Determinação da variação de entalpia da interação entre o herbicida glifosato e os íons cobre, cálcio, zinco e alumínio em solução aquosa por titulação calorimétrica. Flávio Adriano Bastos*; José de Alencar Simoni *Universidade Estadual de Campinas, Rua Josué de Castro / Cidade Universitária Bloco A1 (100/110) – CEP: 13.083-970 – Campinas – São Paulo – Brasil. Caixa Postal: 6154 – E-mail: [email protected] Interação entre Glifosato e íons metálicos. PALAVRAS-CHAVE: Microcalorimetria, íons metálicos, termodinâmica, equilíbrio, complexos. ABSTRACT This work shows a study of the interaction between the glyphosate and ions Zn2+, Cu2+, Ca2+ and Al3+, in aqueous solution, at 298.15 K and pH 3.3, by using isothermal calorimetric titration (ITC). The values of the interaction enthalpy (complexation) were, in kJ.mol-1, 0.61; 15.6; 0.31 and -0.24 for ions Zn2+, Cu2+, Ca2+ and Al3+, respectively. So, the stability follows the order Al3+ > Cu2+ > Zn2+ > Ca2+, where only calcium has a lower value of constant. The complexes were discussed in terms of these values determined experimentally and also the values of stability constants between these metals and herbicide found in the literature. The results show that complexation processes are entropically driven, taking in consideration they are so favorable (high values of stability constants), but showing small values of enthalpy, smaller than 1 kJ.mol-1, except for the Cu2+ (15.6 kJ.mol-1), 1 that is so unfavorable in respect to the energy view point. With the information available so far, we can conclude that the complexation of the herbicide glyphosate and the aluminum ion has a stronger interaction between the other cations. The experimental data obtained so far deserve to be subjected to a more elaborate mathematical treatment, for the determination of values of stability constant and entropy change, using the technique of mapping the well, where he looks for the smallest value for the uncertainty quadratic energy values between experimental and calculated. Thus, it is intended to contribute to the study of systems involving some ions of great importance in agriculture and the herbicide that currently occupies a prominent position in the world market. RESUMO O glifosato® (N-fosfonometilglicina), que é um herbicida não seletivo largamente usado nas lavouras dos mais diversos produtos, é hoje o herbicida mais utilizado no mundo e também no Brasil. Devido à presença dos grupos amino, fosfonato e carboxilato, esta molécula forma complexos metálicos muito fortes. Neste trabalho, fez-se um estudo da interação entre o glifosato e os íons metálicos cobre, cálcio, zinco e alumínio, todos em solução aquosa, temperatura de 298.15 K e em pH controlados (~3.30). A técnica utilizada foi a titulação calorimétrica isotérmica (ITC). Os valores de entalpia de formação encontrados foram, em kJ.mol-1: Cu(II) = + 15.65 ± 0.41; Ca = + 0.31 ± 0.01; Zn = + 0.61 ± 0.01 and Al = – 0.24 ± 0.01. Os complexos foram discutidos em termos destes valores determinados experimentalmente e também nos valores das constantes de estabilidade entre os referidos metais e o herbicida encontrados na literatura. Com as informações atuais, 2 pode-se concluir que a complexação entre o herbicida glifosato e o íon Alumínio tem uma interação mais forte que entre os demais cátions. Este argumento virá a se confirmar no momento em que outros parâmetros, anteriormente citados, como variação de entropia e energia livre de Gibbs, além das constantes de complexação, forem determinados. INTRODUÇÃO Nos últimos 30 anos, muitos herbicidas foram desenvolvidos ao redor do planeta, mas nenhum deles