Bruna Martins Gonçalves Estudo da fotodegradação do 4 MBC ... · Bruna Martins Gonçalves meio...

Universidade de Aveiro

Ano 2010

Departamento de Química

Bruna Martins Gonçalves Estudo da fotodegradação do 4 – MBC em

meio aquoso

Universidade de Aveiro

Ano 2010

Departamento de Química

Bruna Martins Gonçalves

Estudo da fotodegradação do 4 – MBC em

meio aquoso

Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento

dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Química

Analítica e Controlo de Qualidade, realizada sob a orientação

científica da Doutora Maria Eduarda Bastos Henriques dos Santos,

Professora Auxiliar do Departamento de Química da Universidade de

Aveiro.

Dedico esta tese aos meus pais, irmã e namorado…

o júri

presidente Doutor João António Baptista Pereira de Oliveira Professor Associado do Departamento de Química da Universidade de Aveiro.

Doutora Maria Manuel Balseiro Vidal Professora Adjunta da Escola Superior Agrária de Coimbra

Doutora Maria do Rosário Gonçalves Reis Marques Domingues Professora Auxiliar do Departamento de Química da Universidade de Aveiro.

Doutora Maria Eduarda Bastos Henriques dos Santos Professora Auxiliar do Departamento de Química da Universidade de Aveiro.

agradecimentos

O desenvolvimento deste trabalho envolveu um grande número de pessoas

que directa ou indirectamente contribuíram para a sua realização, a todos eles

o meu sincero agradecimento.

Gostaria de agradecer à pessoa que me orientou e tornou todo este trabalho

possível, a Prof. Doutora Eduarda Santos.

Aos meus pais, que apesar de estarem longe, me deram todo o apoio possível

e por acreditarem em mim e nas minhas capacidades. Á minha irmã por todos

os incentivos dados.

Às minhas amigas pelos momentos de alegria e companheirismo, pelo conforto

nas horas de desânimo e pelas sugestões e paciência demonstradas. Obrigada

amigas!

À Doutora Teresa Caldeira pelo apoio, paciência e ajuda sempre que

necessário. Às companheiras de laboratório, que tornaram o trabalho mais

fácil, obrigada pela ajuda, pelos momentos de descontracção e por todos os

sorrisos partilhados.

Ao António José, pela paciência infinita para me ouvir falar de todo este

trabalho vezes sem conta e pela sua presença sempre a meu lado

Muito obrigada a todos!

Palavras-chave

Filtros UV; Fotodegradação; Radiação UV, 4-Metilbenzilideno- Cânfora.

Resumo

Os filtros UV são compostos amplamente utilizados em diversos produtos,

tais como protectores solares, produtos cosméticos, plásticos e têm como

principal função a protecção contra a radiação UV. O 4 – MBC é um dos

filtros UV mais utilizado, apresenta tendência para o bioacumulação, tendo

sido detectado em águas e em peixes e alguns estudos revelam que pode

ter efeitos estrogénicos.

O principal objectivo deste trabalho foi avaliar a fotodegradação do 4 –

MBC em águas, verificar qual o efeito das substância húmicas e do cloreto

e por último identificar os produtos de degradação resultantes. Para o

estudo do efeito das substâncias húmicas foram usados dois tipos de

amostras: ácidos fúlvicos extraídos do rio Vouga e ácidos húmicos

comerciais.

Os resultados obtidos permitem concluir que o 4 – MBC sofre uma

isomerização rápida, seguida de uma degradação lenta ao longo do tempo.

Não se observou efeito significativo dos ácidos fúlvicos e ácidos húmicos

na velocidade de degradação do 4 – MBC. No caso do cloreto os

resultados sugerem que a percentagem de degradação é superior na

presença deste ião relativamente à percentagem de degradação em água.

No que diz respeito aos produtos de degradação foi possível detectar a

formação de quatro produtos de degradação em água. No entanto,

verificou-se que as substâncias húmicas e o cloreto afectam a formação

dos produtos intermediários de degradação, inibindo a formação de alguns

deles. A identificação destes produtos de degradação foi efectuada por

espectrometria de massa tandem. Os produtos identificados não tinham

sido referenciados em estudos anteriores.

keywords

UV Filters; Photodegradation; UV Radiation; 4-methylbenzelidene camphor.

abstract

The UV filters are compounds widely used in several products such as

sunscreens, cosmetics, plastics and their main function is the protection

against UV radiation. 4 - MBC is one of the most widely used UV filters, it

has a tendency to bioaccumulate, it has been detected in waters and in fish

and some studies show that it may have estrogenic effects.

The main objective of this study was to evaluate the photodegradation of 4 -

MBC in waters, to verify what is the effect of humic substances and chloride

and finally to identify the resulting degradation products. To study the effect of

humic substances two types of samples were used: fulvic acids extracted

from river Vouga and commercial humic acids.

The results showed that 4 - MBC undergoes a fast isomerization, followed by

a slow degradation along time. There was no significant effect of fulvic and

humic acids on the degradation rate of 4 - MBC. In the case of chloride the

results suggest that the rate of degradation is higher in the presence of this

ion relatively to the rate of degradation in water.

With regard to the degradation products it was possible to detect the

formation of four degradation products in water. However, it was found that

the humic substances and chloride affect the formation of photo products,

inhibiting the formation of some of them. The identification of these

degradation products was carried out by tandem mass spectrometry. The

identified products have not been referred in previous studies.

ÍNDICE

ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................................... XVII

ÍNDICE DE TABELAS ..................................................................................................................................... XX

GLOSSÁRIO DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS ..................................................................................... XXI

1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 1

1.1. Radiação UV e Protecção .............................................................................................. 3

1.2. Filtros UV no ambiente ................................................................................................. 5

1.3. O papel das substâncias húmicas e cloreto na fotodegradação. ................................. 11

1.3.1. Substâncias húmicas ................................................................................................. 11

1.3.2. Ião Cl- ........................................................................................................................ 14

1.4. Características do 4-MBC e importância do seu estudo .............................................. 15

1.5. Espectrometria de massa na identificação de produtos de degradação dos filtros UV

18

1.5.1 Método de ionização por Electrospray ................................................................ 18

1.5.2 Analisadores........................................................................................................ 19

1.5.3 Espectrometria de massa tandem ....................................................................... 20

2. METODOLOGIA ......................................................................................................... 21

2.1. Reagentes e soluções .................................................................................................. 23

2.1.1. Reagentes ........................................................................................................... 23

2.1.2. Preparação de Soluções padrão de 4-MBC .......................................................... 23

2.1.3. Preparação das amostras para os estudos de fotodegradação ........................... 24

2.2. Irradiação das amostras .............................................................................................. 25

2.3. Extracção em Fase Sólida (SPE) ................................................................................... 26

2.4. Análise por cromatografia líquida de alta eficiência (hplc) com detector uv/vis......... 27

2.4.1. Análise por espectrometria de massa ................................................................. 27

3. ESTUDO DA DEGRADAÇÃO DO 4-MBC EM ÁGUA E NA PRESENÇA DE

ÁCIDOS FÚLVICOS, ÁCIDOS HÚMICOS E CLORETO.................................................. 29

3.1. Análise do 4-MBC por HPLC-UV: Rectas de calibração e limites de detecção .................. 31

3.2. Fotoestabilidade De soluções do 4 – MBC 4 mg/L em água ............................................. 31

3.3. Efeito da concentração inicial do 4-MBC ..................................................................... 39

3.3.1. Recuperações do 4-MBC e seus fotoprodutos na pré-concentração das soluções

por Extracção em fase sólida (SPE) ..................................................................................... 39

3.3.2. Comparação da fotodegradação do 4-MBC em soluções 0,2 mg/L e 4 mg/L............. 40

3.4. Efeito das substâncias húmicas ................................................................................... 44

3.4.1. Efeito de ácidos fúlvicos do Rio Vouga na fotodegradação do 4-MBC ................. 44

3.4.2. Efeito dos ácidos húmicos comerciais na degradação do 4 - mbc ........................ 49

3.5. Fotodegradação do 4 -MBC na presença de cloreto .................................................... 50

4. IDENTIFICAÇÃO DOS PRODUTOS DE DEGRADAÇÃO POR

ESPECTROMETRIA DE MASSA ...................................................................................... 53

4.1. Recolha dos produtos de degradação e analise por espectrometria de massa ........... 55

4.1. Caracterização estrutural dos produtos de degradação por espectrometria de massa

tandem ................................................................................................................................... 62

4.1.1. Produto 1 ............................................................................................................ 62

4.1.2. Produto 2 ............................................................................................................ 65

4.1.3. Produto 3 ............................................................................................................ 68

4.1.4. Produto 4 ............................................................................................................ 70

5. CONCLUSÕES ............................................................................................................. 71

6. REFERÊNCIAS ............................................................................................................ 75

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: Vias de entrada dos filtros UV no meio ambiente (adaptado de Giokas et al., 2007a). ............... 6

Figura 2: Componentes característicos de um espectrómetro de massa. ............................................... 18

Figura 3: Representação esquemática do processo de electrospray ....................................................... 19

Figura 4: Degradação do 4 – MBC em água ao longo do tempo de irradiação . ...................................... 32

Figura 5: Áreas dos picos dos isómeros E e Z do 4- MBC normalizadas em relação ao seu valor máximo

em função do tempo de irradiação . ............................................................................................. 33

Figura 6: Perfil de variação da área total dos dois picos ao longo do tempo de irradiação . .................... 34

Figura 7: Ajuste cinético de pseudo primeira ordem de ln( Atotal /A0

total)em função do tempo . ............... 34

Figura 8: Cromatograma com detecção a 300nm correspondente ao pico adicional quando este atinge o

seu máximo com um tempo de irradiação de 24h. ........................................................................ 35

Figura 9:Perfil de variação da área do pico do produto 1 em função do tempo de irradiação. ................ 35

Figura 10: Cromotograma com detecção a 270 nm da solução 4 mg/de 4 – MBC L em água após 24h de

irradiação. .................................................................................................................................... 37

Figura 11: Perfil de variação da área do pico do produto 2 ao longo do tempo de irradiação. ................ 37



Figura 14: Valores normalizados C/C0 em função do tempo de irradiação das soluções 0,2 e 4 mg/L de 4–

MBC em água . ............................................................................................................................. 40

Figura 15: Perfil de variação da área total dos dois picos (isómeros E e Z) normalizada em relação a área

total inicial ao longo do tempo de irradiação . .............................................................................. 41

Figura 16: Cromatograma da solução de 0,2 mg/L em água após 10 horas de irradiação. ...................... 41

Figura 17: Perfil de variação da área do pico ao longo do tempo de irradiação do produto 1. ................ 42




Figura 21: Comparação da degradação do 4 – MBC (4mg/L) em água e na presença de 2 mg/L de ácidos

fúlvicos com uma concentração inicial de 4 mg/L de 4 – MBC ao longo do tempo de irradiação . .. 45

Figura 22: Comparação da degradação do 4 – MBC em água e na presença de 15 mg/L de ácidos fúlvicos

com uma concentração inicial de 0,2 mg/L de 4 – MBC ao longo do tempo de irradiação . ............ 46


total inicial ao longo do tempo de irradiação na presença e ausência de ácidos fúlvicos com uma

concentração de 4 – MBC 0,2 mg/L e 15 mg/L de ácidos fulvicos . ................................................ 46

Figura 24: Perfil de variação da área do pico do produto 2 na presença e ausência de ácidos fúlvicos em

função do tempo de irradiação . ................................................................................................... 47

Figura 25:Cromatograma da solução de 0,2 mg/L de 4- MBC e 15 mg/L de ácidos fúlvicos sem irradiar

com detecção a 300 nm. .............................................................................................................. 48

Figura 26:Cromatograma da solução de ácidos fúlvicos com detecção a 300 nm. .................................. 48

Figura 27: Degradação do 4 – MBC (4 mg/L) em água e na presença de 2 mg/L de ácidos húmicos ao

longo do tempo de irradiação . ..................................................................................................... 49

Figura 28: Produto de degradação a um tempo de retenção de 3,45 minutos, com detecção a 250nm na

presença de ácidos húmicos, ácidos fúlvicos e água durante o período de irradiação . .................. 50

Figura 29: Comparação da degradação do 4 – MBC em água e na presença de cloreto ao longo do tempo

de irradiação . .............................................................................................................................. 50


total inicial ao longo do tempo de irradiação . .............................................................................. 51

Figura 31: Perfil de variação da área do pico do produto 2 na presença e ausência de cloretos ao longo

do tempo de irradiação . .............................................................................................................. 52

Figura 32: Perfil de variação da área do pico do produto 3 na presença e ausência de cloretos ao longo

do tempo de irradiação . .............................................................................................................. 52

Figura 33: Cromatograma correspondente a amostra pré concentrada com detecção a 300 nm. ........... 55

Figura 34:Cromatograma correspondente a amostra pré – concentrada. .............................................. 56

Figura 35: Cromatograma correspondente ao pico 1 recolhido da amostra pré concentrada com

detecção a 270 nm. ...................................................................................................................... 56


detecção a 250 nm. ...................................................................................................................... 56

Figura 37: Cromatograma correspondente a amostra pré concentrada. ................................................ 57


detecção a 270 nm. ...................................................................................................................... 57


detecção a 270nm. ....................................................................................................................... 57

Figura 40: Cromatograma correspondente a amostra pré concentrada. ................................................ 58

Figura 41: Cromatograma correspondente ao isómero Z recolhido da amostra pré concentrada com

detecção a 300 nm. ...................................................................................................................... 58

Figura 42: Cromatograma correspondente ao isómero E recolhido da amostra pré concentrada com

detecção a 300 nm. ...................................................................................................................... 58

Figura 43: Espectros de ESI-MS do produto 1. ....................................................................................... 59




Figura 47: Espectros de ESI-MS/MS do ião m/z 285. .............................................................................. 62

Figura 48: Esquema das possíveis vias de fragmentação produto 1 resultante da degradação do 4 – MBC.

