The response of macrophages to particles of resorbable polymers and their degradation products

Alpha polyesters such as poly(L-lactide) and poly(glycolide) are biodegradable materials used in fracture fixation and they need to be assessed for problems associated with their degradation products. This study has compared cell responses to low molecular weight poly(L-lactide) particles, lactate monomer, poly(glycolide) particles and glycolic acid at cytotoxic and sub-cytotoxic concentrations. Murine macrophages were cultured in vitro and the release of lactate dehydrogenase (LDH), prostaglandin E-2 (PGE(2)) and interleukin-1 alpha IL-1alpha was measured following the addition of particles or monomer. Experiments revealed that both the poly(L-lactide) and poly(glycolide) particles gave rise to dose dependent increases in LDH release and an increase in IL-1alpha and PGE(2) release. Comparisons of the poly(L-lactide) particles to the poly(glycolide) particles did not reveal any differences in their stimulation of LDH, IL-1alpha and PGE(2) release. The lactate and glycolate monomers did not increase PGE(2) or IL-1alpha release above control levels. There was no difference in biocompatibility between the poly(L-lactide) and poly(glycolide) degradation products both in particulate and monomeric form. (C) 2003 Kluwer Academic Publishers.

The synthesis, characterisation and reactivity of 2-phosphanylethylcyclopentadienyl complexes of cobalt, rhodium and iridium

2-Phosphanylethylcyclopentadienyl lithium compounds, Li[C5R'(4)(CH2)(2)PR2] (R = Et, R' = H or Me, R = Ph, R' = Me), have been prepared from the reaction of spirohydrocarbons C5R'(4)(C2H4) with LiPR2. C5Et4HSiMe2CH2PMe2, was prepared from reaction of Li[C5Et4] with Me2SiCl2 followed by Me2PCH2Li. The lithium salts were reacted with [RhCl(CO)2]2,[IrCl(CO)3] or [Co-2(CO)(8)] to give [M(C5R'(4)(CH2) 2PR2)(CO)] (M = Rh, R = Et, R' = H or Me, R= Ph, R' = Me; M = Ir or Co, R = Et, R' = Me), which have been fully characterised, in many cases crystallographically as monomers with coordination of the phosphorus atom and the cyclopentadienyl ring. The values of nu(CO) for these complexes are usually lower than those for the analogous complexes without the bridge between the cyclopentadienyl ring and the phosphine, the exception being [Rh(Cp'(CH2)(2)PEt2)(CO)] (Cp' = C5Me4), the most electron rich of the complexes. [Rh(C5Et4SiMe2CH2PMe2)(CO)] may be a dimer. [Co-2(CO)(8)] reacts with C5H5(CH2)(2)PEt2 or C5Et4HSiMe2CH2PMe2 (L) to give binuclear complexes of the form [Co-2(CO)(6)L-2] with almost linear PCoCoP skeletons. [Rh(Cp'(CH2)(2)PEt2)(CO)] and [Rh(Cp'(CH2)(2)PPh2)(CO)] are active for methanol carbonylation at 150 degrees C and 27 bar CO, with the rate using [Rh(Cp'(CH2)(2)PPh2)(CO)] (0.81 mol dm(-3) h(-1)) being higher than that for [RhI2(CO)(2)](-) (0.64 mol dm(-3) h(-1)). The most electron rich complex, [Rh(Cp'(CH2)(2)PEt2)(CO)] (0.38 mol dm(-3) h(-1)) gave a comparable rate to [Cp*Rh(PEt3)(CO)] (0.30 mol dm(-3) h(-1)), which was unstable towards oxidation of the phosphine. [Rh(Cp'(CH2)(2)PEt2)I-2], which is inactive for methanol carbonylation, was isolated after the methanol carbonylation reaction using [Rh(Cp'(CH2)(2)PEt2)(CO)].

