Síntesis y funcionalización de ligandos poliméricos para su empleo en la fabricación, estabilización y autoorganización de sistemas de nanopartículas

     SÍNTESIS Y FUNCIONALIZACIÓN DE LIGANDOS POLIMÉRICOS PARA SU EMPLEO EN LA FABRICACIÓN, ESTABILIZACIÓN Y AUTOORGANIZACIÓN DE SISTEMAS DE NANOPARTÍCULAS       Ana Ledo Suárez Memoria para optar al grado de Doctora en Química Santiago de Compostela, Octubre de 2011 UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA FACULTAD DE QUÍMICA Departamento de Química Física  D. M. ARTURO LÓPEZ QUINTELA, Catedrático del Departamento de Química Física de la Universidad de Santiago de Compostela y D. MASSIMO LAZZARI, Profesor Titular del Departamento de Química Física de la Universidad de Santiago de Compostela, AUTORIZAN: A la licenciada Dña. ANA LEDO SUÁREZ a la presentación del trabajo original titulado: “Síntesis y funcionalización de ligandos poliméricos para su empleo en la fabricación, estabilización y autoorganización de sistemas de nanopartículas”, que ha realizado bajo su dirección, para optar al grado de Doctora en Química. Y para que así conste, firmamos la presente autorización en Santiago de Compostela, a día 14 de Octubre de 2011. D. M. Arturo López Quintela D. Massimo Lazzari   AGRADECIMIENTOS Con estas líneas quiero expresar mi más sincero agradecimiento a todas aquellas personas que con su apoyo han colaborado en mi formación y han contribuido a que este trabajo de investigación se llevase a cabo. En primer lugar, quiero agradecer a mis directores de tesis, Arturo López y Massimo Lazzari, por haberme dado la oportunidad de formar parte del grupo de investigación y permitir realizar este trabajo. Ellos han estimulado mi formación como investigadora, por lo que desearía expresar toda mi gratitud por su apoyo y confianza durante este tiempo. Gracias por todo lo recibido. Quisiera extender mis agradecimientos a los demás profesores del grupo, por su interés y ayuda incondicional. A la profesora Mª Carmen Blanco por toda su ayuda en mis inicios con la electroquímica, en lo que fue mi primera toma de contacto con el mundo de la investigación. A Puri, con toda su alegría y buen rollo y que resulta la pieza clave para que todo marche. Mi gratitud también va dirigida a los profesores Ives Gnanou y Daniel Taton del Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques en la Université Bordeaux 1 (Francia) por acogerme y darme la oportunidad de formarme en su laboratorio. A mi compañeros en el LCPO y de manera muy especial a Sandra y Emilio. En lo relativo a lo que fue mi segunda estancia doctoral, quiero dar las gracias en primer lugar a profesor Roberto J.J. Williams de la División de Polímeros de INTEMA en Mar del Plata (Argentina), por darme la oportunidad de trabajar en su laboratorio y asimismo por sus fructíferas discusiones. A la doctora Cristina E. Hoppe, el alma mater de mi estancia allí y a la que estoy enormemente agradecida por todo lo recibido. De manera muy especial quisiera también agradecer a la doctora Ileana A. Zucchi, por su enorme paciencia, apoyo y entusiasmo en el trabajo que, en colaboración, ha salido adelante y, de lo cual guardo muy buenos recuerdos. Y gracias también por la amistad, ayuda y colaboración recibida de los demás compañeros que he conocido en INTEMA. Gracias a Ceci. También deseo agradecer a todos los compañeros que durante estos años he conocido en el Feder, parte fundamental en el desarrollo diario de este trabajo y que han contribuido sin ninguna duda a que todo resultase más llevadero si cabe. A Bea, Noelia, Ana y David (mucho ánimo que ya no queda casi nada), Eldara (mi “alma gemela de doctorado”), Jorge, Bea, Marina, Santi... Y sobre todo en esta última etapa, a mis compañeros de despachito, de los cuales guardo muy buenos recuerdos: Camilo (la parte más “física” y sosegada, gracias por iluminarnos con avax ), Manolo (perfeccionista hasta límites insospechados y sobre todo amigo, gracias por todo el apoyo que he recibido durante toda esta carrera de fondo) y el face to face diario, Yolanda (el retorno al equilibrio, ya sabes que todo queda entre Gerlo , tú y yo, ok?, ). Por último, agradecer también a los que han seguido este mismo camino hace algún tiempo, y que han estado en unas u otras etapas del desarrollo de este trabajo y se han convertido en verdaderos amigos: Esther (parece que al final algo sí se ve, gracias por todo tu buen rollo) y Marta (gracias por toda tu paciencia y buenos consejos, y por todas las cañitas que nos quedan…). Mi gratitud también va dirigida a mis compañeros de la facultad: Cristina, Patricia, Migui, Marta, Paula… que decidieron seguir estos mismos pasos y que juntos hemos sacado adelante esta aventura, gracias por su apoyo y sobre todo por su buena compañía. De manera muy especial quiero agradecer a mi pequeña familia en Santiago: Ro, gracias por todo lo compartido ya desde los tiempos de facultad, por ese buen rollo, sé que no podría haber tenido mejor compañía y Marisol, mi pequeña gran hermana, por estar siempre ahí incondicionalmente. Sé que seguís ahí para todo. A José, por su enorme paciencia y gran apoyo. Por tratar de sacar siempre una sonrisa contra todo pronóstico y estar ahí para impulsarme en las cuestas y frenarme en las bajadas. Gracias por todo. A mi familia, muy especialmente a mis padres, porque su gran apoyo, ayuda inestimable y comprensión. Por todo su esfuerzo y por acompañarme siempre incondicionalmente. A ellos , un verdadero ejemplo vital de esfuerzo, lucha y perseverancia, sin duda la mejor herencia que habría podido recibir. Finalmente, quiero agradecer la financiación económica de las distintas instituciones que ha hecho posible la realización de este trabajo: Ministerio de Educación y Ciencia por la beca FPU concedida, Ministerio de Ciencia e Innovación (proyecto MAT2008-06503) y Xunta de Galicia (proyecto PGDIT03PXIC20907PN).  ÍÍ NDICENDICE   JUSTIFICACION Y OBJETIVOS 3 CAPÍTULO 1. INTRODUCCION5 1. CONTEXTO __________________________________________________________ 7 1.1. Nanomateriales 7 1.1.1. Consideraciones generales 7 1.1.2. Sistemas nanométricos: efectos de tamaño y superficie 8 1.1.3. Nanopartículas metálicas 13 1.1.4. Propiedades de los nanomateriales 15 1.1.5. Aplicaciones 24 1.2. Preparación de sistemas de nanopartículas 26 1.2.1.Estrategias generales 26 1.2.2.Síntesis química de nanopartículas 28 1.2.3.Síntesis de nanopartículas de oro 32 1.3. Polímeros actuando como ligandos en sistemas de nanopartículas 34 1.4. Caracterización y estudio de sistemas nanométricos 37 2. ESTRUCTURA DE LA MEMORIA __________________________________________ 42 CAPÍTULO 2. SÍNTESIS Y FUNCIONALIZACIÓN LIGANDOS POLIMÉRICOS 45 1. OBJETIVOS ___________________________________________________________ 47 2. ANTECEDENTES _______________________________________________________ 48 2.1. Síntesis de polímeros. Técnicas de polimerización radicalaria controlada viviente (CRLP) 49 2.1.1. Polimerización ATRP en la síntesis de ligandos poliméricos 52 2.1.1.1. Polimerización homopolímeros 55 2.1.1.2. Polimerización copolímeros bloque 60 2.1.2. Polimerización RAFT en la síntesis de ligandos poliméricos 66 2.2. Funcionalización de ligandos poliméricos 69 2.2.1. Funcionalización de polímeros sintetizados por ATRP 70 2.2.2. Funcionalización de polímeros sintetizados por RAFT 73 2.3. Funcionalización de ligandos poliméricos con grupos tiol 75 2.3.1. Funcionalización con grupos tiol de polímeros sintetizados por ATRP 76 2.3.2. Funcionalización con grupos tiol de polímeros sintetizados por RAFT 79 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN _____________________________________________ 81 3.1. Polimerización ATRP de ligandos 81 JUSTIFICACIÓN Y OBJETIVOS 4  constituidos por la unión repetitiva de sucesivas unidades de moléculas monoméricas, además del tipo de arquitectura y longitud de la cadena, su grado de funcionalidad con grupos afines hacia los centros metálicos de oro, resultará muy importante en la futura estabilidad que el sistema coloidal pueda mostrar. Con estas premisas, el primero de los objetivos se han centrado en la obtención de los diferentes sistemas de ligandos poliméricos con estructura definida, conteniendo grupos funcionales en posiciones estratégicas que permitan su interacción con los centros metálicos. Los criterios prioritarios a la hora de desarrollar la metodología se han basado en el control sobre el peso molecular de las cadenas, lo que se relaciona con su longitud y el tipo de funcionalidad empleada, mayoritariamente grupos tiol en posiciones terminales introducidos en las cadenas en una etapa de tratamiento posterior a su polimerización. Una vez obtenidas las cadenas poliméricas de ligando, el segundo objetivo se ha centrado en la síntesis de las NPs, asistida por estas macromoléculas de ligando. Los diferentes estudios se han realizado en función de la naturaleza funcional de las distintas cadenas de ligando y de las condiciones del sistema de síntesis empleadas en cada caso, lo que ha permitido evaluar las estrategias sintéticas a partir del control y desarrollo de los materiales a nanoescala obtenidos en cada caso. Utilizando ligandos de control, sin funcionalidad específica, se observó como éstos conducían a la obtención de sistemas de NPs no estables, con importantes índices de polidispersidad y poco control sobre el tamaño final de las NPs. Por último, se ha considerado un aspecto fundamental, relacionado con las propiedades que el material puede presentar en función de su ordenamiento en el sistema a través de la manipulación de las diferentes entidades nanométricas a nanoescala. De manera indirecta este objetivo se ha tratado de abordar en el trabajo empleando matrices autoorganizadas de copolímero dibloque (CDB), con capacidad para la nanocompartimentarización de las NPs estabilizadas con ligandos poliméricos, afines a una de las fases en las que se nanoestructura la matriz de copolímero. En este caso, la localización preferencial en uno de los nanodominios que constituyen la matriz viene inducida por la capacidad de compatibilización dentro del sistema. Dependiendo del tipo de ligando y de la composición del medio el diferente control sobre el sistema se puede ver condicionado.   Introducción CAPÍTULO 1 7  1. CONTEXTO 1.1. NANOMATERIALES 1.1.1. Consideraciones generales La manipulación y obtención de materiales a escala nanométrica ha suscitado un gran interés en relación a las atractivas propiedades que el efecto de la reducción del tamaño hasta el rango de los nanómetros, (1 nanómetro = 10-9 metros), confiere a los materiales llevados a esta nanoescala. El concepto nanoescala se refiere normalmente a longitudes características comprendidas entre 1-100 nm, donde el límite inferior viene fijado por las entidades atómicas individuales, mientras que los agregados macroatómicos que definen el cambio en las propiedades de estos materiales, constituyen el límite superior del régimen nanométrico. Aunque el mayor desarrollo se ha experimentado en las últimas décadas, ya a finales del año 1959, en la reunión anual de la American Physical Society , el físico Richard Feynman pronunció el famoso discurso titulado “There is Plenty of Room at the bottom” , donde por primera vez se hace referencia a la nanociencia y la nanotecnología. Sin embargo, la existencia de materiales nanoestructurados no es exclusiva de la revolución tecnológica experimentada en los últimos tiempos, sino que este tipo de sistemas se encuentran comúnmente en la naturaleza y ejemplos de ello son las moléculas de ADN que constituyen las células, el humo del fuego, las cenizas volcánicas o el oro a nanoescala, empleado durante siglos en la coloración de vidrios y cerámicas. El verdadero desarrollo experimentado en las últimas décadas surgió como consecuencia del desarrollo simultáneo de los avances tecnológicos que mejoraron notablemente la capacidad de manipulación y caracterización de estos sistemas a nanoescala. Por un lado las posibilidades de fabricar estructuras más y más pequeñas, con el desarrollo de técnicas de síntesis por métodos tanto físicos como químicos, capaces de producir NPs con morfología definida y por otro lado, la mejora tecnológica en las técnicas de caracterización que permiten el análisis con resolución nanométrica, ha permitido determinar con precisión la morfología de materiales funcionales con dimensiones cada vez más reducidas, caracterizados por sorprendentes e inesperadas propiedades de tipo electrónico, óptico o químico. Bajo el concepto de nanotecnología, acuñado en el año 1974 por el profesor Norio Taniguchi, de la Universidad de Ciencia de Tokio ( Tokio University of Science ), se identifica la disciplina científica centrada en el estudio, diseño, síntesis, manipulación y aplicación de materiales y sistemas funcionales a través del control de la materia al nivel de la nanoescala con el objetivo de la explotación de los CAPÍTULO 1 Introducción 8  fenómenos y propiedades inherentes a este tipo de sistemas, las cuales difieren considerablemente de las que presenten los materiales en estado masivo o bulk . El origen de las nuevas propiedades radica fundamentalmente en dos aspectos relacionados con la reducción del tamaño que experimentan los materiales: cambios en los niveles electrónicos y el incremento de los átomos de superficie respecto a los de volumen. Dentro de la definición de nanomateriales se agrupan todos aquellos sistemas con características estructurales comprendidas entre los pocos átomos y el material masivo que presenten al menos unas de sus dimensiones en el rango de los nanómetros. Entre los diferentes sistemas de tamaño nanométrico se encuentran: clústeres, NPs y puntos quánticos, considerados materiales en 0D (D = dimensión); en 1D nanohilos y nanotubos; superficies y películas delgadas, como materiales en 2D y estructuras organizadas en 3D, constituidas por elementos nanométricos, donde todos ellos son considerados como materiales nanoestructurados. 1.1.2. Sistemas nanométricos: efectos de tamaño y superficie Las propiedades físicas y químicas que los materiales nanoestructurados pueden presentar son determinadas por la reducción de sus dimensiones a la escala de 10-9 m, donde la importante relación superficie/volumen y el tipo de morfología que presente el material permiten modular su comportamiento y sus múltiples aplicaciones. A medida que reducimos el tamaño de un metal, desde su estado masivo pasando por el régimen mesoscópico y hasta el nivel atómico, sus propiedades físicas varían de acuerdo con su evolución en el tamaño, lo cual resulta concordante con el cambio experimentado por su estructura electrónica.1 Cuando un metal se encuentra a escala macroscópica, el espaciado de los niveles de energía de los átomos se hace muy pequeño y se forman bandas separados por gaps energéticos, los cuales presentan una determinada energía de separación. Los electrones pueden tener valores de energía correspondientes a una de las bandas, pero no pueden poseer energías correspondientes a los gaps que hay entre las bandas. A las propiedades electrónicas de un material contribuyen los electrones de los niveles atómicos externos, con mayor energía, que mantienen a los átomos de la estructura enlazados entre sí, ocupando lo que se denomina banda de valencia. Por encima de ésta se encuentra la banda de conducción separada por un gap de energía que varía dependiendo de las propiedades eléctricas del material, Esquema 1.  1 W.P. Halpein Rev. Mod.Phys. 58, 533-606, 1986. Introducción CAPÍTULO 1 9  Esquema 1. Esquema simplificado de las bandas de energía para diferentes tipos de materiales: A) aislante, B) semiconductor, C) conductor. Las partes rayadas indican presencia de electrones en las bandas.2 En el caso de los nanomateriales, formados por cúmulos o clústeres de átomos, el tipo de estructura electrónica que presentan se encuentra entre los límites atómicos, donde la densidad de estados electrónicos (número de niveles de energía para un intervalo de energía dado) es discreta (cuantizada) y el límite de estructuras cristalinas macroscópicas, con una densidad de estados electrónicos continua formando bandas. Si nos fijamos en los niveles electrónicos de una NP metálica, la distancia entre los estados de energía contiguos aumenta de manera inversa a como lo hace el volumen de las partículas (Esquema 2). En estos sistemas nanoestructurados de baja dimensionalidad, los niveles electrónicos se encuentran cuantizados debido al confinamiento de los electrones en estructuras de tan reducidas dimensiones. Por tanto, el espectro continuo de bandas que refleja la situación del material masivo, cambia hacia un conjunto de estados discretos al disminuir el tamaño hasta el rango nanométrico. Banda valencia Banda conducción (A) (B) (C) CAPÍTULO 1 Introducción 10   Esquema 2. Evolución de la estructura electrónica de un material metálico a medida que el número de átomos del material se incrementa: a) átomo aislado, b) material nanoestructurado, c) material en estado masivo. A medida que las dimensiones del material se incrementan el espaciado entre los niveles se reduce, hasta llegar a una densidad de estados continua como se muestra en material masivo. Cuando el material en estado masivo experimenta una reducción en su tamaño hasta tan solo unos cientos de átomos, la densidad de estados en la banda de conducción cambia drásticamente. La densidad electrónica continua (c) en la banda de conducción es reemplazada por una serie de niveles de energía discretos (b), los cuales pueden presentar un espaciamiento mayor de la energía térmica, kT, lo que constituye un salto ( gap ) en la estructura electrónica, condicionando el carácter metálico del material, Esquema 2. Eventualmente estos efectos se alcanzan cuando las dimensiones del material son del orden de la longitud de onda de los electrones. En esta situación, los niveles de energía pueden ser modelados por la mecánica cuántica mediante el tratamiento de una partícula en una caja, origen del efecto cuántico respecto al tamaño, atribuido para este tipo de sistemas. 2 El hecho de que el espectro se vuelva discreto lleva a profundas modificaciones en aquellas propiedades físicas que dependen de los electrones, como las propiedades ópticas, magnéticas o de conducción. En particular, la densidad de estados en el nivel de Fermi, el parámetro que gobierna este tipo de propiedades, se encuentra fuertemente influenciado por la nanoescala, puesto que a medida que el tamaño disminuye se reduce el número de átomos y consecuentemente la densidad electrónica.  2 C.P. Poole, F.J. Owens Introduction to Nanotechnology Wiley Interscience, New Jersey, 2003. (a) (b) (c) ÁTOMO NANOMATERIAL MATERIALMASIVO Introducción CAPÍTULO 1 11  La energía del espaciado entre los estados electrónicos, , se incrementa con el decrecimiento del volumen de la partícula, según   EF / N  V-1 donde la expresión del espaciado entre los niveles se define como =4EF /3n, siendo EF la energía de Fermi del material masivo, y n el número total de electrones en la banda de valencia del nanomaterial. Siguiendo esta expresión, para el caso de una partícula de plata de 3 nm de diámetro, conteniendo aproximadamente cien átomos de plata, el valor de la energía del gap estaría en el rango de 5-10 meV. Teniendo en cuenta la energía térmica a temperatura ambiente, kT 25 meV, la partícula de 3 nm presentaría un comportamiento tipo metálico condicionado por kT. Sin embargo, a bajas temperaturas, la energía del interespaciado de los niveles electrónicos para sistemas de reducidas dimensiones se hace comparable a kT, convirtiendo la partícula en no metálica. 3 Por ello, las propiedades que presentan este tipo de materiales, diseñados en el régimen de la nanoescala, se encuentran influenciadas por el efecto de la cuantización de los niveles energéticos que definen la estructura electrónica, a diferencia de lo que ocurre en el material en estado masivo, donde la densidad de los estados electrónicos resulta continua, lo que define una estructura de bandas formada a partir de un determinado número de niveles electrónicos próximos. Una de las características más destacables de la reducción de las dimensiones de los materiales hasta escala nanométrica es el alto porcentaje de átomos superficiales que este tipo de nanoestructuras presentan, en relación a la composición total de su estructura. Este hecho resulta clave en las propiedades que este tipo de sistemas presentan, resultando la influencia de los átomos superficiales más importante a medida que las nanoestructuras reducen sus dimensiones. En la Tabla 1 se muestra la variación en el porcentaje de átomos superficiales a medida que se incrementa el número de átomos en la estructura de las NPs. La estructuración en el caso de NPs con morfología esférica consiste en un átomo central rodeado por sucesivas capas de más átomos que se disponen en torno a éste con empaquetamiento compacto de tipo hexagonal o cúbico. El número de átomos por capa se define como 10 n 2+2 , donde n representa el número de capas que forman la partícula.4 La estructura de menor tamaño se forma a partir de un átomo central rodeado de una capa constituida por 12 átomos, lo que da lugar a una partícula formada por 1+12 átomos. A partir de esta estructura más simple, e incrementando el número de capas de la partícula, da lugar a formación de la partícula formada por 13+42 átomos, y así sucesivamente aumentando el volumen de la estructura en lo que se conoce como número mágicos estructurales. El  3 C.N.R.Rao, G.U. Kulkarni, P. John Thomas, P.P. Edwards Chem. Eur. J. 8, 29-35, 2002. 4 K.J. Klabunde Nanoscale Materials in Chemistry Wiley Interscience, New York, 2001. CAPÍTULO 1 Introducción 12  diámetro de la partícula en cada caso viene definido por la expresión (2 n -1) d , donde d representa la distancia entre los centros de átomos vecinos, d= a /2, siendo a el parámetro de red en el material. 2 La Tabla 1 muestra, además de la expresión general que permite estimar el diámetro de estas nanoestructuras, los valores de diámetro correspondientes a partículas de oro, material empleado en el estudio presentado en esta memoria. Las determinaciones de los diámetros en partículas de oro se han realizado a partir de las expresiones anteriormente consideradas, teniendo en cuenta que para la estructura cristalina cúbica de oro el parámetro de red es de 407.82 pm y la distancia entre átomos vecinos de 0.288 nm. Tabla 1. Relación estructural de partículas con empaquetamiento compacto, donde se expresa el porcentaje de átomos en la superficie respecto al número total de átomos en función del número de capas que conforman su estructura. Valores de diámetro en función del número de capas y del tipo de material, donde como ejemplo se incluyen los diámetros estimados para estructuras de oro. Estructura ( n ) Diámetro Diámetro Au NPs (nm) Nº total átomos Nº átomos superficiales % átomos superficiales MORFOLOGÍA 1 CAPA 1 d 0.288 1 1 100 2 CAPAS 3 d 0.864 13 12 92.3 3 CAPAS 5 d 1.440 55 42 76.4 4 CAPAS 7 d 2.016 147 92 62.6 5 CAPAS 9 d 2.592 309 162 52.4 … 6 CAPAS 11 d 3.168 561 252 44.9 … 7 CAPAS 13 d 3.744 923 362 39.2 … 8 CAPAS 15 d 4.320 1415 492 34.8 … 9 CAPAS 17 d 4.896 2057 642 31.2 … 10 CAPAS 19 d 5.472 2869 812 28.3 … 25 CAPAS 49 d 14.112 4.90 X 10 4 5762 11.7 … 50 CAPAS 99 d 28.512 4.04 X 10 5 24012 5.9 … Introducción CAPÍTULO 1 13  A la vista de los datos mostrados en la Tabla 1, se observa la importante dependencia de la relación del número de átomos de superficie con respecto a los de volumen a medida que el tamaño de la partícula decrece. Mientras que una estructura de 1 nm de diámetro presenta casi el total de sus átomos en superficie, incrementando el tamaño hasta 5 nm, tan solo una fracción del 28% de los átomos se localizan superficialmente. Por ello, cuanto más se reduzcan las dimensiones de las nanoestructuras, en el rango de estos tamaños tan pequeños, dichas nanoestructuras presentarán una mayor relación superficie/volumen, la cual aumenta rápidamente a medida que se sigue reduciendo el tamaño y en consecuencia conducen a una mayor reactividad y variabilidad de las propiedades físicas del sistema. Los átomos superficiales presentan características diferentes de los que se disponen internamente en la estructura de la NP, debido a que poseen un menor grado de coordinación con los átomos vecinos y están más expuestos al medio. Otro efecto superficial que condiciona las propiedades de este tipo de átomos es su disposición a interaccionar con otras especies moleculares, típicamente ligandos que actúan como agentes protectores de la partícula nanométrica. La interacción de los átomos superficiales con la capa de ligandos se lleva a cabo mediante el establecimiento de enlaces, que pueden alterar la estructura electrónica del material y por tanto todas las propiedades físicas que dependen de estos estados electrónicos. En sistemas donde los átomos superficiales representan una fracción no despreciable frente al número total de átomos que constituyen el material, las propiedades de éste pueden resultar modificadas de manera significativa. Por todo ello, los efectos superficiales adquieren un papel importante en este tipo de nanoestructuras, dando lugar a la aparición de nuevas propiedades y aplicaciones que despiertan el interés por este tipo de materiales incluidos dentro del régimen mesoscópico, que los diferencian de los materiales a escala macroscópica. 1.1.3. Nanopartículas metálicas Los coloides metálicos, tan en boga en la actualidad bajo la denominación de NPs metálicas, han sido utilizados desde la antigüedad para dar color a vidrios y cerámicas. El término coloide, acuñado por Thomas Graham en 1861, define a aquellos sistemas en los que un componente se encuentra disperso en otro, siendo las partículas dispersas mucho más grandes que las moléculas del disolvente que las contiene. A finales del siglo XVIII, los estudios preliminares realizados por Faraday con sistemas coloidales de oro constituyeron una importante contribución al desarrollo de la ciencia de coloides, estableciéndose como los trabajos pioneros en este área, a partir de los cuales se han desarrollado un importante número de estudios basados en la síntesis, modificación, propiedades y ensamblaje de sistemas de NPs metálicas CAPÍTULO 1 Introducción 20  Figura 1. A) Espectro de absorción de NPs de oro de diferente tamaño, donde la anchura y posición de la banda plasmónica cambia a medida que se incrementa el tamaño de la partícula.16 B) Diferente coloración para las distintas dispersiones de NPs de oro en función del tamaño.17 La longitud de onda y la intensidad de la banda plasmónica dependen del material, morfología y tamaño de las NPs, además de la distancia relativa entre ellas y las propiedades ópticas del medio que las rodea, fundamentalmente su constante dieléctrica.12,18 Cuando el tamaño de la NPs es suficientemente pequeño, el efecto de la superficie se hace más importante modificando el recorrido libre medio de los electrones por los choques con las paredes de la NP, lo que aumenta el amortiguamiento de las oscilaciones plasmónicas. Partículas con radio del mismo orden de magnitud que la amplitud de las oscilaciones, en el caso de NPs inferiores a 1-2 nm, la banda de absorción no aparece en los espectros, como se muestra en el espectro insertado de la Figura 2.19  16 S. Link, M.A. El-Sayed J. Phys Chem. 103, 4212-4217, 1999. 17 P.N. Njoki, I.I.S. Lim, D. Mott, H.Y. Park, B. Khan, S. Mishra, R. Sujakumar, J. Luo, C.J. Zhong J. Phys. Chem. 111, 14664-14669, 2007. 18 L.M. Liz-Marzán Langmuir 22, 32-41, 2006. 