.................................................................................................................................................... 63

Figura 49: Possíveis vias de fragmentação do produto 1 ........................................................................ 64

Figura 50: Espectros de ESI-MS/MS do ião m/z 403. .............................................................................. 65

Figura 51: Espectros de ESI-MS3 do ião m/z 309. ................................................................................... 66

Figura 52: Esquema das possíveis vias de fragmentação do ião m/z 253 para a formação do produto 2

resultante da degradação do 4 – MBC. ......................................................................................... 66

Figura 53: Possíveis vias de fragmentação do produto 2. ....................................................................... 67

Figura 54: Espectro ESI – MS/MS do ião m/z 285. .................................................................................. 68

Figura 55: Possíveis vias de fragmentação do produto 3. ....................................................................... 69

Figura 56: Possível estrutura do produto 4. ........................................................................................... 70

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1:Principais famílias químicas dos filtros UV, bem como os respectivos compostos individuais

dentro de cada família correspondente e as designações pelas quais são referidos. ........................ 4

Tabela 2: Tipo e concentrações de filtros UV detectados em amostras ambientais. ................................. 8

Tabela 3: Propriedades físico – químicas do 4 – MBC. ........................................................................... 15

Tabela 4: Tempos de retenção e respectivos espectros UV/Vis dos produtos de degradação e dos

isómeros do 4 – MBC. .................................................................................................................. 36

Tabela 5: Percentagens de recuperação do processo de SPE dos produtos de degradação e dos

respectivos isómeros (E e Z – 4 – MBC). ........................................................................................ 39

Tabela 6: Iões [M - H]

de maiores abundâncias relativas referentes aos quatros produtos de

degradação. ................................................................................................................................. 61

GLOSSÁRIO DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

µg Microgramas

3-BC 3-Benzilideno - Cânfora

4-MBC 4-Metilbenzilideno- Cânfora

AF Ácidos Fúlvicos

AH Ácidos Húmicos

BCSA 3 –( 4’ – sulfobenzilideno) cânfora

BM-DBM 1-(4-tert-butilfenil)-3-(4-metoxifenil) propano-1,3 -diona

BZ – 2 Benzofenona-2

BZ-3 Benzofenona-3

BZ-4 Benzofenona-4

CBM 3 - (4’-trimetilamónio – benzilideno)-1-bornano-2-ona-

metilsulfato

DBT Dietilhexil Butamido Triazona

DHBZ 4,4-Dihidroxibenzofenona

DHHB Dietilamino hidroxibenzoil hexil benzoato

DRT Drometrizolo - triziloxano

EHS Salicilato de 2- etil - hexilo

EMC 4 – metoxinamato de octilo

EMT Bis – etilhexiloxifenol metoxifenol triazina

Et - PABA Etil - PABA

Et al. Entre outros

ETA Estação de Tratamento de Água

ETAR Estação de Tratamento de Águas Residuais

FPS Factor de Protecção Solar

GC Cromatografia Gasosa (Gas Chromatography)

GC - MS Cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa

HMS Homosalato

HPLC-UV Cromatografia líquida de alta eficiência com detecção com UV

hυ Energia da radiação incidente (eV)

IMC 4 – metoxicinamato de isoamilo

INCI Nomenclatura Internacional para Produtos Cosméticos

(Internation Nomenclature for Cosmetic Ingredient)

MBP Metileno-bis-benzotriazolil tetrametilbutilfenol

ng Nanogramas

nm Nanómetros

OC Octocrileno

OD-PABA Octildimetil PABA

OT Octiltriazona

P-15 Dimeticodietilbenzalmalonato

PABA Ácido p-aminobenzóico

PBC Poliacrilamidometil benzilideno cânfora

PDSA 3,3’ -(1,4 -fenilenodimetileno) bis [ácido 7,7 -dimetil-2-

oxobiciclo-(2,2,1) hept-1-ilmetanossulfónico]

PDT Disódio fenil dibenzimidazol tetrasulfoneto

PEG-25PABA 4-aminobenzoato de etilo etoxilado

PMDSA Ácido – 2 Fenil – benzimidazol – 5 -sulfónico

SH Substâncias Húmicas

UV Ultravioleta

UV-A Ultravioleta A

UV-B Ultravioleta B

UV-C Ultravioleta C

MOD Matéria Orgânica Dissolvida

UV-Vis Ultravioleta e visível

1. INTRODUÇÃO

1. Introdução

Universidade de Aveiro Página | 3

1.1. RADIAÇÃO UV E PROTECÇÃO

O nosso planeta encontra-se repleto de radiação visível e invisível, sem a qual não

haveria qualquer tipo de vida. De todo o espectro solar, apenas radiação infravermelha com

comprimentos de onda na gama 780 – 5000 nm, luz visível (400 – 780 nm) e radiação

ultravioleta com comprimentos de onda na gama 290 – 400 nm alcançam a superfície

terrestre, numa proporção de 56%, 39% e 5% respectivamente (González et al., 2008). A

radiação UV que atinge a superfície terrestre classifica-se em dois grupos: UV-A (315 –

400nm) e UV-B (280 – 315 nm). A radiação UV – C (200 a 290nm) é completamente absorvida

pela camada do ozono, a qual assume um papel fundamental na protecção da vida na terra.

Nas últimas décadas, e devido à emissão de alguns poluentes, verificou-se a destruição

progressiva da camada do ozono, com a sua consequente rarefacção, a qual facilita a

passagem da radiação UV para a superfície terrestre. Hoje em dia existe uma grande

preocupação relativamente ao aumento da radiação UV que incide no nosso planeta, devido

ao efeito prejudicial que este tipo de radiação pode causar no ser humano (por exemplo,

cancro da pele e cegueira, assim como a diminuição das defesas imunológicas) (González et

al., 2008). Devido a este facto, foram desenvolvidas substâncias, geralmente designadas por

filtros UV, que absorvem a radiação ultravioleta e são adicionadas a produtos cosméticos e a

diversos tipos de materiais a fim de atenuar os efeitos negativos da exposição a este tipo de

radiação.

Os filtros UV são classificados em dois grupos de acordo com a sua natureza,

podendo ser filtros orgânicos e filtros inorgânicos. Os filtros inorgânicos reflectem e/ou

dispersam a radiação incidente e os filtros orgânicos absorvem a radiação incidente (Díaz-

Cruz et al., 2008). Os filtros inorgânicos apresentam protecção mais elevada, em comparação

com os filtros orgânicos, não sendo solúveis em água. No entanto, a preparação de

cosméticos baseados em filtros inorgânicos é bastante difícil, pois estes desagregam a

emulsão constituinte desses cosméticos.

No que diz respeito aos filtros orgânicos, estes são compostos com alta absortividade

molar na gama ultravioleta. Estes filtros UV podem ser classificados em UV-A, os quais

protegem na gama dos 315-400nm e filtros UV-B protegendo na gama dos 280-315 nm

(Balmer et al., 2005). No entanto, um único filtro UV não protege em toda a gama UV-A e UV-

B sendo efectuadas combinações com vários filtros, as quais apresentam uma protecção mais

ampla. Os filtros UV orgânicos são compostos que normalmente possuem estruturas

1. Introdução

Página | 4 Departamento de Química

aromáticas únicas ou múltiplas, estando por vezes conjugadas com ligações duplas carbono-

carbono ou/e grupos carbonilo. O processo de protecção baseia-se no facto de os fotões de

radiação UV serem absorvidos pelas moléculas dos filtros UV provocando a excitação dos

seus electrões. As moléculas excitadas rapidamente voltam ao estado fundamental por

relaxação vibracional perdendo energia sob a forma de calor. Assim, se não ocorrer nenhuma

degradação dos filtros UV eles podem absorver mais fotões e assim repete-se o processo,

protegendo a pele contra a radiação UV (Giokas et al., 2007a).

Com a preocupação de evitar possíveis malefícios do uso de filtros UV em produtos

cosméticos, foram elaboradas directrizes em diferentes países (União Europeia, Estados

Unidos e Japão) que regulam a utilização destes compostos. A União Europeia permite

actualmente a utilização de 26 destes filtros UV orgânicos. Num trabalho de revisão recente,

Díaz-Cruz et al. (2008) apresentaram uma tabela indicando os nomes e estruturas destes

compostos e algumas das suas propriedades como a solubilidade em água e o coeficiente de

partilha octanol/água, Kow. Na Tabela 1 apresentam-se as principais famílias químicas a que

pertencem esses compostos, bem como os compostos individuais dentro de cada família e as

respectivas designações comuns pelas quais são referidos.

Tabela 1:Principais famílias químicas dos filtros UV, bem como os respectivos compostos individuais

dentro de cada família correspondente e as designações pelas quais são referidos.

Família de compostos Filtros UV específicos

Cinamatos

Etilhexil-metoxicinamato ou 4 – metoxicinamato de octilo

ou OMC ou EHMC

4-metoxicinamato de isoamilo ou 4 – metoxicinamato de

isopentilo ou IMC ou IAMC

Benzofenonas Benzofenona – 3 ou oxibenzona ou BZ – 3 ou BP – 3

Benzofenona – 4 ou BZ – 4 ou BP - 4

Ácido p- aminobenzóico e

derivados

Ácido p-aminobenzóico ou PABA

4-aminobenzoato de etilo etoxilado ou PEG-25PABA

Octildimetil PABA ou OD-PABA

Salicilatos Homosalato ou HMS

Salicilato de 2- etil - hexilo ou EHS

Derivados da cânfora

3,3’ -(1,4 -fenilenodimetileno) bis [ácido 7,7 -dimetil-

2-oxobiciclo- (2,2,1) hept-1-ilmetanossulfónico] ou PDSA

Ácido alfa -(oxo -2 -bornilideno -3) -tolueno -4-sulfónico ou

BCSA

Poliacrilamidometil benzilideno cânfora ou Polímero de N -

1. Introdução


{(2 e 4) -[(2 -oxoborn -3 -ilideno) metil] benzil}acrilamida ou

PBC

4-metilbenzilideno- cânfora ou 3 -(4′ -metilbenzilideno) d -

1 -cânfora ou 4 – MCB

3-benzilideno – cânfora ou 3 – BC

Sulfato de metilo N, N′, N -trimetil -4 -[(2 -oxo -3-

bornilideno) -metil] anilínio ou CBM

Triazinas Octil triazona ou OT

Dietilhexil butamido triazona ou DBT

Bis – etilhexiloxifenol metoxifenol triazina ou EMT

Benzotriazois Drometrizolo - triziloxano ou DRT

Metileno-bis-benzotriazolil tetrametilbutilfenol ou MBP

Derivados de Benzimidazois Ácido -2 -fenil -benzimidazol -5 -sulfónico ou PDSA

Sal monossódico de ácido 2,2’-bis -(1,4-fenileno) 1H -

benzimidazol -4,6 –dissulfónico ou PDT

Derivados de

Dibenzoilmetanos

1-(4-tert-butilfenil)-3-(4-metoxifenil) propano-1,3 -diona ou

BM-DBM

Dietilamino hidroxibenzoil hexil benzoato ou DHHB

Outros Dimeticodietilbenzalmalonato ou Polisilicone 15 ou P-15

Octocrileno ou OC

As concentrações máximas permitidas são também reguladas, sendo permitidas

concentrações de até 10% na União Europeia, dependendo do composto utilizado (Giokas et

al., 2007a).

1.2. FILTROS UV NO AMBIENTE

Nos últimos anos, a utilização dos filtros UV orgânicos teve um aumento drástico, o

que suscita algumas preocupações relativamente ao impacto negativo que estes podem ter

no ambiente, mais especificamente no meio aquático, sobretudo atendendo ao facto de a

maioria destes compostos serem lipofílicos (valores de Kow elevados, frequentemente

superiores a 4), o que lhes confere tendência para a bioacumulação. No entanto,

actualmente, para a maioria dos compostos, não se possuem dados suficientes de

ecotoxicidade e degradabilidade, o que dificulta a previsão dos seus efeitos em humanos,

organismos aquáticos e ecossistemas (Dias – Cruz et al., 2008; Giokas et al., 2007a)

1. Introdução


Os filtros UV têm duas principais vias de entrada no meio aquático. A primeira é de

forma directa (por exemplo, através de actividades recreativas, sendo libertados

directamente da pele durante banhos em zonas balneares) e a segunda via é de forma

indirecta (por exemplo, através das estações de tratamento de água), estando representados

na Figura 1 os diferentes tipos de fontes de contaminação (Li et al., 2007; Jeon et al., 2006;

Giokas et al., 2007a; Díaz - Cruz et al., 2008; Cuderman et al., 2007).

Figura 1: Vias de entrada dos filtros UV no meio ambiente (adaptado de Giokas et al., 2007a).

Processo de produção dos

filtros UV/ comercialização

Diferentes aplicações

Cosméticos e produtos

de cuidado pessoal

Aplicação na pele

Outras aplicações (protecção

de superfícies vulneráveis à

radiação UV, polidores de

carros, têxteis, plásticos, etc)

Penetração na

pele

Excreção

Lavagem de

roupa

Esgoto

Desperdícios

industriais

Aterro sanitário

Estação de tratamento

de efluentes industriais

Actividades

recreativas

(banhos em

piscinas, lagos e

no mar)

Águas do subsolo (por

lixiviação).

Estações de

tratamento

de água

Águas superficiais

Sem tratamento

em Etar

Banhos

1. Introdução


Em grande parte dos estudos que se podem encontrar na literatura sobre a análise

de filtros UV, a matriz é constituída por produtos cosméticos, sendo poucos os que fazem

estudos referentes à presença destes no meio ambiente. No entanto, verifica-se que esta

tendência está a mudar uma vez que nos últimos anos têm sido feitos vários estudos em

matrizes ambientais.

Na Tabela 2 estão compilados alguns resultados apresentados em estudos recentes

relativos à concentração de alguns filtros UV detectados mais frequentemente em águas de

piscinas, águas de rios, lagos e mar, e também em peixes e em estações de tratamento de

águas residuais (ETARs). Diversos artigos publicados na literatura referem que as

concentrações de filtros UV presentes em águas onde se desenvolvem actividades

recreativas crescem nos meses de Verão, especialmente nos dias e horas de maior calor, ou

seja, quando a aplicação de protectores solares é mais intensa (Giokas et al., 2007a; Poiger et

al., 2004; Balmer et al., 2005; Giokas et al., 2005; Díaz - Cruz e Barceló, 2009).

No que diz respeito às ETARs pode-se verificar que a remoção de filtros UV por vezes

não é eficiente, sendo referidas percentagens de remoção após o tratamento que variam

entre 28 e 43 %, o que significa que os filtros UV são libertados para os meios hídricos

receptores. Um estudo efectuado no sul da Califórnia evidenciou a existência de filtros UV

em água captada para consumo humano, em níveis de concentração que atingiram valores

entre 0,36 e 0,79 g/L no caso da BZ – 3 e valores entre 0,56 e 5,61 g/L no caso do EMC.

Também na água já tratada foi detectada a presença da BZ – 3 e do EMC, com concentrações

de 0,26 e 0,45 g/L respectivamente, o que denota que os tratamentos das Estações de

Tratamento de Água podem não ser eficazes para a eliminação dos filtros UV (Loraine e

Pettigrove, 2006).

1. Introdução


Tabela 2: Tipo e concentrações de filtros UV detectados em amostras ambientais.

