Síntese enzimática de poli(w-pentadecalactona-co-globalide) em dióxido de carbono supercrítico

Abstract

Os poliésteres usados como dispositivos biomédicos são comumente sintetizados a partir de lactonas em solventes orgânicos e catalisadores organometálicos. O uso de dióxido de carbono supercrítico e de catalisadores enzimáticos são estratégias mais adequadas para a síntese desses materiais, por não poluírem o meio ambiente, serem mais seguros para a saúde, e permitirem a circularidade de recursos, como o reuso da enzima e do dióxido de carbono. Recentemente, o copolímero poli(globalide-co-?-pentadecalactona) tem demonstrado potencial na regeneração de tecido ósseo. Nesse contexto, este trabalho tem como objetivo investigar a síntese enzimática de poli(?-pentadecalactona-co-globalide) em dióxido de carbono supercrítico. As copolimerizações foram realizadas em um reator de alta pressão e volume variável, onde variadas proporções entre os comonômeros ?-pentadecalactona:globalide, diferentes razões mássicas CO2:monômeros, o uso de cossolvente e o uso de diferentes tipos de enzimas (Novozym® 435 e Lipura® Flex) foram avaliados. Os copolímeros com os maiores Mn (27902 g·mol-1) foram sintetizados na condição 1:1 (CO2:monômeros), usando apenas scCO2 como solvente, apresentando altos rendimentos (até 78,71%) e elevadas conversões de monômeros (acima de 97%). A maior massa molar obtida com o uso de cossolvente (Mn de 24380 g·mol-1) foi na condição 1:2:1 (CO2:monômeros:clorofórmio), evidenciando o efeito combinado do cossolvente e de uma concentração mais alta de monômeros. Além disso, as reações com o uso de cossolvente apresentaram altos rendimentos (até 79,61%) e altas conversões (maioria 100%). As dispersividades mais elevadas com o uso de cossolvente (Ð até 7,51) em relação à ausência de cossolvente (Ð até 5,36) sugerem o favorecimento da formação de cadeias mais curtas e de oligômeros cíclicos em meios mais diluídos. A Lipura® Flex produziu copolímeros com alta massa molar (Mn até 21605 g·mol-1), em altos rendimentos (até 73%) e altas conversões (82% a 96%). Entretanto, a Novozym® 435 apresentou melhores resultados que a Lipura® Flex. A cinética da síntese enzimática de poli(?-pentadecalactona-co-globalide) em dióxido de carbono supercrítico foi investigada para ambas as enzimas em 10, 15, 30, 60 e 120 minutos de reação. As copolimerizações apresentaram características típicas da polimerização por abertura do anel de lactonas, como reações rápidas de baixo controle, alcançando 93% de conversão com 10 minutos de reação para a Novozym® 435, e 70% de conversão para o mesmo tempo de reação com a Lipura® Flex. A cinética da copolimerização, usando tanto a Novozym® 435 quanto Lipura® Flex, apresentaram não linearidade no desenvolvimento da massa molar, do rendimento, da conversão de monômeros (exceto o comportamento quase linear da conversão com a Lipura® Flex) e da dispersividade com o tempo de reação. Essas variações podem estar relacionadas ao efeito simultâneo do baixo controle da reação, de uma possível agitação ineficiente e dos ensaios individuais para cada ponto cinético. Apesar disso, foi possível compreender o comportamento dessa rota sintética. De modo geral, os resultados obtidos neste trabalho mostraram o potencial dessa abordagem para a expansão dos poliésteres desenvolvidos pela química verde no mercado.

Abstract: Polyesters used as biomedical devices are commonly synthesized from lactones in organic solvents with organometallic catalysts. The combination of supercritical carbon dioxide and enzymatic catalysts is a more appropriate strategy for the synthesis of these materials, as they are less harmful to the environment, are safer for health, and allow the circularity of resources, such as the reuse of enzymes and carbon dioxide. Recently, the copolymer poly(globalide-co-?-pentadecalactone) has shown potential in bone tissue regeneration. In this context, this work aims to investigate the enzymatic synthesis of poly(?-pentadecalactone-co-globalide) in supercritical carbon dioxide. The copolymerizations were performed in a high-pressure, variable-volume reactor, where different proportions between the pentadecalactone:globalide comonomers, different CO2:monomer mass ratios, the use of a cosolvent and the use of different types of enzymes (Novozym® 435 and Lipura® Flex) were evaluated. The copolymers with the highest Mn (27,902 g·mol-1) were synthesized in the 1:1 condition (CO2:monomers), using only scCO2 as a solvent, achieving high reaction yields (up to 78.71 wt%) and monomer conversions (above 97%). The highest molar mass obtained with the use of a cosolvent (Mn of 24,380 g·mol-1) was in the 1:2:1 condition (CO2:monomers:chloroform), evidencing the combined effect of the cosolvent and a higher concentration of monomers. Furthermore, the reactions using a cosolvent achieved high reaction yields (up to 79.61 wt%) and conversions (mostly 100%). Higher dispersity was achieved with the use of a cosolvent (Ð up to 7.51) compared to reactions conducted without it (Ð up to 5.36) for the same enzyme (Novozym® 435), suggesting that more dilute media favor the formation of shorter chains and cyclic oligomers. Lipura® Flex produced copolymers with high molar mass (Mn up to 21,605 g·mol-1), reaction yields (up to 73 wt%) and conversions (from 82% to 96%). However, Novozym® 435 showed better results than Lipura® Flex. The kinetics of the enzymatic synthesis of poly(?-pentadecalactone-co-globalide) in supercritical carbon dioxide was investigated for both enzymes in 10, 15, 30, 60, and 120 minutes of reaction. The copolymerizations exhibited typical characteristics of the ring-opening polymerization of lactones, such as fast reactions with low control, reaching 93% conversion in 10 minutes of reaction with Novozym® 435, and 70% conversion for the same reaction time with Lipura® Flex. The copolymerization kinetics of both Novozym® 435 and Lipura® Flex showed nonlinearity in the development of the molar mass, reaction yield, monomer conversion (except for an almost linear behavior of the monomer conversion obtained with Lipura® Flex) and dispersity with reaction time. These variations may be related to the simultaneous effect of low reaction control, a possible inefficient stirring and the individual assays for each kinetic point. Despite this, it was possible to comprehend the behavior of this synthetic pathway. Overall, the findings of this work demonstrated the potential of this technique for the expansion of green chemistry-derived polyesters in the market.