Metal-catalyzed reversible deactivation radical polymerization:mechanistic studies and application on the design of polymer drugs

Tese de doutoramento em Engenharia Química, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de CoimbraO principal objectivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de novas técnicas de polimerização radicalar por desactivação reversivel (RDRP) catalisada por metais, mais ecológicos do que os existentes, para a polimerização de monómeros com interesse para aplicações biomédicas. Como prova de conceito, este trabalho teve também como objectivo a preparação de novas estruturas poliméricas, para utilização como sequestradores de ácidos biliares (BAS), recorrendo aos métodos RDRP desenvolvidos. O mecnaismo que rege a RDRP catalisada por metais tem sido alvo de um intenso debate na literatura, existindo a proposta de dois mecanismos distintos: polimerização radicalar viva por transferência de electrão (SET-LRP) e polimerização radicalar por transferência de átomo com activador suplementar e agente redutor (SARA ATRP). Na fase inicial do trabalho pretendeu-se contribuir para a compreensão do mecanismo da polimerização referida, por ser um factor crucial para o desenvolvimento de novos sistemas catalíticos. O rácio ligante/cobre solúvel foi avaliado durante a polimerização do acrilato de metilo (MA) por RDRP catalisada por Cu(0) e os resultados sugeriram que a polimerização é governada pelo mecanismo de SARA ATRP proposto. Uma das maiores limitações da técnica de ATRP prende-se com o uso de catalisadores metálicos, que podem contaminar o produto final ou dificultar o processo de purificação do mesmo. A estratégia seguida neste trabalho visou a redução da quantidade de catalisador solúvel usada para a mediação da polimerização, bem como a utilização de solventes menos nocivos que os actualmente descritos na literatura para os monómeros seleccionados neste projecto. Parâmetros como, por exemplo, a concentração de catalisador solúvel, a composição do solvente de reacção e a temperatura de polimerização, foram avaliados durante o desenvolvimento dos novos sistemas RDRP. A investigação de novos sistemas catalíticos teve início com o estudo da polimerização do monómero hidrofóbico modelo MA por SARA ATRP, catalisada por Fe(0)/CuBr2/Me6TREN (Me6TREN: tris[2-(dimetilamino)etil]amina), usando uma mistura de solventes verdes (água/etanol) a 30 °C. O sistema permitiu controlar o peso molecular do poli(acrilato de metilo) (PMA), linear e estrela, usando apenas uma concentração residual de cobre solúvel (50 ppm) como catalisador. A gama de aplicação do referido sistema de polimerização foi posteriormente extendida à polimerização do estireno (Sty), demonstrando bons resultados relativamente à distribuição de pesos moleculares (Ð ≈ 1.2) e à conversão máxima de monómero atingida (≈ 75%). Adicionamelmente, o sistema de SARA ATRP permitiu preparar poliestireno com terminais azida ou alcino, que podem ser usados em reacções de pós-polimerização para a criação de estruturas poliméricas complexas. O trabalho prosseguiu com a selecção de três monómeros hidrofílicos catiónicos com relevância para a aplicação como BAS (cloreto de (3-acrilamidopropil)trimetil amónio (AMPTMA); hidrocloreto de 2-aminoetil metacrilato (AMA) e hidrocloreto de N-(3-acrilamidopropil)metacrilamida (APMA)), bem como com o desenvolvimento de diferentes métodos de RDRP para a polimerização dos mesmos. A polimerização controlada do AMPTMA foi conseguida através de SARA ATRP, catalisada por Cu(0)/CuCl2/Me6TREN, em água ou misturas etanol/água. As recções foram realizadas à temperatura ambiente e a concentração de cobre solúvel usada foi dez vezes menor do que a reportada na literatura para a polimerização do AMPTMA utilizando outros sistemas de ATRP. O “carácter vivo” do polímero, bem como a possibilidade de criar materiais com características únicas, foram demontrados através da síntese de copolímeros de bloco hidrofílicos. Um novo sistema de activadores regenerados por transferência de electrão (ARGET) ATRP foi desenvolvido para a polimerização do AMA, o qual é considerado um monómero difícil de polimerizar por ATRP devido ao seu carácter ácido. As polimerizações foram catalisadas por complexos CuBr2/TPMA (TPMA: tris(2-piridilmetil)amina), em combinação com uma pequena quantidade de ácido ascórbico adicionado de forma controlada à reacção, e realizadas em água ou misturas isopropanol/água a 35 °C. Este novo método permitiu, pela primeira vez, a preparação de PAMA com elevada funcionalidade. Este resultado foi explicado pela diminuição da ocorrência de reacções secundárias de terminação, devido à baixa concentração de cobre utilizado. O último monómero hidrofílico estudado foi o APMA. Infelizmente, devido à natureza do monómero/radical, não foi possível desenvolver um sistema de ATRP apropriado para a sua polimerização. Todas as tentativas realizadas deram origem a reacções não controladas. Em alternativa, a técnica RDRP polimerização radicalar por transferência de cadeia reversível por adição-fragmentação (RAFT) foi utilizada para a preparação de poli-APMA com terminais azida e alcino, capazes de participar em reacções de “click chemistry”. Foi demonstrado que o peso molecular dos polímeros foi influenciado pela composição da mistura de solventes, quando foram utilizados agentes de transferência de cadeia com segmentos alifáticos de diferentes comprimentos. A última parte do trabalho centrou-se na síntese de novos candidatos a BAS usando o método de SARA ATRP desenvolvido anteriormente, catalisado por Cu(0)/CuBr2/Me6TREN, em misturas etanol/água. Hidrogéis de base PAMPTMA e copolímeros anfifílicos de bloco PMA-b-PAMPMTA em forma de estrela foram sintetizados e testados na ligação ao sal de sódio do ácido cólico (NaCA), utilizado como molécula modelo de sal biliar. Os resultados sugeriram que a interacção entre o polímero e micelas de NaCA é mais forte do que a ligação com NaCA em forma de unímeros. Foi também demonstrada a possibilidade de ajustar