Estructura y Dinámica
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POLIETILENIMINA. CARACTERIZACIN ESTRUCTURAL Y
DINMICA EN EL ESTADO SLIDO.
J.M. LZARO MARTNEZ,, G.A. MONTI, y A.K. CHATTAH
Instituto de Fsica Enrique Gaviola (IFEG-CONICET-UNC) Medina Allende s/n - (5000) Crdoba Argentina
Departamento de Qumica Orgnica, FFyB-UBA, Buenos Aires, CP 1113, Argentina.
[email protected] ; [email protected] ; [email protected]
INTRODUCCION
El polmero lineal poli(etilenimina), denominado
PEI (Fig. 1), tiene un amplio campo de aplicaciones. Se
lo ha empleado como ingrediente cosmtico para ajustar
la viscosidad, como quelante de iones metlicos para
inhibir la corrosin hasta como copolmero para el
desarrollo de dispositivos de almacenamiento de
energa. A su vez, teniendo en cuenta la
biocompatibilidad que presenta el PEI, se lo ha
empleado en el rea biotecnolgica como vector no viral
para llevar a cabo procesos de transfeccin de genes,
estabilizador de protenas y desarrollo de biosensores.
Fig. 1. Estructura qumica del PEI.
Sin embargo hasta el momento no se ha realizado
una caracterizacin fsica en el estado slido. Por tal
motivo, el objetivo del presente trabajo es estudiar la
homogeneidad estructural y dinmica en tres variantes
polimricas de PEI que presentan diferentes pesos
moleculares (22, 87 y 217 KDa) empleando tcnicas de
Resonancia Magntica Nuclear en el estado slido
(ssNMR). A su vez, se explorarn las modificaciones
producidas tras la complejacin de iones de cobre(II)
por parte de las mencionadas matrices polimricas, dada
la importancia de los catalizadores heterogneos de
Cu(II) para la activacin de agua oxigenada y
degradacin de polutantes de alto impacto ambiental
(Lzaro Martnez, et al., 2008 y 2011).
METODOLOGA
Los experimentos de ssNMR fueron obtenidos en un
espectrmetro Bruker Avance II-300 MHz equipado con
una probe de triple resonancia de 4-mm. Los espectros
de alta resolucin de 13
C y 15
N en estado slido fueron
determinados empleando la tcnica de polarizacin
cruzada {1H}{13C} {1H}{15N} (cross-
polarization = CP) y rotacin en el ngulo mgico
(magic angle spinning = MAS) con desacople de
protones durante la adquisicin. Las frecuencias de
Larmor para los ncleos 1H,
13C y
15N fueron de 300.13,
75.46 y 30.42 MHz respectivamente. La glicina fue
usada como referencia externa para la determinacin de
los espectros de 13
C, 15
N y para setear la condicin de
Hartmann-Hahn para los experimentos de CP. El
recycling time fue de 4 s y el tiempo de contacto durante
la CP fue de 1.5 ms para los experimentos de 13
C. Para
los ncleos de 15
N el recycling time fue de 4 s y el
tiempo de contacto durante la CP fue de 3 ms. Para
realizar el desacople heteronuclear 1H-
13C y de
1H-
15N
durante la adquisicin se emple la secuencia
SPINAL64 o TPPM, respectivamente (Fung et al., 2000
y Bennet et al., 1995). La velocidad de rotacin en todos
los casos fue de 10 kHz.
Los tiempos de relajacin en el sistema rotante (T1),
y los experimentos 1H-
13C 2D-HETCOR (heteronuclear
correlation) y 1H-
13C 2D-WISE (Wideline separation)
fueron determinados segn trabajos previos (Lzaro
Martnez et al., 2012 y Chattah et al., 2007).
RESULTADOS Y DISCUSION
Los espectros de 13
C CP-MAS para los polmeros de
PEI con distintos pesos moleculares se presentan en la
Fig. 2 en comparacin con el espectro de 13
C RMN para
el PEI 87 KDa disuelto en agua deuterada (D2O). A
partir de estos resultados se pudo comprobar la
existencia de heterogeneidad en las distintas muestras de
PEI que no pudieron ser inferidas a partir de los
resultados obtenidos de los difractogramas de rayos-X
de polvo, ni por RMN en solucin donde se obtuvo el
desplazamiento qumico isotrpico.
Fig. 2. Espectros de
13C CP-MAS de los polmeros PEI
22, 87 y 217 KDa (en estado slido) y en D2O.