Surface localisation of photosensitisers on intraocular lens biomaterials for prevention of infectious endophthalmitis and retinal protection

Cataract surgery is one of the most commonly-practiced surgical procedures in Western medicine, and, while complications are rare, the most serious is infectious postoperative endophthalmitis. Bacteria may adhere to the implanted intraocular lens (IOL) and subsequent biofilm formation can lead to a chronic, difficult to treat infection. To date, no method to reduce the incidence of infectious endophthalmitis through bacterial elimination, while retaining optical transparency, has been reported. In this study we report a method to optimise the localisation of a cationic porphyrin at the surface of suitable acrylate copolymers, which is the first point of contact with potential pathogens. The porphyrin catalytically generates short-lived singlet oxygen, in the presence of visible light, which kills adherent bacteria indiscriminately. By restricting the photosensitiser to the surface of the biomaterial, reduction in optical transparency is minimised without affecting efficacy of singlet oxygen production. Hydrogel IOL biomaterials incorporating either methacrylic acid (MAA) or methyl methacrylate (MMA) co-monomers allow tuning of the hydrophobic and anionic properties to optimise the localisation of porphyrin. Physiochemical and antimicrobial properties of the materials have been characterised, giving candidate materials with self-generating, persistent anti-infective character against Gram-positive and Gram-negative organisms. Importantly, incorporation of porphyrin can also serve to protect the retina by filtering damaging shortwave visible light, due to the Soret absorption (?max) 430 nm). © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The chains of the heterodimeric amphibian skin antimicrobial peptide, distinctin, are encoded by separate messenger RNAs

Using a primer to a conserved nucleotide sequence of previously-cloned skin peptides of Phyllomedusa species, two distinct cDNAs were “shotgun” cloned from a skin secretion-derived cDNA library of the frog, Phyllomedusa burmeisteri. The two ORFs separately encode chains A and B of an analog of the previously-reported heterodimeric peptide, distinctin. LC-MS/MS analysis of native versus dithiotreitol reduced crude venom, confirmed the predicted primary sequences as well as the cystine link between the two monomers. Distinctin predominantly exists in the venom as a heterodimer (A-B), neither of the constituent peptides were detected as monomer, whereas of the two possible homodimers (A-A or B-B), only B-B was detected in comparatively low quantity. In vitro dimerization of synthetic replicates of the monomers demonstrated that besides heterodimer, both homodimers are also formed in considerable amounts. Distinctin is the first example of an amphibian skin dimeric peptide that is formed by covalent linkage of two chains that are the products of different mRNAs. How this phenomenon occurs in vivo, to exclude significant homodimer formation, is unclear at present but a “favored steric state” type of interaction between chains is most likely.

Synthesis of caffeic acid and p-hydroxybenzoic acid molecularly imprinted polymers and their application for the selective extraction of polyphenols from olive mill waste waters

Using caffeic acid and p-hydroxybenzoic acid as templates, two molecularly imprinted polymers (MIPs) were prepared that were used for isolation of polyphenols from olive mill waste water samples (OMWWs) without previous pre-treatment. For the preparation of the caffeic acid MIPs 4-vinylpyridine, allylurea, allylaniline and methacrylic acid were tested as functional monomers, ethylene glycol dimethylacrylate (EDMA), pentaerythritol trimethylacrylate (PETRA) and divinylbenzene 80 (DVB80) as cross-linkers and tetrahydrofuran as porogen. For p-hydroxybenzoic acid 4-vinylpyridine, allylurea and allylaniline were tested as functional monomers, EDMA and PETRA as cross-linkers and acetonitrile as porogen. The performance of the synthesized polymers was evaluated against seven structurally related compounds by means of polymer-based HPLC. The two polymers that presented the most interesting properties were further evaluated by batch rebinding and from the derived isotherms their capacity and binding strength were determined. Using solid-phase extraction (SPE), their ability to recognize and bind the template molecule from an aqueous solution as well as the pH dependence of the binding strength were explored. After establishing the best SPE protocol, an aqueous model mixture of compounds and a raw OMWWs sample were loaded on the two best polymers. The result of the consecutive use of the two polymers on the same sample was explored. It was concluded that acidic conditions favour the recognition abilities of both polymers and that they can be used for a quick and efficient isolation of the polyphenol fraction directly from raw OMWW.

