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Estudio de la Sntesis y Propiedades de Nuevos MaterialesAplicando Tcnicas de Qumica Combinatoria

Diego F. Acevedo

Estudio de la Sntesis y Propiedades de Nuevos Materiales Aplicando Tcnicas de Qumica Combinatoria.

Diego F. Acevedo

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Diego F. Acevedo

AAGGRRAADDEECCIIMMIIEENNTTOOSS:: Quisiera agradecer a todas las personas que en mayor o meno medida me ayudaron a concretar

esta etapa de mi vida:

A los jurados de sta tesis por los aportes realizados: Dr. L. Sereno, Dr. C. Chesta, Dr. R. Garay. A la Universidad Nacional de Ro Cuarto, CONICET, Agencia Crdoba Ciencia, Secyt, por haberme ofrecido los medios necesarios para la realizacin de esta tesis.

A mi familia: Mam (Mara), Pap (Carlos), a mis Abuelos (El tata, Nilas, Emilia y Calos), mi Hermana (Sol), Tos (Luis, Ana, Hugo), Sobrinos (Nico y Emi), Primos (Lau y Sofi), que siempre me ofrecieron TODO incondicionalmente.

Al grupo de trabajo al que pertenezco: no slo por guiarme en los aspectos cientficos, sino tambin por haberme ofrecido una segunda familia: a los padres de este grupo: Dr. Cesar Barbero (Director) y Dra. M. Cristina Miras (Codirectora), a mi hermano menor: M. Bruno (el gordito de la familia y Marili); a los integrantes ms recientes: Juan Balach, Abril Molina, Natalia Monge, Victor Ortiz, Pablo Gianni; a quienes estuvieron durante algn tiempo: Diego Muoz, Marcos Della Mea, Eduardo Ponzio; a los hermanos mayores del grupo: Doctores Rivarola, Salavagione, Morales, Planes. A aquellos con quienes trabajamos: Ingenieros Acoba, Miskovky, Varela, Cotella, Kool.

A aquellas personas que con muchas ganas, inteligencia y amor lograron erigir al Departamento de Qumica en sus principios y lo siguen haciendo (nuestros abuelos cientficos): Doctores. J. J. Silber, L. Sereno, C. Previtali, y deseo que nunca pierdan esa fuerza que poseen y diariamente nos contagian.

A aquellas personas que no solamente son excelentes compaeros de trabajo: Carolina, Luciana, Marianita, Mercedes, Daro, Ariana, Walter, Daniel, Diego, Fernandos, Gabriela, Adrin, sino que tambin son excelentes amigos: N. Mariano Correa, Sandra Miskoski, Fernando Moyano, Martn Broglia, Miguel Gervaldo, Elisa Melanesio, Patricia Molina, Lorena Gomez, Ana Novaira, Kena Castillo.

A los amigos de toda la vida: Cristian Crognali (y su familia: Silvia, Pepe, Leo, Efra, Luli), M. Flores, Toly, Eduardo Ariza, Martn Manrique, Andrs Diblassi, Gerardo Aportone. Marianito, Marquito, Pepa.

Quisiera agradecer especialmente a Negrita, Daniela y Graciela por ponerle alegra a todos los das. A Cacho, Rosita, Marisel, Ibe, por toda la ayuda brindada.

A quienes me sufrieron como profe o no y llegamos a ser amigos: Susana (la teacher), Leo Salvai, Tito, Flaco, Mati Deicas, Javi Toledo, Diego (Cabeza) Muoz (7), los melli (Guille y Ale), Pablo Mataco Rummie Vittar (1), Chon Bernardi (2), Seba Liboa (3), Diego Aguado (5), Matute Palandri (6), Timi Vairoletti (8), Negro Oliva (9), Cui Gonzalez (10).

Especialmente a Diego Muoz (tapa), Mariano Correa, Sandra Miskoski (quienes ayudaron en la redaccin).

A todos los docentes e investigadores que integran el Departamento, con quienes he compartido estos aos:L. Giacomelli, M. Bisutti, S. Bertolotti, S. Chiacchiera, L. Otero, L. Boscatto, M. Santos, L. Zingaretti, M. Hamity, N. Garcia, R. Cattana, S. Criado, V. vila.

A TODAS ESTAS PERSONAS Y A AQUELLAS QUE PUEDO HABER OLVIDADO MENCIONAR (QUE ME SEPAN DISCULPAR) LES ESTOY MUY AGRADECIDO.

Director de Tesis: Dr. Cesar Barbero.

Codirector de Tesis: Dra. Maria C. Miras

Jurados de Tesis:

Dr. Leonides Sereno.

Dr. Raul Garay.

Dr. Carlos Chesta.

Ro Cuarto, 16 de diciembre de 2005.

RESUMEN Los polmeros conductores intrnsecos (PCI) son materiales muy estudiados en los aos recientes. La amplia gama de posibles aplicaciones tecnolgicas es lo que explica el inters en estos materiales para lo cual se requiere un mejor entendimiento de los modelos de estado slido y moleculares de estos. En la actualidad existe un gran nmero de polmeros que estn siendo sintetizados y estudiados, sin embargo la diversidad molecular de los polmeros conductores es escasa cuando se la compara con compuestos de bajo peso molecular. Es por lo tanto razonable pensar que algn o algunos PCI con alguna propiedad de inters permanece sin ser descubiertos. En esta tesis se discute un novedoso mtodo para modificar PCI, tal como polianilina (PANI) y polipirrol (PPY), utilizando tcnicas combinatorias. Esta forma de modificar este tipo de polmeros consiste en la produccin de familias de compuestos a travs de reacciones de copulacin de distintos colorantes azoicos con PANI. Todos los colorantes fueron sintetizados utilizando qumica combinatoria paralela. Tambin se reporta un novedoso soporte slido para el polmero conductor, el cual permite realizar bsqueda rpida y eficiente (HTS) de las modificaciones introducidas al polmero mediante la utilizacin de espectroscopias de infrarrojo de trasformada de Fourier (FTIR) y ultravioleta-visible (UV-vis). Las pelculas finas de polietileno de baja densidad (LDPE) fueron utilizadas para soportar el PCI durante la modificacin de su cadena carbonada. La solubilidad y la conductividad de la polianilina funcionarizada (FPANI) son las propiedades buscadas. Por tal motivo la solubilidad de FPANI fue estudiada en diferentes solventes, y se encontraron polmeros los cuales son solubles en solventes orgnicos comunes, como as tambin en medio acuoso bsico. Se realizaron estudios de fotoisomerizacin de los colorantes azoicos en disueltos en distintos solventes, como as tambin incorporados dentro de una matriz rgida de polimetilmetacrilato. La PANI modificada con compuestos isomerizables cambia su conductividad cuando es expuesta a radiacin ultravioleta, y regresa al valor de conductividad original por calentamiento o irradiacin con luz visible. La fortaleza del mtodo de modificacin desarrollado permite a su vez extender la reaccin a materiales novedosos tales como nanotubos de carbono de pared mltiple (MWNT). Se evalan tambin algunas aplicaciones de los colorantes, polianilinas funcionarizadas, el diseo de la conductividad de FPANI, la liberacin especifica de diversas drogas unidas covalentemente a la FPANI y la solubilidad de MWNT funcionalizados.

ABSTRACT Conducting polymers have become widely studied materials in recent years. While the fundamental properties of the materials requires better understanding of molecular an solid state models of organic materials, it is the wide range of possible technological applications which explains the interest in those materials. While an ever increasing number of polymers have been synthesized and studied, the molecular diversity of the conducting polymers remains low compared with low molecular weight conjugated counterparts. It is therefore reasonable to think that conducting polymers with valuable properties remains to be discovered. In this thesis, a novel method to modified conducting polymers, such as polyaniline and polypyrrole, using combinatorial techniques are discussed. This way to modified polymers consists in the production of families of compounds through the reaction of copulation of several azo dyes compounds with polyaniline (PANI). All azo dyes were synthesized using parallel combinatorial chemistry. Here, we also report a novel solid support of conducting polymer films, which allows high-throughput screening of the polymer modification using Fourier transform infrared (FT-IR) and/or ultraviolet-visible (UV-vis) spectroscopy. Low-density polyethylene (LDPE) thin films were used to support the conducting polymer during modification of the conductive polymer backbone. The solubility and conductivity of functionalized polyaniline (FPANI) are the target properties for these new materials. The solubility of the FPANI was testing in different solvents. It was found polymers which are soluble in common organics solvents and in basic medium. Studies of photoisomerization of azo dye in solvent and into poly(methylmethacrylate) matrix, are shown. Modified PANI with this photoisomerizable compounds turns its conductivity when is exposed to the UV radiation, returning to the original conductivity by heating or lighting with visible radiation. The strongest method of modification developed allows extend this reaction to novel materials such as multiple walls carbon nanotube (MWNT). Some possible application of the dyes, FPANI, such as photowriting, tailoring of conductivity of FPANI, delivering medical drug covalently attached to FPANI, improving solubilization to pristine carbon nanotube are evaluated.


