TESIS CON CARACTER ABIERTO - Repositorio CIQA

PROGRAMA: DOCTORADO EN TECNOLOGÍA DE POLÍMEROS

AUTOR: ELISA TIERRABLANCA MALDONADO FIRMA —

TITULO: Síntesis Enzirnática Biomímética de Polianilina en Materiales Inorgánicos Mesoporosos

ASESORES: Dr. Jorge Romero García FIRMA Dr. Rodolfo Cruz Silva FIRMA

El Centro de Investigación en Química Aplicada clasifica el presente documento de tesis como ABIERTO.

Un documento clasificado como Abierto se expone en los estantes de¡

Centro de Información para su consulta. Dicho documento no puede ser copiado en ninguna modalidad sin autorización por escrito de¡ Titular de¡

Centro de Información o de¡ Director General de¡ CIQA.

Saltillo, Coahuila, a 21 de enero de 2011

/ , \-

Sello de la Institución Dr. Juanéndez Noneil Director Ge eral de

3c

CENTRO DE

INVESTIGACIÓN EN QUIMICA APLICADA

TESIS DE DOCTORADO

lo

"Síntesis enzimática y biomimética de polianilina en materiales inorgánicos mesoporosos"

PRESENTA:

M.C. Elisa Tierrablanca Maldonado

Asesores:

Dr. Jorge Romero García Dr. Rodolfo Cruz Silva

Enero, 2011

TESIS

Síntesis Enzimática Biomimética de Polianilina en Materiales Inorgánicos Mesoporosos

Presentada por:

ELISA TIERRABLANCA MALDONADO Para obtener el grado de:

DOCTOR EN TECNOLOGÍA DE POLÍMEROS Asesorada por:

Dr. Jorge Romero García Dr. Rodolfo Cruz Silva

SINODALES

Dr.Dámas -Niidríguez Dr. Antonio S. Ledezma Pérez

Presidente Secretario

Dr. René Darío Peralta Rodríguez Dita. Maiía Monica CastilLo Ortega

ler. Vocal 2do. Vocal

l i ~ ~ -

Dra. Eri Éa

3er. Vocal

Saltillo, Coahuila Enero, 2011

DECLARACIÓN

Declaro que la información contenida en la Parte Experimental así como en la Parte de Resultados y Discusiones de este documento y que forman parte de las actividades de investigación y desarrollo realizadas durante el período que se me asignó para llevar a cabo mi trabajo de tesis, será propiedad del Centro de Investigación en Química Aplicada.

Saltillo, Coahuila a 21 de enero de 2011

ELISA TIERRABLANCA MALDONADO

Nombre y Firma

en todo momento..

Agradecimientos

Son muchas las personas a las cuales les agradezco el apoyo otorgado durante la realización de este trabajo de tesis, cual sin su gran ayuda no se podría a ver llevado a cabo.

Principalmente le agradezco a toda mi familia que sin su apoyo incondicional no hubiera podido terminar esta tesis doctoral.

A mis asesores, Dr. Jorge Romero García y Dr. Rodolfo Cruz Silva por todos sus conocimientos compartidos durante este proyecto.

Así mismo a mis sinodales, Dr. Antonio Ledezma, Dr. Damaso Navarro, Dr. René Peralta, Dra.

Erika Flores, Dra. Mónica Castillo, por todos sus comentarios que fueron de gran aporte a la tesis.

A los técnicos que fueron parte vital de este trabajo, principalmente a Gabriela Padrón que fue un enorme apoyo moral y técnico, durante todo el tiempo que se llevo este trabajo, así como también Blanca Huerta por su apoyo en los análisis de XRD Guadalupe Méndez por su apoyo en los análisis de termogravimetría, Ma. Luis López por su apoyo en las micrografías de STEM.

Al Centro de Nanociencias y Nanotecnología de Ensenada, Baja California por su apoyo en los análisis de XPS, Al CIMAV de Chihuahua por sus apoyo en los análisis de XRD, y al C!VESTAB, Ramos Acufla, por su apoyo en los análisis de Potencial Zeta y Fisisorción de Nitrógeno.

Y a todos a mis grandes amigos Alondra Escamilla, Lidia Verduzco, Enrique Arias, Lizeth García, Joaquín Guillen, Erika Vázquez, Griselda Castruita, Fátima Pérez, Leonor Méndez, Lorena Farías y todos los aquellos que tuve el placer de conocer durante doctorado.

A CONACYT por su apoyo otorga con el proyecto CB-2008-01-103123 y finalmente pero no menos importante al CIQA por sus instalaciones presentadas para la realización de este trabajo de tesis.

ÍNDICE DE TABLAS YFIGUPU4S. ... . ... .5

Glosariode términos y siglas. .... . ... . ... . ... . ... . ... 8

1. Introducción ... . ... . ... .. ... 11

2.Antecedentes. ... . ... . ... 13

2.1. Polímeras conductores. ... . ... 13

2.2 Polianilina. ... . ... . ... ...18

2.3. Métodos de síntesis de la polianilina...21

2.3.1. Polimerización química ... . ... .. ... . ... . ... . .... .... ... ... ... .. ... . ... 22

2.3.2. Polimerización electroquímica. ... . ... 22

2.3.3. Polimerización enzimátíca. ... . ... . ... 22

2.3.4. Enzimas. ... ... . ... . ... ..30

2.3.4.1 Peroxidasa de soya (SBP) ... . ... . ... . ... 32

- 2.3.4.2 Actividad enzim ática. ... 34

Velocidad de reacción. Cinética de Michaelis- Menten ... . ... . ... . .... . ... . ... 35

2.3.5. Polimeri4ción biomimética. ... . ... . ... . ... 36

2.3.5.1. Hematina.. ... . ... . ... 37

2.4. Inmovilización de catalizadores... ... . ... . ... . .... 39

Inmovilización por medio de enlaces covalentes. ... . ... 39

Inmovilización por interacciones electrostáticas. ... . ... ... . ... . .... 40

Inmovilización por adsorción. ... . ... . ... . ... .. ... . ... 41

2.5. Materiales de sílica mesoporosa. ... . ... . ... . ... . ... 41

2.6. Nanotubos de halloysita. ... . ... . ... 44

Hipótesis ... ... . ... 46

Objetivo general ... . ... . ... 47

4.1. Objetivos Particulares. ... . ... .... ... S. Parte experimental. ... . ... ... .... . ... .... 48

2

5.1. Materiales y reacvos 43

5.2. Síntesis de las sílica meso porosa...48

Sílicq mesoporosa SBA cúbica funcionalizada (SBAcNH2). ... . ... .. ... 48

Preparación de solución amortiguadora de carbonato - bicarbonato de pH 9.5...49

Inmovilización de¡ catalizador biomimético (hematina) en la SBAcNH2. ... . ... Polimerización biomimética de la anilina en el material mesoporoso (SBAcNH2/Hem. r49 49 Inmovilización de la hematina en nanotubos de halloysita . ... . ... 50

D Polimerización biomimética de la anilina en nanotubos de halloysita (HNT/Hem). ... 50

Inmovilización de la peroxidasa de soya (SBP) y polimerización enzim ática de la anilina en materiales de sílica meso porosa (SBAcNH2) y nanotubos de halloysita (HNT). ...50

Medición de la actividad catalítica tipo peroxidasa de los catalizadores, enzimáticosy biomiméticos inmovilizados en los dos diferentes soportes. (SBAcNH2y nanotubos de halloysita) ... ... ... ... ... . ... . ... 51

5.3. Caracterización de los materiales obtenidos. ... . ... . ... 51

6. Resultados y Discusiones. ... 54

6.1. Polimerización enzimática de la PAni utilizando como caçalizador la peroxidasa de soya inmovilizada en: SBAcNH2y nanotubos de halloysita . ... 54

6.1.1. Soportes inorgánicos. ... . ... 54

6.1.1.1. Materiales de sílica mesoporosa ... . ... ... 55

6.1.1.1.1. Caracterización de los materiales meso porosos tipo SBAcNH2. ... 55

6.1.1.1.1.1. Difracción de rayosX. ... ... 55

6.1.1.1.1.2. Fisisorción de N2 de la SBAcNJ-12.. ... ... . .... 56

6.1.1.1.1.3. Microscopia electrónica de transmisión... ... 57

6.1.1.1.1.4. Análisis termogravimétrico ... . ... . ... . ... 58

6.1.1.1.1.5. Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier. ... . ... 59

