Síntese e caracterização do copolímero poli(3-hidroxibutirato-co-ε-caprolactona) a partir de poli (3-hidroxibutirato) e poli(ε-caprolactona)

Synthesis and characterization of the copolymer poly(3-poly(3-hydroxybutyrate)-co-ε-caprolactone) from poly(3-hydroxybutyrate) and poly(ε-caprolactone)

Resumos

O copolímero poli(3-hidroxibutirato-co-ε-caprolactona) foi sintetizado por transesterificação, a partir dos homopolímeros PHB e PCL, usando acetilacetonato de zircônio(IV), como catalisador, nas concentrações de 20, 50 e 80% de PHB em massa. Os copolímeros foram caracterizados por GPC, métodos espectroscópicos (RMN-¹H, RMN-13C e IV-FT) e métodos térmicos (TG e DSC). A rota de síntese utilizada mostrou-se eficaz na síntese dos copolímeros P(HB-co-CL), os quais mostraram diminuição das cadeias poliméricas, apresentando Mw inferior a 24.000Daltons. Todos os copolímeros obtidos são termicamente mais estáveis que o PHB e com menor cristalinidade que os homopolímeros de partida. Esses materiais são bons candidatos para utilização como biomateriais em matrizes para liberação controlada de fármacos ou mesmo como compatibilizante em blendas PHB/PCL.

Biopolímeros; PHB; PCL; copolímero P(HB-co-CL)

In the present work, the copolymer poly(3-hydroxybutyrate-co-ε-caprolactone), P(HB-co-CL), was prepared by transesterification reaction from PHB and PCL. Zirconium (IV) acetylacetonate was used as catalyst and the copolymers were obtained in a wide range of compositions of PHB/PCL (20/80, 50/50, 80/20). These copolymers were characterized by GPC, FT-IR, ¹H-NMR, 13C-NMR, TG, and DSC. The copolymers had weight average molecular weight less than 24.000 Daltons. All the systems were thermally more stable than PHB, showing lower crystallinity than the homopolymers. These materials are good candidates to be used as biomaterials, in drug release matrices, or even as PHB/PCL blends compatibilizers.

Biopolymers; PHB; PCL; P(HB-co-CL) copolymer

ARTIGO TÉCNICO CIENTÍFICO

Síntese e caracterização do copolímero poli(3-hidroxibutirato-co-ε-caprolactona) a partir de poli (3-hidroxibutirato) e poli(ε-caprolactona)

Synthesis and characterization of the copolymer poly(3-poly(3-hydroxybutyrate)-co-ε-caprolactone) from poly(3-hydroxybutyrate) and poly(ε-caprolactone)

Juan P. B. Roa^I; Valdir Mano^II; Patrícia B. Faustino^II; Eduardo B. Felix^III; Maria Elisa S. Ribeiro e Silva^III; José D. Souza Filho^IV

^IInstituto de Ciência e Tecnologia, UFVJM

^IIDepartamento de Ciências Naturais, UFSJ

^IIIDepartamento de Engenharia Química, UFMG

^IVDepartamento de Química, UFMG

^{Autor para correspondência}

RESUMO

O copolímero poli(3-hidroxibutirato-co-ε-caprolactona) foi sintetizado por transesterificação, a partir dos homopolímeros PHB e PCL, usando acetilacetonato de zircônio(IV), como catalisador, nas concentrações de 20, 50 e 80% de PHB em massa. Os copolímeros foram caracterizados por GPC, métodos espectroscópicos (RMN-¹H, RMN-¹³C e IV-FT) e métodos térmicos (TG e DSC). A rota de síntese utilizada mostrou-se eficaz na síntese dos copolímeros P(HB-co-CL), os quais mostraram diminuição das cadeias poliméricas, apresentando Mw inferior a 24.000Daltons. Todos os copolímeros obtidos são termicamente mais estáveis que o PHB e com menor cristalinidade que os homopolímeros de partida. Esses materiais são bons candidatos para utilização como biomateriais em matrizes para liberação controlada de fármacos ou mesmo como compatibilizante em blendas PHB/PCL.