Matriz

Compostos analisados

BZ-3 4 - MBC EMC BM-DBM OC Referências

Água

Mar jónio (ng/L) 1.4-2.2 Vestígios n.d

Giokas et

al., 2004

Piscina (ng/L) 3.3-5.1 5.9-7.9 3.6-5.4 n.d

Piscina de jogos (ng/L) 4.8-6.6 4.3-6.5 2.6-3.4 n.d

Águas de banho (ng/L) 8.3-11.7 3.3-4.3 3.8-4.4 n.d

Lagos

Giokas et

al., 2007a

Dias mais quentes (ng/L) <2-125 <3-82 <2 - 15

Dias mais frescos (ng/L) <2-35 <2-29 <2 – 7 <20 -24

Lagos localizados em

Suíça

Poiger et al.,

2004

Zurique (ng/L) <2 - 4 3 – 22 <2 - 25 20 2

Huttnersee (ng/L) 5-125 4 - 13 <2 – 19 24 <2 - 27

Golfo fechado localizado numa área turística no

Norte Ocidental da Grécia

Giokas et al.,

2005 Águas de banho (12:00 h)

(ng/L) 5.1-7.9 11.9-14.3 6.5-8.3

Águas de banho (15:00 h) (ng/L)

6.6-9.8 18.4-21.0 9.6-11.8

Águas para consumo

humano (µg/L) 0.36 – 0.79

0.565 – 5.61

Loraine e

Pettigrove,

2006

ETAR

Loraine e

Pettigrove

, 2006

Influente em dias secos (µg/L) 0.84 – 4.4

N.d.

Influente em dias húmidos (µg/L) 0.71 – 2.08

0.40

ETAR

Li et al., 2007

Influente (ng/L) 97-722 475-2128 54-116 34-153

%de remoção após tratamento

28-31% 37-40% 40-43% 36-38%

1. Introdução


O perigo ambiental dos filtros UV como poluentes reside no facto de apresentarem

carácter lipofílico, o que lhes confere capacidade de bioacumulação nos organismos vivos

podendo causar danos nos ecossistemas aquáticos (Kunz e Fent, 2006a; Kunz e Fent, 2006b;

Fent et al., 2008;Dias –Cruz e Barceló, 2009).

Quanto aos potenciais efeitos tóxicos dos filtros UV, existe ainda alguma

controvérsia, mas diversos estudos têm suscitado preocupação sobre a possibilidade de

alguns destes compostos poderem funcionar como disruptores endócrinos (Giokas et al.,

2007a). No caso dos peixes estudos realizados verificam que alguns filtros UV apresentam

efeitos estrogénicos, que afectam significativamente a reprodução destes (Weisbrod et al.,

2007; Coronado et al., 2008). Schlumpf et al., (2004) consideram os filtros UV como uma

nova classe de químicos com actividade endócrina. Vários estudos efectuados em ratos

revelam que vários filtros UV apresentam actividade estrogénica (por exemplo, 3-BC)

(Schlumpf et al., 2004; Schlumpf et al., 2001). Para além de actividade estrogénica também

Continuação da Tabela 2

ETAR

Balmer et

al., 2005

Influente (µg/L) 0.7-7.8 0.6-6.5 0.5-19 0.1-12

Efluente (µg/L) <0.01-0.3 0.06-2.7 <0.01-0.3 <0.01-0.3

% de remoção após tratamento

68-98% 44-97 % 97->99 88->99

Lago Suíço (ng/L) <2-35 <2-28 <2-7 <2-5

Peixes

Peixes recolhidos em lagos na Suíça

Balmer

et al.,

2005

Peixe branco (ng/g lipídos) n.d n.d 72 n.d

Peixe rocha (ng/g lipídos) 66-112 44-94 64 n.q

Perca (ng/g lipídos) 123 166 n.d 25

Peixe recolhido antes de

uma ETAR (ng/g lipídos) <LOD <LOD 4 ± 5

Zenker et

al., 2008 Peixe recolhido depois de uma ETAR (ng/g lipídos) <LOD <LOD 142 ± 95

Truta recolhida em rio (ng/g) 50-1800 40-2400 Buser et

al.,2006 Peixe branco e rocha

recolhidos num lago (ng/g)

<20-170

n.d.

1. Introdução


apresentam actividade antiandrogénica, ou seja, capacidade de inibir a actividade da 5 alfa-

redutase 1, enzima que transforma a testosterona em dihidrotestosterona, a hormona

responsável pelo aumento da próstata (Schlumpf et al., 2004; Kunz e Fent., 2006a). O filtro

UV 3-BC pode causar distúrbios no ciclo estral (ou cio) dos ratos (Faass et al., 2009).

Um dos aspectos a considerar na avaliação do impacto da introdução de filtros UV no

ambiente é a sua persistência. A este respeito, é de referir que a fotodegradação induzida

pela luz solar é a principal via abiótica de degradação de contaminantes em águas

superficiais, contribuindo para a sua auto-remediação, ou, em alguns casos, para a formação

de fotoprodutos mais tóxicos (Calza et al., 2008). Relativamente à fotodegradação de filtros

UV em águas naturais, existem poucos estudos efectuados, verificando-se que os estudos de

degradação estão mais direccionados para a fotoestabilidade dos filtros UV em cremes.

Estudos de fotoestabilidade de diversos filtros UV em cremes demonstraram que alguns

desses filtros não são fotoestáveis daí resultando um decréscimo do factor de protecção

solar (Couteau et al, 2007). No que se refere à degradação dos filtros UV, bem como aos

potenciais sub – produtos formados em águas naturais, os estudos existentes são escassos

(Sakkas et al., 2003; Giokas et al., 2007b; Rodil et al., 2009).

Como citado anteriormente os filtros UV estão presentes/acumulados no ambiente,

especialmente no meio aquático, podendo ocorrer reacções fotoquímicas induzidas pela luz

solar, ou seja, estes podem sofrer fotodegradação. A fotodegradação pode ocorrer por dois

processos distintos, sendo eles a fotodegradação directa e a fotodegradação indirecta (Díaz -

Cruz et al., 2008). A fotodegradação directa (ou fotólise directa) é um processo que ocorre

pela absorção directa do fotão de luz pelo composto, sofrendo assim uma alteração química

(fragmentação, rearranjo molecular, isomerização, dimerização, hidrólise, oxidação). No caso

da fotodegradação indirecta, a reacção inicia-se com outra espécie catalítica presente no

meio que absorve um fotão de luz ficando excitada e que depois interage com outra espécie

transferindo essa energia, provocando a excitação desta, sendo esta que vai participar na

formação de fotoprodutos (Espinoza et al., 2007; Richard et al., 2007). Em seguida é

apresentada a esquematização das reacções para cada caso, para obter uma melhor

percepção.

Fotodegradação directa:

RY RY* (1)

RY* produto (2)

h

1. Introdução


Fotodegradação indirecta:

F F* (3)

F* + RY F + RY* (4)

RY* produto (5)

Em que RY é o composto poluente (neste caso pode-se considerar um filtro UV); F é

um fotosensibilizador e as espécies RY* e F* representam os respectivos estados electrónicos

excitados.

No meio aquático, os mecanismos de fotoreacções dos contaminantes dependem de

outros componentes presentes no ambiente. As substâncias húmicas (SH) são uma larga

fracção de matéria orgânica dissolvida, tendo um papel determinante nas reacções, como

tem sido demonstrado para várias classes de contaminantes (por exemplo, pesticidas) (Zhan

et al, 2006; Neamtu e Frimmel, 2006, Garbin et al, 2007). Além das SH o ião cloreto pode ter

também um papel importante na degradação de poluentes. A título de exemplo SakKas et al.

(2003) verificam que na presença de substâncias húmicas e do ião cloreto a degradação do

filtro OD – PABA é retardado e na presença do ião cloreto ocorre a formação de compostos

organoclorados.

1.3. O PAPEL DAS SUBSTÂNCIAS HÚMICAS E CLORETO NA

FOTODEGRADAÇÃO.

1.3.1. SUBSTÂNCIAS HÚMICAS

As substâncias húmicas, como citado anteriormente, são uma larga fracção de

matéria orgânica dissolvida. Em águas naturais as concentrações variam entre 0.3 – 30 mg/C

l-1 (Zhan et al, 2006). Estas substâncias resultam da degradação química e biológica de

resíduos orgânicos e da actividade sintética da biota do solo. As substâncias húmicas são

normalmente de cor escura, ácidas, constituídas por estruturas aromáticas e alifáticas,

quimicamente complexas e possuem um peso molecular muito variado. A sua composição

final depende directamente dos materiais de origem e tempo de maturação, e

indirectamente de factores externos como o clima (que afecta a existência de diferentes

espécies de plantas, a quantidade de material vegetal produzido por estas e a intensidade da

h

1. Introdução


actividade dos microrganismos que intervêm na sua decomposição), a morfologia do solo e a

incorporação de novos materiais residuais (Lou et al., 2006; Choudhry, 1984; Senesi et al.,

1996).

As SH podem ser subdivididas em três grupos de acordo com a sua solubilidade em

água, sendo eles:

Ácidos húmicos (AH) – uma fracção escura solúvel em meio alcalino, precipitando-se em

forma de produto escuro e amorfo em meio ácido. Quimicamente são muito complexos,

formados por compostos aromáticos e alifáticos com elevado peso molecular (Hessler et

al., 1996; Ou et al., 2008; Choudhry, 1984)

Humina – uma fracção insolúvel em meio alcalino ou em meio ácido diluído que possui

uma reduzida capacidade de reacção.

Ácidos Fúlvicos (AF) – uma fracção colorida e solúvel em meio alcalino ou em meio ácido

diluído. Apresentam uma grande quantidade de grupos carboxílicos e um peso molecular

relativamente baixo, possuem propriedades redutoras (Hessler et al., 1996; Choudhry,

1984).

As substâncias húmicas são o principal material responsável pela absorção de

radiação UV em águas naturais. Como resultado elas sofrem foto - transformações e induzem

processos fotoquímicos no meio aquático, sendo consideradas como as principais

impulsionadoras de processos fotoquímicos nesse meio.

A absorção de radiação solar pelas substâncias húmicas provoca a excitação das

moléculas. Os estados electronicamente excitados apresentam tempos de vida muito curtos

e participam como compostos intermediários reactivos, numa grande variedade de reacções

com substratos orgânicos e inorgânicos presentes em águas naturais.

A maioria das moléculas no seu estado fundamental apresenta um número par de

electrões. Os spins dos electrões no estado fundamental encontram-se normalmente

emparelhados, o que constitui o estado singleto (a molécula de O2 representa uma excepção,

uma vez que o seu estado fundamental se caracteriza por dois electrões desemparelhados,

isto é, encontra-se no estado tripleto). As moléculas de substâncias húmicas quando

absorvem a luz passam ao seu primeiro estado excitado singleto, 1S* (6). A molécula regressa

ao estado fundamental quer através da emissão de luz (fluorescência) (7), quer através de

decaimento não radiativo acompanhado por perda de calor (8).

1. Introdução


SH 1SH* (6)

1SH* SH + h (7)

1SH* SH + calor (8)

Onde o símbolo “SH” representa a molécula de substâncias húmicas e o símbolo “*”

indica que a molécula se encontra num estado electronicamente excitado.

Também pode ocorrer que a molécula que se encontra no estado singleto excitado

sofra relaxação vibracional e transite posteriormente para o estado tripleto excitado (9)

(cruzamento inter-sistemas) (Aguer et al., 1996).

1SH* 3SH* + calor (9)

O estado de excitação tripleto das substâncias húmicas é o maior responsável pela

degradação fotoinduzida de poluentes orgânicos (Boule et al., 1999). Como se pode ver na

equação (10) as substâncias húmicas transferem a energia para os poluentes orgânicos

ficando estes no estado excitado podendo reagir com outra molécula e formar outra espécie

(Boule et al., 1999).

3SH* + RY SH + 3RY* (10)

Os estados tripleto das SH são muito reactivos e podem também reagir com

moléculas de compostos orgânicos, por exemplo removendo átomos de hidrogénio

conforme exemplificado na equação seguinte para o caso do fenol (Aguer et al .,1999).

3SH* + ArOH HSH + ARO (11)

As moleculas excitadas das substancias húmicas também podem dar origem a outras

especies reactivas nomeadamente oxigénio singleto (1O2), aniões superóxido (O-2), radicais

hidroxilo (OH), radicais peroxilo (ROO) (Aguer et al., 1999; Chen et al., 2009; Canonica e

Laubscher, 2008; Lam et al., 2005). Por exemplo a transferência de energia do estado tripleto

excitado das substâncias húmicas para o oxigénio dissolvido faz com que este passe ao

estado oxigénio singleto (12). O oxigénio singleto, 1O2, é um oxidante mais potente do que o

oxigénio molecular e pode reagir com os contaminantes orgânicos provocando a sua

oxidação (Stumm e Morgan, 1996; Paul et al., 2004). Os radicais hidroxilo são espécies

reactivas, sendo um oxidante bastante forte que ataca a maioria dos compostos orgânicos.

h

1. Introdução


Estas espécies formadas podem induzir a transformação de compostos que não absorvem

directamente a radiação solar (Hessler et al., 1996; Chin et al ., 2004).

3S* + O2 S + 1O2 (12)

De facto existem diversos estudos que demonstram que as SH aceleram a

fotodegradação de contaminantes orgânicos. Neamtu e Frimmel (2006), por exemplo, num

estudo referente à fotodegradação do nonilfenol (NP) em águas, verificaram que baixas

concentrações de matéria orgânica dissolvida (MOD) a qual, como se disse anteriormente, é

essencial constituída por substâncias húmicas, aceleram a degradação devido às reacções

fotoquímicas de formação de espécies reactivas por parte da MOD.

No entanto, as substâncias húmicas podem apresentar o efeito contrário, ou seja,

inibir a fotodegradação dos contaminantes orgânicos. Por exemplo, Sakkas et al.(2003)

estudaram a influência doa ácidos húmicos na degradação do OD – PABA verificando que a

degradação deste filtro UV era inibida na presença ácidos húmicos. Esta inibição da

fotodegradação do OD – PABA pode ser explicada por um processo de competição entre os

ácidos húmicos e o OD – PABA para os fotões disponíveis, e consequentemente, provoca

uma retardação no processo de degradação.

1.3.2. IÃO CL-

A presença de filtros UV é demonstrada em diferentes locais, nomeadamente rios,

mar, lagos, etc. Deste modo é bastante importante estudar a influência do ião cloreto na

fotodegradação. A água do mar é uma solução que contem cerca de 70 elementos químicos,

mas apenas seis desses constituem mais de 90% dos sais dissolvidos, sendo o ião cloreto o

anião maioritário em água do mar. Como citado anteriormente, os radicais hidroxilo são

espécies reactivas, sendo um oxidante bastante forte que ataca a maioria dos compostos

orgânicos. No caso da água do mar é necessário ter em consideração que os iões halogeneto,

nomeadamente os iões Cl-, funcionam como sequestradores dos radicais hidroxilo, formando

espécies reactivas de halogéneo radicalares (13 e 14) ou não radicalares (Seiss e Niessner,

2001; Baycan et al.,2007; Grebel et al. 2009).

