Polimerización por transferencia de cadena por adición-fragmentación reversible

Ciencia de los polímeros
Propiedades Arquitectura Táctica Morfología Degradación Comportamiento de fase Teoría de Mark-Houwink Universidad de California en Santa Clara LCST Teoría de la solución de Flory-Huggins Transición espiral-glóbulo
Síntesis Polimerización por crecimiento en cadena Polimerización por radicales libres Polimerización radical controlada ATP BALSA Polimerización radical mediada por nitróxido Polimerización por crecimiento escalonado Polimerización por condensación Polimerización por adición
Clasificación Tipo funcional Poliolefina Polietileno Polipropileno Poliisobutileno Poliuretano Poliéster Policarbonato Polímeros de vinilo CLORURO DE POLIVINILO PVA PVA Ac Poliestireno Estructura Homopolímero Copolímero Geles Hidrogeles Hidrogeles autocurativos
Caracterización PCG Transmisor de infrarrojos Cristalografía de rayos X DSC RMN TGA Dirección de Medio Ambiente Reología Reometría Viscosimetría
Científicos Flory Heeger MacDiarmid Shirakawa Nata Edwards de Gennes Ziegler Staudinger Buen año Tierra de Baeke Hayward Braconnot
Aplicaciones Producción industrial Extrusión Moldeo por soplado Recubrimientos aplicados Recubrimientos protectores Impresión 3D Productos de consumo Llantas Whitewalls Cookware and bakeware Bakelite Food Container Vinyl record Kevlar Plastic bottle Plastic bag
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La polimerización por transferencia de cadena por adición-fragmentación reversible o polimerización RAFT es uno de los varios tipos de polimerización radical por desactivación reversible . Utiliza un agente de transferencia de cadena (CTA) en forma de un compuesto tiocarboniltio (o similar, de aquí en adelante denominado agente RAFT, véase la Figura 1) para proporcionar control sobre el peso molecular generado y la polidispersidad durante una polimerización por radicales libres. Descubierta en la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth (CSIRO) de Australia en 1998, la polimerización RAFT es una de varias técnicas de polimerización radical viva o controlada , otras son la polimerización radical por transferencia de átomos (ATRP) y la polimerización mediada por nitróxido (NMP), etc. La polimerización RAFT utiliza compuestos tiocarboniltio, ^[1] como ditioésteres, tiocarbamatos y xantatos , para mediar la polimerización a través de un proceso de transferencia de cadena reversible. Al igual que con otras técnicas de polimerización radical controlada, las polimerizaciones RAFT se pueden realizar en condiciones que favorecen una baja dispersión (distribución estrecha del peso molecular) y un peso molecular preseleccionado. La polimerización RAFT se puede utilizar para diseñar polímeros de arquitecturas complejas , como copolímeros de bloques lineales, polímeros tipo peine, en estrella, en cepillo, dendrímeros y redes reticuladas.

El proceso de transferencia de cadena por adición-fragmentación se informó por primera vez a principios de la década de 1970. ^[3] Sin embargo, la técnica era irreversible, por lo que los reactivos de transferencia no se podían utilizar para controlar la polimerización radical en ese momento. Durante los primeros años, la transferencia de cadena por adición-fragmentación se utilizó para ayudar a sintetizar polímeros funcionalizados en los extremos.

Los científicos comenzaron a darse cuenta del potencial de RAFT en la polimerización radical controlada en la década de 1980. ^[4] Los macromonómeros eran conocidos como agentes de transferencia de cadena reversible durante ese tiempo, pero tenían aplicaciones limitadas en la polimerización radical controlada.

En 1995, se destacó un paso clave en la etapa de transferencia reversible de cadena "degenerada" para el equilibrio de la cadena. La característica esencial es que el producto de la transferencia de cadena es también un agente de transferencia de cadena con una actividad similar a la del agente de transferencia precursor. ^[5]

En la actualidad, la polimerización RAFT se lleva a cabo principalmente mediante agentes de transferencia de cadena de tiocarboniltio. Rizzardo et al. la informaron por primera vez en 1998. ^[6] La RAFT es uno de los métodos más versátiles de polimerización radical controlada porque es tolerante a una amplia gama de funcionalidades en el monómero y el disolvente, incluidas las soluciones acuosas. ^[7] La ​​polimerización RAFT también se ha llevado a cabo de manera efectiva en un amplio rango de temperaturas.

