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i PAULA DE ALMEIDA COPOLÍMEROS DE METACRILATO DE ALQUILA E METACRILATO DE SACAROSE SINTETIZADOS VIA ATRP CAMPINAS 2015

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    PAULA DE ALMEIDA

    COPOLÍMEROS DE METACRILATO DE ALQUILA E

    METACRILATO DE SACAROSE SINTETIZADOS VIA ATRP

    CAMPINAS

    2015

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    UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

    INSTITUTO DE QUÍMICA

    PAULA DE ALMEIDA

    COPOLÍMEROS DE METACRILATO DE ALQUILA E METACRILATO DE

    SACAROSE SINTETIZADOS VIA ATRP

    ORIENTADORA: PROFA. DRA. MARIA ISABEL FELISBERTI

    DISSERTAÇÃO DE MESTRADO APRESENTADA

    AO INSTITUTO DE QUÍMICA DA UNICAMP PARA

    OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRA EM QUÍMICA

    NA ÁREA DE FÍSICO-QUÍMICA.

    ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA POR

    PAULA DE ALMEIDA, E ORIENTADA PELA PROFA. DRA. MARIA ISABEL FELISBERTI.

    ____________________________

    ASSINATURA DA ORIENTADORA

    CAMPINAS

    2015

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    Ficha catalográfica

    Universidade Estadual de Campinas

    Biblioteca do Instituto de Química

    Simone Lucas Gonçalves de Oliveira - CRB 8/8144

    Almeida, Paula de, 1988-

    AL64c Copolímeros de metacrilato de alquila e metacrilato de sacarose sintetizados

    via ATRP / Paula de Almeida. – Campinas, SP : [s.n.], 2015.

    Orientador: Maria Isabel Felisberti.

    Dissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Instituto de

    Química.

    1. Metacrilato de sacarose. 2. Glicopolímero. 3. Anfifílico. 4. ATRP. I.

    Felisberti, Maria Isabel. II. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de

    Química. III. Título.

    Informações para Biblioteca Digital

    Título em outro idioma: Copolymers of alkyl methacrylate and sucrose

    methacrylate synthesized by ATRP

    Palavras-chave em

    inglês: Sucrose

    methacrylate

    Glycopolymer

    Amphiphilic

    ATRP

    Área de concentração: Físico-Química

    Titulação: Mestra em Química na área de Físico-Química

    Banca examinadora:

    Maria Isabel Felisberti [Orientador]

    Maria do Carmo Gonçalves

    Fábio Herbst Florenzano

    Data de defesa: 12-03-2015

    Programa de Pós-Graduação: Química

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    CITAÇÕES E DEDICATÓRIAS

    “Inteligência é a capacidade de se adaptar

    às mudanças.”

    Stephen Hawking

    “Na vida não existe nada a se temer,

    apenas a ser compreendido.”

    Marie Curie

    “To know the cold to enjoy the heat. And

    the opposite.”

    Amyr Klink

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    Dedico este trabalho aos meus amores

    Regina, Carla, Júnior e Rodrigo. O

    mundo é mais colorido com vocês.

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    AGRADECIMENTOS

    “Se fui capaz de ver mais longe, é porque me apoiei em ombros de gigantes.” Isaac Newton

    À professora Bel, pela orientação, motivação, paciência, amizade e,

    principalmente, por acreditar em minha capacidade.

    À minha mãe Regina e irmãos Carla e Júnior, pelo apoio, carinho e

    motivação.

    Ao meu namorado Rodrigo, que me acompanhou em toda jornada, com sua

    compreensão e capacidade de me fazer enxergar os problemas com olhos

    diferentes.

    À FAPESP e CAPES pelo apoio financeiro.

    Ao LNNano, CNPEM, pelas análises de microscopia de força atômica.

    Ao INCT/INOMAT, pelas análises de microscopia eletrônica de transmissão.

    Ao Instituto de Química e à Unicamp pela formação.

    Aos colegas de laboratório e agregados – Ana, Rose, Lívia, Laura, Liliane L.,

    Liliane B., Rafael T., Rafael N., Thiago, Marcelo, Bruna, Renata, Hugo, Lucas,

    Igor, Giovanni, Douglas, Ricardo, Cíntia, Fabi - que compartilharam os momentos

    de conquistas e de trabalho árduo.

    À minha querida amiga, Rose, por todas as conversas sinceras e bons

    momentos.

    Aos técnicos e professores do IQ que colaboram com o desenvolvimento do

    projeto e com minha formação.

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    CURRÍCULUM VITAE

    02/09/1988, brasileira de Americana – SP.

    1. FORMAÇÃO ACADÊMICA

    Mestre em Química, 03/2013 - 03/2015.

    Instituto de Química – UNICAMP.

    Título da dissertação: “Copolímeros de Metacrilato de Alquila e Metacrilato de

    Sacarose Sintetizados via ATRP”.

    Orientação: Profa. Dra. Maria Isabel Felisberti.

    Fomento: FAPESP (2013/09277-5).

    Intercâmbio Acadêmico, 09/2010 – 02/2011.

    Departamento de Química – Universidade de Coimbra, Portugal.

    Bacharelado em Química, 03/2007 - 12/2012.

    Instituto de Química – UNICAMP.

    2. HISTÓRICO PROFISSIONAL

    Programa auxiliar didático (PAD)

    Química experimental, UNICAMP, 08/2012 - 12/2012.

    Estágio em Química Analítica e Inteligência de Mercado

    Amyris Brasil, 11/2011 – 02/2013.

    Estágio em Pesquisa e Desenvolvimento

    Rhodia Poliamidas e Especialidades, 01/2010 – 08/2010, 03/2011 – 10/2011.

    Iniciação Científica em Físico-Química

    Departamento de Química, Universidade de Coimbra, 09/2010 – 01/2011.

    Instituto de Química, UNICAMP, 04/2011 – 07/2011.

    Título do projeto: “Degradação de Paracetamol por Fotocatálise Heterogênea”.

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    Orientação: Profa. Dra. Maria E. Azenha, Profa. Dra. Cláudia Longo.

    Iniciação Científica em Química Orgânica

    Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, 04/2008 – 12/2009.

    Título do projeto: “Síntese de cristais líquidos discóticos e polímeros

    semicondutores para células solares orgânicas e OFETs”

    Orientação: Dr. Fernando Ely

    Fomento: FAPESP (2008/10888-0)

    3. PRODUÇÃO CIENTÍFICA

    Participação em Eventos

    EPF Europolymer Conference 2014 (EUPOC 2014), 05/2014.

    Gargnano, Itália.

    Título do poster: “Kinetic study of poly(alkyl methacrylates) by ATRP”.

    Autores: Almeida, P., Camilo, A. P. R., Felisberti, M. I.

    XIX Congresso Interno de Iniciação Científica, 10/2011.

    Campinas, Brasil.

    Título do poster: ““Degradação de Paracetamol por Fotocatálise Heterogênea”.

    Autores: Almeida, P., Azenha, M. E., Neves, F., Burrows, H. D., Longo, C.

    Feira Brasileira de Ciências e Engenharia – FEBRACE, 03/2006.

    São Paulo, Brasil.

    Título do projeto: “Doce Combustível dos Jovens”.

    Autores: Almeida, P., Paiva, S. G., Bisoffi, R. A., Pelisser, F. N.; Montagnana, J.

    L., Bordignon, O.

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    RESUMO

    COPOLÍMEROS DE METACRILATO DE ALQUILA E METACRILATO DE

    SACAROSE SINTETIZADOS VIA ATRP

    Neste trabalho foram sintetizados copolímeros anfifílicos e em bloco

    baseados em metacrilato de sacarose (SMA) e nos metacrilatos de alquila (MAlq):

    metacrilato de etila (EMA), metacrilato de n-butila (BMA) e metacrilato de n-hexila

    (HMA), via polimerização radicalar por transferência de átomo (ATRP). Para tal,

    utilizou-se o sistema catalítico catalisador/desativador/iniciador/ligante constituído

    de CuBr/CuBr2/2,2,2-tribromoetanol/1,1,4,7,10,10-hexametiltrietilenotetramina.

    Este sistema catalítico é inédito para a polimerização do EMA, BMA e HMA e dos

    copolímeros. A polimerização dos MAlq pode ser considerada viva, pois seguiu

    cinética de polimerização de pseudo-primeira ordem, gerando polímeros com

    polidispersidade estreita (PDIkBMA>kHMA, ordem inversa do relatado para a polimerização radicalar livre.

    Os copolímeros inéditos [P(MAlq-b-SMA)] foram sintetizados, apresentando

    distribuição bimodal de massa molar, devido à copolimerização parcial dos

    macroiniciadores. Supõe-se que as cadeias dos macroiniciadores fiquem

    encapsuladas em agregados dos copolímeros durante a síntese, impossibilitando

    sua reação. As análises de GPC utilizando os solventes DMF e THF para um

    mesmo copolímero resultaram em massas molares diferindo entre si de cerca de

    10 vezes, sugerindo que os copolímeros se agregam ou se auto-organizam em

    solução de DMF/THF a 5DMF:95THF (v/v). O caráter anfifílico foi comprovado pela

    estabilização de uma emulsão de água e benzeno. Demais propriedades físico-

    químicas dos copolímeros, tais como solubilidade, intumescimento, temperatura

    de transição vítrea, variação da capacidade calorífica e estabilidade térmica, são

    distintas a dos respectivos macroiniciadores, evidenciando as mudanças de

    propriedades dos polímeros devido à inserção de SMA.

