Dissertação MIEQ

Joana Serra e Moura Pacheco Mendes

Sntese de hidrogis de base acrlica recorrendo a tcnicas

de polimerizao radicalar viva.

Potencial aplicao como frmacos polimricos.

Dissertao na rea cientfica de Engenharia Qumica, orientada pelo Doutor Jorge Fernando

Jordo Coelho, pelo Doutor Armnio Coimbra Serra e pela Mestre Patrcia Vitorino Mendona

apresentada ao Departamento de Engenharia Qumica da Faculdade de Cincias e Tecnologia da

Universidade de Coimbra.

Julho 2011

Joana Serra e Moura Pacheco Mendes

Sntese de hidrogis de base acrlica recorrendo a tcnicas

de polimerizao radicalar viva.

Potencial aplicao como frmacos polimricos.

Dissertao na rea cientfica de Engenharia Qumica, orientada pelo Doutor Jorge Fernando Jordo Coelho, pelo Doutor Armnio

Coimbra Serra e pela Mestre Patrcia Vitorino Mendona apresentada ao Departamento de Engenharia Qumica da Faculdade de

Cincias e Tecnologia da Universidade de Coimbra.

Julho 2011

II

AGRADECIMENTOS

um sempre uma mais valia aprender com especialistas. Assim, agradeo desde j ao

Professor Doutor Jorge Coelho e ao Professor Doutor Armnio Serra, que me orientaram

neste trabalho.

Um agradecimento muito especial Mestre Patrcia Mendona pela pacincia, incansvel

disponibilidade, apoio, dedicao, e por todo o conhecimento transmitido, vital realizao

das minhas tarefas.

Agradeo tambm a todos os membros do laboratrio de polmeros do Departamento de

Engenharia Qumica pela forma como me receberam, pelo ambiente fantstico que

proporcionaram e por estarem sempre disponveis a ajudar.

Para finalizar, e no esquecendo os que me so prximos, um Muito Obrigado a toda a minha

famlia e amigos pelo apoio e pacincia que demonstraram nestes ltimos meses.

III

MOTIVAO

Os mtodos de polimerizao radicalar viva (LRP) tm emergido nos ltimos anos como

estratgias para a obteno de novos polmeros, nomeadamente quando se pretendem

materiais com controlo sobre a estrutura molecular do polmero, a composio, a arquitetura,

o peso molecular e a polidispersidade. Em LRP as cadeias polimricas do polmero produzido

tm ainda sempre presente um grupo ativo na terminao da cadeia, o que possibilita que seja

facilmente reiniciado com adio de monmero, ou funcionalizado com grupos finais

especficos. Deste modo, atualmente possvel sintetizar novos materias por via radicalar,

que de alguma forma apresentem caractersticas e propriedades mais adequadas funo a

que se destinam.

Os agentes sequestradores de cidos biliares (BAS) so frmacos polimricos constitudos por

hidrogis catinicos que so capazes de se ligarem aos cidos biliares presentes no intestino, a

fim de impedir a sua reabsoro para o fgado. Atualmente esto disponveis no mercado trs

tipos de agentes BAS a Colestyramine, o Colestipol e o Colesevelam. O processo de produo

destes frmacos envolve a formao de um polmero, por polimerizao radicalar livre, a sua

reticulao para formar um hidrogel e, em certos casos, a alquilao que transforma os grupos

NH2, presentes nas cadeias, por aminas quaternrias, para induzir a carga positiva para

sequestrar os cidos biliares. Tendo em conta a estrutura qumica dos cidos biliares presentes

no organismo (ncleo hidrofbico e segmento hidroflico com propriedades aninicas no pH

do intestino), a sntese de um BAS tem de ter em conta um balano entre as cargas catinicas

(que asseguram as interaes electroestticas), os segmentos hidrofbicos (que estabilizam o

hidrogel e asseguram as interaes hidrofbicas) e a parte hidroflica e grau de reticulao

(que asseguram as caractersticas de inchao adequadas). Uma desvantagem dos materiais

utilizados como frmacos polimricos muitas vezes a sua baixa eficincia teraputica, pois

so necessrias elevadas doses de frmaco para produzir os efeitos desejveis.

O Colesevelam , de entre os frmacos comerciais, o mais utilizado como BAS. A base

polmerica sintetizada com recurso a tcnicas de polimerizao radicalar livre, onde no h

qualquer controlo sobre a estrutura molecular do polmero, a composio, a arquitetura, o

peso molecular e o ndice de polidispersidade. Sabe-se que a estrutura destes materiais est

intimamente ligada sua eficincia teraputica. neste mbito que surge a motivao deste

trabalho, a sntese de hidrogis, recorrendo a tcnicas de polimerizao radicalar viva. Deste

modo, ser possvel desenvolver polmeros com estrutura controlada, que podero conduzir

ao desenvolvimento de materiais mais eficientes para a aplicao em causa e assim analisar a

influncia da estrutura do polmero no desempenho do BAS.

IV

ABSTRACT

The main goal of this work was the synthesis of hydrogels by living radical polymerization

for pharmaceutical applications, namely bile acid sequestrants. To accomplish that, the work

was focused in the living radical polymerization use of different polymer backbones that

could act as bile acids sequestrants. In addition, it was intended to studytheir properties and

test their cross-linking ability in order to produce hydrogels that can substitute the current

commercially available bile acid sequestrant agents, namely the Colesevelam.

The first step of this work was focused on the synthesis of the poly(allylamine) hydrochloride,

which is the polymer back bone of Colesevelam, by free radical polymerization. The

methodology adopted was based on the procedures described in the patent of the commercial

bile acid sequestrant. However, it was not possible to reproduce the results reported in the

patent, since the final product obtained was an oil and not a powder form. In order to figure

out the real procedure, different experimental conditions were studied, such as the increase of

the reaction temperature and the addition of a different initiator with a smaller half-life than

that indicated in the patent. In the case where only the initiator was changed, no modification

of the polymer final form was observed. On the other hand, for the reaction at higher

temperature (80 C) it was possible to obtainpolymer in powder form, as described in the

patent. The cross-linking of the synthesized polymerswas tested by using epichlorohydrin,

1,4-butanediol diglycidyl ether and 1,2- ethanediol diglycidyl ether as cross-linking agents, as

indicated in the patent. However, once again, it was not possible to reproduce the results

reported. For this reason newexperiments were performed using higher amounts ofcross-

linking agents (975%), leading to the formation ofa hydrogel just in one of the studied

formulations.

Concerning the living radical polymerization, three different monomers (hydroxyethyl

acrylate, hydroxyethyl methacrylate and allylamine) were tested as candidates for the

preparation of new bile acid sequestrants backbones. The catalytic system used was

Fe(0)/CuBr2/Me6TREN, whichwas developed in the Department of Chemical Engineering of

the University of Coimbra (DEQ-FCTUC). Due to the low polydispersityobtained for

poly(hydroxyethyl methacrylate)and the fact that this polymeriswidely used biomedical

applications because of its high biocompatibility, kinetic studies were carried out using

different reaction conditions. For the systems studied it was possible to achieve good control

over polymers molecular weight, in reaction at room temperature. The results obtained

suggest that the catalytic system developed in DEQ-FCTUC is suitable for the controlled

polymerization of water-soluble monomers that are good candidates for bile acid sequestrant

polymers production.

V

RESUMO

Este trabalho teve como tema principal a sntese de hidrogis com base em tcnicas de

polimerizao radicalar viva, para possveis formulaes de frmacos sequestradores de

cidos biliares. Assim, o objetivo deste trabalho focou-se na sntese por polimerizao

radicalar viva de polmeros que pudessem ser usados como sequestradores de cidos biliares,

estudar as propriedades dos polmeros resultantes e testar a sua reticulao para formulaes

de hidrogis que substituam os atuais agentes sequestradores de cidos biliares,

nomeadamente o Colesevelam.

A primeira etapa do trabalho centrou-se na sntese do polmero que est na base do

Colesevelam, a polialilamina, por polimerizao radicalar livre. A metodologia adoptada para

este fim teve por base os procedimentos descritos na patente do Colesevelam. No entanto, no

foi possvel reproduzir os resultados da patente em termos de forma do polmero final,

obtendo-se um leo em vez de um produto em p. Assim, foram estudadas algumas

alternativas ao nvel das condies operatrias, como o aumento de temperatura de reao e

a adio de um iniciador com menor tempo de meia vida que o indicado na patente. No

processo em que se simulou apenas a substituio do iniciador, no houve alteraes na forma

de obteno do polmero final. No entanto, para a reao a elevada temperatura (80 C)

verificou-se a obteno de um polmero em p, tal como descrito na patente do Colesevelam.

Para todos polmeros produzidos testou-se a reticulao com epicloridrina, com ter

diglicdico do 1,4-butanodiol e com ter diglicdico do 1,2-etanodiol tal como indica a patente

mas, mais uma vez, no foi possvel obter os mesmos resultados. Assim fizeram-se novos

testes de reticulao para grandes quantidades de agente (975 %), obtendo-se um hidrogel

apenas para uma das formulaes.

No que respeita polimerizao radicalar viva, utilizou-se o sistema cataltico

Fe(0)/CuBr2/Me6TREN desenvolvido nos laboratrios do DEQ/FCTUC, na polimerizao de

trs monmeros (o hidroxietil acrilato, o hidroxietilo metacrilato e a alilamina) como

possveis candidatos a substitutos do Colesevelam. Uma vez que se obtiveram baixas

polidispersividades para o poli (hidroxietil metacrilato), e sendo este amplamente usado em

aplicaes biomdicas devido sua alta biocompatibilidade, efetuou-se um estudo cintico da

reao de polimerizao usando diferentes condies de reao. Para os sistemas estudados

obteve-se controlo sobre o crescimento das cadeias do polmero em reaes ocorridas

temperatura ambiente.

Os resultados obtidos sugerem que o sistema cataltico desenvolvido nos laboratrios

DEQ/FCTUC adequado polimerizao controlada de monmeros solveis em gua,

conduzindo sntese de polmeros a serem usados como sequestradores de cidos biliares.

