Development of nanostructured polymeric systems based on ring-opening polymerization (ROP) and reversible addition-fragmentation chain-transfer (RAFT) polymerization

Abstract

O desenvolvimento de processos mais sustentáveis e a obtenção de materiais nanoestruturados tem despertado cada vez mais a atenção da sociedade. Neste contexto, esta tese teve como objetivo o estudo da síntese do óxido de limoneno, de origem renovável, via um processo enzimático, e sua utilização para obtenção de poliésteres e nanopartículas poliméricas. Adicionalmente, com o intuito de explorar novos métodos de obtenção de nanoestruturas poliméricas em condições de reação brandas, reações de polimerização mediadas por transferência reversível de cadeia por adição-fragmentação (RAFT) e transferência reversível de cadeia por adição-fragmentação por transferência de elétrons fotoinduzida (PET-RAFT) foram realizadas. Para atingir estas metas, este trabalho foi dividido em três etapas. Inicialmente, o óxido de limoneno foi sintetizado pela primeira vez por meio de reações de epoxidação do R-(+)-limoneno mediada pela enzima Candida antarctica lipase fração B (NS 88011) imobilizada em um novo suporte com material de baixo custo. Parâmetros que afetam essa reação foram estudados. As sínteses foram realizadas em reatores tipo tanque agitado operados em modo batelada alimentada. Os dois biocatalisadores utilizados, NS 88011 e Novozym 435, utilizada para comparação com a NS 88011, levaram a resultados semelhantes, o que faz da NS 88011 uma alternativa promissora e de baixo custo para as reações de epoxidação mediadas por lipase. O uso de biocatalisadores atóxicos, como enzimas imobilizadas, tem se tornado uma opção vantajosa. O maior rendimento na síntese de óxido de limoneno foi de 74,92 ± 1,12% após 40 min de reação. Além disso, ambos, NS 88011 e Novozym 435, puderam ser usados por até três ciclos. Portanto, a lipase NS 88011 apresentou um desempenho bom e viável nas reações de epoxidação do R-(+)-limoneno e, após a purificação, levou a um produto final com pureza >95%. A segunda etapa do trabalho consistiu na síntese de copolímeros de óxido de limoneno, via mecanismo de polimerização catiônica por abertura de anel (ROP), empregando diferentes anidridos cíclicos, anidrido ftálico ou anidrido maleico catalisada pelo líquido iônico heptacloro-bis-ferrato de 1-n-butil-3-n-metilimidazólio (BMI·Fe2Cl7). Foram alcançadas conversões em torno de 80% de óxido de limoneno, massa molar média numérica acima de 1000 g mol-1 e ligações duplas pendentes que permitem a modificação posterior de sua estrutura. Em relação à sua aplicação, como nanodispositivos para sistemas biológicos, nanopartículas (NPs) de poli(anidrido ftálico-co-óxido de limoneno) (PAFOL) também foram produzidas e reticuladas com tetratiol via reação tiol-eno. NPs- PAFOL reticuladas com um diâmetro médio ponderado em número de 56 nm, morfologia esférica e boa estabilidade coloidal foram obtidos. Essas NPs foram testadas quanto à compatibilidade sanguínea e viabilidade celular, apresentando potencial para aplicações biomédicas. Na terceira etapa do trabalho, reações de polimerização mediadas por RAFT e PET-RAFT foram estudadas por serem estratégias eficientes para produção de nanoestruturas com diferentes tamanhos e formatos em meio aquoso em condições brandas. Efeitos de parâmetros de reação por iniciação térmica e fotoiniciação foram analisados, empregando diferentes monômeros, fotocatalisadores e agentes RAFT. Essa etapa forneceu novas perspectivas para o mecanismo de autoagregação induzida pela polimerização (PISA) via RAFT em meio aquoso. Nano-objetos em forma de esferas, vermes e vesículas foram obtidos nas reações de fotopolimerização. A polimerização mediada por luz visível pode ser considerada uma técnica emergente que permite a preparação de polímeros bem definidos em condições moderadas e de forma ecológica, constituindo uma alternativa sustentável frente à polimerização térmica tradicional.

Abstract: The development of more sustainable materials derived from renewable resources and nanostructured polymeric systems has increasingly gained attention from society. This work was divided in three steps, initially, limonene oxide was synthesized for the first time via epoxidation reactions of R-(+)-limonene mediated by a new immobilized preparation with lowcost material from Candida antarctica lipase fraction B (NS 88011). Parameters affecting this reaction were studied, such as enzyme amount, acyl donor concentration, oxidant concentration, R-(+)-limonene concentration, reaction time, and temperature. The syntheses were performed in agitated tank reactors operated in fed-batch mode. Both used biocatalysts, NS 88011 and Novozym 435, led to similar results, which makes NS 88011 a promising and low-cost alternative for epoxidation reactions mediated by lipase. The use of non-toxic biocatalysts, such as immobilized enzymes, has become an advantageous option. The highest yield in the 1,2- limonene oxide synthesis was 74.92 ± 1.12% of yield at 40 min. In addition, both NS 88011 and Novozym 435, could be used for up to three cycles. Therefore, NS 88011 lipase had a good and viable performance in the epoxidation reactions of the R-(+)-limonene and after purification led to a final product with purity >95%. The second step of the work consisted in the synthesis of limonene oxide copolymers via ring-opening polymerization mechanism, employing different cyclic anhydrides, phthalic anhydride, or maleic anhydride catalyzed by the ionic liquid 1-n-butyl-3-methylimidazolium heptachlorodiferrate (BMI·Fe2Cl7). Conversions around 80% were reached with a 1:100 catalyst:limonene oxide molar ratio. The resulting polymers presented a perfectly alternating structure, number-average molar mass over 1000 g mol-1, and pendant double-bonds that allow posterior modification of their structure. Regarding their application, such as nanodevices for biological systems, poly(phthalic anhydride-co-limonene oxide) (PPALO) nanoparticles (NPs) were also produced and cross-linked with tetrathiol via thiol-ene reaction. The cross-linked PPALO-NPs with a number-weighted mean diameter of 56 nm, spherical morphology, and good colloidal stability were obtained. These NPs were tested for blood compatibility and cell viability, presenting the potential for biomedical applications. In the third step, polymerization reactions mediated by reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) and photoinduced electron/energy transfer reversible addition-fragmentation chain transfer (PET-RAFT) were studied in detail, being efficient strategies to produce nanostructures with different sizes and shapes in aqueous media. The effects of reaction parameters by thermal initiation and photoinitiation were analyzed, using different monomers, photocatalysts, and RAFT agents. This research provided new perspectives for reactions of polymerization induced self-assembly (PISA) via RAFT in aqueous medium. Nano-objects, such as spheres, worms, and vesicles were obtained in the reactions of photopolymerizations. Polymerization mediated by visible light is an emerging technique that allows the preparation of well-defined polymers in moderate conditions, considered ecological and a sustainable alternative to traditional thermal polymerization.