CAPÍTULO II. DESARROLLO EXPERIMENTAL

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

INTERCALACIÓN DEL ÁCIDO MEFENÁMICO SOBRE

MATERIALES TIPO HIDROTALCITA Mg/Ca/Al E

HIDROCALUMITA

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL

PRESENTA

JOSÉ ANDRÉS MÉNDEZ CEJA

ASESOR: DRA. MARÍA DE JESÚS MARTÍNEZ ORTIZ

Ciudad de México, Diciembre 2016

RECONOCIMIENTOS

Al Instituto Politécnico Nacional (IPN), por ser cuna de forjadores al servicio de la patria; por permitirme ocupar un lugar entre sus filas y así tener la visión de construir un país con sed de liderazgo.

A la ESIQIE, por inculcar en mí los valores necesarios para ver por el bienestar de mi país y desarrollar un progreso personal, llegando así a cumplir las metas que siempre he establecido.

A la Doctora María de Jesús Martínez Ortiz, por confiar en mí y guiarme en este proyecto, por ser parte de la formación de ingenieros químicos y tener el liderazgo necesario para avanzar en la construcción de una patria mejor.

AGRADECIMIENTOS

A Dios nuestro Señor, por permitirme llegar a este momento de mi vida, en el cual tengo que demostrar el carácter forjado durante toda mi carrera profesional para bienestar mío y de mi familia. Por todos los dones recibidos y las bendiciones otorgadas.

A mis padres Lilia y René, porque sin ellos esto no sería posible. A mi madre por sus preocupaciones y atenciones que me guiaron a convertirme en lo que soy, porque sus enseñanzas me dejaron la lección de ver por un futuro mejor que mi presente. A mi padre, por su apoyo brindado a lo largo de mi carrera.

A mi mamá Josita, por ser un ángel en mi vida, por guiarme, darme consejos y su apoyo incondicional, por dedicarme parte de su vida a forjarme como ser humano, con sed de liderazgo y visión de campeón. Por su cariño, amor y protección sin esperar nada a cambio, mil gracias.

A mis hermanos Josué y Esther, quienes me han brindado su apoyo y aliento en momentos difíciles de mi vida, por estar incondicionalmente a mi lado a pesar de las diferencias, por creer en mí.

A la Dra. María de Jesús Martínez, por ser parte de este proyecto, por tener la confianza y creer en mí, por todo el apoyo que me ha brindado hasta la fecha, por enseñarme que a base de trabajo y esfuerzo todo se logra. Por ser una guía no sólo en mi profesión, sino en la vida por igual.

Al M. en C. Miguel de la Rosa, por cada uno de los momentos en los cuales me auxilió con los conocimientos adecuados para el desarrollo de este proyecto, por sus consejos y recomendaciones, pero más que nada por su amistad que me ha brindado en este tiempo de conocidos.

Al IPN y a la ESIQIE, por forjarme como Ingeniero Químico Industrial y desarrollar en mí la visión de campeón en todo momento de la vida. Por hacer de mí un mexicano de provecho, el cual luchará por los ideales revolucionarios para hacer de esta patria un lugar mejor.

A mis amigos DonkeySoft, porque después de tanto tiempo, siguen presentes en mi vida; Daniel, Juanjo, Jorge e Iván, gracias por su aliento y palabras a través de estos años.

A mi amiga Dulce Anahí, porque en el momento más difícil de mi vida, me extendió su mano de amor, siempre alentándome a superarme y ser cada día mejor.

A los doctores Carmen, Ariel, Carlos y Jorge, porque sin ellos este trabajo tampoco hubiese sido posible.

Gracias.

José Andrés Méndez Ceja

CONTENIDO

RESUMEN ............................................................................................................................. i

ABSTRACT .......................................................................................................................... ii

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. iii

CAPÍTULO I. GENERALIDADES ........................................................................................ 1

I.1 Antiinflamatorios ................................................................................................. 1

I.1.1 Antiinflamatorios No Esteroideos (AINEs) .............................................. 1

I.1.2 Mecanismo de Acción de los AINEs ....................................................... 2

I.1.3 Ácido Mefenámico .................................................................................. 3

I.1.4 Aplicaciones del Ácido Mefenámico ....................................................... 5

I.2 Arcillas................................................................................................................ 5

I.2.1 Arcillas catiónicas ................................................................................... 7

I.2.2 Arcillas aniónicas .................................................................................... 8

I.2.2.1 Hidróxidos Dobles Laminares ................................................. 10

I.2.2.1.1 Estructura de la Hidrotalcita ..................................... 12

I.2.2.1.2 Estructura de la Hidrocalumita ................................. 15

I.3 Intercambio iónico ............................................................................................ 15

CAPÍTULO II. DESARROLLO EXPERIMENTAL ............................................................ 17

II.1 Materiales para la síntesis de HDL .................................................................... 17

II.2 Preparación de materiales tipo Hidrotalcita e Hidrocalumita .............................. 18

II.3 Equipo experimental .......................................................................................... 18

II.4 Procedimiento de síntesis .................................................................................. 19

II.5 Intercalación mediante Intercambio iónico ......................................................... 20

CAPITULO III. CARACTERIZACIÓN ................................................................................ 21

III.1 Composición de los materiales ......................................................................... 21

III.2 Difracción de Rayos-X ...................................................................................... 22

III.2.1 Cálculos de los parámetros de red ..................................................... 28

III.3 Espectroscopía de Infrarrojo ............................................................................. 34

CAPÍTULO IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................... 41

IV.1 Conclusiones ................................................................................................. 41

REFERENCIAS .................................................................................................................. 43

ANEXOS ............................................................................................................................ 46

Lista de figuras Página

I.1 Mecanismo de acción de los AINEs 3

I.2 Estructura del a) Ácido Mefenámico, b) Anión mefenamato. 4

I.3 Estructura de una arcilla catiónica 8

I.4 Estructura de una arcilla aniónica 9

I.5 Aplicaciones de las hidrotalcitas 11

I.6 Representación de una sección de una lámina de brucita 12

I.7 Esquema de una estructura de hidrocalumita 15

II.1 Diagrama de bloques para síntesis de material HDL 17

III.1 Técnica de difracción de polvo 23

III.2 Condición básica para la dispersión de Bragg 24

III.3 Tarjeta JCPDS de difracción de la Hidrotalcita 25

III.4 Tarjeta JCPDS difracción de la Hidrocalumita 25

III.5 Difractograma de rayos-X de materiales frescos tipo hidrotalcita 27

III.6 Difractograma de rayos-X de material fresco tipo hidrocalumita 28

III.7 Parámetros de celda (a), (c) y (d) 29

III.8 Difractograma de rayos-X de los materiales modificados 31

III.9 Esquema de arreglo de los aniones mefenamato para el material CaAl-AM 33

III.10 Esquema de arreglo de los aniones mefenamato para los materiales tipo

hidrotalcita. 34

III.11 Esquema de dimensiones del ácido mefenámico 34

III.12 Espectrómetro infrarrojo por Transformada Fourier (FT-IR) 35

III.13 Espectro IR de los materiales frescos 37

III.14 Espectro IR de los materiales intercalados con AM 39

Lista de Tablas Página

I.1 Clasificación de los antiinflamatorios no esteroides según su selectividad

para la ciclooxigenasa 2

I.2 Propiedades del ácido mefenámico 5

I.3 Valores de parámetros cristalográficos y simetría de HDL 14

II.1 Reactivos empleados para la síntesis de HDL 18

III.1 Composición química 21

III.2 Parámetros de red y distancia d003 de los compuestos tipo hidrotalcita 30

III.3 Parámetro de red y distancia d002 del compuesto tipo hidrocalumita 30

III.4 Parámetros de red y distancia d003 de los materiales intercalados tipo

hidrotalcita 32

III.5 Parámetro de red y distancia d002 del material intercalado tipo

hidrocalumita 32

III.6 Bandas características de los materiales frescos 38

III.7 Bandas características de los materiales intercalados 40

GLOSARIO

Analgésico: Fármaco que alivia el dolor pero no tiene efecto sobre la inflamación. Éste se

recomienda cuando el dolor no responde a las medidas no farmacológicas.

Antiagregante plaquetario: Los antiagregantes plaquetarios constituyen un grupo de

fármacos ampliamente utilizados en atención primaria. Sus indicaciones fundamentales

incluyen: cardiopatía isquémica, enfermedad cerebrovascular isquémica y enfermedad

arterial periférica.

Antipirética: Fármaco que permite combatir la fiebre; esta clase de fármaco también

recibe el nombre de antifebril o antitérmico.

Ciclooxigenasa: Enzima que permite al organismo producir unas sustancias llamadas

prostaglandinas a partir del ácido araquidónico.

