⎯⎯⎯ Tudományos Diákköri Dolgozat ⎯⎯⎯
OSVÁTH ZSÓFIA
A poli(N-izopropil-akrilamid), mint intelligens anyag Témavezetők: Dr. Iván Béla egyetemi magántanár ELTE TTK Kémiai Intézet, Szerves Kémiai Tanszék MTA KK AKI, Polimer Kémiai és Anyagtudományi Osztály Dr. Kali Gergely tudományos munkatárs MTA KK AKI, Polimer Kémiai és Anyagtudományi Osztály
⎯⎯⎯ Eötvös Loránd Tudományegyetem ⎯⎯⎯ ⎯⎯ Természettudományi Kar ⎯⎯ ⎯ Budapest, 2010 ⎯
Köszönetnyilvánítás
Köszönetemet fejezem ki Dr. Iván Bélának, az ELTE TTK Kémiai Intézet Szerves Kémiai Tanszék egyetemi magántanárának, tudományos osztályvezetőnek a lehetőségért, hogy Tudományos
Diákköri
munkámat
az
MTA
Kémiai
Kutatóközpont
Anyag-
és
Környezetkémiai Intézet Polimer Kémiai és Anyagtudományi Osztályán készíthettem, továbbá, hogy munkámat végig figyelemmel kísérte. Ezúton köszönöm a fent említett osztály dolgozóinak a segítségét, különös tekintettel Dr. Kali Gergelynek a laboratóriumi munkában nyújtott támogatását. A GPC vizsgálatok elvégzésében és kiértékelésében nyújtott segítségért Szarka Györgyinek, Kasza Györgynek és Németh Brigittának tartozom köszönettel. Továbbá külön köszönöm Németh Brigittának és Kasza Györgynek, hogy végighallgattak akkor is, mikor nagyon nem ment a kísérletezés.
Tartalomjegyzék Rövidítésjegyzék I. Bevezetés…………………………………………………………………………………….1 II. Irodalmi áttekintés………………………………………………………………………...3 II. 1. A poli(N-izopropil-akrilamid) bemutatása…………………………………………....3 II. 2. A poli(N-izopropil-akrilamid) alkalmazási lehetőségei………………………………5 II. 3. A poli(N-izopropil-akrilamid) előállítási lehetőségei………………………………. .7 II. 3. 1. Hagyományos szabad gyökös polimerizáció…………………………………...7 II. 3. 2. Reverzibilis addíciós-fragmentációs láncátadásos gyökös polimerizáció……...8 III. Célkitűzések……………………………..………………………………………………11 IV. Kísérleti rész……………………………………………………………………………..12 IV. 1. A poli(N-izopropil-akrilamid) előállítása szabad gyökös polimerizációval………..12 IV. 1. 1. Felhasznált anyagok és tisztításuk……………………………………………12 IV. 1. 2. A polimerizáció menete………………………………………………………12 IV. 2. A poli(N-izopropil-akrilamid) előállítása reverzibilis addíciós-fragmentációs láncátadásos gyökös polimerizációval……………………………...………………14 IV. 2. 1. Felhasznált anyagok és tisztításuk…………………………………………....15 IV. 2. 2. A 3H-imidazol-4-karboditionsav-4-vinilbenzol észter előállítása…………...15 IV. 2. 3. A cianometil-dodecil-tritiokarbonát előállítása………………………………17 IV. 2. 4. A polimerizáció menete………………………………………………………18 IV. 3. A poli(N-izopropil-akrilamid) analízise……………………………………………21 IV. 3. 1. Mágneses magrezonancia spektroszkópia……………………………………21 IV. 3. 2. Gélpermeációs kromatográfia………………………………………………...21 V. Eredmények és értékelésük……………………………………………………………...23 V. 1. Szabad gyökös polimerizációs módszerrel kapott polimer………………………….23 V. 2. Láncátadószerek szerkezetvizsgálata………………………………………………..26 V. 2. 1. 3H-imidazol-4-karboditionsav-4-vinilbenzol észter…………………………..26 V. 2. 2. Cianometil-dodecil-tritiokarbonát………………………………………....…..26 V. 3. Reverzibilis addíciós-fragmentációs láncátadásos gyökös polimerizációs módszerrel kapott polimerek……………………………………………………………………27 V. 4. A poli(N-izopropil-akrilamid) alsó kritikus oldhatósági hőmérséklete……………..32 VI. Összefoglalás…………………………………………………………………………….35 VII. Irodalojegyzék………………………………………………………………………….37
Rövidítésjegyzék 1
H-NMR-spektroszkópia: proton mágneses magrezonancia spektroszkópia
AIBN: azo-bisz(izobutiro-nitril) CDCl3: deuterált kloroform CTA (Chain Transfer Agent): láncátadószer CS2: szén-diszulfid CsCO3: cézium-karbonát DCM: diklórmetán DMF: dimetil-formamid GPC: gélpermeációs kromatográfia HPLC (High Performance Liquid Cromatography): nagy teljesítményű folyadékkromatográfia IPA: izopropanol LCST (Lower Critical Solution Temperature): alacsony kritikus oldhatósági hőmérséklet MeOH: metanol Mn: számátlag molekulatömeg Mw: tömeg szerinti átlag molekulatömeg NaHCO3: nátrium-hidrogén karbonát NaOH: nátrium-hidroxid NIPAAm: N-izopropil-akrilamid p: polidiszperzitás (Mw/Mn) PAA: poliakrilsav PAAm: poliakrilamid PEO: poli(etilén-oxid) PNIPAAm: poli(N-izopropil-akrilamid) PPO: poli(propilén-oxid) RAFT (Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer Polymerization): reverzibilis addíciós-fragmentációs láncátadásos gyökös polimerizáció RAFT-agens1: 3H-imidazol-4-karboditionsav-4-vinilbenzol észter RAFT-agens2: cianometil-dodecil-tritiokarbonát THF: tetrahidrofurán
I. Bevezetés A tudomány ugyan már régóta foglalkozik az anyagok „intelligens” viselkedésével, de csak az 1980-as években jelent meg az intelligens anyag fogalma. Azóta a témának több saját szakfolyóirata is van (pl.: Journal of Intelligent Material Systems and Structures és Smart Materials and Structures). Ezen anyagok kutatása kiemelt támogatást élvez az Európai Unióban is. Intelligens anyagoknak azokat az anyagokat nevezzük, melyek érzékelik a környezetük fizikai vagy kémiai állapotának jellemzőit és azok módosulásait, majd ezekre tulajdonságaik megváltoztatásával egyértelmű, gyors és reverzibilis választ adnak. Fontos, hogy a környezet kismértékű átalakulása is jól érzékelhető (mérhető), többnyire nagyfokú tulajdonságbeli változással járjon, és az megfordítható legyen, tehát a hatás megszűnte után visszaálljon az eredeti állapot. Az intelligens anyagokat két nagy csoportra lehet osztani. Az egyik típus a közvetlen környezete változásait (hőmérséklet, fény, mechanikai hatások, koncentráció stb.) érzékeli, míg a másik típusba tartozó anyagok elektronikus jel formájában kapják a változásukhoz szükséges információt. Az intelligens anyagok bemutatásakor számos példával élhetünk, meg kell azonban különböztetnünk a kemény és a lágy anyagokat. Kemény anyagok az alakmemóriával rendelkező fémek és polimerek, illetve bizonyos fémötvözetek, melyek mágneses tér hatására változtatják a méretüket. Lágy anyagok közé sorolhatók a rugalmas polimerek, valamint a szilárd és folyadék halmazállapot között elhelyezkedő nagy folyadéktartalmú gélek. A polimerek - sokrétű és viszonylag könnyen változtatható tulajdonságaik alapján - az intelligens anyagok közt kiemelt jelentőséggel bírnak. Ezt tükrözi az is, hogy létezik kizárólag intelligens polimerek kutatásával és fejlesztésével foglalkozó intézet is. Az intelligens anyagok felhasználása rendkívül sokrétű, elég megemlítenünk a gélüvegeket, melyekben két üveglap közt helyezkedik el egy intelligens polimer gél réteg, amely felhasználható speciális üvegként vagy kijelzőként. Fontos alkalmazási terület az intelligens anyagok orvosbiológiai felhasználása is. Ide sorolható a gélekkel történő szabályozott hatóanyag-leadás, mely elősegíti a hatóanyag megfelelő helyen és időben való kijutását a mátrixból, illetve a mesterséges izmok, melyekkel egyszer talán pótolható lesz az emberi izomzat. A műszív - amely különböző intelligens anyagokból álló összetett szerkezet kifejlesztésén is számos kutatólaboratórium dolgozik világszerte [1].
1
Az intelligens anyagok megjelenése számos új lehetőséget nyitott meg, melyek a jövőben a technológia ugrásszerű fejlődéshez vezethetnek. Dolgozatom célja, hogy bemutassam ezen anyagok egyik legígéretesebb képviselőjét, a poli(N-izopropil-akrilamid)ot és szemléltessem hőmérsékletfüggő intelligens viselkedését. Ennek érdekében munkám során poli(N-izopropil-akrilamid)ot
szintetizáltam,
azt
analizáltam,
majd
vizes
oldatának
hőmérséklet változásakor bekövetkező átalakulását tanulmányoztam. Így ezen a példán keresztül kívánom bemutatni ennek a polimernek az alapvető, intelligens anyagok kifejlesztéséhez felhasználható tulajdonságát.