19 T.G. Schaaff, M.N. Shafigullin, J.T. Khoury, I. Vezmar, R.L. Whetten, W.G. Cullen, P.N. First, C. Gutiérrez-Wing, J. Ascensio, M.J. Jose-Yacamán J. Phys. Chem. B 101, 7885-7891, 1997. AB Introducción CAPÍTULO 1 21  Figura 2. Espectro UV-visible de sistema de NPs de oro estabilizadas con hexanotiol exhibiendo una banda plasmónica con máximo localizado a 520 nm. En el espectro insertado se muestra el espectro para el mismo sistema coloidal, esta vez contenido NPs de oro de muy pequeños tamaños donde no se observa la banda.20 El análisis de la respuesta óptica de los nanocompuestos es muy importante para el desarrollo de muchas aplicaciones. Por tanto el establecimiento de una relación entre la respuesta óptica y la morfología de las NPs inmersas en un medio dieléctrico permite el análisis estructural sencillo y rápido para este tipo de sistemas. En el caso de NPs con morfología esférica la teoría propuesta por Mie (1908) describe las propiedades ópticas en sistemas dispersos con partículas de radio menor que la longitud de onda de la radiación electromagnética incidente. Bajo esta condición, conocida como “aproximación quasiestática”, Mie fue el primero en presentar una descripción teórica del comportamiento de este tipo de sistemas resolviendo las ecuaciones de Maxwell, que para esta situación se simplifican notablemente, siendo necesaria solamente la ecuación de Laplace para describir el problema.12 Mediante la expresión de la sección eficaz de extinción, ext, donde se incluyen la absorción y la dispersión experimentada por la partícula, la teoría de Mie predice las propiedades ópticas mostradas por NPs metálicas, en función de su tamaño, de las propiedades del material del que están constituidas y del medio que las rodea: 2 2m1 2 2 3 m ext )(]2)([ )( c V9 ωεεωε ωεω ε σ  donde 3 r 3 4 Vπ representa el volumen de una NP, c 2 λ π ω la frecuencia angular de la radiación incidente, c es la velocidad de la luz y m la constante dieléctrica del medio. La constante dieléctrica del  20 T. Pradeep Nano: The Essentials McGraw Hill, New Delhi, 2007. CAPÍTULO 1 Introducción 22  metal, (), viene definida por la parte real y la parte imaginaria de la función dieléctica del material de la partícula: () = 1() + i2(). Teniendo en cuenta que para partículas  20 nm (2R) la sección eficaz de dispersión es despreciable, la sección eficaz de extinción coincide aproximadamente con la sección eficaz de absorción: abs = ext - dis  abs  ext La resonancia en el espectro de absorción se observa a una determinada longitud de onda cuando el denominador de la expresión que define la sección eficaz de extinción, ext, se minimiza de manera que la constante dieléctica del metal sea un valor negativo del orden de dos veces la constante dieléctica del medio: 1()  -2 m lo que indica que la frecuencia de la radiación electromagnética incidente coincide con la frecuencia de la oscilación dipolar colectiva de los electrones libres en la superficie de la NP. 21 Por tanto el cumplimiento de esta condición es el origen de los característicos colores mostrados por las partículas de pequeños tamaños. De esta manera la posición y ancho de la banda dependen de las propiedades ópticas del metal y del medio que rodea a las NPs. Sin embargo, dentro de la aproximación quasiestática no se refleja la dependencia con el tamaño. En el ámbito estricto de la teoría de Mie, solo la amplitud de la sección eficaz de absorción asociada a un conjunto de NPs esféricas depende del tamaño, mientras que su posición espectral o su anchura son independientes del tamaño. Aunque experimentalmente sí se observa una dependencia del R con el ancho de la banda plasmónica (Figura 1).16 Por todo ello surgen limitaciones de la teoría propuesta por Mie. En la descripción teórica se supone la función dieléctrica independiente del tamaño de la NP, (), suposición que resulta válida para partículas con tamaños superiores a los 100 nm, en los que la constante dieléctrica es la misma que la del material masivo. Sin embargo para NPs de tamaños inferiores, la dependencia de la función dieléctrica con el radio es bastante acusada, lo que supone una función de tipo (, R). Al reducir el tamaño de las NPs hasta tener dimensiones comparables al recorrido libre medio de los electrones en el material masivo, las interacciones de estos electrones de conducción con la superficie de la NP empiezan a ser importantes. Este hecho produce un aumento de los fenómenos de dispersión en la superficie que inducen una pérdida de coherencia de la oscilación de los electrones, debido a que el  21 A. Henglein J. Phys. Chem. 97, 5457-5471, 1993. Introducción CAPÍTULO 1 23  recorrido libre medio de los electrones se ve modificado por los choques con las paredes de la partícula, lo que induce el amortiguamiento de estas oscilaciones plasmónicas. Para tener en cuenta este fenómeno se hace necesario utilizar una constante dieléctrica que sea función del tamaño de las NPs, R. De esta manera el tamaño influirá tanto en la amplitud como en la posición y anchura de la banda plasmónica.11 La constante dieléctrica de un material depende de la manera en que los electrones del mismo interaccionan con la radiación electromagnética, y para un completo análisis hay que considerar las transiciones de los electrones libres dentro de la banda de conducción (intrabanda) y las transiciones interbanda, que tiene lugar entre las bandas de conducción y de valencia. En los metales nobles, una parte de la constante dieléctrica se debe a las transiciones interbanda, especialmente importante en el caso del oro. Esta transición aparece registrada en el espectro a una longitud de onda muy similar a la de las oscilaciones plasmónicas, lo que también contribuye a su asimetría y al ligero ensanchamiento de la banda, dependiendo de las condiciones del medio.21 Como se ha visto hasta el momento, el espectro de absorción de NPs se ve condicionado por diferentes efectos que vienen determinados por las características del propio sistema coloidal. Así, el efecto del tamaño de las partículas condiciona el ancho de absorción. De esta manera una disminución en el radio de las NPs produce un ensanchamiento en el espectro. En el caso del oro, material empleado en este trabajo, la absorción experimentada debido a las transiciones interbanda se puede solapar parcialmente con la banda de absorción de Mie, dando lugar en ocasiones a una banda asimétrica. A medida que el radio de las NPs decrece, la longitud de onda de la absorción plasmónica se aproxima a la de la absorción de la transición interbanda, lo que hace que el espectro muestre una pendiente más pronunciada que para otras partículas metálicas.19,22 Debido a la importante relación superficie/volumen que caracteriza a este tipo de sistemas, condicionando que una gran fracción de los átomos están localizados en la superficie, surgen otra serie de efectos que también pueden determinar la respuesta óptica. El primero de ellos deriva de la posibilidad de la funcionalización de la superficie de la partícula con agentes protectores o estabilizantes. La interacción de la molécula que actúa como estabilizante con los átomos superficiales de la NP puede alterar la respuesta óptica del material.23 Para el caso de partículas de oro, con alta afinidad hacia los grupos tiol, se ha demostrado que los cambios que los enlaces Au-S inducen en la configuración electrónica de las NPs, y en consecuencia en sus propiedades, condicionan el tipo de espectro de  22 M.M. Alvarez, J.T. Khoury, T.G. Schaaff, M.N. Shafigullin, I. Vezmar, R.L. Whetten J. Phys. Chem. 101, 3706-3712, 1997. 23 P. Mulvaney Langmuir 12, 788-800, 1996. CAPÍTULO 1 Introducción 24  absorción que el sistema presenta.24 Un segundo efecto a considerar es la agregación de las NPs en el sistema, que también determina la posición de la banda de resonancia del plasmón. En este caso, bajo condiciones de agregación de los sistemas coloidales se produce un desplazamiento de la banda de resonancia hacia mayor longitud de onda, lo que supone una disminución de la energía de la oscilación. Todas estas peculiaridades que caracterizan y a la vez condicionan este tipo de sistemas permiten la modulación de la respuesta óptica, por lo que un importante grado de control sobre el tamaño, morfología y entorno del sistema coloidal determina su comportamiento óptico. En el desarrollo del trabajo de tesis, se estudiará el efecto del tamaño y el grado de polidispersidad de las NPs de oro en la posición y forma de la banda plasmónica registrada. Para ello se analizarán diferentes series de muestras de NPs de oro obtenidas en presencia de distintos ligandos poliméricos, cada uno de los cuales ejerce un control sobre el tipo de NP obtenida. 1.1.5.Aplicaciones Las singulares propiedades que los materiales nanoestructurados presentan han inducido su empleo en multitud de aplicaciones en diferentes áreas como la medicina, la química, la biología o la electrónica, entre muchas otras.25 Así, entre las aplicaciones médicas desarrolladas en la última década se destacan el desarrollo de sistemas de liberación controlada de fármacos o la realización de curas basadas en técnicas de detección de células para el tratamiento local de tumores a través de calentamiento de NPs metálicas mediante la técnica de hipertermia26. Ésta última tiene como objetivo, una vez ubicadas las NPs magnéticas dentro de la región tumoral, el calentamiento de la zona mediante la interacción de las NPs con un campo magnético lo que ocasiona la muerte de las células tumorales. En el área de la química sintética por ejemplo, resulta de gran interés y aplicabilidad la utilización de las NPs de oro o plata como catalizadores, aun cuando el material masivo en origen resulta inerte.14,27 Con los objetivos de disminuir la energía de activación de la reacción y de este modo incrementar la velocidad y el rendimiento de los procesos se han empleado sistemas de NPs como catalizadores, observándose que NPs con morfologías poliédricas, con un importante número de átomos localizados  24 P. Zhang, T.K. Sham Phys. Rev. Let. 90, 245502, 2003. 25 A.N. Shipway, E. Katz, I. Willner Chem. Phys. Chem. 1, 18-52, 2000. 26 A) J.C. Pankhurst, S.K. Jones, J. Dobson J. Phys. D: Appl. Phys 36, R167, 2003. B) C. Berry, A. Curtis J. Phys. D: Appl. Phys 36, R198, 2003, C) Y. Piñeiro-Redondo, M. Bañobre-López, I. Pardiñas-Blanco, G. Goya, M.A. LópezQuintela, J. Rivas Nanoscale Research Letters 6, 383, 2011. 27 A) M.J. Rodríguez-Vázquez, M.C. Blanco, R. Lourido, C. Vázquez-Vázquez, E. Pastor, G.A. Planes, J. Rivas, M.A. López-Quintela Langmuir 24, 12690-12694, 2008. B) J. Selva, S.E. Martínez, D. Buceta, M.J. Rodríguez-Vázquez, M.C. Blanco, M.A. López-Quintela, G. Egea JACS 132, 6947-6954, 2010. Introducción CAPÍTULO 1 25  en esquinas o bordes, presentaban mayor poder catalítico, lo que relaciona el tipo de morfología con el poder catalítico.28 Sin embargo, la alta sensibilidad que la SPR, característica de sistemas nanométricos, presenta frente a cambios en la superficie del metal o en la función dieléctica del medio es una importante propiedad en la que se fundamentan numerosas aplicaciones de las NPs metálicas, basadas en el tipo de respuesta óptica que presentan estos sistemas de NPs. 29 Así por ejemplo, en nanomedicina, las NPs son funcionalizadas con moléculas de oligonucleótidos y cuando una secuencia genética se acopla a la del oligonucleótido se produce la reacción de hibridación que deforma y compacta las NPs, lo que permite su empleo como sensores químico-biológicos. Mirkin y colaboradores30 fueron pioneros en el uso de ADN para el estudio de su ensamblaje en sistemas incluyendo NPs. La variación en la respuesta óptica del sistema traducida en un cambio de color actúa de esta forma, por ejemplo en la detección de genes relacionados con enfermedades específicas.10,31 Siguiendo esta misma línea, el empleo de NPs es de interés en ciencias medioambientales, como es el caso de sensores de gases, para lo cual se han desarrollado sistemas que detectan metanol, tolueno, óxido nitroso o monóxido de carbono. La modelización de los cambios experimentados en la banda plasmónica de absorción como consecuencia de reacciones en la superficie de las NPs debidas a la exposición a los gases, permite su empleo en sistemas de detección.32 Otra de las aplicaciones basadas en el empleo de NPs es la Espectroscopía Raman Intensificada por Superficie ( Surface Enhanced Raman Scattering , SERS). Este fenómeno fue inicialmente observado en la década de los 70 para moléculas depositadas en sustratos de oro con superficie rugosa, donde la señal Raman obtenida se encontraba notablemente intensificada. El empleo de NPs de oro en lugar de capas continuas de metal incrementa la energía vibracional de la molécula adsorbida en varios órdenes de magnitud, dando lugar al aumento de la señal Raman, en lo que se conoce como SERS. Este fenómeno se relaciona con dos efectos que condicionan la intensificación de la señal Raman obtenida: la naturaleza de las moléculas, lo que determina el tipo de enlace químico entre éstas y la NP, y por otro lado el aumento de la intensidad de campo local en torno a la NP, generado por las oscilaciones de los plasmones superficiales que se dan en estos materiales nanoestructurados. Por todo ello, la espectroscopía SERS puede ser empleada como herramienta para la detección de moléculas individuales.33  28 R. Narayanan, M.A. El-Sayed J Phys. Chem. B 109, 12663-12676, 2005. 29 S. Link, M.A. El-Sayed Annu. Rev. Phys. Chem. 54, 331-366, 2003. 30 N.L. Rosi, C.A. Mirkin Chem. Rev. 105, 1547-1562, 2005. 31 A.J. Haes, L.Chang, W.L. Klein, R.P. Van Duyne JACS 127, 2264-2271, 2005 32 M.D. Hanwell, S.Y. Heriot, T.H. Richardson, N. Cowlan, I.M. Ross Colloids Surf., A 284-285, 379-383, 2006. 33 N. Félidj, J. Aubard, G. Lévi, J.R. Krenn, A. Hohenau, G. Schider, A. Leitner, F.R. Aussenegg Appl. Phys. Lett. 82, 3095-3097, 2003. CAPÍTULO 1 Introducción 26  En las diferentes aplicaciones descritas en dispersiones de NPs se muestra como la respuesta del sistema nanométrico depende del tipo de metal del que están constituidas y del medio que las incluye, además de sus características morfológicas, referidas tanto a la forma como el tamaño de las NPs y su disposición en el medio (distancia que las separa). En relación a ello, el control sobre las características estructurales del sistema resulta de fundamental interés para definir las propiedades y consiguientes aplicaciones de estos sistemas nanoestructurados. Así, el empleo de estrategias sintéticas que controlen este tipo de aspectos morfológicos, que como ya se ha visto influencian las propiedades finales del sistema, supone una importante herramienta en el diseño y obtención de los materiales nanoestructurados con propiedades y aplicaciones definidas. 1.2. PREPARACIÓN DE SISTEMAS DE NANOPARTÍCULAS 1.2.1. Estrategias generales En el protocolo sintético para la obtención de materiales en el régimen de la nanoescala, con dimensiones comprendidas entre 1-100 nm, han sido desarrolladas numerosas metodologías, con el objetivo del control tanto estructural como funcional de los materiales finales. Entre los aspectos fundamentales a tener en cuenta en la preparación de los nanomateriales se destacan el control sobre la morfología, la monodispersidad de los tamaños, la capacidad de funcionalización y la estabilidad en el medio, puesto que el desarrollo de las interesantes propiedades que presentan son dependientes de las dimensiones en el rango nanométrico y de la homogeneidad estructural del sistema. El importante auge experimentado en el campo de los nanomateriales en los últimos años ha suscitado un notable desarrollo en los métodos de síntesis. A priori , las diferentes metodologías de obtención de estos sistemas se pueden entender desde dos aproximaciones en origen contrapuestas, teniendo en cuenta que este tipo de materiales enmarcados en el régimen mesoscópico se encuentran entre los límites marcados por las entidades atómicas o moleculares y el material masivo o macroscópico. Se distinguen, por una lado las técnicas de síntesis bottom-up , en las que los nanomateriales se construyen a partir de unidades más pequeñas y por otro, técnicas de síntesis top-down , cuya estrategia está basada en la reducción del tamaño del material masivo hasta los límites nanométricos, Esquema 4.34  34 R.J. Martín-Palma, A. Lakhtakia Nanotechnology: A Crash Course SPIE, Wahington, 2010. Introducción CAPÍTULO 1 27  Esquema 4. Estrategias sintéticas empleadas para la obtención de materiales nanoestructurados. La síntesis de materiales nanoestructurados se puede llevar a cabo mediante procesos de síntesis en fase líquida, vapor o sólida, usados tradicionalmente pero con oportunas modificaciones para obtener estructuras nanométricas. La metodología top-down implican la fabricación de las nanoestructuras a partir del material masivo, el cual se va degradando por exposición a luz, iones o electrones hasta alcanzar los tamaños de la escala nanométrica. Este tipo de procesos conducen a la obtención de materiales con más imperfecciones, donde el grado de control de la estructura se establece en las decenas de nanómetros. Entre los principales tipos de técnicas empleadas en este campo se destacan las técnicas litográficas. Alternativamente a las técnicas de síntesis en estado sólido, en la estrategia top-down también se destaca la metodología basada en la deposición en fase vapor, diferenciando aquí procesos de deposición física o química. El procesado de estos sistemas conlleva la evaporación del elemento de interés a partir del material masivo, generalmente sólido metálico, por calentamiento, láser, plasma, descarga eléctrica o bombardeo iónico, seguido de una condensación rápida con el fin de formar agregados de átomos metálicos con tamaño de grano del orden de nanómetros. Esta técnica tiene el inconveniente de que aplicada a la síntesis de NPs conlleva a la obtención de sistemas presentando importante polidispersidad en sus tamaños. No obstante, gran variedad de materiales pueden obtenerse aplicando esta técnica, incluyendo metales, aleaciones, materiales cerámicos o semiconductores. 0.1nm 1nm 10nm 100nm 1m10m 100m1mm bottom‐up top‐down Nanomateriales ÁTOMO MATERIALMASIVO CAPÍTULO 1 Introducción 28  La fabricación mediante métodos bottom-up conlleva la síntesis o ensamblado de las nanoestructuras átomo a átomo, lo que implica un mayor grado de miniaturización alcanzado en la estructura, controlando en el rango de los pocos nanómetros, 0.5-2.5 nm, la estructura tridimensional del material. Como principal estrategia para la obtención de NPs se destacarán los procesos llevados a cabo en fase líquida. Esta metodología implica el ensamblaje a nivel atómico, que se lleva a cabo a partir de la reducción de los iones presentes en el medio. Para ello se emplean fundamentalmente técnicas de síntesis química, en las que empleando sistemas en disolución se lleva a cabo la síntesis de las partículas, también denominadas coloides. Este tipo de técnicas, basadas en el crecimiento de las estructuras desde el nivel atómico, a menudo están asistidas por agentes estabilizantes o protectores, los cuales actúan capturando la estructura en crecimiento, ejerciendo así un control sobre el tamaño, en ocasiones también sobre la morfología, y previniendo procesos que conlleven la desestabilización del sistema, como son la agregación o la coalescencia. Estos agentes estabilizantes que pueden presentar muy distinta naturaleza. Moléculas sencillas, surfactantes, polímeros o complejas estructuras como los dendrímeros, han sido empleados en los métodos de síntesis de NPs. Esta metodología de síntesis coloidal en disolución resulta muy versátil también en cuanto al tipo de mecanismo de reducción de los iones empleados, pudiendo tratarse de reducción: química, electroquímica, térmica o fotoquímica. Teniendo en cuenta estas diferentes posibilidades y ajustando las condiciones experimentales, este tipo de técnicas permiten la obtención de multitud de sistemas de NPs, controlando tamaños y morfologías para un importante número de materiales; entre los más usuales destacan el oro, plata, platino o cobre. En el desarrollo del trabajo de tesis la obtención de los diferentes sistemas de NPs se ha llevado a cabo siguiendo la metodología bottom up en disolución. Se ha realizado la síntesis química variando las condiciones de síntesis para la obtención de diferentes sistemas de nanomateriales. 1.2.2.Síntesis química de nanopartículas Desde los pioneros experimentos presentados por Faraday en la síntesis coloides de oro, la preparación de NPs ha experimentado una importante evolución. Especialmente en estos últimos años se han desarrollado un importante número de métodos de síntesis de NPs incluidos bajo la denominación de wet chemistry , basados en reacciones químicas llevadas a cabo en disolución que conducen a la obtención de las partículas coloidales de dimensiones nanométricas.4,35 Para la obtención de NPs metálicas, las diferentes metodologías desarrolladas están basadas fundamentalmente en procesos donde la reducción de los cationes metálicos se puede llevar a cabo en  35 B.L. Cushing, V.L. Kolesnichenko, C.J. O´Connor Chem. Rev. 104, 3893-3946, 2004. Introducción CAPÍTULO 1 29  presencia de diferentes tipos de agentes estabilizadores. Atendiendo a ello se puede discriminar entre los diferentes procesos sintéticos donde se pueden usar diversos compuestos, moléculas de cadena corta, entre los que se destacan: alcanotioles, ácidos grasos, cationes de tetraalquilamonio o moléculas de surfactantes. Alternativamente a éstos, también se contempla el uso de cadenas poliméricas como agentes estabilizadores en sistemas coloidales de NPs. En este caso, estos compuestos formados por unidades monoméricas repetitivas, que se ensamblan para dar lugar a macromoléculas, se caracterizan por el incremento en el peso molecular y la versatilidad de su arquitectura y composición. Este último tipo de agentes protectores referidos en la memoria como ligandos poliméricos, serán los empleados en el desarrollo de este trabajo de tesis. En el Capítulo 2 se tratará su síntesis y funcionalización, y seguidamente el Capítulo 3 recoge su uso como agentes estabilizantes en la síntesis de NPs de oro. De modo general se pueden diferenciar una serie de métodos sintéticos aplicados a la obtención de sistemas de NPs de diferente naturaleza, en los que la formación de los núcleos o centros metálicos se lleva a cabo mediante la secuencia de reducción, nucleación y crecimiento, considerando como etapa final la de estabilización, clave en la obtención del sistema coloidal disperso y estable.36 Así, una vez reducido el precursor catiónico a átomo metálico, estos propios átomos actúan como centros de nucleación dando lugar a la formación de pequeñas agrupaciones atómicas o clústeres, cuyo crecimiento continúa mientras existan átomos en el medio disponibles, formándose así la NP. Estos centros metálicos sólo son estables cinéticamente, por lo que es necesaria su estabilización con agentes protectores que interaccionan con la superficie de la NP. Dependiendo del tipo de sistema, el mecanismo de estabilización varía, pudiendo ser: de tipo estérico, basado en repulsión entre partículas inducida por los agentes estabilizantes empleados que interaccionan superficialmente con el coloide, o bien basado en repulsión electrostática, resultante de la quimisorción de especies cargadas a la superficie de la partícula que previenen la aglomeración. Uno de los métodos de síntesis de NPs más comúnmente empleados es el de reducción química de la sal metálica empleada como precursora del nanomaterial. Se lleva a cabo principalmente empleando sales de metales de transición en disolución. El proceso de reducción se lleva a cabo sobre el catión metálico: M n + + n e-  M0 y también tiene lugar el proceso complementario de oxidación del agente reductor, X m - n e-  X m-n  36 A. Roucoux, J. Schulz, H. Patin Chem. Rev. 102, 3757-3778, 2002. CAPÍTULO 1 Introducción 36  Esquema 7. Diferentes tipos de cadenas poliméricas empleadas para la síntesis y estabilización de NPs. Los avances en las técnicas de polimerización y funcionalización de cadenas de polímeros hacen que este tipo de ligandos se muestren muy versátiles para su empleo en diferente sistemas. Así, por ejemplo, en sistemas hidrófilos está muy extendido el uso de polímeros como óxido de polietileno (PEO),58 PAA59, polímeros termosensibles como la poliisopropilacrilamida (PNIPAM)60 o con alto grado de biocompatibilidad y degradabilidad como la policaprolactona (PCL)61, mientras que en el caso de medio orgánico se han empleado ligandos como el poliestireno (PS), polimetacrilato de metilo (PMMA) o P2VP como medios dispersantes para las NPs. Con el objetivo de mejorar el control y estabilidad de los sistemas resultantes, este tipo de ligandos pueden experimentar tratamientos específicos de funcionalización con grupos tiol, alcohol, ácido carboxílico o amina, entre los más frecuentes, como se mostrará en el Capítulo 2 de Síntesis de Ligandos Poliméricos , de manera que muestren una mayor afinidad hacia las NPs. Dependiendo del tipo de funcionalidad estructural que presenten pueden actuar además de cómo agentes protectores, como reductores activos en el proceso de formación de las NPs, como la PVP62, poliacrilato de sodio63 o polietilenimina64 controlando además la dirección de crecimiento de la partícula, lo que será determinante en su morfología final.  58 W.P. Wuelfing, S.M. Gross, D.T. Miles, R.W. Murray JACS 120, 12696-12697, 1998. 59 L. Zhu, D. Xue, Z. Wang Langmuir 24, 11385-11389, 2008. 60 J. Shan, M. Nuopponen, H. Jiang, E. Kauppinen, H. Tenhu Macromolecules 36, 4526-4533, 2003. 61 S. Aryal, R. Bahadur, K.C.N. Bhattarai, B.M. Lee, H.Y. Kim Mater. Chem. Phys. 98, 463-469, 2006. 62 C. E. Hoppe, M. Lazzari, I. Pardiñas-Blanco, M.A. López Quintela Langmuir 22, 7027-7034, 2006. 63 I. Hussain, M. Brust, A. J. Papworth, A. I. Cooper Langmuir 19, 4831-4835, 2003. 64 C.C. Chen, C.H. Hsu, and P.L. Kuo Langmuir 23, 6801-6806, 2007. xxxx x Z Y X,Y,Z:gruposfuncionales Funcionalidadlateral HOMOPOLÍMERO COPOLÍMERO BLOQUE Funcionalidadterminal Agregadocoloidal “Nanoreactor” Autoorganización x x x x x Introducción CAPÍTULO 1 37  1.4 CARACTERIZACIÓN Y ESTUDIO DE SISTEMAS NANOMÉTRICOS En el desarrollo de campos como la nanotecnología, centrados en el estudio y obtención de nuevos materiales, se podrían destacar tres pasos o etapas que marcan la evolución: obtención, caracterización y fabricación de dispositivos. En la caracterización de los materiales nanoestructurados, y especialmente de las NPs se requieren técnicas que tengan una resolución adecuada en el rango nanométrico. Un factor crucial responsable de la revolución nanotecnológica ha sido el perfeccionamiento de sistemas de instrumentación para evaluar y caracterizar las nanoestructuras solventando las dificultades inherentes a su carácter nanométrico. La caracterización atiende a dos aspectos fundamentales como son el estudio y análisis del material y la medida de sus propiedades. A continuación se describirán brevemente las técnicas de caracterización empleadas en el estudio de las estructuras preparadas en este trabajo, así como los dispositivos espectroscópicos que sirven para obtener información de las propiedades de estos nanomateriales. Microscopía electrónica de transmisión (TEM) La caracterización mediante TEM se ha utilizado ampliamente en este trabajo para obtener información acerca de la estructura, morfología y distribución de tamaños de las NPs metálicas preparadas en presencia de los diferentes sistemas de los ligandos poliméricos empleados, que centrarán el contenido del Capítulo 3 de la memoria. Un microscopio electrónico es similar a uno óptico, en el que el haz de luz se ha sustituido por un haz de electrones y las lentes de vidrio se han reemplazado por lentes electromagnéticas. La menor longitud de onda que tiene el haz de electrones empleado como sistema de iluminación, en relación a la que presenta el haz de luz óptica, dota de una mejor resolución a las técnicas de microscopía electrónica, donde el límite impuesto por el patrón de difracción de la luz se ve sobrepasado. El fundamento de la técnica TEM es la formación de una imagen mediante el uso de lentes, utilizando un haz de electrones en lugar de luz como fuente de iluminación, Esquema 8. El equipo de microscopía electrónica en modo transmisión consta de una columna a vacío (para evitar la dispersión de los electrones) donde se encuentra el sistema de iluminación, que constituye la fuente emisora de electrones. Éstos, son acelerados mediante una diferencia de potencial aplicado, alcanzando un voltaje de aceleración comprendido entre los 80 y 400 kV, que varía dependiendo del equipo, y que determina el límite de resolución del microscopio. Este haz de electrones es conducido por la columna a vacío y por la acción de una serie de lentes electromagnéticas condensadoras se focaliza sobre la muestra. Una vez que el haz atraviesa la muestra, una lente objetivo forma la imagen que a su vez es amplificada y proyectada por un conjunto de lentes proyectoras en una pantalla de proyección o cámara adosada. CAPÍTULO 1 Introducción 38  Una serie de aperturas situadas después de las lentes condensadoras, limitan tanto el número de electrones como su ángulo de incidencia sobre la muestra. Otra serie de aperturas de distinto diámetro situadas en torno a la lente objetivo, limitan los electrones que después de atravesar la muestra van a formar la imagen. La imagen formada está asociada a la intensidad del haz de electrones que son transmitidos a través de la muestra. Esto implica también que el espesor de ésta debe ser lo suficientemente pequeño para permitir el paso de los electrones. Por su parte, el contraste electrónico está asociado a los mecanismos de interacción de los electrones con el material que constituye la muestra objeto de estudio. Esquema 8. Componentes de un microscopio de transmisión de electrones (izquierda) e imagen del equipo TEM Philips CM 12 usado en este trabajo (derecha). Se incluye la imagen de una rejilla de cobre empleada como sustrato para depositar la muestra. El haz de electrones altamente energéticos empleado, permite la obtención de la imagen de la diferencia de la dispersión, tanto elástica como inelástica, que experimenta la corriente de electrones al atravesar zonas con distinta configuración física o composición química. Microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM) La técnica de microscopía electrónica de barrido (SEM) junto con la técnica TEM permiten obtener la imagen directa de los sistemas objeto de estudio. En este trabajo se ha empleado la instrumentación FESEM para la observación de la topografía que presentan los nanocompuestos de copolímero bloque (CB) preparados en presencia de NPs de oro que serán objeto de estudio en el Capítulo 4 de la memoria. Fuente electrones Lente condensadora Portamuestra Lente objetivo Lente proyectora Pantalla Cámara Columna a vacío Binocular magnificador Introducción CAPÍTULO 1 39  Los equipos SEM se componen de un equipamento similar al mostrado en TEM: cañón de electrones, donde se genera el haz de electrones, lentes condensadoras y objetivo, y sistema de vacío, Esquema 9. Sin embargo, la diferencia entre ambas técnicas es la manera en la que se forman y magnifican las imágenes, lo que implica que la información obtenida en cada técnica sea distinta. La principal característica de SEM es su gran profundidad de campo, lo cual permite tener una percepción tridimensional de la superficie de la muestra en estudio. Esquema 9. Componentes de un microscopio de barrido de electrones (izquierda) e imagen del equipo FESEM Zeiss ULTRA Plus empleado en este trabajo (derecha). En SEM las imágenes son obtenidas por el bombardeo de la muestra con electrones que barren su superficie punto a punto. Para ello, deflectores de electrones situados en la columna del microscopio son los responsables de producir el movimiento del haz electrónico que atraviesa la columna y llega a la muestra. La interacción de los electrones incidentes con los átomos que componen la muestra produce una gran cantidad de señales, entre las que se diferencian: electrones secundarios, electrones retrodispersados, rayos X o electrones Auger. Todos estos modos de dispersión de electrones se producen simultáneamente, siendo cada uno de ellos captados por detectores diferentes. La discriminación entre las diferentes señales con los detectores adecuados permite identificar los materiales presentes, así como una caracterización física de la morfología superficial del sistema. La importante información sobre