Cortisona: Esteroide perteneciente al grupo de glucocorticoides, que junto con la insulina,

mantiene el equilibrio entre la falta y el exceso de glucosa en el organismo. También

afecta la utilización de proteínas y grasas en el cuerpo.

Endotelial: Perteneciente al endotelio. El endotelio es un tejido de origen mesodérmico

constituido por una monocapa de células que reviste el interior de todos los vasos

sanguíneos.

Enzima lisosómica: Orgánulos celulares derivados del aparato de Golgi, formado por un

medio ácido en el que se contienen enzimas encargadas de la hidrólisis de

macromoléculas.

Fosfolipasa: Grupo ubicuo y diverso de enzimas, que inducen cambios en la composición

membranal, activan la cascada inflamatoria y alteran las vías de señalización celular. Las

fosfolipasas A2 (PLA2) son las enzimas responsables por la movilización de ácidos grasos,

incluyendo el ácido araquidónico (AA), a partir de los fosfolípidos.

Menorragia: Sangrado menstrual abundante que tiene una duración de más de 7 días o

que deriva en una pérdida mayor de 80 mL de sangre por ciclo menstrual.

Neutrófilo: Son células multinucleadas y con muchos gránulos intracelulares, que se

producen en la médula ósea.

Osteoartritis: Enfermedad degenerativa donde los revestimientos de cartílago de los

huesos en el interior de una articulación primero pierden su superficie lisa, se vuelven

ásperos y se agujeran.

Pólipo: Tumoración o protuberancia circunscrita, que se proyecta en la superficie de una

mucosa y es visible macroscópicamente en la luz intestinal.

Prostaglandinas: Sustancias con funciones similares a las de una hormona que están

presentes en muchos tejidos y fluidos del cuerpo, existen tres tipos según su estructura

química.

Tromboxano: Hormona local producida por los trombocitos, que promueve su agregación.

Pequeños defectos en la pared de vasos o de capilares desencadenan la formación del

tromboxano.

RESUMEN

RESUMEN

JOSÉ ANDRÉS MÉNDEZ CEJA i

RESUMEN

En el presente trabajo se sintetizó una serie de materiales tipo hidrotalcita (Mg/Al y

Mg/Ca/Al) e hidrocalumita (Ca/Al), todos con una relación molar entre cationes divalente y

trivalente MII/MIII igual a 2. La síntesis de los materiales se realizó mediante el método de

coprecipitación a pH constante. Durante la síntesis de los materiales se utilizaron 3 valores

de pH diferentes; para el material Mg/Al un pH = 10, para los materiales Mg/Ca/Al un pH =

11 y para el material tipo hidrocalumita un pH = 12.

Una vez sintetizados los materiales, se realizó la incorporación de la especie

aniónica de la biomolécula de ácido mefenámico (AM) mediante intercambio iónico.

Los materiales frescos e intercalados se caracterizaron mediante diferentes

técnicas. Los resultados de difracción de rayos-X muestran que los materiales frescos

corresponden a las estructuras cristalinas de la hidrotalcita e hidrocalumita para cada

material. Así también, para los materiales intercalados, éstos mantuvieron las estructuras

cristalinas originales, con la diferencia de que se incrementaron las distancias

interlaminares con respecto a los materiales de inicio, lo que implica que efectivamente la

especie aniónica del AM se introdujo dentro del espacio interlaminar de cada uno de los

materiales durante el proceso de intercalación.

Los resultados obtenidos mediante espectroscopia de infrarrojo por transformada de

Fourier (FTIR) confirman los tipos de vibraciones de los materiales frescos y

posteriormente se muestran los tipos de vibraciones de los materiales intercalados con la

molécula del AM.

Los resultados de caracterización de los materiales antes y después del proceso de

intercalación del AM demostraron que se logró una incorporación efectiva de esta

biomolécula, lo que tendrá una aplicación importante dentro del área farmacológica debido

a que el ácido mefenámico es utilizado como antiinflamatorio no esteroideo.

ABSTRACT

ABSTRACT

JOSÉ ANDRÉS MÉNDEZ CEJA ii

ABSTRACT

In the present work a series of materials were synthesized, hydrotalcite type

materials (Mg/Al & Mg/Ca/Al) and hydrocalumite (Ca/Al), all with a molar ratio MII/MIII of

two. The synthesis of the materials was carried out by the co-precipitation method at

constant pH. During the synthesis of the materials, three different pH values were used.

For the Mg/Al material the pH was fixed in 10, for the Mg/Ca/Al materials the pH was 11,

and finally for the hydrocalumite type material the pH was 12.

Once the materials were synthesized, the anionic species of the mefenamic acid

(AM), biomolecule was incorporated by ion exchange.

Fresh and intercalated materials were characterized by different techniques. X-ray

diffraction results show that fresh materials correspond to the hydrotalcite and

hydrocalumite crystalline structures. In addition, for the intercalated materials, they kept the

same crystalline structures; the difference was the increase in the interlaminar distances,

with respect to the original materials, implying that effectively AM anionic species is

introduced in the interlayer space during the intercalation process.

The results obtained by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), confirm

the typical of vibrations for the fresh materials. After the intercalation process, additional

vibrations, corresponding to the AM molecule, were observed.

Results of the material characterization before and after the AM intercalation

process showed that it was an effective incorporation of this biomolecule, which will have

an important application in the pharmacological area since the mefenamic acid is used as a

non-steroidal anti-inflammatory.

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

JOSÉ ANDRÉS MÉNDEZ CEJA iii

INTRODUCCIÓN

Recientemente se han llevado a cabo investigaciones sobre materiales que ayuden

a mejorar aspectos en el campo de la bioquímica y medicina, aspectos como la adsorción

de biomoléculas y el encapsulamientos de fármacos; entre estos materiales tenemos a los

Hidróxidos Dobles Laminares (HDL), en inglés denominados Layered Double Hydroxide

[1]. Este tipo de materiales son conocidos por su capacidad de intercambio iónico y su

estructura estable, los cuales son útiles en materiales adsorbentes, en fotocatálisis,

soportes catalíticos y materiales ópticos. Otro punto a favor de los HDL, dependiendo de

su composición, son menos tóxicos en comparación con otros materiales convencionales.

Además, poseen la ventaja que pueden ser preparados en laboratorio usando diferentes

métodos, entre ellas coprecipitación a pH constante [2].

Por otra parte, los antiinflamatorios no esteroideos (AINEs) son compuestos

orgánicos aromáticos con grupos carboxílicos fáciles de ionizar, factibles de adsorberse o

encapsularse en ciertos tipos de materiales. Se han realizado estudios de intercalación

como especies aniónicas en materiales HDL, encontrándose que la mayoría de los AINEs

son pocos solubles en agua, limitando la absorción de sus propiedades por organismos

vivos. Por lo anterior se deduce que uno de los campos de mayor interés en estos

estudios es la medicina [3].

Las propiedades por las cuales el área médica (farmacéutica) ha estudiado los HDL

con gran interés, se debe especialmente a la capacidad de adsorción que proporcionan

estos materiales, al área superficial, a la capacidad de intercambio iónico, a las reacciones

interlaminares, a la inercia química y a la baja o nula toxicidad. En algunos casos, los HDL

son usados como bases inertes en aplicaciones farmacológicas para mejorar las

propiedades organolépticas, por ejemplo, el color u olor. Son usados de igual manera

como lubricantes y/o agentes de dispersión. Recientemente han sido explorados para

INTRODUCCIÓN

JOSÉ ANDRÉS MÉNDEZ CEJA iv

desarrollar nuevas aplicaciones, tales como transportadores de fármacos potenciales,

agentes de liberación controlada y modificadores químicos [4].

Debido a lo anterior, en esta investigación se sintetizaron materiales tipo hidrotalcita

e hidrocalumita con el fin de incorporar dentro de su estructura a una biomolécula como el

ácido mefenámico, la cual pertenece a la rama de los antiinflamatorios no esteroideos y

posteriormente, poder aplicarlos en el área farmacológica como potenciales materiales

híbridos.

CAPÍTULO I

GENERALIDADES

CAPÍTULO I. GENERALIDADES

JOSÉ ANDRÉS MÉNDEZ CEJA 1

CAPÍTULO I. GENERALIDADES

I.1 Antiinflamatorios

Los medicamentos antiinflamatorios son fármacos que tratan de controlar el

proceso inflamatorio que se ha desencadenado en algún órgano del cuerpo. La

inflamación se da como respuesta a un factor agresivo, sea conocido o desconocido.

Existen los antiinflamatorios esteroideos, derivados de la cortisona, y los

antiinflamatorios no esteroideos que no la contienen. Además de sus cualidades anti-

inflamatorias, también poseen propiedades analgésicas y antipiréticas.

