Ciência cítrica: aprende com limoneno Teach article

Esta atividade foi apresentada no European Science on Stage Festival 2022  

Alexandre Botas

Imagem: Cristina Anne Costello/Unsplash

As atividades deste artigo permitem que os alunos investiguem propriedades moleculares simples usando um composto de fácil acesso: o limoneno. As atividades foram desenvolvidas por grupos de estudantes italianos e espanhóis num projeto conjunto através de trabalhos escritos, questionários e vídeos.

Através da aplicação do método científico, os alunos desenvolvem a capacidade de observar um fenómeno, formular uma hipótese, procurar materiais adequados para montar uma experiência, recolher dados para análise e chegar a uma conclusão que é partilhada com os outros. O foco aqui é numa molécula orgânica simples, (R)-(+)-4- e (S)-(–)-4-isopropenil-1-metil-1-ciclohexeno (os dois enantiômeros do limoneno), que é segura, fácil de encontrar e do interesse do mundo quotidiano e industrial.

Limoneno

O limoneno (4-isopropenil-1-metilciclohexeno) é um monoterpeno cíclico quiral, com a fórmula molecular C10H16.[1–3] Este composto quiral existe em duas formas isoméricas, que são estereoisômeros; por outras palavras, moléculas com a mesma estrutura, mas com diferentes orientações dos mesmos átomos no espaço. As duas formas de limoneno diferem apenas na configuração dos grupos em torno de um único átomo de carbono. As duas formas são imagens especulares (=enantiômeros) uma da outra que apenas podem ser interconvertidas pela quebra e formação de ligações covalentes.

Structural formula of R and S limonene.

Fórmula Molecular: C10H16

Peso Molecular: 136.23

Sinônimo:

D-Limoneno, (R)-(+)-Limoneno

L-Limoneno, (S)- (−)-Limoneno

D-Limoneno é um componente importante do óleo das cascas de citrinos, que também contém limonóides cítricos.[4] O L-limoneno é menos comum e é encontrado em ervas como a alcaravia. O limoneno industrial é obtido da casca de frutas cítricas como um produto residual do processamento de frutas para a produção de sumos.[5] Por esta razão, é produzido como o enantiômero R (D-Limoneno). É usado como um composto de fragrância e para desengordurar.

Imagem: Nick Fewings/Unsplash

Como todos os enantiômeros, as duas formas são indistinguíveis na maioria dos testes químicos/físicos. No entanto, eles giram o plano da luz polarizada em direções opostas. Assim, é possível distinguir os enantiômeros usando um polarímetro.

Além disso, eles são facilmente distinguidos biologicamente. D-limoneno (a forma R) tem um odor cítrico doce, enquanto a forma L tem um odor resinoso ou tipo aguarrás mais acentuado. Os nossos narizes são muito sensíveis e capazes de distinguir esses compostos muito semelhantes porque os receptores olfativos no nariz têm sítios moleculares que interagem especificamente com diferentes enantiômeros.[6]

Experiências:

  • propriedades óticas do (R)- e (S)-limoneno (2 h)
  • dissolução de látex pelo limoneno (1 h)
  • não polaridade do limoneno (1 h)
  • diferenças no cheiro ente (R)- e (S)-limoneno (1–2 h)

Atividades adicionais: as propriedades antibacterianas e anti-germinação do limoneno (2 h)

Notas de segurança

O limoneno é um terpeno volátil, quando concentrado, não deve ser ingerido ou entrar em contato com os olhos, porque é irritante. A pele deve ser imediatamente lavada. Ao contrário da casca de laranja, o teor de limoneno na resina e na terebintina não atinge concentrações críticas.

Ativivade 1: Entendendo as propriedades óticas

Nesta primeira atividade, discutimos a quiralidade usando (R)- e (S)-limoneno. Esta atividade deve durar cerca de 60 min.