Molecularly Imprinted Polymers for the isolation of bioactive naphthoquinones from plant extracts

Molecularly Imprinted Polymers (MIPs) targeting shikonin, a potent antioxidant and wound healing agent, have been prepared using methacrylic acid (MAA) and 2-diethylaminoethyl methacrylate (DEAEMA) as functional monomers. An investigation of solution association between shikonin and both acidic and basic functional monomers by UV-Vis titrations, suggested stronger affinity towards the basic functionality. Strong inhibition of the co-polymerisation reaction of such basic monomers was observed, but was overcome by reduction of the amount of template used during polymer synthesis. Polymer morphology was severely impacted by the template’s radical scavenging behaviour as demonstrated by solid state NMR spectroscopy measurements. HPLC evaluation of the final materials in polar conditions revealed limited imprinting effects and selectivity, with the MAA polymers exhibiting marginally better performance. During application of the polymers as MI-SPE sorbents in non-polar solvents it was found that the DEAEMA based polymer was more selective towards shikonin compared to the MAA counterpart, while shikonin recoveries of up to 72% were achieved from hexane solutions of a commercial sample of shikonin, hexane extract of Alkanna tinctoria roots and a commercial pharmaceutical ointment.

Three different types of quasi-model networks: synthesis by group transfer polymerization and characterization

Group transfer polymerization (GTP) chemistry was employed for the preparation of polymethacrylate networks of controlled structure (quasi-model networks) of three different types: (a) regular quasi-model networks, in which all polymer chains were linked at their ends, leaving, in principle, no free chain ends, (b) crosslinked star polymer quasi-model networks, in which star polymers were interlinked via half of their chains, letting the other half free (dangling), and (c) shell-crosslinked polymer quasi-model networks, in which the outer part of the network contained polymer arms (dangling chains). Combination of hydrophilic and hydrophobic monomers led to amphiphilic networks whose aqueous swelling behavior was characterized gravimetrically.

Facile synthesis of thiol-functionalized amphiphilic polylactide–methacrylic diblock copolymers

Biodegradable amphiphilic diblock copolymers based on an aliphatic ester block and various hydrophilic methacrylic monomers were synthesized using a novel hydroxyl-functionalized trithiocarbonate-based chain transfer agent. One protocol involved the one-pot simultaneous ring-opening polymerization (ROP) of the biodegradable monomer (3S)-cis-3,6-dimethyl-1,4-dioxane-2,5-dione (L-lactide, LA) and reversible addition–fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization of 2-(dimethylamino)ethyl methacrylate (DMA) or oligo(ethylene glycol) methacrylate (OEGMA) monomer, with 4-dimethylaminopyridine being used as the ROP catalyst and 2,2′-azobis(isobutyronitrile) as the initiator for the RAFT polymerization. Alternatively, a two-step protocol involving the initial polymerization of LA followed by the polymerization of DMA, glycerol monomethacrylate or 2-(methacryloyloxy)ethyl phosphorylcholine using 4,4′-azobis(4-cyanovaleric acid) as a RAFT initiator was also explored. Using a solvent switch processing step, these amphiphilic diblock copolymers self-assemble in dilute aqueous solution. Their self-assembly provides various copolymer morphologies depending on the block compositions, as judged by transmission electron microscopy and dynamic light scattering. Two novel disulfide-functionalized PLA-branched block copolymers were also synthesized using simultaneous ROP of LA and RAFT copolymerization of OEGMA or DMA with a disulfide-based dimethacrylate. The disulfide bonds were reductively cleaved using tributyl phosphine to generate reactive thiol groups. Thiol–ene chemistry was utilized for further derivatization with thiol-based biologically important molecules and heavy metals for tissue engineering or bioimaging applications, respectively.

