Transcript Juan C. Rueda - departamento.pucp.edu.pe

Elaboración de Micelas y Nanogeles
sensibles al pH y a la Temperatura
a partir de
Poli(NiPAAm) y Poli(2-Oxazolinas)
Juan Carlos Rueda S.
Pontificia Universidad Católica del Perú
Lima, Perú
Introducción
Monómeros: 2-R-2-Oxazolinas
4
5
N
O
1
3
2
R
Donde R= H, Metilo, Etilo, Fenilo, etc.
Polimerización Catiónica por Apertura de Anillo de las
2-Oxazolinas
+
N
O
E
N
CH2
CH2
n
R
C =O
R
-La polimerización de las 2-Oxazolinas es del tipo “viva”,
esto significa que transcurre sin reacciones de interferencia
(reacciones de terminación o de transferencia de cadena).
-Cuando R = Metilo o Etilo, entonces la polioxazolina es
hidrófilica y soluble en agua.
- Cuando el grupo R= Fenilo, Propilo, butilo, etc, entonces
la Polioxazolina es hidrofóbica e insoluble en agua.
POLYMERIZACION DE LAS 2-OXAZOLINAS
Initiators:
Lewis acids :
BF3, AlCl3, TiCl4,
SbF5
Brönsted acids : H2SO4 , HClO4
,
CF3SO3H,
CH3I, C6H5CH2Cl
,
C6H5CH2Br
Alkyl halide :
Solvents : CH3CN , C6H5CN , DMF ,
Reaction Temperature : 60°C
DMAC
150°C
p - CH3C6H4SO3H
POLIMEROS INTELIGENTES (SMART POLYMERS)
Son materiales que tienen sensibilidad a cambios en el
medio ambiente, tales como, por ejemplo:
cambios de temperatura, del pH, aplicación de la Luz, etc.
Sensibilidad del compuesto AZO a la Luz.
Poli (N-ISOPROPILACRILAMIDA)
CH2
= CH
CH2
CH
n
C =O
C =O
NH
NH
HC
HC
H3C
AIBN
CH3
NIPAAm
H3C
CH3
PolyNIPAAm
El Poli(NIPAAm) muestra en solución
acuosa una transición conformacional
a los 32°C (LCST).
A los 32°C se produce una repentina “precipitación” o “dispersión”
del Poli(NIPAAm) en la solución acuosa:
T < 32°C
T >= 32°C
CH2
CH
C =O
CH2
C =O
H
H
H
N
H
X
H
N
H
H
CH
CH
CH3
H3C
T< 32°C
CH3
T>= 32°C
Gmix =
H
O
O
H
H3C
X
H
O
O
CH
Hmix
T
Smix
Aplicaciones del Poli(NIPAAm)
- Desarrollo de hidrogeles sensibles a la temperatura para
su uso en sistemas de liberación controlada de medicamentos
o fertilizantes.
- Desarrollo de membranas sensibles a la temperatura
- Soporte de sistemas de cultivo celulares
- Control del comportamiento reológico
- Sensores
C=O
C=O
C=O
C=O
NH
NH
NH
NH
COOH
COOH
HOOC
HOOC
COOH
HOOC
COOH
HOOC
COOH
COOH
HOOC
HOOC
COOH
COOH
SINTESIS DE LA ESTER-OXAZOLINA
(Monómero)
Monomersynthese:
O
CH3
O
C
=
=
O
CH2 CH2
+
Cl
C
Methyl succinyl chloride
Cl H3N
CH2 CH2
Cl
2-Chloroethylammonium chloride
Et3N , (HCl)
CH3
O
C
O
H
C
N
=
=
O
CH2 CH2
CH2 CH2
Na2CO3 , VACUUM
N
O
CH2
CH2
C= O
CH3O
(FOXA)
Cl
SINTESIS DEL MACROINICIADOR
(Iniciador polimérico)
Síntesis del Macroiniciador
+
CH2 = CH
CH2 = CH
AIBN
C =O
Dioxane, 65°C
NH
CH2Cl
HC
H3C
CH 3
/
CH
CH2
CH2
CH
C =O
NH
CH2Cl
HC
H3C
CH 3
Macroinitiator
MACROINICIADOR
Copolímero Estadístico
de Clorometilestireno (CMS) y N-Isopropilacrilamida (NIPAAm)
GPC: Mn (g/mol)= 43000 Mw (g/mol)= 123000 Mw/Mn=2,9
97.1 mol%
CH2
CH
2,9 mol%
CH2
CH
C =O
NH
CH
CH3
CH2Cl
CH3
NiPAAm
CMS
Espectro 1H-RMN del Macroiniciador
(porcentaje molar de CMS = 2,9 mol-% ).