6.1.1.1.1.6. Espectroscopia fotoelectrónica de rayos X... 60

6.1.1.1.2. Inmovilización de la peroxidasa de soya en SBAcNH2... 61

6.1.1.1.2.1. Caracterización de¡ material de SRA cNH2/SBP... 62

6.1.1.1.2.2. Espectroscopia de UV-visible. ........ . ... 62

6.1.1.1.3. Caracterización de la PAni con el composito de SBAcNH2/SBP. ... . ... 66

6.1.1.1.3.1. Espectroscopia de UV-visible... ... . ... . ... 66

6.1.1.1.3.2. Espectroscopia infrarroja por transformadas de Fourier. ... . ... . ... 67

6.1.1.1.3.3. Análisis Termogravimétrico ... . ... . ... . ... 68

6.1.1.1.3.4. Difracción de rayosX. .... . ... .... ... .,. ...68

6.1.1.1.3.5. Análisis de Microscopia de tránsmisión de barrido. ... . ... 69

6.1.1.1.3.6. Análisis de Fisisorción de N2...70

6.1.1.2. Nanotubos de Halloysita. ... . ... . ... 72

6.1.1.2.1. Inmovilización del catalizador (SBP). ... .... ... . ... 73

6.1.1.2.2. Caracterización de la peroxidasa de soya inmovilizada en nanotubos de halloysíta. ...73

6.1.1.2.2.1. Espectroscopia UV-visible ... ... . .... 73

6.1.1.2.2.2. Análisis termogravimétrico ... . ... .. ... 74

6.1.1.2.2.3. Espectroscopia infrarroja por transformadas de Fourier. ... . ... . .... 75

6.1.1.2.3. Caracterización de la síntesis de la PAni utilizando nanotubos de halloysita con peroxidasa de soya inmovilizada. ... . ... . ... 76

6.1.1.2.3.1. Espctroscopia UV-vísible. ... . ... . ... . ... 76

6.1.1.2.3.2. Análisis termogravimétríco ... . .... . ... 77

6.1.1.2.3.3. Espectroscopia infrarroja por transformadas de Fourier... ... . ... 78

6.1.1.2.3.4. Difracción de rayosX. ... . ... 79

6.1.1.2.3.5. Análisis de microscopia de transmisión de barrido (STEM) ... . ... 80

6.2. Polimerización biomimética de PAni utilizando como catalizador la hematina inmovilizada en: SBAcNH2y nanotubos de halloysita. ... 82

6.2.1. Inmovilización de la hematina en la SBAcNH2. ... . ... . ... 82

6.2.1.1. Caracterización del composito SBAcNH2/Heme. ... . ... . ... .. ... .... ... 82

6.2.1.2. Espectroscopia de UV- visible por reflectancia dfusa. ... . ... . ... 33

6.2.2. Caracterización del composito SBAcNH2/Herne/PAni... 6.2.2.1. Espectroscopia de UV-vísible. ... . ... . ... . ... . ... . ... 85

4

6.2.2.2. Espectroscopia infrarroja por transformadas de Fourier. ... . ... . ... 86

6.2.2.3. Análisis termogravimétrico. ... . ... . ... 87

6.2.2.4. Difracción de rayos X...88

6.2.3. Inmovilización de la hematina en los nanotubos de halloysita ... 89

6.2.3.1 Caracterización de la hematina inmovilizada en nanotubos de halloysita. ... . ... .89

6.2.3.1.1. Espectroscopia de UV-visible. ... . ... .. ... .... ... .89

6.2.3.1.2. Análisis termogravimétricos. ... . ... 90

6.2.3.2 Caracterización de la síntesis biomimtica de la PAni utilizando como catalizador la hematina modificada con nanotubos de halloysita ... . ... 91

6.2.3.2.1. Espectroscopia de UV-visible... ... . ... . ... 91

6.2.3.2.2. Espectroscopia de infrarrojo por transformadas de Fourier. ... . ... 93

6.2.3.2.3. Microscopia de transmisión electrónica ... . ... .. ... 94

6.2.3.2.4. Difracción de rayosX. ... ... ... . ... . ... . ... 95

6.2.3.2.5. Análisis termogravimétrico ... . ... ---- ... 96

6.2.3.2.6. Fisisorción de

...97

6.2.3.2.7. Estabilidad coloidal.. ... . ... . ... . ... .. ... . ... . ... 98

6.3. Resumen de la discusión general de los resultados de los sistemas utilizados para la polimerización de la PAni utilizando dos diferentes soportes. ... . ... . ... 99

Inmovilización de los catalizadores enzimático (peroxidasa de saya) y biomimétíco (hematina) en: SBAcNH2y nanotubos de halloysita. ... . ... 99

Polimerización de la anilina... ... ... . ... .. ... 100

7. Conclusiones. ... . ... 102

Apéndice. ... 104

Bibliografía... .. ... . ... . ... 108

ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS.

......

Figura S. Estructura de la polianilina. (x indica el grado de oxidación en la estructura)...19

Figura 6. Estructuras de la po/lan ilma en sus diferentes estados de oxidación: a) leucoemeraldina, b) emeraldina yc) pernigranilina ... . ... . ... .. ... . ... . ... . ... ... .... . ... 20

Figura 7. Dopado oxidativo de la leucoemeraldina base y dopada con ácidos próticos de emeraldina base para producir la sal de emeraldina ⁽⁸⁾ 20 Figura 8. Dos diferentes rutas para la polimerización enzimática. En la parte superior se observa el acoplamiento -orto tradicional. En la parte inferior la polimerización enzimática de la anilina asistida con plantilla ⁽³⁹⁾ .24 Figura 9. Esquema de la polimerización enzimática de PAni en presencia de poli(estirensulfonato) actuando comoplantilla . ... ... ... ¹ ... . ... . ... .... . ... - ...

. 1 * ....... - .... . ... 24

Figura 10. Esquema de modelo de oligomeros de PAni (color verde) sintetizada enzimáticamen, utilizando como plantilla el ADN ⁽⁴³⁾ 25 Figura 11. Plantillas policatiónicas usadas durante la síntesis de la síntesis enzimática de la PAni auto-dopada (25) 26 Figura 12. A) Complejo autodopado de PAni/PDADMAC); B) Conductividad eléctrica a diferentes pH del complejoautodopado PAni/PDADMAC(29) ... . ... . ... . ... . ... ... ... . ... 27

Figura 13. Grupo Hemo de la estructura terciaria de peroxidasa de soya. Estructura obtenida del banco de datos deproteínas (PDB) ... . ... . ... . ... . ... 31

Figura 14. Esquema del mecanismo de oxidación catalizado por la peroxidasa de rábano picante. ... 32

Figura 15. Estructura terciara de la peroxidasa de soya. Estructura obtenida del banco de datos de proteínas (PDB) ... . .... . ... . ... . ... . ... . ... .. ... . ... . ... . ... .. ...... .. ... 33

Figura 16. Esquema representativo de una reacción enzima-sustrato. ... 34

Figura 17. (a) Estructuras de peroxidasa de rábano picante (HRP)y de soya (SBP); (b) Estructura de la hematina. ... . ... . ... .... ... . ... . ... .. ... 37

Figura 18. Estructura de la hematina ... . ... . ... . .... 38

Figura 19. Esquema del Mecanismo de oxidación catalizado por hematina (tomado de Akkaray col. (u))...39

Figura 20. Claslficafión de 1UPACde materiales en función desu tamaño_. ... . ... ...... . ... 41

Figura 21. Esquemc deformación de los materiales mesoporosos. ... . ... .... 43

Figura 22. Mecanis,o de síntesis de la MCM-41 ⁽⁶¹⁾ 44 Figura 23.Diagrama esquemático de (a) estructura cristalina de halloysita -10 (10 Á)y (b) estructura de nanotubos de halloysita ⁽⁶⁶⁾ 45 Figura 24. Patrón de difracción de la muestra de SBAcNH2. ... . ... . ... .... ... ... ... ... ... 56

Figura 25. Isoterma de presión relativa versus volumen de la muestra de SBAcNH2. ... . ... . ... 57

Figura 26. Micrografías de TEM de las muestras de SRA cNH2...58

Figura 27. Termogramas de la muestra de SBAcNH2.. ... . ... . ... .... ... . ... 59

Figura 28. Espectro infrarrojo de la muestra de SBAcNH2. ... . ... 60

Figura 29. Espectros de XPS de la muestra de SBAcNH2. A) Espectro de baja resolución de la SBAcNH2; b) espectrode Cis; c) espectro de Nis. ... . ... . ... . ... . ... . ... 61

Figura 30. Espectro de UV/visible de las muestra de peroxidasa de soya (SBP) libre y de la muestra de SBAcNH2/SBP. ... . ... . ... . ... .... .... ... . ... . ... 63

Figura 31. Termograma de la muestra SBP/SBAcNH2. ... . ... ... ... . ... . .... . ... 64

Figura 32. Espectro de infrarrojo de la muestra de SBP/SBAcNH2. ... ... . ... .. ... .. Figura 33. Espectro UV -visible de la muestra SRA/SBP/PAni en su estado dopado y desdopado... Figura 34.Espectro de infrarrojo de la muestra SBACNH2/SBP/PA ni... Figura 35. Termograma de la muestra SBAcNH2/SBP/PAni. ... . ... ... í8 Figura 36. Patrón de difracción de la muestra de PAni con soporte y sin soporte. ... . .... ... 69

M

.

