Dıels-alder Clıck Tepkimeleri İle Poliüretan Graft Kopolimerlerinin Sentezi

Abstract

Biyouyumlu, biyodegrede olabilen ve çözünebilen polimerler, biyomedikal ve çevre bilimi alanlarındaki yüksek uygulanabilirlikleri ve kullanılabilirlikleri sayesinde medikal implantlarda ve ilaç kimyasında vücuda taşıyı vektörler olarak kullanılması hususunda önemli yer almaktadırlar. Çevreye uyumlu ve zarar vermeyen yeni teknolojilerin keşfedilebilmesi için polimerlerin bir kolu olan poliüretanların fonksiyonlarının geliştirilmesi çok önemlidir. Poliüretanlar akademi ve sanayi tarafından çalışılan ve önem arzeden polimerler olduğundan ötürü, bu gelişim, teknolojinin farklı farklı alanlarında (otomotiv, medikal, kaplamalar, boya, adhesivler vb.) kullanılan poliüretanların insanlığa daha iyi hizmet etmesinde rol oynayacaktır. Bu manada, mekanik özellik bakımından daha dayanıklı, daha sert ve sertliğine rağmen elastisitesini koruyabilen yeni graft polimerler üretmek ve bunları sanayiye uyarlayabilmek büyük önem arz etmektedir. Sentezi yapılan yeni bir tip graft veya tarak kopolimerin, doğru sentezlendiğine ve yeni özellikler kazandığına dair ikna edici sonuçlar vermesi gerekmektedir. Proton NMR’ı bilinen en yaygın yöntem olmakla beraber bunu, bu tezde uygulanan UV ölçümü, GPC, DSC ve TGA gibi diğer yöntemler de takip etmelidir. Antrasen gruplu alifatik poliüretanın sentezi genellikle literatürde bilindiği üzere isosiyanat ve diol grubu olan iki reaktant arasında gerçekleşip, step (kademeli) polimerleşme sınıfı altında yer almaktadır. Genellikle step (kademeli) polimerleşmede küçük bir molekülün eliminasyonu gerçekleşir. Bu çoğunlukla su gibi bir molekül olmasına karşın, bu çalışmada hiçbir yan ürün ve küçük molekül ortaya çıkmamıştır. Poliüretanın karbamat gövdesini oluşturmak için, antrasen diol, hekzametilen diizosiyanat tercih edilmiştir. Bu reaktantların tepkimesi dibütiltindilaurat ile diklorometan çözücüsü içinde 10 gün süren kondenzasyon polimerleşmesi ile sentezlenmiştir. Süreç boyunca, polimerleşme tepkimesi oda sıcaklığına sabitlendi. Sonuçlar çekilen proton NMR’ında bakıldığında en önemli olan isosiyanat ucuna bağlı CH2’deki hidrojenlerin, diğer uçtaki OH grubunun hidrojeninin ve de antrasenin piklerinin kusursuzca spektrumda var olduğu görüldü. Çekilen UV de elin parmaklarını andıran özel antrasen eğrisinin varlığı ve DSC’deki 72,9 oC’lik Tg noktasının gözlemlenmesi bunu destekledi. TGA sonuçlarına göre ise yapının 200 oC’den sonra bozunuyor olması yine destekleyici bir unsurdu. Antrasen gruplu alifatik poliüretan homopolimeri, Diels-Alder ile oluşacak graft kopolimer için omurga olarak kullanıldı. Alifatik poliüretan omurgasına, ardışık polimer klik tepkimeleriyle poli(metil metakrilat) (PMMA) ve poli(etilen glikol) (PEG) başarıyla eklenerek tarak şeklinde graft kopolimer yapısı oluşturulmuştur. Tepkimeye BHT eklenerek, 105 oC gibi yüksek bir sıcaklıkta oluşabilecek ortam radikalleri giderilmiştir. PU-antrasen (Mn,GPC = 12900 g/mol, Mw/Mn= 1.87, PS standardlarına göre), α-furan korumalı maleimid uçlu poli(metil metakrilat) (PMMA-MI) (Mn,GPC = 2500 g/mol, Mw/Mn =1.33) ile ve α-furan korumalı maleimid uçlu poli(etilen glikol) (PEG-MI) (Mn,GPC = 550 g/mol, Mw/Mn = 1.09) ile büyüklüğü ve bağlanma yeri kesin olarak bilinecek şekilde Diels-Alder reaksiyonuna dioksan/toluen çözücü varlığında bağlanmıştır. Bilindiği üzere Diels Alder tepkimelerinin yüksek sıcaklıkta yüksek verimle gerçekleşiyor olması nedeniyle deneyde de 105 oC kullanılmıştır. Daha yüksek sıcaklığa çıkılabilmesi mümkün iken, dioksanın kaybını önlemek amacıyla bu sıcaklık optimum olarak seçilmiştir. Neticesinde PU-g-PMMA (Mn,GPC = 23800 g/mol, Mw/Mn = 1.65, PS standardlarına göre) ve PU-g-PEG (Mn,GPC = 11600 g/mol, Mw/Mn = 1.45, PS standardlarına göre) oluşmuştur. PU-g-PMMA tepkimesinin veriminin çok yüksek