Disolventes supramoleculares funcionales utilizando agua como agente coacervantemodelado, caracterización y aplicaciones analíticas

Resumen

1. Introducción o motivación de la tesis Las investigaciones desarrolladas en esta Tesis Doctoral han tenido como finalidad la síntesis, caracterización y aplicación de disolventes supramoleculares (SUPRAS) [1] diseñados para aportar soluciones concretas en dos ámbitos en los que los procesos de extracción son de gran relevancia: el tratamiento de muestras para el análisis químico de contaminantes, y la recuperación de sustancias bioactivas a partir de biomasa vegetal para aplicación en la industria alimentaria. Los SUPRAS presentan propiedades de solubilización y operacionales idóneas para aplicación en procesos de extracción [2,3]. Por otro lado, el hecho de que se sinteticen mediante fenómenos de autoensamblaje y que la composición y propiedades del SUPRAS puedan modelarse mediante la selección del compuesto anfifílico y el ambiente en el que se produce el autoensamblaje, ofrece múltiples oportunidades para el desarrollo de disolventes funcionales [4,5]. Los SUPRAS empleados en esta Tesis Doctoral han presentado una amplia variedad de propiedades y aplicaciones ya que han estado constituidos por agregados estables de tensioactivos con el fin de minimizar la concentración del mismo con la disolución que está en equilibrio en el SUPRAS (o-SUPRAS), formando sistemas volátiles con propiedades de acceso restringido (RAM-VOL-SUPRAS), obteniendo complejos con una elevada estabilidad térmica (HTS-SUPRAS) así como su incorporación a transportadores lipídicos nanoestructurados para la mejora de la estabilidad en las propiedades antioxidantes y nanoestructura de sustancias bioactivas (SUPRAS-NLC). De esta forma, se ha pretendido extender su uso a nuevos formatos de extracción y a procesos hasta ahora limitados por el elevado coste o no operatividad en el mantenimiento de las condiciones de autoensamblaje posibilitando su aplicación al desarrollo de metodologías innovadoras para la extracción de contaminantes y residuos en muestras de interés farmacológico y biológico. 2. Contenido de la investigación El contenido de la Memoria de esta Tesis Doctoral se ha estructurado en cuatro capítulos. Cada capítulo describe una metodología propuesta para la síntesis, caracterización de los sistemas supramoleculares empleados y las aplicaciones analíticas derivadas de cada investigación propuesta. Capítulo I: Disolventes supramoleculares constituidos por compuestos anfifílicos volátiles para reducción de los efectos matriz originados por fosfolípidos en LC-MS/MS La investigación planteada en este capítulo se ha centrado en la síntesis y caracterización de SUPRAS volátiles con propiedades de acceso restringido para la eliminación de efectos matriz en el análisis de muestras biológicas mediante LC-MS/MS. Para ello se han generado SUPRAS a partir de disoluciones de hexanol en THF mediante la adición de agua, utilizada como agente coacervante. Se ha investigado el área de formación, la composición del SUPRAS obtenido y ecuaciones de predicción del volumen en función de las condiciones ambientales establecidas. La capacidad de los SUPRAS sintetizados para la eliminación de efectos matriz en bioanálisis se investigó mediante la determinación de bisfenol A (BPA) en orina directamente mediante LC-MS/MS sin efectos matriz, lo que posibilita la extracción cuantitativa de BPA en el SUPRAS. Capítulo II: Disolventes supramoleculares constituidos por tensioactivos oligoméricos para reducir las pérdidas de tensioactivo en la disolución de equilibrio Las investigaciones desarrolladas en este capítulo han estado enfocadas en la síntesis y caracterización de SUPRAS obtenidos a partir de disoluciones del ácido poli-undecilénico (un tensioactivo oligomérico) en THF o etanol, utilizando agua como agente coacervante. Se ha realizado un estudio de caracterización físico-química comparativo de ambas mezclas ternarias demostrando la hipótesis de que en la región de formación del SUPRAS, el oligómero se incorpora completamente al mismo, lo que posibilitará su aplicación al tratamiento de aguas residuales y al análisis de contaminantes. Capítulo III: Disolventes supramoleculares térmicamente estables para aplicación en cromatografía de gases con espacio