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Microsoft Word - Trabajo de tesis.docxPOLICAPROLACTONA
María Camila Puentes Tapia
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de
Químico
Director: Dr. John J. Hurtado Belalcazar
Palabras claves: polímeros biodegradables, policaprolactona,
e-caprolactona, zinc,
ligandos azólicos, polimerización.
Departamento de Química
2
AGRADECIMIENTOS
A mi familia por su constante apoyo, motivación y amor
entregado.
A mi profesor de inorgánica y director de trabajo de grado Dr. John
Jady Hurtado, por
despertar en mi el interés por la catálisis y ayudarme durante todo
el proceso final de
grado.
Al grupo de investigación de Química Inorgánica, Catálisis y
Bioinorgánica de la
universidad de los Andes por su apoyo incondicional y la enseñanza
brindada, en especial
a Daniela Fonseca, Lenka Tamayo y Daniela Mestizo.
A mis amigos de Química que durante cuatro años compartimos
momentos inolvidables e
hicieron que las etapas más difíciles de la carrera se acompañaran
con risas y alegría.
A mis amigos de Geociencias por su acompañamiento incondicional,
apoyo y carisma que
permitieron que la universidad fuera mi segundo hogar.
Al programa Ser Pilo Paga por permitirme estudiar en una de las
mejores Universidades
de Colombia.
A la universidad de los Andes porque a través de sus profesores y
personal, permitieron
que generará un amor por la investigación, un pensamiento más
crítico y concientización
acerca de las diferentes adversidades que enfrentamos
diariamente.
3
CONTENIDO
4.2.1 Propiedades
4.2.2 Biodegradación
4.3.1 Polimerización por apertura de anillo (ROP) de e-caprolactona
(CL)
4.3.1.1 Polimerización Aniónica
4.3.1.2 Polimerización Catiónica
4.3.1.4 Polimerización vía coordinación-inserción
4.3.1.5 Polimerización vía enzimática
4.3.3 Polimerización por apertura de anillo (ROP) vía radical
2-metileno-1,3-
dioxepano (MD)
4.4.2 Ingeniería de tejidos
4.4.3 Material de empaque
5.1 Comparación entre métodos y selección del método más
eficiente
5.2 Importancia de los ligandos derivados de
bis(3,5-dimetil-1-pirazolil)metano (L1)
5.3 Importancia del Zn(II) como centro metálico
4
5.4 Complejos de Zn(II) que contienen ligandos derivados de
bis(3,5-dimetil-1-
pirazolil)metano (L1)
• PCL: policaprolactona.
• CL: e-caprolactona.
• PDI: polidispersidad.
• DCM: diclorometano.
• M: metal.
• MD: 2-metileno-1,3-dioxepano
• L1: bis(3,5-dimetil-1-pirazolil)metano.
• L2: bis(3,5-dimetil-4-nitro-1-pirazolil)metano.
• L4: bis(4-iodo-3,5-dimetil-1-pirazolil)metano.
Bioinorgánica de la universidad de los Andes.
6
2. RESUMEN
La acumulación excesiva de plásticos derivados del petróleo (Pdp)
es una de las
problemáticas con mayor interés en los últimos años. El auge en el
uso de estos materiales y
su compleja degradación, han generado que se logren grandes
depósitos de Pdp que afectan
en gran medida a la biósfera. Como respuesta a esta problemática,
se ha realizado la búsqueda
de nuevos materiales que puedan reemplazar a los Pdp y que a su vez
sean biodegradables.
Uno de ellos es la policaprolactona (PCL) y por ello, este texto
tiene como objetivo exponer
las propiedades, métodos de síntesis y aplicaciones de este
material. Adicionalmente, se
plantea una propuesta de alternativa al método de síntesis mediante
polimerización por
apertura del anillo (ROP) de la e-caprolactona (CL) y discutir el
potencial catalítico que
presentan los complejos de Zn(II) con ligandos N-donores derivados
de azoles. Para ello, se
realizó una revisión bibliográfica de los diferentes métodos de
síntesis de la PCL y se realizó
una comparación entre los mismos. A partir de lo obtenido, se
seleccionó como el método
más eficiente la ROP de CL vía coordinación-inserción y teniendo en
cuenta lo previamente
realizado por el grupo de investigación de Química Inorgánica,
Catálisis y Bioinorgánica
(GUIQUICB), se propuso la síntesis de nuevos complejos de Zn(II)
con ligandos derivados
de bis(3,5-dimetil-1-pirazolil)metano (L1) debido a su posible
potencial catalítico para el
método seleccionado.
3.1 Objetivo general
• Ampliar el conocimiento acerca de las propiedades, métodos de
síntesis y
aplicaciones que presenta la PCL. 3.2 Objetivos específicos
• Exponer las propiedades, métodos de síntesis y aplicaciones de la
PCL.
• Sintetizar ligandos L1, L2, L3 y L4.
• Sintetizar el complejo
dicloro[bis(3,5-dimetilpirazol-1-il)metano-NN]zinc(II)
• Discutir el potencial catalítico para obtener PCL usando
complejos de zinc derivados
de ligandos azólicos.
4.1 Plásticos derivados del petróleo (Pdp)
Los Pdp son materiales sintéticos que poseen gran variedad de
propiedades como: termo-
plasticidad, impermeabilidad, durabilidad, baja densidad, baja
conductividad eléctrica,
resistencia a la corrosión y a otros factores ambientales.1 Estas
propiedades son atribuidas a
la estructura química del Pdp, debido a que su composición se basa
en largas cadenas
denominadas polímeros.2 Estos polímeros son macromoléculas
constituidas por monómeros,
los cuales son estructuras químicas pequeñas de igual composición
que se unen entre si
mediante enlaces covalentes. Una vez se enlazan estos monómeros, se
forman estas cadenas
largas que se unen por medio de fuerzas intermoleculares, que en su
mayoría son atribuidas
a Van der Waals y puentes de hidrógeno.3
Los Pdp son uno de los materiales más utilizados en la actualidad
por su gran variedad de
aplicaciones en la industria y en la vida cotidiana.2 Sin embargo,
su degradación es compleja
porque presenta resistencia a diversos factores ambientales. Debido
a esto, ninguno de los
ciclos biogeoquímicos de la tierra puede eliminar los Pdp y pasan a
denominarse polímeros
no biodegradables.1 Cada vez es más común encontrar grandes
acumulaciones de Pdp en
océanos, ríos y depresiones físicas en los continentes. Además,
este material genera
problemas en la biota debido a que son receptores de contaminantes
que no son solubles en
agua y al ser ingeridos por los organismos, estos son intoxicados y
pueden provocar su
muerte.1 Lo que genera desequilibrio de la cadena alimenticia de la
Tierra. Por tal motivo, es
necesario buscar alternativas en el uso de polímeros no
biodegradables para que los seres
humanos tengan un menor impacto negativo en los ecosistemas.
4.2 Polímeros biodegradables y policaprolactona (PCL)
Una de las alternativas para reducir el uso de los Pdp es el
reciclaje, el cual ayuda a disminuir
la cantidad de estos polímeros por medio de una transformación a
otro material con diferentes
aplicaciones. Por ejemplo, cuando se recolectan gran variedad de
botellas de plástico para
9
luego ser fundidas y convertirse en materia prima para la
producción de bolsas plásticas. Sin
embargo, este proceso requiere de altas temperaturas, además de la
concientización de la
población acerca del reciclaje. Por lo anterior, se ha buscado
reemplazar los Pdb por otros
que, si sean biodegradables, con el fin de evitar el consumo de
energía del reciclaje y no
generar materiales que tarden más de 500 años en
degradarse.5-7
Los polímeros biodegradables son aquellos que poseen por lo menos
en su degradación un
paso de metabolización por la biósfera, los cuales ante condiciones
especificas de humedad,
temperatura y presencia de oxígeno, son fragmentados y los residuos
generados no
representan un riesgo al medio ambiente.4 Entre ellos se encuentra
el ácido poliláctico, el
cual se degrada por la hidrólisis de los enlaces ésteres y genera
como subproductos el ácido
láctico, compuesto químico necesario en el ciclo de Cori. No
obstante, remplazar el Pdp por
materiales que se degraden por medio de la biota ha sido complejo
debido a que el nuevo
material debe tener similares propiedades del Pdb como por ejemplo
resistencia a factores
ambientales, termoplasticidad y durabilidad.5–7
En consecuencia, en los últimos años se ha estudiado la PCL como
uno de los polímeros
sintéticos biodegradables que podría reemplazar a los Pdp, debido a
que presenta gran
similitud con las propiedades previamente descritas y la ventaja de
ser degradados por
microorganismos. La PCL es un poliéster alifático que se compone de
monómeros de
hexanoato (Figura 1), la cual se puede sintetizar por diferentes
rutas como la
policondensación de monómeros8, a partir de ROP del monómero CL con
diversos
catalizadores o por medio de la ROP vía radical de
2-metileno-1,3-dioxepano (MD).9
Figura 1. Estructura de PCL
10
4.2.1 Propiedades
La PCL es un polímero que puede alcanzar un grado de cristalinidad
alto y es categorizado
como un polímero semicristalino. Además, posee una celda unidad
ortorrómbica y sus
parámetros cristalinos son = 7.496 ± 0.002 , = 4.974 ± 0,001 y =
17.297 ± 0.023
. El grado de cristalinidad depende del peso molecular del polímero
y se ha observado
experimentalmente que, al aumentar el tamaño del polímero, el grado
de cristalinidad
disminuye, lo que indica que son variables inversamente
proporcionales. Esta relación ha
sido estudiada por la teoría unified reptation-nucleation, la cual
afirma que al tener un
polímero de cadenas largas, estas durante la nucleación se van a
enredar con las cadenas
adyacentes por lo que el fenómeno de reptación, capacidad de una
cadena en desenredarse
de las otras, va a disminuir y con ello un incremento de la fase
amorfa (disminución de la
cristalinidad).10
Por otro lado, sus propiedades físicas, mecánicas y térmicas
dependen de su respectivo peso
molecular y grado de cristalinidad, por lo que se han generalizado
para el rango entre 520 a
630000 g/mol las siguientes propiedades: densidad 1.07-1.2 g/cm3,
temperatura de transición
vítrea entre -65 a -60 ºC, temperatura de fusión entre 56 a 65 ºC y
temperatura de
descomposición 350 ºC. Además, por sus largas cadenas alifáticas es
soluble en diferentes
disolventes orgánicos como: cloroformo, diclorometano (DCM),
tetracloruro de carbono,
benceno, tolueno, ciclohexanona, entre otros. Por último, es
insoluble en agua, etanol, éter
de petróleo y dietiléter.8,9
En comparación con otros polímeros biodegradables, la PCL posee
propiedades atípicas, las
cuales son miscibilidad y compatibilidad mecánica con otros
polímeros, lo que hace que
incremente su aplicabilidad.8 La PCL presenta degradación lenta por
lo que es útil al
mezclarse con materiales que requieren de una aplicación a largo
plazo. Adicionalmente, se
ha comprobado a partir de varios experimentos que su toxicidad es
baja, es compatible con
tejidos humanos debido a que algunos de sus grupos funcionales son
biocompatibles con las
células y su obtención es de bajo costo.11 De acuerdo a lo
anterior, es común que cada vez se
11
incremente el uso de la PCL en áreas como la ingeniería biomédica,
farmacia (liberación
controlada de medicamentos) y diseño de empaques entre otra
variedad de aplicaciones.8
4.2.2 Biodegradación
La biodegradación de la PCL, como se mencionó anteriormente, es de
larga duración y puede
tardar meses o años dependiendo de su peso molecular, el grado de
cristalinidad y las
condiciones ambientales en el momento de la degradación.
