Desenvolvimento de processos catalíticos oxidativos em química de fluxo contínuo para degradação de fármacos

Abstract

Face ao aumento do consumo de antibióticos tanto na medicina humana como veterinária, têm-se observado a presença de quantidades significativas destes fármacos em ambientes aquáticos. Como consequência desta persistência no ambiente, têm surgido bactérias resistentes aos antibióticos, pelo que o desenvolvimento de métodos aplicados à degradação de antibióticos presentes em águas residuais torna-se um tópico de enorme importância no combate à resistência antimicrobiana. A utilização de metaloporfirinas aplicadas à degradação oxidativa de antibióticos tem demostrado resultados promissores na resolução deste problema. No entanto, a implementação destes sistemas em batch torna-se impraticável numa situação de mundo real. Como resposta a esta limitação, o uso de processos em fluxo contínuo aliado à utilização de metaloporfirinas como catalisadores na degradação oxidativa de antibióticos na presença de H2O2, apresenta elevado potencial no que diz respeito à transposição de uma escala laboratorial para aplicação no tratamento de águas residuais hospitalares. No Capítulo 1 são abordados dados e factos relevantes associados ao consumo de antibióticos e aparecimento de bactérias resistentes no mundo e em particular, em Portugal. Seguidamente, é apresentado uma revisão crítica da literatura focada na utilização de metaloporfirinas aplicadas à degradação oxidativa de antibióticos. Discute-se, também, a utilização de fluxo contínuo como uma aproximação mais adequada ao mundo real no tratamento de águas residuais, por exemplo, hospitalares. No Capítulo 2 descreve-se a síntese de uma porfirina meso-tetrasubstituída com grupos volumosos 2,6-diclorofenilo, através de duas vias sintéticas para a obtenção dos catalisadores para aplicação na degradação de antibióticos. Inicialmente, procedeu-se à síntese de uma metaloporfirina solúvel em água, através da clorossulfonação da respetiva porfirina, seguida de uma reação de hidrólise e consequente complexação de forma a obter uma metaloporfirina passível de ser aplicada em reações de oxidação homogéneas, em meio aquoso. Para a obtenção do catalisador heterogéneo, realizou-se de igual modo a clorossulfonação da mesma porfirina halogenada de partida, seguida de uma reação nucleofílica com sílica funcionalizada com grupos 3-aminopropilo utilizada como suporte inorgânico. Através de análise termogravimétrica obteve-se uma quantidade de 3,4x10-5 mol de parte orgânica imobilizada por g de material sólido. Tendo em conta que a parte ativa do catalisador se centra no metal de manganês, o material foi avaliado por ICP-OES tendo revelado um valor de Mn (III) de 1,7% (m/m), traduzindo-se numa quantidade de metaloporfirina de 3,1x10-5 mol por g de material.No Capítulo 3 são referidos os aspetos que motivaram a escolha do trimetoprim como antibiótico alvo a aplicar no sistema desenvolvido. Também é efetuada a avaliação catalítica das metaloporfirinas sintetizadas no capítulo anterior quando aplicadas na reação de degradação oxidativa do trimetoprim em meios homogéneo e heterogéneo, tanto em batch como em fluxo contínuo. Em condições batch obteve-se percentagens de degradação de 94% e 97% em 150 minutos, na presença de catalisador homogéneo e heterogéneo, respetivamente. Em relação às reações realizadas em fluxo contínuo em meio homogéneo, observa-se uma dependência da degradação face à percentagem de H2O2 utilizada, sendo que, utilizando H2O2 3% e razões volumétricas de TMP/H2O2 mais elevadas, obteve-se taxas de degradação mais elevadas. Outro fator importante que apresenta ligação direta com a degradação obtida é o tempo de residência, sendo que com o aumento do tempo de residência de 8,6 minutos para 45,5 minutos, obteve-se 40% e 87% de degradação, respetivamente. No caso das reações realizadas em fluxo contínuo em meio heterogéneo, obteve-se 97% de degradação de trimetoprim em apenas 10 minutos. Adicionalmente, com o objetivo da transposição deste sistema para o tratamento de águas residuais, procedeu-se também à avaliação do sistema de degradação do trimetoprim em modo contínuo durante 8 horas. Através da análise de amostras de 1 em 1 hora, a percentagem de degradação manteve-se sempre acima de 87% o que evidencia a eficiência e estabilidade do catalisador ao longo do tempo de trabalho. No Capítulo 4 estão presentes as principais conclusões dos resultados obtidos e apresentados nesta dissertação. No Capítulo 5 encontram-se descritos todos os procedimentos experimentais, técnicas e instrumentação, bem como a caracterização dos compostos sintetizados.