Polymerisable squaramide receptors for anion binding and sensing

A novel series of polymerisable squaramides has been synthesised in high yields using simple chemical reactions, and evaluated in the binding of anionic species. These vinyl monomers can be used as functional building blocks in co-polymerisations with a plethora of co-monomers or cross-linkers, grace to their compatibility with free-radical polymerisation reactions. Aromatic substituted squaramides were found to be the strongest receptors, while binding of certain anions was accompanied by a strong colour change, attributed to the de-protonation of the squaramide. The best performing squaramide monomers were incorporated in molecularly imprinted polymers (MIPs) targeting a model anion and their capacities and selectivity were evaluated by rebinding experiments. Polymers prepared using the new squaramide monomers were compared to urea based co-polymers, and were found to contain up to 80% of the theoretical maximum number of binding sites, an exceptionally high value compared to previous reports. Strong polymer colour changes were observed upon rebinding of certain anions, equivalent to those witnessed in solution, paving the way for application of such materials in anion sensing devices.



Graphical abstract: Polymerisable squaramide receptors for anion binding and sensing

Characterizing the flagellar filament and the role of motility in bacterial prey-penetration by Bdellovibrio bacteriovorus

The predatory bacterium Bdellovibrio bacteriovorus swims rapidly by rotation of a single, polar flagellum comprised of a helical filament of flagellin monomers, contained within a membrane sheath and powered by a basal motor complex. Bdellovibrio collides with, enters and replicates within bacterial prey, a process previously suggested to firstly require flagellar motility and then flagellar shedding upon prey entry. Here we show that flagella are not always shed upon prey entry and we study the six fliC flagellin genes of B. bacteriovorus, finding them all conserved and expressed in genome strain HD100 and the widely studied lab strain 109J. Individual inactivation of five of the fliC genes gave mutant Bdellovibrio that still made flagella, and which were motile and predatory. Inactivation of the sixth fliC gene abolished normal flagellar synthesis and motility, but a disordered flagellar sheath was still seen. We find that this non-motile mutant was still able to predate when directly applied to lawns of YFP-labelled prey bacteria, showing that flagellar motility is not essential for prey entry but important for efficient encounters with prey in liquid environments.