SINTESIS DEL
COPOLIMERO INJERTADO
Síntesis de los Copolímeros Injertados
CH2
CH
CH2
N
CH
C=O
CH2CH2COOCH3
NH
120°C, 7 h.
CH
CH3
O
CH2Cl
CH3
MKI
HN
Reacción de terminación
Hidrólisis del grupo éster
C=O
C=O
C=O
C=O
NH
NH
NH
NH
COOH
COOH
HOOC
HOOC
COOH
HOOC
COOH
HOOC
COOH
COOH
HOOC
HOOC
COOH
COOH
Espectro 1H RMN: Copolímero Injertado HGC-6
n= 105.
pH-Verhalten pNiPAAm/Oxazolin-Polymer
100
90
Dissoziationsgrad
80
Titrationskurve HGF-II
70
60
50
40
30
20
10
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
pH-Wert
Fig.- Grado de Disociación (determinado por RMN) del
Poli(NiPAAn-g-Ester-oxazolina) en función del pH.
Fig.-Espectros RMN del
Poly(NiPAAn-graft-EsterOXA),
a diferentes temperaturas, en
solución acuosa a pH=2
(grupos ácidos carboxílicos
100% NO disociados).
Fig.- Espectros RMN del
Poly(NiPAAn-graft-EsterOXA)
a diferentes temperaturas y
en solución acuosa a pH=11
(grupos ácido carboxílicos 100%
disociados).
pH=11
-
H2O
COO Na
- +
COO Na
H2O
H2O
H2O
+
- +
COO Na
H2O
H2O
-
COO Na
H2O
H2O
+
- +
COO Na
H2O
H2O
H2O
H2O
+ Na OOC
H2O
H2O
- +
COO Na
- +
COO Na
H2O
Wo:
= Poly(N-Isopropylacrylamid)
= Poly(2-Ester-2-oxazolin) verseift
100
Transmittance (%)
80
HGI - pH 3.7 (n = 105)
HGII - pH 3.7 (n = 170)
HGIII - pH 4.0 (n = 65)
60
40
20
0
20
40
60
Temperature (°C)
Fig.- Medidas Turbidimetricas de soluciones acuosas de
los copolímeros Injertados a diferentes valores de pH.
Continuación…
100
Transmittance (%)
80
HGI - pH 4.3 (n = 105)
HGII - pH 4.3 (n = 170)
HGIII - pH 4.3 (n = 65)
60
40
20
0
20
40
60
Temperature (°C)
Continuación.…
100
Transmittance (%)
80
60
HGI - pH 4.8 (n = 105)
HGII - pH 4.8 (n = 170)
HGIII - pH 4.8 (n = 65)
40
20
0
20
60
40
Temperature (°C)
Hydrodynamischer Radius von HG-III bei pH 4.7
60
HG-III schnelles Heizen (Rh) 0.5 g/l
HG-III langsames Heizen (Rh) 0.5 g/l
HG-III schnelles Heizen (PDI)
HG-III langsames Heizen (PDI)
Rh (nm)
50
40
PDI
30
0,2
0,1
0,0
35
40
45
50
55
Temperatur (°C)
Fig.: Método Dinámico de Dispersión de Luz Láser- Determinación de Rh en función de la
Temperatura a pH=4.7. Calentamiento rápido (puntos rojos) y lento (puntos azules).
Elemplo: Copolimero: HG-III n=65.
Rh (nm)
Hydrodynamischer Radius HGF-III bei 50 °C, 0.5 g/l
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Start
0,25
PDI
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
pH
Rh
Rh in 0.1 M NaCl
PDI (Rh)
PDI (Rh) 0.1 M NaCl
Fig.- Formación de micelas en la “ventana de pH” = 4-5.
Ejemplo: Copolímero HG-III, n=65.
Esquema: Modificaciones de las dimensiones relativas del nucleo y corona de los
Nanogeles en función del cambio de temperatura y del pH.
intensitätsgemittelte Größenverteilung vernetztes HG-III, pH 4.8, 1 g/l
nach Elektronenbestrahlung
bei 55 °C und 20 kGy
a.u.
vor Vernetzung 50 °C
50 °C
25 °C
1
10
Rh (nm)
100
1000
Fig.- Medidas de DLS: Determinación de Rh y Dispersión de tamaño de micelas
a 50°C y a un pH óptimo. Medidas antes y después de la radiación con electrones
(a 50°C y a 25°C).