Diego F. Acevedo

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INDICE GENERAL I. INTRODUCCIN:..................................................................................... 2 II. OBJETIVOS: ........................................................................................... 6

II.1. OBJETIVO GENERAL: .................................................................... 6 II.2. OBJETIVOS PARTICULARES:........................................................ 6

III. PRINCIPIOS BASICOS.......................................................................... 9 III.1. QUMICA COMBINATORIA: ........................................................... 9

III.1.1. INTRODUCCION:...................................................................... 9

III.1.2. DEFINICIONES BASICAS:........................................................ 9

III.1.3. HISTORIA:............................................................................... 13

III.1.4. METODOS DE SINTESIS UTILIZADOS EN QUMICA

COMBINATORIA: ......................................................................................... 22

III.1.5. SINTESIS COMBINATORIA PARALELO:............................... 24

III.1.6. SINTESIS COMBINATOIRA POR MEZCLA Y SEPARACION:25

III.1.7. EXPLORACION RPIDA DE ALTA EFICIENCIA HTS: ........ 28

III.1.8. DECONVOLUCION: ................................................................ 29

III.1.9. TCNICAS USADAS PARA EXPLORACIN RAPIDA DE

ALTA EFICIENICIA: ...................................................................................... 31

III.2. COLORANTES .............................................................................. 36 III.2.1.INTRODUCCIN:..................................................................... 36

III.2.2. RESEA HISTORICA: ............................................................ 37

III.2.3. COLORANTES AZOICOS....................................................... 47

III.2.3.1. DIAZO COMPUESTOS:.................................................... 48

III.2.3.2. NOMENCLATURA: ........................................................... 51

III.2.3.2.1. Nomenclatura de IUPAC: ........................................... 51

III.2.3.2.2. Otra Nomenclatura: .................................................... 53

III.2.4. DIAZOTACIN DE CON UNA SAL DE NITRITO EN

SOLCUIN ACUOSA DE UN CIDO MINERAL DILUIDO:.......................... 55

III.2.4.1. CONSIDERACIONES GENERALES: ............................... 55

III.2.4.2. CINETICA Y MECANISMO DE DIAZOTACIN................ 58


Diego F. Acevedo

ii

III.2.4.3. INFLUENCIA DE LA ACIDEZ EN EL MECANISMO DE

REACCIN DE DIAZOTACIN EN MEDIOS CIDOS SULFURICO Y

PERCLORICO........................................................................................... 64

III.2.4.4. CATALISIS NUCLEOFILICA DE DIAZOTACIN ............. 69

III.2.4.5.TRANSFORMACIN DE N-NITROSAMINA EN EL IN

DIAZONIO: ................................................................................................ 71

III.2.5. REACCINES DE COPULACIN AZOICA: ........................... 72

III.2.5.1. PREQUILIBRIO CIDO BASE:......................................... 75

III.2.5.2. POSICIN DE ACOPLAMIENTO ..................................... 78

III.2.6. ISOMERISMO EN COLORANTES AZOICOS......................... 78

III.2.6.1. ISOMERIZACIN GEOMTRICA DE AZOCOMPUESTOS:

.................................................................................................................. 79

III.2.6.2. TAUTOMERISMO:............................................................ 82

III.2.7. PROPIEDADES CIDO BASE DE AZOCOMPUESTOS: ....... 83

III.2.8. ALGUNAS APLICACIONES DE COLORANTES:.................... 85

III.2.8.1. APLICACIONES ELECTROCRMICAS DE

COLORANTES:......................................................................................... 85

III.2.8.2. QUIMIOCROMISMO:........................................................ 85

III.2.8.3. FOTOCROMISMO: ........................................................... 86

III.3. POLMEROS:................................................................................. 88 III.3.1. INTRODUCCIN Y DESARROLLO HISTRICO: .................. 88

III.3.2. DEFINICIONES: ...................................................................... 96

III.3.3. NOMENCLATURA:.................................................................101

III.3.3.1. POLMEROS VINLICOS: ................................................102

III.3.3.2. COPOLMEROS VINLICOS:...........................................106

III.3.3.3. POLMEROS NO VINLICOS:..........................................107

III.3.3.4. COPOLMEROS NO VINLICOS: ....................................109

III.3.3.5. ABREVIATURAS: ............................................................109

III.3.4. PROCESOS DE POLIMERIZACIN:.....................................109

III.3.4.1. POLIMERIZACIN POR PASOS: ...................................110

III.3.4.2. POLIMERIZACIN POR REACCIN EN CADENA: .......112

III.3.5. POLIMEROS CONDUCTORES: ............................................114


Diego F. Acevedo

iii

III.3.6. POLIANILINA:.........................................................................127

III.3.6.1. INTRODUCCIN: ............................................................127

III.3.6.2. REFERENCIA HISTRICA:.............................................130

III.3.6.3. SNTESIS:........................................................................131

III.3.6.3.1. SNTESIS QUMICA: .................................................132

III.3.6.3.2. SNTESIS ELECTROQUMICA: ................................133

III.3.6.3.3. OTROS TIPOS DE SNTESIS: ..................................134

III.3.6.3.3.1. POLIMERIZACION EN PRESENCIA DE

SURFACTANTES:.............................................................................134

III.3.6.3.3.2. POLIMERIZACION UTILIZANDO ENZIMAS: .....136

III.3.6.4. MECANISMO DE POLIMERIZACION: ............................137

III.3.6.5. POLIANILINAS MODIFICADAS:......................................139

III.3.6.6. REACCIONES DE POST-MODIFICACIN: ....................140

III.3.6.7. HOMOPOLIMERIZACIN DE ANILINAS SUSTITUIDAS Y

COPOLIMERIZACION DE ANILINA CON ANILINAS SUSTITUIDAS: .....141

III.3.6.8. APLICACIONES:..............................................................142

III.3.6.8.1. BATERIAS RECARGABLES: ....................................142

III.3.6.8.2. DISPOSITIVOS ELECTROCROMICOS:...................142

III.3.6.8.3. DISPOSITIVOS ELECTRONICOS: ...........................143

III.3.6.8.4. CATALIZADORES:....................................................143

III.3.6.8.5. INDICADORES:.........................................................143

III.3.6.8.6. SENSORES ELECTROQUIMICOS:..........................144

III.3.6.8.7. SOLDADURA DE PLSTICOS: ................................144

III.3.6.8.8. DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO DE DATOS:

..............................................................................................................146

IV. EXPERIMENTAL. ...............................................................................148 IV.1. REACTIVOS:................................................................................148 IV.2. SOLVENTES: ...............................................................................149 IV.3. SNTESIS: ....................................................................................149

IV.3.1. COLORANTES AZOICOS: ....................................................149

IV.3.1.1. SNTESIS COMBINATORIA DE COLORANTES AZOICOS

UTILIZADOS PARA LA MODIFICACIN DE PANI:.................................149


Diego F. Acevedo

iv

IV.3.1.2. SINTESIS DE COMBINATORIA DE COLORANTES

UTILIZADOS PARA EL MTODO DE CONECTOR: ...............................150

IV.3.2. SINTEIS DE MASIVA POLMEROS:......................................151

IV.3.2.1. SINTESIS DE PANI: ........................................................151

IV.3.2.2. SINTESIS MASIVA DE POLIPIRROL (PPY): ..................152

IV.3.3. SINTESIS DE PANI Y POLIPIRROL SOBRE PELICULAS DE

PE: ...............................................................................................................152

IV.3.4. SINTESIS ELECTROQUMICA DE PANI:.............................153

IV.3.5. MODIFICACIN DE PANI Y PPY: .........................................154

IV.3.6. DESAMINACION REDUCTIVA: .............................................154

IV.3.7. INCORPORACION DE COLORANTES Y PANI MODIFICADAS

EN MATICES DE POLIMETILMETACRILATO (PMMA): .............................155

IV.3.8. MODIFICACIN DE NANOTUBOS DE CARBONO DE PARED

MULTIPLE (MWNT): ....................................................................................155

IV.3.9. ENROLLAMIENTO DE MWNT UTILIZANDO POLMEROS

SOLUBLES: .................................................................................................156

IV.4. TECNICAS: ..................................................................................156 IV.4.1. ESPECTROSCOPIA INFRARROJA DE TRANSFORMADA DE

FURIER (FTIR): ...........................................................................................157

IV.4.2. ESPECTROSCOPIA DE ABSORCION ULTRAVIOLETA

VISIBLE (Uv-Vis):.........................................................................................157