Novel furan polymer materials based on the reversible Diels-Alder reaction

A futura e inevitável escassez dos recursos fósseis, juntamente com o aumento imprevisível dos seus preços, levou, nas últimas décadas, a um aumento impressionante de iniciativas dedicadas não só à procura de fontes alternativas de fornecedores de energia, mas também de produtos químicos e polímeros a partir de fontes renováveis, em particular da biomassa vegetal. Entre estes, os polímeros derivados de monómeros furânicos constituem uma classe única de materiais cujas estruturas podem, em princípio, simular virtualmente os seus homólogos actualmente derivados de recursos fósseis. O anel furânico é uma estrutura heterocíclica com um carácter diénico pronunciado, o que torna-o um dieno particularmente apropriado para a reacção de Diels-Alder (DA) com dienófilos como a maleimida. Um dos aspectos mais relevantes da reacção de DA é a sua reversibilidade em função da temperatura, a qual permite que os aductos sejam facilmente revertidos nos seus precursores por aumento da temperatura (reacção de retro-DA). No caso específico da combinação furano-maleimida, a formação do aducto predomina até cerca de 60ºC, enquanto a reacção inversa é dominante acima de 100ºC. A combinação desta característica da reacção de DA com a química de compostos furânicos pode abrir um novo caminho para a preparação de materiais macromoleculares funcionais com base em fontes renováveis e com aplicações promissoras como auto-reparação e reciclabilidade. O principal objectivo desta Tese, é a síntese e caracterização de novos materiais poliméricos termo-reversíveis, aplicando a reacção de DA a monómeros complementares com estruturas dos tipos furânico (o dieno, designado por A) e de maleimida (o dienófilo, designado por B). A primeira etapa neste trabalho envolveu a síntese, purificação e caracterização de novos monómeros furânicos e de maleimida do tipo AA, A3, BB, B3, AB, AB2, cada um com diferentes grupos separadores das funções reactivas. Posteriormente, estes monómeros foram polimerizados e despolimerizados por ciclos de DA/retro-DA utilizando diferentes combinações. A formação e dissociação de todos os aductos de DA foram seguidas por ambas espectroscopias de UV e RMN de 1H. O primeiro sistema de DA estudado foi uma combinação modelo entre reagentes mono-funcionais (-A+-B), nomeadamente o acetato furfurílico (FA) e a N-metilmaleimida (MM), ambos comercialmente disponíveis. O objectivo desta abordagem foi estudar a cinética e o equilíbrio da formação/dissociação dos aductos de DA e obter indicações sobre as condições mais adequadas a serem usadas na preparação dos correspondentes novos materiais macromoleculares. Além disso, pretendia-se verificar a presença ou ausência de reacções secundárias que poderiam intervir em ambas as vias directa e inversa das reacções, mesmo após vários ciclos. A espectroscopia de UV forneceu informação quantitativa sobre a cinética de formação do aducto através da diminuição progressiva da absorvência máxima a 293 nm correspondente ao grupo maleimida, a diferentes temperaturas (35, 50, 65 ºC) Reciprocamente, a correspondente reacção de retro-DA foi seguida a 90 ºC através do aumento do mesmo pico. A reversibilidade destes sistemas foi verificada com sucesso após uma sequência de ciclos de DA/retro-DA. Adicionalmente, verificou-se que os espectros originaram um ponto isosbéstico, provando que estes sistemas não envolvem quaisquer reacções secundárias. Uma vez que foi usado um excesso de FA, as reacções de DA modelo apresentaram um comportamento cinético de pseudo-primeira ordem, com a constante de velocidade k mais alta (2.1x10-5 dm3mol-1s-1) para T=65 ºC. A correspondente energia de activação foi de 39.0 kJ.mol-1. A reacção de retro-DA seguiu um comportamento de primeira ordem, com constante de velocidade de 1.6x10-6 s-1. A evolução deste sistema por RMN de 1H a 65ºC deu-nos informações mais detalhadas sobre a sua evolução estrutural, ou seja, à medida que a intensidade dos picos atribuídos à formação do aducto aumentaram progressivamente ao longo do tempo, os pertencentes aos reagentes iniciais diminuiram proporcionalmente. O “rendimento final”, calculado após 20 dias à temperatura ambiente, foi de aproximadamente 70%. A reacção de retro-DA foi depois seguida a 90ºC, observando-se tal como na espectroscopia de UV, o deslocamento da reacção no sentido da regeneração dos reagentes de partida. A viabilidade de múltiplos ciclos de DA/retro-DA estabelecidos pela espectroscopia de UV foi igualmente confirmada por RMN de 1H. O passo seguinte envolveu o estudo de um sistema de policondensação linear baseado no crescimento gradual por reacção de DA entre um monómero bisfurânico A-A