Normalmente, un sistema de polimerización RAFT consta de:

• una fuente de radicales (por ejemplo, un iniciador termoquímico o la interacción de la radiación gamma con algún reactivo)
• monómero
• Agente de RAFT
• disolvente (no es estrictamente necesario si el monómero es un líquido)

Se elige una temperatura tal que (a) el crecimiento de la cadena ocurra a una velocidad apropiada, (b) el iniciador químico (fuente de radicales) libere radicales a una velocidad apropiada y (c) el equilibrio central RAFT (ver más adelante) favorezca el estado activo en lugar del estado latente en un grado aceptable.

La polimerización RAFT se puede realizar añadiendo una cantidad seleccionada de un agente RAFT adecuado a una polimerización por radicales libres convencional. Por lo general, se pueden utilizar los mismos monómeros, iniciadores, disolventes y temperaturas.

Los iniciadores radicales como el azobisisobutironitrilo (AIBN) y el 4,4'-azobis(ácido 4-cianovalérico) (ACVA), también llamado ácido 4,4'-azobis(ácido 4-cianopentanoico) , se utilizan ampliamente como iniciadores en RAFT.

La Figura 3 proporciona una descripción visual de las polimerizaciones RAFT de poli(metacrilato de metilo) y ácido poliacrílico utilizando AIBN como iniciador y dos agentes RAFT.

La polimerización RAFT es conocida por su compatibilidad con una amplia gama de monómeros en comparación con otras polimerizaciones radicales controladas . Estos monómeros incluyen (met)acrilatos, (met) acrilamidas , acrilonitrilo , estireno y derivados, butadieno, acetato de vinilo y N-vinilpirrolidona. El proceso también es adecuado para su uso en una amplia gama de parámetros de reacción, como la temperatura o el nivel de impurezas, en comparación con NMP o ATRP .

El grupo Z y R de un agente RAFT debe elegirse de acuerdo con una serie de consideraciones. El grupo Z afecta principalmente la estabilidad del enlace S=C y la estabilidad del radical aducto (Polímero-SC•(Z)-S-Polímero, véase la sección sobre Mecanismo). Estos a su vez afectan la posición y las velocidades de las reacciones elementales en el preequilibrio y el equilibrio principal. El grupo R debe ser capaz de estabilizar un radical de manera que se favorezca el lado derecho del preequilibrio, pero lo suficientemente inestable como para que pueda reiniciar el crecimiento de una nueva cadena de polímero. Como tal, un agente RAFT debe diseñarse teniendo en cuenta el monómero y la temperatura, ya que ambos parámetros también influyen fuertemente en la cinética y la termodinámica de los equilibrios RAFT.

El producto deseado de una polimerización RAFT es típicamente un polímero lineal con un grupo R en un extremo y una fracción de ditiocarbonato en el otro extremo. La Figura 4 muestra los productos principales y secundarios de una polimerización RAFT. Todos los demás productos surgen de (a) eventos de terminación birradical o (b) reacciones de especies químicas que se originan a partir de fragmentos iniciadores, denotados por I en la figura. (Obsérvese que las categorías (a) y (b) se cruzan).

La selectividad hacia el producto deseado se puede aumentar incrementando la concentración del agente RAFT en relación con la cantidad de radicales libres liberados durante la polimerización. Esto se puede hacer directamente (es decir, incrementando la concentración del agente RAFT) o disminuyendo la velocidad de descomposición o la concentración del iniciador.

RAFT es un tipo de polimerización viva que implica una polimerización radical convencional que está mediada por un agente RAFT. ^[8] Los monómeros deben ser capaces de polimerización radical. ^[9] Hay una serie de pasos en una polimerización RAFT: iniciación, preequilibrio, reiniciación, equilibrio principal, propagación y terminación.

El mecanismo se explica ahora con más detalle con la ayuda de la Figura 5.

Iniciación: La reacción se inicia mediante una fuente de radicales libres que puede ser un iniciador de radicales en descomposición como AIBN . En el ejemplo de la Figura 5, el iniciador se descompone para formar dos fragmentos (I•) que reaccionan con una sola molécula de monómero para producir un radical polimérico en propagación (es decir, en crecimiento) de longitud 1, denominado P ₁ •.

Propagación: La propagación de cadenas radicales de longitud n en su forma activa (radical), P _n •, se añade al monómero, M, para formar radicales de propagación más largos, P _n+1 •.