se destacou tanto no meio agrícola quanto o glifosato®. Ele foi introduzido no mercado em 1974 e é o componente ativo de muitos agrotóxicos organofosforados (Matos, 2008). Apesar da crescente tendência em se dar preferência aos ditos “produtos orgânicos”, ainda é muito grande o consumo mundial de pesticidas e esse uso se intensificou especialmente a partir de 1997, ano que corresponde à introdução de produtos geneticamente modificados na lavoura resistentes a este herbicida, como o milho, a soja e o algodão (Kolpin et al., 2006). O glifosato (N-(fosfonometil)glicina), é um herbicida sistêmico, não-seletivo, pós-emergente, de fórmula empírica C3H8NO5P, usado tanto em áreas agrícolas quanto não agrícolas. Sua aplicação abrange muitas culturas, como soja, cana-de-açúcar, cítricos, entre outras, e sua formulação e forma de aplicação variam conforme a necessidade. Seu modo de ação consiste na inibição do metabolismo de alguns aminoácidos, em decorrência de sua atuação no sistema enzimático da planta, que o absorve por meio de suas folhas e se espalha por toda sua extensão, levando-a a morte em poucos dias ou semanas (Junior et al., 2002). Por estas razões, é ele hoje o herbicida mais utilizado no 3 mundo, daí a grande importância em se desenvolver estudos mais detalhados dessa substância. Do ponto de vista químico, trata-se de um ácido orgânico fraco, consistindo na junção de uma molécula de glicina com uma fosfonometila: Figura 1: Fórmula estrutural do glifosato A existência dos grupos funcionais amina, ácido carboxílico e fosfonato confere à molécula a capacidade de se coordenar a diferentes íons metálicos, formando complexos fortes (Undabeytia et al., 2002). O conhecimento de parâmetros termodinâmicos como variação de entalpia e constante de equilíbrio, por exemplo, em sistemas químicos é importante em diversas áreas, entre elas, no desenvolvimento de novos processos de análise, no estudo de cinéticas de reação em solução, avaliação de interações entre íons metálicos e ligantes, objetivo central desse trabalho. No caso do glifosato, o interesse é mais do que puramente acadêmico, pois o conhecimento do comportamento deste herbicida no solo e nas plantas requer informações como as que se pretende obter neste estudo. Essas grandezas serão importantes, por exemplo, na avaliação da capacidade de retenção ou lixiviação do herbicida para o lençol freático ou rios e na capacidade de absorção pela planta do herbicida complexado, em relação a ele sozinho. A presença de cátions bivalentes na água, como o zinco, pode resultar na formação de um complexo insolúvel, diminuindo, assim, a eficácia do produto. Além disso, parâmetros como Kθ ou Gθ são 4 expressões diretas e quantitativas da afinidade entre espécies num sistema químico (Abadou & Ladbury, 2005). No caso deste trabalho, estudou-se a energia de formação de complexos entre a molécula de glifosato e os íons zinco, cobre, cálcio e alumínio em solução aquosa, uma vez que esta é a forma em que o herbicida é aplicado nas plantações. A escolha dos íons se deve, em parte, à importância de ambos para plantas e animais. No caso do cobre, por exemplo, apesar de sua presença ser vital para as plantas, seu excesso o torna tóxico às mesmas, como no caso da soja, cuja deficiência causa a necrose de suas folhas e o excesso a clorose das mesmas (Coutinho & Mazo, 2005). Já o alumínio tem como principal característica o fato de estar em grande quantidade em alguns tipos de solo, sendo por isto, de suma importância se conhecer mais sobre o comportamento entre este íon e o herbicida, uma vez a maior ou menor interação é que irá definir o destino de ambos