I.1.1 Antiinflamatorios No Esteroideos (AINEs)

En medicina, tal como puede deducirse de su denominación, los AINEs se emplean

por sus acciones analgésicas, antitérmicas, antiinflamatorias y algunos de ellos, como

antiagregantes plaquetarios [5].

La denominación de antiinflamatorios no esteroideos hace referencia, además de a

su estructura química, al mecanismo independiente del efecto de los esteroides sobre la

fosfolipasa A2 [6].

Los AINEs se encuentran entre los medicamentos más prescriptos en todo el

mundo. Se utilizan principalmente en el tratamiento de la inflamación, dolor y edema, así

como también en las osteoartritis, artritis reumatoides y disturbios musculoesqueléticos.

Esta clase heterogénea de fármacos incluye la aspirina y varios otros agentes inhibidores

de la ciclooxigenasa (COX), selectivos o no [7]; en la Tabla I.1 se observa la clasificación

de estos antiinflamatorios.

CAPITULO I. GENERALIDADES


Tabla I.1 Clasificación de los antiinflamatorios no esteroides según su selectividad para la

ciclooxigenasa [7].

No Selectivos (COX-1 y 2) (tradicionales, convencionales)

Selectivos (COX-2) (COXIBEs)

Aspirina Rofecoxib (Vioxx)

Acetaminofen Valdecoxib (Bextra)

Indometacina (Indocid) Parecoxib

Ibuprofeno (Motrin, Dalsy) Celecoxib (Celebra)

Naproxeno (Naprosin) Etoricoxib (Arcoxia)

Sulindac (Clinoril) Lumiracoxib (Prexige)

Diclofenaco (Voltaren)

Piroxicam (Feldene)

β-Piroxicam (Cycladol)

Meloxicam (Movatec)

Cetoprofeno (Profenid)

I.1.2 Mecanismo de Acción de los AINEs

Los AINEs ejercen su actividad antiinflamatoria a través de la inhibición de la COX-2

en el sitio de la inflamación. Pero también estos fármacos son capaces de inhibir la COX-1

en los tejidos gastrointestinales y renales, lo que genera efectos indeseables, y puede

limitar su utilidad terapéutica, expresando en otros términos la relación beneficio riesgo de

los AINEs, que dependerá de su capacidad de bloquear en mayor o menor grado a estas

formas de COX [8]. En la Figura I.1 se observa de forma esquemática el mecanismo

general de acción de los AINEs y de la interacción con la ciclooxigenasa (COX).



Figura I.1 Mecanismo de acción de los AINEs [8].

Otros posibles mecanismos de acción de los AINEs:

Disminuyen la expresión de moléculas de adhesión celular (L-selectina) entre

neutrófilos o células endoteliales.

Reestablecimiento de los ciclos normales de muerte celular programada

(apoptosis). Como efecto de esto se ha observado disminución de cáncer y tamaño

de pólipos adenomatosos de colon en individuos con uso crónico de AINEs.

Inhibición de la generación de especies reactivas del oxígeno (ERO).

Inhibición de la liberación de enzimas lisosómicas por polimorfonucleares

neutrófilos (PMN).

Inhibición de procesos asociados a la membrana celular

I.1.3 Ácido Mefenámico

El Ácido Mefenámico (AM) es un agente antiinflamatorio no esteroideo con

analgésico, antiinflamatorio y propiedades antipiréticas. Es un inhibidor de la actividad de

las enzimas ciclooxigenasa, resultando en el decrecimiento de la formación de precursores

de las prostaglandinas y tromboxanos.



En la Figura I.2 inciso a) se presenta la estructura química del AM, mientras que en

el inciso b) se observa el anión mefenamato, el cual se origina al efectuarse una ruptura

heterolítica en el grupo carboxilo.

NH

O

O

H

a)

NH

O

O

b)

Figura I.2 Estructura del a) Ácido Mefenámico, b) Anión mefenamato.

En la Tabla I.2 se exponen las propiedades más representativas del ácido

mefenámico.



Tabla I.2 Propiedades del ácido mefenámico [9].

Nombre IUPAC 2-(2,3-dimetilanilino)-acido benzoico

Apariencia Polvo cristalino blanquecino

Fórmula molecular

C15H15NO2

Peso molecular 241.2851 g/mol

Punto de fusión 230 – 231 °C

Solubilidad

Agua @ pH=7.1 25°C 0.0041g/100mL

Soluble en soluciones de hidróxidos

alcalinos, moderadamente soluble en éter y

cloroformo, y ligeramente en etanol y

metanol.

I.1.4 Aplicaciones del Ácido Mefenámico

Uso medicinal en personas de edad avanzada para combatir dolencias renales o

con problemas de deshidratación. Sin embargo, se debe tener un control y una

responsabilidad en el suministro de este antiinflamatorio ya que puede generar efectos

secundarios adversos como problemas gastrointestinales [10].

Otra de las aplicaciones que se le da al AM, es en el auxilio de los casos de

mujeres que presentan menorragias. Las investigaciones demuestran que ayuda a reducir

un 20% de pérdida de sangre a causa de la menstruación excesivamente abundante [11].

I.2 Arcillas

La palabra arcilla proviene del latín “argilla” y ésta del griego “argos” (blanco), por el

color del material usado en cerámica. La arcilla es un material que abunda en la corteza

terrestre. Se origina por la descomposición de los feldespatos (59% de su composición)

que, por desintegración de su parte alcalina, se disuelven y son arrastrados por el agua



que deposita la alúmina y los silicatos. Dado que estos dos componentes, alúmina y sílice

en sus innumerables variantes químicas, son los que aparecen en el material denominado

“arcilla”, cualquier otro óxido o componente que pueda aparecer en una determinada clase

de arcilla, deberá considerarse como una impureza [12].

Las arcillas consisten de un material granuloso muy fino formado por partículas muy

pequeñas cuyo tamaño es inferior a 4 micras, se componen principalmente de silicatos de

aluminio hidratados [13].

Las principales propiedades físico-químicas de las arcillas se originan debido a su

morfología laminar y a sus propiedades texturales (alto valor de su superficie específica),

así como por las frecuentes sustituciones isomórficas en las láminas, con aparición de

cargas en las mismas que se compensan con la entrada en el espacio interlaminar de

cationes débilmente ligados y con estado variable de hidratación (capacidad de cambio

iónico) [14].

Este tipo de materiales tiene diferentes aplicaciones industriales, entre las

principales se encuentran la industria de la construcción y los materiales cerámicos. Por

igual, uno de los principales campos de aplicación de algunas arcillas pertenece al sector

de los adsorbentes debido a la adsorción de agua u otras moléculas en el espacio

interlaminar (intercalación). Las arcillas tienen muchas propiedades como son: alto

rendimiento, selectividad, sencilla manipulación, recuperación y amplio intervalo de

variables de aplicación.

Otras de las aplicaciones de las arcillas son la fabricación de cemento,

desengrasado de los tejidos y de pieles, decoloración de grasas y aceites, para el refinado

de petróleo, como base de pinturas y cauchos, soportes catalíticos, agentes colorantes,

agricultura, etc. [12].



I.2.1 Arcillas catiónicas

Estos tipos de arcillas presentan una estructura laminar conformada por silicatos de

aluminio y magnesio hidratados, es decir, Si, O, Al, Mg y H2O, principalmente. Aunque por

lo general presentan otros elementos en menor proporción, como el hierro. Debido a su

porosidad interna y a su carga electrostática, las arcillas permiten la sorción (adsorción y

absorción) de cationes simples, como, por ejemplo, potasio, magnesio y amonio, los

cuales pueden liberarse o intercambiarse en medio ácido. Las esmectitas son arcillas que

presentan propiedades interesantes para su empleo como adsorbentes.

La montmorillonita es la arcilla catiónica tipo esmectita más representativa, véase la

Figura I.3. Su estructura consiste de una capa octaédrica de hidragilita-brucita [Al(OH)3-

Mg(OH)2] incluida entre dos capas tetraédricas de silicio. Las capas octaédricas presentan

un exceso de cargas negativas originadas por la sustitución natural de algunos átomos de

Al3+ por átomos de Mg2+. Estas cargas se compensan por cationes localizados en la

superficie interlaminar, generalmente, Na+, K+, NH4+ y/o Ca2+, denominados cationes

intercambiables o cationes de compensación de carga. La principal característica de la

montmorillonita es que en su espacio interlaminar puede penetrar tanto el agua como

moléculas orgánicas e inorgánicas, causando una expansión entre las láminas. Estas

arcillas tienen una capacidad de intercambio catiónico (CIC) de 60 a 120 meq/100 g de

material [15]. La cinética de adsorción de intercambio catiónico es rápida y los cationes

como sodio (Na+) y calcio (Ca2+) forman complejos en la parte expuesta de la superficie,

los cuales se intercambian con facilidad con los iones de soluto modificando la

composición catiónica de la solución [16].