2
II. Irodalmi áttekintés II. 1. A poli(N-izopropil-akrilamid) bemutatása A hőmérséklet érzékeny polimerek közül a legismertebb és legtöbbet vizsgált a poli(N-izopropil-akrilamid) (PNIPAAm). A hőmérséklet érzékenység azt jelenti, hogy egy adott hőmérséklet környékén kis hőmérsékletváltozásra is jelentős átalakulás tapasztalható a polimer tulajdonságaiban. Ez a változás a PNIPAAm esetében azt okozza, hogy vízben a hőmérséklet növelésével csökken a polimer oldhatósága, azaz kicsapódik, a hőmérséklet csökkentésével pedig újra oldódik. A folyamat sokszor megismételhető, erre épül a PNIPAAm „intelligens” viselkedése. Poli(N-izopropil-akrilamid)ot először az 1950-es években szintetizáltak gyökös polimerizációval [2]. Tíz évvel később Heskis és Guillet tapasztalta a lineáris polimer hőmérséklet érzékenységét [3], majd Tanaka tapasztalta ugyanezt PNIPAAm gélek [4] esetében is. Kezdetben főleg poliakrilamid gélekkel kísérleteztek. A géleket akrilamid és biszakrilamid
kopolimerizációjával
állították
elő
ammónium-perszulfát
iniciátor
és
N,N,N’,N’-tetrametiletilén-diamin adalékanyag segítségével, oldószerként vizet alkalmaztak. A hőmérséklet érzékenységet aceton-víz (kb. 40:60 V/V%) elegyben vizsgálták. Ilyen összetétel mellett állapították meg az alsó kritikus oldhatósági hőmérsékletet (LCST=Lower Critical Solution Temperature), amely kb. 25ºC-nak adódott. A LCST-t csökkenteni lehet, ha csökkentjük a pH-t, ami azzal a következménnyel jár, hogy nem csak hőmérséklet érzékeny, de pH érzékeny is ez a rendszer [5]. Ma már több ilyen tulajdonságokkal rendelkező polimert ismerünk, például, poli(etilén-glikol), poli(N,N-dietil-akrilamid), poli(N,N-dimetil-aminoetilmetakrilát) stb. [6]. A PNIPAAm az utóbbi évek egyik legtöbbet vizsgált polimere, melynek ismétlődő monomer egysége látható az 1. ábrán. Alsó kritikus oldhatósági hőmérséklete az emberi testhőmérséklet közelében (~32ºC), jól definiált szűk tartományban van [3]. Így nem meglepő, hogy a polimer gélek kutatásának is egyik legintenzívebben vizsgált anyaga a PNIPAAm hidrogél. A hőmérséklet növekedésének hatására a gél szerkezetétől és összetételétől függően egy kritikus hőmérsékleten gélkollapszus következik be, amely hőmérséklet jól egyezik az alsó kritikus oldhatósági hőmérséklettel [7-9]. Ez a tulajdonság teszi lehetővé például a szabályozott hatóanyag leadást [1,10].
3
1. ábra: A poli(N-izopropil-akrilamid) (PNIPAAm) monomer egysége Az LCST-nél kisebb hőmérsékleten a PNIPAAm láncok hidratáltak, így rugalmas kötélszerű szerkezetet tudnak felvenni. Az LCST-n a polimer elkezd hidrofóbbá válni és szálai globális szerkezetté aggregálódnak (2. ábra). Amennyiben a PNIPAAM-ot egy kevésbé hidrofób monomerrel kopolimerizáljuk az növeli a polimer hidrofilitását és erősebb polimer – víz kölcsönhatást eredményez, amely növeli az LCST-t, míg ha egy kevésbé hidrofil komponenssel kopolimerzáljuk, akkor alacsonyabb LCST-t kapunk eredményül, mint ha csak PNIPAAm-ot tartalmazott volna a rendszer [11].
2. ábra: Hőmérséklet érzékeny polimerek oldhatósága az alsó kritikus oldhatósági hőmérséklet függvényében [12] A PNIPAAm-on kívül az intelligens hidrogélek közül főként a poliakrilsavból (PAA), a poli(propilén-oxid)ból (PPO) és a poli(etilén-oxid)ból (PEO) felépülő anyagok lehetnek jelentősek. A poliakrilsav gélek pH érzékenyek [6,9,11], ami jelentősen bővíti ezeknek az anyagoknak az alkalmazhatóságát. Olyan térhálós polimereket is előállítanak, amelyekben mind a hőmérséklet, mind pedig a pH-ra érzékeny komponens megtalálható. Erre jó példa a PNIPAAm-ot és a PAA-t egyaránt tartalmazó polimer gélek esete [13].
4
Számos kutatócsoport vizsgálta a poli(N-izopropil-akrilamid) LCST-jét és annak módosítási lehetőségeit. Az 1990-es évek közepén fedezték fel, hogy a polimer láncvégeinek módosításával lényegesen csökkenteni lehet a PNIPAAm LCST-jét. A legjobb eredmények karboxil végcsoporttal történtek. Ebben az esetben a kritikus oldhatósági hőmérsékletet 32 ºCról kb. 20 ºC-ra tudták lecsökkenteni 1 M-os NaCl oldatban [14]. A hőmérsékletre érzékeny polimerek iránt azért is nagy az érdeklődés, mivel nemcsak oldhatóságuk változik meg a megfelelő közegben és hőmérsékleten, de méretük, diffúziós, optikai és egyéb fizikai tulajdonságaik is. Ez teszi alkalmassá őket arra, hogy a jövő anyagai legyenek szenzorokban, mesterséges rendszerekben, intelligens gyógyszerhordozóként stb.
II. 2. A poli(N-izopropil-akrilamid) alkalmazási lehetőségei Az első irodalom a poli(N-izopropil-akrilad)al kapcsolatban az 1950-es évek elején jelent meg, azóta azonban exponenciálisan nő az éves publikációk száma. Ez nem véletlenül van így, hiszem a PNIPAAm az intelligens tulajdonságainak köszönhetően rendkívül széles felhasználási lehetőségekkel rendelkezik. Ezek közül a legfontosabb az orvosbiológiai alkalmazási kör, de elterjedten használják még gélüvegként, szenzorként, oszloptöltetekként vagy kopolimerként is. Napjaink érdekes új találmányai közé tartoznak a gélüvegek, melyek két üveglap között egy vékony intelligens polimer gélt tartalmaznak [1]. A gél jelenléte nem rontja le az optikai tulajdonságokat, így külső megjelenésük olyan, mint a hagyományos síküvegé. Intelligens tulajdonságait a polimer gél réteg biztosítja, oly módon, hogy a környezeti hatásokra (hőmérséklet, elektromos tér) megváltoznak az optikai tulajdonságai. Az eredetileg átlátszó üveg opálos, fényt csak kisebb mértékben áteresztő „tejüveg” hatású lesz. Kifejlesztettek olyan gélüvegeket is, melyekben a napsugárzás idéz elő változásokat. A gyakorlatban már használnak olyan ablaküveget, mely tartalmaz intelligens polimer gélt, ami véd az erős, direkt napsugárzástól. 2004-ben jelent meg magyar szabadalomként a termikus hatásra fényáteresztést változtató gélüveg [15], amely PNIPAAm alapú intelligens polimer gélen alapszik Az intelligens polimer gélt tartalmazó rendszerek felhasználhatók kijelzőként is. Lehetőség van arra, hogy a gélbe ábrákat, betűket rajzoljunk, melyek a hőmérséklet megváltozására, vagy elektromos erőtér hatására előhívhatók [1, 16]. A legtöbb figyelem a PNIPAAm orvosbiológiai alkalmazásai felé irányul, mivel ez a polimer nem csak hőmérsékletérzékeny, de bikompatibilis és inert anyag. A hatékony
5
gyógyszeres kezelésnek három fontos kívánalmat kell teljesítenie. A legfontosabb olyan molekulát találni, amely gyógyító hatású. Ezt a molekulát el kell jutatni a megfelelő helyre és folyamatosan biztosítani kell a hatóanyag optimális koncentrációját a gyógyulási folyamat közben. A célvegyület koncentrációja tehát csak a megfelelő értékek közt változhat, kisebb mennyiség nem hatékony, nagyobb mennyiségben pedig mérgező hatást válthat ki. A probléma megoldására gyógyszer-hordozó anyagokat állítanak elő, melyek általában polimer gélek, és sokszor PNIPAAm alapúak [17-22]. A gélek mellett kiemelt szerep jut a PNIPAAm és különböző kopolimerei orvosbiológiai alkalmazásának is. Legelterjedtebben természetes polimereket használnak fel, mivel ezek általában magas biokompatibilitással rendelkeznek. Ilyen természetes polimerek a poliszaharidok, mint a cellulóz [23, 24], a kitozán [17] vagy a dextrán [25, 26]. A fehérjék köréből főként a zselatint [17, 27, 28] alkalmazzák, és gyakran használják a poli(L-tejsav)at [29] is. Elterjedtek még a PNIPAAm-PAAm [30, 31] és a PNIPAAm-PAA [32] rendszerek. Ezen polimerek nem csak hőmérséklet, de pH érzékenyek is, így még pontosabban tudjuk szabályozni a hatóanyag leadást. Napjainkban a figyelem középpontjába kerültek a mágneses nanorészecskéket is tartalmazó hőmérsékletérzékeny polimerek [33-36]. Előnyük a hőmérséklet érzékeny polimerekkel szemben, hogy itt a szabályozás kétféleképpen is megvalósítható, egyrészt a hőmérséklet, másrészt pedig a mágneses tér megváltoztatásával. Az ilyen polimerekkel nemcsak a hatóanyag kibocsájtást lehet szabályozni, de annak pontos helyét is, ami nagy áttörést jelenthet a tumoros betegségek gyógyításában. Mint az már említettem a PNIPAAm-ot használhatják oszloptöltet módosítására is. Fehérjék és peptidek elválasztásánál jóval hatékonyabb, mint a hagyományosan alkalmazott szilika vagy sztirol-divinilbenzol töltetek [37]. Ennek a néhány példának a segítségével szeretném felhívni a figyelmet a PNIPAAm széleskörű alkalmazási lehetőségeire.
