POLIMERIZACION ANIÓNICA Y CATIÓNICA

POLIMERIZACIÓN 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 hecho 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.

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POLIMERIZACION ANIÓNICA Y CATIÓNICA

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 alquilitio-alcoxido 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.

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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:

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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.

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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 N-heterocíclicos 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.

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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 N-heterocíclicos 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:

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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 unos pocos 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 N-heterociclos 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.

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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 di-aductos catalizados con DMAP según el alcohol usado:

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Como vemos, es más aconsejable el uso de alcoholes secundarios para las ROP de lactidas.

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