Post on 26-Nov-2015
Joana Serra e Moura Pacheco Mendes
Sntese de hidrogis de base acrlica recorrendo a tcnicas
de polimerizao radicalar viva.
Potencial aplicao como frmacos polimricos.
Dissertao na rea cientfica de Engenharia Qumica, orientada pelo Doutor Jorge Fernando
Jordo Coelho, pelo Doutor Armnio Coimbra Serra e pela Mestre Patrcia Vitorino Mendona
apresentada ao Departamento de Engenharia Qumica da Faculdade de Cincias e Tecnologia da
Universidade de Coimbra.
Julho 2011
Joana Serra e Moura Pacheco Mendes
Sntese de hidrogis de base acrlica recorrendo a tcnicas
de polimerizao radicalar viva.
Potencial aplicao como frmacos polimricos.
Dissertao na rea cientfica de Engenharia Qumica, orientada pelo Doutor Jorge Fernando Jordo Coelho, pelo Doutor Armnio
Coimbra Serra e pela Mestre Patrcia Vitorino Mendona apresentada ao Departamento de Engenharia Qumica da Faculdade de
Cincias e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
Julho 2011
II
AGRADECIMENTOS
um sempre uma mais valia aprender com especialistas. Assim, agradeo desde j ao
Professor Doutor Jorge Coelho e ao Professor Doutor Armnio Serra, que me orientaram
neste trabalho.
Um agradecimento muito especial Mestre Patrcia Mendona pela pacincia, incansvel
disponibilidade, apoio, dedicao, e por todo o conhecimento transmitido, vital realizao
das minhas tarefas.
Agradeo tambm a todos os membros do laboratrio de polmeros do Departamento de
Engenharia Qumica pela forma como me receberam, pelo ambiente fantstico que
proporcionaram e por estarem sempre disponveis a ajudar.
Para finalizar, e no esquecendo os que me so prximos, um Muito Obrigado a toda a minha
famlia e amigos pelo apoio e pacincia que demonstraram nestes ltimos meses.
III
MOTIVAO
Os mtodos de polimerizao radicalar viva (LRP) tm emergido nos ltimos anos como
estratgias para a obteno de novos polmeros, nomeadamente quando se pretendem
materiais com controlo sobre a estrutura molecular do polmero, a composio, a arquitetura,
o peso molecular e a polidispersidade. Em LRP as cadeias polimricas do polmero produzido
tm ainda sempre presente um grupo ativo na terminao da cadeia, o que possibilita que seja
facilmente reiniciado com adio de monmero, ou funcionalizado com grupos finais
especficos. Deste modo, atualmente possvel sintetizar novos materias por via radicalar,
que de alguma forma apresentem caractersticas e propriedades mais adequadas funo a
que se destinam.
Os agentes sequestradores de cidos biliares (BAS) so frmacos polimricos constitudos por
hidrogis catinicos que so capazes de se ligarem aos cidos biliares presentes no intestino, a
fim de impedir a sua reabsoro para o fgado. Atualmente esto disponveis no mercado trs
tipos de agentes BAS a Colestyramine, o Colestipol e o Colesevelam. O processo de produo
destes frmacos envolve a formao de um polmero, por polimerizao radicalar livre, a sua
reticulao para formar um hidrogel e, em certos casos, a alquilao que transforma os grupos
NH2, presentes nas cadeias, por aminas quaternrias, para induzir a carga positiva para
sequestrar os cidos biliares. Tendo em conta a estrutura qumica dos cidos biliares presentes
no organismo (ncleo hidrofbico e segmento hidroflico com propriedades aninicas no pH
do intestino), a sntese de um BAS tem de ter em conta um balano entre as cargas catinicas
(que asseguram as interaes electroestticas), os segmentos hidrofbicos (que estabilizam o
hidrogel e asseguram as interaes hidrofbicas) e a parte hidroflica e grau de reticulao
(que asseguram as caractersticas de inchao adequadas). Uma desvantagem dos materiais
utilizados como frmacos polimricos muitas vezes a sua baixa eficincia teraputica, pois
so necessrias elevadas doses de frmaco para produzir os efeitos desejveis.
O Colesevelam , de entre os frmacos comerciais, o mais utilizado como BAS. A base
polmerica sintetizada com recurso a tcnicas de polimerizao radicalar livre, onde no h
qualquer controlo sobre a estrutura molecular do polmero, a composio, a arquitetura, o
peso molecular e o ndice de polidispersidade. Sabe-se que a estrutura destes materiais est
intimamente ligada sua eficincia teraputica. neste mbito que surge a motivao deste
trabalho, a sntese de hidrogis, recorrendo a tcnicas de polimerizao radicalar viva. Deste
modo, ser possvel desenvolver polmeros com estrutura controlada, que podero conduzir
ao desenvolvimento de materiais mais eficientes para a aplicao em causa e assim analisar a
influncia da estrutura do polmero no desempenho do BAS.
IV
ABSTRACT
The main goal of this work was the synthesis of hydrogels by living radical polymerization
for pharmaceutical applications, namely bile acid sequestrants. To accomplish that, the work
was focused in the living radical polymerization use of different polymer backbones that
could act as bile acids sequestrants. In addition, it was intended to studytheir properties and
test their cross-linking ability in order to produce hydrogels that can substitute the current
commercially available bile acid sequestrant agents, namely the Colesevelam.
The first step of this work was focused on the synthesis of the poly(allylamine) hydrochloride,
which is the polymer back bone of Colesevelam, by free radical polymerization. The
methodology adopted was based on the procedures described in the patent of the commercial
bile acid sequestrant. However, it was not possible to reproduce the results reported in the
patent, since the final product obtained was an oil and not a powder form. In order to figure
out the real procedure, different experimental conditions were studied, such as the increase of
the reaction temperature and the addition of a different initiator with a smaller half-life than
that indicated in the patent. In the case where only the initiator was changed, no modification
of the polymer final form was observed. On the other hand, for the reaction at higher
temperature (80 C) it was possible to obtainpolymer in powder form, as described in the
patent. The cross-linking of the synthesized polymerswas tested by using epichlorohydrin,
1,4-butanediol diglycidyl ether and 1,2- ethanediol diglycidyl ether as cross-linking agents, as
indicated in the patent. However, once again, it was not possible to reproduce the results
reported. For this reason newexperiments were performed using higher amounts ofcross-
linking agents (975%), leading to the formation ofa hydrogel just in one of the studied
formulations.
Concerning the living radical polymerization, three different monomers (hydroxyethyl
acrylate, hydroxyethyl methacrylate and allylamine) were tested as candidates for the
preparation of new bile acid sequestrants backbones. The catalytic system used was
Fe(0)/CuBr2/Me6TREN, whichwas developed in the Department of Chemical Engineering of
the University of Coimbra (DEQ-FCTUC). Due to the low polydispersityobtained for
poly(hydroxyethyl methacrylate)and the fact that this polymeriswidely used biomedical
applications because of its high biocompatibility, kinetic studies were carried out using
different reaction conditions. For the systems studied it was possible to achieve good control
over polymers molecular weight, in reaction at room temperature. The results obtained
suggest that the catalytic system developed in DEQ-FCTUC is suitable for the controlled
polymerization of water-soluble monomers that are good candidates for bile acid sequestrant
polymers production.
V
RESUMO
Este trabalho teve como tema principal a sntese de hidrogis com base em tcnicas de
polimerizao radicalar viva, para possveis formulaes de frmacos sequestradores de
cidos biliares. Assim, o objetivo deste trabalho focou-se na sntese por polimerizao
radicalar viva de polmeros que pudessem ser usados como sequestradores de cidos biliares,
estudar as propriedades dos polmeros resultantes e testar a sua reticulao para formulaes
de hidrogis que substituam os atuais agentes sequestradores de cidos biliares,
nomeadamente o Colesevelam.
A primeira etapa do trabalho centrou-se na sntese do polmero que est na base do
Colesevelam, a polialilamina, por polimerizao radicalar livre. A metodologia adoptada para
este fim teve por base os procedimentos descritos na patente do Colesevelam. No entanto, no
foi possvel reproduzir os resultados da patente em termos de forma do polmero final,
obtendo-se um leo em vez de um produto em p. Assim, foram estudadas algumas
alternativas ao nvel das condies operatrias, como o aumento de temperatura de reao e
a adio de um iniciador com menor tempo de meia vida que o indicado na patente. No
processo em que se simulou apenas a substituio do iniciador, no houve alteraes na forma
de obteno do polmero final. No entanto, para a reao a elevada temperatura (80 C)
verificou-se a obteno de um polmero em p, tal como descrito na patente do Colesevelam.
Para todos polmeros produzidos testou-se a reticulao com epicloridrina, com ter
diglicdico do 1,4-butanodiol e com ter diglicdico do 1,2-etanodiol tal como indica a patente
mas, mais uma vez, no foi possvel obter os mesmos resultados. Assim fizeram-se novos
testes de reticulao para grandes quantidades de agente (975 %), obtendo-se um hidrogel
apenas para uma das formulaes.
No que respeita polimerizao radicalar viva, utilizou-se o sistema cataltico
Fe(0)/CuBr2/Me6TREN desenvolvido nos laboratrios do DEQ/FCTUC, na polimerizao de
trs monmeros (o hidroxietil acrilato, o hidroxietilo metacrilato e a alilamina) como
possveis candidatos a substitutos do Colesevelam. Uma vez que se obtiveram baixas
polidispersividades para o poli (hidroxietil metacrilato), e sendo este amplamente usado em
aplicaes biomdicas devido sua alta biocompatibilidade, efetuou-se um estudo cintico da
reao de polimerizao usando diferentes condies de reao. Para os sistemas estudados
obteve-se controlo sobre o crescimento das cadeias do polmero em reaes ocorridas
temperatura ambiente.
Os resultados obtidos sugerem que o sistema cataltico desenvolvido nos laboratrios
DEQ/FCTUC adequado polimerizao controlada de monmeros solveis em gua,
conduzindo sntese de polmeros a serem usados como sequestradores de cidos biliares.