Palavras-chave: Biopolímeros, PHB, PCL, copolímero P(HB-co-CL).

ABSTRACT

In the present work, the copolymer poly(3-hydroxybutyrate-co-ε-caprolactone), P(HB-co-CL), was prepared by transesterification reaction from PHB and PCL. Zirconium (IV) acetylacetonate was used as catalyst and the copolymers were obtained in a wide range of compositions of PHB/PCL (20/80, 50/50, 80/20). These copolymers were characterized by GPC, FT-IR, ¹H-NMR, ¹³C-NMR, TG, and DSC. The copolymers had weight average molecular weight less than 24.000 Daltons. All the systems were thermally more stable than PHB, showing lower crystallinity than the homopolymers. These materials are good candidates to be used as biomaterials, in drug release matrices, or even as PHB/PCL blends compatibilizers.

Keywords: Biopolymers, PHB, PCL, P(HB-co-CL) copolymer.

Introdução

Dentre os vários materiais biodegradáveis, podemos citar a família dos poli(hidroxialcanoatos), PHAs, poliésteres provenientes de fontes renováveis, produzidos por uma ampla variedade de microrganismos como forma de reserva intracelular de carbono e energia^[1]. Dentro da família dos PHAs destaca-se o poli(3-hidroxibutirato), PHB, que apresenta propriedades similares às do polipropileno^[2], sendo, porém, mais duro e quebradiço^[3].

Tem crescido significativamente o interesse no estudo do PHB pelo seu variado potencial de aplicação, como em membranas^[4] e na preparação de copolímeros, usando o hidroxivalerato, ou de compósitos com hidroxiapatita como forma de torná-lo menos quebradiço, no sentido de aumentar sua empregabilidade.

O PHB é um poliéster termoplástico de origem microbiana sintetizado por diversas bactérias (por exemplo, Alcaligenes eutrophus e Rhodospirillum rubrum) que ocorrem naturalmente no solo. Esse é, em muitos casos, o polímero que mais se aproxima de um eco-material ideal: é obtido de fontes renováveis, é facilmente biodegradado em solos de compostagem, é biorreabsorvível e biocompatível (pode ser usado em implantes médicos ou como substrato para crescimento celular)^[5,6]. Infelizmente, a exploração comercial desse polímero tem sido dificultada devido a alguns fatores, como a alta cristalinidade, dificuldades de processamento e alto custo de produção.

A poli(ε-caprolactona), PCL, é um polímero semicristalino, tenaz e flexível, possui baixa temperatura de transição vítrea, Tg entre –60 e –70 ºC, e funde-se a cerca de 60 ºC, apresentando boas propriedades mecânicas e grande potencial para uso como biomaterial. Sua biocompatibilidade permite aplicações nos campos biomédico e farmacêutico. Por exemplo, sua alta permeabilidade a drogas tem permitido testes em sistemas de liberação controlada de fármacos^[7]. A PCL apresenta boa solubilidade em solventes orgânicos comuns e pode ser degradado enzimaticamente, sendo que sua degradação in vivo é mais lenta que a do PHB^[8]. As estruturas condensadas dos homopolímeros PCL e PHB são mostradas na Figura 1.

O investimento no desenvolvimento de novos polímeros é alto e demanda muito tempo. Uma alternativa importante para minimizar esses custos é a modificação de polímeros já existentes, como a preparação de blendas e copolímeros. Estudos para a formação de oligômeros de PHB para a síntese de copolímeros vêm sendo realizados com sucesso^[9]. Exemplos bem sucedidos utilizando o PHB como constituinte são os copolímeros biodegradáveis multiblocos de PHB/PEG^[10].

Diversos estudos sobre as propriedades de blendas PHB/PCL vêm sendo realizados para possibilitar sua aplicação. A obtenção de blendas por mistura no estado fundido se mostrou uma maneira eficiente de processamento, sem que o PHB seja consideravelmente degradado, gerando, porém, blendas imiscíveis com uma composição de PCL variando de 5 a 30% em massa^[5].