Preequilibrio RAFT: Un radical polimérico con n unidades monoméricas (P _n ) reacciona con el agente RAFT para formar un radical aducto RAFT. Este puede sufrir una reacción de fragmentación en cualquier dirección para producir la especie inicial o un radical (R•) y un agente RAFT polimérico (S=C(Z)SP _n ). Este es un paso reversible en el que el radical aducto RAFT intermedio es capaz de perder el grupo R (R•) o la especie polimérica (P _n •).

Reiniciación: El radical del grupo saliente (R•) luego reacciona con otra especie de monómero, iniciando otra cadena de polímero activa.

Equilibrio principal RAFT: Esta es la parte más importante del proceso RAFT, ^[8] en la que, mediante un proceso de intercambio rápido, los radicales presentes (y, por lo tanto, las oportunidades para el crecimiento de la cadena de polímeros) se "comparten" entre todas las especies que aún no han experimentado la terminación (P _n • y S=C(Z)SP _n ). Lo ideal es que los radicales se compartan de manera equitativa, lo que hace que las cadenas tengan las mismas oportunidades de crecimiento y un PDI estrecho.

Terminación: Las cadenas en su forma activa reaccionan mediante un proceso conocido como terminación birradical para formar cadenas que no pueden reaccionar más, conocidas como polímeros muertos. Lo ideal es que el radical aducto RAFT esté lo suficientemente impedido como para que no sufra reacciones de terminación.

Una representación visual de este proceso se puede ver en el Vídeo 1.

La posición del equilibrio principal RAFT (Figura 5) se ve afectada por las estabilidades relativas del radical aducto RAFT (P _n -SC•(Z)-SP _m ) y sus productos de fragmentación, a saber, S=C(Z)SP _n y el radical polimérico (P _m •). Si la formación del radical aducto RAFT es suficientemente favorable termodinámicamente, la concentración de especies activas, P _m •, se reducirá hasta el punto de que también se observe una reducción en la tasa de conversión de monómero en polímero, en comparación con una polimerización equivalente sin agente RAFT. Tal polimerización se conoce como polimerización RAFT de velocidad retardada.

La velocidad de una polimerización RAFT, es decir, la velocidad de conversión de monómero en polímero, depende principalmente de la velocidad de la reacción de propagación (Figura 5) porque la velocidad de iniciación y terminación son mucho más altas que la velocidad de propagación. La velocidad de propagación es proporcional a la concentración, [P•], de la especie activa P•, mientras que la velocidad de la reacción de terminación, al ser de segundo orden, es proporcional al cuadrado de [P•] ² . Esto significa que durante las polimerizaciones RAFT de velocidad retardada, la velocidad de formación de productos de terminación se suprime en mayor medida que la velocidad de crecimiento de la cadena.

En las polimerizaciones RAFT sin retardo de velocidad, la concentración de la especie activa P• es cercana a la de una polimerización convencional equivalente en ausencia de agente RAFT.

El equilibrio principal de RAFT y, por lo tanto, el retraso de la velocidad de la reacción se ve influenciado tanto por la temperatura como por factores químicos. ^[10] Una temperatura alta favorece la formación de los productos de fragmentación en lugar del radical aducto P _n -SC•(Z)-SP _m . Los agentes RAFT con un grupo Z estabilizador de radicales como el grupo fenilo favorecen el radical aducto, al igual que los radicales de propagación cuyos monómeros carecen de características estabilizadoras de radicales, por ejemplo, el acetato de vinilo .

En términos de mecanismo, una polimerización RAFT ideal tiene varias características. Los pasos de preequilibrio y reiniciación se completan muy temprano en la polimerización, lo que significa que el producto principal de la reacción (las cadenas de polímero RAFT, RAFT-P _n ), comienzan a crecer aproximadamente al mismo tiempo. Las reacciones directas e inversas del equilibrio RAFT principal son rápidas, lo que favorece las oportunidades de crecimiento iguales entre las cadenas. El número total de radicales entregados al sistema por el iniciador durante el curso de la polimerización es bajo en comparación con el número de moléculas del agente RAFT, lo que significa que las cadenas de polímero iniciadas por el grupo R a partir del paso de reiniciación forman la mayoría de las cadenas en el sistema, en lugar de las cadenas que llevan fragmentos de iniciador formadas en el paso de iniciación. Esto es importante porque el iniciador se descompone continuamente durante la polimerización, no solo al comienzo, y las cadenas de polímero que surgen de la descomposición del iniciador no pueden, por lo tanto, tener una distribución de longitud estrecha. Estas características mecanicistas conducen a una longitud de cadena promedio que aumenta linealmente con la conversión de monómero en polímero. ^[11]