la topografía de los sustratos objeto de estudio viene condicionada también por el tipo de detector empleado para la formación de la imagen. Uno de los detectores más empleados en SEM es el que emplea las señales de electrones secundarios, con el que se obtienen las imágenes con más alto detalle. Este tipo de señal, generada al bombardear Portamuestra Cámara a vacío Detector electrones secundarios Fuente de electrones Apertura Haz de electrones Deflector de electrones Lente condensadora Tubo de vacío Sistema Vacío CAPÍTULO 1 Introducción 40  la muestra con el haz de electrones, es de tipo inelástica y está por tanto referida a la pérdida de energía por parte del haz de electrones. Tras la incidencia de los electrones, hay electrones que logran penetrar en la superficie del material, colisionando así con los electrones de los átomos de la muestra y que por tanto al salir presentan una energía muy baja, proporcional a la distancia de penetración que experimentaron. Este tipo de señal, responsable de la vista tridimensional de la superficie de la muestra, es detectada por un dispositivo detector de electrones secundarios situados dentro de la cámara de muestra. El sistema FESEM se mantiene bajo condiciones de ultra alto vacío, lo que previene efectos indeseados de la dispersión de los electrones, resultando determinante en la calidad de la imagen obtenida. Este dispositivo trabaja a bajos potenciales de aceleración de la corriente de electrones, entre 0.5 y 50 kV, lo que caracteriza la valiosa información obtenida sobre la topografía del sistema. Espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) La espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) se ha empleado para el análisis de la composición atómica y de los estados químicos de los átomos superficiales de la muestra. A pesar de que los rayos X son altamente penetrantes en la materia, la técnica XPS es una técnica de análisis superficial, que abarca el rango comprendido entre los primeros 10 nm de una superficie. Los espectros XPS son obtenidos al irradiar la muestras con rayos X al tiempo que se mide la energía cinética y el número de electrones que escapan de la superficie del material analizado. El fotón que interacciona con el electrón de un orbital atómico da lugar a la transferencia total de la energía del fotón hacia el electrón, produciendo la emisión de electrón del átomo. Aunque también tienen lugar otros procesos cuando el fotón se encuentra con el átomo, éste proceso de fotoemisión es básico para la técnica XPS. El proceso de fotoemisión es extremadamente rápido (10-6 s) y éste se describe mediante la ecuación de Einstein de conservación de la energía, que debe cumplir el proceso fotoelectrónico primario: EC = h - EB donde EB es la energía de enlace del electrón en el nivel cuántico del que es extraído, h es la energía del fotón incidente procedente de la fuente de rayos X y EC es la energía cinética del electrón detectado que es medida por el espectrómetro del XPS. Por lo que EB representa la diferencia entre la energía del sistema después de la fotoionización y antes de ella, es decir entre el estado final (M+) y el inicial (M). Introducción CAPÍTULO 1 41  Los componentes primarios de un equipo de XPS son el sistema de vacío, la fuente de rayos X y el analizador de energía hemiesférico. La parte central del equipo la constituye la cámara principal de vacío, donde la muestra es analizada, Esquema 10. Esquema 10. Diagrama de un espectrómetro XPS. La energía de enlace que se mide por XPS se asocia siempre a enlaces de tipo iónico o covalente entre átomos. Es una técnica muy poderosa que proporciona información acerca del entorno molecular, estado de oxidación, átomos enlazantes u orbitales moleculares. En el desarrollo de este trabajo se ha empleado XPS para estimar el estado químico y la estructura electrónica de los elementos que conforman el sistema de ligandos y NPs de oro. ANALIZADOR ENERGÍA ELECTRÓNICA MUESTRA SISTEMA DE LENTES FUENTE DE RAYOS X ESPECTRO XPS Electrones fotoemitidos DETECTOR CAPÍTULO 1 Introducción 42  2. ESTRUCTURA DE LA MEMORIA En esta introducción se ha pretendido dar una visión general de los factores que determinan el diferente comportamiento que los materiales nanoestructurados presentan, tanto desde el punto de vista físico como químico, y que los diferencia sustancialmente de los materiales en estado masivo. Por otro lado, y ya centrándonos en los objetivos que determinaron la realización de este trabajo, se ha pretendido exponer los aspectos más característicos de los sistemas nanométricos basados en NPs metálicas, y en especial los constituidos por coloides de oro. Aspectos como la morfología, el tamaño o su compatibilidad con el medio, son fundamentales a la hora de diseñar y controlar las futuras aplicaciones. Para ello se ha realizado una breve revisión de las estrategias de síntesis, etapa clave donde se definen las características fundamentales del sistema. Dentro de este amplio campo de estudio, muy desarrollado en esta última década, se recoge una especial reseña a cerca del empleo de ligandos de naturaleza polimérica en la preparación de dispersiones de NPs, lo que ha constituido el principal objetivo abordado en este trabajo. Por último se han considerado las técnicas de caracterización de sistemas de NPs más relevantes en cuanto a su capacidad para la resolución a escala nanométrica de los materiales preparados. Tras el presente primer capítulo de introducción, se presentan en esta memoria los sucesivos capítulos que recogen el trabajo de investigación estructurado en tres etapas claramente diferenciadas y que dan entidad propia a cada uno de los capítulos que a continuación se incluyen. El segundo capítulo, define la primera etapa en la estrategia de trabajo seguida, donde se recoge la metodología empleada para el desarrollo de los ligandos de naturaleza polimérica, empleados posteriormente para la síntesis coloidal de NPs de oro. Se detallan separadamente las estrategias de síntesis y funcionalización de las cadenas poliméricas de los ligandos preparados, con el objetivo de obtener ligandos funcionales con alta afinidad hacia la superficie metálica de las NPs, para su posterior empleo como agentes protectores y estabilizadores de estos sistemas coloidales. Previo a la exposición de la metodología y resultados obtenidos se ha considerado una revisión de los aspectos más relevantes de las técnicas de polimerización empleadas, tanto desde el punto de vista mecanístico como del estado del arte en el que se encuentran este tipo de técnicas, especialmente enfocadas a los sistemas que centran el estudio de este trabajo. Paralelamente, el aspecto de la funcionalización de las cadenas de polímero ha seguido un similar tratamiento de revisión. Inicialmente, la síntesis de los polímeros es llevada a cabo mediante técnicas de polimerización radicalaria controlada, lo que permite el diseño de ligandos con peso molecular y arquitectura controladas de manera efectiva. Se han preparado ligandos de PS, PMMA, PAN y PMAA. Los bajos índices de polidispersidad y el alto grado de la funcionalidad de las cadenas así obtenidas resultan Introducción CAPÍTULO 1 43  factores clave en la obtención de este tipo de sistemas poliméricos. Una segunda estrategia está basada en el aspecto de la funcionalización, para lo cual se han tratado de introducir en las cadenas poliméricas obtenidas grupos tiol, a partir de centros reactivos en la arquitectura polimérica. Para ello se han considerado dos tipos de aproximaciones dependiendo del tipo de cadena precursora, lo que a su vez se relaciona con el tipo de técnica de polimerización empleada en la síntesis. La caracterización química y estructural de los compuestos finalmente obtenidos avala el grado de funcionalidad específica alcanzada en cada uno de los sistemas preparados. Siguiendo las rutas sintéticas diseñadas se ha podido variar la estructura, obteniendo además de cadenas homopoliméricas de ligando, cadenas de tipo CDB, lo que permite introducir dos monómeros de diferente naturaleza como integrantes de la misma cadena de ligando polimérico. Por último, en la estructura del capítulo, se recogen las características de los procedimientos sintéticos desarrollados para cada uno de los sistemas obtenidos. En el tercer capítulo, se ha estudiado la síntesis de NPs asistida por los ligandos poliméricos funcionalizados, lo que constituye la segunda etapa seguida en la estrategia del trabajo planteada. Inicialmente se ha incluido en la estructura del capítulo una revisión general de los aspectos más relevantes de los sistemas de NPs en presencia de ligandos de naturaleza polimérica, lo que permite focalizar de manera particular el tipo de sistema objeto de estudio en este trabajo. Se han abordado tanto los aspectos relacionados con la estabilidad coloidal, directamente dependiente del papel ejercido por este tipo de ligandos, actuando como agentes protectores, como las diferentes estrategias empleadas en la preparación de este tipo de sistemas. En la segunda parte del capítulo se presenta la metodología y resultados obtenidos en la preparación de NPs de oro siguiendo el método de reducción química en disolución. Para ello se han diseñado diferentes estrategias con el objetivo de estudiar el sistema y finalmente poder producir dispersiones de NPs con bajos índices de polidispersidad en los tamaños, estabilidad frente a procesos de agregación irreversibles que desestabilicen el sistema y control sobre las dimensiones y morfología de las partículas obtenidas. Con este objetivo se trataron de evaluar los diferentes parámetros que determinan el proceso. En relación a ello, el diseño y obtención de los ligandos poliméricos preparados en el segundo capítulo han permitido estudiar diferentes aspectos que condicionan el sistema de NPs objeto de estudio. Se han considerado los efectos de la longitud de las cadenas de ligando, la composición del sistema y también el grado y tipo de funcionalidad de los ligandos poliméricos empleados. En correlación con esto último, el uso de diferentes tipos de polímeros ha permitido la obtención de dispersiones de NPs estabilizadas por distintos medios, lo que a su vez condiciona los aspectos estructurales referentes a los propios centros metálicos producidos. Se ha seguido también el grado de estabilidad en función del tiempo o de la temperatura que cada sistema coloidal en presencia de ligandos de diferente naturaleza presentaba. Así de manera indirecta se ha tratado de elucidar el tipo CAPÍTULO 1 Introducción 44  de mecanismo que determina y controla el proceso de formación de las NPs en el medio. Este tipo de estudio se ha fundamentado en la caracterización estructural y química realizada de los diferentes sistemas coloidales. En la parte final del capítulo se expone la metodología experimental empleada para la preparación de las diferentes dispersiones de NPs obtenidas. En el capítulo cuarto, donde se aborda una nueva etapa en la progresión del trabajo con los sistemas de NPs obtenidos, el estudio se centra en el sistema de NPs de oro preparado en presencia de ligandos PS para su ordenamiento en matrices CB autoorganizadas, dando lugar así a la formación de nanocompuestos de naturaleza polimérica. Dada la importancia de la obtención de nuevos sistemas donde se conjuguen nuevas propiedades que permitan el desarrollo de novedosos materiales, el objetivo central de este capítulo será la combinación de materiales nanométricos como las NPs en medios organizados como los que ofrecen los sistemas de CB segregados en fases. Al igual que se ha realizado previamente, la presentación del trabajo se aborda inicialmente con una exposición de los aspectos más destacables de los sistemas nanoestructurados basados en matrices de CB: las diferentes teorías que parametrizan su comportamiento, los aspectos más fundamentales que determinan el régimen especial de películas delgadas copoliméricas y finalmente su aplicación al ordenamiento de NPs. El trabajo presentado se ha desarrollado siguiendo dos rutas alternativas para la preparación de este tipo de sistemas, donde el autoensamblaje se induce con un tratamiento térmico a alta temperatura. La primea de ellas se centra en el empleo de los sistemas de NPs de oro preparados previamente en presencia de ligandos PS para su inclusión en matrices de copolímero. Se han evaluado los diferentes sistemas variando las composiciones, lo cual ha permitido obtener interesante resultados relacionados, tanto con la propia organización del sistema coloidal como con la morfología de la matriz de copolímero que induce su ordenamiento. Alternativamente, también se han tratado de abordar los objetivos a partir de la síntesis de las NPs en la propia matriz copolimérica asistida por la presencia de ligandos PS. En relación a ello, se han evaluado los diferentes parámetros que pueden determinar el comportamiento del sistema: la presencia de ligando, el tipo de matriz o la composición del sistema. El desarrollo técnico de los procedimientos aplicados se recoge en la parte final del capítulo. En el capítulo quinto se resumen las conclusiones finales de la memoria, recogiendo los resultados particulares que se detallan en cada capítulo y referenciándolos al desarrollo del trabajo planteado en las sucesivas etapas diseñadas. En un anexo final se citan otros trabajos de investigación en el campo de nanomateriales y polímeros a las que han dado origen diferentes trabajos de investigación también desarrollados. CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 52   Esquema 2. Mecanismos del equilibrio activación-desactivación para (1) ATRP, (2) RAFT. 2.1.1. Polimerización ATRP en la síntesis de ligandos poliméricos Se ha llevado a cabo la polimerización de una serie de homopolímeros y copolímeros bloque (CBs) mediante la técnica ATRP.3 La ATRP tiene su origen en la adición radical por transferencia de átomo ( atom transfer radical addition , ATRA), aunque también está relacionada con las reacciones de telomerización catalizadas por metales de transición. Grupos de investigación como los de Matyjaszewski,4 Sawamoto,5 Percec6 o Teyssie7 han introducido este tipo de mecanismo en la química de polímeros como un nuevo tipo de polimerización radicalaria controlada. El nombre ATRA viene dado por el primer paso, donde se produce una transferencia de un átomo, y que es la etapa clave de la reacción responsable del crecimiento uniforme de las cadenas poliméricas. En el Esquema 3 se muestra el equilibrio de intercambio establecido en el proceso. En este tipo de polimerización los radicales se generan a través de un proceso redox reversible catalizado por un complejo de un metal de transición (Mtn-Y/Ligando), generado a partir del catión metálico y el ligando que se unen mediante interacción iónica o covalente al contranion. Esta especie generada en el medio es la responsable de la ruptura homolítica que sufre el iniciador del proceso, a menudo un haluro de  3 K. Matyjaszewski, J. Xia, Chem. Rev. 101, 2921-2990, 2001. 4 T. E. Patten, K. Matyjaszewski Adv. Mater . 10, 901-915, 1998. 5 M. Kamigaito, T. Ando, M. Sawamoto Chem. Rev. 101, 3689-3745, 2001. 6 V. Percec, B. Barbiour Macromolecules 28, 7970-7972, 1995. 7 C. Granel, Ph. Dubois, R. Jérôme, Ph. Teyssié Macromolecules 29, 8576-8582, 1996. P n - X + Y k a k da P n + X-Y +M k p k t Pn P n+m (1) P n -x + P m P n + P m -x +M k p P n+m +M k p P n+m k exch PnPm k t k t (2) Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 53  alquilo (R-X) que da lugar a la formación del correspondiente complejo metálico de transición de mayor estado de oxidación (Mtn+1-Y/Ligando) y el radical orgánico R●. Esta especie radicalaria activa, R●, puede participar en el proceso de propagación con el monómero ( k p) con el consecuente crecimiento de la cadena, o bien dar lugar a reacciones de terminación ( k t) o desactivación reversible ( k da). En ATRP el proceso de terminación radicalaria está disminuido por PRE, además del desplazamiento del equilibrio de la reacción hacia la formación de especies durmientes ( k a ˂˂ k d). RX +M tn Y/ Ligando k a k da R + M tn+1 X-Y/Ligando k p terminación k t monómero Esquema 3. Esquema general de ATRP catalizada por metales de transición. La ATRP es un sistema multicomponente formado por el monómero, iniciador, catalizador y ligando. Frente a las demás técnicas CLRP, ésta presenta la ventaja de que la mayoría de estos reactivos son comerciales. Diferentes tipos de monómeros como estirenos, acrilatos, metacrilatos, acrilonitrilo (AN), metacrilamidas y otros monómeros que cuenten con sustituyentes que puedan estabilizar los radicales en crecimiento pueden ser polimerizados por esta técnica. Cada monómero presenta una constante de equilibrio distinta, incluso con el uso del mismo catalizador y mismas condiciones de reacción, aunque el efecto de la concentración y reactividad del catalizador empleado puede alterar la reactividad del sistema. Los valores de la constante de equilibrio son dependientes de la estructura del monómero. Los distintos sustituyentes en posición  al centro reactivo varían su reactividad en el siguiente orden: CN  Ph  C(O)OR  C(O)NR2  COC(O)R. El iniciador determina el número de cadenas en crecimiento en el sistema. Si el proceso de iniciación es rápido y los procesos de transferencia y terminación inexistentes, entonces el número de cadenas en crecimiento será constante e igual a la concentración inicial de iniciador en el sistema. En ATRP los haluros de alquilo (RX) se usan típicamente como iniciadores y la cinética de la reacción de polimerización resulta de primer orden con respeto a la concentración del iniciador. En el control del peso molecular de la cadena de polímero, con estrechas distribuciones de tamaño, el halógeno del haluro de alquilo, X, ha de ser un buen grupo saliente, así con el empleo de Br y Cl se obtiene el mejor control en este aspecto. Un buen iniciador asegura un proceso rápido y cuantitativo, en general haluros de alquilo con sustituyentes activantes en posición  al carbono reactivo son los usados como iniciadores en ATRP. CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 54  Como componente más importante en ATRP se podría señalar al catalizador, pues resulta determinante en la posición del equilibrio de intercambio de las especies radicales. Así, el tipo de catalizador empleado ha de ajustarse a una serie de requisitos para su efectividad en la polimerización. El centro metálico debe disponer, al menos, de dos estados de oxidación fácilmente accesibles separados por un electrón, además ha de presentar cierta afinidad por el átomo de halógeno. La esfera de coordinación alrededor del metal debe poder expandirse en el estado oxidado para acomodar selectivamente al halógeno. Por otra parte, el ligando ha de complejar al metal de forma relativamente fuerte al centro metálico y asegurar su solubilización en el medio orgánico. Dependiendo del tipo de monómero y del control de la reacción que deseemos obtener se han desarrollado numerosos tipos de catalizadores con diferentes metales de transición donde, entre los más estudiados se encuentran: Ru, Fe, Rh, Ni, Pd, y sobre todo Cu. Además del centro metálico, el ligando es parte fundamental en el proceso de catálisis en ATRP participando en el ajuste del potencial redox del metal para obtener una reactividad y dinámica apropiadas en el proceso de transferencia de átomo. Se pueden señalar dos grandes familias de ligandos: ligandos nitrogenados y ligandos fosforados, siendo estos últimos muy utilizados en la ATRP catalizada por Cu y Fe. Mientras que en los sistemas catalizados por Fe se han empleado tanto ligandos monodentados como bidentados, en sistemas con Cu la química de coordinación del complejo del metal de transición afecta enormemente a la actividad catalítica. La actividad para los ligandos nitrogenados decrece en relación directa con el número de coordinación al metal, incrementándose en moléculas con estructura tipo puente y cíclicas. Por otra parte, los ligandos fosforados se usan para la mayoría de los complejos de metales de transición estudiados en ATRP, incluyendo Re, Ru, Fe, Ni y Pd, pero no con Cu, siendo el PPh3 el ligando más empleado junto con el P(nBu)3 usado en los sistemas basados en Ni y Fe. Diferentes tipos de sistemas pueden usarse en ATRP, desde medios con disolvente, sistemas heterogéneos (emulsiones, suspensiones…) hasta polimerizaciones llevadas a cabo en masa ( bulk) , es decir en ausencia de disolvente. El incremento de temperatura en ATRP supone mayores velocidades de polimerización debido a una mayor constante de equilibrio de transferencia de átomo y mayor constante de velocidad de propagación. Polimerizaciones llevadas a cabo a mayores temperaturas pueden asegurar un mejor control en el proceso debido a un mayor valor de la relación entre los procesos de propagación y transferencia, aunque sin embargo, procesos de transferencia de cadena y otras reacciones son favorecidos también en estas condiciones. La temperatura óptima de polimerización depende fundamentalmente del tipo de monómero, la estabilidad del catalizador y el grado de polimerización que se quiera obtener. Este último factor está directamente relacionado con el tiempo de reacción. En Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 55  general, tiempo largos de polimerización aseguran una conversión casi completa del monómero sin aumento en la polidispersidad de las cadenas finales, aunque sí conlleva la pérdida de grupos terminales por reacciones de transferencia. 2.1.1.1. Polimerización homopolímeros La técnica de polimerización radicalaria ATRP ha permitido la obtención de un importante número de cadenas lineales de homopolímeros de muy diversa naturaleza. En el desarrollo y mejora del control sobre el producto final resultan de gran interés los conocimientos de los mecanismos que rigen el proceso. En los siguientes apartados se presentan las estrategias sintéticas más significativas para la obtención de los diversos homopolímeros de cadena lineal que serán preparados en este trabajo. SÍNTESIS ATRP POLIESTIRENO. ANTECEDENTES Un número importante de monómeros han podido ser polimerizados mediante ATRP, siendo la familia de los estirenos unos de las más estudiadas desde los inicios del desarrollo de esta técnica. La polimerización de estireno y sus derivados ha sido estudiada en sistemas catalizados por Cu, Fe, Ru y Re, resultando los sistemas catalizados por Cu los más usados. Además de los haluros de feniletilo y bencilo, muy usados como iniciadores, hay otra gran variedad de compuestos, como haluros alílicos, - haloesteres; cloruros alcanosulfónicos o alcanos polihalogenados, empleados también como iniciadores en la ATRP catalizadas con Cu del estireno.8 Para la catálisis de la mayoría de las reacciones de polimerización se emplean complejos catalizadores de cobre, formados por cloruro o bromuro de cobre complejado con ligandos nitrogenados. Uno de los sistemas inicialmente estudiados fue la polimerización de estireno con el empleo de CuCl y 2,2´-bipiridina (bipy) como complejo catalizador y cloruro de feniletilo como iniciador en ausencia de disolvente a 130 ºC.9 Con el empleo de este sistema heterogéneo se obtuvieron polímeros con Mn controlado y bajas polidispersidades de cadena, Mw/Mn˂1,5. En un intento de solubilizar el catalizador y mejorar las condiciones de polimerización se emplearon nuevos complejos catalizadores basados en ligandos de bipy en los cuales en las posiciones 4,4´ se introdujeron sustituyentes alquílicos. Estos nuevos ligandos de bipiridina sustituidos; 4,4´-di-nheptil-2,2´-bipiridina (dHbipy) o 4,4´-di-5-nonil-2,2´-bipiridina (dNbipy), complejados con haluros de cobre (I) como sistema catalizador y con el empleo bromuros de alquilo como iniciadores, constituyeron  8 J.S. Wang, K. Matyjaszewski, Macromolecules 28, 7901-7910, 1995. 9 J.S. Wang, K. Matyjaszewski, J. Am. Chem. Soc . 117, 5614-5615, 1995. CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 56  un sistema de polimerización homogéneo. Se obtuvo un aumento en la velocidad del proceso además de la disminución considerable de los valores de polidispersidad, Mw/Mn˂1,05.10 Estudios de la cinética del proceso desarrollados posteriormente para este mismo sistema demostraron que bajo estas condiciones, la relación óptima ligando/haluro de cobre es de 2/1, resultando su cinética de primer orden con respecto a las concentraciones de monómero, iniciador y haluro de cobre.11 Además se observó como el cambio de Br por Cl en el haluro de alquilo empleado como iniciador conlleva el aumento de temperatura de reacción desde los 110 ºC hasta los 130 °C para obtener velocidades de polimerización similares. Como resultado de trabajos de investigación para el desarrollo de sistemas catalizadores más baratos y eficientes, Matyjaszewski y colaboradores12 estudiaron el empleo de aminas lineales multidentadas en lugar de bipiridinas modificadas como ligandos en sistemas ATRP catalizados por cobre. Los nuevos ligandos ensayados presentan una serie de ventajas en los procesos de polimerización, como son mayores velocidades de reacción, mejor control del proceso y disminución de reacciones secundarias. Después de estudios con diferentes aminas alquílicas comerciales, el uso de tetrametiletilendiamina (TMDEA), N , N , N , N” , N” -pentametildietilentriamina (PMDETA) y 1,1,4,7,10,10-hexametiltrietilentetramina (HMTETA), permitieron polimerización de cadenas de PS observándose con éstas el incremento lineal del peso molecular con la conversión de monómero, además de bajas polidispersidades en la distribución de pesos moleculares de las cadenas obtenidas. En particular, el uso de PMDETA y HMTETA condujo a reacciones más rápidas que las llevadas a cabo con ligandos bipiridina, debido a que un menor valor del potencial redox para estos nuevos complejos catalizadores conlleva el desplazamiento del equilibrio de intercambio de especies hacia la formación de especies radicales activas. A partir de este momento, la accesibilidad y eficiencia de estos nuevos ligandos despertó todavía más el interés por el estudio y desarrollo de procesos de polimerización radicalaria controlada mediados por este tipo de complejos catalíticos. Asimismo otros monómeros como el acrilato de metilo (MA) o el metacrilato de metilo (MMA) pudieron ser polimerizados con éxito usando este mismo sistema. La polimerización por transferencia de átomo de estireno puede llevarse a cabo en bulk o en presencia de disolvente. Se observó como la estabilidad de los átomos de halógeno terminales muestra una gran dependencia del disolvente.13 Por ello, en la síntesis mediante ATRP de estireno se recomiendan el uso de disolventes no polares o bien polimerizaciones en masa, debido a la solubilidad del PS obtenido en el medio de reacción en el propio monómero.  10 T.E. Patten, J. Xia, T. Abernathy, K. Matyjaszewski, Science , 272, 866, 1996. 11 K. Matyjaszewski, T.E. Patten, J. Xia, J. Am. Chem. Soc . 119, 674-680, 1997 12 J. Xia, K. Matyjaszewski Macromolecules 1997, 30, 7697-7700. 13 K. Matyjaszewski, K. Davis, T. E. Patten, M. Wei, Tetrahedron , 53, 15321-15329, 1997. Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 57  En general, polimerización ATRP de estireno pudo ser llevada a cabo para la obtención de cadenas con Mn en el rango de 1000 a 100000, resultando un mejor control para procesos a bajas temperaturas debido a la inhibición de posibles reacciones secundarias de autoiniciación térmica. Sin embargo en el caso de procesos que transcurren con altos porcentajes de conversión, para evitar la vitrificación del propio polímero polimerizado (Tg,PS100 ºC) y mantener una adecuada velocidad del proceso de propagación junto con el incremento en la solubilidad del catalizador, son aconsejables reacciones a temperaturas superiores a los 100 ºC para ATRP de estireno. Una gran variedad de estirenos funcionalizados con sustituyentes en el anillo aromático pueden ser polimerizados de manera controlada mediante esta técnica. En general, estirenos con sustituyentes atractores de electrones polimerizan más eficientemente como consecuencia de que en este caso el equilibrio de intercambio entre especies activas y durmientes que gobierna el proceso, aparece ligeramente desplazado hacia el incremento de especies radicales activas, lo que conlleva a que se observe este efecto en este tipo de monómeros. Se observa por tanto un incremento en la velocidad del proceso, además de un mayor control debido a que procesos de terminación aparecen minimizados. Por contra, la presencia de sustituyentes donadores de electrones conducen al incremento en la polidispersidad, Mw/Mn=1,4-1,7 como consecuencia de la ralentización en el proceso.14 En el desarrollo de este trabajo se prepararon muestras de PS obtenidas mediante ARTP basada en catálisis de complejos de Cu con ligandos nitrogenados multidentados, PMDETA, según el mecanismo mostrado a continuación (Esquema 4).  Esquema 4. Equilibrio de reacción para ATRP de estireno.  