POLIMERIACIÓN ANIÓNICA

POLIMERIACIÓN ANIÓNICA
La polimerización aniónica ha sido menos estudiada que la polimerización por
inserción-coordinación. En este tipo de reacciones actúan especies con un marcado
carácter básico y nucleofílico. Por ello los procesos de transesterificación y
racemización pueden llegar a ser importantes, sobre todo en especies aniónicas cuya
esfera de coordinación no esta saturada. Este echo hace que sea difícil de controlar la
estereoquímica de la polilactida preparada.
Desde el punto de vista del mecanismo de reacción este puede ser de dos tipos.
La reacción de polimerización por ROP puede iniciarse por una deprotonación del
hidrógeno situado en alfa con respecto al grupo carbonilo del monómero cíclico. Tras
este equilibrio ácido base el carbanión generado, estable por deslocalizacion con el
grupo carbonilo, realiza un ataque nucleófilo sobre el grupo carbonilo de otro
monómero, iniciándose así la polimerización.
Otro tipo de iniciación es por ataque nucleófilo del catalizador al grupo
carbonilo del monómero, abriéndose el heterociclo y generando un intermedio alcóxido,
capaz de reaccionar otra vez con otro monómero. El intermedio alcóxido esta
estabilizado por coordinación al metal del catalizador.
Es fácil distinguir estos dos tipos de polimerización aniónica, pues en el primero
el polímero solo contiene átomos procedentes del monómero, mientras que en el
segundo caso el polímero contiene un grupo R proveniente del iniciador. Esta diferencia
se puede estudiar, por ejemplo, por resonancia magnética nuclear.
Los ejemplos de iniciadores que dan polimerización aniónica son los alquil y
alcoxi derivados de litio, potasio y magnesio.
Se ha estudiado la polimerización mediante terbutóxido de potasio y butil litio.
Cuneado se usan teste tipo de iniciadores se ve que actúan mediante ataque nucleófilo al
monómero. La conversión no suele superar el 80% y, además, este tipo de iniciadores
suele inducir procesos de racemización, con lo que la estereoquímica del polímero
formado no se puede controlar.
También se ha estudiado este tipo de procesos mediante la generación in situ de
alcóxidos primarios y secundarios de potasio y litio. Se observa que los rendimientos
son significativamente mayores. Atendiendo a los espectros de 1H RMN se identifican
los grupos terminales del polímero formado, concluyendo que existe una importante
fracción de alcóxido usado en el iniciador que se ha incorporado a la cadena polimérica,
por tanto se puede concluir que el proceso es mediante ataque nucleófilo del iniciador.
A pesar de usar una temperatura de unos 50º C se observa que apenas se da la
racemización del polímero. además se obtiene la poli (L-lactida) isotactica, con una
pureza óptica superior al 95%.
También se ha estudiado el efecto de añadir éter corona a los catalizadores de
tercbutóxido de potasio y litio. Se esperaba que la adicción de este tipo de compuestos
aumentara la conversión de la lactida en polímero, pero tuvo el efecto contrario. Esto se
atribuyo a la formación de complejos entre al ión alcalino con la lactida.
Otro tipo de catalizadores que se estudio fue los complejos mixtos alquilitioalcoxido de litio. Estos compuestos se prepararon con bifenol y EDBP como ligandos
alcoxo. Se comprueba que usando un ligando voluminoso como el bencil alcoxi se
evitan reacciones secundarias y se consigue una distribución de pesos moleculares
estrecha. Estudios de 1H RMN permiten concluir que hay grupos bencil ester en el
extremo de la cadena. Esto hace pensar que el mecanismo de polimerización no es un
ataque nucleófilo del grupo bencil alcoxi, sino que primero se da una coordinación del
monómero sobre el complejo de litio. Después el grupo bencil alcoxi ataca a la lactida
cíclica sobre el carbono carbonílico, abriendo el heterociclo. Tras esto se coordina de
nuevo otra molécula de monómero y la polimerización continua.
Se comprueba además que durante este proceso no se da la epimerización de los
carbonos quirales de la lactida.
