PROVE PRELIMINARI DI COPOLIMERIZZAZIONE

La reazione di copolimerizzazione tipica avviene in bulk per 24 ore sotto atmosfera inerte di azoto. Nella sintesi in bulk di copolimeri ad alta massa molecolare di L-lattide e ε-caprolattone, come sistema catalitico si usa generalmente lo stagno ottoato (è stato usato un rapporto ∑Mmol/CATmol =

1250) senza l’impiego alcooli come attivatori poiché si sfrutta la presenza dei gruppi ossidrilici presenti nel lattil lattato, impurezza presente nel lattide commerciale, che possiede un contenuto di gruppi idrossilici di circa 0,1 meq/mol, e dell’acqua, impurezza del catalizzatore di stagno presente fino al 2% in peso17 ; il meccanismo di reazione è analogo a quello visto per la sintesi il copolimero a blocchi (par. 2.3).

In una reazione tipica dove due monomeri polimerizzano contemporaneamente e differiscono molto nella velocità di omopropagazione, come in questo caso, dove kp(CL)>>> kp(LLA)36, a conversioni elevate è possibile ottenere macromolecole caratterizzate da un blocco del monomero “più reattivo”, che si consuma per primo, e successivamente catene con una struttura random o più ricche del monomero ‘meno reattivo’. Contrariamente alle suddette considerazioni cinetiche, nella copolimerizzazione di questi due monomeri è stato visto che conversioni elevate di LLA si raggiungono prima di quelle del CL. Questo comportamento, confermato anche da uno studio

65 cinetico accurato effettuato da Penzcek et al16(schema 6), indica che la terminazione della catena in crescita, qualunque essa sia, è molto più reattiva verso LLA che verso CL.

In dettaglio, essendo r2>>r1 (rapporti di reattività dei due monomeri) e le costanti di velocità di

omopropagazione k11 >> k22 , ne consegue che k12>>k11 e k22>>k21 e quindi che entrambe le specie

attive al termine della catena in crescita -C(O)CH(CH3)OSn e –C(O)(CH2)5OSn reagiscono molto

più velocemente con LLA che con CL. La velocità bassa di crescita del CL dopo l’esaurimento del LLA è legata al fatto che k12>k11 e probabilmente al fatto che si verificano reazioni di

transesterificazione intermolecolari dove -m1* preferisce reagire con la catena –m2m2m2- piuttosto

che con catene della medesima natura (fig 27); in questo modo si ha un aumento nella concentrazione delle specie attive di tipo -m2* nonché la formazione di una catena con sequenze

random.

Altro parametro importante da considerare per questo tipo di polimerizzazione è la temperatura; come visto in un recente studio di J. Fernandez et al. 37 , per sistemi a diverso rapporto CL/LLA in massa, la temperatura ottimale, al fine di ottenere catene polimeriche con una composizione molto simile a quella dell’alimentazione, è intorno a 140°C. Per temperature minori di 140°C la reattività del CL diminuisce38 fino ad un decadimento totale a 120°C. Per temperature superiori invece si hanno composizioni tendenti a quella dell’alimentazione che, però, combinate con una minore attività del catalizzatore di stagno portano a pesi molecolari più bassi.

In questa fase preliminare sono stati preparati due copolimeri con composizioni 50/50 e 30/70 in moli di Cl e LLA rispettivamente. In tabella sono riportate le quantità di reagenti utilizzati.

Schema 6: schema cinetico delle

reazioni coinvolte durante la polimerizzazione in bulk; M1 e M2 sono CL e LLA rispettivamente

m₁*+ M₁ k11 m₁m₁* m₁*+ M₂ k₁₂ k-12 m₁m₂* m₂*+ M₁ m₂*+ M₂ k21 k22 k-₂₂ m₂m₁* m₂m₂* -m1*+ -m2m2m2- -m2m2*+ -m1m2-

Schema 7: reazione di trans esterificazione

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Tab. 14 quantità utilizzate per sintesi CopR

I copolimeri sintetizzato sono stati caratterizzati preliminarmente tramite spettroscopia FT-IR. Se si analizzano gli spettri FT-IR (figura 29), si possono osservare le bande caratteristiche dei gruppi esterei in catena principale relative allo streching dei carbonili delle unità di CL e LLA a circa 1750, e quelle dei metili a 2945 cm-1 per entrambi. In dettaglio, nella zona dei carbonili (fig 29c), per il CopR5050 si osservano due bande a 1737 e 1758 cm-1 del Cl e dell’LLA rispettivamente. A differenza del copolimero a blocchi, precedentemente descritto nel paragrafo 2.3, in questo caso le due bande non sono ben risolte, in accordo con una catena con una distribuzione dei comonomeri di carattere statistico.