Estruturas de (S)- e (R)-limoneno; como as nossas mãos, esses enantiômeros são imagens espelhadas e não sobreponíveis.
O centro quiral é indicado com *.
Imagem cortesia dos autores

Materiais

  • Recursos sobre limoneno e isômeros
  • Modelos moleculares de bola e bastão
  • Folhas de papel e tintas de pôster (têmpera)

Procedimento

  1. Apresente o limoneno e os enantiômeros usando a folha de informações , livros didáticos e os recursos fornecidos para este artigo.
  2. Os alunos devem dobrar uma folha de papel ao meio e desenhar em metade da folha a fórmula estrutural do (R)-limoneno, com todos os átomos e ligações.
  3. Os alunos devem identificar o carbono quiral (C*), a hibridação sp3 e a estrutura tetraédrica do composto. Eles devem desenhar o enantiômetro em relação a C*.
  4. Os alunos podem então pegar numa nova folha A4 e dobrá-la ao meio. Numa metade, devem desenhar o centro quiral com as quatro ligações em perspetiva. Em seguida, devem usar um dedo para aplicar uma cor diferente de tinta de póster nas extremidades das linhas de ligação. Depois devem dobrar a folha para transferir as pinceladas de tinta para o outro lado e redesenham as linhas de colagem. Isso ajuda a ilustrar como os enantiômeros são imagens especulares.
  5. Construir limoneno com os modelos de bola e vareta e identificar C*.

Atividade 2: Investigando propriedades do (R)- e do (S)-limoneno

Em seguida, os alunos podem investigar a quiralidade usando (R)- e (S)-limoneno e ver como essa pequena mudança estrutural pode ter consequências no mundo real. Deve demorar cerca de 60 min.

Materiais

  • Polarímetro (opcional)
  • 1 ml de (R)- e (S)-limoneno (98–100%) (se tiver um polarímetro)
  • Casca de laranjas e limões frescos
  • Vaselina ou outra parafina sem cheiro em pequenos recipientes

Procedimento

  1. Coloque o (R) e (S)-limoneno puro em cuvetes ou tubos necessários para o seu polarímetro, e deixe os alunos registarem o ângulo de rotação característico do limoneno com luz polarizada, assim como os coeficientes de extinção de ambos os enatiômeros.
  2. Misture uma pequena quantidade de cada enantiómero em vaselina e verifique se os alunos conseguem diferenciá-las.
  3. Dê aos alunos tiras de casca de limão e laranja para cheirar e pergunte qual o enantiômero eles acham que as cascas contêm.

Discussão

Explorando a quiralidade com tinta colorida
Imagem cortesia dos autores

O ângulo de rotação específico para reconhecer cada enantiômero é de +/- 123°, mas, na realidade, basta observar que o enantiômero R se extingue girando o analisador para a direita, enquanto, para o enantiômero S, a rotação é na direção oposta com o mesmo ângulo.

O cheiro dos citrinos também depende das moléculas limonóides cítricas. Adicionamos referências e uma atividade teórica para entender a diferença entre essas moléculas e estudar as vias metabólicas nas plantas.

Atividades adicionais opcionais

A perceção do cheiro do (R)-limoneno como sendo diferente do (S)-limoneno é comum, mas não universal. Os alunos podem projetar uma experiência para testar isso, por exemplo, para determinar a percentagem da população num grupo capaz de distingui-los.

Atividade 3: dissolução de látex pelo limoneno

Em seguida, os alunos podem investigar o efeito do limoneno em diferentes polímeros. Esta atividade deve durar cerca de 1-2 h. Todas as etapas devem ser realizadas pelos alunos. Existem muitos testes, se necessário, os alunos podem trabalhar em grupos para poupar tempo/equipamento.

Materiais

  • 1 ml de (R)- e (S)-limonene (98–100%)
  • casca de laranjas e limões frescos (2 de cada)
  • balões infantis em látex, mylar ou plástico de poliéster
  • luvas de borracha e polivinil
  • sacos de compras de etileno
  • preservativos de látex
  • pipetas de plástico
  • aros de bordado de 10 cm ou pequenos funis
  • elásticos

Procedimento

  1. Corte os balões, luvas e bolsas e estique-os sobre o aro de bordado ou funil como a pele de um tambor. Se estiver a utilizar funis, prenda-os com elásticos.
Adicionando uma gota de limoneno ao pedaço de borracha esticada sobre o suporte.
Imagem cortesia dos autores
  1. Idealmente, devem ser preparadas duas amostras de cada para permitir que a experiência seja duplicada.
  2. Corte um pedaço de casca de citrino de 2 cm ´ 2 cm e dobre-o para que um dos seus dedos limpos seja borrifado. Toque na amostra sob tensão ou coloque a casca diretamente na amostra e anote os resultados.
  3. Repita a operação com (R)- e (S)-limoneno, deixando cair uma pequena gota sobre a amostra sob tensão com uma pipeta.
  4. Para balões e preservativos inflados, é possível tocá-los com o dedo limpo e depois com o dedo revestido de limoneno e observar a explosão. Se estiver a trabalhar em grupos, todos os alunos devem ter a oportunidade de experimentar esta tarefa.
Dissolução de látex em balão e preservativo
Imagem cortesia dos autores