Given the increase of antibiotics consumption both in human and veterinary medicine, the presence of significant amounts of these drugs in aquatic environments has been observed. Because of their environment persistence, antibiotics resistant bacteria have emerged. For this reason, the development of methods applied to the degradation of antibiotics in wastewater became a topic of huge importance in the fight against antimicrobial resistance. The use of metalloporphyrins applied to the oxidative degradation of antibiotics has shown promising results in solving this problem. However, the implementation of these methods in batch systems becomes impractical in a real-world situation. To overcome, the use of continuous flow processes combined with the application of metalloporphyrins as catalysts, in the oxidative degradation of antibiotics in the presence of non-pollutant oxidant H2O2 shows great potential regarding the transposition from a laboratory scale for application in the treatment of hospital wastewater.In Chapter 1, relevant data and facts associated with the consumption of antibiotics and the emergence of resistant bacteria in the world and particularly in Portugal are presented. Then, a critical review of the literature focused on the use of metalloporphyrins applied to the oxidative degradation of antibiotics is also given. The use of continuous flow is further discussed as a more suitable approach to the real-world situation in the treatment of wastewater, such as hospitals’ wastewater.In Chapter 2 aiming to obtain catalysts for application in the degradation of antibiotics, the synthesis of a meso-tetrasubstituted porphyrin bearing 2,6-dichlorophenyl bulky groups using two synthetic routes is described. At first, a water-soluble metalloporphyrin was synthesized through the chlorosulfonation of the corresponding porphyrin, followed by a hydrolysis reaction and subsequent metalation with manganese(III), to obtain a metalloporphyrin that can be applied in homogeneous oxidation reactions in an aqueous medium. To obtain the heterogeneous catalyst, chlorosulfonation of the same initial halogenated porphyrin was carried out in the same way, followed by a nucleophilic reaction with 3-aminopropyl functionalized silica gel, which was used as inorganic support. By thermogravimetric analysis, an amount of 3.4x10-5 mol of immobilized organic part per g of solid material was determined. Considering that the manganese metal is the active part of the catalyst, the material was analysed by ICP-OES and revealed a Mn(III) value of 1.7% (w/w), which translates into an amount of 3.1x10-5 mol of metalloporphyrin per g of material.In Chapter 3, the aspects that motivated the choice of trimethoprim as the target antibiotic to be applied in the developed system are disclosed. Then, the catalytic evaluation of the catalysts synthesized in the previous chapter in the oxidative degradation reaction of trimethoprim in homogeneous and heterogeneous media, both in batch and in continuous flow is carried out. Under batch conditions, 94% and 97% degradation were obtained after 150 minutes in the presence of homogeneous and heterogeneous catalyst, respectively. Regarding the reactions carried out in continuous flow in a homogeneous medium, a direct influence of the H2O2 percentage used was observed in the degradation of the antibiotic. Using 3% H2O2 and higher volumetric TMP/H2O2 ratios resulted in higher degradation rates. Another important factor is the direct relation between the degradation and residence time. With the increase of the residence time from 8.6 minutes to 45.5 minutes, 40% and 87% of degradation were obtained, respectively. For reactions carried out in continuous flow in a heterogeneous medium, 97% of trimethoprim degradation was obtained in just 10 minutes. Additionally, with the objective of transposing this system to the treatment of wastewater, the evaluation of the degradation system of trimethoprim was also carried out in continuous mode for 8 hours. Through the analysis of samples every 1 hour, the degradation was always above 87%, which demonstrates the efficiency and stability of the catalyst for the working time used. Chapter 4 presents the main conclusions regarding the results obtained and presented in this dissertation.In Chapter 5 all experimental procedures, techniques, instrumentation, as well as the characterization of the synthesized compound are described.