Depósito de derivados de furfural
modificados en geles de pectina y la
obtención de biopolímeros plásticos
Deposit of modified furfural derivatives in pectin gels and obtaining
plastic biopolymers
Recibido: junio 18 de 2018 |
Revisado: julio 28 de 2018 | Aceptado: agosto 15 de 2018
Nelson Villacrés1
Nora Herrera1
Wilfredo Hernández2
Ab s t r act
Plastic biopolymers are a replacement alternative to
conventional plastics, due to their biodegradability and less
impact on the environment. Plastic biopolymers were
synthesized using SIGMA-ALDRICH® commercial pectin,
5-nitro-2-furaldehyde modifying it with ammonium
hydroxide, 5hydroxymethyl-2-furaldehyde and glycerol as a
plasticizer. 5 plastic biopolymers were obtained and were
characterized by FTIR and UV-Vis spectroscopy techniques,
to analyze the structure of plastic biopolymers. The products
are flexible and soluble in aqueous medium.
Key words: bioplastics, pectin
Re su m e n
Los biopolímeros plásticos son una alternativa de reemplazo a
los plásticos convencionales, debido a su biodegradabilidad y
menor impacto al medio ambiente. Se sintetizó biopolímeros
plásticos usando pectina comercial SIGMA-ALDRICH®, 5-
nitro-2furaldehído modificándolo con hidróxido de amonio, 5-
hidroximetil-2-furaldehído y glicerol como plastificante. Se
obtuvieron cinco biopolímeros plásticos los cuales fueron
caracterizados mediante las técnicas de espectroscopía FTIR y
UV-Vis, para analizar la estructura de los biopolímeros
plásticos. Los productos obtenidos son flexibles y solubles en
medio acuoso.
Palabras clave: bioplásticos, pectina
1 Facultad de Ciencias Naturales y Matemática
- Escuela Profesional de Química.
Universidad Nacional Federico Villarreal,
Lima, Perú nelsonvillacresm@gmail.com
DOI: http://dx.doi.org/10.24039/cv201862279
| Cátedra Villarreal | Lima, perú | V. 6 | N. 2 | 211- 217 | julio - diciembre | 2018 | issn 2310-4767 211
Nelson Villacrés - Nora Herrera - Wilfreso Hernández
Introducción
Dentro del universo de los compuestos
químicos existe una familia que es fundamen-
tal en los procesos naturales y sintéticos: los
polímeros (Baeza, 2012). Un polímero es un
compuesto químico natural o sintético, for-
mado por polimerización de unidades estruc-
turales repetidas (Arias, 2007).
Los plásticos de origen petroquímicos
son muy demandados por las empresas y
los con-sumidores finales (Meneses et al.,
2007). La generación de desechos
constituye un pro-blema medioambiental
que se agrava cada vez más (Elgegren et al.,
2012). La cifra global de residuos plásticos
aumenta año tras años, debido a su
consumo que alcanza un millón de bolsas
plásticas por minuto (Valero et al., 2013).
El aumento y la conciencia ambiental
gene-ralizada, así como los esfuerzos para
reducir el flujo de volumen de residuos
plásticos (Endres y Siebert, 2012), pone en
énfasis el desarrollo de nuevos materiales que
generen menor im-pacto al medio ambiente y
que posean las mis-mas propiedades.
El uso de los polímeros naturales como
matrices poliméricas y el proceso en la obten-
ción de un plástico, fueron las bases del desa-
rrollo de los biopolímeros plásticos (Arévalo,
1996), los cuales se introdujeron por primera
vez en 1980 (Vroman y Tighzert, 2009) y se
han convertido en una gran alternativa como
sustituto de los polímeros sintéticos (Mendo-
za y Velilla, 2010).
Dentro de la variedad de polímeros natu-
rales que se utilizan se mencionan: proteínas
(colágeno, queratina, gelatina, proteínas de
leche, proteínas de soya, entre otras) (Rubio y
Guerrero, 2012), lípidos (Pérez et al., 2013) y
polisacáridos (almidón (Caicedo et al., 2010),
celulosa (Martínez y Vásquez, 2009) y
pectina (Aldana et al., 2011), entre otros).