VI
LISTA DE SIGLAS AAPH Azobis(amino propano dihidrocloreto)
AlA Alilamina
ANT Akzo Nobel Trigonox 187 w-40
ARGET Activators regenerated by electron transfer - Ativadores regenerados por transferncia de eletro
ATRP Atom transfer radical polymerization Polimerizao radicalar por transferncia de tomo
BAS Sequestrador de cidos biliares
D2O gua deuterada
d6DMSO Dimetil sulfxido deuterado
DCT Iodine transfer polymerization polimerizao por transferncia de tomo de iodo
DEQ/FCTUC Departamente de Engenharia Qumica/Faculdade de Cincias e Tecnologia da Universidade de Coimbra
DMF Dimetil formamida
DMSO Dimetil sulfxido
DP Degree of polymerization - Grau de polimerizao
DV Viscosmetro diferencial
EBiB Etil -bromoisobutirato
FRP Free radical polymerization - Polimerizao radicalar livre
GPG Gel permeation chromatography cromatografia de permeao em gel
HEA Hidroxietil acrilato
HEMA Hidroxietilo metacrilato
ka Constante de velocidade de ativao
kd Constante de velocidade de desativao
kex Constante de velocidade de transferncia de cadeia degenerativa
kp Constante de velocidade de de propagao
kt Constante de velocidade dede terminao
LRP Living radical polymerization - Polimerizao radicalar viva
MALDI-TOF Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation - Time Of Flight Mass Spectrometry
Me6TREN Tris[2-(dimetilamino)etil]amina
Mn Peso molecular mdio numrico [g/mol]
MnGPC Peso molecular mdio numrico determinado por cromatografia permeao em gel [g/mol]
Mnterico Peso molecular mdio numrico terico [g/mol]
Mw Peso molecular mdio ponderal [g/mol]
Mw/Mn Polidispersividade
PAlA Poli(alilamina)
PAlAH Poli (clorohidrato alilamina)
PDI Indce de polidisperssividade
PHEA Poli hidroxietil acrilato
PHEMA Poli hidroxietil metacrilato
PRE Persistent radical effect - efeito do radical persistente
RAFT Reversible addition-fragmentation chain transfer transferncia de cadeia reversvel por adio-fragmentao
RALLS Right-angle laser-light scattering
RI ndice de refrao
RITP Reverse iodine transfer polymerization polimerizao reversvel por transferncia de tomo de iodo
RMN Ressonncia magntica nuclear
SFRP Stable Free Radical Polymerization - Polimerizaoo radicalar por radical estvel
TEMPO 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyl-1-oxy
TREN Tris (2-aminoetil)amina
UV -Vis Espectroscopia Ultravioleta-Visvel
VII
INDCE
AGRADECIMENTOS ........................................................................................................................................ II MOTIVAO ................................................................................................................................................... III ABSTRACT ....................................................................................................................................................... IV RESUMO ............................................................................................................................................................. V LISTA DE SIGLAS ............................................................................................................................................ VI LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................................................ IX LISTA DE TABELAS ........................................................................................................................................ X
Seco I - Introduo ................................................................................................................................... 11 1.1. Polmeros ........................................................................................................................................ 12 1.2. Reaes de polimerizao - conceitos genricos ............................................................... 13 1.3. Polimerizao Radicalar Livre (FRP) ................................................................................... 15 1.4. Polimerizao Radicalar Viva (LRP) ...................................................................................... 16 1.4.1. Tcnicas de LRP ............................................................................................................................ 18
ATRP - Atom Transfer Radical Polymerization ................................................................................. 19 SFRP - Stable Free Radical Polymerization ......................................................................................... 20 RAFT ..................................................................................................................................................................... 21 DCT ........................................................................................................................................................................ 23
1.4.2. Avaliao do carcter vivo dos polmeros preparados por LRP ............................... 23 1.5. Hidrogis ......................................................................................................................................... 24
Seco II - Parte Experimental ................................................................................................................ 29 2.1. Materiais .......................................................................................................................................... 30 2.2. Tcnicas ........................................................................................................................................... 30 2.2.1. Espectroscopia de Ressonncia Magntica Nuclear ......................................................... 30 2.2.2. GPC/SEC - Gel Permeation Chromatography / Size Exclusion Chromatography .... 32 2.2.3. Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization - Time Of Flight Mass Spectrometry (MALDI-TOF MS) .............................................................................................................. 33 2.3. Procedimentos experimentais ................................................................................................. 34 2.3.1. Sntese do Colesevelam por FRP .............................................................................................. 34 2.3.2. Exemplo de polimerizao radicalar viva de PHEMA catalisada por Fe0/CuBr2/Me6TREN=1/0,1/1,1 (DP = 222) ....................................................................................... 35 2.3.3. Purificao de monmeros (HEA e HEMA) .......................................................................... 36 2.3.4. Sntese de Me6TREN ..................................................................................................................... 37 2.3.5. Cintica PHEMA ............................................................................................................................. 37 2.3.6. Reiniciao ou copolimerizao .............................................................................................. 38
VIII
2.3.7. Sntese de hidrogis ...................................................................................................................... 38
Reticulao com epicloridrina ................................................................................................................. 39
Reticulao com ter diglicdico do 1,4-butanodiol ....................................................................... 39
Reticulao com ter diglicdico do 1,2-etanodiol .......................................................................... 39
2.3.8. Testes de Inchao (Swelling) ..................................................................................................... 40
Preparao da soluo tampo fosfato a pH 6 .................................................................................. 40
Seco III - Resultados e Discusso ......................................................................................................... 41
3.1. Polimerizao radicalar livre Colesevelam. ...................................................................... 42
3.2. Polimerizao radicalar viva (LRP) ........................................................................................ 45
3.2.1. Sntese de PHEA, PHEMA e PAlA por LRP .............................................................................. 46
3.2.2. Estudo cintico da LRP catalisada por metais de PHEMA ............................................... 56
Estudo cintico de reao tpica de LRP de HEMA. V0HEMA/VDMSO = 2/1, DP = 222 e
Me6TREN como ligante (BASK I)................................................................................................................... 57
Estudo cintico de reao de LRP de HEMA. Variao de V0 HEMA/VDMSO = 1/1 e de DP
=50. (BASK II) ........................................................................................................................................................ 59
Estudo cintico de reao de LRP de HEMA. Variao de V0 HEMA/VDMSO (1/1). (BASK
III) .............................................................................................................................................................................. 61
Estudo cintico de reao de LRP de HEMA. Variao do ligante (bipiridina). (BASK
IV) ............................................................................................................................................................................. 62
3.2.3. Avaliao do carcter vivo do polmero PHEMA ............................................................. 63
3.3. Sntese de Hidrogis ..................................................................................................................... 64
Seco IV - Concluses e Trabalho Futuro ............................................................................................ 67
4.1. Concluses ........................................................................................................................................ 68
4.2. Trabalho Futuro ............................................................................................................................. 68
Bibliografia ...................................................................................................................................................... 70
Anexo .............................................................................................................................................................. 72
Anexo A : Espectro de RMN em CDCl3 do ligante Me6TREN sintetizado para o sistema catatlico
de LRP em estudo... 73
IX
LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Classificao de polmeros quanto sua composio. ......................................................................... 13
Figura 2 Representao esquemtica de diferentes polmeros quanto forma. ................................................. 13
Figura 3 - Etapas de iniciao e propagao para a reao de polimerizao de Colesevelam. ........................... 16
Figura 4 - Equilbrio tpico em LRP, entre espcies dormentes e ativas. .............................................................. 17
Figura 5 - Distribuio de pesos moleculares tpica em FRP e LRP . ................................................................... 18
Figura 6 - Equilbrio qumico tpico de ATRP. ..................................................................................................... 20
Figura 7 - Equilbrio qumico tpico de SFRP . ..................................................................................................... 21
Figura 8 - Esquema simplificado de mecanismo RAFT. ...................................................................................... 22
Figura 9 - Agentes de transferncia de cadeia RAFT. ........................................................................................... 22
Figura 10 Equilbrio dinmico tpico em ITP . ................................................................................................... 23
Figura 11 - Esquema simplificado de mecanismo RITP . ..................................................................................... 23
Figura 12 - Representao esquemtica do deslocamento da curva de pesos moleculares do polmero de LRP
aps experiencia de reiniciao. ................................................................................................................... 24
Figura 13 - Estrutura qumica de Colsevelam. ...................................................................................................... 28
