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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

INSTITUTO DE QUÍMICA

Programa de Pós-Graduação em Química

DANIELLE JUAIS

Produção de Polímeros

Derivados de Fontes

Renováveis via Catálise

Enzimática

São Paulo

Data do Depósito na SPG:

06/03/2009

DANIELLE JUAIS

Produção de Polímeros

Derivados de Fontes Renováveis

via Catálise Enzimática

Dissertação apresentada ao Instituto de

Química da Universidade de São Paulo para

obtenção do Título de Mestre em Química

(Química Orgânica)

Orientador: Prof. Dr. Luiz Henrique Catalani

São Paulo

2009

Danielle Juais

Produção de Polímeros Derivados de Fontes Renováveis via Catálise Enzimática.

Dissertação apresentada ao Instituto de Química

da Universidade de São Paulo para obtenção do

Título de Mestre em

Química (Química Orgânica)

Aprovado em: _____________

Banca Examinadora

Prof. Dr. _________________________________________________

Instituição: ________________________________________________

Assinatura: ________________________________________________

Prof. Dr. _________________________________________________

Instituição: ________________________________________________

Assinatura: ________________________________________________

Dedico este trabalho aos meus pais, Abrahão C. Juais e Maria de Fátima

Juais, pelo amor, apoio e incentivo, e ao meu namorado, Renan Ferrarini,

por ser um verdadeiro porto seguro no meio da tempestade, e por

proporcionar os melhores momentos da minha vida.

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, por sempre ser um socorro presente no meio de tantas

dificuldades.

Às agências de fomento à pesquisa, CNPq, pela bolsa de estudos, e Fapesp

e Capes, pelo suporte financeiro indireto.

Ao Prof. Dr. Luiz Henrique Catalani, pela oportunidade de fazer parte do seu

grupo de pesquisa.

Aos colegas e ex-colegas do Laboratório de Biomateriais Poliméricos, Alliny,

Antônio, Fábio, Guilhermino, Janaína, Mariana, Patrícia, Renata, Ricardo, Romeu,

Vânia, ao técnico Luiz e à secretária Sílvia pelo companheirismo, amizade,

conselhos, discussões e inúmeras risadas. Meu especial agradecimento ao Romeu,

por toda ajuda prestada, e pela paciência ao me ensinar.

Ao Prof. Dr. Richard A. Gross, do Laboratório do Centro NSF de Biocatálise e

Bioprocessamento de Macromoléculas, da Polytechnic University, em Nova York, e

seus alunos, pela realização das análises de DSC e TG.

Ao Prof. Dr. João V. Comasseto, bem como aos seus alunos, pela realização

das análises de CG-MS, empréstimo de materiais, pela amizade e paciência na

resolução de todas as minhas dúvidas com relação à síntese orgânica.

Aos funcionários do IQUSP, sobretudo da Central Analítica e da Secretaria de

Pós-Graduação, principalmente ao Milton e à Cibele, pela amizade e eficiência.

À minha família, sobretudo aos meus pais e irmãos, Júlio, Carlos, Francisco,

Débora e Helen e à minha sobrinha Letícia, que são a base que sustenta minha

vida.

À dona Neide Dacunti Favorito, por ser uma verdadeira mãe para mim em

São Paulo.

Aos amigos do IQ-USP, Aline, Lollo, Vítor Z. e Bruno, pela amizade e bons

momentos compartilhados.

Aos meus amigos do Departamento de Química da UFPR, principalmente à

Karen, Ju, Kimura, Carol, Samanta, Tico, Zé, Marcela, Zezé, Alcindo, Cida, Janjão,

Soraia, Emir, Joel, Brazuka, Beiço, Flávio, Gustavo, Vítor, Alfredo e Sílvia, entre

tantos outros, que com certeza contribuíram para mais essa vitória.

A todos que de alguma maneira colaboraram para a execução desse trabalho.

"Aprendi através da experiência amarga a suprema lição: controlar minha ira é

torná-la como o calor que é convertido em energia. Nossa ira controlada

pode ser convertida numa força capaz de mover o mundo." (Ghandi)

RESUMO

Juais, D. Produção de Polímeros Derivados de Fontes Renováveis via Catálise

Enzimática. 2009. 116p. Dissertação – Programa de Pós-Graduação em Química.

Instituto de Química, Universidade de São Paulo, São Paulo.

A busca por materiais derivados de fontes renováveis e com características

como biocompatibilidade e biodegradabilidade tem crescido significativamente nos

últimos anos. A utilização de enzimas na polimerização representa um grande passo

para a obtenção destes, visto que possibilitam a produção de polímeros evitando a

utilização de catalisadores tóxicos e, assim, melhorando sua biocompatibilidade.

O presente trabalho descreve a utilização de monômeros funcionais derivados

de fontes renováveis na produção de poliésteres hidrolisáveis via catálise

enzimática. As sínteses de polímeros produzidos a partir de isosorbídeo e ácidos

dicarboxílicos ou derivados - como seus ésteres alquílicos e vinílicos - foram feitas

utilizando a lipase de Candida antarctica – Fração B como catalisador. As

polimerizações foram realizadas por policondensações em massa e em solução,

utilizando-se diferentes solventes e diferentes técnicas para remoção de

subprodutos de reação. A principal abordagem foi o estudo das diferentes condições

reacionais realizadas, variando-se o tempo de reação, tipo do monômero, solvente

utilizado (se for o caso) e tipo de técnica para remoção de subprodutos visando o

aumento da massa molar dos polímeros.

A condição que forneceu os materiais com maiores massas molares foi a

policondensação em solução, utilizando a mistura cicloexano:benzeno como

solvente. Tendo por objetivo investigar profundamente a condição ótima obtida, e

estabelecer padrões de comparação com outros sistemas, foram estudados, nessa

condição, parâmetros como tempo de reação, efeito do tamanho da cadeia

carbônica do monômero, grupo de saída, solubilidade dos polímeros e diluição do

sistema.

Os materiais obtidos foram caracterizados por cromatografia por exclusão de

tamanho (SEC), termogravimetria (TG), calorimetria exploratória diferencial (DSC),

espectroscopia no infravermelho, difração de raios-X, e Ressonância Magnética

Nuclear (RMN) de 1H e 13C.

Através deste trabalho foi provado que, embora apresente uma cinética de

reação lenta, a polimerização enzimática deste diol secundário estericamente

impedido é possível, fornecendo poliésteres com massas molares similares às

obtidas via catálise química. Todos os resultados obtidos neste trabalho são inéditos

no que diz respeito à polimerização enzimática de dióis secundários impedidos, mais

especificamente de isosorbídeo.

Palavras-chave: isosorbídeo, catálise enzimática, dióis secundários,

policondensação em solução.

ABSTRACT

Juais, D. Production of polymers derived from renewable sources by enzyme

catalysis. 2009. 116p. Masters Thesis – Graduate Program in Chemistry. Instituto

de Química, Universidade de São Paulo, São Paulo.

The search for materials derived from renewable sources, with characteristics

such as biocompatibility and biodegradability has grown significantly in recent years.

The use of enzymes in the polymerization is a major step for the attainment of these

materials, since it allows the production of polymers while avoiding the use of toxic

catalysts and thus improving its biocompatibility.

This paper describes the use of functional monomers derived from renewable

sources in the production of hydrolysable polyesters by enzyme catalysis The

synthesis and characterization of polymers derived from isosorbide and dicarboxilic

acids or derivatives - such as alkyl and vinyl esters - were carried out using the lipase

from Candida antarctica - Fraction B as catalyst. The polymerizations were

accomplished by polycondensations in bulk and in solution, using different solvents

and different techniques for removal of reaction byproducts. The main approach was

to study the different reaction conditions, by varying the reaction time, monomer type,

solvent used (if applicable) and the type of technique for removal of byproducts,

aiming at maximizing polymer molar mass.

The condition that provided the material with higher molecular weight was the

solution step-growth polymerization, using a mixture cyclohexane:benzene as

solvents. Aiming to thoroughly investigate the optimum condition obtained, and to

establish standards for comparison with other systems, it was studied, in this

condition, parameters such as reaction time, effect of monomer carbon chain length ,

leaving group, polymers solubility of and dilution of the reaction system.

The materials were characterized by gel permeation chromatography (SEC),

thermogravimetry (TG), differential scanning calorimetry (DSC), infrared

spectroscopy, X-ray diffraction and 1H and 13C Nuclear Magnetic Resonance (NMR).

Through this work it was proved that, in spite of a slow reaction kinetics, the

enzymatic polymerization of this hindered secondary diol is possible, providing

polyester with molecular weight similar to those obtained by chemical catalysis. All

results obtained in this work are unprecedented with respect to the enzymatic

polymerization of hindered secondary diols, more specifically of Isosorbide.

Key words: Enzyme catalysis, isosorbide, secondary diols, solvent-based step-

growth polymerization

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

CAL-B: Lipase de Candida antarctica – Fração B.

CDCl3: Clorofórmio deuterado

DSC: Calorimetria Exploratória Diferencial

FDA: Food and Drugs Administration

FTIR: Infravermelho com Transformada de Fourier

IBGE: Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística

ITB: Iterative Tandem Catalysis – Catálise Acoplada Iterativa

MEK: 2-Butanona

MM: Lipase de Mucor miehei

𝐌 𝐧: Massa molar numérica média

𝐌 𝐰: Massa molar ponderal média

N-435: Lipase de Candida antarctica – Fração B – Novozym 435

P.E.: Ponto de ebulição

PD: Índice de polidispersividade (PD=𝑀 𝑤 /𝑀 𝑛 )

PET: Poli(tereftalato de etileno)

PF: Lipase de Pseudomonas fluorescens

PPL: Lipase de pâncreas de porco

PS: Lipase de Pseudomonas sp.

PTFE: Poli(tetrafluoretileno)

RMN 1H e 13C: Ressonância Magnética Nuclear de hidrogênio e carbono

SEC: Cromatografia por exclusão de tamanho

Tg: Temperatura de Transição Vítrea

TG: Termogravimetria

THF: Tetraidrofurano

Tm: Temperatura de Fusão Cristalina

TMS: Tetrametilsilano

WAXD: Difração de raios-X de alto ângulo.

ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA 1 - ESTRUTURAS DOS 1,4: 3,6 - DIANIDROEXITÓIS. ____________________________________ 20

FIGURA 2 - ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL DA CAL-B (WWW.NOVOZYMES.COM) _____________________ 31

FIGURA 3 - RESULTADOS OBTIDOS ATRAVÉS DA POLIMERIZAÇÃO EM SOLUÇÃO COM DESTILAÇÃO AZEOTRÓPICA.

___________________________________________________________________________ 64

FIGURA 4 - ESTUDO COMPARATIVO ENTRE AS TÉCNICAS EMPREGADAS. ___________________________ 65

FIGURA 5 - ESTUDO COMPARATIVO DOS GRAUS DE POLIMERIZAÇÃO OBTIDOS EM CICLOEXANO E NA MISTURA

CICLOEXANO:BENZENO. _________________________________________________________ 69

FIGURA 6 - VANTAGEM DO USO DA MISTURA DE CICLOEXANO E BENZENO _________________________55

FIGURA 7 - ESTUDO DO CRESCIMENTO DA MASSA MOLAR DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA) EM FUNÇÃO DO

TEMPO DE REAÇÃO. ____________________________________________________________57

FIGURA 8 - TROCA DE BENZENO POR TOLUENO NA MISTURA DE SOLVENTES. _______________________ 75

FIGURA 9 - AVALIAÇÃO DAS MASSAS MOLARES DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA) QUANTO AO ÁLCOOL DE

SAÍDA. ______________________________________________________________________ 77

FIGURA 10 - EFEITO DA PROPORÇÃO SOLVENTE: ISOSORBÍDEO. ________________________________ 82

FIGURA 11- EFEITO DA CONCENTRAÇÃO DE BENZENO NA MISTURA DE SOLVENTES. __________________ 84

FIGURA 12 - CURVAS DE DSC DOS MATERIAIS OBTIDOS ______________________________________ 87

FIGURA 13 - CURVAS DE ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA DOS MATERIAIS OBTIDOS. __________________ 88

FIGURA 14 - ESPECTRO DE 1H-RMN DO POLI(SUCCINATO DE ISOSORBILA)_________________________74

FIGURA 15 - ESPECTRO DE 13

C-RMN DO POLI(SUCCINATO DE ISOSORBILA). _______________________ 92

FIGURA 16 - ESPECTRO DE 1H-RMN DO POLI(GLUTARATO DE ISOSORBILA) ._______________________ 76

FIGURA 17- ESPECTRO DE 13

C-RMN DO POLI(GLUTARATO DE ISOSORBILA). _______________________ 94

FIGURA 18 - ESPECTRO DE 1H-RMN DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA).__________________________ 78


C-RMN DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA). _________________________ 96

FIGURA 20 - ESPECTRO DE 1H-RMN DO POLI(SUBERATO DE ISOSORBILA). ________________________ 97


C-RMN DO POLI(SUBERATO DE ISOSORBILA). ________________________ 98

FIGURA 22 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1H-RMN DO POLI(SEBACATO DE ISOSORBILA). ___________ 99


C-RMN DO POLI(SEBACATO DE ISOSORBILA). _______________________ 100

FIGURA 24 - ESPECTRO DE 1H-RMN DO POLI(DODECANODIOATO DE ISOSORBILA). _________________ 101


C-RMN DO POLI(DODECANODIOATO DE ISOSORBILA). _________________ 102

FIGURA 26 - DIFRATOGRAMAS DE RAIOS-X DOS POLIÉSTERES OBTIDOS. _________________________ 103

FIGURA 27 - ESPECTRO NO INFRAVERMELHO DO POLI(SUCCINATO DE ISOSORBILA) _________________ 106

FIGURA 28 - ESPECTRO NO INFRAVERMELHO DO POLI(GLUTARATO DE ISOSORBILA) _________________ 106

FIGURA 29 - ESPECTRO NO INFRAVERMELHO DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA) ___________________ 107

FIGURA 30 - ESPECTRO NO INFRAVERMELHO DO POLI(SUBERATO DE ISOSORBILA) __________________ 107

FIGURA 31 - ESPECTRO NO INFRAVERMELHO DO POLI(SEBACATO DE ISOSORBILA) __________________ 108

FIGURA 32 - ESPECTRO NO INFRAVERMELHO DO POLI(DODECANODIOATO DE ISOSORBILA) ____________ 108

ÍNDICE DE ESQUEMAS

ESQUEMA 1 - SÍNTESE DO ISOSOSORBÍDEO A PARTIR DA D-GLICOSE. ____________________________ 19

ESQUEMA 2 - REAÇÕES DE POLIMERIZAÇÃO CATALISADAS POR LIPASES. _________________________ 29

ESQUEMA 3 - MECANISMO DO SÍTIO CATALÍTICO DA CAL-B. ___________________________________ 30

ESQUEMA 4 - SÍNTESE DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA), ATRAVÉS DE POLICONDENSAÇÃO EM MASSA. AS

REAÇÕES FORAM REALIZADAS SOB VÁCUO E SOB PRESSÃO AMBIENTE. _______________________ 52

ESQUEMA 5 - SÍNTESE DE POLÍMEROS UTILIZANDO DERIVADOS DIVINÍLICOS. _______________________ 56

ESQUEMA 6 – SÍNTESE DE POLÍMEROS EM SOLUÇÃO COM DESTILAÇÃO AZEOTRÓPICA. ________________ 59

ÍNDICE DE TABELAS

TABELA 1 - ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DA CAL-B – NOVOZYM-435 – WWW.NOVOZYMES.COM _______ 31

TABELA 2 - ÁCIDOS E ÁLCOOIS UTILIZADOS NA SÍNTESE DOS DIÉSTERES.__________________________ 22

TABELA 3 - TEMPOS UTILIZADOS NAS POLIMERIZAÇÕES EM MASSA SOB PRESSÃO REDUZIDA. ___________ 40

TABELA 4 - POLIMERIZAÇÃO EM SOLUÇÃO SOB PRESSÃO REDUZIDA. _____________________________ 25

TABELA 5 – POLÍMEROS PRODUZIDOS A PARTIR DE POLIMERIZAÇÃO COM MISTURAS AZEOTRÓPICAS DE

SOLVENTES. __________________________________________________________________ 43

TABELA 6 – MISTURAS AZEOTRÓPICAS BINÁRIAS. ___________________________________________ 43

TABELA 7 - MISTURAS AZEOTRÓPICAS TERNÁRIAS _ _________________________________________28 TABELA 8 - RESULTADOS OBTIDOS NAS REAÇÕES DE POLICONDENSAÇÃO EM MASSA SOB PRESSÃO REDUZIDA. _________________________________________________________________________37

TABELA 9 – RESULTADOS OBTIDOS PARA POLICONDENSAÇÕES REALIZADAS SOB PRESSÃO AMBIENTE. ____ 54

TABELA 10 - RESULTADOS OBTIDOS PARA POLICONDENSAÇÕES UTILIZANDO MONÔMEROS DIVINÍLICOS. ___ 57

TABELA 11 - VALORES DE LOG P PARA DIFERENTES SOLVENTES ________________________________46

TABELA 12 - RESULTADOS OBTIDOS PARA POLIMERIZAÇÃO EM SOLUÇÃO COM DESTILAÇÃO AZEOTRÓPICA. _ 63

TABELA 13 - POLIMERIZAÇÃO EM SOLUÇÃO SOB PRESSÃO REDUZIDA. ____________________________ 66

TABELA 14 - POLÍMEROS DA SÉRIE DE ÉSTERES DOS DIÁCIDOS CARBOXÍLICOS EM CICLOEXANO__________51

TABELA 15 - POLÍMEROS DA SÉRIE DE ÉSTERES DOS DIÁCIDOS CARBOXÍLICOS EM CICLOEXANO: BENZENO 6:1.

___________________________________________________________________________ 68

TABELA 16 - ESTUDO DO CRESCIMENTO DA MASSA MOLAR DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA) EM FUNÇÃO DO

TEMPO DE REAÇÃO. ____________________________________________________________ 71

TABELA 17 - RESULTADOS OBTIDOS COM A TROCA DE TOLUENO POR BENZENO NA MISTURA DE SOLVENTES. 74

TABELA 18 - MASSAS MOLARES DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA) OBTIDAS VARIANDO-SE O ÁLCOOL DE SAÍDA.

