Sintesis de Co-polimeros Di-bloque St-vinylbencil timina por Polimerizaciones Radicalarias Controladas Mediada por Nitróxidos

A. BARBARINI; E. VELASQUEZ; M. SPONTON; D.M. MARTINO; H. OLIVA

Bahia Blanca

Simposio; IX Simposio Argentino de Polímeros (SAP2011); 2011

La mayoría de los polímeros producidos industrialmente son sintetizados mediante procesos por radicales libres (FRP). Una gran variedad de monómeros pueden ser polimerizados por esta vía y pueden efectuarse tanto en masa, en solución, en suspensión y en emulsión (Moad, Solomon, 1995). Las polimerizaciones vía radicales libres se emplean para la preparación de diferentes copolímeros de características tecnológicamente útiles. Sin embargo, mediante este tipo de técnicas no es posible un buen control del crecimiento del peso molecular y se generan polímeros con una distribución de pesos moleculares ancha. En la actualidad, estas limitaciones están siendo salvadas mediante las polimerizaciones radicalarias controladas (CRP). Comparadas con las polimerizaciones aniónicas vivientes, las CRP presentan una mayor tolerancia al agua e impurezas ácidas, y además permiten incrementar la variedad de los monómeros polimerizables. La principal diferencia entre los mecanismos de FRP y CRP reside en la presencia de un proceso reversible de activación de crecimiento de la cadena. En controladas, la cadena polimérica en crecimiento alterna entre un estado durmiente y activo, mientras que la extensión de la cadena solo puede ocurrir en estado activo. Un detalle importante es que durante la polimerización la concentración de radicales libres se mantiene baja. Por lo tanto se reducen las reacciones secundarias como terminación por  dimerización o desproporción y se obtienen polimerizaciones altamente controladas (Fischer et al., 2001; Goto, Fukuda, 2004). Una de las técnicas de CRP más desarrolladas en la actualidad es la mediada por nitróxidos (NMP). En esta técnica el suceso clave es la ruptura térmica pero reversible del enlace C-O de la alcoxiamina polimérica para generar el correspondiente radical polimérico y un nitróxido. La inserción de monómero con el consecuente atrapamiento por parte del nitróxido  genera cadenas de alcoxiaminas poliméricas (Goto, Fukuda, 2004). Todo el proceso es controlado por el mecanismo denominado “Efecto de Radical Persistente” (ERP). El ERP es un principio general que explica la formación específica de un producto acoplado entre dos radicales, cuando uno de ellos es una especie persistente (en NMP el nitróxido) y el otro transigente (en NMP el radical polimérico) y ambos radicales se encuentran en igual proporción (Matyjaszewski et al., 1999). Además de generar polímeros con una distribución angosta de pesos moleculares, esta técnica permite copolímeros en bloques y de diferentes arquitecturas. Con el objetivo de generar materiales medioambientalmente benignos y trabajando en base a los principios de la Química Verde (Anasta, Warner, 1999) se ha estudiado el monómero vinilbencil timina (VBT) (Grasshoff  et al., 1995). El VBT es un derivado vinílico que posee la base nitrogenada timina. Materiales formados por esta clase de monómeros pueden ser curados por irradiación UV. Este entrecruzamiento es enzimáticamente reversible, haciendo posible su reutilización. En este trabajo se estudia la síntesis de poliestireno mediante NMP en masa y su copolimerización con VBT. El objetivo final es desarrollar nuevos polímeros en bloque bioinspirados con estructuras controladas. MetodologiaPolimerización en masa de estireno por NMP.  En un reactor de tres cuellos se agregó bajo atmósfera de nitrógeno estireno, el iniciador peróxido de benzoílo (BPO) y el nitróxido 2,2,6,6-Tetrametilpiperidina (TEMPO). A continuación se eliminó el oxígeno de la solución por borboteo de N2 durante 15 minutos. Antes de comenzar la reacción se realizó una etapa de formación del aducto, elevando la temperatura a 90°C y 250 rpm de agitación magnética durante 1 hora. Para dar comienzo a la reacción de polimerización la temperatura se aumentó a 130ºC manteniendo la agitación y se tomaron muestras a lo largo de la misma. Para finalizar la reacción se detuvo por enfriamiento en baño de hielo. Siguiendo esta metodología de trabajo se realizaron dos reacciones en las que se variaron las proporciones