Upgrading of suberin from cork and birch outer bark

O trabalho aqui apresentado teve como principal propósito o estudo do potencial da suberina como fonte de produtos de química fina e como precursor de novos materiais macromoleculares de origem renovável. O interesse na suberina reside, não só na sua ubiquidade e nas suas propriedades únicas em termos de composição química e hidrofobicidade, mas também no facto de ser um dos principais componentes macromoleculares dos subprodutos da indústria corticeira de Quercus suber L. no Sul da Europa, e da indústria de pasta de papel do Norte da Europa, que utiliza a Betula pendula Roth como matéria-prima. A primeira parte do presente trabalho consistiu no estudo detalhado da composição química da cortiça de Quercus suber L. e respectivos resíduos industriais bem como da casca de Betula pendula Roth recorrendo a diferentes técnicas de caracterização, nomeadamente GC-MS, IV, RMN de 1H e de 13C, DSC, termomicroscopia, TGA e difracção de raios-X. Os resultados mostraram que os produtos de despolimerização da suberina representam tipicamente uma fracção substancial de todas as amostras. Para além da suberina, foram também identificados nas diversas amostras quantidades variáveis de compostos triterpénicos, lenhina, polissacarídeos e matéria inorgânica. Os principais resultados da análise por GC-MS mostraram que todas as amostras de suberina despolimerizada são fontes abundantes de ω-hidroxiácidos e de ácidos dicarboxílicos, bem como dos correspondentes derivados epóxidados. No entanto, as quantidades relativas de cada componente identificado foram significativamente diferentes entre amostras. Por exemplo, em amostras de suberina da casca de Quercus suber L. isoladas por metanólise alcalina o composto maioritário encontrado foi o ácido 22-hidroxidocosanóico, enquanto que a suberina também proveniente da cortiça, mas isolada por hidrólise alcalina era composta maioritariamente pelo ácido 9,10-dihidroxioctadecanóico. Já no caso da amostra de suberina despolimerizada proveniente da casca externa da bétula o composto identificado como mais abundante foi o ácido 9,10-epoxi-18-hidroxioctadecanóico. A caracterização das diversas amostras de suberina despolimerizada por FTIR e RMN de 1H e de 13C foram concordantes com os resultados de GC-MS, evidenciando a sua natureza predominantemente lipofílica. Foi ainda determinada a razão entre os grupos CO2H/OH e CO2CH3/OH por RMN de 1H das amostras convenientemente derivatizadas com isocianato de tricloroacetilo, verificando-se que a suberina despolimerizada possuía quantidades não-estequiométricas destes grupos funcionais. A investigação do comportamento térmico das amostras de suberina despolimerizada, por DSC e termomicroscopia, bem como a análise por difracção de raios-X, permitiu concluir que algumas amostras de suberina despolimerizada possuíam importantes domínios cristalinos e pontos de fusão bem definidos, tipicamente próximos de 70 oC, enquanto outras amostras eram essencialmente amorfa. Factores como a fonte de suberina ou as condições de despolimerização estiveram na origem destas diferenças. iv Neste trabalho estudaram-se também os extractáveis lipofílicos da cortiça e dos seus resíduos industriais, em particular os do pó industrial de cortiça e dos condensados negros, mostrando que os extractáveis lipofílicos são uma fonte abundante de compostos triterpénicos, em particular de ácido betulínico e de friedelina. Foram ainda identificadas fracções abundantes de ω-hidroxiácidos e de ácidos dicarboxílicos no condensado negro. A segunda parte deste trabalho abordou a síntese e a caracterização de novos poliésteres alifáticos derivados de suberina. Estes materiais foram sintetizados utilizando, quer misturas de suberina despolimerizada, quer monómeros modelo estruturalmente análogos aos existentes na suberina. Recorreu-se para o efeito a duas aproximações distintas de polimerização por passos, a policondensação e a politransesterificação. Procurou-se em simultâneo maximizar a eficiência da polimerização em termos de peso molecular e de extensão da reacção e utilizar condições de reacção de química “verdes”. Neste sentido, utilizou-se a policondensação em emulsão utilizando um tensioactivo como catalisador e a policondensação em massa utilizando a lipase B de Candida antarctica. Adicionalmente foram também testado os catalisadores trifluorometanosulfonato de bismuto(III) no caso da policondensação, e ainda os catalisadores clássicos óxido de antimónio(III) e o carbonato de potássio no caso da politransesterificação. Os poliésteres resultantes foram caracterizados através de várias técnicas, tais como IV, RMN (de 1H e de 13C), DSC, DMA, TGA, difracção de raios-X e medidas dos ângulos de contacto. Verificou-se que os catalisadores trifluorometanosulfonato de bismuto (III), óxido de antimónio(III) e carbonato de potássio conduziram aos rendimentos de isolamento dos polímeros resultantes mais elevados. No caso dos poliésteres derivados da suberina os resultados em termos de rendimentos e pesos moleculares sofreram um incremento substancial quando a estequiometria da reacção de polimerização foi adequadamente balanceada (r=1) com a adição de uma quantidade extra de um comonómero. Verificou-se a predominância de diferentes estruturas consoante a amostra de suberina utilizada e as condições de síntese adoptada, predominando as cadeias lineares ou então quantidades substanciais de estruturas reticuladas. Globalmente, este primeiro estudo sistemático da utilização de suberina como um precursor de novos poliésteres alifáticos confirmou o elevado potencial deste recurso abundante e renovável como precursor para preparar materiais macromoleculares.