IV.4.3. FLUORESCENCIA:................................................................157

IV.4.4. TECNICAS ELECTROQUMICAS, VOLTAMETRA CICLICA

(CV):.............................................................................................................158

IV.4.5. TECNICAS EXPLORACION RAPIDA Y EFICIENTE DE

PROPIEDADES (HTS):................................................................................159

IV.4.5.1. HTS DE SOLUBILIDAD: ..................................................159

IV.4.5.2. HTS DE CONDUCTIVIDAD:............................................160

IV.4.5.3. HTS DE FOTOISOMERIZACION: ...................................161

IV.4.6. FOTOESCRITURA:................................................................162

IV.4.7. MEDIDAS DE FOTORESISTENCIA DE PANI MODIFICADAS:

.....................................................................................................................162


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IV.4.8. ANISOTROPIA DE FLUORESCENCIA: ................................163

IV.4.8.1. TEORIA DE ANISOTROPA DE FLUORESCENCIA:......163

IV.4.8.2. DEFINICION DE ANISOTROPA DE FLUORESCENCIA:

.................................................................................................................165

IV.4.8.4. ESPECTRO DE ANISOTROPA DE EXCITACIN:........172

IV.4.8.5. MEDIDAS DE ANISOTROPA DE FLUORESCENCIA:...175

IV.4.9. DIFRACCION DE RAYOS X: .................................................178

IV.4.9.1.TECNICA DE DIFRACTOMETRICA DE POLVOS: ..........179

IV.4.10. ANALISIS QUMICO ELEMENTAL: .....................................182

IV.4.11. MICROSCOPIA DE TRANSMISION ELECTRONICA (TEM):

.....................................................................................................................183

IV.4.12. SOLDADURA DE PROBETAS DE POLIETILENO Y

POLIPROPILENO: .......................................................................................185

IV.4.13. MEDIDAS DE DISPERCION DE LUZ DINAMICA:...............187

IV.4.13.1. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA DISPERSION

DE LUZ DINAMICA: .................................................................................187

IV.4.13.2. EQUIPAMIENTO ...........................................................189

V. RESULTADOS Y DISCUSIN: ...........................................................193 V.5. SNTESIS: .....................................................................................193

V.5.1. SNTESIS MASIVA DE POLMEROS: ....................................193

V.5.2. EXPLORACION RAPIDA Y EFICIENTE DE PROPIEDADES:.....................................................................................................................216

V.2.1. HTS CONDUCTIVIDAD. RELACION CONDUCTIVIDAD

GRUPOS MODIFICANTES. CORRELACION DE HAMMETT: ................216

V.2.2. HTS DE SOLUBILIDAD:......................................................230

V.2.3. HTS DE FOTOISOMERIZACION DE COLORANTES

ESTUDIOS CINETICOS DE FOTOISOMERIZACION DE COLORANTES Y

PANI EN SOLUCIN Y EN POLIMETILMETACRILATO: ........................232

V.3. ANISOTROPIA DE FLUORESCENCIA: ...................................244 V.4. ANALISIS QUIMICO CUANTITATIVO: .....................................249 V.5. ESTUDIO ELECTROQUIMICO DE LA MODIFICACION DE PANI

CON COLORANTES AZOICOS:.................................................................251


Diego F. Acevedo

vi

VI. APLICACIONES: ................................................................................257 VI.1. FOTOESCRITURA CON COLORANTES: ...............................257 VI.2. AJUSTE DE LA CONDUCTIVIDAD DE POLIANILINAS

MODIFICADAS:...........................................................................................259 VI.3. INCORPORACION A LA MATRIZ POLIMERICA DE GRUPOS

FUNCIONALES DE INTERES: a) Drogas sulfas, b) Acido amino salicilico y c) molculas fluorescentes. ...................................................................262

VI.3.1. DROGAS SULFAS: Contribucin de los compuestos

azoicos a la quimioterapia de infecciones bacterianas. (1935 L. Gerbard

Domagk). ..............................................................................................262

VI.3.2. AMINO SALICILICO:.......................................................265

VI.3.3. MOLCULAS FLUORESCENTES:.................................267

VI.4. SOLUBILIZACIN DE NANOTUBOS DE CARBONO: ...........270 VII.4.1. MODIFICACION COVALENTE DE MWNT CON IONES

DIAZONIO:............................................................................................273

VII.4.2. MODIFICACION NO COVALENTE DE NANOTUBOS DE

CARBONO CON POLIANILINAS SOLUBLES:.....................................281

VII. CONCLUSIONES: .............................................................................285 VII.1. SNTESIS:................................................................................285 VII.2. MODIFICACIN COMBINATORIA DE POLMEROS

CONDUCTORES: ........................................................................................285 VII.3. ESTUDIO ELECTROQUMICO DE LAS MODIFICACIONES DE

PANI CON COLORANTES AZOICOS: .......................................................286 VII.4. EXPLORACIN RPIDA Y EFICIENTE DE PROPIEDADES

(HTS): ..........................................................................................................287 VII.5. MODIFICACIN DE PELCULAS DE POLIETILENO.

SOPORTE SLIDO PARA HTS EN POLMEROS CONDUCTORES: .......287 VII.6. HTS DE CONDUCTIVIDAD: ....................................................288 VII.7. AJUSTE DE CONDUCTIVIDAD DE POLIANILINAS

MODIFICADAS:...........................................................................................289 VII.8. HTS DE SOLUBILIDAD: .........................................................289 VII.9. HTS DE FOTOISOMERIZACIN: ...........................................290


Diego F. Acevedo

vii

VII.10. FOTOESCRITURA EMPLEANDO COLORANTES AZOICOS:.....................................................................................................................291

VII.11. MODIFICACION DE LA CONDUCTIVIDAD DE PANI MODIFICADAS CON LUZ ULTRAVIOLETA: .............................................291

VII.12. ANISOTROPA DE FLUORESCENCIA: ...............................292 VII.13. ANLISIS QUMICO CUANTITATIVO DE POLMEROS

MODIFICADOS: ..........................................................................................292 VII.14. INCORPORACIN A LA MATRIZ POLIMRICA DE GRUPOS

FUNCIONALES DE INTERS: a) Drogas sulfas, b) cido amino saliclico y c) molculas fluorescentes: ...................................................................292

VII.15. SOLUBILIZACIN DE NANOTUBOS DE CARBONO: ........293 VII.16. SOLDADURA DE POLMEROS TERMOPLASTICOS

UTILIZANDO MICROONDAS: ....................................................................295 VII.17. CONCLUSIONES GENERALES: ..........................................296

VIII. REFERENCIAS: ............................................................................297

APENDICE A......314


Diego F. Acevedo

viii

INDICE DE FIGURAS: Figura 1: Equipo de sntesis combinatoria. .......................................................... 13

Figura 2: Sntesis de pptidos en fase slida. ...................................................... 16

Figura 3: Foto sistema multipin. ........................................................................... 17

Figura 4: Imgenes de perlas para qumica combinatoria.................................... 18

Figura 5: Primer artculo relacionado con la qumica combinatoria de materiales.20

Figura 6: Librera de superconductores................................................................ 20

Figura 7: Evolucin de patentes, publicaciones e industrias relacionadas con

qumica combinatoria. ................................................................................... 21

Figura 8: Esquema de sntesis: qumica tradicional y qumica combinatoria. ...... 23

Figura 9: Esquema de sntesis de qumica combinatoria paralela. ...................... 24

Figura 10: Columnas de cromatografa para HTS................................................ 32

Figura 11: Fotografa del soporte para anlisis de transmisin IR. ...................... 33

Figura 12: HTS-XT de Bruker............................................................................... 33

Figura 13: Equipo HTS de absorcin Uv-vis......................................................... 34

Figura 14: Deposicin de muestras: equipo automatizado (izquierda), manual

(derecha)....................................................................................................... 35

Figura 15: Pigmento de origen mineral utilizado para pintar muros. .................... 37

Figura 16: Uso de colorantes en el arte Egipcio................................................... 38

Figura 17: Pintura de Bisn, Cavernas de Altamira, Espaa................................ 38

Figura 18: Estructura qumica del cido tartrico. .............................................. 39

Figura 19: Estructura qumica colorantes A: ndigo y B: Purpura Tirian. ............ 39

Figura 20: Polvo de Alizarina................................................................................ 40

Figura 21: Estructura qumica de alizarina. ......................................................... 40

Figura 22: Estructura qumica del cido pcrico.................................................... 41

Figura 23: Estructuras qumicas de Mauiveina..................................................... 42

Figura 24: Estructuras qumicas de A) Rosanilida, B) Homorosanilida y C) cido

Roslico. ....................................................................................................... 43

Figura 25: Estructura qumica de Anilina Amarilla. ............................................ 44

Figura 26: Estructura qumica de: A) marron de Manchester, B) Crisoidina y C)

primer colorante diazoico. ............................................................................. 45

Figura 27: Esquema de sntesis de sales de diazonio. ........................................ 49


Diego F. Acevedo

ix

Figura 28: Estructura qumica de diazocompuestos............................................. 49

Figura 29: Sales de diazonio. ............................................................................... 52