Figura I.3 Estructura de una arcilla catiónica [16].

I.2.2 Arcillas aniónicas

Las arcillas aniónicas poseen una estructura cristalina hexagonal u octaédrica.

Constan de láminas constituidas por hidróxidos, cationes metálicos cargados

positivamente, aniones y moléculas de agua en el espacio interlaminar.

La hidrotalcita es un mineral cuya fórmula química estructural es

[Mg6Al2(OH)16](CO3)•4H2O. Este mineral pertenece al grupo de las arcillas aniónicas. La

estructura de la hidrotalcita es similar a la de la brucita, Mg(OH)2, en la cual el magnesio

se encuentra coordinado octaédricamente a seis grupos hidroxilo (OH-). Estos octaedros

forman láminas bidimensionales, véase la figura I.4.



Figura I.4 Estructura de una arcilla aniónica [15].

Cuando algunos cationes Mg2+ se reemplazan por Al3+, se forma la hidrotalcita y el

arreglo laminar adquiere cargas excedentes positivas. Para compensar esta carga se

requiere de un anión; en el caso de la hidrotalcita, son los carbonatos CO32- que se

localizan en región interlaminar, junto con moléculas de agua. Las hidrotalcitas o arcillas

aniónicas, pueden sintetizarse fácilmente en el laboratorio. La variedad de familias de

compuestos tipo hidrotalcita que se puede preparar es enorme y la fórmula general que los

representa es: M2+1-x M

3+x (OH)2A

n-x/n • y H2O en donde M2+ y M3+ son cationes metálicos

divalentes y trivalentes, respectivamente, mientras que An- representa un anión de carga

n-. Este anión interlaminar puede ser intercambiado por muchos otros en medio acuoso u

orgánico. El valor de x representa la fracción de cationes con carga trivalente, usualmente

esta fracción se encuentra entre 0.20 y 0.33 [15, 17].



I.2.2.1 Hidróxidos dobles laminares

Los hidróxidos dobles laminares (HDL) son estructuras sintéticas formadas por

láminas de hidróxidos metálicos cargadas positivamente, que son estabilizadas con

aniones interlaminares. La presencia de grupos hidroxilo en las superficies de sus láminas

y los aniones intercambiables los hace compuestos ideales para preparar productos de

funcionalización o hibridación con moléculas orgánicas permitiendo la obtención de

nuevos materiales en escala nanométrica que cubren una gama amplia de aplicaciones,

desde materiales biológicamente compatibles hasta catalizadores o materiales para

remediación ambiental [18].

Los HDL son una de las familias de arcillas más estudiadas, gracias a su alta

capacidad de adsorción, funcionalización, gran estabilidad química y térmica, de síntesis

sencilla y económica, excelente biocompatibilidad, y por ello, con una gran gama de

aplicaciones posibles, es decir, presentan en diversos campos diferentes desarrollos

prácticos. Estos materiales han sido usados aún después de someterlos a calentamiento

(calcinación), esto con el fin de obtener óxidos mixtos. Las propiedades más interesantes

de los óxidos obtenidos mediante calcinación son las siguientes:

1. Alta área superficial

2. Propiedades básicas

3. Formación de óxidos mixtos cristalinos, estables a tratamientos térmicos.

4. Efecto memoria, el cual contribuye a la reconstrucción de su estructura, es

decir, el material es capaz de regenerarse.

Uno de los materiales representativos de los HDL es la hidrotalcita, la cual fue

descubierta en Suecia en el año de 1825. La primera fórmula molecular que describía a

las hidrotalcitas fue publicada por E. Manasse, quien fue también el primero en reconocer



que los iones carbonato eran esenciales para mantener este tipo de estructura. La fórmula

representativa de la hidrotalcita publicada por Manasse es la siguiente [17]:

Mg6Al2(OH)16CO3 · 4H2O

Los materiales tipo hidrotalcita, al ser material HDL son ampliamente usados como

adsorbentes, catalizadores y precursores catalíticos entre otros, en la Figura I.5 se

observan algunos de los diferentes usos de estos materiales. Así también, se utiliza su

propiedad conocida como “efecto memoria”, la cual se desarrolla al efectuar a este tipo de

materiales un proceso térmico (calcinación), sometiendo el material a temperaturas de

entre 400 y 600 °C; este proceso causa la formación de óxidos mixtos (M2+, M3+)-O con

una estructura periclasa, permitiendo recobrar la estructura original después de entrar en

contacto con alguna solución acuosa o aniónica [19].

Figura I.5 Aplicaciones de las hidrotalcitas [17].



I.2.2.1.1 Estructura de las Hidrotalcitas

Desde la perspectiva de la química de materiales, para comprender la estructura del

material tipo hidrotalcita es necesario comenzar por la estructura de la brucita Mg(OH)2.

En la Figura I.6 se observa un esquema de la brucita, en este material las unidades

básicas son láminas con cationes Mg2+ localizados en el centro y coordinados

octaédricamente por seis grupos OH-, la unión de varios octaedros brinda como resultado

la formación de una lámina tipo brucita; dichos octaedros están unidos a otros por medio

de una arista, lo que hace que se formen láminas infinitas. Estas láminas sin carga, están

apiladas una sobre otra, manteniéndose unidas por medio de puentes de hidrógeno [20].

Figura I.6 Representación de una sección de una lámina de brucita [18].

De acuerdo con el segundo postulado de Pauling1, cada catión Mg2+ comparte sus

cargas con seis aniones por los que aporta +2/6 = +1/3 de carga; mientras que cada OH-

coordinado con tres centros de magnesio aportaría -1/3 = -1/3, lo que resulta en una carga

electrostática total (+1/3 -1/3 = 0) neutra [18].

1 El segundo postulado de Linus Pauling o Principio electrostático de valencia, establece que en una

estructura de coordinación estable, la fuerza con la cual un anión retiene cationes circundantes es igual a la carga del anión [21].



Los HDL son el resultado de la substitución isomórfica de una fracción de los

cationes magnesio por un catión trivalente (M3+), generando así un residuo de carga

positiva en las láminas, la cual se compensa con la presencia adicional de aniones

interlaminares.

La fórmula general de los materiales HDL es [M2+1-x M3+

x (OH)2]x+ (An-)x/n∙mH2O,

donde M2+ es un catión divalente (Ca2+, Mg2+, Zn2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Mn2+), M3+ es un

catión trivalente (Al3+, Cr3+, Fe3+, Co3+, Ni3+, Mn3+), An- es un anión de compensación (Cl-,

NO3-, ClO4

-, CO32-, SO4

2-). Los cationes utilizados para la síntesis de HDL no están

limitados a cationes di y trivalentes. También es posible utilizar cationes monovalentes,

como el caso del Li+ y tetravalentes como Ti4+, Zr4+ y Si4+, pero se obtienen estructuras

con láminas menos gruesas comparadas con un HDL conteniendo Mg/Al. Incluso, se ha

reportado el uso de Mo6+ como reemplazo del catión trivalente [18].

La fracción x del catión trivalente determina la carga electrostática de las láminas.

Algunos minerales naturales contienen un valor fijo de x= 0.33, aunque la estructura puede

ser estable en intervalos que varían de 0.2 a 0.33. Aun cuando es posible sintetizar HDL

con valores de x fuera de este intervalo, es más probable que se encuentren arreglos

diferentes y la cristalinidad disminuya. El valor de x también influye en la dimensión del

espacio interlaminar y en la capacidad de intercambio iónico.

El tamaño de los radios catiónicos M2+ y M3+ es un parámetro importante en la

síntesis de los HDL. Generalmente, las sustituciones isomórficas son regidas por

consideraciones del tamaño iónico y contienen iones con radios catiónicos semejantes,

aunque esto no es necesariamente una regla. La estructura de los HDL es lo

suficientemente flexible para permitir cualquier catión M3+ con una variación en radio iónico

de 0.67 Å (Al3+) a 0.93 Å (In3+) y se tornan inestables cuando el radio iónico de M2+ es

menor a 0.6 Å. Para M2+, un catión grande como Ca2+ transforma el arreglo tipo

hidrotalcita en hidrocalumita (aluminato de calcio).