e um do tipo bismaleimida B-B, seguindo a mesma abordagem que no sistema modelo. O poliaducto linear foi obtido a partir de soluções equimolares dos monómeros, por reacção de DA a 65ºC. O progresso desta polimerização foi seguido por espectroscopia de UV e RMN de 1H e, mais qualitativamente, pelo aumento da viscosidade do meio. A reacção seguiu um comportamento de segunda ordem, com uma constante de velocidade de 9.4x10-6 dm3mol-1s-1, e observou-se novamente um ponto isosbéstico nos dados de UV. Os espectros de RMN apresentaram o padrão esperado, nomeadamente o aumento progressivo dos sinais associados ao aducto e a correspondente diminuição dos grupos furano e maleimida livres. A despolimerização do poliaducto através da reacção de retro-DA foi seguida a 110ºC usando as mesmas técnicas. Os dados de UV mostraram o retorno progressivo da absorção dos grupos de maleimida, seguindo um comportamento cinético de primeira ordem, com constante de velocidade de 2.5x10-6 s-1, até à completa regeneração de ambos os monómeros. Os espectros de RMN providenciaram mais uma vez informação estrutural sobre o progresso da despolimerização, a qual foi acompanhada por uma diminuição progressiva da viscosidade. Adicionalmente, para seguir a retro- DA, adicionou-se um excesso de composto furânico monofuncional, nomeadamente o 2,5-dimetilfurano (DMFu), ao sistema de modo a bloquear as funções maleimida complementares, evitando assim a repolimerização após arrefecimento. Os productos isolados foram então o monómero bisfurânico AA, DMFu que não reagiu e o bisaducto não-polimerizável de BB com DMFu. Este resultado indicou claramente que o polímero foi de facto revertido nos seus monómeros durante a reacção de retro-DA. O terceiro sistema estudado foi outra polimerização linear, seguindo as mesmas condições experimentais que os anteriores, mas com uma estratégia diferente de modo a contornar o problema clássico de assegurar a estequiometria exacta dos monómeros. As estruturas dos monómeros utilizados incorporam ambos os grupos reactivos, i.e, moléculas do tipo A-B. A polimerização prematura destes monómeros intrinsecamente reactivos foi evitada com a protecção do grupo maleimida na forma de um aducto de DA com furano, até a incorporação do substituinte furânico na outra extremidade. Portanto, a policondensação destes monómeros foi iniciada após a desprotecção in situ deste composto mediante aquecimento, seguido de arrefecimento até à temperatura adequada para polimerizar. Os resultados obtidos por UV e RMN sugerem que de facto o uso de monómeros do tipo A-B oferece um melhor sistema linear. Em seguida, foram estudados sistemas de policondensação não-linear por reacção de DA, entre monómeros (um ou ambos) com funcionalidade superior a dois, nomeadamente sistemas do tipo A3+B-B ou A-A+B3, seguindo mais uma vez as mesmas condições experimentais. Uma vez que utilizam monómeros complementares contendo, em média, mais de duas funcionalidades, estes sistemas conduzem a materiais reticulados. Nestes estudos, foram usadas três razões molares de [maleimida]/[furano], nomeadamente 1.0, 0.75 e 0.5, de modo a estudar ambas as situações de não-gelificação e reticulação. Ambos sistemas apresentaram um comportamento regular e boa reciclabilidade quer para gerar situações que possam conduzir à formação de redes a diferentes graus de conversão, ou que possam parar antes da sua obtenção, conforme previsto pela equação de Flory-Stockmayer. Como esperado, a utilização de grupos complementares em quantidades estequiométricas produziu o espessamento mais rápido e a reticulação quase completa; à medida que a quantidade relativa de monómero trifuncional decresceu, as reacções pararam antes da reticulação, ou seja, originaram meios altamente viscosos contendo polímeros solúveis altamente ramificados. As reacções de retro-DA a 110 ºC conduziram à gradual dissolução das partículas de gel (quando presentes), tendo sido comprovado pelos espectros de UV e de RMN de 1H, evidenciado a regeneração dos monómeros. Tal como no sistema do tipo A-A+B-B, a reacção de retro-DA foi seguida adicionando um excesso de DMFu ao sistema reaccional. Como esperado, os produtos finais foram os monómeros furânicos, o DMFu em excesso e o trisaducto ou o bisaducto maleimida-DMFu, o que confirma a eficiência da despolimerização com regeneração dos monómeros iniciais. O último sistema de policondensação por reacção de DA envolveu um monómero assimetricamente substituído do tipo AB2, capaz de originar estruturas macromoleculares hiper-ramificadas que não reticulam. Este estudo preliminar deste sistema foi seguido nas mesmas condições experimentais que os anteriores, apresentando um comportamento com as características esperadas.