1. Introdução


OH(aq) + Cl- ClHO- (13)

ClHO- + H+ Cl + H2O (14)

Como se verifica através da equação (13), com um aumento da concentração de

cloreto em solução este reduz a concentração de radicais livres hidroxilo (Seiss e Niessner,

2001). Assim sendo, se a reacção dos radicais hidroxilo com contaminantes orgânicos for

uma via importante da fotodegradação, é de esperar que na presença de cloretos o processo

de fotodegradação seja diminuído, uma vez que o número de radicais hidroxilo para reagir

com estes contaminantes é menor.

Por outro lado a formação de espécies reactivas de cloro, por exemplo, radicais Cl,

pode provocar a formação de compostos organoclorados ((Seiss e Niessner, 2001); Baycan et

al., 2007). A equação (15) traduz uma reacção possível para a formação de compostos

organoclorados.

Cl + R2C CR2 R2ClC – CR2 (15)

Este radical vai dar origem a um composto organoclorado.

1.4. CARACTERÍSTICAS DO 4-MBC E IMPORTÂNCIA DO SEU

ESTUDO

O 3- (4-metilbenzilideno) cânfora (4-MBC) pertence ao grupo dos derivados da

cânfora, sendo um filtro UV lipofílico (coeficiente de partilha octanol/água Log KWO=4,95). Em

seguida apresentam-se na Tabela 3 as principais propriedades físico – químicas do 4-MBC.

Tabela 3: Propriedades físico – químicas do 4 – MBC.

Propriedades Referências

Nome INCI 4 - Metilbenzilideno- Cânfora Dias – Cruz et al., 2008

Número de referência da

UE 18 Dias – Cruz et al., 2008

Número de registo (CAS) 36861-47-9 Dias – Cruz et al., 2008

1. Introdução


Estrutura

CH3

CH3CH3

CH3

O

Balmer et al., 2005

Fórmula molecular C18H22O

Peso molecular 254,37 g mol-1

Solubilidade em água a 25°C 5.1 ×10-3 g /L Dias – Cruz et al., 2008

Log KOW 4.95 Dias – Cruz et al., 2008

λmáx (nm) 300 Dias – Cruz et al., 2008

Este composto é comercializado apenas no isómero E, no entanto quando exposto à

luz este sofre isomerização fotoquímica reversível para o isómero Z. Quer o E – 4 – MBC quer

o Z – 4 MBC são quirais podendo-se apresentar sob a forma de dois enantiómeros. Os

enantiómeros apresentam propriedades físico – químicas idênticas, mas podem apresentar

comportamento biológico diferente em relação à absorção, metabolismo e excreção,

podendo muitas vezes diferir na sua toxicidade e em outros efeitos biológicos (Buser et al.,

2005; Sakkas et al., 2009; Díaz-Cruz et al., 2008). Contudo, apesar da óbvia quiralidade do 4 –

MBC, a esterioquímica do composto quase não é considerada em estudos ambientais e

toxicológicos.

O 4-MBC tem sido um dos filtros UV orgânicos mais vulgarmente utilizado em

produtos de cuidado pessoal, tais como cosméticos, cremes, e protectores solares, podendo

ser usadas concentrações até 4 % (w/w) (Schauer et al., 2006). O interesse particular do

estudo do 4-MBC não reside só no facto de este ser um dos filtros UV mais usados em

produtos de cuidado pessoal mas também no facto de este ter sido detectado em águas

superficiais, águas residuais e também em peixes, conforme se pode confirmar pelos dados

apresentados na Tabela 2 (Schlumpf et al., 2001; Giokas et al., 2004; Giokas et al., 2007a;

Poiger et al., 2004; Giokas et al., 2005; Li et al., 2007; Balmer et al., 2005). Um outro motivo

para o interesse resulta dos estudos publicados sobre os seus eventuais efeitos tóxicos.

Estes estudos relevam que em células de mamíferos o 4-MBC tem efeitos

estrogénicos similares ao 17 –beta – estradiol, podendo causar mudanças fisiológicas e no

1. Introdução


processo de desenvolvimento mediado por mecanismo de sinalização do receptor

estrogénico (Klann et al., 2005). Estudos efectuados em ratos demonstram que este filtro

apresenta actividade estrogénica e anti – androgénica, afectando a reprodução destes

(Schlumpf et al., 2004; Schlumpf et al., 2001; Schauer et al., 2006). No caso dos peixes os

estudos efectuados demonstram que o 4 – MBC altera os níveis de vitelogenina, verificando-

se assim que apresenta actividade estrogénica ( Díaz- Cruz e Barceló, 2009).

No que se refere aos efeitos em humanos existe um estudo que demonstra que este

foi detectado no leite humano com concentrações de 15.5 ± 5.9 ng/g lipídos, indicando assim

uma possível exposição em fetos e crianças (Schlumpf et al., 2008).

Como citado anteriormente existem poucos estudos referentes a degradação dos

filtros UV em águas naturais. No que se refere ao 4 – MBC esses estudos também são

bastante escassos, sendo em seguida descritos os estudos efectuados até a data.

Rodil et al. (2009) estudaram a degradação do 4 – MBC em água utilizando radiação

UV artificial. Neste estudo verificou-se uma isomerização do 4 – MBC e para verificar se

ocorria degradação do 4 – MBC foi quantificada a resposta conjunta dos dois isómeros, ou

seja, foi feita a soma da resposta dos dois isómeros ao longo do tempo de radiação,

verificando-se que este composto não sofre degradação uma vez que a soma dos dois

isómeros se mantém constante ao longo do tempo. Giokas et al. (2007b) estudaram o efeito

da matéria orgânica dissolvida e de cloretos na degradação do 4 - MBC. Neste estudo não são

apresentadas quaisquer curvas de variação da concentração ao longo do tempo. Os autores

referem apenas que ajustaram uma cinética de 1ª ordem aos resultados, sem mencionar se é

referente a um dos isómeros ou soma dos dois isómeros. Estes autores concluem apenas que

a degradação do 4 – MBC é acelerada na presença de ácidos húmicos comerciais dissolvidos

e é inibida na presença de cloretos. Uma vez que os efeitos da matéria orgânica podem

depender da sua natureza no presente trabalho fez-se o estudo do efeito de ácidos fúlvicos

extraídos do rio Vouga. Nenhum dos trabalhos anteriores se refere a detecção e identificação

dos produtos de degradação em águas naturais.

O único trabalho realizado até a data que se refere aos produtos de degradação é de

Sakkas et al. (2009) mas este refere-se a fotodegradação na presença de TiO2 e H2O2,

podendo assim concluir-se que há alguma deficiência de estudos de degradação do 4 – MBC

em águas naturais

No presente trabalho pretende-se combater essa falha fazendo o estudo da

degradação do 4 – MBC em água, na presença de substâncias húmicas e do cloreto dando

1. Introdução


especial relevância à detecção e tentativa de identificação dos produtos de degradação em

solução aquosa.

1.5. ESPECTROMETRIA DE MASSA NA IDENTIFICAÇÃO DE

PRODUTOS DE DEGRADAÇÃO DOS FILTROS UV

Os espectrómetros de massa constam de quatro partes básicas (Figura 2): um sistema

para introduzir a amostra no equipamento; uma fonte de iões, na qual é produzido um feixe

de iões resultantes das moléculas de analito proveniente da amostra; um analisador que

separa iões de acordo com a sua razão massa/carga (m/z); e um detector, no qual os iões

separados são recolhidos. O detector está ligado a um computador que permite integrar a

informação recebida e transformá-la num espectro de massa, que apresenta no eixo das

abcissas os valores de m/z dos iões formados na fonte – (razão massa/ carga do ião), e no

eixo das ordenadas, a abundância relativa desses mesmos iões, depois de uma normalização

relativamente aos iões de maior abundância. Uma característica importante do

espectrómetro de massa é o alto vácuo presente no instrumento (10-5- 10-7 Torr) que permite

o percurso livre dos iões pelo espectrómetro sem que ocorram reacções ou alterações dos

mesmos.

1.5.1 MÉTODO DE IONIZAÇÃO POR ELECTROSPRAY

O método de ionização por Electrospray (ESI) é uma das técnicas de ionização com

mais vasta utilização na actualidade.

Neste método de ionização, a substância a ser estudada está dissolvida num solvente

que normalmente é muito mais volátil do que o analito, e de seguida esta solução é injectada

na fonte através de um capilar, de metal, num fluxo contínuo, por acção de uma bomba de

Injector Analisador Fonte de iões

Detector de iões

Introdução da amostra GC HPLC Injecção directa

Ionização

ESI

APCI

APPI

MALDI

Analisador de massa

Trapa de iões

Quadrupolo

TOF

Detector de iões

Multiplicador de electrões

Figura 2: Componentes característicos de um espectrómetro de massa.

1. Introdução


seringa. De seguida é aplicada uma diferença de potencial na agulha metálica, que provoca a

formação de um cone de líquido na sua ponta, conhecido como cone de Taylor, em que a

solução é empurrada para fora do capilar e forma um aerossol em forma de pequenas gotas.

Um gás inerte, como o azoto, é frequentemente utilizado para ajudar a formação do spray de

pequenas gotas, e também à evaporação do solvente das gotículas. O solvente ao evaporar,

torna as gotas mais pequenas e força as moléculas do analito a ficarem mais próximas, o que

vai fazer com que a repulsão entre elas aumente e as gotículas se partam em gotículas cada

vez mais pequenas. O processo repete-se até que o analito fique sem solvente nenhum,

ficando apenas o analito em forma de ião. Os iões carregados são então extraídos para os

analisadores e analisados, por espectrometria de massa ( Figura 3).

Figura 3: Representação esquemática do processo de electrospray (www.rsc.org).

Os espectrómetros de massa variam na sua fonte de ionização e no analisador. As

fontes dos espectrómetros de massa estão, em geral, situadas numa região de vácuo. No

caso de fonte de ionização por electrospray esta encontra-se à pressão atmosférica,

permitindo a evaporação do solvente por intermédio de um fluxo de um gás, em geral, azoto.

Os iões gerados são depois transferidos desta zona de alta pressão para a zona de alto vácuo

do analisador de massa.

1.5.2 ANALISADORES

A fonte de ionização por electrospray pode ser combinada com diferentes

analisadores de massa, tal como o “ion trap”, o quadrupolo,e o tempo de voo (TOF). Todos

eles diferem na precisão (o erro na determinação da massa exacta comparada com o valor

1. Introdução


teórico), e na resolução (valor da massa dividido pela diferença de massas entre dois iões

com uma pequena diferença de massa).

Neste trabalho foi utilizado o espectrómetro ESI- trapa linear do inglês “ linear ion

trap”. Este aparelho utiliza o método de ionização (ESI), apresentando um poder de

resolução, uma precisão e sensibilidade elevadas, permitindo fazer espectrometria de massa

tandem (MSn).

A trapa linear de iões é um analisador que utiliza um campo eléctrico oscilatório para

aprisionar os iões, que depois serão analisados. Quando dentro da trapa, os iões voam ao

longo do eixo dos zz entre os eléctrodos, enquanto que oscilam simultaneamente no plano

xy devido a um potencial RF. A aplicação de voltagem DC à parte final dos quadrupolos

também permite que os iões sejam aprisionados. Esta voltagem repele os iões que se

encontram dentro da trapa e esta repulsão é tanto maior quanto mais perto os iões se

encontram dos extremos. Os iões são assim repelidos do centro do quadrupolo se for

aplicada a cada extremo a mesma voltagem repelente (Douglas et al., 2005).

O principal método de medição dos iões baseia-se na saída da trapa de iões por

ordem crescente de razão massa/carga.

1.5.3 ESPECTROMETRIA DE MASSA TANDEM

As principais características dos espectros de massa obtidos com o método de

ionização suave são a ausência de fragmentação, o que permite a determinação rigorosa de

massas moleculares de constituintes de misturas. No entanto, nestas condições pouca

informação é obtida acerca da sua estrutura molecular. Para esse efeito é necessário

proceder à fragmentação do ião desejado, induzindo a dissociação dos iões formados na

fonte, por colisão, normalmente através de um gás. Esta técnica é chamada de

espectrometria de massa tandem ou MS/MS.

Esta técnica envolve geralmente 2 passos: inicialmente é utilizado um primeiro

analisador para isolar o ião precursor e em seguida são analisados os iões produto. Esta

técnica é identificada como MS/MS, no entanto pode-se aumentar o número de passos de

modo a efectuar MSn (n representa o número de gerações de iões a ser analisados).

Usando essa tecnologia, podemos retirar várias conclusões sobre a estrutura das

moléculas analisadas e os espectros obtidos dão-nos não só as formas de quebra molecular

mais frequente, como as mais favoráveis.

2. METODOLOGIA

2.Metodologia


2.1. REAGENTES E SOLUÇÕES

De forma a minimizar as fontes de contaminação, todo o material utilizado foi lavado

com água, sendo posteriormente imerso numa solução de derquim (2,5%) durante um período

de 12-24 horas. Em seguida o material foi lavado com água destilada e imerso durante 24

horas numa solução de HNO3 4 mol/L, sendo lavado novamente com água destilada.

2.1.1. REAGENTES

Foram utilizados os seguintes reagentes: Metanol e Acetato de Etilo (p.a.) da Panreac

Química SA; 4-Metilbenzilideno- Cânfora (≥98%), da Sigma Aldrich; Acetonitrilo e Clorofórmio

(qualidade para HPLC), da Lab – Scan analytical sciences; diclorometano (p.a.) da Riedel – de -

Haën; Cloreto de Sódio (p.a.) da Pronalab., Para o estudo da influência das substâncias

húmicas na fotodegradação do 4-MBC usaram-se ácidos húmicos comerciais (húmatos de

sódio da Fluka), e ácidos fúlvicos extraídos do rio Volga recolhidos na zona do Cabo Carvoeiro

em Setembro de 1991, segundo metodologia baseada na absorção em resina XAD – 8,

conforme descrito por Santos e Duarte (1998). A água ultrapura usada como solvente foi

obtida com um sistema Milli – Q (Millipore);

2.1.2. PREPARAÇÃO DE SOLUÇÕES PADRÃO DE 4-MBC

Foram preparadas soluções mãe de 4-MBC em acetonitrilo com concentrações

aproximadamente 500 e 40 mg/L. Para tal pesou-se, respectivamente, 12,5 e 2 mg do

composto 4 – MBC, e dissolveu-se em acetonitrilo num balão volumétrico de 25 mL e 50 mL

respectivamente. Estas soluções foram devidamente revestidas com papel de alumínio, de

modo a evitar o efeito da luz solar e foram posteriormente utilizadas na preparação dos

padrões de calibração para as análises por HPLC- UV e na preparação das soluções a irradiar.