Synthesis of new vegetable oil-based polymeric materials

A crescente procura de recursos fosseis a que se tem assistido nos ultimos anos, tem resultado num crescimento sem precedentes dos precos, com consequencias imprevisiveis e que levara, no espaco de decadas, ao seu inevitavel esgotamento. A procura de um modelo de desenvolvimento sustentavel, baseado em recursos renovaveis e o grande desafio que se coloca a civilizacao no seculo XXI. A biomassa vegetal, atraves das designadas gBio-refinarias h, e uma alternativa logica para a producao de produtos quimicos e de materiais mas tambem de combustiveis e energia. Os oleos vegetais constituem uma das fracoes da biomassa vegetal, cuja exploracao tem merecido redobrada atencao nos ultimos anos, como fonte de materiais e de combustiveis. Assim, a presente dissertacao tem por objetivo o desenvolvimento de novos materiais polimericos derivados de oleos vegetais, seguindo duas abordagens distintas, nomeadamente a preparacao de polimeros atraves de polimerizacao por etapas e polimerizacao em cadeia (Parte B e C, respetivamente). Em primeiro lugar, foram sintetizados poliesteres alifaticos de cadeia longa a partir de monomeros provenientes do oleo de colza (Capitulo III). A auto-metatese do acido erucico com catalisadores de rutenio, seguida de hidrogenacao da ligacao dupla, originou o acido 1,26-hexacosanodioico, que por sua vez foi convertido em hexacosano-1,26-diol. Subsequentemente, a policondensacao do acido ƒ¿,ƒÖ-dicarboxilico de cadeia longa com o hexacosano-1,26-diol originou o poliester 26,26. O diacido C26 foi tambem polimerizado com outros alcano-diois de cadeia curta, nomeadamente o dodecano-1,12-diol e o butano-1,2-diol, produzindo, respetivamente, os poliesteres 12,26 e 4,26. Estes poliesteres de fontes 100% renovaveis possuem valores de Mn na ordem dos 8-14 kDa e valores de PDI entre 2.1 e 2.7. As propriedades destes poliesteres alifaticos foram avaliadas atraves de varias tecnicas, revelando elevada cristalinidade (com uma estrutura cristalina como a do polietileno) e elevadas temperaturas de fusao (74-104 ‹C), cristalizacao (68-92 ‹C) e degradacao (323-386 ‹C). Em segundo lugar, foram sintetizados polimeros lineares termo-reversiveis a partir de derivados do oleo de ricinio (Capitulo IV). Para tal foram preparados monomeros que incorporam aneis furanicos inseridos atraves do acoplamento tiol-eno, e que posteriormente foram polimerizados pela reacao de Diels-Alder (DA) entre os grupos furano (dieno A) e estruturas complementares do tipo maleimida (dienofilo B). Para as polimerizacoes DA foram consideradas duas abordagens diferentes, nomeadamente (i) o uso de monomeros com dois aneis furanicos terminais em conjunto com uma bismaleimida (sistemas AA+BB) e (ii) a utilizacao de um monomero que incorpora ambos os grupos reativos, furano e maleimida, na sua estrutura (sistema AB). Este estudo demonstrou claramente que ambas as estratégias foram bem sucedidas embora com diferentes resultados em termos da natureza dos produtos obtidos. Estes polímeros lineares apresentam valores relativamente baixos de Tg (-40 to -2 °C) devido à natureza flexível dos grupos separadores das funções reativas, e de Mn (4.5-9.0 kDa) dada a observada tendência de ciclização associada a concentrações baixas de monómero. A aplicação da reação de retro-DA aos polímeros em causa confirmou o seu caráter reversível, ou seja, a possibilidade de promover, em condições controladas, a despolimerização com recuperação dos monómeros de partida. Esta particularidade abre caminhos para materiais macromoleculares originais com aplicações promissoras tais como auto-reparação e reciclabilidade. Em terceiro lugar, sintetizaram-se polímeros não-lineares termo-reversíveis a partir de derivados do