La polimerización radicalaria mediada por nitróxido es un método de polimerización radical que utiliza un iniciador de nitróxido para generar polímeros con una estereoquímica bien controlada y una dispersidad muy baja . [1] Es un tipo de polimerización radicalaria de desactivación reversible .
Los materiales iniciadores para la polimerización radicalaria mediada por nitróxido (NMP) son una familia de compuestos denominados alcoxiaminas. Una alcoxiamina puede verse esencialmente como un alcohol unido a una amina secundaria mediante un enlace sencillo NO . La utilidad de este grupo funcional es que, bajo ciertas condiciones, puede ocurrir 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 radical. [2] Para los propósitos de NMP, los grupos R unidos al nitrógeno siempre son grupos voluminosos, estéricamente impedimentos y el grupo R en la posición O forma un radical estable, generalmente es bencílico para que la polimerización se produzca con éxito. La NMP permite un excelente control de la longitud y la estructura de la cadena, así como una relativa falta de terminación verdadera que permite que la polimerización continúe mientras haya monómero disponible . Por eso se dice que está “vivo”.
La naturaleza viva de la NMP se debe al efecto radical persistente (PRE). [3] El PRE es un fenómeno observable en algunos sistemas radicales que conduce a la formación altamente favorecida de un producto con casi exclusión de otros acoplamientos radicales debido a que una de las especies radicales es particularmente estable y existe en concentraciones cada vez mayores a medida que el La reacción progresa mientras que la otra es transitoria, reaccionando rápidamente consigo mismo en un paso 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 reversiblemente consigo mismo, lo que significa que cualquiera de los radicales transitorios todavía presentes tiende a acoplarse con el radical persistente en lugar de consigo mismo debido a una mayor disponibilidad. Esto conduce a una mayor proporción de acoplamiento cruzado que de autoacoplamiento en especies radicales. [4]
En el caso de una reacción de polimerización mediada por nitróxido, el radical persistente es la especie nitróxido y el radical transitorio es siempre el radical de carbono. Esto conduce a un acoplamiento repetido del nitróxido al extremo en crecimiento de la cadena polimérica, lo que normalmente se consideraría un paso de terminación, pero en este caso es reversible. Debido a la alta tasa de acoplamiento del nitróxido al extremo de la cadena en crecimiento, hay poco acoplamiento de dos cadenas en crecimiento activas, lo que sería un paso final irreversible que limitaría la longitud de la cadena. El nitróxido se une y desvincula a la cadena en crecimiento, protegiéndola de los pasos de terminación. Esto garantiza que cualquier monómero disponible pueda ser eliminado fácilmente por las cadenas activas. Debido a que este proceso de polimerización no termina automáticamente de forma natural, 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 en crecimiento están "cubiertas" por un nitróxido mediador, lo que significa que se disocian y crecen a velocidades muy similares, creando una longitud y estructura de cadena en gran medida uniforme. [5]
Como se indicó anteriormente, los radicales nitróxido son mediadores eficaces de una 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 estabilidad de resonancia , los nitróxidos utilizados en NMRP siempre contienen grupos voluminosos estéricamente obstaculizadores en las posiciones R1 y R2. El importante volumen estérico de estos sustituyentes previene por completo el acoplamiento de radicales en la forma de resonancia centrada en N, mientras que 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. Esto da 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 impedimento estérico más. [7]
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 de cadena constante) 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 radicalaria 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 al enlace que se rompe más fácilmente, el enlace simple CO, que se escinde homolíticamente.
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 de t-butilo, ya que sus grupos R se escinden más rápido que 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 del enlace CON en la alcoxiamina. Cuanto menor es el ángulo de enlace, mayor es la interacción estérica entre el nitróxido y el fragmento alquilo y más fácilmente se rompe la especie iniciadora. [8]
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)oxilo) 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 butilo en 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, más rápida se produce la polimerización. Esto indica que el volumen estérico 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 reformación favorece la forma radical en la medida en que la recombinación para reformar una alcoxiamina en el transcurso de la NMP ocurre demasiado lentamente para mantener el control de la longitud de la cadena. [9]
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 específicamente sintetizado. Se han informado varios métodos para lograr esta transformación.
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 puede aprovecharse 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 alqueno. Sin embargo, los rendimientos prácticos no son necesariamente tan altos como los informados por Dao et al. [10]
Un método alternativo es hacer reaccionar un sustrato con un enlace C-Br en la ubicación deseada del nitróxido con hidrazina , generando una hidrazina 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]
Otra síntesis de alcoxiamina publicada implica el tratamiento de aldehídos con peróxido de hidrógeno , que se suma al grupo carbonilo. La especie resultante se reordena in situ en presencia de CuCl formando ácido fórmico y el radical alquilo deseado, que se acopla con el tiempo para producir la alcoxiamina objetivo. La reacción parece dar rendimientos bastante buenos y tolera una variedad de grupos funcionales en la cadena alquílica. [12]
Moon y Kang han descrito una síntesis que consiste en la reducción de un electrón de un radical nitróxido en sodio metálico para producir un nitróxido nucleofílico. El nucleófilo nitróxido 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 sólo 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]