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.

Caracterização e transformação de Lenhosulfonatos de Eucalyptus globulus

Os lenhosulfonatos representam um sub-produto formado durante o cozimento ao sulfito ácido, sendo queimados para a regeneração da base e recuperação de energia. No entanto, os lenhosulfonatos são também considerados uma importante matéria-prima para a produção de vários produtos de valor acrescentado. Os objectivos principais deste trabalho foram contribuir para uma melhor compreensão sobre a caracterização química e estrutural dos lenhosulfonatos do Eucalyptus globulus, assim como, para complementar a informação disponível sobre a síntese e a caracterização estrutural e térmica de materiais poliméricos obtidos a partir de compostos modelo dos produtos de oxidação dos lenhosulfonatos. O licor de cozimento ao sulfito foi analisado em termos do teor de cinzas, extractáveis, compostos voláteis, açúcares e lenhosulfonatos. O teor de cinzas e açúcares no licor de cozimento é muito elevado, tendo sido necessário purificar o mesmo (2,8-13,8 % e 3,2-9,1 %, respectivamente). A análise dos açúcares mostrou uma quantidade considerável de pentoses, sendo o açúcar predominante a xilose. Os lenhosulfonatos foram purificados, isolados e caracterizados por química molhada (titulação potenciométrica e oxidação com permanganato), análise elementar, espectroscopia de ultravioleta/visível (UV/Vis), espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão (RMN de 1H) e carbono (RMN de 13C), espectrometria de massa de ionização por electrospray (ESI-MS), cromatografia de permeação em gel (GPC), termogavimetria (TGA) e calorimetria diferencial de varrimento (DSC). Os lenhosulfonatos são constituídos principalmente por unidades S, são parcialmente sulfonados e possuem um peso molecular relativamente baixo (Mw = 1250-2400 Da). A ruptura das ligações β-O-4 e α-O-4 da lenhina do Eucalyptus globulus após cozimento ao sulfito ácido originam olígomeros de baixo peso molecular cuja estrutura foi elucidada por RMN 1D/2D e ESI-MS. A degradação térmica dos lenhosulfonatos apresentou dois máximos de degradação a 188-190ºC e a 315-380ºC. As curvas de DSC mostraram um pico endotérmico para temperaturas inferiores a 130ºC e um pico exotérmico a 300-500ºC. Os lenhosulfonatos foram despolimerizados na presença de oxigénio molecular em meio alcalino. Os produtos de oxidação principais foram o aldeído siríngico, a vanilina, o ácido vanílico e o ácido siríngico. A adição do catalisador (sal de cobre) promoveu a oxidação dos lenhosulfonatos aumentando o rendimento dos aldeídos aromáticos (< 50%). A presença de açúcares nos lenhosulfonatos teve um efeito negativo no rendimento dos produtos de oxidação principais. Alguns compostos modelo dos produtos de oxidação dos lenhosulfonatos foram polimerizados por poliadição (catiónica e radicalar) e policondensação. Os monómeros e os polímeros foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier e reflectância total atenuada (FTIR-ATR), RMN em solução e no estado sólido, UV/Vis no estado sólido, GPC, difracção de raios-X (XRD), TGA e DSC. Os compostos modelo estudados foram os estirenos metoxi-substituídos (p-metoxiestireno e 3,4-dimetoxiestireno) e os ácidos hidroxi aromáticos metoxi-substituídos (ácido vanílico e ácido siríngico). O 3,4-dimetoxiestireno foi ainda copolimerizado com o éter isobutil vinílico e os seus copolímeros foram desmetilados, assim como, o poli(p-metoxiestireno) e o poli(3,4-dimetoxiestireno). A polimerização catiónica do p-metoxiestireno e 3,4-dimetoxiestireno é mais rápida e mais completa do que a polimerização radicalar produzindo polímeros com pesos moleculares elevados. O poli(p-metoxiestireno) (Mw = 235000 Da) possui um peso molecular maior do que o poli(3,4-dimetoxiestireno) (Mw = 18800 Da). A estabilidade térmica e a temperatura de transição vítrea diminuiram com a presença do segundo grupo metoxilo. A desmetilação dos homopolímeros foi bem sucedida, tendo sido corroborada por FTIR-ATR e RMN. A policondensação do ácido siríngico foi dificultada pela presença do segundo grupo metoxilo, tendo sido necessário adicionar uma maior quantidade do agente de condensação devido a factores estéricos. O poli(ácido vanílico) e poli(ácido siríngico) são insolúveis na maior parte dos solventes orgânicos, sendo parcialmente solúveis em clorofórmio, ácido triflúoracético, 1,1,2,2- tetracloroetano, dimetilsulfóxido, tetrahidrofurano, N,N’-dimetilformamida e 1,1,1,3,3,3-hexaflúor-2-propanol. A estabilidade térmica diminuiu com a presença do segundo grupo metoxilo e os dois polímeros não exibiram temperatura de transição vítrea. O poli(ácido vanílico) e poli(ácido siríngico) apresentaram uma estrutura muito cristalina (grau de cristalinidade 70% e 50%, respectivamente). O segundo grupo metoxilo aumentou o valor da absorvância, mas a forma do espectro de UV/Vis foi similar. A polimerização catiónica do éter isobutil vinílico resultou na produção de um polímero muito viscoso com peso molecular elevado (Mw = 20400 Da). A degradação térmica do polímero ocorreu em várias gamas de temperatura e foi completa (0% de resíduo a 800ºC). A copolimerização catiónica do 3,4-dimetoxiestireno com o éter isobutil vinílico foi realizada com proporções diferentes 80:20, 50:50 e 20:80. Os copolímeros apresentaram uma viscosidade elevada e um peso molecular baixo (Mw = 2000-4000 Da) que aumentou com a quantidade de éter isobutil vinílico. A degradação térmica dos copolímeros ocorreu também em várias gamas de temperatura, sendo a sua degradação completa (0,9-1,5% de resíduo a 800ºC). A desmetilação dos copolímeros não foi bem sucedida, tendo sido confirmada por FTIR-ATR e RMN.