Adicionalmente, las propiedades,
durante los primeros 6 meses de degradación no varían notoriamente
pero luego de este
período, el polímero comienza a perder propiedades como la
resistencia ambiental y en un
lapso de 2 a 3 años, como mínimo, se completa su
degradación.10
El mecanismo propuesto de biodegradación se basa en la hidrólisis
de los enlaces ésteres y
un ataque enzimático por parte de un microorganismo. Por lo cual,
la biodegradación de la
PCL se ha dividido en dos etapas. En primer lugar, la etapa inicial
o etapa sin ataque
enzimático, corresponde a la degradación de la fase amorfa vía
hidrólisis que es catalizada
por el grupo carbonilo del polímero. En esta etapa, la
cristalinidad aumenta, el peso molecular
disminuye y su duración depende de esta última propiedad. Por otro
lado, la segunda etapa
es asociada a la fragmentación del polímero cuando este presenta un
peso molecular
alrededor de 5000 g/mol, la cual es catalizada por enzimas y
depende de la temperatura. Si
la biodegradación se genera a altas temperaturas la fragmentación
se da en los grupos
funcionales terminales del polímero y si es llevada a bajas
temperaturas la fragmentación del
enlace éster es aleatoria.8,12 Las enzimas que participan en la
biodegradación son las
depolimerasas, un tipo de las enzimas hidrolasas que pueden
provenir de gran variedad de
bacterias y hongos, por lo que su biodegradación se puede llevar a
cabo en diversos
ambientes.13,14 Sin embargo, en los seres humanos o animales no se
encuentran estas enzimas;
por lo cual, la degradación es más lenta y solo se lleva a cabo la
etapa de hidrólisis de enlaces
ésteres.15
La velocidad de la biodegradación es controlada por propiedades
como la hidrofobicidad, el
grado de cristalinidad, el peso molecular y la temperatura de
transición vítrea, debido a que
estas propiedades determinan el acceso del agua para dar lugar a la
hidrólisis. Sin embargo,
la propiedad que influye más en la velocidad es el grado de
cristalinidad debido a que se ha
12
determinado que en la fase amorfa, el agua puede interactuar más
fácil con los grupos ésteres
por su fácil difusión en comparación con la fase cristalina. Por lo
cual, entre mayor fase
cristalina tenga la PCL, menor será la difusión del agua, la
hidrólisis y su respectiva
degradación.10 La biodegradación comienza hidrolizando la parte
externa del polímero y la
parte interna (matriz) se mantiene, conservando el peso molecular.
Con el paso del tiempo,
el agua logra llegar a la parte interna del polímero y se da a
lugar a la fragmentación por lo
que ya el polímero se convierte en moléculas pequeñas no tóxicas
para el medio ambiente
como el ácido 6-hidroxilcaproico (Figura 2), compuesto necesario en
el ciclo bioquímico
del ácido cítrico en varios organismos.9
Figura 2. Degradación de la PCL por medio de la hidrólisis de los
enlaces ésteres.9
4.3 Métodos de obtención de policaprolactona (PCL)
A continuación, se mostrarán diferentes rutas de síntesis para
obtener PCL a partir de
diferentes precursores o catalizadores. Como se mencionó
anteriormente, la síntesis puede
ser a partir de ROP de la CL con diferentes catalizadores,
condensación del ácido 6-
hidroxicaproico (PCA) y ROP vía radical de MD.
4.3.1 Polimerización por apertura del anillo (ROP) de
e-caprolactona (CL)
La ROP de CL es la ruta sintética más utilizada debido a que
reporta PCL con alto peso
molecular y polidispersidad (PDI) cercana a 1, es decir, los pesos
moleculares de cada cadena
del polímero se encuentran en una campana gaussiana de baja
amplitud.8 En cuanto al
precursor, la CL es obtenida a nivel industrial por medio de la
oxidación de la ciclohexanona
utilizando como agente oxidante peróxido de hidrógeno y
catalizadores/iniciadores. Esta
Fase cristanilina
Fase amorfa
Fragmentos cristanilos
13
reacción es conocida como la oxidación de Baeyer-Villiger.13 Por
otra parte, para la ROP de
CL es necesario el uso de un catalizador (Esquema 1), el cual va a
determinar el mecanismo
de reacción. Por consiguiente, la ROP de CL presenta diferentes
variantes: aniónica,
catiónica, activación del monómero, coordinación-inserción y
enzimática, los cuales se
describirán a continuación.8,13,16
Esquema 1. Reacción general para la obtención de PCL vía ROP de
CL.
4.3.1.1 Polimerización aniónica
La ROP de la CL vía mecanismo aniónico es aquella que usa como
catalizador/iniciador un
anión. El mecanismo generalizado se observa en el Esquema 2 y
comienza con el ataque
nucleofílico de la especie aniónica (-R) a el carbono con carga
parcial positiva del carbonilo
de la CL. Este ataque da lugar a la formación de un intermediario
tetraédrico, el cual permite
la regeneración del carbonilo y la ruptura del anillo por la salida
del alcóxido. Posteriormente,
en el paso 4 comienza el proceso de polimerización, el cual se basa
en la reacción del
monómero, previamente obtenido, con otra molécula de CL. En este
paso el alcóxido ataca
el carbonilo de la CL y se obtiene el intermediario tetraédrico del
paso 5. A partir de ello, se
regenera el carbonilo y se rompe el ciclo de CL por la
fragmentación del enlace C-O.
Finalmente, se repiten varias veces los pasos 4 y 5 para dar lugar
a la PLC.8,16
Esquema 2. Mecanismo aniónico ROP de CL.
O
(4)
(6)
O
O
O
14
Las especies aniónicas son en su mayoría acompañadas por metales
alcalinos y limitadas
debido a que en este mecanismo la polimerización es mediante
transesterificación de los
monómeros, la cual puede ser llevada a cabo intramolecular o
intermolecular.13 Por tal
motivo, se puede presentar una perdida del control de la reacción y
un aumento en la PDI.
Sin embargo, se han reportado algunos catalizadores aniónicos que
han presentado baja PDI
que se evidenciarán a continuación. Yuan y col. (1998)17,
realizaron ROP de la CL utilizando
como catalizador el ciclopentadienuro de sodio, en la cual el anión
ciclopentadienuro
interactúa con la CL a través del mecanismo aniónico y obtuvieron
PCL con alto peso
molecular (13 x 104 g/mol). En este estudio además de observar la
funcionalidad del
catalizador, estudiaron otras variables como el tipo de solvente,
la temperatura y la relación
molar CL/catalizador. Con base en sus resultados determinaron que:
en solventes polares se
obtiene PLC de bajo peso molecular, la temperatura para maximizar
el peso molecular de la
PCL es cercana a 20 ºC y al aumentar la relación CL/catalizador se
obtiene PCL con mayor
peso molecular, pero con un menor rendimiento (38 %).
En otros estudios, Braw-Luximon y col. (2005)18, llevaron a cabo
ROP de CL utilizando
como catalizador la diisopropil amida de litio y propusieron que el
mecanismo es aniónico
siendo la diisopropil amida el anión. En este estudio se reportó
que la ROP utilizando este
catalizador fue la más rápida (5 min) con un rendimiento del 100 %
y se obtuvieron PCLs
con peso molecular alrededor de 5700 g/mol con PDI alrededor de
1.7; estos resultados se
compararon a los obtenidos con otros catalizadores como el
octanoato de estaño /
etanolamina y complejos de aluminio con ligandos base de Schiff.
Por otro lado, Satti y col.
(2017)19, utilizaron como catalizador aniónico silanolato de litio
y obtuvieron PCL con peso
molecular de 9100 g/mol con una PDI de 1.14 durante 20 h y
rendimiento al 100 %.
Finalmente, Grobelny y col. (2019)20, reportaron aniónica ROP de CL
y utilizaron como
catalizadores alcóxidos de potasio. A partir de ello, se obtuvo PCL
con peso molecular en el
rango 2300-7200 g/mol, PDI entre 1.96-3.38 y rendimiento mayor a el
98.8 %.
4.3.1.2 Polimerización catiónica
La ROP de la CL vía mecanismo catiónico es aquella que usa como
catalizador/iniciador un
catión. El mecanismo generalizado se observa en el Esquema 3 y
comienza con el ataque
del oxígeno proveniente del carbonilo de la CL a el catalizador +R.
Con este ataque, el
15
oxígeno pasa a tener carga positiva y por medio de un movimiento de
electrones del carbonilo
se neutraliza esta carga, pero esta es transferida a el carbono del
carbonilo previo. A partir de
ello, la estructura obtenida (3.1) presenta dos estructuras
resonantes adicionales (3.2 y 3.3).
En primer lugar, el movimiento de uno de los pares de electrones
libres del oxígeno del ciclo
neutraliza la carga del carbocatión, se transfiere la carga al
oxígeno previo y da como
resultado la segunda estructura resonante. La tercera estructura
resonante se forma por la
ruptura del anillo, la neutralización del carbonilo y la obtención
de un carbocatión primario.
El mecanismo continúa con una sustitución nucleofílica SN2 a través
del ataque del oxígeno
proveniente del carbonilo de otra molécula de CL, al carbono sp3
adyacente al oxígeno
cargado positivamente de la segunda estructura resonante. Se
obtiene la estructura del paso
4, la cual es semejante a la estructura del paso 2 por lo que se
repiten los pasos 2 y 3, es decir,
comienza la polimerización y se obtiene la PCL en el paso
5.8,16,21
Esquema 3. Mecanismo catiónico ROP de CL.
Esta variante de ROP es la que puede generar PCL con más bajo peso
molecular debido a
que la reacción no se puede controlar fácilmente, por lo que la PDI
también puede ser
amplia.16 Aunque varios reviews reportan el uso de esta
polimerización catiónica, al realizar
una búsqueda de los catalizadores catiónicos para este mecanismo no
se logró obtener
información relevante y la mayoría de los resultados se asociaban
más al mecanismo de
activación de monómero.4,8,13,16,22 Por lo cual, se cree que este
mecanismo no es el más viable
para la obtención de PCL.