VI

LISTA DE SIGLAS AAPH Azobis(amino propano dihidrocloreto)

AlA Alilamina

ANT Akzo Nobel Trigonox 187 w-40

ARGET Activators regenerated by electron transfer - Ativadores regenerados por transferncia de eletro

ATRP Atom transfer radical polymerization Polimerizao radicalar por transferncia de tomo

BAS Sequestrador de cidos biliares

D2O gua deuterada

d6DMSO Dimetil sulfxido deuterado

DCT Iodine transfer polymerization polimerizao por transferncia de tomo de iodo

DEQ/FCTUC Departamente de Engenharia Qumica/Faculdade de Cincias e Tecnologia da Universidade de Coimbra

DMF Dimetil formamida

DMSO Dimetil sulfxido

DP Degree of polymerization - Grau de polimerizao

DV Viscosmetro diferencial

EBiB Etil -bromoisobutirato

FRP Free radical polymerization - Polimerizao radicalar livre

GPG Gel permeation chromatography cromatografia de permeao em gel

HEA Hidroxietil acrilato

HEMA Hidroxietilo metacrilato

ka Constante de velocidade de ativao

kd Constante de velocidade de desativao

kex Constante de velocidade de transferncia de cadeia degenerativa

kp Constante de velocidade de de propagao

kt Constante de velocidade dede terminao

LRP Living radical polymerization - Polimerizao radicalar viva

MALDI-TOF Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation - Time Of Flight Mass Spectrometry

Me6TREN Tris[2-(dimetilamino)etil]amina

Mn Peso molecular mdio numrico [g/mol]

MnGPC Peso molecular mdio numrico determinado por cromatografia permeao em gel [g/mol]

Mnterico Peso molecular mdio numrico terico [g/mol]

Mw Peso molecular mdio ponderal [g/mol]

Mw/Mn Polidispersividade

PAlA Poli(alilamina)

PAlAH Poli (clorohidrato alilamina)

PDI Indce de polidisperssividade

PHEA Poli hidroxietil acrilato

PHEMA Poli hidroxietil metacrilato

PRE Persistent radical effect - efeito do radical persistente

RAFT Reversible addition-fragmentation chain transfer transferncia de cadeia reversvel por adio-fragmentao

RALLS Right-angle laser-light scattering

RI ndice de refrao

RITP Reverse iodine transfer polymerization polimerizao reversvel por transferncia de tomo de iodo

RMN Ressonncia magntica nuclear

SFRP Stable Free Radical Polymerization - Polimerizaoo radicalar por radical estvel

TEMPO 2,2,6,6-Tetramethylpiperidinyl-1-oxy

TREN Tris (2-aminoetil)amina

UV -Vis Espectroscopia Ultravioleta-Visvel

VII

INDCE

AGRADECIMENTOS ........................................................................................................................................ II MOTIVAO ................................................................................................................................................... III ABSTRACT ....................................................................................................................................................... IV RESUMO ............................................................................................................................................................. V LISTA DE SIGLAS ............................................................................................................................................ VI LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................................................ IX LISTA DE TABELAS ........................................................................................................................................ X

Seco I - Introduo ................................................................................................................................... 11 1.1. Polmeros ........................................................................................................................................ 12 1.2. Reaes de polimerizao - conceitos genricos ............................................................... 13 1.3. Polimerizao Radicalar Livre (FRP) ................................................................................... 15 1.4. Polimerizao Radicalar Viva (LRP) ...................................................................................... 16 1.4.1. Tcnicas de LRP ............................................................................................................................ 18

ATRP - Atom Transfer Radical Polymerization ................................................................................. 19 SFRP - Stable Free Radical Polymerization ......................................................................................... 20 RAFT ..................................................................................................................................................................... 21 DCT ........................................................................................................................................................................ 23

1.4.2. Avaliao do carcter vivo dos polmeros preparados por LRP ............................... 23 1.5. Hidrogis ......................................................................................................................................... 24

Seco II - Parte Experimental ................................................................................................................ 29 2.1. Materiais .......................................................................................................................................... 30 2.2. Tcnicas ........................................................................................................................................... 30 2.2.1. Espectroscopia de Ressonncia Magntica Nuclear ......................................................... 30 2.2.2. GPC/SEC - Gel Permeation Chromatography / Size Exclusion Chromatography .... 32 2.2.3. Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization - Time Of Flight Mass Spectrometry (MALDI-TOF MS) .............................................................................................................. 33 2.3. Procedimentos experimentais ................................................................................................. 34 2.3.1. Sntese do Colesevelam por FRP .............................................................................................. 34 2.3.2. Exemplo de polimerizao radicalar viva de PHEMA catalisada por Fe0/CuBr2/Me6TREN=1/0,1/1,1 (DP = 222) ....................................................................................... 35 2.3.3. Purificao de monmeros (HEA e HEMA) .......................................................................... 36 2.3.4. Sntese de Me6TREN ..................................................................................................................... 37 2.3.5. Cintica PHEMA ............................................................................................................................. 37 2.3.6. Reiniciao ou copolimerizao .............................................................................................. 38

VIII

2.3.7. Sntese de hidrogis ...................................................................................................................... 38

Reticulao com epicloridrina ................................................................................................................. 39

Reticulao com ter diglicdico do 1,4-butanodiol ....................................................................... 39

Reticulao com ter diglicdico do 1,2-etanodiol .......................................................................... 39

2.3.8. Testes de Inchao (Swelling) ..................................................................................................... 40

Preparao da soluo tampo fosfato a pH 6 .................................................................................. 40

Seco III - Resultados e Discusso ......................................................................................................... 41

3.1. Polimerizao radicalar livre Colesevelam. ...................................................................... 42

3.2. Polimerizao radicalar viva (LRP) ........................................................................................ 45

3.2.1. Sntese de PHEA, PHEMA e PAlA por LRP .............................................................................. 46

3.2.2. Estudo cintico da LRP catalisada por metais de PHEMA ............................................... 56

Estudo cintico de reao tpica de LRP de HEMA. V0HEMA/VDMSO = 2/1, DP = 222 e

Me6TREN como ligante (BASK I)................................................................................................................... 57

Estudo cintico de reao de LRP de HEMA. Variao de V0 HEMA/VDMSO = 1/1 e de DP

=50. (BASK II) ........................................................................................................................................................ 59

Estudo cintico de reao de LRP de HEMA. Variao de V0 HEMA/VDMSO (1/1). (BASK

III) .............................................................................................................................................................................. 61

Estudo cintico de reao de LRP de HEMA. Variao do ligante (bipiridina). (BASK

IV) ............................................................................................................................................................................. 62

3.2.3. Avaliao do carcter vivo do polmero PHEMA ............................................................. 63

3.3. Sntese de Hidrogis ..................................................................................................................... 64

Seco IV - Concluses e Trabalho Futuro ............................................................................................ 67

4.1. Concluses ........................................................................................................................................ 68

4.2. Trabalho Futuro ............................................................................................................................. 68

Bibliografia ...................................................................................................................................................... 70

Anexo .............................................................................................................................................................. 72

Anexo A : Espectro de RMN em CDCl3 do ligante Me6TREN sintetizado para o sistema catatlico

de LRP em estudo... 73

IX

LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Classificao de polmeros quanto sua composio. ......................................................................... 13

Figura 2 Representao esquemtica de diferentes polmeros quanto forma. ................................................. 13

Figura 3 - Etapas de iniciao e propagao para a reao de polimerizao de Colesevelam. ........................... 16

Figura 4 - Equilbrio tpico em LRP, entre espcies dormentes e ativas. .............................................................. 17

Figura 5 - Distribuio de pesos moleculares tpica em FRP e LRP . ................................................................... 18

Figura 6 - Equilbrio qumico tpico de ATRP. ..................................................................................................... 20

Figura 7 - Equilbrio qumico tpico de SFRP . ..................................................................................................... 21

Figura 8 - Esquema simplificado de mecanismo RAFT. ...................................................................................... 22

Figura 9 - Agentes de transferncia de cadeia RAFT. ........................................................................................... 22

Figura 10 Equilbrio dinmico tpico em ITP . ................................................................................................... 23

Figura 11 - Esquema simplificado de mecanismo RITP . ..................................................................................... 23

Figura 12 - Representao esquemtica do deslocamento da curva de pesos moleculares do polmero de LRP

aps experiencia de reiniciao. ................................................................................................................... 24

Figura 13 - Estrutura qumica de Colsevelam. ...................................................................................................... 28

Figura 14 - Esquema representativo de equipamento GPC . ................................................................................. 32

Figura 15 Esquema de um equipamento tpico de espectroscopia de massa MALDI-TOF . ............................ 34

Figura 16 Montagem utilizada nas cinticas das reaes de LRP de PHEMA. ................................................. 37

Figura 17 - Espectro RMN 1H a 600 MHz de PAlAH a 80C por 72 h (COLV) em D2O. ................................... 45

Figura 18 - Mecanismo de reao sugerido para polimerizao viva catalisada por Fe(0)/CuBr2/Me6TREN. .... 48

Figura 19 - DP normalizado em relao ao volume de reteno. Reao de PHEA em DMSO (BAS 01), de

PHEA em gua (BAS 02) e de PHEMA em DMSO (BAS 03), com Mw/Mn (BAS 03) = 1,14. .................. 51

Figura 20 - Espectro RMN 1H a 600 MHz de PHEA em d6-DMSO, obtido por LRP a 30 C durante 24 h

(BAS 01). ...................................................................................................................................................... 52

Figura 21- Espectro RMN 1H a 600 MHz de PHEMA em d6DMSO, obtido por LRP a 30 C durante 24 h

(BAS 03). ...................................................................................................................................................... 53

Figura 22 Espectro RMN 1H a 600 MHz de PAlA em d6DMSO, obtido por LRP a 30 C durante 24 h

(BAS 05). ...................................................................................................................................................... 54

Figura 23 RI normalizado em relao ao volume de reteno. Padro de poliestireno com MP=10050 g/mol

e Mw/Mn=1,02 e PAlA por LRP em reao a 30 C (BAS 05) e a 80 C (BAS 06). .................................... 55

Figura 24 - Representao grfica da converso e ln([M]0/[M]) em funo do tempo (a) e de MnGPC e Mw/Mn

em funo de Mnterico para reao de polimerizao de PHEMA catalisada por Fe(0) e CuBr2 a 30C em

DMSO nas seguintes condies [HEMA]0/ [EBiB]0/[Fe(0)]0/[CuBr2]0/[Me6TREN]0/ = 222/1/1/0,1/1,1 e

[HEMA]0/ [DMSO]=2/1 (% vol). ................................................................................................................. 58