6
II. 3. A poli(N-izopropil-akrilamid) előállítási lehetőségei II. 3. 1. Hagyományos szabad gyökös polimerizáció A gyökös polimerizáció láncpolimerizáció, ahol az aktiváló ágens egy gyök. A láncpolimerizációs reakciókra jellemző, hogy gyorsan végbemennek, a polimer összetétele megegyezik a monomerével és nincs melléktermék. A polimerizáció feltétele, hogy legyen kettős vagy hármas kötést tartalmazó funkciós csoport, illetve megfelelő láncindító iniciátor. Az iniciátorok könnyen bomló, gyököt szolgáltató szerves molekulák, általában peroxidok vagy azo iniciátorok. A legismertebb ezek közül az azo-bisz(izobutiro-nitril) (AIBN), melynek termikus bomlását a 3. ábra mutatja.
3. ábra: Az AIBN termikus bomlása A gyökös polimerizációk legelső és legismertebb fajtája az úgynevezett szabad gyökös polimerizáció (FRP = Free Radical Polymerization), melynek mechanizmusát a 4. ábra mutatja. Első lépés a láncindítás vagy más néven iniciáció. Ilyenkor az iniciátor hő hatására bomlik, és gyököket képez, mely gyökmolekulákra fűződnek fel a monomerek. Ezt a lépést láncnövekedésnek hívjuk. Gyakran előfordul láncátadás is, ilyenkor egy megfelelő vegyülettel reagálnak a polimer szegmensek, melyek ezen a vegyületen folytatják a növekedést. Az utolsó lépés
a
lánczáródás.
A
lánczáródás
történhet
egyesüléssel
(rekombinációval),
diszproporcióval és átadódhat más vegyületekre is polimer lánc. Rekombináció esetén két aktív polimer lánc egyesül, diszproporciónál pedig a két aktív polimer lánc közül az egyik átadja egy H-atomját a másiknak, így mindkét szegmens stabilizálódik [38].
7
4. ábra: a FRP reakciómechanizmusa A szabad gyökös polimerizáció előnye, hogy gyors, egyszerű eljárás, hátránya azonban, hogy nem kontrollálható, így a polimerek nagy polidiszperzitás értékekkel rendelkeznek.
II. 3. 2. Reverzibilis addíciós-fragmentációs láncátadásos gyökös polimerizáció A reverzibilis addíciós-fragmentációs láncátadásos gyökös polimerizáció (RAFT = Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer Polymerization) egy úgynevezett kváziélő polimerizációs technika. Ezt a típusú polimerizációt 1998-ban fedezte fel az ausztrál CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization) csoport [39], de széles körben csak napjainkban kezdték el alkalmazni [40, 41]. A polimerizáció alkalmas előre megtervezett lánchosszúságú polimerek létrehozására, úgy, hogy a polidiszperzitás alacsony értékeket mutat. Ez azt jelenti, hogy a polimer láncok közel azonos hosszúságúak lesznek, mint 5. ábrán is látható.
8
5 .ábra: A lánchossz kontrollálhatósága RAFT és FRP esetén Mivel gyökös polimerizációról beszélünk, az első lépés az iniciálás, mely hasonlóan történik a már említett szabad gyökös polimerizációhoz. Második lépésben elkezd növekedni a polimer lánc, miközben a láncátadószer (elterjedtebben RAFT-ágens) segítségével fragmens-átadás jön létre. A RAFT-ágensek mindig rendelkeznek egy jelen esetben R-el jelölt távozó csoporttal, és egy reaktív C=S kettős kötéssel. Az aktív polimer lánc erre a kettős kötésre tud addícionálódni, miközben egy reaktív intermedieren keresztül távozik az R csoport, melyből reaktív gyök lesz. Ez a reaktív gyök képes monomereket felvenni, ez a folyamat az újra iniciálás. Az újra iniciálás miatt egy másik polimer lánc is elkezd növekedni, amely szintén találkozik egy RAFT-ágensel, és az előző folyamattal analóg módon egy intermedieren keresztül stabilizálódik, úgy, hogy a távozócsoport – ami most már egy polimer lánc – leszakad. Ez a folyamat egyensúlyban van, így biztosítva, hogy a polimerizáció élő maradjon. Utolsó lépésként lánczáródás következik, amely megegyezik az előző fejezetben tárgyaltakkal. A polimerizáció mechanizmusát a 6. ábra mutatja be [42].
9
6. ábra: a RAFT polimerizáció reakciómechanizmusa Ehhez a polimerizációs folyamathoz is szükségünk van termikus iniciátorra, amely itt is általában azo-iniciátor. A RAFT-ágenseket három nagy csoportra bonthatjuk. Az első csoportba tartoznak a ditiobenzoátok, a másodikba ditiokarbonátok, a harmadikba pedig a tritiokarbonátok. Azt, hogy mikor melyik RAFT-ágens kerül alkalmazásra a reakciókörülmények, és az alkalmazni kívánt monomer dönti el. [43-48]. A 7. ábra a láncátadószerek három különböző csoportját mutatja. Akrilamidok szintéziséhez főkét ditio- és tritiokarbonátokat használnak.
7. ábra: A RAFT-ágensek három típusa
10
III. Célkitűzések Dolgozatom első felében az bemutattam a poli(N-izopropil-akrilamid) intelligens tulajdonságát, és alkalmazási lehetőségeit. Munkám során először a már jól ismert és hagyományosnak tekinthető szabad gyökös polimerizációval állítottam elő poli(N-izopropil-akrilamid)ot, hogy referenciaként szolgáljon a további kísérletek folyamán. A polidiszperzitás csökkentése érdekében egy kváziélő polimerizációs eljárással, a reverzibilis addíciós-fragmentációs láncátadásos (RAFT) gyökös polimerizációval állítottam elő ugyanezt a polimert. A módszer előnye, hogy a folyamat kontrolállhatóvá válik, ezáltal lecsökken a polidiszperzitás érték is, a molekulatömeg-eloszlás szempontjából egységesebb polimereket nyerünk. Ez azért fontos, mert a polimerek tulajdonságai jelentősen függnek molekulatömegüktől. Két típusú láncátadószert szintetizáltam, egy ditiokarbonátotot és egy tritiokarbonátot, melyet azonos körülmények között teszteltem. A tritiokarbonát hosszú hidrofób csoportot is tartalmazott, mely beépülésével csökethető az alsó kritikus oldhatósági hőmérséklet (LCST). Az elkészült polimereket
1
H-NMR és gélpermeációs kromatográfiás (GPC)
analízisnek vetettem alá. Munkám további célja meghatározni az általam szintetizált polimerek alsó kritikus oldhatósági hőmérsékletét.
11
IV. Kísérleti rész IV. 1. A poli(N-izopropil-akrilamid) előállítása szabad gyökös polimerizációval Mint az irodalmi összefoglalóban említettem a hagyományos szabad gyökös polimerizáció az egyik legegyszerűbb és legszélesebb körben alkalmazott eljárás polimerek előállítására. Hátránya azonban, hogy a képződő polimerek egyes fontos paramétereit, így például a polidiszperzitást, a láncvégi funkciuonalitást stb., nem tudjuk jól szabályozni. Munkám során először szabad gyökös polimerizációval állítottam elő PNIPAAm-ot, hogy referenciaként szolgáljon a vizsgálataim folyamán.
IV. 1. 1. Felhasznált anyagok és tisztításuk A felhasznált vegyszereket tisztítani kell az esetleges szennyeződésektől, mert ronthatják a polimerizáció hatásfokát. A monomerként alkalmazott N-izopropil-akrilamid (NIPAAm, Aldrich, 97 %) átkristályosítással volt tisztítva. A fehér kristályos anyagot 60 °Con n-hexánban oldottam, majd lassan -18 °C-ra hűtöttem. Az ilyen körülmények közt kivált fehér
kristályos
monomert
üvegszűrőn
szűrtem,
hideg
hexánnal
mostam,
majd
szárítószekrényben 2 napig 30 °C-on szárítottam. Felhasználásig N2 alatt tároltam. Az oldószerként felhasznált tetrahidrofuránt (THF, Spektrum 3D) LiAlH4-en (Aldrich, 95%) két napig refluxoltattam, majd közvetlenül a felhasználás előtt desztilláltam. Az N,N’-azobisz(izobutiro-nitril) (AIBN, Aldrich, 98%) gyökös iniciátorként lett felhasználva. Az átkristályosítás metanolból történt az előzőek szerint, felhasználásig -18 °C-on sötétben, nitrogén atmoszféra alatt tároltam. Az oldószerként alkalmazott n-hexán (Scharlau), dietil-éter (Scharlau) és metanol (Riedel-de Haën) tisztítást nem igényelt.