as propriedades dos BAS baseados nos copolímeros em estrela, através do controlo do peso molecular e composição dos mesmos. Finalmente, os parâmetros de ligação obtidos para os hidrogéis de base PAMPTMA foram semelhantes aos do BAS comercial mais eficiente (Colesevelam hydrochloride), revelando-se assim, materiais bastante promissores para a referida aplicação.The aim of this work was the development of new ecofriendly metal-catalyzed reversible deactivation radical polymerization (RDRP) methods for monomers with potential to be applied in the biomedical field. It was also a goal to prepare new polymeric structures to act as bile acids sequestrants (BAS) using the RDRP developed methods, as a proof-of-concept. There has been an intense debate on the literature regarding the metal-catalyzed RDRP mechanism, being the two proposed mechanisms the single electron transfer living radical polymerization (SET-LRP) and the supplemental activator and reducing agent atom transfer radical polymerization (SARA ATRP). Therefore, the initial part of the work intended to contribute to the understanding of the real polymerization mechanism, which is a key factor for the development of new catalytic systems. The ratio of ligand/soluble copper was evaluated during the Cu(0)-catalyzed RDRP of methyl acrylate (MA) and the results suggested that the polymerization is governed by the proposed SARA ATRP mechanism. One of the major limitations of the ATRP techniques is the use of metal catalyst, which can contaminate the final product or difficult the purification procedure. The strategy followed in this work aimed the reduction of the amount of soluble catalyst used to mediate the polymerizations as well as the use of alternative solvents that could be less harmful that the ones described in the literature for the monomers selected in this work. Several parameters, such as concentration of soluble catalyst, solvent mixture composition and polymerization temperature, among others were evaluated during the development of the new RDRP systems. The investigation of new catalytic systems started with the study of the Fe(0)/CuBr2/Me6TREN-catalyzed (Me6TREN: tris[2-(dimethylamino)ethyl]amine) SARA ATRP of the hydrophobic model monomer methyl acrylate (MA) in an ecofriendly solvent mixtures (ethanol/water) near room temperature (30 °C). The stringent control over both linear and star-shaped poly(methyl acrylate) (PMA) molecular weight was possible using only a residual amount of soluble copper catalyst (50 ppm). The Fe(0)/CuBr2/Me6TREN-catalyzed SARA ATRP method was also extended to the polymerization of styrene (Sty), showing good results in respect to polymers dispersity (Ð ≈ 1.2) and maximum monomer conversion achieved (≈ 75%). In addition, both azide and alkyne‒polystyrene (PS), which could participate in further reactions to produce complex polymeric structures, were prepared. The work continued with the selection of three cationic hydrophilic monomers ((3-acrylamidopropyl)trimethylammonium chloride (AMPTMA), 2-aminoethyl methacrylate hydrochloride (AMA) and N-(3-acrylamidopropyl)methacrylamide hydrochloride) (APMA), with relevance considering the BAS application, and the development of different RDRP methods. The controlled polymerization of AMPTMA was achieved by Cu(0)/CuCl2/Me6TREN-catalyzed SARA ATRP in aqueous medium or ethanol/water mixtures, at room temperature, and the concentration of soluble copper used was ten times lower than the one reported in the literature using other ATRP systems. Poly-APMTPMA-based hydrophilic block copolymers were also prepared to prove the “livingness” of the polymer and the possibility to create unique materials. A new activators regenerated by electron transfer (ARGET) ATRP method was developed for the polymerization of the AMA, which is a challenging monomer due to its acidic character. The polymerizations were catalyzed by CuBr2/TPMA complexes (TPMA: tris(2-pyridylmethyl)amine), in combination with small amounts of ascorbic acid fed into the system, and were conducted in aqueous medium or isopropanol/water mixtures near room temperature (35 °C). This new method allowed, for the first time, the preparation of poly-AMA with high chain-end functionality. This result was attributed to the residual occurrence of termination side reactions, due to the low concentration of soluble copper used. The last hydrophilic monomer investigated was the functional APMA. Unfortunately, due to the nature of monomer/radical it was not possible to develop a suitable ATRP-based system for the polymerization of this monomer, as every attempt resulted in uncontrolled reactions. Therefore, an alternative RDRP method, namely reversible addition-fragmentation chain transfer radical polymerization (RAFT) was investigated and used for the preparation of both alkyne-terminated and azide-terminated poly-APMA, which could participate in further “click” chemistry reactions. The reaction mixture composition was found to influence the control over the polymers dispersity, when using chain transfer agents with different aliphatic chain lengths. The last part of the work was dedicated to the design of new macromolecules, with potential to act as BAS, using the previously developed Cu(0)/CuBr2/Me6TREN-catalyzed SARA ATRP method in ethanol/water mixtures. Controlled PAMPTMA-based hydrogels and amphiphilic PMA-b-PAMPMTA star block copolymers were prepared and tested in the equilibrium binding of sodium cholate (NaCA), used as bile salt model molecule. The results suggested that the interaction of the polymers with NaCA micelles is stronger than with NaCA unimers. It was also proved the possibility to fine-tune the binding parameters of the star block copolymers-based BAS through the control over the molecular weight and composition of the block copolymers. Finally, the PAMPTMA-based hydrogels revealed to be promising materials for BAS applications, with binding parameters similar to the most effective commercial BAS available (Colesevelam hydrochloride)