Ενζυμικός πολυμερισμός πολυμερών συμπύκνωσης

Abstract

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ενζυμική σύνθεση πολυμερών συμπύκνωσης και συγκεκριμένα αλειφατικών πολυαμιδίων και πολυεστεραμιδίων με βιοκαταλύτη τη λιπάση Candida antarctica (CALB). Ως αρχικά μονομερή για τη σύνθεση των πολυαμιδίων χρησιμοποιήθηκαν η 1,8-οκτανοδιαμίνη (C8), η 1,12-δωδεκανοδιαμίνη (C12) και ο αδιπικός διμεθυλεστέρας (C6), οδηγώντας στο σχηματισμό του πολυ(οκτανομεθυλενο αδιπαμιδίου) ή PA 8,6 και του πολυ(δωδεκανομεθυλενο αδιπαμιδίου) ή PA 12,6. Ως αρχικά μονομερή για τη σύνθεση του πολυεστεραμιδίου χρησιμοποιήθηκαν η 1,8-οκτανοδιόλη (C8), η 1,8-οκτανοδιαμίνη (C8) και ως δικαρβοξυλικό οξύ το δωδεκανοδιϊκό οξύ (C12) οδηγώντας στον πολυ(δωδεκανο-co-οκτανο οκτυλεστέρα) (co-PE 8,12/8). Ως βιοκαταλύτης χρησιμοποιήθηκε ως επί το πλείστον η ακινητοποιημένη λιπάση Νovozyme 435 (Ν435) (Candida antartica lipase B, CALB 1% w/w) σε ποσότητα 20% w/w ως προς τη μάζα των μονομερών, ενώ εξετάστηκε και υδατικό διάλυμα αλκαλάσης σε ποσότητα ενζύμου 2% w/v.

Ο ενζυμικός πολυμερισμός μελετήθηκε με εφαρμογή τεχνικής διαλύματος με διαλύτη διφαινυλαιθέρα καθώς και με τεχνική μάζας.

Αρχικά, μελετήθηκαν αντιδράσεις ενός σταδίου με τεχνική διαλύματος στους 100◦C για 24 ώρες με εφαρμογή κενού, ώστε να επιτυγχανθεί η απομάκρυνση του παραγόμενου παραπροϊόντος. Στη συνέχεια, εξετάστηκαν αντιδράσεις δύο σταδίων σε διαφορετικές θερμοκρασίες με πρώτο στάδιο στους 60◦C για 24 ώρες υπό κενό 500mmHg και δεύτερο στάδιο αύξηση της θερμοκρασίας στους 90◦C για 20 ώρες υπό κενό 100mmHg. Έπειτα, εξετάστηκαν αντιδράσεις πολυμερισμού με τεχνική μάζας σε δύο στάδια. Η αντίδραση διήρκησε συνολικά τέσσερις ώρες και έλαβε χώρα στους 75◦C υπό αδρανείς συνθήκες για τις δύο πρώτες ώρες και στους 95◦C υπό υψηλό κενό για τις επόμενες δύο ώρες.