59 nm
60
55
25 °C
Rh (nm)
50
100 %
47 nm
45
40
T
44 nm
Dissoziationsgrad
12 %
T
50 °C
35
34 nm
30
4
5
6
7
pH-Wert
8
9
10
Fig.: Medidas de Radio Hidrodinámico de los Nanogeles, arriba y abajo del LCST de la
cadena principal (núcleo), en función del valor de pH (el PDI siempre estuvo alrededor de 0.05)
Fig.- Imagen AFM de Nanogel GB-3 adsorbido sobre superficie silicon
wafer aminosilanizado a pH= 6,35.
Se realizó la siguiente Publicación:
“Reversibly Switchable pH- and Thermoresponsive Core-Shell Nanogels
Based on Poly[NiPAAm-graft-Poly(2-carboxyethyl-2-oxazoline)s]”
Macromoleculare Chemistry and Physics (2011) DOI 10.1002/macp.2011
-00388
Stefan Zschoche, Juan Rueda, Marcus Binner, Hartmut Komber,
Andreas Janke, Karl-Friedrich Arndt, Stefan Lehmann and Brigitte Voit.
CONCLUSIONES
- Los copolímeros injertados conteniendo PoliNIPAAm en la cadena principal
y PoliEsterOXA en las cadenas laterales, muestran una doble sensitividad,
a la temperatura y al pH. Estos polímeros son capaces de formar micelas
estables y reversibles en solución acuosa en una “ventana de pH”
relativamente estrecha.
-La radiación con electrones de la micelas, encima del LCST, permite la
formación de Nanogeles estables y con sensibilidad térmica y al PH.
Publicaciones conjuntas con el IPF hasta el momento:
„New Thermo-sensitive Graft Copolymers based on a Poly(N-isopropyl-acrylamide) Backbone and
Functional Polyoxazoline Grafts with Random and Diblock structure“
Macromoleculare Chemistry and Physics 211, 706-716 (2010)
Juan Rueda, Stefan Zschoche, Hartmut Komber, Franzisca Krahl, Karl-Friedrich Arndt, Brigitte Voit”
„Thermo-responsive Nanogels based on Poly(NiPAAm-graft-2-alkyl-2-oxazolines) Crosslinked in the
Micellar State“,
Macromoleculare.Chemistry and Physics 211, (2010)
Stefan Zschoche, Juan Rueda, Hartmut Komber, Volodymyr Boyko, Karl-Friedrich Arndt, Franziska Krahl,
Brigitte Voit
“Synthesis and Characterization of Thermoresponsive Graft Copolymers of NIPAAm and 2-Alkyl-2oxazolines by the Grafting from Method”
Macromolecules, 38, 7330-7336 (2005)
Juan Rueda, Stefan Zschoche, Hartmut Komber, Dirk Schmaljohann, and Brigitte Voit.
“Synthesis of Lipogels and Amphygels of Polyoxazoline through the Macroinitiator Method”
Journal of Polymer Science; Part A: Polymer Chemistry, 41, 122-128, (2005).
Juan C. Rueda, Hartmut Komber, and Brigitte Voit
“Synthesis of New Polymethyloxazoline Hydrogels by the Macroinitiator Method”.
Macromoleculare Chemistry and Physics, 204, 947-953, (2003),
Juan C. Rueda, Raúl Suica, Hartmut Komber, and Brigitte Voit
“Synthesis of New Hydrogels by Copolymerization of Polymethyloxazoline Telechelics and
N-Vinylpirrolidone”
Macromoleculare Chemistry and Physics, 204, 947-960, (2003),
Juan C. Rueda, Hartmut Komber, Juan C. Cedrón, Brigitte Voit and Galina Shevtsova.
Agradecimientos
A la Prof. Dr. Brigitte Voit, Directora Científica del Instituto
Leibniz de Investigaciones en Polímeros de Dresden,
Alemania (IPF) y al Servicio Alemán de Intercambio
Académico (DAAD) por el financiamiento de la investigación y
la beca de investigación, respectivamente.
Al Dr. Stefan Zschoche, Químico Marcus Binner, y al Dr.
Hartmut Komber del IPF y al Prof. Dr. Karl-Friedrich Arndt y al
Dr. Stefan Lehmann de la Universidad Tecnológica de
Dresden por la cooperación científica.
MUCHAS GRACIAS