___________________________________________________________________________ 76

TABELA 19 - COMPOSIÇÃO DOS AZEÓTROPOS VARIANDO-SE A CADEIA CARBÔNICA DO ÁLCOOL. _________ 79

TABELA 20 - SOLUBILIDADE DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA) COM MW~30KDA. ____________________ 80

TABELA 21 - RESULTADOS OBTIDOS VARIANDO-SE A PROPORÇÃO ISOSORBÍDEO: SOLVENTE.____________65

TABELA 22 - RESULTADOS OBTIDOS VARIANDO-SE A CONCENTRAÇÃO DE BENZENO NA MISTURA DE

SOLVENTES. __________________________________________________________________ 83

TABELA 23 - TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO VÍTREA DOS POLIÉSTERES OBTIDOS VIA CATÁLISE ENZIMÁTICA E VIA

CATÁLISE QUÍMICA. _____________________________________________________________ 87

TABELA 24 - PERDA DE MASSA DOS MATERIAIS OBTIDOS______________________________________71 TABELA 25 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1H-RMN DO POLI(SUCCINATO DE ISOSORBILA).___________74

TABELA 26 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 13C-RMN DO POLI(SUCCINATO DE ISOSORBILA). _________ 92

TABELA 27 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1H-RMN DO POLI(GLUTARATO DE ISOSORBILA) ___________76

TABELA 28- DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 13

C-RMN DO POLI(GLUTARATO DE ISOSORBILA). __________ 94

TABELA 29 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1H-RMN DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA). _____________ 95

TABELA 30 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 13

C-RMN DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA). ____________ 96

TABELA 31 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1H-RMN DO POLI(SUBERATO DE ISOSORBILA). ___________ 97


C-RMN DO POLI(SUBERATO DE ISOSORBILA). ___________ 98

TABELA 33 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1H-RMN DO POLI(SEBACATO DE ISOSORBILA). ___________ 99


C-RMN DO POLI(SEBACATO DE ISOSORBILA). __________ 100

TABELA 35 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1H-RMN DO POLI(DODECANODIOATO DE ISOSORBILA). ____ 101


C-RMN DO POLI(DODECANODIOATO DE ISOSORBILA). ____ 102

TABELA 37 - PICOS DE ABSORÇÃO NO INFRAVERMELHO. _____________________________________ 105

SUMÁRIO

1 - INTRODUÇÃO. ________________________________________________________________ 17

1.1 - POLÍMEROS DERIVADOS DE FONTES RENOVÁVEIS: ___________________________________ 17

1.2 - DIANIDROEXITÓIS: __________________________________________________________ 18

1.2.1 – Isosorbídeo: _________________________________________________________ 21

1.3 - POLIMERIZAÇÃO POR CATÁLISE ENZIMÁTICA. _______________________________________ 24

1.3.1 - Lipases: ____________________________________________________________ 28

1.3.1.1 – Lipase de Candida antarctica – Fração B - CAL-B: ________________________________ 29

2 – OBJETIVOS. _________________________________________________________________ 34

3 – MATERIAIS E MÉTODOS. ______________________________________________________ 35

3.1 – MATERIAIS: ________________________________________________________________ 35

3.2 – MÉTODOS: ________________________________________________________________ 36

3.2.1 - Preparação e purificação de reagentes, solventes e monômeros. _________________ 36

3.2.1.1 - Purificação do acetato de etila. ____________________________________________ 36

3.2.1.2- Purificação do clorofórmio. ________________________________________________ 36

3.2.1.3- Purificação do isosorbídeo (IS). ____________________________________________ 37

3.2.1.5- Purificação do ácido adípico. ______________________________________________ 37

3.2.1.6- Síntese dos Ésteres dos Ácidos Dicarboxílicos _______________________________ 37

3.2.1.7- Síntese do Adipato de Divinila. _____________________________________________ 38

3.2.2 - Polimerizações _________________________________________________________ 39

3.2.2.1- Polimerização em massa sob pressão ambiente. _____________________________ 39

3.2.2.2 - Polimerização em massa sob pressão reduzida. _____________________________ 39

3.2.2.3 - Polimerização em solução sob pressão reduzida. ____________________________ 40

3.2.2.4 - Polimerização em massa sob pressão ambiente utilizando monômeros divinílicos. 41

3.2.2.5 - Polimerização com solvente sob refluxo em sistema aberto utilizando monômeros

divinílicos. ______________________________________________________________________ 41

3.2.2.6 - Polimerização com misturas azeotrópicas de solvente. _______________________ 42

3.2.3 - Purificação dos polímeros obtidos. _________________________________________ 44

3.2.4 – Teste de solubilidade dos polímeros obtidos: _________________________________ 45

3.2.5 - Caracterização dos polímeros obtidos. ______________________________________ 45

3.2.5.1 - Cromatografia por exclusão de tamanho (SEC): ___________________________________ 45

3.2.5.2 – Calorimetria exploratória diferencial (DSC): ______________________________________ 46

3.2.5.3 – Análise termogravimétrica (TG): _______________________________________________ 46

3.2.5.4 – Espectroscopia no Infravermelho: _____________________________________________ 47

3.2.5.5 – Difração de Raios-X: ________________________________________________________ 47

3.2.5.6 – Ressonância Magnética Nuclear de 1H e

13C: ____________________________________ 47

4 – RESULTADOS E DISCUSSÃO: __________________________________________________ 49

4.1 - POLICONDENSAÇÃO EM MASSA, SOB PRESSÃO AMBIENTE E SOB PRESSÃO REDUZIDA: __________ 51

4.1.1 – Policondensação em massa sob pressão reduzida: ____________________________ 53

4.1.2 - Policondensação em massa sob pressão ambiente: ____________________________ 54

4.1.3 - Considerações gerais: ___________________________________________________ 55

4.2 - POLICONDENSAÇÃO UTILIZANDO MONÔMEROS DIVINÍLICOS: _____________________________ 56

4.3 - POLICONDENSAÇÃO EM SOLUÇÃO COM DESTILAÇÃO AZEOTRÓPICA: _______________________ 59

4.3.1 - Polimerização em solução sob pressão reduzida. ______________________________ 66

4.4 - INVESTIGAÇÃO DO SISTEMA CICLOEXANO:BENZENO. ___________________________________ 67

4.4.1 – Estudo comparativo entre sistemas utilizando cicloexano e misturas cicloexano:benzeno

6:1. ________________________________________________________________________ 67

4.4.1.1 - Vantagem do uso da mistura de cicloexano e benzeno: _____________________________ 69

4.4.2 – Estudo do crescimento da massa molar em função do tempo de reação: ___________ 71

4.4.3 – Troca de benzeno por tolueno na mistura: ___________________________________ 73

4.4.4 - Avaliação das massas molares quanto ao álcool de saída. ______________________ 75

4.4.5 - Teste de solubilidade dos materiais obtidos: __________________________________ 79

4.4.6 - Efeito da proporção monômero: solvente ____________________________________ 81

4.4.7 - Efeito da concentração de benzeno na mistura: _______________________________ 82

4.5 - CARACTERIZAÇÃO DOS POLIÉSTERES OBTIDOS. ______________________________________ 85

4.5.1 – Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC): __________________________________ 85

4.5.2 – Análise Termogravimétrica: _______________________________________________ 87

4.5.3 – Ressonância Magnética Nuclear: __________________________________________ 89

Espectro de 1H-RMN do Poli(succinato de isosorbila). _____________________________________ 91

Espectro de 13

C-RMN do Poli(succinato de isosorbila). ____________________________________ 92

Espectro de 1H-RMN do Poli(glutarato de isosorbila). ______________________________________ 93

Espectro de 13

C-RMN do Poli(glutarato de isosorbila). _____________________________________ 94

Espectro de 1H-RMN do Poli(adipato de isosorbila). _______________________________________ 95

Espectro de 13

C-RMN do Poli(adipato de isosorbila). ______________________________________ 96

Espectro de 1H-RMN do Poli(suberato de isosorbila). ______________________________________ 97

Espectro de 13

C-RMN do Poli(suberato de isosorbila). _____________________________________ 98

Espectro de 1H-RMN do Poli(sebacato de isosorbila). _____________________________________ 99

Espectro de 13

C-RMN do Poli(sebacato de isosorbila). ____________________________________ 100

Espectro de 1H-RMN do Poli(dodecanodioato de isosorbila). _______________________________ 101

Espectro de 13

C-RMN do Poli(dodecanodioato de isosorbila). ______________________________ 102

4.5.4 – Difração de Raios-X: ___________________________________________________ 103

4.5.5 – Espectroscopia no Infravermelho: _________________________________________ 104

5 - CONCLUSÕES: ______________________________________________________________ 109

6 - REFERÊNCIAS: ______________________________________________________________ 111

17

1 - INTRODUÇÃO

1.1 - POLÍMEROS DERIVADOS DE FONTES RENOVÁVEIS

A biomassa constitui em uma fonte renovável de matérias-primas que dão

origem a novos compostos menos poluentes, capazes de substituir os derivados do

petróleo. A utilização efetiva da biomassa é um alvo de investigação atraente e

desafiador.

O uso de fontes renováveis como uma alternativa para produtos derivados de

combustíveis fósseis vem ganhando preferência, principalmente devido à sua

disponibilidade inesgotável e às considerações ambientais, como por exemplo, o

potencial “sequestro de carbono” (van Dam, et al., 2005). A utilização de derivados

de fontes renováveis em detrimento do uso de produtos de fontes não-renováveis é

um dos 12 princípios da química verde (Lenardão, et al., 2003). Muitos governos

estão desenvolvendo políticas que visam o desenvolvimento de uma sociedade

sustentável através da exploração de produtos renováveis (Clinton, 2000). Em 1998,

o Departamento de Energia dos Estados Unidos estabeleceu uma meta para que,

até 2020, haja um aumento de 10% na produção e no uso de produtos químicos

básicos derivados de plantas, e que até 2050, o aumento seja de 50%. A

substituição do uso do petróleo pelo uso de fontes renováveis para a produção

desses produtos pode gerar uma redução de até 17% da utilização do petróleo e,

consequentemente, diminuir a dependência mundial desse combustível (Executive

Steering Comittee, 1999).

18

O desenvolvimento de polímeros derivados de biomassa é um dos mais

importantes e urgentes assuntos do ponto de vista da preservação ambiental,

considerando-se o fato de que a grande maioria dos polímeros utilizados para fins

comerciais origina-se de monômeros derivados do petróleo. A poluição ambiental

causada pela produção e o descarte de polímeros derivados do petróleo tem

levantado um crescente interesse nas indústrias químicas. Assim, polímeros

derivados do amido ou outros carboidratos são de grande interesse, por serem

provenientes de fontes inteiramente renováveis. Consequentemente, não é

surpreendente o grande aumento das atividades de pesquisa nesse campo nos

últimos anos (Kricheldorf, 1997; Chatti, et al., 2006).

1.2 - DIANIDROEXITÓIS:

O milho é uma fonte de amido, matéria-prima natural, renovável, versátil e

biodegradável, e vem substituindo o petróleo em muitas aplicações industriais,

desde plásticos até para produção de etanol. No Brasil, a safra de milho em 2007 foi

de 38,3 milhões de toneladas (IBGE, 2007). Os Estados Unidos são responsáveis

por 44% da produção mundial de milho, com lavouras ocupando 77 milhões de

acres. Entre todas as lavouras, o milho é a principal fonte de amido, devido ao seu

amplo suprimento e baixo custo relativo a outras fontes de amido ou açúcar, e

também porque existem sistemas bem estabelecidos de transporte e

armazenamento (Busche, et al., 1983).

Os carboidratos utilizados na obtenção de polímeros biodegradáveis são em

grande parte provenientes do amido. No entanto, o uso direto de derivados

19

monoméricos de carboidratos é extremamente difícil devido ao número de

funcionalidades hidroxila nestes compostos. Esse problema pode ser contornado

utilizando-se 1,4:3,6-dianidroexitóis.

Dianidroexitóis são conhecidos produtos da indústria do milho, obtidos através

da hidrogenação seguida de dupla desidratação de açúcares como a D-glicose

(Esquema 1) (Stross, et al., 1992). São produzidos mundialmente 650 mil toneladas

por ano desses compostos (Sheldon, 1993), e seu potencial tem sido explorado para

a síntese de diversos polímeros como poliéteres (Kricheldorf, et al., 1995) (Chatti, et

al., 2002), poliuretanos (Bachmann, et al., 1998), policarbonatos (Kricheldorf, et al.,

1997) e poliésteres (Kricheldorf, et al., 2003).

CHO

OH

H

CH2OH

OH

OH

OH

H

H

H

H

CH2OH

CH2OH

H

H

H

OH

OH

HO HOcat.

hidrogenação

dupladesidratação

H+ O

OHO

OH

1

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

123

456

D-Glicose Sorbitol Isosorbídeo

H

H

ESQUEMA 1 - SÍNTESE DO ISOSOSORBÍDEO A PARTIR DA D-GLICOSE.

Estes compostos quirais são obtidos a partir do amido como três isômeros de

acordo com as configurações relativas das duas funções hidroxila (Flèche, et al.,

1986) (Hopton, et al., 1969): isosorbídeo, isomanídeo, e isoidídeo, respectivamente

derivados do D-glucitol, D-manitol e L-iditol (Figura 1). Analisando-se as estruturas

tridimensionais destes compostos, pode-se observar que os dianidroexitóis têm dois

anéis de cinco membros aproximadamente planares, fundidos em cis, em forma de

“V”, com os grupos hidroxila nas posições C-2 e C-5, que podem ser “endo” ou “exo”,

20

dependendo de sua posição, dentro ou fora da “cunha”. No isosorbídeo, uma das

hidroxilas está na configuração “endo” (C-5) e a outra “exo” (C-2), no isomanídeo,

ambas estão na configuração “endo” e no isoidídeo, ambas estão na configuração

“exo”. A reatividade relativa destes compostos pode ser explicada através do

impedimento estérico que ocorre devido às posições dos grupos hidroxilas nas

moléculas.

FIGURA 1 - ESTRUTURAS DOS 1,4: 3,6 - DIANIDROEXITÓIS.

O interesse nesse tipo de compostos como monômeros para a síntese de

vários policondensados tem aumentado muito nos últimos tempos. Essa tendência

se deve a vários motivos (Kricheldorf, 1997):

Podem ser preparados a partir de sacarídeos e são, portanto, monômeros

derivados de fontes renováveis;

21

São substâncias atóxicas e seus poliésteres derivados de ácidos

dicarboxílicos alifáticos são sensíveis à hidrólise, degradam-se em

questão de meses em contato com a água, e por isso são considerados

materiais biodegradáveis muito úteis;

São compostos quirais e pertencem ao grupo de monômeros quirais de

menor custo (particularmente o isosorbídeo). As aplicações potenciais de

polímeros quirais são rentáveis e incluem membranas, fases estacionárias

para cromatografia, entre outras.

1.2.1 – ISOSORBÍDEO:

O isosorbídeo é o dianidroexitol mais abundante, visto que é derivado da

glicose via sorbitol. É biodegradável e recomendado pelo FDA1 como um material

seguro. É quimicamente e termicamente estável. Poliésteres derivados de

isosorbídeo não racemizam ou decompõem quando aquecidos por poucos minutos

acima de 350°C. Em princípio, o isosorbídeo pode ser diretamente incorporado em

poliésteres comerciais como o poli(tereftalato de etileno) (PET), que é um polímero

amplamente usado na fabricação de embalagens para alimentos e bebidas. Devido

à sua rígida estrutura molecular, o isosorbídeo enrijece as cadeias de PET e

aumenta a temperatura de transição vítrea do PET para 85 a 90ºC, dependendo do

grau de incorporação, o que permite que frascos feitos com esses copolímeros

possam ser envasados à quente, com produtos que necessitam ser pasteurizados,

ou que são tão viscosos que necessitam calor para reduzir o tempo de envase.

1 FDA: Food and Drug Administration - agência americana reguladora de alimentos, medicamentos,

vacinas e cosméticos para usos em seres humanos.

22

Frascos normais de PET simplesmente se distorcem quando são envasados à

quente. (Adelman, et al., 2003).

Os custos preliminares estimados mostram que o isosorbídeo tem um preço

competitivo com monômeros derivados de petróleo, usados para síntese de

plásticos (Kricheldorf, et al., 1997; Adelman, et al., 2003). Assim como no PET

modificado, há muitas aplicações potenciais para o isosorbídeo na indústria de

polímeros. O uso do isosorbídeo derivado do milho irá reduzir potencialmente a

quantidade de petróleo necessária para a produção de plásticos. Algumas

aplicações potenciais para os materiais poliméricos derivados do isosorbídeo são

(Malhotra, et al., 2007):

Resinas de isosorbídeo biglicidil éter para substituir resinas epóxis de

bisfenol-A, usadas como rótulos em latas de alimentos e bebidas. O bisfenol-

A é suspeito de ser xenoestrógeno e sua substituição por um diol derivado de

fontes naturais tem grandes vantagens;

Resinas de policarbonatos de isosorbídeo como plásticos moldáveis, com

altos valores de temperatura de transição vítrea, transparência e boa

resistência aos raios UV, podem ser potenciais candidatos para substituição

de policarbonatos nas embalagens de CD;

Poliuretanos amorfos insolúveis baseados em isosorbídeo como resinas de

separação quiral, de grande valor potencial no mercado de fármacos e

química fina, para resolução de moléculas enantioméricas, explorando a

quiralidade desse composto;

Copoliésteres de isosorbídeo de estereoquímica controlada como potenciais

fibras de alto desempenho e resinas de engenharia, podendo-se criar novas

23

classes de poliésteres de performance controlada, através do controle da

quiralidade do polímero ao longo da cadeia;

Resinas de poliésteres de isosorbídeo com ácidos tereftálico e isoftálico, e

copolímeros com monômeros como L-lactídeo, caprolactona, etc. para usos

em aplicações biomédicas. Essas aplicações variam de resinas

ambientalmente corretas para liberação de fármacos até novos materiais de

sutura degradáveis.

O primeiro registro da síntese do isosorbídeo data do ano 1946 (Montgomery, et

al., 1946), e o uso do isosorbídeo como monômero para síntese de poliésteres

insaturados foi publicado primeiramente por Jenkins e colaboradores (Jenkins, et al.,

1963). Um dos primeiros trabalhos relevantes utilizando isosorbídeo como

monômero foi feito por Thiem e Lüders (Thiem, 1984), que utilizaram um cloreto de

ácido dicarboxílico aromático para a síntese de politereftalatos. Storbeck e

colaboradores (Storbeck, et al., 1993) aperfeiçoaram as condições de reação usadas

por Thiem e Lüders, utilizando piridina como aceptor de HCl (subproduto da

policondensação). Braun and Bergmann (Braun, et al., 1992) sintetizaram

poliésteres a partir de isosorbídeo e de cloretos de ácidos dicarboxílicos aromáticos

e alifáticos. Okada e colaboradores (Okada, et al., 1995; Okada, 1996) também

sintetizaram poliésteres alifáticos utilizando isosorbídeo e cloretos de ácidos

dicarboxílicos alifáticos. Brandenburg e colaboradores (Brandenburg, et al., 2004)

sintetizaram uma série grande de poliésteres alifáticos e aromáticos a partir de

ácidos dicarboxílicos com uma série de dióis primários e isosorbídeo. Por

transesterificação, sintetizaram copolímeros de um poliéster com isosorbídeo

incorporado à sua estrutura química, com outro, sem conter isosorbídeo.