Η τεχνική διαλύματος οδήγησε είτε σε διακοπή της πειραματικής διαδικασίας όταν μετά το πέρας άνω των δύο ωρών η εικόνα του μίγματος υποδείκνυε συσσωματώματα αντιδραστηρίων που πιθανόν δεν αντιδρούσαν είτε σε σχηματισμό προϊόντων με πολύ μικρή απόδοση. Η μεγαλύτερη απόδοση που λήφθηκε ήταν της τάξης του 14% στους 100◦C για 24 ώρες υπό κενό 20mbar προς σύνθεση του ΡΑ 8,6. Καθώς τα αποτελέσματα της τεχνικής διαλύματος δεν στάθηκαν ικανοποιητικά, ως προς την απόδοση και με βάση την παρατήρηση ότι ο αδιπικός διμεθυλεστέρας, σε σχέση με το σεβακικό οξύ λειτούργησε καλύτερα με την 1,8-οκτανοδιαμίνη (C8) το ενδιαφέρον στράφηκε στην ενζυμική σύνθεση του ΡΑ 8,6 με τεχνική μάζας δύο σταδίων. Η αντίδραση διήρκησε συνολικά τέσσερις ώρες και έλαβε χώρα στους 75◦C υπό αδρανείς συνθήκες για τις δύο πρώτες ώρες και στους 95◦C για τις επόμενες δύο ώρες υπό υψηλό κενό. Τα ικανοποιητικά αποτελέσματα των αναλύσεων οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι συντέθηκε το ΡΑ 8,6, παρόλα αυτά λήφθηκε προϊόν με πολύ μικρή απόδοση της τάξης του 16%. Το γεγονός ότι παρατηρήθηκε έντονο θόλωμα της φιάλης κατά τη διάρκεια της αντίδρασης οδήγησε στο συμπέρασμα ότι εξατμίστηκε μεγάλη ποσότητα της διαμίνης. Για να αποφευχθεί το πρόβλημα εξάτμισης της διαμίνης η προσπάθεια επικεντρώθηκε στη σύνθεση πολυαμιδίων με μονομερές μεγαλύτερη διαμίνη, όπως ήταν η 1,12-δωδεκανοδιαμίνη, στις ίδιες συνθήκες αντίδρασης προς σύνθεση του πολυαμιδίου PA 12,6. Τα αποτελέσματα φάνηκαν ενθαρρυντικά δεδομένου ότι λήφθηκε προϊόν με απόδοση μέχρι και 45%.

Τέλος, εξετάστηκε η δυνατότατη παραγωγής συμπολυμερούς πολυεστεραμιδίου, πολυ(δωδεκανο-co-οκτανο οκτυλεστέρα) (co-PE 8,12/8) σε αντίδραση δύο σταδίων. Η αντίδραση διήρκησε συνολικά επτά ώρες. Αρχικά, η αντίδραση έλαβε χώρα στους 75◦C για τρείς ώρες υπό κενό 20mbar με μονομερή την 1,8-οκτανοδιόλη και το δωδεκανοδιϊκό οξύ με στόχο την παραγωγή του πολυ(δωδεκανοδιϊκού οκτυλεστέρα) (ΡΕ 8,12). Μετά το πέρας των τριών ωρών αντίδρασης πραγματοποιήθηκε προσθήκη της 1,8-οκτανοδιαμίνης και συνέχιση της αντίδρασης στους 100◦C υπό αδρανείς συνθήκες για ακόμα τέσσερις ώρες.

Για κάθε ποιότητα πολυαμιδίου που συντέθηκε έγινε προσπάθεια ταυτοποίησης της χημικής δομής μέσω Φασματοσκοπίας Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR). Καθώς δεν μπόρεσαν να εξαχθούν συμπεράσματα δομής από τα φάσματα 1Η-ΝΜR χρησιμοποιήθηκε η Φασματομετρία υπερύθρου μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) προκειμένου να ταυτοποιηθούν τα παραχθέντα πολυαμίδια. Ο υπολογισμός του οριακού αριθμού ιξώδους επετεύχθη μέσω ιξωδομετρίας, όπου διαπιστώθηκε ότι ο ενζυμικός πολυμερισμός απέδωσε μικρού μοριακού βάρους πολυμερή. Επιπρόσθετα, έγινε ανάλυση των θερμικών ιδιοτήτων των παραχθέντων πολυαμιδίων μέσω της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC) για τον προσδιορισμό των σημείων τήξης και κρυστάλλωσης και των αντίστοιχων ενθαλπιών των παραχθέντων πολυαμιδίων. Τέλος, μέσω θερμοσταθμικής ανάλυσης (TGA) μελετήθηκε η πορεία της θερμικής αποικοδόμησης των εν λόγω πολυαμιδίων.

