Numer umowy: UMO-2020/37/N/ST4/01991
Projekt realizowany w ramach programu PRELUDIUM 19
Tytuł projektu: Synteza szczotek polimerowych w oparciu o strukturę trokserutyny metodami ATRP ze zredukowaną ilością katalizatora
Kierownik projektu: Mgr inż. Izabela Zaborniak
Opiekun naukowy: Prof. ucz. dr hab. inż. Paweł Chmielarz
Wartość projektu: 209 999 PLN
Współfinansowanie projektu ze środków Narodowego Centrum Nauki (NCN)
Cele i planowane efekty projektu:
Polimeryzacja rodnikowa z przeniesieniem atomu (ATRP) stanowi jedną z wszechstronnie stosowanych metod polimeryzacji rodnikowej z odwracalną dezaktywacją (RDRP). Istotą ATRP jest uzyskanie równowagi między propagującymi rodnikami o niskim stężeniu a przeważającą ilością nieaktywnych łańcuchów polimerowych. W porównaniu do konwencjonalnej polimeryzacji wolnorodnikowej etap generowania rodników jest odwracalny i opiera się o dynamiczny mechanizm redoks. Ponadto, polimery i biopolimery wytwarzane techniką ATRP charakteryzują się wąskim rozrzutem mas cząsteczkowych (MWD) i kontrolą nad ich masami cząsteczkowymi (MW). Co więcej, metoda ta umożliwia lokalne wbudowanie grup funkcyjnych i syntezę dobrze zdefiniowanych hybrydowych kompozytów. Technika ta miała istotny wpływ na rozwój różnych dziedzin biotechnologii, głównie ze względu na jej szerokie zastosowanie w przygotowywaniu biomateriałów, których kluczowymi elementami składowymi są polimery. Zastosowanie ATRP umożliwia kontrolowanie topologii związków wielkocząsteczkowych i uzyskiwanie różnych struktur, od łańcuchów liniowych, gwiazd, struktur cyklicznych, grzebieni i szczotek, aż po regularne sieci polimerowe. Technika ta umożliwia również wytwarzanie polimerów o kontrolowanym składzie, takich jak kopolimery blokowe, szczepione, gradientowe i naprzemienne. Główną wadą początkowo opracowanego "normalnego" ATRP była konieczność stosowania stosunkowo wysokiego stężenia katalizatora, często rzędu 1000-10000 ppm, wyrażonego jako stosunek molowy kompleksu katalitycznego do monomeru. W związku z tym wymagane było intensywne oczyszczanie końcowych produktów polimeryzacji, co generowało dodatkowe koszty procesowe. Początkowo, konieczne było stosowanie wysokiego stężenia kompleksu aktywatora w celu przezwyciężenia wzrostu stężenia dezaktywatora w wyniku reakcji terminacji, co było bezpośrednią przyczyną zmniejszenia szybkości reakcji. Problem ten został rozwiązany przez opracowanie nowych metod ATRP opartych na regeneracji aktywatora, które znacznie redukują stężenia katalizatora, do 100 ppm lub mniej. W tych metodach regeneracja kompleksu metalu na niższym stopniu utlenienia następuje w skutek wprowadzenia dodatkowego cyklu redoks, który prowadzi do redukcji dezaktywatora, a tym samym regeneracji aktywatora. Zasadniczym celem niniejszego projektu badawczego jest optymalizacja syntezy nowatorskich szczoteczek polimerowych reagujących na bodźce zewnętrzne stosując techniki ATRP oparte na ciągłej regeneracji kompleksu katalizatora, począwszy od metody z regeneracją aktywatorów w wyniku przeniesienia elektronu i aktywacją pomocniczą (SARA) ATRP z metaliczną miedzią w roli czynnika redukującego prowadzoną w środowisku organicznym, przechodząc do bardziej przyjaznego środowisku medium reakcyjnego – miniemulsji, z zastosowaniem techniki z regeneracją aktywatorów w skutek przeniesienia elektronu z dodatkowo wprowadzonego czynnika redukującego (ARGET) ATRP oraz z regeneracją kompleksu katalitycznego za sprawą bodźców zewnętrznych – indukowaną ultradźwiękami ATRP (sono-ATRP), w której pod wpływem działania fal ultradźwiękowych w środowisku wodnym powstają rodniki hydroksylowe będące czynnikiem prowadzącym do regeneracji Cu(I), bez konieczności wprowadzania jakiegokolwiek dodatkowego związku chemicznego, co czyni tę technikę wyjątkowo czystą w kontekście do aktualnego stanu wiedzy w zakresie ATRP ze zredukowaną ilością katalizatora. Realizacja niniejszego projektu opiera się w szczególności na analizie kinetyki elektrochemicznego procesu katalitycznego (EC') podczas redukcji zregenerowanego CuIIBr2/TPMA w obecności otrzymanego makroinicjatora ATRP opartego o strukturę trokserutyny (Trox-Br20), a następnie na szczegółowym poznaniu mechanizmu i kinetyki procesów polimeryzacji stosując uzyskaną bromowaną strukturę makroinicjatora. Kolejnym istotnym aspektem badań jest także dogłębne zrozumienie mechanizmu i kinetyki ATRP wyznaczając stałe szybkości poszczególnych reakcji cząstkowych oraz badanie struktury chemicznej uzyskanych szczotek polimerowych. W powiązaniu z innowacyjnością syntetyzowanego biopolimeru i dostarczeniem nowych informacji związanych z mechanizmem i kinetyką przeprowadzonych reakcji, realizacja przedstawionego projektu z pewnością istotnie wpłynie na rozwój ważnej dziedziny naukowej, takiej jak Chemia Polimerów, Biopolimerów będąca częścią domeny badań naukowych ST – Nauki Ścisłe i Techniczne. Zakłada się, iż uzyskane szczotki polimerowe z rdzeniem trokserutyny będą zapewniać kontrolę przepływu substancji w związku z wrażliwością na zmiany pH powiązaną bezpośrednio z obecnością anionowych segmentów poli(kwasu akrylowego) (PAA) oraz kationowych łańcuchów bocznych poli(metakrylanu N,N-dimetyloaminoetylowego) (PDMAEMA). Dodatkowym atutem jest nieimmunogenność, nietoksyczność i biokompatybilność zsyntezowanych makrocząsteczek, co niewątpliwie pozwala na szerokie potencjalne zastosowanie w medycynie jako wrażliwe na bodźce nośniki leków. Biorąc pod uwagę działanie osłaniające trokserutyny wobec ścian naczyń krwionośnych, zmodyfikowanie niniejszej struktury może poprawić jej właściwości lub być nośnikiem dla tej struktury.