olması ve saflaştırma sonrasında dahi 90% gibi bir oranda eldenin olması kontrollü yaşayan radikal polimerizasyon türlerinden biri olan ATRP’nin kullanılması ile mümkün olmuştur. PU-g-PMMA’in metil metakrilat tarafından uç grubu Cl ile bitmektedir. Br yerine Cl’un uç grup olmasının sebebi, hem Bromun çok iyi bir ayrılan grup olması ve dolayısıyla ara basamaklardaki yapıda dursa bile, son yapıda uçta kalamayıp ayrılması ve de hem de Cu(I)Cl’ün katalizör olarak kullanılmış olması sebebiyledir. Burada tek dezavantaj, Cl gibi bir uç gruplu grafta sahip olmaktır. Yalnız bu durum çok basit bir post polimerizasyon modifikasyonu ile giderilebileceği için bu konuda tez içerisinde bir adım daha yapılması gerekli görülmemiştir. Diels-Alder graft kopolimer verimi, ultra viyole spektroskopisinde yüzde 93 ile 99 arası gibi yüksek bir değerde bulunmuştur. Kopolimerlerin yapı analizleri 1H NMR ile, termal geçiş diyagramları ise DSC ve TGA ile sorunsuz olarak tayin edilmiştir. UV sonuçlarındaki Diels-Alder sonuçlarının verimlerinin bu denli yüksek olması çok büyük bir başarıdır. Bunu desteklemek maksatlı çekilen DSC diyagramlarında görülmüştür ki, PU’nun kendi Tg noktası olan 72,9’dan daha büyük değerler elde edilen graft kopolimerler, hem yapı olarak daha farklı davrandıklarını hem de ısıya karşı daha yüksek direnç gösterdiklerini ispatlamışlardır. TGA diyagramında bambaşka eğrilere sahip oluşları yine yapıların farklı olduğunu yani Diels-Alder tepkimesinin gerçekleştiğini ispatlarken, bir yandan da külleştirme sırasındaki Retro Diels-Alder hakkında da bizlere bilgi vermektedir. Antrasen-maleimid arasındaki Retro Diels-Alder 200 oC’den sonra gerçekleşmiştir. 1H NMR spektrum piklerindeki en karakterize pikler olan polimer tekrar eden birimi hidrojenleri, antrasen hidrojenleri ve poliüretan omurga uç grup hidrojenleri sorunsuzca belirmiş ve yapılar ispatlanmıştır. Bunu takiben graftlarda, aynı UV’de olduğu gibi 1H NMR’ında da antrasen pikleri aromatik bölgede kaybolmuştur. GPC sonuçları ise PMMA’in graftının poliüretana normalde de olması gerektiği gibi poliüretan homopolimere oranla daha solda çıkarmıştır. GPC kolonuna tutunmadan hızlıca akıp geçen büyük PU-g-PMMA polimerleri kolonu erkenden terk edip, zaman eğrisinde solda çıkmıştır. Bu durum PU-g-PEG’de ters olmuştur. Sebebi ise PEG in hidrodinamik hacminin küçük olmasının onun kolona ve kolonun küçük keselerine tutunmasını arttırmış ve sanki küçük bir molekül kolonu geç terkediyor gibi bir izlenim yaratmıştır. Polistiren standartları bu datada böyle bir değişiklik yapmıştır ama netice kolayca bu şekilde anlaşılabilmektedir. Konunun sanayiye uyarlanabilirlliğini ele almak gerekirse, biyomedikal ve ilaç kimyası alanlarında önemli sayılacak olan biyoçözünürlük, biyouyumluluk ve toksik olmayan özelliklere sahip olması yönünde geliştirilme yapılmış olmasıdır. Bu uyumun olmasını olası mekanik özelliklerin gelişimine ait ipuçları bizlere göstermektedir. Gerilme-defromasyon eğrisi genellikle teknolojik veya sanayi değerlendirmeler için kullanılmaktadır. PMMA gibi bir sert malzemenin, PU gibi bir elastic ve amorf bir polikondenzasyon polimerinin graft olarak birleşip hem elastic hem de güçlü bir polimer olması sanayi anlamında çok büyük önem arz etmektedir. PEG graftının ise düşük hidrodinamik hacmi, onu gerekli görülen viskoz alanlarda küçük ve dayanıklı kılabilecekken, aynı zamanda PEG’in hidrofilik özelliği yani suyu sevmesi, onun başlı başına kullanımına çok büyük katkı sağlayacaktır. Bu tarz dallı, taraklı polimerler bu tip özelliklerle tıbbi alanlarda etkin şekilde kullanılmaktadırlar ve bu tezdeki graftlar da yine bu yönde adımlar atabilir. İlaç kapsüllerinin PEG’in hidrofilik yapısında olması gibi veya dallı olan bu graftların hücre içerisinde yanlış katlanmış olan büyük tomarlar halindeki proteinleri tutup çekip çıkardığını