24

A variedade de trabalhos que vem sendo publicados comprova que a

incorporação de isosorbídeo na cadeia polimérica de poliésteres tem provado ser

uma abordagem interessante para obter produtos biodegradáveis com diferentes

propriedades.

1.3 - POLIMERIZAÇÃO POR CATÁLISE ENZIMÁTICA

Organismos vivos produzem diferentes macromoléculas (polissacarídeos,

polinucleotídeos, proteínas, poliésteres) para suas necessidades metabólicas. A

síntese dessas substâncias geralmente envolve reações de polimerização via

catálise enzimática in vivo. Uma atividade que tem crescido nos últimos anos é o

uso de enzimas isoladas. Essas enzimas, originadas de organismos vivos, têm

encontrado diversas aplicações como catalisadores para a síntese de polímeros in

vitro.

Devido às suas características como diversidade, especificidade e

biodegradabilidade, polímeros de origem enzimática têm recebido cada vez mais

atenção como candidatos a aplicações industriais (Dalla Vecchia, et al., 2004). Em

muitos casos, enzimas levam à síntese de polímeros que eram impraticáveis ou

impossíveis de serem obtidos através da química convencional (Gross, et al., 2001).

Além disso, os polímeros são sintetizados a partir de fontes renováveis e de

matérias-primas de baixo custo, e as polimerizações ocorrem sob condições brandas

com mínimo impacto ambiental.

Outras vantagens do uso de enzimas na polimerização:

25

Alta eficiência na conversão de substratos devido à sua alta seletividade

para uma dada transformação orgânica;

Alta enantio e regiosseletividade;

Possibilidade de reciclagem do catalisador;

Enzimas têm a habilidade de serem usadas na maioria dos meios

reacionais;

Evitam o uso de catalisadores potencialmente tóxicos.

Avanços recentes na enzimologia não-aquosa têm expandido

significativamente as condições potenciais nas quais as reações de polimerização

via catálise enzimática podem ser executadas. Exemplos de meios reacionais

alternativos incluem vários solventes orgânicos, misturas bifásicas de solventes

orgânicos com misturas aquosas, misturas azeotrópicas, sistemas de micelas

reversas, e fluidos supercríticos. Meios de reação não tradicionais têm oferecido

novas opções para o controle do peso molecular, assim como da morfologia e

arquitetura dos produtos poliméricos. Devido ao fato de que esterificações e

transesterificações enzimáticas têm se mostrado efetivas em solventes orgânicos,

muitas reações enzimáticas em meios não-aquosos têm sido reportadas (Klibanov,

1990). Algumas enzimas hidrolíticas são estáveis mesmo em solventes orgânicos, e

podem ser empregadas em certas condensações difíceis de serem realizadas em

meio aquoso. Por isso, a indústria química e os químicos orgânicos vêm mudando

sua percepção quanto ao uso de enzimas em síntese, utilizando solventes

orgânicos. A visão tradicional era baseada no conhecimento convencional de que o

uso de enzimas era restrito a meios aquosos e temperaturas próximas à ambiente,

que as enzimas eram muito caras e frágeis como catalisadores, e que eram

26

extremamente específicas (baseados no paradigma uma enzima/ uma reação/ um

substrato).

Os estudos pioneiros de Klibanov e colaboradores, desde 1984 (Zaks, 1984;

Klibanov, 1986), utilizando enzimas em solventes orgânicos contendo pouca água

ou em meios completamente anidros constituem numa mudança no ponto de vista

anterior dos químicos orgânicos. Hoje, já é muito bem aceito que as enzimas não só

são capazes de funcionar perfeitamente em solventes orgânicos, como já se provou

que as enzimas são mais estáveis termicamente em meio orgânico do que em água.

Como a maioria dos compostos orgânicos é solúvel em solventes orgânicos e muito

pouco solúveis em água, os químicos orgânicos rapidamente reconheceram o

potencial das enzimas como catalisadores. O uso de enzimas em meios não

aquosos oferece diversas vantagens (Dordick, 1991):

Aumento da solubilidade de substratos apolares;

Aumento da termoestabilidade;

Fácil recuperação dos produtos através de solventes de baixos pontos

de ebulição;

A imobilização é frequentemente desnecessária, pois a enzima é

insolúvel;

Fácil recuperação da enzima por filtração ou centrifugação;

Se a imobilização for necessária para melhor desempenho, a simples

adsorção em superfícies não porosas é suficiente;

Supressão de reações laterais “água-dependentes”;

27

Deslocamento do equilíbrio termodinâmico favorecendo a síntese em

detrimento da hidrólise em reações como a esterificação;

A possibilidade de realizar reações com outros nucleófilos que não

seriam praticáveis em água, como por exemplo, transesterificação;

Fácil integração de passos enzimáticos com passos químicos

convencionais em sínteses multietapas.

A polimerização por catálise enzimática vem se desenvolvendo rapidamente,

principalmente nas duas últimas décadas, através do trabalho de autores como

Gross e colaboradores (Gross, et al., 2001) e Kobayashi e colaboradores

(Kobayashi, et al., 2001), entre outros. A síntese de poliésteres alifáticos por

processos enzimáticos tem sido amplamente estudada do ponto de vista da ciência

de materiais biodegradáveis (Albertsson, et al., 1995).

Certamente, ainda existem muitos desafios técnicos para o desenvolvimento

de processos comerciais que envolvem polimerizações por catálise enzimática. A

identificação de uma enzima com as capacidades sintéticas específicas requer uma

intensa pesquisa. Comparando com catalisadores químicos, reações com enzimas

geralmente ocorrem com baixa cinética de reação. Além disso, o isolamento e a

purificação dos produtos poliméricos por processos de baixo custo também são um

desafio. Um melhor entendimento dos mecanismos de reação pode identificar

barreiras e limitações dos processos. Contudo, existem muitas razões para o

otimismo que existe no que diz respeito a uma revolução que está começando, onde

a catálise enzimática in vitro será incorporada em numerosos processos

relacionados a polímeros.

28

1.3.1 - LIPASES:

As lipases são enzimas pertencentes ao grupo das hidrolases, que catalisam

a hidrólise de ésteres de ácidos graxos, normalmente em ambientes aquosos de

organismos vivos. São encontradas em tecidos de vários animais e plantas e podem

ser produzidas por fermentação de diversas espécies de microrganismos, tais como

fungos, leveduras e bactérias. Têm sido amplamente utilizadas em síntese orgânica

devido à sua alta disponibilidade e baixo custo, e têm sido extensivamente

investigadas com relação às suas propriedades bioquímicas, fisiológicas e, mais

recentemente, para aplicações industriais (Pandey, et al., 1999).

Algumas lipases são estáveis em solventes orgânicos e podem ser usadas

como catalisadores para esterificações e transesterificações. Essa catálise

possibilita a produção de poliésteres e policarbonatos através de vários métodos de

polimerização. Reações típicas de polimerizações catalisadas por lipases estão

resumidas no Esquema 2 (Kobayashi, et al., 2001). Biotransformações de várias

combinações de derivados de ácidos dicarboxílicos e glicóis para obtenção de

poliésteres foram publicadas nos últimos 20 anos (Bornschauer, et al., 2002). Ácidos

dicarboxílicos e seus derivados, ésteres ativados e desativados, anidridos cíclicos e

polianidridos foram reportados como monômeros para a síntese de poliésteres sob

condições reacionais brandas.

29

CO

O

R

LipaseORC

O

**

n

Polimerização de Lactonas por Abertura de Anel

Policondensação de Ácidos Carboxílicos ou Derivados com Glicóis

XO2CRCO2X + HOR'OH LipaseCRC OR'

O O

* *

n

Policondensação de Oxiácidos e seus Ésteres

X= H, Alquil, Alquil halogenado, Vinil, etc.

HORCO2X

-XOH

Lipase

-XOH ORC **n

X= H, Alquil, Alquil halogenado, Vinil, etc.

O

ESQUEMA 2 - REAÇÕES DE POLIMERIZAÇÃO CATALISADAS POR L IPASES.

1.3.1.1 – Lipase de Candida antarctica – Fração B - CAL-B:

Muito tem sido publicado sobre o uso de lipases para catalisar

biotransformações, muitas dessas reações são realizadas em meios não aquosos.

Certamente, a CAL-B, que é a lipase de Candida antarctica - fração B, tem sido a

lipase mais amplamente utilizada (Anderson, et al., 1998). Com sua estrutura

completamente elucidada (Uppenberg, et al., 1994) e mecanismo do sítio catalítico

bem conhecido (Faber, 1997; Kwon, et al., 2007) - Esquema 3, essa enzima tem

sido amplamente usada nas pesquisas e na indústria, principalmente por possuir

uma característica chamada promiscuidade catalítica (Copley, 2003), que é a

habilidade do sítio ativo da enzima em catalisar diferentes transformações químicas.

30

O O

Asp

N NH

His

OH

Ser

R O

O

OH

Passo 1

Passo 2O O

Asp

HN N

His

HO

Ser

R

O

R2 R3

OH

Intermediário acil-enzima

Nucleófilo

R2 R3

O

O

R

ESQUEMA 3 - MECANISMO DO SÍTIO CATALÍTICO DA CAL-B.

Nos trabalhos de Uppenberg (Uppenberg, et al., 1994), e Cygler e Shrag

(Cygler, et al., 1997), foi mostrado que o sítio ativo de uma lipase é dividido em um

lado ligante-acila e outro lado ligante-álcool, o lado álcool sendo substrato-

específico, e o lado acila é descrito como sendo relativamente não-específico. Um

número considerável de trabalhos vem sendo publicado sobre a

estereoespecificidade do lado álcool do sítio ativo das lipases. Como um exemplo, a

CAL-B é altamente específica para alcoóis secundários, devido à cavidade oxiânion,

que estabiliza o intermediário tetraédrico álcool-acil-enzima (Uppenberg, et al.,

1995). As lipases, no geral, são capazes de hidrolisar triglicerídeos em uma interface

óleo-água, onde sua atividade é drasticamente aumentada. A CAL-B, apesar de não

ser tão eficiente como as outras lipases na hidrólise de triglicerídeos, é de particular

interesse porque demonstra alta estereoespecificidade em substratos quirais durante

a hidrólise ou a síntese orgânica.

31

FIGURA 2 - ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL DA CAL-B (WWW.NOVOZYMES.COM)

Neste trabalho, a CAL-B utilizada foi a NOVOZYM-435, que é a lipase de

Candida antarctica imobilizada em matriz de poliacrilato, que confere uma maior

termoestabilidade à enzima. As propriedades da NOVOZYM-435 estão resumidas

na Tabela 1.

TABELA 1 - ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DA CAL-B – NOVOZYM-435 – WWW.NOVOZYMES.COM

Densidade 430 kg/m3

Diâmetro das partículas 0,3-0,9 mm

Quantidade de água 1-2% m/m

Peso Molecular 33 kDa

pH ótimo 7,0

Estabilidade ao pH 7,0 – 10,0

Temperatura ótima ~70ºC

Atividade declaradaa 10000 PLU/g

a – A atividade é dada pela síntese de laureato de propila (PLU=Propyl Laurate Units). 1 PLU

corresponde à formação de 1 µmol de éster por minuto.

32

Muitos trabalhos vêm sendo publicados abordando a síntese de poliésteres

de glicóis e diácidos e seus derivados via catálise enzimática utilizando lipases. No

entanto, até o presente momento não há registros de polimerizações de dióis

secundários via catálise enzimática propriamente dita. Inclusive, quando se realiza a

polimerização enzimática de polióis como os alditóis (Hu, et al., 2006), que possuem

em sua estrutura tanto hidroxilas primárias quanto secundárias, a enzima realiza a

polimerização através das hidroxilas primárias e, como em se tratando de hidroxilas

secundárias, até então só era conhecida a seletividade da CAL-B por configurações

(R) , somente as hidroxilas (R) secundárias reagiram, aumentando a massa molar do

polímero através de ramificações na cadeia, em concordância com os estudos de

Hult e colaboradores (Rotticci, et al., 1998).

Estudos recentes realizados por Palmans e colaboradores (Kanca, et al.,

2008; van As, et al., 2007), mostram a polimerização de misturas racêmicas de

monômeros contendo hidroxilas secundárias através de Catálise Acoplada Iterativa

(Iterative Tandem Catalysis – ITC), mais especificamente resolução cinética

dinâmica, que é a conversão química na qual dois ou mais catalisadores trabalham

juntos para obter a reação química desejada. A resolução cinética dinâmica tem sido

amplamente utilizada para obtenção de compostos enantiomericamente puros.

Nesses trabalhos de polimerização, os autores utilizaram simultaneamente, CAL-B e

um catalisador de rutênio. Assim, a enzima desempenhava o papel de esterificar os

alcoóis com configuração (R), enquanto o catalisador basicamente convertia as

hidroxilas (S) em (R), originando uma reação em cascata, obtendo polímeros com

massas molares de 15 kDa.

Nesse trabalho, reportamos a utilização de isosorbídeo [(1R,4R,5R, 8S)-2,6-

dioxabiciclo[3.3.0]octan-4,8-diol], um diol com hidroxilas nas configurações (R) e (S)

33

na mesma molécula, com ácidos dicarboxílicos e seus derivados, via catálise

enzimática propriamente dita, utilizando como catalisador apenas a lipase de

Candida Antarctica, fração B (CAL-B), para a obtenção de poliésteres.

34

2 – OBJETIVOS

Tendo em vista as recentes políticas de incentivo à exploração da biomassa

para obtenção de materiais “ambientalmente corretos”, visando à redução do uso de

compostos derivados do petróleo, e considerando ampla disponibilidade e as

potencialidades químicas e econômicas do isosorbídeo descritas anteriormente,

aliadas às múltiplas vantagens que a catálise enzimática pode proporcionar na

obtenção de polímeros biodegradáveis e biocompatíveis, o objetivo principal desse

trabalho foi desenvolver metodologias de preparo de poliésteres de isosorbídeo via

catálise enzimática.

Dentro deste escopo, tendo por finalidade a obtenção de materiais com altos

valores de massas molares, exploramos diferentes parâmetros como: técnicas de

policondensação, solventes, tempo de reação, grupo de saída, solubilidade e

diluição dos sistemas e tipos de monômeros, para a produção de polímeros com

diferentes características.

A grande importância do trabalho, e o grande desafio proposto, nesse caso,

consistem no fato de que, até o presente momento, não existem registros de êxito

em polimerizações de dióis secundários impedidos estericamente, como é o caso do

isosorbídeo, através de catálise enzimática, o que possibilitaria uma infinidade de

aplicações dos polímeros, principalmente porque os materiais obtidos são livres de

quaisquer resíduos de metais pesados, provenientes dos catalisadores

convencionais.

35

3 – MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 – MATERIAIS:

Cicloexano, benzeno, tolueno, n-heptano, MEK (Merck), acetona, n-hexano,

clorofórmio, metanol (Synth e Vetec), acetato de etila (Synth), foram secos e

destilados previamente. O éter difenílico (Aldrich) foi previamente destilado.

Pentóxido de fósforo anidro (Sigma-Aldrich e Vetec), sulfato de magnésio

anidro (J. T. Baker), cloreto de cálcio anidro (Synth e Casa Americana) e bicarbonato

de sódio (Synth), foram utilizados para secar e purificar os solventes e monômeros.

O acetato de vinila (Aldrich), acetato cúprico (Malinckrodt), acetato mercúrico

(Merck) e acetato de sódio (Synth) foram utilizados na síntese dos monômeros

divinílicos sem purificação prévia.

Os ácidos succínico, adípico, glutárico, subérico, sebácico (Aldrich) e

dodecanodióico (Merck), foram utilizados conforme recebido, nas sínteses dos seus

respectivos diésteres. Nas polimerizações onde se utilizou o ácido propriamente dito,

este foi purificado por recristalização conforme descrito abaixo.

O isosorbídeo (Cerestar e Aldrich) foi previamente recristalizado em acetato

de etila e seco antes de ser utilizado.

A enzima CAL-B (Novozym-435) foi gentilmente cedida pela Novozymes do

Brasil, e utilizada conforme recebido.

As peneiras moleculares de 3Å e 4Å (Aldrich) foram previamente ativadas em

mufla por 6 horas a 300ºC.

Na síntese e purificação dos monômeros, a pureza dos compostos foi

determinada por CG e CG-MS, no Laboratório de Compostos de Selênio e Telúrio,

36

no IQ-USP. As análises por cromatografia a gás (CG) foram efetuadas nos

cromatógrafos SHIMADZU GC-2010, equipado com um detector de ionização de

chama, e os espectros de massa de baixa resolução foram obtidos em um

instrumento Shimadzu CG-MS-17A/QP5050A. Os gases de arraste foram nitrogênio

para CG, e hélio para CG-MS e a coluna empregada foi de sílica fundida revestida

com goma de poli SPB-35 (35% difenil / 65% dimetilsilicone) . A rampa de

aquecimento foi: temperatura inicial 100ºC, gradiente de 10ºC/min, temperatura final:

250ºC.

3.2 – MÉTODOS:

3.2.1 - PREPARAÇÃO E PURIFICAÇÃO DE REAGENTES, SOLVENTES E

MONÔMEROS.

3.2.1.1 - Purificação do acetato de etila.

O acetato de etila foi seco em CaCl2, refluxado, duplamente destilado de

P2O5 e guardado sob peneira molecular de 3Å ativada.

3.2.1.2- Purificação do clorofórmio.

O Clorofórmio (Synth) utilizado para as análises de SEC foi tratado com

NaHCO3, seco com CaCl2 anidro e filtrado em membrana de PTFE modificado de

0,45 µm de poro.

37

3.2.1.3- Purificação do isosorbídeo (IS).

O isosorbídeo foi purificado por recristalização em acetato de etila

previamente tratado, seco sob vácuo em dessecador com pentóxido de fósforo por

72h (até massa constante). O rendimento da recristalização foi, em média, 85%. A

verificação da pureza do material obtido foi feita através de cromatografia gasosa

(pureza >99,8%).

Antes de ser utilizado nas polimerizações, o isosorbídeo recristalizado foi,

ainda, seco sob vácuo por 48h, em dessecador com pentóxido de fósforo até peso

constante.

3.2.1.5- Purificação do ácido adípico.

O ácido adípico foi recristalizado em solução de etanol: água 2:1 e seco em

dessecador sob vácuo por 24 h.

3.2.1.6- Síntese dos ésteres dos ácidos dicarboxílicos.

Os ésteres dos ácidos dicarboxílicos foram sintetizados de acordo com

Klostergaard (Klostergaard, 1958) (dados na Tabela 2).

A uma mistura de 70 mmol do diácido de interesse em 700 mmol do álcool

anidro, adicionou-se ácido sulfúrico até solubilização do ácido, e 50 mL de hexano,

refuxou-se por 30 minutos. Ao fim da reação, a mistura foi lavada com solução

saturada NaHCO3. Após a separação de fases, lavou-se a fase aquosa com hexano

(3X30 mL). As fases orgânicas combinadas foram secas com Na2SO4 e a mistura foi

concentrada em rotoevaporador. Os produtos foram purificados por destilação a

vácuo, e a pureza foi determinada por cromatografia gasosa (em todos os casos,

maior que 99,5%).