óleo de ricínio (Capítulo V). Para tal foram preparados monómeros trifuncionais e posteriormente polimerizados através da reação de DA entre os grupos reativos complementares furano/maleimida. Foram consideradas três abordagens distintas para preparar estes polímeros não-lineares, nomeadamente através da utilização de (i) um monómero bisfurânico em combinação com uma trismaleimida (sistema A2+B3) e (ii) um monómero trisfurânico em conjunto com uma bismaleimida (sistema A3+B2) que originaram materiais ramificados ou reticulados, e ainda (iii) a utilização de monómeros assimetricamente substituídos do tipo A2B ou AB2 capazes de originar estruturas macromoleculares hiper-ramificadas. Todos os sistemas apresentaram valores de Tg perto de 0 °C, o que era de esperar para estes materiais não-lineares. A aplicação da reação de retro-DA comprovou mais uma vez o caráter termo-reversível das polimerizações em causa. Em quarto lugar e último lugar, foram preparados copolímeros de acetato de vinilo (VAc) com monómeros derivados de óleo de girassol (Capítulo VI). Ésteres vinílicos de ácidos gordos (FAVE) foram sintetizados por transvinilação dos ácidos oleico e linoleico com VAc catalisada por um complexo de irídio. Os monómeros vinílicos preparados foram caracterizados e posteriormente homopolimerizados e copolimerizados com VAc através do uso dos grupos vinílicos terminais como função inicial de polimerização. A variação do tipo e quantidade de monómero FAVE e da quantidade de iniciador radicalar originou copolímeros de VAc com valores de Mn na gama de 1.2-3.0 kDa e valores de Tg de -5 a 16 °C. Os copolímeros foram avaliados em testes de cura oxidativa através das insaturações nas suas cadeias alifáticas para formar materiais reticulados, e os resultados sugerem que eles podem ser sistemas efetivos de cura para aplicações como tintas, vernizes e outros tipos de revestimento. Todos os materiais poliméricos preparados ao longo deste trabalho constituem contribuições atrativas para a área dos polímeros oriundos de recursos renováveis e representam uma prova indiscutível de que os óleos vegetais são percursores promissores de materiais macromoleculares com potenciais aplicações.

The influence of soil and landfill leachate microorganisms in the degradation of PVC/PCL films cast from DMF

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Constitutive models for biodegradable thermoplastic ropes for ligament repair

The concept behind a biodegradable ligament device is to temporarily replace the biomechanical functions of the ruptured ligament, while it progressively regenerates its capacities. However, there is a lack of methods to predict the mechanical behaviour evolution of the biodegradable devices during degradation, which is an important aspect of the project. In this work, a hyper elastic constitutive model will be used to predict the mechanical behaviour of a biodegradable rope made of aliphatic polyesters. A numerical approach using ABAQUS is presented, where the material parameters of the model proposal are automatically updated in correspondence to the degradation time, by means of a script in PYTHON. In this method we also use a User Material subroutine (UMAT) to apply a failure criterion base on the strength that decreases according to a first order differential equation. The parameterization of the material model proposal for different degradation times were achieved by fitting the theoretical curves with the experimental data of tensile tests on fibres. To model all the rope behaviour we had considered one step of homogenisation considering the fibres architectures in an elementary volume. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Design and characterisation of novel blends of poly(lactic acid)