IV. 1. 2. A polimerizáció menete A poli(N-izopropil-akrilamid) előállítására alkalmazott reakció szabad gyökös polimerizáció volt, melynek a reakciómechanizmusát a következő egyenlet szemlélteti. Ebben nem tüntettem fel láncátadási lépést, mivel ebben a láncpolimerizációs folyamatban a meghatározó láncletörő lépés a lánczáródás.
12
Láncindítás (iniciálás):
Láncnövekedés:
Lánczáródás: CH3
CH3 H3C
C
CH2
CN
CH C
n O
CH2
H3C
CH C
CH2
CH C
CN
O +
H3C
C
n O
CH2
CH
Y
C
O
Y
NH
NH
NH
NH
CH
CH
CH
CH
CH3 H3C
CH3
H3C
CH3 H3C
CH3
ahol Y lehet: - egy másik polimer gyök (rekombináció) - egy másik gyökből származó hidrogén atom (diszproporció) - monofunkciós vegyület
13
A bemért mennyiségeket az 1. táblázat tartalmazza: Tervezett mennyiség
Fizikai jellemzők Gyp Fp [°C] [°C]
M [g/mol]
[ekv]
[mol]
[g]
[cm3]
Bemért [x]
NIPAAm
113,16
78
0,0781
8,8265
-
8,8416
-
-
-
AIBN
164,21
1
0,0010
0,1642
-
0,1640
-
-
-
THF
72,11
-
0,49
35,6
40
40
0,890
-
65
Felhasznált anyagok
ρ [g/cm3]
NIPAAm = N-izopropil-akrilamid AIBN = N,N’-azo-bisz(izobutiro-nitril) THF = tetrahidrofurán A fehér kristályos AIBN iniciátorból számított mennyiséget kimértem egy 100 cm3-es kétnyakú gömblombikba, majd hozzáadtam a NIPAAm monomer megfelelő mennyiségét is. Ezután abs. tetrahidrofuránban (THF) oldottam a bemért anyagokat, majd szeptummal lezártam a gömblombikot. A megfelelő kevertetés és az oxigén eltávolítása érdekében nitrogén gázt buborékoltattam át az oldaton. Miután a folyamat befejeződött, teflonszalaggal és dróttal rögzítettem a szeptumot, és a reakcióelegyet 3 napra 60 °C-os szárítószekrénybe helyeztem. A reakcióidő eltelte után a polimer oldatot szobahőmérsékletre hűtöttem, majd eltávolítottam a szeptumot. Az oldószerfelesleget vákuumbepárlón távolítottam el 40 °C-os vízfürdőn. Az így kapott tömény oldatból a polimert kevertetés közben tízszeres mennyiségű dietil-éterrel csapattam ki annak érdekében, hogy elkülönítsem az előállítani kívánt polimert az el nem reagált NIPAAm monomertől és AIBN iniciátortól. A kicsapódott polimerről a dietil-étert dekantáltam, majd a polimert újra feloldottam THF-ben, vákuumbepárlón ismét eltávolítottam a felesleget, majd dietil-éterrel megismételtem a kicsapatást. A dietil-étert leöntöttem a polimerről, majd a kapott anyagot vákuum szárítószekrényben 35 °C-on tömegállandóságig szárítottam. Az így kapott polimerből mintát vettem GPC és 1H-NMRspektroszkópia vizsgálatra.
IV. 2. A poli(N-izopropil-akrilamid) előállítása reverzibilis addíciósfragmentációs láncátadásos gyökös polimerizációval A RAFT típúsú polimerizáció, mint azt már az irodalmi összefoglalóban is bemutattam, az kváziélő polimerizációs folyamatok közé tartozik. Ez azért fontos, mert így
14
kontrollálható lesz a polimerizáció, a polidiszperzitás értékek is alacsonyak, tehát a polimer láncok közel azonos hosszúságúak lesznek. Ezen tulajdonság nagyon fontos, mivel a polimer tulajdonságainak csak az átlagait tudjuk mérni. Abban az esetben, mikor a lánchossz közel azonos minden szegmensnél, a polimer láncok tulajdonságai is közel azonosak lesznek.
IV. 2. 1. Felhasznált anyagok és tisztításuk A monomerként felhasznált NIPAAm, és az iniciátorként alkalmazott AIBN tisztítása megegyezik a IV.1.1. fejezetben leírtakkal. Oldószerként 1,4-dioxánt (Aldrich) használtam, melyet felhasználás előtt LiAlH4-en refluxoltattam, majd desztilláltam, és N2 alá helyeztem. Az oldószerként alkalmazott n-hexán (Scharlau), dietil-éter (Scharlau) és metanol (Riedel-de Haën) tisztítást nem igényelt. A RAFT típusú polimerizációhoz szükséges láncátadó ágensek használata. Ezeket meg kellett szintetizálni. A szintézishez felhasznált anyagok, melyek tisztítást nem igényeltek a következők voltak, 4-imidazol-ditiokarboxilsav, 4-vinilbenzolklorid, dimetil-formamid (DMF), cézium-karbonát (CsCO3), diklór-metán (DCM), nátriumhidrogén karbonát (NaHCO3), nátrium-hidroxid (NaOH), izopropanol, dodekántiol, széndiszulfid (CS2), klór acetonitril (mind Aldrich) és metanol (Riedel-de Haën).
IV. 2. 2. A 3H-imidazol-4-karboditionsav-4-vinilbenzol észter előállítása A 3H-imidazol-4-karboditionsav-4-vinilbenzol észtert 4-imidazol-ditiokarboxilsavból és 4vinilbenzol-kloridból állítottam elő [49]. A reakcióegyenlet a következő volt.
15
A bemért mennyiségeket a 2. táblázat tartalmazza Tervezett mennyiség
M [g/mol]
[ekv]
[mol]
[g]
[cm3]
Bemért [x]
4-imidazolditiokarboxilsav
144,22
~1
0,0198
2,86
-
4-Vinilbenzol-klorid
152,62
~1
0,0156
2,38
DMF
73,09
-
0,78
CsCO3
192,90
-
DCM
84,93
NaHCO3 MeOH
Felhasznált anyagok
Fizikai jellemzők ρ [g/cm3]
Gyp [°C]
Fp [°C]
2,86
-
-
-
2,2
2,38
1,083
105
-
56,70
60
60
0,944
-
153
0,10
20
-
20
-
-
-
-
-
-
~380
~400
1,326
-
40
84,01
-
0,7761
65,19
30
30
2,173
-
-
32,04
-
0,0493
1,58
2
2
0,792
-
64,7
DMF = dimetil-formamid CsCO3 = cézium-karbonát DCM = diklórmetán NaHCO3 = nátrium-hidrogén karbonát MeOH = metanol Egy 250 ml-es gömblombikban összemértem 20 g CsCO3-ot és 60 ml DMF-et, majd egy órát kevertettem, hogy jól felszuszpendáljon a CsCO3. Ezután bemértem a 4-imidazolditiokarboxilsavat és nitrogén atmoszférában szobahőmérsékleten 1 éjszakán át kevertettem. A kezdetben barna szuszpenzió fekete lett, melyhez hozzáadtam a 4-vinilbenzol-kloridot, és egy hétig kevertettem szobahőmérsékleten. A szuszpenziót ötször szűrtem és mostam DCMmel. A visszamaradt CsCO3-ot tisztítottam, és elraktam, mert ez később még felhasználható. A kapott oldatról rotációs vákuumbepárlóval eltávolítottam a DCM és DMF oldószereket. A visszamaradt olajat DCM-ben feloldottam, majd frissen készített telített NaHCO3-mal mostam háromszor. A mosásnál ügyelni kell arra, hogy jól válasszuk el a fázisokat, mert az első tisztításnál nem lehet megkülönböztetni a két fázis színét (sötétbarna+sötétbarna). A kapott terméket Mg2SO4-en szárítottam egy éjszakán át. A szárítószert szűréssel távolítottam el, és DCM-el mostam ötször. A DCM-et ezután rotációs vákuumbepárlóval eltávolítottam. A visszamaradt olajat szilika oszlopon, majd neutrális Al2O3 oszlopon is tisztítottam, futtatóelegyként minkét esetben 2,5% MeOH/DCM szolgált. Ezt követően lerotáltam a feleslegessé vált MeOH-t és DCM-et. Sűrű olajat kaptam, melyet vákuum szárítószekrényben szárítottam 30 °C-on egy éjszakán át. A végtermék narancssárgás barna szilárd anyag lett.
16
Mintát vettem 1H-NMR vizsgálatra. Az elkészült terméket felhasználásig -18 °C-on sötétben N2 alatt tároltam.
IV. 2. 3. A cianometil-dodecil-tritiokarbonát előállítása A cianometil-dodecil-tritiokarbonátot Dr. Kali Gergely készítette el. Kiindulási anyagként dodekántiol, szén-diszulfid és klór-acetonitril szolgált. A reakcióegyenlet a következő volt.