38

TABELA 2 - ÁCIDOS E ÁLCOOIS UTILIZADOS NA SÍNTESE DOS DIÉSTERES.

Ácido Álcool

Rendimento após

purificação

Succínico Etanol 62%

Succínico Metanol 55%

Glutárico Etanol 63%

Adípico Metanol 65%

Adípico Etanol 78%

Adípico n-Propanol 56%

Adípico n-Butanol 51%

Subérico Etanol 72%

Sebácico Etanol 70%

Dodecanodióico Etanol 67%

3.2.1.7- Síntese do adipato de divinila e succinato de divinila.

Os ésteres divinílicos foram preparados através de uma adaptação do

procedimento descrito por Kikukawa e colaboradores. (Kikukawa, et al., 1972).

Em um balão de 125 mL, foram adicionados 68 mmol de ácido adípico (ou

ácido succínico), 330 mg de acetato mercúrico, 20 mg de acetato cúprico e 70 mL de

acetato de vinila. A mistura foi aquecida sob refluxo por 15 minutos. Adicionou-se

então, gota a gota, 70µL de ácido sulfúrico concentrado. A mistura foi deixada sob

refluxo por 16h. Adicionou-se cerca de 5 g de acetato de sódio e a solução foi

filtrada. Lavou-se com solução saturada de NaHCO3 até cessar a efervescência.

Extraiu-se com 3 X 40 mL de hexano, as fases orgânicas foram combinadas,

lavadas com água, secas com Na2SO4 e concentradas. O rendimento foi de

aproximadamente 40%. O produto foi purificado por destilação a vácuo (destilado

duas vezes).

39

3.2.2 - POLIMERIZAÇÕES

3.2.2.1- Polimerização em massa sob pressão ambiente.

Em um balão de fundo redondo de 50 mL, adicionou-se 10 mmol de

isosorbídeo previamente seco, pesado analiticamente, e 10 mmol de adipato de

dietila, adicionou-se a enzima (CAL-B N-435) numa proporção de 10% relativa à

massa total dos monômeros. O balão foi fechado com septo de borracha, e duas

agulhas foram inseridas nesse, uma para entrada e outra para saída de N2. A

mistura foi submetida a aquecimento em banho de óleo, a uma temperatura de 85ºC,

sob fluxo de nitrogênio e agitação magnética durante o tempo indicado. Decorrido

esse tempo, a mistura foi suspensa em clorofórmio, filtrada para remoção da enzima

e o solvente foi evaporado no rotoevaporador.

3.2.2.2 - Polimerização em massa sob pressão reduzida.



dietila, adicionou-se a enzima (CAL-B N-435) numa proporção de 10% relativa à

massa total dos monômeros. A mistura foi então submetida a aquecimento em

banho de óleo a 70ºC, sob agitação magnética, primeiramente sob pressão

ambiente, para formação de oligômeros, depois sob vácuo, para deslocamento do

equilíbrio através da remoção de subprodutos de reação (etanol, no caso), pelo

tempo especificado abaixo (Tabela 3). Após esse tempo, a mistura foi suspensa em

40

clorofórmio, filtrada para remoção da enzima e o solvente foi evaporado no

rotoevaporador.

TABELA 3 - TEMPOS UTILIZADOS NAS POLIMERIZAÇÕES EM MASSA SOB PRESSÃO REDUZIDA.

Tempo sob pressão ambiente (h) Tempo sob pressão reduzida (~2mmHg) (h)

4,5 48

24 48

86 36

Monômeros: isosorbídeo e adipato de dietila, razão molar 1:1. Temperatura: 70ºC. Enzima: CAL-B N-

435 10% em massa de monômeros.

3.2.2.3 - Polimerização em solução sob pressão reduzida.


isosorbídeo previamente seco, pesado analiticamente, e 10 mmol do monômero

descrito na Tabela 4, e 10 mL de difenil éter, adicionou-se a enzima (CAL-B N-435)

numa proporção de 10% relativa à massa total dos monômeros. A mistura foi então

submetida a aquecimento em banho de óleo, a 70ºC, sob agitação magnética,

primeiramente sob pressão ambiente, depois sob vácuo (~2mmHg), para

deslocamento do equilíbrio através da remoção de subprodutos de reação (etanol,

no caso), pelo tempo especificado abaixo. Após esse tempo, a temperatura foi

elevada para 110ºC para a evaporação do difenil éter, ainda sob vácuo, e a mistura

foi suspensa em clorofórmio ou THF, filtrada para remoção da enzima e o solvente

foi evaporado no rotoevaporador.

41

TABELA 4 - POLIMERIZAÇÃO EM SOLUÇÃO SOB PRESSÃO REDUZIDA.

Monômero A

Tempo sob pressão

ambiente a 70ºC

(h)

Tempo sob vácuo a

70ºC

(h)

Tempo sob vácuo a

110ºC

(h)

Adipato de dietila 24 72 6

Succinato de dietila 24 72 6

Monômero B: Isosorbídeo, razão molar A:B=1:1, enzima: CAL-B N-435 10% em massa de

monômeros.

3.2.2.4 - Polimerização em massa sob pressão ambiente utilizando

monômeros divinílicos.



divinila, adicionou-se a enzima (CAL-B N-435) numa proporção de 10% relativa à

massa total dos monômeros. O balão foi fechado com septo de borracha, e duas

agulhas foram inseridas neste, uma para entrada e outra para saída de N2. A mistura

foi submetida a aquecimento em banho de óleo, a uma temperatura de 70ºC, sob

fluxo de nitrogênio e agitação magnética durante 110 h. Decorrido esse tempo, a

mistura foi suspensa em clorofórmio, filtrada para remoção da enzima e o solvente

foi evaporado no rotoevaporador.

3.2.2.5 - Polimerização com solvente sob refluxo em sistema aberto utilizando

monômeros divinílicos.


isosorbídeo previamente seco, pesado analiticamente, e 10 mmol do monômero

42

(adipato de divinila ou succinato de divinila), e 40 mL de hexano, adicionou-se a

enzima (CAL-B N-435) numa proporção de 10% relativa à massa total dos

monômeros. A mistura foi, então, submetida a aquecimento sob refluxo, sob fluxo de

nitrogênio, em banho de óleo, durante 7 dias. Decorrido esse tempo, adicionou-se

clorofórmio, a mistura foi então filtrada para remoção da enzima e o solvente foi

evaporado por rotoevaporação.

3.2.2.6 - Polimerização com misturas azeotrópicas de solvente.

Em um tubo reacional de 80 mL, adicionou-se 10 mmol de isosorbídeo

previamente seco, pesado analiticamente, e 10 mmol do monômero descrito na

Tabela 5, e 65 mL de solvente (ou mistura de solventes) especificado abaixo,

adicionou-se a enzima (CAL-B N-435) numa proporção de 10% relativa à massa

total dos monômeros. Um sistema Dean-Stark foi adaptado ao tubo. O Dean-Stark

foi preenchido de duas maneiras diferentes: nas reações onde o subproduto é água

ou metanol, com peneira molecular de 3Å; nas reações onde o subproduto é o

etanol, n-propanol ou n-butanol, com peneira molecular de 4Å. A mistura foi, então,

submetida a aquecimento sob as temperaturas indicadas, durante o tempo

especificado abaixo. As peneiras moleculares foram trocadas de 24 em 24 horas.

Decorrido esse tempo, adicionou-se clorofórmio, a mistura foi então filtrada para

remoção da enzima e o solvente foi evaporado por rotoevaporação.

43

TABELA 5 – POLÍMEROS PRODUZIDOS A PARTIR DE POLIMERIZAÇÃO COM MISTURAS AZEOTRÓPICAS DE

SOLVENTES.

Monômero Solvente Temp. (ºC) Tempo (h)

Ácido adípico

Benzeno 80 168

Clorofórmio 75 168

MEK: hexano 4:1 75 168

Adipato de dietila

Acetona: Clorofórmio 4:1 75 168

Benzeno 75 168

Clorofórmio 75 168

Clorofórmio: hexano 3:2 75 168

Diclorometano 75 168

n-Hexano 75 168

Tetracloreto de Carbono 75 168

Cicloexano 85 168

Cicloexano: Benzeno 4:1 85 168

Cicloexano: Benzeno 6:1 85 168

n-Heptano 90 168

Succinato de dietila Acetona: Clorofórmio 4:1 75 168

n-Hexano 70 168

As Tabelas 6 e 7 mostram os pontos de ebulição e a composição das

misturas azeotrópicas utilizadas nos experimentos (Lide, 2005):

TABELA 6 – MISTURAS AZEOTRÓPICAS BINÁRIAS.

Subproduto Solvente P.E.

(⁰C)

% de subproduto

na mistura

P.E. da

mistura

Etanol

P.E.: 78.3⁰C

Benzeno 80.1 31,7 67.9

n-Hexano 68.95 21 58.68

n-Heptano 98.5 51 70.9

Cicloexano 80.8 29.2 64.8

Tetracloreto de Carbono 76.8 15.8 65.1

Diclorometano 83.7 37 70.5

Água

P.E.: 100⁰C

Benzeno 80.1 8.83 69.25

Clorofórmio 61 2.8 56.1

44

TABELA 7 – MISTURAS AZEOTRÓPICAS TERNÁRIAS

Subproduto Solvente PE (⁰C)

% de

solvente na

mistura

% de

subproduto

PE da

mistura

Água

PE:100⁰C

n-Hexano 79.6 26 19 59

2-Butanona (MEK) 68.7 55

Etanol

PE:78.3ºC

Clorofórmio 61 65.3 10,4 63.2

Acetona 56.1 24.3

Clorofórmio 61 56.1 9,5 57.3

n-Hexano 79.6 34.4

Cicloexano 80.8 57,6 29,6 64,7

Benzeno 80.1 12,8

3.2.3 - PURIFICAÇÃO DOS POLÍMEROS OBTIDOS.

Os materiais obtidos foram purificados por dissolução e precipitação,

conforme descrito abaixo: (Uyama, et al., 1999)

Em um béquer, o material impuro foi dissolvido na menor quantidade possível

de clorofórmio, e, em seguida, adicionado gota a gota em uma grande quantidade de

metanol (dez vezes o volume de clorofórmio utilizado), sob agitação vigorosa. O

polímero permanece então aderido às paredes do béquer. O sobrenadante foi então

eliminado e os materiais foram secos, primeiramente em dessecador sob vácuo por

1 h, e posteriormente em estufa sob vácuo a 45ºC por 48 h.

45

3.2.4 – TESTE DE SOLUBILIDADE DOS POLÍMEROS OBTIDOS:

Com o objetivo de se determinar a solubilidade de uma amostra padrão de

poli(adipato de isosorbila) com 𝑀 𝑤~30000 Da, uma grande quantidade de polímero

foi adicionada a 2 mL de diferentes solventes de forma que o polímero formasse

uma solução supersaturada com o solvente em questão, e a solução foi mantida sob

agitação magnética por 48h. Decorrido este tempo, uma alíquota de 1,00 mL foi

retirada e colocada em um béquer previamente pesado em balança analítica. O

solvente foi então evaporado sob vácuo por 12 h, e o béquer foi novamente pesado.

A diferença entre as massas obtidas é a solubilidade do material em 1 mL de

solvente.

3.2.5 - CARACTERIZAÇÃO DOS POLÍMEROS OBTIDOS.

3.2.5.1 - Cromatografia por exclusão de tamanho (SEC):

As massas molares médias 𝑀 𝑤 e 𝑀 𝑛 , bem como a razão 𝑀 𝑤 / 𝑀 𝑛 que é o

índice de polidispersividade (PD), foram determinados por cromatografia por

exclusão de tamanho, realizadas em um cromatógrafo Shimadzu modelo Class-VP

10A, equipado com um detector de índice de refração RID-10A com a cela a 35ºC,

forno CTO-10A a 35ºC, loop de 20 µL, bomba LC-10AD, com fluxo de 1 mL por

minuto. Foram utilizadas quatro colunas Waters tipo Styragel® HR6 (WAT054468),

HR4 (WAT044225), HR3 (WAT044222), e HR1 (WAT04234). A fase móvel utilizada

foi clorofórmio. Os valores de massas molares foram reportados com relação a

padrões de poliestireno (com 𝑀 𝑤= 820, 2460, 5120, 13200, 29300, 47500 e 216000),

46

que foram utilizados na construção de curvas de calibração. A concentração das

amostras (injetadas) foi de aproximadamente 20 mg mL-1.

3.2.5.2 – Calorimetria exploratória diferencial (DSC):

Os ensaios de DSC foram realizados no Laboratório do Centro NSF de

Biocatálise e Bioprocessamento de Macromoléculas, na Polytechnic University, em

Nova York, em um calorímetro TA Instruments DSC2920, calibrado com padrão de

Índio. A taxa de aquecimento foi de 10ºC/min, sob proteção de atmosfera de

nitrogênio sob fluxo de 50mL/min, e a varredura foi feita de -70 a 200ºC.

Primeiramente, a amostra foi resfriada a -70ºC e então aquecida a 10ºC/min até

200ºC, mantida a 200ºC por 3 minutos e, em seguida, resfriada a -70ºC a 10ºC/min.

Assim que a amostra foi resfriada, esta foi aquecida novamente até 200ºC. O

software “TA Advantage Control” foi usado para controlar as condições

experimentais e o software “TA Universal Analysis” para analisar os resultados.

3.2.5.3 – Análise termogravimétrica (TG):

As análises termogravimétricas foram realizadas no Laboratório do Centro

NSF de Biocatálise e Bioprocessamento de Macromoléculas, na Polytechnic

University, em Nova York, no equipamento TA Instruments TGA2950. Cada amostra

(10 mg) foi aquecida de 40 a 750ºC, a uma taxa de aquecimento de 10ºC por minuto

sob proteção de atmosfera de nitrogênio com fluxo de 50 mL/min. Os dados foram

analisados utilizando o software “TA Universal Analysis”.

47

3.2.5.4 – Espectroscopia no Infravermelho:

Os ensaios de espectroscopia no infravermelho foram realizados no

equipamento FTIR Bomem MB 100 (faixa de operação de 350 – 4000 cm-1,

resolução de 2 cm-1). As amostras foram analisadas em filmes preparados em

clorofórmio e secos em estufa a vácuo.

3.2.5.5 – Difração de Raios-X:

Os ensaios de difração de raios-X de alto ângulo (WAXD) foram obtidos no

equipamento X-Ray Difratometer Miniflex da Rigaku. Os ensaios foram realizados

usando um feixe monocromático () de raios X de 0,194 nm (FeK) ou 0,154 nm

(CuK), voltagem de 30 kV, corrente de 15 mA, intervalo de ângulo 2 tipicamente de

3 a 60 e leitura de 2 de 0,02 em 0,02. As amostras na forma de pó sofreram

tratamento térmico prévio (recozimento; annealing) em estufa a vácuo por 48 h a

90ºC.

3.2.5.6 – Ressonância Magnética Nuclear de 1H e 13C:

Para fins de determinação estrutural, as análises de ressonância magnética

nuclear (RMN) de 1H e 13C foram realizadas em um equipamento Bruker DPX 300

(300 e 75 MHz, respectivamente). As amostras (20-60 mg e 20-150 mg para 1H e

48

13C NMR, respectivamente) foram dissolvidas em CDCl3 (0,5-0,7 mL), que continha

tetrametilsilano (TMS) como referência interna, e em alguns casos, os espectros

foram calibrados pelo deslocamento químico do CDCl3, no caso do13C, ou CHCl3 no

caso do hidrogênio. Os deslocamentos químicos () são dados em ppm.

49

4 – RESULTADOS E DISCUSSÃO:

Geralmente, a policondensação é uma tarefa mais difícil do que polimerização

por adição, já que massas molares altas só são alcançadas quando há alto grau de

conversão (>98%) (Edlund, et al., 2003). Um balanço estequiométrico exato é de

fundamental importância no caso e, enquanto esse balanço é prontamente obtido

quando são utilizados monômeros do tipo AB, como hidróxi-ácidos, por exemplo,

torna-se um grande problema prático quando se utilizam monômeros do tipo AA e

BB, como diácidos e dióis. Em um sistema contendo apenas monômeros

bifuncionais, com dois tipos de grupos A e B, presentes em números NA e NB, se

NA<NB de forma que a razão seja r = NA/NB, o número total de monômeros é ½

(NA+NB ) = ½ NA(1+1/r). Na amplitude da reação p (definida por A grupos; para B

grupos, amplitude de reação = rp), o número total de terminações de cadeias é NA

(1-p) + NB (1-rp) = NA [1-p + (1 - rp) /r]. Como esse é o dobro do número de

moléculas presentes, então o grau de polimerização aproximado será (Billmeyer,

1984):

𝐺𝑃 𝑛 =

𝑁𝐴(1 +1𝑟)/2

𝑁𝑎 1 − 𝑝 +1 − 𝑟𝑝

𝑟 /2=

1 + 𝑟

1 + 𝑟 − 2𝑟𝑝

Como 𝑝 → 1

𝐺𝑃 𝑛 =

1 + 𝑟

1 − 𝑟

Essa equação mostra claramente a necessidade de um controle

estequiométrico fino na reação, para obtenção de materiais com altos graus de

polimerização. Erros na pesagem, a presença de impurezas monofuncionais,

Equação 1.

50

reações laterais ou o excesso de um dos reagentes podem ser sérios fatores

limitantes do grau de polimerização a ser obtido.

As reações de polimerização consideradas neste trabalho são condensações

do tipo esterificação ou transesterificação de monômeros do tipo AA e BB. Em

ambos os casos, trata-se de um processo complexo com várias sub-reações

seqüenciais em equilíbrio. Desta forma, uma das maneiras mais aplicadas de

obtenção de altos rendimentos e, nestes casos, altos valores de massa molar é o

deslocamento do equilíbrio em direção aos produtos através da remoção de um dos

mesmos. A remoção de água ou de álcool volátil é a maneira mais simples nestes

casos.

Os materiais produzidos durante este trabalho são inéditos no que diz

respeito à síntese de poliésteres de isosorbídeo via catálise enzimática, tanto por

policondensação em massa como em solução.

Neste trabalho, realizou-se uma varredura de condições experimentais e de

métodos para deslocamento do equilíbrio, partindo-se, paralelamente, de três frentes

de trabalho diferentes, todas a partir de catálise enzimática: (i) policondensação em

massa, sob pressão ambiente e sob pressão reduzida, (ii) policondensação

utilizando monômeros divinílicos, e (iii) policondensação em solução com destilação

azeotrópica, com o objetivo de se encontrar a condição experimental ideal, que

proporcionasse a obtenção dos maiores valores de massas molares e os melhores

rendimentos.