Como forma de aumentar a empregabilidade do PHB e diminuir seu custo de produção, a formação de blendas é uma alternativa interessante e, dependendo dos constituintes, um caminho viável para a produção de novos materiais. A blenda PHB/PCL é imiscível^[2,5,11], por isso, a utilização de um agente compatibilizante é uma boa saída para melhorar suas propriedades. O copolímero P(HB-co-CL) é um material que, além de manter diversas características dos homopolímeros constituintes, pode aumentar a miscibilidade entre os componentes da blenda PHB/PCL^[12,13]. Impallomeni e colaboradores^[14] sintetizaram com sucesso o copolímero poli(3-hidroxibutirato-co-ε-caprolactona), P(HB-co-CL), por transesterificação a partir de PHB e PCL, usando o ácido p-toluenossulfônico como catalisador.

Neste trabalho relatamos a obtenção do copolímero poli(3-hidroxibutirato-co-ε-caprolactona) em solução, usando como catalisador o acetilacetonato de zircônio(IV) a partir dos homopolímeros PHB e PCL, em diferentes composições em massa de PHB/PCL (20/80, 50/50, 80/20). Os copolímeros foram caracterizados por métodos térmicos (termogravimetria, TG, e calorimetria exploratória diferencial, DSC) e espectroscópicos (infravermelho, IV-FT, e ressonância magnética nuclear de prótons, RMN-¹H, e de carbono13, RMN-¹³C).

Parte Experimental

Os homopolímeros utilizados foram o PHB (Mn 130.000Daltons), fornecido pela PHB Industrial (São Paulo, Brasil), e o PCL (Mn 80.000Daltons), adquirido junto à Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA). Os solventes dicloroetano, tolueno, clorofórmio, éter de petróleo e etanol (todos de grau analítico), fornecidos pela Synth (Diadema, SP,Brasil), e o acetilacetonato de zircônio(IV), fornecido pela Sigma-Aldrich (St. Louis, MO,USA), foram utilizados sem prévia purificação.

O PHB foi dissolvido em clorofórmio na concentração de 5%(m/v), mantido sob refluxo durante 45minutos e, em seguida, filtrado e precipitado em éter de petróleo na proporção 1:5 (v/v). Este procedimento foi realizado duas vezes. O material obtido foi então filtrado, seco a vácuo e mantido em estufa a 50 ºC por 24horas.

A rota sintética empregada na transesterificação entre PHB e PCL, para a síntese dos copolímeros, foi baseada no método de Impallomeni e colaboradores^[14]. Os homopolímeros foram dissolvidos numa mistura tolueno:dicloroetano a 3:1(v/v), em um balão volumétrico de duas bocas, e mantidos sob refluxo por 8horas sob atmosfera inerte de argônio. Em seguida, foi adaptado um Dean-Stark e o sistema foi destilado durante 4horas ainda sob atmosfera de argônio. A massa total de PHB e PCL foi de 2g, respeitando as seguintes proporções: 20, 50 e 80% em massa de PHB, denominados ZR20, ZR50 e ZR80, respectivamente. Em cada meio reacional foi adicionado 0,1g do catalisador acetilacetonato de zircônio(IV). O produto obtido foi mantido em estufa a 40 ºC por 24horas para a evaporação do solvente. Os copolímeros foram recuperados por dissolução em clorofórmio, seguido de precipitação em etanol, sendo, então, filtrados a vácuo e secos em estufa por mais 24horas. Esse processo foi realizado duas vezes ao todo.

As análises de GPC foram realizadas no Instituto de Química da UNICAMP usando um equipamento Waters (bomba Waters510 e um refratômetro diferencial como detector, dotado de um forno para colunas). A coluna foi mantida a 85 ºC, enquanto a temperatura do detector foi de 50 ºC. A vazão utilizada foi de 1mL/min, usando um conjunto de três colunas Waters Styragel 10⁴, 10⁵ e 10⁶Ǻ, com 7,8x300mm, recheadas com poliestireno-divinilbenzeno, capazes de separar amostras entre 10⁴ e 10⁶ Daltons.