A bemért mennyiségeket a 3. táblázat tartalmazza Tervezett mennyiség
M [g/mol]
[ekv]
[mol]
[g]
[cm ]
Bemért [x]
NaOH
40,00
-
0,0763
3,05
-
IPA
60,10
-
1,6347
98,25
Dodekántiol
202,40
~1
0,0748
CS2
76,14
~1
Klór-acetonitril
75,50
víz
18,02
Felhasznált anyagok
Fizikai jellemzők ρ [g/cm3]
Gyp [°C]
Fp [°C]
3,05
2,100
-
1390
125,0
125,0
0,786
-
82,5
15,13
17,9
18,0
0,845
120
-
0,0792
6,03
4,76
4,75
1,266
-
46
~1
0,0787
5,94
4,98
5,0
1,193
54
-
-
0,4150
7,48
7,5
7,5
0,997
-
100
3
NaOH = nátrium-hidroxid IPA = izopropanol CS2 = szén-diszulfid Egy 250 ml-es gömblombikba be volt mérve a NaOH, víz és izopropanol elegye. Az 5 °C-ra volt hűtött az oldathoz, majd lassan hozzá lett csepegtetve a dodekántiol. A csepegtetés után 30 percig kevertetve volt a reakcióelegy, majd le volt hűtve 0 °C-ra. Lassan hozzá lett csepegtetve a megfelelő mennyiségű szén-diszulfid, majd 30 perces kevertetést követően, az utolsó reagens, a klór-acetonitril hozzácsepegetetésekor a hőmérséklet 5 °C alatt volt tartva, majd az így kapott elegy 120 percig volt kevertetve. A reakcióelegy fel lett melegítve 30 °C-ra, majd le lett szűrve. A szűrés után 50 ml vízben volt feloldva az anyag, 17
majd 0 °C-ra lett lehűtve. Szűrés után megkaptuk a végterméket. 1H-NMR vizsgálatokra mintát vettünk a termékből.
IV. 2. 4. A polimerizáció menete A polimerizáció során két típusú láncátadószerrel (CTA), egy ditiokarbonáttal és egy tritiokarbonáttal végeztem a kísérleteket. Az 2_1, 2_2, 4_1, 4_2
kísérletek során 3H-
imidazol-4-karboditionsav-4-vinilbenzol észtert (RAFT-agens1) használtam fel, míg az 5_3, 5_4, 6_2, 7_1, 7_3, kísérleteknél cianometil-dodecil-tritiokarbonátot (RAFT-agens2). A bemért mennyiségeket a 4.-7. táblázat tartalmazza Tervezett mennyiség
M [g/mol]
[ekv]
[mol]
[g]
[cm ]
Bemért [x]
NIPAAm
113,16
50
0,00883
1,0000
-
0,9911
RAFT-agens1
260,34
0,5
8,8*10-5
0,0230
-
0,0230
AIBN
164,21
1
0,00018
0,0290
-
0,0290
1,4-dioxán
88,11
-
0,094
8,264
8,0
8,0
2_1
3
Tervezett mennyiség
M [g/mol]
[ekv]
[mol]
[g]
[cm ]
Bemért [x]
NIPAAm
113,16
50
0,00883
1,0000
-
1,0253
RAFT-agens1
260,34
1
0,00018
0,0460
-
0,0462
AIBN
164,21
1
0,00018
0,0290
-
0,0290
1,4-dioxán
88,11
-
0,094
8,264
8,0
8,0
2_2
3
Tervezett mennyiség
M [g/mol]
[ekv]
[mol]
[g]
[cm3]
Bemért [x]
NIPAAm
113,16
50
0,00883
1,0000
-
1,0010
RAFT-agens1
260,34
2,5
0,00044
0,1150
-
0,1158
AIBN
164,21
1
0,00018
0,0290
-
0,0290
1,4-dioxán
88,11
-
0,094
8,264
8,0
8,0
4_1
18
Tervezett mennyiség
M [g/mol]
[ekv]
[mol]
[g]
[cm3]
Bemért [x]
NIPAAm
113,16
50
0,00883
1,0000
-
0,9992
RAFT-agens1
260,34
3,33
0,00059
0,1533
-
0,1539
AIBN
164,21
1
0,00018
0,0290
-
0,0290
1,4-dioxán
88,11
-
0,094
8,264
8,0
8,0
4_2
Megjegyezném, hogy nagyobb RAFT-ágens1 koncentrációnál, már nem kaptam polimert. Tehát a RAFT-ágens monomer arányt nem érdemes 1:10 fölé emelni. A bemért mennyiségeket a 8.-12. táblázat tartalmazza Tervezett mennyiség
M [g/mol]
[ekv]
[mol]
[g]
[cm3]
Bemért [x]
NIPAAm
113,16
50
0,0088
1,0000
-
1,0074
RAFT-agens2
317,58
2
0,00035
0,1123
-
0,1058
AIBN
164,21
1
0,00018
0,0290
-
0,0290
1,4-dioxán
88,11
-
0,094
8,264
8,0
8,0
5_3
Tervezett mennyiség
M [g/mol]
[ekv]
[mol]
[g]
[cm3]
Bemért [x]
NIPAAm
113,16
50
0,0088
1,0000
-
1,0011
RAFT-agens2
317,58
1
0,00017
0,0561
-
0,0514
AIBN
164,21
1
0,00018
0,0290
-
0,0290
1,4-dioxán
88,11
-
0,094
8,264
8,0
8,0
5_4
Tervezett mennyiség
M [g/mol]
[ekv]
[mol]
[g]
[cm3]
Bemért [x]
NIPAAm
113,16
50
0,0088
1,0000
-
1,0007
RAFT-agens2
317,58
3,33
0,00059
0,1871
-
0,1748
AIBN
164,21
1
0,00018
0,0290
-
0,0290
1,4-dioxán
88,11
-
0,094
8,264
8,0
8,0
6_2
19
Tervezett mennyiség
M [g/mol]
[ekv]
[mol]
[g]
[cm3]
Bemért [x]
NIPAAm
113,16
50
0,0088
1,0000
-
1,0082
RAFT-agens2
317,58
0,5
8,8*10-5
0,0280
-
0,0274
AIBN
164,21
1
0,00018
0,0290
-
0,0290
1,4-dioxán
88,11
-
0,094
8,264
8,0
8,0
7_1
Tervezett mennyiség
M [g/mol]
[ekv]
[mol]
[g]
[cm ]
Bemért [x]
NIPAAm
113,16
50
0,0088
1,0000
-
1,0068
RAFT-agens2
317,58
2,5
0,00044
0,1403
-
0,1355
AIBN
164,21
1
0,00018
0,0290
-
0,0290
1,4-dioxán
88,11
-
0,094
8,264
8,0
8,0
7_3
3
NIPAAm = N-izopropil-akrilamid AIBN = AIBN = N,N’-azo-bisz(izobutiro-nitril) RAFT-agens1 = 3H-imidazol-4-karboditionsav-4-vinilbenzol észter RAFT-agens2 = cianometil-dodecil-tritiokarbonát
A NIPAAm monomerből megfelelő mennyiséget bemértem egy 100 ml-es oldalszáras reaktorcsőbe. A RAFT-ágenst minden esetben dioxánban oldottam, és így öntötten a reaktorcsőbe. Ezek után bemértem a maradék dioxánt is a reaktorcsőbe. A reaktorcsövet szeptummal láttam el, és az oldalszárra egy olyan csatlakozót kötöttem, mely csapjai segítségével alkalmas arra, hogy N2-t, illetve vákuumot is tudjak a rendszerre kapcsolni. Ezt követően N2 alá helyeztem a rendszert, majd mikor már megtelt a reaktorcső nitrogénnel IPA-szárazjég keverékével megfagyasztottam az oldatot. Lekapcsoltam a N2-t és néhány másodpercre vákuum alá helyeztem a rendszert. A vákuum megszüntetése érdekében újra teletöltöttem N2-vel a reaktorcsövet, és szobahőmérsékletre melegítettem az oldatot. Ezt a folyamatot még 4-szer ismételtem meg, így biztosítva a rendszer teljes oxigénmentességét, mert nagyon kevés oxigén jelenléte is akadályozza a polimer kialakulását. Közben az AIBN iniciátorból törzsoldatot készítettem, melyet felhasználásig N2 alatt tartottam. A reakcióelegyet felmelegítettem 75 °C-ra és az AIBN megfelelő mennyiségének hozzáadásával elindítottam a polimerizációt. A folyamat minden esetben 3 napig tartott, a reakcióelegyet kevertettem, és folyamatosan N2 alatt tartottam. A reakcióidő eltelte után a 20
polimer oldatot szobahőmérsékletre hűtöttem, majd eltávolítottam a szeptumot. Ilyenkor a polimerizáció azonnal leáll. Az elkészült polimert dietil-éterrel csapattam ki. Szűrőpapíron szűrtem a polimert, melyet dioxánban oldottam, majd újra kicsapattam dietil-éterrel. Erre a lépésre a polimer tisztítása miatt volt szükség. Ismét szűrőpapíron szűrtem a polimert, melyet ezután egy napra 75 °C-ra szárítószekrénybe helyeztem. Az elkészült polimerekből mintát vettem 1H-NMR és GPC vizsgálatokra.