Al usar polisacáridos y proteínas (Quin-
tero et al., 2010), en la formulación de plás-
ticos, se obtienen películas transparentes que
presentan propiedades mecánicas modera-das.
Sin embargo, estas películas son solubles y
permeables al vapor de agua. Para mejorar
dichas condiciones se adicionan compuestos
hidrofóbicos tales como ceras o aceites, y se
realizan tratamientos de entrecruzamientos de
moléculas (Domínguez y Jiménez, 2012) aña-
diendo finalmente un plastificante (Abdorreza
et al., 2011).
El uso de plastificante para elaboración
de plásticos se remonta a 1865 cuando se
adicio-naba en exceso, aceite de semilla de
algodón y ricino para el nitrato de celulosa.
En 1930, sur-gió el DOP (di-octil-ftalato),
uno de los plas-tificantes de mayor uso en la
actualidad, utili-zado en la plastificación del
PVC (poli-cloruro de vinilo).
En 1934 existían 56 plastificantes, en
1943 eran 150. En la década de los 60 ya
eran 300 y al final de los años 70 existían
más de 600 variedades de plastificantes
(Ramos De An-drade, 2010).
Los plastificantes son solventes inertes de baja
volatilidad. Estas sustancias aumentan la
flexibilidad en la cadena del polímero, la resis-
tencia a la fractura, la constante dieléctrica y al
mismo tiempo reducen la tensión de deforma-ción,
la dureza, la densidad, la viscosidad, la car-ga
electrostática de un polímero (Adeodato et al.,
2011), la temperatura de fusión y la tempera-tura
de transición vítrea (Enríquez et al., 2012).
El objetivo principal de esta investigación
fue la obtención de biopolímeros plásticos, a
partir de un polisacárido (pectina comercial
SIGMA-ALDRICH®), dos derivados de fur-
fural (5-nitro-2-furadehído, 5-hidroxime-til-
2furaldehído) y glicerol; las técnicas espec-
troscópicas que se utilizaron FTIR, y UVvis;
las cuales permitieron estudiar las reacciones
que ocurren en la síntesis de los biopolímeros
plásticos obtenidos.
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Depósito de derivados de furfural modificados en geles de pectina y la obtención de
biopolímeros plásticos
Método
Materiales:
Los materiales utilizados en la síntesis
de los biopolímeros plásticos fueron los
siguien-tes:
5-hidroximetil-2-furaldehído marca
SIG-MA-ALDRICH®. ▪ 5-nitro-2-
furaldehído marca SIGMAALDRICH®.
Ácido sulfúrico concentrado (H2SO4).
Agua destilada (2 μS/cm).
Etanol destilado grado 95.
Glicerol marca SIGMA-ALDRICH®.
Hidróxido de amonio concentrado. ▪ Pecti-
na comercial marca SIGMAALDRICH®.
Equipos:
Las técnicas espectroscópicas utilizadas
en la caracterización de los biopolímeros
plásti-cos fueron las siguientes:
◊Espectroscopia por absorción molecular
ultravioleta y visible (UVVis) usando un
espectrofotómetro Evolution 201 marca
Thermo Scientific.
◊Espectroscopia en la región de infrarrojo
por la transformada de Fourier (FT-IR)
en estado sólido usando la técnica de
reflec-tancia atenuada total (ATR) en el
rango de 4000 – 400 cm-1 usando un
espectrofo-tómetro Nicolet iS10 marca
Thermo Scien-tific
Procedimiento
La síntesis de los biopolímeros plásticos
comprende tres pasos: obtención de geles de
pectina, adición de los derivados de furfural
con y sin modificación y plastificación.
Paso 1
Elaboración de geles de pectina
Los geles de pectina se prepararon
mez-clando 0.4 g de pectina comercial
SIGMA-AL-DRICH® con 30 mL de agua
destilada (2 μS/ cm), a 60 °C bajo
agitación magnética, por 40 minutos.