En el estado slido, las cadenas polimricas pueden
estar confinadas en regiones con diferente movilidad,
teniendo en cuenta una disposicin ordenada o no, lo
que determina segmentos cristalinos o amorfos. En
-
cambio en cuando el slido es disuelto, en caso de
existir heterogeneidad molecular (regiones amorfas o
cristalinas), esta se pierde como consecuencia de que las
cadenas polimricas adquieren un movimiento
molecular promedio en el seno del lquido.
En complementacin, la edicin de los espectros de 13
C CP-MAS, empleando diversos tiempos de dinmica
de espines (d4), permiti visualizar seales que no eran
detectadas con las secuencias de CP-MAS
habitualmente empleadas (Fig. 3). En estos
experimentos se agreg y vari un tiempo d4 entre el
pulso inicial de /2 y el proceso de polarizacin
cruzada.
En particular, la Fig. 3 muestra el espectro de 13
C
CP-MAS para el PEI 217 KDa con un tiempo de
dinmica de espines de 0, 13 y 14 s. Si bien la
resolucin de los espectros se ve afectada, claramente
puede apreciarse las contribuciones de cada poblacin
de 13
C a 42.9 y 44.5 ppm. Los experimentos tambin se
realizaron para los otros PEI de 22 y 87 KDa variando
el d4 entre 0-15 s, encontrndose similares resultados.
Fig. 3. Espectros de
13C CP-MAS para el PEI 217 KDa
empleando distintos d4.
A su vez, los espectros de 15
N CP-MAS
determinados en las distintas muestras de PEI con
abundancia natural de 15
N, concordaron con lo
observado por 13
C, indicando que el polmero de 87
KDa present nuevamente dos contribuciones que
pueden ser claramente diferenciadas. Tambin se prob
la determinacin de los espectros de 15
N CP-MAS
empleando distintos d4 en las otras variantes del PEI
(PEI 22 y 217 KDa), pero no fue posible observar las
dos contribuciones por separado, probablemente porque
la seal de 15
N se encontr drsticamente afectada.
Fig. 4. Espectros de
15N CP-MAS de los polmeros PEI
22, 87 y 217 KDa.
Para profundizar el estudio de estos materiales se
procedi a realizar experimentos bidimensionales de
ssNMR.
En primera instancia se llevaron a cabo
experimentos 1H-
13C 2D-WISE, en los que es posible
obtener una aproximacin de la movilidad molecular a
partir de las lneas de 1H extradas de cada seal
observable de 13
C, dado que el ancho medio de las
mismas se relaciona con la interaccin dipolar que
puedan sensar los ncleos de 1H asociados a los
respectivos 13
C, segn se encuentren en entornos rgidos
(mayores FHWW) o flexibles (menores FHWW)
(Schmidt Rohr et al., 1992).
Los resultados de estos experimentos se muestran en
la tabla 1, e indican que la regin de mayor movilidad se
asoci a la seal a 44.5 ppm, mientras que la de menor
movilidad result ser la seal de 42.9 ppm, en la
dimensin de 13
C.
A continuacin se realizaron experimentos 2D de
correlacin heteronuclear 1H-
13C, denominados
1H-
13C
HETCOR, que permiten correlacionar los distintos
ncleos de 13
C con los protones (1H) directamente
unidos o en las cercanas. Los resultados para el PEI 87
KDa son mostrados en la Fig. 5. Claramente, puede ser
observado que cada tipo de carbono correlaciona con
semejantes calidades de protones pero que resultan entre
s diferentes, indicando que las cadenas polimricas del
PEI 87 KDa se encuentran en entornos fsicos
diferentes, probablemente asociados a regiones con alto
grado de ordenamiento (cristalinas) o de desorden
(amorfas).
Tabla 1. Anchos medios (FWHH) de las
proyecciones de 1H obtenidos de los experimentos
1H-
13C 2D WISE.
Polmero
1H FWHH
(kHz)
PEI 27 KDa 123
Cu(II)-PEI 27 KDa 167
PEI 217 KDa 120
Cu(II)-PEI 217 KDa 156
PEI 87 KDa (42.9 ppm) 147
PEI 87 KDa (44.5 ppm) 101
Cu(II)-PEI 87 KDa (44.5 ppm) 172
Para complementar los estudios, se llev a cabo la
medicin de los tiempos de relajacin de 13
C en el
sistema rotante (T1
13C). En estos experimentos, la etapa
de la polarizacin cruzada es seguida por un campo de
spin lock de 13
C durante un tiempo variable (), con lo
cual la relajacin espn-red tiene lugar en el sistema
rotante. Dicho proceso de relajacin en el sistema
rotante es sensible a los movimientos en la escala de los
kilohertz, lo que permite obtener informacin en cuanto
a la homogeneidad de muestras slidas (Chattah et al.,
2007). La ventaja de estudiar este parmetro, est dado
-
por la baja abundancia natural del 13
C (1.1%) lo que
asegura su separacin fsica dentro del slido y una baja
o despreciable difusin de espines.