POLIMERIZACIÓN CATIÓNICA
La polimerización nucleófila y por coordinación-inserción son los métodos mas
comunes para realizar las ROP de lactidas y glicoles pero la polimerización catiónica
también da buenos resultados .Se han realizado tres insatisfactorios intentos para este
tipo de polimerización como fueron, en 1971, los de Schultz, sin embargo otros tuvieron
mas suerte como fue el caso de Kricheldorf en 1980.
De todos los compuestos estudiados como iniciadores eficientes sólo el ácido
metafluorosulfónico (HOTF) promueve los mismos así como su sal,
metafluorosulfonato de metilo (MeOTF).El disolvente más efectivo usado en este tipo
de polimerización es el nitrobenceno a unos 50 ºC para así obtener las condiciones de
reacción más óptimas.
En relación con el espectro H-RMN y usando como iniciador MeOTF
obtendremos grupos metil ester como terminales en el polímero y la polimerización
ocurre vía compuestos de alquil-oxo y se presenta un crecimiento de cadena en dos
pasos en los que se involucra un intermedio con apertura de anillo mediado por el
iniciador MeOTF. Con todo ello se obtiene una polilactida ópticamente activa como
demuestra el siguiente esquema:
Las cantidades de monómero e iniciador pueden ser variables. Como comenta la
publicación, se obtienen resultados de polímeros de viscosidad similar pero no se sabe
con exactitud cuales son los datos de pesos moleculares de los mismos por lo que los
resultados obtenidos son inconsistentes. Sin embargo, si es posible demostrar que se ha
obtenido un copolímero de lactida y glicol mediante este mecanismo de polimerización
catiónica.
Por otro lado, resultados prometedores se obtuvieron combinando un acido (HCl
en Et2O) y un agente prótico (H2O o ROH) para la polimerización de ε-caprolactona y
δ-valerolactona en una disolución de CH2Cl2 y a 00C.En estos casos se obtiene una
cadena con grupos éster terminales. Se demostró por H-RMN su estructura y además se
concluyó que su peso molecular oscilaba entre 3000 y 14300 Da. La linealidad de la
cadena se incrementó usando cualquiera de los dos agentes próticos mencionados.
Todos estos datos fueron obtenidos mediante el uso de la técnica polimerización
catiónica con monómero activo y fue desarrollada por Pencek. En ella el HCl actúa
como catalizador en la reacción de transesterificación y el ROH es el iniciador. El
siguiente esquema muestra un posible mecanismo para la reacción de polimerización de
lactonas:
La polimerización catiónica es una alternativa al uso de la polimerización
nucleófila.
POLIMERIZACIÓN NUCLEÓFILA.
Los usados en catálisis cada vez tienen más interés económico y medioambiental
como alternativa viable para síntesis orgánicas. En este tipo de polimerización vamos a
tratar con catalizadores como son enzimas (lipasas) y compuestos organocatalíticos
(aminas, fosfinas, carbenos N-heterocíclicos) para reacciones de transesterificación
como las ROP de lactidas. La catálisis nucleófila es muy usada con fines médicos
porque genera productos no contaminantes.
Consideraciones mecanísticas.
Para las ROP de lactidas las enzimas, aminas, fosfinas y carbenos Nheterocíclicos requieren un agente prótico (H2O o ROH) como iniciador para realizar las
reacciones de transesterificación en las que éstos participaran como catalizadores. En
catálisis nucleófila la polimerización sucede mediante el mecanismo del monómero
activado como se demuestra en el siguiente esquema:
Los iniciadores próticos como ROH reaccionan con el complejo nucleófilo
lactida en las ROP y así la propagación de la cadena procede de la reacción entre un
grupo ω-hidroxilo y el monómero activado resultando la polilactida con un agente acido
o éster en ele extremo α según el iniciador prótico.
Las diferentes formas de polimerización dependen de los complejos metálicos
usados. La catálisis nucleófila sólo activa el monómero para las ROP pero las
reacciones en las que interviene este complejo metálico no sólo hacen lo mismo sino
que además inician la polimerización y permanece unido al monómero que hace crecer
la cadena.