En el espacio interlaminar, además de los aniones, están presentes las moléculas

de agua conectadas tanto a las láminas de los cationes metálicos como a los aniones de

la intercapa por medio de enlaces de hidrógeno. El concepto de que estos enlaces de

hidrógeno están continuamente rompiéndose y reformándose, así como el que las

moléculas de agua están en un estado continuo de flujo, se ha corroborado con

experimentos realizados por resonancia magnética nuclear de protón, por lo tanto, la

naturaleza de la región interlaminar es en extremo compleja [18].

En relación a los aniones interlaminares, usualmente se tiene el contra-anión que

proviene de la sal utilizada para la síntesis del HDL. Sin embargo, es posible modificar la

composición de esta región intercalando otro tipo de iones o moléculas para estructurar un

LDH con nuevas o mejores propiedades. También es posible la modificación de la

simetría, dependiendo del tipo de arreglo entre cationes divalentes y trivalentes

empleados, tal como se observa en la Tabla I.3.

Tabla I.3 Valores de parámetros cristalográficos y simetría de HDL [22].



Ca2Al(OH)6Cl · 3H2O

I.2.2.1.2 Estructura de la Hidrocalumita

La hidrocalumita es un mineral representado por la siguiente formula:

Y generalmente, a los materiales que se clasifican como material tipo hidrocalumita

suelen tener la fórmula (Ca2MIII(OH)6)

x+ (Xq- x/q nH2O) donde generalmente MIII= Al3+, Fe3+,

Cr3+ o Ga3+, Xq-=SO42-, CO3

2- o Cl- [24].

La hidrocalumita es un raro aluminato de calcio, el cual se puede encontrar en

cavidades de roca fonolítica (roca ígnea) o en inclusiones de basalto. La estructura está

basada en un arreglo de iones Ca2+ y M3+ en láminas tipo brucita, como se observa en la

Figura I.7, teniendo una red cristalina monoclínica [23].

Figura I.7 Esquema de una estructura de hidrocalumita [24]

I.3 Intercambio iónico

Cuando una estructura de arcilla no es estable y se pone en contacto con una

disolución, provoca la atracción de iones de signo contrario que se concentran en la

interfase sólido-disolución. El intercambio se produce porque los iones están débilmente



adsorbidos, por lo que pueden ser reemplazados por otros con facilidad, manteniendo la

carga. El fenómeno está regulado por el equilibrio dinámico entre los iones adsorbidos y

los de la disolución; este proceso se denomina intercambio iónico.

Habría que mencionar que la atracción de los iones no es la misma para todas las

especies; es decir, algunos iones son más fuertemente atraídos que otros. Este carácter

selectivo depende del tipo de mineral de la arcilla y de su composición química, así como

de la afinidad de los iones para permanecer libres en estado hidratado en la solución.

Evidentemente también dependerá de la composición y concentración de los iones en

disolución [25].

El intercambio iónico de aniones en los espacios interlaminares de los materiales

tipo hidrotalcita proporciona ventajas en aplicaciones como catálisis, ya que permite la

incorporación de un anión diferente al de la estructura original. Shigeo Miyata reportó las

propiedades del intercambio aniónico, así como la afinidad de aniones a las estructuras de

los materiales tipo hidrotalcita. De acuerdo a las experimentaciones llevadas a cabo por

Miyata, la selectividad (afinidad) en aniones monovalentes es la siguiente [26]:

OH- > F- > Cl- > Br- > NO3- > I-

De igual manera, establece que los aniones divalentes tienen una mayor

selectividad iónica que los aniones monovalentes. Dentro de los aniones monovalentes

estudiados, el anión OH- y el anión F- tienen una elevada selectividad; mientras que dentro

de los aniones divalentes, el CO32- presenta una elevada afinidad iónica [26].

Así, se pretende utilizar la propiedad de intercambio iónico con el fin de incorporar

la biomolécula del ácido mefenámico dentro de la estructura de estas matrices inorgánicas

como son los hidróxidos dobles laminares y la hidrocalumita.

CAPÍTULO II

DESARROLLO EXPERIMENTAL

CAPÍTULO II. DESARROLLO EXPERIMENTAL



En este capítulo se aborda la parte experimental de la síntesis de compuestos tipo

hidrotalcita de acuerdo al diagrama presentado en la Figura II.1.

Preparación de solución

de Nitratos (NO3ˉ)

Preparación de solución

de NaOH 2M

Calibración de equipo y

montaje del sistema

Control y obtención del

precipitado

Centrifugado y

eliminación de

impurezas

Proceso de añejamiento

Secado de material LDH

en estufa

Figura II.1 Diagrama de bloques para síntesis de material HDL.

En la figura anterior, se describe el proceso mediante el cual se realizó la síntesis

para el sistema Mg/Al y Ca/Al con una relación molar entre cationes divalente y trivalente

MII/MIII igual a 2. Posteriormente se muestran y describen las condiciones utilizadas para el

proceso de calcinación, así como su aplicación en la intercalación de ácido mefenámico.

II.1 Materiales para la síntesis de HDL

Los reactivos empleados para la síntesis de materiales tipo hidrotalcita que se

trabajaron en el presente proyecto se muestran en la Tabla II.1.



Tabla II.1 Reactivos empleados para la síntesis de HDL.

Reactivo Fórmula Peso Molecular Pureza (%)

Hidróxido de Sodio NaOH 39.98 99

Nitrato de Aluminio Nonahidratado

Al(NO3)3 · 9H2O 374.981 98

Nitrato de Magnesio Hexahidratado

Mg(NO3)2 · 6H2O 256.30 99

Nitrato de Calcio Tetrahidratado

Ca(NO3)2 · 4H2O 236.15 99

II.2 Preparación de materiales tipo Hidrotalcita

Los hidróxidos dobles laminares fueron sintetizados mediante el método de

coprecipitación a baja sobresaturación regulando el pH, es decir, manteniéndolo constante

(pH=10, 11 o 12) [17]. Se tomaron como punto de partida los cationes divalentes y

trivalentes contenidos en las sales inorgánicas, calculando las cantidades utilizadas a

partir de las relaciones molares Mg/Al y Ca/Al igual a 2. Los parámetros a considerar en el

procedimiento de síntesis son los siguientes: pH de la solución, naturaleza de la solución y

agente precipitante.

II.3 Equipo experimental

Se utilizó un equipo de titulación automático marca Metrohom modelo Titrando 842,

para la síntesis de los materiales tipo hidrotalcita con la finalidad de llevar a cabo el control

de la coprecipitación de las sales inorgánicas empleadas. El equipo proporciona los datos

del pH, el cual debe ser constante mediante el control que realiza a través del electrodo y

los valores mostrados en la pantalla de lectura de datos.

De esta manera el equipo auxilia en el censado y control del pH para llevar a cabo

la dosificación de la solución de NaOH de forma automática.



II.4 Procedimiento de síntesis

Se sintetizó una serie de materiales HDL con una relación molar MII/MIII igual a 2,

partiendo de las sales inorgánicas correspondientes y de una solución de hidróxido de

sodio.

a. Solución de nitratos. Esta solución se preparó a base del nitrato de magnesio

hexahidratado y nitrato de aluminio nonahidratado de acuerdo a los cálculos

realizados.

De igual forma, se trabajó con el nitrato de calcio y nitrato de aluminio

nonahidratado con los cálculos correspondientes para esta solución de nitratos.

b. Solución de hidróxido de sodio 2M. Por medio de esta solución se mantiene el pH

constante a través del dosificador y se precipita el sólido.

Preparadas las soluciones, se montó el sistema y se ajustó la velocidad de dosificación

de la solución de nitratos.

Las condiciones a monitorear son: pH constante, velocidad de dosificación y volumen

de dosificación principalmente. La adición se realizó por goteo a través de un recipiente

clínico, el cual se asemejó a un embudo de separación; se mantuvo la suspensión

resultante a temperatura ambiente y agitación constante.

Finalizada la adición de ambas soluciones (solución de nitratos y de NaOH), se obtuvo

un precipitado, el cual se sometió a un proceso de añejamiento a 80°C durante 15 horas

de agitación continua. Se prosiguió con un proceso de centrifugación para realizar el

lavado de las muestras con agua destilada y así eliminar las impurezas que se forman

durante el proceso de síntesis. Por último, la muestra obtenida fue secada a 80°C durante

15 horas en una estufa, obteniendo así el compuesto tipo hidrotalcita.



II.5 Intercalación mediante Intercambio iónico

Una vez sintetizados los materiales, se realizó un intercambio iónico, este proceso

tiene como finalidad intercalar entre el espacio interlaminar la especie iónica del ácido

mefenámico. Para tal proceso se solubilizó en 100 mL de metanol el peso correspondiente

de ácido mefenámico de acuerdo a la capacidad de intercambio iónico de cada material

tipo hidrotalcita e hidrocalumita. La intercalación se realizó durante 2 horas a 70°C, bajo

una atmósfera inerte de N2. Finalmente, los sólidos se secaron en un cristalizador a

temperatura ambiente y con una protección al recipiente para evitar posible contaminación

en el material obtenido [27].