4000 3000 2000 1000 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 T % lunghezza d'onda cm-1 prova LLA (mol)

CL (mol) CAT (mol) ∑M/CAT

(mol) Mn(Da) Mw (Da) PD (Mw/Mn) CopR5050 7 x10-3 7 x 10-3 8.41 x 10-5 1250 17100 28500 1.3 CopR7030 7 x10-3 3 x 10-3 1.48 x 10-5 675 19200 28400 1.4 CopR7030 7 x10-3 3 x 10-3 8 x 10-6 1250 37000 58500 1.5 CopR7030 7 x10-3 3 x 10-3 4 x 10-6 2500 40900 81600 2.0 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 20 40 60 80 100 T % numero d'onda (cm-1)

67 2000 1800 1600 30 60 90 T % numero d'onda (cm-1 ) CoPB CopR7030 CopR5050

Nello spettro relativo al campione CopR3070 (fig 29c) si vede invece una banda centrata a 1758 cm-1 e data l’ampiezza della banda, assieme alla minore concentrazione di CL in catena, è possibile supporre che il segnale del CL sia mascherato da quello del LLA. La massa molecolare è stata stimata tramite misure di GPC e sono stati ottenuti valori in accordo con quanto descritto in un precedente lavoro di Fernandez et al37 dove è stato impiegato un rapporto ∑Mmol/CATmol = 1250; in

questo lavoro si voleva ottenere una matrice a massa molecolare nell’intorno dei 50.000 Da. Pesi molecolari maggiori, a parità di rapporto catalizzatore monomeri, si ottengono aumentando la concentrazione relativa di LLA nella composizione; come descritto nel lavoro sopracitato, a causa di una reattività maggiore del LLA rispetto al CL, all’aumentare del contenuto del primo nella composizione della miscela di reazione si ottengono catene con massa molecolare maggiore. Nel caso del CopR3070si ottiene un Mw = 58500 mentre nel caso del CopR5050 un Mw= 28.500. Ulteriore conferma nell’ottenimento del copolimero si ha dall’andamento unimodale delle curve GPC.

L’attenzione di questo lavoro è stata rivolta alla caratterizzazione del copolimero con composizione 30/70 in quanto, a seguito di prove di film casting, è stato osservato che il copolimero a composizione 50/50 risulta di difficile lavorazione e maneggiabilità dovuto probabilmente ad una diminuzione della Tg, sotto la temperatura ambiente, a causa della maggiore quantità di CL. In entrambi i casi è stato visto che i due materiali sono piuttosto trasparenti ma nel CopR5050 il film non si è formato bensì si è agglomerato in una forma irregolare con una consistenza viscosa. Nel Cop3070/ si è ottenuto un film maneggevole e resistente a piegamenti manuali. Un peso molecolare intorno ai 60.000 Da e una buona maneggiabilità sono caratteristiche che in prima valutazione possono essere favorevoli per applicazioni in campo biomedico; i pesi molecolari dei prodotti commerciali impiegati in campo biomedico variano da 10.000 a oltre 200.000 Da39. (tabella 15).

Fig 29: spettri FT-IR di CopR5050 a) e di CopR7030 b);

confronto stretching carbonili CopR a diverse composizioni e CopB c)

68 Tabella. 15: prodotti commerciali usati in campo biomedico; SR- self reinforced, PGA = polietilenglicol, PLLA =poli

acido(l-lattico), PDLLA = poli acido (L-r-D Lattico) , LPLG = poli (Etilenglicol-co-acido L-Lattico).

Per il copolimero con composizione 30/70 (CL /LLA) sono state effettuate anche prove di sintesi con rapporti ∑Mmol/CATmol = 2500 e 675 (tab 14). Come è prevedebile si ha un aumento della

massa molecolare all’aumentare del rapporto e inoltre per valori più bassi (675 e 1250) si nota che raddoppiando tale rapporto si ha un peso molecolare perfettamente raddoppiato con un indice di polidispersità relativamente basso. Raddoppiando ulteriormente il rapporto (2500), invece, si ha un incremento nel peso molecolare pari a 1,5 volte) associato ad un maggiore indice di polidispersità.

In questo lavoro di tesi è stato scelto di usare la matrice sintetizzata usando un rapporto

∑Mmol/CATmol = 1250 poichè, in previsione della necessità di dover fare più sintesi dello stesso

materiale per caratterizzazioni e prove diverse, si ha comunque una maggiore riproducibilità. Sicuramente uno studio più dettagliato sul controllo della massa molecolare al variare dei parametri di reazione può essere utile ed interessante per sviluppi futuri.

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