Fig. 5. Espectro
1H-
13C HETCOR para el PEI 87 KDa.
La tabla 2 muestra los valores de T1
13C para los
carbonos de los metilenos (CH2) presentes en el
polmero de PEI. Los mismos fueron determinados a
partir de la disminucin de la magnetizacin (Mc) en
funcin del tiempo de espn-lock (). En particular, estas
grficas presentaron un comportamiento bi-exponencial,
caracterstico de muestras no homogneas con al menos
dos fases con diferente orden o movilidad, que pueden
ajustarse a la siguiente ecuacin:
21 )1()(0
eAeAM
MC (Eqn. 1)
Teniendo en cuenta que la magnetizacin ha sido
normalizada, los nmeros A y 1-A (Eqn. 1) pueden ser
directamente interpretados como el porcentaje de la
muestra que posee diferente relajacin (1 y 2).
Usualmente en compuestos slidos, los valores menores
de T1
13C se corresponden con fracciones amorfas en
donde existe un alto grado de desorden y una mayor
movilidad relativa en comparacin con zonas cristalinas
en donde los T1
13C son mayores y donde la movilidad
se encuentra restringida. Por lo que, analizando los
resultados obtenidos, los T1
13C estuvieron en
concordancia con lo obtenido de los experimentos 2D-
WISE en donde se observaron regiones con diferente
movilidad y que pueden ser estimados en porcentaje a
partir de la determinacin de los T1
13C.
Por ltimo, se llev a cabo el anlisis de los
complejos metlicos de Cobre(II)-PEI (Cu(II)-PEI). Los
resultados de 13
C CP-MAS se presentan en la Fig. 6 y
los resultados de los experimentos 2D-WISE y la
medicin de los T1
13C se encuentran en la Tabla 1 y 2,
respectivamente.
La coordinacin de los iones Cu(II), comprometi a
las regiones polimricas con distinta dinmica molecular
en las distintas muestras. A su vez, produjo una
importante reduccin en la movilidad molecular en las
cadenas polimricas del PEI, independientemente de la
longitud de dicha cadena, incrementando el componente
rgido, teniendo en cuenta la medicin de los T113
C y
el aumento de los anchos medios en la lnea de 1H en los
experimentos 1H-
13C 2D-WISE.
Tabla 2. Tiempos de relajacin de 13
C en el sistema
rotante (T1
13C).
Material T
1
13C
(ms)
PEI 27 KDa 0.71 (81%)
3.8 (19%)
Cu(II)-PEI 27 KDa 0.7 (62%)
2.0 (38%)
PEI 217 KDa 0.69 (77%)
2.4 (23%)
Cu(II)-PEI 217 KDa 0.22 (23%)
1.17 (77%)
Fig. 6. Espectros de
13C CP-MAS de los polmeros PEI
22, 87 y 217 KDa y sus respectivos complejos
de Cu(II).
CONCLUSIONES
La ssNMR result ser una herramienta valiosa para
estudiar la dinmica y homogeneidad de las distintas
muestras de Polietilenimina. Si bien los resultados de
cristalografa de rayos-X de polvo no muestra
diferencias significativas entre las diferentes muestras en
las que se vari el peso molecular, la ssNMR a travs de
los espectros de 13
C CP-MAS empleando diferentes
tiempos de dinmica de espines (d4) permitieron
evidenciar la heterogeneidad en cada caso, como as
tambin los espectros de 15
N CP-MAS. Estos resultados
fueron confirmados a travs de la medicin de los
T1
13C,
1H-
13C 2D-WISE y
1H-
13C 2D-HETCOR
Por ltimo, la formacin de complejos con los iones
cobre(II), produjo una reduccin importante de la
movilidad como consecuencia del entrecruzamiento
entre las distintas cadenas polimricas para coordinar el
in metlico, a partir de los resultados de T1
13C y
1H-
13C 2D-WISE.
REFERENCIAS
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Griffin, R., Heteronuclear decoupling in rotating
-
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broadband decoupling sequence for liquid crystals
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Lzaro Martnez, J. M., Leal Denis, M., Piehl, L.,
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color removal in the presence of a new Cu(II)-
polyampholyte heterogeneous catalyst, Appl. Catal.
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Lzaro Martnez, J. M., Rodrguez Castelln, E., Torres,
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Lzaro Martnez, J. M. Chattah, A. K., Torres, R.,
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Schmidt Rohr, K., Clauss, J., Spiess, H., Correlation of
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in heterogeneous polymer materials by two-
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