Preparación de compuestos de inclusión de β-ciclodextrina con nanoparticulas magnéticas para la remoción de pesticidas

Abstract

Los pesticidas se han convertido en una herramienta fundamental en el mundo agrícola debido a los beneficios que conlleva su uso, como el aumento en la producción y la disminución de pérdidas de hortalizas. Sin embargo, el uso sin un control adecuado puede resultar perjudicial para la vida y el medio ambiente, ya que debido a sus características fisicoquímicas puede llegar a contaminar diferentes niveles del ecosistema, lo que provoca que sea un problema latente de la actualidad. Al respecto, el uso de macromoléculas en la entrega controlada o remoción de pesticidas ha recibido un gran interés por las ventajas que estas moléculas ofrecen. Las ciclodextrinas son oligosacáridos cíclicos que poseen una estructura química que hace posible la encapsulación de moléculas con carácter hidrofóbico en su interior, como por ejemplo pesticidas, para formar un sistema matriz-huésped. En esta tesis se realizó la síntesis de complejos de inclusión de β-ciclodextrina (β-CD) como un primer paso para la remediación del medio ambiente utilizando ciclodextrinas en suelos y aguas contaminados con pesticidas. Por otro lado, el creciente interés en nuevas tecnologías ha conducido al uso de nanomateriales, en diversos campos de investigación como lo son las nanopartículas magnéticas (MNPs). Estas partículas poseen propiedades destacables como lo es el superparamagnetismo (SPM), característica que permite que funcionen como adsorbentes y extractores, mediante la utilización de un campo magnético externo. Los complejos de inclusión preparados contienen los pesticidas asulam (AS) y hidrazida maleica (HM), como moléculas huéspedes, los cuales están aprobados para su uso en Chile por el Servicio Agrícola Ganadero (SAG). La formación del complejo de inclusión de β-CD con AS se obtuvo en solución por lo que su formación se estudió a través de a través de Resonancia Magnética Nuclear de protones (1H-RMN), ROESY y el método de variación continua, mientras que el complejo de β-CD con HM, se obtuvo en estado sólido, con formación de microcristales, lo que permitió realizar su estudio a través de técnicas como 1H-RMN, Difracción de rayos-X de polvo cristalino (DRXP), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos X (XPS). Adicionalmente se calcularon las constantes de asociación de ambos complejos, mediante el método de solubilidad de fase. Posteriormente, se preparó un sistema ternario de ciclodextrina, pesticida y nanopartículas magnéticas de magnetita. Esta última fue sintetizada a través del método de co-precipitación, y fue caracterizada a través de Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) y Difracción de electrones de selección de área (SAED), SEM, Magnetometría de Muestra Vibrante (VSM), DRXP, Dispersión de luz dinámica (DLS) y Potencial Z. Los sistemas ternarios fueron caracterizados mediante TEM, SEM, VSM, DLS y Potencial Z. El sistema conformado por HM fue estudiado utilizando análisis XPS. Los análisis realizados permitieron confirmar la formación de los sistemas ternarios, su morfología y corroborar la conservación de las propiedades superparamagnéticas, que poseen las MNPs originales. Los resultados obtenidos permiten predecir potenciales aplicaciones de los sistemas ternarios obtenidos, como materiales adsorbentes y su utilización mediante su remoción a través de un campo magnético externo. Estos resultados nos permiten concluir que esta clase de sistemas podrían ser empleados con una gran variedad de pesticidas abriendo las puertas para su uso en remediación del medio ambiente.

Pesticides have become a fundamental tool in the agricultural world due to the benefits that their use entails, such as increased production and reduced losses of vegetables. However, its use without adequate control can be harmful to life and the environment, since due to its physicochemical characteristics it can contaminate different levels of the ecosystem, which makes it a latent problem today. In this regard, cyclodextrins are cyclic oligosaccharides that have a chemical structure that makes it possible to encapsulate molecules inside them, such as pesticides, to form a matrix-guest system. In this thesis, the synthesis of β-cyclodextrin (β-CD) inclusion complexes was performed as a first step for environmental remediation using cyclodextrins in pesticide-contaminated soils and water. On the other hand, the growing interest in new technologies has led to the use of nanomaterials in various fields of research, such as magnetic nanoparticles (MNPs). These particles have remarkable properties such as superparamagnetism (SPM), a characteristic that allows them to function as adsorbents and extractors, through the use of an external magnetic field. The prepared inclusion complexes contain the pesticides asulam (AS) and maleic hydrazide (HM) as host molecules, which are approved for use in Chile by the Servicio Agrícola Ganadero de Chile (SAG). The formation of the inclusion complex of β-CD with AS was obtained in solution, so its formation was studied through proton Nuclear Magnetic Resonance (1H-NMR), ROESY and the method of continuous variation, while the complex of β-CD with HD, was obtained in a solid state, with the formation of microcrystals, which allowed its study through 1H-NMR, X-ray powder diffraction (XRPD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Spectroscopy X-Ray Photoelectronics (XPS). Additionally, the association constants of both complexes were calculated using the phase solubility method. Subsequently, a ternary system of cyclodextrin, pesticide and magnetic magnetite nanoparticles was prepared. The latter was synthesized through the co-precipitation method and was characterized through Transmission Electron Microscopy (TEM) and Area Selection Electron Diffraction (SAED), SEM, Vibrant Sample Magnetometry (VSM), XRD, Dynamic Light Scattering (DLS) and Z Potential. Ternary systems were characterized by TEM, SEM, VSM, DLS and Z Potential. The system formed by HM was studied using XPS analysis. The analyzes carried out allowed to confirm the formation of the ternary systems, their morphology and corroborate the conservation of the superparamagnetic properties, that the original MNPs possess. The results obtained allow predicting potential applications of the ternary systems obtained, as adsorbent materials and their use by removing them through an external magnetic field. These results allow predicting its use with a variety of pesticides, opening the doors for its use in environmental remediation.