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    ABSTRACT

    COPOLYMERS OF ALKYL METHACRYLATE AND SUCROSE

    METHACRYLATE SYNTHESIZED BY ATRP

    In the present work, amphiphilic block copolymers based on sucrose

    methacrylate (SMA) and the alkyl methacrylates (MAlq): ethyl methacrylate (EMA),

    n-butyl methacrylate (BMA) and n-hexyl methacrylate (HMA), were synthesized by

    atom transfer radical polymerization (ATRP), employing the CuBr/CuBr2/2,2,2-

    tribromoethanol/1,1,4,7,10,10-hexamethyltriethylenetetramine as a catalyst/

    deactivator/initiator/ligant system. This is a novel system for polymerizing EMA,

    BMA, HMA and their copolymers. This MAlq polymerization may be considered

    “living”, because it followed a pseudo-first order kinetics, which resulted in polymer

    with narrow polidispersity (PDIkBMA>kHMA order, which is the opposite order reported in free

    radical polymerization. The novel copolymers [P(MAlq-b-SMA)] were synthesized,

    showing bimodal molar mass distribution, due to partial PMAlq copolymerization.

    Possibly, PMAlq chains are encapsulated into copolymer aggregates during

    polymerization, stopping its reaction. GPC analysis with DMF and THF as solvents

    differed in molar mass about 10 times, suggesting that copolymers can organize in

    a 5DMF:95THF (v/v) DMF/THF solution. The stabilization of a water and benzene

    emulsion proved the copolymers amphiphilicity. Other copolymer physical-

    chemistry properties, such as solubility, swelling, glass transition temperature, heat

    capacity change and thermal stability are different when compared to the

    macroinitiators, which is an evidence of change in polymer properties due to SMA

    monomer insertion.

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    SUMÁRIO

    LISTA DE ABREVIATURAS ....................................................................... xxiii

    ÍNDICE DE TABELAS ................................................................................ xxvii

    ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................. xxxi

    ÍNDICE DE ESQUEMAS .......................................................................... xxxix

    1. INTRODUÇÃO ........................................................................................ 1

    1.1. Copolímeros Anfifílicos em Bloco ..................................................... 2

    1.2. A Sacarose Como Precursor Polimérico .......................................... 8

    1.3. Polimerização Radicalar Controlada .............................................. 15

    1.4. Polímeros de Metacrilato de Alquila ............................................... 21

    2. OBJETIVOS .......................................................................................... 25

    3. METODOLOGIA ................................................................................... 27

    3.1. Síntese e Caracterização do Monômero SMA ............................... 27

    3.1.1. Síntese do monômero SMA ....................................................... 27

    3.1.1.1. Condicionamento da enzima ................................................... 27

    3.1.1.2. Síntese do monômero metacrilato de sacarose ...................... 27

    3.1.1.3. Purificação do monômero SMA ............................................... 28

    3.1.2. Caracterização do monômero SMA ........................................... 29

    3.2. Síntese dos Macroiniciadores ........................................................ 29

    3.2.1. Purificação dos monômeros metacrilatos de alquila .................. 29

    3.2.2. Purificação do catalisador CuBr ................................................. 30

    3.2.3. Síntese dos macroiniciadores .................................................... 30

    3.2.4. Estudo da cinética de polimerização .......................................... 31

    3.3. Síntese dos Copolímeros ............................................................... 31

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

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    3.3.1. Síntese ....................................................................................... 31

    3.3.2. Purificação dos copolímeros via extração sólido-líquido ............ 32

    3.4. Caracterização dos Macroiniciadores e Copolímeros .................... 32

    3.4.1. Ressonância magnética nuclear ................................................ 32

    3.4.2. Cromatografia de exclusão em gel ............................................. 33

    3.4.3. Preparo de filmes auto suportados ............................................ 33

    3.4.4. Avaliação do caráter vivo dos macroiniciadores ........................ 34

    3.4.5. Análises térmicas ....................................................................... 34

    3.4.5.1. Calorimetria diferencial de varredura ...................................... 34

    3.4.5.2. Análise dinâmico-mecânica ..................................................... 35

    3.4.5.3. Análise termogravimétrica ....................................................... 35

    3.4.6. Difratometria de raios-X ............................................................. 35

    3.4.7. Fluorescência de raios-X............................................................ 35

    3.4.8. Microscopia de força atômica ..................................................... 35

    3.4.9. Intumescimento em água ........................................................... 36

    3.4.10. Teste de emulsificação ............................................................ 36

    3.4.11. Microscopia eletrônica de transmissão .................................... 37

    3.4.12. Microscopia óptica ................................................................... 37

    4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................ 39

    4.1. Síntese do Monômero Metacrilato de Sacarose ............................. 39

    4.2. Síntese dos Macroiniciadores ........................................................ 42

    4.2.1. Estudo da Cinética de Polimerização .......................................... 43

    4.2.1.1. Reprodutibilidade .................................................................... 48

    4.2.1.2. Cinética de polimerização versus volume reacional ................ 48

    4.2.1.3. Aceleração e fator de eficiência de iniciação f ........................ 48

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

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    4.2.1.4. Cinética de polimerização dos metacrilatos de alquila ............ 52

    4.3. Caracterização dos Macroiniciadores ............................................ 54

    4.3.1. Análises térmicas ....................................................................... 71

    4.4. Síntese dos Copolímeros ............................................................... 78

    4.5. Caracterização dos Copolímeros ................................................... 87

    4.5.1. Estimativa da composição dos copolímeros por RMN 13C ......... 87

    4.5.2. Cromatografia de exclusão em gel ............................................. 90

    4.5.3. Teste de emulsificação .............................................................. 94

    4.5.4. Microscopia de força atômica ..................................................... 96

    4.5.5. Microscopia Eletrônica de Transmissão ................................... 106

    4.5.6. Ensaio de Intumescimento ....................................................... 109

    4.5.7. Análises Térmicas .................................................................... 110

    5. CONCLUSÕES ................................................................................... 119

    6. PROPOSTA DE CONTINUIDADE DO PROJETO .............................. 121

    7. REFERÊNCIAS .................................................................................. 123

    8. ANEXOS ............................................................................................. 137

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

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  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

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    LISTA DE ABREVIATURAS

    [M]0 Concentração molar inicial do monômero

    [M]t Concentração molar no tempo t do monômero

    AFM Microscopia de força atômica

    Am Área do pico (RMN 1H) referente ao monômero

    Ap Área do pico (RMN 1H) referente ao polímero

    ATRP Polimerização radicalar por transferência de átomo

    BMA Metacrilato de n-butila

    CCD Cromatografia de camada delgada

    CDCl3 Clorofórmio deuterado

    CMC Concentração micelar crítica

    CRP Polimerização radicalar controlada

    DMA Análise dinâmico-mecânica

    DMF N,N-Dimetilformamida

    DMF-d7 N,N-Dimetilformamida deuterado

    DP Grau de polimerização

    DRX Difratometria de raios-X

    DSC Calorimetria diferencial de varredura

    EMA Metacrilato de etila

    f Fator de eficiência de iniciação

    FRX Fluorescência de raios-X

    fSMA Fração molar de SMA

    GPC Cromatografia de exclusão em gel

    HLB Balanço hidrofílico-hidrofóbico

    HMA Metacrilato de n-hexila

    HMTETA 1,1,4,7,10,10-hexametiltrietilenotetramina

    I Coeficiente de intumescimento

    kap Constante de polimerização aparente

    kat Constante de ativação

    kdes Constante de desativação

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

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    kp Constante de propagação

    MAlq Metacrilato de alquila

    MMA Metacrilato de metila

    Mn Massa molar média numérica

    Mn,GPC Massa molar determinada por GPC

    Mn,RMN Massa molar determinada por RMN

    Mw Massa molar média ponderal

    P(BMA-b-SMA) Poli(metacrilato de n-butila-b-metacrilato de sacarose)

    P(EMA-b-SMA) Poli(metacrilato de etila-b-metacrilato de sacarose)

    P(HMA-b-SMA) Poli(metacrilato de n-hexila-b-metacrilato de sacarose)

    PBMA Poli(metacrilato de n-butila)

    PDI Polidispersidade

    PEMA Poli(metacrilato de etila)

    PHMA Poli(metacrilato de n-hexila)

    PMAlq Poli(metacrilato de alquila)

    PMMA Poli(metacrilato de metila)

    PS Poliestireno

    PSMA Poli(metacrilato de sacarose)

    PVDF Poli(fluoreto de vinilideno)

    Rf Fator de retenção

    RMN Ressonância magnética nuclear

    SDMA Dimetacrilato de sacarose

    SMA Metacrilato de sacarose, 1’-O-metacrilato de sacarose

    TEM Microscopia eletrônica de transmissão

    Tf Temperatura final da transição vítrea (endset)

    TFE 2,2,2-trifluoroetanol

    TFEM Metacrilato de 2,2,2-trifluoroetila

    Tg Temperatura de transição vítrea

    TGA Análise termogravimétrica

    THF Tetrahidrofurano

    Ti Temperatura inicial da transição vítrea (onset)

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

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    TMS Tetrametilsilano

    TrBrEt 2,2,2-Tribromoetanol

    VR Volume de eluição

    wSMA Fração mássica de SMA

    Y Rendimento (expresso em porcentagem)

    Conversão

    Deslocamento químico

    Cp Variação da capacidade calorífica

    Tg Largura da transição vítrea

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

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  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    xxvii

    ÍNDICE DE TABELAS

    Tabela 1.1. Possíveis derivados regioseletivos de sacarose sintetizados via

    catálise enzimática, classificados quanto a hidroxila substituída (vide Figura 1.6), a

    enzima e o produto [47]. ........................................................................................ 12

    Tabela 1.2. Valores típicos de distribuição de massa molar para diferentes rotas de

    polimerização radicalar [69]................................................................................... 18

    Tabela 4.1. Sinais observados para RMN 1H e RMN 13C do monômero SMA. ..... 41

    Tabela 4.2. Massa molar (Mn) e grau de polimerização (DP) no planejamento da

    síntese dos macroiniciadores poli(metacrilatos de alquila). .................................. 43

    Tabela 4.3. Massa molar média numérica calculada por RMN 1H (Mn,RMN),

    polidispersidade (PDI), grau de polimerização (DP), rendimento (Y) para os

    macroiniciadores PEMA, PBMA e PHMA; conversão máxima (αmax), constante de

    polimerização aparente (kap) e coeficiente de determinação (R2) referentes ao

    estudo da cinética de polimerização conduzido a volumes de monômero (Vi) de

    5,4 mL e 16,7 mL. ................................................................................................. 46