Figura 14 - Esquema representativo de equipamento GPC . ................................................................................. 32
Figura 15 Esquema de um equipamento tpico de espectroscopia de massa MALDI-TOF . ............................ 34
Figura 16 Montagem utilizada nas cinticas das reaes de LRP de PHEMA. ................................................. 37
Figura 17 - Espectro RMN 1H a 600 MHz de PAlAH a 80C por 72 h (COLV) em D2O. ................................... 45
Figura 18 - Mecanismo de reao sugerido para polimerizao viva catalisada por Fe(0)/CuBr2/Me6TREN. .... 48
Figura 19 - DP normalizado em relao ao volume de reteno. Reao de PHEA em DMSO (BAS 01), de
PHEA em gua (BAS 02) e de PHEMA em DMSO (BAS 03), com Mw/Mn (BAS 03) = 1,14. .................. 51
Figura 20 - Espectro RMN 1H a 600 MHz de PHEA em d6-DMSO, obtido por LRP a 30 C durante 24 h
(BAS 01). ...................................................................................................................................................... 52
Figura 21- Espectro RMN 1H a 600 MHz de PHEMA em d6DMSO, obtido por LRP a 30 C durante 24 h
(BAS 03). ...................................................................................................................................................... 53
Figura 22 Espectro RMN 1H a 600 MHz de PAlA em d6DMSO, obtido por LRP a 30 C durante 24 h
(BAS 05). ...................................................................................................................................................... 54
Figura 23 RI normalizado em relao ao volume de reteno. Padro de poliestireno com MP=10050 g/mol
e Mw/Mn=1,02 e PAlA por LRP em reao a 30 C (BAS 05) e a 80 C (BAS 06). .................................... 55
Figura 24 - Representao grfica da converso e ln([M]0/[M]) em funo do tempo (a) e de MnGPC e Mw/Mn
em funo de Mnterico para reao de polimerizao de PHEMA catalisada por Fe(0) e CuBr2 a 30C em
DMSO nas seguintes condies [HEMA]0/ [EBiB]0/[Fe(0)]0/[CuBr2]0/[Me6TREN]0/ = 222/1/1/0,1/1,1 e
[HEMA]0/ [DMSO]=2/1 (% vol). ................................................................................................................. 58
Figura 25 - Representao grfica da converso e ln([M]0/[M]) em funo do tempo (a) e de MnGPC e
Mw/Mn em funo de Mnterico para reao de polimerizao de PHEMA catalisada por Fe(0) e CuBr2 a
30C em DMSO nas seguintes condies [HEMA]0/ [EBiB]0/[Fe(0)]0/[CuBr2]0/[Me6TREN]0/ =
50/1/1/0,1/1,1 e [HEMA]0/ [DMSO]=1/1 (% vol). ....................................................................................... 60
Figura 26 - Representao grfica da converso e ln([M]0/[M]) em funo do tempo (a) e de MnGPC e
Mw/Mn em funo de Mnterico para reao de polimerizao de PHEMA catalisada por Fe(0) e CuBr2 a
30 C em DMSO nas seguintes condies [HEMA]0/ [EBiB]0/[Fe(0)]0/[CuBr2]0/[Me6TREN]0/ =
222/1/1/0,1/1,1 e [HEMA]0/ [DMSO]=1/1 (% vol). ..................................................................................... 61
X
Figura 27 - DP normalizado em relao ao volume de reteno. PHEMA de BASK IV (esquerda) e padro
de poliestireno com MP=10050 g/mol e Mw/Mn=1,02 (direita). ................................................................... 62
Figura 28 - DP normalizado em relao ao volume de reteno. Reao de extenso de cadeia (esquerda)
PHEMA-Br macroiniciador (direita). ........................................................................................................... 64
LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Estrutura bsica da cadeia de polmeros heterochain. ..................................................................... 12 Tabela 2 Classificao de hidrogis . ........................................................................................................................ 26 Tabela 3 - Compostos envolvidos nas reaes de LRP, estudadas. ...................................................................... 36 Tabela 4 Condies das reaes de sntese de PAlAH por FRP e resultados obtidos. ................................... 43 Tabela 5 Experincias de LRP executadas com DP de 222. ................................................................................ 46 Tabela 6 Observaes, condies de RMN, de GPC e resultados de peso molecular para as polimerizaes de HEA, HEMA e AlA por LRP, utilizando Fe(0)/CuBr2/Me6TREN = 1/0,1/1,1 como sistema cataltico a 30 C durante 24 h. DP = 222 e [solvente]/[monmero] = 1/2 (v/v). ......... 49 Tabela 7 Estudo Comparativos de reaes de alilamina FRP e LRP a 30 e 80 C. .......................................... 54 Tabela 8 Condies das cinticas de LRP de PHEMA em DMSO, a 30 C. ........................................................ 56 Tabela 9 - Resultados obtidos para as cinticas de LRP de PHEMA em DMSO a 30 C. ................................... 57 Tabela 10 Condies de reaes de reticulao executadas temperatura ambiente. ................................ 65 Tabela 11 - Resultados de teste de swelling em soluo de dihidrogenossulfato de sdio a pH 6, num shaker a 37 C e 900 rpm. .................................................................................................................................... 66
Seco I
Introduo
Seco I Introduo
12
1. 1.1. Polmeros Um polmero uma macromolcula resultante da unio de molculas mais pequenas
designadas por monmeros, assim, a sua estrutura depende do monmero ou monmeros
usados na reao qumica de polimerizao [1]. Existem diferentes formas de classificar
polmeros, como por exemplo, com base nas caractersticas de processamento, no mecanismo
de polimerizao ou at mesmo tendo em conta a sua estrutura bsica [2]. Assim, os
polmeros podem, por exemplo, ser distribudos por dois grandes grupos, os termoplsticos ou
os termofixos. Quando um polmero deformvel por ao de calor at se obter a forma final
desejvel do material, pertence aos termoplsticos. J os polmeros termofixos, tm as cadeias
individuais ligadas por ligaes qumicas covalentes (reticulaes). O facto de estarem
reticulados impede que o polmero seja amolecido por via trmica, como tambm evita a
deformao e sua dissoluo em solventes. O poliestireno (PS), o polietileno, o polipropileno
e o policloreto de vinilo so alguns exemplos de termoplsticos comercialmente importantes.
Como exemplo de polmeros termofixos podem ser referidos as resinas de fenol-formaldedo
e os polisteres insaturados [2].
Adicionalmente, os polmeros podem ser classificados com base nos grupos que constituem a
estrutura qumica bsica. A Tabela 1 apresenta alguns polmeros organizados tendo em conta
as ligaes das unidades de repetio.
Tabela 1 - Estrutura bsica da cadeia de polmeros heterochain[2].
Polmeros Carbono - Oxignio
Polmeros Carbono - Enxofre
Polmeros Carbono - Azoto
Politeres Politioteres Poliaminas
Polisteres de cidos carboxlicos Poli(iminas)
Polianidridos de cidos carboxlicos Polisulfonas Poliamidas
Policarbonatos Poliureias
Outros factores que influenciam fortemente as propriedades dos polmeros so a sua
composio e a arquitectura das cadeias polimricas. Quanto composio, um polmero
sintetizado a partir de um nico monmero designa-se homopolmero, enquanto que a partir
de duas ou mais unidades monomricas diferentes designa-se copolmero. Ainda em termos
Seco I Introduo
13
de composio, os copolmeros podem ser classificados segundo quatro subclasses, que se
encontram ilustradas na Figura 1 [1].
Homopolmero Copolmero aleatrio/estatstico
Copolmero gradiente
Copolmero blocos
Copolmero enxerto
Figura 1 - Classificao de polmeros quanto sua composio [1].
No que diz respeito forma, os polmeros podem ser descritos como lineares, ramificados ou
reticulados [1]. Um polmero linear no apresenta nenhum tipo de ramificao adicional aos
grupos associados ao(s) monmero(s). Outras arquiteturas mais complexas como polmeros
em estrela, polmeros em pente, polmeros hiper-ramificados e polmeros cclicos so tambm
possveis de se obter, tal como ilustra a Figura 2.
Polmero Linear Polmero Ramificado Polmero Reticulado
Polmero em Estrela Polmero em Pente Copolmero enxerto/bloco
Polmero em Rede Polmeros hper-ramificados Polmero cclico
Figura 2 Representao esquemtica de diferentes polmeros quanto forma [1].
1.2. Reaes de polimerizao - conceitos genricos As reaes de polimerizao podem ser caracterizadas de acordo com o mecanismo de
polimerizao envolvido, cuja complexidade consequncia dos grupos funcionais presentes
nos monmeros. Se a cadeia de polmero for formada a partir da unio aleatria de molculas
de monmeros, oligmeros ou molculas de longa cadeia, o processo de polimerizao
Seco I Introduo
14
envolvido denominado por reao gradual (step-growth) e formam-se dimeros, trimeros ou
espcies macromoleculares. Por outro lado, quando a cadeia polimrica formada por
sucessivas ligaes de molculas de monmeros com uma cadeia ativa, o processo de
polimerizao diz-se de reao em cadeia ou crescimento em cadeia (chain-growth). O
crescimento da cadeia pode dar-se atravs de um radical livre ou uma espcie inica (anio ou
catio), sendo que as cadeias de elevado peso molecular comeam a ser formadas nos estgios
iniciais do processo de polimerizao [3].
Existem duas abordagem para o processo de polimerizao por reao gradual, uma que
envolve apenas uma molcula (monmero) com dois grupos funcionais diferentes (Equao
1), e outra que envolve o uso de dois monmeros bifuncionais (Equao 2). As Equaes 1 e
2 representam esquematicamente as duas abordagens possveis deste tipo de polimerizao,
considerando dois grupos funcionais hipotticos, A e B, que reagem para formar um grupo X.
(1)
(2)
Como exemplos de reaes de polimerizao gradual pode referir-se, por exemplo, a
preparao de polisteres, poliamidas e poliuretanos. Uma policondensao o processo de
polimerizao que, com recurso a monmeros no vinlicos, conduz formao de um
polmero por sucessivas reaes de condensao e com a eliminao de molculas de baixo
peso molecular (gua, metanol e cido clordrico, por exemplo).
As reaes de polimerizao em cadeia, chain-growth, requerem a presena de molculas
(iniciadores) que por decomposio formam especies reativas que atacam um monmero
insaturado, dando assim incio ao processo de polimerizao [3]. As espcies podem ser
radicais ou ies (anies ou caties) e o processo de polimerizao designa-se por
polimerizao radicalar ou polimerizao inica (aninica e catinica), respectivamente. De
referir que reaes em cadeia so caracterizadas por trs etapas com diferentes cinticas:
iniciao, propagao e terminao. Os processos de polimerizao por radicais livres
representam cerca de 50% da produo mundial de polmeros.
Seco I Introduo
15
1.3. Polimerizao Radicalar Livre (FRP) A polimerizao radicalar livre um processo reativo caracterizado pela existncia de trs
etapas bem definidas. A primeira, a iniciao, constituda por dois passos, a dissociao do
iniciador (I-I) em duas espcies radicalares (I), seguida da associao de uma molcula de
monmero (M) s espcies referidas. A etapa que se segue a propagao em que as
molculas de monmero so continuamente adicionadas aos radicais em crescimento.
Finalmente, a terminao pode ocorrer pois dois processos diferentes: quando duas cadeias
em propagao com radicais ativos (IMn e IMm) se combinam (terminao por
combinao); ou quando entre as duas cadeias em propagao (IMn e IMm) houver
transferncia de electres (terminao por dismutao) [3].
Iniciao Dissociao : ! ! 2 ! (3) Associao : !+ ! !" (4)
Propagao !"+ ! !!! (5)
Terminao
Combinao: !!!+ !!! !!!!! (6) Dismutao: !!!+ !!! !!! + !!! (7)
Esta polimerizao em cadeia frequentemente utilizada em tecnologia de polmeros mas
ocorre apenas nas cadeias reativas em crescimento. Como consequncia, atingem-se
rapidamente altos pesos moleculares para baixas percentagens de converso e o monmero
est sempre presente em quantidades significativas durante todo o processo.
Neste trabalho, a sntese do Colesevelam ser efectuada por polimerizao radicalar. Assim,
as reaes envolvidas no processo so em tudo anlogas s descritas anteriormente para uma
reao genrica de FRP (iniciao, propagao e terminao). Explicitando para o caso do
frmaco comercial (Colesevelam) a alilamina ser o monmero, M, que se associa s espcies
radicalares (I) oriundas da dissociao do iniciador I, o azobis (amidinopropane)
dihidrocloride (AAPH). Estas espcies radicalares so capazes de atacar a ligao dupla do
monmero e assim permitir propagao da cadeia de polmero por adio de mais molculas
de alilamina. A Figura 3 que se segue ilustra o esquema reacional do frmaco sintetizado.
