Polimerización por radicales mediada por nitróxido

La polimerización por radicales mediada por nitróxido es un método de polimerización por radicales que utiliza un iniciador de nitróxido para generar polímeros con una estereoquímica bien controlada y una dispersión muy baja . ^[1] Es un tipo de polimerización por radicales de desactivación reversible .

Iniciadores de alcoxiamina

Los materiales iniciadores para la polimerización por radicales mediada por nitróxido (NMP) son una familia de compuestos denominados alcoxiaminas. Una alcoxiamina se puede considerar esencialmente como un alcohol unido a una amina secundaria mediante un enlace sencillo NO . La utilidad de este grupo funcional es que, en determinadas condiciones, puede producirse la homólisis del enlace CO, produciendo un radical estable en forma de un sistema NO de 2 centros y 3 electrones y un radical de carbono que sirve como iniciador para la polimerización por radicales. ^[2] A los efectos de la NMP, los grupos R unidos al nitrógeno son siempre voluminosos,grupos estéricamente impedidos y el grupo R en la posición O- forma un radical estable, generalmente es bencílico para que la polimerización se produzca con éxito. NMP permite un excelente control de la longitud y estructura de la cadena, así como una falta relativa de terminación verdadera que permite que la polimerización continúe mientras haya monómero disponible . Por eso se dice que está "vivo".

Efecto radical persistente

La naturaleza viva de NMP se debe al efecto radical persistente (PRE). ^[3]El PRE es un fenómeno observable en algunos sistemas de radicales que conduce a la formación altamente favorecida de un producto con la casi exclusión de otros acoplamientos de radicales debido a que una de las especies de radicales es particularmente estable, existiendo en concentraciones cada vez mayores a medida que avanza la reacción mientras el otro es transitorio, reacciona rápidamente consigo mismo en una etapa de terminación o con el radical persistente para formar un producto deseado. A medida que pasa el tiempo, está presente una mayor concentración del radical persistente, que se acopla de forma reversible consigo mismo, lo que significa que cualquiera de los radicales transitorios aún presente tiende a acoplarse con el radical persistente en lugar de a sí mismo debido a una mayor disponibilidad. Esto conduce a una mayor proporción de acoplamiento cruzado que de autoacoplamiento en especies de radicales. ^[4]

En el caso de una reacción de polimerización mediada por nitróxido, el radical persistente es la especie de nitróxido y el radical transitorio es siempre el radical de carbono. Esto conduce a un acoplamiento repetido del nitróxido al extremo creciente de la cadena de polímero, que normalmente se consideraría una etapa de terminación, pero en este caso es reversible. Debido a la alta velocidad de acoplamiento del nitróxido al extremo de la cadena de crecimiento, hay poco acoplamiento de dos cadenas de crecimiento activas, lo que sería un paso de terminación irreversible que limita la longitud de la cadena. El nitróxido se une y se desliga de la cadena en crecimiento, protegiéndola de los pasos de terminación. Esto asegura que cualquier monómero disponible pueda ser eliminado fácilmente por cadenas activas. Debido a que este proceso de polimerización no se auto-termina naturalmente, este proceso de polimerización se describe como "vivo,”Ya que las cadenas continúan creciendo en condiciones de reacción adecuadas siempre que haya monómero reactivo para“ alimentarlas ”. Debido al PRE, se puede suponer que en un momento dado, casi todas las cadenas de crecimiento están "cubiertas" por un nitróxido mediador, lo que significa que se disocian y crecen a tasas muy similares, creando una longitud y estructura de cadena en gran medida uniforme.^[5]