O
4.3.1.3 Polimerización vía activación del monómero
La ROP de CL vía activación del monómero usa un ácido de Brønsted o
de Lewis como
catalizador y un alcohol primario. El mecanismo generalizado se
observa en el Esquema 4
y comienza con el ataque del par electrónico del oxígeno
proveniente del carbonilo de CL al
ácido. Lo anterior permite que por medio de un movimiento de
electrones se genere un
carbocatión que posteriormente será atacado por el oxígeno del
alcohol. A partir de ello, se
obtiene la estructura 3.1 que presenta tautomería y transfiere el
protón proveniente del
alcohol al oxígeno que hace parte del ciclo de siete miembros de
CL. Este tautómero permite
la regeneración del carbonilo por medio de un movimiento de
electrones, la ruptura del anillo
y la regeneración del catalizador. Luego, se activa el carbonilo
del monómero con el ácido y
se da el ataque del alcohol primario de otro monómero al
carbocatión repitiéndose los pasos
2, 3 y 4 (polimerización). Finalmente, se obtiene la PCL después de
varios pasos de
polimerización.8
Esquema 4. Mecanismo de la ROP de CL vía activación del
monómero.
Con este mecanismo se han reportado varios catalizadores, los
cuales se expondrán a
continuación. En primer lugar, Kim y col.(2005)23, realizaron la
síntesis de PCL por medio
de ROP de CL utilizando HCl·Et2O como activador y como alcohol
primario polietilenglicol.
En el estudio se determinó que la PCL obtenida mostraba un peso
molecular máximo de 3980
g/mol después de 24 h de reacción, rendimiento del 99.9 % y con PDI
de 1.22.
Adicionalmente, se observó que, al aumentar el tiempo de reacción,
el rendimiento y el peso
molecular aumentan. En segundo lugar, Oshimura y col. (2011)24,
realizaron la ROP de CL
utilizando diferentes ácidos de Brønsted como catalizadores
orgánicos
(3.1) (3.2) (3.3)
(perfluoroalcanosulfonatos y perfluoroalcanosulfonamidas) y como
fuente de alcohol
primario utilizaron etanol. Este estudio reportó un rango de peso
molecular de PCL entre 4.8
x 103-13.5 x 103 g/mol con baja PDI de 1.10-1.48 y rendimientos
mayores al 90 %. Por
último, Danko y col. (2018)25, utilizaron como activador Tulipalin
A y como alcohol primario
el alcohol bencílico. A partir de ello, tuvieron diferentes pesos
moleculares de PCL al variar
la concentración del alcohol; el peso molecular máximo fue de 11000
g/mol con PDI entre
1.3-2.2 y el tiempo de reacción se reportó entre 21-96 h.
4.3.1.4 Polimerización vía coordinación-inserción
El mecanismo de reacción ROP de CL cuando se utiliza un complejo de
coordinación como
catalizador es vía coordinación inserción (Esquema 5). El
catalizador contiene ligandos
donores de carga electrónica al centro metálico, también conocidos
como complejos de tipo
MLnX. (M = metal; Ln = ligandos; X = halógeno o coligando).
Esquema 5. Mecanismo de ROP de CL vía coordinación-inserción.
El metal actúa como un ácido de Lewis, el cual genera una
activación del carbonilo. Además,
el metal se coordina con el oxígeno adyacente al carbonilo de la CL
y genera un aumento en
la densidad electrónica del centro metálico, por lo que se debilita
el enlace de coordinación
con el ligando X. Posteriormente, se da la ruptura de M-X y se crea
una especie nucleofílica
que atacará al carbono electrofílico de la CL, el cual presenta
deficiencia de electrones por
efecto inductivo y mesomérico. A continuación, con el ataque de la
especie nucleofílica se
O
O
MLn
O
(7)
18
genera el intermediario tetraédrico, el cual permite que el
carbonilo se regenere y ocurra la
salida del alcóxido coordinado al catalizador. A partir de ello, se
da la ruptura del anillo y se
genera el monómero de la PCL. Finalmente, el monómero ataca a una
molécula de CL, se
repiten los pasos 2-4 y se aumenta la longitud de la cadena. A este
catalizador usualmente
se le denomina iniciador debido a que permite generar el monómero
que posteriormente se
polimerizarán.8,22,26–29
Los complejos de coordinación como catalizadores de la reacción ROP
han sido altamente
estudiados y permiten obtener PCL con alto peso molecular, estrecha
PDI y alta cristalinidad.
Estos complejos son diversos y se han utilizados metales como Li,
Al, Sn, Ti y metales de
tierras raras como Ln.8 A continuación, se mencionarán diferentes
trabajos que han utilizado
los metales previamente mencionados, con el fin de observar el
alcance de estos metales en
la obtención PCL. No obstante, algunos de estos metales presentan
alta toxicidad por lo que
su uso disminuye y, además, las condiciones de reacción son en
algunos casos extremas como
el uso de alto vacío, por lo que limita su aplicación.30–32
En primer lugar, Rajendran y col.(2017)33, sintetizaron cinco
diferentes complejos de Li(I)
con ligandos tridentados N-donores derivados de quinolil-amidinatos
(Figura 3). Estos
complejos fueron utilizados como catalizadores de la ROP de la CL y
utilizaron alcohol
bencílico, aunque con la ausencia de este último la catálisis fue
óptima. En general, el tiempo
de polimerización fue de máximo 10 minutos con rendimientos
superiores al 85 % y un rango
de peso molecular de PCL entre 2.27-10.70 x104 g/mol. En segundo
lugar, Wei y col.
(2019)34, sintetizaron cinco complejos de Al(III) con ligandos
P-donores derivados de amido-
fosfinas. Estos complejos no contenían halógenos o coligandos, por
lo que tuvieron que
adicionar alcohol bencílico para que la síntesis de PCL se lograra.
A partir de ello, se
registraron tiempos de reacción menores a 3 h con rendimientos
superiores al 75 % y con un
rango de peso molecular de PCL entre 3.5-118.6 x103 g/mol.
19
Figura 3. Complejos de Al(III) con ligandos derivados de
amido-fosfinas.
En tercer lugar, Liu y col. (2017)35, realizó la ROP de CL
utilizando como catalizadores
complejos de Ti(IV) con ligandos derivados de
diamina-bis(benzotriazol fenoloato) (Figura
4). En el estudio se reporto que los tiempos de reacción de
polimerización con cada
catalizador fueron de 40 h con un rendimiento en general mayor al
95 % y con un rango de
peso molecular de PCL entre 6.7-33.4 x103 g/mol. Por último,
Vuppalapati y col. (2016),
sintetizó siete diferentes complejos de Zr(IV) con ligados
derivados de bases de Schiff, los
cuales fueron utilizados como catalizadores para la obtención de
PCL. A través de ello, las
reacciones en general fueron de 2 h con rendimientos mayor al 90 %
y PCL con pesos
moleculares entre 5.4-24.0 x103 g/mol.
Figura 4. Complejos de Ti(IV) con ligandos derivados de
diamina-bis(benzotriazol
fenoloato)
Sin embargo, como se mencionó anteriormente algunos de los metales
de los complejos
utilizados como catalizadores de la ROP son tóxicos. Por tal
motivo, se ha observado una
tendencia al uso de metales como Zn, Fe y Cu, los cuales en caso de
no ser completamente
removidos de la PCL se convertirán en óxidos durante la
biodegradación. Estos óxidos
P
N
N Ti
20
presentan baja o nula toxicidad en comparación con los otros
centros metálicos descritos
anteriormente. Adicionalmente, son de bajo costo por su abundancia
en la naturaleza y son
considerados como metales biocompatibles debido a que son
utilizados por metaloproteinas
como la hemoglobina.36 Por otro lado, los ligandos más utilizados
para el diseño de estos
complejos/catalizadores son azoles, alcóxidos, pirazol, triazol,
bases de Shiff y cumarina.
Estos ligandos son donores de carga por lo que se favorece la
generación de especies activas
para la catálisis.37 A continuación, se mencionarán algunos
trabajos que aplican esta variante
con metales y ligandos previamente mencionados.
El uso de metales biocompatibles y ligandos N-donores han sido
ampliamente utilizados para
la obtención de PCL por GUIQUICB. En primer lugar, en el año 2017
se sintetizaron cuatro
nuevos complejos utilizando el ligando 1,3-
fenilenbis(1,2,4-triazol-1-il)metanona utilizando
centros metálicos como Co(II), Cu(II), Zn(II) y Ni(II). Los
complejos fueron caracterizados
por medio de diferentes técnicas de análisis y reportaron buenos
rendimientos. Aquellos que
contenían como centro metálico Co(II), Cu(II) y Zn(II) mostraron
ser buenos iniciadores para
la polimerización de CL bajo condiciones de química verde: libre de
solventes, y se
obtuvieron PCL con alta cristalinidad (63-68 %) y con temperaturas
de descomposición por
encima de 400 ºC.38 Por otro lado, en ese mismo año se prepararon
tres nuevos complejos de
Cu(II) con el ligando 2,6-bis(pirazolimetil)piridina y derivados,
los cuales presentaban
sustitución en el hidrógeno de la cuarta posición del pirazol por I
y NO2 (Figura 5). En esta
investigación se determinó que los tres complejos eran buenos
iniciadores de la
polimerización de la CL bajo condiciones de química verde. Los
polímeros obtenidos
presentaron un rango de peso molecular entre 25-51 x103 g/mol alta
cristiandad (61-66 %),
estrecha PDI y temperaturas de descomposición alrededor de 250
ºC.30
Figura 5. Complejos de Cu(II) con el ligando
2,6-bis(pirazolimetil)piridina y derivados.
Cu NN OH2
4.3.1.5 Polimerización vía enzimática
El uso de enzimas como catalizadores han tenido auge en los últimos
años debido a su
consideración como catalizadores verdes, es decir, su uso genera un
mínimo impacto en el
medio ambiente. Adicionalmente, este tipo de polimerizaciones
genera polímeros
biodegradables con alta pureza por la quimio-selectividad de la
reacción y no produce
residuos metálicos, lo cual es una ventaja con respecto a los
anteriores mecanismos.39,40 La
enzima más utilizada como catalizador en la ROP de CL es la lipasa,
la cual en los organismos
se encargada de desintegrar las grasas de los alimentos. El
mecanismo que sigue la ROP
cuando tiene como catalizador la lipasa se encuentra en el Esquema
6, el cual comienza con
el ataque del extremo hidroxilo de la lipasa a el carbonilo de la
CL. A partir de ello, se obtiene
el intermediario tetraédrico y por un movimiento de electrones se
regenera el carbonilo junto
a la ruptura del anillo por la ruptura del enlace C-O.
