Copolímeros de Poli(N-vinilamida) Multi-Estímulo Responsivos: Agregación Controlada en Medios Acuosos vía Disparadores Térmicos y Fotónicos

Resumen

Se diseñó un copolímero de doble respuesta basado en una cadena principal de N-vinilamida para combinar respuesta térmica y foto-responsiva. Se introdujo un sustituyente metoxietilo para mejorar la hidroflicidad, mientras que unidades de azobenceno se injertaron para impartir sensibilidad a la luz. El polímero resultante, N-(metoxietil)-N-vinilformamida, se copolimerizó con N-vinilformamida mediante polimerización radicalaria libre. La posterior adición de azobenceno en la posición N adyacente a la cadena principal produjo derivados de poli(N-vinilformamida) que exhibieron agregación nanoescalada controlable impulsada por interacciones hidrofóbicas en la posición N.

Antecedentes

En ciencia de polímeros, integrar multi-responsividad a estímulos —como termo-redox, termo-sal, o termo-pH— es esencial para aplicaciones avanzadas [1–3]. El comportamiento de temperatura crítica de solución inferior (LCST) se ha estudiado extensamente, y combinarlo con moieties foto-responsivas, notablemente derivados de azobenceno, produce polímeros capaces de control ambiental preciso [17–22]. La agregación controlada de tales polímeros en soluciones acuosas es prerrequisito para aplicaciones que van desde liberación dirigida de fármacos hasta reconocimiento supramolecular [23–29].

Los derivados de poli(N-vinilamida), sintetizados primero vía ruta novedosa para poli(N-vinilacetamida) (PNVA) [30], han demostrado ser versátiles: PNVA es anfifílico [32], PNVIBA es termosensible [33], y PNVF sirve como precursor de policatión [34]. Importante, PNVF puede hidrolizarse en condiciones alcalinas para generar poli(N-vinilamina) catiónico sin liberar aminas tóxicas [34], y permanece estable bajo irradiación UV [35]. A pesar de estas ventajas, la investigación en derivados de poli(N-vinilamida) rezaga detrás de análogos de poli(acrilamida) [36–38] debido a la baja reactividad de monómeros vinílicos no conjugados. Este estudio aborda esta brecha sintetizando un monómero sustituido por metoxietilo para mejorar hidroflicidad e incorporando unidades de azobenceno foto-responsivas para lograr doble responsividad.

Métodos

Materiales

N-vinilformamida (NVF) se obtuvo de Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Japón) y destiló antes de uso. Hidruro de sodio (NaH) 60% en aceite, 1,2-dibromoetano, 4-(fenilazo)fenol, y tetrahidrofurano (THF) anhidro se obtuvieron de Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Japón). DMF anhidro, acetona, tolueno, acetato de etilo, sulfato de magnesio, azobisisobutironitrilo (AIBN), y hexano se compraron de NACALAI TESQUE, INC. (Japón) y Wako Pure Chemical Industries Ltd. (Japón). Éter dietílico se obtuvo de AZBIO CORP. (Japón).

Polimerización

El copolímero poli(N-vinilformamida-co-NOENVF) (1) se preparó por copolimerización radicalaria libre: MOENVF (1.03 g, 8 mmol), NVF (0.14 g, 2 mmol), tolueno (5 mL), y AIBN (0.044 g, 0.25 mmol) se mezclaron en matraz de 50 mL, purgado con nitrógeno por 2 min, luego calentado a 60 °C por 24 h. La mezcla se enfrió, precipitó en 500 mL éter dietílico, lavó dos veces, y secó al vacío a 30 °C por 12 h, rindiendo 0.69 g (59% rendimiento).

Para introducir unidades de azobenceno, 0.20 g de polímero 1 y 0.4 mmol NaH (0.011 g) se disolvieron en DMF (1 mL) a 100 °C bajo nitrógeno. Tras 15 min, 1-bromoetano azobenceno (0.4 mmol, 0.12 g) se añadió, seguido de 12 h agitación. Agua (1 mL) y DMF adicional (2 mL) se añadieron, y la mezcla precipitó en 500 mL acetona. El producto, poli(N-vinilformamida-co-MOENVF-co-NVFazo) (2), se recuperó por centrifugación y secó a 30 °C por 12 h, dando 0.29 g (43% rendimiento).

Mediciones

Cromatografía de exclusión por tamaño (SEC) se realizó en sistema Chem NAV (JASCO) con estándares de poliestireno a 40 °C usando DMF como eluyente. Espectros de resonancia magnética nuclear de protón (¹H RMN) se registraron en JEOL JNM-ECX 400 (400 MHz). Transmitancia de luz versus temperatura se monitorizó en Shimadzu UV-2600. Irradiación UV (330 nm, lámpara Xenón 300 W) se aplicó por 10 min. Difusión dinámica de luz (DLS) se condujo con Malvern ZEN3600 Zetasizer Nano ZS (láser 633 nm).

Resultados y Discusión

El polímero 1 se sintetizó exitosamente en 59% rendimiento. Su composición coincidió con la relación de alimentación (NVF:MOENVF = 20:80) confirmada por integración de ¹H RMN. El polímero 2 se obtuvo en 43% rendimiento; RMN indicó que ~72% de unidades NVF se convirtieron a NVFazo portador de azobenceno, resultando en promedio cuatro grupos azobenceno por cadena (M_n ≈ 4000).

Trazas SEC (Fig. 2) revelaron un solo pico ancho para 1, mientras 2 mostró perfil ensanchado con hombro de alto peso molecular, reflejando heterogeneidad introducida por injerto de azobenceno. Detección UV a 500 nm (Fig. 2d) confirmó que el hombro de alto PM surgió de fracciones ricas en azobenceno, consistente con interacciones π–π promoviendo agregación.

Transmitancia de luz dependiente de temperatura (Fig. 3) mostró que 1 permaneció transparente en 20–90 °C, indicando su naturaleza hidrofílica. En contraste, 2 exhibió ~10% disminución en transmitancia, evidenciando agregación impulsada por temperatura mediante interacciones hidrofóbicas y π–π.

Mediciones DLS (Fig. 4, Tabla 2) revelaron que 2 formó nanopartículas de 210 nm a 20 °C y 250 nm a 60 °C. 2 irradiado UV (2’) formó agregados de 330 nm a 60 °C pero permaneció bajo límites de detección a 20 °C. El mayor tamaño de 2’ se atribuye a conformaciones trans-azobenceno mejorando apilamiento π–π, mientras isómeros cis a temperaturas bajas reducen agregación.

Conclusiones

Hemos demostrado una ruta fácil para sintetizar copolímeros de poli(N-vinilamida) de doble respuesta que agregan de manera controlada vía estímulos térmicos y fotónicos. El polímero 2 forma ensamblajes de nanopartículas distintos (210–330 nm) dependiendo de temperatura y exposición UV, destacando los papeles cruciales de interacciones hidrofóbicas y π–π así como isomerismo de azobenceno. Esta plataforma ofrece base prometedora para sistemas de administración inteligentes donde el tamaño de agregación puede ajustarse a demanda.

Abreviaturas

AIBN:

Azobisisobutironitrilo

LCST:

Temperatura crítica de solución inferior

MOENVF:

N-Metoxietil-N-vinilformamida

NVFazo:

4-(2-N-vinilformamida)etoxiazobenceno

PNVA:

Poli(N-vinilacetamida)

PNVF:

Poli(N-vinilformamida)

PNVIBA:

Poli(N-vinilisobutilamida)