Figura 25 - Representao grfica da converso e ln([M]0/[M]) em funo do tempo (a) e de MnGPC e

Mw/Mn em funo de Mnterico para reao de polimerizao de PHEMA catalisada por Fe(0) e CuBr2 a

30C em DMSO nas seguintes condies [HEMA]0/ [EBiB]0/[Fe(0)]0/[CuBr2]0/[Me6TREN]0/ =

50/1/1/0,1/1,1 e [HEMA]0/ [DMSO]=1/1 (% vol). ....................................................................................... 60

Figura 26 - Representao grfica da converso e ln([M]0/[M]) em funo do tempo (a) e de MnGPC e

Mw/Mn em funo de Mnterico para reao de polimerizao de PHEMA catalisada por Fe(0) e CuBr2 a

30 C em DMSO nas seguintes condies [HEMA]0/ [EBiB]0/[Fe(0)]0/[CuBr2]0/[Me6TREN]0/ =

222/1/1/0,1/1,1 e [HEMA]0/ [DMSO]=1/1 (% vol). ..................................................................................... 61

X

Figura 27 - DP normalizado em relao ao volume de reteno. PHEMA de BASK IV (esquerda) e padro

de poliestireno com MP=10050 g/mol e Mw/Mn=1,02 (direita). ................................................................... 62

Figura 28 - DP normalizado em relao ao volume de reteno. Reao de extenso de cadeia (esquerda)

PHEMA-Br macroiniciador (direita). ........................................................................................................... 64

LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Estrutura bsica da cadeia de polmeros heterochain. ..................................................................... 12 Tabela 2 Classificao de hidrogis . ........................................................................................................................ 26 Tabela 3 - Compostos envolvidos nas reaes de LRP, estudadas. ...................................................................... 36 Tabela 4 Condies das reaes de sntese de PAlAH por FRP e resultados obtidos. ................................... 43 Tabela 5 Experincias de LRP executadas com DP de 222. ................................................................................ 46 Tabela 6 Observaes, condies de RMN, de GPC e resultados de peso molecular para as polimerizaes de HEA, HEMA e AlA por LRP, utilizando Fe(0)/CuBr2/Me6TREN = 1/0,1/1,1 como sistema cataltico a 30 C durante 24 h. DP = 222 e [solvente]/[monmero] = 1/2 (v/v). ......... 49 Tabela 7 Estudo Comparativos de reaes de alilamina FRP e LRP a 30 e 80 C. .......................................... 54 Tabela 8 Condies das cinticas de LRP de PHEMA em DMSO, a 30 C. ........................................................ 56 Tabela 9 - Resultados obtidos para as cinticas de LRP de PHEMA em DMSO a 30 C. ................................... 57 Tabela 10 Condies de reaes de reticulao executadas temperatura ambiente. ................................ 65 Tabela 11 - Resultados de teste de swelling em soluo de dihidrogenossulfato de sdio a pH 6, num shaker a 37 C e 900 rpm. .................................................................................................................................... 66

Seco I

Introduo

Seco I Introduo

12

1. 1.1. Polmeros Um polmero uma macromolcula resultante da unio de molculas mais pequenas

designadas por monmeros, assim, a sua estrutura depende do monmero ou monmeros

usados na reao qumica de polimerizao [1]. Existem diferentes formas de classificar

polmeros, como por exemplo, com base nas caractersticas de processamento, no mecanismo

de polimerizao ou at mesmo tendo em conta a sua estrutura bsica [2]. Assim, os

polmeros podem, por exemplo, ser distribudos por dois grandes grupos, os termoplsticos ou

os termofixos. Quando um polmero deformvel por ao de calor at se obter a forma final

desejvel do material, pertence aos termoplsticos. J os polmeros termofixos, tm as cadeias

individuais ligadas por ligaes qumicas covalentes (reticulaes). O facto de estarem

reticulados impede que o polmero seja amolecido por via trmica, como tambm evita a

deformao e sua dissoluo em solventes. O poliestireno (PS), o polietileno, o polipropileno

e o policloreto de vinilo so alguns exemplos de termoplsticos comercialmente importantes.

Como exemplo de polmeros termofixos podem ser referidos as resinas de fenol-formaldedo

e os polisteres insaturados [2].

Adicionalmente, os polmeros podem ser classificados com base nos grupos que constituem a

estrutura qumica bsica. A Tabela 1 apresenta alguns polmeros organizados tendo em conta

as ligaes das unidades de repetio.

Tabela 1 - Estrutura bsica da cadeia de polmeros heterochain[2].

Polmeros Carbono - Oxignio

Polmeros Carbono - Enxofre

Polmeros Carbono - Azoto

Politeres Politioteres Poliaminas

Polisteres de cidos carboxlicos Poli(iminas)

Polianidridos de cidos carboxlicos Polisulfonas Poliamidas

Policarbonatos Poliureias

Outros factores que influenciam fortemente as propriedades dos polmeros so a sua

composio e a arquitectura das cadeias polimricas. Quanto composio, um polmero

sintetizado a partir de um nico monmero designa-se homopolmero, enquanto que a partir

de duas ou mais unidades monomricas diferentes designa-se copolmero. Ainda em termos

Seco I Introduo

13

de composio, os copolmeros podem ser classificados segundo quatro subclasses, que se

encontram ilustradas na Figura 1 [1].

Homopolmero Copolmero aleatrio/estatstico

Copolmero gradiente

Copolmero blocos

Copolmero enxerto

Figura 1 - Classificao de polmeros quanto sua composio [1].

No que diz respeito forma, os polmeros podem ser descritos como lineares, ramificados ou

reticulados [1]. Um polmero linear no apresenta nenhum tipo de ramificao adicional aos

grupos associados ao(s) monmero(s). Outras arquiteturas mais complexas como polmeros

em estrela, polmeros em pente, polmeros hiper-ramificados e polmeros cclicos so tambm

possveis de se obter, tal como ilustra a Figura 2.

Polmero Linear Polmero Ramificado Polmero Reticulado

Polmero em Estrela Polmero em Pente Copolmero enxerto/bloco

Polmero em Rede Polmeros hper-ramificados Polmero cclico

Figura 2 Representao esquemtica de diferentes polmeros quanto forma [1].

1.2. Reaes de polimerizao - conceitos genricos As reaes de polimerizao podem ser caracterizadas de acordo com o mecanismo de

polimerizao envolvido, cuja complexidade consequncia dos grupos funcionais presentes

nos monmeros. Se a cadeia de polmero for formada a partir da unio aleatria de molculas

de monmeros, oligmeros ou molculas de longa cadeia, o processo de polimerizao

Seco I Introduo

14

envolvido denominado por reao gradual (step-growth) e formam-se dimeros, trimeros ou

espcies macromoleculares. Por outro lado, quando a cadeia polimrica formada por

sucessivas ligaes de molculas de monmeros com uma cadeia ativa, o processo de

polimerizao diz-se de reao em cadeia ou crescimento em cadeia (chain-growth). O

crescimento da cadeia pode dar-se atravs de um radical livre ou uma espcie inica (anio ou

catio), sendo que as cadeias de elevado peso molecular comeam a ser formadas nos estgios

iniciais do processo de polimerizao [3].

Existem duas abordagem para o processo de polimerizao por reao gradual, uma que

envolve apenas uma molcula (monmero) com dois grupos funcionais diferentes (Equao

1), e outra que envolve o uso de dois monmeros bifuncionais (Equao 2). As Equaes 1 e

2 representam esquematicamente as duas abordagens possveis deste tipo de polimerizao,

considerando dois grupos funcionais hipotticos, A e B, que reagem para formar um grupo X.

(1)

(2)

Como exemplos de reaes de polimerizao gradual pode referir-se, por exemplo, a

preparao de polisteres, poliamidas e poliuretanos. Uma policondensao o processo de

polimerizao que, com recurso a monmeros no vinlicos, conduz formao de um

polmero por sucessivas reaes de condensao e com a eliminao de molculas de baixo

peso molecular (gua, metanol e cido clordrico, por exemplo).

As reaes de polimerizao em cadeia, chain-growth, requerem a presena de molculas

(iniciadores) que por decomposio formam especies reativas que atacam um monmero

insaturado, dando assim incio ao processo de polimerizao [3]. As espcies podem ser

radicais ou ies (anies ou caties) e o processo de polimerizao designa-se por

polimerizao radicalar ou polimerizao inica (aninica e catinica), respectivamente. De

referir que reaes em cadeia so caracterizadas por trs etapas com diferentes cinticas:

iniciao, propagao e terminao. Os processos de polimerizao por radicais livres

representam cerca de 50% da produo mundial de polmeros.

Seco I Introduo

15

1.3. Polimerizao Radicalar Livre (FRP) A polimerizao radicalar livre um processo reativo caracterizado pela existncia de trs

etapas bem definidas. A primeira, a iniciao, constituda por dois passos, a dissociao do

iniciador (I-I) em duas espcies radicalares (I), seguida da associao de uma molcula de

monmero (M) s espcies referidas. A etapa que se segue a propagao em que as

molculas de monmero so continuamente adicionadas aos radicais em crescimento.

Finalmente, a terminao pode ocorrer pois dois processos diferentes: quando duas cadeias

em propagao com radicais ativos (IMn e IMm) se combinam (terminao por

combinao); ou quando entre as duas cadeias em propagao (IMn e IMm) houver

transferncia de electres (terminao por dismutao) [3].

Iniciao Dissociao : ! ! 2 ! (3) Associao : !+ ! !" (4)

Propagao !"+ ! !!! (5)

Terminao

Combinao: !!!+ !!! !!!!! (6) Dismutao: !!!+ !!! !!! + !!! (7)

Esta polimerizao em cadeia frequentemente utilizada em tecnologia de polmeros mas

ocorre apenas nas cadeias reativas em crescimento. Como consequncia, atingem-se

rapidamente altos pesos moleculares para baixas percentagens de converso e o monmero

est sempre presente em quantidades significativas durante todo o processo.

Neste trabalho, a sntese do Colesevelam ser efectuada por polimerizao radicalar. Assim,

as reaes envolvidas no processo so em tudo anlogas s descritas anteriormente para uma

reao genrica de FRP (iniciao, propagao e terminao). Explicitando para o caso do

frmaco comercial (Colesevelam) a alilamina ser o monmero, M, que se associa s espcies

radicalares (I) oriundas da dissociao do iniciador I, o azobis (amidinopropane)

dihidrocloride (AAPH). Estas espcies radicalares so capazes de atacar a ligao dupla do

monmero e assim permitir propagao da cadeia de polmero por adio de mais molculas

de alilamina. A Figura 3 que se segue ilustra o esquema reacional do frmaco sintetizado.