    Tabela 4.4. Massa molar média numérica (Mn), massa molar média ponderada

    (Mw) e polidispersidade (PDI) determinadas por GPC para os macroiniciadores

    sintetizados após precipitação em não solvente. A massa molar foi estimada a

    partir de padrões de poliestireno. .......................................................................... 56

    Tabela 4.5. Sinais observados por RMN 1H e RMN 13C e fórmula estrutural para o

    PEMA133, PBMA102 e PHMA136 .............................................................................. 63

    Tabela 4.6. Taticidade para os macroiniciadores PEMA133, PBMA102 e PHMA136

    calculada por RMN13C, utilizando duas regiões espectrais distintas. .................... 68

    Tabela 4.7. Temperaturas de transição vítrea (Tg), temperatura inicial (Ti),

    temperatura final (Tf), variação de temperatura (Tg) e variação de capacidade

    calorífica (Cp) envolvidas na transição vítrea. ..................................................... 76

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    xxviii

    Tabela 4.8. Solubilidade dos macroiniciadores e do metacrilato de sacarose em

    DMF e tolueno. “S”: Solúvel; “I”: Insolúvel ............................................................. 79

    Tabela 4.9. Massa molar calculada para os produtos de copolimerização após 1 e

    5 dias de reação. Pico (a) e pico (b): vide Figura 4.24. ......................................... 81

    Tabela 4.10. Massa molar dos macroiniciadores e dos picos (a) e (b) dos produtos

    de copolimerização em meio heterogêneo [P(BMA102-b-SMA)-DMF], e homogêneo

    [P(BMA102-b-SMA)-DMF/tolueno], [P(EMA133-b-SMA)-DMF] e [P(HMA136-b-SMA)-

    DMF/tolueno]. ........................................................................................................ 83

    Tabela 4.11. Rendimento da reação (Yreação) e da etapa de purificação por

    extração sólido-líquido (Yext), determinados gravimetricamente; rendimento global

    (Yglobal), calculado pela multiplicação de Yreação e Yext. .......................................... 87

    Tabela 4.12. Fração molar (fSMA), fração mássica (wSMA) e fração volumétrica

    (SMA) de SMA para os copolímeros. ..................................................................... 89

    Tabela 4.13. Volume de eluição (VR), massa molar média numérica (Mn) e

    polidispersidade (PDI) dos copolímeros e respectivos macroiniciadores obtidos por

    análise de GPC, tendo como eluente DMF ou THF. ............................................. 91

    Tabela 4.14. Solubilidade dos copolímeros. (+) = solúvel; (-) = insolúvel. ........... 109

    Tabela 4.15. Resultado para o ensaio de intumescimento. ................................. 109

    Tabela 4.16. Temperaturas de transição vítrea (Tg), temperatura inicial (Ti),

    temperatura final (Tf), variação de temperatura (Tg) e variação de capacidade

    calorífica (Cp) envolvidas na transição vítrea. ................................................... 115

    Tabela 8.1. Resultados do estudo da cinética de polimerização do EMA em

    volume reacional de 16,7 mL. [M]0 = 134,35 mmol. ............................................ 137

    Tabela 8.2. Resultados do estudo da cinética de polimerização do BMA em

    volume reacional de 16,7 mL. [M]0 =105,48 mmol. ............................................. 137

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    xxix

    Tabela 8.3. Resultados do estudo da cinética de polimerização do HMA em

    volume reacional de 16,7 mL. [M]0 =84,96 mmol. ............................................... 138

    Tabela 8.4. Resultados do estudo da cinética de polimerização do EMA em

    volume reacional de 5,4 mL. Primeira duplicata. [M]0 = 43,8 mmol .................... 138

    Tabela 8.5. Resultados do estudo da cinética de polimerização do EMA em

    volume reacional de 5,4 mL. Segunda duplicata. [M]0 = 43,8 mmol. .................. 138

    Tabela 8.6. Resultados do estudo da cinética de polimerização do BMA em

    volume reacional de 5,4 mL. Primeira duplicata. [M]0 = 34,2 mmol. ................... 139

    Tabela 8.7. Resultados do estudo da cinética de polimerização do BMA em

    volume reacional de 5,4 mL. Segunda duplicata. [M]0 = 34,2 mmol. .................. 139

    Tabela 8.8. Resultados do estudo da cinética de polimerização do HMA em

    volume reacional de 5,4 mL. Primeira duplicata. [M]0 = 27,7 mmol. ................... 139

    Tabela 8.9. Resultados do estudo da cinética de polimerização do HMA em

    volume reacional de 5,4 mL. Segunda duplicata. [M]0 = 27,7 mmol. .................. 140

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    xxx

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    xxxi

    ÍNDICE DE FIGURAS

    Figura 1.1. Representação esquemática das possibilidades de distribuição de co-

    monômeros em copolímeros. Adaptado da referência [3]. ...................................... 2

    Figura 1.2. Representação da formação de agregado micelar a partir de moléculas

    de surfactante livres, em meio aquoso. ................................................................... 3

    Figura 1.3. Estruturas formadas após a separação de microfases do copolímero

    em bloco P(A-b-B). Os números representam a fração volumétrica do bloco PA

    (A), para PA=poli(estireno) e PB=poli(isopreno). Adaptado da referência [10]. ..... 4

    Figura 1.4. Representação esquemática do perfil de concentração para o limite de

    segregação fraca e o limite de segregação forte, para um corte unidimensional da

    amostra, em que A representa a fração volumétrica do bloco A do copolímero

    hipotético P(A-b-B). Adaptado da referência [11]. ................................................... 6

    Figura 1.5. Diagrama de fases para um copolímero dibloco. No diagrama estão

    indicadas as regiões de estabilidade das fases desordenada (des), cúbica de

    corpo centrado (ccc), hexagonal (hex), lamelar (lam) e bicontínua (bic), em função

    do fator de geometria f e o produto , em que representa o parâmetro de

    interação de Flory-Huggins e N o grau de polimerização. Adaptado da referência

    [8]. ........................................................................................................................... 7

    Figura 1.6. Estrutura química da sacarose. ............................................................. 9

    Figura 1.7. Arquiteturas possíveis para polímeros sintetizados via CRP. Adaptado

    da referência [10]. ................................................................................................. 16

    Figura 1.8. Número de artigos publicados sobre polimerização radicalar controlada

    através de busca via Web of Science™, com as palavras-chave “controlled radical

    polymerization” ou “living radical polymerization”. ................................................. 16

    Figura 1.9. Estruturas químicas do monômero metacrilato de alquila e do polímero

    poli(metacrilato de alquila), em que R representa o grupo lateral alquila. ............. 21

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    xxxii

    Figura 3.1. Rota sintética para o metacrilato de sacarose. ................................... 28

    Figura 4.1. Espectro de RMN 1H para o monômero SMA em D2O........................ 40

    Figura 4.2. Espectro de RMN 13C para o monômero SMA em D2O. ..................... 40

    Figura 4.3. Espectros de RMN 1H para alíquotas do meio reacional para a

    polimerização do BMA tomadas a diferentes tempos, no intervalo de 15 a 98

    minutos. Os espectros foram normalizados com respeito à intensidade do sinal a

    4,15 ppm. .............................................................................................................. 45

    Figura 4.4. (a) e (b) Cinética de polimerização dos metacrilatos de alquila e (c) e

    (d) polidispersidade dos poli(metacrilatos de alquila) obtidos via ATRP, a volumes

    reacionais de 5,4 mL [(a) e (c)] e 16,7 mL [(b) e (d)], respectivamente. (■,□) PEMA;

    (●,◌) PBMA; (▲, ) PHMA. Os símbolos cheios e vazios para um mesmo

    poli(metacrilato de alquila) indicam as duplicatas. ................................................ 47

    Figura 4.5. (a) Representação da dependência do grau de polimerização (DP) com

    a conversão; (b) cinética de pseudo-primeira ordem para polimerização radicalar

    controlada, nos casos de idealidade (──) e iniciação lenta (- - -). Adaptado da

    referência [68]. ...................................................................................................... 49

    Figura 4.6. Fator f e massa molar média numérica em função da conversão para o

    (●, ◌) PHMA, (▲) PBMA e (■, □) PEMA em meio reacional a volume de (a) 5,4 mL

    e (b) 16,7 mL. Os pontos referem-se a valores de Mn experimentais obtidos por

    GPC, ao passo que as linhas se referem aos valores de Mn,RMN de acordo com a

    Equação 4.2. Os símbolos cheios e vazios para um mesmo PMAlq indicam as

    duplicatas. Os valores de Mn obtidos por GPC são relativos a padrões de

    poliestireno. ........................................................................................................... 50

    Figura 4.7. Cromatogramas de GPC em THF para os macroiniciadores

    sintetizados a partir de 16,7 mL de monômero. .................................................... 56

    Figura 4.8. Estruturas (a) do oligômero formado após a iniciação do TrBrEt com

    um monômero MAlq; (b) do iniciador butirato de 2,2,4,4,4-pentaclorometila. ...... 58

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    xxxiii

    Figura 4.9. Cromatogramas de GPC no estudo cinético de polimerização de (a)

    EMA, (b) BMA e (c) HMA em volume reacional de 16,7 mL. ................................ 60

    Figura 4.10. Espectros de RMN 13C dos macroiniciadores (a) PEMA133, (b)

    PBMA102 e (c) PHMA136 em CDCl3. ....................................................................... 61

    Figura 4.11. Espectros de RMN 1H dos macroiniciadores (a) PEMA133, (b)

    PBMA102 e (c) PHMA136 em CDCl3. ....................................................................... 62

    Figura 4.12. Difratogramas de DRX para os macroiniciadores PEMA133, PBMA102 e

    PHMA136. ............................................................................................................... 65

    Figura 4.13. (a) Representação da estrutura dupla-hélice de poli(metacrilato de

    metila) isotático; (b) vista superior da dupla-hélice e formação de estrutura

    cristalina, em que o grupo lateral são posicionados para o lado externo da hélice.