A partir das soluções mãe referidas anteriormente, preparam-se sete soluções padrão,

por diluição em acetonitrilo. Para o estudo da fotodegradação das soluções de 4-MBC com

concentração inicial de 4 mg/L, a gama de concentrações dos padrões variou entre 0,5 e 8

mg/L. No caso dos estudos de fotodegradação das soluções de 4 – MBC de concentração inicial

0,2 mg/L, uma vez que estas soluções foram sujeitas a uma concentração prévia por extracção

2. Metodologia


em fase sólida (SPE), as concentrações dos padrões abrangeram uma gama mais alta, situando-

se entre 0,5 e 19 mg/L. Os balões volumétricos contendo estas soluções foram devidamente

envolvidos em papel de alumínio a fim de evitar o efeito da luz solar. Em cada dia de análise

das soluções irradiadas analisaram-se sempre dois padrões.

2.1.3. PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS PARA OS ESTUDOS DE

FOTODEGRADAÇÃO

2.1.3.1. Soluções de 4-MBC em água

De modo a estudar a fotodegradação do 4 – MBC em água Milli-Q, foram preparadas

soluções com duas concentrações diferentes de 4 – MBC com o intuito de verificar qual a

influência da concentração na degradação do composto. As concentrações do 4 – MBC

estudadas foram 4 mg/L e 0,2 mg/L em água Milli-Q, sendo preparadas a partir das soluções

mãe, 500 mg/L e 40 mg/L respectivamente, como referenciado na secção 2.1.2.

2.1.3.2. Soluções de 4-MBC contendo substâncias húmicas

Para o estudo da influência dos ácidos fúlvicos na fotodegradação do 4 – MBC foram

preparadas soluções com proporções diferentes de 4-MBC e ácidos fúlvicos extraídos do rio

Vouga. Soluções contendo 2 mg/L de ácidos fúlvicos e 4 mg/L de 4 – MCB em água Milli-Q

foram preparadas a partir de solução mãe de 4-MBC 500 mg/L e de uma solução mãe de

ácidos fúlvicos 20 mg/L em água Milli-Q. Soluções contendo 15 mg/L de ácidos fúlvicos e 0,2

mg/L de 4-MBC em água Milli-Q foram preparadas por diluição de solução mãe de 4-MBC 40

mg/L e de uma solução mãe de ácidos fúlvicos 50 mg/L em água Milli-Q. Embora as soluções

mãe de 4-MBC tenham sido preparadas em acetonitrilo, a percentagem de acetonitrilo nas

soluções finais foi sempre inferior a 1%.

Para estudar o efeito da natureza das substâncias húmicas na fotodegradação do 4-

MBC, preparam-se também soluções contendo 2 mg/L de ácidos húmicos comerciais (sal

sódico Fluka) e 4 mg/L de 4-MBC. Para a preparação dessas soluções usou-se solução mãe de

4-MBC 500 mg/L referida em 2.1.2., e solução mãe de ácidos húmicos comerciais 20 mg/L. Esta

última foi preparada por dissolução do sólido em água Milli-Q.

2.Metodologia


2.1.3.3. Soluções de 4-MBC contendo cloreto de sódio

Por último, foi efectuado um estudo para verificar qual a influência do cloreto na

degradação do 4 – MBC. Para a preparação dessas soluções usou-se solução mãe de 4-MBC

500 mg/L referenciada na secção 2.1.2. para preparar uma solução com concentração de 4

mg/L. Para a preparação das soluções de NaCl pesou-se aproximadamente 8,75 g de NaCl e

dissolveu-se em 100 mL de água Milli – Q e transferiu-se para um balão volumétrico de 250

mL. Adicionou-se 2 mL da solução mãe do 4 – MCB e perfez-se o volume do balão volumétrico.

Embora as soluções mãe de 4-MBC tenham sido preparadas em acetonitrilo, a percentagem de

acetonitrilo nas soluções finais foi sempre inferior a 1%.

2.2. IRRADIAÇÃO DAS AMOSTRAS

As amostras foram sujeitas a irradiação imediatamente após a sua preparação. Os estudos

de fotodegradação foram efectuados em tubos de quartzo, onde se colocaram 20 mL de

solução, tendo sido tapados com parafilme. Posteriormente, estes tubos foram colocados num

suporte adequado e sujeitos a radiação artificial utilizando um simulador solar Solarbox 1500

com uma lâmpada de Xenon, com uma irradiância constante de 550 W/m2. Na concentração

mais elevada de 4 – MBC, ou seja, 4 mg/L o efeito da radiação ao longo do tempo foi estudado

sujeitando diferentes tubos com amostra a diferentes tempos de irradiação: 0,5; 1; 2; 3; 4; 6;

8; 10; 18 horas, no caso do estudo da degradação em água os tempos estudados foram mais

longos até 44 horas de irradiação. Na concentração mais baixa de 4 – MBC (0,2 mg/L) as

amostras foram sujeitas a um tempo máximo de irradiação de 10 horas, sendo os tempos

estudados de 0,5; 1; 2; 3; 4; 8 e 10 horas. Em simultâneo com as amostras irradiadas foram

submetidas às mesmas condições, soluções de controlo colocadas em tubos de quartzo

revestidos com folha de papel alumínio mantidos no sistema de irradiação durante 18 horas

para a concentração mais elevada de 4 – MBC (4 mg/L) e 10 horas para a concentração mais

baixa de 4 – MBC (0,2 mg/L). Tanto para a amostra inicial, a qual não foi irradiada como para

cada tempo de irradiação considerado foram realizadas três réplicas não simultâneas.

Nos casos em que a concentração inicial de 4-MBC era 4 mg/L as soluções foram

analisadas logo após irradiação, por HPLC-UV conforme descrito em 2.4. No que se refere às

soluções de concentração mais baixa, ou seja de 0,2 mg/L de 4 – MCB, foi realizada uma pré-

2. Metodologia


concentração utilizando o método de SPE, conforme as condições descritas em 2.3., antes da

análise por HPLC-UV.

2.3. EXTRACÇÃO EM FASE SÓLIDA (SPE)

Neste trabalho a extracção em fase sólida foi utilizada com o principal propósito de pré –

concentrar as amostras mais diluídas (concentração inicial de 4-MBC = 0,2 mg/L) antes da

análise por HPLC-UV.

Os cartuchos utilizados para realizar a extracção em fase sólida foram cartuchos comerciais

supelclean envi-18 de 500 mg, adquiridos na Supelco (com diâmetro de poro de 75 Å e com

um tamanho de partícula de 56 μm). As condições de SPE utilizadas foram adaptadas das

propostas por Giokas et al. (2007b), para a pré-concentração de soluções 0,2 mg/L de 4-MBC

em água, antes e após irradiação, sendo em seguida descritas.

Os cartuchos inicialmente foram pré condicionados da seguinte forma:

2.5 mL de Acetato de etilo/ diclorometano 1:1 (v/v).

5 mL de metanol

3 mL de água Milli-Q

Posteriormente ao pré condicionamento do cartucho, fez-se passar 18 mL de amostra.

Em seguida procedeu-se à lavagem com 5 mL de água Milli – Q para remover alguns resíduos

da amostra e deixando-se secar o cartucho durante 30 minutos com corrente de azoto.

Depois da secagem do cartucho procedeu-se à eluição da amostra com 5 ml de

Acetato de etilo/diclorometano 1:1 (v/v). O eluato recolhido foi evaporado à secura sob

corrente de azoto, posteriormente o resíduo seco foi redissolvido com 300 µL de acetonitrilo e

analisado por HPLC-UV. Depois de se realizar a pré concentração, a amostra encontra-se 60 ×

mais concentrada do que a inicial.

2.Metodologia


2.4. ANÁLISE POR CROMATOGRAFIA LÍQUIDA DE ALTA

EFICIÊNCIA (HPLC) COM DETECTOR UV.

O estudo da degradação do 4 – MBC foi realizado utilizando como método a

cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) num equipamento Jasco HPLC apparatus,

equipado com uma bomba PU-980 e o detector Barspec UV , sendo o comprimento de onda

seleccionado de 300 nm.

A separação dos compostos foi efectuada com uma coluna Phenomenex C18

(150×4.60mm, 5 μm, 110 A °). As amostras foram injectadas num loop de 20 μL. A fase móvel,

composta pelos eluentes acetonitrilo / água (80:20) (v/v), com um fluxo de 0.7 mL min-1, sendo

está previamente filtrada utilizando filtros de 20 μm NL 16 (Schleicher & Schuell). Todas as

análises foram efectuadas à temperatura ambiente. Realizaram-se três réplicas das injecções

de cada amostra. Sendo a quantificação do 4 – MBC efectuada pelo método da recta de

calibração, ou seja, prepararam-se soluções padrão do 4- MBC na gama de concentrações em

que existe uma relação linear entre a absorvência e a concentração. Com o auxílio de uma

folha de cálculo é verificada a linearidade e é determinada a equação da recta (y = mx+b), que

posteriormente foi utilizada para saber a concentração do 4 – MBC presente na amostra.

2.4.1. ANÁLISE POR ESPECTROMETRIA DE MASSA

Os produtos de degradação formados durante a irradiação foram analisados por

espectrometria de massa utilizando ionização por electrospray, utilizando o espectrómetro de

massa electrospray linear ion trap.

O espectrómetro de massa trapa de iões linear LXQ (ThermoFinnigan, Palo Alto,USA)

foi utilizado em modo positivo, com as seguintes condições de electrospray: voltagem do

electrospray de 5 kV; temperatura do capilar de 275°C, o fluxo do gás de 25 unidades. No

modo negativo foram utilizadas as mesmas condições alterando apenas: a voltagem do

electrospray de 4,7kV. Foram realizados espectros de MS2 e MS3 nos iões de interesse,

variando a energia de colisão entre 18-40 de unidades arbitrárias. Para o tratamento de

resultados foi utilizado o programa de software Xcalibur (V2.0).

3. ESTUDO DA DEGRADAÇÃO DO 4-MBC EM ÁGUA

E NA PRESENÇA DE ÁCIDOS FÚLVICOS, ÁCIDOS

HÚMICOS E CLORETO

3. Estudo de fotodegradação do 4-MBC


3.1. ANÁLISE DO 4-MBC POR HPLC-UV: RECTAS DE

CALIBRAÇÃO E LIMITES DE DETECÇÃO

Uma vez que as análises das amostras foram efectuadas em diferentes dias, foram

preparadas soluções padrão de calibração sempre que necessário, não existindo, por isso,

apenas um valor de coeficiente de correlação e de limite de detecção (LOD), associados às

rectas de calibração, mas sim uma gama de valores. Os coeficientes de correlação foram

sempre superiores a 0,9995. Os LOD foram determinados com a ordenada na origem mais três

vezes o desvio padrão residual da recta; a conversão para unidades de concentração foi feita

dividindo pelo declive da recta. Foram usadas duas gamas de concentração dos padrões: uma

gama mais elevada (0,5 – 19 mg/L) com um LOD a variar entre 0,179 e 0,310 mg/L e uma gama

baixa (0,5 – 8 mg/L) com um LOD a variar entre 0,099 e 0,234 mg/L.

3.2. FOTOESTABILIDADE DE SOLUÇÕES DO 4 – MBC 4 mg/L

EM ÁGUA

Com o intuito de estudar a degradação do 4 – MBC foram preparadas soluções com uma

concentração aproximadamente 4 mg/L de 4 -MBC em água, sendo estas sujeitas a diferentes

tempos de irradiação.

Para garantir que quaisquer alterações observadas nas soluções eram atribuíveis à

fotodegradação, foram feitos ensaios de controlo, colocando no sistema de irradiação Solar

Box tubos de quartzo com a mesma solução em análise, revestidos com papel de alumínio,

durante o período máximo de irradiação. As variações de concentração observadas nas

soluções de controlo relativamente à concentração inicial foram sempre inferiores a 4,5%,

apesar de a temperatura atingida no sistema de irradiação Solar Box, durante longos períodos

de tempo de irradiação, ser bastante elevada (atingindo um máximo de 47 °C). Assim, pode

concluir-se que as alterações observadas nas soluções irradiadas são atribuíveis à

fotodegradação.

Na Figura 4 encontra-se representada a variação da concentração do E-4 – MBC em

água em função do tempo de irradiação.



Figura 4: Degradação do 4 – MBC em água ao longo do tempo de irradiação (

) .

Pela análise da Figura 4 pode-se verificar um acentuado decréscimo nos primeiros 30

minutos, o que demonstra que a degradação do 4 – MBC é bastante rápida nesse período de

tempo. Nos restantes tempos de irradiação verifica-se que este decréscimo é mais lento. Este

decréscimo inicial muito rápido pode ser explicado pela isomerização do composto, também

observada por outros autores (Rodil et al., 2009). De facto, o decréscimo acentuado do pico do

E-4-MBC é acompanhado de um aumento concomitante de um pico ao tempo de retenção de

9,70 minutos atribuível ao isómero Z. Na Figura 5 encontram-se representadas as áreas dos

picos dos isómeros E e Z do 4- MBC, normalizadas em relação ao seu valor máximo, em função

do tempo. Pode-se verificar que o decréscimo muito acentuado do isómero E nos primeiros 30

minutos de irradiação é concomitante com o aumento muito acentuado do pico do isómero Z.

De facto, a área do pico do isómero Z sofre um aumento muito acentuado inicialmente,

começando a decrescer a partir das 3 horas de irradiação, sendo este decréscimo gradual até

às 24 horas. No estudo de Rodil et al. (2009), referente à fotodegradação do 4-MBC em água,

os autores referem também a ocorrência de uma isomerização rápida do composto, após a

qual a proporção entre os dois isómeros se mantém constante. No presente trabalho também

se observou que a proporção entre os dois isómeros se mantinha constante (razão das áreas

dos picos constante) entre 30 minutos e 18 horas de irradiação. No entanto, os autores não

referem qualquer decréscimo lento das concentrações dos isómeros E e Z – 4 – MBC após a

isomerização inicial, decréscimo esse que foi observado no presente trabalho.

É de notar que no trabalho de Rodil e tal (2009) o isómero Z está presente mesmo para

um tempo de irradiação 0, indicando que a experiência foi iniciada com os dois isómeros já

presentes. No presente trabalho tal não se verifica (ver Figura 5) uma vez que se teve o

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Co

nce

ntr

ação

(mg/

L)

Tempo de irradiação (h)



cuidado de revestir as soluções com papel de alumínio após a sua preparação, demonstrando

que o reagente comercializado é o isómero E e que a protecção efectuada às soluções de E-4-

MBC com papel de alumínio evitou a isomerização do composto. De facto, fez-se o teste de

deixar algumas soluções sem protecção, isto é, expostas à luz existente no laboratório, e

verificou-se que, nesse caso, ocorria isomerização.

Figura 5: Áreas dos picos dos isómeros E e Z do 4- MBC normalizadas em relação ao seu valor máximo

em função do tempo de irradiação (

).