Estabilidad de nitróxido

Como se indicó anteriormente, los radicales nitróxido son mediadores efectivos de la polimerización radical bien controlada porque son bastante estables, lo que les permite actuar como radicales persistentes en una mezcla de reacción. Esta estabilidad es el resultado de su estructura única. En la mayoría de los diagramas, el radical se representa en el oxígeno, pero existe otra estructura de resonancia que es más útil para explicar su estabilidad en la que el radical está en el nitrógeno, que tiene un doble enlace con el oxígeno. Además de esta resonanciaestabilidad, los nitróxidos usados ​​en NMRP siempre contienen grupos voluminosos, estéricamente impedidos en las posiciones R1 y R2. El volumen estérico significativo de estos sustituyentes evita por completo el acoplamiento de radicales en la forma de resonancia centrada en N mientras lo reduce significativamente en la forma centrada en O. Estos grupos voluminosos contribuyen a la estabilidad, pero solo si no hay resonancia proporcionada por los grupos alilo o aromáticos α al N. Estos dan como resultado una estabilidad disminuida del nitróxido, presumiblemente porque ofrecen sitios menos impedidos estéricamente para que tenga lugar el acoplamiento de radicales. ^[6] La inactividad resultante del radical hace que la escisión hemolítica de la alcoxiamina sea bastante rápida en especies con más impedimentos estéricos. ^[7]

Elección de nitróxido

La elección de una especie de nitróxido específica a utilizar tiene un gran efecto sobre la eficacia de un intento de polimerización. Una polimerización eficaz (velocidad rápida de crecimiento de la cadena, longitud constante de la cadena) resulta de un nitróxido con una rápida homólisis de CO y relativamente pocas reacciones secundarias. Un disolvente más polar se presta mejor a la homólisis del CO, por lo que los disolventes polares que no pueden unirse a un nitróxido lábil son los más eficaces para la NMP. En general, se acepta que el factor estructural que tiene el mayor efecto sobre la capacidad de un nitróxido para mediar en una polimerización por radicales es el volumen estérico. En términos generales, un mayor volumen estérico en el nitróxido conduce a una mayor tensión en la alcoxiamina, lo que lleva a que el enlace más fácil de romper, el enlace sencillo de CO, se escinda homolíticamente.

Tamaño del anillo

En el caso de los nitróxidos cíclicos, se ha demostrado que los sistemas de anillos de cinco miembros se escinden más lentamente que los anillos de seis miembros y los nitróxidos acíclicos con restos t-butilo ya que sus grupos R se escinden más rápido de todos. Se determinó que esta diferencia en la velocidad de escisión no era el resultado de una diferencia en las longitudes de los enlaces CO, sino de la diferencia del ángulo de enlace CON en la alcoxiamina. Cuanto menor sea el ángulo de enlace, mayor será la interacción estérica entre el nitróxido y el fragmento de alquilo y más fácilmente se separará la especie iniciadora. ^[8]

A granel estérico

La eficacia de la polimerización aumenta cada vez más con el aumento del volumen estérico del nitróxido hasta cierto punto. TEMPO ((2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-il) oxil) es capaz de inducir la polimerización de estireno y derivados de estireno con bastante facilidad, pero no es lo suficientemente lábil para inducir la polimerización de acrilato de butiloen la mayoría de las condiciones. Los derivados de TEMPO con grupos aún más voluminosos en las posiciones α a N tienen una tasa de homólisis lo suficientemente grande como para inducir NMP de acrilato de butilo, y cuanto más voluminosos son los grupos α, se produce una polimerización más rápida. Esto indica que la masa estérica del fragmento de nitróxido puede ser un buen indicador de la fuerza de un iniciador de alcoxiamina, al menos hasta cierto punto. El equilibrio de su homólisis y reforma favorece la forma radical en la medida en que la recombinación para reformar una alcoxiamina en el transcurso de la NMP se produce demasiado lentamente para mantener el control de la longitud de la cadena. ^[9]

Métodos de preparación

Debido a que TEMPO, que está disponible comercialmente, es un mediador de nitróxido suficiente para la síntesis de derivados de poliestireno, la preparación de iniciadores de alcoxiamina para NMP de copolímeros es en muchos casos una cuestión de unir un grupo nitróxido (TEMPO) a un fragmento de alquilo sintetizado específicamente. Se ha informado de varios métodos para lograr esta transformación.