Posteriormente, se da una transferencia
de hidrógeno intermolecular para neutralizar las cargas. Luego, se
utiliza un alcohol primario
para regenerar el catalizador. Finalmente, el hidroxilo de monómero
del paso 5 ataca a otra
molécula de PCL.8
Esquema 6. Mecanismo ROP de CL vía enzimática.
En esta catálisis se han estudiado diferentes lipasas provenientes
de diversos organismos
entre ellos: el páncreas del cerdo, Aspergillus niger, Candida
cylindracea, Candida
antárctica, Pseudomonas aeroginosa y Rhyzopus delemer40. En cuanto
a los resultados a
partir de este biocatalizador Zhang y col. (2018)40, utilizaron la
lipasa de Trichosporon
(5)
n(6)
22
laibacchii en solventes hidrofóbicos para la ROP de la CL y
obtuvieron PCL con peso
molecular de 2169 g/mol pasadas 24 h de reacción a 50 ºC. Por otro
lado, Barrera-Rivera y
col. (2017)41, utilizaron la lipasa secretada por la levadura
Yarrowia lipolytica como
biocatalizador de la ROP de CL. A partir de ello, se obtuvo PCL con
un peso molecular de
10,6 x103 g/mol después de 60 h de reacción a una temperatura de 90
ºC. Finalmente, a pesar
de que se obtienen PCL con alto peso molecular, estas reacciones
por lo general tardan mucho
tiempo por lo que es una desventaja frente a otros
catalizadores.
4.3.2 Polimerización vía condensación del ácido 6-hidroxicaproico
(PCA)
Otra ruta de síntesis reportada para la PCL es PCA (Esquema 7)8,13
y su mecanismo se basa
en la esterificación en medio ácido de dos monómeros. El carbonilo
del ácido carboxílico de
uno de los monómeros es atacado por el alcohol primario del otro
monómero y da lugar a la
formación del éster. El proceso continúa entre monómeros por lo que
se obtiene la PCL. En
este mecanismo es más difícil controlar que la esterificación sea
intramolecular o
intermolecular en comparación con los mecanismos previos. La PCL
que se obtiene presenta
menor peso molecular y mayor PDI. Sin embargo, algunos autores han
reportado que la
polimerización del ácido 6-hidroxicaproico en presencia de lipasas
aumenta el peso
molecular y disminuye la PDI en los polímeros, las cuales son las
principales características
que se busca en un polímero. Esto se ha observado cuando se usa la
lipasa de Candida
antárctica, con la cual se ha reportado PCL con peso molecular de
9x103 g/mol en promedio
y PDI menor a 1.5. Por otro lado, al utilizar lipasa de la especie
Pseudomonas, se han
obtenido PCL con peso molecular promedio de 5.4 x103 g/mol y PDI
inferior a 2.26.8
Esquema 7. Mecanismo de PCA
OH O
HO 2
OH O
O O
n
23
4.3.3 Polimerización por apertura del anillo (ROP) vía radical de
2-metileno-
1,3-dioxepano (MD)
La ROP vía radical de MD (Esquema 8) es aún menos frecuente que los
métodos previos
por diferentes razones que se mencionaran a continuación. En primer
lugar, el precursor MD
no es tan fácil de obtener en comparación con la CL42, por lo que
su precio es mayor e implica
menor uso. En segundo lugar, las reacciones vía radicales presentan
menor control por lo que
la PDI puede ser mayor. Por último, se ha reportado que por medio
de esta ruta sintética
surgen ramificaciones por reacciones de 1-4 y 1-7 H-transferencia
por lo que el grado de
cristalinidad del polímero disminuye.13 Sin embargo, esta reacción
permite que obtener una
PCL con otras propiedades como la totalidad de su estructura es
amorfa y permite que se
logre una mayor funcionalización en especial generar copolímeros
con monómeros
vinílicos.42
Esquema 8. Obtención de PCL a partir de la ROP vía radical
MD.
4.4 Aplicaciones de la policaprolactona (PCL)
En esta sección se mencionará algunas aplicaciones relevantes de la
PCL: liberación
controlada de medicamentos, ingeniería de tejidos y material de
empaque. Lo anterior, con
el fin de relacionar las propiedades previamente descritas y su
importancia como polímero
biodegradable.
4.4.1 Liberación controlada de medicamentos
La administración de fármacos ha representado un desafío para los
farmacéuticos debido a
que muchos de ellos son incompatibles con el cuerpo humano y
presentan baja selectividad,
es decir, el tratamiento puede interactuar en otras partes del
cuerpo adicionales a la zona
OO
CH2
n
24
objetivo. Por tal motivo, los materiales utilizados para la
liberación controlada de
medicamentos han sido ampliamente estudiados debido a que pueden
encapsular el
medicamento en su interior y ser biocompatibles con una eficiente
degradación mientras se
liberan las moléculas terapéuticas tales como ADN, ARN,
fotosensibilizadores, proteínas,
hormonas y péptidos. La PCL en los últimos años ha reportado
aplicación en esta área de los
biomateriales debido a la alta permeabilidad con los medicamentos,
su biocompatibilidad y
su lenta biodegradación que permite que la administración del
medicamento sea a largo
plazo. Adicionalmente, su miscibilidad y la compatibilidad mecánica
con otros polímeros
permite que la velocidad de degradación pueda ser ajustada a los
requerimientos de cada
fármaco.4,15
En cuanto a fármacos que han implementado la PCL como material de
liberación controlada
han sido diversos entre ellos el Capronor, el cual es un implante
subdérmico compuesto de
PCL que encapsula el anticonceptivo levonorgestrel y tienen un
efecto de planificación por
lo general de 18 meses gracias a la lenta biodegradación de PCL.
Además, se ha desarrollado
implantes con mezcla de PCL y polietilenglicol que encapsulan el
praziquantel, un fármaco
antiparasitario. Por último, nanopartículas de la mezcla PCL y
Pluronic encapsulan el
antibiótico clorafenicol con el fin de atacar la Staphylococcus
aureus resistente a la
meticilina.15
4.4.2 Ingeniería de tejidos
La ingeniería de tejidos tiene un enfoque interdisciplinario debido
a que fusiona los principios
de la ingeniería con los conocimientos biológicos relacionados a la
restauración,
mantenimiento o mejora de tejidos. En esta área se hace uso de
biomateriales con el fin de
generar matrices extracelulares, es decir implantes, para restaurar
o remplazar tejidos. Estas
matrices deben cumplir con las siguientes características para un
funcionamiento óptimo, las
cuales son: estructuras 3D altamente porosas para no interrumpir
los flujos extracelulares,
biocompatibilidad, biodegradación con una velocidad de
descomposición relacionada con su
función como implante, superficie química capaz de resistir los
ataques celulares y
propiedades mecánicas que permitan igualar las funciones del
tejido.4,9,15
25
Un biomaterial que cumple ampliamente estas características es la
PCL debido a su lenta
biodegradación, biocompatibilidad, viscoelasticidad, su superficie
puede ser funcionalizada
para mejorar sus propiedades o cambiarlas en orden de satisfacer
las funciones de tejido, y
puede ser fácilmente modificado para aumentar la porosidad. Por tal
motivo, se ha
incrementado el uso de PCL en la ingeniería de tejidos y ha pasado
a ser la aplicación
principal de este polímero biodegradable. Su función se basa en
crear un espacio vacío en
donde se promueva la unión celular y la proliferación con el fin de
que el organismo restaure
el tejido ausente, para luego ser biodegradado y eliminado, sin
necesidad de realizar una
cirugía para su extracción. La PCL ha sido utilizada como implante
de tejidos de huesos,
cartílagos, ligamentos, esqueleto muscular, piel, cardiovasculares
y nervios.4,9,15
4.4.3 Material de empaque
Una problemática que ha representado grandes perdidas económicas e
impactos negativos al
medio ambiente es la acumulación masiva de Pdp, como se mencionó en
la sección 4.1. Una
de las alternativas para solucionar esta problemática es reemplazar
este material por
polímeros biodegradables, en este caso como material de empaque, y
posterior a su uso, se
genere una degradación asistida por microorganismos. La PCL es uno
de esos materiales que
puede reemplazar el Pdp y biodegradarse en un lapso de 2 a 3 años.
Sin embargo, su
aplicación como material de empaque ha sido limitada debido a su
alto precio y bajo punto
de fusión. No obstante, gracias a la miscibilidad y compatibilidad
de PCL con otros polímeros
biodegradables se ha restaurado su importancia como material de
empaque debido a que
permite bajar su precio y aumentar el punto de fusión.43–45
Ejemplo de ello, es la mezcla con polímeros naturales como la
celulosa, hemicelulosa y
lignina. Las cuales permiten que el precio disminuya, se genere una
mejora a sus propiedades
como el aumento en el grado de cristalinidad y el aumento del punto
de fusión.45 En general,
el uso de PCL como material de empaque se ha basado en el uso de
este material a escala
nano con diferentes mezclas de polímeros con el fin de generar
estructuras más resistentes a
factores ambientales sin perder su biodegradación.4
26
5. DISCUSIÓN
La PCL es un polímero biodegradable con alto interés por sus
diversas aplicaciones en
farmacéutica, ingeniera biomédica y desarrollo sostenible, como se
mencionó anteriormente.
Por lo cual, su síntesis en las últimas décadas ha tenido un auge y
con ello una diversificación
de los métodos de obtención. Sin embargo, no todos los métodos
obtienen PCL con alto peso
molecular o alta cristalinidad por lo que se observa una tendencia
al uso del método que
proporcione las mejores características para la PCL. Además, dentro
del método se realiza
una búsqueda de los precursores óptimos y de esta manera ampliar
las diferentes rutas de
preparación. Por tal motivo, en esta sección se discutirá cuál de
los diferentes métodos se
considera el más eficiente y se propondrá diferentes precursores
que pueden tener relevancia
en la síntesis de la PCL.
5.1 Comparación entre métodos y selección del método más
eficiente
Los métodos de síntesis de la PCL son variados y permiten que se
obtengan polímeros de
diferente peso molecular.4 Sin embargo, se ha tratado de optimizar
los métodos con el fin de
obtener PCL con alto peso molecular y baja PDI. Por tal motivo, se
realizó una tabla de
resultados obtenidos por diferentes autores, la cual compara el
peso molecular, la PDI y el
tiempo de reacción, con el propósito de proponer el método más
eficiente para la obtención
de PCL (Tabla 1). El peso molecular y la PDI fueron seleccionados
como parámetros de
comparación debido a que por lo general todos los estudios reportan
están dos propiedades.
Tabla 1. Cuadro comparativo entre los diferentes métodos de
síntesis de la PCL.
Método de
ROP aniónica 0.91 1,1 20 h Satti y col. (2017)
0.23-0.72 1.9-3.4 N.R Grobelny y col.