Figura 3Z Micrografía de STEM de la muestra de PAni después de/a destrucción del soporte de SBAcNH2 . ... 70

Figura 38. Isotermas de adsorción de N2 de las muestras: SBAcNHz SBAcNH2/SBPy SDAcNH2/SBP/PAni

. ...

Figura 39. Esquema representativo de la SBAcNH2 con enzima inmovilizada y/o PAni

. ... . ...

Figura 40. Estructura de los nanotubos de halloysita. De acuerdo a lo reportado por Guimaraesy col. en donde las esferas rojas representan el O, las blancas H, las amarillas Siy las azules Al. (9V

...

Figura 41. Espectro de UV-visible de la muestra de peroxidasa de saya libre y de la muestra de HNT/SBP

. ...

Figura 42. Termograma de la muestra HNT/SBP

. ... .. ...

Figura 43. Espectro infrarrojo de la muestra HNT/SBP. ... . ... . ... . ... .. ... . ... . ... 76

Figura 44. Espectro de UV-visible de la muestra HNT/SBP/PAni. ... . ... . ... ... ...77

Figura 45. Termograma de la muestra HNT/SBP/PAni. ... . ... ... . ... 78

Figura 46. Espectro infrarrojo de HNT/SBP/PAni. ... . ... .... ... .79

Figura 47. Difractogramas de la muestras de KNT; HNT/SBP; HNT/SBP/PAniy PAni sin plantilla

... . ...

Figura 48. Micrografías de STEM de las muestras de: (a) HNT; (b) HNT/SBP; (c) HNT/SBP/PAniy (d) PAni sii plantillade HNT

. .... . ... . ... . ... . ... . .... 1

...

Figura 50. Espectro de UV- visible por reflectancia difusa de/as muestras de SBAcNHz/Heme

. ... .... ...

Figura 51. (a) Actividad catalítica de la hematina inmovilizada de manera física y química;(b) Termograma de la muestra de SBAcNH2/Heme inmovilizada físicamente

...

Figura 52. Espectro de UV-visible de la SBAcNH2/Heme/PAni. ... . ... . ... . ... . ... 86

Figura 53. Espectro de infrarrojo de la muestra SEA cNH2/Heme/PAni

...

Figura 54. Termograma de TGA de/a muestra SBACNH2/Heme/PAni

...

Figura 55. Difractograma de rayos X de la muestra SBAcNHz/Heme/PAni

. ...

Figura 56. Espectro de UV-visible de las soluciones de: (a) Hematina; (b) HNTy (c) HNT/Heme

. ...

Figura 57. (a) Curvas de termogramas de HNT (línea continua) y catalizador HNT/Heme (línea disco ntinua); (b) actividad tipo peroxidasa de la (A) hematina libre y (.) hematina modificada con HNT a pH 2,0. La concentración de la hematina libre es de (26.3 ^y de la hematina soportada en la HNTes de (127pM)

.... ...

Figura 58. Espectro de UV- visible de las dispersiones de JINT/Heme/PAni: estado (a) desdopadoy (b) desdopado

...

Figura 59. Espectros de infrarrojo de las muestras: (a) HNT; (b) HNT/Hemey (c) HNT/Heme/PA,iI. ... .94

Figura 60. Micrografías de TEM de las muestras de: (p)y (b) HNT; (c) HNT/Hemey (d) HNT/Hen/PAni. ... 95

Figura 61. Pqtrones de difracción de rayos X las muestras de: (a) HNT; (b) HNT/Hemey (c) HNT/Jfeme/PAni.

...u,,.,...

Figura 62. (a) Termogramas de las muestras de los npflQçompositos de HNr/Heme/PAni desdopaa (línea continua) y dsdopada (línea discontinua). (b) Evaluqclóp del catalizador kNT/Heme para la polimerización de laanilina en fntervalo de pH de 1.004.0

. ... ... ... . ... . ...

Figura 63. Ltermas de adsorción de nitrógeno de HN7'y del catalizador HNT/Heme

. ... . ... ...

Figura 64. Curvas de potencial zeta versus pH para: (.4) IINT; (e) HNT/Hemey (.) HNT/Heme/PAni

. ... .... ....

Tabla 1. Ban1a de absorción en UV-visible para los diferentes estados de oxidación de

la

... .. ...

Tabla 2. Resultados del área superficial, volumen de poro y diámetro

de poro. ... . ... . ...

Tabla 3. Posiciones y asignaciones de

las

...

Tabla 4 Conductividades de los materiales obtenidos

. ...

APTES. Amino propil trietoxi silano

PCI Polímeros intrínsecamente conductores.

Enzima. Catalizador biológico de naturaleza protéica.

Gibbisita. Mineral formado de hidróxido de aluminio

Halloysita. Nanotubos formados naturalmente en las capas de geológicas de la tierra, los cuales tienen una composicion de AIOH y Si-0-Si.

PAni. Polianilina

Peroxidasa. Tipo de enzima perteneciente al grupo de las ox.irreductasas.

pl Punto isoeléctrico. Es el pH al que una sustancia anfótera tiene carga neta cero.

PTSA. Ácido p-toluen sulfónico

SBAcNH2. Sílica mesoporosa de orden cúbica funcionalizada con grupos amino propil.

SBP. Peroxidasa de soya.

Sustancia

anfotera. Es aquella sustancia que pueda reaccionar ya sea como un acido o como una base

E.

Resumen

Resumen.

La polianilina (PAni) es uno de los polímeros conductores más importantes, debido a su facilidad de sintetizarse, bajo costo, estabilidad ambiental y propiedades físicas únicas (ópticas, eléctricas y electroquímicas).

Los métodos reportados para la obtención de la PAni conductora son a través de síntesis química y electroquímica, pero estos han limitado las aplicaciones comerciales, debido a su tediosa purificación y condiciones de síntesis extremas. Las síntesis enzimática y biomimética han sido establecidas como alternativas debido a que son reacciones que, a diferencia de la síntesis químca, tienen como único subproducto el agua. En los últimos años se han reportado trabajos utilizando como catalizador la peroxidasa de rábano picante y recientemente en nuestro grupo de trabajo se reporto el uso de la peroxidasa de soya como catalizador enzimático para la PAni conductora, obteniendo excelentes resultados.

En la síntesis biomimética, recientemente se ha utilizado como catalizador el tris(pirazolil)borato de cobre para la polimerización de la anilina. Otro catalizador utilizado es la hidroxiferriprotoporfirina IX, conocida comúnmente como hematina. Este catalizador ha sido reportado para la polimerización de la anilina, solo que es insoluble a pH ácido, y ha sido necesario solubilizarse mediante un injerto o modificación química que conileva varios pasos de síntesis.

En este trabajo, se propone la síntesis enzimática y biomimética de la anilina, utilizando como catalizador la peroxidasa de soya (SBP) y la hematina, respectivamente. Sin embargo, ambos catalizadores presentaron como inconvenientes el estar en medio ácido, condición necesaria para la polimerización de la anilina, por ejemplo la SBP pierde activuad catalítica a pH 2, la hematina tiene poca solubilidad a pH ácido. Una solución que se propuso en este trabajo de tesis para resolver este problema fue la inmovilización de catalizadores en estructuras mesoporosas inorgánicas, obteniéndose excelentes resultados. Por ejemplo tanto la SBP como la hematina inmovilizadas en sílica mesoporosa (SBAcNH2) y Halloysita presentaron una Km a pH 2 menor que cuando se encontraban en estado libre, lo anterior indica que al estar inmovilizadas su afinidad o capacidad de reaccionar ante un sustrato aumenta, además la SBP inmovilizada presentó actividad catalítica después de ser almacenada por una semana a pH 2, y la hematina inmovilizada fue catalíticamente activa bajo condiciones de pH ácido.