IV. 3. A poli(N-izopropil-akrilamid) analízise IV. 3. 1. Mágneses magrezonancia spektroszkópia A mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópia az egyik leghatékonyabb és legszélesebb körben használt szerkezetvizsgáló módszer. Segítségével a mágneses tér és az egyes atomok mágneses momentumainak kölcsönhatását tanulmányozhatjuk. Az NMRspektroszkópia alkalmas a mintában lévő mágneses atommagok számának és kémiai minőségének meghatározására. A spektrumból gyakran nyerünk információt az általunk vizsgált mag vagy magcsoport környezetében lévő atomokról és a magok térbeli elhelyezkedéséről is. Hátránya, hogy csak a mágneses atommagok detektálhatók ezzel a módszerrel, tehát csak azok az elemek illetve vegyületek vizsgálhatók ilyen módon, melyek magspinje eltér a nullától. Az 1H-NMR-spektroszkópia vizsgálat különösen előnyös a szerves vegyületek analízisénél, mivel a nagy gyakoriságú
12
C és
16
O nem rendelkeznek a zérustól
eltérő magspinnel, így az 1H-NMR spektrumvonalakra nincsenek hatással. Ez a tény biztosítja a módszer szelektivitását [50, 51]. Dolgozatom jellegénél és terjedelménél fogva nem vállalkozik a módszer elméleti bemutatására, csak az általunk a minta elemzéséhez használt
1
H-NMR spektrum
kiértékelésére szorítkozik. A mérés szobahőmérsékleten, CDCl3 oldószerben történt. Alkalmazott készülék Varian VXR 200 volt.
IV. 3. 2. Gélpermeációs kromatográfia A kromatográfiás módszerek egyik speciális változata a gélkromatográfia. Az állófázis gélszerkezetű, míg a mozgófázis olyan folyadék, amely oldja a vizsgálni kívánt anyagot, és elősegíti a gél duzzadását. Ezt a módszert a biokémiában gélszűrésnek, újabban pedig –
21
különösen a szintetikus polimerek analízisében – méretkizárásos vagy gélpermeációs kromatográfiának (GPC) nevezik. A GPC-t a makromolekuláris anyagok analízisére főleg molekulatömeg-eloszlás meghatározására fejlesztették ki. Előnyei közé tartozik, hogy gyors és praktikus, hátránya azonban, hogy a mérés kalibráción alapul, tehát kvantitatív értékeléshez a molekulatömeget meghatározó abszolút módszerekre van szükség. A mérés elve a következő: az állófázis egy térhálós polimer gél, mely jól definiált méretű belső pórusokkal rendelkezik. A nagyobb molekulák visszatartás nélkül haladnak át a mozgófázissal az oszlopon, míg a kisebb molekulák méretüktől függően diffúzió révén behatolnak a gélbe, és lassabban eluálódnak. A vizsgálni kívánt molekulaméret-tartomány szabályozható a gél porózusságának megválasztásával. Állófázisoknál gyakran használnak térhálósított dextrán, akrilamid, illetve sztirol-divinil-benzol alapú tölteteket, mozgófázisként pedig tetrahidrofuránt, vizet, benzolt vagy klorofomot alkalmaznak. A módszer elvéből adódóan először a nagyobb molekulák eluálódnak az oszlopról, majd fokozatosan a kisebbek is. Az elválasztott komponenseket fényabszorpció, törésmutató mérésével vagy más módszerek felhasználásával analizálják, például fényszóródás, viszkozitás, infravörös spektrószkópia. Egyre inkább terjed az on-line viszkozitás és fényszóródás detektorok alkalmazása a polimerek GPC kromatográfiájában. A GPC kromatogramokból kalibráció alapján határozható meg a molekulatömegeloszlás, melyből számítható a számátlag molekulatömeg (Mn) és a tömeg szerinti átlag molekulatömeg (Mw). A kalibrációt jól meghatározott tömegű és szűk molekulatömegeloszlású standardekkel, leggyakrabban élő anionos polimerizációval előállított polisztirol mintasorozattal végzik, általában a 103 – 107 molekulatömeg tartományban. A GPC-t gyakran alkalmazzák a biokémiában peptidek, fehérjék sótalanítására vagy a polimer kémiában molekulatömeg-eloszlás meghatározására [50]. Dolgozatomban ez utóbbi felhasználás került előtérbe. Az általam előállított PNIPAAm analizálásához egy Waters 717 plus automata injektorral, a Waters 515 HPLC pumpával ellátott Waters gyártmányú készüléket használtunk, mely Mixed C típusú oszloprendszerrel (Polymer Laboratories) és Viscotek refraktív index és on-line oldatviszkozitásmérő detektorral rendelkezik. Az eluens tetrahidrofurán (THF) volt, ami 5% trietilamint tartalmazott, az áramlási sebesség 1 ml/perc volt. A GPC mérések 25 °C-on történtek. A detektálás viszkozitás és fényszóródás detektorral történt.
22
V. Eredmények és értékelésük Mint azt a IV. fejezetben bemutattam kétféle polimerizációs technikával állítottam elő poli(N-izopropil-akrilamidot). A szabad gyökös módszernél THF oldószerben AIBN iniciátorral 60 °C-on történek a kísérletek. A kapott polimert ezután 1H-NMR és GPC analízisnek vetettem alá, majd vizsgáltam az LCST-jét. Következő lépésben előállítottam a láncátadószerként használt 3H-imidazol-4karboditionsav-4-vinilbenzol észtert és cianometil-dodecil-tritiokarbonátot. A RAFT típusú polimerizációnál szintén AIBN szolgált iniciátorként, a polimerizációs hőmérséklet 75 °C volt, ezért oldószerként dioxánt használtam. Különböző RAFT-ágens koncentrációnál vizsgáltam a képződött polimereket, 1H-NMR és GPC analízissel. Utolsó
lépésként
meghatároztam
ezen
polimerek
alsó
kritikus
oldhatósági
hőmérsékletét.
V. 1. Szabad gyökös polimerizációs módszerrel kapott polimer A IV. 1. 2. fejezetben leírtak szerint képződött polimer kitermelése a tisztítási lépések és a szárítás után 64,3% volt, ami 5,78 g polimernek felel meg. Az 1H-NMR spektrumban (8. ábra) jól láthatóak az irodalom alapján poli(N-izopropilakrilamid)al azonosítható jelek. Ebben 2 ppm környékén a polimer főláncának jelei, 1,1 és 4 ppm-nél a metil és metilén protonok jele, míg 7 ppm alatt 6,1 ppm-től kezdődő tartományban egy széles jel mutatkozik, mely a nitrogénhez kapcsolódó proton jele. A 3 ppm körül megjelenő jelek a tisztítási lépések (átkristályosítások és átcsapás) és reakció során használt oldószerek jeleiként azonosíthatók (metanol, THF, dietil-éter). Megállapíthatjuk tehát, hogy a tervezett szerkezetű polimert sikerült előállítani
23
8. ábra: A PNIPAAm 1H-NMR spektruma A 9. ábra mutatja az előállított PNIPAAm GPC kromatogramját, míg az ebből számított molekulatömeg-eloszlási görbe a 10. ábrán látható. A detektálás viszkozitás detektorral történt. A 10. ábra alapján megállapíthatjuk, hogy a kapott polimer mintegy két nagyságrendnyi, 103-105 molekulatömeg tartományba eső polimer láncokból áll. A molekulatömeg-eloszlásból számolt átlag molekulatömeg értékek a következők: Mn = 7390, Mw = 51500, azaz a molekulatömeg-eloszlás szélességét jellemző polidiszperzitás p = Mw/Mn = 6,97. Ez a számadat is jól tükrözi, hogy viszonylag széles molekulatömeg-eloszlással rendelkező poli(N-izopropil-akrilamid)hoz
jutottunk.
Ez
a
13.
oldalon
bemutatott
polimerizációs folyamat eredménye, ugyanis párhuzamos reakciókban egyidejűleg zajlik az iniciálás, láncnövekedés és lánczáródás ebben a polimerizációs reakcióban.
24
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
Elúciós térfogat / ml
9. ábra: A PNIPAAm GPC kromatogramja (RI-detektor)
Molekulatömeg-eloszlás görbe
1,0
0,8
W(logMw)
0,6
0,4
0,2
0,0 3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Log(Mw)
10. ábra: A PNIPAAm molekulatömeg-eloszlás görbéje
25
V. 2. Láncátadószerek szerkezetvizsgálata V. 2. 1. 3H-imidazol-4-karboditionsav-4-vinilbenzol észter A 3H-imidazol-4-karboditionsav-4-vinilbenzol észter előállítását a IV. 2. 2. fejezetben írtam le. A kitermelés 62,4 %-nak adódott, ami 3,22 g-ot jelent. Szerkezetazonosításra 1H-NMR spektroszkópiát használtam. A spektrum a 11. ábrán látható. A sztirol csoport kettős kötésében lévő protonok 5,15, 5,67 és 6,65 ppm-nél adnak jelet, míg a delokalizált gyűrű protonjai 7,25 ppm-nél. Az S-hez kapcsolódó proton 4,58 ppmnél ad jelet, 7,85 és 7,70 ppm-nél az imidazol gyűrűben jelen lévő protonok figyelhetők meg.
11. ábra: A 3H-imidazol-4-karboditionsav-4-vinilbenzol észter 1H-NMR-spektruma
V. 2. 2. Cianometil-dodecil-tritiokarbonát A cionometil-dodecil-tritiokarbonát előállítását a IV. 2. 3. fejezetben tárgyaltam. A szerkezetazonosítás 1H-NMR spektroszkópiával történt. A felvett spektrum a 12. ábrán látható. A dodecil csoport protonjai 0,88, 1,67, 1,26 és 3,41 ppm-nél adnak jeleket. 4,16 ppmnél a cianometilben található proton ad jelet.
26
12. ábra: A cianometil-dodecil-tritiokarbonát1H-NMR-spektruma
V. 3. Reverzibilis addíciós-fragmentációs láncátadásos gyökös polimerizációs módszerrel kapott polimerek A kísérlet menetét a IV. 2. 4. fejezetben tárgyaltam. A tisztítási és szárítási lépések után kapott kitermeléseket a 13. táblázat tartalmazza.