51

4.1 - POLICONDENSAÇÃO EM MASSA, SOB PRESSÃO AMBIENTE E SOB PRESSÃO

REDUZIDA:

Sínteses enzimáticas de poliésteres por reações entre diácidos ou derivados

e dióis primários através de polimerizações em massa, catalisadas por Lipase de

Candida antarctica foram publicadas por diversos autores (Uyama, et al., 1998;

Binns, et al., 1998; Uyama, et al., 2000), obtendo polímeros ou oligômeros em

condições brandas, a despeito da mistura heterogênea formada entre o catalisador e

os monômeros. O comportamento da polimerização, no caso, depende fortemente

do tamanho da cadeia de ambos os monômeros. Normalmente, massas molares

maiores são obtidas quando se utiliza vácuo para remoção de água ou álcool do

meio, deslocando-se o equilíbrio na direção dos produtos. Esse tipo de processo tem

chamado atenção por ser um método de síntese ambientalmente correto, pois evita

o uso de solventes orgânicos.

Binns e colaboradores (Binns, et al., 1999) polimerizaram, via catálise

enzimática em larga escala, dióis primários e diácidos, em massa, utilizando vácuo

controlado para deslocamento de equilíbrio, e obtiveram massas molares médias

(𝑀 𝑤 ) de 1500 Da. Outro trabalho dos mesmos autores (Binns, et al., 1998) mostra

que, tanto utilizando monômeros AA e BB como monômeros AB, a polimerização em

massa rende apenas oligômeros.

Via catálise química, Okada e colaboradores (Okada, 1996) sintetizaram

poliésteres de isosorbídeo em massa, utilizando cloretos de ácidos dicarboxílicos,

sob vácuo a 160ºC, obtendo, para o poli(adipato de isosorbila), massa molar de 26

kDa. Braun e Bergmann (Braun, et al., 1992) realizaram policondensações de uma

52

série de cloretos de ácidos dicarboxílicos com isosorbídeo e isomanídeo, obtendo

resultados similares. Devido ao fato de que, no caso ambos os monômeros são

líquidos e que, sob altas temperaturas, a viscosidade do sistema cai drasticamente,

facilitando a agitação, massas molares maiores são observadas.

Até o presente momento, não encontramos na literatura nenhum estudo

tratando de polimerização de isosorbídeo com diésteres alquílicos, tanto por catálise

química, quanto por catálise enzimática, para que haja uma comparação efetiva

entre sistemas similares.

Neste capítulo do trabalho, em uma primeira abordagem, foram realizadas

policondensações em massa (sem a utilização de solventes) para a síntese do

poli(adipato de isosorbila), utilizando adipato de dietila como monômero. Essas

reações foram realizadas de duas formas distintas: sob pressão reduzida e sob

pressão ambiente.

O

O

O

OO

OHO

OH

+O

O

O

OO

OO

CAL-BH

H

*

H

H-EtOH

ESQUEMA 4 - SÍNTESE DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA), ATRAVÉS DE POLICONDENSAÇÃO EM MASSA. AS

REAÇÕES FORAM REALIZADAS SOB VÁCUO E SOB PRESSÃO AMBIENTE.

53

4.1.1 – POLICONDENSAÇÃO EM MASSA SOB PRESSÃO REDUZIDA:

As polimerizações foram realizadas em massa utilizando vácuo para remoção

dos subprodutos de reação. Num primeiro momento, a reação ocorreu à pressão

ambiente, para que ocorresse a conversão prévia dos monômeros em oligômeros.

Após esse tempo, a reação foi submetida ao vácuo por mais um período de tempo, à

mesma temperatura. Os resultados estão apresentados na Tabela 8.

TABELA 8 - RESULTADOS OBTIDOS NAS REAÇÕES DE POLICONDENSAÇÃO EM MASSA SOB PRESSÃO REDUZIDA.

Tempo

fase A (h)

Tempo

fase B (h)

𝑴 𝒏

(Da)

𝑴 𝒘

(Da) PD

4,5 48 400 630 1,6

24 48 870 1700 1,9

86 36 1100 2100 1,9

Temperatura: 70ºC. Fase A: sob pressão ambiente, fase B: pressão: 2 mmHg. Monômeros: Adipato

de dietila e isosorbídeo, razão molar 1:1, quantidade de enzima: 10% em massa de monômeros.

Fazendo-se uma breve análise dos valores de massas molares obtidos,

percebe-se que massas molares maiores são obtidas quanto maior é o tempo de

oligomerização dos materiais. Uma justificativa razoável para esses dados é que

uma prévia oligomerização transforma os monômeros em moléculas maiores, que

não sofrem evaporação sob vácuo, mesmo com temperaturas maiores. Quando o

tempo da fase A (temperatura ambiente) é menor, quantidades variadas de

isosorbídeo ou adipato de dietila não consumidos podem ser removidos na fase B

(sob vácuo), desequilibrando a equimolaridade dos monômeros no meio,

comprometendo o crescimento da cadeia.

54

4.1.2 - POLICONDENSAÇÃO EM MASSA SOB PRESSÃO AMBIENTE:

Paralelamente a esses estudos, realizou-se, também, a síntese do

poli(adipato de isosorbila), via polimerização em massa, utilizando adipato de dietila

como monômero, mas sem a utilização do vácuo para remoção do etanol. Para que

ocorresse o deslocamento do equilíbrio, submetemos a reação a uma maior

temperatura (85ºC), já que o etanol tem ponto de ebulição igual a 78,2ºC. Utilizou-se

sistema aberto sob fluxo de nitrogênio para facilitar a remoção dos vapores de

etanol. Os resultados obtidos encontram-se na Tabela 9.

TABELA 9 – RESULTADOS OBTIDOS PARA POLICONDENSAÇÕES REALIZADAS SOB PRESSÃO AMBIENTE.

Tempo (h) 𝑴 𝒏 (Da) 𝑴 𝒘 (Da) PD

72 880 2000 2,3

168 980 3800 3,9

Temperatura: 85ºC, sob N2. Monômeros: Adipato de dietila e isosorbídeo, razão molar 1:1,

quantidade de enzima: 10% em massa de monômeros.

Os resultados mostram que, através desse método, é possível se obter

maiores valores de massas molares (𝑀 𝑤 ), apesar do fato de que os valores de

polidispersividade serem altos, o que não é desejável, visto que estudos

comparativos indicam que polimerizações em massa tendem a apresentar valores

de polidispersividade menores que 2, e substancialmente menores do que aquelas

realizadas em solução (Binns, et al., 1998). Uma possível explicação para as

massas molares mais altas em comparação com o caso anterior, é a diminuição da

viscosidade do sistema, devido ao aumento da temperatura.

55

4.1.3 - CONSIDERAÇÕES GERAIS:

Comparando-se os resultados obtidos através das duas técnicas utilizadas,

observa-se que, ao utilizar o sistema aberto e uma maior temperatura, foram obtidas

massas molares maiores. No entanto, aumentam também os índices de

polidispersividade dos materiais.

As duas técnicas resultaram apenas em oligômeros. O principal fator limitante

do crescimento das massas molares, nesse caso, é o fato de que, com o aumento

das massas molares, a viscosidade do sistema aumenta, dificultando a agitação do

meio reacional, e como não é possível um aumento muito grande na temperatura do

sistema, que causaria a desnaturação da enzima, não é possível diminuir a

viscosidade do meio. Melhores resultados poderiam ser obtidos com o uso de

agitação mecânica forçada (alto torque), que facilitaria a continuidade das reações,

porém com grande risco de pulverização do catalisador, dificultando sua remoção.

56

4.2 - POLICONDENSAÇÃO UTILIZANDO MONÔMEROS DIVINÍLICOS:

O

O

O

O

O

OHO

OH

+

CAL-BH

H

O

O

O

OO

OO

**

H

HH

O_n

n= 1 ou 3

ESQUEMA 5 - SÍNTESE DE POLÍMEROS UTILIZANDO DERIVADOS DIVINÍLICOS.

Em outro estudo que foi realizado, utilizamos como monômeros os derivados

divinílicos dos diácidos. O uso de ésteres vinílicos como agentes acilantes em

reações catalisadas por lipases tem se mostrado muito eficiente, já que reação de

transesterificação com estes substratos gera o álcool vinílico, que gera rapidamente

o acetaldeído, no equilíbrio ceto-enólico a que está submetido, deslocando o

equilíbrio para os produtos.

A polimerização enzimática de ésteres divinílicos e glicóis foi demonstrada

pela primeira vez em 1994 por Kobayashi e Uyama (Uyama, et al., 1994), utilizando

Lipase PF, a 45ºC, em éter diisopropílico, obtendo polímeros com massas molares

de 27 kDa, e comparando, sob condições reacionais similares com o uso de ésteres

dietílicos, que não renderam materiais poliméricos, indicando a alta

polimerizabilidade de derivados divinílicos perante um catalisador enzimático. Em

outro trabalho, esses mesmos autores realizaram a polimerização enzimática de

α,ω-glicóis com diferentes tamanhos de cadeias com adipato de divinila e sebacato

de divinila, utilizando diferentes lipases, mostrando a alta atividade catalítica das

enzimas frente a derivados divinílicos. Russel e colaboradores (Chaudhary, et al.,

1997), mostraram que, utilizando CAL-B como catalisador, a polimerização em

57

massa de adipato de divinila e 1,4-butanodiol origina o correspondente poliéster com

massa molar (𝑀 𝑤 ) de 23 kDa.

Até o presente momento, entretanto, nossa pesquisa nas bases de dados

oficiais não nos forneceu nenhum trabalho envolvendo a polimerização de

isosorbídeo com ésteres divinílicos, via catálise química ou enzimática. As

policondensações apresentadas a seguir são inéditas na literatura.

Neste trabalho, as reações de polimerização foram feitas de duas formas: em

massa e em solvente orgânico. Os resultados obtidos estão na Tabela 10.

TABELA 10 - RESULTADOS OBTIDOS PARA POLICONDENSAÇÕES UTILIZANDO MONÔMEROS DIVINÍLICOS.

Monômero A Solvente Temp.

(ºC)

Tempo

(h)

𝑴 𝒏

(Da)

𝑴 𝒘

(Da) PD

Adipato de divinila -a 70ºC 110 1300 2900 2,2

Adipato de divinila THFb 60ºC 168 770 1500 1,9

Adipato de divinila Hexanob 60ºC 168 760 1500 2,0

Succinato de

divinila Hexanob 60ºC 168 350 390 1,1

a Sob N2.

b Em refluxo, sob N2. Monômero B:isosorbídeo, razão molar A:B: 1:1, quantidade de enzima:

10% em massa de monômeros.

Os materiais apresentaram massas molares muito baixas, se comparadas

com polimerizações de dióis primários obtidos via enzimática (23kDa). Os resultados

apontam eficiências similares, tanto utilizando os ésteres divinílicos quanto utilizando

ésteres alquílicos, mostrando assim, que a utilização de ésteres ativados (como é o

caso dos derivados divinílicos) não é necessariamente um indicativo de eficácia na

58

polimerização, quando se trata de dióis secundários. Assim como no caso das

outras polimerizações em massa realizadas, o fator viscosidade acaba dificultando a

agitação do sistema reacional, impedindo que as cadeias continuem a crescer.

No que diz respeito às policondensações em solução, observa-se que,

mesmo com tempos maiores de reação, as massas molares obtidas são muito

baixas.

Através dessas técnicas, assim como nas polimerizações em massa

utilizando derivados dietílicos, obtivemos apenas oligômeros. Além do relativo

insucesso nos resultados obtidos, alguns outros fatores contribuíram para o

abandono dessa linha de experimentos, como: (i) a dificuldade na preparação dos

monômeros divinílicos, com baixos rendimentos e difícil purificação, (ii) a

instabilidade destes frente às temperaturas mais altas, e (iii) o maior custo relativo

que o uso desses monômeros agrega à síntese dos polímeros, o que limitaria o

impacto tecnológico potencial desses materiais (Mahapatro, et al., 2003).

59

4.3 - POLICONDENSAÇÃO EM SOLUÇÃO COM DESTILAÇÃO AZEOTRÓPICA:

RO

O

O

OR

O

OHO

OH

+O

O

O

OO

OCAL-B

H

H

R = CH2CH3 ou HO**

H

H

- ROHn n= 1 ou 3

Dean -Stark

Solvente

ESQUEMA 6 – S ÍNTESE DE POLÍMEROS EM SOLUÇÃO COM DESTILAÇÃO AZEOTRÓPICA.

A destilação azeotrópica é um método amplamente utilizado em reações de

esterificação e transesterificação para deslocamento do equilíbrio reacional na

direção dos produtos. Muitos ácidos dicarboxílicos e seus ésteres alquílicos estão

disponíveis comercialmente. Entretanto, eles frequentemente mostram baixa

reatividade perante as lipases. Por isso, o desenvolvimento de equipamentos para

criar condições favoráveis para que a polimerização ocorra é muito importante para

a obtenção de polímeros com altos valores de massas molares. Por exemplo, Binns

e colaboradores (Binns, et al., 1993) (Binns, et al., 1993) desenvolveram um

equipamento que possibilitou o uso de peneiras moleculares para a remoção de

água na síntese de poliésteres de 1,4-butanodiol e ácido adípico, utilizando lipase de

Mucor miehei (MM), obtendo poliésteres com grau de polimerização de

aproximadamente 20.

Para a utilização deste processo, a primeira condição que um solvente a ser

utilizado deve atender é que este precisa formar um azeótropo conhecido com o

subproduto a ser removido do sistema (água ou etanol, que são os subprodutos de

reação quando usamos o ácido ou o derivado dietílico, respectivamente). Neste

trabalho, as reações foram realizadas utilizando sistemas Dean-Stark adaptados,

60

preenchidos com peneiras moleculares (Binns, et al., 1998) para remoção de

subprodutos de reação pela formação de azeótropos conhecidos (Tabelas 6 e 7)

Alguns autores vêm desenvolvendo estudos de polimerização por catálise

enzimática em solução, estabelecendo quadros comparativos entre diferentes tipos

de solventes. Alguns exemplos dos efeitos do solvente na síntese de poliésteres:

Shuai e colaboradores (Shuai, et al., 1999) publicaram a policondensação catalisada

por PPL de ácido 3-hidróxibutírico e ácido 12-hidróxidodecanóico em éter dietílico à

temperatura ambiente e em tolueno a temperaturas de 55 e 75ºC obtendo massas

molares (𝑀 𝑤 ) de 230 e 2900, quando se utilizou éter dietílico e tolueno,

respectivamente. Gross e colaboradores (Mahapatro, et al., 2003) realizaram

policondensações catalisadas por CAL-B de dióis primários e diácidos em solventes

com alto ponto e ebulição, obtendo massas molares mais altas quando se utilizou

éter difenílico como solvente (𝑀 𝑤= 27700).

É conhecido o fato de que o meio reacional é um dos fatores mais

importantes da catálise enzimática (Dordick, 1989). Estudos indicam que, com uma

escolha prudente de solventes, pode-se manipular a reação catalisada por enzimas

em um meio não-aquoso (Zaks, 1988). A propriedade do solvente que pode ser

analisada aqui é a sua hidrofobicidade, expressa como log P, onde P é o coeficiente

de partição entre o 1-octanol e a água. Geralmente é aceito que a atividade da

lipase é maior quanto maior o valor de log P do solvente (Kumar, 2000).

Laane e colaboradores (Laane, et al., 1987) classificaram os solventes em

três grupos, de acordo com os valores de log P (Tabela 11): no primeiro grupo estão

os solventes com log P menor que 2. Gutman e colaboradores (Gutman, 1993)

afirmam que nesse grupo, os solventes não produziriam polímeros de maiores

61

massas molares do que se as reações fossem realizadas por polimerização em

massa. Uma explicação para esse fato seria a aparente inativação da enzima que

aconteceria devido às mudanças conformacionais induzidas pelas interações entre o

solvente polar e a enzima. Esses solventes, mais hidrofílicos, retiram a camada

d’água necessária para que a enzima mantenha sua configuração, fazendo com que

a enzima perca sua atividade. O segundo grupo de solventes, com log P entre 2 e 4,

possuiriam propriedades intermediárias e levariam a melhores resultados. O terceiro

grupo de solventes, que possuem log P maior que 4, cuja utilização resultaria nas

maiores massas molares obtidas e nas maiores taxas de conversão dos monômeros

em polímeros, devido a um menor efeito sobre a conformação da enzima, deixando-

a em um estado ativo.

Dong e colaboradores (Dong, et al., 1999) estudaram a polimerização por

abertura de anel da ε-caprolactona a 37ºC por 240 h em uma série de solventes,

utilizando lipase PS como catalisador. Polimerizações enzimáticas em solventes com

log P < 2 (THF, clorofórmio, 1,2-dicloroetano) resultaram em baixos graus de

conversão e massas molares baixas. Por outro lado, para solventes com log P entre

2 e 4 (benzeno, tolueno, éter diisopropílico e cicloexano), os graus de conversão e

as massas molares foram significativamente maiores.

62

TABELA 11 - VALORES DE LOG P PARA DIFERENTES SOLVENTES.

Grupo Solvente log P

1

Acetonitrila -0,33

Acetona -0,23

THF 0,49

MEK 0,86

Diclorometano 1,01

2

Clorofórmio 2,0

Benzeno 2,0

Tolueno 2,5

Tetracloreto de Carbono 2,86

Cicloexano 3,2

n-Hexano 3,5

3 n-Heptano 4,0

Difenil éter 4,3

Nossos dados parecem confirmar em parte esta observação onde, apesar de

não obtermos os valores de log P para as misturas, a presença de cicloexano

parece conduzir a maiores valores de 𝑀 𝑤 e 𝑀 𝑛 . Comparando os valores de massas

molares obtidos com diversos solventes (Tabela 12), observou-se que os melhores

resultados foram obtidos quando se utilizou misturas de cicloexano e benzeno como

solventes, onde o cicloexano, que tem um alto valor de log P, está em maiores

proporções.

63

TABELA 12 - RESULTADOS OBTIDOS PARA POLIMERIZAÇÃO EM SOLUÇÃO COM DESTILAÇÃO AZEOTRÓPICA.

Monômero A Solvente Temp. (ºC) 𝑴 𝒏 (Da) 𝑴 𝒘 (Da) PD

Ácido adípico

Benzeno 80 210 230 1,1

Clorofórmio 75 250 420 1,7

MEK: hexano 4:1 75 1100 2700 2,5

Adipato de

dietila

Acetona:

Clorofórmio 4:1 75 390 480 1,2

Benzeno 75 710 760 1,1

Clorofórmio 75 560 820 1,5

Clorofórmio:

hexano 3:2 75 920 2600 2,8

Diclorometano 75 860 900 1,0

n-Hexano 75 3200 6400 2,0

n-Heptano 90 240 420 1,7

Tetracloreto de

Carbono 75 380 430 1,7

Cicloexano 85 8100 21000 2,6

Cicloexano:

Benzeno 4:1 85 13000 31000 2,4

Cicloexano:

Benzeno 6:1 85 17000 37000 2,2

Succinato de

dietila

Acetona:

Clorofórmio 4:1 75 300 330 1.1

n-Hexano 75 600 1800 3,0

Tempo: 168h. Sistemas Dean-Stark com peneiras moleculares. Monômero B: isosorbídeo. Razão

molar A:B: 1:1. Quantidade de enzima: 10% em massa de monômeros.