La polianilina obtenida por medio de síntesis enzimática y biomimética utilizando como catalizadores los compositos de SBAcNH2/SBP; HNT/SBP; SBAcNH2/Heme y HNT/Heme, presentó

de rayos X, además de presentar conductividades del orden de 10 1Scm-1 por ambos métodos de polimerización, la cual es relativamente alta comparada con sistemas de síntesis similares.

10

Introducción

Capitulo 1

1. Introducción.

Hace 60 años se pensaba que los polímeros eran totalmente aislantes. Sin embargo en 1977 Shirakawa y col. descubrieron el primer polímero conductor, el poliacetileno con conductividades del orden de 10-5Scm-1, este polímero orgánico puede alcanzar un valor similar a la conductividad eléctrica del aluminio. A partir de este descubrimiento surgieron nuevas investigaciones ¿:on diferentes polímeros, tal es el caso de la polianilina, el polipirrol, y el politiofeno entre otxos.

Dentro de estos polímeros el más estudiado hasta ahora es la polianilina debido a su facilidad de sintetizar y sus propiedades ópticas, electrónicas y electroquímicas.

Algunos de los métodos de síntesis de polianilina más comunes son la síntesis química y electroquímica, sin embargo estos tipos de métodos han limitado las aplicaciones comerciales, debido a su tediosa purificación. Otros métodos de síntesis que se han establecido como alternativa son la polimerización enzimática y biomimética, debido a que su único subproducto generado es el agua. En los últimos años se han reportados trabajos utilizando la peroxidasa de rábano picante (HRP) como catalizador para la polimerización enzimática de la anilina y recientemente en nuestro grupo de investigación reportamos por primera vez el uso con excelentes resultados de la peroxidasa de soya para la polimeri'zación de la PAni eléctricamente conductora. Sin embargo a pesar de que la enzima muestra una alta reactividad bajo condiciones - normales, existe la posibilidad de una desnaturalización o inacivación por cambios en el pH o temperatura extrema. Por otro lado en el caso de la polimerizaci5n biomimética, los catalizadores - que han sido recientemente reportado son: tris(pirazolil)boratode cobre en medio parcialmente orgánico para la polimerización de la anilina. Además de la hidroxilferriltroprotoporfirna IX, conocida comúnmente como hematina, la cual ha sido reportada por Akkara y col. para la polimerización del etilfenol, también ha sido reportada para la polimerización de la anilina, solo que existe un problema, la hematina es insoluble a pH ácido (necesarios para la polimerización de la anilina) y ha sido necesario solubilizarla mediante un injerto con el PEG, sin embargo este método es tedioso y complicado. Una solución para los problemas de insolubilidad de la hematina a pH ácido y la desnaturalización o inactivación de la enzima debido al pH es la inmovilización. La inmovilización de enzimas, ha sido ampliamente usada en el campo de la biocatálisis y biosensores. Al inmovilizar las enzimas, las condiciones extremas tienen menos efectos en los cambios estructurales de la enzima activa. Los materiales que son utilizados como soportes para

favorecen la adsorción de la enzima y un diámetro de poro ligeramente mayor o semejante al tamaño de la partícula. Algunos de los materiales que cumplen con estas características son: las sílica mesoporosa sintética, las zeolitas naturales y la Halloysita. Esta última, se define como una estructura inorgánica formada por dos capas de sílica-aluminosilicatos. La superficie interna es conocida como gibbisita (conjunto de grupos aluminol Al-OH) y la superficie externa está compuesta de grupos Si-0-Si. Esta estructura es similar a la superficie de la caolinita pero con una morfología tubular, con dimensiones del orden de los submicrometros, en donde el diámetro está en un intervalo de 40 nm a 250 nm y longitud de 1 l.Lm a 15 im. Recientemente se ha reportado que estos materiales se pueden utilizar en la inmovilización de catalizadores como la metaporfirina, además de productos farmacéuticos para liberación controlada de fármacos (1) Otro uso es como nanoreactores para la polimerización de la anilina.

Algunos materiales inorgánicos utilizados como soporte para la inmovilización de enzimas y polímeros conductores son la MCM-41, Mordenita, SBA-15 entre otros. Recientemente Flores- Loyola y col. (2) reportaron la polimerización enzimática de la PAni, con peroxidasa de rábano picante (HRP) utilizando como soportes para la polimerización la MCM-41, rrfordenita y fibra de vidrio.

En esta tesis se reporta la polimerización enzimática y biomimética de la poianilina utilizando materiales inorgánicos mesoporosos como soportes del catalizador. Para este tipo de polimerizaciones se utilizó como catalizador enzimático la peroxidasa de soya inmovilizada en SBAcNH2 y halloysita y la hematina inmovilizada en SBAcNH2 y halloysita como catalizador biomimético. También, se presentan los resultados de la caracterización de los materiales obtenidos por medio de técnicas de difracción de rayos X, espectroscopia infrarroja por transformadas de Fourier, microscopia de transmisión electrónica, análisis mediante termogravimetría y espectroscopia UV-visible.

12

Antecedentes

Capitulo 2

2. Antecede tes.

2.1. Polímeros conductores.

Cuando se piensa en los polímeros, tal vez se visualiza un plástico común, como es el caso del polietileno, uno de los polímeros que más usamos en nuestra vida diaria. Estos polímeros son materiales eléctricamente aislantes y en contraparte hasta hace muy poco, la conductividad eléctrica en polímeros (originada por la presencia de iones débilmente unidos a estos polímeros) fue considerado como un fenómeno poco deseado. Entonces, si se piensa en un polímero conductor, viene a la mente un material compuesto (un material plástico con una carga conductora generalmente partículas metálicas o de carbón). Sin embargo, los polímeros intrínsecatnente - conductores (PCI) (también llamados metales orgánicos) son polímeros orgánicos que po9en propiedades eléctricas, electrónicas, magnéticas y ópticas similares a las de un metal; pero que9ún conservan las propiedades mecánicas de procesabilidad, asociadas a un polímero convenciorial.

- Estos materiales no necesitan de ninguna carga conductora (3) El origen de la conductividad eléctrica en los polímeros PCI o polímeros electrónicamente conductores es consecuencia de una estructura química conjugada, principalmente formada de un esqueleto carbonado donde también puede haber la presencia de heteroátomos y con un sistema Ti deslocalizado extendido, que permite la movilidad de electrones y cargas a través de este sistema.

Los polímeros electrónicamente conductores tleDen estructuras conjugadas, en dorde la cadena de¡ polímero consiste de enlaces alternados [supçillos (enlaces a) y dobles (enlaces )] (Fig. la).

Sin embargo, la conjugación por sí sola, rq Os suficiente pra convertirlo en un polímero conductor, adicionalmente se requiere la prppcia de un agente dopante (el dopante genera cargas extras en la cadena de¡ polímero conjug4p) (Fig ib).

Figura 1. Representación de dos moléculas de poliacetileno: sin dopar (a) y con moléculas dopantes (b). Los enlaces dobles bien definidos de la molécula sin dopar lo hacen ser mal conductor, mientras que los enlaces difusos (líneas discontinuos) representa las bandas semillenas de la molécula conductora.

El concepto de dopaje es tema central y único bajo el cual se identifica y unifican los polímeros intrínsecamente conductores y al mismo tiempo los distingue del resto de los polímeros (45)• El dopaje en un semiconductor convencional como el silicio, es muy diferente al de un polímero orgánico conjugado. En un semiconductor convencional el dopante es una pequeña cantidad de un donador o aceptor de electrones que es introducido dentro de las capas atómicas resultando un cambio en la ocupación de los estados electrónicos en los sólidos como consecuencia de la ionización térmica del dopante. Por el contrario, en el dopaje de un polímero conductor, se necesita una mayor cantidad de donadores o aceptores de electrones, en la cual la presencia de dopante en las cargas estructurales de un polímero conjugado es significativamente diferente al de un material desdopado, es decir, el dopante altera la estructura de polímero debido a la transferencia de carga que ocurre entre el dopante y el polímero, provocando que ambos tengan cargas iónicas en la cadena (Fig. 1). El nivel de dopaje puede ser reversible y controlado ⁽⁶⁾

Existen diferentes tipos de dopajes para los PCI los cuales se mencionaran a continuación:

Do paje Redox. Este tipo de dopaje lo presentan en su gran mayoría los polímeros conductores, y se debe a una oxidación o reducción de la estructura del polímero y puede Ilevarse a cabo por medio de un proceso químico o electroquímico. Durante este proceso, el número de electrones asociados a la cadena polimérica cambia. Existen dos formas de este tipo de dopaje.