Os espectros de ressonância magnética de prótons e de carbono-13 foram obtidos no Laboratório de Ressonância Magnética multiusuário, LAREMAR, do Departamento de Química da UFMG, em um espectrofotômetro Brucker 200MHz, utilizando clorofórmio deuterado como solvente, a uma concentração de 30mg/mL^-1, e tetrametilsilano, TMS, como referência interna, à temperatura de 27 ºC.

As análises de IV-FT foram realizadas no Departamento de Ciências Naturais da UFSJ, utilizando o espectrômetro Spectrum GX da Perkin Elmer, a partir de amostras depositadas em placas de KBr após dissolução em clorofórmio. Os espectros foram obtidos no intervalo de 400 a 4000cm^-1, com resolução de 4cm^-1 e 16acumulações por espectro.

As análises térmicas foram realizadas do Departamento de Engenharia Química da UFMG. As curvas termogravimétricas, curvas TG, foram obtidas em um termoanalisador TGA-50 da Shimadzu. Amostras de massa entre 4 e 10mg foram aquecidas de 25 a 600 ºC, a uma taxa de 20 ºC/min, sob fluxo de nitrogênio a 50mL/min, enquanto as curvas de DSC foram obtidas utilizando o termoanalisador DSC-50 da Shimadzu, sob fluxo de Hélio a 70mL/min. Para os copolímeros foi usado o seguinte programa de temperatura: aquecimento de 25 a 190 ºC a 20 ºC/min; isoterma de 2minutos, resfriamento de 190 a –100 ºC a uma taxa de 40ºC/min; isoterma de 5minutos; finalmente, aquecimento até 190ºC a 20ºC/min. Para os homopolímeros o programa foi o seguinte: aquecimento de 25 a 200 ºC a 20 ºC/min; isoterma de 2minutos; resfriamento de 200 a –100 ºC a uma taxa de 40 ºC/min, isoterma de 2minutos; por fim, aquecimento até 200 ºC a 20 ºC/min.

Resultados e Discussão

Os copolímeros P(HB-co-CL) foram obtidos por transesterificação a partir dos homopolímeros PHB e PCL, usando acetilacetonato de zircônio(IV) como catalisador. Catalisadores de estanho são os normalmente usados em reações de copolimerização, entretanto, compostos de zircônio vêm recebendo muita atenção, pois, além de serem usados como iniciadores na síntese de polímeros biodegradáveis, apresentam menor toxidade que os compostos de estanho. Em termos comparativos, o acetilacetonato de zircônio(IV) é cerca de 10 a 20 vezes menos tóxico quando comparado a organoestanhos^[15].

Pelos resultados de GPC, os copolímeros P(HB-co-CL), em todas as concentrações, apresentaram massa molar inferior a 24.000 Daltons. Esse dado mostra que o catalisador utilizado foi capaz de promover a cisão das cadeias poliméricas do PHB e do PCL usados como precursores da síntese.

A análise dos espectros de RMN dos copolímeros, em todas as concentrações estudadas, mostrou que houve incorporação de ambos os homopolímeros. Nas Figuras 2 e 3 observam-se que as absorções referentes aos constituintes individuais (PHB e PCL) estão presentes no copolímero, sugerindo a formação de copolímeros do tipo bloco. As análises de RMN para os homopolímeros apresentaram os seguintes resultados:

1-PHB, RMN-¹H (CDCL₃, 200MHz), δ(ppm): 1,26 (dubleto, 3H); 2,51 (mulipleto, 2H); 5,25 (multipleto, 1H). RMN-¹³C (CDCL₃, 50MHz), δ(ppm): 19,7; 40,7; 67,6; 169,1;

2-PCL, RMN-¹H (CDCL₃, 200MHz) δ(ppm):1,37 (multipleto, 2H); 1,65 (multipleto, 4H); 2,31 (tripleto, 2H); 4,06 (tripleto, 2H). RMN-¹³C (CDCL₃, 50MHz), δ(ppm): 24,7; 25,7; 28,5; 34,3; 64,3; 173,7.

As composições dos copolímeros foram calculadas a partir dos espectros de RMN-¹H, cujos dados estão dispostos na Tabela 1. Nos copolímeros, o sinal observado para o grupo metino do PHB, δ=4,1ppm, corresponde a apenas um hidrogênio, enquanto o sinal do grupo metileno do PCL, δ=5,2ppm, corresponde a dois hidrogênios.