    Adaptado da referência [130]. ............................................................................... 66

    Figura 4.14. Espectros de RMN13C com ampliação nas regiões da carbonila e

    metila para os macroiniciadores. Em destaque as regiões espectrais das tríades

    (rr), (mm) e (mr). .................................................................................................... 67

    Figura 4.15. Representação esquemática das tríades isotáticas (mm), sindiotáticas

    (rr) e atáticas (mr). ................................................................................................. 67

    Figura 4.16. Tipos de acoplamento para polímeros sintéticos: cabeça-cauda,

    cabeça-cabeça e cauda-cauda. ............................................................................ 69

    Figura 4.17. Cromatogramas de GPC em THF para os macroiniciadores antes e

    após a copolimerização, para a avaliação do caráter vivo. ................................... 71

    Figura 4.18. (a) Curvas termogravimétricas e (b) primeira derivada das curvas

    termogravimétricas, para os macroiniciadores. ..................................................... 72

    Figura 4.19. Mecanismo de degradação do grupo éster de polimetacrilatos, com a

    formação de ácido carboxílico e alceno. Adaptado da referência [141]. ............... 74

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    xxxiv

    Figura 4.20. Curvas de DSC referentes ao segundo aquecimento para os

    macroiniciadores PEMA133, PBMA102 e PHMA136. ................................................. 75

    Figura 4.21. Representação esquemática da transição vítrea e da forma de

    obtenção de Tg, Ti, Tf e Cp. ................................................................................. 76

    Figura 4.22. (a) Módulos de armazenamento (E’) e (b) de perda (E’’) para os

    macroiniciadores. .................................................................................................. 78

    Figura 4.23. Separação de fase líquido-líquido observada para o meio reacional

    PBMA/SMA/DMF. .................................................................................................. 80

    Figura 4.24. Cromatogramas de GPCTHF para o macroiniciador PBMA102, e para os

    produtos de copolimerização após 5 dias de reação, [P(BMA102-b-SMA)-DMF – 5

    dias], e após 1 dia de reação [P(BMA102-b-SMA)-DMF-1 dia]. .............................. 81

    Figura 4.25. Cromatogramas de GPC em THF para o: (a) PBMA102 e seus

    derivados sintetizados em DMF e na mistura DMF/tolueno; (b) PEMA133 e seu

    derivado, sintetizado em DMF; (c) PHMA136 e seu derivado, sintetizado na mistura

    DMF/tolueno. ......................................................................................................... 83

    Figura 4.26. Fração solúvel em THF do produto da copolimerização do (a)

    PBMA102 e (b) PHMA136 com SMA. ....................................................................... 84

    Figura 4.27. Cromatogramas de GPC da fração insolúvel em THF dos copolímeros

    baseados em (a) PBMA102, (b) PEMA133 e (c) PHMA136. ...................................... 85

    Figura 4.28. Espectros de RMN 1H da fração solúvel em THF resultante da

    extração sólido-líquido do material P(EMA133-b-SMA) em diferentes

    deslocamentos químicos; (a) de 9 ppm a 0 ppm; (b) de 6,5 ppm a 4,0 ppm. ........ 86

    Figura 4.29. Espectro de RMN 13C do copolímero P(BMA102-b-SMA6)-DMF/tolueno

    em DMF-d7. .......................................................................................................... 88

    Figura 4.30. Espectros de RMN 13C dos copolímeros em DMF-d7. ...................... 89

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    xxxv

    Figura 4.31. Cromatogramas de GPC em DMF dos copolímeros baseados em (a)

    PEMA133 e (b) PBMA102. ........................................................................................ 91

    Figura 4.32. Representação esquemática da formação de agregados dos

    copolímeros em bloco poli(metacrilato de alquila-b-metacrilato de sacarose) em

    solução de DMF/THF a 5DMF:95THF (v/v). ............................................................... 93

    Figura 4.33. Fórmula estrutural do azul de metileno. ............................................ 95

    Figura 4.34. Teste de emulsificação para averiguar o caráter anfifílico dos

    copolímeros. Fase superior e incolor = benzeno; fase inferior e azul = solução

    aquosa de azul de metileno ou emulsão. A concentração dos copolímeros em

    benzeno é de 5 mg mL-1. ....................................................................................... 96

    Figura 4.35. Micrografias de contraste de fases (esquerda) e topografia (direita)

    obtidas por AFM para o copolímero P(BMA102-b-SMA5)-DMF. ............................. 98

    Figura 4.36. Representação do agregado de blocos PSMA dos copolímeros.

    Adaptado da referência [8]. ................................................................................. 100

    Figura 4.37. Imagens de contraste de fases da amostra P(BMA102-b-SMA5)-DMF

    [DMF], em escala de (a) 0 º a 50 º e (b) 0 º a 10 º............................................... 100

    Figura 4.38. Micrografias de AFM para o filme do copolímero P(BMA102-b-SMA5)-

    DMF a partir da solução em THF/DMF, sob atmosfera saturada de THF. (a) e (c)

    contraste de fases; (b) e (d) topografia. .............................................................. 101

    Figura 4.39. Micrografias de contraste de fases (esquerda) e topografia (direita)

    obtidas por AFM para o copolímero P(BMA102-b-SMA6)-DMF/tolueno. ............... 103

    Figura 4.40. Micrografias de contraste de fases (esquerda) e topografia (direita)

    obtidas por AFM para o copolímero P(EMA133-b-SMA8)-DMF. ........................... 104

    Figura 4.41. Micrografias de contraste de fases (esquerda) e topografia (direita)

    obtidas por AFM para o copolímero P(HMA136-b-SMA30)-DMF/tolueno. ............. 105

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    xxxvi

    Figura 4.42. Imagem de microscopia óptica com contraste de fases do filme do

    copolímero P(HMA136-b-SMA30)-DMF/tolueno formado a partir de solução em DMF

    suportado em vidro. ............................................................................................. 106

    Figura 4.43. Micrografias de TEM a partir de soluções em DMF dos copolímeros.

    ............................................................................................................................ 108

    Figura 4.44. Curvas de TGA e primeira derivada das curvas de TGA, para os

    copolímeros e seus macroiniciadores. ................................................................ 111

    Figura 4.45. Mecanismo de degradação térmica por condensação de hidroxilas de

    grupos SMA [49]. ................................................................................................. 112

    Figura 4.46. Curvas de DSC referentes ao segundo aquecimento para os

    copolímeros e macroiniciadores. ......................................................................... 114

    Figura 4.47. Módulos de armazenamento (E’) e de perda (E’’) para o copolímero

    antes e após purificação por extração sólido-líquido. .......................................... 116

    Figura 4.48. Difratograma de raios-X do do macroiniciador PBMA102 e do

    copolímero P(BMA102-b-SMA5)-DMF – P ............................................................ 117

    Figura 8.1. Espectro de RMN 1H do PEMA em CDCl3. ....................................... 140

    Figura 8.2. Espectro de RMN 13C do PEMA em CDCl3. ...................................... 140

    Figura 8.3. Espectro de RMN 1H do PBMA em CDCl3. ....................................... 141

    Figura 8.4. Espectro de RMN 13C do PBMA em CDCl3. ...................................... 141

    Figura 8.5. Espectro de RMN 1H do PHMA em CDCl3. ....................................... 141

    Figura 8.6. Espectro de RMN 13C do PHMA em CDCl3. ...................................... 142

    Figura 8.7. Espectro de RMN 13C do copolímero P(BMA102-b-SMA5)-DMF em

    DMF-d7. .............................................................................................................. 142

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    xxxvii

    Figura 8.8. Espectro de RMN 13C do copolímero P(EMA133-b-SMA8)-DMF em

    DMF-d7. .............................................................................................................. 142

    Figura 8.9. Espectro de RMN 13C do copolímero P(HMA136-b-SMA20)-DMF/tolueno

    em DMF-d7. ........................................................................................................ 143

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    xxxviii

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    xxxix

    ÍNDICE DE ESQUEMAS

    Esquema 1.1 Mecanismo de polimerização via ATRP: X e Y são átomos de

    halogênio; Pn● e Pn+m

    ● são radicais orgânicos; kativ é a constante de ativação; kdesat

    é a constante de desativação; kp é a constante de polimerização. ....................... 19

    Esquema 4.1. Polimerização ATRP de metacrilato de etila (R = -CH2CH3),

    metacrilato de n-butila [R = -CH2(CH2)2CH3] e metacrilato de n-hexila (R = -

    CH2(CH2)4CH3) para o sistema CuBr/CuBr2/TrBrEt/HMTETA. .............................. 42

    Esquema 4.2. Representação das possíveis adições do radical (R●) à cabeça ou à

    cauda do monômero, formando os adutos “cabeça-aduto” ou “cauda-aduto”. ...... 69

    Esquema 4.3. Esquema reacional da copolimerização de poli(metacrilato de

    alquila) com metacrilato de sacarose. ................................................................... 78

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    xl

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    1

    1. INTRODUÇÃO

    A busca por materiais de origem natural, chamados de biomateriais, tem

    crescido nos últimos anos. Estes materiais, além de sustentáveis, apresentam em

    muitos casos propriedades como biodegradabilidade e biocompatibilidade,

    tornando-os interessantes do ponto de vista ambiental e sintético.

    A sacarose é uma alternativa interessante para a síntese de novos

    biomateriais, por ser de baixo custo e abundante, o que viabiliza sua produção em

    larga escala e torna factível a produção de seus derivados. Monômeros

    insaturados derivados de sacarose são relevantes do ponto de vista sintético, pois

    apresentam caráter altamente hidrofílico e podem ser combinados com outros

    monômeros, dando origem a polímeros com aplicações e propriedade diversas.