14 J. Qiu, K. Matyjaszewski Macromolecules 30, 5643-5648, 1997. RX Cu(I) RXCu(II) RCH 2CH C6H5 X STY STY Cu(I)/PMDETA -Cu(I) RCH 2CH2 C6H5 X Cu(I)/PMDETA RCH 2CH2 C6H5 XCu(II) Cu(I): CuBr/PMDETA RX: CH3 CH2 CN Br CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 58  SÍNTESIS ATRP DE POLIMETACRILATO DE METILO. ANTECEDENTES Junto con el estireno, el MMA es otro de los monómeros polimerizado de manera controlada mediante métodos de polimerización radicalaria viviente. De hecho, la constante de la reacción de equilibrio que se establece entre las especies radicales activas y durmientes que condicionan la polimerización se encuentra entre las más elevadas, incluso con el empleo de sistemas catalizadores débiles en ATRP, lo cual repercute en procesos altamente controlados que permiten polimerizar MMA con éxito. En el caso de este monómero el enlace que se establece entre el carbono y el halógeno terminal es altamente reactivo debido a los sustituyentes metilo y éster que estabilizan las especies radicales susceptibles de polimerizar. La polimerización mediante ATRP de MMA se ha llevado a cabo con diferentes complejos catalizadores de Ru, Cu, Ni, Fe, Pd y Rh. Polimerizaciones tanto en masa como con disolventes se han llevado a cabo para este tipo de monómero. Debido a la insolubilidad del PMMA y su alto valor de temperatura de transición vítrea, el empleo de disolventes favorece la polimerización además de asegurar una baja concentración de radicales activados en el medio, lo que lleva a tener un mayor control del proceso y disminuye la concentración de catalizador necesaria. Una parte fundamental del proceso viene condicionada por la eficiencia de iniciador empleado. Haluros de sulfonilo, -haloésteres, -halocetonas y -halonitrilos se han empleado con diferentes tipos de sistemas catalíticos de Fe15, Ru16 y Cu17,18, entre los más estudiados, asegurando un proceso de iniciación rápido y cuantitativo, fundamental para obtener un buen control sobre el peso molecular de la cadena resultante y bajos valores de polidispersidad. Sistemas catalíticos de Cu basados en ligandos amina lineales multidentados como la PMDETA o ligandos como la bipy o sus derivados sustituidos en posiciones 4,4´, constituyen sistemas ATRP homogéneos (exceptuando la bipy) que se rigen por el equilibrio mostrado en Esquema 5, donde X representa al halógeno, generalmente Br o Cl.  Esquema 5. Equilibrio en la etapa de iniciación por la cual se genera la especie radical activada. Otros ésteres metacrílicos derivados del MMA pueden ser polimerizados mediante esta técnica. Entre éstos, se destacan los que poseen sustituyentes alquílicos como etilos, isopropilos, butilo, isobutilo,  15 K. Matyjaszewski, M. Wei, J. Xia, N. E. McDermott, Macromolecules 30, 8161-8164, 1997. 16 T. Ando, M. Kato, M. Kamigaito, M. Sawamoto Macromolecules 29, 1070-1072, 1996. 17 D. M. Haddleton, C.B. Jasieczek, M. J. Hannon, A. J. Shooter Macromolecules 30, 2190-2193, 1997. 18 K. Matyjaszewski, J.L. Wang, T. Grimaud, D.A. Shipp Macromolecules 31, 1527-1534, 1998. Cu(I) + R-X Cu(II)-X + R Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 59  terbutilo o monómeros que incluyen otros grupos funcionales como alcoholes, 2-hidroxietilmetacrilato (HEMA); aminas, 2-dimetilaminoetilmetacrylato (DMAEMA), entre otros. Cabe mencionar que en el desarrollo de este trabajo se ha llevado a cabo la polimerización del ester metílico, MMA. SÍNTESIS ATRP DE POLIACRILONITRILO. ANTECEDENTES La producción industrial de poliacrilonitrilo PAN constituye un importante proceso comercial, que desde sus inicios se ha llevado a cabo mediante polimerización radicalaria convencional. Esto conlleva la obtención de este homopolímero sin control sobre peso molecular de la cadena y estructura en el producto resultante. La polimerización aniónica de acrilonitrilo (AN) es otra alternativa que ofrece un mayor control sobre el producto final, obteniéndose bajos índices de polidispersidad de las cadenas, aunque esta técnica implica el empleo de complejos sistemas de catálisis y con frecuencia reacciones con los grupos nitrilo del propio polímero tienen lugar de forma paralela a la propia reacción de polimerización. La versatilidad que la técnica ATRP ofrece, debido a la gran diversidad de monómeros polimerizables, hace posible también la polimerización de AN, permitiendo obtener control sobre el peso molecular de la cadena y bajos índices de polidispersidad en el producto final. La ATRP desarrollada para la polimerización del AN está basada en la catálisis mediada por complejos catalíticos de Cu. Debido a la insolubilidad del PAN en el propio monómero, en la polimerización es recomendable el uso de disolvente que permitan llevar a cabo el proceso con un mejor control. Diversos disolventes como el carbonato de etileno (CE), carbonato de propileno (CP) o dimetilformamida (DMF) se han usado en polimerización de AN bajo las mismas condiciones de síntesis. La DMF, aunque buen disolvente para el PAN, actúa inhibiendo la acción del catalizador, debido a la tendencia a formar complejos con los iones Cu y por tanto la conversión del proceso es extremadamente baja. El empleo de disolventes menos convencionales como el CE y CP, polares y apróticos con elevado punto de ebullición, permitió llevar a cabo polimerizaciones de AN en presencia de complejo catalizador CuBr/bipy. La polimerización transcurre de manera más eficaz en el sistema disuelto por CE, como consecuencia de la mayor velocidad de reacción que se alcanza en este medio donde la polimerización tiene lugar en condiciones homogéneas. Uno de los sistemas inicialmente reportados para la polimerización controlada ATRP de AN fue publicado por Matyjaszewski y colaboradores19, donde la obtención de PAN se lleva a cabo con el empleo de 2-bromopropionitrilo (BPN) como iniciador y CuBr(bipy)3 como complejo catalizador en CE a 44 ºC. El mecanismo de polimerización es similar al presentado para ATRP de estireno o MMA. En el  19 K. Matyjaszewski, S.M. Jo, H.J. Paik, S.G. Gaynor Macromolecules 30, 6398-6400, 1997. CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 60  estudio de la cinética del proceso se observó una desviación en el comportamiento del sistema frente a un proceso gobernado por una cinética de primer orden, característico de reacciones de polimerización controlada viviente. Este fue atribuido a una posible interacción de los grupos nitrilo con iones Cu del catalizador. A pesar de ello, esta técnica permitió llevar a cabo polimerizaciones de AN con control sobre el peso molecular del producto hasta Mn=10000 y bajos índices de polidispersidad (Mw/Mn=1,06 – 1,04), no obtenidos hasta el momento. En cadenas de mayor peso molecular el efecto de la lenta desactivación de complejo catalizador se hace más notable. Posteriores estudios sobre la polimerización de AN empleando el complejo catalizador, CuX/bipy, X=Br o Cl, se realizaron introduciendo diversas variantes en el sistema, como el cambio Br por Cl en el halopropionitrilo empleado como iniciador o las diferentes relaciones monómero/iniciador, para así profundizar en el estudio mecanístico del proceso.20 Como en trabajos anteriores se había observado, la reacción no seguía una cinética de primer orden con respecto a la conversión de monómero y en general el proceso no se controla tan bien como en el caso de la polimerización ATRP de otros monómeros como el estireno o el MMA. A medida que avanza el proceso se pierde el control sobre el crecimiento de la cadena y su grado de funcionalización disminuye progresivamente. Como consecuencia se comprueba que este sistema no responde fielmente al comportamiento esperado para un proceso de polimerización viviente, no se alcanzan grados de polimerización tan elevados y el sistema se ve influenciado por reacciones de terminación lo cual repercute en la reducción de grupos halógeno terminales de la cadena que limita su crecimiento. Sin embargo, teniendo en cuenta estas limitaciones a Mn  30000, la polimerización controlada y definida de AN en este sistema ha sido llevada a cabo con éxito dentro de las posibilidades del sistema. En el desarrollo de este trabajo se ha empleado el AN con el objetivo de obtener cadenas de PAN mediante polimerización radicalaria controlada, tratando de controlar el peso molecular de los polímero y su polidispersidad. 2.1.1.2. Polimerización copolímeros bloque A partir de los diferentes homopolímeros obtenidos, se trataron de sintetizar diferentes tipos de CBs mediante la técnica de polimerización controlada ATRP.  20 K. Matyjaszewski, S.M. Jo, H.J. Paik, D.A. Shipp Macromolecules 32, 6431-6438, 1999. Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 61  La síntesis de CBs llevada a cabo mediante procesos de polimerización radicalaria libre presenta serias limitaciones que la hacen inviable para la obtención de cadenas poliméricas con este tipo de composición. Por su parte, el empleo de polimerizaciones iónicas, aunque sí fueron llevadas a cabo para tal fin, presentan algunas limitaciones relacionadas con la pérdida de control sobre el centro activo de la cadena en crecimiento. Todo ello impulsó el desarrollo de las técnicas de polimerización controlada, fundamentalmente las basadas en procesos radicalarios controlados/vivientes, aplicadas a la polimerización de copolímeros lo que permite la obtención de polímeros con estructuras a medida. Fundamentalmente la versatilidad en los tipos de monómeros polimerizables, además de las condiciones de síntesis menos exigentes, en comparación con las exigidas en los métodos de polimerización iónica, facilitaron el desarrollo de este tipo de objetivos. A pesar de lo relativamente reciente que resulta la técnica ATRP, ésta se ha mostrado muy versátil en la síntesis de CBs en cuanto a la gran posibilidad de estructuras poliméricas que permite obtener, atendiendo a diferentes parámetros como composición, topología y funcionalidad, y la gran aplicabilidad a muy diversos tipos de monómeros. En relación a la composición de las cadenas, permite controlar con gran eficiencia la síntesis de CBs lineales, en gradiente o al azar, Esquema 6. En el desarrollo de este trabajo se han polimerizado CBs lineales combinando diferentes tipos de monómeros.  Esquema 6. Posibles estructura que la cadena de copolímero puede presentar atendiendo al tipo de composición de los monómeros: a) copolímero bloque, b) copolímero gradiente y c) copolímero al azar.21 La presencia de grupos halógeno terminales en las cadenas de homopolímeros obtenidas mediante ATRP hace posible, a partir de éstas, la polimerización de diferentes bloques dentro de la misma cadena. La estrategia de síntesis para la obtención del CB puede ser abordada experimentalmente mediante dos posibles procedimientos. En el primero de ellos, el crecimiento del bloque se lleva a cabo a partir de un macroiniciador (homopolímero activado) polimerizado previamente y aislado, a partir del cual se inicia el crecimiento del segundo bloque. Otra posible estrategia es la polimerización in situ del segundo bloque por adición del monómero al medio de reacción cuando la polimerización del primer bloque está  21 K. Matyjaszewski, M.J. Ziegler, S.V. Arehart, D. Greszta, T. Pakula J. Phys. Org. Chem. 13, 775–786, 2000. a) b) c) CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 68  Iniciacion a) I monómero (M) P n Transferencia de cadena b) P n+ Z S S R k ad k -ad M CTA P n S Z k frag P n XS Z R + R S R Reiniciación y propagación c) R monómero (M) P m Equilibrio de cadena d) M P m+ Z S S P n P m S Z S P n P m S Z S + P n M P n Terminación e) P n+ P mpolímero muerto macroCTA  Esquema 8. Mecanismo propuesto para polimerización mediante la técnica RAFT.35 La elección del CTA resulta un paso determinante en RAFT, debiendo presentar éste, como requisito fundamental, un elevado valor de la constante de transferencia. Un gran número de compuestos tiocarbonílicos como ditioésteres, ditiocarbamatos, tritiocarbonatos o xantatos, entre los más destacables, han sido diseñados para mediar en este tipo de procesos.36 La efectividad del CTA elegido depende en gran medida, además del tipo de monómero, de los sustituyentes R y Z presentes en la estructura. En este sentido, para asegurar una elevada constante de transferencia, Z debe actuar activando el enlace C=S, modificando así la estabilidad de las especies radicales, mientras que el grupo R debe resultar un buen grupo saliente radicalario y efectivo para reiniciar el proceso de nuevo. Un paso previo a la polimerización RAFT es la obtención del CTA, puesto que hasta el momento, la mayoría de este tipo de compuestos no son comerciales. Se han desarrollado diversas rutas sintéticas para el diseño de estas moléculas, las cuales para su posterior empleo como CTA en RAFT requieren elevado grado de pureza. Debido al importante número de CTAs, esta memoria se centrará en la preparación y empleo de ditioésteres y en concreto ditiobenzoatos para su uso en la polimerización RAFT.  35 G. Moad, J. Chiefari, Y.K. Chong, J. Kristina, R.T.A. Mayadunne, A. Postma, E. Rizzardo, S.H. Thang Polym Int , 49, 993-1001, 2000. 36 A. Favier, M.T. Charreyre Macromol. Rapid Commun. 27, 653-692, 2006. Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 69  PhBr Mg, Et 2 OPhMgBr Ph S S CS 2 Ph S S Ph PhCH 2 Br H + Et 2 OPh S S S S S S NNRR S SR a) b)  Esquema 9. Diferentes rutas sintéticas para la preparación de ditioésteres a partir de feniltiocarbonilo (a) o disulfuro de difenilditiocarbonilo (b).37 Para la obtención de ditioésteres han sido propuestas diferentes estrategias sintéticas. A modo de ejemplo se muestran dos posibles rutas descritas en la bibliografía, Esquema 9. Una ruta general se centra en la obtención del ditioester a partir de la sal de carboditioato, la cual, por adición de un agente alquilante halogenado o bien por reacción con el doble enlace olefínico, conduce a la obtención de la molécula de ditioester (a). Otra ruta sintética propuesta para la preparación de ditiobenzoato con un mayor rendimiento se basa en el uso del disulfuro de difeniltiocarbonilo como agente precursor del ditioester, a partir del cual por reacción con un azocompuesto particular permite la obtención de la molécula de CTA. 2.2 FUNCIONALIZACIÓN DE LIGANDOS POLIMÉRICOS El creciente interés en la creación de nuevos materiales poliméricos, especialmente durante el desarrollo de esta tesis, ha impulsado un desarrollo vertiginoso de este campo. El estudio de nuevas técnicas de polimerización, como es el caso de los procesos radicalarios controlados citados anteriormente, y el desarrollo de diversas herramientas sintéticas, ha permitido el diseño y obtención de un importante número de cadenas poliméricas con muy diversas funcionalidades, topología y composición. Esto es lo que en ciertos ámbitos es considerado como ingeniería macromolecular, debido en gran medida a la gran potencialidad que presenta a la hora de establecer objetivos basados en  37 C. Barner-Kowollik, Handbook of RAFT Polymerization , Wiley-VCH, Weinheim, 2008. CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 70  aplicaciones para muy diversos sistemas y donde se trabaja conjugando la ciencia de polímeros con otros campos como la bioquímica o la química inorgánica. Se establecen dos objetivos principales en el desarrollo de nuevos materiales de naturaleza polimérica: el control sobre la estructura molecular y la funcionalidad de la cadenas. Durante las últimas décadas, el desarrollo de las técnicas de polimerización radicalaria controlada como ATRP, NMP o RAFT, han permitido la obtención de materiales que satisfacen estos requisitos. En estos casos, la versatilidad en el tipo de funcionalidad de los polímeros tiene su origen en que las cadenas obtenidas mediante este tipo de mecanismos presentan funcionalidad terminal debida a la presencia del grupo transferente empleado en cada uno de los distintos métodos CRLP. De esta manera se obtienen cadenas con grupos alcoxiaminas en el caso de polimerización NMP, grupos ditioester en cadenas poliméricas obtenidas mediante RAFT y átomos de halógeno tras la síntesis ATRP. De todos ellos, las cadenas con funcionalidad halógeno terminal obtenidas mediante ATRP, presentan una de las funcionalidades más versátiles debido a su alta reactividad, la cual permite, a partir de variadas estrategias sintéticas regidas por química orgánica, obtener un variado tipo de funcionalidad terminal en las cadenas. 2.2.1. Funcionalización de polímeros sintetizados por ATRP Diferentes rutas sintéticas han sido diseñadas y empleadas en la funcionalización de cadenas poliméricas a partir de átomo halógeno terminal mediante reacciones electrofílicas, nucleofílicas o radicalarias.38 El requisito más importante a la hora de abordar este tipo de procesos es el alto grado de funcionalidad halógeno terminal que las cadenas susceptibles de ser funcionalizadas deben de presentar para asegurar un proceso cuantitativo. De manera sencilla, han sido descritas reacciones de funcionalización por intercambio del átomo de halógeno con otros grupos funcionales tales como aminas,39 alcoholes40 o tioles41. Transformaciones mecanísticamente más complejas son las propuestas por Lutz y colaboradores42, donde el átomo de halógeno terminal es transformado en grupo azida y posteriormente sometido a reacciones de cicloadición catalizadas con Cu con diferentes tipos de alquinos funcionalizados, siguiendo así la metodología de la estrategia sintética inicialmente propuesta por el grupo de Sharpless43 y enmarcada dentro de la denominada química click . Este proceso es aplicable a diferentes tipos de sistemas y permite además la obtención de variados tipos de  38 K. Matyjaszewski, T.P. Davis, Handbook of Radical Polymerization , Wiley Interscience, Hoboken, 2002. 39 K. Matyjaszewski, Y. Nakagawa, S.G. Gaynor Macromol. Rapid Commun . 18, 1057-1064, 1997. 40 V. Coessens, K. Matyjaszewski Macromol. Rapid. Commun. 20, 127-134, 1999. 41 L. Garamszegi, C. Donzel, G. Carrot, T.Q. Nguyen, J. Hilborn React Funct Polym 55, 179-183, 2003. 42 J.F. Lutz, H. G. Börner, K. Weichenhan Macromol. Rapid Commun. 26, 514-518, 2005. 43 V.V. Rostovtsev, L.G. Green, V.V. Fokin, K.B. Sharpless Angew. Chem. Int. Ed. 41, 2596-2599, 2002. Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 71  funcionalidad terminal en las cadenas con gran eficiencia y tolerancia a las variaciones de la naturaleza de sus componentes. Además de la funcionalidad en el extremo terminal de cadena polimérica, se contemplan otros dos tipos de estrategias de funcionalización para este tipo de sistemas obtenidos mediante CRLP. La primera de éstas se basa en el empleo de monómeros conteniendo grupos funcionales presentes en su estructura, lo que nos permite la obtención de cadenas con funcionalidad en cada una de las unidades monoméricas que la componen. En este sentido, resulta interesante el hecho de que este tipo de métodos sean aplicables a la polimerización de muy diversos tipos de monómeros, resultando la polimerización mediada por RAFT la más tolerante a la presencia de grupos funcionales en el medio. Una segunda estrategia consiste en introducir la funcionalidad en la cadena a partir de la molécula empleada como iniciador en la polimerización, en este caso el grupo funcional lo sitúa en el extremo a partir del cual se inicia el crecimiento de la cadena. Centrando la atención en la obtención de polímeros funcionalizados mediante síntesis ATRP, cabe destacar el trabajo de revisión bibliográfica presentado por Coessens y colaboradores44, donde se recogen las estrategias de funcionalización presentadas anteriormente. Atendiendo a la polimerización de monómeros funcionales, se destaca la polimerización de acrilatos y metacrilatos debido a la gran variedad de funcionalidades distintas que pueden presentar y a la tolerancia que la técnica ATRP ofrece a este tipo de procesos. Otros tipos de monómeros con funcionalidad en su estructura y susceptibles de ser polimerizados con éxito mediante ATRP pueden ser la familia de estirenos funcionalizados, tanto con grupos atractores como dadores, AN, 4-vinilpiridina o metacrilamidas. Si la funcionalización se introduce en la cadena a partir de la molécula de iniciador, ésta ha de cumplir una serie de requisitos que garanticen la eficiencia en el proceso de iniciación de la polimerización, etapa clave de todo el proceso. Los grupos funcionales presentes en la molécula no deben inducir reacciones secundarias y además la cinética que rige el proceso ha de ser comparable, al menos, con la de la etapa de propagación. Con frecuencia la estructura del iniciador guarda relación con la del monómero de manera que dependiendo del tipo de molécula a polimerizar se cambia el tipo de iniciador. Generalmente los grupos funcionales introducidos en las moléculas de iniciador más comúnmente usados son hidroxilos, nitrilos o epoxi, los cuales no interfieren en el proceso de crecimiento de la cadena. Sin embargo, en los últimos años, el desarrollo y estudio más exhaustivo de este tipo de procesos impulsó el diseño y desarrollo de nuevos tipos de iniciadores que presenten funcionalidad más específica. Siguiendo diferentes estrategias sintéticas, es posible obtener un gran  44 V. Coessens, T. Pintauer , K. Matyjaszewski Progress in Polymer Science 26, 337-377, 2001. CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 72  número de iniciadores con particulares funcionalidades aplicables en procesos de síntesis concretos. Así en la literatura se pueden encontrar un importante número de estrategias descritas, desde iniciadores con dos grupos reactivos a partir del cual crecer la cadena polimérica con funcionalidad controlada45 hasta moléculas de iniciador aptas para el uso en diferentes procesos CRLP a partir de una simple transformación estructural.46 Siguiendo este tipo de metodología es posible además la obtención de polímeros con dos funcionalidades terminales distintas en la misma cadena, éstos son conocidos como telechelic polymers . Como muestra, el reciente trabajo presentado por Lu y colaboradores47, donde se obtienen cadenas de PS conteniendo ácido carboxílico en posición  inicial, perteneciente a la molécula de iniciador, mientras que en el extremo  terminal el átomo de halógeno es sustituido por ácido 4-isopropilbenzoico, malonato de dietilo o grupos tiol, pudiendo presentar así diferentes tipos de funcionalidades. A modo de síntesis esquemática se presenta en esta memoria el Esquema 10 donde se resumen las posibles rutas para la obtención de polímeros funcionalizados mediante ATRP. Esquema 10. Posibles rutas de funcionalización de polímeros preparados mediante ATRP. (1) Funcionalización introducida en la molécula de iniciador, (2) empleo de monómeros con grupos funcionales y (3) tratamiento de funcionalización a partir del grupo reactivo terminal de la cadena obtenida tras la polimerización.3  45 N.V. Tsarevsky, K. Matyjaszewski Macromolecules 38, 3087-3092, 2005. 46 G. Carrot, J. Hilborn, J.L. Hedrick, M.l Trosllås Macromolecules 32, 5171-5173, 1999. 47 J.M. Lu, X.W. Xia, X. Guo, Q.F. Xu, F. Yan, L.H. Wang Journal of Applied Polymer Science 108, 3430-3434, 2008. CY X R Z CuX/Ligando CY CH2CH R Z X n + Nu CY CH2CH R Z Nu n 1 2 3 Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 73  En el desarrollo de este trabajo se ha llevado a cabo la funcionalización del extremo terminal de cadenas poliméricas obtenidas mediante ATRP. Para ello los diferentes tipos de polímeros obtenidos se han sometidos a diversos tratamientos para transformar el átomo halógeno terminal en el grupo funcional de interés, los tioles. 2.2.2. Funcionalización de polímeros sintetizados por RAFT Una de las características más significativas de la polimerización mediada por RAFT es la tolerancia que este tipo de técnica presenta a la presencia de diversos grupos funcionales como hidroxilos, aminas terciarias o cuaternarias, ácidos carboxílicos, epoxi o tiiranos por lo que la polimerización con este tipo de monómeros se hace efectiva sin necesidad de estrategias sintéticas previas que impliquen reacciones de protección de los mismos.48 Adicionalmente, debido a las características intrínsecas a esta técnica de polimerización que conllevan el empleo de compuestos tiocarbonílicos como CTAs en el proceso, la cadena de polímero resultante presenta funcionalidad en los extremos debido a la estructura del CTA que queda retenida en la cadena. Ello confiere al polímero resultante, además de la capacidad de reiniciar la polimerización de un segundo bloque actuando ahora como macroCTA, la funcionalidad en las posiciones  y  de la cadena atribuida a los grupos funcionales del propio CTA, R y Z, como se muestra en el Esquema 11. De manera sencilla se pueden emplear CTAs conteniendo grupos carboxilo, hidroxilo y aminas en su forma protegida que introducen de manera directa la funcionalidad en el polímero.49 La presencia de tiocompuestos en la cadena polimérica resulta de particular interés ya que son susceptibles de sufrir diversas reacciones de transformación lo que facilita la obtención de polímeros con variadas funcionalidades en posición  de la cadena. Como característica merece la pena mencionar que los CTAs son compuestos coloreados. Dependiendo del grupo presente en su estructura las tonalidades varían desde púrpura, para los ditiobenzoatos, a amarillo, en el caso de tritiocarbonatos o ditiocarbamatos, lo que hace que los polímeros obtenidos a partir de estas especies muestren también esta coloración. Se pueden por tanto, discriminar tres posibles rutas para introducir una funcionalidad particular en la cadena de polímero obtenida mediante la técnica RAFT, Esquema 11.  48 G. Moad, E. Rizzardo, S.H. Thang Polymer 49, 1079-1131, 2008. 49 G. Moad, Y.K. Chong, A. Postma, E. Rizzardo, S.H. Thang Polymer 46, 8458-8468, 2005. CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 74  Esquema 11. Posibles rutas de funcionalización de polímeros preparados mediante RAFT. (1) y (2) Funcionalización introducida a partir de CTA, (3) funcionalización a partir del grupo ditioester por tratamiento de postfuncionalización.37 Los grupos tiocarbonilo terminales de la cadena polimérica pueden experimentar diversas reacciones de transformación para dar lugar a diferentes grupos funcionales o simplemente para su eliminación, como se muestra en el Esquema 12. Entre las estrategias sintéticas desarrolladas destacan la reacciones con agentes nucleófilos, oxidaciones, reducciones con hidruros y eliminaciones bajo acción de radiación UV, tratamiento térmico, o procesos radicalarios. Todos estos procesos han sido aplicados a los sistemas de polímeros y derivan de la química convencional desarrollada a partir de compuestos orgánicos sencillos. Esquema 12. Diferentes transformaciones del grupo ditioester terminal.48 Esta memoria se centrará en la funcionalización de la cadena con grupos tiol a partir del grupo ditioester residual de la cadena por tratamiento con diferentes agentes nucleófilos para su transformación en grupo tiol. RSS Z RS X Y Z S X RF X Y X Y X 12 3 extremoextremo RS S X Y X Y Z X RSH X Y X Y X R X Y X Y X R X Y X Y X H R X Y X Y X R R [H] Tº Nu Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 75  2.3. FUNCIONALIZACIÓN DE LIGANDOS POLIMÉRICOS CON GRUPOS TIOL Entre los grupos funcionales presentes en materiales poliméricos, los tioles presentan una serie de propiedades que hace especialmente interesante su inclusión en cierto tipo de materiales. Desde el punto de vista de su reactividad química, los tioles son muy nucleófilos y tanto su anión como el propio grupo tiol resultan fácilmente oxidados con la formación de los correspondientes disulfuros orgánicos. El uso de los tioles está muy extendido en diversas áreas de la química y la biología, donde resultan factores clave en procesos de transferencia electrónica, mediadores radicales, etc., por todo ello polímeros que contienen este tipo de funcionalidad pueden presentar interés para muy diversas aplicaciones como es el caso de los polímeros redox o polímeros conductores, entre otras. Sin embargo el hecho de que éstos muestren una interacción característica con metales como el oro o la plata, entre los más destacados, ha incrementado el interés por los tioles de otras disciplinas científicas como la ciencia de materiales, la microelectrónica o la biotecnología. Esto ha impulsado el desarrollo en la síntesis y funcionalización de ligandos poliméricos para su aplicación en estas disciplinas. Los importantes progresos que la química de polímeros ha experimentado, junto con el avance en el desarrollo de rutas sintéticas para la preparación de ligandos funcionales ha permitido el diseño y obtención de algunos polímeros con este tipo de funcionalidad de manera controlada y bien definida. Debido a la limitada capacidad de polimerización de monómeros con funcionalidad tiol, como consecuencia de las altas constantes de transferencia que presentan estos grupos, la introducción de este tipo de funcionalización en las cadenas se centra fundamentalmente en reacciones de funcionalización llevadas a cabo a posteriori . Dependiendo de la posición estructural del grupo tiol en las cadenas poliméricas, se han descrito diferentes tipos de estrategias para la obtención de este tipo de materiales. Una de las primeras rutas propuestas para la funcionalización con grupos tiol de cadenas de PS en posición terminal se basaba en la polimerización aniónica de estireno seguida de la reacción con sulfuro de propileno para obtener el tiol primario en el extremo terminal de la cadena PS.50 Otra de las estrategias recogida en la bibliografía, muy versátil en cuanto a la gran aplicabilidad que presenta, se centra en la obtención de grupos tiol a partir de grupos hidroxilos terminales presentes en las cadenas, Esquema13. Para ello los grupos OH se hacen reaccionar con la molécula de 2,4-dinitrobenceno funcionalizada con ácido mercaptoacético seguido de una reacción de desprotección obteniendo grupos SH terminales.51  50 J.M. Stouffer, T.J. McCarthy Macromolecules 21, 1204-1208, 1998. 51 M. Trollsås, C.J. Hawker, J.L. Hedrick Macromolecules 31, 5960-5963, 1998. CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 76  O 2 N NO 2 F + HS O OH O 2 N NO 2 S O OH ROH RO O S O 2 N NO 2 1 RO O SH Et 3 N CH 3 CH 2 SH DIAD/TPP 1 Et 3 N  Esquema 13. Ruta sintética para la funcionalización con grupos tiol terminal de cadenas poliméricas a partir de grupos hidroxilos.51 En esta memoria se recogen los tratamientos de post-funcionalización realizados sobre los polímeros obtenidos mediante las técnicas de polimerización radicalaria ATRP y RAFT, atendiendo en cada caso a las características funcionales de cada polímero. 2.3.1. Funcionalización con grupos tiol de polímeros sintetizados por ATRP Para las funcionalizaciones llevadas a cabo a partir de cadenas alquílicas con halógeno terminal, como es el caso de los polímeros obtenidos mediante ATRP, diferentes rutas sintéticas contemplan la transformación del halógeno en tiol. En caso de moléculas alquílicas halogenadas no poliméricas, en la química orgánica se recogen diferentes rutas de síntesis de grupos tiol a partir de reactivos que actúan como precursores nucleófilos de este grupo. En el Esquema 14 se presenta el empleo de diferentes agentes tiolantes, como tiobenzoatos, tiofosfatos o tiosulfatos en presencia de haluros alifáticos. Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 77  K + - O S Br S O Ph NH 2 NH 2 MeOH SH Na + Na + Na + P - O - OO - SX-CH 2 -R Na + Na + Na + P - O - OO S H 3 O + HS-CH 2 -R + H 3 PO 4 RX +S 2 O 32SO O O H 3 O + RSH CH 2 R (1) (2) (3) SR  Esquema 14. Rutas sintéticas para la transformación de átomo halógeno en grupo tiol . (1) sustitución nucleófila con tiobenzoato potásico, (2) tiofosfato sódico, (3) tiosulfato.52 Este tipo de funcionalización ha sido llevada a cabo también en el caso de cadenas poliméricas. Uno de los primeros trabajos que hace referencia a la funcionalización de polímeros con grupos tiol estudiando diferentes rutas sintéticas, fue presentado por Yamashita y colaboradores53 en el año 1989. Se proponen diferentes estrategias para la funcionalización con grupos tiol de las diferentes unidades monoméricas integrantes de la cadena de policlometilestireno (PCMS), polimerizada mediante radicales libres empleando AIBN como iniciador. Una de las estrategias empleadas se basa en la sustitución del halógeno con la molécula de tiourea dando lugar a la formación de la sal de isotiuronio, seguido del tratamiento en medio básico para la formación del grupo tiol, Esquema 15(a). 54 Este mismo procedimiento ha sido empleado por Garamszegi y colaboradores41 en la funcionalización de PS preparado mediante ATRP, para dar lugar a la funcionalización de cadenas con un solo grupo tiol en posición terminal. Alternativamente, otra de las estrategias propuestas, conllevan la reacción del átomo de halógeno con la molécula de N,N-tiodimetilformamida (TDMF) para dar lugar a la formación de la sal de iminio correspondiente. Tras un proceso de solvólisis se obtiene la funcionalidad tiol, Esquema 15(b).  52 S. Patai “The Chemistry of thiol group” John Wiley and Sons, London, 1974. 53 K. Yamashita, H. Saba, K. Tsuda J. Macromol. Sci. Part A Chem. 26, 1291-1304, 1989. 54 B. Cossar, J.O. Fournier, D.L. Fields, D.D. Reynolds J. Org. Chem. 27, 93-95, 1962. CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 84   Figura 1. Curvas de SEC de los polímeros PS29Br, PS53Br, PS75Br, PS167Br y porcentajes de conversión. De las curvas obtenidas en el análisis SEC se comprueba tal y como era esperado que los polímeros presentan distribuciones estrechas y monodispersas. La estructura y composición de las cadenas de PS obtenidas fue determinada mediante caracterización por RMN de 1H.  Figura 2. Espectro RMN de 1H (CDCl3, 300 MHz) correspondiente a la muestra PAN29Br y asignación de las señales. En la Figura 2 se muestra el espectro PS-Br con la asignación de las señales. En este espectro se observa la señal debida a los protones del grupo metilo de la molécula de iniciador a H=1.2 ppm y en torno a 6.4 -7.2 ppm se localizan las señales de los protones de los anillos aromáticos de las diferentes unidades monoméricas que componen la cadena. Las señales debidas a los protones de los grupos metileno y metino del esqueleto de la cadena aparecen como señales anchas que se registran a H=1.5 20 21 22 23 24 25 26 Tiempo (min) PS29Br PS53Br PS75Br PS167Br 76% 44% 24% 11% pp m1.02.03.04.05.06.07.0 4.304.404.504.604.70 Br C N x ab c dd ee e f CDCl 3 e d * f f b c a Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 85  y H=1.9 ppm, respectivamente. Sin embargo, en presencia del átomo de Br terminal, en posición  al metino, desplaza la señal hacia campos más bajos para formar parte de una señal de integración múltiple a H=4.4 – 4.6 ppm (señal f). El espectro RMN permite la estimación del peso molecular de la cadena de polímero por comparación del área de los picos de los protones de los anillos aromáticos de la cadena con el área de los protones del grupo metilo de la molécula de iniciador del extremo de la cadena. El cálculo se realiza ponderando el valor de las áreas al número de protones que contribuyen a cada señal. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 1, Mn, RMN. De la misma manera se ha podido estimar el porcentaje de cadenas con halógeno terminal, % Br, mediante la relación entre las áreas de la señal del protón anexo al Br terminal y la señal del grupo metilo del iniciador presente en el extremo inicial de la cadena de polímero. Los resultados de caracterización incluidos en la Tabla 1, muestran como en la mayoría de las polimerizaciones se obtuvo un alto porcentaje de cadenas con halógeno terminal, indicativo de que procesos de terminación fueron poco significativos en la polimerización. La coherencia entre los valores de Mn obtenidos experimentalmente mediante RMN, Mn, RMN, y los estimados teóricamente, Mn, teórico, indica la eficiencia del BPN como iniciador de la polimerización y como el número de especies radicalarias activas permanece constante durante todo el proceso de crecimiento de la cadena.  Figura 3. Dependencia de los valores de pesos moleculares, M n, RMN, e índices de polidispersidad, Mw/Mn con el grado de conversión en el proceso, para las reacciones de polimerización de estireno en ausencia de disolvente llevadas a cabo a 80 ºC y 100 ºC. La Figura 3 muestra la dependencia lineal de los valores de Mn, RMN frente a la conversión, mostrando un claro incremento en el peso molecular de las cadenas de polímero a medida que avanza la reacción, es decir al aumentar la conversión. Esto se traduce en la existencia de una concentración constante de las cadenas radicalarias en crecimiento. Como ya ha sido estudiado en este tipo de procesos basados en polimerización controlada viviente, el inicio de reacciones de terminación irreversibles de las cadenas 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 4.0x10 3 8.0x10 3 1.2x10 4 1.6x10 4 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 M n, RMN Mw/Mn Mn, RMN Conversión 80 O C % (M w /M n ) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 4.0x10 3 8.0x10 3 1.2x10 4 1.6x10 4 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 100 O C Mw / Mn Mn, RMN Conversión M n, RMN M w /M n CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 86  se ve inhibido debido a la eficiencia de la etapa de iniciación y desactivación que transcurre de manera rápida y cuantitativa. Los bajos índices de polidispersidad obtenidos (Mw/Mn˂1.4) se mantienen en valores que tienden a disminuir sensiblemente a medida que aumenta la conversión de la reacción, lo esperado para un proceso de polimerización radicalaria viviente. Lo contrario sería observado en sistemas donde la propagación se viese inhibida por reacciones secundarias que afectan a la cadena en crecimiento. En los datos mostrados en la Tabla 1, se observa como el grado de funcionalidad con halógeno terminal de las cadenas es cuantitativo, lo que asegura que la reacción de polimerización es un proceso de tipo viviente. Todo esto es indicativo de que en todos los casos se pudo llevar a cabo una polimerización viviente con un proceso de iniciación rápido y donde reacciones de transferencia de cadena o terminación son casi inexistentes. Éste, resulta además un factor determinante para el éxito en la siguiente etapa de funcionalización de las cadenas con grupos tiol que se realizará a partir de los grupos halógeno terminales presentes en las cadenas poliméricas tras su polimerización. Figura 4. Cinética del proceso de polimerización en ausencia de disolvente para estireno a diferentes temperaturas. Referente a la cinética de la reacción se presenta la Figura 4 donde se trata de evaluar el avance de la reacción con el tiempo en coordenadas semilogarítmicas. La tendencia lineal asegura que el proceso está gobernado por una cinética de primer orden con respecto a la concentración de monómero, donde la concentración de especies radicales en crecimiento se mantiene constante. En este caso se observa como la tendencia se desvía de la linealidad indicando una variación en la concentración de especies radicales activas a medida que avanza la reacción, quizás debido a un control no total de las condiciones de reacción. 0246810121416 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.5 1.0 1.5 80 O C ln([M] 0 /[M]) Conversión Tiempo (horas) Conversión ln([M] 0 /[M]) 0123456 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.2 0.4 0.6 100 O C ln([M] 0 /[M]) Conversión Tiempo (horas) Conversión ln([M] 0 /[M]) Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 87  Con las diferentes muestras de PS-Br obtenidas se llevarán a cabo los tratamientos de funcionalización con grupos tiol en una segunda etapa del trabajo, lo que permitirá transformar los átomos Br terminales en grupos SH con el interés de finalmente coordinar estos polímeros a la superficie metálica de NPs. SÍNTESIS ATRP DE POLIMETACRILATO DE METILO El MMA fue polimerizado mediante ATRP mediada por catálisis de Cu. Se empleó catálisis en medio heterogéneo y todos los experimentos fueron realizados en masa, es decir en ausencia de disolvente. Esto último implica que al aumentar el grado de conversión de la reacción la viscosidad se incremente considerablemente debido a la insolubilidad de la propia cadena de PMMA en el monómero. Dos tipos de familias de iniciadores se han empleado para la polimerización de MMA en este trabajo (Esquema 18). Los -halopropionatos, haluros de alquilo activados con grupos carbonílicos atractores de electrones en posición . Dentro de esta familia, se ha utilizado el etil-2-bromoisobutirato (EtBriBu) que en su estructura cuenta con un grupo éster en  al halógeno saliente, lo cual favorece su activación para la iniciación de la reacción. Otra familia de iniciadores utilizada en ATRP catalizada por Cu de MMA son los halonitrilos, que cuentan con grupos nitrilo (-CN) fuertemente atractores de electrones por lo cual resultan muy efectivos en la formación de especies radicales activadas. Referente a esta última familia de iniciadores, se ha polimerizado MMA usando BPN, mismo iniciador que el empleado en ATRP de estireno. CH 3 Br CN O O CH 3 Br CH 3 H 3 C 12  Esquema 18. Iniciadores en polimerización MMA: (1) 2-bromopropionitrilo, (2) etil-2-bromoisobutirato. En el procedimiento experimental por el cual se llevaron a cabo las diferentes reacciones se siguió la misma metodología de trabajo que la descrita en la polimerización de estireno. En el punto 4 del capítulo, Parte Experimental, se detallan cada una de las síntesis desarrolladas en la polimerización de MMA. CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 88  Se ha polimerizado MMA empleando distintos sistemas, cambiando el tipo de iniciador y ligando en cada caso, con el objetivo de obtener cadenas con bajo índice de polidispersidad, con elevado porcentaje de halógeno terminal y de peso molecular controlado (ver condiciones en Tabla 2). De manera que, variando las condiciones del sistema se puedan obtener cadenas de PMMA con variados pesos moleculares. Los sistemas ensayados tienen en común el uso de Cu como catalizador de la polimerización. En el Esquema 19 se muestra el mecanismo de propagación de la cadena en este tipo de sistemas.  Esquema 19. Equilibrio de reacción para ATRP de MMA durante el proceso de propagación. La caracterización se realizó fundamentalmente mediante RMN de 1H y SEC. En la Tabla 2 se recogen las diferentes muestras de PMMA obtenidas en la polimerización ATRP para cada uno de los sistemas, donde se indican los valores de conversión, pesos moleculares estimados teóricamente y a partir de los espectros de RMN (Mn, teo, Mn, RMN), índices de polidispersidad (Mw/Mn) obtenidos para cada sistema y porcentajes de halógeno terminal de las cadenas (% Br). RX Cu(I) RXCu(II) RCH 2 C CO 2 CH 3 X MMA MMA Cu(I)/LIGANDO -Cu(I) Cu(I)/LIGANDO XCu(II) LIGANDO: PMDETA, BIPY RX: CH3 CH 2 CN Br CH 3 C CO 2 CH 3 X CH 3 RCH 2 C CO 2 CH 3 X CH 3 RCH 2 ,C CH 3 Br CH 3 C O OCH 2 CH 3 Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 89  Tabla 2. Polimerización MMA en masa para diferentes sistemas. Determinación de pesos moleculares e índices de polidispersidad para los diferentes polímeros obtenidos. Polímero Iniciador Ligando t(min) T (ºC) Conversión (%) Mn, teoe M n, RMNf M n, SECg M w/Mng %Brf PMMA767Br BPN a PMDETA 35 100 29 6000 - 76900 2,85 - PMMA70Br BPN b BIPY 30 90 9 1200 - 7200 1,47 - PMMA134Br EtBiBu c PMDETA 35 100 41 4400 13800 9600 1,32 90 PMMA122Br EtBiBu d BIPY 35 100 4 700 12500 9200 1,43 95 a BPN/CuBr/PMDETA/MMA = 1/1/1/200. b BPN/CuBr/BIPY/MMA = 1/1/1/100. c EtBriBu/CuBr/PMDETA/MMA = 1/1/3/100. d EtBriBu/CuBr/BIPY/MMA = 1/1/2/100. e Estimado a partir de los valores de conversión y el grado de polimerización, según la ecuación 1. f Valores obtenidos a partir de la integración de los picos en los espectros de RMN de 1H. g Estimación realizada a partir de los análisis SEC empleando THF como disolvente y PMMA como patrón en la calibración. En la Figura 5 se recoge, de manera representativa, la caracterización realizada mediante RMN de 1H de la estructura y funcionalización del homopolímero PMMA134Br obtenido en la polimerización iniciada por EtBriBu y catalizada por el complejo CuBr/PMDETA a 100 ºC.  Figura 5. Espectro RMN de 1H (CDCl3, 500 MHz) correspondiente a la muestra PMMA134Br y asignación de las señales. ppm 1.02.03.04.05.06.0 4.050 4 .100 3.7003.750 OBr O OOOO X a b c cde fg de b ac e d f g CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 90  En el espectro se muestra la asignación de las diferentes señales para la cadena de PMMA. En torno a 4.07 ppm se registra la señal, de muy poca intensidad, asignada a los protones del grupo metileno del iniciador que se presenta como multiplete. En forma de singlete estrecho y bien resuelto, aparece la señal de los protones de los metilos de los grupos ester de las diferentes unidades monoméricas del homopolímero a H=3.5 ppm. Se observa como esta misma señal sufre un pequeño desplazamiento hacia campos más bajos, cuando se trata del CH3 en posición  al átomo de halógeno terminal, dando lugar a un pequeño pico a H=3.7 ppm. La relación entre el valor de las áreas de las señales asignadas a los metilos de los grupos ester (f) y el metileno de la molécula de iniciador (b), ponderadas al número de protones al que corresponden, permiten estimar experimentalmente el grado de polimerización de la cadena y conocer así la composición de la misma, como se muestra en la Tabla 2. A partir del espectro de RMN, se realizó también la estimación del porcentaje de cadenas con halógeno terminal tras la polimerización. Esto es, la relación entre las áreas de las señales de los grupos metilos de ester en posición  al bromo terminal (g) con respecto al metileno del iniciador (b). En este aspecto, resulta importante obtener muestra de polímero que cuente con elevado porcentaje de Br ya que asegura el poder llevar a cabo tratamientos de post-funcionalización en las cadenas. En la Tabla 2 se recogen también los porcentajes de Br terminales estimados en cada polimerización a partir de los espectros de RMN de 1H. Cabe indicar que en el caso de PMMA767 y PMMA70, debido a que las señales de los protones de la molécula de iniciador aparecen solapadas con las de la propia cadena de polímero, no se pudieron realizar las estimaciones de pesos moleculares y en consecuencia de los porcentajes de Br terminales en la muestra. Para las demás muestras estos valores resultaron acorde a lo esperado para polimerizaciones del tipo ATRP, de manera que, la cadena de polímero resultante presente carácter viviente. En cualquier caso, tal y como se comentó en el apartado referente a la síntesis de PS, se puede concluir que a partir de las cadenas de PMMA-Br obtenidas, se tratará de funcionalizar su extremo terminal halogenado con un grupo SH, como segunda etapa en el proceso, para finalmente emplearla a modo de ligando de naturaleza polimérica en la estabilización de NPs metálicas objetivo final en el trabajo. Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 91  SÍNTESIS ATRP DE POLIACRILONITRILO La síntesis ATRP llevada a cabo en este trabajo se realizó bajo condiciones estudiadas previamente en diferentes sistemas. Una de las condiciones fundamentales a tener en cuenta en la síntesis de PAN es su insolubilidad en disolventes orgánicos convencionales además de en su propio monómero. Todo ello obliga a que la polimerización se lleve a cabo en presencia de determinados disolventes. En este trabajo se empleó EC como disolvente. La polimerización tuvo lugar en un rango de temperaturas entre 45 ºC y 55 ºC. Como iniciador se empleó BPN, siendo esta familia de -halogenopropionitrilos la más efectiva en la polimerización de este tipo de monómeros debido a que la estructura que presentan es homóloga a la de las especies durmientes que participan en la reacción. Esto favorece un rápido proceso de iniciación en comparación con otros iniciadores empleados, como por ejemplo haluros bencílicos. El sistema de catálisis está formado por CuBr/bipy. Se llevaron a cabo diferentes polimerizaciones donde se emplearon diversas relaciones catalizador/ligando dependiendo del grado de polimerización de la cadena que se polimeriza. El dispositivo experimental es similar al empleado en las reacciones de polimerización de estireno y MMA descritas previamente con la diferencia de que para AN ahora la polimerización se lleva a cabo en presencia de disolvente. En el punto 4 del capítulo, Parte Experimental, se recogen las condiciones experimentales empleadas en la polimerización ATRP de las cadenas de PAN. La caracterización de los polímeros obtenidos se realiza a mediante RMN de 1H, junto con análisis realizados por SEC. En la Tabla 3 se indican las condiciones de síntesis empleadas en la polimerización de AN y la caracterización de las cadenas de polímero finalmente obtenidas. Se muestran valores de conversión, Mn, teórico , calculado según la ecuación (1), Mn, RMN , estimados mediante la integración de los picos en el espectro RMN de 1H de PAN y las estimaciones del porcentaje de cadenas con grupos Br terminales en cada muestra. CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 92  Tabla 3. Síntesis ATRP PAN variando condiciones de tiempo y temperatura. Polímero Temperatura (ºC) Tiempo (h) Conversión (%) Mn, teórico M n, RMNc Mw/Mnd %Br c PAN20Br a 45 3 21 1300 1200 1.18 66 PAN22Br a 45 3.25 27 1700 1300 1.13 75 PAN33Br a 45 3.3 38 2200 1900 - 63 PAN101Br b 55 2.5 39 4400 5500 - 45 PAN114Br b 55 4 60 6600 6200 1.02 48 AN0/BPN0= 100/1a ; 200/1 b . BPN/CuBr/bipy= 1/0.1/0.3 a ; 1/0.5/1.5 b . c Estimación realizada a partir de la integración de las señales en los espectros de RMN de 1H. d Estimación realizada a partir de los análisis SEC empleando DMF como disolvente y PS como patrón en la calibración. A continuación se presenta el espectro RMN de 1H de PAN22Br en DMSOd 6, donde se muestra la estructura de la cadena de polímero y la asignación de las señales en el espectro (Figura 6).  Figura 6. Espectro RMN de 1H (DMSOd 6, 500 MHz) correspondiente a la muestra PAN22Br y asignación de las señales. En el espectro se observa la señal de los protones del grupo metilo inicial de la cadena de la molécula de iniciador a H=1.3 ppm. En torno a H=5.0-5.2 ppm, se encuentra el multiplete correspondiente a la señal del protón del grupo metino del esqueleto de la cadena situado en posición  al átomo de Br * ** DMSO DMF N N Br N x acb d b cd c b a pp m 1.02.03.04.05.06.0 4.905.005.105.205.30 Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 93  terminal. La asignación de las señales correspondientes a los grupos CH2 y CH del esqueleto de la cadena, se localizan a H de 2.0 y 3.1 ppm, respectivamente. A partir de las áreas estimadas de la integración de estos picos y por comparación entre las áreas correspondientes a los protones del esqueleto de la cadena (grupos CH2 o CH) con el área del protón anexo al Br terminal de la cadena se hace la estimación del peso molecular de la cadena, Mn, RMN, además del grado de funcionalización de las cadenas con átomos de Br terminales, % Br, como se indica a continuación. Estimación del número de unidades monoméricas en el homopolímero: 3 2 aárea bárea n A partir del valor de n se calcular el peso molecular de la cadena: Mn, RMN = PM(iniciador) + (n.PM (unidad monomérica) ) + PMBr La correlación existente entre los valores de peso molecular calculados teóricamente, Mn,teórico, y los estimados a partir de las señales de RMN, Mn,RMN, da idea de que la reacción transcurre con cierto control sobre el sistema. Analizando la evolución del proceso, en la Figura 7 se muestra la representación de los valores de conversión frente a Mn, RMN. Se observa una tendencia a priori lineal en el incremento del peso molecular con la conversión del proceso, que refleja como el mecanismo aparece con cierto control, aunque para la completa evaluación del proceso sería necesario definir mejor este perfil. En todo caso, el control obtenido, sobre todo en las primeras etapas, para bajos valores de Mn, resulta muy efectivo para este tipo de sistema. Cabe destacar que los valores de los índices de polidispersidad obtenidos, inferiores a 1.2 para los sistemas analizados, resultan muy adecuados para este tipo de monómero. CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 100  En la Figura 10 se muestra el espectro RMN de 1H para el copolímero PAN22b -PMMA165, entrada CO-5 recogida en la Tabla 5.  Figura 10. Espectro de RMN de 1H (DMFd 7, 500 MHz) de copolímero PAN22b -PMMA165 (CO-5) y asignación de las señales. En el espectro de RMN se observan los picos correspondientes a los dos bloques de la cadena, mostrando como la polimerización de MMA ha tenido lugar a partir del iniciador PAN22-Br. Como señales significativas del bloque PAN iniciador se localiza a H=3.5 ppm el pico asignado al grupo metino del esqueleto de la cadena. En torno a 3.83 ppm se encuentra el pico característico del metilo del grupo éster correspondiente al bloque PMMA. Con un desplazamiento de tan solo de 0.15 ppm, a H=3.98 ppm, se identifica el metilo del grupo ester de la última unidad monomérica del bloque PMMA y por tanto en posición  al Cl terminal de la cadena. A partir de la relación entre las áreas relativas de los picos asignados a cada bloque se puede conocer la composición de la cadena dibloque (UMAN/UMMMA), como se recoge en la Tabla 5 para cada uno de las cadenas dibloque obtenidas. Por otra parte, la relación de áreas relativas referidas a la integración del metilo anexo al halógeno terminal permite la estimación del porcentaje de Cl terminal resultante en cada sistema. La estimación de porcentajes muy bajos de Cl terminal en todas las síntesis, a pesar del uso de dos ligandos diferentes (PMDETA y dNbipy) y de diferentes relaciones iniciador/catalizador/ligando, indica que en todos los casos tiene lugar una rápida terminación de la mayoría de los centros activos, posiblemente por reducción del radical28. Por otro lado, solamente en las síntesis llevadas a cabo en presencia de elevadas concentraciones de catalizador y a temperatura de 100 ºC (CO-5, CO-10), pp m1.02.03.04.05.06.07.0 3.9504.0004.050 3.4003.4503.5003.550 Cl C N C NOOOO nm a DMF * * bcdef gg´ ef g´ g f c,e d Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 101  condiciones correspondientes a mayores velocidades de polimerización, se obtuvieron conversiones y pesos moleculares más apropiados, antes de que la inevitable terminación limite el crecimiento controlado de la cadena. Al mismo tiempo las distribuciones de peso molecular más estrechas están directamente relacionadas con las condiciones de síntesis correspondientes a las cinéticas más rápidas. A partir de los copolímeros PANb -PMMA obtenidos se llevaron a cabo estudios de coordinación y estabilización de NPs metálicas en sistemas coloidales actuando éstos como agentes poliméricos estabilizantes. A diferencia de los demás polímeros preparados, en este caso debido a la dificultad añadida en la funcionalización del bloque PMMA con grupos tiol (como se recoge en el apartado de funcionalización de ligandos), no se modificaron las cadenas poliméricas con grupos tiol. Cada uno de los bloques constituyentes de la cadena, PAN y PMMA, presentan cierto carácter funcional debido a los grupos nitrilo y grupos carboxilo presentes en cada una de sus unidades monoméricas, respectivamente. Este hecho resulta interesante en relación a su afinidad por la superficie metálica de las NPs, lo que permitió centrar el estudio en la capacidad que este tipo de cadenas presenta para el control y estabilización de NPs metálicas en medios de esta naturaleza. 3.2. POLIMERIZACIÓN RAFT DE LIGANDOS Además de los polímeros preparados de manera controlada mediante polimerización ATRP, se ha llevado a cabo la preparación de cadenas de homopolímero mediante otro método de polimerización radicalaria controlada, la técnica RAFT. Ésta transcurre por un mecanismo de adición-fragmentación de la cadena y permite también el control en la reacción de polimerización. A diferencia de ATRP, la técnica RAFT, debido a las condiciones intrínsecas del mecanismo por el que transcurre, permite la obtención de cadenas de polímeros en cuyo extremo terminal pueden presentar, dependiendo del tipo de CTA empleado, grupos ditioester que aportan funcionalidad adicional a la cadena polimerizada. Junto con el interés en la funcionalidad de las cadenas, hay que destacar que esta técnica resulta apropiada para la polimerización de manera sencilla de monómeros de muy diferente naturaleza. Debido a lo anteriormente expuesto, en el desarrollo de este trabajo basado en la técnica RAFT, se ha llevado a cabo la preparación de dos tipos de cadena de homopolímero. En primer lugar se presenta nuevamente la polimerización de MMA como estrategia en un solo paso para la obtención de las cadenas PMMA con el residuo terminal funcional. En segundo lugar y, con el empleo de un sistema diferente se ha podido llevar a cabo la polimerización de ácido metacrílico (MAA), monómero de naturaleza hidrófila y con interesantes propiedades debido a la biocompatibilidad que presenta. Como CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 102  paso previo a las reacciones de polimerización, el trabajo se ha centrado en la obtención de los CTAs empleados en la polimerización de estos dos tipos de monómeros. Este trabajo fue realizado durante la estancia doctoral en el Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques en la Université Bordeaux 1 (Francia) en el grupo del Prof. Ives Gnanou y bajo la supervisión del Prof. Daniel Taton. SÍNTESIS RAFT DE POLIMETACRILATO DE METILO Se llevó a cabo la polimerización RAFT de MMA empleando un ditioéster como CTA en el proceso de crecimiento de la cadena. En el mecanismo de la reacción de polimerización de este tipo de monómero se genera un intermedio radicalario terciario, lo que implica que la molécula de CTA empleada deba presentar un buen grupo saliente que permita llevar a cabo el proceso de transferencia de cadena con una alta constante de transferencia. Al mismo tiempo esta especie saliente radicalaria debe asegurar el reinicio del proceso. Como CTA que actúe cumpliendo estos requisitos se ha empleado un ditiobenzoato cianoalquílico terciario, 2-ciano-2-propilditiobenzoato. En éste, el grupo fenilo actúa como estabilizante de la especie radicalaria intermediaria e incrementa la reactividad del tiocarbonilo (C=S) favoreciendo así el proceso de adición radicalario asegurando control sobre la polimerización. Este tipo de CTA ha sido muy estudiado en la polimerización de este tipo de monómeros y junto con el ditiobenzoato de cumilo resultan muy efectivos en la polimerización de MMA.34,66. SÍNTESIS AGENTE DE TRANSFERENCIA: CTA1 La síntesis del CTA, el ditiobenzoato de cianoisopropilo, empleado en la polimerización de MMA se ha llevado a cabo empleando el ácido ditiobenzoico (DTBA) como precursor, según la ruta sintética que se recoge en el Esquema 22. La síntesis se esquematiza en dos etapas diferenciadas, en primer lugar la síntesis de disulfuro de difenilditiocarbonilo a partir del cual se obtiene la molécula final de CTA por reacción con una molécula de azocompuesto dando lugar a la formación del ditiobenzaoato terciario que actúa como agente transferente en la polimerización, al que se hará referencia de aquí en adelante como CTA1.67 El procedimiento experimental seguido para la síntesis de este compuesto se detalla en el punto 4 del capítulo, Parte Experimental.  66 M. Benaglia, E. Rizzardo, A. Alberti, M. Guerra Macromolecules 38, 3129-3140, 2005. 67 W.G. Weber, J.B. McLeary, R.D. Sanderson Tetrahedron Letters 47, 4771-4774, 2006. Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 103   Esquema 22. Ruta sintética para la preparación de CTA1. La caracterización del producto obtenido y la determinación del grado de pureza se realizaron mediante espectroscopía de RMN de 1H para la molécula de disulfuro precursora y para el compuesto final CTA1. Figura 11. Espectro RMN de 1H (CDCl3, 400 MHz) de disulfuro de difenilditiocarbonilo y asignación de las señales. La Figura 11 presenta el espectro de RMN de 1H de la molécula de disulfuro empleada como precursora en la obtención del CTA1. Las únicas señales que se observan son las asignadas a los protones de los anillos aromáticos que aparecen a 8.1 ppm, 7.6 ppm y 7.4 ppm. A la vista del espectro el compuesto parece estar libre de impurezas debidas a los propios reactivos o a subproductos de reacción. Br I 2, Mg THF MgI CS 2 , p-TsCl THF S S S S S S S S NNCN CN + S SCN EtOAc CTA1 DTBA DTBA pp m1.02.03.04.05.06.07.08.0 7.508.00 S S S S * H 2 O CDCl 3 * * (CH 3 )CO a a a a b b b b cc a c b CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 104  Los resultados obtenidos por RMN de 1H del compuesto CTA1 que se muestran en la Figura 12 están de acuerdo también con la estructura química de la molécula propuesta. Se observan las señales asignadas a los protones del anillo aromático que aparecen en torno a 7.4 – 7.9 ppm. En este espectro se encuentra además la señal debida a los grupos metilo de la unidad cianoisopropílica, H=1.94 ppm, lo que asegura que la reacción con el azocompuesto ha tenido lugar. A la vista del espectro, el producto aparece libre de impurezas y con señales bien definidas. Figura 12. Espectro RMN de 1H (CDCl3, 400 MHz) de CTA1 y asignación de las señales. POLIMERIZACIÓN RAFT MMA Se llevó a cabo la polimerización del homopolímero PMMA mediante la técnica de polimerización radicalaria controlada RAFT, usando el agente transferente CTA1 preparado previamente. Numerosos estudios muestran como la polimerización de MMA mediante esta técnica permite la obtención de cadenas de polímero con pesos moleculares controlados y baja polidispersidad de las mismas. El uso de la molécula de ditiobenzoato como CTA en el proceso permite además obtener cadenas de PMMA con el grupo funcional ditioester terminal. La polimerización se realizó en presencia de disolvente, con el empleo de AIBN como iniciador (Esquema 23). Este compuesto es un iniciador térmico, que actúa descomponiéndose a la temperatura de reacción generando radicales libres que son las especies que inician la polimerización. Se llevaron a cabo distintas polimerizaciones variando las relaciones entre monómero, CTA e iniciador y también para pp m1.02.03.04.05.06.07.08.0 7.508.00 S SCN a a b b c a c b d d d * H 2 O CDCl 3 * Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 105  diferentes tiempos de reacción. En el punto 4 del capítulo se detalla el procedimiento experimental seguido para las diferentes cadenas de PMMA obtenidas. Esquema 23. Polimerización mediante RAFT de MMA (x, corresponde al grado de polimerización del homopolímero). A continuación, la Tabla 6 recoge los resultados obtenidos para diferentes sistemas preparados, en los que se ha variado el grado de polimerización y tiempos de reacción. Tabla 6. Polimerización RAFT de MMA en presencia de disolvente. Polímero Monómero/CTA /iniciador T (ºC) t (h) Conv (%) Mn, teórico M n, HNMR M n, SECa M w/Mna PMMA13 25/1/0.2 63 5 19 696 1485 1536 1.10 PMMA16 33/1/0.2 63 15 61 1746 1850 2025 1.13 PMMA53 25/0.25/0.05 63 63 57 6079 5480 5853 1.08 PMMA73 50/0.25/0.05 63 15 38 7821 7530 7229 1.09 PMMA78 75/0.25/0.05 63 15 41 12521 8055 11107 1.07 PMMA170 125/0.25/0.05 63 72 63 31721 17223 24583 1.13 a Valores estimados a partir de curvas SEC empleando PS como patrón y THF como disolvente. Se han obtenido diferentes muestras de PMMA variando las concentraciones para la relación CTA/iniciador y realizando las polimerizaciones empleando distinto grado de polimerización. La caracterización de la estructura química de los homopolímeros PMMA se ha basado en los espectros de RMN de 1H. En la Figura 13 se muestra el espectro de RMN de PMMA53. En el espectro se pueden observar las señales asignadas al anillo aromático correspondiente al grupo ditiobenzoato presente en S SCN NNCN CN THF +O O NC S O O S x CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 106  el extremo terminal de la cadena de PMMA. Los desplazamientos químicos de estos protones aromáticos se registran a 7.8 ppm, 7.6 ppm y 7.3 ppm y su presencia confirma que la polimerización ha transcurrido por el mecanismo de transferencia por adición-fragmentación de cadena, correspondiente a proceso RAFT. La señal de los protones de los grupos metilo de la molécula de iniciador (señal g) aparece solapada por las señales de los protones de los grupos metileno (señal f) del esqueleto de la propia cadena de PMMA. Las demás señales están de acuerdo con la estructura química propuesta para la cadena de homopolímero PMMA. Figura 13. Espectro RMN de 1H (CDCl3, 400 MHz) de PMMA53 obtenido mediante polimerización RAFT y asignación de las señales. En la Tabla 6, en general se observa como el valor del peso molecular teórico, Mn, teórico, estimado está en relación con el obtenido mediante el cálculo de composición de la cadena a partir del análisis de las señales de RMN, Mn, RMN. Además, la caracterización de las cadenas de polímero mediante curvas SEC muestra valores de peso molecular promedio en número, Mn, SEC, del mismo orden que los estimados previamente. Los índices de polidispersidad (Mw/Mn) mostrados para todas las cadenas son bajos, encontrándose en el rango 1.07-1.13, como corresponde a polímeros obtenidos mediante RAFT. En la tabla también se puede observar que disminuyendo las concentraciones de CTA y AIBN en el sistema, como se muestra en las dos primeras entradas de la misma, la polidispersidad de las cadenas obtenidas es mayor, mientras que aumentando ligeramente las concentraciones ésta se mantiene en valores inferiores a 1.1 (excepto en el caso de PMMA170), lo que conlleva una mayor eficacia del proceso con la reducción de procesos de terminación durante el crecimiento de las cadenas. pp m1.02.03.04.05.06.07.08.0 7.407.507.607.707.807.90 CDCl 3 * c b b a a b a c NC S O O S x d e e d f g g g f Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 107  Los homopolímeros PMMA conteniendo grupos terminales ditiobenzoato, serán empleados para su transformación en grupos SH terminales a partir de los grupos ditioester funcionales por tratamiento a posteriori con diversos agentes, como se recogerá en el apartado de funcionalización presentado en la memoria. SÍNTESIS RAFT DE ACÍDO POLIMETACRÍLICO La polimerización controlada de monómeros contiendo grupos ácido carboxílico como parte de su estructura se ha podido llevar a cabo mediante técnicas tolerantes a la presencia de este tipo de grupos funcionales. El desarrollo de las técnicas CRLP ha permitido el desarrollo de nuevos métodos de polimerización controlada con gran versatilidad en cuanto a las condiciones de preparación, tipos de monómero y control sobre las estructuras poliméricas obtenidas. De todas ellas, la polimerización mediada por RAFT se presenta como la más tolerante a la presencia de grupos funcionales en general. De esta manera ha sido posible desarrollar la polimerización directa de monómeros conteniendo grupo ácido en su estructura como es el caso de ácido acrílico (AA) o el ácido metacrílico (MAA). Como ruta alternativa para la preparación de este tipo de polímeros mediante técnicas CRLP, en numerosas publicaciones se describen las polimerizaciones llevadas a cabo con monómeros con el grupo funcional ácido carboxílico protegido en forma de ester, lo cual permite su polimerización mediante ATRP o NMP.68,69 Entre los grupos protectores más comúnmente empleados en este tipo de sistemas se encuentran ter -butilo, trimetilsililo o bencilo. Una vez polimerizada la cadena los grupos ácido se desprotege mediante diferentes tratamientos como la hidrólisis, termólisis o hidrogenaciones catalíticas. Como requisitos intrínsecos a este tipo de estrategias se contemplan, en primer lugar, el carácter de buen grupo saliente que debe presentar el monómero protegido, para no interferir en el proceso controlador de crecimiento de la cadena durante la etapa de polimerización y en segundo lugar, que asegure una desprotección del grupo ácido selectiva y bajo condiciones de reacción controladas. Mientras que la polimerización de manera directa mediante RAFT del AA ha sido estudiada en numerosos trabajos con el empleo de diversos agentes de transferencia 70 , el estudio de la polimerización de su derivado metilado (MAA) mediante este tipo de técnicas apenas ha sido recogido en la bibliografía. Yang y colaboradores71 estudian la polimerización RAFT de MAA con el uso de carboximetilditiobenzoato como CTA en metanol y 4,4´-azobis-(4-ácido cianopentanoico) como iniciador.  68 K.A. Davis, K. Matyjaszewski, Macromolecules 33, 4039-4047, 2000. 69 A. Goto, T. Fukuda Macromolecules 32, 618-623, 1999. 70 H. Mori, A.H.E. Müller Prog. Polym. Sci. 28, 1403-1439, 2003. 71 C. Yang, Y.L. Cheng J. Appl. Polym. Sci. 102, 1191-1201, 2006. CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 108  Mediante el empleo de este sistema se pudieron obtener cadenas con peso molecular controlado e índices de polidispersidad cuyo valor más bajo, 1.3, se registra cuando el proceso ha alcanzado el 27 % de conversión. En el estudio del sistema se observó además una baja constante de transferencia de la cadena y una ligera desviación del comportamiento ideal para un proceso mediado por RAFT. En este trabajo se presenta la síntesis y caracterización de ácido polimetacrílico (PMAA) realizado según el procedimiento desarrollado en el grupo y recogido en la publicación presentada por Vijayakrishna y colaboradores72 , la cual, en líneas generales, sigue la metodología presentada previamente en la polimerización mediada por RAFT de MMA. La primera etapa del trabajo se centra en la síntesis del CTA, para la cual en su obtención se emplea también como precursor DTBA que se hace reaccionar con un azocompuesto terciario. Una vez sintetizado y purificado el CTA, se llevará a cabo la polimerización de MAA en disolución. SÍNTESIS AGENTE DE TRANSFERENCIA: CTA2 La polimerización de MAA se lleva a cabo con el uso de ácido-4-cianopentanoico-4-ditiobenzoato como agente de trasferencia (CTA2). Este tipo de molécula, resulta apropiada en la polimerización de monómeros metacrílicos hidrofílicos, como el MAA, debido al grupo terciario radicalario de carácter polar que se genera en el proceso de polimerización, que actúa facilitando la etapa de transferencia de cadena además de actuar reiniciando de nuevo el proceso. Este tipo de compuestos conteniendo en su estructura la unidad ditiobenzaoato, al igual que el CTA1, se obtiene a partir de ácido ditiobenzoico (DTBA), por reacción con azocompuesto (V-501) a partir del cual se introduce el grupo R resultante en la molécula de CTA, como se muestra en el Esquema 24. Los detalles experimentales de su síntesis se recogen en el punto 4 del capítulo, Parte Experimental. Esquema 24. Ruta sintética para la preparación de CTA2 a partir de DTBA.  72 K. Vijayakrishna, S.K. Jewrajka, A. Ruiz, R. Marcilla, J.A. Pomposo, D. Mecerreyes, D. Taton, Y. Gnanou Macromolecules 41, 6299-6308, 2008. S S S S + EtOAc S S CN OH O NN CN OH NC HO OO V-501 CTA2 DTBA Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 109  El compuesto CTA2 obtenido fue caracterizado mediante RMN de 1H, lo que permitió evaluar el grado de pureza para su empleo en la polimerización de MAA. Figura 14. Espectro RMN de 1H (CDCl3, 400 MHz) de CTA2 y asignación de las señales. En la Figura 14 se muestra el espectro del compuesto extraído después de la cristalización en benceno, donde en el intervalo 7.9-7.4 ppm se observan las señales de los protones aromáticos del anillo. Tras la reacción con el azocompuesto de ácido cianopentanoico, en la estructura del compuesto se observan las señales debidas a los protones de las unidades CH2CH2, H=2.4-2.8 ppm, y la señal del grupo metilo terciario, H=1.9 ppm, lo que asegura que la reacción ha tenido lugar y que el compuesto obtenido aparece libre de impurezas. POLIMERIZACIÓN RAFT MAA Se llevó a cabo la polimerización directa de MAA, sin la protección previa de los grupos ácido presentes en la estructura del monómero. La polimerización se realizó en disolución con el empleo de CTA2 como agente de transferencia e iniciador el compuesto comercial 4,4´-azobis-(-4-ácido cianopentanoico) (V-501), según se muestra en el Esquema 25. En el punto 4 del capítulo, Parte Experimental, se recoge el procedimiento seguido en las diferentes polimerizaciones. pp m1.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0 2.402.502.602.702.802.90 7.407.507.607.707.807.908.00 S S CN OH O a a b b cd e e e a c bd CDCl 3 * CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 116  Se observa como la conversión del átomo de Br en grupo SH tuvo lugar debido al desplazamiento que experimenta la señal asignada al protón del grupo metino en  al grupo funcional, como se muestra en la zona aumentada del espectro, Figura 17. El desplazamiento químico asignado al protón del metino para la cadena halogenada se localiza en torno a 4.4-4.6 ppm, mientras que en presencia de grupo SH sufre un desplazamiento a campos mayores, registrándose a 3.5 ppm. Se ha podido estimar el porcentaje de grupos tiol en cada muestra tras el tratamiento de funcionalización por comparación de la integral del área correspondiente a las señales de los protones aromáticos (d+e) con el área de los protones del grupo metilo del iniciador (a). Como se muestra en la Tabla 8, se observa que al incrementar el peso molecular de la cadena, el porcentaje de grupos SH en la muestra desciende. Esta pérdida gradual de la funcionalidad al aumentar el número de unidades monoméricas de la cadena está asociada a una menor efectividad de las condiciones de la reacción, además se produce un debilitamiento de la señal de RMN asignada a este desplazamiento, lo que se traduce en una cuantificación menos precisa. La caracterización del grupo funcional realizada mediante espectroscopía RAMAN de los productos de reacción obtenidos en las dos etapas del proceso de funcionalización se muestra en la Figura 18. En el espectro se observa como para el producto obtenido tras la primera etapa del tratamiento, (PS-S)2, la muestra presenta una banda localizada a 483 cm-1, característica para el modo de vibración de tensión de los enlaces disulfuro (S-S), ausente tras el tratamiento de reducción con DTT. Por otra parte, observando el espectro a mayores números de onda, se detecta la banda asociada al enlace azufrehidrógeno a 2570 cm-1, para la muestra obtenida tras la ruptura de los enlaces disulfuro, indicativo de la presencia de grupos SH terminales en las cadenas de PS.  Figura 18. Comparación de los espectros RAMAN de los productos obtenidos en las dos etapas de la funcionalización con SH terminal de PS29. (a) región 400-600 cm-1 donde se observa el pico correspondiente al enlace disulfuro; (b) región 2500-2650 cm-1 donde se localiza el pico asignado a la presencia del grupo tiol. 3000 2500 2000 1500 1000 500 (PS29-S)2 PS29-SH Intensidad (u.a.) Numero de onda (cm-1) 600 550 500 450 400 (b) (a) 483 2640 2600 2560 2520 2570 Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 117  Adicionalmente se muestran los espectros FTIR realizados en film sobre ventana de KBr para PS-SH y PS-Br, Figura 19. En el espectro correspondiente al PS tras el tratamiento con TDMF, se ha identificado la banda correspondiente al grupo tiol localizada a 2565 cm-1, lo que confirma los resultados mostrados en RMN y RAMAN previamente.76  Figura 19. Espectro FTIR en film sobre ventana de KBr de PS29Br y PS29SH. Los resultados obtenidos para los análisis elementales tanto de PS-Br como del polímero obtenido tras el tratamiento de funcionalización, PS-SH, no se ajustaron con los calculados a partir de las formulas empíricas, específicamente la estimación realizada de S. Esto está motivado por la insuficiente precisión que ofrece el método en relación, por ejemplo, a los resultados obtenidos mediante RMN o FTIR. A partir de las cadenas de PS obtenidas conteniendo grupos tioles terminales, el estudio se centró en su empleo como ligandos poliméricos para la estabilización de NPs metálicas, como aparece recogido en el Capítulo 3 de esta memoria. FUNCIONALIZACIÓN DE POLIMETACRILATO DE METILO El procedimiento seguido para la funcionalización con grupos tiol terminales de las cadenas PMMA obtenidas mediante ATRP se basa en el mecanismo propuesto anteriormente para el PS, con el uso del precursor nucleofílico TDMF. Sin embargo, en este caso el proceso transcurre con una etapa previa de intercambio del Br terminal por I.77 Se comprobó como la sustitución nucleófila con TDMF sobre Br  76 R. Premachandran, S. Banerjee, V.T. John, G.L. McPherson Chem. Mater. 9, 1342-1347, 1997. 77 E.L. Albano, D. Horton J.Org. Chem. 34, 3519-3522, 1969. 2680 2640 2600 2560 2520 Absorbancia PS29SH PS29Br Número de onda (cm-1) CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 118  terminal transcurría con muy bajo rendimiento, el intercambio del halógeno en posición  al grupo carbonilo del ester se realizó en presencia de ioduro de potasio (KI) en medio orgánico. Una vez aislado el producto conteniendo el I terminal, se somete al tratamiento de funcionalización para obtener el grupo tiol a través de las dos etapas, Esquema 27. En el punto 4 del capítulo, Parte Experimental, se detalla el procedimiento experimental seguido en el tratamiento de funcionalización del homopolímero PMMA134Br. OBr O OO X KI, DMF OI O OO X OI O OO X 1) TDMF 2) MeOH, DTT OS O OO X 2 DMF, DTT, (Ph) 2 O OSH O OO X a) b) Esquema 27. Ruta sintética para la preparación PMMA-SH. a) intercambio halógeno terminal. b) funcionalización SH. Se han caracterizado los diferentes productos obtenidos en cada una de las etapas del tratamiento de funcionalización combinando las técnicas SEC, RMN de 1H y espectroscopías FTIR y RAMAN. Debido a que se trata de identificar la presencia de grupos SH en cadenas de elevado peso molecular (Mn=13800), los resultados obtenidos en algunos casos, no permiten la caracterización de forma directa de los grupos funcionales presentes en las cadenas. En la primera etapa del tratamiento, es decir en el intercambio de halógeno, la caracterización estructural del producto obtenido se ha seguido mediante análisis SEC, Figura 20, donde no se observa ningún cambio significativo en la distribución de peso molecular de la cadena después de tratamiento, por comparación con la curva correspondiente a la cadena inicial con Br terminal. Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 119  18 19 20 21 22 23 24 Tiempo (min)  Figura 20. Comparación curvas de SEC de PMMA para la reacción de intercambio de halógeno. PMMA134Br (línea continua), PMMA134I (línea discontinua). La caracterización estructural a partir del espectro de RMN de 1H para la cadena de polímero tras el tratamiento de intercambio de halógeno no permite determinar si esta reacción ha tenido lugar de manera cuantitativa. Figura 21. Espectro de RMN de 1H (CDCl3, 300MHz) de PMMA134I y asignación de algunas señales. En la Figura 21, se identifican las señales características de la cadena de PMMA, sin embargo la asignación del metilo del grupo ester contiguo al átomo de halógeno resulta ambigua. El desplazamiento asignado a la señal identificada resulta poco resolutivo ya que esta zona comprendida OI O O O O O X a bc de pp m1.02.03.04.05.06.07.0 3.80 3 .904.00 4 .10 CDCl3 a b c d e CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 120  entre 3.5-3.8 ppm aparece muy poco resuelta debido a la importante contribución de la señal asignada a los metilos de las unidades monoméricas que constituyen toda la cadena (señal b). El espectro de FTIR registrado para PMMA134I, en esta primera etapa de intercambio de halógeno, nuevamente muestra como la estructura se corresponde con la del PMMA, pero no permite identificar el tipo de halógeno terminal presente en la cadena. Siguiendo la ruta sintética propuesta se lleva a cabo el tratamiento con TDMF en dos etapas y el producto obtenido se caracteriza en un primer momento mediante RMN de 1H. Figura 22. Comparación espectros RMN de 1H (CDCl3, 300 MHz) de PMMA134 antes y después de la funcionalización con SH y asignación de las señales. La Figura 22 muestra comparativamente los espectros para las muestras de PMMA134Br y PMMA134SH. El espectro de la muestra original, 22(a), antes del tratamiento con TDMF, muestra los picos característicos de la cadena de PMMA. En torno a 3.6 ppm se registra la señal correspondiente al metilo del grupo éster de la cadena, mientras que con H=3.8 ppm se encuentra la señal del metilo de la unidad monomérica contigua al átomo de Br terminal. La reacción de funcionalización conlleva la sustitución del Br terminal por un grupo SH, el seguimiento de esta señal en RMN comprobará este hecho. En el espectro 22(b) mostrado en la figura correspondiente a PMMA tras el tratamiento con TDMF se observa el mismo tipo de señal en la región donde se ha asignado el pico metilo del ester, en pp m1.02.03.04.05.06.07.0 3.303.403.503.603.703.803.904.004.10 3.50 4 .00 OBr O O O O O X OSH O O O O O X CDCl 3 CDCl 3 d d e e DMF de f f b b b b g g a a a a b) a) Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 121  torno a H 3.6-3.8 ppm. Se observa como las demás señales encontradas en el espectro se corresponden con las de la estructura de la cadena de PMMA. Los resultados obtenidos a partir del análisis de los espectros de RMN no muestran una clara evidencia de que la reacción haya transcurrido de modo satisfactorio. La desaparición de la señal del metilo terminal en la cadena de PMMA-SH no está clara, ni tampoco es posible identificar ningún pico asignado al desplazamiento debido a la presencia de grupo tiol, puesto que la zona aparece apantallada con la señal del propio metilo del grupo ester del PMMA. Siguiendo con la caracterización de la cadena de PMMA sometida a tratamiento de funcionalización, se ha llevado a cabo el análisis de PMMA-SH mediante espectroscopía RAMAN y FTIR. La caracterización realizada mediante RAMAN de los productos obtenidos en las distintas etapas del tratamiento de funcionalización permitió identificar enlaces disulfuro para la muestra de PMMA tras la primera etapa de tratamiento, Figura 23. Figura 23. Espectro RAMAN del producto obtenido en la primera etapa del tratamiento de funcionalización de PMMA134. Se incluye la región ampliada del espectro 580-425 cm-1 donde se observa el pico correspondiente al enlace disulfuro. En el espectro RAMAN para el compuesto PMMA se muestra la zona 580-425 cm-1 ampliada, donde se encuentra a 483 cm-1, la banda correspondiente a enlaces disulfuro presentes en el compuesto. Este hecho se atribuye a la dimerización de las cadenas PMMA-SH dando lugar a la formación de enlaces puente disulfuro entre los extremos de dos cadenas con grupo SH terminal, originando este tipo de estructuras dímeras (PMMA134-S)2. 3000 2500 2000 1500 1000 500 Intensidad (u. a.) Número de onda (cm-1) 550 500 450 483 CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 122  La Figura 24 muestra comparativamente los espectros FTIR para las cadenas de PMMA antes y después del tratamiento con TDMF.  Figura 24. Espectro FTIR en films sobre ventada de KBr de PMMA134Br y PMMA134SH. Los espectros se muestran en el rango 2750-2450 cm-1, ya que se trata de identificar la banda correspondiente al grupo SH.76 Para PMMA134SH en el espectro se observa un hombro con mayor intensidad a 2565 cm-1, que se atribuye a la presencia de SH en la muestra. La caracterización del sistema realizada mediante las diferentes técnicas no ha permitido determinar con total claridad si el tratamiento de funcionalización aplicado a las cadenas de PMMA se ha podido llevar a cabo con éxito de manera cuantitativa. La formación de enlaces disulfuro entre las cadenas de polímero sometidas al tratamiento fue observado mediante espectroscopía RAMAN para el producto obtenido en la primera etapa de reacción con TDMF. Adicionalmente el espectro FTIR de la muestra PMMA-SH, correspondiente a la segunda etapa de tratamiento reductivo con DTT, ha permitido identificar el hombro de poca intensidad atribuido a la presencia de grupos SH en el producto final. Como ruta alternativa propuesta para conseguir el tiol terminal en PMMA, se ha polimerizado MMA mediante la técnica de polimerización radicalaria controlada RAFT lo que permite, tras un tratamiento desarrollado en un solo paso, la ruptura del ditioester terminal presente en el polímero, poder obtener cadenas PMMA funcionalizadas. Esta segunda estrategia aparece recogida en el apartado 4.3.2 de Funcionalización de polímeros obtenidos mediante RAFT. 2750 2700 2650 2600 2550 2500 2450 PMMA134SH PMMA134Br Absorbancia Número de onda (cm-1) Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 123  FUNCIONALIZACIÓN DE POLIACRILONITRILO Las muestras de PAN obtenidas mediante ATRP, conteniendo Br terminales en su estructura, fueron sometidas a tratamientos de funcionalización con el objetivo de transformar los átomos de halógeno terminales en grupos SH. En líneas generales se han seguido procedimientos sintéticos idénticos a los descritos previamente para la funcionalización de PMMA. La funcionalización de este tipo de polímero resulta un procedimiento novedoso, especialmente el realizado mediante transformaciones químicas a partir de un grupo reactivo. Los trabajos relacionados con este aspecto se basan en la incorporación de grupos funcionales a la cadena mediante el uso de iniciadores específicos en procesos de polimerización radicalaria no controlada.78 La ruta sintética para la obtención de grupos SH en las cadenas de PAN se desarrolla en tres etapas diferenciadas, Esquema 28. Inicialmente tiene lugar el intercambio de halógeno terminal que potencia la reactividad de los grupos terminales funcionales. La siguiente etapa transcurre en presencia de TDMF, agente precursor de los grupos SH. Finalmente un siguiente tratamiento con DTT permite la obtención de los grupos funcionales tiol. En el punto 4, Parte Experimental se detallan los procedimientos experimentales desarrollados en el tratamiento de funcionalización de homopolímeros PAN. Br N N x KI, DMF I N N x I N N x 1) TDMF 2) MeOH, DTT 2 N N S x 2 N N S x SH N N x DMF, DTT, (Ph) 2 O Esquema 28. Ruta sintética para la obtención de PAN-SH. Se sometieron a tratamiento de funcionalización cadenas de PAN con distinto grado de polimerización, PAN22, PAN50 y PAN101, con el objetivo de estudiar su uso como ligandos para la síntesis de NPs metálicas.  78 W. Bracke, J.A. Empen, C.S. Marvel Macromolecules 1, 465-469, 1968. CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 124  La estructura química de las cadenas de PAN sometidas al tratamiento de funcionalización se ha estudiado mediante RMN de 1H, espectroscopía FTIR y SEC. Se caracterizaron los productos resultantes en cada una de las etapas de la funcionalización, lo que permitió hacer un seguimiento del proceso. La caracterización directa de los grupos SH del producto resultante, debido a la propia naturaleza de la muestra, no resultó tan evidente como en el caso del PS. La etapa inicial del proceso que transcurre con el intercambio de halógeno, se pudo seguir mediante RMN de 1H. Como se muestra en la Figura 25, se ha comprobado como la reacción sobre el halógeno terminal, de reemplazamiento de Br por I ha tenido lugar tras el tratamiento con KI.  Figura 25. Espectros RMN de 1H (DMSOd 6 , 500 MHz) correspondientes a PAN22Br (a) y PAN22I (b). La asignación de las señales del espectro de PAN22Br es válida para PAN22I con la única excepción de la señal asociada al protón del grupo metino en posición  respecto del átomo de halógeno. En presencia de Br esta señal se localiza en torno a 5.1 ppm (señal e, Figura 25b) y se desplaza a campos más altos en el espectro cuando el intercambio Br/I ha tenido lugar. En presencia de I la señal aparece a H =4.6 ppm (señal d, Figura 25a). El desplazamiento asignado a la señal correspondiente al protón adyacente al halógeno terminal confirma la presencia de átomo de I en posición terminal en la estructura del polímero y por tanto que la reacción de intercambio de halógeno ha tenido lugar. La Figura 26 recoge, a modo comparativo, los espectros de infrarrojo del polímero antes y después del tratamiento con KI. Los espectros fueron realizados a partir de film en DMF depositado en ventana de KBr. En el espectro se observa una intensa banda localizada a 1668 cm-1 correspondiente a residuos de pp m1.02.03.04.05.06.0 4.505.00 N N I N x N N Br N x ab cc bd acbcbe e e d dc c b b a a DMF DMSO DMSO a) b) Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 125  DMF en el film. Se comprueba como la estructura del polímero no ha sufrido ninguna alteración en la reacción. Se muestra como en ambos espectros se registraron las bandas características de la cadena de PAN. A 2936 cm-1 y 2867 cm-1 se registran las bandas de vibración de tensión asimétrica y simétrica, respectivamente, de los enlaces carbono-hidrogeno de los grupos metileno de la cadena. Mientras que desplazándonos a menores frecuencias se localiza a 1457 cm-1 el modo de vibración de flexión para estos mismo grupos CH2. En torno a 2243 cm-1 se identifica la banda correspondiente al modo de vibración de tensión de los grupos nitrilo, indicativo de que la estructura del polímero no ha sufrido significativos procesos de ciclación intramoleculares. A partir de los espectros de FTIR no fue posible caracterizar la funcionalización halógeno terminal de las cadenas.  Figura 26. Espectros FTIR realizados sobre ventana de KBr. a) PAN22Br, b) PAN22I. (*) Residuos DMF. La segunda etapa del proceso que implica el reemplazo del I por el precursor tiolado TDMF, da lugar, tras la primera reacción, a la formación de enlaces disulfuro entre la cadenas, formando cadenas dímeras. Esto ha sido estudiado mediante análisis SEC por comparación entre las curvas de distribución de los pesos moleculares de la cadena precursora con Br terminal y la misma cadena después del primer tratamiento con TDMF, Figura 27. 