13. táblázat: a RAFT-polimerizáció kitermelés értékei Kísérletszám
Kapott tömeg [g]
Kitermelés [%]
2_1
0,7143
68,48
2_2
0,7253
65,91
4_1
0,7389
64,49
4_2
0,8251
69,80
5_3
0,9287
81,31
5_4
0,9134
84,46
6_2
0,7913
65,70
7_1
1,0052
94,45
7_3
0,9872
84,28
27
A 1H-NMR vizsgálatok igazolták, hogy létrejött a polimer (15. ábra). Az izopropil protonjai 1-1,1-ig és 4 ppm-nél adnak jelet, a nitrogénhez kötődő proton 6,1-7 ppm-nél, míg a polimer láncban lévő protonok 2-2,2 ppm-nél jelentkeznek. Az oldószerként alkalmazott dioxán éles jelet ad 3,8 ppm-nél, míg 3,2-3,5-ig víz nyomok fedezhetők fel.
15. ábra: A sorrendben 2_1, 2_2, 4_1, 4_2 számú kísérletek 1H-NMR jelei A következő spektrumok a cianometil-dodecil-tritiokarbonáttal készült polimerek 1HNMR spektrumait mutatják be (16. ábra). Az előzőekben már leírtam a PNIPAAm-hoz tartozó protonok jeleit, itt abban módosult a spektrum, hogy 0,88-1,7 ppm-ig láthatóak a dodecil csoport jelei is.
28
16. ábra: A sorrendben 7_1, 5_4, 5_3, 7_3, 6_2 számú kísérletek 1H-NMR jelei
29
A polimerek átlag molekulatömegeit GPC analízissel határoztam meg. Az átlag molekulatömegek és polidiszperzitások a 14. táblázatban olvashatók. 14. táblázat: A RAFT polimerizációból kapott átlag molekulatömegek és polidiszperzitások Kísérletszám
NIPAAm:RAFTagens arány
Mn
Mw
p = Mw/Mn
2_1
50:0,50
55200
81580
1,478
2_2
50:1,00
31960
40150
1,256
4_1
50:2,50
26380
30830
1,169
4_2
50:3,33
9510
12170
1,279
7_1
50:0,50
31930
33380
1,045
5_4
50:1,00
15410
38330
2,487
5_3
50:2,00
6571
8623
1,312
7_3
50:2,50
2620
3467
1,323
6_2
50:3,33
1178
1543
1,310
Látható, hogy a polidiszperzitás értékek nagyon alacsonyak, ami azt bizonyítja, hogy a polimerizáció –mint azt vártuk- kváziélő volt. Mind a két RAFT-ágens használata sikeresnek bizonyult. A molekulatömegek a RAFT-ágens csökkenésével nőnek, ez várható volt, mivel kevesebbszer történik láncátadás. Összességében elmondható, hogy sikerült kváziélő RAFT típusú polimerizációval előállítanom PNIPAAm-ot. Az átlag molekulatömegeket fényszóródás detektor és viszkozitás detektor segítségével határoztam meg. A kromatogrammok és a molekulatömeg eloszlás-görbe a 1314. ábrákon láthatók.
30
13. ábra: a sorrendben 4_2, 2_1, 2_2, 4_1 minták fényszóródás kromatogrammja és molekulatömeg-eloszlás görbéje
14. ábra: a sorrendben 7_3, 5_3, 5_4, 6_2, 7_1 minták fényszóródás kromatogrammjaés molekulatömeg-eloszlás görbéje
31
V. 4. A poli(N-izopropil-akrilamid) alsó kritikus oldhatósági hőmérséklete A tisztított és analízissel meghatározott szerkezetű poli(N-izopropil-akrilamid) hőmérsékletfüggő oldatbeli tulajdonságait ioncserélt vízben, 20–40 ˚C hőmérséklettartományban vizsgáltam. A polimerből telített oldatot készítettem, és egy lezárt 20 cm3-es üveg mintatartóban, majd 20 ˚C-os vízfürdőbe helyeztem. Ezután a hőmérsékletet körülbelül 2 ˚C/perc sebességgel növeltem. Az első felfűtési ciklussal meghatároztam azt a szűkebb hőmérséklet-tartományt, aminek a környékén megtörténik a polimer kicsapódása (ez az LCST körüli tartomány). Az oldatot visszahűtöttem, és a polimer újra feloldódott. Ismét melegítve a vízfürdőt, a feltételezett LCST érték közelében a fűtési sebességet körülbelül 0,5 ˚C/percre csökkentettem. Ismételt, harmadik mérés után három egymáshoz igen közeli LCST értéket határoztam meg. Három különböző polimernek vizsgáltam az LCST-jét. Az első minta a referenciaként szolgáló szabad gyökös polimerizációval készült PNIPAAm, a második a 4_2-es minta harmadik pedig a 7_3-mas minta volt. Mindegyik mintánál tized fok pontossággal határoztam meg az LCST értékeket. Az első referenciaként alkalmazott mintánál 32,3 °C-nak adódott az LCST hőmérséklete, a 4_2es polimernél 32,4 °C-nak, míg a 7_3-mas mintánál 28,3 °C-nak. Jól látható, hogy a 7_3-mas polimernél 4 °C-al csökkent az LCST. Ez a bevitt hidrofób csoportnak köszönhető, mely elősegíti a polimer kicsapódását. A vizuálisan is észlelhető átmenetet, azaz a polimer kicsapódását a vízből digitális fényképezőgéppel dokumentáltam. A fényképsorozatot, azaz a kicsapódás folyamatát a 17. ábrán mutatom be. Jól látható ezen a képsorozaton, hogy az LCST hőmérsékletig teljesen víztiszta a polimer oldat, majd efölötti hőmérsékleteken tejszerűvé, átlátszatlanná válik a folyadék, ami a polimer kicsapódásának a következménye. Ennek – mint azt már a II. 1. alfejezetben taglaltam – az a magyarázata, hogy ezen a hőmérsékleten az amid csoport hidratációja igen kismértékűvé válik, amely a polimer hidrofobicitásának a jelentős növekedését eredményezi. Ez pedig a vízben való oldhatóság megszűnését eredményezi. Visszahűtve a PNIPAAm oldatot az alsó kritikus oldhatósági hőmérséklet alá, ez a polimer újbóli oldódásához és az oldat kitisztulásához vezet. Ez a folyamat számos alkalommal megismételhető anélkül, hogy jelentős változás következne be az LCST értékében. A fent leírt, és a 17. ábrán jól látható, sokszorosan megismételhető jelenség adja a PNIPAAm és a belőle készült anyagok egyre növekvő jelentőségét. Tekintettel ugyanis arra, hogy ennek a polimernek az LCST-je közel esik az emberi testhőmérséklethez, továbbá arra, 32
hogy egy oldalláncban, amid csoportot tartalmazó polimerről van szó, igen kiterjedt kutatások folynak – mint azt a szakirodalom áttekintését nyújtó II. 2. fejezetben taglaltam – intelligens anyagként történő különféle, különösen orvosi, gyógyászati, diagnosztikai felhasználása irányában.
33
20 °C
22 °C
24 °C
26 °C
28 °C
30 °C
32 °C
34 °C
36 °C
38 °C
40 °C
17. ábra: Hőmérséklet hatása a PNIPAAm-ra vizes oldatban
34
VI. Összefoglalás A kémia és társtudományai rendkívül gyors fejlődése, a kémiai és fizikai tulajdonságok, valamint az anyagok szerkezete közti kapcsolat felderítése során nyert legújabb ismeretek ma már lehetővé teszik az anyagok tudatos tervezését. Az anyagtudomány intenzív fejlődésének köszönhetően egyre inkább előtérbe kerülnek az intelligens anyagok és szerkezetek, melyek közül kiemelkedő fontosságúak a polimerek. Az intelligens polimerek és gélek kutatása és felhasználása napjaink egyik legjelentősebb területe a polimer kémiának. Ezen különleges tulajdonságú anyagok gyors és reverzibilis választ adnak a környezetük egyes paramétereinek változására. Ez a válasz polimer oldatok esetén lehet a polimer kicsapódása és oldódása, gélek esetén pedig a duzzadás vagy zsugorodás. A változást okozó környezeti paraméter sokféle lehet, például hőmérséklet, pH, sókoncentráció, elektromos vagy mágneses tér, mechanikai behatás. Az egyik legkülönlegesebb, és az irodalomban talán legtöbbet említett intelligens polimer a poli(N-izopropil-akrilamid), mely hőmérsékletfüggő tulajdonságokat mutat. Jellemzője, hogy az emberi testhőmérséklet körül egy jól definiált, szűk tartományban alsó kritikus oldhatósági hőmérséklettel (LCST) rendelkezik. Ez alatt a hőmérséklet alatt vízben oldható, míg fölötte vízben oldhatatlanná válik. Dolgozatom első felében rövid irodalmi összefoglalóban mutatom be a poli(Nizopropil-akrilamid) alsó kritikus oldhatósági hőmérsékletét, előállítási módszereit és alkalmazási lehetőségeit, míg dolgozatom második fele a polimer szintézisének és analízisének a leírását tartalmazza. Munkám során poli(N-izopropil-akrilamid)ot állítottam elő szabad gyökös polimerizációval és reverzibilis addíciós-fragmentációs láncátadásos (RAFT) gyökös polimerizációval a RAFT polimerizációhoz használt láncátadószerek szintézisét követően. A gélpermeációs kromatográfiai és 1H-NMR spektroszkópiai analízissel igazoltam a kívánt szerkezetű polimer keletkezését. Ezután vizsgáltam a kapott polimerek vizes oldatainak
hőmérsékletfüggő
tulajdonságait.