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.

Novas dispersões aquosas com morfologia controlada para revestimentos

O objetivo desta dissertação foi o desenvolvimento de dispersões poliméricas acrílicas, passíveis de serem usadas como ligantes em esmaltes aquosos que sejam capazes de conferir características especiais como elevada resistência ao empilhamento e à nódoa, assim como reduzir o impacto no ambiente quer através da utilização de matérias-primas de fontes renováveis, quer pela substituição de esmaltes de base solvente por esmaltes de base aquosa. Depois de uma introdução em que se contextualiza o conhecimento e as práticas nas áreas de polimerização em emulsão e revestimentos decorativos, são descritos e discutidos os resultados das várias etapas de desenvolvimento efetuadas ao longo do qual foram exploradas diferentes vias: - Funcionalização de polímeros acrílicos procurando melhorar as propriedades de superfície através da introdução de monómeros com grupos funcionais amina, epóxido e acetoacetoxilo; - Formulação de dispersões poliméricas com partículas de morfologia heterogénea, otimizando-se as suas propriedades de superfície em função da variação da composição monomérica das diferentes fases, da partição entre as duas fases poliméricas e diferentes níveis de monómero funcional. Complementaram-se os resultados com seleções afinadas baseadas em ensaios delineados através de planeamento de experiências. - Modificação dos produtos obtidos para melhoria de propriedades de resistência à nódoa, através da adição de aditivos específicos; - Teste de emulsionantes com origem em fontes renováveis quer aniónicos, quer não-iónicos. Todas as dispersões aquosas foram caracterizadas de acordo com as suas características mais relevantes entre as quais a temperatura mínima de formação de filme, o tamanho médio de partícula e a formação de grumos. As formulações mais promissoras foram também caracterizadas por 1H - NMR, FTIR, DSC, STEM e AFM). Seguidamente com essas dispersões foram preparados esmaltes com as dispersões aquosas mais promissoras que foram caracterizados exaustivamente em termos de propriedades de relevo para a aplicação decorativa em madeira. Os objetivos principais do trabalho foram atingidos, tendo sido desenvolvido um produto com morfologia heterogénea que apresenta elevada resistência ao empilhamento e propriedades antinódoa aceitáveis capaz de substituir os esmaltes de base solvente. A sua produção foi validada através do fabrico industrial (scale-up) e introdução no mercado. Relativamente à utilização de matérias-primas de fontes renováveis, esta carece ainda de otimizações futuras.