Seco I Introduo

16

Figura 3 - Etapas de iniciao e propagao para a reao de polimerizao de Colesevelam.

De facto, a polimerizao radicalar convencional (FRP) um mecanismo de extrema

importncia para a preparao de muitos polmeros comerciais de elevado peso molecular, na

medida em que pode ser aplicada a uma vasta gama de monmeros, permite a utilizao de

diferentes condies de reao (em massa, soluo, emulso e suspenso), tolerante a uma

ampla gama de grupos funcionais (p.e. OH, NR2, COOH, CONR2), pode ser utilizada para um

amplo intervalo de temperatura (80-250 C), para alm de os monmeros poderem ser

copolimerizados com diferentes propriedades para inmeras aplicaes [4]. No entanto, a

principal limitao da FRP est associada ao reduzido controlo de determinadas propriedades

estruturais dos polmeros tais como o peso molecular, a polidispersividade (PDI), a

funcionalidade, a arquitetura e composio da cadeia [4]. neste sentido que nos ltimos

tempos a polimerizao radicalar viva (LRP) tem sido exaustivamente explorada em trabalhos

acadmicos e industriais a fim de colmatar os problemas associados FRP.

1.4. Polimerizao Radicalar Viva (LRP) A polimerizao viva foi descoberta por Szwarc [5], em 1956, e definida como um processo

de crescimento de cadeia onde no ocorrem reaes de terminao. Num estudo de

polimerizao aninica de estireno com metal alcalino em tetrahidrofurano (THF) , Szwarc

[5] descobriu quando a viscosidade parava de aumentar, caso se adiciona-se mais monmero

fresco, aps algum tempo de reao, a viscosidade comeava a aumentar novamente. Este

resultado conduziu a introduo de uma nova terminologia na cincia de polmeros, a

polimerizao viva.. Este tipo de polimerizao apresenta, contudo, alguns problemas,

nomeademente: o facto de necessitar de condio de polimerizao extremas (ex: -78 C), no

poder ser aplicado a diversas famlias de monmeros e ao facto de ser difcil de implementar

Seco I Introduo

17

escala industrial quando comparado com a polimerizao radical. Com intuito de explorar as

vantagens da polimerizao radicalar e ao mesmo tempo permitir um controlo sobre a

estrutura do polmero caracterstico da polimerizao viva, ao longo da ltima dcada tem

vindo a ser desenvolvido um novo mecanismo de polimerizao a polimerizao radicalar

viva (LRP). Hoje em dia, a LRP a rea mais estudada em cincia de polmeros [6]. Esta

rea inclui um conjunto de tcnicas de polimerizao por radicais para a sntese de polmeros

e copolmeros bem definidos e de baixa polidispersividade [3].

Assim, em LRP preparam-se polmeros por reao de adio sequencial com grupos terminais

de cadeia ativos [4]. No entanto, per si este facto no garante as propriedades estruturais no

polmero, como o controlo do peso molecular e a estreita distribuio de peso molecular. Para

tal, so necessrios dois requisitos adicionais. O iniciador tem de ser completamente

consumido no incio da reao e a velocidade da reao que conduz formao de espcies

ativas tem de ser igual de formao de espcies dormentes (equilbrio entre espcies

dormentes e radicais em propagao), garantindo uma baixa concentrao de radicais [4].

Figura 4 - Equilbrio tpico em LRP, entre espcies dormentes e ativas [4].

Assim, em contraste com a polimerizao radicalar convencional, em LRP todas as cadeias

polimricas comeam a crescer ao mesmo tempo a uma velocidade semelhante pois a vida til

de um radical ativo normalmente pequena (0,1 - 10ms em LRP e 1s em FRP) [7], pelo que a

probabilidade de ocorrem fenmenos de terminao de cadeia muito baixo em LRP,

comparativamente com FRP. No entanto, apesar destes fenmenos por vezes ocorrerem,

como o nmero de cadeias polimricas em LRP muito maior que em FRP, a taxa de

terminao por cadeia e a taxa de transferncia de monmero por cadeia so baixas, pelo que

as reaes de terminao podem ser consideradas negligenciveis. Como consequncia, nestes

sistemas verifica-se uma distribuio de pesos moleculares estreita (Figura 5). Para alm disso,

um aumento linear do peso molecular do polmero com a converso e uma polidispersividade

baixa (Mw/Mn < 1,5) so tambm parmetros que caracterizam os sistemas de LRP [4, 7].

Seco I Introduo

18

Figura 5 - Distribuio de pesos moleculares tpica em FRP e LRP [7].

Em LRP existem vrias tcnicas que podem ser utilizadas na polimerizao de diversos

monmeros. Apesar disso, seja qual for a estratgia utilizada, os quatro critrios que

identificam e que devem ser respeitados para que a polimerizao seja viva, so:

1. A cintica da reao de primeira ordem em relao ao monmero. ln ! !! !" !"#$% = !"#! !"#$%! (8) 2. Crescimento linear do grau de polimerizao (DPn) com a converso. !"! = !! ! (9)

3. Presena de uma distribuio de peso moleculares estreita, prxima de uma

distribuio de Poisson. !!!! 1 + 1!"! (10)

4. As cadeias polimricas tm de manter a sua capacidade de crescimento sempre que for

adicionado mais monmero (presena de terminais ativos).

1.4.1. Tcnicas de LRP As diferentes tcnicas de LRP partilham entre si a necessidade de existncia de equilbrio

entre espcies ativas e espcies dormentes (Figura 4), o qual proporciona um controlo sobre o

peso molecular do polmero. A diferena entre elas reside na estratgia que cada uma utiliza

para manter esse equilbrio. Existem dois princpios base pelos quais podemos agrupar as

tcnicas LRP, segundo o tipo de equilbrio dinmico que se estabelece : ativao/desativao

reversvel de radicais ou processo degenerativo de transferncia reversvel de cadeia [8].

Seco I Introduo

19

Quando ocorre ativao/desativao reversvel de radicais existe um efeito de auto-regulao,

denominado por efeito de radical persistente (persistent radical effect PRE). No inicio da

polimerizao ocorrem algumas terminaes radical-radical e, como consequncia, aumenta a

quantidade da espcie desativadora em relao quantidade de radicais em crescimento, pelo

que o equilbrio dinmico (Figura 4) deslocado no sentido das espcies dormentes. Neste

sistemas uma vez que os radicais de propagao so produzidos na etapa de ativao, no

necessrio a presena de um iniciador de radical. As tcnicas de LRP baseadas no PRE mais

conhecidas so o (Atom Transfer Radical Polymerization ATRP e a Stable Free Radical

Polymerization SFRP) [8].

No que diz respeito ao mecanismo reversvel de transferncia de cadeia necessrio recorrer-

se a um iniciador que forme radicais, visto que o processo de ativao/desativao no est

relacionado com uma modificao no nmero de radicais. Nestes sistemas, o equilbrio

mantido atravs da transferncia de cadeia entre as cadeias polimricas em crescimento e os

agentes de transferncia. Neste grupo incluem-se as tcnicas de LRP Reversible Addition-

Fragmentation chain Transfer (RAFT) e Degenerative Chain Transfer (DCT) [8].

Neste trabalho, o mecanismo utilizado para a sntese de polmeros por LRP o ATRP. Nas

seces seguintes sero brevemente descritas cada uma das tcnicas de LRP referidas.

ATRP - Atom Transfer Radical Polymerization

ATRP uma das tcnicas mais versteis e atualmente a mais amplamente usada em LRP [7].

Em ATRP as espcies envolvidas so um metal de transio (Mtn), que pode aumentar o seu

nmero de oxidao, um ligante (L) e um iniciador (haleto de alquilo) [9]. O complexo de

metal de transio (Mtn/L) o responsvel pela transferncia de um tomo halogenado (X) a

um complexo de propagao macroradical (Figura 6). A espcie ligante forma um complexo

com o elemento metlico, dissolvendo o catalisador no solvente da reao. Para alm disso, a

espcie ligante fundamental para regular a reatividade do catalisador para diferentes

monmeros. A polimerizao controlada pelo equilbrio redox que altamente deslocado

para as espcies dormentes, impedindo que ocorram as reaes de terminao de radical [7-9],

uma vez dessa forma a concentrao de radicais ativos sempre muito baixa.

Seco I Introduo

20

Figura 6 - Equilbrio qumico tpico de ATRP [8].

A reao geralmente iniciada pela ativao da cadeia halogenada (Pn-X), atravs da

abstrao do halognio pelo centro metlico (Mtn/L) para formar uma espcie iniciadora de

radical (Pn) e um complexo metlico oxidado (X-Mtn+1/L), o qual se designa desativador. De

seguida, a espcie Pn adiciona-se a uma unidade de monmero ou reage com o complexo

metlico de maior estado de oxidao, levando formao de espcies dormentes [10].

Quanto mais rpido for o equilbrio dinmico, maior o controlo sobre o peso molecular do

polmero durante toda a reao. Os catalisadores usados em ATRP pertencem ao grupo dos

metais de transio, tais como rutnio, cobre, ferro e nquel [11]. Estas espcies podem

controlar a polimerizao de monmeros, como por exemplo: acrilamidas, acrilatos e

metacrilatos, estirenos ou monmeros solveis em gua [10].

Um dos catalisadores metlicos de uso mais frequente o cobre devido sua alta reatividade,

baixo custo e fcil manuseamento [8]. Assim, o complexo de metal de transio no seu estado

de oxidao menor (por exemplo Cu(I)Br/ligante), abstrai o tomo halogenado terminal da

cadeia polimrica (ou do iniciador haleto de alquilo) e produz um radical e um complexo num

estado de oxidao superior (por exemplo Cu(II)Br2/ligante) [9]. Com a preocupao de

implementar sistemas catalticos mais verdes e amigos do ambiente, catalisadores base

de ferro tambm tm sido muito usados em sistemas ATRP devido sua abundncia e s

excelentes propriedades de biocompatibilade j demonstradas [11]. Recentemente foi

desenvolvido um novo sistema de ATRP nos laboratrios do DEQ/FCTUC [8] que utiliza

pela primeira vez uma combinao de metais (ferro e cobre - em muito baixa concentrao)

como sistema cataltico para a polimerizao de acrilatos, metacrilatos e estireno. Ser este

ltimo, o sistema que vai ser usado neste trabalho.