Rodil et al. (2009) analisaram as soluções de 4-MBC ao longo do tempo de irradiação

por HPLC-MS e quantificaram os isómeros Z e E em conjunto a partir da resposta conjunta dos

mesmos, tendo concluído que esta se mantinha constante ao longo do tempo de irradiação, o

que levou os autores a concluírem que o 4-MBC era foto-estável. No presente trabalho fez-se a

análise por HPLC-UV e não se dispunha de padrão para o Z-4-MBC. No entanto, considerou-se

que a área total dos dois picos seria uma boa forma de quantificar a concentração total dos

dois isómeros ao longo do tempo de irradiação, sobretudo se atendermos a que a proporção

entre os dois isómeros se mantém constante após a isomerização inicial. Assim, na Figura 6

apresenta-se a variação da área total dos dois picos ao longo do tempo de irradiação,

verificando-se um decréscimo da mesma, indicador da degradação dos dois isómeros, sendo

este facto contraditório em relação a afirmação de Rodil et al., (2009) de que o 4 – MBC é foto

– estável. A fotodegradação do 4 – MBC segue uma cinética de pseudo primeira ordem

conforme se pode verificar na Figura 7 onde se representa o ln( Atotal /A0total) em função do

tempo, sendo Atotal a área total dos dois picos (isómeros E e Z) ao fim de cada tempo e A0total a

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Ai/

Am

áx


Isómero E

Isómero Z



área total inicial. Giokas et al. (2007b) também referem uma cinética de pseudo primeira

ordem para a fotodegradação do 4 – MBC.

Figura 6: Perfil de variação da área total dos dois picos ao longo do tempo de irradiação (

).

Figura 7: Ajuste cinético de pseudo primeira ordem de ln( Atotal /A0total)em função do tempo (

).

É de referir no entanto que nem Rodil et al. (2009) nem Giokas et al. (2007b)

mencionam a ocorrência de quaisquer produtos de degradação. No entanto, no presente

trabalho, a análise dos cromatogramas obtidos com detecção ao comprimento de onda

seleccionado para o E – 4 – MBC (300 nm) revela o aparecimento de um pico adicional, para

além dos dois picos correspondentes aos isómeros E e Z, ao fim de 6 horas de irradiação. Esse

pico apresenta um tempo de retenção de 1,35 minutos, conforme se pode ver na Figura 8,

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 5 10 15 20 25 30

Ato

tal/

A0 t

ota

l


4 mg/l de 4 -MBC

y = -0,0442x - 0,1485R² = 0,9708

-1,4

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0 5 10 15 20 25 30

ln( A

tota

l/A

0 tota

l)

Tempo (h)



Figura 9:Perfil de variação da área do pico do produto 1 em função do tempo de irradiação.

onde se apresenta o cromatograma de uma solução de 4 – MBC após 24 horas de irradiação,

que corresponde ao tempo ao fim do qual o referido pico atinge a sua área máxima.

Na Figura 9 é apresentado o perfil de variação da área do pico adicional ao longo do

tempo de irradiação, podendo-se constatar que este aparece após seis horas e aumenta até às

24 horas, decrescendo para tempos de irradiação superiores.

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Áre

a d

o p

ico


1º ensaio

2ºensaio

3ºensaio

4ºensaio

0 100 200 300 400 500 600Tempo (segundos)

(Z) – 4-MBC

(E) – 4-MBC

pico 1pico do solvente

Figura 8: Cromatograma com detecção a 300nm correspondente ao pico adicional quando este atinge

o seu máximo com um tempo de irradiação de 24h.



No entanto, analisando os cromatogramas com detecção a outros comprimentos de

onda (250 e 270 nm, respectivamente) foi possível detectar não um mas quatro produtos de

degradação. Os tempos de retenção e os respectivos espectros estão indicados na Tabela 4. A

título de exemplo, na Figura 10 é apresentado um cromatograma, com detecção a 270 nm, no

qual são visíveis os quatro produtos de degradação.

Tabela 4: Tempos de retenção e respectivos espectros UV/Vis dos produtos de degradação e dos isómeros do 4 – MBC.

Produtos de degradação

Tempos de retenção (minutos)

Espectro UV/Vis

Produto 1 1,35

Produto 2 3,45

Produto 3 4,25

Produto 4 5,42

E – 4 – MBC 7,86

0,0

0,5

200 250 300 350 400

Ab

sorv

ânci

a

λ (nm)

0,0

0,1

0,2

200 300 400

Ab

sorv

ânci

a

λ (nm)

0,0

0,2

200 240 280 320 360 400Ab

sorv

ânci

a

0,00

0,05

0,10

0,15

200 250 300 350

Ab

sorv

ânci

a

λ (nm)

0,00,20,40,60,8

200 250 300 350 400

Ab

sorv

ânci

a

λ (nm)



Z- 4 - MBC 9,70

Figura 10: Cromotograma com detecção a 270 nm da solução 4 mg/de 4 – MBC L em água após 24h de irradiação.

Nas Figuras 11, 12 e 13 apresentam-se os perfis de variação da área dos picos

correspondentes aos restantes três produtos de degradação ao longo do tempo de irradiação.

Pela análise do perfil de variação da área do produto 2 pode-se verificar que este sofre um

aumento até às 32 horas de irradiação, começando a decrescer lentamente após esse tempo.

Figura 11: Perfil de variação da área do pico do produto 2 ao longo do tempo de irradiação.

0

0,2

0,4

200 250 300 350 400

Ab

sorv

ânci

a

λ (nm)

0 100 200 300 400 500 600 700 800Tempo (segundos)

Produto 1

Produto 2

Produto 3

Produto 4

(E) – 4 – MBC

(Z) – 4 – MBC

Pico do solvente

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Áre

a d

o p

ico


1º ensaio

2ºensaio

3ºensaio

4ºensaio



No que se refere ao perfil de variação da área do pico do produto 3 ao longo do tempo

de irradiação verifica-se que este aparece após 6 horas de irradiação apresentando um

aumento até às 24 horas, onde atinge o seu máximo. No entanto, após as 24 horas de

irradiação, verifica-se que este sofre um decréscimo bastante acentuado.


O produto 4 só foi detectado após 24 horas de irradiação (ou seja, aparece entre as 18

horas e as 24 horas). A área máxima deste pico foi observada após 24 horas de irradiação

verificando-se um decréscimo após esse tempo.


1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Áre

a d

o p

ico


1º ensaio

2ºensaio

3ºensaio

4ºensaio

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Áre

a d

o p

ico


1º ensaio

2ºensaio



3.3. EFEITO DA CONCENTRAÇÃO INICIAL DO 4-MBC

Uma vez que a concentração inicial de 4 – MBC é um pouco elevada relativamente às

concentrações ambientais, resolveu-se verificar se a concentração influencia a cinética de

degradação do 4 – MBC. Para isso, fez-se um estudo com um nível de concentração de 4-MBC

mais baixo, 0,2 mg/L. Neste estudo, como a concentração é muito pequena, teve de se

proceder à pré – concentração das soluções irradiadas, por extracção em fase sólida, conforme

descrito na secção 2.3. As soluções pré-concentradas foram então analisadas por HPLC – UV.

3.3.1. RECUPERAÇÕES DO 4-MBC E SEUS FOTOPRODUTOS NA PRÉ-

CONCENTRAÇÃO DAS SOLUÇÕES POR EXTRACÇÃO EM FASE SÓLIDA (SPE)

De modo a verificar se o processo de pré – concentração era eficiente, o mesmo

procedimento de pré-concentração foi aplicado às soluções de concentração inicial 4 mg/L ao

longo da sua irradiação. Analisaram-se as soluções antes e após pré-concentração e foram

determinados os valores de percentagem de recuperação, tanto para os isómeros do 4-MBC

como para os produtos de degradação. No caso dos produtos de degradação e do isómero Z –

4 – MBC, uma vez que não dispomos de padrões para a calibração, as percentagens de

recuperação foram calculadas com base nas áreas dos picos obtidos antes e após pré-

concentração e tendo em consideração o factor de concentração na SPE. No que refere ao

isómero E esta percentagem foi calculada a partir das concentrações antes e após pré-

concentração, as quais foram determinadas com base na recta de calibração. Na tabela

seguinte encontram-se as percentagens de recuperação dos produtos de degradação e dos

isómeros do 4 – MBC.

Tabela 5: Percentagens de recuperação do processo de SPE dos produtos de degradação e dos

respectivos isómeros (E e Z – 4 – MBC).

Produto 1 Produto 2 Produto 3 Produto 4 E - 4-MBC Z - 4-MBC

50 – 65% 20 – 25% 87 – 90 % 90 – 118% 90 – 104 % 90 – 95%

Como se pode verificar, obtiveram-se boas percentagens de recuperação dos produtos

3, 4, E - 4-MBC e Z - 4-MBC. No caso dos produtos 1 e 2 estas percentagens foram bastante

baixas, o que introduz limitações na sua análise durante os estudos de fotodegradação das

soluções de 4-MBC 0,2 mg/L.



3.3.2. COMPARAÇÃO DA FOTODEGRADAÇÃO DO 4-MBC EM

SOLUÇÕES 0,2 mg/L E 4 mg/L

Na Figura 14 apresenta-se a variação da concentração do 4 – MBC em solução,

normalizada em relação à concentração inicial, em função do tempo de irradiação das soluções

com concentrações iniciais 0,2 e 4 mg/L respectivamente. Neste caso foi possível verificar que

a degradação (isomerização) nos primeiros 30 minutos de irradiação é inferior no caso da

solução com concentração inicial de 0,2 mg/L de 4 – MBC e após 2 horas de irradiação a

degradação do 4 – MBC na solução menos concentrada parece ser sempre um pouco superior

à degradação da solução com uma concentração mais elevada. Na Figura 15 representa-se a

variação da área total dos dois picos (isómeros E e Z) normalizada em relação a área total

inicial. Também esta figura sugere que a percentagem de degradação para tempos superiores

a 2 horas de irradiação é um pouco maior na solução menos concentrada. A variação da

concentração inicial de 4 – MBC parece portanto alterar a cinética da reacção de

fotodegradação. Estes resultados encontram-se de acordo com os de Neamtu e Frimmel

(2006) uma vez que estes autores observaram a influência da concentração inicial na

degradação do nonilfenol. Estes autores concluíram que concentrações iniciais de nonilfenol

mais baixas aumentam a velocidade de degradação do nonilfenol.

Figura 14: Valores normalizados C/C0 em função do tempo de irradiação das soluções 0,2 e 4 mg/L de 4–

MBC em água (

).

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 5 10 15 20 25 30

C/C

0


0,2 mg/L de 4 -MBC em água

4 mg/Lde 4 -MBC em água




total inicial ao longo do tempo de irradiação (

).

No que se refere aos produtos de degradação pode-se verificar pela análise da Figura

16, correspondente ao cromatograma da solução 0,2 mg/L em água após 10 horas de

irradiação que é possível detectar quatro produtos de degradação do 4 – MBC. Uma vez que

estes produtos apresentam os mesmos tempos de retenção que os detectados durante a

irradiação de soluções de 4 – MBC com um nível de concentração mais elevada, isso leva a crer

que são os mesmo produtos de degradação.

Figura 16: Cromatograma da solução de 0,2 mg/L em água após 10 horas de irradiação, com detecção a 270 nm.

Nas Figuras 17, 18, 19 e 20 apresentam-se os perfis de variação das áreas dos picos dos

quatro produtos de degradação ao longo do tempo de irradiação

Pela análise da Figura 17 correspondente ao perfil de variação da área do pico do

produto 1 ao longo do tempo de irradiação, este pico apresenta uma área crescente ao longo

do tempo de irradiação, até ao tempo máximo estudado de 10 horas de irradiação. Esta

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 5 10 15 20 25 30

Ato

tal/

A0 t

ota

l

tempo de irradiação (h)

4 mg/L de 4 - MBC em água

0,2 mg/L de 4 - MBC em água

0 100 200 300 400 500 600 700Tempo (segundos)

Produto 1

Produto 2

Produto 3

Produto 4

Z – 4 -MBC

E – 4 -MBC



variação está de acordo com a que foi observada nas soluções mais concentradas onde

também se verifica que a área deste pico até as 10 horas de irradiação está a aumentar. Nas

soluções irradiadas com concentração de 4 mg/L de 4 – MBC só foi possível detectar o pico

após 6 horas de irradiação, enquanto que nestas soluções (0,2 mg/L do 4 – MBC) a sua

detecção ocorreu logo após 3 horas de irradiação. Tal facto é atribuível ao elevado factor de

concentração associado à extracção em fase sólida. De facto as soluções foram pré –

concentradas 60 vezes o que significa que a solução inicial de 0,2 mg/L no final do processo de

pré – concentração se encontra com uma concentração de 12 mg/L, ou seja, uma

concentração muito mais elevada que a solução de 4 mg/L do 4 – MBC.

Figura 17: Perfil de variação da área do pico ao longo do tempo de irradiação do produto 1.

Nas Figura 18 e Figura 19 encontram-se representados os perfis de variação das áreas

dos picos dos produtos 2 e 3 ao longo do tempo de irradiação, respectivamente, verificando-se

que estes apresentam uma área crescente ao longo do tempo de irradiação, até ao tempo

máximo estudado de 10 horas de irradiação. Esta variação está de acordo com a que foi

observado nas soluções mais concentradas onde também se verifica que as áreas destes picos

aumentam até às 10 horas de irradiação. Nas soluções irradiadas com concentração de 4 mg/L

de 4 – MBC só foi possível detectar ambos os picos após 6 horas de irradiação, enquanto que

nestas soluções (0,2 mg/L do 4 – MBC) a detecção do produto 2 ocorreu logo após 4 horas de

irradiação e do produto 3 após 3 horas de irradiação. Como citado anteriormente este facto é

atribuível ao elevado factor de concentração associado à extracção em fase sólida.

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 2 4 6 8 10 12

Áre

a d

o p

ico


1º ensaio

2º ensaio

3º ensaio





No que se refere ao perfil de variação da área do pico do produto 4, representado na

Figura 20 verifica-se que este apresenta uma área crescente até às 8 horas de irradiação e

posteriormente a esse tempo começa a decrescer até ao tempo máximo estudado de 10 horas

de irradiação. Esta variação não está de acordo com a observada na solução mais concentrada,

onde o pico aparece entre as 18 horas e as 24 horas, a sua área máxima ocorre após 24 horas

de irradiação e posteriormente é verificado um decréscimo. Neste caso verifica-se que a

detecção ocorre mais cedo, surgindo após 4 horas de irradiação. Tal facto é atribuível ao

elevado factor de concentração associado à extracção em fase sólida, como citado

anteriormente. O facto de ser observado um decréscimo após 8 horas de irradiação na solução

menos concentrada sugere uma degradação mais rápida deste produto intermediário nas

soluções mais diluídas, sendo necessário efectuar mais estudos de forma a compreender este

comportamento.