14

Antecedentes Dopaje tipo-p, que consiste en la oxidación parcial de la estructura —it de un polímero, en dónde la eliminación de electrones, produce una carga positiva en el polímero. En el otro caso, el dopaje tipo n se logra cuando hay una reducción parcial del sistema - it en la cadena polimérica, produciendo así una carga negativa en el polímero.

En los procesos de dopaje tipo "n" o "p" las cargas positivas y negativas del polímero se deslocalizan y se compensan con la incorporación de contraiones (aniones o cationes) a los cuales se les conocen como dopantes. La conductividad eléctrica puede ser controlada por la cantidad de dopante presente ⁽⁶⁾

foto-dopaje, este dopaje ocurre cuando en una estructura trans- (CH),, se expone a una energía de radiación UV-visible, que ocasiona la formación de solitiones (carga jónica en una región localizada de un polímero conductor) positivos y negativos en la estructura polimérica (7), como se esquematiza en la figura 2:

H H H H 4

hV trr1s-1CH)x

C C

H H H H H

Figura 2. Esquema representativo del foto-dopaje en un polímero intrínsecamente conductor. (7)

Dopaje de tipo no-redox. Este dopaje es diferente del dopaje redox, debid9 a que la cadena polimérica no sufre cambio en el número de electrones durante el proceso de dopaje. Un ejemplo de este tipo de dopaje es la emeraldina base al ser dopada con ácidos próticos (Fig. 3). También se conoce como dopaje de tipo ácido-base.

Emeraldina base

Dopado con ácidos próticos.

emeraldina

Figura 3. Dopaje de la emeraldina base con ácidos próticos.

(fotocromismo) de acuerdo al estado de oxidación. Esta propiedad se debe a la conjugación de dobles enlaces presentes en la estructura polimérica de los PCIs, y se relaciona con el nivel de dopaje. Este nivl de dopaje se puede modificar de dos formas: 1) electroquímicamente, mediante la introducción te un potencial eléctrico al polímero; y 2) químicamente por medio de oxidación o reducción, del PCIs por la adición de un ion dopante.

Los cambios de color en la región visible para los PCIs suelen ser muy pronunciados. Por ejemplo, el polipirrol no dopado presenta un color amarillo verdoso, y cuando se ,encuentra altamente dopado cambia a un color negro, otro ejemplo es la polianilina que al ser altamente dopada, es de color verde intenso y al desdoparla cambia a color azul oscuro. Estos cambios son fácilmente detectables y analizados por medio de espectroscopia de UV - visible.

En términos prácticos, la conductividad eléctrica en los polímeros intrínsecamente conductores se logra por medio electroquímico o por oxidación química, utilizando especies catiónica o aniónicas, llamadas dopantes. Esto quiere decir que la cadena polimérica de estos materialese oxidada o reduce al introducir centros de cargas antes de que el material adquiera la capacidad de conducir la corriente eléctrica.

- Para explicar la conductividad eléctrica de los PCI a temperatura ambiente es necesario recurrir a los conceptos de materiales: aislantes, semiconductores y conductores.

En un material conductor el flujo electrónico proviene del movimiento de electrones, los cuales pueden moverse dentro y a través de los estados discretos de energía conocidos como bandas electrónicas. Una de las explicaciones asociadas a este tipo de materiales es la teoría de bandas. Sin embargo, los polímeros conductores son inusuales debido a que'ellos no conducen los electrones usando el mismo mecanismo descrito para materiales conductores, y por lo tanto, las propiedades electrónicas de los polímeros conductores resultan de la movilidad de las cargas introducidas en el sistema ir-conjugado a través del dopaje.

Para la explicación del fenómeno electrónico de los polímeros conductores han surgido nuevos conceptos tales como: solitiones, polarones y bipolarones. Un polarón, es la combinación de un sitio con carga y un radical. Este puede ser un radical- catiónico o radical - aniónico, los cuales se encuentran deslocalizados sobre algún segmento del polímero. Por otro lado, la oxidación de un polarón, crea un dicatión o bipolarón. Tanto los polarones como los bipolarones son móviles y

16

Antecedentes

pueden deslocalizarse a lo largo de la cadena polimérica por medio de arreglos de enlaces dobles y sencillos en el sistema conjugado.

Como ya se mencionó, con el fin de hacer un PCI, es necesario introducirle una carga móvil en el sistema conjugado. Esto se logra mediante reacciones de oxidación y reducción al introducir contraiones (dopante). Los polímeros conjugados desdopados que son semiconductores, por lo general presentan conductividades bajas a temperatura ambiente que van desde 10 8Scm' o menos. Sin embargo, con el dopaje la conductividad se incrementa varias órdenes de magnitud.

Durante el proceso de dopaje, un polímero conjugado aislante o semiconductor que tiene conductividades pequeñas de 10-10 a 10-15 Scm-1, pueden convertirse en un polímero conductor (1 a 10-4 Scm-1) (Fig. 4) ^{(3) (6)•}

Plata Cobre Fe Bismuto

Germanio Silicon

Bromuro de silicon Vidrio Diamante Cuarzo

106 Scn

10

1 10,6

08 0 10 0-12 0 18

PA ca>1 0 Scm 1

DOPADO

SIN DOPAR

Ppy a>1 O 1 Scm

Figura 4. Conductividades de algunos metales y polímeros conjugados dopados.

En la figura 4, la conductividad eléctrica se representa en Siemens/cm (1 Siemen = 1 fl 1, S/cm = 11 1 cm-'). Tomando en cuenta la ley de Ohm (E= IR) (donde E es voltaje, 1 es corriente y R es resistencia), la conductividad (generalmente es representada por a) es recíproca de la resistividad (generalmente representada p, en unidades de fl*cm), las cuales pueden ser definidas como:

.E /

=

(i dtsiwula) /

II , (1)

/ d'Áreci

Muchos PCI era ya conocidos en sus formas no-conductoras antes de que se descubrieran sus características especiales de conductividad. El primer trabajo que describió la síntesis de un polímero conductor fue publicado en el siglo XIX, y al mismo tiempo la "anilina negra" fue obtenida como producto de la oxidación de la anilina, sin embargo sus propiedades electrónicas aun no eran

col. (7) como un polvo negro y llegó a ser un semiconductor con conductividades en intervalos de 10.11 a 10 Scm-1, dependiendo de cómo el polímero fuera procesado y manipulado. En 1967 un colaborador de Shirakawa del Instituto de Tecnología de Tokio, estaba tratando de sintetizar poliacetileno y obtuvo una delgada película plateada como resultado de un error, el cual consistió en que agregó tres veces más cantidad de catalizador Ziegler -Nafta (Ti (O-n-But)4 - Et3AI) del requerido. Cuando la película plateada fue investigada se encontró que poseía una conductividad más alta que lakeportada. Entre los años 1971 y 1975, Shirakawa y sus colaboradores prepararon películas de poúacetileno usando catalizadores de Ziegler, y dos años más tarde, reportaron la conductividad de las películas de poliacetileno usando dopantes tipo-p como los halógenos, en esta investigación colaboraron los profesores H. Shirakawa, A. Heeger y A. MacDiarmid, y un año después se publicó el efecto que se tiene al introducirle donadores de electrones (dopado tipo n).

Siguiendo este trabajo se iniciaron más estudios sobre los PCI, siendo los más estudiados hasta ahora la polianilina, polipirrol y el politiofeno.

2.2 Polianilina.

La polianilina es un polímero conductor orgánico conjugado con enlaces de tipo -Tt, el cual ha sdo intensamente estudiado durante los últimos 20 años por su bajo costo, buenas propiedales eléctricas y ópticas y alta estabilidad química y ambiental. La PAni tiene mucho potencial pra aplicacior3es prácticas como por ejemplo: para dispositivos nanoelectrónicos, sesor para la oxidación de moléculas de gas (ej. NO2), capa protectora de metales para la corrosión, fluidos electrorreoógicos, biosensores, baterías, entre otras.

La PAni es un polímero conjugado que presenta en su estructura enlaces alternados dobles, y sencillos. Su estructura varía en función del grado de oxidación (Fig. 5).