    Por exemplo, a combinação com monômeros hidrofóbicos dá origem a

    copolímeros anfifílicos, conhecidos por suas propriedades ímpares em solução.

    Copolímeros anfifílicos em bloco, em especial, podem ser sintetizados via

    polimerização radicalar por transferência de átomo (ATRP), uma técnica sintética

    versátil que permite a síntese de polímeros com massa molar e polidispersidade

    controladas.

    Este trabalho teve como propósito a síntese de copolímeros anfifílicos em

    bloco via ATRP, baseados em um derivado de sacarose, o 1’-O-metacrilato de

    sacarose (SMA) e uma série homóloga de monômeros hidrofóbicos: metacrilato de

    etila (EMA), metacrilato de n-butila (BMA) e metacrilato de n-hexila (HMA). A série

    homóloga visa avaliar a influência da hidrofobicidade do grupo lateral nas

    propriedades dos copolímeros e na cinética de polimerização ATRP.

    Neste capítulo serão abordados os seguintes aspectos relacionados à

    temática desta dissertação: copolímeros anfifílicos em bloco e suas propriedades;

    sacarose e o ramo de glicopolímeros; polimerização radicalar por transferência de

    átomo; polímeros de metacrilatos de alquila.

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    2

    1.1. Copolímeros Anfifílicos em Bloco

    Polímeros são macromoléculas caracterizadas pela múltipla repetição de

    uma ou mais espécies de átomos ou grupos de átomos ligados entre si, podendo

    ser classificados como homopolímeros ou copolímeros [1]. Homopolímeros são

    constituídos por uma única unidade de repetição, enquanto que copolímeros são

    constituídos por duas ou mais unidades de repetição diferentes. Os copolímeros

    são classificados de acordo com sua composição em copolímero aleatório,

    alternado, gradiente, estrela, de enxertia ou em bloco, podendo este ser dibloco,

    tribloco ou multiblocos [2], conforme apresentados na Figura 1.1.

    Figura 1.1. Representação esquemática das possibilidades de distribuição de co-

    monômeros em copolímeros. Adaptado da referência [3].

    Copolímeros em bloco compreendem dois ou mais homopolímeros lineares

    conectados covalentemente pelas pontas de cadeia, formando blocos. Eles podem

    ser sintetizados pelo simples acoplamento de homopolímeros pré-sintetizados e

    funcionalizados ou por polimerização sequencial de monômeros. Várias rotas de

    polimerização são possíveis para a síntese de copolímeros, tais como a aniônica,

    a catiônica, a radicalar aleatória/livre e polimerização radicalar controlada/viva [4].

    A combinação de dois blocos distintos, cada qual com propriedades

    específicas, permite a obtenção de materiais com propriedades híbridas.

    Copolímeros em bloco que apresentam simultaneamente segmentos hidrofílicos e

    hidrofóbicos em sua estrutura são chamados de anfifílicos. A palavra grega

    anfifílico significa amphi = “de dois tipos” e philos = “forte atração”. Um exemplo

    típico de material anfifílico são os surfactantes, cuja versatilidade permite

    aplicações em diversos segmentos, como os de produtos de beleza e higiene

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    3

    pessoal, a indústria do petróleo, a produção e processamento de alimentos, a

    agricultura, a indústria farmacêutica, a produção de tintas e revestimentos, e

    outras [5,6].

    Os surfactantes são tipicamente compostos por um segmento hidrofóbico,

    chamado de cauda, e um segmento hidrofílico, chamado de cabeça. Os

    surfactantes apresentam a capacidade de se organizar em solução na forma de

    micelas, bastões, lamelas, vesículas e outras estruturas [5]. A forma da estrutura

    organizada depende das condições do meio em que o surfactante se encontra,

    como o solvente ou a mistura de solventes, a força iônica, a temperatura, o pH, e,

    principalmente, a concentração, que deve ser superior à concentração micelar

    crítica (CMC). A Figura 1.2 representa esquematicamente a formação de um

    agregado micelar ao se atingir a CMC em meio aquoso. Por conta da diferença de

    polaridade entre a cauda e o solvente, as moléculas de surfactante se organizam

    de maneira a minimizar esse tipo de interação. As interações cabeça-solvente e

    cauda-cauda são favoráveis e, assim, a organização leva ao favorecimento

    dessas interações.

    Figura 1.2. Representação da formação de agregado micelar a partir de moléculas de

    surfactante livres, em meio aquoso.

    No caso de copolímeros anfifílicos em bloco, a imiscibilidade entre os blocos

    dá origem à separação de microfases, seguida da formação de estruturas

    organizadas in bulk e em solução [7–9]. A ligação covalente entre os blocos

    impede que a separação de fases seja macroscópica. As estruturas organizadas

    dependem das propriedades físico-químicas de cada um dos blocos e apresentam

    tipicamente dimensões da ordem de 1-100 nm [10]. Para um copolímero anfifílico

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    4

    em bloco hipotético P(A-b-B), em que as variações de entalpia e entropia de

    mistura dos blocos são positiva e próxima de zero, respectivamente, a

    minimização de energia é alcançada pela diminuição da área interfacial. Assim, a

    formação de estruturas organizadas decorrente da separação de fases está

    associada à minimização de energia livre [11].

    A Figura 1.3 apresenta as estruturas típicas resultantes da separação de

    microfases para o mesmo copolímero em bloco hipotético P(A-b-B), porém com

    frações volumétricas de blocos variáveis. Os blocos A e B se segregam, formando

    domínios com dimensões uniformes e que se rearranjam de maneira regular.

    Como resultado, uma rede organizada aparece. A Figura 1.3 mostra como a

    morfologia de copolímeros dibloco (AB) varia com fração volumétrica dos blocos

    (A e B). Para a situação em que A B, ocorre a inversão de fases e o

    bloco A passa a constituir a matriz polimérica. A morfologia bicontínua ocorre

    quando ambos blocos A e B formam fases contínuas, resultando em uma rede

    interpenetrante [10].

    Figura 1.3. Estruturas formadas após a separação de microfases do copolímero em bloco

    P(A-b-B). Os números representam a fração volumétrica do bloco PA (A), para

    PA=poli(estireno) e PB=poli(isopreno). Adaptado da referência [10].

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    5

    A separação de fases do copolímero dibloco P(A-b-B) depende de três

    parâmetros básicos [11]:

    Grau de polimerização N, o qual representa a soma do grau de

    polimerização de cada bloco, N = NA + NB;

    Fração volumétrica dos blocos, o qual descreve o fator de geometria:

    fA = NA/N e fB = NB/N;

    Parâmetro de interação de Flory-Huggins, .

    O parâmetro determina a miscibilidade entre os blocos A e B. A

    dependência de com a temperatura e com a energia de interação entre os

    blocos ( ) é dada por:

    ( 1.1 )

    Em que z é o número de coordenação por unidade de repetição do polímero,

    kB é a constante de Boltzman, é a energia térmica, e , e se referem

    a energia de interação para os pares de A-B, A-A e B-B, respectivamente [8].

    A extensão da separação de fases varia desde a imiscibilidade (cada uma

    das fases é constituída por somente um dos componentes) até a miscibilidade

    (mistura caracterizada por uma única fase homogênea). Entre estes dois extremos

    deve-se considerar a “miscibilidade parcial” [12], caracterizada pela co-existência

    de fases que são misturas homogêneas. A Figura 1.4 ilustra o caso de

    miscibilidade parcial, que leva à segregação parcial dos componentes da mistura –

    segregação fraca – e o caso da imiscibilidade, que leva a fases com composição e

    interface bem definidas – segregação forte.

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    6

    Figura 1.4. Representação esquemática do perfil de concentração para o limite de

    segregação fraca e o limite de segregação forte, para um corte unidimensional da

    amostra, em que A representa a fração volumétrica do bloco A do copolímero hipotético

    P(A-b-B). Adaptado da referência [11].

    A extensão da separação de microfases é determinada pelo produto , tal

    como representado no diagrama versus A da Figura 1.5. O aumento de

    temperatura e/ou a diminuição de , resulta em uma morfologia desordenada [8].

    Quando o produto ultrapassa o valor crítico (ODT = transição ordem-

    desordem), os microdomínios dos blocos A e B se formam a partir da separação

    ordenada das microfases [4]. Quanto maior o produto , mais acentuada é a

    separação das microfases, podendo-se classificar em diferentes regimes [8,11]:

    : limite de segregação fraca, com formação de morfologia

    instável. A força motriz para a separação de fases é “fraca” (misG ~0), porém

    suficiente para ocorrer microseparação de fases.

    : limite de segregação forte, em que os domínios

    apresentam essencialmente os componentes puros (Figura 1.4). A

    imiscibilidade decorre de misG >> 0 e a microseparação de fases resulta em

    minimização da energia interfacial.

    Segregação forte

    Segregação fraca

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    7

    Figura 1.5. Diagrama de fases para um copolímero dibloco. No diagrama estão indicadas

    as regiões de estabilidade das fases desordenada (des), cúbica de corpo centrado (ccc),

    hexagonal (hex), lamelar (lam) e bicontínua (bic), em função do fator de geometria f e o

    produto , em que representa o parâmetro de interação de Flory-Huggins e N o grau

    de polimerização. Adaptado da referência [8].

    A formação de estrutura organizada em solução é favorecida ao se empregar

    solvente ou mistura de solventes seletivos a um dos blocos. Em solução, o

    comportamento de fases dos copolímeros em bloco é controlado pelas interações

    entre os segmentos das cadeias do polímero e as moléculas dos solventes, assim

    como a interação entre os segmentos do copolímero, o que leva ao aumento do

    grau de complexidade do sistema. Por exemplo, para uma solução do copolímero

    P(A-b-B) formada pela mistura dos solventes S e N, devem ser considerados seis

    parâmetros de interação: , , , , e . A separação e organização

    das fases depende, então, destes parâmetros que devidamente combinados

    podem resultar em estruturas organizadas, como micelas, lamelas, bastões,

    vesículas e outras [4].