Paso 2.1
Adición del 5-hidroximetil-
2furaldehído en los geles de pectina
El 5-hidroximetil-2-furaldehído se preparó
disolviendo 0.1 g del reactivo en 20 mL de
una solución hidro-alcohólica (1:4
etanol:agua), bajo agitación constante por 30
minutos a -3 °C, la solución se depositó sobre
los geles de pectina previamente tratados con
H2SO4cc y llevados a pH 1.5 y 3.5; y sobre
geles de pecti-na sin tratamiento (pH 4);
dejando reaccionar durante 90 minutos bajo
agitación constante a -3 °C.
Paso 2.2
Adición del 5-nitro-2-furaldehído en
los geles de pectina
El 5-nitro-2-furaldehído se preparó di-
solviendo 0.1 g del reactivo en 20 mL de una
solución hidro-alcohólica (1:4 etanol:agua),
bajo agitación constante por 30 minutos a 25
°C, el pH de la solución se llevó a escala
básica (pH 4.5, 9 y 13) usando NH4OHcc y se
dejó reaccionar la solución durante 30
minutos en agitación constante a 25 °C.
La solución modificada de 5-nitro-2fural-
dehído con NH4OHcc se depositó sobre los ge-
les de pectina y se dejó reaccionar la mezcla por
90 minutos bajo agitación constante a 60 °C
Figura 1. Modificación del 5-nitro-2-
furalde-hido a pH 13 usando NH4OHcc
Paso 3
Plastificación de los biopolímeros obtenidos
La plastificación de cada biopolímero se realizó
añadiendo 0.5 g de glicerol a cada solu-
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ción, bajo agitación constante (30 min).
Luego se depositaron las soluciones
plastificadas en placas Petri y se secaron
en frio durante 10 días.
Resultados
Respecto a los biopolímeros obtenidos:
Se obtuvo un total de siete biopolímeros,
de los cuales cinco presentaron apariencia
plástica y dos presentaron apariencia
granular. En la Figura 2, se evidencia los
biopolímeros plásticos obtenidos.
Figura 2. Biopolímeros plásticos sintetizados
El biopolímero (a) es producto de la reac-
ción de pectina con glicerol, el biopolímero
(b) es producto de la reacción de pectina con
5hidroximetil-2-furaldehído sin modificar el
pH del medio (pH 4.0) y los biopolímeros (c),
(d) y (e) son producto de la reacción pectina
con 5-nitro-2-furaldehído modificado a pH
4.5, pH 9.0 y pH 13.0, respectivamente.
La descripción física de los biopolímeros
obtenidos se detalla en la Tabla 1.
Tabla 1
Características de los biopolímeros obtenidos
Apariencia
Injerto
Física
Color
-
Plástica
Blanco opaco
HMF
Granular
Amarillo tenue
HMF
Granular
Amarillo tenue
HMF
Plástica
Amarillo negruzco
5NF
Plástica
Amarillo negruzco
5NF
Plástica
Negruzco
6
5NF
Plástica
Amarillo negruzco
# - identificación de cada biopolímero
HMF – (5-hidroximetil-2-furaldehido).
5NF – (5-nitro-2-furaldehido).
Del total de siete biopolímeros obtenidos,
cinco presentaron apariencia plástica, los cuales
fueron identificados como biopolímero 0, 3, 4, 5
y 6; para su posterior caracterización.
Respecto a la caracterización de los
bio-polímeros obtenidos
Los valores obtenidos de los espectros
UV-Vis de los reactivos 5-hidroximetil-2-
furalde-hído y el 5-nitro-2-furaldehído se
detallan a continuación:
Tabla 2
λmax de los reactivos utilizados
Reactivo
λ
max
λ
HMF
283.996
229.184
5NF
310.001
226.082
HMF – (5-hidroximetil-2-furaldehido).
5NF – (5-nitro-2-furaldehido).
Espectros UV-Vis de los
biopolímeros plásticos obtenidos.
Figura 3. Espectro UV-Vis del biopolímero 3
El espectro UV-Vis (Figura 3) presenta
ligerosdesplazamientos,enlabandasecundaria
(λmax 282.638) y en la banda primaria (λ
215.280) obtenidos del biopolímero 3, el cual
fue sintetizado utilizando el 5-hidroximetil-
2furaldehído; dichos desplazamientos, efecto
hipsocrómico, permite presumir un aumento
de grupos con enlaces no conjugados a la
estructura principal de furfural.