Seco I Introduo
16
Figura 3 - Etapas de iniciao e propagao para a reao de polimerizao de Colesevelam.
De facto, a polimerizao radicalar convencional (FRP) um mecanismo de extrema
importncia para a preparao de muitos polmeros comerciais de elevado peso molecular, na
medida em que pode ser aplicada a uma vasta gama de monmeros, permite a utilizao de
diferentes condies de reao (em massa, soluo, emulso e suspenso), tolerante a uma
ampla gama de grupos funcionais (p.e. OH, NR2, COOH, CONR2), pode ser utilizada para um
amplo intervalo de temperatura (80-250 C), para alm de os monmeros poderem ser
copolimerizados com diferentes propriedades para inmeras aplicaes [4]. No entanto, a
principal limitao da FRP est associada ao reduzido controlo de determinadas propriedades
estruturais dos polmeros tais como o peso molecular, a polidispersividade (PDI), a
funcionalidade, a arquitetura e composio da cadeia [4]. neste sentido que nos ltimos
tempos a polimerizao radicalar viva (LRP) tem sido exaustivamente explorada em trabalhos
acadmicos e industriais a fim de colmatar os problemas associados FRP.
1.4. Polimerizao Radicalar Viva (LRP) A polimerizao viva foi descoberta por Szwarc [5], em 1956, e definida como um processo
de crescimento de cadeia onde no ocorrem reaes de terminao. Num estudo de
polimerizao aninica de estireno com metal alcalino em tetrahidrofurano (THF) , Szwarc
[5] descobriu quando a viscosidade parava de aumentar, caso se adiciona-se mais monmero
fresco, aps algum tempo de reao, a viscosidade comeava a aumentar novamente. Este
resultado conduziu a introduo de uma nova terminologia na cincia de polmeros, a
polimerizao viva.. Este tipo de polimerizao apresenta, contudo, alguns problemas,
nomeademente: o facto de necessitar de condio de polimerizao extremas (ex: -78 C), no
poder ser aplicado a diversas famlias de monmeros e ao facto de ser difcil de implementar
Seco I Introduo
17
escala industrial quando comparado com a polimerizao radical. Com intuito de explorar as
vantagens da polimerizao radicalar e ao mesmo tempo permitir um controlo sobre a
estrutura do polmero caracterstico da polimerizao viva, ao longo da ltima dcada tem
vindo a ser desenvolvido um novo mecanismo de polimerizao a polimerizao radicalar
viva (LRP). Hoje em dia, a LRP a rea mais estudada em cincia de polmeros [6]. Esta
rea inclui um conjunto de tcnicas de polimerizao por radicais para a sntese de polmeros
e copolmeros bem definidos e de baixa polidispersividade [3].
Assim, em LRP preparam-se polmeros por reao de adio sequencial com grupos terminais
de cadeia ativos [4]. No entanto, per si este facto no garante as propriedades estruturais no
polmero, como o controlo do peso molecular e a estreita distribuio de peso molecular. Para
tal, so necessrios dois requisitos adicionais. O iniciador tem de ser completamente
consumido no incio da reao e a velocidade da reao que conduz formao de espcies
ativas tem de ser igual de formao de espcies dormentes (equilbrio entre espcies
dormentes e radicais em propagao), garantindo uma baixa concentrao de radicais [4].
Figura 4 - Equilbrio tpico em LRP, entre espcies dormentes e ativas [4].
Assim, em contraste com a polimerizao radicalar convencional, em LRP todas as cadeias
polimricas comeam a crescer ao mesmo tempo a uma velocidade semelhante pois a vida til
de um radical ativo normalmente pequena (0,1 - 10ms em LRP e 1s em FRP) [7], pelo que a
probabilidade de ocorrem fenmenos de terminao de cadeia muito baixo em LRP,
comparativamente com FRP. No entanto, apesar destes fenmenos por vezes ocorrerem,
como o nmero de cadeias polimricas em LRP muito maior que em FRP, a taxa de
terminao por cadeia e a taxa de transferncia de monmero por cadeia so baixas, pelo que
as reaes de terminao podem ser consideradas negligenciveis. Como consequncia, nestes
sistemas verifica-se uma distribuio de pesos moleculares estreita (Figura 5). Para alm disso,
um aumento linear do peso molecular do polmero com a converso e uma polidispersividade
baixa (Mw/Mn < 1,5) so tambm parmetros que caracterizam os sistemas de LRP [4, 7].
Seco I Introduo
18
Figura 5 - Distribuio de pesos moleculares tpica em FRP e LRP [7].
Em LRP existem vrias tcnicas que podem ser utilizadas na polimerizao de diversos
monmeros. Apesar disso, seja qual for a estratgia utilizada, os quatro critrios que
identificam e que devem ser respeitados para que a polimerizao seja viva, so:
1. A cintica da reao de primeira ordem em relao ao monmero. ln ! !! !" !"#$% = !"#! !"#$%! (8) 2. Crescimento linear do grau de polimerizao (DPn) com a converso. !"! = !! ! (9)
3. Presena de uma distribuio de peso moleculares estreita, prxima de uma
distribuio de Poisson. !!!! 1 + 1!"! (10)
4. As cadeias polimricas tm de manter a sua capacidade de crescimento sempre que for
adicionado mais monmero (presena de terminais ativos).
1.4.1. Tcnicas de LRP As diferentes tcnicas de LRP partilham entre si a necessidade de existncia de equilbrio
entre espcies ativas e espcies dormentes (Figura 4), o qual proporciona um controlo sobre o
peso molecular do polmero. A diferena entre elas reside na estratgia que cada uma utiliza
para manter esse equilbrio. Existem dois princpios base pelos quais podemos agrupar as
tcnicas LRP, segundo o tipo de equilbrio dinmico que se estabelece : ativao/desativao
reversvel de radicais ou processo degenerativo de transferncia reversvel de cadeia [8].
Seco I Introduo
19
Quando ocorre ativao/desativao reversvel de radicais existe um efeito de auto-regulao,
denominado por efeito de radical persistente (persistent radical effect PRE). No inicio da
polimerizao ocorrem algumas terminaes radical-radical e, como consequncia, aumenta a
quantidade da espcie desativadora em relao quantidade de radicais em crescimento, pelo
que o equilbrio dinmico (Figura 4) deslocado no sentido das espcies dormentes. Neste
sistemas uma vez que os radicais de propagao so produzidos na etapa de ativao, no
necessrio a presena de um iniciador de radical. As tcnicas de LRP baseadas no PRE mais
conhecidas so o (Atom Transfer Radical Polymerization ATRP e a Stable Free Radical
Polymerization SFRP) [8].
No que diz respeito ao mecanismo reversvel de transferncia de cadeia necessrio recorrer-
se a um iniciador que forme radicais, visto que o processo de ativao/desativao no est
relacionado com uma modificao no nmero de radicais. Nestes sistemas, o equilbrio
mantido atravs da transferncia de cadeia entre as cadeias polimricas em crescimento e os
agentes de transferncia. Neste grupo incluem-se as tcnicas de LRP Reversible Addition-
Fragmentation chain Transfer (RAFT) e Degenerative Chain Transfer (DCT) [8].
Neste trabalho, o mecanismo utilizado para a sntese de polmeros por LRP o ATRP. Nas
seces seguintes sero brevemente descritas cada uma das tcnicas de LRP referidas.
ATRP - Atom Transfer Radical Polymerization
ATRP uma das tcnicas mais versteis e atualmente a mais amplamente usada em LRP [7].
Em ATRP as espcies envolvidas so um metal de transio (Mtn), que pode aumentar o seu
nmero de oxidao, um ligante (L) e um iniciador (haleto de alquilo) [9]. O complexo de
metal de transio (Mtn/L) o responsvel pela transferncia de um tomo halogenado (X) a
um complexo de propagao macroradical (Figura 6). A espcie ligante forma um complexo
com o elemento metlico, dissolvendo o catalisador no solvente da reao. Para alm disso, a
espcie ligante fundamental para regular a reatividade do catalisador para diferentes
monmeros. A polimerizao controlada pelo equilbrio redox que altamente deslocado
para as espcies dormentes, impedindo que ocorram as reaes de terminao de radical [7-9],
uma vez dessa forma a concentrao de radicais ativos sempre muito baixa.
Seco I Introduo
20
Figura 6 - Equilbrio qumico tpico de ATRP [8].
A reao geralmente iniciada pela ativao da cadeia halogenada (Pn-X), atravs da
abstrao do halognio pelo centro metlico (Mtn/L) para formar uma espcie iniciadora de
radical (Pn) e um complexo metlico oxidado (X-Mtn+1/L), o qual se designa desativador. De
seguida, a espcie Pn adiciona-se a uma unidade de monmero ou reage com o complexo
metlico de maior estado de oxidao, levando formao de espcies dormentes [10].
Quanto mais rpido for o equilbrio dinmico, maior o controlo sobre o peso molecular do
polmero durante toda a reao. Os catalisadores usados em ATRP pertencem ao grupo dos
metais de transio, tais como rutnio, cobre, ferro e nquel [11]. Estas espcies podem
controlar a polimerizao de monmeros, como por exemplo: acrilamidas, acrilatos e
metacrilatos, estirenos ou monmeros solveis em gua [10].
Um dos catalisadores metlicos de uso mais frequente o cobre devido sua alta reatividade,
baixo custo e fcil manuseamento [8]. Assim, o complexo de metal de transio no seu estado
de oxidao menor (por exemplo Cu(I)Br/ligante), abstrai o tomo halogenado terminal da
cadeia polimrica (ou do iniciador haleto de alquilo) e produz um radical e um complexo num
estado de oxidao superior (por exemplo Cu(II)Br2/ligante) [9]. Com a preocupao de
implementar sistemas catalticos mais verdes e amigos do ambiente, catalisadores base
de ferro tambm tm sido muito usados em sistemas ATRP devido sua abundncia e s
excelentes propriedades de biocompatibilade j demonstradas [11]. Recentemente foi
desenvolvido um novo sistema de ATRP nos laboratrios do DEQ/FCTUC [8] que utiliza
pela primeira vez uma combinao de metais (ferro e cobre - em muito baixa concentrao)
como sistema cataltico para a polimerizao de acrilatos, metacrilatos e estireno. Ser este
ltimo, o sistema que vai ser usado neste trabalho.
