As condições anóxicas são benéficas para a remoção de diclofenaco abiótico da água com óxido de manganês (MnO 2 )

Retirada farmacêutica sob condições óxicas versus anóxicas

Na ausência de MnO2, nenhuma remoção é observada para todos os sete fármacos em 24 h sob condições óxicas e anóxicas em todas as experiências (Tabela S3). Na presença de MnO2, metoprolol, propranolol e diclofenaco são removidos em 24 h, tanto em demiwater (Fig. 1a, b) quanto em tampão fosfato (Fig. 1c), enquanto não é observada nenhuma remoção para os outros quatro fármacos (Fig. S3). Além disso, os resultados mostram que a eficiência de remoção do diclofenaco é maior sob condições anóxicas, enquanto que a maior remoção é observada sob condições óxicas para metoprolol e propranolol. A eficiência de remoção do diclofenaco de 78% sob condições anóxicas e 59% sob condições óxicas foi observada após 24 h, incubando uma solução de fármacos mistos em água desmineralizada (Fig. 1a). Entretanto, apenas 33% de metoprolol foi removido sob condições anóxicas, em comparação com 69% sob condições óxicas. Similarmente, 51% do propranolol foi removido sob condições anóxicas em comparação com 84% sob condições óxicas (Fig. 1a). A eficiência da remoção do diclofenaco em uma mistura junto com outros seis fármacos (Fig. 1a) foi menor do que em um sistema demiwater que só estava presente o diclofenaco (Fig. 1b). Sob condições anóxicas, 92% do diclofenaco é removido com MnO2, enquanto sob condições óxicas, 69% da remoção do diclofenaco é observada (Fig. 1b).

Para eliminar os efeitos do pH e da força iônica na remoção farmacêutica com MnO2 (Gao et al. 2012; Huguet et al. 2013), controlamos o pH (~ 7) com tampão fosfato 50 mM e mantemos a força iônica (0,1 M) com NaCl. Em outros experimentos com tampão fosfato, 90% do diclofenaco é removido sob condições anóxicas, enquanto a remoção quase completa do diclofenaco é observada sob condições óxicas (Fig. 1c). A eficiência de remoção do diclofenaco é similar sob condições anóxicas e óxicas. Em estudos anteriores, a eficiência de remoção de matérias orgânicas incluindo produtos farmacêuticos sob condições anóxicas é similar ou menor do que sob condições óxicas (Barrett e McBride 2005; Gao et al. 2012; Zhang e Huang 2005a). No entanto, observamos notavelmente que a eficiência de remoção do diclofenaco sob condições anóxicas pode ser maior do que sob condições óxicas. Este resultado único direciona nossos estudos sobre o mecanismo de remoção farmacêutica sob condições anóxicas com MnO2.

Um modelo pseudo-primeiro pedido com período inicial de incubação foi aplicado para analisar a cinética de remoção (Tabela 1), como realizado em estudos anteriores sob condições óxicas (Jiang et al. 2010a; Zhang et al. 2008; Zhang e Huang 2005a). A comparação entre a taxa de remoção inicial (robs, init) e a constante da taxa de remoção inicial (kobs, init) de diferentes fármacos mostra que o oxigênio afeta a remoção farmacêutica com MnO2. Na demiwater com a mistura farmacêutica e apenas com diclofenaco, a remoção do diclofenaco é acelerada sob condições anóxicas; as taxas de remoção de metoprolol e propranolol são menores sob condições anóxicas. Além disso, o diclofenaco foi removido na maior taxa quando dissolvido como único composto em tampão fosfato óxico contendo MnO2.

Influência do pH e morfologias de MnO2 na remoção do diclofenaco

pH é um parâmetro importante que afeta a remoção farmacêutica com MnO2. Estudos anteriores mostram que as morfologias de MnO2 também influenciam a remoção farmacêutica (Shin e Cheney 2004). Entretanto, nossa nova observação da remoção de diclofenaco sob condições anóxicas com MnO2 indica que os mecanismos de remoção de fármacos com MnO2 sob condições anóxicas podem ser diferentes dos mecanismos de remoção sob condições óxicas. Portanto, é importante investigar o efeito das morfologias de pH e MnO2 na remoção do diclofenaco para entender o mecanismo de remoção. Investigamos o efeito das morfologias de pH e MnO2 utilizando tanto MnO2 amorfo quanto MnO2 cristalino sob condições anóxicas a pH ~ 4,5, pH ~ 7,0, e pH ~ 8,5 estabelecido com um tampão fosfato 50 mM.