Antecedentes

I

.JQNQN

x x-1

Si,x=1

Si, x=O (x-1)

N Q NO N NO_

Figura S. Estructura de la polianiluta. (x indica el grado de oxidación en la estructura).

Entre los polímeros conjugados, la polianilina representa un caso especial donde el dopaje de la forma neutral, sin oxidar, del polímero implica la transferencia del electrón y protón, es decir sus propiedaces eléctricas pueden ser modifica4as por dopaje tipo "p" (cambio de) estado de oxidación) o afectando los estados de protonaçlór1 (ácido- base).

Debido a la capacidad de intercambiar su estado de oxido-reducción, la PAni es uno de los polímeros conductores que puede sufrir cambios en su estructura, que a su vez originan cambios en color, conductividad y propiedades fisicoquímicas. Los principales estados de oxidación se representan en la figura 6, en donde la forma completamente reducida se conoce como la leucoemeraldina (x= 1) (Fig. 6a) y la forma totalmente oxidada es pernigranilina (Fig. 6c) (x=O) la cual es un aislante. El polímero que posee un 50% de oxidación se le llama emeraldina (x= 0.5)(Fig.

6b). Esta forma es de especial interés debido a que es la única estructura de la PAni que muestra capacidad intrínseca de conductividad eléctrica debido a su estado redox y este se puede incrementar varios órdenes de magnitud al ser dopada.

a - D-O-

Pq

Figura 6. Estructur4s de la polianilina en sus diferentes estados de oxidación: a) leucoemeraldina, b) emeraldina y c) pernigranilina.

El dopado de la PAni se realiza ya sea mediante la oxidación de la leucoemeraldina o mediante la protonación de la emeraldina (Fig. 7). Una propiedad característica de la PAni es que puede pasar de la forma sal a base por medio de un tratamiento de ácido-base. En general, el tipo y las condiciones de síntesis determinan la estructura química de la cadena polimérica, y consecuentemente las propiedades físicas y químicas del polímero formado. Generalmente, el pH ácido (<3) y la temperatura baja (0°C) favorecen la formación de la emeraldina base que es la forma conductora de la PAni.

OLOiOiG$

+2et -2e

Sal de emeraldina 2H -2H Leucoemeraldina

-HA /=\

+ 2et l-2e +2ef I-2e Emeraldina base

+2Hft2H +2H1T2H

-HA

Sal de pernigranlina

ZW

Pernigranilina base

Figura 7. Dopado oxidativo de la leucoemeraldina base y dopada con ácidos próticos de emeraldina base para producir la sal de emeraldina ^(8)•

Todas las sales de PAni están químicamente dopadas y entre sus diversos estados de oxidación solo la sal de emeraldina es eléctricamente conductora, esto e debido a la deslocalización de radicales catiónicos ^(9-11), a los que se les llama estructuras "poarónicas" o "bipolarones". Estas formas se pueden monitorear por medio de espectroscopia de UV-visible-NIR debido a sus bandas características de absorción máxima en esta región del espectro electromagnético (Tabla 1). Sin

20

Antecedentes

embargo, la absorción máxima a determinada longitud de onda, que se reporta en la literatura para las diferentes formas de la PAni, depende en gran parte de las condiciones experimentales, tipo del solvente, de la estructura química real y de la conformacfón de la PAni.

Tabla 1. Banda de absorción en UV-visible para los diferentes estados de oxidación de la PAni.

Tipo de pollanillna Max. Absorción

Reportada (nm) Comentarlos Referencias

unuiacles diamina benzenoije (it-1t) (12-16).

334-338 nm: se observan olgomeros

Unidades diamina bencenoides ^(it.it*) (12), (14-15)

Unidades diamina bencenoide (Ti-t') (12), (17), (13), (18), (14), (15).

320 nm: se observan los oligomeros (19) Unidades duma quinoides (16), (20) 572 nm se observa para trímero.

678 nm: se observa para el octamero.

Unidades diamina bencenoide (n-n") (14), (15) Anillos quinoides (polarón) indica la (21), (22), (14-15) presencia de radicales catiónicos.

Indica la presencia de ramificaciones (21), (23), (24-25) Anillos quinoides (14-15)

Transición del polarón, indica la (22), (14-15), (26), (27), (28), presencia de polai-ones. (21)

Leucoemeraldina base

Sal de

leucoemeraldlna Emeraldlna base

Salde emeraldina (forma conductora)

3 15-344 298<300 318-326 590-634 '325

413 430-440

435 360,440 500-600 665 700-740

775 780

827

Asignada la posición para-en la (21), (23-24), (29).

>750 estructura de la PAni conductora

Banda característica de la PAni de alta (14-15).

>900 conductividad en películas.

23. Métodos de síntesis de la polianilina.

El método más común para la polimerización de la anilina es la oxidación química. Esta reacción comúnmente se reáliza bajo condiciones drásticas, usando como oxidante el peroxidisulfato de amonio ((NH4)2S208), dicromato de potasio (K2Cr2O7) o cloruro férrico en soliciones altamente ácidas, aunque también las síntesis electroquímica, enzimática y biomimética son métodos alternativos. Sin embargo en la polimerizacione química y electroquímica de la anilina se utilizan condiciones de síntesis muy drásticas como son el uso de ácidos inorgánicos fuertes además, su purificación conlleva varios pasos y es tediosa. En cambio en los métodos enzimático y biomimético de síntesis, las condiciones de reacción son moderadas y por lo general el proceso es benigno al medio ambiente y que el único subproducto de la reacción que se obtiene es el agua.

La polianilina se obtiene mediante la oxidación directa de la anilina por agentes oxidantes apropiados, tales como: dicromato de potasio (K2Cr2O7) (30), persulfato de amonio ((NH4)25208), peróxido de hidrógeno (H202), entre otros (31) La reacción se puede llevar a cabo con diferentes relaciones molares de monómero y del agente oxidante. La reacción de síntesis se efectúa, por lo general, en un medio ácido, utilizando la mayoría de las veces ácido clorhídrico o ácido sulfúrico a pH O - 2 (30) Sin embargo la polianilina sintetizada bajo estas condiciones puede dar lugar a variaciones en 1Jipo estructura química. Entre otras, la formación de enlaces de tipo -N-N-, formación de unidades de fenazina, además que el contraión del oxidante puede actuar como dopante en el polímero e interferir en la conductividad eléctrica.

2.3.2. Polimerización electroquímica.

La síntesis electroquímica de la PAni consiste, de forma general, en una reacción de oxidación anódica de anilina sobre el electrodo metálico inerte. Por lo general la oxidación de la anilina se realiza sobre un electrodo de platino (32), aunque también se han reportado electrodos de cobre (33), zinc, oro, plomo (34), etc.

Este método ofrece algunas ventajas sobre los métodos químicos clásicos. Por ejemplo, el produto que se obtiene, está libre de impurezas y por lo tanto no es necesario separarlo de la mez1a monómero/oxidantes o disolvente. Sin embargo, algunos autores reportan que mediante este método se producen subproductos de reacción indeseables, tal es el caso de bencinas solubles, las cuales se depositan sobre el electrodo donde se sintetiza el polímero. Este fenómeno influye de manera importante sobre la adherencia y la homogeneidad de la PAni depositada y bajo estas condiciones el rendimiento del polímero disminuye.

2.3.3. Polimerización enzimática.

El uso de las enzimas como catalizadores ha atraído gran intérés en los últimos años, ya sea porque se puede utilizar en la síntesis química o en la transformación de procesos industriales.

Una de las principales razones de este interés, es su baja toxicidad y alta selectividad. Además, las enzimas al ser catalizadores biológicos por lo general ñincion4n bajo condiciones de reacción moderadas (temperatura ambiente, presión atmosférica y pH neutral). Por estas razones el uso de

22

Antecedehtes

las enzimas ofrece una gran oportunidad para ser utilizadas en la síntesis efectiva de nuevos materiales que no se ha conseguido por medio de métodos convencionales (^35)•

En la última década el empleo de enzimas de tipo oxirreductosas ha surgido como alternativa viable e interesante, particularmente en el polimerización de la polianilina (PAni), polipirrol (PPy) y algunos monómeros derivados del tiofeno (3,4 etilendioxitiofeno, EDOT).