    Diversos trabalhos da literatura relatam a formação de agregados

    organizados de copolímeros anfifílicos em bloco na fase sólida e em solução. Por

    exemplo, a formação de agregados micelares esféricos e cilíndricos dos

    copolímeros poli[metacrilato de butila-b-metacrilato de 2-(acetoacetoxil)etila], em

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    8

    solução de ciclohexano, foi observada por Sigel e colaboradores [13]. Os autores

    utilizaram microscopia de força atômica e experimentos de espalhamento de luz

    para comprovar a formação de estruturas organizadas para algumas composições

    do copolímero.

    Agregados micelares esféricos e cilíndricos também foram observados por

    Pizarro e colaboradores para os copolímeros de poli(metacrilato de 2-hidroxietila-

    b-fenilmaleimida) por microscopia eletrônica de transmissão [14], e por Oss-Ronen

    e colaboradores para copolímeros de poli(estireno-b-4-vinilpiridina) por

    microscopia eletrônica de transmissão criogênica e experimentos de

    espalhamento de nêutrons a baixo ângulo para as amostras em solução [15]. As

    estruturas dos agregados formados apresentaram dependência com a massa

    molar, fração volumétrica entre os blocos, fração volumétrica dos solventes THF e

    DMF e a inserção de água.

    A formação de micelas dos copolímeros baseados em metacrilato de 2-

    hidroxietila (HEMA) e acrilato de butila (BA), P(BA-b-HEMA) e P(HEMA-b-BA-b-

    HEMA), modificados com D-glucosamina em solução aquosa foi investigada por

    espalhamento de luz dinâmico e espalhamento de luz a baixo ângulo [16]. A

    formação de micelas esféricas também foi observada em outros trabalhos, por

    exemplo para copolímeros lineares e cíclicos baseados em poli(óxido de etileno)

    (PEO) e acrilato de butila [17], para os copolímeros de enxertia de celulose-g-

    PDMAEMA (PDMAEMA = metacrilato de N,N-dimetilamino-2-etila) [18] e para os

    copolímeros de PEO-b-PHMA [PHMA = poli(metacrilato de hexila] [19]. Observou-

    se formação de estrutura hexagonal na fase sólida do copolímero poli(estireno-b-

    L-lactídeo) [20] e também em fase sólida para o copolímero PEO-b-PHMA [19]

    com fração mássica de 44% PEO. Já o copolímero PEO-b-PHMA com 68% (m/m)

    de PEO apresentou estrutura lamelar [19].

    1.2. A Sacarose Como Precursor Polimérico

    Materiais baseados em carboidratos têm apresentado especial destaque em

    pesquisas devido à crescente tendência pela busca de materiais oriundos de

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    9

    fontes sustentáveis e que sejam biodegradáveis e biocompatíveis [21,22]. Tratam-

    se de materiais vantajosos do ponto de vista econômico e ambiental, uma vez que

    são produzidos em larga escala, naturalmente e a partir de fontes renováveis.

    Entre os carboidratos, a sacarose merece especial atenção por ser um

    material de baixo custo e produção abundante, considerada o carboidrato de baixa

    massa molar de maior abundância mundial [23]. A sacarose é produzida a partir

    da beterraba e da cana-de-açúcar, sendo a cana-de-açúcar o insumo responsável

    pela produção de três quartos do açúcar mundial [24]. O Brasil é o produtor mais

    importante de cana-de-açúcar: estima-se que, para a safra de 2014/15, a

    produção seja de 659,10 milhões de toneladas de cana-de-açúcar moída [25].

    Embora produzida em abundância, no Brasil seu principal uso é limitado a

    finalidades alimentícias e para indústrias de fermentação [24], que consomem em

    torno de 46 % e 54 % da sacarose produzida, respectivamente.

    A sacarose, comumente conhecida como açúcar, é um dissacarídeo formado

    por uma molécula de glicose (C1C6, Figura 1.6) condensada a uma molécula de

    frutose (C1’C6’, Figura 1.6) através de ligação glicosídica entre dois carbonos

    anoméricos (C1-O-C2’, Figura 1.6), que apresenta caráter altamente hidrofílico

    devido à presença de oito hidroxilas livres.

    Figura 1.6. Estrutura química da sacarose.

    Há três possíveis rotas de transformação da sacarose em produtos de maior

    valor agregado [24]: a) degradação da sacarose, através de cisão/formação de

    ligações químicasa e desidratação; b) derivatização e rearranjo da estrutura do

    a Processo utilizado pela Braskem, por exemplo, para a produção de bioetileno a partir da

    conversão da sacarose em bioetanol, seguido de sua desidratação.

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    10

    carboidrato via inversão da sacarose em D-glicose e D-frutoseb e/ou rearranjo da

    molécula em outros carboidratosc e c) derivatização mantendo sua estrutura.

    Na terceira rota, as hidroxilas reagem com outras moléculas, mantendo a

    estrutura original da sacarose. Um exemplo prático de derivatização que mantém

    a estrutura é a síntese de ésteres de sacarose, ao reagir a sacarose com um ácido

    graxo [26–28]. Os ésteres de sacarose são disponíveis comercialmente e

    apresentam aplicações como surfactantes e como carreadores de fármacos [26].

    O valor de HLBd (hydrophylic hydrophobic balance) desses surfactantes varia de 3

    a 16 para o estearato de sacarose (C18) ao laurato de sacarose (C12),

    respectivamente [29].

    No entanto, no que tange a síntese de polímeros lineares e não reticulados

    em que o sacarídeo não faz parte da cadeia principal, mas é um grupo pendente,

    a sacarose não apresenta um grupo reativo passível de polimerização direta (por

    exemplo, o grupo olefina) ou um único grupo de fácil derivatização por rotas

    orgânicas clássicas para a conversão em outras espécies polimerizáveis (por

    exemplo, a carbonila). Assim torna-se necessário a derivatização da sacarose. A

    sacarose é uma molécula polifuncional - apresenta oito hidroxilas com reatividades

    similares. Tendo isso em vista, deve-se usar condições especiais de síntese para

    que a reação seja seletiva à monossubstituição. A obtenção do produto

    monossubstituído é importante para a etapa de polimerização, para se atingir um

    polímero não reticulado. Do contrário, duas ou mais substituições resultarão em

    monômeros polifuncionais (agentes reticulantes) que, ao serem polimerizados,

    formarão ligações cruzadas entre as cadeias. Por exemplo, o precursor de

    sacarose polissubstituído por olefinas, sintetizado por Desvergnes-Breuil e

    colaboradores [30], pode ser aplicado como um agente reticulante na etapa de

    polimerização, visto que a reatividade dos substituintes é a mesma.

    b A derivatização da sacarose em D-glicose e D-frutose é realizada em meio ácido ou na presença

    da enzima -D-invertase. c Por exemplo, o rearranjo da sacarose em isomaltose ou trealose, realizado via catálise

    enzimática. d HLB é a medida do grau de hidrofilicidade do surfactante. Em geral, quanto maior seu valor,

    maior a hidrofilicidade.

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    11

    Há duas alternativas sintéticas para a síntese de monômeros

    monossubstituídos: a catálise não enzimática, que envolve etapas de

    proteção/desproteção das hidroxilas, por exemplo [31–34] e a enzimática.

    A catálise não enzimática é a mais trabalhosa para a produção de

    monômeros, uma vez que envolve elevado consumo de reagentes, várias etapas

    de reação [35,36] e dificuldade experimental. Por exemplo, a síntese do

    metacrilato de sacarose via rota química deve ser iniciada rigorosamente a 0 ºC

    após lenta adição do reagente anidrido metacrílico [33]. Já a catálise enzimática

    aparece como uma solução para se obter um produto regiosseletivo. A

    versatilidade, seletividade e rendimento da catálise enzimática despertaram

    grande interesse no ramo de síntese, marcando-a como a principal rota sintética

    para obtenção de sacarose modificada monosubstituída [37–46]. Os principais

    pontos discutidos nesses trabalhos são acerca da escolha adequada do solvente,

    que solubilize a sacarose e seja atóxico à enzima, a seletividade a apenas uma

    hidroxila e a otimização das condições para monosubstituição no menor tempo

    possível.

    Daudé e colaboradores descrevem em seu artigo de revisão [47] a inserção

    de grupos fosfatos, benzoatos, cetonas, ésteres, éteres e acetatos, bem como a

    inserção de outros carboidratos, como a lactose, a galactose, a frutose e outros, à

    molécula da sacarose. Ainda em seu artigo, os autores associam a enzima com a

    hidroxila de maior atividade, conforme resumido na Tabela 1.1.

    Em relação a derivados de sacarose com potencial de aplicação na síntese

    de polímeros, a síntese do monômero 1’-O-metacrilato de sacarose (SMA) foi

    otimizada pelo Grupo de Pesquisa em Polímeros (GPPol), empregando a enzima

    Proteinase-N [48,49] e baseado em trabalhos da literatura [50,51]. A otimização foi

    realizada em termos de rendimento do monômero monossubstituído frente ao

    dissubstituído. Esse monômero mantém as características hidrofílicas da sacarose

    com apenas uma única substituição na hidroxila 1’.

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    12

    Tabela 1.1. Possíveis derivados regioseletivos de sacarose sintetizados via catálise

    enzimática, classificados quanto a hidroxila substituída (vide Figura 1.6), a enzima e o

    produto [47].