As eficiências de remoção de Diclofenaco com MnO2 sob condições anóxicas estão inversamente relacionadas ao pH (Tabela 2). Dentro de 48 h, a remoção do diclofenaco sob condições anóxicas varia de 100% a cerca de pH ~ 4,5 e pH ~ 7,0, a 70% a pH ~ 8,5 com MnO2 amorfo. Em contraste, a remoção do diclofenaco é notavelmente mais baixa com MnO2 cristalino. Apenas 21% do diclofenaco é removido com MnO2 cristalino a pH ~ 4,5. Nas experiências realizadas a pH ~ 7,0 e pH ~ 8,5, nenhuma remoção de diclofenaco é observada com MnO2 cristalino.

Table 2 Eficiência da remoção de diclofenaco sob condições anóxicas a diferentes condições de pH com duas morfologias de MnO2 após 48 h. Condições experimentais: 0 = 7 mM, 0 = 1 mg L-1, = 0.1 M

Discussão

De um modo geral, a remoção de matérias orgânicas com MnO2 é um processo em duas etapas incluindo adsorção e oxidação (Remucal e Ginder-Vogel 2014). A contribuição das duas etapas é variada a partir de compostos diferentes (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang e Huang 2005b). Sob condições óxicas, a remoção farmacêutica pode ser acelerada pelo oxigênio (Gao et al. 2012). Entretanto, isto não explica porque as condições anóxicas são adequadas para a remoção de diclofenaco na água demi aquática quando o oxigênio não está presente para participar do processo de remoção (Fig. S4). Existem diferentes intermediários formados sob condições óxicas e anóxicas durante a remoção do diclofenaco com MnO2 (Fig. S4, S5). Estes intermediários têm diferentes afinidades de adsorção para os locais reactivos na superfície de MnO2, o que é possivelmente a chave para explicar as diferenças entre as condições óxicas e anóxicas. Com base nos resultados, dois fatores parecem influenciar a eficiência da remoção farmacêutica e são elaborados a seguir: (1) a estrutura molecular farmacêutica e propriedades químicas, e (2) as propriedades do MnO2.

Estrutura molecular farmacêutica e propriedades químicas

A estrutura molecular e propriedades químicas dos fármacos são importantes na remoção de compostos orgânicos com MnO2. Estudos anteriores mostram que a oxidação com MnO2 na presença de oxigênio envolve a clivagem da ligação C-N do composto orgânico. Metoprolol e propranolol possuem ligações C-N, nas quais o átomo N está ligado a um grupo alquilo. Estes compostos são semelhantes aos testados em estudos anteriores (Tabela S1, S2) nos quais as condições óxicas promovem a remoção. Essa clivagem da ligação C-N pode resultar na formação de radicais na presença de oxigênio (Barrett e McBride 2005; Gao et al. 2012). A oxidação do diclofenaco envolve hidroxilação e descarboxilação em vez da clivagem C-N (Huguet et al. 2013), que é um mecanismo diferente do metoprolol e do propranolol. Isto mostra que o mecanismo de remoção está intimamente relacionado à estrutura molecular farmacêutica e às propriedades químicas.

As propriedades farmacêuticas também são afetadas pelo pH. Devido ao baixo pKa do diclofenaco (pKa = 4,15), um pH mais baixo resulta em um composto com carga menos negativa. Isto leva a menos repulsão eletrostática entre o diclofenaco e o MnO2, que também é carregado negativamente (Murray 1974). Especula-se que um menor nível de pH levará a uma maior afinidade do diclofenaco para adsorver na superfície do MnO2 e, portanto, tem um primeiro passo mais favorável na remoção com MnO2.

propriedades do MnO2

As propriedades do MnO2 também são afetadas pelo pH. No pH ácido, o MnO2 também é menos carregado negativamente devido ao seu ponto isoelétrico, resultando em menos repulsão eletrostática e melhor adsorção dos compostos orgânicos. Além disso, o potencial redox de MnO2 aumenta de 0,76 V a pH 8,0 para 0,99 V a pH 4,0 (Lin et al. 2009). Assim, a reação de degradação é energeticamente mais favorável a um pH mais baixo. Ambos os fatores podem levar a uma degradação mais rápida, como mostrado em nosso estudo (Tabela 2). Este experimento utiliza pH neutro, que foi considerado desfavorável à oxidação de fármacos em estudos anteriores (Chen et al. 2011; He et al. 2012; Xu et al. 2008). Além disso, há menos prótons no baixo potencial redox do MnO2 com pH mais alto, o que é crucial para a transferência de elétrons de Mn(IV) para Mn(II). Como resultado, nenhuma remoção de cafeína, carbamazepina, ibuprofeno e naproxeno foi observada neste estudo (Fig. S3), enquanto a eficiência de remoção do metoprolol e propranolol é baixa tanto em condições óxicas quanto anóxicas.

