature of 40 °C, catalyst content of 7% and molar ratio of 1:4 (alcohol:acetic anhydride). Complete conversion of geraniol was achieved in 70 minutes of reaction with 95.94% selectivity for geranyl acetate, while complete conversion of nerol was achieved in 40 minutes with 82.34% selectivity for neryl acetate. The reaction rate was controlled only by the alcohol decay. The value obtained for the main reaction kinetic constant found by a pseudo-homogeneous model was 31 times greater than that of the parallel reaction for the geranyl acetate synthesis and 6 times greater for the neryl acetate synthesis. The resin demonstrated low loss of catalytic activity for 3 reuse cycles. The compounds showed antimicrobial action for Gram-positive (Staphylococcus aureus e Bacillus cereus) and Gram-negative bacteria (Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Proteus mirabilis e Pseudomonas aeruginosa) with a minimum inhibitory concentration between 3 mg/mL ? 85 mg/mL and for fungi (Aspergillus niger, Aspergillus flavus e Candida albicans) with concentrations between 75 ug/mL ? 400 ug/mL. The evaluation of the compounds' oral toxicity showed that the lethal dose is between 2000 mg/kg and 5000 mg/kg and when ingested in repeated doses of up to 1 mg/kg the compounds do not showed toxicity. The combination of the obtained results allows concluding the synthesis of geranyl and neryl acetate by the proposed route is viable and that they have potential to be used as non-toxic antimicrobial additives for several applications in the industry.