    Hidroxila Enzima Produto

    2 Metalloprotease Éster

    Pyranose oxidase Cetona

    3 -galactosidase Galactose-C3

    Pyranose dehydrogenase Cetona

    4

    Fructansucrases ou

    -galactosidase Frutose-C4

    Levansucrase Glicose-C4

    6

    Sucrose phosphotransferase Fosfato

    Lipase Éster

    -galactosidase Galactose-C6

    -fructofuranosidase Frutose-C6

    1’ Protease Éster

    Fructosyltransferase Frutose-C1’

    4’ Serine Protease Éster

    6’ -fructofuranosidase Frutose-C6’

    Lipase Éster

    A literatura descreve outros possíveis precursores poliméricos a partir da

    sacarose, como o 1’-acrilato de sacarose empregando a enzima Optimase M-440

    [52] e 6-vinil-éster de sacarose utilizando a enzima Lipase [41]. Além desses,

    todos os trabalhos envolvendo a síntese de ésteres de sacarose, como por

    exemplo os trabalhos de Riva e colaboradores [37], de Yang e colaboradores [39],

    de Kim e colaboradores [44] e de Rich e colaboradores [45], podem ser adaptados

    para sintetizar monômeros pela substituição do reagente (éster) por um que

    apresente a ligação C=C (ésteres acrílicos ou vinílicos), por exemplo.

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    13

    Polímeros derivados de sacarose são classificados como glicopolímeros –

    macromoléculas que apresentam grupo sacarídeo como grupo pendente [53]. Os

    glicopolímeros são sintetizados através da polimerização direta dos

    glicomonômeros, ou através da inserção de grupos sacarídicos no polímero pré-

    sintetizado. Essa classe de materiais tem crescido muito nos últimos tempos, visto

    o grande número de artigos de revisão sobre o assunto [54–58]. Os artigos

    atribuem aos glicopolímeros diversas aplicações, como carreadores de fármacos,

    sistema para reconhecimento de lectinase, calabouços para engenharia tecidual,

    usos terapêuticos, surfactantes, detergentes e outras.

    A inserção de grupos sacarídicos, incluindo a sacarose, ao poli(estireno-co-

    anidrido maleico) foi realizada por Galgali [59]. Por se tratar de um material

    proveniente de fonte natural, é esperado que as moléculas sacarídicas inseridas

    ao copolímero atuassem como fonte de carbono a microrganismos e, assim,

    promovessem a biodegradabilidade parcial do material. De fato constatou-se que

    a inserção de 3 % em massa de sacarose ao copolímero resultou em perda de

    massa de 10, 14 e 20 % dos polímeros frente à degradação pelos fungos

    Penicillium ochro-cloron, Pullularia pullulans e Trichoderma sp., respectivamente,

    ao passo que o copolímero não modificado não apresentou perda de massa,

    comprovando a capacidade da sacarose na indução da biodegradabilidade a

    materiais não biodegradáveis.

    Barros e colaboradores [31] realizaram a copolimerização de derivados de

    sacarose e estireno via polimerização radicalar livre e avaliaram a

    biodegradabilidade dos copolímeros frente ao fungo Aspergillus niger. O

    copolímero de 6-O-metacriloila de sacarose submetido a ensaios de

    biodegradação apresentou redução da massa consideravelmente superior ao

    poliestireno puro, com formação de resíduo rico em poliestireno. A

    biodegradabilidade também foi avaliada em termos de crescimento celular dos

    fungos, visto que os polímeros podem atuar como fonte de carbono. Para o

    copolímero derivado de sacarose observou-se o crescimento celular de cerca de

    e Lectina é uma classe de proteínas capaz de se ligar a carboidratos. Os mecanismos da interação

    carboidrato-lectina ainda são desconhecidos e, por isso, amplamente investigados.

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    14

    60 % maior ao verificado para o poliestireno, indicando que a sacarose favorece o

    ambiente para a proliferação de microorganismos que promovem a

    biodegradação. Em outro trabalho, Barros e colaboradores [33] sintetizaram

    copolímeros de estireno, metacrilato de metila ou - e -pinenos com o acrilato de

    sacarose, sendo as hidroxilas da sacarose na forma desprotegida ou protegida.

    Por protegida se entende as hidroxilas que foram acetiladas, ao passo que

    desprotegidas significa as hidroxilas que estão livres. Observou-se que os

    copolímeros com as hidroxilas da sacarose desprotegidas promovem maior

    crescimento celular do fungo A. niger que os copolímeros com as hidroxilas da

    sacarose protegidas [33]. Assim, no caso em que se deseja materiais

    biodegradáveis, é interessante a manutenção das hidroxilas da sacarose após a

    derivatização.

    Glicopolímeros de sacarose apresentam aplicação como hidrogéis, dado o

    caráter hidrofílico da sacarose. Hidrogéis de copolímeros baseados em glicidil-

    metacrilato de sacarose e metacrilato de hidroxietila foram sintetizados por

    Ferreira e colaboradores [60]. O aumento da fração molar de sacarose de 0 a 0,6,

    elevou o grau de intumescimento em água de 40 % a 60 %, respectivamente.

    Os hidrogéis superporosos de poli(glicidil-acrilato de sacarose) modificados

    com surfactantes, sintetizados por Chen e Park, apresentaram elevado grau de

    intumescimento em água e alta taxa de degradação em solução básica [61].

    A sacarose é uma substância que apresenta capacidade de desviar o plano

    da luz polarizada devido à presença de centros quirais. Barros e Siñeriz [62]

    observaram que, para os copolímeros derivados de acrilato de sacarose e

    comonômeros de estireno (S) ou metacrilato de metila (MMA), a rotação óptica

    diminui progressivamente com o aumento da fração molar do comonômero não

    ativo opticamente, no caso o MMA e o S. O mesmo comportamento foi observado

    por Barros e colaboradores para os copolímeros aleatórios de estireno e derivado

    de sacarose [31].

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    15

    Copolímeros aleatórios baseados em metacrilato de sacarose (SMA) e N-

    isopropilacrilamida (NIPAAm) ou MMA, sintetizados por Oliveira e Felisberti [48],

    apresentaram propriedades físico-químicas dependentes da composição, tais

    como temperatura de transição vítrea, solubilidade, intumescimento e estabilidade

    térmica. Além disso, soluções aquosas dos copolímeros de SMA e NIPAAm

    apresentam comportamento LCST (Lower Critical Solution Temperature). Além

    destes, outros copolímeros de SMA com os monômeros metacrilato de laurila

    (LMA) ou acetato de vinila (AV) [63], e hidrogéis baseados em SMA e nos

    comonômeros NIPAAm [64], ácido acrílico, metacrilato de dietileno glicol metil éter

    e acrilato de dimetilaminoetila [65], foram sintetizados por polimerização radicalar

    livre pelo grupo. Copolímeros em bloco de P(SMA-b-MMA) também foram

    sintetizados via polimerização radicalar controlada [66]. Neste último caso, o

    caráter anfifílico dos copolímeros confere organização do polímero em solução.

    Estes trabalhos mostraram que o SMA, mesmo em pequenas quantidades,

    contribui para mudanças drásticas de hidrofilicidade dos copolímeros.

    1.3. Polimerização Radicalar Controlada

    A polimerização via radical livre é uma das mais simples e importantes

    técnicas para produção de polímeros. Apresenta, porém, uma limitação quanto ao

    controle de alguns elementos-chave do polímero como a massa molar, a

    polidispersidade e a arquitetura da cadeia. A dificuldade no controle das

    propriedades é devido, em grande parte, ao caráter aleatório da reação,

    consequência da elevada reatividade dos radicais e pela impossibilidade de evitar

    que reações de término aconteçam.

    Polímeros com estrutura bem definidas têm sido obtidos através de uma rota

    sintética promissora: a polimerização radicalar controlada (CRP, do inglês

    controlled radical polymerization) [67]. Polímeros com topologia e estrutura

    complexas podem ser sintetizados empregando CRP. A Figura 1.7 apresenta as

    arquiteturas passíveis de serem obtidas via CRP.

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    16

    Figura 1.7. Arquiteturas possíveis para polímeros sintetizados via CRP. Adaptado da

    referência [10].

    A polimerização radicalar controlada é um dos tópicos de maior crescimento

    na área de ciências de polímeros. A Figura 1.8 apresenta o número de artigos

    publicados nos últimos 19 anosf contendo as palavras-chave “controlled radical

    polymerization” ou “living radical polymerization”, empregando a ferramenta de

    busca Web of Science™. É notável o aumento do número de publicações no

    período, sendo o total acumulado de 1995 até o presente de quase 15.000 artigos.

    Figura 1.8. Número de artigos publicados sobre polimerização radicalar controlada

    através de busca via Web of Science™, com as palavras-chave “controlled radical

    polymerization” ou “living radical polymerization”.

    f Pesquisa realizada no dia 6 de janeiro de 2015.

    0

    200

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    600

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    ado

    s

    Ano

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    17

    Vários requisitos devem ser cumpridos para caracterizar uma polimerização

    como controlada/viva. Solomon e Moad [2] e Matyjaszewski [68] descrevem quatro

    requisitos essenciais em caso de idealidade:

    (a) A massa molar deve aumentar linearmente com a conversão.

    (b) A polimerização deve seguir cinética de pseudo-primeira ordem em

    relação à concentração de monômero, cuja lei de velocidade integrada é dada

    pela equação 1.2:

    (1.2)

    Em que [M]t é a concentração de monômero no tempo t, [M]0 é a

    concentração inicial de monômero, kap é a constante aparente de polimerização e t

    representa o tempo de polimerização.

    (c) O polímero deve apresentar distribuição estreita de massa molar. O valor

    máximo de polidispersidade aceito é 1,5, pois é o menor valor alcançado por uma

    polimerização radicalar livre, polimerização em que não há controle de

    polidispersidade (PDI). A polimerização radicalar controlada ideal resulta em

    polímeros cuja distribuição de massa molar pode ser descrita pela Lei de Poisson

    (equação 1.3) [2]. Assim, quanto maior o grau de polimerização (DP), situação de

    alta conversão, menor o valor de PDI.

    (1.3)

    Os valores típicos de polidispersidade conferida a polímeros sintetizados por

    diferentes rotas são apresentados na Tabela 1.2 [69]. Comparativamente, a

    polimerização aniônica é a que mais se aproxima da CRP em termos de

    polidispersidade.