SFRP - Stable Free Radical Polymerization

Em SFRP o equilbrio dinmico (Figura 7) estabelecido entre a espcie dormente (Pn-X) e

duas espcies ativas: o radical ativo em crescimento (Pn) e o radical estvel (persistente) (X).

Seco I Introduo

21

Para que seja possvel mediar a polimerizao, o mediador radicalar deve ser estvel o

suficiente para no reagir consigo prprio nem com o monmero (para no iniciar o

crescimento de novas cadeias). Para alm disso, no deve participar em reaes colaterais,

como a abstrao de tomos de -H [7].

Figura 7 - Equilbrio qumico tpico de SFRP [7].

Neste tipo de polimerizao normalmente utilizado um nitrxido como o agente mediador,

uma vez que os radicais de nitrxido formados so muito estveis e, consequentemente, mais

eficientes. Quando uma reao de SFRP mediada por nitrxido tambm designada por

NMP (nitroxide mediated polymerization) [8].

O primeiro sistema de SFRP mediado por nitrxidos a ser implementado com sucesso foi

desenvolvido por Georges [11], em 1993, na polimerizao controlada de estireno na presena

de perxido de benzolo com 2,2,6,6-tetrametil-1-piperidinil-N-oxi (TEMPO), como

mediador de radicais estveis. A evoluo de pesos moleculares de poliestireno durante a

reao mostrou uma tendncia linear com a converso de monmero e os polmeros

apresentaram uma polidispersividade baixa (inferior a 1,3), numa reao realizada a 120 C

[8].

Estes sistema LRP apresenta como principal inconveniente o facto de necessitar de

temperaturas muito elevadas.

RAFT

A polimerizao por RAFT indiscutivelmente um processo prtico, j que permite a

utilizao de condies de reao mais aproximadas s do processo de polimerizao

convencional (FRP) [7]. Esta tcnica recorre a um agente de transferncia de cadeia capaz de

reagir com um macroradical em propagao, que foi previamente iniciado por um iniciador de

radical, tpico de um sistema de polimerizao convencional (etapa de iniciao) [10]. A

Figura 8 ilustra um sistema tpico de RAFT.

Seco I Introduo

22

Figura 8 - Esquema simplificado de mecanismo RAFT [9].

Exemplos de agentes de transferncia de cadeia utilizados neste processo de polimerizao

so: ditioesters, ditiocarbamatos, tritiocarbonatos, xantatos e compostos tiocarbonil, cujas

estruturas se encontram representadas na Figura 9.

Figura 9 - Agentes de transferncia de cadeia RAFT [10].

Normalmente, estes sistemas so caracterizados por processos bem controlados. Contudo, a

seleo do agente de transferncia de cadeia crucial nestes sistemas uma vez que a sua

natureza influencia o controle do peso molecular, a distribuio do peso molecular e a

arquitetura molecular dos polmeros [8]. Apesar de esta tcnica de LRP poder ser aplicada a

grande nmero de monmeros, tem tambm algumas desvantagens. Por um lado, grande parte

dos agentes de transferncia de cadeia no esto disponiveis comercialmente (ou so

extremamente caros) e, como tal, tm de ser sintetizados. Por outro, os polmeros produzidos

tm sempre associados grupos ditio-steres, que induzem alterao na cor dos polmeros (de

vermelho/rosa para amarelo) e maus odores. ainda de referir que este grupo pode ser

removido por hidrlise, sendo substitudo por um grupo tiol [3].

Seco I Introduo

23

DCT

Este mtodo decorre fundamentenente ao uso de tomos de iodo (Iodine Transfer

Polymerization ou Reverse Iodine Transfer Polymerization - ITP/RITP) que medeiam o

mecanismo de transferncia reversivel. Os agentes de transferncia de cadeira so

normalmente derivados do iodeto de perfluoroalquilo [10]. A Figura 10 pretende ilustrar o

equilbrio dinmico tpico num sistema ITP [10].

Figura 10 Equilbrio dinmico tpico em ITP [9].

J em RITP recorre-se a iodo molecular (I2), como agente de controlo, a fim de gerar in situ, o

agente de transferncia de cadeia reversvel, antes da reao de polimerizao ocorrer. O

mecanismo de uma reao RITP tpica esquematizado na Figura 11.

Figura 11 - Esquema simplificado de mecanismo RITP [10].

1.4.2. Avaliao do carcter vivo dos polmeros preparados por LRP Como referidoanteriormente, os sistemas LRP so caracterizados por apresentarem uma

evoluo linear do peso molecular com a converso de monmero e simultaneamente, uma

diminuio da polidispersividade com a converso de monmero. No entanto, estes

parmetros no so uma garantia de um polmero vivo. Para tal so necessrias mais

informaes, nomeadamente anlises de ressonncia magntica nuclear (RMN) que permitem

identificar a presena dos terminais ativos de cadeia. Como complemento a esta tcnica de

Inibio

Polimerizao

Seco I Introduo

24

identificao do terminal ativo de cadeia, dado que nem sempre fcil de ser executada,

surgem estratgias experimentais capazes de avaliar este carcter vivo dos polmeros

obtidos por LRP, nomeadamente as reaes de reiniciao ou a copolimerizao (se for

utilizado um monmero diferente). A reiniciao uma reao de extenso de cadeia em que

o polmero obtido por LRP usado como macroiniciador de uma reao LRP com monmero

fresco. Como resultado obtm-se um polmero com maior peso molecular e portanto por

anlise de cromatografia de permeao em gel (GPC) possvel verificar o deslocamento do

pico do polmero aps experincia de reiniciao para valores mais altos de peso molecular,

tal como demonstra a Figura 12.

Figura 12 - Representao esquemtica do deslocamento da curva de pesos moleculares do polmero de LRP aps

experiencia de reiniciao.

1.5. Hidrogis Um hidrogel um estrutura polimrica tridimensional hidroflica, capaz de absorver e reter

grandes quantidades de gua ou de um fludo biolgico sem que ocorra dissoluo do

polmero [12]. Esta definio abrange uma grande variedade de materiais naturais (de origem

vegetal ou animal), materiais naturais modificados e materiais polimricos sintticos [13]. A

sntese ou modificao de materiais para a obteno de hidrogis advm muitas vezes da

necessidade de evitar a dissoluo das cadeias hidroflicas de um determinado polmero numa

soluo aquosa, induzindo para tal, reticulao no polmero [14]. Assim, a organizao tpica

de um hidrogel em redes pressupe a existncia de ligaes cruzadas (reticulaes qumicas

ou fsicas) entre as cadeias de homopolmeros ou copolmeros, o que resulta num material

insolvel. Os hidrogis reticulados fisicamente so formados por ligaes de hidrognio,

ligaes hidrofbicas e/ou electroestticas. Os que so reticulados quimicamente resultam da

Seco I Introduo

25

formao de ligaes covalentes por polimerizao radicalar (ex: monmeros bifuncionais),

por reao qumica com agentes reticulantes (ex.: reticulao com aldedos, reao de adio

de condensao), ou de radiao de alta energia [15]. Neste sentido, existe uma variedade de

mtodos para a reticulao de polmeros, no entanto, para a escolha do mtodo mais adequado

surge a necessidade de, em simultneo, avaliar determinados aspectos (ex: condies de

reaco e reagentes) e propriedades consoante a aplicao final do material [14]. Por

exemplo, em muitas das aplicaes dos hidrogis nas reas biomdica e farmacutica

necessrio garantir a biodegradabilidade (qumica ou enzimtica), a biocompatibilidade do

material e que os produtos resultantes da degradao tenham baixa toxicidade [14].

A caracterstica comum a todos os hidrogis a compatibilidade com a gua que advm da

presena de grupos funcionais hidroflicos (-OH, -COOH, -CONH2, -CONH, -SO3H),

fazendo com que inchem facilmente em gua [16]. O teor de gua ou inchao depende

fundamentalmente da relao entre o nmero de cadeias polimricas hidroflicas e

hidrofbicas, e do grau de reticulao. A forma como um hidrogel incha ou encolhe num

meio pode ainda dever-se forma como o polmero responde a determinados estmulos

externos tais como mudanas de temperatura, pH, solvente, campo eltrico ou magntico [15],

no caso de se utlizar polmeros que respondem aos estmulos referidos.

Devido s suas propriedadesde inchao e biocompatibilidade, os hidrogis tm sido

exaustivamente estudados para aplicaes mdicas e farmacuticas, nomeadamente, em

sistemas de libertao de frmacos, em engenharia tecidos e em dispositivos mdicos [13].

Estes materiais polimricos reticulados podem ser utilizados em lentes de contacto, entre

diversas aplicaes, podem ser usados: em cartilagens sintticas; em membranas de

biossensores; como pele artificial, como dispositivos de libertao controlada de frmacos; e

como matrizes para crescimento celular. Nesta ltima aplicao, os hidrogis atuam como

matrizes extracelulares, de forma a criar um ambiente propcio ao crescimento e diferenciao

celular, por exemplo para o tratamento de queimaduras [12, 16].

Os hidrogis podem ser classificados tendo em conta diferentes aspectos tais como a

composio do polmero, a natureza da carga inica e as suas propriedades estruturais [15, 17].

Estas caractersticas fsico-qumicas que permitem caracterizar um hidrogel esto

apresentadas na Tabela 2.

Seco I Introduo

26

Tabela 2 Classificao de hidrogis [15, 17].

Composio do polmero

Natureza da carga inica Propriedades estruturais / estrutura fsica das redes

Homopolmero (polimerizao de um nico monmero

hidroflico)

Aninicos (se contm apenas cargas negativas)

Amorfo (molculas orientadas de forma aleatria e

entrelaadas)

Catinicos (se forem constitudos por cargas positivas)

Semi-cristalino

(molculas com empacotamento regular e ordenado em determinadas regies da

matriz)

Copolmerico (polimerizao de dois tipos de monmeros,

sendo um deles obrigatoriamente

hidroflico)

Anfotricos (comportam-se como cidos ou bases,

dependendo do meio em que esto inseridos)

Ligado por pontes de Hidrognio (as molculas esto ligadas por pontes de

hidrognio)

Neutros

(nmero de cargas positivas igual ao nmero de cargas negativas)

Agregado hidrocoloidal

A absoro de gua a propriedade mais importante nos hidrogis, nomeadamente para

aplicaes biomdicas e farmacuticas destes materiais, na medida em que este fenmeno

permite conferir propriedades viscoelsticas ao material e possibilita o transporte de

nutrientes e produtos resultantes do metabolismo celular [18]. Num hidrogel, os fatores que

influenciam mais a sua interao com a gua e o seu comportamento so a natureza

hidroflica/hidrofbica dos polmeros utilizados, a carga inica e o grau de reticulo. Como

resultado destas interaes, as cadeias de polmero incham, sem que haja dissoluo no meio

onde inserido [16]. O grau de inchao est muitas vezes associado quase exclusivamente ao

grau de reticulao do hidrogel.