SFRP - Stable Free Radical Polymerization
Em SFRP o equilbrio dinmico (Figura 7) estabelecido entre a espcie dormente (Pn-X) e
duas espcies ativas: o radical ativo em crescimento (Pn) e o radical estvel (persistente) (X).
Seco I Introduo
21
Para que seja possvel mediar a polimerizao, o mediador radicalar deve ser estvel o
suficiente para no reagir consigo prprio nem com o monmero (para no iniciar o
crescimento de novas cadeias). Para alm disso, no deve participar em reaes colaterais,
como a abstrao de tomos de -H [7].
Figura 7 - Equilbrio qumico tpico de SFRP [7].
Neste tipo de polimerizao normalmente utilizado um nitrxido como o agente mediador,
uma vez que os radicais de nitrxido formados so muito estveis e, consequentemente, mais
eficientes. Quando uma reao de SFRP mediada por nitrxido tambm designada por
NMP (nitroxide mediated polymerization) [8].
O primeiro sistema de SFRP mediado por nitrxidos a ser implementado com sucesso foi
desenvolvido por Georges [11], em 1993, na polimerizao controlada de estireno na presena
de perxido de benzolo com 2,2,6,6-tetrametil-1-piperidinil-N-oxi (TEMPO), como
mediador de radicais estveis. A evoluo de pesos moleculares de poliestireno durante a
reao mostrou uma tendncia linear com a converso de monmero e os polmeros
apresentaram uma polidispersividade baixa (inferior a 1,3), numa reao realizada a 120 C
[8].
Estes sistema LRP apresenta como principal inconveniente o facto de necessitar de
temperaturas muito elevadas.
RAFT
A polimerizao por RAFT indiscutivelmente um processo prtico, j que permite a
utilizao de condies de reao mais aproximadas s do processo de polimerizao
convencional (FRP) [7]. Esta tcnica recorre a um agente de transferncia de cadeia capaz de
reagir com um macroradical em propagao, que foi previamente iniciado por um iniciador de
radical, tpico de um sistema de polimerizao convencional (etapa de iniciao) [10]. A
Figura 8 ilustra um sistema tpico de RAFT.
Seco I Introduo
22
Figura 8 - Esquema simplificado de mecanismo RAFT [9].
Exemplos de agentes de transferncia de cadeia utilizados neste processo de polimerizao
so: ditioesters, ditiocarbamatos, tritiocarbonatos, xantatos e compostos tiocarbonil, cujas
estruturas se encontram representadas na Figura 9.
Figura 9 - Agentes de transferncia de cadeia RAFT [10].
Normalmente, estes sistemas so caracterizados por processos bem controlados. Contudo, a
seleo do agente de transferncia de cadeia crucial nestes sistemas uma vez que a sua
natureza influencia o controle do peso molecular, a distribuio do peso molecular e a
arquitetura molecular dos polmeros [8]. Apesar de esta tcnica de LRP poder ser aplicada a
grande nmero de monmeros, tem tambm algumas desvantagens. Por um lado, grande parte
dos agentes de transferncia de cadeia no esto disponiveis comercialmente (ou so
extremamente caros) e, como tal, tm de ser sintetizados. Por outro, os polmeros produzidos
tm sempre associados grupos ditio-steres, que induzem alterao na cor dos polmeros (de
vermelho/rosa para amarelo) e maus odores. ainda de referir que este grupo pode ser
removido por hidrlise, sendo substitudo por um grupo tiol [3].
Seco I Introduo
23
DCT
Este mtodo decorre fundamentenente ao uso de tomos de iodo (Iodine Transfer
Polymerization ou Reverse Iodine Transfer Polymerization - ITP/RITP) que medeiam o
mecanismo de transferncia reversivel. Os agentes de transferncia de cadeira so
normalmente derivados do iodeto de perfluoroalquilo [10]. A Figura 10 pretende ilustrar o
equilbrio dinmico tpico num sistema ITP [10].
Figura 10 Equilbrio dinmico tpico em ITP [9].
J em RITP recorre-se a iodo molecular (I2), como agente de controlo, a fim de gerar in situ, o
agente de transferncia de cadeia reversvel, antes da reao de polimerizao ocorrer. O
mecanismo de uma reao RITP tpica esquematizado na Figura 11.
Figura 11 - Esquema simplificado de mecanismo RITP [10].
1.4.2. Avaliao do carcter vivo dos polmeros preparados por LRP Como referidoanteriormente, os sistemas LRP so caracterizados por apresentarem uma
evoluo linear do peso molecular com a converso de monmero e simultaneamente, uma
diminuio da polidispersividade com a converso de monmero. No entanto, estes
parmetros no so uma garantia de um polmero vivo. Para tal so necessrias mais
informaes, nomeadamente anlises de ressonncia magntica nuclear (RMN) que permitem
identificar a presena dos terminais ativos de cadeia. Como complemento a esta tcnica de
Inibio
Polimerizao
Seco I Introduo
24
identificao do terminal ativo de cadeia, dado que nem sempre fcil de ser executada,
surgem estratgias experimentais capazes de avaliar este carcter vivo dos polmeros
obtidos por LRP, nomeadamente as reaes de reiniciao ou a copolimerizao (se for
utilizado um monmero diferente). A reiniciao uma reao de extenso de cadeia em que
o polmero obtido por LRP usado como macroiniciador de uma reao LRP com monmero
fresco. Como resultado obtm-se um polmero com maior peso molecular e portanto por
anlise de cromatografia de permeao em gel (GPC) possvel verificar o deslocamento do
pico do polmero aps experincia de reiniciao para valores mais altos de peso molecular,
tal como demonstra a Figura 12.
Figura 12 - Representao esquemtica do deslocamento da curva de pesos moleculares do polmero de LRP aps
experiencia de reiniciao.
1.5. Hidrogis Um hidrogel um estrutura polimrica tridimensional hidroflica, capaz de absorver e reter
grandes quantidades de gua ou de um fludo biolgico sem que ocorra dissoluo do
polmero [12]. Esta definio abrange uma grande variedade de materiais naturais (de origem
vegetal ou animal), materiais naturais modificados e materiais polimricos sintticos [13]. A
sntese ou modificao de materiais para a obteno de hidrogis advm muitas vezes da
necessidade de evitar a dissoluo das cadeias hidroflicas de um determinado polmero numa
soluo aquosa, induzindo para tal, reticulao no polmero [14]. Assim, a organizao tpica
de um hidrogel em redes pressupe a existncia de ligaes cruzadas (reticulaes qumicas
ou fsicas) entre as cadeias de homopolmeros ou copolmeros, o que resulta num material
insolvel. Os hidrogis reticulados fisicamente so formados por ligaes de hidrognio,
ligaes hidrofbicas e/ou electroestticas. Os que so reticulados quimicamente resultam da
Seco I Introduo
25
formao de ligaes covalentes por polimerizao radicalar (ex: monmeros bifuncionais),
por reao qumica com agentes reticulantes (ex.: reticulao com aldedos, reao de adio
de condensao), ou de radiao de alta energia [15]. Neste sentido, existe uma variedade de
mtodos para a reticulao de polmeros, no entanto, para a escolha do mtodo mais adequado
surge a necessidade de, em simultneo, avaliar determinados aspectos (ex: condies de
reaco e reagentes) e propriedades consoante a aplicao final do material [14]. Por
exemplo, em muitas das aplicaes dos hidrogis nas reas biomdica e farmacutica
necessrio garantir a biodegradabilidade (qumica ou enzimtica), a biocompatibilidade do
material e que os produtos resultantes da degradao tenham baixa toxicidade [14].
A caracterstica comum a todos os hidrogis a compatibilidade com a gua que advm da
presena de grupos funcionais hidroflicos (-OH, -COOH, -CONH2, -CONH, -SO3H),
fazendo com que inchem facilmente em gua [16]. O teor de gua ou inchao depende
fundamentalmente da relao entre o nmero de cadeias polimricas hidroflicas e
hidrofbicas, e do grau de reticulao. A forma como um hidrogel incha ou encolhe num
meio pode ainda dever-se forma como o polmero responde a determinados estmulos
externos tais como mudanas de temperatura, pH, solvente, campo eltrico ou magntico [15],
no caso de se utlizar polmeros que respondem aos estmulos referidos.
Devido s suas propriedadesde inchao e biocompatibilidade, os hidrogis tm sido
exaustivamente estudados para aplicaes mdicas e farmacuticas, nomeadamente, em
sistemas de libertao de frmacos, em engenharia tecidos e em dispositivos mdicos [13].
Estes materiais polimricos reticulados podem ser utilizados em lentes de contacto, entre
diversas aplicaes, podem ser usados: em cartilagens sintticas; em membranas de
biossensores; como pele artificial, como dispositivos de libertao controlada de frmacos; e
como matrizes para crescimento celular. Nesta ltima aplicao, os hidrogis atuam como
matrizes extracelulares, de forma a criar um ambiente propcio ao crescimento e diferenciao
celular, por exemplo para o tratamento de queimaduras [12, 16].
Os hidrogis podem ser classificados tendo em conta diferentes aspectos tais como a
composio do polmero, a natureza da carga inica e as suas propriedades estruturais [15, 17].
Estas caractersticas fsico-qumicas que permitem caracterizar um hidrogel esto
apresentadas na Tabela 2.
Seco I Introduo
26
Tabela 2 Classificao de hidrogis [15, 17].
Composio do polmero
Natureza da carga inica Propriedades estruturais / estrutura fsica das redes
Homopolmero (polimerizao de um nico monmero
hidroflico)
Aninicos (se contm apenas cargas negativas)
Amorfo (molculas orientadas de forma aleatria e
entrelaadas)
Catinicos (se forem constitudos por cargas positivas)
Semi-cristalino
(molculas com empacotamento regular e ordenado em determinadas regies da
matriz)
Copolmerico (polimerizao de dois tipos de monmeros,
sendo um deles obrigatoriamente
hidroflico)
Anfotricos (comportam-se como cidos ou bases,
dependendo do meio em que esto inseridos)
Ligado por pontes de Hidrognio (as molculas esto ligadas por pontes de
hidrognio)
Neutros
(nmero de cargas positivas igual ao nmero de cargas negativas)
Agregado hidrocoloidal
A absoro de gua a propriedade mais importante nos hidrogis, nomeadamente para
aplicaes biomdicas e farmacuticas destes materiais, na medida em que este fenmeno
permite conferir propriedades viscoelsticas ao material e possibilita o transporte de
nutrientes e produtos resultantes do metabolismo celular [18]. Num hidrogel, os fatores que
influenciam mais a sua interao com a gua e o seu comportamento so a natureza
hidroflica/hidrofbica dos polmeros utilizados, a carga inica e o grau de reticulo. Como
resultado destas interaes, as cadeias de polmero incham, sem que haja dissoluo no meio
onde inserido [16]. O grau de inchao est muitas vezes associado quase exclusivamente ao
grau de reticulao do hidrogel.