Las peroxidasas , entre las que se encuentran las peroxidasas d rábano (HRP) y la peroxidasa de soya (SBP), son hemoproteinas (36) que pertenecen a la familia de las oxirreductasas, las cuales catalizan reacciones de oxidación de donadores próticos aromáticos en presencia de peróxido de

hidrógeno (37)•

Las peroxidasas, particularmente la peroxidasa de rábano picante (HRP, por sus siglas en inglés) y la peroxidasa de soya (SBP, por sus siglas en inglés), catalizan las reacciones de oxidación del fenol, de la anilina y de sus derivados, utilizando peróxido de hidrógeno como oxidante ^(37)•

Algunas de las principales estrategias reportadas, de catálisis enzimática de la PAni se detallan a continuación.

- Síntesis enzimática de la PAni asistida con plantillas. Esta síntesis puede realizarse de dos maneras:

Polimerización enzimática asistida con plantillas polianiónicas. La actividad enzimática de la peroxidasa es óptima a pH neutral, sin embarIq estas condiciones de síntesis no son apropiadas para la obtención de la emeraldina que es la forma conductora de la PAni. Es bien conocido que bajo estas condiciones de síntesis ocurren ramificaciones y entrecruzamiento durante el proceso de polimerización, ocasionado por multisustituiones en el anillo aromático y por el acoplamiento tipo-orto 4e los radicales anilinio (38) DQ acuerdo a diversos estudios publicados sobre polimerización química, el acoplamiento lpo-para de los radicales anilinio ocurre predominntemente a pH< 4.0, desafortunadaipente a este pH la enzima 'HRP se desactiva.

Samuelso y col. (3) propusieron el uso de plantillas en la polimerización enzimática de la anilina con el fin de favorecer los acoplamientos cabza-cola de los radicales anilinio, condición que permitió la formación de la PAi conductora (Fig.8).

NH2 1 HRP

H202

sps

HRP Ir H202

e

NN? NH7

— 6-6—

+

N H

(H • H H

', 0 U Ú Nol:~~S03

S03

[ SO'* fn

Figura 8. Dos diferentes rutas para la polimerización enzimática. En la parte superior se observa el acoplamiento -orto tradicional. En la parte inferior la polimerización enzimática de la anilina asistida con plantilla ^(39)•

El primer polímero que se propuso como plantilla molecular fue poli (estirén sulfonato)(PSS), un polímero aniónico soluble en agua, que induce el acoplamiento tipo -para de los radicales anilinio, y actúa como un polielectrolito, proporcionando así un ambiente "local" de pH, que favorece la síntesis del polímero conductor, en este caso particular, se utilizó la HRP como catalizador (Fig. 9).

El resultado de ello, fue la formación de un complejo PAni/polianión, cuyos resultados de la caracterización por espectroscopia Uy/visible y FTIR difracción de rayos X indican la formación de un polímero lineal de PAni, eléctricamente conductor.

v ,... HRP

H202

anhlina ^ =polianifina

Figura 9. Esquema de la polimerización enzimática de PAni en presencia de poli(estirensulfonato) actuando como plantilla.

Otros polielectrolitos negativos que han sido reportados como plantillas en la polimerización enzimática de la PAni son: el ácido poli(vinilsulfónico) (40), ácido poli(vinilfosfórico) ⁽⁴¹⁾ y el ácido

24

Antecedentes

desoxirribonucleico (ADN) (42) Es importante mencionar que en el caso de este último polielectrolito, se encontró que el ADN como plantilla induce la formación de oligómeros de PAni de seis unidades monoméricas. En el modelo para la construcción de los oligómeros de la PAni, se encontraron ángulos de torsión para los enlaces conectados para los monómeros de anilina que corresponden a estructuras helicoidales, es decir el polímero adquiere la conformación helicoidal de la plantilla de¡ ADN (Fig.10) ⁽⁴³⁴⁴⁾

Figura 10. Esquema de modelo de oligomeros de PAni (color verde) sintetizada enzimáticamente, utilizando como plantilla el ADN ^(43)•

Polimerización enzimática de la anilina asistida con plantillas policatiónicas. El autodopaje completo de la PAni no es fácil de alcanzar, debido a la baja reactividad de anilinas ácido- - funcionalizadas. Kim y col. (29), reportaron una alternativa, enfocándose en la polimerización enzimática con platillas. Anteriormente, solo se usaban plantillas polianiónicas para la síntesis de la PAni. Sin embargo, las anilinas ácido-funcionalizadas contienen carga aniónica en soluciones - acuosas, y al intentar usar PSS como plantilla con anilina-funcionalizada con grupos carboxilo resultó un polímero de color cobrizo. El uso de plantillas policatiónicas, como las que se muestran - en la figura 11 permiten la síntesis de la PAni lineal y eléctricamente conductora con la facultad de

autodopaje debido al efecto del grupo carboxilo presente en la cadena polimérica.

_1 _Çj IBr CH2CH2OH

4OI4

NN

H_____

H2-C

1 H2N '-' -x

Figura 11. Plantillas policatiónicas usadas durante la síntpsts enzimática de la PAni auto-dopada ⁽²⁵⁾

Otro tipo de plantilla catiónica usada para la sfntesis enzimática de la PAni carbxilada es la poli(clorodjatildimetil amonio) (PDADMAC), ço la cual el complejo de PDADMAC /PAni alcax1zó una condqctividad de 0.3 Scm-1 después de ser dopada con HCI. Otra inusual caracter(stica de llo te complejo fue su conductividad eléctrica a pHqtps. (Fig. 12). La conductividad de la PAni po regular decrece a pH 3 debido al desdopaje de polímero. Sin embargo el complejo c$e PDADMAC /PAni presenta un decremento a pH 3 debido al desdopaje del polímero, pero a pl-j 11 y pH 13 presentó un dramático incremento en la conductividad eléctrica provocado por la transición electrónica que es evidente en st espectro de UV-visible, lo que se debe a

un

tipo

con

26

Antecede)ites

A)

N N N N N

coo- coo- coo- coo. coo-

__O _H_O_H N N--O—NH—O—NH _O_H N—

H3CO H3CO H3CO

H3

13)

a

a

u

a u

u

a

- u

- . u

u • •

u • • u • • •

pH

Figura 12. A) Complejo autodopado de PAni/PDADMAC); B) Conductividad eléctrica a diferentes pH del complejo autodopado PMi/PDAtMAC ⁽²⁹⁾

Sín tesis enzimática de la PAni libre de plantillas.

Síntesis enzimática libre de plantillas. La mayoría de los trabajos relacionados con la síntesis enzimática de PAni han tomado como estrategia la polimerización asistida con plantillas y únicamente un par de trabajos se han enfocado al desarrollo de métodos de síntesis sin el uso de plantillas. En nuestro grupo, hemos aprovechado como ventaja la alta estabilidad de la peroxidasa de soya (SBP) a un pH bajo para sintetizar la PAni en medio acuoso a pH 3, usando el ácido p-

preparada bajo estas condiciones de reacción es muy similar a la obtenida por el método tradicional de oxidación química. Kim y col. (29) polimerizaron tres difereñtes monómeros, derivados de la anilina, utilizo la HRP a pH 3 en un medio parcialmente orgánico con metanol como codisolvente. Para evitar la formación de ramificaciones o entrecruzamiento de las cadenas de PAni durante la polimerización se utilizaron monómeros con grupos metilo o metoxi en las posiciones orto del monómero de anilina. El espectro de FTIR mostró que la forma desdopada de la PAni sintetizada correspondía a la leucoemeraldina, la forma reducida de este polímero.

Síntesis enzimática de la PAni en medio dispersante. Como ya se mencionó en párrafos previos una de las principales características requeridas para las propiedades eléctricas y/ópticas en un polímero es la estructura conjugada, la cual puede estar sujeta a oxidación o reducción por aceptores o do9adores de electrones. Debido a la deslocalización de los electrones-Ti en los polímeros conjugados, la rigidez de la cadena es frecuentemente una propiedad predominante y como consecuencia de esto, la agregación de las cadenas es típica en tales materiales. Esto origina dificultad en su procesamiento, lo cual ha sido una de las principales desventajas en el área. Por consiguiente, se han desarrollado varias técnicas para facilitar su procesabilidad. Un proceso desarrollado en años recientes, utiliza la ventaja de la agregación para formar dispersiones coloidales de los polímeros conductores. En este campo se han usado dos métodos para producir dispersiones estables. En el primero, se utiliza una ruta de polimerización por dispersión en la cual la precipitación macroscópica se evita por medio de la adsorción de una capa delgada de un estabilizador polimérico apropiado, que actúa como estabilizador estérico. En el segundo caso se injerta el estabilizador al polímero conjugado para formar un copolímero.