Discussão

O material de látex, composto de 30 a 40% de poliisopreno reticulado, reage com o limoneno, “abrindo” um buraco ao redor da gota ou ponto de contato. Isso ocorre porque as moléculas de limoneno (monoterpenos) são pequenas o suficiente para deslizar ao longo das cadeias de poliisopreno e separá-las, enfraquecendo a cura química. Isso é suficiente para rebentar o balão cheio de gás. A reação é proporcional à concentração de limoneno e à espessura da borracha, mas não diferencia entre (R)- e (S)-limoneno.

Atividade 4: limoneno uma molécula apolar

Nesta atividade, investigamos as propriedades químicas do limoneno. Deve demorar cerca de 30 min.

Materiais

  • 6 ml (R)- e (S)-limoneno (cerca de 100%)
  • 3 ml de óleo de milho ou girassol
  • Água
  • 2 tubos de ensaio
  • 4 pipetas de plástico

Procedimento

  1. Coloque 3 ml de limoneno no tubo 1 e adicione cuidadosamente 1 ml de óleo pela parede abaixo, sem misturar.
  2. Coloque 3 ml de limoneno no tubo 2 e adicionar cuidadosamente 1 ml de água pela parede abaixo, sem misturar.
  3. Observe se existem superfícies de separação entre os líquidos.
  4. O limoneno pode ser recuperado da mistura de água por separação com uma pipeta para reutilização em outras experiências.
O tubo contendo limoneno em água mostra claramente uma separação entre os dois líquidos
Limoneno com água ou óleo. Os níveis nos dois tubos são diferentes porque os alunos foram um pouco imprecisos. Volumes exatos não são importantes.
Imagem cortesia dos autores

Discussão

O limoneno é solúvel em óleo e mistura-se naturalmente: deduz-se que é um soluto apolar que se dissolve em um solvente apolar.

O limoneno é insolúvel em água e não se mistura com ela: o limoneno é uma molécula apolar que não se dissolve em água que é uma molécula polar.

A polaridade de uma molécula depende das espécies químicas que a formam, da diferença de eletronegatividade presente nas ligações covalentes e do fato de que o centro das forças eletrostáticas positivas não coincide com as negativas.

O limoneno é um hidrocarboneto constituído por átomos de carbono e hidrogênio. Trata-se de um monoterpeno, derivado de isopreno, de cadeia fechada em que as únicas áreas com carga negativa parcial fraca são as ligações duplas; essas cargas são muito fracas para resultar numa interação com as moléculas de água.


References

[1] Erasto P, Viljoen AM (2008) Limonene – a review: biosynthetic, ecological and pharmacological relevance. Natural Product Communications 3: 1193–1202. doi: 10.1177/1934578X0800300728

[2] Perveen S (2018) Introductory Chapter. In Perveen S, Al-Taweel A (eds) Terpenes and Terpenoids pp 1–12. IntechOpen. ISBN: 978-1-78984-777-2

[3] Chemical information for limonene and a virtual 3D model: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Limonene#section=3D-Conformer

[4] Gualdani R et al. (2016) The chemistry and pharmacology of citrus limonoids. Molecules 21: 1530. doi: 10.3390/molecules21111530

[5] Jongedijk E et al. (2016) Biotechnological production of limonene in microorganisms. Applied Microbiology and Biotechnology 100: 2927–2938. doi: 10.1007/s00253-016-7337-7

[6] Malnic B, Godfrey PA, Buck LB (2004) The human olfactory receptor gene family. PNAS 101: 2584–2589. doi: 10.1073/pnas.0307882100. This article has a correction.

Resources

Institutions

Science on Stage

Author(s)

Francesca Butturini ensina ciência no liceu Educandato agli Angeli school em Verona.

Javier Julian Fernandez ensina biologia no IES Joanot Martorell school em Valência.

Estas atividades foram desenvolvidas como um projeto Ítalo-Espanhol para o European Science on Stage Festival 2022


License

CC-BY
Text released under the Creative Commons CC-BY license. Images: please see individual descriptions