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Número de onda (cm-1) * * b) Absorbancia a) CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 132  que se ha observado como el empleo de la cadena funcionalizada con SH presenta diferente comportamiento al observado con el empleo de la cadena sin funcionalizar lo que muestra de manera indirecta nuevamente como el tratamiento de funcionalización seguido ha permitido obtener cadenas de CDB con funcionalidad específica SH. 3.3.2. Funcionalización de ligandos sintetizados por RAFT La funcionalización de los polímeros preparados mediante RAFT se ha realizado a partir de la reducción de los grupos ditioester terminales de las cadenas. Se han polimerizado mediante esta técnica MMA y MAA, a partir de los cuales se realizan diferentes tratamientos de funcionalización para conseguir el grupo tiol terminal. Se llevaron a cabo reacciones de aminolisis e hidrazinolisis y también en presencia de hidruros, con la precaución de que en el proceso no tenga lugar la formación de enlaces disulfuro entre las cadenas. En el Esquema 30 se muestra la ruta sintética seguida donde se recogen las diferentes estrategias usadas para la funcionalización controlada de polímeros obtenidos mediante RAFT. Esquema 30. Tratamiento funcionalización polímeros obtenidos mediante RAFT. Se presentan diferentes estrategias empleando diversos nucleófilos para transformar el grupo ditioester residual en SH. De manera general, el proceso implica la liberación del grupo tiocarbonílico por acción de diferentes agentes nucleófilos. Para la funcionalización de estos polímeros se emplean dos tipos de tratamientos. En el primero de ellos se usaron aminas primarias, en el conocido proceso de aminolisis, para ello se usa la 1-butilamina. En un segundo experimento se emplea hidrazina, llevándose a cabo en este caso una reacción de hidrazinolisis sobre la cadena de polímero con el grupo del CTA en posición . El seguimiento de la reacción se puede realizar también observando el cambio de color que I. Aminolisis II. Hydrazinolysis III. Hidruros SEC ‐DESOXIGENACIÓN ‐Na 2 S 2 O 4 ‐TCEP S S SH ACOPLAMIENTO OXIDATIVO LIBERACIÓN GRUPO DITIOESTER ( I, II, III ) S S Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 133  experimenta el polímero. En general, los polímeros inicialmente de color rosa, con la ruptura del grupo ditioester, pierden esta tonalidad característica y viran a un color blanquecino u ocre. A continuación se detallan los diferentes tratamientos realizados con las muestras de PMMA y PMAA polimerizadas mediante RAFT. FUNCIONALIZACION DE POLIMETACRILATO DE METILO En los siguientes apartados se presentan los tratamientos de aminolisis e hidrazinolisis llevados a cabo en presencia de homopolímeros PMMA conteniendo grupo ditioester terminal precursor para la funcionalización con grupos SH de las cadenas. AMINOLISIS DE POLIMETACRILATO DE METILO La cadena de homopolímero PMMA, conteniendo el grupo ditioester en posición , se somete a la reacción con amina primaria, la butilamina, para su transformación en grupo SH terminal. El esquema de reacción se presenta a continuación, donde el proceso se lleva a cabo bajo condiciones de atmósfera inerte y en presencia de un agente reductor, el Na2S2O4, para evitar la oxidación de los grupos tiol con la consecuente formación de enlaces disulfuro entre las diferentes cadenas de polímero en el medio (Esquema 31). Esquema 31. Reacción de aminolisis en PMMA-S2Ph Se ha llevado a cabo la funcionalización de diferentes muestras de PMMA variando el peso molecular de la cadena. De manera muy característica, la evolución del proceso pudo ser seguida visualmente debido a los cambios de color que experimenta el medio, inicialmente rojo evoluciona a naranja y finalmente incoloro, durante el período de reacción de 2 horas, tal y como se muestra en la Figura 32. El procedimiento experimental seguido se detalla en el punto 4 del capítulo, Parte Experimental. THF Na 2 S 2 O 4 (aq) NC OO S S X +H2N NC OO SH X (rosa) (blanco) CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 134  Figura 32. Diferentes cambios que se observan en la reacción de aminolisis de PMMA. La caracterización estructural del producto resultante se realiza mediante SEC, RMN de 1H, FTIR y espectroscopía UV-vis. En la Figura 33 se muestran las curvas SEC del polímero, antes y después del tratamiento. No se observa ninguna variación significativa de la distribución de peso molecular, ni tampoco ningún tipo de hombro ni doble pico indicativo de la formación de enlaces disulfuro entre las cadenas. Figura 33. Comparación curvas de SEC de PMMA antes y después del tratamiento de aminolisis. PMMA13S2Ph (línea continua), PMMA13SH (línea discontinua). Los datos de pesos moleculares promedio en número y los índices de polidispersidad para ambas muestras se presentan en la Tabla 10. Tabla 10. Pesos moleculares promedio (Mn) e índices de polidispersidad (Mw/Mn) determinados mediante SEC de PMMA antes y después del tratamiento con butilamina. MUESTRA Mn M w/Mn PMMA13S2Ph 1536 1.11 PMMA13SH 1885 1.18 t=0 t=20´ t=2h 20 22 24 26 Tiempo (min) Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 135  El espectro de RMN de 1H permite la determinación de los cambios a nivel estructural de la cadena de PMMA después del tratamiento con butilamina. De manera muy notable se puede seguir mediante el análisis del espectro de RMN la reducción del grupo ditioester para la obtención del grupo tiol ya que transcurre con la ruptura del grupo tiobenzoato terminal del homopolímero. Figura 34. Espectros de RMN de 1H (CDCl3, 400 MHz) correspondientes a PMMA13S2Ph (a) y PMMA13SH (b) después del tratamiento con butilamina. En la Figura 34 se comparan los espectros de PMMA antes y después de la reacción en presencia de la amina. Ambos presentan los picos correspondientes al esqueleto principal de PMMA comprendidos entre 0.9 y 2.0 ppm, además del metilo del ester a 3.6 ppm. Significativamente se muestra en el espectro como después del tratamiento de aminolisis las señales asignadas a los protones aromáticos del grupo ditiobenzoato desaparecen en el espectro, prueba determinante de que la ruptura del grupo tiobenzoato ha tenido lugar cuantitativamente en la reacción con la consecuente formación de grupo funcional tiol en esta posición. El diferente aspecto que presenta el homopolímero PMMA antes y después del tratamiento con la butilamina se muestra en la Figura 35. Se observa la pérdida de color experimentada en el PMMA como consecuencia de la ruptura del grupo ditiobenzoato. Tras el tratamiento, la muestra de PMMA presenta color blanco, lo cual resulta concordante con lo observado en el espectro de RMN con la ausencia de los protones aromáticos del grupo tiobenzoato. 1.02.03.04.05.06.07.08.0 7.50 7.50 a) b) NC OO S S X NC OO SH X acb a ac b b d d d d f f f f e e e e CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 136   Figura 35. Cambio de color que experimenta el polímero PMMA después del tratamiento con butilamina. Mediante espectroscopía UV-vis se recogieron los espectros del homopolímero PMMA disuelto en tolueno correspondientes a muestras de antes y después del tratamiento de aminolisis. A la vista de la comparativa de estos espectros mostrada en la Figura 36, se comprueba como el espectro de PMMA registrado después del tratamiento aminolisis muestra la desaparición de la banda con máximo a 512 nm asignada al grupo ditioester terminal de la cadena. La ruptura del grupo ditioester terminal presente en la cadena resulta, de manera indirecta, indicativo de la formación del grupo SH terminal debido a la ruptura reductiva por acción de la butilamina.  Figura 36. Espectros UV-vis de PMMA obtenido mediante RAFT antes (PMMA-S2Ph) y después (PMMA-SH) del tratamiento de aminolisis del grupo ditioester terminal. El análisis por espectroscopía FTIR mostró como la estructura del polímero no se ha modificado significativamente con el tratamiento de ruptura de ditioester. AMINOLISIS S S PMMA SHPMMA 400 450 500 550 600 0.0 0.2 0.4 PMMA-SH PMMA-S2Ph Absorbancia  (nm) PMMA‐S 2 Ph PMMA‐SH Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 137  HIDRAZINOLISIS DE POLIMETACRILATO DE METILO Se ha empleado también el tratamiento con hidrazina como estrategia de funcionalización con grupo tiol a partir del polímero con el grupo tiobenzoato terminal (Esquema 32). La reacción implica el uso de hidrazina en medio orgánico con la consiguiente reducción del ditioester, lo que da lugar a la formación del grupo tiol.79,80 El procedimiento experimental seguido se detalla en el punto 4, Parte Experimental. NC OO S S X H2NNH 2 NC OO SH X THF (rosa) (blanco)  Esquema 32. Tratamiento con hidrazina para la funcionalización de PMMA-S2Ph. El PMMA se caracteriza mediante experimentos de SEC, RMN de 1H y espectroscopía UV-vis para comprobar en qué medida la reacción ha tenido lugar. En la Figura 37 se muestran las curvas SEC de PMMA antes y después del tratamiento con hidrazina. Se observa como ambas curvas no presentan ningún tipo de hombro ni doble pico, de acuerdo con la ausencia de enlaces disulfuro entre las cadenas. Figura 37. Comparación curvas SEC de PMMA antes y después del tratamiento con hidrazina. PMMA16S2Ph (línea continua), PMMA16SH (línea discontinua).  79 G. Wei, F. Wen, X. Zhang, W. Zhang , X. Jiang, P. Zheng, L. Shi J. Colloid Interface Sci. 316, 53–58, 2007. 80 C.U. Lee, D. Roy, B.S. Sumerlin, M.D. Dadmun Polymer 51, 1244–1251, 2010. 18 20 22 24 26 Tiempo (min) CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 138  Los datos de pesos moleculares promedio en número y los índices de polidispersidad para ambas muestras se presentan en la Tabla 11. Tabla 11. Pesos moleculares promedio en número (Mn) e índices de polidispersidad (Mw/Mn) determinados mediante SEC de PMMA antes y después del tratamiento con hidrazina. MUESTRA Mn M w/Mn PMMA16S2Ph 2025 1.13 PMMA16SH 1979 1.18 El valor de Mn obtenido mediante análisis SEC para PMMA16-SH después del tratamiento con hidrazina resulta indicativo de la ausencia de enlaces puente disulfuro entre las cadenas, una vez que la ruptura del grupo tiobenzoato da lugar a la formación de los grupos tiol terminales de las cadenas. En la Figura 38 se muestran comparativamente los espectros de RMN de 1H del PMMA antes y después del tratamiento con hidrazina. Se observa la desaparición de las señales de los protones del anillo aromático del grupo ditiobenzoato después de la reacción de hidrazinolisis, zona ampliada en los espectros, lo que confirma que la ruptura del grupo ditioester tuvo lugar. Este hecho se relaciona con la pérdida de color observada en la muestra, al igual que se mostraba para la reacción de aminolisis en la Figura 36, donde el polímero presenta el mismo aspecto. Las demás señales del espectro se asignan a los protones pertenecientes a la propia estructura del polímero.  Figura 38. Espectros de RMN de 1H (CDCl3, 400MHz) correspondientes a PMMA16S2Ph (a) y PMMA16SH (b) después del tratamiento con hidrazina. pp m1.02.03.04.05.06.07.08.0 7.508.00 7.508.00 b) a) NC OO S S X a ac b b d f e NC OO SH X d f e e e d d f f acb Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 139  Las curvas de SEC aseguran la monodispersidad de las cadenas de polímero tras el tratamiento de funcionalización y la caracterización estructural realizada mediante RMN de 1H muestra como en la reacción de hidrazinolisis el grupo ditioester terminal es desplazado. Por todo ello se considera que la oxidación del grupo tiol en la posición terminal de la cadena, obtenido tras el tratamiento con hidrazina, no tuvo lugar. Las condiciones experimentales en las que se trabajó, en ausencia de medio oxidante, evitaron la oxidación de los grupos tiol de la cadena de PMMA. Mediante espectroscopía UV-vis se obtuvieron los espectros Uv-vis de disoluciones de PMMA en THF para las muestras antes y después del tratamiento con hidrazina, Figura 39. Figura 39. Espectros UV-vis de PMMA obtenido mediante RAFT antes (PMMA-S2Ph) y después (PMMA-SH) del tratamiento con hidrazina del grupo ditioester terminal. Se observa como la banda con máximo localizado a 512 nm, observada en el espectro de la muestra PMMA-S2Ph, desaparece después del tratamiento con el reductor. Este hecho evidencia que la ruptura del grupo ditioester terminal de la cadena ha tenido lugar tras el tratamiento con hidrazina. En la figura se incluyen las imágenes del aspecto que presenta el polímero en disolución de THF . Alternativamente al tratamiento con butilamina, con esta segunda estrategia empleando hidrazina se ha comprobado como el uso de este agente permite obtener la funcionalidad tiol terminal en la cadena de PMMA por el mismo mecanismo de desplazamiento del grupo tiobenzoato, resultando por tanto ambos métodos favorables para ello. La polimerización RAFT de MMA ha permitido obtener de manera directa la cadena de homopolímero con grupo funcional derivado del azufre en posición . A continuación, un sencillo tratamiento en 400 450 500 550 600 0.0 0.2 0.4 PMMA-S2Ph PMMA-SH Absorbancia  (nm) PMAA‐S 2 Ph PMAA‐SH CAPÍTULO 2 Ligandos poliméricos 140  presencia de amina o hidrazina ha conducido a la obtención de la funcionalidad SH terminal en la cadena de homopolímero, lo que constituye una segunda estrategia sintética para conseguir cadenas de PMMA con estas características. Mientras que el método basado en polimerización ATRP seguido del tratamiento con TDMF resultaba más tedioso y poco efectivo, el empleo de esta estrategia alternativa para obtener el homopolímero funcionalizado tiene lugar de manera intrínseca al propio mecanismo de polimerización de la cadena. En consecuencia esta segunda alternativa en la funcionalización de PMMA resulta más ventajosa y adecuada para la naturaleza de este polímero. FUNCIONALIZACIÓN DEL ÁCIDO POLIMETACRÍLICO AMINOLISIS DEL ÁCIDO POLIMETACRÍLICO Se sometió la cadena de PMAA al mismo tipo de tratamiento con la amina primaria, la butilamina, para funcionalizar las cadenas con grupos tiol en posición terminal. En este caso la reacción se lleva a cabo en metanol, manteniendo el resto de condiciones empleadas para el PMMA. MeOH Na 2 S 2 O 4 (aq) NC HO O S S X+ H 2 N NC HO O SH X (rosa) (blanco) Esquema 33. Reacción de aminolisis en PMAA-S2Ph. Se ha llevado a cabo la funcionalización de diferentes muestras de PMAA variando el peso molecular de la cadena. El procedimiento experimental seguido se detalla en el punto 4 de la memoria, Parte Experimental. La caracterización estructural y de los grupos funcionales de la cadena de PMAA tras el tratamiento con butilamina se ha realizado mediante RMN de 1H, espectroscopía UV-vis y FTIR. En la Figura 40 se muestran los espectros de RMN de 1 H para el PMAA68 comparando el polímero obtenido tras la polimerización RAFT con el polímero resultante del tratamiento con butilamina. Ligandos poliméricos CAPÍTULO 2 141  Figura 40. Espectros de RMN de 1H correspondientes a PMAA68S2Ph (D2O, 400 MHz) (a) y PMAA68SH (DMSOd 6, 400 MHz) (b) después del tratamiento con butilamina y asignación de las señales. En el espectro RMN en D2O del PMAA, después del tratamiento con butilamina, se observa cómo desaparecen las señales de los protones del anillo aromático del grupo tiobenzoato, localizados en el intervalo 7.4-8.0 ppm, lo que confirma que la aminolisis ha tenido lugar. El espectro mostrado también se registró en DMSOd 6 obteniéndose las mismas señales, aunque debido a la mayor viscosidad del medio éstas aparecen más ensanchadas. En la Figura 41 se muestran comparativamente los espectros en la región UV-vis de las muestras de PMAA en agua recogidos antes y después del tratamiento de aminolisis. Al igual que en el espectro de PMMA-S2Ph, la banda localizada a 512 nm desaparece tras el tratamiento con butilamina en metanol, indicativo de que la reacción de desplazamiento de grupo ditioester ha tenido lugar. pp m1.02.03.04.05.06.07.08.09.010.011.012.0 7.508.00 7.508.00 HO S ONC HO OS X b b a a c e f acb d d D2O DMSO (CH3)2CO (CH3)2CO f f e e * * * * HO SH ONC HO O X f e b) a) CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 244  Figura 30. Evolución con el tiempo en los espectros UV-visible observada para cada uno de los sistemas Au@PS75SH con el tratamiento a 110 ºC. En líneas generales, en relación a lo observado anteriormente para la serie preparada con PS26SH, el aumento en el peso molecular del ligando da lugar a un crecimiento más controlado de la partícula. Para los sistemas preparados con una mayor concentración de ligando, 0.76 y 0.50 mM, se observa un lento desarrollo de la banda plasmónica obteniéndose al cabo de las 17 horas de tratamiento espectros con max en torno a 520 nm y de poca intensidad. Para los sistemas obtenidos a menores concentraciones de ligando, 0.10 y 0.06 mM, los espectros registrados muestran una mayor evolución en el proceso de crecimiento inducido con temperatura. Se observa una intensificación de la banda y también un ligero desplazamiento hacia mayores longitudes de onda de max a medida que el tiempo de tratamiento se incrementa. Mediante TEM se han analizado los diferentes sistemas en tres etapas distintas en el desarrollo del proceso. Se han estudiado los diferentes sistemas a los tiempos 1.5, 4.5 y 17 horas, con el objetivo de poder seguir los cambios en el tamaño y morfología experimentados por las partículas en el medio, Figura 31. 400 500 600 700 800 0.0 0.5 1.0 0.5 h 1 h 1.5 h 2.5 h 4.5 h 6.5 h 8.5 h 13 h 17 h Absorbancia  (nm) 400 500 600 700 800 0.0 0.5 1.0 0.5 h 1 h 1.5 h 2.5 h 4.5 h 6.5 h 8.5 h 13 h 17 h Absorbancia  (nm) 0.76 mM 400 500 600 700 800 0.0 0.5 1.0 0.5 h 1 h 1.5 h 2.5 h 4.5 h 6.5 h 8.5 h 13 h 17 h Absorbancia  (nm) 0.50 mM 0.10 mM 400 500 600 700 800 0.0 0.5 1.0 0.5 h 1 h 1.5 h 2.5 h 4.5 h 6.5 h 8.5 h 13 h 17 h Absorbancia  (nm) 0.06 mM Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 245  Figura 31. Imágenes TEM donde se muestra la evolución de los diferentes sistemas Au@PS75SH durante el tratamiento a 110 ºC para tres tiempos; 1.5, 4.5 y 17 horas. En cada imagen se muestra el histograma con la dispersión de tamaños estimada. A partir de las imágenes TEM obtenidas a los distintos tiempos de desarrollo del proceso, se han estimado los valores de diámetro medio para cada sistema y la distribución de tamaños existente en cada etapa, como muestra la Tabla 10. También se indica el valor de la longitud de onda a la que se localiza el máximo de la banda plasmónica (max), en relación directa con el tamaño y morfología de las NPs. 1.5h4.5h17h Au@PS 75 SH‐1Au@PS 75 SH‐2Au@PS 75 SH‐3Au@PS 75 SH‐4 01234567 0 30 60 Frecuencia Diámetro (nm) 01234567 0 30 60 Frecuencia Diámetro (nm) 01234567 0 30 60 90 Frecuencia Diámetro (nm) 01234567 0 30 60 90 Frecuencia Diámetro (nm) 01234567 0 30 60 90 Frecuencia Diámetro (nm) 0123456 7 0 30 60 Frecuencia Diámetro (nm) 0123456 7 0 40 80 120 Frecuencia Diámetro(nm) 01234567 0 30 60 90 Frecuencia Diámetro (nm) 01234567 0 20 40 60 Frecuencia Diámetro (nm) 024681 0 0 10 20 30 Frecuencia Diámetro ( nm ) 024681012 0 20 40 Frecuencia Diámetro (nm) 036912151821 0 10 20 Frecuencia Diámetro (nm) CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 246  Tabla 10. Caracterización de la evolución del sistema Au@PS75SH a diferentes tiempos de tratamiento con 110 ºC. Estimación de los valores de diámetro medio realizada a partir de análisis TEM y posición de max en cada sistema. Muestra PSSH (mM) DTEM (nm) DTEM (nm)/ (max) O h 1.5 h 4.5 h 17 h Au@PS75SH-1 0.76 2.30.5 3.20.6 (510) 3.90.6 (514) 4.60.5 (522) Au@PS75SH-2 0.50 2.20.5 3.00.5 (509) 4.60.5 (522) 6.90.8 (519) Au@PS75SH-3 0.10 3.50.4 4.30.6 (520) 5.00.7 (524) 7.61.3 (518) Au@PS75SH-4 0.06 4.10.4 4.90.9 (519) 5.30.7 (521) 13.52.8 (525) A partir del análisis de las imágenes de TEM para toda la serie de muestras se observa el incremento de tamaño de la partícula, inducido por el tratamiento térmico al que fueron sometidas las diferentes dispersiones. Como ya se había deducido del análisis realizado a partir de la evolución de los espectros UV-visible, mediante TEM se comprueba como el crecimiento de las partículas ha ocurrido de manera progresiva, de modo que los valores de polidispersidad apenas se han visto afectados y los tamaños finales obtenidos corresponden a un mecanismo de crecimiento controlado. El aumento en el peso molecular del ligando, PS75SH, y por tanto también de su longitud, resulta determinante en el comportamiento observado en esta serie. Atendiendo a las diferencias en la composición de los sistemas, se observa como las muestras con mayor concentración de ligando, 0.76 mM y 0.50 mM experimentan un crecimiento más lento y restringido, especialmente para la concentración 0.76 mM que muestra un tamaño medio de 4.6 nm al cabo de las 17 horas de tratamiento. El comportamiento observado en el caso de bajas concentraciones de ligando, 0.10 mM, resulta coherente con el observado a mayores concentraciones y con el hecho de que la disminución en la concentración se ve compensado en este caso con la mayor eficacia que este ligando, de cadena más larga, ofrece a la hora de controlar el proceso de crecimiento y la estabilidad coloidal. Sin embargo, disminuyendo todavía más este valor de concentración hasta 0.06 mM, se observa que el crecimiento de la partícula resulta menos controlado, presentándose incluso una importante formación de agregados, como se observa en la imagen tomada a las 17 horas de tratamiento. En líneas generales se puede comprobar que el empleo de ligandos PS75SH, de mayor peso molecular, ofrece un mayor control en el proceso de crecimiento de la NP inducido por temperatura. Fundamentalmente, el crecimiento se basa en un mecanismo tipo Ostwald muy controlado debido a la eficacia en el proceso de estabilización o reencapsulación que gobierna la etapa final de crecimiento e impide que fenómenos de coalescencia con menor control compitan en dicho proceso. Se ha observado Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 247  también que la disminución de los valores de concentración de ligando en el medio hasta 0.06 mM, ha propiciado que, a tiempos largos de tratamiento (17 horas), debido al crecimiento experimentado en etapas previas y al menor control en la estabilización de las partículas acusado por el descenso en la concentración de ligando presente, el crecimiento se vea afectado por procesos de coalescencia poco controlados que dan lugar al crecimiento de partículas por la simple aglomeración de las ya presentes en el medio. Este tipo de fenómeno, con menor control debido a la menor estabilidad de la capa protectora de ligando, también había sido observado, incluso en mayor grado, en la serie preparada con PS26SH, en donde ya se presentaba en sistemas con concentraciones de 0.10 mM. Esto pone de manifiesto que el empleo de ligandos con mayor peso molecular estabilizan más efectivamente las NPs frente a los mecanismos mencionados. Evolución en el sistema Au@PS167SH sometido a tratamiento térmico controlado En la tercera de las series preparadas se emplean cadenas poliméricas de ligando, PS167SH, donde el peso molecular de ligando se ve incrementado hasta valores de 17000 g/mol. Como en apartados anteriores, se ha preparado una serie de cuatro muestras variando composiciones del sistema, atendiendo a las diferentes concentraciones de ligando empleadas, de modo similar al recogido en la Tabla 2 mostrada al inicio del capítulo. Las diferentes muestras son sometidas a tratamiento térmico a 110 ºC por tiempos controlados. En la Figura 32 se muestra la evolución experimentada por las diferentes muestras en las distintas etapas del proceso. CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 248  Figura 32. Evolución del color experimentada en las diferentes dispersiones de NPs en presencia de ligandos PS167SH en función del tiempo para tratamiento a 110 ºC. La evolución resulta significativa atendiendo las diferentes tonalidades que cada muestra presenta, dependiendo de la composición del medio y del tiempo de tratamiento. A medida que la concentración de polímero disminuye se obtienen dispersiones con colores más rosáceos, indicativo del mayor incremento en el tamaño de las NPs en la dispersión. También en este caso se ha caracterizado el proceso mediante espectroscopía UV-visible, de manera que se pueda seguir la variación de la absorción conforme se incrementan los tiempos de tratamiento en el sistema. Au@PS 167 SH‐1 Au@PS 167 SH‐2Au@PS 167 SH‐3Au@PS 167 SH‐4 1h 1.5h 2.5h 4.5h 6.5h 13h 17h Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 249  Figura33. Evolución con el tiempo en los espectros UV-visible observada para cada uno de los sistemas Au@PS167SH con el tratamiento a 110 ºC. La Figura 33 muestra la evolución experimentada para las diferentes muestras estabilizadas con ligando PS167SH. Analizando de modo general la evolución en relación a los tiempos de tratamiento se observa solamente después de 6.5–8.5 horas un significativo aumento en la intensidad de la banda plasmónica, al mismo tiempo un estrechamiento y un ligero desplazamiento de su max hacia mayores longitudes de onda. Este comportamiento resulta concordante con un incremento en el tamaño de la partícula inducido por la temperatura. Por otro lado, no se observa un cambio significativo con la composición de las muestras. En general todas las muestras evolucionan de manera controlada en presencia de ligandos de mayor peso molecular, comportamiento que significativamente contrasta con lo observado anteriormente para el sistema Au@PS26SH. Se ha realizado el seguimiento de las diferentes dispersiones de NPs mediante análisis TEM llevado a cabo en tres etapas correspondientes a tratamientos de 1.5, 4.5 y 17 horas, como se muestra en la Figura 34. 400 500 600 700 800 0.0 0.5 1.0 0.5 h 1 h 1.5 h 2.5 h 4.5 h 6.5 h 8.5 h 13 h 17 h Absorbancia  (nm) 400 500 600 700 800 0.0 0.5 1.0 0.5 h 1 h 1.5 h 2.5 h 4.5 h 6.5 h 8.5 h 13 h 17 h Absorbancia  (nm) 400 500 600 700 800 0.0 0.5 1.0 0.5 h 1 h 1.5 h 2.5 h 4.5 h 6.5 h 8.5 h 13 h 17 h Absorbancia  (nm) 400 500 600 700 800 0.0 0.5 1.0 0.5 h 1 h 1.5 h 2.5 h 4.5 h 6.5 h 8.5 h 13 h 17 h Absorbancia  (nm) 0.80 mM 0.48 mM 0.21 mM 0.06 mM CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 250  Figura 34. Imágenes TEM donde se muestra la evolución de los diferentes sistemas Au@PS167SH durante el tratamiento a 110 ºC para tres estados diferenciados del proceso; 1.5, 4.5 y 17 horas. En cada imagen se muestra el histograma con la dispersión de tamaños estimada. Como se ha observado en la evolución mostrada mediante los espectros UV-visible recogidos, la progresión seguida para las distintas muestras se corresponde a un crecimiento controlado con el tiempo. A partir del análisis TEM se estiman los tamaños medios de las NPs alcanzados en cada una de las etapas objeto de estudio. Finalmente, en la Tabla 11 se recogen estos datos, junto con los valores de max registrados en cada etapa. 1.5h4.5h17h Au@PS167SH‐1Au@PS167SH‐2Au@PS167SH‐3Au@PS167SH‐4 01234567 0 20 40 60 Frecuencia Diámetro (nm) 0123456 7 0 20 40 Frecuencia Diámetro (nm) 012345678 0 30 Frecuencia Diámetro (nm) 012345678 0 20 40 60 Frecuencia Diámetro (nm) 012345678 0 30 60 90 Frecuencia Diámetro (nm) 012345678 0 30 60 90 Frecuencia Diámetro (nm) 0123456789 0 30 60 Frecuencia Diámetro (nm) 0123456789 0 20 40 Frecuencia Diámetro (nm) 012345678 0 20 40 Frecuencia Diámetro (nm) 012345678 0 20 40 Frecuencia Diámetro (nm) 024681012 0 20 40 Frecuencia Diámetro (nm) 024681012 0 20 40 Frecuencia Diámetro (nm) Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 251  Tabla 11. Caracterización de la evolución del sistema Au@PS167SH a diferentes tiempos de tratamiento a 110 ºC. Estimación de los valores de diámetro medio realizados a partir de análisis TEM y evaluación de la posición de max en cada sistema. Muestra PSSH (mM) DTEM (nm) DTEM (nm)/ (max) 0 h 1.5 h 4.5 h 17 h Au@PS167SH-1 0.80 2.80.4 4.20.5 (533) 4.80.6 (542) 4.90.7 (545) Au@PS167SH-2 0.48 3.90.5 4.50.7 (513) 5.10.7 (519) 5.20.7 (521) Au@PS167SH-3 0.21 5.00.5 5.31.0 (508) 6.00.6 (512) 7.01.2 (526) Au@PS167SH-4 0.06 4.61.3 5.60.8 (519) 6.00.9 (520) 7.91.4 (528) Comparativamente, en relación a la evolución experimentada en el sistema Au@PS75SH, ahora con el uso de ligandos de mayor longitud, PS167SH, se consigue controlar en mayor medida el crecimiento de la partícula. Especialmente, en el caso de las muestras Au@PS167SH-1 y Au@PS167SH-2, con mayor concentración de ligando, se observa cómo tras el incremento de tamaño experimentado a 4.5 horas, apenas se observa cambio alguno con el tratamiento realizado hasta las 17 horas, donde el aumento de tamaño se ha estimado en 0.1 nm. Esta tendencia se mantiene incluso en el caso de las muestras con menor concentración de ligando, 0.06 mM, donde el tamaño medio estimado evoluciona de 6.0 nm, a las 4.5 horas de tratamiento, hasta 7.9 nm después de 17 horas. Aunque en este caso sí se acusa un incremento importante en el índice de polidispersidad; la evolución muestra un proceso más controlado, dando lugar a partículas estabilizadas en el medio incluso en el caso de tratamientos continuados en el tiempo. Este hecho se fundamenta en el uso de ligandos de cadena más larga, de acuerdo a la tendencia ya observada para el sistema Au@PS75SH. Ligandos de cadena más larga aseguran la estabilidad de la partícula, aun en medios donde la concentración se ha reducido considerablemente como es el caso de Au@PS167SH-4. Efecto del tratamiento térmico controlado en las diferentes series de nanopartículas de oro preparadas El análisis conjunto de la evolución experimentada por los diversos sistemas sometidos a similares procesos de crecimiento inducido por temperatura, permite indirectamente la evaluación de la influencia de la cadena de ligando en la estabilidad coloidal de la partícula. Los factores directamente relacionados con ello resultaron ser la composición del medio, dependiente principalmente de la CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 252  concentración de ligando, y el peso molecular del ligando. Este último factor, tratándose de un polímero de cadena lineal, se traduce en la longitud de la cadena de PS, en cuyo extremo terminal presenta el grupo funcional tiol que actúa de anclaje a la superficie de la NP de oro. Este tipo de interacción específica con la superficie metálica determina en parte la reactividad en el proceso de crecimiento de la partícula, participando en las etapas de desorción y reencapsulación que sufre el ligando para permitir el crecimiento del núcleo metálico. Este proceso transcurre sometido a mecanismos tipo Ostwald y/o a coalescencia. En el estudio presentado, donde la naturaleza del medio es análoga en todos los sistemas, la reactividad de la interfase ligando-núcleo metálico resulta seguir una tendencia similar para las diferentes series estudiadas, variando el peso molecular del ligandos, mientras que dentro de cada serie, tan solo se ve condicionada por el diferente grado de recubrimiento que cada partícula, dependiendo de la composición del sistema, puede presentar. Figura 35. Evolución del tamaño de las NPs a diferentes tiempos para cada una de las series preparadas: Au@PS26SH, Au@PS75SH y Au@PS167SH sometidas a tratamiento a 110 °C. En la Figura 35 se representa la evolución mostrada para las diferentes dispersiones de NPs atendiendo a las variables que determinan el sistema: el peso molecular del ligando polimérico empleado y la composición de cada medio estudiado. En los diferentes gráficos mostrados, se puede observar como aumentando el peso molecular del ligando (de izquierda a derecha) el cambio en el tamaño de las NPs con el tiempo resulta cada vez menos significativo. Este hecho se puede relacionar con la mayor estabilidad que los ligandos de mayor peso molecular ofrecen frente a los procesos de crecimiento. En los sistemas estudiados de NPs estabilizadas por moléculas de alcanotiolatos con cadenas que oscilan entre los 5 y 17 átomos de carbono, donde se observa la misma tendencia evolutiva con la longitud de la cadena de ligando, se consideran determinantes los factores energéticos relacionados con la energía cohesiva existente entre las cadenas de ligando que encapsulan el coloide.78,94 Cuanto mayor es la  94 B.L.V. Prasad, S.I. Stoeva, C.M. Sorensen, K.J. Klabunde Langmuir 18, 7515-7520, 2002. 