Muitos esforços têm sido feitos para generalizar como substâncias orgânicas

interagem com as moléculas da enzima e como elas influenciam na estabilidade

enzimática. A hipótese corrente (Zaks, 1988) é que, quando uma enzima é colocada

em um solvente orgânico hidrofóbico, é cineticamente (mas não

termodinamicamente) “congelada” em sua conformação nativa, preservando a

camada d’água essencial para manter sua atividade. Obviamente, a atividade ainda

64

é menor do que quando se utiliza a enzima em meio aquoso, devido à perda da

flexibilidade que ocorre no “congelamento” da enzima, mas esse enrijecimento tem a

vantagem de proporcionar uma maior termoestabilidade à enzima (Zaks, 1984).

A Figura 3 mostra, comparativamente, os resultados obtidos utilizando essa

técnica. Podemos observar uma grande vantagem quando se utiliza cicloexano e em

sistemas de solvente contendo cicloexano em maiores proporções.

FIGURA 3 - RESULTADOS OBTIDOS ATRAVÉS DA POLIMERIZAÇÃO EM SOLUÇÃO COM DESTILAÇÃO AZEOTRÓPICA.

0 10000 20000 30000 40000

Benzeno

Clorofórmio

MEK: hexano 4:1

Acetona: Clorofórmio 4:1

Benzeno

Clorofórmio

Clorofórmio: hexano 3:2

Diclorometano

n-Hexano

n-Heptano

Tetracloreto de Carbono

Cicloexano

Cicloexano: Benzeno 4:1


Acetona: Clorofórmio 4:1

n-Hexano

Ácid

o a

díp

ico

Ad

ipa

to d

e d

ietila

Succin

ato

de d

ietila

230

420

2700

480

760

820

2600

900

6400

420

430

21000

31000

37000

330

1800

Mo

nô

me

ro A

Tempo de reação:168hTemperatura: 75-85ºCEnzima: CAL-B N-435 -10% emmassa de monômerosMonômero B: Isosorbídeorazão A:B: 1:1

Mw

65

Comparando-se as técnicas utilizadas nas polimerizações (em massa, com

sistema aberto ou sob vácuo, utilizando monômeros divinílicos, ou em solução com

destilação azeotrópica), percebe-se a grande eficiência das reações em solvente

com destilação azeotrópica, nas quais se obtém massas molares em torno de dez

vezes maiores do que utilizando as outras técnicas (Figura 4)

FIGURA 4 - ESTUDO COMPARATIVO ENTRE AS TÉCNICAS EMPREGADAS.

A varredura realizada com o objetivo de se escolher o melhor solvente (ou

mistura de solventes) para a realização da síntese dos poliésteres de isosorbídeo,

nos mostrou que a condição experimental ótima, que resulta em materiais com

maiores massas molares, é obtida utilizando-se o sistema cicloexano:benzeno 6:1.

Decidimos, então, fazer uma profunda investigação desse sistema, com o intuito de

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

Dean-Stark MEK: Hexano

4:1

Massa, sistema aberto

Massa, Vácuo Dean-Stark Cicloexano: Benzeno 6:1

Massa, sistema aberto

Ácido adípico Adipato de dietila Adipato de divinila

1300 980 1000

17000

12001500

38002000

37000

2900

Mn Mw

Monômero A

Enzima: CAL-B N-435 -10% em massa de monômerosMonômero B: Isosorbídeo. Razão A:B: 1:1

66

aperfeiçoar o método, bem como estabelecer uma comparação entre sistemas que

utilizam cicloexano puro e em mistura com benzeno e entender qual o papel do

benzeno nas misturas. O estudo completo está descrito na seção 4.4.

4.3.1 - POLIMERIZAÇÃO EM SOLUÇÃO SOB PRESSÃO REDUZIDA.

Ainda na tentativa de realizar polimerizações utilizando um solvente com alto

valor de hidrofobicidade (grupo 3), foram feitas policondensações em solução

utilizando éter difenílico como solvente. Primeiramente, as reações foram

conduzidas sob pressão ambiente e, em um segundo momento, sob vácuo, para

remoção do etanol do sistema. Os resultados (Tabela 13) mostram que a

polimerização não foi possível para polímeros derivados de isosorbídeo utilizando

esse solvente, apesar de diversos trabalhos terem sido publicados com excelentes

resultados na polimerização de dióis primários em éter difenílico, via catálise

enzimática (Linko, 1995; Mahapatro, et al., 2003; Azim, 2006).

TABELA 13 - POLIMERIZAÇÃO EM SOLUÇÃO SOB PRESSÃO REDUZIDA.

Monômero

A

Tempo

Fase A Tempo

Fase B

Tempo

Fase C 𝑴 𝒏 (Da) 𝑴 𝒘 (Da) PD

Adipato de

dietila 24 72 6 430 480 1,1

Succinato de

dietila 24 72 6 260 270 1,0

Solvente: Difenil éter. Fase A: pressão ambiente, temp: 70ºC Fase B: pressão: 3 mmHg, temp. 70ºC

Monômero B: isosorbídeo. Razão molar A:B: 1:1. Quantidade de enzima: 10% em massa de

monômeros.

67

4.4 - INVESTIGAÇÃO DO SISTEMA CICLOEXANO:BENZENO.

4.4.1 – ESTUDO COMPARATIVO ENTRE SISTEMAS UTILIZANDO CICLOEXANO E

MISTURAS CICLOEXANO:BENZENO 6:1.

Com o objetivo de compararmos as possíveis vantagens do uso das misturas

cicloexano e benzeno com relação ao cicloexano puro, uma série de seis ésteres

etílicos de ácidos dicarboxílicos foi testada tanto com o solvente puro quanto com a

mistura de solventes. As reações foram realizadas a uma temperatura de 85ºC,

durante 7 dias. Os ésteres utilizados foram: succinato de dietila, glutarato de dietila,

adipato de dietila, suberato de dietila, sebacato de dietila e dodecanodioato de

dietila, que são ésteres dos diácidos de 4, 5, 6, 8, 10 e 12 carbonos

respectivamente. Os resultados são apresentados a seguir:

A Tabela 14 e a Tabela 15 mostram os resultados obtidos quando se utilizou

cicloexano e cicloexano:benzeno 6:1, respectivamente, como solventes:

TABELA 14 - POLÍMEROS DA SÉRIE DE ÉSTERES DOS DIÁCIDOS CARBOXÍLICOS EM CICLOEXANO.

Monômero A 𝑴 𝒏 𝑴 𝒘 PD GPw Rendimentoa

Succinato de dietila 1600 3000 1,9 13 71%

Glutarato de dietila 9300 16000 1,7 67 56%

Adipato de dietila 8100 21000 2,5 81 74%

Suberato de dietila 3900 10000 2,5 35 61%

Sebacato de dietila 3900 9000 2,3 29 51%

Dodecanodioato de dietila 11000 21000 2,0 63 75%

a – Rendimento após purificação. Temperatura do banho: 85ºC. Tempo:168h. Solvente: cicloexano. Monômero

B: isosorbídeo. Razão molar A:B: 1:1. Quantidade de enzima: 10% em massa de monômeros.

68

TABELA 15 - POLÍMEROS DA SÉRIE DE ÉSTERES DOS DIÁCIDOS CARBOXÍLICOS EM CICLOEXANO: BENZENO 6:1.

Monômero A 𝑴 𝒏 𝑴 𝒘 PD GPw Rendimentoa

Succinato de dietila 2000 4300 2,1 19 72%

Glutarato de dietila 7400 17000 2,3 70 68%

Adipato de dietila 17000 37000 2,2 142 76%

Suberato de dietila 19000 40000 2,2 142 82%

Sebacato de dietila 22000 47000 2,2 152 79%

Dodecanodioato de dietila 18000 33000 1,8 98 92%

a – Rendimento após purificação. Temp. do banho: 85ºC. Tempo:168h. Solventes: Cicloexano:Benzeno 6:1.

Monômero B: isosorbídeo. Razão molar A:B: 1:1. Quantidade de enzima: 10% em massa de

monômeros.

A Figura 5 ilustra, comparativamente, o desempenho da polimerização nas

duas condições, para todos os polímeros produzidos. Percebe-se que, em

cicloexano, o grau de polimerização segue o aumento da cadeia carbônica do

diácido em questão, quando se utiliza ésteres de diácidos de 4 a 6 carbonos. Esse

valor decresce com o aumento da cadeia para 8 e 10 carbonos, seguido de um

pequeno aumento quando se utiliza o dodecanodioato de dietila como monômero.

Quando utilizamos a mistura de cicloexano e benzeno, o comportamento

apresentado é diferente: o grau de polimerização aumenta com o aumento da cadeia

carbônica dos diésteres dos ácidos de 4 a 10 carbonos, e diminui apenas para o

diéster do ácido de 12 carbonos.

69

Poli(succinato de isosorbila)

Poli(glutarato de isosorbila)

Poli(adipato de isosorbila)

Poli(suberato de isosorbila)

Poli(sebacato de isosorbila)

Poli(dodecanodioato de isosorbila)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Tempo de reação: 168h

Temperatura: 85ºC

Enzima: CAL-B N-435 (10% em massa de monômeros)

Monômeros: Isosorbídeo e ésteres dietílicos, razão molar 1:1.

Gra

u d

e P

olim

eri

zação

(G

Pw)


Cicloexano

FIGURA 5 - ESTUDO COMPARATIVO DOS GRAUS DE POLIMERIZAÇÃO OBTIDOS EM CICLOEXANO E NA MISTURA

CICLOEXANO:BENZENO.

4.4.1.1 - Vantagem do uso da mistura de cicloexano e benzeno:

Comparando-se os resultados obtidos utilizando os dois sistemas (), podemos

observar uma grande vantagem do uso das misturas de cicloexano e benzeno, que

resultaram em massas molares maiores do que quando se utiliza apenas cicloexano

como solvente, para todos os ésteres pesquisados. Para os materiais sintetizados

utilizando a mistura de solventes, temos ainda rendimentos significativamente

maiores do que com solvente puro. Além disso, usando a mistura dos solventes,

observa-se um comportamento mais contínuo variando-se o tamanho da cadeia

70

carbônica do éster utilizado, mostrando que esse sistema é mais eficiente para

vários substratos.

FIGURA 6 - VANTAGEM DO USO DA MISTURA DE CICLOEXANO E BENZENO.

Okada e colaboradores (Okada, 1996) sintetizaram poliésteres de isosorbídeo

com os cloretos dos ácidos succínico, glutárico, adípico e sebácico, em massa, via

química a 160ºC, obtendo materiais com 𝑀 𝑤= 14400, 34000, 39000 e 40800,

respectivamente. As massas molares obtidas por catálise enzimática nesse trabalho

são próximas às obtidas via química, para polímeros de isosorbídeo, principalmente

quando se utilizam monômeros de cadeias maiores. Os valores de

polidispersividade obtidos aqui são mais altos, pelo fato de que as reações foram

feitas solução, consequentemente valores maiores eram esperados (Mahapatro, et

al., 2003).

0 50 100 150







13

67

81

35

29

63

19

70

141

142

152

98

Cicloexano Cicloexano:benzeno 6:1

GPw

Tempo de reação:168hTemperatura: 85ºCEnzima: CAL-B N-435 -10% em massa de monômerosMonômeros: isosorbídeo e ésteres dietílicos, razão molar 1:1

71

Através da catálise enzimática, já foi demonstrado por Gross e colaboradores

(Mahapatro, et al., 2003), que diácidos de cadeias carbônicas maiores (C6 e C8)

apresentam reatividades mais altas do que cadeias menores (C4 e C5). Nossos

resultados concordam com esses estudos, pois utilizando diácidos de C4 a C6, em

cicloexano, o mesmo comportamento é observado, onde o grau de polimerização

aumenta com o aumento da cadeia carbônica. No caso da mistura

cicloexano:benzeno, a tendência é observada de C4 a C10.

4.4.2 – ESTUDO DO CRESCIMENTO DA MASSA MOLAR EM FUNÇÃO DO TEMPO DE

REAÇÃO:

Tendo como principal objetivo estabelecer o tempo ótimo de reação, realizou-

se um estudo do aumento da massa molar do poli(adipato de isosorbila) em função

do tempo de reação. As reações foram realizadas em cicloexano:benzeno 6:1, em

banho de óleo a 85ºC.

TABELA 16 - ESTUDO DO CRESCIMENTO DA MASSA MOLAR DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA) EM FUNÇÃO DO

TEMPO DE REAÇÃO.

Tempo (h) 𝑴 𝒏 𝑴 𝒘 PD Rendimentoa

12 1700 5000 2,9 60%

24 1800 5000 2,8 68%

48 1800 6000 3,3 74%

72 2800 11000 3,7 78%

96 5500 18000 3,3 78%

120 8100 19000 2,4 81%

144 10000 25000 2,4 84%

168 14000 32000 2,3 87%

192 14000 33000 2,3 87% a – Rendimento após purificação. Temperatura do banho: 85ºC. Solventes: Cicloexano:benzeno 6:1.

Monômeros: adipato de dietila e isosorbídeo. Razão molar 1:1. Quantidade de enzima: 10% em

massa de monômeros.

72

Nos resultados obtidos (Tabela 16), alguns desvios experimentais (como os

valores de polidispersividade) são observados. Esses desvios devem-se ao fato de

que, a partir de 6 horas de reação, o polímero sofre precipitação, primeiramente

ficando em suspensão e posteriormente aderindo-se às paredes do tubo reacional, o

que não nos permitia a retirada de alíquotas de reação. Cada reação, em cada

tempo estudado, foi realizada separadamente, extraída, o material foi purificado e

analisado. Apesar disso, foi estabelecido um bom estudo comparativo, e os

resultados mostram um crescimento significativo da massa molar até o sétimo dia,

seguido de uma aparente estabilização no crescimento no oitavo dia. O rendimento

da reação também cresce até o sétimo dia e, depois, não aumenta

significativamente. A Figura 7 ilustra de maneira mais concreta os resultados

obtidos:

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

Tempo (h)

Mw (

Da

)

60

65

70

75

80

85

solvente: cicloexano:benzeno 6:1

enzima: CAL-B N-435 - 10% em massa de monômeros

monômeros: isosorbídeo e adipato de dietila, razão molar 1:1

temperatura: 85ºC

Re

nd

ime

nto

(%)

FIGURA 7 - ESTUDO DO CRESCIMENTO DA MASSA MOLAR DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA) EM FUNÇÃO DO

TEMPO DE REAÇÃO.

73

Esses resultados nos permitiram concluir que sete dias (168 h) podem ser

considerados como tempo ótimo para as reações em cicloexano:benzeno.

De acordo com Sheldon (Sheldon, 1996), uma justificativa para o

crescimento limitado de polímeros produzidos por policondensação via catálise

enzimática, que representa uma séria limitação para o método, é o aparecimento de

limitações difusionais com o aumento da massa molar do polímero. A enzima deve

gerar continuamente o intermediário acil-enzima, através da reação com a função

éster terminal do polímero em crescimento. A eficiência desse processo cai

rapidamente conforme aumenta a massa molar do polímero, porque a difusibilidade

do material no sítio da enzima decresce, limitando o crescimento do polímero.

4.4.3 – TROCA DE BENZENO POR TOLUENO NA MISTURA:

Devido à sua alta toxicidade (Ferreira da Costa, 2002), o uso do benzeno é

evitado em todo o mundo. Embora tenhamos obtido excelentes resultados utilizando

pequenas quantidades desse solvente, ainda assim um estudo foi realizado trocando

benzeno por tolueno, pois este apresenta uma toxicidade muito menor, na mesma

porporção (6:1) na mistura, na tentativa de obtermos massas molares análogas

àquelas obtidas utilizando benzeno. A hipótese levantada era que, apesar de não

formar um azeótropo conhecido com o cicloexano e o etanol (o azeótropo destilado,

no caso, seria o binário de cicloexano e etanol), o tolueno, que possui um valor de

log P ainda maior que o benzeno (Tabela 11), e estrutura muito parecida com este,

deveria apresentar um comportamento, frente à enzima, similar ou superior ao do

benzeno. De fato, diversos trabalhos, como os de Mahapatro e colaboradores

74

(Mahapatro, et al., 2003), Kumar e Gross (Kumar, 2000), e de Binns e colaboradores

(Binns, et al., 1998), mostram a eficiência da utilização de tolueno como solvente em

reações de polimerização via catálise enzimática, o que motivou ainda mais este

estudo.

As reações foram realizadas utilizando dois diésteres diferentes: adipato de

dietila e sebacato de dietila. Os resultados estão apresentados na Tabela 17.

TABELA 17 - RESULTADOS OBTIDOS COM A TROCA DE TOLUENO POR BENZENO NA MISTURA DE SOLVENTES.

Polímero 𝑴 𝒏 𝑴 𝒘 PD Rendimentoa

Poli(adipato de isosorbila) 9000 20000 2,3 78%

Poli(sebacato de isosorbila) 8400 18000 2,1 71%

a – Rendimento após purificação. Temp. do banho: 90ºC. Tempo:168h. Solventes: Cicloexano:Tolueno 6:1.

Monômeros: adipato de dietila ou sebacato de dietila e isosorbídeo. Razão molar 1:1. Quantidade de

enzima: 10% em massa de monômeros.

FIGURA 8 - TROCA DE BENZENO POR TOLUENO NA MISTURA DE SOLVENTES.

0

10000

20000

30000

40000

50000

Poli(adipato de isosorbila) Poli(sebacato de isosorbila)

37000

47000

20000 1800021000

9000Mw(D

a)

Cicloexano: benzeno 6:1 Cicloexano: tolueno 6:1 Cicloexano

Tempo de reação:168hEnzima: CAL-B N-435 - 10% em massa de monômerosMonômeros: isosorbídeo e adipato ou sebacato de dietila, razão molar:1:1.

(85ºC) (90ºC) (85ºC)

75

Comparando os resultados obtidos com as massas molares obtidas quando

se utiliza cicloexano puro e a mistura de cicloexano e benzeno percebe-se que, no

caso, em se tratando de aumento de massa molar, não há vantagem na troca dos

solventes nas misturas, pois os valores obtidos são muito menores do que quando a

mistura com benzeno é utilizada. Apesar disso, a mistura cicloexano:tolueno rendeu

resultados similares ou melhores (no caso do poli(sebacato de isosorbila)) do que

quando se utilizou cicloexano puro. Isso nos permite concluir que, mesmo que a

polimerização utilizando tolueno na mistura seja viável, os resultados ainda são

muito inferiores aos obtidos com a utilização do sistema cicloexano:benzeno.