(2010)
27
0.48-1.35 1.1-1.5 2-72 h Oshimura y col.
(2011)
(2017)
ROP vía
0.11 N.R 60 h Barrera-Rivera y col.
(2017)
0.90 >1.5 2 días Labet y col. (2009)
N.R: no reportado.
A partir de la Tabla 1, se logró determinar que entre los trabajos
de referencia y los
previamente descritos en la sección 4.3, el método que permite
obtener PCL con mayor peso
molecular es la ROP de CL vía coordinación-inserción. Aunque la
elección del método puede
estar sesgada por la variación de fecha de los trabajos, cabe
aclarar que se trató de referenciar
los artículos más recientes para cada método. Adicionalmente,
reportes de artículos con
mayor frecuencia de publicación y más actuales acerca de los
diferentes catalizadores para
la ROP de CL vía coordinación-inserción permite determinar que
hasta ahora ha sido el
método más eficiente para la obtención de la PCL.8 Finalmente, se
debe mencionar que en
un trabajo realizado por Yuan y col. (1998)17, se reportó PCL con
peso molecular de 13 x 104
g/mol, el más alto en los trabajos seleccionados, a través del
método ROP aniónica de CL.
Sin embargo, en este trabajo no se reportó PDI ni grado de
cristalinidad, las cuales son
propiedades que pueden ser afectadas debido a que en este método la
transesterificación
intramolecular es muy frecuente por lo que la PCL obtenida puede no
ser tan uniforme y el
grado de cristalinidad puede ser muy bajo. Adicionalmente, se
reportó un rendimiento del 38
%. Por tal motivo, se descartó como el método más eficiente.
Por otro lado, se comparó la PDI obtenida en cada método y el
tiempo de reacción. En primer
lugar, los métodos que reportar PDI más cercana a 1 son ROP de CL
vía coordinación-
inserción y vía activación del monómero. Por lo cual, el método
seleccionado permite obtener
28
PCL con baja PDI. En cuanto al tiempo de reacción de la
polimerización, esta variable
permite determinar cuales métodos son más eficientes debido a que
entre menor tiempo de
reacción hay un menor gasto de energía. Entre estos métodos se
encuentra el seleccionado
como el más eficiente y la ROP aniónica de CL. Adicionalmente, el
método de ROP de CL
vía coordinación-inserción presenta otras ventajas como la
obtención de PCL con alta
cristalinidad32 y la baja probabilidad de transesterificación
intramolecular debido a la
activación que genera el complejo al oxígeno iniciador de la
polimerización (Ver Esquema
5 paso 5).
Con base en lo anterior, en las siguientes secciones se discutirá
acerca de los ligandos y el
centro metálico que formaran los complejos propuestos para la
catálisis de ROP de CL vía
coordinación-inserción. Estos complejos aún no han sido reportados
como catalizadores para
este método. Por lo cual, se discutirá su posible actividad
catalítica en la síntesis por medio
de las ventajas que puedan tener los complejos con los ligandos
derivados de L1 y el centro
metálico Zn(II).
5.2 Importancia de los ligandos derivados de
bis(3,5-dimetil-1-pirazolil)metano (L1)
Los ligandos propuestos (Figura 6) para los complejos catalizadores
de ROP de CL son L1
y sus derivados: bis(3,5-dimetil-4-nitro-1-pirazolil)metano (L2),
la sal de sodio de bis(3,5-
dimetil-4-sulfonato-1-pirazolil)metano (L3) y
bis(4-iodo-3,5-dimetil-1-pirazolil)metano
(L4). Algunos de estos ligandos no han sido reportados en la
formación de complejos con
actividad catalítica para para la obtención de PCL. Sin embargo,
fueron seleccionados debido
a que son bases de Lewis N-donores derivados de azoles que
generarán complejos con el
Zn(II) fácilmente por el criterio de ácidos y bases duras y blandas
de Pearson.46
Adicionalmente, estos ligandos son π aceptores por lo que la
retrodonación con el metal es
alta y generan una mayor densidad de carga positiva en el centro
metálico. Por lo cual, con
estos ligandos se permite una mejor activación del centro metálico
que actúa como ácido de
Lewis en la ROP de CL vía coordinación-inserción (ver Esquema
5).37,47
29
Figura 6. Ligandos propuestos derivados de L1.
A continuación, se mencionarán las diferentes aplicaciones y la
importancia de estos ligandos
en diferentes áreas con el fin de demostrar su posible aplicación
en la catálisis de la ROP de
CL. El ligando L1 (Figura 7) ha sido utilizado en trabajos
relacionados con ROP de CL,
dimerización selectiva del etileno, actividad antimicrobiana y
detección de dopamina. En
primer lugar, se reportó la actividad catalítica de un complejo de
Cr(III) que contenía L1 para
la obtención de PCL, con una relación de [CL]:[Complejo] 490:1. En
este estudio se logró
obtener PCL con alto peso molecular y alto grado de cristalinidad
(89.9 %)32, siendo este
último parámetro significativamente alto en comparación con otras
PCLs obtenidas a partir
de complejos con ligandos N-donores, mencionados previamente. Otra
aplicación en catálisis
es como ligando de un complejo de Ni(II) junto con el cloruro de
dietilaluminio en la
dimerización selectiva del etileno48, la cual presentó velocidad de
reacción por encima de
930 kg·mol[Ni]-1·h-1. Por otro lado, se ha reportado su actividad
antimicrobiana en especial
contra el parásito Trypanosoma cruzi, el cual genera la enfermedad
de Changas.32
Finalmente, se ha utilizado para modificar electrodos de grafito y
óxido de estaño dopado
con fluorina para mejorar la detección de dopamina, la cual esta
asociada con enfermedades
neurodegenerativas.46,49
Figura 7. Estructura de L1.
En cuanto a los ligandos L2, L3 y L4 (Figuras 8), con ellos no se
han sintetizado complejos
para catálisis de la ROP de CL y sus aplicaciones son limitadas.
Entre ellas se encuentran la
actividad antimicrobiana (L2)50,51, dopaje de electrodos para la
detección de dopamina (L3)52
N N N
RR
N
30
y síntesis de estructuras solidas que permiten la captura de
halocarbonos(L4).53 Sin
embargo, como se mencionó previamente son derivados de L1, el cual
si ha formado
complejos/catalizadores con actividad catalítica para la obtención
de la PCL. Por lo cual,
realizar una sustitución en la posición 4 de los anillos aromáticos
de L1 por un grupo extractor
de carga (NO2, SO3- o I) podrá aportar en la catálisis debido a que
permitirá que el efecto π
aceptor del ligando aumente54 y, en consecuencia, el centro
metálico en el complejo podría
aumentar su actividad catalítica. No obstante, esta premisa debe
ser verificada por estudios
experimentales. Todos los ligandos fueron sintetizados y
caracterizados por 1H-RMN a partir
de lo reportado en la literatura, su respectiva metodología se
encuentra en la sección de
anexos.
5.3 Importancia del Zn(II) como centro metálico
El centro metálico propuesto para los complejos catalizadores de
ROP de CL es el Zn(II)
debido a su baja toxicidad, biocompatibilidad, bajo costo y óptima
degradación55, las cuales
son ventajas con respecto al uso de metales tóxicos como tierras
raras, previamente
mencionados. Su baja toxicidad y biocompatibilidad son asociadas a
la importancia de este
centro metálico en el cuerpo. El zinc es un elemento traza esencial
en el ser humano debido
a que es un componente requerido en más de 1200 enzimas y otras
proteínas.56 Por lo cual,
posee diferentes funciones entre ellas mantenimiento y crecimiento
de los huesos,
metabolismo, crecimiento y división celular, estabilización y
replicación del ADN.57
Adicionalmente, es uno de los elementos traza más abundantes con
una distribución del 86
% en huesos y músculos, 6 % en la piel, 5 % en el hígado, 1.5 % en
el cerebro y el porcentaje
restante en otras partes del cuerpo.56 El uso de este centro
metálico no representa riesgo ante
su manipulación durante la obtención de los complejos o en la
reacción de polimerización.
En caso de quedar una traza del complejo en la PCL, esto no
representará una falencia en sus
N N N
RR
31
aplicaciones de entrega de medicamento o implantes debido a que el
cuerpo humano puede
captar el Zn(II) e integrarlo en sus procesos biológicos.
En cuanto a su bajo costo se debe a la abundancia relativa en la
tierra y su respectiva
extracción, la cual no representa costos elevados.36 Su óptima
degradación tanto en el cuerpo
humano como en el entorno por el uso del Zn(II) en el metabolismo
de plantas y otros
organismos58, representa una ventaja en la obtención de la PCL dado
a que uno de sus
propósitos es disminuir la contaminación. Por lo cual, utilizar
centros metálicos durante sus
síntesis que tampoco generen un impacto negativo en el medio
ambiente y sean de bajo costo
permite que la PCL posea un desarrollo sostenible.
El Zn(II) ha sido ampliamente utilizado para la obtención de PCL
porque combina alta
actividad con baja toxicidad.26 Por lo general, los complejos que
utilizan este centro metálico
contienen ligandos N-donores y O-donores debido a su fácil unión ya
que el Zn(II) es un
ácido intermedio y los ligandos bases intermedia y dura,
respectivamente. Estos ligandos
permiten una mejor activación del centro metálico para su posterior
aplicación en la ROP de
CL. Algunos estudios que reportan el Zn(II) como centro metálico de
los
complejos/catalizadores han permitidos obtener PCL con alto peso
molecular en el orden de
1-10 x 10-4 g/mol, PDI inferior a 1.5 y alta
cristalinidad.31,38,59–61 Adicionalmente, se ha
realizado una comparación del Zn(II) con el Cu(II) en varios
artículos. Sin embargo, algunos
reportan que se mejora la actividad con el Zn(II) pero otros
favorecen el uso de Cu(II), por
lo cual la preferencia por alguno de estos metales aún es compleja
pero en sí los dos reportan
muy buenos resultados para la obtención de la PCL.38,61 El Zn (II)
es un ion d10 que genera
complejos con tonalidades amarillas claras o blancas y geometrías
variadas tales como plano-
cuadradas, octaédricas, tetraédricas o piramidal cuadrada en caso
de coordinarse con una
molécula de agua; además, posee como ventaja ser diamagnético por
lo que puede ser
caracterizado por la técnica RMN.62
5.4 Complejos de Zn(II) que contienen ligandos derivados de
bis(3,5-dimetil-1H-
pirazol-1-il)metano (L1)
A partir de lo anterior, los complejos generados se podrían
sintetizar a partir de la sal de
ZnCl2 anhidra y los respectivos ligandos en un solvente adecuado en
el que la sal y el ligando
32
sean solubles (Esquema 9). Sin embargo, es una metodología general
basada en síntesis
previas de complejos con Zn(II) y ligandos N-donores debido a que
son complejos que no
han sido reportados aún, a excepción del complejo con L1.38,50,63
Cada una de las
metodologías pueden variar según la solubilidad del ligando y la
sal precursora. El complejo
con L1 fue sintetizado a partir de una metodología reportada por el
grupo de investigación
GUIQUICB 64,65, la cual se encuentra junto a su caracterización en
la sección de anexos.
