POLIETILENIMINA. CARACTERIZACIN ESTRUCTURAL Y

DINMICA EN EL ESTADO SLIDO.

J.M. LZARO MARTNEZ,, G.A. MONTI, y A.K. CHATTAH

Instituto de Fsica Enrique Gaviola (IFEG-CONICET-UNC) Medina Allende s/n - (5000) Crdoba Argentina

Departamento de Qumica Orgnica, FFyB-UBA, Buenos Aires, CP 1113, Argentina.

lazarojm@ffyb.uba.ar ; monti@famaf.unc.edu.ar ; chattah@famaf.unc.edu.ar

INTRODUCCION

El polmero lineal poli(etilenimina), denominado

PEI (Fig. 1), tiene un amplio campo de aplicaciones. Se

lo ha empleado como ingrediente cosmtico para ajustar

la viscosidad, como quelante de iones metlicos para

inhibir la corrosin hasta como copolmero para el

desarrollo de dispositivos de almacenamiento de

energa. A su vez, teniendo en cuenta la

biocompatibilidad que presenta el PEI, se lo ha

empleado en el rea biotecnolgica como vector no viral

para llevar a cabo procesos de transfeccin de genes,

estabilizador de protenas y desarrollo de biosensores.

Fig. 1. Estructura qumica del PEI.

Sin embargo hasta el momento no se ha realizado

una caracterizacin fsica en el estado slido. Por tal

motivo, el objetivo del presente trabajo es estudiar la

homogeneidad estructural y dinmica en tres variantes

polimricas de PEI que presentan diferentes pesos

moleculares (22, 87 y 217 KDa) empleando tcnicas de

Resonancia Magntica Nuclear en el estado slido

(ssNMR). A su vez, se explorarn las modificaciones

producidas tras la complejacin de iones de cobre(II)

por parte de las mencionadas matrices polimricas, dada

la importancia de los catalizadores heterogneos de

Cu(II) para la activacin de agua oxigenada y

degradacin de polutantes de alto impacto ambiental

(Lzaro Martnez, et al., 2008 y 2011).

METODOLOGA

Los experimentos de ssNMR fueron obtenidos en un

espectrmetro Bruker Avance II-300 MHz equipado con

una probe de triple resonancia de 4-mm. Los espectros

de alta resolucin de 13

C y 15

N en estado slido fueron

determinados empleando la tcnica de polarizacin

cruzada {1H}{13C} {1H}{15N} (cross-

polarization = CP) y rotacin en el ngulo mgico

(magic angle spinning = MAS) con desacople de

protones durante la adquisicin. Las frecuencias de

Larmor para los ncleos 1H,

13C y

15N fueron de 300.13,

75.46 y 30.42 MHz respectivamente. La glicina fue

usada como referencia externa para la determinacin de

los espectros de 13

C, 15

N y para setear la condicin de

Hartmann-Hahn para los experimentos de CP. El

recycling time fue de 4 s y el tiempo de contacto durante

la CP fue de 1.5 ms para los experimentos de 13

C. Para

los ncleos de 15

N el recycling time fue de 4 s y el

tiempo de contacto durante la CP fue de 3 ms. Para

realizar el desacople heteronuclear 1H-

13C y de

1H-

15N

durante la adquisicin se emple la secuencia

SPINAL64 o TPPM, respectivamente (Fung et al., 2000

y Bennet et al., 1995). La velocidad de rotacin en todos

los casos fue de 10 kHz.

Los tiempos de relajacin en el sistema rotante (T1),

y los experimentos 1H-

13C 2D-HETCOR (heteronuclear

correlation) y 1H-

13C 2D-WISE (Wideline separation)

fueron determinados segn trabajos previos (Lzaro

Martnez et al., 2012 y Chattah et al., 2007).

RESULTADOS Y DISCUSION

Los espectros de 13

C CP-MAS para los polmeros de

PEI con distintos pesos moleculares se presentan en la

Fig. 2 en comparacin con el espectro de 13

C RMN para

el PEI 87 KDa disuelto en agua deuterada (D2O). A

partir de estos resultados se pudo comprobar la

existencia de heterogeneidad en las distintas muestras de

PEI que no pudieron ser inferidas a partir de los

resultados obtenidos de los difractogramas de rayos-X

de polvo, ni por RMN en solucin donde se obtuvo el

desplazamiento qumico isotrpico.

Fig. 2. Espectros de

13C CP-MAS de los polmeros PEI

22, 87 y 217 KDa (en estado slido) y en D2O.

En el estado slido, las cadenas polimricas pueden

estar confinadas en regiones con diferente movilidad,

teniendo en cuenta una disposicin ordenada o no, lo

que determina segmentos cristalinos o amorfos. En

cambio en cuando el slido es disuelto, en caso de

existir heterogeneidad molecular (regiones amorfas o

cristalinas), esta se pierde como consecuencia de que las

cadenas polimricas adquieren un movimiento

molecular promedio en el seno del lquido.