En el caso particular de la polianilina, cuando está protonada con ácidos inorgánicos es difícil procesar debido a que no puede ser disuelta o fundida por debajo de su temperatura Oe descomposición en su estado conductor. La protonación con ácidos orgánicos que contiene grupos de hidrocarburos voluminosos, el uso de surfactantes y la formación de dispersiones coloidales son estrategias que se han implementado para aumentar la procesabilidad de este polímero. En este último ejemplo, la dispersión se produce mediante la polimerización in situ.

Los primeros trabajos reportados sobre dispersiones coloidales de PAni fueron por medio de polimerización química en un medio acuoso, usando un polímero soluble en agua como estabilizador estérico (46) Pero más recientemente, la polimerización enzimática ha resultado muy atractiva para la síntesis de los coloides de PAni debido a su uniformidad y control de los estados de oxidación (45) A diferencia de la polimerización donde se utiliza plantillas de PSS en la

Antecede tes

polimerización por medio de dispersión, el estabilizador se une principalmente a la superticie de los coloides proporcionando dipersibilidad en el agua sin dopar a la PAni. Takamuka y col. ⁽⁴⁷⁾ reportaron el uso de los polímeros no-jónicos como poli(vinil-pirrolidona) (PVP), poli(oxido de etileno) (PEO), y poli(vinil alcohol) (PVA) como estabilizadores durante la polimerización en medio acuoso (47)• En nuestro grupo de trabajo se estudió la síntesis enzimática de los coloides de PAni usando como estabilizadores estéricos el PVA, poli(N-isopropilamicrilamida), quitósan, y diferentes ácidos como ácido camforsulfónico (CSA) y ácido toluensulfónico (TSA) como agentes dopantes (48)• Estos estudios indican que la morfología de los coloides depende del ácido dopante, usado durante la síntesis de los coloides de la PAni. En estudios posteriores encontramos que cuando se usa quitosano o poli(N-isopropilacrilamida) como estabilizadores estéricos (48) (49), se obtienen nanopartículas coloidales, que presentan respuesta a cambios de pH o temperatura, que se manifiesta como una respuesta a cambios de pH o temperatura.

Síntesis enzimática de la PAni usando micelas como plantillas.

El sistema micelar es muy similar a las reacciones de polimerización enzimática con plantillas. Las micelas funcionan como nanoreactores, en las cuales el monómero de anilina se introduce previo al inicio de la reacción, a bajo pH, ideal para la formación de la PAni lineal conductora. Este ambiente local es crítico para la formación de la alineación de los monómeros de anilina, y así formar la PAni (conductora o aislante) durante la reacción. Los surfactantes reportados para la polimerización enzimática de la PAni utilizando micelas como plantillas son: dodecil benzoato de sodio (SDBS), bromo hexadeciltrimetilamonio (CTAB) y octilfenol poli(éter de etilenglicol) (Triton X-100) (23) Las polianilinas obtenidas por este método son solubles en solventes orgánicos como:

dimetilformamida (DMF) y dimetilsulfóxido (DMSO). El sistema micelar es considerado como un nanoreactor para la síntesis de la PAni.

Síntesis enzimática de la PAni utilizando nanoestructuras.

Los materiales de sílica mesoporosa poséen una gran área superficial y estructuras de poro uniformes que son ideales como materiales hospederos para síntesis de polímeros conductores como es el caso de la polianilina, polipirrol entre otros. Este tipo de materiales hospederos aparentemente ayudan a controlar la estructura durante el proceso de síntesis del polímero debido a que actúan como plantillas, y promueven en principio, el acoplamiento de los radicales en forma lineal, disminuyendo así la probabilidad de obtener ramificaciones y/o entrecruzado, de las cadenas del polímero (50)• Algunos de los materiales utilizados para la síntesis de polímeros

de zeolitas.

La PAni ha sido preparada usando materiales mesoporosos como plantillas, algunos de estos trabajos son los reportados por Wu y Bein (50), Bein y Enzel ⁽⁵¹⁾ y Enzel y Bein (52), quienes sintetizaron la PAni por oxidación química dentro de los canales de la zeolita. En estos trabajos ellos reportaron que la naturaleza de los canales de las zeolitas controla la oxidación de la cadena, además del nivel de protonación, el cual afecta directamente las propiedades eléctricas de la PAni.

- Recientemente Flores-Loyola y col. (2) reportaron la síntesis enzimática de la PAni usando diferentes substratos inorgánicos como plantillas como es el caso de MCM-41, vidrios mesoporosos, mordenita y fibras de wollastonita.

2.3.4. Enzimas.

Las enzimas son biocatalizadores de origen proteico, que están formadas de cadenas de aminoácidos, de los cuales solo una pequeña cantidad de esos aminoácidos (de 3 a 4 aminoácidos) están involucracjos directamente en la catálisis. A esta región de aminoácidos se le conoce como centro activo o sitio activo.

Dentro de las enzimas existen diferentes grupos como son: las transferasas, hidrolasas, isomerasas, liasas, ligasas y las oxirreductasas..En este último grupo se encuentran las peroxidasas las cuales çatalizan reacciones de oxido-redqc5n o redox. Estas enzimas utilizan un peróxido - como oxidante (a lo que se le debe su nombre) y un segundo sustrato aromático de características reductoras que es oxidado por la enzima. La mayoría de las peroxidasas son hen'pproteínas y tienen como sustrato común el peróxido de hi4r4eno. La gran afinidad por este sustrato hace que se pueda upir al hierro del grupo hemo (Fig. 13) por los dos planos del centro activo, el superior y el inferior, 4ando lugar a una inhibición por excuso de sustrato ya que cuando ambas posiciones están ocupadas por el peróxido de hidrógeno np es posible la unión del segundo sustrato.

El tipo y la estructura química del segundo sustrato puede ser de naturaleza muy distinta, corio por ejemplo pueden ser fenoles, aminas aromáticas, tioles aromáticos y otras moléculas complejas como lo es el ABTS (ácjdo 2,2-azjo-bls (3-etilbenzotiazoJi-6-siIfónico)) entre otros.

CTI

Antecedentes

1

-

Figura 13. Grupo Hemo de la estructura terciaria de peroxidasa de soya. Estructura obtenida del banco de datos de proteínas (PDB).

La familia de peroxidasas se ha dividido en tres clases con base en su origen y características estructurales: clase 1 la cual tiene origen procariota entre las que se incluye el citocromo-C peroxidasa. La clase II que comprende las peroxidasas extracelulares de los hongos, por ejemplo la lignina-peroxidasa y la clase III que incluye las peroxidasas presentes en las plantas superiores. En esta última clase se encuentran la peroxidasa de rábano picante (HRP) y la peroxidasa de soya (SBP) entre las más conocidas y estudiadas por su estabilidad, actividad catalítica y facilidad de - obtención. La HRP es la primera enzima que se utilizó en la polimerización enzimática de compuestos aromáticos susceptibles de oxidación, entre los que se encuentra la anilina. El mecanismo de oxidación de estos compuestos se representa en el esquema de la figura 14. En esta figura se representa únicamente el sitio activo (grupo prostético) de la peroxidasa que es el que interviene en la oxidación. La reacción de oxidación involucra varios pasos, en primera instancia la reacción se inicia con la oxidación por el H202 de un par de electrones del grupo prostético de la enzima nativa. Este proceso da lugar a la formación oxidada de esta enzima conocida como HRP-I.

radical monomérico. En este proceso la HRP-I se oxida nuevamente, pasando a HRP-H. Esta forma en presencia de H202 tiene la capacidad de oxidar otra molécula de un compuesto aromático y en el proceso, la HRP-lI regresa a su estado de la enzima nativa no oxidada. Los radicales formados difunden en el medio de reacción dando lugar al acoplamiento de radicales libres y a la formación de dímeros. Una oxidación sucesiva y reacciones de acoplamiento dan como resultado la formación de polímero.

.AH + :H/ HOOH

AH2^/

/^/•iI

r_-7

Figura 14. Esquema del mecanismo de oxidación catalizado por la peroxidasa de rábano picante.

Dentro de las peroxidasas para la polimerización de fenoles y polianilina, la peroxidasa de rábano picante (HRP) y la peroxidasa de soya (SBP) son las que más se han utilizado.

2.3.4.1 Peroxidasa de soya (SBP).

La peroxidasa de soya (SBP) es un