This thesis is concerned with the effect of polymer structure on miscibility of the three component blends based on poly(lactic acid) (PLA) with using blending techniques. The examination of novel PLA homologues (pre-synthesised poly(a-esters)), including a range of aliphatic and aromatic poly(a-esters) is an important aspect of the work. Because of their structural simplicity and similarity to PLA, they provide an ideal system to study the effect of polyester structures on the miscibility of PLA polymer blends. The miscibility behaviour of the PLA homologues is compared with other aliphatic polyesters (e.g. poly(e-caprolactone) (PCL), poly(hydroxybutyrate hydroxyvalerate) (P(HB-HV)), together with a series of cellulose-based polymers (e.g. cellulose acetate butyrate (CAB)). The work started with the exploration the technique used for preliminary observation of the miscibility of blends referred to as “a rapid screening method” and then the miscibility of binary blends was observed and characterised by percent transmittance together with the Coleman and Painter miscibility approach. However, it was observed that symmetrical structures (e.g. a1(dimethyl), a2(diethyl)) promote the well-packing which restrict their chains from intermingling into poly(L-lactide) (PLLA) chains and leads the blends to be immiscible, whereas, asymmetrical structures (e.g. a4(cyclohexyl)) behave to the contrary. a6(chloromethyl-methyl) should interact well with PLLA because of the polar group of chloride to form interactions, but it does not. It is difficult to disrupt the helical structure of PLLA. PLA were immiscible with PCL, P(HB-HV), or compatibiliser (e.g. G40, LLA-co-PCL), but miscible with CAB which is a hydrogen-bonded polymer. However, these binary blends provided a useful indication for the exploration the novel three component blends. In summary, the miscibility of the three-component blends are miscible even if only two polymers are miscible. This is the benefit for doing the three components blend in this thesis, which is not an attempt to produce a theoretical explanation for the miscibility of three components blend system.

Poly(alkylene itaconate)s - an interesting class of polyesters with periodically located exo-chain double bonds susceptible to Michael addition

Itaconic acid is a bio-sourced dicarboxylic acid that carries a double bond; although several reports have dealt with the radical-initiated chain polymerization of dialkyl itaconates, only a few studies have utilized it as a di-acid monomer to prepare polyesters. In this study, we demonstrate that dibutyl itaconate can be melt-condensed with aliphatic diols to generate unsaturated polyesters; importantly, we show that the double bonds remain unaffected during the melt polymerization. A particularly useful attribute of these polyesters is that the exo-chain double bonds are conjugated to the ester carbonyl and, therefore, can serve as excellent Michael acceptors. A variety of organic thiols, such as alkane thiols, MPEG thiol, thioglycerol, derivatized cysteine etc., were shown to quantitatively Michael-add to the exo-chain double bonds and generate interesting functionalized polyesters. Similarly, organic amines, such as N-methyl-benzylamine, diallyl amine and proline, also add across the double bond; thus, these poly(alkylene itaconate)s could serve as potentially bio-benign polyesters that could be quantitatively transformed into a variety of interesting and potentially useful functionalized polymers.

Novel aliphatic poly(ester-carhonate) with pendant allyl ester groups and its folic acid functionalization

A series of novel poly(ester-carbonate)s bearing pendant allyl ester groups P(LA-co-MAC)s were prepared by ring-opening copolymerization Of L-lactide (LA) and 5-methyl-5-allyloxycarbonyl-1,3-dioxan-2-one (MAC) with diethyl zinc (ZnEt2) as initiator. NMR analysis investigated the microstructure of the copolymer. DSC results indicated that the copolymers displayed a single glass-transition temperature (T-g), which was indicative of a random copolymer, and the Tg decreased with increasing carbonate content in the copolymer.