Figura 30: Compuestos azoicos. .......................................................................... 52

Figura 31: Estructura qumica del cido H ........................................................... 53

Figura 32: Estructura de compuestos azoicos...................................................... 54

Figura 33: Reaccin de diazotacin. .................................................................... 55

Figura 34: Equilibrio cido-base de aminas.......................................................... 56

Figura 35: Reaccin del in diazonio. .................................................................. 56

Figura 36: Equilibrio cido-base del cido p-aminosulfnico................................ 58

Figura 37: Estructura del reactivo electroflico en reacciones de copulacin. ...... 59

Figura 38: Formacin del arilnitrosoamina. .......................................................... 61

Figura 39: Remocin del proton del cido nitroso. ............................................... 61

Figura 40: Formacin del agente nitrosante. ........................................................ 63

Figura 41: Equilibrio cido-base. .......................................................................... 65

Figura 42: Velocidad de diazotacion vs. pH. ........................................................ 66

Figura 43: Mecanismo de diazotacin.................................................................. 68

Figura 44: Catlisis nucleoflica............................................................................ 69

Figura 45:Diazotacin con halogenuros. .............................................................. 70

Figura 46: Pasos para nitrosacin........................................................................ 71

Figura 47: Transformacin de N-nitrosamina en in diazonio. ............................. 72

Figura 48: Catlisis nucleoflica de diazotacin.................................................... 75

Figura 49: Velocidad de acoplamiento vs. pH. ..................................................... 77

Figura 50: log ks vs pH......................................................................................... 77

Figura 51: Resonancia de un compuesto aromtico. ........................................... 78

Figura 52: Isomerizacin de azocompuestos. ...................................................... 79

Figura 53: Estructura del rojo disperso................................................................. 80

Figura 54: Mecanismo de isomerizacin. ............................................................. 81

Figura 55: Tautmero........................................................................................... 82

Figura 56: Estructuras tautomricas..................................................................... 83

Figura 57: Propiedades cido base de compuestos azoicos. .............................. 84

Figura 58: Mecanismo del equilibrio cido base................................................... 84

Figura 59: Estructura qumica del naranja de metilo. ........................................... 86


Diego F. Acevedo

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Figura 60: Fotocromismo...................................................................................... 87

Figura 61: Reacciones de polimerizacin............................................................. 89

Figura 62: Reaccin de esterificacin y polimerizacin........................................ 90

Figura 63: Estructuras qumicas de polietilenglicol y polietilensuccinato.............. 93

Figura 64: Estructura qumica del paraformaldehdo y poliestireno...................... 94

Figura 65: polietileno. ........................................................................................... 97

Figura 66: Acetato de vinilo. ................................................................................. 97

Figura 67: Estructura de polmeros. ..................................................................... 99

Figura 68: Tipo de polmeros...............................................................................100

Figura 69: Sntesis de polmero red. ...................................................................100

Figura 70: polmeros vinlicos..............................................................................102

Figura 71: Polimerizacin de etileno. ..................................................................103

Figura 72: poliestireno.........................................................................................103

Figura 73: Poli(etilideno), Poli(bencilideno). ........................................................104

Figura 74: Polmeros derivados de dienos. .........................................................105

Figura 75: poli(1,4-butadieno). ............................................................................105

Figura 76: poli(oxi-1-oxometileno). ......................................................................107

Figura 77: Poli(oxi-etileno-oxi-tereftaloil). ............................................................108

Figura 78: poli[oxicarboniloxi(1,4-fenilen)isopropilideno(1,4-fenilen)]..................108

Figura 79: Nylon 610. ..........................................................................................109

Figura 80: Polimerizacin por pasos. ..................................................................110

Figura 81: a- monmeros sin reaccionar; b- 50% de la reaccin DP = 2; c- 75% de

reaccin DP = 2.25; d- 100% de reaccin DP = 3. Las lneas punteadas

representan especies que estn reaccionando............................................111

Figura 82: Reaccin de polimerizacin en cadena..............................................112

Figura 83: Reaccin de polimerizacin en cadena..............................................112

Figura 84: Polimerizacin en cadena. .................................................................113

Figura 85: Trans y cis poliacetileno. ....................................................................115

Figura 86: Estructuras de resonancia del politransacetileno. ..............................117

Figura 87: Adicin de cloro al poliacetileno. ........................................................118

Figura 88: Polmeros conductores.......................................................................120

Figura 89: Conductividad de distintos materiales. ...............................................121


Diego F. Acevedo

xi

Figura 90: Estructuras alotrpicas del carbono. ..................................................122

Figura 91: Niveles energticos de conductores, semiconductores y aislantes....124

Figura 92: Movimiento de polarones. ..................................................................126

Figura 93: Dopado tipo n. ....................................................................................126

Figura 94: Modelo de islas cristalinas. ................................................................127

Figura 95: Estados redox de la PANI. .................................................................128

Figura 96: Modelo actualmente aceptado de las diferentes estructuras de la PANI.

.....................................................................................................................129

Figura 97: Degradacin del polmero por oxidacin de las unidades

quinonaimnicas en medio acuoso ...............................................................134

Figura 98: Mecanismo de polimerizacin de la PANI. .........................................139

Figura 99: Esquema del Reactor de Polimerizacin............................................152

Figura 100: Fotografa de Pelculas de PANI despostada sobre PE. ..................160

Figura 101: Esquema del modelo ondular de la luz. ...........................................165

Figura 102: Esquema de campo elctrico de la luz, no polarizada, y polarizada.

.....................................................................................................................166

Figura 103: Intensidad de emisin de un fluorforo simple. ................................168

Figura 104: Distribucin del excitado de un flourforo inmvil con ro= 0.4 (ver

Ecuacin 28). ...............................................................................................171

Figura 105. Esquema de formato L para medidas de anisotropa.......................176

Figura 106: Reflexin de haces de Rayos X .......................................................180

Figura 107: Esquema de TEM.............................................................................184

Figura 108: Montaje mecnico de las partes a unir.............................................186

Figura 109: Esquema del equipo de dispersin de luz........................................190

Figura 110: Cintica de polimerizacin de PANI. ................................................194

Figura 111: Espectro FTIR de PANI base en KBr. ..............................................194

Figura 112: Espectro FTIR de Polipirrol en KBr. .................................................195

Figura 113: Voltagrama cclico, sntesis de PANI................................................196

Figura 114: Voltagrama cclico de PANI en 1 M HCl, 50 mV/s, contraelectrodo Pt,

electrodo de referencia SCE. .......................................................................197

Figura 115 : Sntesis Combinatoria de Colorantes Azoicos. ...............................198

Figura 116: Esquema de trabajo para sntesis paralela de colorantes azoicos...198


Diego F. Acevedo

xii

Figura 117: Fotografa del minireactor para sntesis paralela de colorantes

azoicos. ........................................................................................................199

Figura 118: Estructura de a) cido 2-(4-aminofenilazo)-bencensulfnico, (b) cido

2-(4-metxi-3-aminofenilazo)-bencensulfnico y (c) cido 2-(4-

aminonaftililazo)-bencensulfnico. ...............................................................200

Figura 119: Espectros FTIR de cido 2-(4-aminofenilazo)-bencensulfnico

(verde), cido 2-(4-metxi-3-aminofenilazo)-bencensulfnico (negro) y cido

2-(4-aminonaftililazo)-bencensulfnico (rojo). ..............................................200

Figura 120: Estructura de a) cido 4-(4-aminofenilazo)-bencensulfnico, (b) cido

4-(4-metxi-3-aminofenilazo)-bencensulfnico y (c) cido 4-(4-

aminonaftililazo)-bencensulfnico. ...............................................................201

Figura 121: Espectros FTIR de cido 4-(4-aminofenilazo)-bencensulfnico (azul),

cido 4-(4-metxi-3-aminofenilazo)-bencensulfnico (rojo) y cido 4-(4-

aminonaftililazo)-bencensulfnico (naranja). ................................................201

Figura 122: Espectro de absorcin Uv-visible de 4-fenilazoanilina, disuelto en

cloroformo. ...................................................................................................202

Figura 123: Fotografa de PANI depositada sobre PE. .......................................203

Figura 124: Espectro infrarrojo de PANI usando pelculas finas de PE...............204

Figura 125: Espectro de absorcin UV visible de pelculas PANI modificada. ...205

Figura 126: Mtodos de funcionalizacin de polmeros conductores. .................206

Figura 127: El esquema muestra las reacciones de sntesis de estos colorantes y

la forma en que se modifica la PANI. ...........................................................207

Figura 128: Reaccin de modificacin de PANI por adicin nucleoflica de sales de

diazonio........................................................................................................208

Figura 129: Sntesis de colorantes utilizando el mtodo del conector.................209

Figura 130 : Esquema estructura qumica del colorante A6N=N-D3-N=N-

A57sintetizado utilizando el mtodo del conector. .......................................210