CAPÍTULO III

CARACTERIZACIÓN

CAPÍTULO III. CARACTERIZACIÓN



Dentro del espacio interlaminar de los materiales tipo hidrotalcita (HDL) se han

podido intercalar importantes biomoléculas con carga negativa (aniones), tanto

oligómeros, sencillos o dobles ADN o moléculas simples de nucleótidos. Algunos estudios

se han enfocado en el alto potencial de intercalación de moléculas ADN, sin embargo, este

tipo de molécula es muy susceptible a la degradación y desnaturalización ocurrida durante

el proceso y el depósito. Las aplicaciones de los HDL en la intercalación de biomoléculas

se basa en tres propiedades: solubilidad, la basicidad presentada del material y la

capacidad para una liberación (desorción o desintercalación) controlada [28].

III.1 Composición de los materiales

Los resultados de los análisis de los materiales tipo hidrotalcita nos llevan a pensar

en la composición química requerida de estos materiales y en la fórmula química que

presentan. La composición química teórica de estos materiales que se observa en la Tabla

III.1, se calculó mediante una relación molar igual a 2 entre el o los cationes divalentes y el

catión trivalente; de los 4 materiales sintetizados, dos de estos contienen Mg2+ y Ca2+

como cationes divalentes y sus relaciones molares son de 2:1 y 1:2, respectivamente.

Tabla III.1 Composición química.

Composición teórica de los materiales

Clave Relación Molar MII/MIII Fórmula Desarrollada Teórica

MgAl-HDL 2 Mg5.33Al2.667(OH)16(NO3)2.667·4H2O

Mg2CaAl-HDL 2 Mg3.555Ca1.778Al2.667(OH)16 (NO3)2.667·4H2O

MgCa2Al-HDL 2 Mg1.778Ca3.555Al2.667(OH)16 (NO3)2.667·4H2O

CaAl-HDL 2 Ca2Al(OH)6(NO3)·2H2O



III.2 Difracción de Rayos-X

La técnica que nos auxilia a determinar el arreglo de átomos en los materiales

cristalinos, longitudes y ángulos de enlace, es la técnica de difracción de rayos-X.

Además, casi todos los avances recientes en biología molecular y medicina, han surgido

de la aplicación de esta técnica a la determinación de las estructuras de moléculas tales

como las proteínas y los ácidos nucleicos [29].

Los rayos-X son una forma de radiación electromagnética que tiene elevada

energía y corta longitud de onda; del orden de los espacios interatómicos de los sólidos.

Cuando un haz de rayos-X incide en un material sólido, parte de este haz se dispersa en

todas las direcciones a causa de los electrones asociados a los átomos o iones que

encuentra en el trayecto.

La técnica de difracción más común utiliza una muestra pulverizada o policristalina

consistente en muchas partículas diminutas y orientadas al azar, que se exponen a una

radiación de rayos-X monocromática, como se muestra en la Figura III.1. Como cada

partícula de polvo es un cristal, teniendo gran cantidad de ellos libremente orientados se

asegura que algunas partículas estén orientadas adecuadamente para que sus planos

cristalográficos cumplan las condiciones para la difracción [30].



Figura III.1 Técnica de difracción de polvo [29].

La ecuación central para analizar los resultados de un experimento de difracción es

la ecuación regida por la ley de Bragg:

𝑛𝜆 = 2 ∗ 𝑑ℎ𝑘𝑙 𝑠𝑒𝑛𝜃

Donde:

n= orden del haz difractado

λ= longitud de onda de la radiación utilizada

d= distancia interplanar

θ= ángulo de incidencia del haz de rayos-X

Esta ecuación fundamental expresa que para un determinado valor de longitud de

onda de los rayos-X, ha de suministrar información acerca del espaciado entre planos

sobre los que están localizados los centros de dispersión que constituyen el cristal [31]; en

la Figura III.2, se observa la condición básica que debe existir para la dispersión regida por

Bragg.



Figura III.2 Condición básica para la dispersión de Bragg [31].

Puesto que la orientación relativa de las series de puntos del cristal o planos

reticulares, cuyos espacios revelan la difracción de rayos-X, es de gran importancia para el

análisis de la estructura del cristal, para esto es necesario un método conveniente para

describir estos planos. Particularmente para el análisis de los datos obtenidos por

difracción, es mucho más adecuado el uso de las series de números llamados índices de

Miller. Estos se obtienen tomando los inversos de los coeficientes de a, b, c, que

especifican, por medio de las distancias de interceptación, la dirección de la serie de

planos. En estos tres inversos se eliminan los números fraccionarios y quedan reducidos a

números enteros sencillos. La notación del plano a:b:c, se convierte en plano 111, la del

plano a:2b:c en 212. Los índices de Miller, en general, se expresan por ternas hkl, con las

que se describen las direcciones relativas de los planos de cristal [31].

Los difractogramas obtenidos mediante esta técnica son característicos para cada

material y la identificación de los compuestos se basa y fundamenta en la posición de los

picos y sus intensidades que presentan. El ángulo de difracción θ está determinado por la

distancia interplanar entre una familia de planos; las distancias se comparan con las

tarjetas clasificadas del JCPDS (Joint Committee of Powder Diffraction Standards).

Se presentan gráficamente en las Figuras III.3 y III.4 los datos de las tarjetas

clasificadas JCPDS de difracción de los materiales tipo hidrotalcita e hidrocalumita.



10 20 30 40 50 60 70

0

20

40

60

80

100

Inte

nsid

ad

Re

lativa

(u

.a)

2theta(Grados)

(003)

(006)

(012)

(009)

(015) (018)

(110)(113)

Figura III.3 Tarjeta JCPDS de difracción de la Hidrotalcita.

10 20 30 40 50

0

20

40

60

80

100

(520)(521)

(440)

(323)

(206)

(040)

(004)

Inte

nsid

ad

Re

lativa

(u

.a)

2theta(Grados)

(002)

Figura III.4 Tarjeta JCPDS de difracción de la Hidrocalumita.



Condiciones Experimentales

Los resultados de difracción de rayos-X se obtuvieron gracias a la ayuda de un

Difractómetro D8 Focus Broker AXS. El equipo trabaja con un tubo de rayos-X de cobre

con un potencial de 35 kV y 25 mA. La radiación Kα del Cu es λ=1.54056 Å.

En la Figura III.5 se muestran los difractogramas de rayos-X obtenidos para los

primeros 3 materiales frescos, los cuales presentan una estructura tipo hidrotalcita, ya que

las reflexiones que exhiben cada uno de los materiales coinciden con los reportados para

la hidrotalcita, el cual corresponde a los datos reportados en la tarjeta JCPDS: 01-089-

0460. En los difractogramas se observan picos bien definidos y simétricos para los planos

(003), (006) y (110), y picos anchos para los planos (012) y (015) para el material fresco

MgAl-HDL; en los materiales frescos Mg2CaAl-HDL y MgCa2Al-HDL, se observan picos

anchos para los planos (003), (006), (012) y (110), lo que implica menor grado de

cristalinidad.



10 20 30 40 50 60 70 80

MgCa2Al-HDL

MgCa2Al-HDL

(113)

(110)

(018)(015)

(012)

(006)

Inte

nsid

ad

Re

lativa

(u

. a

.)

2 theta (grados)

MgAl-HDL

Mg2CaAl-HDL

MgCa2Al-HDL(003)

MgAl-HDL

Figura III.5 Difractograma de rayos-X de materiales frescos tipo hidrotalcita.

De igual manera, en la Figura III.6 se muestra el difractograma de rayos-X obtenido

del material CaAl-HDL, el cual presenta la estructura correspondiente a la hidrocalumita,

ya que las reflexiones que exhibe coinciden con la hidrocalumita, el cual corresponde a los

datos reportados en la tarjeta JCPDS: 00-042-0558. Se observan en el difractograma

picos bien definidos para los planos (002), (004), (040), (206), (323), (440) y (521), por lo

que se puede concluir que la muestra presenta un grado de cristalinidad alto.



10 20 30 40 50 60 70 80

CaAl-HDL

(521)(440)

(323)

(206)

(040)

(002)

Inte

nsid

ad

Re

lativa

(u

. a

.)

2 theta (grados)

CaAl-HDL

(004)

Figura III.6 Difractograma de rayos-X de material fresco tipo hidrocalumita.