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    18

    Tabela 1.2. Valores típicos de distribuição de massa molar para diferentes rotas de

    polimerização radicalar [69].

    Rota Polidispersidade

    Polimerização controlada 1,0 – 1,5

    Catálise enzimática (proteínas naturais) 1,0

    Polimerização aniônica 1,02 – 1,5

    Polimerização radicalar 1,5 – 3,0

    Catálise Ziegler-Natta 2 – 40

    Catálise metalocênica 2 – 2,5

    (d) A funcionalidade, caracterizada pela presença de um grupo funcional

    terminal, deve ser preservada. Assim, a polimerização ocorre até o pleno consumo

    de monômero e deve continuar no caso da adição de mais monômero.

    Atualmente existem diversos tipos de CRP, por exemplo RAFT (do inglês,

    reversible-addition-fragmentation chain-transfer polymerization), NMP (do inglês,

    nitroxide mediated polymerization) [67], e ATRP [70] (do inglês, atom transfer

    radical polymerization), desenvolvida por Wang e Matyjaszewski [71]. A ATRP é

    uma das técnicas mais versáteis empregadas para se ter controle em

    polimerização radicalar [2,3,66,68,70–72].

    A ATRP se baseia no equilíbrio de uma espécie dormente e uma espécie

    ativa [70]. O Esquema 1.1 resume o mecanismo geral de ATRP. Os radicais Pn●

    (espécies ativas) são gerados a partir da espécie dormente (Pn-X, onde

    X=halogênio) através de um processo redox reversível, catalisado por um

    complexo de metal de transição (MeL-Y/Ligante). Em geral, o metal de transição e

    o ligante são o cobre (I) e uma amina terciária polifuncional, respectivamente. A

    espécie dormente, como próprio nome sugere, é uma cadeia que não está em

    crescimento, mas que poderá momentaneamente ser ativada (kativ), para (re)iniciar

    a polimerização. Nesta etapa, a ligação carbono-halogênio da espécie dormente

    (geralmente um brometo de alquila) sofre cisão homolítica. Ocorre então a

    formação da espécie propagadora radicalar, ou espécie ativa (Pn●). A espécie

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    19

    ativa participa da etapa de propagação da polimerização e promove o crescimento

    da cadeia (sob constante cinética kp) ao reagir com m monômeros M, formando a

    espécie radicalar Pn+m●. O crescimento é interrompido quando a espécie ativa (Pn●

    ou Pn+m●) reage com o catalisador na forma oxidada, a espécie (X-MeL+1-

    Y/Ligante), gerando novamente a espécie dormente (Pn-X), sob constante cinética

    kdesat. A constante de desativação kdesat é muito maior que a constante de ativação

    kativ para a polimerização ATRP. Assim, a espécie ativa existe por um curto

    intervalo de tempo, de forma que sua concentração no meio reacional se mantém

    sempre baixa, impossibilitando a ocorrência de reações de terminação (kt) [70].

    Esquema 1.1 Mecanismo de polimerização via ATRP: X e Y são átomos de halogênio;

    Pn● e Pn+m

    ● são radicais orgânicos; kativ é a constante de ativação; kdesat é a constante de

    desativação; kp é a constante de polimerização.

    Como observado no Esquema 1.1, a técnica ATRP é composta por um

    sistema multicomponente, envolvendo tipicamente o monômero, o catalisador, o

    iniciador e o ligante. Aditivos podem também ser utilizados, como o desativador e

    o solvente.

    Monômero

    Diversos monômeros são passíveis de polimerização por ATRP, sendo que a

    reatividade dos monômeros segue a ordem: acrilonitrila > metacrilatos > estireno ~

    acrilatos > acrilamidas >> cloreto de vinila > acetato de vinila. Os monômeros

    apresentam reatividades distintas em função da estabilidade do radical, polaridade

    do monômero e efeitos estéricos [3].

    + +kativ

    kdesatespéciedormente

    catalisador

    Pn●

    kp mM

    Pn+m●

    Pn-X MeL-Y/Ligante X-MeL+1-Y/Ligante

    espécieativa

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    20

    Catalisador

    O catalisador é a espécie responsável pelo equilíbrio entre a espécie

    dormente e a espécie ativa. Um grande número de complexos de metais de

    transição é aplicável a ATRP. O cobre é um dos mais relatados na literatura

    devido à sua versatilidade e custo [70].

    Iniciador

    Em geral, são haletos de alquila, cuja principal função é determinar o número

    de espécies em crescimento. Dois parâmetros são importantes na escolha do

    iniciador: (i) a iniciação deve ser rápida em comparação à propagação e (ii) a

    probabilidade de reações laterais ocorrerem deve ser baixa [70].

    A iniciação deve ser rápida e quantitativa para que o número de espécies em

    crescimento seja constante e igual à concentração inicial do iniciador. Assim, o

    grau de polimerização (DP) e a massa molar teórica aumentam linearmente com a

    conversão, conforme equação (1.4) [70].

    (1.4)

    Ligante

    O principal papel do ligante é solubilizar o catalisador (sal de metal de

    transição) no meio reacional e ajustar a reatividade do metal central ao variar seu

    potencial redox. O potencial redox é modelado de acordo com a estrutura do

    ligante, que afeta o equilíbrio entre a espécie dormente e espécie ativa [70].

    Aditivos

    Vários aditivos podem ser empregados em ATRP. A adição de pequena

    quantidade de Cu(II) pode favorecer maior controle da reação, pois este atua no

    sentido de deslocar o equilíbrio em favorecimento da espécie dormente. Neste

    caso, o Cu(II) atua como desativador.

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    21

    O uso de solventes é importante principalmente quando o polímero obtido é

    insolúvel em seu monômero ou este último é sólido. Deve-se levar em

    consideração a possibilidade de que a estrutura do complexo catalítico possa ser

    afetada na presença de solvente. Vários solventes são empregados para a

    polimerização de diversos monômeros, como benzeno, tolueno, anilose, difenil

    éter, acetato de etila, água, dimetilformamida e outros [70].

    1.4. Polímeros de Metacrilato de Alquila

    Metacrilatos são ésteres formados por um grupo carbonila, uma insaturação

    e dois grupos substituintes, geralmente grupos alquilas, como mostrado na Figura

    1.9. Os metacrilatos de alquila (MAlq) estudados nesse trabalho são o metacrilato

    de etila (EMA, R = -CH2CH3), o metacrilato de n-butila (BMA, R = -CH2(CH2)2CH3)

    e o metacrilato de n-hexila (HMA, R = -CH2(CH2)4CH3) e seus polímeros, o

    poli(metacrilato de etila) [PEMA], o poli(metacrilato de n-butila) [PBMA], e o

    poli(metacrilato de n-hexila) [PHMA].

    CCH2

    CH3

    C O

    OR

    CH2 C

    C

    CH3

    H

    O

    O

    R

    Hn

    Polimerização

    Metacrilato de alquila Poli(metacrilato de alquila)

    Figura 1.9. Estruturas químicas do monômero metacrilato de alquila e do polímero

    poli(metacrilato de alquila), em que R representa o grupo lateral alquila.

    Historicamente, o primeiro trabalho a respeito de polimetacrilatos foi

    publicado em 1877, por Fitting e Paul. Mas apenas em 1901 o potencial técnico de

    polimetacrilatos foi reconhecido pelo alemão Röhm, que depositou uma patente

    em 1914. Sua empresa, a Röhm & Haas, passou então a produzir o

    poli(metacrilato de metila) a partir de 1934, e logo a seguir outras empresas,

    como a americana DuPont e a britânica Imperial Chemical Industries também

    começaram a produzir os chamados vidros acrílicos ou vidros orgânicos [75].

    Metacrilatos de alquila podem ser polimerizados via polimerização radicalar livre,

  • Dissertação de Mestrado Paula de Almeida

    22

    polimerização aniônica e polimerização controlada, in bulk, em solução, em

    suspensão e em emulsão [75].

    Os polimetacrilatos, em geral, apresentam propriedades interessantes, como

    transparência, resistência a intempéries, baixa absorção no ultravioleta, boas

    propriedades mecânicas e facilidade para termomoldagem. São amplamente

    empregados como substituintes de vidro, como luminárias, janelas, painéis de

    construção e proteção, prótese dentária, lente de contato e fibras ópticas [75,76].

    Poli(metacrilatos de n-alquila) são comprovadamente biocompatíveis e estáveis in

    vivo e, assim, apresentam aplicações na área biomédica [77–79] e em sistemas

    de liberação de fármacos [80,81].

    Os metacrilatos de alquila EMA, BMA e HMA são empregados na síntese de

    diversos copolímeros. Na literatura existem relatos de copolímeros compostos por

    metacrilato de alquila e os comonômeros acrilonitrila [82,83], metacrilatos [13,84],

    ácido metacrílico [85], estireno [86], N-vinil pirrolidona [80], metacrilamida [87].

    Também existem relatos de copolimerização de metacrilatos de alquila com

    produtos naturais, como por exemplo o amido [88–90], a amilose [91], derivados

    de glicose (metacrilato de 2-{[(D-glucosamin-2-N-il)carbonil]oxi}etila) [92],

    derivados de furanose (3-O-metacriloil-1,2:5,6-di-O-isopropilideno--D-

    glucofuranose) [93], quitosana [94], etc. No entanto, não foram encontrados

    relatos de copolímeros constituídos pelos metacrilatos de alquila desse trabalho e

    o metacrilato de sacarose. As aplicações de copolímeros de poli(metacrilatos de

    alquila), em geral, envolvem o desenvolvimento de nanocompósitos [95–97], de

    blendas [98–103], de redes interpenetrantes [104,105], de membranas eletrofiadas

    [78], de materiais para a área biomédica [84], de filmes com propriedades elétricas

    [106] e outras.

    O estudo de uma série homóloga de MAlq é comum na literatura quando se

    quer avaliar o reflexo do grupo lateral no comportamento do material, já que as

    propriedades de poli(metacrilatos de alquila) vari