A diferencia de otras polimerizaciones radicales controladas (por ejemplo, ATRP ), una polimerización RAFT no logra una evolución controlada del peso molecular y una baja polidispersidad reduciendo los eventos de terminación birradical (aunque en algunos sistemas, estos eventos pueden de hecho reducirse un poco, como se describe anteriormente), sino más bien, asegurando que la mayoría de las cadenas de polímeros comiencen a crecer aproximadamente al mismo tiempo y experimenten un crecimiento igual durante la polimerización. ^[11]

Las pautas para los grupos Z y R dependen de sus funciones y de qué tipos de monómeros se requieren polimerizar. ^{[12] [13] [14]}

Grupo R:

• Debe ser un buen grupo saliente homolítico en relación con Pn (desplaza el equilibrio principal hacia el macro-CTA y el radical R)
• Debería reiniciar la polimerización de manera eficiente.

La elección del grupo Z afecta:

• Velocidad de adición del polímero propagador al tiocarbonilo de la especie intermedia
• Tasa de fragmentación de radicales intermedios

Se han proporcionado pautas para la selección de grupos R y Z en función del monómero deseado que se va a polimerizar, y se resumen en las figuras 6 y 7. Los monómeros se pueden dividir en más activos y menos activos, denominados MAM y LAM, respectivamente. MAM producirá especies radicales de propagación menos activas, y viceversa para LAM. Por lo tanto, MAM requiere reactivos RAFT más activos, mientras que LAM requiere reactivos menos activos. ^[13]

Durante la síntesis RAFT, algunas proporciones entre los componentes de la reacción son importantes y generalmente se pueden utilizar para controlar o establecer el grado deseado de polimerización y el peso molecular del polímero . ^{[12] [14]} Todas las siguientes proporciones son relativas a moles iniciales:

1. Reactivo de monómero a RAFT: proporciona el grado esperado de polimerización (es decir, el número de unidades de monómero en cada cadena de polímero) y se puede utilizar para estimar el peso molecular del polímero mediante la ecuación (1) (ver a continuación). ^{[12] [14]}
2. Reactivo RAFT respecto del iniciador: determina los grupos terminales de las cadenas de polímero. Para el extremo α, esta relación proporciona la cantidad de cadenas que provienen del grupo R (cuarto paso en la Figura 5) respecto de la cantidad de cadenas que provienen del iniciador (segundo paso en la Figura 5). Para el extremo ω, proporciona la proporción de cadenas de polímero latentes (aquellas con un tiocarboniltio en el extremo) respecto de las cadenas muertas. ^[12]
3. Monómero a iniciador: similar a otras técnicas de polimerización radical, para las cuales la velocidad de propagación es proporcional a la concentración de monómero y la raíz cuadrada de la concentración de iniciador. ^{[15] [12]}

Ecuación (1):

${\displaystyle MW_{n}={\frac {(M_{0}-M_{t})}{RAFT_{0}}}MW_{M}+MW_{RAFT}}$

Donde MW _n es el peso molecular del polímero, M ₀ y M _t son los moles iniciales y finales de monómero, respectivamente, RAFT ₀ son los moles iniciales del agente RAFT, MW _M es el peso molecular del monómero y MW _RAFT es el peso molecular del agente RAFT. M ₀ - M _t también se puede reescribir como M ₀ *X (donde X es la conversión), de modo que se pueda estimar el peso molecular promedio del polímero en función de la conversión.

Enz-RAFT es una técnica de polimerización RAFT que permite una polimerización sensible al oxígeno controlada en un recipiente abierto. ^{[16] [17]} Enz-RAFT utiliza 1–4 μM de glucosa oxidasa para eliminar el oxígeno disuelto del sistema. Como la desgasificación se desacopla de la polimerización, las concentraciones de iniciador se pueden reducir, lo que permite un alto control y fidelidad del grupo final. Enz-RAFT se puede utilizar en varios sistemas de disolventes orgánicos, con alta actividad en hasta un 80% de terc-butanol , acetonitrilo y dioxano . Con Enz-RAFT, las polimerizaciones no requieren desgasificación previa, lo que hace que esta técnica sea conveniente para la preparación de la mayoría de los polímeros mediante RAFT. La técnica fue desarrollada en el Imperial College de Londres por Robert Chapman y Adam Gormley en el laboratorio de Molly Stevens .