no solo. Sabe-se, por exemplo, que a presença de cátions bivalentes como o zinco e o cálcio, pode resultar na formação de complexos insolúveis com o herbicida que, não sendo absorvidos pela planta, diminuem a eficácia do herbicida (Coutinho & Mazo, 2005). Como conseqüência direta disto, tem-se um aumento na quantidade do herbicida aplicado nas plantações, colaborando com isso, para o consumo exagerado deste produto no ambiente. Um exemplo clássico pode ser encontrado na cidade de Valinhos, interior do estado de São Paulo, onde o uso desse herbicida acontece na cultura da uva e do figo; como se sabe, nessas culturas, o uso desse herbicida vem associado ao uso do íon cobre como fungicida. A técnica principal de investigação nesse trabalho é a calorimetria, uma técnica considerada muito versátil e uma importante fonte de informação termodinâmica. Dentre as técnicas calorimétricas, a titulação isotérmica é a principal delas (Saboury, 5 2003). Ela permite a determinação de parâmetros como entalpia, entropia, energia livre de Gibbs e constante de equilíbrio em um único experimento. Isso se dá através da medida da energia que é liberada ou absorvida em uma reação química, como na interação entre duas moléculas, por exemplo. Num experimento típico, um reagente (titulante) é adicionado a outro (titulado) através de uma única ou de várias injeções, sendo a energia medida como uma mudança na temperatura do meio reacional ou em função da potência necessária para manter constante a sua temperatura. O conhecimento dessa energia, das quantidades adicionadas em cada ponto da titulação, por um tratamento adequado permitem a determinação simultânea de Hθ e Gθ ou Kθ. METODOLOGIA As titulações foram realizadas em um microcalorímetro VP-ITC MicroCal. Todas as soluções foram degaseificadas sob vácuo antes de ser utilizadas. O glifosato (Monsanto) foi duplamente purificado por dissolução em solução aquosa de NaOH (1 mol.dm-3) e posterior recristalização pela adição de HCl. O sólido obtido foi lavado várias vezes com água desionizada, até teste negativo para cloreto com íon Ag+, depois seco a vácuo (133 Pa) à temperatura ambiente por 6 horas, sendo então armazenado em dessecador. As soluções de glifosato, de concentração conhecida (~1 x 10-2 mol.dm-3), foram preparadas logo antes de serem usadas na calorimetria. As soluções de nitrato de cobre, zinco, cálcio e alumínio foram preparadas na concentração de aproximadamente 1 x 10-1 mol.dm-3. Nos experimentos de titulação utilizou-se, na cela calorimétrica, um volume de 1.35 x 10-3 dm3 da solução de glifosato ou de água, na titulação ou diluição das soluções 6 dos íons metálicos, respectivamente. Na diluição do glifosato, adições de 10 x 10-6 dm3 de água desionizada sobre 1.35 x 10-3 dm3 de solução de glifosato na cela calorimétrica foram realizadas. Cada experimento de titulação ou diluição envolve 18 injeções de cerca de 10 x 10-6 dm3. RESULTADOS E DISCUSSÃO O cálculo das entalpias de interação entre metal e herbicida foi realizado graficamente, através da soma algébrica, com o auxílio do software Origin, baseado na equação: ΔH (resultante) = ΔH (Metal-Gli) – [ΔH (Metal-água) + ΔH (Gli-água)]. A Tabela 1 abaixo mostra os valores do calor observado para as 17 injeções consideradas nos cálculos das variações de entalpia de diluição para os metais e para o glifosato: Zinco Cobre Cálcio Alumínio Glifosato - 1.297 - 2.522 - 3.692 - 4.791 - 5.833 - 6.814 - 7.744 - 8.624 - 9.458 - 10.25 - 11.01 - 11.74 - 12.43 - 13.10 - 13.75 - 14.36 - 14.96 - 2.443 - 4.605 - 6.584 - 8.376 - 10.02 - 11.55 - 12.97 - 14.30 - 15.54 - 16.73 - 17.86 - 18.93 - 19.95 - 20.93 - 21.87 - 22.75 - 23.61 - 0.622 - 1.183 - 1.675 - 2.111 - 2.506 - 2.868 - 3.201 - 3.512 - 3.795 - 4.057 - 4.304 - 4.545 - 4.757 - 4.958 - 5.158 - 5.347 - 5.527 + 0.252 + 0.445 + 0.613 + 0.768 + 0.920 + 1.054 + 1.182 + 1.301 + 1.414 + 1.518 + 1.618 + 1.711 + 1.799 + 1.882 + 1.963 + 2.039 + 2.111 + 0.079 + 0.155 + 0.225 + 0.292 + 0.355 + 0.410 + 0.467 + 0.522 + 0.573 + 0.622 + 0.670 + 0.716 + 0.761 + 0.803 + 0.844 + 0.882 + 0.922 Tabela 1: medidas do somatório dos calores de diluição no calorímetro, em mJ. 7 A seguir, têm-se os valores medidos do somatório dos calores observados calorimetricamente, resultante da titulação entre o herbicida glifosato e cada um dos íons metálicos: Glifosato-Zinco Glifosato-Cobre Glifosato-Cálcio Glifosato-Alumínio - 0.441 - 0.924 - 1.428 - 1.907 - 2.375 - 2.821 - 3.244 - 3.647 - 4.033 - 4.399 - 4.753 - 5.093 - 5.419 - 5.732 - 6.026 - 6.305 - 6.582 + 16.23 + 31.68 + 45.49 + 57.69 + 68.44 + 78.06 + 86.66 + 94.45 + 101.5 + 108.0 + 114.0 + 119.6 + 124.8 + 129.6 + 134.2 + 138.4 + 142.4 -0.168 -0.300 -0.408 -0.497 -0.569 -0.626 -0.671 -0.703 -0.724 -0.736 -0.737 -0.732 -0.720 -0.702 -0.676 -0.648 -0.614 + 0.008 + 0.015 + 0.024 + 0.032 + 0.041 + 0.050 + 0.058 + 0.067 + 0.076 + 0.082 + 0.095 + 0.105 + 0.111 + 0.117 + 0.122 + 0.128 + 0.134 Tabela 2: medidas do somatório dos calores observados no calorímetro, em mJ. Desta forma, com os dados mostrados nas Tabelas 1 e 2 acima, fez-se o cálculo algébrico das entalpias de interação resultantes: Glifosato-Zinco Glifosato-Cobre Glifosato-Cálcio Glifosato-Alumínio + 0.778 + 1.443 + 2.039 + 2.593 + 3.103 + 3.583 + 4.032 + 4.455 + 4.853 + 5.229 + 5.585 + 5.928 + 6.255 + 6.569 + 6.878 + 7.177 + 7.458 + 15.89 + 31.08 + 44.65 + 56.63 + 67.17 + 76.59 + 85.01 + 92.63 + 99.54 + 105.9 + 111.7 + 117.2 + 122.2 + 126.9 + 131.4 + 135.5 + 139.4 + 0.375 + 0.728 + 1.042 + 1.323 + 1.582 + 1.832 + 2.063 + 2.287 + 2.499 + 2.699 + 2.898 + 3.098 + 3.276 + 3.452 + 3.638 + 3.816 + 3.991 - 0.322 - 0.586 - 0.815 - 1.027 - 1.234 - 1.415 - 1.592 - 1.757 - 1.911 - 2.058 - 2.192 - 2.322 - 2.448 - 2.569 - 2.684 - 2.793 - 2.900 Tabela 3: Resultados do calor observado resultante (mJ), considerando-se os efeitos de diluição. 8 A partir dos dados das Tabelas 1, 2 e 3, plotou-se um gráfico de somatório da variação de entalpia versus o número de mol de titulante injetado. As Figuras 2, 3, 4 e 5 mostram, respectivamente, estes gráficos para as interações entre o glifosato e os íons zinco, cobre, cálcio e alumínio. Em cada um deles, têm-se as curvas de diluição do metal e do herbicida, além da curva que representa a interação entre ambos e da que representa a variação de entalpia resultante, que é a soma algébrica destas três curvas: Zinco-Glifosato Somatório de Qobs (kJ) 7,5 0,0 Resultante ZnGli ZnH2O GliH2O -7,5 -15,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 n (mol) Figura 2: Cuvas de titulação entre glifosato e zinco Cobre-Glifosato Somatório de Qobs (kJ) 225 150 Resultante CuGli CuH2O GliH2O 75 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 n (mol) Figura 3: Curvas de titulação entre glifosato e cobre 9 Cálcio-Glifosato 5,0 Somatório de Qobs (kJ) 2,5 Resultante CaGli CaH2O GliH2O 0,0 -2,5 -5,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 n (mol) Figura 4: Curvas de titulação entre glifosato e cálcio Alumínio-Glifosato 2,5 Somatório de Qobs (kJ) 0,0 Resultante AlGli AlH2O GliH2O -2,5 -5,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 n (mol) Figura 5: Curvas de titulação entre glifosato e alumínio Os valores referentes às variações de entalpia resultantes, em kJ.mol-1, são apresentados na Tabela 4 abaixo: 10 ΔH (kJ.mol-1) Metal