Sugars-grafted aliphatic biodegradable poly(L-lactide-co-carbonate)s by click reaction and their specific interaction with lectin molecules

A novel biodegradable aliphatic poly(L-lactide-co-carbonate) bearing pendant acetylene groups was successfully prepared by ring-opening copolymerization of L-lactide (LA) with 5-methyl-5-propargyloxycarbonyl-1,3-dioxan-2-one (PC) in the presence of benzyl alcohol as initiator with ZnEt2 as catalyst in bulk at 100 degrees C and subsequently used for grafting 2-azidoethyl beta-D-glucopyranoside and 2-azidoethyl beta-lactoside by the typical "click reaction," that is Cu(I)-catalyzed cycloaddition of azide and alkyne. The density of acetylene groups in the copolymer can be tailored by the molar ratio of PC to LA during the copolymerization. The aliphatic copolymers grafted with sugars showed low cytotoxicity to L929 cells, improved hydrophilic properties and specific recognition and binding ability with lectins, that is Concanavalin A (Con A) and Ricinus communis agglutinin (RCA). Therefore, this kind of sugar-grafted copolymer could be a good candidate in variety of biomedical applications.

A novel rare earth coordination catalyst for polymerization of biodegradable aliphatic lactones and lactides

A novel rare earth coordination system composed of lanthanide trifluoroacetates Ln(CF3COO)(3) (Ln = Y, Yb, Nd, Tm, Ho, La, Pr) and triisobutylaluminium Al(i-Bu)(3) was used as catalyst for the polymerization of epsilon-caprolactone (CL), D,L-lactide (DLLA) and their copolymerization. The influence of temperature, time and catalyst concentration on polymerization yields and molecular weights of the polyesters have been studied. It was shown that the ring-opening polymerization of cyclic esters catalysed by Ln(CF3COO)(3)/Al(i-Bu)(3) has some living character and the molecular weight of the polyester could be controlled by adjusting the molar ratio of monomer to catalyst. The DLLA/CL copolymer was synthesized by sequential addition of monomers and the structure of the copolyester was characterized by GPC, NMR and DSC. (C) 1998 SCI.

SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF POTENTIALLY BIODEGRADABLE THERMOTROPIC POLYESTERS BASED ON P-HYDROXYBENZOIC ACID AND GLYCOLIC ACID

The synthesis of novel thermotropic liquid crystalline copolyesters derived from aliphatic hydroxy acid (glycolic acid, GA) and aromatic hydroxy acid (p-hydroxybenzoic acid, PHBA) via a melt-copolycondensation process in the presence of various catalysts

Mortality of Bemisia tabaci biotype B (sternorrhyncha: aleyrodidae) adults by aliphatic and aromatic synthetic sucrose esters

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The synthesis of novel biodegradable polyesters and copolyesters from anhydrosulfites

This thesis was concerned primarily with the synthesis and the ring-opening polymerisation of anhydrosulfites (1,3,2-dioxa-thiolan-4-one-2-oxides), and secondly with the copolymerisation of anhydrosulfites with -caprolactone. The polyesters and copolyesters synthesised are of considerable interest in medical applications and also for use as environmental friendly packaging. A range of anhydrosulfites were prepared according to an established method. Aliphatic anhydrosulfites were obtained with a level of purity satisfactory for polymerisation whereas aromatic anhydrosulfites decomposed during distillation and purification by chromatographic techniques. Aliphatic anhydrosulfites with a substituent, such as methyl, isopropyl, n-butyl and isobutyl were studied by NMR spectroscopy. Analysis of these spectra revealed that the five-membered anhydrosulfite ring was puckered and that when the substituent was bulky, rotations about the alkyl chains were restricted. A wide range of anionic initiators may be used to initiate anhydrosulfites. Lithium alkyls turned out to be more successful than alkali metal alkoxides and amides. The molecular weights were found to depend on the basicity of the initiator, the monomer-to-initiator ratio, the nature of the solvent and the polymerisation temperature. The molecular weight M0 of poly(L-lactic acid) ranged from (0.5 to 6)x104. Highly crystalline and purely isotactic poly(lactic acid) was synthesised from L-lactic acid anhydrosulfite (L-LAAS) whereas DL-LAAS led to an amorphous polymer with randomly distributed D-and L-lactic units. This indicated that this polymerisation was not stereoselective. However, the bulkiness of the substituent in the anhydrosulfites molecule was found to influence the stereoselectivity of the polymerisation, thus polyesters with isobutyl or n-butyl pendant group were preferentially isotactic. Block-copolymers of ε-caprolactone and several anhydrosulfites were successfully produced. Block-copolymers of LAAS with ε-caprolactone were also synthesised, but the incorporation of caprolactone units was rather small. In contrast, random copolymerisation of LAAS and ε-caprolactone led to polymers with blocky structures similar to those obtained in the block-copolymerisation of LAAS with  ε-caprolactone.