4.4.4 - AVALIAÇÃO DAS MASSAS MOLARES QUANTO AO ÁLCOOL DE SAÍDA.

Ainda no intuito entender como funciona o sistema cicloexano:benzeno,

realizou-se um estudo para se avaliar as massas molares em função do álcool de

saída, ou seja, variando o tamanho da cadeia carbônica da porção éster terminal

dos monômeros (ésteres do ácido adípico).

Para esse estudo, foram realizadas policondensações utilizando os adipatos

de metila, etila, n-propila e n-butila. Os resultados encontram-se na Tabela 18.

76

TABELA 18 - MASSAS MOLARES DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA) OBTIDAS VARIANDO-SE O ÁLCOOL DE SAÍDA.

Álcool 𝑴 𝒏 𝑴 𝒘 PD Rendimentoa

Metanolb 11000 28000 2,6 79%

Etanolc 17000 37000 2,2 75%

n-Propanold 2600 4800 1,8 59%

n-Butanole 330 460 1,4 30%

a – Rendimento após purificação. Temp. do banho: 85-90ºC. Tempo:168h. Solventes: Cicloexano:Benzeno 6:1.

Alcoóis provenientes dos adipatos de bdimetila ,

cdietila,

ddi-n-propila e

edi-n-butila, nas transesterificações com

isosorbídeo, razão molar 1:1. Enzima: CAL-B N-435, 10% em massa de monômeros.

A Figura 9 ilustra comparativamente os resultados obtidos. Fazendo uma

breve análise dos resultados, observa-se que, utilizando os ésteres de n-propila e n-

butila, os valores de massas molares são muito baixos e, no caso do éster de butila

não houve polimerização. Já utilizando os ésteres de metila e etila, obtivemos

polímeros de massas molares consideráveis.

Alguns fatores devem ser considerados aqui. Primeiramente, levemos em

consideração o azeótropo formado (Tabela 19): quando o azeótropo ternário n-

butanol/cicloexano/benzeno é formado, temos uma temperatura de ebulição de

aproximadamente 77ºC, e apenas 4% do álcool na mistura. Quando se trata do

azeótropo n-propanol/cicloexano/benzeno, a composição do azeótropo é muito

parecida, com baixas quantidades do álcool de saída, porém, com uma temperatura

de ebulição cerca de 4ºC menor do que o azeótropo com o n-butanol. Esse fato

pode explicar a maior eficiência na remoção do n-propanol do meio reacional, pois

este azeótropo necessita de menos energia para ser removido do sistema. Assim,

pode-se concluir que a transesterificação utilizando ésteres de n-propila e n-butila

não resulta em valores significativos de massas molares, porque a remoção do

álcool de saída é muito baixa nestes casos. Ainda, outro fator a ser levado em conta,

77

nesse caso, é a afinidade pelas peneiras moleculares. Quanto mais polar o

composto, maior a afinidade pela peneira e, portanto, mais eficiente a remoção do

álcool, o que favorece os compostos metílicos e etílicos.

Nas polimerizações utilizando o éster metílico e o etílico, as massas molares

obtidas foram muito maiores. Isso se deve principalmente ao fato de haver uma

maior eficiência na remoção do álcool de saída. No caso do etanol, há um azeótropo

de temperatura baixa e que possui, em sua composição, uma grande quantidade do

álcool. Já no caso do metanol, a mistura formada com cicloexano e benzeno é

zeotrópica e, portanto, o metanol é removido do sistema por destilação simples, com

alta eficiência.

FIGURA 9 - AVALIAÇÃO DAS MASSAS MOLARES DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA) QUANTO AO ÁLCOOL DE

SAÍDA.

0

10000

20000

30000

40000

Metanol Etanol n-Propanol n-Butanol

28000

37000

4800

460

Mw (Da)

Tempo de reação:168h. Temperatura: 85-90ºC.Enzima: CAL-B N-435 ,10% em massa demonômeros.Monômeros: isosorbídeo e adipatos de metila,etila, n-propila e n-butila, razão molar 1:1

78

Outro importante fator que deve ser levado em consideração, é a

difusibilidade do álcool de saída no sítio ativo, e sua afinidade com o meio apolar

externo à enzima. Yang e Russel (Yang, 1996) afirmam que, para que haja uma

eficiente conversão dos substratos, deve haver a entrada do substrato no sítio ativo

da enzima, através da micro-fase aquosa e certa afinidade do produto (no caso o

álcool de saída) em sair do sítio ativo da enzima para que a reação prossiga.

Quando o álcool de saída é o metanol, este por ser mais polar, tem uma menor

afinidade pelo meio reacional apolar que circunda a enzima, e tende a ficar mais

retido por afinidade tanto com os resíduos hidrofílicos da enzima, quanto com as

moléculas de água presentes no microambiente enzimático. O etanol é um

composto um pouco menos polar, então se pode dizer que suas moléculas possuem

uma maior facilidade de saída do ambiente enzimático, e maior afinidade com o

meio apolar externo do que o metanol. Obviamente, se considerássemos apenas o

fator polaridade, essa explicação favoreceria os polímeros formados a partir dos

ésteres propílicos e butílicos mas, conforme explicado anteriormente, o

favorecimento que a polaridade dos compostos ofereceria no aumento da massa

molar é suprimido pelo fator azeotrópico.

Por isso, invariavelmente, as policondensações utilizando diésteres etílicos

rendem materiais de massas molares mais altas do que quando são utilizados

diésteres metílicos, apesar do metóxido ser conhecidamente um melhor grupo

abandonador do que o etóxido (pKa metanol= 15,9 pKa etanol: 15,5) (Vollhardt, et al.,

2002).

79

TABELA 19 - COMPOSIÇÃO DOS AZEÓTROPOS VARIANDO-SE A CADEIA CARBÔNICA DO ÁLCOOL.

Solventes: Proporção do álcool na

mistura (%)

Temperatura do

Azeótropo (°C)

Metanol /Cicloexano /Benzeno Mistura Zeotrópica

Etanol /Cicloexano /Benzeno 29,6 64,7

n-Propanol /Cicloexano /Benzeno 5,5 73,8

n-Butanol /Cicloexano /Benzeno 4 77,4

Esse estudo mostra que uma eficiente remoção do álcool do sistema (e o

conseqüente deslocamento do equilíbrio na direção dos produtos), como era de se

esperar, é de fundamental importância para o desempenho das reações de

policondensação.

4.4.5 - TESTE DE SOLUBILIDADE DOS MATERIAIS OBTIDOS:

Os estudos 4.4.5, 4.4.6 e 4.4.7, têm por objetivo investigar o papel que o

benzeno desempenha na mistura de solventes utilizada. O principal fato que motivou

esses estudos foi a ocorrência de precipitação do material com poucas horas de

reação, inicialmente formando uma suspensão e, em seguida, acontece a aderência

dos polímeros nas paredes do tubo reacional, tornando o meio heterogêneo.

As grandes questões originadas aqui são: como a massa molar do polímero

continua a crescer se temos, com o passar do tempo, a precipitação do poliéster

sintetizado, e a conseqüente formação de um meio reacional heterogêneo? Como

explicar o fato de que a enzima consegue desempenhar seu papel catalítico,

fazendo com que as cadeias insolúveis continuem tendo sua massa molar

aumentada, se esta se encontra imobilizada em uma matriz polimérica que por si só

80

já está heterogênea no meio, e o fato de o polímero não ser solúvel no meio

reacional e precipite quando há o crescimento da massa molar, tornam o meio

duplamente heterogêneo?

Para tentarmos responder a essas questões, primeiramente, foi realizado um

estudo da solubilidade dos materiais obtidos, tanto em solventes puros, como nas

misturas de solventes utilizadas. Os resultados são apresentados na Tabela 20.

TABELA 20 - SOLUBILIDADE DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA) COM MW~30KDA.

Solventes Solubilidade (mg/mL)

Clorofórmio 298

Cicloexano menor que 0,1

Tolueno 4

Benzeno 18

Hexano menor que 0,1

Hexano:clorofórmio 3:2 1,2

Cicloexano:tolueno 6:1 menor que 0,1

Cicloexano:benzeno 6:1 0,6

Os resultados mostram a baixa solubilidade do material em hidrocarbonetos e

suas misturas. Porém, apesar de pequena, observa-se que, em benzeno ou na

mistura contendo benzeno, a solubilidade do material é maior do que em solventes

puros ou nas outras misturas utilizadas (exceto quando se usa clorofórmio, mas

esse sistema já mostrou baixa eficiência na policondensação). No entanto, apenas

com esses resultados não se pode dizer se o papel que a presença do benzeno

desempenha no sistema é de solubilidade.

81

4.4.6 - EFEITO DA PROPORÇÃO MONÔMERO: SOLVENTE

Para tentar responder à questão apresentada no item anterior, se o papel do

benzeno é a influência na solubilidade, foi realizado um estudo em cicloexano e

benzeno, para avaliar o efeito da diluição do sistema, variando-se a proporção

isosorbídeo: solvente. Os resultados estão na Tabela 21.

TABELA 21 - RESULTADOS OBTIDOS VARIANDO-SE A PROPORÇÃO ISOSORBÍDEO: SOLVENTE.

Proporção IS:Solvente 𝑴 𝒏 𝑴 𝒘 PD Rendimentoa

1:20 4800 17000 3,5 82%

1:30 8400 18000 2,1 85%

1:40 8800 20000 2,3 82%

1:50 9100 21000 2,3 83%

1:60 19000 40000 2,1 92,%

1:80 18000 45000 2,5 92%

a – Rendimento após purificação. Temp. do banho: 85ºC. Tempo:168h. Solventes: Cicloexano:Benzeno 6:1. A

proporção é calculada em g de isosorbídeo/ mL de solvente. Monômeros: isosorbídeo e adipato de dietila, razão

molar 1:1. Enzima: CAL-B N-435, 10% em massa de monômeros.

Os resultados mostram uma dependência direta da massa molar com a

diluição do sistema. Massas molares maiores foram obtidas utilizando sistemas mais

diluídos. A Figura 10 ilustra comparativamente o efeito que a diluição exerce no

sistema:

82

FIGURA 10 - EFEITO DA PROPORÇÃO SOLVENTE: ISOSORBÍDEO.

Esse comportamento nos permite concluir que o a solubilidade do polímero no

meio reacional desempenha importante papel no crescimento da cadeia, como era

de se esperar. Quanto maior a quantidade de solvente, mais eficiente é o sistema. A

hipótese proposta nesse caso é que o aumento da solubilidade do sistema

possibilita uma interface que, em equilíbrio com a fase sólida presente no meio

reacional, permite que as porções ésteres terminais dos polímeros entrem no sítio

ativo da enzima e sofram a transesterificação, possibilitando a fração solúvel a

crescer.

4.4.7 - EFEITO DA CONCENTRAÇÃO DE BENZENO NA MISTURA

Realizou-se um estudo para determinar a concentração de benzeno ideal na

mistura, também na tentativa de diminuir a quantidade de benzeno no sistema,

0

10000

20000

30000

40000

50000

20 X 30 X 40 X 50 X 60 X 80 X

17000 1800020000

31000

40000

45000

Mw(D

a)

A proporção é calculada em g de isosorbídeo/ mL de solvente.

Monômeros: adipato de dietila e isosorbídeo, razão molar 1:1.

Solvente: cicloexano:benzeno 6:1. Tempo de reação:168h.Temperatura: 85ºC. Enzima: CAL-B N-435 -10% em massa de monômeros.

83

devido ao potencial tóxico desse solvente. Para isso, foram feitas reações em

misturas de solventes com 20%, 14%, 11% e 9% de benzeno. Os resultados estão

na Tabela 22.

TABELA 22 - RESULTADOS OBTIDOS VARIANDO-SE A CONCENTRAÇÃO DE BENZENO NA MISTURA DE SOLVENTES.

Concentração de Benzeno

(Proporção benzeno:cicloexano) 𝑴 𝒏 𝑴 𝒘 PD Rendimentoa

20% (1:4) 13000 31000 2,4 61%

14% (1:6) 18000 40000 2,2 76%

11% (1:8) 16000 36000 2,2 76%

9% (1:10) 14000 32000 2,3 86% a – Rendimento após purificação. Temp. do banho: 85ºC. Tempo:168h. Monômeros: isosorbídeo e adipato de

dietila, razão molar 1:1. Enzima: CAL-B N-435, 10% em massa de monômeros.

As massas molares obtidas mostram que melhores resultados são obtidos

quando são utilizadas misturas com 14% de benzeno (proporção 1:6

cicloexano:benzeno). Utilizando quantidades maiores e menores que essa, as

massas obtidas são inferiores. A Figura 11 mostra comparativamente como a

concentração de benzeno influencia na obtenção dos materiais com diferentes

massas molares.

84

FIGURA 11- EFEITO DA CONCENTRAÇÃO DE BENZENO NA MISTURA DE SOLVENTES.

Esse estudo comprova que existe uma linha muito tênue entre o aumento de

solubilidade que o benzeno promove no sistema, e a diminuição de atividade da

enzima, ocasionada por um solvente com um valor mais baixo de hidrofobicidade.

Uma concentração de 14% de benzeno no sistema, aparentemente promove um

equilíbrio entre esses dois delicados fatores, fornecendo materiais com massas

molares mais altas.

0

10000

20000

30000

40000

50000

20% 14% 11% 9%

31000

4000036000

32000

Mw(D

a)

Monômeros: adipato de dietila e isosorbídeo, razão molar 1:1.

Solvente: cicloexano:benzeno Tempo de reação:168h.Temperatura: 85ºC. Enzima: CAL-B N-435 -10% em massa de monômeros.

85

4.5 - CARACTERIZAÇÃO DOS POLIÉSTERES OBTIDOS.

Todos os materiais obtidos foram analisados por cromatografia por exclusão

de tamanho. Além dessa técnica, polímeros foram caracterizados através das

seguintes técnicas analíticas: calorimetria exploratória diferencial, análise

termogravimétrica, ressonância magnética nuclear, difração de raios-X e

espectroscopia no infravermelho. Foram analisados os polímeros de maiores

massas molares obtidas, um de cada estrutura (unidade repetitiva) utilizada.

4.5.1 – CALORIMETRIA EXPLORATÓRIA DIFERENCIAL (DSC):

-25 0 25 50 75

En

do

Temperatura (0C)

Poli(Succinato de isosorbila)

Poli(Glutarato de isosorbila)

Poli(Adipato de isosorbila)

Poli(Suberato de isosorbila)

Poli(Sebacato de isosorbila)

Poli(Dodecanodioato de isosorbila)

FIGURA 12 - CURVAS DE DSC DOS MATERIAIS OBTIDOS

86

As análises feitas por DSC (Figura 12) mostram que, de modo geral, a

temperatura de transição vítrea dos materiais diminui conforme aumenta a cadeia

carbônica apolar da unidade repetitiva. Apenas o poli(adipato de isosorbila) mostrou

um aumento inesperado na Tg em comparação com o poli(glutarato de isosorbila).

Esse desvio também foi observado por Okada e colaboradores. (Okada, 1996).

Em comparação com os polímeros obtidos via catálise química, os

materiais sintetizados via catálise enzimática apresentaram valores de Tg maiores

para os polímeros com as porções éster de 4 e 5 carbonos, (Tabela 23) (Okada,

1996), o que não era esperado, por possuírem massas molares menores do que as

obtidas via química. Esse comportamento pode sugerir que as cadeias de polímeros

sintetizados via catálise enzimática encontram-se mais organizadas e, por isso, têm

seu grau de liberdade diminuído, aumentando a Tg desses materiais. Os outros

polímeros apresentaram comportamentos esperados com relação às temperaturas

de transição vítrea obtidas: o poli (adipato de isosorbila) obtido via enzimática

apresentou massa molar e Tg menores do que o mesmo material obtido via catálise

química; o poli(sebacato de isosorbila) apresentou Tg maior via enzimática, mas a

massa molar deste também foi maior.

Nenhum dos materiais analisados apresentou temperatura de fusão cristalina

(Tm), comprovando que estes poliésteres apresentam estrutura amorfa.

87

TABELA 23 - TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO VÍTREA DOS POLIÉSTERES OBTIDOS VIA CATÁLISE ENZIMÁTICA E VIA

CATÁLISE QUÍMICA.

Polímero 𝑴 𝒘 (Da) via

enzimática 𝑴 𝒘 (Da) via

química*

Tg (0C) via

enzimática Tg (ºC) via química*

Poli(succinato de isosorbila) 4300 14400 56 36

Poli(glutarato de isosorbila) 17000 34000 29 28

Poli(adipato de isosorbila) 37000 39000 35 40

Poli(suberato de isosorbila) 40000 - 16 -

Poli(sebacato de isosorbila) 47000 40800 -2 -10

Poli(dodecanodioato de isosorbila) 33000 - -7 -

*(Okada, 1996)

Os resultados mostram que a escolha adequada dos monômeros proporciona

materiais com diferentes comportamentos plásticos, resultando em uma ampla

variedade de potenciais aplicações para os poliésteres estudados.

4.5.2 – ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA:

Através das análises termogravimétricas (Tabela 24 e Figura 13), podemos

observar que os materiais obtidos apresentaram alta resistência térmica, com

temperaturas de perda de massa superiores a 400ºC, o que era de se esperar para

polímeros derivados de isosorbídeo (Kricheldorf, 1997). Além de aumentar a Tg de

materiais quando incorporado à sua estrutura polimérica, o isosorbídeo dá origem a

homopolímeros com alta resistividade térmica, já que as reações de abertura de anel

do isosorbídeo não resultam em perda de massa, o que aumenta ainda mais suas

potenciais aplicações.

88

TABELA 24 - PERDA DE MASSA DOS MATERIAIS OBTIDOS.

Polímero Pico de perda de

massa (Tonset˚C)

10% de perda de

massa (˚C)

99 % de perda de

massa (˚C)

Poli(succinato de isosorbila) 446.1 387.7 469.5

Poli(glutarato de isosorbila) 468.2 413.9 490.2

Poli(adipato de isosorbila) 465.6 426.6 486.3

Poli(suberato de isosorbila) 437 431 487

Poli(sebacato de isosorbila) 463 427 495.4

Poli(dodecanodioato de isosorbila) 439 427 492

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura (0C)







FIGURA 13 - CURVAS DE ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA DOS MATERIAIS OBTIDOS.

Pe

rda

de M

assa %

89

4.5.3 – RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR:

Com o objetivo de se confirmar as estruturas das unidades repetitivas dos

poliésteres produzidos nesse trabalho, foram realizadas análises de ressonância

magnética nuclear de carbono e de hidrogênio, de cada uma das seis estruturas

poliméricas sintetizadas. Em alguns espectros, pode-se observar a presença dos

hidrogênios dos grupos terminais etila e hidroxila (marcados como * e **). Em outros,

essa observação não é possível devido à sobreposição dos picos por outros de

maior intensidade.