Diferentes morfologias de MnO2 têm propriedades diferentes afetando a remoção do diclofenaco. Em nossa pesquisa, a remoção do diclofenaco é melhor com MnO2 amorfo do que com MnO2 cristalino, o que está de acordo com os achados relatados anteriormente (Remucal e Ginder-Vogel 2014; Shin e Cheney 2004; Ukrainczyk e Mcbride 1992). As partículas amorfas de MnO2 são geralmente menores que as partículas cristalinas. Assim, as partículas amorfas de MnO2 têm uma maior área de superfície, o que aumenta a remoção farmacêutica. Infelizmente, devido aos limites analíticos, a análise do tamanho do MnO2 amorfo pareceu tecnicamente inviável (Fig. S6). Além disso, o MnO2 amorfo contém pequenas quantidades de Mn(III) que podem aumentar a reatividade do MnO2 e a capacidade oxidante (Remucal e Ginder-Vogel 2014), promovendo assim a remoção farmacêutica ainda mais.

Na presença de fosfato, a remoção de diclofenaco com MnO2 é ligeiramente aumentada sob condições óxicas do que sob condições anóxicas. O uso de O2 para oxidar Mn(II) a Mn(III) é uma reação termodinamicamente favorável. Na presença de tampão fosfato, o fosfato pode formar Mn3(PO4)2 com Mn(II) a partir da oxidação do diclofenaco (Eq. 1) (Jin et al. 2014).

$$ 3{\mathrm{Mn}}^{2+}+2{\mathrm{PO}}_4^{3-3{\an8}_3{\an8}_esquerda(4\an8}_4{\an8}_direita)}_2 $$

(1)

Computações mostram que a estrutura química do Mn3(PO4)2 pode estabilizar o Mn(III) e assim facilitar a oxidação do Mn(II) ao Mn(III) sob condições óxicas (Jin et al. 2014). A análise do Mn2+ mostra a presença de maiores concentrações de Mn(II) em tampão fosfato do que em água demi aquática, o que explicamos como resultado de maiores quantidades de Mn(III) formadas sob condições óxicas. Maior concentração de Mn(III) é provavelmente a razão pela qual mais diclofenaco é removido do que sob condições anóxicas, como observamos (Fig. 1) e mecanisticamente presentes na Fig. 2.

Situações reativas na superfície de MnO2

A adsorção de moléculas orgânicas em uma superfície reativa de óxido metálico é o parâmetro chave que dita a remoção de muitos compostos orgânicos, e especificamente para locais reativos na superfície de MnO2 (He et al. 2012; Xu et al. 2008; Zhang e Huang 2005b). Nossos resultados com a solução farmacêutica mista na demiwater sugerem competição por locais reativos entre o diclofenaco e os outros diferentes fármacos. Isto é evidenciado pela menor remoção de diclofenaco na presença de outros fármacos (Fig. 1a, b).

Baseado em nossos resultados FTIR, não houve desaparecimento óbvio de locais reativos durante a remoção do diclofenaco com MnO2 sob condições óxicas e anóxicas (Fig. S5), possivelmente devido a uma concentração relativamente alta de MnO2 no experimento. Entretanto, é claro que os espectros do FTIR são diferentes entre o MnO2 antes e depois da reação com o diclofenaco, especialmente sob condições anóxicas. Isto indica que os intermediários do diclofenaco alteram a estrutura de MnO2. Esta alteração pode contribuir para uma melhor remoção do diclofenaco com MnO2 sob condições anóxicas.

Em tampão fosfato, o fosfato pode reduzir a remoção do diclofenaco ao ser adsorvido na superfície do MnO2 e competir com o DFC para os locais reativos do MnO2 (Yao e Millero 1996). Consequentemente, embora o pH mais baixo em tampão fosfato deva promover a remoção do diclofenaco (pH 7 em tampão versus pH 8~9 em água demi aquática), a remoção do diclofenaco é melhor em água demi aquática porque os locais reativos de MnO2 não são bloqueados pelo fosfato (Tabela 1). Entretanto, eficiências de remoção similares e cinética em demiwater e tampão fosfato sob condições anóxicas são observadas (Fig. 1). Isto indica que existe um mecanismo que promove a remoção de diclofenaco no tampão fosfato, que compete com a inibição por adsorção de fosfato e ocupação dos sítios reativos na superfície do MnO2. De estudos anteriores, sabe-se que o Mn(II) pode ocupar locais reativos na superfície do MnO2 e depois inibir a remoção farmacêutica (He et al. 2012; Xu et al. 2008). Nossos resultados de remoção em tampão fosfato mostram que 1,54 μM Mn2+ foi gerado sob condições óxicas enquanto 2,16 μM foi gerado sob condições anóxicas. Mn(II) menor sob condições óxicas resultou em possivelmente menos formação de Mn3(PO4)2 via Eq. 1, o que presumivelmente levou a mais locais reativos disponíveis para a remoção do diclofenaco. Sob condições anóxicas, o equilíbrio destes efeitos promotores e inibidores pela adsorção de fosfato leva à remoção de diclofenaco similar em água demiwater e tampão fosfato.