de cabeza Las investigaciones descritas en este capítulo se han centrado en la síntesis de SUPRAS a partir de disoluciones del oligómero ácido poli-undecilénico en tetraglima mediante la adición de agua como agente coacervante. Se determinó la región de formación y se caracterizaron en términos de composición química y propiedades físicas tales como la estabilidad térmica. La aplicabilidad de estos SUPRAS en cromatografía de gases de espacio de cabeza (HS-GC) se investigó mediante el análisis directo de los extractos obtenidos en la extracción de disolventes residuales en formulaciones farmacéuticas (37 disolventes pertenecientes a las clases 1, 2A, 2B y 2C). La determinación de los disolventes de la clase 2C es muy compleja utilizando los procedimientos previamente descritos debido a los elevados puntos de ebullición de los mismos. Se demostró que el método es aplicable a una gran variedad de formulaciones farmacéuticas y éste se validó de acuerdo a los criterios establecidos en la legislación [ICH Q2 R1]. Capítulo IV: Disolventes supramoleculares multifuncionales para combinar la extracción y encapsulación de componentes bioactivos lipofílicos Las investigaciones descritas en este capítulo han tenido como objetivo la combinación de SUPRAS y transportadores lipídicos nanoestructurados (NLCs) para extraer, estabilizar y encapsular eficazmente compuestos bioactivos lipofílicos. Para ello, se han utilizado SUPRAS constituidos por ácido octanoico en medio etanol-agua que se han utilizado para la extracción de astaxantina a partir de Haematococcus pluvialis. En investigaciones previas, se ha demostrado que estos SUPRAS con propiedades de acceso restringido extraen cuantitativamente astaxantina y producen oleorresinas iguales a las obtenidas mediante extracción con fluidos supercríticos (SFE), pero a mucho menor coste. Las oleorresinas así obtenidas se utilizaron como la fracción lipídica líquida para la obtención de las SUPRAS-NLCs. Estas nanopartículas se caracterizaron estructuralmente así como se evaluó su actividad antioxidante (ORAC y α-TEAC) y su capacidad para inhibir ROS in vitro (sonda DHE). Los resultados demostraron que los SUPRAS-NLCs presentan una estabilidad excepcional con respecto a investigaciones previas (al menos 6 meses a 4ºC). 3. Conclusión • La investigación propuesta en esta Tesis ha conseguido aumentar los conocimientos sobre los disolventes supramoleculares respecto a la síntesis, composición y estructura desarrollando disolventes programados para cumplir funciones específicas. • Esta investigación se ha centrado fundamentalmente en la consolidación del uso de estos disolventes en extracciones analíticas e industriales en áreas y matrices hasta ahora inexploradas. • En particular, debe destacarse el avance en la aplicación de SUPRAS volátiles con propiedades de acceso restringido (RAM-VOL-SUPRAS), el desarrollo y aplicación de SUPRAS con incorporación cuantitativa del anfifilo (SUPRAS basados en oligómeros), SUPRAS de alta estabilidad térmica (HTS-SUPRAS) y la combinación de SUPRAS con sistemas lipídicos nanoestructurados (SUPRAS-NLCs). • Esta Tesis Doctoral ha supuesto un avance en el diseño de nuevos disolventes que cumplen con los principios de la química verde y que tienen la capacidad de mejorar, y permiten el desarrollo de aplicaciones innovadoras, en procesos de extracción. 4. Bibliografía [1] A. Ballesteros-Gomez, M.D. Sicilia, S. Rubio, Supramolecular solvents in the extraction of organic compounds. A review, Anal. Chim. Acta. 677 (2010) 108–130. [2] N. Caballero-Casero, S. García-Fonseca, S. Rubio, Restricted access supramolecular solvents for the simultaneous extraction and cleanup of ochratoxin A in spices subjected to EU regulation, Food Control 88 (2018) 33–39. [3] F. Accioni, D. García-Gómez, E. Girela, S. Rubio, SUPRAS extraction approach for matrix-independent determination of amphetamine-type stimulants by LC-MS/MS, Talanta 182 (2018) 574-582. [4] F.J. López‐Jiménez, M.L. Lunar, M.D. Sicilia, S. Rubio, Supramolecular solvents in the analytical process, Encyclopedia of Analytical Chemistry, American Cancer Society (2014) 1–16. [5] C. Caballo, M.D. Sicilia, S. Rubio, Supramolecular solvents for green chemistry, the application of green solvents in separation processes, Chapter 5, Elsevier (2017) 111–137.