III.2.1 Cálculos de los parámetros de red

De acuerdo a la ley de Bragg mencionada anteriormente, y con respecto al pico

correspondiente al plano (003), es posible calcular la distancia interlaminar (d003) para el

caso de los materiales tipo hidrotalcita y la distancia interlaminar (d002) con respecto al

plano (002) en el caso de la hidrocalumita, mediante la siguiente expresión:

𝑑ℎ𝑘𝑙 =𝜆

2𝑠𝑒𝑛𝜃



Donde una vez obtenida la distancia interlaminar, se pueden conocer los

parámetros de celda a y c. Donde el parámetro a se define como la distancia que existe

entre los cationes de una misma lámina y su valor están en función de la naturaleza del

ión, por lo que involucra el radio iónico de la especie y la relación molar existente.

Mientras que el parámetro c está en función de la secuencia de apilamiento de las

láminas de la estructura, por lo que depende del tamaño del anión que se encuentra entre

estas y del grado de hidratación en algunos de los casos. Dichos parámetros se definen

mediante las fórmulas siguientes:

𝑐 = 3 ∗ 𝑑(003)

𝑎 = 2 ∗ 𝑑(110) =𝜆

𝑠𝑒𝑛𝜃

Los parámetros mencionados se muestran en esquema en la Figura III.7.

a

d

c=

3*d

Lámina

Espacio

interlaminar

Figura III.7 Parámetros de red (a), (c) y (d) [1].



Los parámetros de red de los materiales frescos del material tipo hidrotalcita se

muestran en la Tabla III.2.

Tabla III.2 Parámetros de red y distancia d003 de los compuestos tipo hidrotalcita.

MATERIALES FRESCOS

d(003) (Å) a (Å) c (Å)

MgAl-HDL 8.74 3.518 26.22

Mg2CaAl-HDL 7.98 3.518 23.95

MgCa2Al-HDL 7.80 3.517 23.40

De igual manera, en la Tabla III.3 se muestran los parámetros de red del material

fresco tipo hidrocalumita.

Tabla III.3 Parámetro de red y distancia d002 del compuesto tipo hidrocalumita.

MATERIAL FRESCO d(002) (Å) c (Å)

CaAl-HDL 8.47 25.42

Las distancias d(003) y d(002) obtenidas en cada uno de los materiales, son cercanas

a distancias reportadas en fuentes consultadas de trabajos previos, tal es el caso de la

d(003) para los materiales tipo hidrotalcita, donde la tarjeta JCPDS: 01-089-0460 reporta

una d(003)= 7.59 Ǻ con aniones CO32- en los espacios interlaminares. Para el caso del

material hidrocalumita, se reportan distancias en el plano (002) de 8.63 Ǻ con aniones

NO3- en los espacios interlaminares [32] y de 8.14 Ǻ con aniones Cl-, este último dato es

reportado en la tarjeta JCPDS: 00-042-0558.

Una vez que se verificaron las estructuras cristalinas de los materiales y se

determinaron los parámetros de red de cada uno de ellos, se realizó la intercalación de la

biomolécula del ácido mefenámico (AM), dentro del espacio interlaminar de las muestras

originales.



En la Figura III.8 podemos observar los difractogramas de rayos-X de los materiales

modificados mediante el intercambio iónico de la especie iónica del AM, los cuales

muestran un desplazamiento hacia la izquierda, es decir, hacia ángulos más bajos, lo cual

indica que efectivamente se realizó la intercalación de la biomolécula dentro de las

estructuras de los materiales laminares originales.

10 20 30 40 50 60

CaAl-AM

MgCa2Al-AM

Mg2CaAl-AM

Inte

nsid

ad

Re

lativa

(u

. a

.)

2 theta (grados)

MgAl-AM

Mg2CaAl-AM

MgCa2Al-AM

CaAl-AM

MgAl-AM

Figura III.8 Difractograma de rayos-X de los materiales modificados.

Los parámetros de red de los materiales modificados por intercambio iónico de los

materiales tipo hidrotalcita se muestran en la Tabla III.4.



Tabla III.4 Parámetros de red y distancia d003 de los materiales intercalados tipo

hidrotalcita.

MATERIALES INTERCALADOS

d(003) (Å) a (Å) c (Å)

MgAl-AM 15.57 3.521 46.72

Mg2CaAl-AM 13.40 3.520 40.20

MgCa2Al-AM 13.40 3.523 40.20

De igual manera, en la Tabla III.5 se muestran los parámetros de red del material

intercalado tipo hidrocalumita.

Tabla III.5 Parámetro de red y distancia d002 del material intercalado tipo hidrocalumita.

MATERIALES INTERCALADOS

d(002) (Å) c (Å)

CaAl-AM 17.27 51.83

Comparando las Tablas de los materiales originales con las de los materiales

después de la intercalación con el AM se puede apreciar que las distancias interlaminares

de los materiales intercalados son mayores con respecto a las de los materiales frescos,

esto debido al intercambio iónico que se realizó, es decir, a la intercalación en el espacio

interlaminar del anión mefenamato que sustituyó a los aniones de origen, principalmente a

los iones nitrato; esta aseveración se confirma con la difracción de Rayos-X que se

muestra en los difractogramas, ya que se observa un desplazamiento hacia la izquierda

(desplazamiento hacia ángulos más bajos). Sin embargo, el incremento en la distancia

d(003) para los materiales tipo hidrotalcita y d(002) para el material tipo hidrocalumita no fue

del mismo orden, para este último, el incremento en la distancia interlaminar fue mayor, ya

que se incrementó 8.8 Ǻ con respecto a la distancia del material fresco.

Para el material tipo hidrotalcita Mg/Al, el incremento con respecto al material fresco

fue de 6.83 Ǻ, este es el segundo mayor incremento en relación a las distancias

interlaminares que se tuvo de los materiales intercalados. Por último, los materiales tipo



hidrotalcita Mg/Ca/Al fueron los que tuvieron un menor incremento en la distancia

interlaminar, para el caso de material Mg2CaAl-AM se tuvo un incremento de 5.42 Ǻ con

respecto a la distancia del material fresco y el material MgCa2Al-AM tuvo un incremento

de 5.6 Ǻ con respecto al material fresco.

Estos incrementos observados en las distancias interlaminares de todos los

materiales hacen pensar en dos diferentes arreglos de bicapa en los que los aniones

mefenamato pudo alojarse. El primer arreglo se observa en la Figura III.9, este arreglo

sería propuesto para el material CaAl-AM, y en la Figura III.10 se observa el arreglo

propuesto para el resto de los materiales, estos modelos de intercalación se basan en las

dimensiones que tiene el ácido mefenámico, las cuales reportaron con anterioridad y se

calcularon por medio de DFT, 9.80 Ǻ x 9.00 Ǻ x 6.65 Ǻ [33]; como se muestra en la Figura

III.11 y en las distancias interlaminares calculadas de los materiales. Habrá que mencionar

que la separación entre los aniones en los arreglos puede variar entre cada material, ya

que como se mencionó, el incremento no fue igual y la distribución de los aniones

mefenamato puede variar.

-COO*

-NH

-CH3

d

Figura III.9 Esquema de arreglo de los aniones mefenamato para el material CaAl-AM.



d

Figura III.10 Esquema de arreglo de los aniones mefenamato para los materiales tipo

hidrotalcita.

Figura III.11 Esquema de dimensiones del ácido mefenámico [33].

III.3 Espectroscopia de Infrarrojo

La radiación infrarroja es la radiación electromagnética de longitudes de onda más

altas (menores frecuencias) que la de la luz roja; una longitud de onda típica es de

alrededor de 1000 nm. Esa longitud de onda corresponde a una frecuencia de unos 3x1014

Hz, que es comparable a la energía con la cual las moléculas vibran. Por esa razón, las

moléculas pueden absorber radicaciones infrarrojas y excitarse vibracionalmente.



Cualquier enlace entre dos átomos vibra a medida que los átomos se acercan y se

alejan uno del otro. Este tipo de movimiento se llama modo de estiramiento. Las moléculas

poliatómicas pueden sufrir además vibraciones de plegado, en las cuales los ángulos entre

los enlaces periódicamente aumentan y disminuyen. La frecuencia a la cual las moléculas

vibran depende de las masas de sus átomos y de la rigidez de sus enlaces; una molécula

formada por átomos livianos unidos por enlaces rígidos tiene una frecuencia vibracional

más alta que una formada por átomos pesados unidos por enlaces más débiles [29].

La espectroscopia de absorción infrarroja se basa en la absorción de la luz

incidente por el material. La zona de espectro electromagnético útil corresponde a

números de onda de 0 a 4000 cm-1, que son las frecuencias típicas de vibración molecular.