Figura 131: FTIR de A6N=N-D3-N=N-A57-PANI, en KBr. ................................210

Figura 132: Espectro FTIR de A) polianilina modificada el cido 4-(4-

aminofenilazo)-bencensulfnico y B) modificada con el cido 4-(4-amino-2-

metxifenilazo)-benzico..............................................................................214


Diego F. Acevedo

xiii

Figura 133: FTIR de PPY depositado sobre PE (rojo) y PPY-sulfito depositado

sobre PE (azul). ...........................................................................................214

Figura 134: comparacin de la modificacin y verificacin de la funcionalizacin

de PANI en polvo y soportada en PE...........................................................215

Figura 135: Espectros de absorcin Uv-vis de PANI (lnea negra) y PANI

modificada con la sal de diazonio de 1-naftilamina (lnea azul). ..................216

Figura 136: Estados redox de la PANI. ...............................................................217

Figura 137: Conductividades de polianilinas modificadas a pH = 0. ...................218

Figura 138: Conductividades de polianilinas modificadas a pH = 4. ...................218

Figura 139: Reaccin de hidrlisis de ster en medio bsico. ............................221

Figura 140: Hidrlisis de cidos benzicos sustituidos. ......................................222

Figura 141: Interaccin de esteres con reactivos nucleoflicos. ..........................223

Figura 142: Graficas de Hammet. .......................................................................223

Figura 143: Conductividades de polianilinas modificadas Dopadas con HCl 1 M.

.....................................................................................................................227

Figura 144: Grfico de Hammet para modificaciones con un anillo aromtico....229

Figura 145: Grfico de Hammet para modificaciones con colorantes azoicos. ...229

Figura 146: Estructura de anilinas para la sntesis de colorantes azoicos. .........231

Figura 147: Cambios en conductividad debido a la isomerizacin de

azocompuestos. ...........................................................................................233

Figura 148: Disposicin de los colorantes para HTS de isomerizacin...............234

Figura 149: HTS de colorantes en acetona. ........................................................235

Figura 150: HTS de colorantes en cloroformo.....................................................236

Figura 151: HTS de colorantes disueltos en hidrxido de amonio 1 M. ..............237



Figura 154: HTS de colorantes en amoniaco. .....................................................239

Figura 155: Fluorescencia de colorantes en amoniaco. ......................................240

Figura 156: HTS de colorantes en amoniaco. .....................................................240


Figura 158: espectro de absorcin Uv-vis de M1M1 en cloroformo, forma trans

(rojo), forma cis (negro)................................................................................243


Diego F. Acevedo

xiv

Figura 159: Espectros de absorcin Uv-vis de M1M1 en cloroformo, en funcin del

tiempo. .........................................................................................................243

Figura 160: Espectros diferencia de absorcin Uv-vis de M1M1 en cloroformo, en

funcin del tiempo. .......................................................................................244

Figura 161: Espectros de emisin de fluorescencia utilizando luz polarizada y

valores de anisotropa fundamental, de 4-(4-aminonaftilazo)-bencensulfnico

en cloroformo. ..............................................................................................245



en polimetilmetacrilato..................................................................................246



en poliestireno..............................................................................................246



en poli(metilmetacrilato-co-estireno). ...........................................................247

Figura 165: Espectros diferencia de absorcin Uv-vis de M1M1 en

polimetilmetacrilato, en funcin del tiempo...................................................248

Figura 166: Espectros diferencia de absorcin Uv-vis de M1M1-PANI en

polimetilmetacrilato, en funcin del tiempo...................................................249

Figura 167: CV de a- PANI, b- PANI azo 1,4 diaminoantraquinona, c-

hidroquinona, d- PANI azo 1,4 diaminoantraquinona tratada con ditionito de

sodio. 50mV/s. Electrodo de trabajo GC, electrodo de referencia SCE y

aerogel de carbono contraelectrodo. Soluciones 1M HCl. ...........................253

Figura 168: Esquema de modificacin de PANI con la sal de diazonio de 1-4-

diaminoantraquinona....................................................................................254

Figura 169: FTIR de a- PANI, b- PANI-Q y c- PANI-Q tratada con ditionito de

sodio. Muestras slidas en pastillas de KBr. ................................................254

Figura 170: Fotoescritura sobre una pelcula de PMMA/COL. ............................258

Figura 171: Secuencia de borrado de fotoescritura.............................................259

Figura 172: Fotorresistencia de PANI azo dodecilanilina. ...................................260

Figura 173: Fotorresistencia de PANI azo 4-aminobenzamida. ..........................261


Diego F. Acevedo

xv

Figura 174: Isomerizacin cis-trans de azobencenos. ........................................262

Figura 175: Estructura qumica del Prontosil y la sulfamida. ...............................263

Figura 176: Espectros FTIR de PANI (lnea roja), PANI modificada con

sulfadiazina (lnea azul), sulfametazina (lnea marrn) y sulfanilamida (lnea

rosa). ............................................................................................................265

Figura 177: Estructura qumica de drogas sulfas incorporada a la PANI. ...........265

Figura 178: Estructura qumica del cido 5-aminosaliclico.................................266

Figura 179: Espectro FTIR de PANI modificada con cido 5-aminosaliclico. .....267

Figura 180: Estructura qumica de 1-Aminoantraceno. .......................................268

Figura 181: Espectro FTIR de PANI modificada con 1-aminoantraceno .............268

Figura 182: Espectro UV-visible de PANI modificada con 1-aminoantraceno, en

cloroformo ....................................................................................................269

Figura 183: Espectro de fluorescencia de PANI modificada con 1-aminoantraceno

en cloroformo. ..............................................................................................269

Figura 184: Nanotubo de Carbono. .....................................................................270

Figura 185: Nanotubo zig-zag y brazo de silla. ...................................................271

Figura 186: Modificacin covalente de MWNT. ...................................................273

Figura 187: FTIR de MWNT y FMWNT. ..............................................................274

Figura 188: Espectros de difraccin de RX de MWNT (negro) y MWNT-Ar-NO2

(rojo).............................................................................................................276

Figura 189: Estructura del cido Gama y MWNT-Gama.....................................276

Figura 190: Espectros de absorcin Uv-vis de cido Gama en agua. ................277

Figura 191: Clculo del coeficiente de absortividad molar para la banda de 249

nm. cido gama en agua. ............................................................................277

Figura 192: Espectros Uv-vis normalizados. cido gama (linea negra) y MWNT-

Gama (lnea roja). Solvente agua. ...............................................................278

Figura 193: Espectro UV-vis. de NT-Gamma. En agua.......................................279

Figura 194: Clculo del coeficiente de extincin para la banda de 503 nm. MWNT-

Gama en agua. ............................................................................................279

Figura 195: Imgenes TEM de a-MWNT (izquierda) y b-FMWNT (derecha) .....280

Figura 196: Medidas de dispersin de luz dinmica de MWNT y FMWNT. ........280


Diego F. Acevedo

xvi

Figura 197: Foto de FMWNT (izquierda) y MWNT (derecha) en solucin bsica.

Despus de 5 hs. de producida la sonicacin. .............................................281

Figura 198: Perfiles de DLS para una dispersin de MWNT y PANI-MWNT en

NaOH 1 M. ...................................................................................................282

Figura 199: Espectros de emisin de fluorescencia de PANI-Ar-COO-/MWNT..283


Diego F. Acevedo

xvii

INDICE DE TABLAS. Tabla 1: Qumica combinatoria en nmeros......................................................... 22

Tabla 2: nomenclatura y estructura de diazocompuestos. ................................... 50

Tabla 3: Datos de acidez, basicidad de azocompuestos...................................... 85

Tabla 4: Nomenclatura de IUPAC. ......................................................................104

Tabla 5: Nomenclatura de polmeros generados a partir de dienos. ...................105

Tabla 6: Relacin entre desplazamiento angular del momento de transicin, y

anisotropa fundamental...............................................................................173

Tabla 7: Sistemas cristalinos...............................................................................181

Tabla 8:Asignacin de Bandas de Absorciones caractersticas de infrarrojo de

PANI.............................................................................................................195

Tabla 9: colorantes sintetizados utilizando el mtodo del conector.....................210

Tabla 10: Velocidades de reaccin para distintos sustituyentes para el estudio de

la reactividad de la hidrlisis de steres:......................................................221

Tabla 11: pKa de cidos benzicos sustituidos y valor de sustituyente. .............222

Tabla 12: Nomenclatura de los sustituyentes utilizados para estudio de la

demanda electrnica. ...................................................................................228

Tabla 13: Solubilidad de PANIs modificadas en distintos solventes....................231

Tabla 14: Colorantes usados en HTS de fotoisomerizacin................................235







Tabla 21: Anlisis qumico elemental para distintas muestras de PANI

modificadas. .................................................................................................249

Tabla 22: Composicin qumica de PANIs modificadas. .....................................250

Tabla 23: Posiciones de los picos de difraccin de NT y NT-NO2.......................275


Diego F. Acevedo

xviii

INDICE DE ESQUEMAS: Esquema 1: Sntesis combinatoria por mezcla y separacin. .............................. 27

Esquema 2: Tcnica de deconvolucin. ............................................................... 29




Diego F. Acevedo

1

CAPITULO I INTRODUCCION


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2

I. INTRODUCCIN:

Los materiales avanzados se pueden diferenciar de los materiales

tradicionales principalmente porque poseen propiedades especiales que permiten

su utilizacin en una gran variedad de aplicaciones tecnolgicas.1,2 Entre estos

materiales se encuentran los polmeros conductores intrnsecos (PCI), cermicos

superconductores, aerogeles, fullerenos y materiales nanoestructurados.