Com o intuito de avaliar o grau de inchao coloca-se o material em gua ou soluo aquosa a
testar (soro fisiolgico, por exemplo, para testar hidrogis para aplicaes biomdicas,
simulando assim as condies corporais). Pesando o composto antes e depois da imerso,
durante um determinado tempo t, possvel determinar a quantidade de gua absorvida pelo
gel atravs da Equao (11) [18].
!"#$ !"#!! % = !! !!!! 100 (11)
Onde W0 corresponde ao peso do hidrogel seco e Wt ao peso do hidrogel aps um tempo t em
soluo.
Seco I Introduo
27
Os hidrogis de base polimrica tem vindo a suscitar recentemente grande interesse para
aplicao como frmacos na medida em que: conduzem a menores toxicidades (porque no
so absorvidos para a corrente sangumea), podem ser optimizados com a introduo de
diferentes funcionalidades para se produzirem materiais com diferentes atividades biolgicas
e tm a capacidade de reconhecer e permitir a ligao a molculas causadoras de doenas [19].
Os cidos biliares so surfactantes biolgicos produzidos no fgado que ajudam na digesto de
alimentos e permitirem a absoro de lpidos no intestino. So responsveis por controlarem
vrios processos metablicos (glicose, energia de triglicerdeos e a homeostase do colesterol)
e so sintetizados a partir do colesterol heptico microsodial no fgado humano [20].
Quimicamente estas molculas tm um ncleo hidrofbico (esqueleto esteride) e um
segmento hidroflico com propriedades aninicas ao pH do estmago [19]. Aps serem
segregados pelo fgado so armazenados na vescula e entram no lmen intestinal durante a
digesto dos alimentos. Posteriormente so absorvidos e regressam ao fgado atravs da
circulao portal heptica, mantendo-se deste modo o seu nvel. Durante este processo,
designado por ciclo enteroheptico, pode existir perda de cidos biliares (cerca de 5%) atravs
da sua eliminao pelas fezes. Este desiquilbrio compensado atravs da produo de mais
cido no fgado, por degradao do colesterol. Neste sentido, com o objetivo de tratar doenas
associadas hipercolesterolemia (elevados nveis de colesterol no sangue) tm sido
produzidos frmacos polimricos que permitem interromper o ciclo enteroheptico. Este
frmacos, conhecidos por sequestradores de cidos biliares (BAS), so hidrogis de base
polimrica catinica que permite formar complexos com as molculas de cido biliar
ionizadas que se encontram no intestino. Devido ao elevado peso molecular dos polmeros, o
complexo polmero-cido biliar no reabsorvido pelo intestino, sendo excretados nas fezes.
Assim, quanto maior o nmero de molculas de cidos biliares no reabsorvidas, maior a
quantidade de cidos biliares que tem que ser produzida, a partir do consumo de colesterol.
Desta forma, o nvel de colesterol no plasma sanguneo diminudo. Atualmente existem no
mercado trs frmacos polimricos aprovados pela Food and Drugs Administration (FDA) no
tratamento de hipercolesterolemia: a Colesteramida, o Colespiol e o Colesevelam [21, 22].
Tendo em conta a natureza qumica dos cidos biliares, estes frmacos so estruturalmente
caracterizados por um balano adequado de segmentos hidrofbicos e hidroflicos para
permitir a interao com a parte esteroide das molculas de cidos biliares e, tambm, por
cargas catinicas para permitirem as interaes electrostticas com as molculas ionizadas a
sequestrar.
O Colesevelam um dos agente BAS mais recentes presente no mercado (pertence 2
gerao de frmacos desta categoria) e o mais eficaz no tratamento da hipercolesteremia. A
Seco I Introduo
28
sua estrutura (Figura 13) caracterizada por longas cadeias hidrofbicas espaadas, aminas
primrias para permitir interaes electrostticas com os cidos biliares ionizados e aminas
quaternrias que estabilizam o hidrogel [21, 22].
Figura 13 - Estrutura qumica de Colsevelam [23].
Atualmente a a sntese destes frmacos sequestradores de cidos biliares recorre
exclusivamente a processos de polimerizao radicalar livre, nos quais no existe qualquer
tipo de controlo sobre estrutura e peso molecular dos polmeros. No entanto, sabe-se que a
eficincia destes frmacos est dependente do tipo de estrutura do polmero base (por
exemplo posio relativa dos grupos catinicos na estrutura polimrica) [24]. Assim, com o
intuito de garantir um controlo sobre a estrutura molecular do polmero, peso molecular e
polidispersidade pretendeu-se, neste projecto, sintetizar um novo polmero por polimerizao
radicalar viva que seja vivel para substituir as formulaes dos agentes sequestradores de
cidos biliares comerciais, nomeadamente o Colesevelam. Sendo o peso molecular dos
polmeros de BAS determinante para a eficincia dos frmacos simulou-se os dados da
patente de Colesevelam para determinar o peso alvo dos polmeros a sintetizar por LRP. Nesta
patente, depois de se obter o polmero por FRP necessrio reticul-lo e proceder ao processo
de alquilao do hidrogel para testar as suas propriedades farmacolgicas e compar-las com
o frmaco comercial. Estes dois ltimos procedimentos (reticulao e alquilao descritos na
patente) sero seguidos para os polmeros de LRP. Neste sentido, ser possvel uma
comparao entre os resultados do frmaco original e os dos polmeros obtidos por LRP, nas
trs etapas essencial de sntese de um BAS (polimerizao, reticulao e alquilao).
Seco II
Parte Experimental
Seco II Parte Experimental
30
2. 2.1. Materiais
O hidroxietil acrilato (HEA) (Sigma-Aldrich; 99%), o hidroxietil metacrilato (HEMA)
(Sigma-Aldrich; 99%) e a alilamina (AlA) (Sigma-Aldrich; 99%) foram passados por uma
coluna de alumina/areia para remover o inibidor de radicais antes de cada utilizao. Brometo
de cobre (II) (CuBr2) (Acros, 99+% +extra puro; anidro), dimetilformamida (DMF) (Sigma-
Aldrich, 99,8%), dimetilsulfxido deuterado (d6DMSO) (Eurisotop; +1%TMS), DMSO
(Acros, 99,8+% extra puro), gua deuterada (D2O) (Eurisotop; +1%TMS), clorofrmio
deuterado (CDCl3) (Eurisotop; +1%TMS), etil 2-bromo-2-metilpropionato (EBiB) (Sigma-
Aldrich, 99%), acetato de etilo (Acros; 99,5%), soluo de formaldedo (Sigma-Aldrich;
reagente ACS, 37% em peso em H2O) cido frmico (Sigma-Aldrich; ACS reagente; 88,0%),
cloreto de metileno (Sigma-Aldrich; purum; 98, 0% GC), hidrxido de sdio (Panreac;
pellets), sulfato de sdio (Sigma-Aldrich; reagente ACS, 99,0%, p anidro), tris (2-
aminoetil) amina (TREN) (Aldrich, 96%), bipiridina (Sigma-Aldrich, 98,0%) e ferro de
valncia zero (Acros; p 99%; -70 mesh) foram utilizados como recebidos. Me6TREN foi
sintetizado de acordo com procedimentos descritos na literatura [25, 26]. Epicloridrina
(Aldrich; 98,0% GC), o 1,4-butanodiol diglicidil ter (Aldrich; 95%) e o 1,2-etanodiol
diglicidil ter (Sigma-Aldrich; 99,5%, anidro), isopropanol (Sigma-Aldrich; 99,7%, anidro),
metanol (Sigma-Aldrich; 99,8%, anidro) e dihidrogenofosfato de sdio foram utilizados como
recebidos na sntese de hidrogis.
2.2. Tcnicas Esta seco tem como objetivo dar a conhecer os conceitos bsicos das tcnicas utilizadas
neste trabalho para a caracterizao das amostras preparadas, bem como, as condies em que
foram executadas e as principais caractersticas de cada equipamento.
2.2.1. Espectroscopia de Ressonncia Magntica Nuclear A espectroscopia de RMN uma das tcnicas mais informativas e das mais utilizadas para o
estudo da estrutura molecular de um composto. A anlise pode ser feita diretamente a partir
de um lquido puro, a partir de uma soluo ou a partir de um slido. Os solventes utilizados
para este tipo de anlises, principalmente para o estudo de protes, so solventes com uma
Seco II Parte Experimental
31
percentagem muito baixa de protes de modo a que no haja interferncia com os elementos
em anlise. Para tal recorre-se a solventes deuterados tais como D2O, CDCl3 ou d6DMSO [27].
A teoria de RMN diz que qualquer ncleo com spin pode ser estudado por esta tcnica
espectroscpica. Assim, todos os ncleos que tenham nmero de massa mpar ou nmero
atmico mpar (por exemplo !!! , !, !, ! ! !!!"!!"!!"!! ), possuem spin, isto tm momento angular. Neste trabalho apenas ir ser abordada a tcnica de RMN para !!! [27]. Para se obter um espectro de RMN de uma determinada amostra, esta colocada no campo
magntico de um espectrmetro, e sobre ela incide um campo de radiofrequncia.
Aumentando o campo magntico o detector detecta a excitao dos ncleos, o que resulta
numa absoro de energia no campo de radiofrequncias. Como resultado, obtm-se um
grfico de voltagem induzida versus varrimento do campo magntico, o espectro de RMN[27].
Para a anlise destes grficos necessrio ter em conta que: a rea de cada pico depende do
nmero total de ncleos que esto a oscilar; que a intensidade do campo necessria para a
absoro de energia por um determinado proto depende do seu ambiente mais prximo
(estrutura molecular); e que se um proto tem n protes equivalentes (protes equivalentes
ocupam ambientes idnticos) em carbonos adjacentes, a sua absoro ser dividida em n+1
picos [27]. Assim, um espectro de RMN fornece trs tipos de informao sobre uma amostra
em estudo: (i) o deslocamento qumico de um multipleto, que diz o ambiente do proto
envolvido; (ii) a rea doo pico, que revela o nmero de protes envolvidos e (iii) a
multiplicidade, que indica quantos protes vizinhos existem.