Como cada ambiente químico representa um homopolímero, a integração da área relativa a cada sinal nos dá informações da composição dos segmentos de PHB e PCL. A Equação 1 exemplifica o cálculo da composição dos segmentos de PHB, W_PHB, nos copolímeros. Os valores de composição para o PCL foram obtidos de forma análoga ao PHB. Os dados de composição, expressos em termos de porcentagem molar, são listados na Tabela 1.

A Tabela 1 apresenta as composições percentuais de PHB e PCL presentes no meio reacional e na estrutura final nos copolímeros, cujos dados foram obtidos por RMN^–1H. Em todos os casos, nota-se que a composição nos copolímeros é mais rica em PHB em relação às misturas reacionais de partida, mostrando que o sistema catalítico utilizado é mais eficiente na transesterificação do PHB do que do PCL. Provavelmente, esse comportamento se deve às diferenças nas massas molares dos homopolímeros de partida e nos diferentes mecanismos de degradação que ocorrem com cada um. Estudos de degradação térmica mostram que PHB e PCL degradam-se por a cisão aleatória de cadeias, muito comum no caso de poliésteres^[16,17]. Além desse processo, o PCL também se degrada por um mecanismo denominado unzipping, a partir do grupo hidroxila terminal, como observado por Persenaire e colaboradores^[17], resultando na formação de monômeros cíclicos. A formação desses monômeros é maior à medida que aumenta a quantidade de PCL no meio reacional, o que possivelmente está relacionado à diminuição da incorporação como observado na Tabela 1.

A Figura 4 mostra espectros de IV-FT dos copolímeros em duas regiões: de 3100 a 2800cm^-1 e de 1000 a 700cm^-1. As bandas presentes em todos os copolímeros são bastante parecidas, sendo as mais importantes aquelas dispostas na Tabela 2. As principais diferenças observadas estão na região entre 3100 e 2800cm^-1 e abaixo de 1000cm^-1. Na Figura 4a está a região que apresenta os estiramentos dos grupos metila e metileno. No copolímero ZR20, o estiramento do grupo metileno ν=2945 cm^-1 é muito evidente, o que é resultado da maior concentração de PCL, como mostrado na Tabela 1. Nos copolímeros ZR50 e ZR80 o estiramento do grupo metila, ν=2976 cm^-1, é intenso, sendo um reflexo da maior concentração de PHB nesses copolímeros. Esses resultados concordam com as análises de RMN-¹H que indicam a maior presença de segmentos de PHB nos copolímeros ZR50 e ZR80.

Deformações de vibrações C-H no plano aparecem entre 1000 e 1300cm^-1, porém são as deformações C-H fora do plano, presentes entre 900 e 690cm^-1, as que apresentam maior relevância. Absorções fortes nessa região são decorrentes do acoplamento de átomos de hidrogênio adjacentes, sendo usados inclusive para determinar a posição de substituintes de anéis aromáticos^[18]. Nos copolímeros, as deformações C-H fora do plano apresentam uma banda comum a todos a 757cm^-1. Pode-se comparar esta banda à deformação no plano tipo rocking presente nos copolímeros com maior incorporação de PCL, próximas a 730cm^-1, associada à presença de quatro ou mais grupos metileno numa cadeia aberta, como mostrado na Figura 4b. Esse resultado sugere a existência de grandes segmentos de PCL na estrutura do copolímero ZR20 e ZR50, assim como verificado pelos resultados de análise térmica discutidos posteriormente.