Los PCI incluyen la polianilina, el polipirrol, el politiofeno y el

poli(etilendioxitiofeno), los cuales son denominados metales sintticos. Estos

polmeros tienen la interesante propiedad de alternar entre estados conductores y

aislantes, cambiando el color cuando pasan de un estado a otro.

La amplia gama de usos de este tipo de compuestos estuvo limitada en sus

comienzos, por las inadecuadas propiedades que poseen para su utilizacin en

aplicaciones industriales, entre las ms destacadas se puede citar su inestabilidad

en aire y la insolubilidad en la mayora de los solventes comnmente usados en

productos industriales.3

La polianilina (PANI) es, probablemente, el polmero sinttico que primero

se conoci. El negro de anilina, nombre que se daba a cualquier producto de ese

color originado por la oxidacin de anilina, fue conocido desde 1835.

Transcurrieron muchos aos de investigacin hasta que en 1862 se encuentra la

primera referencia bibliogrfica que se refiere a la sntesis de polianilina.4 Aos

ms tarde se produjo la incorporacin de los PCI a la ciencia de materiales. Este

hecho comenz en 1979 con el trabajo de Shirakawa, Heeger y McDiarmid,5 por

el cual fueron merecedores del Premio Nobel de Qumica en el ao 2000. Con el

impulso generado por estos investigadores se realizaron muchos estudios que

permitieron mejorar las propiedades de estos materiales.

Posteriormente se desarroll la produccin de sistemas ms complejos a

travs de: copolimerizacin, post-modificacin o mezclado.6-12 Las tcnicas

citadas anteriormente permiten incorporar distintas funcionalidades a la matriz

polimrica. La presencia de funcionalidades puede aumentar la procesabilidad,

por ejemplo mejorar la solubilidad de los polmeros, permitiendo la deposicin de


Diego F. Acevedo

3

stos a partir de soluciones fcilmente evaporables. Adems pueden incorporarse

grupos quelantes, redox, luminiscentes, quirales, etc.13-16

En la actualidad la capacidad de sntesis y la disponibilidad de tcnicas de

evaluacin de las propiedades de los nuevos compuestos sintetizados es la clave

para incorporarse en el campo de la innovacin tecnologa de nuevos materiales.

En nuestros das la intensa competencia en la industria hace que llegar primero a

un patentamiento de un determinado producto sea una meta primordial que puede

determinar el xito o fracaso de una empresa. La utilizacin de procedimientos de

sntesis convencionales, demanda varios aos hasta completar el desarrollo de un

nuevo producto. Es posible reducir este tiempo mediante el uso de la qumica

combinatoria, este hecho explica la importancia que el procedimiento est

adquiriendo, ya que el acceso ms rpido y eficiente a nuevos productos es un

instrumento para mejorar la calidad de vida de la gente. El nombre qumica

combinatoria se aplica al conjunto de procedimientos que permiten sintetizar

rpida, eficiente y simultneamente una gran cantidad de compuestos orgnicos

diferentes entre s llamado libreras o bibliotecas

Ya que el objetivo final es la aplicacin de los materiales en dispositivos

tecnolgicos, es necesario determinar sus propiedades para poder evaluar su

posible capacidad para tales fines. Aunque, en determinados casos, es posible

predecir algunas propiedades obtenibles por modificacin, es razonable pensar

que muchos PCI no han sido sintetizados o sus propiedades no se han estudiado

debido a la lentitud del proceso. La existencia de similares cuellos de botella en la

sntesis de drogas farmacuticas motiv el desarrollo de la qumica combinatoria.

La importancia de la qumica combinatoria puede quedar demostrada con

unos pocos nmeros: estimando que existen 1063 estructuras estables

compuestas por carbono, oxgeno, nitrgeno, azufre e hidrgeno, con no ms de

30 tomos de estos elementos, si se prepara slo 1 mg de cada una de stas

obtendramos una masa de 1060 g. La masa total del sol es aproximadamente de

2x1033 g; esto significa que la masa total de esta librera orgnica podra ser

equivalente a 1027 soles.

Asumiendo que existe un nmero total de 20 millones de compuestos

conocidos en la actualidad, y suponiendo que existiese 1 mg de cada uno se


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4

tendra una masa de slo 2.104 g, que es lo que representa el actual universo

qumico, lo que es un nmero insignificante comparado con la masa de los 1027

soles. Es decir, lo que se conoce de qumica es muy poco en relacin con las

posibilidades que tenemos disponibles. La qumica combinatoria es en la

actualidad una de las mejores formas de ofrecer un acceso efectivo a esta

diversidad. En vez de una sntesis de un compuesto a la vez, es posible sintetizar

en paralelo una librera de compuestos e identificar sus propiedades mediante

muestreo rpido de alguna de stas.17

Por los motivos expuestos anteriormente, en lo que respecta a la velocidad

de desarrollo de nuevas tecnologas y la capacidad que nos ofrece la qumica

combinatoria para explorar un rango amplio del universo qumico es que en esta

tesis se desarrolla la post-modificacin de polmeros conductores en especial

PANI mediante sustitucin electroflica con sales de diazonio,18 aplicando tcnicas

de qumica combinatoria.


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5

CAPITULO II OBJETIVOS


Diego F. Acevedo

6

II. OBJETIVOS:

II.1. OBJETIVO GENERAL:

Debido al gran auge que ha tenido la qumica combinatoria en los ltimos

aos en lo que respecta a la sntesis y el estudio de nuevas drogas de uso

medicinal y a que la aplicacin de esta nueva tcnica an no ha sido explorada en

el campo de los polmeros conductores, se propone como objetivo general

Demostrar que es posible aplicar el concepto de qumica combinatoria al

estudio de la sntesis y la exploracin de propiedades de polmeros

conductores.

Para lograr alcanzar el objetivo general de la tesis, se plantean una serie

de objetivos particulares, los cuales son utilizados como gua para alcanzar el

objetivo general.

II.2. OBJETIVOS PARTICULARES:

El primer objetivo propuesto para demostrar que el concepto de qumica combinatoria es aplicable a la modificacin de polimeros conductores, es

desarrollar tcnicas de sntesis combinatoria para la fabricacin de

polmeros conductores.

La aplicacin de qumica combinatoria a la sntesis de nuevos compuestos produce un nmero considerable de productos, teniendo presente este

hecho, se plantea la necesidad de encontrar tcnicas de exploracin rpida

de alta eficiencia high throughput screening, para ser aplicados a la nueva

librera de polmeros conductores sintetizada.

Mediante la realizacin de exploraciones rpidas de alta eficiencia de solubilidad y conductividad se lograr alcanzar el prximo objetivo

planteado: detectar compuestos de inters leads.

Otro objetivo a evaluar es la extensin de la librera de polmeros modificndolos con compuestos con propiedades conocidas ya sea de


Diego F. Acevedo

7

inters en el campo de la medicina como as tambin fluorforos

conocidos.

Una vez detectados los compuestos de inters ser necesario evaluar en detalle las propiedades de estos materiales seleccionados para estudiar su

posible utilizacin en dispositivos tecnolgicos.

Habiendo encontrado compuestos lderes, se estudiar la posibilidad de ampliar la tcnica a la sntesis de otras molculas. Se analizarn algunas

aplicaciones de los polmeros sintetizados.


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8

CAPITULO III PRINCIPIOS BASICOS


Diego F. Acevedo

9

III. PRINCIPIOS BASICOS.

III.1. QUMICA COMBINATORIA:

III.1.1. INTRODUCCION:

El avance dado por la rama cientfica conocida con el nombre de Qumica

Combinatoria se puede considerar como uno de los diez hechos cientficos ms

importantes de los ltimos aos. La qumica combinatoria promete en pocos aos

logros tan variados como la obtencin de innumerables y mejores medicamentos,

superconductores ms eficaces, nuevos materiales, etc.

Los procesos qumicos tradicionales son lentos, de modo que un qumico

puede darse por satisfecho si al cabo de un ao de trabajo ha sido capaz de

sintetizar unas pocas nuevas molculas de inters para la medicina, la industria o

la agricultura. En ese mismo tiempo la qumica combinatoria podra dar lugar a

miles de nuevas molculas, con lo cual la posibilidad de encontrar algn

compuesto con propiedades interesantes se incrementa en forma exponencial.