Catálisis
Se va a subdividir en tres tipos:
-Enzimas: Vamos a usar las lipasas como Pseudomonas cepacia PS que tiene la
capacidad de lograr altas conversiones del monómero en las ROP de lactidas durante
varios días a temperaturas de 80-130º C con un peso molecular de 270000 Da y baja
polidispersidad (PDI).Pueden darse también la formación de oligómeros que hacen que
se den periodos de inducción. Los resultados experimentales demuestran la eficacia de
las enzimas como catalizadores de en al polimerización de lactidas peor son poco
versátiles.
-Catalizadores orgánicos: Ejemplos de ellos son las aminas, fosfinas y carbenos Nheterocíclicos que dan polimerización nucleófila y demuestran una relación lineal entre
el peso molecular y el grado de conversión del monómero. También aquí podemos ver
un control del peso molecular y bajos valores de PDI de la polilactida obtenida por la
relación existente entre el monómero y el iniciador (según si el iniciador es un alcohol
1ª o 2ª se obtendrá en el extremo α de la cadena un éster funcionalizado u otro).
El tipo de aminas usado para esta catálisis fueron piridinas como DMAP y PPY
que se observan en el siguiente esquema:
Estas piridinas tienen una alta actividad para las ROP de lactidas cuando usamos
CH2Cl2 como disolvente a 35º C durante varios días o a 135º C durante unas pocas
minutos. Si lo comparamos con la catálisis con la de los complejos metálicos no se
observan cambios en el peso molecular, no se observa tanpoco reacciones laterales de
transesterificación, ni equilibrios de polimerización/despolimerización. El catalizador
DMAP inmovilizado en poliestireno da resultados similares para el peso molecular,
PDI, y cinética. Además, por ser soportada, el polímero puede separarse por filtración.
Otros catalizadores orgánicos son las fosfinas que, aunque menos activas que las
aminas, su actividad va a depender de los ligandos unidos a las mismas llegando a dar
bajas cantidades de polímero. Si queremos aumentar la conversión del monómero
recurriremos a elevar la temperatura. El principal problema de las fosfinas es la
presencia de numerosas reacciones secundarias.
Por otro lado, existen otros catalizadores orgánicos como son los carbenos Nheterociclos que dan resultados más prometedores para las ROP de lactidas que aminas
o fosfinas. Usando bajas concentraciones de monómero dan elevados grados de
conversión tratados en THF durante una hora. Las polilactidas obtenidas tienen
elevados pesos moleculares y baja polidispersidad. La estructura de este tipo de
catalizadores hace que la polimerización nucleofílica varíe y estas estructuras se
observan en el siguiente esquema:
Los tipos de catalizadores son el imidazol-2-ilideno (IMes), el tiazol-2-ilideno o el
imidazolin-2-ilideno. Son sensibles al aire por lo que se han de generar “in situ”. Con
ellos también podemos realizar catálisis soportada aunque dan problemas de
solubilidad. Mejores resultados se obtuvieron usando catálisis bifásica y como
disolvente THF/disolución iónica para las ROP de lactidas y regeneraremos el
catalizador con una sal de amonio.
Control estereoquímico de las ROP de lactidas.
El control estereoquímico de la catálisis nucleófila se dará en función del tipo de
catalizador usado para este fin:
-Aminas: no ocurre racemización cuando usamos el catalizador DMAP y
adicionalmente, obtenemos el enantiómero ópticamente puro (L-lactida).
-Enzimas: con las lipasas obtenemos una mezcla de enantiómeros (D-L-lactida)
-Fosfinas: requieren condiciones más drásticas, sin embargo se obtiene un
producto quiral.
-Carbenos N-heterociclos: poseen un elevado control estereoquímico.
Despolimerización
Catalizadores piridina como DMAP y PPY tienen tendencia a que sus cadenas
polímero sufran despolimerización al usar alcoholes primarios como se observa en el
siguiente esquema:
Cuando usamos catalizadores amina la influencia del alcohol iniciador se
muestra en la selectividad de la reacción de transesterificación. Los alcoholes primarios
no reaccionan sólo con la lactida sino también abriendo los anillos del éster, mientras
que los alcoholes secundarios sólo reaccionan con la lactida y son inertes frente a otros
productos. Esta marcada diferencia es demostrada en la formación de los mono- y diaductos catalizados con DMAP según el alcohol usado:
Como vemos, es más aconsejable el uso de alcoholes secundarios para las ROP
de lactidas.