A Figura 5 apresenta as curvas TG e DTG para os homopolímeros de partida e para os três copolímeros estudados, cujos dados estão sumariados na Tabela 3. Verifica-se que os copolímeros apresentam comportamento térmico intermediário ao dos constituintes puros e dependente da concentração. Em todas as composições os copolímeros são termicamente mais estáveis que o PHB. Pela Figura 4b nota-se que o comportamento térmico do copolímero ZR80 é influenciado mais fortemente pelos segmentos de PHB, presente em maior concentração como mostrado na Tabela 3. O segundo estágio de perda de massa, referente ao PCL, este em menor concentração no copolímero, é notado apenas como um leve ombro na curva DTG. No caso dos copolímeros ZR20 e ZR50, esse segundo evento térmico é bem claro e fica mais evidente com o aumento da incorporação de PCL no copolímero. Verifica-se também maior estabilidade térmica dos segmentos de PHB com a formação do copolímero: há aumento de 20 ºC na temperatura de onset no copolímero ZR80 e de 30 ºC no caso do ZR20, em relação ao PHB puro.

Pelas curvas DSC, Figura 6, nota-se que os copolímeros apresentam menor cristalinidade que PHB e PCL puros. Para o copolímero ZR80, verifica-se uma leve diminuição na temperatura de transição vítrea, Tg, dos segmentos de PHB, passando de 3 ºC para –2 ºC, enquanto no ZR50 observa-se a Tg a –9 ºC. Para os copolímeros ZR20 o método empregado não permitiu a determinação da Tg.

Os homopolímeros PHB e PCL são altamente cristalizáveis. O PCL com massa molar da ordem de 10⁴ a 10⁵ Daltons pode apresentar cristalinidade variando entre 51 e 62%^[19], enquanto o PHB pode ser ainda mais cristalino, com grau de cristalinidade chegando a 80%^[20]. A cristalinidade foi calculada com base nas variações de entalpia de fusão dos copolímeros, comparando-se com valores teóricos de polímeros 100% cristalinos. Para o PHB 100% cristalino, o ΔHº_f é 146J.g^{-1 [1]} e, para o PCL, é de 135,4J.g^-1[19]. A Equação2 mostra o cálculo da cristalinidade (C) no caso dos segmentos de PCL^[19], usando-se a variação da entalpia de fusão para o PCL 100% cristalino (ΔHº_f), a variação de entalpia dos segmentos de PCL cristalizáveis obtido por DSC (ΔH_f), e a composição de PCL no sistema, em porcentagem, W_PCL.

O mesmo cálculo foi usado para a determinação da cristalinidade do PHB, como mostra a Tabela 4, e dos copolímeros que apresentaram segmentos cristalizáveis. Foi observada uma considerável diminuição na área do pico de fusão, o que está relacionado à diminuição da cristalização do sistema. Os diferentes meros e o aumento dos grupos terminais dificultam o empacotamento das cadeias, resultando em queda na cristalinidade.

Conclusões

A utilização de acetilacetonato de zircônio(IV) mostrou-se viável na síntese de copolímeros P(HB-co-CL), em um processo de transesterificação dos homopolímeros PHB e PCL. Os copolímeros, obtidos em diferentes concentrações de PHB e PCL, apresentaram propriedades térmicas intermediárias às dos homopolímeros iniciais. Por análise espectroscópica (RMN e IV-FT) foi possível determinar a composição dos copolímeros e verificar a existência de grandes segmentos de PCL no caso dos copolímeros ZR20 e ZR50. Este resultado sugere que estes copolímeros sejam constituídos de grandes segmentos de PCL e PHB formando copolímeros em bloco. O copolímero ZR80 apresentou segmentos muito pequenos de PCL em relação aos de PHB. A análise térmica reforça a suposição de formação de copolímero bloco e concorda com a análise espectroscópica, mostrando que os copolímeros se degradam em dois estágios de perda de massa. O método de síntese levou à formação de copolímeros P(HB-co-CL) termicamente mais estáveis que o PHB. Pelo exposto, esses materiais são bons candidatos para utilização como biomateriais em matrizes para liberação controlada de fármacos ou mesmo como compatibilizante em blendas PHB/PCL.

Agradecimentos

J.P.B. Roa agradece à CAPES pela bolsa de mestrado e à FAPEMIG pelo suporte financeiro (Processo CEX1015/06).

Enviado: 25/01/10

Reenviado: 05/03/10

Aceito: 05/04/10

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  01 Out 2010
• Data do Fascículo
  Set 2010

Histórico

• Aceito
  05 Abr 2010
• Revisado
  05 Mar 2010
• Recebido
  25 Jan 2010