Sin embargo, no se evidencia señal en ni-
nguna banda de los espectros UV-Vis (bio-
polímeros 4, 5 y 6), los cuales fueron sin-
tetizados utilizando 5-nitro-2 -furaldehido, tal
como se muestra en la Figura 4.
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biopolímeros plásticos
ningún hidrógeno en el carbono α, experi-
mentan desproporcionamiento auto-redox en
álcalis concentrados, por lo que se propone
esta ruta para explicar la ruptura o apertura
del anillo heterocíclico del 5-nitrofurfural por
acción del hidróxido de amonio:
1. Sustitución nucleofílica
Figura 4. Espectros UV-Vis de los biopolíme-
ros 4 (Verde), 5 (Naranja) y 6 (Rojo)
Tal como se observa en la figura anterior,
el anillo heterocíclico del furfural desaparece
debido a la reacción con NH4OH en la síntesis
de dichos polímeros; dicha apertura o ruptura
del anillo heterocíclico es debido a un despla-
zamiento inicial del grupo nitro del 5nitrofur-
fural, por la presencia de un nucleófilo (OH-)
proveniente del hidróxido de amonio
2. Reacción de Cannizzaro
3. Apertura del anillo de furano
Propuesta de mecanismo en la
apertura del anillo furánico
Mediante el uso de la reacción de Canniz-
zaro, se explica que los grupos aldehídos sin
Resumen de valores de los espectros FTIR
Los valores obtenidos de los espectros FTIR
de los biopolímeros (3, 4, 5 y 6) y el bio-
polímero base (0), se detallan en la Tabla 3.
Tabla 3
Comparación de los valores obtenidos de los espectros FTIR
Tal como se muestra en la Tabla 3, las
señales en las regiones 1620-1680 cm-1 (gru-pos
carboxilatos) y de 1735-1750 cm-1 (grupos
ésteres) pertenecen al biopolímero 0 (sintetiza-
do a partir de pectina – glicerol), el biopolíme-ro
3 presenta señales en esas regiones (1661.40
cm-1 y 1741.59 cm-1), por lo que se presume
que puede existir la formación de una esterifi-
cación (pectina/5hidroximetil-2-furaldehído)
o una deposición del 5 hidroximetil-2-fural-
dehído en la matriz polimérica.
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El biopolímero 4 presenta señales a
1638.59 cm-1 y 1745.01 cm-1; sin embargo, los
biopolímeros 5 y 6 no evidencian señales en
dichas regiones, debido que el hidróxido de
amonio presente en la solución (reacción de 5-
nitro-2-furaldehído con NH4OHcc), reac-cionó
con la matriz polimérica de la pectina
produciendo probablemente una desesterifi-
cación básica.
Propuesta de la posible formación de
en-lace éster entre la pectina y el 5
hidroxim-etil-2furaldehído
La posible reacción de esterificación se
muestra a continuación:
Discusión
Los biopolímeros plásticos obtenidos
son similares en apariencia física a los
realizados por (Arévalo, 1996), el cual
sintetizó plásticos biodegradables a partir
de almidón, quitina y pectina.
Tal como hacen mención Aldana et al.,
(2011), la pectina es un polisacárido que
presenta buena aplicación en la fabricación
de películas de empaquetamiento. Esto se
demuestra en con el proceso desarrollado
durante esta investigación.
Se obtuvieron cinco biopolímeros plásti-
cos los cuales mediante los análisis espec-
troscópicos de FTIR y UV-Vis se evidenció
que es probable que exista una reacción de
esterificación en el desarrollo de la síntesis
del biopolímero 3; así mismo en los
biopolíme-ros (4, 5 y 6), los posibles
cambios en la matriz polimérica se deban al
exceso de hidróxido de amonio presente en
la modificación del 5-ni-tro-2furaldehído.
Esta investigación aporta en el desarrollo
científico y tecnológico del país en la síntesis
de biopolímeros plásticos, debido que no se
evidencia antecedentes de biopolímeros sin-
tetizados bajo estas condiciones.
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