öngörmek Parkinson, Alzheimer, ALS, Huntington gibi nörodejeneratif hastalıkların önüne geçmeyi dahi sağlayacaktır. Dolayısıyla hem tıpla hemde genetik ve biyoteknolojiyle birleşik multi disipliner çalışmalar yapılabilecektir. Polimer kimyasının bu geniş yelpazede kullanılabilir olması bu alanın önünün daha çok açık olduğunu ve yeni gelişmelere gebe olduğunu bizlere bir kez daha göstermektedir. Aynı şekilde gelecekte bu konunun gidebileceği bir alan olan kalp pilleri ve kateterlerin graft kopolimer yapıları bir hayli önemlidir. Vücuda uyumlu, toksik olmayan taraklı kopolimerler geliştirmek ve bunları ucuz maliyetle yapabilmek Diels-Alder Klik kimyası gibi bir kimyanın sayesinde olacaktır. Çevre Bilimi ve Mühendislik’inde de aynı şekilde toksiklikten uzak bu tarz yöntemler etkili bir biçimde kullanılabilir.

Biocompatible, biodegradable, or bioresorbable polymers are constantly being used in biomedical and environmental applications, such as medical implants or drug-delivery systems. In terms of finding new technologies with the capability of having environmental friendly materials, it is paramount to seek new ways of improving the functionalities of polymers such as polyurethanes in this case. For that matter, since polyurethanes are an important class of polymers in the field of academy and industry, the development in that area would serve mankind a spectacular application branches in the field of medicine, autos, coatings, paintings and adhesives. Aliphatic polyurethane with pendant anthracene moieties (PU-anthracene) were prepared from polycondensation of anthracen-9-yl methyl 3-hydroxy-2-(hydroxymethyl)-2-methylpropanoate (anthracene diol) 1, with hexamethylenediisocyanate (HMDI) in the presence of dibutyltindilaurate (DBTL) in CH2Cl2 at room temperature for 10 d. Aliphatic polyurethane with a pendant anthracene group is employed as a backbone. The graft copolymers with regular graft points containing PU backbone combed with poly(methyl methacrylate) (PMMA) and poly(ethylene glycol) (PEG) side chains were simply achieved by a sequential polymer click reactions. The PU-anthracene (Mn,GPC = 12900 g/mol, Mw/Mn= 1.87, relative to PS standards) was clicked with a linear α-furan protected-maleimide terminated-poly(methyl methacrylate) (PMMA-MI) (Mn,GPC = 2500 g/mol, Mw/Mn =1.33) , or –poly(ethylene glycol) (PEG-MI) (Mn,GPC = 550 g/mol, Mw/Mn = 1.09), to result in well-defined PU-graft copolymers, PU-g-PMMA (Mn,GPC = 23800 g/mol, Mw/Mn = 1.65, relative to PS standards) or PU-g-PEG (Mn,GPC = 11600 g/mol, Mw/Mn = 1.45, relative to PS standards) using Diels-Alder reaction in dioxane/toluene at 105 0C, have gained increasing interest for their potential use in biomedical and pharmaceutical applications due to their favorable biocompatibility, biodegradability, and nontoxicity. The Diels-Alder grafting efficiencies were found to be over 93-99% using UV spectroscopy. Moreover, the structural analyses and the thermal transitions of all copolymers were determined via 1H NMR, DSC and TGA, respectively. It was found out that all the graft structures including the model (PU-g-Adduct Alcohol, PU-g-PEG, PU-g-PMMA) were fitting with the results of 1H NMR, UV, DSC and TGA. With respect to the UV Diels-Alder efficiencies of those mentioned grafts were found to be in the range of 93 – 99 %. This vindicates the success of the yields of graft. In terms of technological aspects and future work, one can assume that, grafts onto Polyurethane backbone might have significant improvements in the stress vs strain graph. PMMA has the durability, PEG has the hydrophilicity and PU has the elasticity and toughness. When these are combined in the stress vs strain graph, an elastic, tough, strong, heat resistant (due to higher Tg points of DSC) combed like polymer structure is seen to be formed.