Erro padrão Desvio padrão R2 Zinco + 0.611 0.011 0.050 0.999 Cobre + 15.65 0.413 1.963 0.998 Cálcio + 0.306 0.007 0.031 0.999 Alumínio - 0.240 0.004 0.019 1.000 Tabela 4: Valores de entalpia de interação resultantes, em kJ.mol-1. Como se pode notar, dos quatro íons estudados, apenas a interação do alumínio com o glifosato possui caráter exotérmico, o que, a princípio, demonstra haver uma interação mais forte entre eles do que em relação aos demais cátions. Isso pode ser reforçado pelo maior valor de sua constante de estabilidade de complexo, quando comparado aos outros três metais (Madsen et al., 1978; Rao et al., 1997; Popov et al., 2001; Coutinho & Mazo, 2005; Freuze et al., 2007), que são de 8.4, 11.9, 3.3 e 13.7 para os íons zinco, cobre, cálcio e alumínio, respectivamente. Dos que interagem com o glifosato endotermicamente, o cálcio é aquele que o faz de forma menos intensa, o que pode ser observado tanto pelos valores de suas constantes quanto pela inclinação das curvas de titulação, menor no caso deste cátion. Porém, para que se possam fazer considerações mais consistentes a respeito da medida da afinidade entre metal e herbicida, ainda se faz necessária a determinação de parâmetros como entropia e energia livre de Gibbs, objetos de futuros estudos neste trabalho. CONCLUSÕES Até o momento, pode-se concluir que a complexação entre o herbicida Glifosato e o íon alumínio tem uma interação mais forte que entre os demais cátions. Este argumento virá a se confirmar no momento em que outros parâmetros, anteriormente 11 citados, como variação de entropia e energia livre de Gibbs, além das constantes de complexação, forem determinados. É provável que haja equilíbrios múltiplos envolvidos para os sistemas citados e os próximos passos deste trabalho consistem em se determinar as condições ideais que permitam, através unicamente das titulações calorimétricas, proceder-se a determinação simultânea de valores de variação de entalpia e constantes de complexação, e consequentemente, calcular-se os valores de variação de entropia e energia livre de Gibbs. Pretende-se, para tanto, submeter-se os dados experimentais a um tratamento matemático interativo, utilizando-se a técnica de mapeamento de poço, onde se procura o menor valor para a incerteza quadrática entre valores de energia experimentais e calculados. Com isso, espera-se dar uma contribuição no estudo de sistemas envolvendo alguns íons de grande importância na agricultura e o herbicida que, atualmente, ocupa uma posição de destaque no mercado mundial. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1- Abadou A & Ladbury JE. 2007. 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Dissertação de mestrado de Química da Universidade Estadual de Campinas. Campinas: 83 p; 7- Popov K, Ronkkomak H & Lajunen LHJ. 2001. Critical evaluation of stability constants of phosphonic acids. Pure and Applied Chemistry. 73: 1641-1677; 8- Rao GM, Pangunoori R & Ram K. 1997. Complex Equilibrium Studies on Aminomethylenephoshonic-N-carboxylic Acids with some Bivalent Metal Ions. Journal of Indian Chemical Society, 74: 94-96; 9- Saboury AA. 2003. Application of a new method for data analysis of isothermal titration calorimetry in the interaction between human serum and albumin and Ni2+. Journal of Chemical Thermodinamics, 35: 1975-1981; 10- Salim NN & Feig AL. 2009. Isothermal titration calorimetry of RNA. Methods, 47: 198-205; 11- Undabeytia T, Morillo E & Maqueda C. 2002. FTIR Study o Glyphosate-Copper Complexes. Journal of Agricultural and Food Chemistry,50: 1918-1921; 12- Volpe PLO. 1978. 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