Catalizador de Jacobsen

El catalizador de Jacobsen es un catalizador a base de manganeso comúnmente utilizado para la epoxidación estereoselectiva de alquenos . Esta epoxidación se produce mediante un mecanismo de adición de radicales, que se puede aprovechar introduciendo el grupo radical TEMPO en la mezcla de reacción. Después del tratamiento con un agente reductor suave como el borohidruro de sodio , se obtiene el producto de una adición de nitróxido de Markovnikov al alqueno. El catalizador de Jacobsen es bastante suave y se puede tolerar una amplia variedad de funcionalidades en el sustrato de alqueno . Rendimientos prácticossin embargo, no son necesariamente tan altos como los reportados por Dao et al. ^[10]

Hidracina

Un método alternativo es hacer reaccionar un sustrato con un enlace C-Br en la ubicación deseada del nitróxido con hidrazina , generando una hidracina sustituida con alquilo que luego se expone a un radical nitróxido y un agente oxidante suave como el dióxido de plomo . Esto genera un radical centrado en carbono que se acopla con el nitróxido para generar la alcoxiamina deseada. Este método tiene la desventaja de ser relativamente ineficaz para algunas especies, así como el peligro inherente de tener que trabajar con hidrazina extremadamente tóxica y el inconveniente de tener que realizar reacciones en atmósfera inerte. ^[11]

Tratamiento de aldehídos con peróxido de hidrógeno.

Otra síntesis de alcoxiamina publicada implica el tratamiento de aldehídos con peróxido de hidrógeno , que se suma al grupo carbonilo. La especie resultante se reorganiza in situ en presencia de CuCl formando ácido fórmico y el radical alquilo deseado, que se acopla con el tempo para producir la alcoxiamina diana. La reacción parece dar rendimientos bastante buenos y tolera una variedad de grupos funcionales en la cadena de alquilo. ^[12]

Bromación electrofílica y ataque nucleofílico

Moon y Kang han descrito una síntesis que consiste en una reducción de un electrón de un radical nitróxido en sodio metálico para producir un nitróxido nucleófilo. El nitróxido nucleófilo se añade luego a un bromuro de alquilo apropiado , produciendo la alcoxiamina mediante una simple reacción SN2 . Esta técnica tiene la ventaja de requerir que solo se sintetice el bromuro de alquilo apropiado sin requerir condiciones de reacción inconvenientes y reactivos extremadamente peligrosos como el método de Braso et al. ^[13]

Referencias

1. Nicolas, J., et al. Prog. Polym. Sci., 2013, 38, 63–235
2. Moad, G., Rizzardo, E. Macromolecules, 1995, 28, 8722–8728.
3. Bertin, D. y col. Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 2189–2198
4. Fischer, Hanns. Chem. Rev., 2001, 101 (12), 3581–3610.
5. Hawker, CJ, Barclay, GG, Dao, JJ Am. Chem. Soc., 1996, 118 (46), 11467-11471.
6. Volodarsky, LB, Reznikov, VA, Ovcharenko, VI Química sintética de nitróxidos estables. Prensa CRC, 1994.
7. Bertin, D. y col. Chem. Soc. Rev., 2011, 40, 2189–2198
8. Moad, G., Rizzardo, E. Macromolecules, 1995, 28, 8722–8728.
9. Siegenthaler, KO, Studer, A. Macromolecules, 2006, 39 (4), 1347-1352.
10. Dao, J., Benoit, D., Hawker, CJJ Poly. Sci., 1998, 36, 2161-2167.
11. Braslo, R., et al. Macromolecules, 1997, 30, 6445–6450.
12. Schoening, KU, et al. J. Org. Chem. 2009, 74, 1567-1573.
13. Moon, B., Minjyuk, K. Macromol. Res., 2005, 13 (3), 229–235.