Esquema 9. Síntesis propuesta para los complejos de interés.
Según la estructura esperada para los complejos, estos presentarían
una buena estabilidad
debido a que cumplen la regla de los 16 electrones; el Zn(II) es un
d10 por lo que tiene 10
electrones en su valencia, los ligandos N-donores aporta 2
electrones por cada nitrógeno y
cada Cl- aporta un electrón. Estos complejos son susceptibles a
acomplejarse con una
molécula de H2O con el fin de cumplir la regla de los 18 electrones
por lo cual se debe
asegurar que la sal sea anhidra si se quiere el complejo con un
número de coordinación de 4.
Otro factor de estabilidad se debe a que los ligandos son
bidentados por lo que los complejos
presentan el efecto quelato. Por otro lado, como se mencionó
previamente los ligandos son
s donores y π aceptores por lo que hay retrodonación entre el
ligando y el metal. Este efecto
permite que el centro metálico se encuentre con una mayor carga
parcial positiva.62
Por último, el mecanismo que siguen los complejos catalizadores se
observa en el Esquema
5. En este caso, el Zn(II) actúa como cocatalizador y al estar con
carga parcial positiva
permite que la activación de los oxígenos de CL sea óptima para
luego generar la ruptura del
enlace Zn-Cl asociada al aumento de densidad de carga negativa en
el centro metálico.
Posteriormente, el ion Cl- que es el catalizador, ataca el
carbonilo activado de CL y permite
la apertura del anillo de siete miembros. Finalmente, se crea la
especie activadora que
reacciona con otras moléculas de CL y dar lugar a la PCL.
ZnCl2 N N N
RR +
33
6. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS
La PCL es un polímero biodegradable con propiedades que permiten
una amplia aplicación
sin causar un impacto negativo en el medio ambiente. Entre sus
propiedades se encuentran
la termoplasticidad, impermeabilidad, baja toxicidad y alta
cristalinidad. Sin embargo, la
propiedad con mayor relevancia es la biodegradación, la cual se
basa en dos etapas: hidrólisis
de los enlaces ésteres por difusión de agua y fragmentación
catalizada por las enzimas
depolimerasas. Estas propiedades permiten que la PCL sea utilizada
en diversas aplicaciones
como la liberación controlada de medicamentos, en ingeniería de
tejidos y material de
empaque. Por otro lado, este polímero se puede sintetizar por
diferentes rutas como PCA,
ROP de CL y ROP vía radical de MD. No obstante, la ROP de CL es uno
de los métodos que
permite obtener PCL con mayor peso molecular y por ello, se han
utilizado diferentes
catalizadores con el propósito de hacer el método más eficiente,
entre ellos se encuentran
aniones, cationes, ácidos de Lewis, alcoholes primarios, complejos
de coordinación y
enzimas.
Entre estas variantes de catalizadores, los complejos de
coordinación han sido los más
estudiados debido a que permiten obtener PCL con mayor grado de
cristalinidad y con
polidispersidad cercana a 1. Por tal motivo, se realizó una
propuesta de nuevos complejos de
coordinación que posiblemente presentan potencial catalítico para
la ROP de CL vía
coordinación-inserción. Estos complejos se componen de ligandos
derivados de L1, los
cuales fueron seleccionados debido a su naturaleza donores y
aceptores (retrodonación)
y permiten una mejor activación del catalizador. En cuanto al
centro metálico se propuso
utilizar el Zn(II) debido a su baja toxicidad, biocompatibilidad,
bajo costo y óptima
degradación, por lo que permitirá que la PCL tenga un método de
síntesis menos tóxico y
biocompatible. Por lo cual, los complejos propuestos pueden tener
una eficiente actividad
catalítica para la ROP de CL y deberían ser evaluados en trabajos
futuros. Finalmente, se
realizó la síntesis de los ligandos L1-L4, con su respectiva
caracterización por 1H-RMN y la
síntesis del complejo
dicloro[bis(3,5-dimetilpirazol-1-il)metano-NN]zinc(II), el cual
se
caracterizó por 13C-RMN.
34
Como perspectivas de este trabajo se propone terminar la síntesis
de los complejos propuestos
con su respectiva caracterización y aplicarlos como catalizadores
para la obtención de la
PCL. Adicionalmente, caracterizar la PCL obtenida con el fin de
verificar el potencial
catalítico de estos complejos propuestos y la posible aplicación de
la PCL que se obtenga.
7. REFERENCIAS
(1) Segura, D.; Noguez, R.; Espín, G. Contaminación ambiental y
bacterias productoras
de plásticos biodegradables. Biotecnología 2007, 14, 361–371.
(2) Góngora, J. La industria del plástico en México y el mundo.
Comercio Exterior 2014,
64, 6–9.
(3) Allen, D. J.; Ishida, H. Thermosets: Phenolics, Novolacs, and
Benzoxazine.
Encyclopedia of Materials: Science and Technology; Elsevier 2001,
9226–9229.
(4) Mohamed, R. M.; Yusoh, K. A Review on the Recent Research of
Polycaprolactone
(PCL). AMR 2015, 1134, 249–255.
(5) Gross, R. A. Biodegradable Polymers for the Environment.
Science 2002, 297, 803–
807.
(6) Okada, M. Chemical Syntheses of Biodegradable Polymers.
Progress in Polymer
Science 2002, 27, 87–133.
(7) Nair, L. S.; Laurencin, C. T. Biodegradable Polymers as
Biomaterials. Progress in
Polymer Science 2007, 32, 762–798.
(8) Labet, M.; Thielemans, W. Synthesis of Polycaprolactone: A
Review. Chem. Soc.
Rev. 2009, 38, 3484.
(9) Woodruff, M. A.; Hutmacher, D. W. The Return of a Forgotten
Polymer—
Polycaprolactone in the 21st Century. Progress in Polymer Science
2010, 35, 1217–
1256.
(10) Jenkins, M. J.; Harrison, K. L. The Effect of Molecular Weight
on the Crystallization
Kinetics of Polycaprolactone. Polym. Adv. Technol. 2006, 17,
474–478.
(11) Armani, D. K.; Liu, C. Microfabrication Technology for
Polycaprolactone, a
Biodegradable Polymer. J. Micromech. Microeng. 2000, 10,
80-84.
(12) Rutkowska, M.; Jastrzbska, M.; Janik, H. Biodegradation of
Polycaprolactone in Sea
35
(13) Guarino, V.; Gentile, G.; Sorrentino, L.; Ambrosio, L.
Polycaprolactone: Synthesis,
Properties, and Applications. Encyclopedia of Polymer Science and
Technology
2017, 1–36.
(14) Khatiwala, V. K.; Shekhar, N.; Aggarwal, S.; Mandal, U. K.
Biodegradation of
Poly(ε-Caprolactone) (PCL) Film by Alcaligenes Faecalis. J Polym
Environ 2008,
16, 61–67.
for Tissue Engineering and Drug Delivery: Current Scenario and
Challenges.
International Journal of Polymeric Materials and Polymeric
Biomaterials 2016, 65,
255–265.
(16) Stridsberg, K. M.; Ryner, M.; Albertsson, A.-C. Controlled
Ring-Opening
Polymerization: Polymers with Designed Macromolecular Architecture.
Advances in
Polymer Science 2002, 157, 41–65.
(17) Yuan, M.; Xiong, C.; Deng, X. Ringopening Polymerization of
Εcaprolactone
Initiated by Cyclopentadienyl Sodium. Journal of Applied Polymer
Science 1998, 67,
1273-1276.
(18) Bhaw-Luximon, A.; Jhurry, D.; Motala-Timol, S.; Lochee, Y.
Polymerization of -
Caprolactone and Its Copolymerization with γ-Butyrolactone Using
Metal
Complexes. Macromol. Symp. 2005, 231, 60–68.
(19) Satti, A. J.; G. O. de Freitas, A.; Marani, M. L. S.; Villar,
M. A.; Vallés, E. M.;
Giacomelli, C.; Ciolino, A. E. Anionic Ring Opening Polymerization
of ε-
Caprolactone Initiated by Lithium Silanolates. Aust. J. Chem. 2017,
70, 106-112.
(20) Grobelny, Z.; Golba, S.; Jurek-Suliga, J. Mechanism of
ε-Caprolactone
Polymerization in the Presence of Alkali Metal Salts: Investigation
of Initiation
Course and Determination of Polymers Structure by MALDI-TOF
Mass
Spectrometry. Polym. Bull. 2019, 76, 3501–3515.
(21) Penczek, S. Cationic Ringopening Polymerization (CROP) Major
Mechanistic
Phenomena. Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry
2000, 38, 1919-
1933.
(22) Nuyken, O.; Pask, S. Ring-Opening Polymerization—An
Introductory Review.
36
Polymers 2013, 5, 361–403.
(23) Kim, M. S.; Seo, K. S.; Khang, G.; Lee, H. B. Ring-Opening
Polymerization of ε-
Caprolactone by Poly(Ethylene Glycol) by an Activated Monomer
Mechanism.
Macromol. Rapid Commun. 2005, 26, 643–648.
(24) Oshimura, M.; Tang, T.; Takasu, A. Ring-Opening Polymerization
of ε-Caprolactone
Using Perfluoroalkanesulfonates and Perfluoroalkanesulfonimides as
Organic
Catalysts. J. Polym. Sci. A Polym. Chem. 2011, 49, 1210–1218.
(25) Danko, M.; Basko, M.; urkáová, S.; Duda, A.; Mosnáek, J.
Functional Polyesters
with Pendant Double Bonds Prepared by Coordination–Insertion and
Cationic Ring-
Opening Copolymerizations of ε-Caprolactone with Renewable
Tulipalin A.
Macromolecules 2018, 51, 3582–3596.
(26) Platel, R.; Hodgson, L.; Williams, C. Biocompatible Initiators
for Lactide
Polymerization. Polymer Revs. 2008, 48, 11–63.
(27) Zhang, L.; Niu, Y.; Wang, Y.; Wang, P.; Shen, L. Ring-Opening
Polymerization of
-Caprolactone by Lanthanide Tris(2,4,6-Tri-Tert-Butylphenolate)s:
Characteristics,
Kinetics and Mechanism. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical
2008, 287, 1–
4.
(28) Liu, Y.; Shi, S.; Achtenhagen, M.; Liu, R.; Szostak, M.