Com o intuito de avaliar o grau de inchao coloca-se o material em gua ou soluo aquosa a

testar (soro fisiolgico, por exemplo, para testar hidrogis para aplicaes biomdicas,

simulando assim as condies corporais). Pesando o composto antes e depois da imerso,

durante um determinado tempo t, possvel determinar a quantidade de gua absorvida pelo

gel atravs da Equao (11) [18].

!"#$ !"#!! % = !! !!!! 100 (11)

Onde W0 corresponde ao peso do hidrogel seco e Wt ao peso do hidrogel aps um tempo t em

soluo.

Seco I Introduo

27

Os hidrogis de base polimrica tem vindo a suscitar recentemente grande interesse para

aplicao como frmacos na medida em que: conduzem a menores toxicidades (porque no

so absorvidos para a corrente sangumea), podem ser optimizados com a introduo de

diferentes funcionalidades para se produzirem materiais com diferentes atividades biolgicas

e tm a capacidade de reconhecer e permitir a ligao a molculas causadoras de doenas [19].

Os cidos biliares so surfactantes biolgicos produzidos no fgado que ajudam na digesto de

alimentos e permitirem a absoro de lpidos no intestino. So responsveis por controlarem

vrios processos metablicos (glicose, energia de triglicerdeos e a homeostase do colesterol)

e so sintetizados a partir do colesterol heptico microsodial no fgado humano [20].

Quimicamente estas molculas tm um ncleo hidrofbico (esqueleto esteride) e um

segmento hidroflico com propriedades aninicas ao pH do estmago [19]. Aps serem

segregados pelo fgado so armazenados na vescula e entram no lmen intestinal durante a

digesto dos alimentos. Posteriormente so absorvidos e regressam ao fgado atravs da

circulao portal heptica, mantendo-se deste modo o seu nvel. Durante este processo,

designado por ciclo enteroheptico, pode existir perda de cidos biliares (cerca de 5%) atravs

da sua eliminao pelas fezes. Este desiquilbrio compensado atravs da produo de mais

cido no fgado, por degradao do colesterol. Neste sentido, com o objetivo de tratar doenas

associadas hipercolesterolemia (elevados nveis de colesterol no sangue) tm sido

produzidos frmacos polimricos que permitem interromper o ciclo enteroheptico. Este

frmacos, conhecidos por sequestradores de cidos biliares (BAS), so hidrogis de base

polimrica catinica que permite formar complexos com as molculas de cido biliar

ionizadas que se encontram no intestino. Devido ao elevado peso molecular dos polmeros, o

complexo polmero-cido biliar no reabsorvido pelo intestino, sendo excretados nas fezes.

Assim, quanto maior o nmero de molculas de cidos biliares no reabsorvidas, maior a

quantidade de cidos biliares que tem que ser produzida, a partir do consumo de colesterol.

Desta forma, o nvel de colesterol no plasma sanguneo diminudo. Atualmente existem no

mercado trs frmacos polimricos aprovados pela Food and Drugs Administration (FDA) no

tratamento de hipercolesterolemia: a Colesteramida, o Colespiol e o Colesevelam [21, 22].

Tendo em conta a natureza qumica dos cidos biliares, estes frmacos so estruturalmente

caracterizados por um balano adequado de segmentos hidrofbicos e hidroflicos para

permitir a interao com a parte esteroide das molculas de cidos biliares e, tambm, por

cargas catinicas para permitirem as interaes electrostticas com as molculas ionizadas a

sequestrar.

O Colesevelam um dos agente BAS mais recentes presente no mercado (pertence 2

gerao de frmacos desta categoria) e o mais eficaz no tratamento da hipercolesteremia. A

Seco I Introduo

28

sua estrutura (Figura 13) caracterizada por longas cadeias hidrofbicas espaadas, aminas

primrias para permitir interaes electrostticas com os cidos biliares ionizados e aminas

quaternrias que estabilizam o hidrogel [21, 22].

Figura 13 - Estrutura qumica de Colsevelam [23].

Atualmente a a sntese destes frmacos sequestradores de cidos biliares recorre

exclusivamente a processos de polimerizao radicalar livre, nos quais no existe qualquer

tipo de controlo sobre estrutura e peso molecular dos polmeros. No entanto, sabe-se que a

eficincia destes frmacos est dependente do tipo de estrutura do polmero base (por

exemplo posio relativa dos grupos catinicos na estrutura polimrica) [24]. Assim, com o

intuito de garantir um controlo sobre a estrutura molecular do polmero, peso molecular e

polidispersidade pretendeu-se, neste projecto, sintetizar um novo polmero por polimerizao

radicalar viva que seja vivel para substituir as formulaes dos agentes sequestradores de

cidos biliares comerciais, nomeadamente o Colesevelam. Sendo o peso molecular dos

polmeros de BAS determinante para a eficincia dos frmacos simulou-se os dados da

patente de Colesevelam para determinar o peso alvo dos polmeros a sintetizar por LRP. Nesta

patente, depois de se obter o polmero por FRP necessrio reticul-lo e proceder ao processo

de alquilao do hidrogel para testar as suas propriedades farmacolgicas e compar-las com

o frmaco comercial. Estes dois ltimos procedimentos (reticulao e alquilao descritos na

patente) sero seguidos para os polmeros de LRP. Neste sentido, ser possvel uma

comparao entre os resultados do frmaco original e os dos polmeros obtidos por LRP, nas

trs etapas essencial de sntese de um BAS (polimerizao, reticulao e alquilao).

Seco II

Parte Experimental

Seco II Parte Experimental

30

2. 2.1. Materiais

O hidroxietil acrilato (HEA) (Sigma-Aldrich; 99%), o hidroxietil metacrilato (HEMA)

(Sigma-Aldrich; 99%) e a alilamina (AlA) (Sigma-Aldrich; 99%) foram passados por uma

coluna de alumina/areia para remover o inibidor de radicais antes de cada utilizao. Brometo

de cobre (II) (CuBr2) (Acros, 99+% +extra puro; anidro), dimetilformamida (DMF) (Sigma-

Aldrich, 99,8%), dimetilsulfxido deuterado (d6DMSO) (Eurisotop; +1%TMS), DMSO

(Acros, 99,8+% extra puro), gua deuterada (D2O) (Eurisotop; +1%TMS), clorofrmio

deuterado (CDCl3) (Eurisotop; +1%TMS), etil 2-bromo-2-metilpropionato (EBiB) (Sigma-

Aldrich, 99%), acetato de etilo (Acros; 99,5%), soluo de formaldedo (Sigma-Aldrich;

reagente ACS, 37% em peso em H2O) cido frmico (Sigma-Aldrich; ACS reagente; 88,0%),

cloreto de metileno (Sigma-Aldrich; purum; 98, 0% GC), hidrxido de sdio (Panreac;

pellets), sulfato de sdio (Sigma-Aldrich; reagente ACS, 99,0%, p anidro), tris (2-

aminoetil) amina (TREN) (Aldrich, 96%), bipiridina (Sigma-Aldrich, 98,0%) e ferro de

valncia zero (Acros; p 99%; -70 mesh) foram utilizados como recebidos. Me6TREN foi

sintetizado de acordo com procedimentos descritos na literatura [25, 26]. Epicloridrina

(Aldrich; 98,0% GC), o 1,4-butanodiol diglicidil ter (Aldrich; 95%) e o 1,2-etanodiol

diglicidil ter (Sigma-Aldrich; 99,5%, anidro), isopropanol (Sigma-Aldrich; 99,7%, anidro),

metanol (Sigma-Aldrich; 99,8%, anidro) e dihidrogenofosfato de sdio foram utilizados como

recebidos na sntese de hidrogis.

2.2. Tcnicas Esta seco tem como objetivo dar a conhecer os conceitos bsicos das tcnicas utilizadas

neste trabalho para a caracterizao das amostras preparadas, bem como, as condies em que

foram executadas e as principais caractersticas de cada equipamento.

2.2.1. Espectroscopia de Ressonncia Magntica Nuclear A espectroscopia de RMN uma das tcnicas mais informativas e das mais utilizadas para o

estudo da estrutura molecular de um composto. A anlise pode ser feita diretamente a partir

de um lquido puro, a partir de uma soluo ou a partir de um slido. Os solventes utilizados

para este tipo de anlises, principalmente para o estudo de protes, so solventes com uma


31

percentagem muito baixa de protes de modo a que no haja interferncia com os elementos

em anlise. Para tal recorre-se a solventes deuterados tais como D2O, CDCl3 ou d6DMSO [27].

A teoria de RMN diz que qualquer ncleo com spin pode ser estudado por esta tcnica

espectroscpica. Assim, todos os ncleos que tenham nmero de massa mpar ou nmero

atmico mpar (por exemplo !!! , !, !, ! ! !!!"!!"!!"!! ), possuem spin, isto tm momento angular. Neste trabalho apenas ir ser abordada a tcnica de RMN para !!! [27]. Para se obter um espectro de RMN de uma determinada amostra, esta colocada no campo

magntico de um espectrmetro, e sobre ela incide um campo de radiofrequncia.

Aumentando o campo magntico o detector detecta a excitao dos ncleos, o que resulta

numa absoro de energia no campo de radiofrequncias. Como resultado, obtm-se um

grfico de voltagem induzida versus varrimento do campo magntico, o espectro de RMN[27].

