CAPÍTULO 1: Síntesis y caracterización de compuestos homometálicos de metales alcalino,
1.5 POLIMERIZACIÓN DE LACTIDA
1.5.2 Mecanismos de polimerización de lactida
En el comienzo del desarrollo de las polilactidas, éstas se preparaban por condensación de ácido láctico, pero en general este proceso da lugar a polímeros de bajos pesos moleculares y microestructuras poco definidas, además de altas polidispersidades. Estas características se deben a la existencia de procesos de
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epimerización y transesterificación, los cuales son muy favorables bajo las condiciones de policondensación.. Actualmente, a nivel industrial uno de los catalizadores más utilizados para la síntesis de polilactida es el octanoato de estaño [SnOct2], sin embargo, es bien conocido que en presencia de este catalizador también tienen lugar como reacciones secundarias procesos de transesterificación como los que se representan en el esquema 1.13 y de epimerización. En la transesterificación se produce un intercambio en las cadenas del polímero que puede ser intramolecular, generando polímeros cíclicos, o intermolecular dando lugar a polímeros con distintos pesos moleculares. Los procesos de transesterificación influyen en la distribución de masas moleculares dando lugar a altas polidispersidades (Esquema 1.13). En la epimerización, tiene lugar la racemización de los centros quirales, afectando a la estereoregularidad de la cadena polimérica.
Esquema 1.13. Posibles procesos de transesterificación de polilactida.
En 1932, Carothers describió una nueva metodología consistente en la apertura de anillo del monómero de lactida, el cual se genera de forma natural a partir de ácido láctico. Desde entonces, este mecanismo conocido como ROP (de sus siglas en inglés
Ring Opening Polimerization) es el más estudiado para la polimerización controlada de
lactida.67 A pesar de que es posible lograr un mayor control en la polimerización Transesterificación intramolecular
103 mediante ROP, también se pueden dar reacciones secundarias de epimerización y transesterificación si el catalizador empleado no contiene los ligandos adecuados (Esquema 1.13).
Existen varios tipos de mecanismos ROP, aunque su clasificación dependiendo de los autores es variable. Por lo general, se pueden diferenciar tres grandes grupos; polimerización nucleófila, aniónica y catiónica.67
La polimerización nucleófila se da en ausencia de complejos metálicos. Se requiere una molécula orgánica con carácter nucleófilo que active el grupo carbonílico del monómero dando lugar a la apertura del anillo y otra especie prótica que ceda el protón al extremo final de la cadena. Muchas enzimas del tipo lipasas dan lugar a la polimerización de lactida a través de este mecanismo.
En el caso de la polimerización aniónica, este mecanismo tiene lugar cuando se emplean como iniciadores compuestos metálicos con cierto carácter iónico como son los derivados de metales alcalinos, MR. En este caso el anión R- realiza el ataque nucleófilo sobre el grupo carbonilo y se forma un fragmento aniónico responsable de la propagación de la polimerización (Esquema 1.14).
Esquema 1.14. Mecanismo de polimerización aniónica empleando compuestos del tipo MR.
Es un mecanismo poco utilizado, pues los polímeros obtenidos presentan bajas tacticidades y altas polidispersidades. Sin embargo, se puede considerar que muestra algunas ventajas respecto al resto, como su alta velocidad de reacción. Además, no se
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requiere la presencia de metales pesados o de transición que puedan contaminar las muestras finales, limitando así su uso en aplicaciones médicas.
Otros autores describen el mecanismo de polimerización aniónica como aquel en el que tiene lugar la desprotonación del monómero, tal y como se muestra en el esquema 1.15, generando un enolato de lactida, el cual presenta dos formas resonantes. Cualquiera de estas dos formas puede iniciar la propagación de la polimerización dando lugar a dos polímeros con terminaciones de cadena diferentes.
Esquema 1.15. Mecanismo de polimerización aniónica por desprotonación del monómero.
En la polimerización de lactida por mecanismo catiónico (Esquema 1.16), tiene lugar la formación de fragmentos catiónicos causantes de la propagación del proceso. Este mecanismo se ha observado cuando se emplean como iniciadores derivados triflato como el ácido trifluorometanosulfónico o trifluorometanosulfonato de metilo.68
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105 Esquema 1.16. Mecanismo de polimerización catiónica.
Los dos mecanismos ROP más frecuentes en la producción de PLA, tanto a nivel industrial como en investigación, son los denominados de coordinación inserción y de monómero activado.
En el mecanismo de coordinación inserción se emplean, generalmente, complejos metálicos con carácter de ácido de Lewis como iniciadores, por ejemplo, compuestos de aluminio o zinc. En un primer paso tiene lugar la coordinación del monómero al centro metálico, de esta forma, aumenta la electrofilia del carbono carbonílico favoreciendo el ataque nucleófilo de uno de los ligandos del complejo sobre éste. Normalmente, el ligando que actúa como nucleófilo es de tipo alcoxo o amido (Esquema 1.17).69
Esquema 1.17. Polimerización de lactida por el mecanismo de coordinación insercción.
En un segundo paso, se considera que el monómero se inserta en el enlace M- ligando y tras una reorganización electrónica se produce la apertura del ciclo dando lugar a un fragmento activado responsable de la propagación de la polimerización. Las cadenas poliméricas preparadas a partir de este mecanismo presentan el ligando del
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complejo que realiza el ataque nucleófilo en uno de los extremos finales de la cadena, en el otro extremo generalmente se forma un grupo hidróxido tras la hidrólisis del enlace O-MLn.
El mecanismo de monómero activado es similar al anterior, con la diferencia de que es un coiniciador de naturaleza orgánica el que realiza el ataque nucleófilo sobre el grupo carbonilo (Esquema 1.18). Generalmente para compuestos metálicos se emplea alcohol bencílico (BnOH) como agente nucleófilo, por lo que, el polímero final presenta un grupo bencilo y un grupo hidroxilo como terminaciones de cadena. Este mecanismo se podría considerar como una polimerización nucleófila asistida por un complejo metálico
Esquema 1.18. Mecanismo de polimerización de lactida por monómero activado.