2500

2700

2900

3100

3300

3500

3700

3900

0 2 4 6 8 10 12

Áre

a d

o p

ico


1º ensaio

2 ensaio

3º ensaio

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 2 4 6 8 10 12

Áre

a d

o p

ico


1º ensaio

2º ensaio

3º ensaio




De um modo geral, podemos concluir que embora haja um ligeiro aumento da

velocidade de degradação nas soluções mais diluídas, os produtos que se formam são os

mesmos e, à excepção do produto 4, apresentam os mesmos perfis de variação ao longo do

tempo.

3.4. EFEITO DAS SUBSTÂNCIAS HÚMICAS

Num estudo realizado por Giokas et al. (2007b), sobre a fotodegradação do 4 – MBC na

presença de substâncias húmicas, os autores concluíram que na presença de substâncias

húmicas a degradação do 4 – MBC sofria um aumento. No entanto, o efeito das substâncias

húmicas depende da natureza das mesmas (Zhan et al., 2006).

Assim, no presente trabalho incluiu-se um estudo do efeito de ácidos fúlvicos extraídos

do rio Vouga (Santos e Duarte, 1998) na fotodegradação do 4 – MBC.

3.4.1. EFEITO DE ÁCIDOS FÚLVICOS DO RIO VOUGA NA

FOTODEGRADAÇÃO DO 4-MBC

O efeito dos ácidos fúlvicos na fotodegradação do 4-MBC foi estudado usando duas

proporções diferentes entre a concentração de 4-MBC e ácidos fúlvicos: 15 mg/L de ácidos

fúlvicos com 0,2 mg/L de 4 – MBC (ou seja, correspondente a uma razão de 75:1) e 2 mg/L de

ácidos fúlvicos com 4 mg/L de 4 – MBC (correspondente a uma razão de 0,5:1).

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 2 4 6 8 10 12

Áre

a d

o p

ico


1º ensaio

2ºensaio

3º ensaio



No caso do nível de concentração do 4 – MBC mais baixo teve de se proceder a uma pré-

concentração das soluções por extracção em fase sólida antes da análise, conforme descrito na

secção 2.3.

Na Figura 21 apresentam-se os valores de C/C0 em função do tempo de irradiação para

as soluções com concentrações iniciais de E – 4 – MBC de 4 mg/L, na presença e ausência de

ácidos fúlvicos. Pela análise da Figura pode-se verificar que a cinética de degradação do 4 –

MBC não é afectada na presença de ácidos fúlvicos, quando utilizada uma proporção de ácidos

fúlvicos e 4 – MBC de 0,5:1.

Figura 21: Comparação da degradação do 4 – MBC (4mg/L) em água e na presença de 2 mg/L de ácidos

fúlvicos com uma concentração inicial de 4 mg/L de 4 – MBC ao longo do tempo de irradiação

(

).

Na Figura 22 apresentam-se os valores de C/C0 em função do tempo de irradiação para

as soluções com concentrações iniciais de E – 4 – MBC de 0,2 mg/L, na presença e ausência de

ácidos fúlvicos. A análise da Figura 22 sugere que, nas soluções de 0,2 mg/L de 4-MBC,para

uma proporção elevada de ácidos fúlvicos: 4 – MBC, o decréscimo inicial do isómero E é mais

rápido na presença de ácidos fúlvicos do que em água. No entanto, para tempos de irradiação

superiores a 2 horas, a percentagem de degradação do 4-MBC é idêntica na presença e na

ausência de ácidos fúlvicos. Na Figura 23 representa-se a variação da área total dos dois picos

(isómeros E e Z) normalizada em relação a área total inicial, verificando-se que estes

resultados não evidenciam um efeito claro dos ácidos fúlvicos na cinética de degradação do 4 –

MBC.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

C/C

0


Na presença de 2 mg/L de AF e 4 mg/L de 4- MBC

4 mg/L de 4 -MBC em água



Figura 22: Comparação da degradação do 4 – MBC em água e na presença de 15 mg/L de ácidos fúlvicos

com uma concentração inicial de 0,2 mg/L de 4 – MBC ao longo do tempo de irradiação (

).

Figura 23: Perfil de variação da área total dos dois picos (isómeros E e Z) normalizada em relação a área total inicial ao longo do tempo de irradiação na presença e ausência de ácidos fúlvicos com uma

concentração de 4 – MBC 0,2 mg/L e 15 mg/L de ácidos fúlvicos (

).

Estes resultados contrastam com os de Giokas et al, (2007b) uma vez que estes

autores observaram um efeito positivo de ácidos húmicos comerciais, isto é, verificaram que

estes actuavam como foto-sensibilizadores. Este facto pode-se dever à influência da natureza

das substâncias húmicas, uma vez, que o efeito destas depende da natureza das mesmas (Zhan

et al., 2006).

No que se refere aos produtos de degradação neste estudo era de esperar o

aparecimento de pelo menos três produtos de degradação uma vez que o quarto produto na

solução de 4 mg/L de 4 – MBC em água só aparece após 24 h de irradiação e como neste

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 2 4 6 8 10 12

C/C

0


0,2 mg/L de 4 -MBC em água

Na presença de 15 mg/L de AF e 0,2 mg/L de água

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 2 4 6 8 10 12

Ato

tal/

A0 to

tal


Na presença de 15 mg/L de ácidos fúlvicos e 0,2 mg/L de 4 - MBC

0,2 mg/Lde 4- MBC em água



estudo o tempo máximo de irradiação foi de 18 horas não era esperado o aparecimento desse

produto. Ao contrário do que era esperado, na solução de 2 mg/L de ácidos fúlvicos e 4 mg/L

de 4 – MBC só foi detectado um produto de degradação com um tempo de retenção de 3,40

minutos, o qual corresponde ao produto 2. Na Figura 24 encontra-se representado o perfil de

variação da área do pico do produto 2 na presença e ausência de ácidos fúlvicos em função do

tempo de irradiação. Como se pode observar na Figura a variação da concentração deste

produto ao longo do tempo é idêntica na presença e ausência de ácidos fúlvicos

O facto de só se identificar um produto de degradação leva-nos a concluir que, embora

os ácidos fúlvicos não afectem a velocidade de degradação do E-4 – MBC, afectam a formação

de produtos intermediários.

Figura 24: Perfil de variação da área do pico do produto 2 na presença e ausência de ácidos fúlvicos em

função do tempo de irradiação (

).

Na solução de 0,2 mg/L de 4 – MBC e 15mg/L de ácidos fúlvicos teve de se recorrer ao

método de pré concentração e verificou-se que esse produto não aparecia. No entanto

observa-se o aparecimento de um pico intenso com um tempo de retenção de 2,20 minutos,

não correspondendo a qualquer produto de degradação identificado anteriormente, o qual

está presente logo na solução inicial, antes de irradiar. A fim de averiguar se este pico podia

ser atribuído aos ácidos fúlvicos preparou-se uma solução com 15 mg/L de ácidos fúlvicos, a

qual foi sujeita a uma pré – concentração, como descrito na secção 2.3, sendo posteriormente

analisada por HPLC-UV. Comparando a Figura 25 onde se apresenta o cromatograma da

solução inicial de 0,2 mg/L de 4 – MBC e 15 mg/L de ácidos fúlvicos, com a Figura 26

correspondente à solução de 15 mg/L de ácidos fúlvicos pode-se concluir que o pico intenso é

correspondente aos ácidos fúlvicos. O facto de o produto 2 não ser identificado pode-se dever

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 10 20 30 40 50

Áre

a d

o p

ico


Ácidos Fúlvicos

Água



a um obscurecimento devido à banda intensa referente aos ácidos fúlvicos, e também devido

ao facto de a % de recuperação do método de SPE do produto 2 ser muito pequena, como se

pode comprovar na secção 3.3.1. Além disso, esta percentagem de recuperação pode ter sido

afectada pela presença de ácidos fúlvicos, uma vez que as percentagens de recuperação

apresentadas em 3.3.1 foram determinadas na ausência destes.

Figura 25:Cromatograma da solução de 0,2 mg/L de 4- MBC e 15 mg/L de ácidos fúlvicos sem irradiar com detecção a 300 nm.

Figura 26:Cromatograma da solução de ácidos fúlvicos com detecção a 300 nm.

Podemos portanto concluir que os resultados não evidenciam uma aceleração da

degradação do 4 – MBC na presença de ácidos fúlvicos mesmo utilizando proporções elevadas

de ácidos fúlvicos : 4 –MBC, contrariamente ao observado por Giokas et al.,(2007b) na

influencia de ácidos húmicos comerciais. No entanto, a formação de produtos intermediários é

alterada na presença de ácidos fúlvicos.

0 100 200 300 400 500 600 700

Tempo (segundos)

0 100 200 300 400 500 600 700

Tempo (segundos)



3.4.2. EFEITO DOS ÁCIDOS HÚMICOS COMERCIAIS NA

DEGRADAÇÃO DO 4 - MBC

A fim de verificar se a natureza das substâncias húmicas influencia a formação dos

produtos intermediários de degradação do 4 – MBC foi efectuado um estudo de degradação

na presença de ácidos húmicos comerciais. Para tal foi utilizada uma concentração de ácidos

húmicos de 2mg/L e 4 mg/L de 4 – MBC. Na Figura 27 encontra-se representada a degradação

do 4 – MBC na presença de ácidos húmicos ao longo do tempo de irradiação.

Figura 27: Degradação do 4 – MBC (4 mg/L) em água e na presença de 2 mg/L de ácidos húmicos ao

longo do tempo de irradiação (

).

Pela análise da Figura 27 pode-se verificar que a degradação do 4 – MBC em água e na

presença de ácidos húmicos apresenta o mesmo comportamento ao longo do tempo de

irradiação. Este facto leva a concluir que a cinética da reacção de degradação do 4 – MBC não

sofre alteração na presença de ácidos húmicos, nesta proporção de ácido húmicos para 4 –

MBC, o que está de acordo com o observado nos ácidos fúlvicos.

No estudo da degradação do 4 – MBC na presença de ácidos húmicos comerciais só foi

possível detectar um produto de degradação, com um tempo de retenção de 3,40minutos,

correspondente ao produto 2. Tal facto encontra-se de acordo com o verificado no estudo da

influência dos ácidos fúlvicos, evidenciando também só o aparecimento deste mesmo produto

de degradação. Na Figura 28 encontra-se representado o perfil de variação da área do pico

correspondente a este produto 2 na presença de ácidos húmicos comerciais, na presença de

ácidos fúlvicos e em água em função do tempo de irradiação. Como se pode verificar o perfil

de variação da área do pico do produto 2 é muito semelhante, verificando-se apenas que a

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Co

nce

ntr

ação

(mg/

L)


Ácidos húmicos

Água



detecção deste produto ocorreu mais cedo na presença de ácidos húmicos e fúlvicos,

formando-se após 4 horas de irradiação.

Figura 28: Produto de degradação a um tempo de retenção de 3,45 minutos, com detecção a 250nm na

presença de ácidos húmicos, ácidos fúlvicos e água durante o período de irradiação (

).

3.5. FOTODEGRADAÇÃO DO 4 -MBC NA PRESENÇA DE CLORETO

Por último foi efectuado um estudo para verificar se a degradação do 4 – MBC era

afectada na presença de cloreto. Neste estudo a concentração de 4 –MBC utilizada é de 4 mg/L

e 35 g/L de coreto de sódio. Na Figura 29 encontra-se representada a degradação do 4 - MBC

na presença e ausência de cloreto.

Figura 29: Comparação da degradação do 4 – MBC (4 mg/L) em água e na presença de cloreto ao longo

do tempo de irradiação (

).

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

Áre

a d

o p

ico


ácidos húmicos

Ácidos fúlvicos

Água

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Co

nce

ntr

ação

(mg/

L)

Tempo de irradaiação (h)

Cloreto

Água



Comparando a degradação do 4 – MBC em água e na presença de cloreto pode-se

constatar que inicialmente ocorre um decréscimo rápido da concentração do E-4-MBC nos

primeiros 30 minutos, atribuível à isomerização e nos tempos de irradiação seguintes a

degradação na presença de cloreto é mais acentuada. Este facto, leva a concluir que a

degradação do 4 – MBC sofre uma pequena aceleração na presença de cloreto. Esta

aceleração da degradação do 4-MBC na presença de cloreto é melhor evidenciada pela análise

da Figura 30, onde se apresenta a variação da área total dos picos dos dois isómeros do 4-MBC

em função do tempo.


total inicial ao longo do tempo de irradiação (

).

Estes resultados contrastam com os de Giokas et al. (2007b) uma vez que estes autores

observaram um efeito de inibição na degradação do 4 – MBC na presença de cloreto. Outros

autores (Grebel et al., 2009; Baycan et al., 2007), também verificaram que a degradação de

compostos orgânicos na presença de cloreto sofre uma inibição, dado que os iões Cl-

funcionam como sequestradores dos radicais hidroxilo, os quais estão envolvidos na

fotodegradação de muitos contaminantes.

No que se refere aos produtos de degradação, na presença de cloreto foram apenas

detectados dois produtos, com os tempos de retenção 3,45 e 4,59 minutos, correspondentes

aos produtos 2 e 3. Este facto, revela que o cloreto pode afectar a formação de produtos

intermediários da degradação, uma vez que na solução de 4 mg/L em água até 18 horas de

irradiação foi possível detectar três produtos de degradação.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 5 10 15 20 25 30

Ato

tal/

A0 t

ota

l


Na presença de cloreto

Água



Na Figura 31 encontra-se o perfil de variação do produto 2 detectado na presença e

ausência de cloreto. Pela análise da Figura 31 pode-se verificar que o comportamento na

ausência e presença de cloreto é semelhante.

Figura 31: Perfil de variação da área do pico do produto 2 na presença e ausência de cloretos ao longo do

tempo de irradiação (

).

Na Figura 32 encontra-se representado o perfil de variação do produto 3 na presença e

ausência de cloreto. Pela análise da Figura pode-se verificar que a formação do produto 3 na

presença do cloreto é retardada, uma vez que este aparece só após 10 horas de irradiação.

Figura 32: Perfil de variação da área do pico do produto 3 na presença e ausência de cloretos ao longo do

tempo de irradiação (

).

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48

Áre

a d

o p

ico


Cloreto

água

0

1000

2000

3000

4000

0 10 20 30 40

Áre

a d

o p

ico


Cloreto

Água

4. IDENTIFICAÇÃO DOS PRODUTOS DE

DEGRADAÇÃO POR ESPECTROMETRIA DE MASSA

4. Identificação dos produtos de fotodegradação


4.1. RECOLHA DOS PRODUTOS DE DEGRADAÇÃO E ANÁLISE POR

ESPECTROMETRIA DE MASSA

A fim de se proceder à identificação por espectrometria de massa dos produtos de

degradação do 4 - MBC, recolheu-se cada pico do cromatograma à saída do detector do HPLC-

UV. Para se proceder a esta recolha foi efectuada uma pré – concentração por SPE, como

descrito na secção 2.1.4,da solução de 4 mg/L de 4-MBC ao fim de 18 horas de irradiação. Na

Figura 33 encontra-se o cromatograma da solução após pré concentração.