molares de los reactivos. Los detalles de las reacciones realizadas se describen en la Tabla 1. Polimerización en masa de estireno a partir del macro-iniciador poliestireno-TEMPO. Para comprobar la existencia de extremos vivientes en el producto de la reacción SN1 se realizó la reacción SN1b, en la que se disolvió 0.25 g del macro-iniciador (Mn=1.63x104 g/mol) y 0.001 g de OH-TEMPO (6.4x10-6 moles) en 3.2 g de estireno (3.07x10-2 moles) en un reactor de tres cuellos. Se eliminó el oxígeno del sistema por borboteo de N2 durante 15 minutos a temperatura ambiente. La reacción se llevó a cabo a 130 ºC y 300 rpm de agitación magnética durante 4 horas y se tomaron muestras a diferentes tiempos. La reacción se detuvo por enfriamiento en baño de hielo. El producto final y la muestra se disolvieron en THF y se precipitaron en metanol.  Tabla 1. Reacciones de polimerización de estireno por NMP. Nombre de la reacción Proporción molar de BPO:Estireno:OH-TEMPO SN1 1:280:1.2 SN2 1:360:2   Síntesis del di-bloque estireno-vinilbencil timina por NMP. La síntesis del copolímero di-bloque pSt-(b)-pVBT a partir del macro-iniciador sintetizado en la reacción SN2 se realizó en disolución en dimetilformamida (DMF). Siguiendo el esquema general de reacción en un reactor de tres cuellos se disolvió 0.81 g (Mn=1.55x104 g/mol) del macro-iniciador SN2, 0.50 g (3.59x10-3 moles) del monómero VBT en 3.6 g de DMF (4.92x10-2 moles). Por lo tanto en esta reacción para poliestireno-TEMPO:VBT:DMF se utilizaron las siguientes proporciones molares 1:70:940. Para lograr la disolución completa de los reactivos se elevó la temperatura de reacción hasta 70 ºC y se aplicó una agitación magnética de 700 rpm durante 1 hora hasta lograr la clarificación de la solución. Luego se desgasificó el sistema por borboteo de N2 durante 15 minutos. A continuación se aumentó la temperatura hasta 130 ºC y se dio comienzo a la reacción manteniendo la atmosfera de nitrógeno y una agitación magnética de 700 rpm. La reacción se detuvo por enfriamiento en baño de hielo luego de 28 horas. El producto de reacción se precipito en metanol y se secó al vacío hasta peso constante. Caracterización de muestras y productos. La conversión monomérica de las muestras tomadas y los productos finales se determinaron por gravimetría. Además, a través de cromatografía de exclusión por tamaños (SEC) se obtuvo la distribución de pesos moleculares. El equipo utilizado es un sistema Waters con un inyector Waters 717 plus Autosampler, detector de índice de refracción Waters 2414 y set de 7 columnas en serie Styragel 7.8 x 300 mm en THF. La calibración se realizó con patrones de poliestireno. Resultados y Discusion Síntesis de macro-iniciador y comprobación de presencia de extremos vivientes. Los resultados de la caracterización del producto de reacción SN1 y SN1b se presentan en la Tabla 2. Como se observa solo se alcanzó una conversión de ≈ 70% y ≈ 52% respectivamente, luego de 4 horas de reacción en cada etapa. Para la polidispersidad (Ip) se obtuvieron valores inferiores a 1.5 indicando un buen control de la reacción.   Tabla 2. Caracterización del producto de SN1.   Conversión (%) Mn (g/mol) Mw (g/mol) Ip SN1 69.91 16282.06 21817.96 1.34 SN1b 52.25 36211.18 51419.88 1.42   Síntesis del di-bloque estireno-vinilbencil timina. En la Figura 1 se muestra la evolución del peso molecular en número (Mn) en función de la conversión monomérica para la reacción de síntesis del macro-iniciador SN 2 (Figura 1a) y del di-bloque de pSt-(b)-pVBT (Figura 1b). Se observa que en ambas etapas de síntesis se obtuvo una evolución lineal del Mn a medida que aumenta la conversión. Esta es otra característica distintiva de un buen control en el proceso de polimerización. Además se obtuvieron valores inferiores a 1.5 en ambas etapas (1.43 y 1.4 respectivamente). Conclusiones Se investigaron técnicas de obtención de homo- y copolímeros mediante NMP, y se obtuvieron resultados aceptables en cuanto a sus estructuras moleculares. Se comprobó la existencia de extremos “vivientes” para la síntesis de un segundo bloque polimérico. En futuros trabajos, se sintetizarán copolímeros di-bloque en sistemas acuosos, con el objetivo futuro último de obtener copolímeros di-bloque amfifílicos para su aplicación en sistemas de liberación controlada de drogas.