One-dimensional hydrogen-bonded structures in the 1:1 proton-transfer salts of 4,5-dichlorophthalic acid with the aliphatic Lewis bases diisopropylamine and hexamethylenetetramine

The crystal structures of the 1:1 proton-transfer compounds of 4,5-dichlorophthalic acid with the aliphatic Lewis bases diisopropylamine and hexamethylenetetramine, viz. diisopropylaminium 2-carboxy-4,5-dichlorobenzoate (1) and hexamethylenetetraminium 2-carboxy-4,5-dichlorobenzoate hemihydrate (2), have been determined. Crystals of both 1 and 2 are triclinic, space group P-1, with Z = 2 in cells with a = 7.0299(5), b = 9.4712(7), c = 12.790(1)Å, α = 99.476(6), β = 100.843(6), γ = 97.578(6)o (1) and a = 7.5624(8), b = 9.8918(8), c = 11.5881(16)Å, α = 65.660(6), β = 86.583(4), γ = 86.987(8)o (2). In each, one-dimensional hydrogen-bonded chain structures are found: in 1 formed through aminium N+-H...Ocarboxyl cation-anion interactions. In 2, the chains are formed through anion carboxyl O...H-Obridging water interactions with the cations peripherally bound. In both structures, the hydrogen phthalate anions are essentially planar with short intra-species carboxylic acid O-H...Ocarboxyl hydrogen bonds [O…O, 2.381(3) Å (1) and 2.381(8) Å (2)].

Low-dimensional hydrogen-bonded structures in the 1:1 and 1:2 proton-transfer compounds of 4,5-dichlorophthalic acid with the aliphatic Lewis bases triethylamine, diethylamine, n-butylamine and piperidine

The structures of proton-transfer compounds of 4,5-dichlorophthalic acid (DCPA) with the aliphatic Lewis bases triethylamine, diethylamine, n-butylamine and piperidine, namely triethylaminium 2-carboxy-4,5-dichlorobenzoate C~6~H~16~N^+^ C~8~H~3~Cl~2~O~4~^-^ (I), diethylaminium 2-carboxy-4,5-dichlorobenzoate C~4~H~12~N^+^ C~8~H~3~Cl~2~O~4~^-^ (II), bis(n-butylaminium) 4,5-dichlorophthalate monohydrate 2(C~4~H~12~N^+^) C~8~H~2~Cl~2~O~4~^2-^ . H~2~O (III) and bis(piperidinium) 4,5-dichlorophthalate monohydrate 2(C~5~H~12~N^+^) C~8~H~2~Cl~2~O~4~^2-^ . H~2~O (IV)have been determined at 200 K. All compounds have hydrogen-bonding associations giving in (I) discrete cation-anion units, linear chains in (II) while (III) and (IV) both have two-dimensional structures. In (I) a discrete cation-anion unit is formed through an asymmetric R2/1(4) N+-H...O,O' hydrogen-bonding association whereas in (II), one-dimensional chains are formed through linear N-H...O associations by both aminium H donors. In compounds (III) and (IV) the primary N-H...O linked cation-anion units are extended into a two-dimensional sheet structure via amide N-H...O(carboxyl) and ...O(carbonyl) interactions. In the 1:1 salts [(I) and (II)], the hydrogen 4,5-dichlorophthalate anions are essentially planar with short intramolecular carboxylic acid O-H...O(carboxyl) hydrogen bonds [O...O, 2.4223(14) and 2.388(2)A respectively]. This work provides a further example of the uncommon zero-dimensional hydrogen-bonded DCPA-Lewis base salt and the one-dimensional chain structure type, while even with the hydrate structures of the 1:2 salts with the primary and secondary amines, the low dimensionality generally associated with 1:1 DCPA salts is also found.