Numa primeira fase, com o intuito de confirmar a estrutura dos polmeros e de avaliar a
eficincia das snteses de LRP executadas, realizaram-se estudos de RMN 1H a 400MHz, com
tetrametilsilano (TMS) como padro interno e com D2O ou d6DMSO (dependendo da
solubilidade do polmero) como solvente das amostras em anlise. Adicionalmente, as
amostras que envolviam os estudos cinticos com poli hidroxietil metacrilato (PHEMA)
foram analisadas por RMN 1H a 600 MHz, com TMS como padro interno e com d6DMSO
como solvente das amostras. Recorrendo a esta tcnica foi ento possvel estudar as cinticas
executadas, determinando a converso de monmero por integrao de dois picos, um
caracterstico do monmero e outro polmero, no software MestRenova verso 6.0.2-5475. A
Equao 12 ilustra o clculo utilizado para determinar a converso de monmero na sntese
LRP de PHEMA. Para tal selecionou-se os picos caractersticos da ligao dupla no
monmero a 6,06 ppm e a 5,68 ppm, e o grupo metxi (O-CH2) do polmero a 4,09 - 4,12
ppm [28].
Seco II Parte Experimental
32
!"#$%&'!!"#$% % = 1 !(!!! = !) 2!(!!! = !) 2 + !(!"!!) 2 12
2.2.2. GPC/SEC - Gel Permeation Chromatography / Size Exclusion Chromatography
A cromatografia de excluso de tamanhos ou cromatografia de permeao em gel,
vulgarmente denominada por GPC uma tcnica largamente utilizada em tecnologia de
polmeros para determinao da distribuio de pesos moleculares de polmeros e obter
valores para o peso molecular mdio numrico(Mn) e para o peso molecular mdio ponderal
(Mw) [29].
A teoria do GPC/SEC a separao de molculas com base no seu raio/volume
hidrodinmico (raio/volume equivalente ao de uma esfera que eluiria no mesmo tempo que a
amostra em estudo). Ao atravessarem uma coluna porosa de material polimrico reticulado, as
molculas da amostra so separadas de acordo com o seu volume. Como as partculas de
pequeno tamanho da amostra so suficientemente pequenas para entrarem nos poros da
coluna, estas so momentaneamente removidas do fluxo principal de solvente (excluso) ao
longo da colunas, pelo que necessitam de mais tempo para atravessar a coluna do
equipamento [29].
O esquema que se segue ilustra bem um equipamento tpico de GPC.
Figura 14 - Esquema representativo de equipamento GPC [29].
A amostra injetada no sistema, e passa atravs da(s) coluna(s) onde ocorre o processo de
separao por tamanho. Quando a amostra sai da(s) coluna(s) passa atravs de um detector ou
uma srie de detectores. A extenso da anlise dos dados depende do tipo e do nmero de
detectores usados e juntamente com vrios tipos de calibraes e/ou clculos utilizados pode
calcular-se parmetros como peso molecular, distribuio de peso molecular, viscosidade
intrnseca ou a densidade molecular, raio hidrodinmico, e raio giratrio. Para a anlise de
Seco II Parte Experimental
33
GPC ser possvel necessrio uma curva de calibrao obtida atravs de padres de GPC, isto
, a partir de amostras polimricas de peso molecular conhecido e baixa polidispersividade.
Neste trabalho os parmetros das amostras foram determinados utilizando Viscotek (detector
Dual 270, Viscotek, Houston, EUA) equipado com um viscosimetro diferencial (DV), um
light scattering (RALLS, Viscotek) e um detector de ndice de refrao (RI; Knauer K-2301).
O sistema de colunas era constitudo por uma coluna de guarda PL 10 mm (50x7.5 mm2)
seguida por duas colunas MIXED PL-B (300x7.5 mm2, 10 mm). Com o auxlio de uma
bomba de HPLC (Knauer K-1001) o caudal foi mantido a 1 mL/min. As medies foram
realizadas com uma soluo a 0,02% de LiBr em DMF a 60 C, usando para o efeito um
aquecedor Elder CH-150. O sistema est equipado tambm com um desgaseificador Knauer
on-line. O dn/dc utilizado para as amostras de PHEMA foi de 0,076, com base na bibliografia
consultada e na injeo de uma amostra com concentrao conhecida de PHEMA puro [28].
O peso molecular (MnGPC) e a polidispersividade (Mw/Mn) dos polmeros sintetizados foram
determinadas recorrendo ao software OmniSEC verso: 4.6.1.354, e utilizou-se a calibrao
com trs detectores (RI, DV e RALLS).
Nas reaes de estudos cinticos deste trabalho aps conhecer os parmetros fornecidos por
GPC, e de se determinar previamente a converso de monmero em cada reao por RMN,
foi possvel determinar a constante aparente da velocidade da reao (Kp), atravs da Equao
13, considerando que se trata cintica de primeira ordem.
!" ! !! = !" 1 !"#$%&'! = !!! (13)
2.2.3. Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization - Time Of Flight Mass Spectrometry (MALDI-TOF MS)
Em tecnologia de polmeros a espectroscopia MALDI - TOF uma ferramenta poderosa para
a determinao do peso molecular de polmero e que fornecer informaes sobre a
composio de um sistema polimrico, atravs da ionizao suave da amostra.
A Figura 15 que se segue esquematiza o equipamento tpico de espectroscopia de massa
MALDI-TOF constitudo por um recipiente para amostras, um laser ptico, uma fonte de alta
tenso, um tubo de vento, e um detector electrnico para os ies [30].
Seco II Parte Experimental
34
Figura 15 Esquema de um equipamento tpico de espectroscopia de massa MALDI-TOF [30].
Nesta tcnica, uma determinada amostra colocada numa matriz apropriada e sujeita a alto
vcuo para ser cristalizada. A ao de um pulso de laser de gs de azoto com determinado
comprimento de onda capaz de ionizar as molculas da amostra. Esta ao leva libertao
de molculas e ies da matriz, a partir da placa. Posteriormente os ies so acelerados e um
equipamento de anlise mede o tempo que as molculas demoram a percorrer uma
determinada distncia (analisador TOF) [30].
2.3. Procedimentos experimentais Esta seco diz respeito aos procedimentos utilizados em todas as atividades laboratoriais
envolvidas neste trabalho de investigao.
2.3.1. Sntese do Colesevelam por FRP Com base na informao disponvel na patente [23] que descreve a sntese do produto
comercial Colesevelam sintetizou-se por polimerizao radicalar livre o poli(clorohidrato
alilamina) (PAlAH). Neste processo utilizou-se 13,1 mL de AlA (monmero) previamente
purificado numa coluna de areia/alumina, como iniciador 20,4 mg de AAPH e como solvente
1 mL de gua destilada.
Num banho de gelo colocou-se um balo de fundo redondo com 14,4 mL de cido clordrico e
adicionou-se o monmero gota a gota. Posteriormente, adicionou-se a soluo aquosa de
iniciador e a reao prosseguiu durante 72 h, a 50 C. Ao fim de 24 h de reao adicionou-se
mais iniciador ao sistema reacional (20,4 mg de iniciador e 1 mL de solvente) e no final da
reao adicionou-se 1 mL de gua destilada, tal como descrito na referida patente.
Seco II Parte Experimental
35
O polmero foi isolado por precipitao em metanol frio. O p resultante foi filtrado, e o
processo de lavagem e filtrao foi repetido novamente. Finalmente o p resultante foi
colocado a secar numa estufa de vcuo.
2.3.2. Exemplo de polimerizao radicalar viva de PHEMA catalisada por Fe0/CuBr2/Me6TREN=1/0,1/1,1 (DP = 222)
Aps passar o monmero HEMA (9,0 mL; 74,4 mmol) numa coluna de areia e alumina para
remover o estabilizante preparam-se duas solues. A primeira, contendo CuBr2 (7,60 mg;
0,034 mmol), Fe(0) (18,80 mg; 0,336 mmol), Me6TREN (85,0 mg; 0,369 mmol) e DMSO
(4,5 mL), onde o solvente foi previamente borbulhado em azoto durante cerca de cinco
minutos e a segunda com o monmero e o iniciador EBiB (60,30 mg; 0,336 mmol). Depois de
preparar o reator Schlenk de fundo redondo por secagem em vcuo, colocaram-se as solues
anteriormente descritas e congelou-se o sistema em azoto lquido. A mistura reacional do
reator foi sujeita a um processo de desgaseificao, para remover o oxignio, atravs de ciclos
de congelamento-vcuo-descongelamento e purga com azoto. Finalmente preencheu-se a
atmosfera do reator com azoto e colocou-se num banho a 30 C com 700 rpm, durante cerca
de 24 h. Na Tabela 3 encontram-se todos os materiais envolvidos na reaes de LRP
estudadas.
A escolha dos monmeros teve em conta o objetivo central do trabalho, a sntese de polmeros
funcionais com possvel aplicao em frmacos sequestradores de cidos biliares. Neste
sentido pretendeu-se obter por LRP polmeros funcionais que apresentem biocompatibilidade
com os tecidos vivos, baixa toxicidade, hidrofilicidade e a presena de grupos hidroxilo com
capacidade de funcionalizao. Assim selecionaram-se monmeros acrlicos (HEA e HEMA),
como consequncia da vasta utilizao e inmeras aplicaes j existentes para a sntese
hidrogis na indstria farmacutica e em aplicaes biomdicas [16].
Seco II Parte Experimental
36
Tabela 3 - Compostos envolvidos nas reaes de LRP, estudadas.
Monmeros
HEA HEMA AlA
Iniciador EBiB
Ligantes
Me6TREN TREN Bipiridina
Solventes
DMSO gua
Catalisador Fe (0) + Cu(II)Br2
Hidrogis de acrilatos e de metacrilatos tm sido propostos como potenciais materiais para
aplicaes farmacuticas, nomeadamente como sistemas de liberao controlada de frmacos,
bioadesivos e como dispositivos segmentveis de agentes teraputicos [16]. A alilamina,
sendo o monmero utilizado para a sntese do BAS comercial [23] ser tambm objecto de
estudo em reaes de LRP.