Los espectrómetros de infrarrojo pueden ser dispersivos o de transformada de

Fourier. En el caso de los espectrómetros de infrarrojo de Transformada de Fourier (FT-

IR), como el que se muestra en la Figura III.12, se basan en un interferómetro de

Michelson [34].

Figura III.12 Espectrómetro infrarrojo por Transformada Fourier (FT-IR) [34].



La espectroscopia infrarroja puede aportar además información sobre la masa

efectiva, la densidad y la movilidad de los portadores de carga eléctrica en

semiconductores, la resistividad, el borde de absorción, y el espesor de las capas

delgadas [34].

El análisis de infrarrojo no es una herramienta de diagnóstico principal para los

materiales tipo hidrotalcita, pero puede ser usado para la identificación de la presencia de

aniones foráneos entre el espacio interlaminar de estos materiales.

La absorción entre la longitud de onda 3600-3400 cm-1 que presentan normalmente

los materiales tipo hidrotalcita, es atribuida a la vinculación del puente de hidrógeno de la

vibración de los grupos OH- presentes [17, 35]. Existe otra absorción fuerte presente en la

longitud de onda aproximada de 1386 cm-1, la cual es originada por la vibración de

estiramiento del grupo NO3- [35].

En la Figura III.13 se observan los espectros de IR para los materiales frescos tipo

hidrotalcita e hidrocalumita, así como también se presentan la asignación de las

principales bandas en los espectros.



4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

(Ca-OH)(H

2o)

(CO3

-)

(Mg-OH)(Al-OH)

(NO3

-)

Tra

nsm

ita

ncia

(u

. a

.)

Numero de onda (cm-1)

MgAl-HDL

Mg2CaAl-HDL

MgCa2Al-HDL

CaAl-HDL

(OH-)

Figura III.13 Espectro IR de los materiales frescos.

Se puede apreciar la primer banda alrededor de los valores 3644-3641 cm-1, la cual

está relacionada a la presencia del enlace Ca-OH [36]; esta banda se aprecia

principalmente en la muestra CaAl-HDL, que corresponde al material tipo hidrocalumita.

Este material, como se explicó anteriormente, tiene una estructura que está basada en un

arreglo de iones Ca2+ y M3+.

La siguiente banda que se encuentra alrededor de 3400-3600 cm-1 es atribuida a la

vinculación del puente de hidrógeno de la vibración de los grupos OH- presentes [17, 35],



posteriormente se encuentra una banda alrededor de 1650-1640 cm-1, atribuida a los

puentes de hidrógeno existentes entre la molécula del agua y los iones carbonatos

presentes en la zona interlaminar [36]. Se observa como siguientes bandas, muy cercanas

entre sí, las asignadas entre 1450-1425 cm-1 y 1350 cm-1, a la presencia de aniones

(CO3)2- y (NO3)

-, respectivamente [37].

Finalmente, se observan las bandas correspondientes a los enlaces Al-OH y Mg-

OH, las cuales se encuentran en un intervalo de 1080 y 600 cm-1, respectivamente [22].

En resumen, la asignación de bandas características de los materiales frescos se

presenta en la Tabla III.6.

Tabla III.6 Bandas características de los materiales frescos.

En el caso de los materiales intercalados con la molécula de AM, el estudio por IR

se presenta en la Figura III.14. Para este caso observamos la modificación de las bandas

respecto al IR presentado en los materiales frescos.

NÚMERO DE ONDA (cm-1) ASIGNACIÓN DE BANDAS

3643 Ca-OH

3487 Estiramiento de grupos OH-

1650-1640 H2O

1450-1425 (CO3)2-

1350 (NO3)-

1080 Al-OH

600 Mg-OH



4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

-

(CO3

-)

(NH2-

)(COO

-)

(NO3

-)

(OH-)

Numero de onda (cm-1)

Tra

nsm

ita

ncia

(u

a)

MgAl-AM

Mg2CaAl-AM

MgCa2Al-AM

CaAl-AM

Figura III.14 Espectro IR de los materiales intercalados con AM.

Analizando la primera banda con un valor aproximado de 3487 cm-1, observamos la

presencia de grupos OH-, esta banda se asigna a los estiramientos que realiza este grupo

anteriormente mencionado [37].

La siguiente banda, la cual se encuentra alrededor de 1640-1550 cm-1 es atribuida a

la vibración de torsión del grupo amina secundario (NH2-) [37], este grupo es resultado de

la intercalación de la molécula de AM que se realizó mediante el intercambio iónico. Las

siguientes bandas, las asignadas entre 1450-1425 cm-1 y 1350 cm-1, son debidas aún a la



presencia de aniones (CO3)2- y (NO3)

-, respectivamente. Respecto al espectro IR de los

materiales frescos, se observa que el pico del grupo (CO3)2- se encuentra más definido

después del intercambio iónico.

Posteriormente, se encuentra una banda entre 1300-1200 cm-1 que se asigna al

grupo proveniente del ácido carboxílico, el anión carboxilato (COO)-, este grupo, al igual

que el grupo amina, pertenece al AM y es resultado del intercambio iónico realizado con la

molécula de AM.

Finalmente, se observa la banda correspondiente al grupo benceno (grupo

aromático), la cual se encuentran en un intervalo de 950 y 650 cm-1, respectivamente [37],

este grupo también es resultado del intercambio iónico.

En resumen, la asignación de bandas características de los materiales intercalados

se presenta en la Tabla III.7.

Tabla III.7 Bandas características de los materiales intercalados.

NÚMERO DE ONDA (cm-1) ASIGNACIÓN DE BANDAS

3487 Estiramiento de grupos OH-

1640-1550 Aminas secundarias NH- (flexión)

1450-1425 (CO3)2-

1350 (NO3)-

1300-1200 Ácido carboxílico δ (COO)-

950-650 Benceno δ fuera del plano de flexión

CAPÍTULO IV

ANÁLISIS DE RESULTADOS

CAPÍTULO IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS



IV.1 Conclusiones

Se sintetizó una serie de materiales tipo hidrotalcita de Mg/Al y Mg/Ca/Al, así como

tipo hidrocalumita de Ca/Al, todos con una relación molar MII/MIII igual a 2, éstos se

utilizaron posteriormente en un proceso de intercalación mediante intercambio iónico de

una biomolécula como el ácido mefenámico; importante en la industria de química fina

debido a las diferentes aplicaciones médicas y farmacéuticas que tiene.

Mediante análisis por difracción de Rayos-X se encontraron todas las reflexiones

que corresponden a los materiales tipo hidrotalcita e hidrocalumita. Así también, posterior

al proceso de intercambio iónico, se observa un desplazamiento hacia la izquierda en los

difractogramas, es decir, un desplazamiento hacia ángulos más bajos, lo cual

efectivamente nos indica que se realizó la intercalación de la biomolécula del AM dentro

de las estructuras de los materiales laminares originales. Adicionalmente, con el cálculo de

los parámetros reticulares y las distancias d(003) y d(002) se comprueba lo expresado en los

difractogramas de los materiales intercalados. Sin embargo, dependiendo de la

composición química de los materiales tipo HDL o hidrocalumita, el acomodo de la

biomolécula del AM dentro del espacio interlaminar de los materiales fue diferente, lo que

se traduce en la diferencia entre las distancias interlaminares calculadas después de la

intercalación, por lo que se propusieron dos modelos de intercalación propuestos en el

capítulo anterior.

La técnica de espectroscopia de infrarrojo por trasformada de Fourier (FTIR),

confirmó la presencia de las especies presentes en los materiales sintetizados como son:

OH-, H2O, (NO3)-, (CO3)

2-, Ca-OH, Al-OH y Mg-OH, correspondientes a las bandas

características en la región del infrarrojo medio. Posteriormente, la presencia de nuevas

bandas en los espectros de los materiales intercalados, nos indica y confirma la



intercalación de la molécula de ácido mefenámico (AM), dentro del espacio interlaminar de

los materiales debido al proceso de intercambio iónico realizado, ya que se observa la

presencia de especies como (NH)- secundarios, (COO)- y un grupo aromático, el cual se

encuentra como especie iónica, benceno para nuestro caso, que forman parte de la

molécula de AM.

Por otra parte, la incorporación efectiva de la molécula AM dentro de las estructuras

de los hidróxidos dobles laminares e hidrocalumita permitió la obtención exitosa de

materiales híbridos-orgánicos o tipo composito para su posterior aplicación en la liberación

controlada de este fármaco, ya que este tipo de materiales matriz tienen las ventajas de

presentar una gran estabilidad frente al pH fisiológico y ser materiales inocuos para el ser

humano.


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ANEXOS

CAPÍTULO II. DESARROLLO EXPERIMENTAL

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Transcript of CAPÍTULO II. DESARROLLO EXPERIMENTAL