Si bien las tcnicas de qumica combinatoria comenzaron a aplicarse en las

reas relacionadas a la investigacin de pptidos y nuevos medicamentos, los

avances logrados en tan poco tiempo han provocado que la metodologa se

expanda a la investigacin de nuevos materiales, por ejemplo libreras de

compuestos inorgnicos y catalizadores y abarcando actualmente a la ciencia de

superconductores, sensores, polmeros,19 etc.

III.1.2. DEFINICIONES BASICAS:

Es posible definir a la qumica combinatoria como una estrategia por la cual

se pueden preparar potencialmente un gran nmero de compuestos de forma

rpida y simultnea (Libreras), bien como productos discretos (Sntesis

Paralelas) o como mezclas de ellos (Sntesis en Mezcla y Separacin),

mediante la combinacin de uno o varios grupos de reactivos en slo unos pocos

pasos sintticos. Esta sntesis puede ser llevada a cabo en solucin o en fase


Diego F. Acevedo

10

slida, de forma tal que sea posible realizar: i- una bsqueda rpida con alta

eficiencia (exploracin rpida de alta eficiencia) de un compuesto cuya actividad

se destaque (Lder) en relacin con los otros miembros de la librera, ii- una

elucidacin estructural rpida (deconvolucin), iii- un conocimiento acelerado de

las relaciones estructura-actividad (SAR) y iv- la posibilidad de automatizacin.20

Sin embargo esta tcnica posee ciertas limitaciones: i- las sntesis a llevar

a cabo deben ser altamente eficiente, se debe tener en cuenta que si bien se

trabaja con familias de compuestos relacionados estructuralmente su

reactividades son diferentes; ii- debe tenerse en cuenta la diversidad qumica, de

nada sirve realizar una librera de compuestos en los cuales los miembros de la

familia sintetizada difieran muy poco entre si; iii- se debe encontrar un mtodo de

bsqueda rpida y eficiente de las propiedades importantes (HTS), debido a que

si se sintetiza una gran librera y no existe un mtodo con las caractersticas antes

nombradas este paso lentificara e imposibilitara la aplicacin de esta tcnica; iv-

tambin debe tenerse en cuenta que realizar una sntesis mltiple en paralelo no

siempre es posible.

El desarrollo de la qumica combinatoria ha generado una amplia variedad

de nuevos conceptos y terminologa propia. Esta novedosa rea ha posibilitado la

interaccin de cientficos de distintos campos, los qumicos de la rama de la

medicina estn relacionndose con ingenieros, qumicos analticos con

polimeristas, etc. Teniendo en cuenta esta interaccin entre distintas reas y para

que no exista confusiones la Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada

(IUPAC) convoc a cientficos de diversas reas para intentar capturar y definir la

terminologa que unifique conceptos.21

Los siguientes prrafos van a definir los trminos utilizados en qumica

combinatoria relacionados con el desarrollo de esta tesis, si bien existen muchos

ms:

Alfiler, Pin: es un dispositivo alargado compuesto por un polmero inerte, el cual posee un extremo que acta como soporte slido para realizar la unin de

las molculas de partida de una sntesis en fase slida. Un arreglo de alfileres

puede ser dispuesto de forma tal que un grupo de estos puede ser


Diego F. Acevedo

11

simultneamente insertados o retirados de un reactor permitiendo la preparacin

de una librera utilizando una sntesis en paralelo.22

Amplificacin: sntesis de compuestos relacionados estructuralmente con el compuesto lder.

Bolsa de T: un tipo de reactor que consiste de un soporte poroso en cual se encierran resinas que sirven como soporte slido para anclar a los reactivos.

Este dispositivo permite el paso a travs del soporte poroso, de los otros reactivos

y del solvente cuando se sumerge en un contenedor secundario. Varias bolsas de

te pueden ser tratadas en un mismo reactor sin que se mezclen las resinas

contenidas por estas; la manipulacin de una serie de bolsas de te permiten la

preparacin de libreras utilizando la tcnica de mezclado y separacin.23

Blanco (target): propiedades del compuesto buscado. Bloque de construccin: uno, de un nmero de reactivos intercambiables,

los cuales pueden ser usados en la construccin de una librera combinatoria.

Conector: es una molcula bifuncional que permite mediante uno de sus grupos funcionales la unin del compuesto ya sea al soporte slido o a otro

reactivo de forma tal que el otro grupo funcional puede ser utilizado para producir

algn otro tipo de modificacin.

Deconvolucin: es una tcnica utilizada para facilitar el proceso de encontrar un compuesto activo entre una familia generada mediante una sntesis

de mezclado y separacin.24,25

Desanclado: es el proceso relacionado con la ruptura de la interaccin de un compuesto con su soporte slido, por ejemplo una perla.

Diversidad: es el grado de diferenciacin entre miembros de la librera en lo que respecta a sus propiedades fsicas o bioactividad.

Exploracin de alta eficiencia: High-Throughput Screening (HTS) es un proceso que permite una rpida determinacin de la actividad de un compuesto

que pertenece a una librera o alguna otra coleccin.

Familia: es un grupo de compuestos qumicamente relacionados entre s, que son utilizados para generar una librera.


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Librera Combinatoria: es un grupo de compuestos preparados mediante qumica combinatoria que han sido sintetizados en forma paralela o por mezclado

y separacin.

Mezclado, Pool: es un proceso de combinar y mezclar componentes de una librera o sublibreras (ver mezclado y separacin)

Mezclado y Separacin, Pool/Split o Split/Pool: es una estrategia para sintetizar una librera combinatoria. El soporte slido se divide en distintas

porciones, a cada una de estas se las hace reaccionar con un bloque de

construccin simple. Posteriormente se mezclan los soportes slidos para

proceder a la nueva reaccin. Hay que tener en cuenta que en cada reactor

existen varios soportes slidos y que cada uno de estos posee anclado distintos

reactivos. La repeticin de la divisin y el proceso de recombinacin produce una

librera, en la cual cada partcula discreta de soporte slido contiene un miembro

de la librera, y el nmero de miembros es igual al producto del nmero total de

bloques de construccin incorporados en cada paso.26,27

Miembro: es un compuesto especfico el cual esta incluido en una librera, o es el producto no caracterizado de una librera sintetizada.

MPS: Sntesis mltiple paralela (ver: sntesis paralela). Perla: (Normalmente esfrica) es una partcula utilizada como soporte

slido para anclar los reactivos de la sntesis combinatoria.

Pista o Lder, lead: es un componente de una librera que posee alguna propiedad excede a la de los dems miembros.

Sntesis en arreglo: es una sntesis en paralelo en la cual los reactores se mantienen en una distribucin espacial definida, por ejemplo las de un

multipin.22,28-29.

Sntesis Paralela: es una estrategia, por la cual un grupo de compuestos discretos son preparados en forma simultanea en arreglos, mediante reacciones

que se producen en recipientes fsicamente separados o en

microcompartimientos, evitando la interaccin entre los distintos reactivos. Lo

opuesto a mezclado y separacin.

Soporte Slido: es un material polimrico insoluble que posee cierto tipo de funcionalidad que permite a los miembros de la librera o a los reactivos unirse


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a este (puede ser mediante una molcula bifuncional) permitiendo tambin una

separacin fcil del producto sintetizado (mediante filtracin, centrifugacin, etc.)

del exceso de reactivo, de subproductos solubles o solventes utilizados en el

medio de reaccin.30-31

Qumica click: qumica de ejecucin simple cuyos productos se

obtienen con un alto rendimiento (alto valor de entalpa, H).

III.1.3. HISTORIA:

Los primeros ejemplos de aplicacin de tcnicas de qumica combinatoria

fueron reportados por Tomas A. Edison y el fotoqumico Ciamician,32,33 estos

investigadores utilizaron esta tcnica para el descubrimiento de un material

adecuado para el uso como filamento de las bombillas incandescentes en el

primer caso y para el descubrimiento de materiales fotoreactivos para el caso de

Ciamician.

Alrededor de cien aos atrs se encuentra el primer ejemplo de un equipo

de sntesis en paralelo, Figura 1, es un autoclave con doce reactores en paralelo y

un agitador para seis erlermeyer con el cual Ciamician produca en forma

combinatoria sus compuestos.

Figura 1: Equipo de sntesis combinatoria.

Sin embargo, el origen de la qumica combinatoria tiene sus bases en

mtodos cuyas races estn en la naturaleza, especficamente en los mecanismos


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que utiliza el sistema inmune para seleccionar los anticuerpos utilizados para

combatir los agentes invasores. El cuerpo humano contiene una librera de

alrededor de un trilln de diferentes anticuerpos, cada uno contiene distintas

combinaciones de cadenas de protenas. Cuando un agente extrao es

encontrado dentro del organismo, el sistema inmune busca en su librera y

selecciona el anticuerpo ms adecuado para combatirlo, posteriormente lo

sintetiza en cantidades apreciables, cabe destacar que en este proceso el

organismo no utiliza un diseo racional del anticuerpo para atacar un virus

particular.