Figura 33: Cromatograma correspondente a amostra pré concentrada com detecção a 300 nm.

As soluções correspondentes a cada pico foram recolhidas, concentradas por

evaporação sob azoto e as soluções foram analisadas posteriormente por HPLC – UV de forma

a confirmar que se havia recolhido o pico pretendido. Nas Figuras 35, 36, 38, 39, 41 e 42

encontram-se os cromatogramas das soluções correspondentes a cada composto recolhido.

0 100 200 300 400 500 600 700 800Tempo (segundos)

Pico 1

Pico 3

Pico 4

Pico 2

Isómero Z

Isómero E



Figura 34:Cromatograma correspondente a amostra pré – concentrada.

Figura 35: Cromatograma correspondente ao pico 1 recolhido da amostra pré concentrada com detecção a 270 nm.


0 100 200 300 400 500 600 700Tempo (segundos)

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Tempo (segundos)

0 100 200 300 400 500 600 700Tempo (segundos)



Figura 37: Cromatograma correspondente a amostra pré concentrada.


Figura 39: Cromatograma correspondente ao pico 4 recolhido da amostra pré concentrada com detecção a 270nm.

0 100 200 300 400 500 600 700

Tempo (segundos)

0 100 200 300 400 500 600 700Tempo (segundos)

0 100 200 300 400 500 600 700Tempo (segundos)



Figura 40: Cromatograma correspondente a amostra pré concentrada.

Figura 41: Cromatograma correspondente ao isómero Z recolhido da amostra pré concentrada com detecção a 300 nm.

Figura 42: Cromatograma correspondente ao isómero E recolhido da amostra pré concentrada com detecção a 300 nm.

0 100 200 300 400 500 600 700

Tempo (segundos)

0 100 200 300 400 500 600 700Tempo (segundos)

0 100 200 300 400 500 600 700Tempo (segundos)



Como se pode verificar pelas Figura 35, 36, 38, 39, 41 e 42 a separação dos compostos foi

bem sucedida, tendo-se conseguido obter soluções puras de cada um dos produtos de

degradação. Posteriormente à recolha dos produtos estes foram analisados por

espectrometria de massa. Nas Figuras 43, 44, 45 e 46 são apresentados os espectros de ESI-MS

no modo negativo, representativos de cada um dos quatro produtos de degradação do 4 –

MBC separados no HPLC-UV.

Os espectros de ESI-MS dos quatro produtos de degradação do 4 - MBC foram obtidos no

modo negativo e positivo. No entanto, no modo positivo não foi possível identificar qualquer

produto de degradação devido às características estruturais do 4 – MBC. No que se refere aos

isómeros E e Z do 4 – MBC não foi possível a sua identificação tal facto é devido à sua difícil

ionização.

Figura 43: Espectros de ESI-MS do produto 1.

200 400 600

m/z

0

20

40

60

80

100

Rel

ativ

e A

bund

ance

285,1

325,1

398,7 662,6487,2 562,7265,0154,8

[M - H]




200 300 400 500

m/z

0

20

40

60

80

100

Rela

tive A

bundance

402,9

404,9

406,9

308,9

328,9 546,9303,0 407,9214,8

200 400 600

m/z

0

20

40

60

80

100

Rela

tive A

bundance

285,1

653,3562,8325,2

462,8654,4

265,1 587,2199,0


[M - H]

[M - H]




Os espectros ESI – MS no modo negativo representados nas Figuras 49, 50, 51 e 52

correspondentes aos quatro produtos de degradação revelam a presença de iões com

abundância relativa elevada, encontrando-se na Tabela seguinte os iões [M - H] de maiores

abundâncias relativas referentes aos quatros produtos de degradação. Como se pode verificar

pela análise dos espectros ESI – MS dos produtos 1 e 3 estes apresentam um ião com o mesmo

valor do m/z com a maior abundância relativa o que nos leva a concluir que estes apresentam

a mesma formula molecular, mas estruturas diferentes, uma vez que o produto 1 é detectado

primeiro que o produto 3 quando se faz a análise por HPLC – UV, o que significa que o produto

1 é mais polar que o produto 3.

Tabela 6: Iões [M - H]

de maiores abundâncias relativas referentes aos quatros produtos de degradação.

Produtos

ESI – MS

Iões [M - H] Identificação

Produto 1 285,1 4- MBC + (OH)2

Produto 2 402,9 4- MBC + (C7H2O4)

Produto 3 285,1 4- MBC + (-OOH)

Produto 4 653,4 4- MBC + (4- MBC +C10H10O)

200 400 600

m/z

0

20

40

60

80

100

Rela

tive A

bundance

653,4

654,5487,4447,3255,2 521,0

339,3 568,8154,9

[M - H]



Após a análise dos espectros ESI – MS vai ser efectuada a caracterização estrutural dos

produtos de degradação por espectrometria de massa tandem vão ser analisados os espectros

ESI – MS/MS de modo a verificar a fragmentação dos produtos, bem como a sua identificação.

4.1. CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL DOS PRODUTOS DE

DEGRADAÇÃO POR ESPECTROMETRIA DE MASSA TANDEM

4.1.1. PRODUTO 1

Como referenciado anteriormente foi efectuado o estudo por espectrometria de

massa tandem. Na Figura 47 encontra-se o espectro de ESI – MS/MS correspondente ao ião

m/z 285, ou seja ao ião com maior abundância relativa presente na amostra do produto 1.

Através da fragmentação do ião m/z 285 pode-se verificar que o ião que se forma com maior

abundância relativa é o ião de m/z 267, formado por perda de água (-H2O, -18 Da). Neste

espectro observam-se ainda os iões de m/z 147, formado a partir do ião m/z 285 por perda de

C9H140. O ião m/z 249 forma-se por perda de duas moléculas de água. Por seu lado o ião m/z

239 ocorre por perda do carbonilo, o ião m/z 225 por perda de C3H5. Por último o ião m/z 211

forma-se por fragmentação do ião m/z 267 por perda de C4H8. Na Figura 48 encontra-se o

esquema das possíveis fragmentações seguidas pelo ião m/z 285 formado por oxidação do 4 –

MBC (m/z 253) após degradação.

Figura 47: Espectros de ESI-MS/MS do ião m/z 285.

100 150 200 250 300

m/z

0

20

40

60

80

100

Rela

tive A

bundance

267,0

249,0

210,9

146,8

106,8 196,9158,9 285,1



Figura 48: Esquema das possíveis vias de fragmentação produto 1 resultante da degradação do 4 – MBC.

- H2O

+ (OH) 2

- H2O

- C3H5 - CO - C4H8

- C9H14O

m/z= 253

m/z= 285

m/z= 147 m/z= 267

m/z= 225 m/z= 239 m/z= 249 m/z= 211



CH3CH3

CH3

OH

-

CH

OH

OH

-

CH3CH3

CH3

O

-

CH3

O

OH

-

m/z=225 m/z=211

m/z=147

m/z=239

m/z=253

CH3

CH3CH3

CH3

O

-

CH3CH3

CH3

O

OH

OH

-

m/z=249

m/z=285

CH3CH3

CH3

O

OH

-

m/z=267

+(OH)2

- H2O

- H2O

- CO - C3H8

- C9H14O

- C4H8

Figura 49: Possíveis vias de fragmentação do produto 1

O

OH

_



4.1.2. PRODUTO 2

O produto 2 foi o segundo a ser detectado na análise por HPLC- UV, o que leva a

concluir que é menos polar que o produto 1.

Na Figura 50 encontra-se o espectro de ESI – MS/MS correspondente ao ião m/z 403,

ou seja ao ião com maior abundância relativa presente na amostra do produto 2. Através da

fragmentação do ião m/z 403 pode-se verificar que o ião fragmento com maior abundância

relativa é o ião de m/z 309, sendo formado por perda C7H10. Na Figura 51 encontra-se

representado o espectro ESI – MS3 correspondente ao ião de m/z 309, que fragmenta para o

ião m/z 265, por perda de CO2. O ião com maior abundância relativa deste espectro de MS3 é o

ião de m/z de 215, sendo formado por fragmentação do ião m/z 309 por perda de CH2O5. Na

Figura 53 encontram-se apresentadas as possíveis vias de fragmentação do produto 2,

podendo-se verificar que o composto original sofrer oxidação após a degradação, e para

ocorrer a formação do produto 2 este sofre dimerização.

Figura 50: Espectros de ESI-MS/MS do ião m/z 403.

200 300 400

m/z

0

20

40

60

80

100

Rel

ativ

e A

bund

ance

308,8

402,8214,7 358,6248,8180,8



Figura 51: Espectros de ESI-MS3 do ião m/z 309.

100 150 200 250 300

m/z

0

20

40

60

80

100

Rela

tive A

bundance

214,8

308,8264,7112,7 170,7

Figura 52: Esquema das possíveis vias de fragmentação para a formação do produto 2 resultante da degradação do 4 – MBC.

- C7H10

+ C7H2O4

- CO2

- CH2O5

m/z= 253

m/z= 402

m/z= 309

m/z= 265 m/z= 215



CH

_

Figura 53: Possíveis vias de fragmentação do produto 2.

CH3CH3

O

OOH

O

OH

-

O

OOH

O

OH

CH

_

OOH

O

CH

_

m/z=253

m/z=265

m/z=403

m/z=215

m/z=121

CH3

CH3CH3

CH3

O

_

m/z=309

- C7H10

- CO2

+ C7H2O4

- CH2O5



80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

m/z

0

20

40

60

80

100

Rela

tiv

e A

bundance

267,0

285,0

210,9146,8 249,0239,0225,0196,9106,7 184,9158,8 271,9173,0134,8

4.1.3. PRODUTO 3

Como referido anteriormente o espectro ESI – MS do produto 3 apresenta um ião de

m/z 285, com a maior abundância relativa, e curiosamente com o mesmo valor do m/z do ião

observado no espectro de ESI-MS do produto 1. Pela análise do espectro ESI – MS/MS

representado na Figura 54, do ião com maior abundância relativa do produto 3, ou seja, o ião

com m/z 285 verifica-se que a fragmentação seguida por este ião é semelhante à seguida pela

fragmentação do ião m/z 285 do produto 1. Através da fragmentação do ião m/z 285 pode-se

verificar que o ião que se forma com maior abundância relativa é o ião m/z 267, resultante da

perda de água. Por outro lado, o ião m/z 147 forma-se a partir do ião m/z 285 por perda de

uma molécula neutra de fórmula C9H140. Os restantes iões apresentados no espectro ESI –

MS/MS do ião m/z 285 formam-se a partir do ião m/z 265, no caso do ião m/z 249 por perda

de água, no caso do ião m/z 239 por perda do carbonilo, o ião m/z 225 por perda de C3H5. Por

último o ião m/z 211 forma-se a por perda de C4H8.

Na Figura 55 encontra-se representado as possíveis vias de fragmentação seguidas

pelo produto 3.

Figura 54: Espectro ESI – MS/MS do ião m/z 285.



CH3

CH

OOH

-

CH3CH3

CH3

O

OH

_

CH3CH3

CH3

O

-

Figura 55: Possíveis vias de fragmentação do produto 3.

CH3CH3

CH3

OH

-

CH3

O

OH

-

CH3

CH3CH3

CH3

O

OOH

-

CH3

CH3CH3

CH3

O

_

m/z=253

m/z=285

m/z=225

m/z=211

m/z=239

m/z=249

m/z=147

m/z=267

-H2O

-CH3

-H2O

-CO

+(OOH)

- C9H14O

- C3H5

O

OH

_

m/z=211

- C4H8



4.1.4. PRODUTO 4

No que se refere ao produto 4 pela análise do espectro ESI – MS foi possível verificar

que o ião com maior abundância relativa foi o ião m/z 653. No entanto, não foi possível obter

o espectro ESI MS/MS desse ião. No entanto apresentamos na Figura 56 uma possível

estrutura para o produto 4, apenas baseado no seu peso molecular, sendo necessárias análises

futuras para confirmar, ou não, a estrutura deste composto. Pela análise da Figura pode-se

verificar que o composto original 4 – MBC sofre dimerização no processo de degradação

levando assim à formação do produto 4.

CH3CH3

CH3

OCH3CH3

CH3

O

CH3CH3

CH3

O

Figura 56: Possível estrutura do produto 4.

5. CONCLUSÕES

5. Conclusões


O trabalho desenvolvido teve como principal objectivo o estudo do efeito de luz solar

simulada na fotodegradação do 4 – MBC, estudar a influência da presença de ácidos fúlvicos e

iões cloreto na degradação do 4 - MBC, bem como a identificar produtos de degradação,

inerentes da fotodegradação do 4 – MBC.

Este estudo permitiu concluir que ocorria a formação de produtos de degradação durante

o processo de irradiação com luz solar simulada, sendo possível detectar quatro produtos

resultantes da degradação do 4 – MBC em água. Este facto é de bastante relevo visto que não

existe nunhum estudo na literatura que relate a formação de produtos de degradação em

águas naturais. Através da análise por espectrometria de massa tandem foi possível propor

estruturas para os quatro produtos de degradação, concluindo-se que o primeiro produto

formado se refere a um hidroxilado, o segundo é formado por ligação do composto original (4

– MBC) a um fragmento do mesmo, assim como o produto 4, e por último o produto 3

corresponde a um composto peroxilado. O estudo da degradação em soluções com

concentração inicial de 4 – MBC muito mais baixa permitiu concluir que se formavam os

mesmos de produtos de degradação. No que se refere a degradação do 4 – MBC na presença

de ácidos fúlvicos e ácidos húmicos foi possível concluir que estes afectam a formação dos

produtos de degradação, tendo só sido detectado unicamente o produto 2. Na presença de

cloreto também se pode concluir que este afecta a formação dos produtos de degradação,

sendo detectado o produto 2 e o produto 3. Nenhum dos produtos referidos no presente

trabalho foi detectado no estudo de Sakkas et al. (2009), referente à degradação do 4 – MBC

catalisada por TiO2.

No que se refere à velocidade de degradação do 4 – MBC foi possível concluir que este

composto sofre uma isomerização muito rápida, após trinta minutos de irradiação. Após esse

tempo a concentração dos dois isómeros decresce lentamente ao longo do tempo de

irradiação. No que se refere aos ácidos fúlvicos não foi observado um efeito claro destes na

velocidade de degradação do 4 - MBC, mesmo utilizando proporções de ácidos fúlvicos: 4 –

MBC diferentes. Referente aos ácidos húmicos comerciais também não foi possível verificar

alterações na cinética de degradação do 4 – MBC.

Por último no estudo da degradação do 4 – MBC na presença de cloretos os resultados

sugerem que estes influenciam a cinética de degradação do 4- MBC, tornando a degradação

deste mais rápida.

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