The aim of this diploma thesis is the enzymatic synthesis of condensation polymers and specifically the synthesis of aliphatic polyamides and polyesteramides using lipase Candida antarctica (CALB) as biocatalyst. As starting monomers for the synthesis of polyamides, 1,8-diaminoctane (C8), 1,12-diaminododecane (C12) and dimethyl adipate (C6) were used leading to the formation of poly(octamethylene adipamide) or PA 8,6 and poly(dodecamethylene adipamide) or PA 12,6. As starting monomers for the synthesis of polyesteramide, 1,8-octanediol (C8), 1,8-diaminoctane (C8) and the dodecanedioc acid (C12) as dicarboxylic acid were used leading to poly(dodeca -co- octamethylene octylate) (co-PE 8,12/8). As biocatalyst the immobilized lipase Novozyme 435 (N435) (Candida antartica lipase B, CALB 1% w/w) was used mainly in an amount of 20% w/w relative to the mass of the monomers, while an alcalase’s aqueous solution in an amount of enzyme 2% w/v was also examined.

The enzymatic polymerization was studied by applying solution polymerization using diphenylether as solvent and bulk technique.

Firstly, one-step reactions were studied by applying solution polymerization at 100◦C for 24 hours under vacuum in order to remove the produced by-products. Then, two- stage reactions at different temperatures were examined with the first stage at 60◦C for 24 hours under vacuum 500mmHg and the second stage at 90◦C for 20 hours under vacuum 100mmHg. Then, two- stage polymerization reactions were examined in bulk. The reaction lasted for four hours at 75◦C for the first two hours in inert atmosphere with nitrogen and at 95◦C for the next two hours under high vacuum. The solution polymerization led either to discontinuation of the experimental procedure when after two hours of reaction the image of the mixture indicated unreacted components or to formation of products at a very low yield. The highest yield obtained was about 14% at 100◦C for 24 hours under vacuum 20mbar according to the results of synthesis of PA 8,6. As the results of solution polymerization were not satisfactory and they led to low yields, interest turned to the enzymatic synthesis of PA 12,6 using two-stage polymerization in bulk. The reaction lasted for a total of four hours and was performed at 75◦C under inert conditions for the first two hours and at 95◦C under high vacuum for the next two hours. Satisfactory results of the analyzes led to the conclusion that the PA 8,6 was synthesized, however obtained product with a very low yield about 16% . The strong blurring of the flask during the reaction led to the conclusion that sublimed large amount of the diamine. To avoid the problem of sublimation of diamine effort focused on composition of polyamide with greater diamine as monomer as was the 1,12-diaminododecane at the same reaction conditions in order to synthesize the polyamide PA 12,6. The results appeared promising since obtained product with yield about 45%.

Finally the ability of polyesteramide copolymer production, poly(dodeca -co- octamethylene octylate) (co-PE 8,12/8) in two- stage reaction was examined. The reaction lasted for seven hours. Initially, the reaction was performed at 75◦C for three hours under vacuum using 1,8- octanodiol and dodecanodiic diacid as monomers leading to the synthesis of poly(dodecanodiic octyl) (PE 8,12). After three hours of reaction 1,8-octanodiamine was added and the reaction was continued at 100◦C for additional four hours in inert atmosphere with nitrogen.

For each quality of synthesized polyamide identification of the chemical structure was attempted by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR). As no conclusions could be drawn from the structure by 1H-NMR analysis the transform infrared spectrometry Fourier (FT-IR) was used in order to identify the produced polyamides. Viscometry was used to determine the boundary viscosity number. The low values were obtained from viscometry revealed that the enzyme polymerization yielded low molecular weight polymers. Additionally, the thermal properties of the produced polyamides were measured by differential scanning calorimetry (DSC) to determine the melting point, the crystallization point and the respective enthalpies of the produced polyamides. Finally, the thermal stability of these polyamides was measured by thermal gravimetrical analysis (TGA).