Metal-Free Transamidation
of Secondary Amides via Selective N–C Cleavage under Mild
Conditions. Org. Lett.
2017, 19, 1614–1617.
(29) Hayakawa, M.; Mitani, M.; Yamada, T.; Mukaiyama, T. Living
Ring-Opening
Polymerization of Lactones Using Cationic Zirconocene Complex
Catalysts.
Macromol. Chem. Phys. 1997, 198, 1305–1317.
(30) Rueda-Espinosa, J.; Torres, J. F.; Gauthier, C. V.; Wojtas,
L.; Verma, G.; Macías, M.
A.; Hurtado, J. Copper(II) Complexes with Tridentate
Bis(Pyrazolylmethyl)Pyridine
Ligands: Synthesis, X-Ray Crystal Structures and -Caprolactone
Polymerization.
ChemistrySelect 2017, 2, 9815–9821.
(31) Nuñez-Dallos, N.; Posada, A. F.; Hurtado, J. Coumarin
Salen-Based Zinc Complex
for Solvent-Free Ring Opening Polymerization of ε-Caprolactone.
Tetrahedron
Letters 2017, 58, 977–980.
(32) Hurtado, J.; Ibarra, L.; Yepes, D.; García-Huertas, P.;
Macías, M. A.; Triana-Chavez,
37
O.; Nagles, E.; Suescun, L.; Muñoz-Castro, A. Synthesis, Crystal
Structure, Catalytic
and Anti-Trypanosoma Cruzi Activity of a New Chromium(III) Complex
Containing
Bis(3,5-Dimethylpyrazol-1-Yl)Methane. Journal of Molecular
Structure 2017, 1146,
365–372.
(33) Rajendran, N. M.; Xi, Y.; Zhang, W.; Sun, Y.; Sun, W.-H.
Lithium Quinolyl-
Amidinates Efficiently Promoting Ring-Opening Polymerization of
ε-Caprolactone:
Synthesis and 7 Li NMR Spectroscopic Studies: Lithium
Quinolyl-Amidinates
Efficiently Promoting Ring-Opening Polymerization of
ε-Caprolactone: Synthesis
and 7 Li NMR Spectroscopic Studies. Eur. J. Inorg. Chem. 2017,
2017, 2653–2660.
(34) Wei, C.; Han, B.; Zheng, D.; Zheng, Q.; Liu, S.; Li, Z.
Aluminum Complexes Bearing
Bidentate Amido–Phosphine Ligands for Ring-Opening Polymerization
of ε-
Caprolactone: Steric Effect on Coordination Chemistry and
Reactivity.
Organometallics 2019, 38, 3816–3823.
(35) Liu, Z.-T.; Li, C.-Y.; Chen, J.-D.; Liu, W.-L.; Tsai, C.-Y.;
Ko, B.-T. Titanium,
Aluminum and Zinc Complexes Containing Diamine-Bis(Benzotriazole
Phenolate)
Ligands: Synthesis, Structural Characterization and Catalytic
Studies for Ring-
Opening Polymerization of ε-Caprolactone. Journal of Molecular
Structure 2017,
1134, 395–403.
(36) Rubio, C.; Weller, D. G.; Martín-Izquierdo, R. E.; Revert, C.
El zinc: oligoelemento
esencial. Nutr Hosp. 2017, 22, 101-107.
(37) Posada, A.; Macías, M.; Movilla, S.; Miscione, G.; Pérez, L.;
Hurtado, J. Polymers of
ε-Caprolactone Using New Copper(II) and Zinc(II) Complexes as
Initiators:
Synthesis, Characterization and X-Ray Crystal Structures. Polymers
2018, 10, 1239-
1253.
(38) Bello-Vieda, N. J.; Murcia, R. A.; Muñoz-Castro, A.; Mac, M.
A.; Hurtado, J. J.
Coordination Polymers Containing
1,3-Phenylenebis-((1H-1,2,4-Triazol-1-
2017, 1860-1872.
(39) Montanier, C. Y.; Chabot, N.; Emond, S.; Guieysse, D.;
Remaud-Siméon, M.; Peruch,
F.; André, I. Engineering of Candida Antarctica Lipase B for
Poly(ε-Caprolactone)
Synthesis. European Polymer Journal 2017, 95, 809–819.
38
(40) Zhang, Y.; Lu, P.; Sun, Q.; Li, T.; Zhao, L.; Gao, X.; Wang,
F.; Liu, J. Lipase-
Mediated Direct in Situ Ring-Opening Polymerization of
ε-Caprolactone Formed by
a Chemo-Enzymatic Method. Journal of Biotechnology 2018, 281,
74–80.
(41) Barrera-Rivera, K.; Martínez-Richa, A. Yarrowia Lipolytica
Extracellular Lipase
Lip2 as Biocatalyst for the Ring-Opening Polymerization of
ε-Caprolactone.
Molecules 2017, 22 (11), 1917-1927.
(42) Ding, D.; Pan, X.; Zhang, Z.; Li, N.; Zhu, J.; Zhu, X. A
Degradable Copolymer of 2-
Methylene-1,3-Dioxepane and Vinyl Acetate by Photo-Induced
Cobalt-Mediated
Radical Polymerization. Polym. Chem. 2016, 7, 5258–5264.
(43) Alexy, P.; Bugaj, P.; Nahálková, A.; Feranc, J.; Mlynský, T.
Biodegradable Polymer
Packaging Materials Based on Polycaprolactone, Starch and
Polyhydroxybutyrate.
Acta Chimica Slovaca 2008, 1, 301-308.
(44) Alix, S.; Mahieu, A.; Terrie, C.; Soulestin, J.; Gerault, E.;
Feuilloley, M. G. J.; Gattin,
R.; Edon, V.; Ait-Younes, T.; Leblanc, N. Active
Pseudo-Multilayered Films from
Polycaprolactone and Starch Based Matrix for Food-Packaging
Applications.
European Polymer Journal 2013, 49, 1234–1242.
(45) Ludueña, L.; Vázquez, A.; Alvarez, V. Effect of
Lignocellulosic Filler Type and
Content on the Behavior of Polycaprolactone Based Eco-Composites
for Packaging
Applications. Carbohydrate Polymers 2012, 87, 411–421.
(46) Sandoval-Rojas, A. P.; Ibarra, L.; Cortés, M. T.; Macías, M.
A.; Suescun, L.; Hurtado,
J. Synthesis and Characterization of Copper(II) Complexes
Containing Acetate and
N,N-Donor Ligands, and Their Electrochemical Behavior in Dopamine
Detection.
Journal of Electroanalytical Chemistry 2017, 805, 60–67.
(47) Yu, L.; Li, M.; Zhou, X.-P.; Li, D. Hybrid Inorganic–Organic
Polyrotaxane,
Pseudorotaxane, and Sandwich. Inorg. Chem. 2013, 52,
10232–10234.
(48) Zubkevich, S. V.; Tuskaev, V. A.; Gagieva, S. C.; Pavlov, A.
A.; Khrustalev, V. N.;
Zarubin, D. N.; Kurmaev, D. A.; Kolosov, N. A.; Bulychev, B. M.
Molecular
Structure, Magnetic Properties and Catalytic Activity in Selective
Ethylene
Dimerization of Nickel (II) Complexes with
Bis(3,5-Dimethylpyrazol-1-Yl)Methane.
Journal of Molecular Structure 2020, 1206, 127692.
(49) Sandoval-Rojas, A. P.; Ibarra, L.; Cortés, M. T.; Hurtado, M.;
Macías, M.; Hurtado,
39
J. J. Synthesis and Characterization of a New Copper(II) Polymer
Containing a
Thiocyanate Bridge and Its Application in Dopamine Detection.
Inorganica Chimica
Acta 2017, 459, 95–102.
(50) Fonseca, D.; Páez, C.; Ibarra, L.; García-Huertas, P.; Macías,
M. A.; Triana-Chávez,
O.; Hurtado, J. J. Metal Complex Derivatives of
Bis(Pyrazol-1-Yl)Methane Ligands:
Synthesis, Characterization and Anti-Trypanosoma Cruzi Activity.
Transit Met Chem
2019, 44, 135–144.
(51) Fonseca, D.; Leal-Pinto, S. M.; Roa-Cordero, M. V.; Vargas, J.
D.; Moreno-Moreno,
E. M.; Macías, M. A.; Suescun, L.; Muñoz-Castro, Á.; Hurtado, J. J.
Inhibition of C.
Albicans Dimorphic Switch by Cobalt(II) Complexes with Ligands
Derived from
Pyrazoles and Dinitrobenzoate: Synthesis, Characterization and
Biological Activity.
IJMS 2019, 20, 3237.
(52) Sandoval-Rojas, A. P.; Cortés, M. T.; Hurtado, J.
Electrochemical Synthesis of
Poly(3,4-Ethylenedioxythiophene) Doped with a New
Bis(Pyrazolyl)Methane
Disulfonate and Its Behavior towards Dopamine Detection. Journal
of
Electroanalytical Chemistry 2019, 837, 200–207.
(53) Verma, A.; Tomar, K.; Bharadwaj, P. K. Halocarbon
Encapsulation via Halogen···π
Interactions in a Bispyrazole-Based Cryptand. Crystal Growth &
Design 2019, 19,
369–375.
(54) Potapov, A. S.; Khlebnikov, A. I. Synthesis of Mixed-Ligand
Copper(II) Complexes
Containing Bis(Pyrazol-1-Yl)Methane Ligands. Polyhedron 2006, 25,
2683–2690.
(55) Kannan, M. B.; Moore, C.; Saptarshi, S.; Somasundaram, S.;
Rahuma, M.; Lopata,
A. L. Biocompatibility and Biodegradation Studies of a Commercial
Zinc Alloy for
Temporary Mini-Implant Applications. Sci Rep 2017, 7, 15605.
(56) Katarivas Levy, G.; Goldman, J.; Aghion, E. The Prospects of
Zinc as a Structural
Material for Biodegradable Implants—A Review Paper. Metals 2017, 7,
402.
(57) Fukada, T. Opening the Second Era of Zinc Signaling Study.
Zinc Signaling 2019, 1–
4.
(58) Castillo-González, J.; Ojeda-Barrios, D.; González-Franco, A.
C.; Robles-Hernández,
L.; López-Ochoa, G. R. Zinc metalloenzymes in plants. Interciencia
2018, 43, 242-
248.
40
(59) Lai, F.-J.; Chiu, L.-L.; Lee, C.-L.; Lu, W.-Y.; Lai, Y.-C.;
Ding, S.; Chen, H.-Y.; Wu,
K.-H. Improvement in Zinc Complexes Bearing Schiff Base in
Ring-Opening
Polymerization of ε-Caprolactone: A Five-Membered Ring System.
Polymer 2019,
182, 121812.