2.3.3. Purificao de monmeros (HEA e HEMA) Uma vez que os monmeros HEA e HEMA utilizados neste trabalho esto contaminados
inevitavelmente com compostos diacrilatos foi necessrio previamente purific-los por forma
a evitar a formao de um hidrogel durante a polimerizao por LRP. O processo utilizado foi
adoptado da literatura [31] e [32], respectivamente para o HEA e o HEMA.
Preparou-se uma soluo aquosa de monmero 25 % (v/v) que foi posteriormente lavada
cinco vezes com hexano. Por cada litro de soluo adicionou-se 250 g de cloreto de sdio,
sendo a soluo resultante lavada duas vezes com ter etlico. Aps adicionar sulfato de clcio
como agente secante e 0,1% de hidroquinona como agente estabilizante, destilou-se a soluo
no evaporador rotativo por forma a evaporar o ter etlico da soluo.
Seco II Parte Experimental
37
2.3.4. Sntese de Me6TREN A sntese de Me6TREN foi feita com base em informao da literatura [25] [26]. Uma soluo
de formaldedo (37% w/w, 49,3 mL) e cido frmico (88% w/w, 50 mL) previamente agitada
foi adicionada, gota a gota, temperatura de 0 C, a 10 mL de TREN e de gua destilada
durante uma hora. De seguida, a mistura foi mantida em refluxo a 95 C durante 12 h. Com o
intuito de remover os compostos volteis destilou-se a mistura proveniente do refluxo durante
1 h a 70 C. Ajustou-se o pH da soluo castanha resultante at valor de pH superior a 10 com
uma soluo saturada de hidrxido de sdio. A mistura foi lavada com cloreto de metilo duas
vezes, a fase orgnica foi seca, adicionando sulfato de sdio e colocada no evaporador
rotativo a 40 C tendo-se obtido um leo amarelo. O Me6TREN foi analisada por 1H-RMN em
600 Hz para confirmar a sua estrutura. O espectro de RMN do composto sintetizado encontra-
se no anexo A.
2.3.5. Cintica PHEMA A metodologia adoptada para a reao que envolve a cintica de uma reao LRP em toda
igual ao j descrito no ponto 2.3.2 referente polimerizao radicalar viva catalisada por
metais. No entanto, aps colocar o reator no banho de 30 C, durante a polimerizao, vo
sendo recolhidas amostras de polmero, em tempos previamente definidos. Para tal, em cada
amostra uma agulha inserida no reator, utilizando um brao lateral com azoto, e uma seringa
recolhe o polmero em cada instante de tempo. Este procedimento garante que no ocorre
entrada de oxignio no reator durante a recolha das amostras. Na Figura 16 apresenta-se a
montagem utilizada nas reaes de cintica de PHEMA.
Figura 16 Montagem utilizada nas cinticas das reaes de LRP de PHEMA.
Seco II Parte Experimental
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ainda de referir que cada amostra recolhida foi analisada por espectroscopia de RMN 1H,
para determinar a converso de monmero, e por GPC para determinar o peso molecular e a
polidipersividade dos polmeros.
2.3.6. Reiniciao ou copolimerizao Para concretizar esta experincia executou-se o procedimento anterior de LRP (seco 2.3.2),
no entanto, o inciador EBiB foi substitudo pelo macroiniciador PHEMA, obtido numa reco
nas seguintes condies [HEMA]0/[EBiB]0/[Fe(0)]0/[CuBr2]0/[Me6TREN]0 = 50/1/1/0,1/1,1 e
[HEMA]0/[DMSO]=1/1 (% vol). Assim, aps purificar HEMA (1,80 mL; 14,86 mmol) numa
coluna de areia e alumina preparou-se o reator Schlenk de fundo redondo, secando em vcuo.
De seguida adicionou uma soluo de CuBr2 (0,70 mg; 0,003 mmol), Fe(0) (1,7 mg; 0,03
mmol), Me6TREN (7,5 mg; 0,033 mmol) e DMSO (1,8 mL) e outra com o monmero e o
macroiniciador PHEMA (60,30 mg; MnGPC=1,0x104 g/mol; Mw/Mn =1,32 ). Depois de
executar os mesmo procedimentos de desgaseificao descritos nas reaes de LRP deixou-se
a reo ocorrer por 24 h a 30 C e 700 rpm.
2.3.7. Sntese de hidrogis Os hidrogis podem ser preparadas por vrias tcnicas de polimerizao ou por transformao
de polmeros existentes [33]. Neste trabalho a sntese de hidrogis foi feita com base no
trabalho desenvolvido por Mandeville [23], que descreve o processo utilizado para a
reticulao de polmeros de alilamina que conduz obteno de um hidrogel. Assim,
pretende-se reticular os grupos amina do polmero, por reao com um agente de reticulao,
em meio bsico, temperatura ambiente, at se obter um gel. Colocando o gel em gua e
agitando durante algumas horas h a formao de partculas slidas, que so lavadas em gua,
em alguns processos de lavagem, e secas em estufa de vazio.
Para cada polmero, sintetizado por FRP ou LRP, preparam-se solues de 25% de polmero e
utilizaram-se trs agentes de reticulao a epicloridirna, o ter diglicdico do 1,4-butanodiol e
o ter diglicdico do 1,2-etanodiol, com diferentes percentagens de agente. Embora os
procedimentos de reticulao sejam semelhantes para os agentes utilizados, h pequenas
diferenas que so descritas e seguida.
Seco II Parte Experimental
39
Reticulao com epicloridrina
Preparou-se uma soluo de polmero em gua a 25% [23] em massa e ajustou-se o pH da
soluo a 10 com soluo aquosa de hidrxido de sdio. De seguida adicionou-se a
epicloridrina como agente de reticulao para diferentes relaes de massa de agente
reticulante e massa de polmero 5,9% [23], 200% e 975%. Deixou-se a soluo em agitao,
temperatura ambiente, at gelificar. Depois de remover o polmero em gel procedeu-se
lavagem com gua e as partculas foram recolhidas por filtrao. Depois de repetir o processo
de lavagem colocaram-se as partculas na estufa de vazio para secagem. Com este
procedimento testaram-se os polmeros de polialilamina sintetizada por FRP, bem como, o
PHEMA e a PAlA sintetizados por LRP.
Reticulao com ter diglicdico do 1,4-butanodiol
Para os polmero de PAlAH de FRP prepararam-se solues de 25% [23] (em massa) em gua
e ajustou-se o pH da soluo a 10 com soluo aquosa de hidrxido de sdio. Por adio de
ter diglicdico do 1,4-butanodiol, como agente de reticulao, a 14% [23] e 975% (massa de
agente reticulante/massa de polmero) prepararam-se os hidrogis, temperatura ambiente,
at gelificar. Depois de remover o polmero em gel procedeu-se lavagem com gua, durante
uma hora, e as partculas foram recolhidas por filtrao. O procedimento de lavagem foi
executado por duas vezes e o produto final foi seco a vcuo durante alguns dias para garantir
a ausncia de gua.
Reticulao com ter diglicdico do 1,2-etanodiol
O procedimento de reticulao de polmeros de polialilamina com o ter diglicdico do 1,2-
etanodiol idntico ao do ter diglicdico do 1,4-butanodiol. Neste caso prepararam-se
solues de polmero em gua a 25% [23] e a relao de massa de agente/massa de polmero
foi de 25% [23] e 975%. A diferena para o agente 1,4-butanodiol diglicidil ter reside apenas
no processo de lavagem. Neste caso a lavagem feita com metanol e aps filtrao
adicionado gua, ficando a suspenso em agitao por uma hora. Aps nova filtrao o
processo de lavagem com gua repetido e adiciona-se isopropanol antes de colocar o
hidrogel a secar em vcuo [23].
Seco II Parte Experimental
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2.3.8. Testes de Inchao (Swelling) Com o intuito de avaliar o grau de inchao dos hidrogis de PAlA FRP reticulados com
epicloridrina, executaram-se testes de swelling. Nestes testes seguiu-se o trabalho
desenvolvido por Sadahira [34] para a caracterizao e avaliao do perfil de liberao in
vitro de hidrogis do lcool polivinlico. Este trabalho avalia a quantidade de gua que o
hidrogel capaz de absorver em trs solues fosfato a pH de 3, 6 e 9.
No presente trabalho prepararam-se trs pequenos frascos com quantidades de hidrogel
semelhantes (100 mg). Adicionou-se um volume predefinido de soluo tampo fosfato a pH
6 (4 mL) e colocaram-se as amostras num shaker (Thermoshake com cmara com temperatura
controlada) a 37 C e 900 rpm durante 25 h. Durante as primeiras 4 h as amostras foram
recolhidas em intervalos regulares de uma hora, e o excesso de gua superficial retirado com
papel de filtro, pesadas numa balana e determinado o grau de inchao.
Preparao da soluo tampo fosfato a pH 6
1,7 g de dihidrogenofosfato de sdio (NaH2PO4) foram pesados e solubilizados em 200 mL de
gua miliQ temperatura ambiente. O pH da soluo foi ajustado a 6,0 com soluo de NaOH
a 10 M e o volume da soluo foi ajustado com gua at perfazer 250mL de soluo.
Seco III
Resultados e Discusso
Seco III Resultados e Discusso
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3. Neste captulo sero apresentados e discutidos todos os resultados obtidos e decises tomadas
no decorrer do trabalho. Esta seco est dividida em trs partes fundamentais. A primeira diz
respeito tentativa de sintetizar o frmaco comercial que funciona como agente sequestrador
de cidos biliares, o Colesevelam, com base na informao obtida em Mandeville [23]. A
segunda parte relativa sntese de polmeros por LRP utilizando HEMA, HEA e AlA como
monmeros. Nesta parte so abordadas as cinticas de reao de sntese de PHEMA e
discutidos os resultados obtidos quando se variam parmetros de polimerizao, como: grau
de polimerizao, rcio monmero/solvente e alterao do ligante. Os polmeros obtidos
podem vir a ser possveis candidatos a hidrogis para agentes BAS e portanto, a terceira parte
diz respeito fase se sntese de hidrogis a partir dos polmeros obtidos por LRP. A fase de
alquilao para obter os agentes sequestrados de cidos biliares no ser abordada neste
trabalho por limitao de tempo.
3.1. Polimerizao radicalar livre Colesevelam.
Com base na informao da patente do Colesevelam [23], a primeira etapa do trabalho foi a
preparao d