Si bien existen referencias de la utilizacin de qumica combinatoria en la

antigedad, como aquellas citadas previamente, el desarrollo del mtodo como se

conoce en la actualidad surge en el campo de la investigacin de pptidos y

puede ser resumido como sigue:

En la qumica tradicional, para el descubrimiento de nuevas drogas es

necesario explorar una propiedad biolgica especfica en mezclas complejas,

productos naturales tales como extractos de plantas o animales, caldos de

cultivos o una gran cantidad de compuestos sintticos.34 En el caso de los

productos naturales la purificacin y la identificacin de un compuesto con

actividad, en la mayora de los casos, requiere varios aos de trabajo. En los

ltimos aos ha surgido una nueva tecnologa conocida como Qumica

Combinatoria la cual ha mostrado un gran potencial en el aumento de la

velocidad de descubrimiento de nuevas drogas.

La qumica combinatoria involucra (i) generacin de un gran nmero de

compuestos con caractersticas similares (librera), (ii) un mtodo de exploracin

de alta eficiencia, mediante el cual la librera puede ser inspeccionada en

bsqueda de una propiedad especfica y (iii) la identificacin del compuesto

activo utilizando mtodos de deconvolucin, anlisis qumicos directos o por

anlisis de estructuras codificadas. Los sucesos significantes para el desarrollo de

esta rea de la qumica se detallan en los siguientes prrafos.

La qumica combinatoria esencialmente comenz con los experimentos de

sntesis en fase slida de pptidos realizados en 1962 por Bruce Merrifield. Este

investigador fue el primero en utilizar el trmino de sntesis de pptidos en fase


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slida para describir la preparacin de un pptido soportado en un polmero el

cual permanece insoluble durante toda la sntesis, Figura 2.35

En este trabajo, Merrifield reporta la creacin de un soporte slido para la

sntesis en paralelo de pptidos, principalmente compuesto por una mezcla de

poliestireno con polietileno. Utilizando este soporte es posible obtener una

cantidad apreciable de pptidos anlogos. Los pasos utilizados para esta sntesis

comienzan con la unin de un aminocido, que posee su grupo amino protegido,

al soporte slido mediante una unin ester. La sntesis, previa desproteccin del

grupo, contina con la adicin de otro aminocido con su grupo amino protegidos,

alternando estos procedimientos se contina hasta que se alcanza la secuencia

de ensamblado deseada. El pptido es entonces removido del soporte slido y

aislado del polmero, realizando un simple proceso de filtracin.36 De hecho una

de las razones principales para el desarrollo de la sntesis en fase slida es la

dificultad que existe en lo que respecta a la purificacin de las cadenas peptdicas

durante la sntesis en solucin.37 En fase slida la purificacin se lleva a cabo

mediante un simple lavado de la resina polimrica en distintos solventes,

eliminando de esta forma cualquier tipo de impurezas o reactivo en exceso.

Este trabajo tuvo un impacto inmediato, ayudado en gran parte porque la

sntesis de pptidos involucra reacciones iterativas con utilizacin de exceso de

reactivos, las cuales son susceptibles a automatizacin.


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O2NCl

HO

N

CbZ

O

R1

H

O2NO

NCbZ

O

R1

H

O2NO

NCbZ

O

R1

H

HBr-HOAc

O2NO

NH

O

R1

H

O2NO

NH

O

R1

H

HO

N

CbZ

O

R2

H

NCbZ

O

R1

H

O2NO

N

O

R1

H

DCC

NCbZ

O

R1

H

O2NO

N

O

R1

H

NaOH

NH

O

R1

HOH

NO

R1

H

Et3N

Figura 2: Sntesis de pptidos en fase slida.

El siguiente paso en la historia de la qumica combinatoria fue dado por

Geysen38 en Australia, quien logr que el proceso completo de la sntesis de

pptidos fuese tcnicamente simple, incorporando un sistema multipin (Figura 3).

Utilizando este mtodo pudo sintetizar una coleccin de pptidos a gran escala.

Esquemticamente el sistema esta formado por una placa de polietileno que lleva

insertadas varillas del mismo material, distribuidas de forma tal que coincidan con

cavidades que sirven de reservorios y que estn presentes a intervalos regulares

en una placa de material plstico. En los extremos libres de las varillas estn

unidos qumicamente polmeros insolubles, entre los ms comunes se encuentran

las resinas polimricas del tipo poliestireno-polidivinilbenceno. Estas resinas

poseen en su estructura grupos funcionales adecuados para lograr el anclaje de

los compuestos de partida de la sntesis qumica que se intenta producir. Los

reactivos que intervienen en sta, se colocan en los reservorios de la placa y la


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reaccin qumica se inicia sumergiendo las varillas en estos. Una vez concluido el

proceso, las varillas se introducen en grandes baos para eliminar por lavado el

material que no se ha asociado y, eventualmente para prepararlas para el nuevo

ciclo de reaccin. El procedimiento descrito puede repetirse muchas veces hasta

completar la sntesis deseada, este procedimiento fue posteriormente

denominado Sntesis Combinatoria en Paralelo. Una ventaja de este sistema es

que, colocando los reactivos necesarios para la separacin de los productos

finales de la resina en los reservorios, stos se liberaran de la resma y cada uno

de los productos quedar ubicado en un lugar independiente, aislado de los

dems, ser conocida su composicin qumica, y es factible someterlo a ensayos

con el fin de detectar su actividad.

Figura 3: Foto sistema multipin.

El prximo hito que mejor el diseo de sntesis de libreras fue un sistema

denominado Diversmetro, el cual fue creado por Hougthen en 1985.23 Este

sistema a diferencia del sistema multipin, donde la resina est en la parte exterior

de la varilla, el soporte slido posee forma de pequeos granos y se encuentra en

el interior de varillas huecas separadas del medio por un cierre de vidrio poroso, el

cual permite el paso del solvente y de los reactivos. De esta manera los granos de

resina pueden ser sumergidos en la solucin que contiene a los componentes

necesarios para que se produzca una determinada reaccin. Una vez concluido el

proceso, el bloque con las resinas se retira y se lavan las varillas sumergindolas

en baos de solventes adecuados.

La tercer forma de sintetizar compuestos en forma combinatoria y tal vez la

ms utilizada actualmente se public en 1991, cuando Furka39 y Kit Lam,40

investigadores del Centro de Cncer de Arizona sintetizaron una librera de ms


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de un milln de diferentes pptidos, utilizando lo que en la actualidad se denomina

Sntesis por Mezclado y Separacin. Los distintos pptidos estaban dispuestos

en diferentes pequeas perlas de plstico Figura 4.

Figura 4: Imgenes de perlas para qumica combinatoria.

El mtodo de separacin y mezclado consiste en unir a perlas plsticas un

primer grupo de reactivos, sean A, B y C, anclados a distintas perlas, mediante

reacciones en forma separada. El paso siguiente es realizar un mezclado de

estas, las cuales al poseer un dimetro cercano al de un cabello humano hace

posible realizar este procedimiento en forma muy eficiente. Posteriormente se

realiza una separacin de las perlas, cada alcuota contiene al menos una perla

unida a cada uno de los reactivos A, B y C. Una parte se hace reaccionar con D

otra con E y otra con F, continuando as, hasta unir la cantidad de compuestos

que se desee. El procedimiento de mezclado asegura que se obtenga un conjunto

de perlas que contenienen todas las posibles combinaciones (AD, AE, AF,etc.) al

final de la reaccin en cada reactor. De esta forma se obtienen 9 productos finales

(3x3) despus de realizar slo seis reacciones (3+3).

El mtodo original de Geysen, mtodo en paralelo, requiere un alfiler

separado para cada compuesto y un espacio de reaccin para cada uno de los

productos finales. Pero el mtodo de separacin y mezclado logra economa de

tiempo y reactivos haciendo varias reacciones en una sola cuba con todos los

productos de partida mezclados, adems ha sido demostrado que esta tcnica no

slo es til para la qumica de pptidos, sino tambin para la qumica medicinal.

Comparada con la metodologa de sntesis en paralelo, esta tcnica de

separacin y mezclado tiene como desventaja que, al finalizar la sntesis en cada

reactor existe una mezcla de productos, pero la enorme ventaja de que es posible

sintetizar, por ejemplo, alrededor de diez mil compuestos en una secuencia de


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reaccin de cuatro pasos, solamente en diez reactores (10x10x10x10 compuestos

con 10+10+10+10 reacciones) y esta superioridad en el rea de la sntesis es una

enorme ventaja.

Geysen, Hougthen y Lam comen

nuevos materiales

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