En complementacin, la edicin de los espectros de 13

C CP-MAS, empleando diversos tiempos de dinmica

de espines (d4), permiti visualizar seales que no eran

detectadas con las secuencias de CP-MAS

habitualmente empleadas (Fig. 3). En estos

experimentos se agreg y vari un tiempo d4 entre el

pulso inicial de /2 y el proceso de polarizacin

cruzada.

En particular, la Fig. 3 muestra el espectro de 13

C

CP-MAS para el PEI 217 KDa con un tiempo de

dinmica de espines de 0, 13 y 14 s. Si bien la

resolucin de los espectros se ve afectada, claramente

puede apreciarse las contribuciones de cada poblacin

de 13

C a 42.9 y 44.5 ppm. Los experimentos tambin se

realizaron para los otros PEI de 22 y 87 KDa variando

el d4 entre 0-15 s, encontrndose similares resultados.

Fig. 3. Espectros de

13C CP-MAS para el PEI 217 KDa

empleando distintos d4.

A su vez, los espectros de 15

N CP-MAS

determinados en las distintas muestras de PEI con

abundancia natural de 15

N, concordaron con lo

observado por 13

C, indicando que el polmero de 87

KDa present nuevamente dos contribuciones que

pueden ser claramente diferenciadas. Tambin se prob

la determinacin de los espectros de 15

N CP-MAS

empleando distintos d4 en las otras variantes del PEI

(PEI 22 y 217 KDa), pero no fue posible observar las

dos contribuciones por separado, probablemente porque

la seal de 15

N se encontr drsticamente afectada.

Fig. 4. Espectros de

15N CP-MAS de los polmeros PEI

22, 87 y 217 KDa.

Para profundizar el estudio de estos materiales se

procedi a realizar experimentos bidimensionales de

ssNMR.

En primera instancia se llevaron a cabo

experimentos 1H-

13C 2D-WISE, en los que es posible

obtener una aproximacin de la movilidad molecular a

partir de las lneas de 1H extradas de cada seal

observable de 13

C, dado que el ancho medio de las

mismas se relaciona con la interaccin dipolar que

puedan sensar los ncleos de 1H asociados a los

respectivos 13

C, segn se encuentren en entornos rgidos

(mayores FHWW) o flexibles (menores FHWW)

(Schmidt Rohr et al., 1992).

Los resultados de estos experimentos se muestran en

la tabla 1, e indican que la regin de mayor movilidad se

asoci a la seal a 44.5 ppm, mientras que la de menor

movilidad result ser la seal de 42.9 ppm, en la

dimensin de 13

C.

A continuacin se realizaron experimentos 2D de

correlacin heteronuclear 1H-

13C, denominados

1H-

13C

HETCOR, que permiten correlacionar los distintos

ncleos de 13

C con los protones (1H) directamente

unidos o en las cercanas. Los resultados para el PEI 87

KDa son mostrados en la Fig. 5. Claramente, puede ser

observado que cada tipo de carbono correlaciona con

semejantes calidades de protones pero que resultan entre

s diferentes, indicando que las cadenas polimricas del

PEI 87 KDa se encuentran en entornos fsicos

diferentes, probablemente asociados a regiones con alto

grado de ordenamiento (cristalinas) o de desorden

(amorfas).

Tabla 1. Anchos medios (FWHH) de las

proyecciones de 1H obtenidos de los experimentos

1H-

13C 2D WISE.

Polmero

1H FWHH

(kHz)

PEI 27 KDa 123

Cu(II)-PEI 27 KDa 167

PEI 217 KDa 120

Cu(II)-PEI 217 KDa 156

PEI 87 KDa (42.9 ppm) 147

PEI 87 KDa (44.5 ppm) 101

Cu(II)-PEI 87 KDa (44.5 ppm) 172

Para complementar los estudios, se llev a cabo la

medicin de los tiempos de relajacin de 13

C en el

sistema rotante (T1

13C). En estos experimentos, la etapa

de la polarizacin cruzada es seguida por un campo de

spin lock de 13

C durante un tiempo variable (), con lo

cual la relajacin espn-red tiene lugar en el sistema

rotante. Dicho proceso de relajacin en el sistema

rotante es sensible a los movimientos en la escala de los

kilohertz, lo que permite obtener informacin en cuanto

a la homogeneidad de muestras slidas (Chattah et al.,

2007). La ventaja de estudiar este parmetro, est dado

por la baja abundancia natural del 13

C (1.1%) lo que

asegura su separacin fsica dentro del slido y una baja

o despreciable difusin de espines.

Fig. 5. Espectro

1H-

13C HETCOR para el PEI 87 KDa.