La polimerización RAFT se ha utilizado para sintetizar una amplia gama de polímeros con peso molecular controlado y polidispersidades bajas (entre 1,05 y 1,4 para muchos monómeros).

La polimerización RAFT es conocida por su compatibilidad con una amplia gama de monómeros en comparación con otras polimerizaciones radicales controladas . Algunos monómeros capaces de polimerizarse mediante RAFT incluyen estirenos, acrilatos, acrilamidas y muchos monómeros de vinilo. Además, el proceso RAFT permite la síntesis de polímeros con arquitecturas macromoleculares específicas , como copolímeros de bloque, de gradiente , estadísticos, de peine, de cepillo, de estrella, hiperramificados y de red . Estas propiedades hacen que RAFT sea útil en muchos tipos de síntesis de polímeros. ^[18]

Al igual que con otras técnicas de polimerización radical viva, la RAFT permite la extensión de la cadena de un polímero de un monómero con un segundo tipo de polímero para producir un copolímero en bloque. En este tipo de polimerización, existe el desafío adicional de que el agente RAFT para el primer monómero también debe ser adecuado para el segundo monómero, lo que hace que la copolimerización en bloque de monómeros de carácter altamente dispar sea un desafío. ^[18]

Para los copolímeros en bloque, existen diferentes pautas para seleccionar el agente macro-R para polimerizar el segundo bloque (Figura 9).

También se han descrito copolímeros multibloque que utilizan grupos R difuncionales o tritiocarbonatos simétricos con grupos Z difuncionales.

El uso de un compuesto con múltiples grupos ditio (a menudo denominado agente RAFT multifuncional) puede dar como resultado la formación de polímeros en forma de estrella, cepillo y peine. Si tomamos como ejemplo los polímeros en forma de estrella, el RAFT se diferencia de otras formas de técnicas de polimerización radical viva en que el grupo R o el grupo Z pueden formar el núcleo de la estrella (véase la Figura 10). Si bien el uso del grupo R como núcleo da como resultado estructuras similares a las encontradas con ATRP o NMP, la capacidad de usar el grupo Z como núcleo hace que el RAFT sea único. Cuando se utiliza el grupo Z, los brazos poliméricos reactivos se desprenden del núcleo de la estrella durante el crecimiento y, para experimentar la transferencia de cadena, deben reaccionar nuevamente en el núcleo. ^[18]

Debido a su flexibilidad con respecto a la elección de monómeros y condiciones de reacción, el proceso RAFT compite favorablemente con otras formas de polimerización viva para la generación de biomateriales. Se pueden construir nuevos tipos de polímeros con propiedades únicas, como sensibilidad a la temperatura y al pH.

Los materiales específicos y sus aplicaciones incluyen conjugados polímero-proteína y polímero-fármaco, mediación de la actividad enzimática, procesos de reconocimiento molecular y micelas poliméricas que pueden administrar un fármaco a un sitio específico del cuerpo. ^[19] RAFT también se ha utilizado para injertar cadenas de polímeros en superficies poliméricas, por ejemplo, microesferas poliméricas. ^[20]

La polimerización se puede realizar en una amplia variedad de disolventes (incluida el agua), en un amplio rango de temperaturas, con una alta tolerancia a los grupos funcionales y sin metales para la polimerización. A partir de 2014, la gama de agentes RAFT disponibles comercialmente cubre casi todas las clases de monómeros que pueden sufrir polimerización radical.

Un agente RAFT en particular sólo es adecuado para un conjunto limitado de monómeros y la síntesis de un agente RAFT normalmente requiere un procedimiento sintético de varios pasos y una purificación posterior. ^[11] Los agentes RAFT pueden ser inestables durante largos períodos de tiempo, son muy coloreados y pueden tener un olor penetrante debido a la descomposición gradual de la fracción de ditioéster para producir pequeños compuestos de azufre. La presencia de azufre y color en el polímero resultante también puede ser indeseable para algunas aplicaciones; sin embargo, esto puede, hasta cierto punto, eliminarse con pasos de purificación química y física adicionales. ^[21]

• Radical (química)
• Copolímero
• Polimerización viviente
• ATRP (química)
• PNM