A
hőmérséklet
hatását
az
oldatbeli
tulajdonságokra több párhuzamos mérés során tanulmányoztam. Az ezekből meghatározott LCST érték a szabad gyökös polimerizációnál és a 3H-imidazol-4-karboditionsav-4vinilbenzol észter használatakor jól egyezik az irodalom alapján várható értékkel. A cianometil-dodecil-tritiokarbonát használatakor azonban változást tapasztaltam, mintegy 4 °C-ot csökkent az LCST érték, amely már lényeges különbségnek számít. Mindez a hidrofób dodecil csoportak köszönhető.
35
Az intelligens polimerek megjelenése számos új alkalmazási lehetőségnek nyitott teret, elég csak megemlíteni a gélüvegeket, az intelligens gyógyszerhordozó polimer mátrixokat vagy a mesterséges izmokat. A jövőben az intelligens polimerek felhasználási lehetőségei várhatóan bővülni fognak. Az azonban, hogy ezek a kedvező tulajdonsággal rendelkező anyagok valóban a jövő anyagai lesznek-e, elsősorban az emberi intelligenciától függ.
36
VII. Irodalomjegyzék 1. Zrínyi Miklós: A 21. század anyagai: az intelligens anyagok, Mindentudás egyeteme – 16. előadás – 2003. január 20. 2. W. C. Wooten, R. B. Blanton, H. W. Coover Jr, J. Polym. Sci., 25, 403-405 (1957) 3. M. Heskins, J. E. Guillet, J. Macromol. Sci. Chem. 2, 1441-1455 (1968) 4. T. Tanaka, Phys. Rev. Lett., 40, 820-823 (1978) 5. Wikipedia: Temperature-responsive polymer http://en.wikipedia.org/wiki/Temperature-responsive_polymers 6. R. Dagani, Chem. Eng. News, 26-37, June 9 (1997) 7. Y. Hirtkawa, T. Tanaka, J. Chem. Phys., 81, 6379-6380 (1984) 8. T. Ishiado, M. Akagi, H. Sugimoto, Y. Iwai, Y. Arai, Macromolecules, 26, 7361-7362 (1993) 9. N. Metz, P. Theato, Macromolecules, 42, 37-39 (2009) 10. T. Tanaka, Scientific American, 244, 124-138 (1981) 11. H. Feil, Y.H. Bae, J. Feijen, S. W. Kim, Macromolecules, 26, 2496-2500 (1993) 12. C. H. Alarco’n, S. Pennadam, C. Alexander, Chem. Soc. Rev., 34, 276-285 (2005) 13. E. Kokufuta, B. Wang, R. Yoshida, A. R. Khokholov, M. Hirata, Macromolecules, 31, 6878-6884 (1998) 14. H. Kanazawa, K. Yamamoto, Y. Matsushima, N. Takai, A. Kikuchi, Y. Sakurai, T. Okano, Anal. Chem., 68, 100-105 (1996) 15. M. Zrínyi, G. Filipcsei, J. Gács, Cs. Simon, A. Szilágyi, Termikus hatásra fényáteresztést változtató tejüveg, Lajstromszám: P0401071, Magyar tudományos Szabadalom [1045268] (2004) 16. Zrínyi Miklós: Kis részecskék, nagy kihívások: Különleges tulajdonságú lágy anyagok című előadása, http://www.pharmtech.sote.hu/pharma/sites/default/files/MTAszekfoglalo.pdf 17. L. Klouda, A.G. Mikos, Europ. Journ. Pharmac. Biopharmac., 68, 34-45 (2008) 18. X. Huang, T. L. Lowe, Biomacromolecules, 6, 2131-2139 (2005) 19. G. Li, X. Yang, B. Wang, J. Wang, X. Yang, Polymer, 49, 3436-3443 (2008) 20. G. Fundueanu, M. Constantin, P. Ascenzi, Biomaterials, 29, 2767-2775 (2008) 21. D. Johns, C. Lorimer, G. Andrews, C. McCoy, S. Gorman, Chem. Eng. Sci., 62, 990-999 (2007) 22. H. Tokuyama, Y. Kato, Coll. Surf. B: Biointerfaces, 67, 92-98 (2008)
37
23. J. M. Varghese, Y. A. Ismail, C. K. Lee, K. M. Shin, M. K. Shin, S. I. Kim, I. So, S. J. Kim, Sensors and Actuators B: Chemical, 135, 336-341 (2008) 24. W. Liu, B. Zhang, W.W. Lu, X. Li, D. Zhu, K. D. Yao, Q. Whang, C. Zhao, C. Wang, Biomaterials, 25, 3005-3012 (2004) 25. X. Zhang, D. Wu, C. C. Chu, Biomaterials, 25, 4719-4730 (2004) 26. X. Huang, T. L. Lowe, Biomacromolecules, 6, 2131-2139 (2005) 27. H. Yang, W. J. Kao, Pharm. Res.,23, 205-214 (2006) 28. S. Ohya, T. Matsuda, J. Biomater. Sci. Polym. Ed., 16, 809-827 (2005) 29. T. C. Stover, Y. S. Kim, T. L. Lowe, M. Kester, Biomaterials, 29, 359-369 (2008) 30. Y. Y. Liu, Y. H. Shao, J. Lü, Biomaterials, 27, 4016-4024 (2006) 31. L. Janovák, J. Varga, L. Kemény, Colloid Polym Sci., 286, 1575-1585 (2008) 32. X. Yin, A. S. Hoffmann, P. S. Stayton, Biomacromolecules, 7, 1381-1385 (2006) 33. J. Kost, J. Wolfrum, R. Langer, J. Biomed. Mater. Res., 21, 1367-1373 (1987) 34. V. M. D. Paoli, S. H. D. P. Lacerda, L. Spinu, B. Ingber, z. Rosenzweig, N. Rosenzweig, Langmuir, 22, 5894-5899 (2006) 35. N. S. Satarkar, J. Z. Hilt, J. Controlled Release, 130, 246-251 (2008) 36. G. C. Kim, Y. Y. Li, Y. F. Chu, S. X. Cheng, R. X. Zhou, X. Z. Zhang, Europ. Polym. J., 44, 2761-2767 (2008) 37. H. Kanazawa, K. Yamamoto, Y. Kashiwase, Y. Mathushima, N. Takai, A. Kikuchi, Y. Sakurai, T. Okano, J. Pharm. Biomedical Anal., 15, 1545-1550 (1997) 38. Farkas Ferenc: Műanyagok és a környezet 32-33, Akadémiai kiadó, Budapest (2000) 39. Chiefari, J.; Chong, Y. K.; Ercole, F.; Krstina, J.; Jeffery, J.; Le, T. P. T.; Mayadunne, R. T. A. ; Meijs, G. F.; Moad, C. L.; Moad, G.; Rizzardo, E.; Thang, S. H. Macromolecules, 31, 5559–5562 (1998) 40. C. L. Mccormick, A. B. Lowe, Acc. Chem. Res., 37, 312-325 (2004) 41. J. R. Lott: Reversible Addition-Fragmentation Chain-Transfer (RAFT) Polymerization in Grafting Polymer Chains from TiO2 Nanoparticles, Department of Chemistry Rochester Institute of Technology Rochester, New York 14623-5603 (2006) 42. C. Barner-Kovollik: Handbook of RAFT Polymerization (2007) http://books.google.hu/books?id=Ln1yhPqZV8C&pg=PA222&lpg=PA222&dq=raft+polymer ization&source=bl&ots=Sn80N9_Pt&sig=8Lh8dcDGWdyGK4VYXyUu73UVng&hl=hu&ei
38
=fW7USpOLPI_9_Ab5xLjZAg&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=4&ved=0CBgQ 6AEwAzgK#v=onepage&q=&f=true 43. S. Carter, B. Hund, S. Rommer, Macromolecules, 38, 4595-4063 (2005) 44. G. Moad, E. Rizzardo, S. H. Thang, Aust. J. Chem., 58, 379-410 (2005) 45. Mayadunne, R.T.A.; Rizzardo, E.; Chiefari, J.; Chong, Y.K.; Moad, G.; Thang, S.H.; Macromolecules, 32, 6977-6980 (1999) 46. Destarac. M.; Charmot. D.; Franck, X.; Zard, S. Z. Macromol. Rapid. Commun., 21, 1035-1039 (2000) 47. Mayadunne, R. T. A.; Rizzardo, E.; Chiefari, J.; Kristina, J.; Moad, G.; Postma, A.; Thang, S. H. Macromolecules, 33, 243-245 (2000) 48. Francis, R.; Ajayaghosh, A. Macromolecules, 33, 4699-4704 (2000) 49. S. Carter, B. Hunt, S. Rimmer, Macromolecules, 38, 4595-4603 (2005) 50. Burger Kálmán: Az analitikai kémia alapjai - Kémiai és műszeres elemzés, Alliter Kiadó, Budapest 601-603, 459-479 (2002) 51. Csámpai A., Jalsovszky I., Majer Zs., Orosz Gy., Rábai J., Ruff F., Sebestyén F: Szerves kémiai praktikum, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest 133-135 (1998)
39