Para fins de comparação, abaixo mostramos as atribuições de RMN 1H e/ou

13C do resíduo de isosorbídeo dos produtos encontrados na literatura.

(Okada, et al., 1995)

O

O

OO

H

H

*

O

x

1

35

4

6

2*

O

13C-RMN (67,8 MHz, CDCl3) (ppm): 70 (C-6); 72 (C-1); 73 (C-5); 77 (C-2); 81

(C-4); 86 (C-3).

(Chatti, et al., 2006)

O

O O

O

CO *

*

y

2

5

43

1+1'

6+6'

1H-RMN (100 MHz, CDCl3) (ppm): 4,1-3,9 (H-1,H-1’,H-6,H-6’); 4,5 (H-4); 4,8 (H-

3); 5,1 (H-2, H-5).

90

(Sablong, et al., 2008)

O

O

H

HO

O 21

34

65

O(CH2)4OH

O

O

O

HO(CH2)4O

O

1H-RMN (400 MHz, CDCl3) (ppm): 4,05 (d 2H; H-6a,b); 4,08 (s largo; 2H; H-1a,b);

4,68 (d) = 4,8 Hz; 1H; H-3); 5,06 (dd 1H; H-4); 5,40 (dt 1H; H-5); e 5,42 (s largo; 1H;

H-2).

13C-RMN (100 MHz, CDCl3) (ppm): 70,8 (C-6); 73,3 (C-1); 74,9 (C-5); 78,8 (C-2);

81,1 (C-4); e 86,1 (C-3).

Os espectros de RMN de hidrogênio e carbono-13 de cada estrutura, com

seus respectivos deslocamentos químicos e atribuições, estão apresentados a

seguir:

91

Espectro de 1H-RMN do Poli(succinato de isosorbila).

300 MHz – CDCl3

O

O

O

O

O

O

O

H

H

12

34

5

67

7

H

n

FIGURA 14 - ESPECTRO DE 1H-RMN DO POLI(SUCCINATO DE ISOSORBILA).

TABELA 25 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1H-RMN DO POLI(SUCCINATO DE ISOSORBILA).

Hidrogênio δ(ppm) Integral

2 e 5 5,17 - 5,09 2H 4 4,78 1H 3 4,43 1H

1 α,β 3,92 2H 6 α ou β 3,87 1H 6 β ou α 3,79 1H

7 2,69 - 2,56 4H

CHCl3

Sinais referentes a hidrogênios de: * Etilas terminais ** Hidroxilas terminais

*

* **

1

2 e 5 4

3

7

6

92

Espectro de 13C-RMN do Poli(succinato de isosorbila).

75 MHz – CDCl3

O

O

O

O

O

O

O

H

H

1

2345

67

7

88

H

n


C-RMN DO POLI(SUCCINATO DE ISOSORBILA).


C-RMN DO POLI(SUCCINATO DE ISOSORBILA).

Carbono δ(ppm)

8 (2C) 171,4 e 171,1 3 85,6 4 80,6 2 78,2 5 74,2 1 73,0 6 70,2 7 28,7

2

4

3 7

6 8 5

1

2

4

3

6 5

1

93

Espectro de 1H-RMN do Poli(glutarato de isosorbila).

300 MHz – CDCl3

O

O

O

O

O

H

H

1

234

5

6

7 7

8

O

O H

n

FIGURA 16 - ESPECTRO DE 1H-RMN DO POLI(GLUTARATO DE ISOSORBILA).

TABELA 27 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1H-RMN DO POLI(GLUTARATO DE ISOSORBILA).


2 e 5 5,14 - 5,08 2H 4 4,79 1H 3 4,42 1H

1 α,β 3,91 2H 6 α ou β 3,86 1H 6 β ou α 3,78 1H

7 2,46- 2,32 4H 8 1,97-1,89 2H

CHCl3

1

2 e 5

4

3

7

6

8

94

Espectro de 13C-RMN do Poli(glutarato de isosorbila).

75 MHz – CDCl3

O

O

O

O

O

H

H

1

23

4

5

6

7 78

O

O H

8

9

FIGURA 17- ESPECTRO DE 13

C-RMN DO POLI(GLUTARATO DE ISOSORBILA).

TABELA 28- DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 13

C-RMN DO POLI(GLUTARATO DE ISOSORBILA).

Carbono δ(ppm)

7 (2C) 172,3 e 172,0 3 86,0 4 80,8 2 78,2 5 74,1 1 73,4 6 70,6 8 33,0 9 20,0

2

4

3

7

6

8

5 1

9

CDCl3

4 3 6

5 1 2

95

Espectro de 1H-RMN do Poli(adipato de isosorbila).

300 MHz – CDCl3

O

O

O

O

O

H

H

12

34

5

6

7

8HO

O

7

8

FIGURA 18 - ESPECTRO DE 1H-RMN DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA).

TABELA 29 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1H-RMN DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA).


2 e 5 5,12 - 5,07 2H 4 4,76 1H 3 4,40 1H

1 α,β 3,88 2H 6 α ou β 3,84 1H 6 β ou α 3,74 1H

7 2,32- 2,27 4H 8 1,62-1,58 4H

Sinais referentes a hidrogênios de: * Etilas terminais ** Hidroxilas terminais

* ** TMS

1

2 e 5

4

3

7

6

8

96

Espectro de 13C-RMN do Poli(adipato de isosorbila).

75 MHz – CDCl3

O

O

O

O

O

H

H

12

34

5

6

7

8H9O

O

7

8

9


C-RMN DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA).


C-RMN DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA).

Carbono δ(ppm)

7 (2C) 172,4 e 172,1 3 85,8 4 80,6 2 77,8 5 73,6 1 73,2 6 70,3 8 33,4 9 24,0

2

4 3

7

6

8

5

1

9

CD

Cl 3

2

4 3

6 5

1

97

Espectro de 1H-RMN do Poli(suberato de isosorbila).

300 MHz – CDCl3

O

O

O

O

O

H

H

12

34

5

6

7

8H

9O

O

7

8 9

FIGURA 20 - ESPECTRO DE 1H-RMN DO POLI(SUBERATO DE ISOSORBILA).

TABELA 31 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1H-RMN DO POLI(SUBERATO DE ISOSORBILA).


2 e 5 5,15 - 5,08 2H 4 4,79 1H 3 4,44 1H

1 α,β 3,91 2H 6 α ou β 3,88 1H 6 β ou α 3,75 1H

7 2,35- 2,25 4H 8 1,62-1,57 4H 9 1,31-1,30 4H

1

2 e 5 4

3

7

6

8

9

Sinais referentes a hidrogênios de: * Hidroxilas terminais

*

CHCl3

98

Espectro de 13C-RMN do Poli(suberato de isosorbila).

75 MHz – CDCl3

O

O

O

O

O

H

H

12

34

5

6

78

H9

O

O

78 9

10

10


C-RMN DO POLI(SUBERATO DE ISOSORBILA).


C-RMN DO POLI(SUBERATO DE ISOSORBILA).

Carbono δ(ppm)

7 (2C) 172,8 e 172,6 3 85,9 4 80,6 2 77,8 5 73,7 1 73,3 6 70,2 8 33,8 9 28,5

10 24,5

2

4

7

6

8 5 1

9

CD

Cl 3

10

3

2

4 6 5

3 1

99

Espectro de 1H-RMN do Poli(sebacato de isosorbila).

300 MHz – CDCl3

O

O

O

O

O

H

H

1

23

4

56

7

8

H

9O

O

7

8 9

10

10

FIGURA 22 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1H-RMN DO POLI(SEBACATO DE ISOSORBILA).

TABELA 33 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1H-RMN DO POLI(SEBACATO DE ISOSORBILA).


2 e 5 5,15 - 5,08 2H 4 4,79 1H 3 4,44 1H

1 α,β 3,91 2H 6 α ou β 3,88 1H 6 β ou α 3,75 1H

7 2,35- 2,25 4H 8 1,62-1,57 4H

9, 10 1,31-1,30 8H

1

2 e 5 4 3

7

6

8

9 e 10

CHCl3

100

Espectro de 13C-RMN do Poli(sebacato de isosorbila).

75 MHz – CDCl3

O

O

O

O

O

H

H

12

34

5

6

78

H9

O

O

78 9

10

10

11

11


C-RMN DO POLI(SEBACATO DE ISOSORBILA).


C-RMN DO POLI(SEBACATO DE ISOSORBILA).

Carbono δ(ppm)

7 (2C) 173,9 e 172,6 3 85,9 4 80,6 2 77,8 5 73,7 1 73,3 6 70,2 8 33,9 9 33,8

10 28,9 11 24,7

2

4 3

7

6 8,9 51

11

CD

Cl 3

10

4 3 6 5 2 1

101

Espectro de 1H-RMN do Poli(dodecanodioato de isosorbila).

300 MHz – CDCl3

O

O

O

O

O

H

H

12

34

5

6

7

8H

9O

O

7

8 9

10

10

11

11

FIGURA 24 - ESPECTRO DE 1H-RMN DO POLI(DODECANODIOATO DE ISOSORBILA).

TABELA 35 - DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1H-RMN DO POLI(DODECANODIOATO DE ISOSORBILA).


2 e 5 5,16 - 5,09 2H 4 4,79 1H 3 4,44 1H

1 α,β 3,93 2H 6 α ou β 3,89 1H 6 β ou α 3,75 1H

7 2,36- 2,25 4H 8 1,63-1,55 4H

9,10,11 1,24 12H

1

2 e 5 4 3

7

6

8

9,10, 11

Sinais referentes a hidrogênios de: * Hidroxilas terminais

*

CHCl3

102

Espectro de 13C-RMN do Poli(dodecanodioato de isosorbila).

75 MHz – CDCl3

O

O

O

O

O

H

H

1

23

4

5

6

78

H9

O

O

78

9

10

10

11

1112

12


C-RMN DO POLI(DODECANODIOATO DE ISOSORBILA).


C-RMN DO POLI(DODECANODIOATO DE ISOSORBILA).

Carbono δ(ppm)

7 172,7 e 173,0 3 85,9 4 80,7 2 77,8 5 73,6 1 73,4 6 70,3 8 34,1 9 33,9

10 29,2 11 28,9 12 24,7

4 3

7

6 8,9

12

CD

Cl 3

10,11

2 51

4 3 51 6 2

103

4.5.4 – DIFRAÇÃO DE RAIOS-X:

Os ensaios de difração de raios-X dos poliésteres obtidos estão apresentados

na Figura 26. Os polímeros com unidades repetitivas menores, com 4, 5 e 6

carbonos na porção éster do monômero, não apresentaram nenhum sinal de

cristalinidade, e, no caso do succinato, apenas um grande halo amorfo foi

observado. Para os materiais com unidades repetitivas maiores, com 8, 10 e 12

carbonos, alguns eventos indicando um possível grau de cristalinidade. Entretanto,

com esses resultados não se pode afirmar que os polímeros sejam parcialmente

cristalinos, principalmente considerando as análises de DSC que foram realizadas

(página 85), mostrando que os materiais não apresentaram temperatura de fusão

cristalina (Tm), indicando que não há cristalinidade nos polímeros estudados.

10 15 20 25 30

0

50

100

150

200

250

300

350

400

poli(succinato de isosorbila)

poli(glutarato de isosorbila)

poli(adipato de isosorbila)

poli(suberato de isosorbila)

poli(sebacato de isosorbila)

poli(dodecanodioato de isosorbila)

Inte

nsi

da

de

(u

.a.)

FIGURA 26 - D IFRATOGRAMAS DE RAIOS-X DOS POLIÉSTERES OBTIDOS.

2θ (graus)

104

Contudo, os resultados das análises de DSC e raios-X sugerem que pode

haver certa organização dos sistemas poliméricos, resultado de uma regularidade

estrutural, mesmo não havendo dados concretos sobre a cristalinidade dos

materiais. A hipótese levantada, nesse caso, é que, como as duas hidroxilas do

isosorbídeo possuem configurações diferentes (como se, ao invés de um monômero

AA, tivéssemos um monômero AA’), a enzima poderia ter preferência por uma das

hidroxilas e, por isso, a reação ocorreria primeiramente pela formação de dímeros

através da “hidroxila preferencial”, do tipo AA’-BB. A subsequente polimerização

através destes dímeros primários geraria cadeias poliméricas do tipo -[AA’-BB]n-,

justificando a presença dessa regularidade estrutural.

4.5.5 – ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO:

As análises feitas por espectroscopia no infravermelho nos forneceram

espectros muito característicos e semelhantes entre si, devido à similaridade

estrutural das unidades repetitivas dos poliésteres em questão. Os principais picos

de absorção dos polímeros encontram-se na Tabela 37.

Algumas considerações importantes podem ser feitas com base nos

espectros obtidos (Figura 27 a Figura 32): o pico em aproximadamente 3600 cm-1 é

atribuído à hidroxila terminal do álcool. De uma forma geral, a intensidade dos picos

de absorção de hidroxila diminui em proporção com o pico de absorção de C-H

conforme aumenta o grau de polimerização do poliéster em questão, chegando a

desaparecer no espectro do poli(sebacato de isosorbila), devido à diminuição

significativa dos grupos hidroxila terminais por meio da formação do poliéster com

105

maior grau de polimerização. Os picos em aproximadamente 2900 cm-1 são

atribuídos ao estiramento da ligação carbono-hidrogênio, presente em todas as

estruturas poliméricas em questão. Por volta de 1730 cm-1, temos o pico atribuído à

carbonila de éster, também em todos os polímeros estudados, com intensidade

muito alta. Em aproximadamente 1400 cm-1, observamos um pico também

importante, atribuído à deformação das ligações C-H em -CH3, mostrando então a

porção éster terminal das cadeias poliméricas, já que o monômero envolvido foi o

derivado dietílico dos ácidos dicarboxílicos.

TABELA 37 - PICOS DE ABSORÇÃO NO INFRAVERMELHO

Grupo SUC (19) GLU (69) ADI (142) SUB (142) SEB (151) DOD (98)

O-H 3641 3645 3533 3622 - 3620

C-H

(estiramento) 2983 2939 2937 2935 2929 2854

C=O 1737 1739 1731 1730 1737 1739

CH3

(deformação) 1367 1460 1461 1463 1463 1463

C-C 1155-877 1174-617 1093-617 1164-734 1168-975 1095-885

Valores em cm-1. O grau de polimerização dos materiais analisados está entre parênteses. SUC= Poli(succinato de isosorbila), GLU= Poli(glutarato de isosorbila), ADI= Poli(adipato de isosorbila), SUB= Poli(suberato de isosorbila), SEB= Poli(sebacato de isosorbila), DOD= Poli(dodecanodioato de isosorbila).

106

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

877.5

4

1093.5

1155.2

1367.4

1737.7

2983.6

3461.9

T

ransm

itância

(%

)

cm-1

FIGURA 27 - ESPECTRO NO INFRAVERMELHO DO POLI(SUCCINATO DE ISOSORBILA)

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

40

50

60

70

80

90

100

617.1

7734.8

2

973.9

81174.5

1460

1739.6

2939.3

3465.8

Tra

nsm

itân

cia

(%

)

cm-1

FIGURA 28 - ESPECTRO NO INFRAVERMELHO DO POLI(GLUTARATO DE ISOSORBILA)

Número de onda

Número de onda

107

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

40

50

60

70

80

90

100

617.1

7734.8

2975.9

1093.5

1461.9

1731.92

937.3

3533.3

Tra

nsm

itância

(%

)

cm-1

FIGURA 29 - ESPECTRO NO INFRAVERMELHO DO POLI(ADIPATO DE ISOSORBILA)

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

40

50

60

70

80

90

100

734.8

2

977.8

31164.9

1463.8

1730

2935.4

3622

Tra

nsm

itância

(%

)

cm-1

FIGURA 30 - ESPECTRO NO INFRAVERMELHO DO POLI(SUBERATO DE ISOSORBILA)

Número de onda

Número de onda

108

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

975.9

1168.7

1463.8

1737.7

2929.6

Tra

nsm

itância

(%

)

cm-1

FIGURA 31 - ESPECTRO NO INFRAVERMELHO DO POLI(SEBACATO DE ISOSORBILA)

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

885.2

6

1095.4

1463.8

1739.62854.43620.1

Tra

nsm

itância

(%

)

cm-1

FIGURA 32 - ESPECTRO NO INFRAVERMELHO DO POLI(DODECANODIOATO DE ISOSORBILA)

Número de onda

Número de onda

109

5 - CONCLUSÕES:

Atualmente, existe uma enorme demanda por polímeros derivados de fontes

renováveis, devido aos benefícios oferecidos pelo uso desses materiais, que

substituem com vantagens os polímeros derivados do petróleo, principalmente por

terem custos de produção semelhantes aos materiais provenientes de combustíveis

fósseis. Esse trabalho representa um grande avanço na área, por possibilitar a

síntese via enzimática de polímeros de isosorbídeo, um diol secundário e

estericamente impedido, obtendo materiais com características muito interessantes,

de massas molares similares às obtidas via catálise química, sendo a catálise

enzimática uma alternativa “limpa” de síntese de polímeros.

Esses materiais foram produzidos com sucesso em altos rendimentos,

utilizando lipase de Candida antarctica – Fração B como catalisador, através de

diversas metodologias: policondensação em massa sob pressão ambiente e sob

pressão reduzida; policondensação em massa e em solução utilizando monômeros

divinílicos e policondensação em solução com destilação azeotrópica.

Ao contrário do que previam todas as expectativas iniciais, a técnica que se

mostrou mais eficiente de polimerização enzimática do isosorbídeo foi a

polimerização em solução com destilação azeotrópica fornecendo materiais com

massas molares maiores. Diz-se contrário às expectativas, pelo fato de que, dentro

da varredura de condições realizadas, misturas de cicloexano e benzeno, onde os

polímeros são praticamente insolúveis, mostraram-se mais eficientes do que

solventes onde a solubilidade dos polímeros é maior. Ainda serão necessários

outros estudos para elucidar o funcionamento desse sistema, onde os polímeros

110

continuam tendo suas massas molares aumentadas, mesmo quando o sistema

polímero:solvente passa a ser heterogêneo. Dentro dessa investigação, alguns

avanços já foram feitos, como a determinação da importância da diluição do sistema,

a solubilidade dos polímeros nos solventes em questão, e a concentração de

benzeno ideal para a obtenção de massas molares maiores. Com isso, alguns

pontos foram esclarecidos, mas ainda devemos aprofundar os conhecimentos nesse

assunto.

Embora tenham apresentado uma cinética de reação lenta, provou-se que

polimerizações de dióis secundários, como o isosorbídeo, são possíveis de serem

realizadas via catálise enzimática, com resultados muito promissores. Todos os

resultados obtidos são inéditos para polímeros derivados de isosorbídeo, abrindo,

assim, uma nova linha de pesquisas nessa área, ampliando ainda mais a variedade

de potenciais aplicações desse diol.

111

6 - REFERÊNCIAS:

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