Síntesis y Caracterización de Nuevos

Hidrogeles Sensibles a la Temperatura

y al pH

Juan Carlos Rueda S.

Pontificia Universidad Católica del Perú

Monómeros: 2-R-2-Oxazolinas

Donde R= H, Metilo, Etilo, Fenilo, Éster, etc.

Introducción:

Polimerización Catiónica por Apertura de Anillo de las 2-Oxazolinas

-La polimerización de las 2-Oxazolinas es del tipo “viva”, esto significa que transcurre sin reacciones secundarias (reacciones de terminación o de transferencia de cadena).

N O

+E

R

CH2

C =

CH2

O

N

R

n

POLIMEROS INTELIGENTES (“SMART” POLYMERS)

Son polímeros que tienen sensibilidad a cambios en el medio ambiente, tales como, por ejemplo: variaciones de temperatura, de pH, de la Luz, del campo magnético, etc.

Poli (N-ISOPROPILACRILAMIDA)

CH2

C =

H3C

CH

NH

HC

O

CH3

CH2

C =

H3C

CH

NH

HC

O

CH3

=

NIPAAm PolyNIPAAm

AIBN

n

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

Aplicaciones del Poli(NIPAAm)

- Desarrollo de hidrogeles sensibles a la temperatura para su uso en sistemas de liberación controlada de medicamentos o fertilizantes.

- Modificación de superficies (Hidrofóbica-Hidrofílica)

- Sistemas de cultivo de células

- Control reológico

- Sensores y Actuadores

HIDROGELES:

Son polímeros entrecruzados, los cuales contienen cadenas hidrofílicas y tienen la

propiedad de absorber una gran cantidad de solventes polares (ej. Agua, Etanol, DMF,

etc.).

Usos de los Hidrogeles:

-Sistemas de liberación controlada de medicamentos o fertilizantes (Aplicación en medicina y agricultura) .

- Biomateriales (Protésis, lentes de contacto, etc).

- Resinas de intercambio iónico (tratamiento de agua, hidrometalurgia).

- Columnas cromatográficas.

- Absorbentes de pigmentos, enzimas, etc.

- Materiales de uso diario.

Síntesis y Caracterización de

hidrogeles sensibles a la temperatura

Y al pH

Etapas de la investigación:

i)Síntesis del Monómero

ii)Síntesis del Macromonómero

iii)Síntesis del Hidrogel

Monomersynthese:

CH3

CH3O

CH3

CH2CH2 CH2

CH2 CH2 CH2 CH2

CH2

CH2O

O O

O

O

OO

CC

C C

=

= == =

Cl H3N+ Cl Cl

Methyl succinyl chloride 2-Chloroethylammonium chloride

Et3N , (HCl)

N

H

Cl

NaCO3 , T

ON

CH2

C

(FOXA)

CH3O

CH2

O=

ON

CH2

C

(FOXA)

a b

c

d

e

Fig.- Espectro 1H RMN de la Ester-Oxazolina (EsterOXA)

Síntesis del Macromonómero

ON

CH2Cl

CH3

NaI, CH3CN, 80°C

ON

2

COOCH3

CH2

+

CH2 NCH2CH2

C=O

CH3

NCH2CH2

C=O

2

COOCH3

CH2

OH

= =

N CH2

C

CH2

CH3

N

O

CH2

C

CH2

O

CH2

COOCH3

OH

MC

d d'

e f

g

c

CH2

CH250 mol %

50 mol%

áa

b

h

Fig. Espectro 1H RMN del Macromonómero en Metanol

Hidrólisis del Macromonómero

NaOH/ H2O/ 55°C/ HCl

CH2 NCH2CH2

C=O

CH3

NCH2CH2

C=O

2

COOCH3

CH2

OH

CH2 NCH2CH2

C=O

CH3

NCH2CH2

C=O

2

COOH

CH2

OH

MK

CH2

COOH

COOH COOHCOOHCOOH

COOH COOH COOH

MACROMONÓMERO

(DP=20, 50 mol% ácidos carboxílicos)