Para a anlise destes grficos necessrio ter em conta que: a rea de cada pico depende do

nmero total de ncleos que esto a oscilar; que a intensidade do campo necessria para a

absoro de energia por um determinado proto depende do seu ambiente mais prximo

(estrutura molecular); e que se um proto tem n protes equivalentes (protes equivalentes

ocupam ambientes idnticos) em carbonos adjacentes, a sua absoro ser dividida em n+1

picos [27]. Assim, um espectro de RMN fornece trs tipos de informao sobre uma amostra

em estudo: (i) o deslocamento qumico de um multipleto, que diz o ambiente do proto

envolvido; (ii) a rea doo pico, que revela o nmero de protes envolvidos e (iii) a

multiplicidade, que indica quantos protes vizinhos existem.

Numa primeira fase, com o intuito de confirmar a estrutura dos polmeros e de avaliar a

eficincia das snteses de LRP executadas, realizaram-se estudos de RMN 1H a 400MHz, com

tetrametilsilano (TMS) como padro interno e com D2O ou d6DMSO (dependendo da

solubilidade do polmero) como solvente das amostras em anlise. Adicionalmente, as

amostras que envolviam os estudos cinticos com poli hidroxietil metacrilato (PHEMA)

foram analisadas por RMN 1H a 600 MHz, com TMS como padro interno e com d6DMSO

como solvente das amostras. Recorrendo a esta tcnica foi ento possvel estudar as cinticas

executadas, determinando a converso de monmero por integrao de dois picos, um

caracterstico do monmero e outro polmero, no software MestRenova verso 6.0.2-5475. A

Equao 12 ilustra o clculo utilizado para determinar a converso de monmero na sntese

LRP de PHEMA. Para tal selecionou-se os picos caractersticos da ligao dupla no

monmero a 6,06 ppm e a 5,68 ppm, e o grupo metxi (O-CH2) do polmero a 4,09 - 4,12

ppm [28].


32

!"#$%&'!!"#$% % = 1 !(!!! = !) 2!(!!! = !) 2 + !(!"!!) 2 12

2.2.2. GPC/SEC - Gel Permeation Chromatography / Size Exclusion Chromatography

A cromatografia de excluso de tamanhos ou cromatografia de permeao em gel,

vulgarmente denominada por GPC uma tcnica largamente utilizada em tecnologia de

polmeros para determinao da distribuio de pesos moleculares de polmeros e obter

valores para o peso molecular mdio numrico(Mn) e para o peso molecular mdio ponderal

(Mw) [29].

A teoria do GPC/SEC a separao de molculas com base no seu raio/volume

hidrodinmico (raio/volume equivalente ao de uma esfera que eluiria no mesmo tempo que a

amostra em estudo). Ao atravessarem uma coluna porosa de material polimrico reticulado, as

molculas da amostra so separadas de acordo com o seu volume. Como as partculas de

pequeno tamanho da amostra so suficientemente pequenas para entrarem nos poros da

coluna, estas so momentaneamente removidas do fluxo principal de solvente (excluso) ao

longo da colunas, pelo que necessitam de mais tempo para atravessar a coluna do

equipamento [29].

O esquema que se segue ilustra bem um equipamento tpico de GPC.

Figura 14 - Esquema representativo de equipamento GPC [29].

A amostra injetada no sistema, e passa atravs da(s) coluna(s) onde ocorre o processo de

separao por tamanho. Quando a amostra sai da(s) coluna(s) passa atravs de um detector ou

uma srie de detectores. A extenso da anlise dos dados depende do tipo e do nmero de

detectores usados e juntamente com vrios tipos de calibraes e/ou clculos utilizados pode

calcular-se parmetros como peso molecular, distribuio de peso molecular, viscosidade

intrnseca ou a densidade molecular, raio hidrodinmico, e raio giratrio. Para a anlise de


33

GPC ser possvel necessrio uma curva de calibrao obtida atravs de padres de GPC, isto

, a partir de amostras polimricas de peso molecular conhecido e baixa polidispersividade.

Neste trabalho os parmetros das amostras foram determinados utilizando Viscotek (detector

Dual 270, Viscotek, Houston, EUA) equipado com um viscosimetro diferencial (DV), um

light scattering (RALLS, Viscotek) e um detector de ndice de refrao (RI; Knauer K-2301).

O sistema de colunas era constitudo por uma coluna de guarda PL 10 mm (50x7.5 mm2)

seguida por duas colunas MIXED PL-B (300x7.5 mm2, 10 mm). Com o auxlio de uma

bomba de HPLC (Knauer K-1001) o caudal foi mantido a 1 mL/min. As medies foram

realizadas com uma soluo a 0,02% de LiBr em DMF a 60 C, usando para o efeito um

aquecedor Elder CH-150. O sistema est equipado tambm com um desgaseificador Knauer

on-line. O dn/dc utilizado para as amostras de PHEMA foi de 0,076, com base na bibliografia

consultada e na injeo de uma amostra com concentrao conhecida de PHEMA puro [28].

O peso molecular (MnGPC) e a polidispersividade (Mw/Mn) dos polmeros sintetizados foram

determinadas recorrendo ao software OmniSEC verso: 4.6.1.354, e utilizou-se a calibrao

com trs detectores (RI, DV e RALLS).

Nas reaes de estudos cinticos deste trabalho aps conhecer os parmetros fornecidos por

GPC, e de se determinar previamente a converso de monmero em cada reao por RMN,

foi possvel determinar a constante aparente da velocidade da reao (Kp), atravs da Equao

13, considerando que se trata cintica de primeira ordem.

!" ! !! = !" 1 !"#$%&'! = !!! (13)

2.2.3. Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization - Time Of Flight Mass Spectrometry (MALDI-TOF MS)

Em tecnologia de polmeros a espectroscopia MALDI - TOF uma ferramenta poderosa para

a determinao do peso molecular de polmero e que fornecer informaes sobre a

composio de um sistema polimrico, atravs da ionizao suave da amostra.

A Figura 15 que se segue esquematiza o equipamento tpico de espectroscopia de massa

MALDI-TOF constitudo por um recipiente para amostras, um laser ptico, uma fonte de alta

tenso, um tubo de vento, e um detector electrnico para os ies [30].


34

Figura 15 Esquema de um equipamento tpico de espectroscopia de massa MALDI-TOF [30].

Nesta tcnica, uma determinada amostra colocada numa matriz apropriada e sujeita a alto

vcuo para ser cristalizada. A ao de um pulso de laser de gs de azoto com determinado

comprimento de onda capaz de ionizar as molculas da amostra. Esta ao leva libertao

de molculas e ies da matriz, a partir da placa. Posteriormente os ies so acelerados e um

equipamento de anlise mede o tempo que as molculas demoram a percorrer uma

determinada distncia (analisador TOF) [30].

2.3. Procedimentos experimentais Esta seco diz respeito aos procedimentos utilizados em todas as atividades laboratoriais

envolvidas neste trabalho de investigao.

2.3.1. Sntese do Colesevelam por FRP Com base na informao disponvel na patente [23] que descreve a sntese do produto

comercial Colesevelam sintetizou-se por polimerizao radicalar livre o poli(clorohidrato

alilamina) (PAlAH). Neste processo utilizou-se 13,1 mL de AlA (monmero) previamente

purificado numa coluna de areia/alumina, como iniciador 20,4 mg de AAPH e como solvente

1 mL de gua destilada.

Num banho de gelo colocou-se um balo de fundo redondo com 14,4 mL de cido clordrico e

adicionou-se o monmero gota a gota. Posteriormente, adicionou-se a soluo aquosa de

iniciador e a reao prosseguiu durante 72 h, a 50 C. Ao fim de 24 h de reao adicionou-se

mais iniciador ao sistema reacional (20,4 mg de iniciador e 1 mL de solvente) e no final da

reao adicionou-se 1 mL de gua destilada, tal como descrito na referida patente.


35

O polmero foi isolado por precipitao em metanol frio. O p resultante foi filtrado, e o

processo de lavagem e filtrao foi repetido novamente. Finalmente o p resultante foi

colocado a secar numa estufa de vcuo.

2.3.2. Exemplo de polimerizao radicalar viva de PHEMA catalisada por Fe0/CuBr2/Me6TREN=1/0,1/1,1 (DP = 222)

Aps passar o monmero HEMA (9,0 mL; 74,4 mmol) numa coluna de areia e alumina para

remover o estabilizante preparam-se duas solues. A primeira, contendo CuBr2 (7,60 mg;

0,034 mmol), Fe(0) (18,80 mg; 0,336 mmol), Me6TREN (85,0 mg; 0,369 mmol) e DMSO

(4,5 mL), onde o solvente foi previamente borbulhado em azoto durante cerca de cinco

minutos e a segunda com o monmero e o iniciador EBiB (60,30 mg; 0,336 mmol). Depois de

preparar o reator Schlenk de fundo redondo por secagem em vcuo, colocaram-se as solues

anteriormente descritas e congelou-se o sistema em azoto lquido. A mistura reacional do

reator foi sujeita a um processo de desgaseificao, para remover o oxignio, atravs de ciclos

de congelamento-vcuo-descongelamento e purga com azoto. Finalmente preencheu-se a

atmosfera do reator com azoto e colocou-se num banho a 30 C com 700 rpm, durante cerca

de 24 h. Na Tabela 3 encontram-se todos os materiais envolvidos na reaes de LRP

estudadas.

A escolha dos monmeros teve em conta o objetivo central do trabalho, a sntese de polmeros

funcionais com possvel aplicao em frmacos sequestradores de cidos biliares. Neste

sentido pretendeu-se obter por LRP polmeros funcionais que apresentem biocompatibilidade

com os tecidos vivos, baixa toxicidade, hidrofilicidade e a presena de grupos hidroxilo com

capacidade de funcionalizao. Assim selecionaram-se monmeros acrlicos (HEA e HEMA),

como consequncia da vasta utilizao e inmeras aplicaes j existentes para a sntese

hidrogis na indstria farmacutica e em aplicaes biomdicas [16].


36

Tabela 3 - Compostos envolvidos nas reaes de LRP, estudadas.

Monmeros

HEA HEMA AlA

Iniciador EBiB

Ligantes

Me6TREN TREN Bipiridina

Solventes

DMSO gua

Catalisador Fe (0) + Cu(II)Br2

Hidrogis de acrilatos e de metacrilatos tm sido propostos como potenciais materiais para

aplicaes farmacuticas, nomeadamente como sistemas de liberao controlada de frmacos,

bioadesivos e como dispositivos segmentveis de agentes teraputicos [16]. A alilamina,

sendo o monmero utilizado para a sntese do BAS comercial [23] ser tambm objecto de

estudo em reaes de LRP.