La tabla 2 muestra los valores de T1

13C para los

carbonos de los metilenos (CH2) presentes en el

polmero de PEI. Los mismos fueron determinados a

partir de la disminucin de la magnetizacin (Mc) en

funcin del tiempo de espn-lock (). En particular, estas

grficas presentaron un comportamiento bi-exponencial,

caracterstico de muestras no homogneas con al menos

dos fases con diferente orden o movilidad, que pueden

ajustarse a la siguiente ecuacin:

21 )1()(0

eAeAM

MC (Eqn. 1)

Teniendo en cuenta que la magnetizacin ha sido

normalizada, los nmeros A y 1-A (Eqn. 1) pueden ser

directamente interpretados como el porcentaje de la

muestra que posee diferente relajacin (1 y 2).

Usualmente en compuestos slidos, los valores menores

de T1

13C se corresponden con fracciones amorfas en

donde existe un alto grado de desorden y una mayor

movilidad relativa en comparacin con zonas cristalinas

en donde los T1

13C son mayores y donde la movilidad

se encuentra restringida. Por lo que, analizando los

resultados obtenidos, los T1

13C estuvieron en

concordancia con lo obtenido de los experimentos 2D-

WISE en donde se observaron regiones con diferente

movilidad y que pueden ser estimados en porcentaje a

partir de la determinacin de los T1

13C.

Por ltimo, se llev a cabo el anlisis de los

complejos metlicos de Cobre(II)-PEI (Cu(II)-PEI). Los

resultados de 13

C CP-MAS se presentan en la Fig. 6 y

los resultados de los experimentos 2D-WISE y la

medicin de los T1

13C se encuentran en la Tabla 1 y 2,

respectivamente.

La coordinacin de los iones Cu(II), comprometi a

las regiones polimricas con distinta dinmica molecular

en las distintas muestras. A su vez, produjo una

importante reduccin en la movilidad molecular en las

cadenas polimricas del PEI, independientemente de la

longitud de dicha cadena, incrementando el componente

rgido, teniendo en cuenta la medicin de los T113

C y

el aumento de los anchos medios en la lnea de 1H en los

experimentos 1H-

13C 2D-WISE.

Tabla 2. Tiempos de relajacin de 13

C en el sistema

rotante (T1

13C).

Material T

1

13C

(ms)

PEI 27 KDa 0.71 (81%)

3.8 (19%)

Cu(II)-PEI 27 KDa 0.7 (62%)

2.0 (38%)

PEI 217 KDa 0.69 (77%)

2.4 (23%)

Cu(II)-PEI 217 KDa 0.22 (23%)

1.17 (77%)

Fig. 6. Espectros de

13C CP-MAS de los polmeros PEI

22, 87 y 217 KDa y sus respectivos complejos

de Cu(II).

CONCLUSIONES

La ssNMR result ser una herramienta valiosa para

estudiar la dinmica y homogeneidad de las distintas

muestras de Polietilenimina. Si bien los resultados de

cristalografa de rayos-X de polvo no muestra

diferencias significativas entre las diferentes muestras en

las que se vari el peso molecular, la ssNMR a travs de

los espectros de 13

C CP-MAS empleando diferentes

tiempos de dinmica de espines (d4) permitieron

evidenciar la heterogeneidad en cada caso, como as

tambin los espectros de 15

N CP-MAS. Estos resultados

fueron confirmados a travs de la medicin de los

T1

13C,

1H-

13C 2D-WISE y

1H-

13C 2D-HETCOR

Por ltimo, la formacin de complejos con los iones

cobre(II), produjo una reduccin importante de la

movilidad como consecuencia del entrecruzamiento

entre las distintas cadenas polimricas para coordinar el

in metlico, a partir de los resultados de T1

13C y

1H-

13C 2D-WISE.

REFERENCIAS

Bennet, A. E., Rienstra, C., Auger, M, Lakshmi, K.,

Griffin, R., Heteronuclear decoupling in rotating

solids, J. Chem. Phys., 103, 6951-6958 (1995).

Chattah, A. K., Garro Linck, Y., Monti, G. A., Levstein,

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of norfloxacin and ciprofloxacin, Magn. Reson.

Chem., 45, 850-859 (2007).

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and solids, J. Magn. Reson., 142, 97-101 (2000).

Lzaro Martnez, J. M., Leal Denis, M., Piehl, L.,

Rubn, E., Buldain, G., Campo DallOrto, V.,

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Lzaro Martnez, J. M., Rodrguez Castelln, E., Torres,

R., Denaday, L., Buldain, G., Campo DallOrto, V.

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and mechanism, J. Mol. Catal. A: Chem., 339, 43-

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Lzaro Martnez, J. M. Chattah, A. K., Torres, R.,

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Schmidt Rohr, K., Clauss, J., Spiess, H., Correlation of

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(1992).