Fig.- Espectro 1H RMN del Macromonómero hidrolizado

Síntesis del Hidrogel

+

C=O=

CH2NH

C O

Ammonium Peroxodisulfat

Temed, 25°C

+NH

4NH

CH=O

MK

NiPAAm

BIS

= =

NH

C O

NH

C OCOOH

COOH

COOH

=

NH

C O =

NH

C O COOH

COOH

COOH

COOH

COOH

COOH

HYDROGEL

ESPECTRO 1H-RMN DEL HIDROGEL HG1 EN AGUA DEUTERADA

= =

2CH2

N CH2

C

CH2

CH3

N

O

CH2

C

CH2

O

CH2

COOH

HYDROGEL

h

d d´

ef, g

OH

=C O

CH3CH3

CH

b b

a

NH c

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Hydrogel NIPAAm/MK Yield Water

absorption

HG-1 75 51 75

HG-2 112 80 60

HG-3 150 89 42

HG-4 208 76 21

--------------------------------------------------------------------------

Table.- Hydrogel synthesis and characterization

MK: DP=21, 50 mol% EsteroxaMolverhältnis NiPAAm/Bisacrylamide = 36

↔

Fig.- Absorción reversible del agua por el Hidrogel HG-1

25°C 40°C

Los hidrogeles mostraron sensibilidad a la temperatura y al pH. Esta sensibilidad fue detectada macroscopicamente como un cambio de sus dimensiones geométricas (contracción o expansión del volumen). Este cambio fue función de la razón molar NIPAAm/Macromonómero dentro del hidrogel

Todos los hidrogeles mostraron una contracción cuando la temperatura fue incrementada, por ejemplo de 25°C a 60°C, y esta contracción fue mayor a una razón molar NIPAAm/Macromonómero más elevada.

Por ejemplo, a un pH=5, los hidrogeles HG-1 y HG-4 tienen una contracción de 50% y 81%, respec-tivamente cuando la temperatura se incrementa de 25°C a 60°C.

Figura.- Dependencia de la temperatura de la señal de los grupos metilo de HG1 en el espectro 1H NMR-MAS. Se muestra el decrecimiento de la intensidad de la señal encima de la temperatura de transición TTr

Figure.- Medidas de DSC: El comportamiento del “LCST” de los hidrogeles HG1-HG8 en recipientes hermeticamente cerrados.

Table.- Determination of conformational transition of hydrogels means MAS-NMR spectroscopy and Differential Scanning Calorimetry (DSC).

HG1 HG2 HG3 HG4 HG5 HG6 HG7 HG8 NMRa) 38 36 35 36 33 37 36 35 DSCb) 38 37 37 36.3 35.5 38.5 36 37 a) MAS-NMR: Temperature (°C), which the signal intensity is 50% of initial value at 25°C. The NMR spectra were taked on with a increase of 2.5°K.

b) DSC: Temperature (°C), mean value of curve heat flow vs temperature; 2K/min (heating).

Los hidrogeles también mostraron una contracción de volumen cuando el pH decrece. Por ejemplo, cuando el pH decrece de pH=5.5 a pH=1.2 y la contracción fue menor con una mayor razón molar NIPAAm/Macro-monómero .

A relativamente altos valores de pH, por ejemplo, 11-13, los hidrogeles muestran una contracción nuevamente.

Por ejemplo, HG-1 se expande 81% cuando a 25°C el pH se incrementa de 1.0 a 5.5 y después el hidrogel se contrae un 60% cuando el pH se incrementa de 5.5 a 11.

PUBLICACION:

“Synthesis and Characterization of new pH- and thermic Conmutable Hydrogels based on N-isopropylacrylamide and 2-Oxazolines” Juan C. Rueda*, Estuardo Campos, Hartmut Komber, Stefan Zschoche, Liane Haüssler, Brigitte Voit.

Revista: Designed Monomers and Polymers (DMP-1248R1-Accepted for publication-2013).

CONCLUSION

Los hidrogeles, conteniendo segmentos de poliN-isopropilacrilamida y poliácido carboxílicos, pueden ser sintetizados a partir de NiPAAm y un macromonómero de 2-Oxazolina y muestran sensibilidad a la temperatura y al pH.

AGRADECIMIENTOS

A la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP) por el financiamiento de la investigación y al Instituto Leibniz de Investigaciones en Polímeros de Dresden, (IPF) (Drs. Hartmut Komber y Stefan Zschoche, y Prof. Brigitte Voit) por la caracterización de los polímeros y la fructífera cooperación científica.

Esta investigación se constituyó en la tesis de maestría del alumno Estuardo Campos, estudiante del Programa de Maestría en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la PUCP.

MUCHAS GRACIAS