2.3.3. Purificao de monmeros (HEA e HEMA) Uma vez que os monmeros HEA e HEMA utilizados neste trabalho esto contaminados

inevitavelmente com compostos diacrilatos foi necessrio previamente purific-los por forma

a evitar a formao de um hidrogel durante a polimerizao por LRP. O processo utilizado foi

adoptado da literatura [31] e [32], respectivamente para o HEA e o HEMA.

Preparou-se uma soluo aquosa de monmero 25 % (v/v) que foi posteriormente lavada

cinco vezes com hexano. Por cada litro de soluo adicionou-se 250 g de cloreto de sdio,

sendo a soluo resultante lavada duas vezes com ter etlico. Aps adicionar sulfato de clcio

como agente secante e 0,1% de hidroquinona como agente estabilizante, destilou-se a soluo

no evaporador rotativo por forma a evaporar o ter etlico da soluo.


37

2.3.4. Sntese de Me6TREN A sntese de Me6TREN foi feita com base em informao da literatura [25] [26]. Uma soluo

de formaldedo (37% w/w, 49,3 mL) e cido frmico (88% w/w, 50 mL) previamente agitada

foi adicionada, gota a gota, temperatura de 0 C, a 10 mL de TREN e de gua destilada

durante uma hora. De seguida, a mistura foi mantida em refluxo a 95 C durante 12 h. Com o

intuito de remover os compostos volteis destilou-se a mistura proveniente do refluxo durante

1 h a 70 C. Ajustou-se o pH da soluo castanha resultante at valor de pH superior a 10 com

uma soluo saturada de hidrxido de sdio. A mistura foi lavada com cloreto de metilo duas

vezes, a fase orgnica foi seca, adicionando sulfato de sdio e colocada no evaporador

rotativo a 40 C tendo-se obtido um leo amarelo. O Me6TREN foi analisada por 1H-RMN em

600 Hz para confirmar a sua estrutura. O espectro de RMN do composto sintetizado encontra-

se no anexo A.

2.3.5. Cintica PHEMA A metodologia adoptada para a reao que envolve a cintica de uma reao LRP em toda

igual ao j descrito no ponto 2.3.2 referente polimerizao radicalar viva catalisada por

metais. No entanto, aps colocar o reator no banho de 30 C, durante a polimerizao, vo

sendo recolhidas amostras de polmero, em tempos previamente definidos. Para tal, em cada

amostra uma agulha inserida no reator, utilizando um brao lateral com azoto, e uma seringa

recolhe o polmero em cada instante de tempo. Este procedimento garante que no ocorre

entrada de oxignio no reator durante a recolha das amostras. Na Figura 16 apresenta-se a

montagem utilizada nas reaes de cintica de PHEMA.

Figura 16 Montagem utilizada nas cinticas das reaes de LRP de PHEMA.


38

ainda de referir que cada amostra recolhida foi analisada por espectroscopia de RMN 1H,

para determinar a converso de monmero, e por GPC para determinar o peso molecular e a

polidipersividade dos polmeros.

2.3.6. Reiniciao ou copolimerizao Para concretizar esta experincia executou-se o procedimento anterior de LRP (seco 2.3.2),

no entanto, o inciador EBiB foi substitudo pelo macroiniciador PHEMA, obtido numa reco

nas seguintes condies [HEMA]0/[EBiB]0/[Fe(0)]0/[CuBr2]0/[Me6TREN]0 = 50/1/1/0,1/1,1 e

[HEMA]0/[DMSO]=1/1 (% vol). Assim, aps purificar HEMA (1,80 mL; 14,86 mmol) numa

coluna de areia e alumina preparou-se o reator Schlenk de fundo redondo, secando em vcuo.

De seguida adicionou uma soluo de CuBr2 (0,70 mg; 0,003 mmol), Fe(0) (1,7 mg; 0,03

mmol), Me6TREN (7,5 mg; 0,033 mmol) e DMSO (1,8 mL) e outra com o monmero e o

macroiniciador PHEMA (60,30 mg; MnGPC=1,0x104 g/mol; Mw/Mn =1,32 ). Depois de

executar os mesmo procedimentos de desgaseificao descritos nas reaes de LRP deixou-se

a reo ocorrer por 24 h a 30 C e 700 rpm.

2.3.7. Sntese de hidrogis Os hidrogis podem ser preparadas por vrias tcnicas de polimerizao ou por transformao

de polmeros existentes [33]. Neste trabalho a sntese de hidrogis foi feita com base no

trabalho desenvolvido por Mandeville [23], que descreve o processo utilizado para a

reticulao de polmeros de alilamina que conduz obteno de um hidrogel. Assim,

pretende-se reticular os grupos amina do polmero, por reao com um agente de reticulao,

em meio bsico, temperatura ambiente, at se obter um gel. Colocando o gel em gua e

agitando durante algumas horas h a formao de partculas slidas, que so lavadas em gua,

em alguns processos de lavagem, e secas em estufa de vazio.

Para cada polmero, sintetizado por FRP ou LRP, preparam-se solues de 25% de polmero e

utilizaram-se trs agentes de reticulao a epicloridirna, o ter diglicdico do 1,4-butanodiol e

o ter diglicdico do 1,2-etanodiol, com diferentes percentagens de agente. Embora os

procedimentos de reticulao sejam semelhantes para os agentes utilizados, h pequenas

diferenas que so descritas e seguida.


39

Reticulao com epicloridrina

Preparou-se uma soluo de polmero em gua a 25% [23] em massa e ajustou-se o pH da

soluo a 10 com soluo aquosa de hidrxido de sdio. De seguida adicionou-se a

epicloridrina como agente de reticulao para diferentes relaes de massa de agente

reticulante e massa de polmero 5,9% [23], 200% e 975%. Deixou-se a soluo em agitao,

temperatura ambiente, at gelificar. Depois de remover o polmero em gel procedeu-se

lavagem com gua e as partculas foram recolhidas por filtrao. Depois de repetir o processo

de lavagem colocaram-se as partculas na estufa de vazio para secagem. Com este

procedimento testaram-se os polmeros de polialilamina sintetizada por FRP, bem como, o

PHEMA e a PAlA sintetizados por LRP.

Reticulao com ter diglicdico do 1,4-butanodiol

Para os polmero de PAlAH de FRP prepararam-se solues de 25% [23] (em massa) em gua

e ajustou-se o pH da soluo a 10 com soluo aquosa de hidrxido de sdio. Por adio de

ter diglicdico do 1,4-butanodiol, como agente de reticulao, a 14% [23] e 975% (massa de

agente reticulante/massa de polmero) prepararam-se os hidrogis, temperatura ambiente,

at gelificar. Depois de remover o polmero em gel procedeu-se lavagem com gua, durante

uma hora, e as partculas foram recolhidas por filtrao. O procedimento de lavagem foi

executado por duas vezes e o produto final foi seco a vcuo durante alguns dias para garantir

a ausncia de gua.

Reticulao com ter diglicdico do 1,2-etanodiol

O procedimento de reticulao de polmeros de polialilamina com o ter diglicdico do 1,2-

etanodiol idntico ao do ter diglicdico do 1,4-butanodiol. Neste caso prepararam-se

solues de polmero em gua a 25% [23] e a relao de massa de agente/massa de polmero

foi de 25% [23] e 975%. A diferena para o agente 1,4-butanodiol diglicidil ter reside apenas

no processo de lavagem. Neste caso a lavagem feita com metanol e aps filtrao

adicionado gua, ficando a suspenso em agitao por uma hora. Aps nova filtrao o

processo de lavagem com gua repetido e adiciona-se isopropanol antes de colocar o

hidrogel a secar em vcuo [23].


40

2.3.8. Testes de Inchao (Swelling) Com o intuito de avaliar o grau de inchao dos hidrogis de PAlA FRP reticulados com

epicloridrina, executaram-se testes de swelling. Nestes testes seguiu-se o trabalho

desenvolvido por Sadahira [34] para a caracterizao e avaliao do perfil de liberao in

vitro de hidrogis do lcool polivinlico. Este trabalho avalia a quantidade de gua que o

hidrogel capaz de absorver em trs solues fosfato a pH de 3, 6 e 9.

No presente trabalho prepararam-se trs pequenos frascos com quantidades de hidrogel

semelhantes (100 mg). Adicionou-se um volume predefinido de soluo tampo fosfato a pH

6 (4 mL) e colocaram-se as amostras num shaker (Thermoshake com cmara com temperatura

controlada) a 37 C e 900 rpm durante 25 h. Durante as primeiras 4 h as amostras foram

recolhidas em intervalos regulares de uma hora, e o excesso de gua superficial retirado com

papel de filtro, pesadas numa balana e determinado o grau de inchao.

Preparao da soluo tampo fosfato a pH 6

1,7 g de dihidrogenofosfato de sdio (NaH2PO4) foram pesados e solubilizados em 200 mL de

gua miliQ temperatura ambiente. O pH da soluo foi ajustado a 6,0 com soluo de NaOH

a 10 M e o volume da soluo foi ajustado com gua at perfazer 250mL de soluo.

Seco III

Resultados e Discusso

Seco III Resultados e Discusso

42

3. Neste captulo sero apresentados e discutidos todos os resultados obtidos e decises tomadas

no decorrer do trabalho. Esta seco est dividida em trs partes fundamentais. A primeira diz

respeito tentativa de sintetizar o frmaco comercial que funciona como agente sequestrador

de cidos biliares, o Colesevelam, com base na informao obtida em Mandeville [23]. A

segunda parte relativa sntese de polmeros por LRP utilizando HEMA, HEA e AlA como

monmeros. Nesta parte so abordadas as cinticas de reao de sntese de PHEMA e

discutidos os resultados obtidos quando se variam parmetros de polimerizao, como: grau

de polimerizao, rcio monmero/solvente e alterao do ligante. Os polmeros obtidos

podem vir a ser possveis candidatos a hidrogis para agentes BAS e portanto, a terceira parte

diz respeito fase se sntese de hidrogis a partir dos polmeros obtidos por LRP. A fase de

alquilao para obter os agentes sequestrados de cidos biliares no ser abordada neste

trabalho por limitao de tempo.

3.1. Polimerizao radicalar livre Colesevelam.

Com base na informao da patente do Colesevelam [23], a primeira etapa do trabalho foi a

preparao d

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Dissertação MIEQ