(60) Chen, M.-T.; Chen, Y.-Y.; Li, G.-L.; Chen, C.-T. Diverse
Coordinative Zinc
Complexes Containing Amido-Pyridinate Ligands: Structural and
Catalytic Studies.
Front. Chem. 2019, 6, 615.
(61) Akpan, E. D.; Ojwach, S. O.; Omondi, B.; Nyamori, V. O. Zn( II
) and Cu( II )
Formamidine Complexes: Structural, Kinetics and Polymer Tacticity
Studies in the
Ring-Opening Polymerization of ε-Caprolactone and Lactides. New J.
Chem. 2016,
40, 3499–3510.
(62) Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G.; Gil Ruiz, P. Química
Inorgánica; Person Prentice
Hall: España, 2006.
(63) Kwon, K. S.; Nayab, S.; Jeong, J. H. Synthesis,
Characterisation and X-Ray Structure
of Cu(II) and Zn(II) Complexes Bearing N , N
-Dimethylethylenamine-
Camphorylimine Ligands: Application in the Polymerisation of Rac
-Lactide.
Polyhedron 2017, 130, 23–29.
(64) Castillo, K. F.; Bello-Vieda, N. J.; Nuñez-Dallos, N. G.;
Pastrana, H. F.; Celis, A. M.;
Restrepo, S.; Hurtado, J. J.; Ávila, A. G. Metal Complex
Derivatives of Azole: A
Study on Their Synthesis, Characterization, and Antibacterial and
Antifungal
Activities. Journal of the Brazilian Chemical Society 2016, 27,
2334-2347.
(65) Giraldo, L.; Moreno-Piraján; Hurtado, J. J. Metal Complexes
Supported on Activated
Carbon as Catalysts for the Hydrogenation of Anthracene.
International Journal of
Chemical Reactor Engineering 2017, 15, 1-21.
41
pirazolil)metano
3. Metodología de síntesis de
dicloro[bis(3,5-dimetil-1-pirazolil)metano-
NN]zinc(II)
NN]zinc(II)
5. Referencias
1. Metodología de la síntesis de ligandos derivados de
bis(3,5-dimetil-1-
pirazolil)metano.
• Síntesis de bis(3,5-dimetil-1-pirazolil)metano (L1) (Figura S1):
la metodología se
basó en el artículo de Castillo y col. (2016)1. En primer lugar, se
adicionó en un balón
3,5-dimetil-1H-pirazol (31.2 mmol; 3.0 g), KOH macerado (48.13
mmol; 2.70 g) y 2
mL de agua destilada. Posteriormente, se adicionó K2CO3 (47.75
mmol; 6.60 g),
bromuro de tetrabutilamonio (2.39 mmol; 0,77 g) y 30 mL de DCM. Se
acopló el
balón a un montaje de reflujo y se agitó durante 36 h a una
temperatura promedio de
50 ºC. A continuación, se realizó extracción líquido – líquido
(3x20 mL de agua) y
se recolectó la fase orgánica. Luego, se adicionó MgSO4 anhidro y
se evaporó el
solvente hasta sequedad. Finalmente, se purificó el producto
obtenido por
cromatografía de columna, con silica gel como fase estacionaria y
DCM: metanol
(30:1) como fase móvil. Rendimiento: 8 5 % (2.70 g). Punto de
fusión: 104-106 °C; 1H RMN (400.1 MHz, CDCl3) δ 6.03 (s, 2H), 5.76
(s, 2H), 2.39 (s, 6H), 2.06 (s, 6H).
Figura S1. Estructura de L1.
N N N
• Síntesis de bis(3,5-dimetil-4-nitro-1-pirazolil)metano (L2)
(Figura S2): la
metodología se basó en el artículo de Fonseca y col. (2019)2. En
primer lugar, en un
balón que se encontraba en un baño de hielo (0 ºC) se adicionó L1
(3.8 mmol; 779
mg) y H2SO4 (1.46 mL al 98 %). Posteriormente, se adicionó 0.88 mL
de HNO3 (65
%) y se agitó durante 1 hora a temperatura ambiente. Pasado este
tiempo, se adicionó
2.92 mL de H2SO4 (98 %) y se agitó por 17 h a temperatura ambiente.
Luego, se
adicionó 20 mL de H2O y se neutralizó con una solución de NaOH (60
%). A
continuación, se realizó extracciones líquido-líquido (3x10 mL DCM)
y se recolectó
la fase orgánica, la cual se secó con MgSO4 anhidro. Se concentró
la solución y se
congeló a -5 ºC por 24 h. Finalmente, el producto se recristalizó
de éter. Rendimiento:
68 % (0.75 g). Punto de fusión: 188-189 °C; 1H RMN (400.1 MHz,
CDCl3) δ 6.14 (s,
2H), 2.89 (s, 6H), 2.47 (s, 6H).
Figura S2. Estructura de L2.
• Síntesis de sal de sodio de
bis(3,5-dimetil-4-sulfonato-1-pirazolil)metano (L3)
(Figura S3): la metodología se basó en el artículo de
Sandoval-Rojas y col. (2019)3.
En primer lugar, en un balón acoplado a reflujo se adicionó L1
(1.83 mmol; 376 mg),
1 mL de H2SO4 98 % en 25 mL de acetonitrilo y se agitó por 3h a una
temperatura
promedio de 90 ºC. A continuación, se filtró el precipitado
generado y se lavó con
100 mL de éter. Posteriormente, se disolvió el sólido en metanol y
se adicionó
Na2CO3 para neutralizar en una plancha de agitación a una
temperatura promedio de
50 ºC. Seguido de ello, se adicionó MgSO4 hasta secar la mezcla y
se filtró.
Finalmente, se evaporó el solvente bajo presión reducida y el
sólido se secó a 80 ºC
durante 24 h. Rendimiento: 65 % (0.50 g). Punto de fusión: 300 °C;
1H RMN (400.1
MHz, DMSO-d6) δ 6.06 (s, 2H), 2.40 (s, 6H), 2.17 (s, 6H).
N N N
• Síntesis de bis(4-iodo-3,5-dimetil-1-pirazolil)metano (L4)
(Figura S4): la
metodología se basó en el artículo de Posada y col. (2018)4. A un
balón se agregó 3,5-
dimetil-1H-pirazol (20.6 mmol; 1.98 g), Na2CO3 (12.9 mmol; 1.37 g)
y 50 mL de
agua destilada. Se acopló el balón a un montaje de reflujo durante
30 min.
Posteriormente, se adicionó gota a gota 40 mL de una solución de KI
(45.0 mmol;
7.47 g) y I2 (21.42 mmol; 5.43 g). Se filtró el sólido blanco
generado y fue lavado con
60 mL de agua destilada fría. Luego, se realizó extracción
líquido-líquido con una
solución de Na2CO3 (16 g en 100 mL de agua) y DCM. Se recolectó la
fase orgánica
y se retiró el solvente bajo presión reducida. Finalmente, se
acopló la metodología de
L1, pero el reflujo se realizó 1 semana. Rendimiento: 50 % (0.78
g). Punto de fusión:
164-166 °C. 1H RMN (400.1 MHz, CDCl3) δ 6.14 (s, 2H), 2.46 (s, 6H),
2.18 (s, 6H).
Figura S4. Estructura de L5.
N N N
N SO3O3SNa Na
N N N
2. Caracterización de los ligandos por 1H-RMN
1H RMN (400.1 MHz, CDCl3) δ 6.03 (s, 2H), 5.76 (s, 2H), 2.39 (s,
6H), 2.16 (s, 6H).
Figura S5. Espectro 1H RMN obtenido para L1.
1H RMN (400.1 MHz, CDCl3) δ 6.14 (s, 2H), 2.89 (s, 6H), 2.47 (s,
6H).
Figura S6. Espectro 1H RMN obtenido para L2.
N N N
45
1H RMN (400.1 MHz, DMSO-d6) δ 6.06 (s, 2H), 2.40 (s, 6H), 2.17 (s,
6H).
Figura S7. Espectro 1H RMN obtenido para L3.
1H RMN (400.1 MHz, CDCl3) δ 6.14 (s, 2H), 2.46 (s, 6H), 2.18 (s,
6H).
Figura S8. Espectro 1H RMN obtenido para L4.
N N N
N SO3O3SNa Na
N N N
NN]zinc(II)
Síntesis de dicloro[bis(3,5-dimetil-1-pirazolil)metano-NN]zinc(II)
(Figura S9) : la
metodología se basó en el artículo de Castillo y col. (2016)1. En
un balón se adicionó una
solución de L1 (0.518 mmol; 105.9 mg) en 2 mL de etanol y una
solución de ZnCl2 (0.489
mmol; 66.7 mg) en 2 mL de etanol. Se generó un solido blanco
inmediatamente y se
filtro. Finalmente, se lavo el precipitado con hexano. Rendimiento:
115 mg (65%). 13C
RMN (125 MHz, CDCl3): δ 147.56, 140.48, 106.01, 59.20, 13.78,
11.20.
Figura S9. Estructura
dicloro[bis(3,5-dimetil-1-pirazolil)metano-NN]zinc(II).
4. Caracterización del complejo
dicloro[bis(3,5-dimetil-1-pirazolil)metano-
NN]zinc(II) por 13C-RMN
13C RMN (125 MHz, CDCl3): δ 147.56, 140.48, 106.01, 59.20, 13.78,
11.20.
Figura S10. Espectro 13C RMN obtenido para
dicloro[bis(3,5-dimetil-1-pirazolil)metano-
NN]zinc(II).
5. Referencias
(1) Castillo, K. F.; Bello-Vieda, N. J.; Nuñez-Dallos, N. G.;
Pastrana, H. F.; Celis, A.
M.; Restrepo, S.; Hurtado, J. J.; Ávila, A. G. Metal Complex
Derivatives of Azole:
A Study on Their Synthesis, Characterization, and Antibacterial and
Antifungal
Activities. Journal of the Brazilian Chemical Society 2016, 27,
2334-2347.
(2) Fonseca, D.; Páez, C.; Ibarra, L.; García-Huertas, P.; Macías,
M. A.; Triana-
Chávez, O.; Hurtado, J. J. Metal Complex Derivatives of
Bis(Pyrazol-1-
Yl)Methane Ligands: Synthesis, Characterization and
Anti-Trypanosoma Cruzi
Activity. Transit Met Chem 2019, 44, 135–144.
(3) Sandoval-Rojas, A. P.; Cortés, M. T.; Hurtado, J.
Electrochemical Synthesis of
Poly(3,4-Ethylenedioxythiophene) Doped with a New
Bis(Pyrazolyl)Methane
Disulfonate and Its Behavior towards Dopamine Detection. Journal
of
Electroanalytical Chemistry 2019, 837, 200–207.
(4) Posada, A.; Macías, M.; Movilla, S.; Miscione, G.; Pérez, L.;
Hurtado, J.
Polymers of &