024681012141618 3 6 9 12 15 18 0.80 mM 0.50 mM 0.10 mM 0.07 mM Diámetro NP (nm) Tiempo (h) 024681012141618 3 6 9 12 15 18 0.76 mM 0.50 mM 0.10 mM 0.06 mM Diámetro NP (nm) Tiempo (h) 024681012141618 3 6 9 12 15 18 0.80 mM 0.48 mM 0.21 mM 0.06 mM Diámetro NP (nm) Tiempo (h) Au@PS 26 SH Au@PS 75 SH Au@PS 167 SH Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 253  cadena de ligando, mayor será la energía de interacción cohesiva de tipo van der Waals entre las moléculas de ligando adyacentes que interaccionan con la superficie de la partícula. Atendiendo al factor de la diferente relación ligando:partícula de cada medio, se observa como este efecto resulta bastante determinante en todas las series estudiadas, independientemente del tipo de cadena de PS, y resulta especialmente acusado para el sistema Au@PS26SH. En general, cuanto mayor es la concentración de ligando en el medio, el equilibrio entre los procesos de adsorción y desorción del ligando que estabiliza la NP se ve claramente desplazado hacia el favorecimiento de la reencapsulación del coloide, lo que contribuye a disminuir el incremento de tamaño experimentado en condiciones de tratamiento con temperatura. Sin duda, el factor más determinante en el estudio comparativo realizado para las tres series de muestras sometidas a tratamiento térmico controlado, ha resultado ser la diferente longitud de la cadena de ligando.95 Mientras que todos los sistemas objeto de estudio se mostraron estables, incluso después de finalizado el tratamiento, el proceso de crecimiento de las partículas sí ha evolucionado de manera diferente atendiendo a los distintos pesos moleculares de los ligandos utilizados, Esquema 13. Esquema 13. Efecto de la variación en el peso molecular del ligando en el tratamiento del crecimiento inducido por temperatura (110 ºC) de las diferentes series Au@PSn-SH con Mn creciente (de izquierda a derecha). Las cadenas cortas de polímero (izquierda) inducen procesos de agregación poco controlada, sin embargo los ligandos de cadena larga (derecha) aseguran la estabilización estérica frente a este tipo de fenómenos.  95 X. Jia, J. Listak, V. Witherspoon, E.E. Kalu, X. Yang, M.R. Bockstaller Langmuir 26, 12190-12197, 2010. CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 260  en presencia de ligando PAN114Br disuelto, (I); después de esta etapa, con la formación de las NPs en el medio, (II); y finalmente el cambio experimentado en el medio debido a la evolución de las partículas dispersas, (III). Figura 39. Distintas etapas en la síntesis de NPs de oro en presencia de PAN114Br.I) disolución PAN114Br en presencia de Au(III), II) reducción química, III) evolución experimentada en el sistema a los 11 días. La evolución experimentada se ha seguido mediante espectroscopía UV-visible. En la Figura 40 se muestran los espectros registrados para la muestra Au@PAN114Br a diferentes tiempos. Figura 40. Evolución observada en el sistema Au@PAN114Br seguida mediante espectroscopía UV-visible. La tendencia observada en la evolución de los espectros es similar, en líneas generales, a la mostrada para el sistema Au@PAN33Br. En la Figura 40, se comprueba que el proceso se ve ralentizado en relación a lo observado para el sistema obtenido en presencia de PAN33Br. Mientras que en el espectro de absorción registrado después de 1 día, la banda plasmónica de las NPs todavía no resulta muy definida, para la misma muestra estudiada a los 6 días esta banda resulta más notoria con max en torno a 521 nm, aunque todavía no es comparable con la observada para este mismo tiempo en la dispersión Au@PAN33Br. En este estado, la dispersión Au@PAN114Br, presenta todavía color marrón, de acuerdo con lo observado en el espectro UV-visible, con la banda plasmónica todavía poco definida. El cambio más significativo en la coloración de la muestra se percibe a los 11 días de evolución, como se (I) (II) (III) NaBH 4 11 días REDUCCION EVOLUCION 400 500 600 700 800 1 día 6 días 30 días Absorbancia  (nm) Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 261  muestra en la Figura 39 (III), donde la dispersión de NPs presenta ahora color rojizo, lo que indica un incremento en el tamaño de los coloides estabilizados. Siguiendo la tendencia general, el espectro UVvisible del sistema transcurridos 30 días, presenta una banda plasmónica más intensa y definida, donde el valor de max ha experimentado un ligerísimo desplazamiento y se localiza ahora en 527 nm. Este valor resulta inferior al encontrado para el sistema Au@PAN33Br, donde el max para este tiempo se localizaba en torno a los 537 nm. Este hecho podría justificar el hecho de que el incremento de tamaño de la NPs experimentado en este sistema con ligando PAN114Br resulte menor al observado con el empleo de ligando PAN33Br. Mediante el análisis TEM de las muestras se han estudiado el tamaño y morfología de las partículas por observación directa de las dispersiones de partículas tomadas a dos tiempos distintos para caracterizar el proceso evolutivo experimentado, Figura 41. Figura 41. Imágenes de TEM que muestran la evolución de las partículas Au@PAN114Br: A) 1 día, B) 30 días. Insertado en cada imagen se incluye el histograma para cada una de las distribuciones de NPs. Las muestras estudiadas a distinto tiempo muestran NPs con morfología esférica, donde se evidencia la evolución experimentada. Mientras que en las partículas pertenecientes a la muestra estudiada con 1 día (imagen A) el tamaño medio determinado fue de 5.51.2 nm, las partículas observadas con el paso de 30 días (imagen B) presenta un tamaño de 7.81.8 nm, lo que implica un incremento medio de 2.3 nm. En relación al sistema Au@PAN33Br, se observa que con el empleo del ligando con mayor peso molecular, PAN114Br, para un sistema similar al presentado anteriormente, la dispersión de partículas experimenta una evolución más gradual con un menor incremento de tamaño final y por tanto con mayor estabilidad del proceso. La distinta evolución mostrada para la dispersión Au@PAN114Br se relaciona de manera directa con la diferente composición del medio puesta de manifiesto en el valor del parámetro R , donde la relación de unidades monoméricas conteniendo grupos nitrilo por átomo metálico de Au en el medio es de 43, AB 0246810 0 40 Frecuencia (%) Diámetro (nm) 02468101214 0 30 60 Frecuencia (%) Diámetro (nm) CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 262  superior a la empleada para el sistema PAN33Br ( R =13). Este hecho resulta determinante en la capacidad de estabilización que cada tipo de medio ejerce sobre los coloides formados in situ . Del diferente comportamiento observado para los dos sistemas a lo largo del proceso evolutivo se deduce que el valor del parámetro R no resulta determinante en la etapa inicial de reducción y formación de los primeros clústeres y partículas en el medio, pero sí en el proceso de estabilización de los coloides ya formados en la dispersión. Tabla 13. Dispersiones de NPs obtenidas en presencia de ligandos Au@PANn-Br. Muestra Mn (g/mol)a R (CN/Au) max (nm) DTEM (nm) 1 día 30 días 1 día 30 días Au@PAN33Br 1300 13 516 517 5.10.3 102.5 Au@PAN114Br 5500 43 521 527 5.51.2 7.81.8 Inicialmente se ha propuesto el empleo de este tipo de ligando (sin funcionalidad tiol) para la síntesis y estabilización de NPs de oro debido al potencial interés de los grupos funcionales nitrilo incluidos en la cadena de PAN por su capacidad de complejación con diversos centros metálicos.97 De los resultados obtenidos se ha observado la formación de dispersiones estables de NPs en presencia de PAN que experimentan, durante un corto período de tiempo inicial, un incremento controlado en el tamaño medio de las NPs hasta su completa estabilización. Una vez finalizada esta etapa, los coloides estabilizados con ligandos PAN permanecen estables en disolución sin experimentar ningún tipo de proceso de agregación o coalescencia. El mismo comportamiento se ha observado con el empleo de cadenas de polímero con distinto peso molecular, es decir diferente grado de funcionalización con grupos nitrilo, aunque la evolución mostrada para cada sistema sea diferente atendiendo principalmente a la diferente composición del sistema. En todo este proceso resulta determinante la presencia de los grupos funcionales nitrilo en la cadena de ligando que actúan estabilizando las NPs metálicas de oro, por ello el conocer el posible tipo de interacción que se establece entre la superficie metálica de la NP y los grupos funcionales del ligando polimérico es objeto de estudio.  97 P. Parent, C. Laffon, G. Tourillon, A. Cassuto J. Phys. Chem. 99, 5058-5066, 1995. Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 263  3.2.2. Síntesis y estabilización de nanopartículas en presencia ligando polimérico lineal PANn-SH A partir de las cadenas de PAN funcionalizadas con grupos SH terminales se han llevado a cabo diferentes experimentos de síntesis de NPs de oro con el empleo de este tipo de matriz conteniendo, además de los propios grupos nitrilo pertenecientes al esqueleto de la cadena, grupos tiol con alta afinidad hacia superficies de metales nobles como el oro. Como se ha mostrado en el Esquema 14, la estructura de este ligando presenta dos potenciales centros de coordinación para las NPs obtenidas in situ , lo que debería condicionar el mecanismo de estabilización de los coloides en el medio. Las condiciones experimentales de síntesis son similares a la seguidas con el uso de PANn-Br, donde el ligando se pone en contacto con la sal de oro precursora tras lo cual se lleva a cabo la reducción química de los centros metálicos en presencia del polímero conteniendo tanto grupos funcionales nitrilo (CN) como tiol (SH), Esquema 16. En el punto 4 del capítulo, Parte Experimental, se detallan las condiciones de síntesis empleadas. Esquema 16. Síntesis NP de oro en matriz PANn-SH mediante reducción química. De manera novedosa, se trató de estudiar el tipo de coloide obtenido y la evolución que muestra en presencia de ligandos modificados, presentando ahora una mayor selectividad frente a este tipo de sustratos metálicos. Se ha llevado a cabo la síntesis de NPs con el empleo de ligandos poliméricos de diferente peso molecular, manteniendo en cada caso las mismas condiciones de síntesis y tan solo variando la relación R , referida a grupos nitrilo por átomo metálico, R (AN/Au), con el incremento del peso molecular de la cadena de ligando. En la Tabla 14 se incluyen las características que definen los dos tipos de cadenas de ligando PANn-SH. +SH NaBH 4 S S SS S Au +3 Au +3 Au +3 Au +3 Au +3 Au +3 Au +3 Au +3 CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 264  Tabla 14. Cadenas PANn-SH empleadas como ligandos en la síntesis de NPs de oro. Polímero Mn (g/mol)a Mw/Mnb %SHc PAN22SH 1300 1.13 42 PAN101SH 5500 1.12 28 a Peso molecular promedio en número (Mn) obtenido a partir de la relación entre las áreas de las señales en el espectro de RMN de 1H. b Índice de polidispersidad determinado por SEC en DMF. c Porcentaje de cadenas de PAN con funcionalidad SH terminal en la muestra. Para las diferentes dispersiones obtenidas se ha realizado la caracterización química y estructural de los coloides preparados mediante difracción RX y XPS y de manera sistemática mediante espectroscopía UV-visible y análisis TEM. La estabilidad térmica del sistema se ha estudiado mediante TGA de diferentes muestras preparadas con cada uno de los ligandos de PANn. Síntesis y caracterización NPs de oro obtenidas en presencia de PAN22-SH En relación a los resultados obtenidos con el empleo de ligandos con funcionalidad nitrilo, intrínseca en la cadena de PANn-Br, se ha mostrado como este tipo de polímeros ofrece la posibilidad de obtener de manera bastante controlada dispersiones de NPs. La modificación química de estas matrices con grupos funcionales afines a este tipo de materiales, como los tioles, ha sido llevada a cabo con el objetivo de poder controlar de manera más eficaz los procesos de síntesis y estabilización de partículas in situ estabilizadas con PAN. También en este caso, el procedimiento experimental de obtención de las NPs se pudo seguir visualmente, atendiendo a los diferentes cambios de color que muestra el sistema en cada una de las etapas del proceso. Figura 42. Distintas etapas en la síntesis de NPs de oro en presencia de PAN22SH. I) PAN22SH en disolución de DMF, II) adición Au(III), III) dispersión de NPs obtenida. (I) (II) (III) Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 265  En la Figura 42 se muestra la disolución inicial de PAN22SH en DMF (I) a la cual se adiciona la sal de oro, HAuCl4, precursora de las NPs, dando lugar a la mezcla de reacción conteniendo aniones AuCl4- (II). A continuación, se lleva a cabo la reducción de Au (III) a Au (0) originando pequeños clústeres de Au metálico que crecen dando lugar a la dispersión de NPs finalmente obtenida (III). Significativamente, a diferencia de los sistemas Au@PANn-Br previamente estudiados, en la evolución temporal estudiada para el sistema Au@PAN22SH no se observó cambio de coloración de la dispersión de NPs obtenida. La muestra se ha caracterizado mediante espectroscopía UV-visible de la dispersión de NPs estabilizadas en presencia de las cadenas PAN22SH. La Figura 43 muestra los espectros recogidos para la dispersión de NPs en dos tiempos distintos. Figura 43. Espectros UV-visible para el sistema Au@PAN22SH registrado a los tiempos de 1 y 30 días. El espectro registrado para la dispersión de partículas al cabo de 1 día muestra una incipiente banda plasmónica con máximo localizado en torno a 512 nm, este valor de max, junto con la anchura que la banda presenta, resulta indicativo de la formación de coloides de pequeñas dimensiones. Siguiendo la evolución temporal de la muestra no se observa cambio significativos en la misma. En la figura se muestra también el espectro recogido a los 30 días, en el cual la banda aparece en la misma posición, presentando una forma similar en cuanto a la anchura e intensidad en relación a la observada en el espectro con 1 día. Este hecho confirma la estabilidad de los coloides contenidos en la matriz polimérica de PAN22SH. Mediante TEM se ha estudiado la morfología y tamaño de las NPs formadas en el medio, además de la evolución experimentada en el tiempo, Figura 44. 300 400 500 600 700 800 0 1 1 día 30 días Absorbancia  (nm) CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 266   Figura 44. Imágenes TEM de la muestra Au@PAN22SH a diferentes tiempos. A) 1 día y B) 30 días con las respectivas distribuciones de tamaño. Las micrografías muestran la formación de partículas esféricas de pequeño tamaño. Para la muestra de 1 día (A) se determinaron diámetros de 3.00.5 nm, lo que resulta muy significativo en relación al tipo de coloide obtenido en el sistema Au@PAN33Br con diámetros medios de 5.11.3 nm. La introducción del grupo tiol en las cadenas de ligando ha permitido por tanto reducir el tamaño del núcleo metálico de la partícula preparada in situ , además de disminuir la polidispersidad en la muestra, dando lugar a dispersiones con partículas más homogéneas. Siguiendo la evolución temporal de la dispersión de NPs se muestra la micrografía correspondiente a los 30 días (B), donde el diámetro medio estimado presenta un valor de 3.10.7 nm, el cual resulta casi invariable en relación a la misma muestra observada con 1 día. Este hecho, junto con la baja polidispersidad observada, resulta indicativo de la eficaz estabilización de los núcleos metálicos en presencia de ligandos poliméricos PAN conteniendo grupos SH. Como ya se ha hecho mencionado anteriormente, con el empleo de ligandos PANn-SH, además de la presencia de grupos funcionales SH, la cadena presenta la funcionalidad debida a los grupos nitrilo de las diferentes unidades AN que constituyeron la cadena. En relación a ello se define la relación R , entre las unidades nitrilo y los centros metálicos de Au, la cual en este sistema con el empleo de PAN22SH toma el valor de 12, lo que permite la comparación directa con el comportamiento observado en el sistema Au@PAN33Br ( R =13) para evaluar la determinante influencia ejercida en el medio debido a la presencia de los grupos SH. Los resultados de los análisis TEM confirman el comportamiento en el espectro UV-visible, es decir, formación de partículas de pequeño tamaño que no experimentan variación acusada de tamaño y se mantienen estables. Por el contrario, la dispersión de NPs obtenida en presencia de ligandos no tiolados 012345 0 30 60 Frecuencia (%) Diámetro (nm) 0123456 0 30 60 Frecuencia (%) Diámetro (nm) AB Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 267  presentó una clara evolución temporal para un período máximo de 30 días. En éstas se ha podido observar un significativo incremento en las dimensiones de los coloides evolucionando desde 5.1 nm hasta los 10.0 nm, doblando así el valor de su diámetro medio en el período de tiempo de estudio, 30 días. Este hecho, junto con la marcada polidispersidad observada en este último sistema confirma que la presencia de grupos SH en el polímero permite un mejor control y estabilidad de las NPs generadas en este tipo de matrices. La influencia de grupos nitrilo en sistemas Au@PANn-SH, identificada con el parámetro R , que resultó determinante para estabilización de los sistemas Au@PANn-Br preparados, será estudiada a continuación modificando la composición del medio. Para poder diseñar un sistema de las mismas características, que resulte por tanto comparable con Au@PAN22SH, se ha empleado un ligando polimérico tiolado de mayor peso molecular, que permita así la variación del parámetro R sin alterar las demás condiciones del medio. Síntesis y caracterización NPs de oro obtenidas en presencia de PAN101SH Se han preparado dispersiones de NPs en presencia de ligando PAN101SH (Mn=5500 g/mol) reproduciendo las condiciones empleadas en el estudio previo realizado en el sistema con ligandos tiolados de menor peso molecular. Variando la longitud de la cadena de polímero, se pretende incrementar la presencia de grupos nitrilo en el medio por átomo metálico, manteniendo a la vez invariable la proporción de grupos tiol, con el objetivo de evidenciar la potencial estabilización ejercida por este tipo de grupos. Las distintas etapas del proceso de síntesis se han podido seguir observando el aspecto que presenta el medio de síntesis en las diferentes fases del proceso, Figura 45. Se observa el cambio de aspecto que la mezcla de reacción experimenta cuando se lleva a cabo la reducción de especies Au (III) en matriz de polímero (I), dando lugar a la formación de los coloides de oro. La imagen (II) muestra el estado inicial de la dispersión de NPs, mientras que en (III) se puede observar el aspecto que presenta tras 30 días. CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 268  Figura 45. Distintas etapas del proceso de síntesis de NPs de oro en presencia de PAN101SH. I) Mezcla de reacción conteniendo Au (III) en presencia de PAN101SH, II) formación de NPs y III) dispersión de NPs a los 30 días. Se ha seguido la evolución del sistema Au@PAN101SH también mediante espectroscopía UV-visible para la dispersión de partículas. En la Figura 46 se muestra los espectros registrados a los tiempos de 1 día y 30 días. Figura 46. Espectros en la región UV-visible para el sistema Au@PAN101SH para los tiempos de 1 y 30 días. El espectro registrado para la muestra tras 1 día de síntesis apenas muestra la contribución debida a la banda plasmónica de las NPs de oro originadas en el medio y que dan el color marrón característico que la muestra presenta (Figura 45 (II)). A los 30 días la muestra presenta el mismo comportamiento para esta región del espectro. El hecho de que la dispersión de NPs no muestre apenas banda plasmónica es debido al pequeño tamaño de las NPs presentes90 con menores dimensiones que las obtenidas para el sistema Au@PAN22SH. Se ha analizado mediante TEM el tamaño y morfología de las partículas obtenidas. En la Figura 47 se incluyen imágenes de la dispersión a diferentes tiempos, 1 y 30 días (I) (II) (III) NaBH430 días REDUCCION 300 400 500 600 700 800 1 día 30 días Absorbancia nm) Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 269  Figura 47. Imágenes TEM de NPs de oro obtenidas en presencia de PAN101SH correspondientes a los tiempos 1 y 30 días. En cada imagen incluye la distribución de tamaños. Las micrografías muestran la formación partículas esféricas de pequeño tamaño que no han experimentado apenas evolución temporal por comparación entre las imágenes tomadas con 1 y 30 días. La estimación de tamaños para la dispersión con 1 día permitió determinar diámetros medios de 2.50.4 nm, manteniéndose este valor casi invariable, 2.70.5 nm, para la muestra analizada a los 30 días. En ambos caso, las partículas presentan distribuciones de tamaño más estrechas que las obtenidas con el empleo de ligandos no tiolados, Au@PANn-Br. En relación al valor de diámetro medio obtenido para las NPs en el sistema Au@PAN22SH (3 nm), el empleo de estas cadenas de ligando tioladas con mayor número de grupos nitrilo, PAN101SH, ha permitido reducir el tamaño medio de las NPs obtenidas hasta los 2.5 nm, lo cual resulta muy significativo y se atribuye directamente a la variación experimentada en la composición del medio. El estudio realizado para el sistema Au@PAN101SH, en líneas generales, muestra el mismo tipo de comportamiento al observado para Au@PAN22SH. En ambos casos el sistema muestra un mayor control del tamaño del coloide obtenido in situ , sin presentarse un incremento significativo en el tamaño final de la partícula con el transcurso del tiempo (30 días) como había sido observado para los sistemas obtenidos con ligandos no tiolados. Sin embargo, aunque la tendencia observada para los sistemas empleando ligandos tiolados sea común, se ha comprobado que la variación en la composición del sistema atendiendo a la diferente relación de grupos nitrilo por átomo metálico ( R ) sí tiene un efecto sobre el tipo de partícula obtenida, modulando el tamaño final del coloide. Con el empleo de PAN101SH se ha estimado R =56 frente al R =12 para el sistema Au@PAN22SH. De este modo, las observaciones realizadas mediante TEM de los tamaños medios de partículas obtenidas empleando cadenas de peso molecular creciente muestran una sensible disminución en el tamaño del coloide con el aumento del 012345 0 30 60 Frecuencia (%) Diámetro ( nm ) 012345 0 30 60 Frecuencia (%) Diámetro (nm) CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 276  El espectro S2p correspondiente a la muestra Au@PAN101SH muestra nuevamente dos señales a diferentes energías de enlace. La deconvolución de la señal de menor intensidad muestra dos picos correspondientes a S2p3/2 (1) y S2p1/2 (1), localizados a 162.5 eV y 163.7 eV y atribuidos al enlace S-Au, lo que confirma la interacción existente entre los grupos funcionales SH del ligando y la superficie de las NPs de oro. Al igual que se observó para el ligando libre, a mayor energía, se encuentran los picos S2p3/2 (2) (168.3 eV) y S2p1/2 (2) (169.5 eV) para los grupos tiol en su forma oxidada. De la relación de intensidades observadas en los dos tipos de señales se encuentra que una baja proporción de grupos tiol (14%) se encuentran interaccionando con las NPs de oro, mientras que el resto de grupos han sufrido procesos oxidativos posiblemente durante la etapa de previa de funcionalización del ligando. Aun así, en relación a los resultados experimentales obtenidos al preparar las diferentes dispersiones coloidales en presencia de ligandos de PAN tiolados, queda patente la acción estabilizadora de los átomos de S ejercida sobre los centros metálicos de oro. Aunque en la forma tiolato es conocida su alta afinidad por la superficies de metales nobles, los diferentes grupos funcionales derivados de azufre como son sus formas oxidadas sulfato o sulfito pueden actuar estabilizando también este tipo de sustratos, y en consecuencia un justificado efecto protector por parte de los ligandos PAN susceptibles de haber sufrido algún tipo de transformación oxidativa. Mediante espectroscopía XPS se ha estudiado el espectro del nivel Au4f para la muestra Au@PAN101SH mostrado en la Figura 53. Figura 53. Espectro XPS de alta resolución para la muestra Au@PAN101SH correspondiente al nivel Au4f con deconvolución de las señales. El espectro muestra el doblete bien definido para Au4f7/2 (1) y Au4f5/2 (1), con una separación de picos de 3.7 eV y con las señales localizadas a 83.4 eV y 87.2 eV atribuidas a la presencia de Au(0). Desplazado a mayores energías se encuentra el doblete Au4f7/2 (2) y Au4f5/2 (2) a 85.2 eV y 89.1 eV Au4f7/2(1) Au4f5/2(1) Au4f7/2(2) Au4f5/2(2) Energía de enlace (eV) Intensidad (u.a.) Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 277  correspondiente a la especies Au en mayor estado de oxidación. En este caso, la relación de intensidades muestra una importante proporción (73.5%) de Au en su forma reducida lo que se identifica como Au integrante de las NPs. Difracción de Rayos X (DRX) Se han caracterizado mediante DRX las estructuras de las NPs formadas en la matriz polimérica además de seguir la evolución estructural experimentada. Au@PAN114Br Se ha podido estimar mediante difracción de rayos X el tamaño, pureza y cristalinidad de los núcleos metálicos formados en presencia de matriz PAN114Br. Para ello se han registrado los difractogramas de la muestra secada correspondiente al sistema Au@PAN114Br en los diferentes estados del proceso evolutivo, como se muestra en la Figura 54. Figura 54. Espectro de difracción de rayos X de Au@PAN114Br recogidos en distintos tiempos del proceso evolutivo: 1 y 30 días. A la izquierda se muestran los diferentes colores que presentan las dispersiones coloidales de oro junto con el producto seco empleado para el análisis RX. Los difractogramas muestran a bajos ángulos los picos correspondientes al propio PAN, polímero parcialmente cristalino incluso en su forma atáctica, lo que lo hace poco usual. 103 Bashir y colaboradores104 han señalado que la fase cristalina que presenta se pueda deber a la cocristalización  103 D. Sawai, M. Miyamoto, T. Kanamoto, M. Ito J Polym Sci:Part B: Polym Phys 38, 2571-2579, 2000. 104 Z. Bashir J Polym Sci:Part B: Polym Phys 32, 1115-1128, 1994. 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1 día 30 días Intensidad (u.a.) 2 1 día30 días CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 278  del PAN con disolventes polares, lo que da origen al intenso pico de difracción localizado a 2=17º correspondiente a la fase cristalina, mientras que en el intervalo 2=20º-30º se encuentra un pico más ancho y menos intenso relacionado con la fase amorfa de la matriz polimérica. El intenso pico de difracción de la fase cristalina (17º) de la matriz de polimérica se corresponde a la reflexión del plano (110) de la fase ortorrómbica de PAN.63 Los demás picos de difracción en los difractogramas, localizados a 38.2º, 44.4º, 64.5º y 77.5º, corresponden a la difracción de los planos (111), (200), (220) y (311) y se asignan a la fase cristalina fcc de las NPs de oro sintetizadas en la matriz polimérica, como se muestra comparativamente en la figura donde se han incluido los picos del patrón de difracción de la fase fcc de Au. Este hecho confirma la reducción de Au (III) y el crecimiento de las NPs metálicas cristalinas en la matriz de PAN. En la figura se pueden comparar los difractogramas mostrados para la muestra en los diferentes estados evolutivos de 1 y 30 días. Se observa que la definición de los picos correspondientes a la fase fcc de la NPs de oro aumenta en el difractograma para la muestra al pasar de 1 día a 30 días de evolución lo que se corresponde con un aumento del tamaño del núcleo cristalino de la NP. Au@PAN101SH Mediante difracción de rayos X se ha estudiado la cristalinidad de las partículas formadas en presencia de matriz polimérica PAN101SH. En la Figura 55 se presenta el patrón de difracción para la fase fcc de Au junto con el difractograma obtenido para el sistema Au@PAN101SH a los 30 días. Figura 55. Espectro de difracción de rayos del sistema Au@PAN101SH a los 30 días y patrón de difracción de Au fcc. A la derecha se muestra el aspecto que presenta la muestra analizada en fase líquida y el nanocompuesto sólido. 10 20 30 40 50 60 70 80 90 30 días Intensidad (u.a.) 2 30 días Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 279  El difractograma del nanocompuesto polimérico, a bajos ángulos, muestra las señales características de la fase de PAN, el cual presenta un pico de difracción localizado a 2=17º correspondiente a la fase cristalina, mientras que en el intervalo 20º-30º se observa la banda ancha atribuida a fase amorfa del polímero. El espectro de difracción también muestra los picos de reflexión correspondientes a la fase metálica fcc de las NPs de oro. Tal y como se muestra en el difractograma, a mayores ángulos tan solo se identifica claramente el pico localizado a 2=38º, correspondiente a la difracción del plano (111) para la fase fcc de Au. En relación a los demás picos de reflexión mostrados en el patrón de difracción de Au fcc localizados en las posiciones 2=44º, 64º, 77º y 81º, en el difractograma del nanocompuesto éstos aparecen muy poco definidos debido a la baja intensidad y a la importante anchura que el pico presenta para la señal de difracción de estos planos. Análisis Termogravimétrico (TGA) El estudio de la estabilidad térmica de las diferentes muestras de NPs en matriz polimérica de PAN fue llevado a cabo mediante TGA. La presencia de NPs interaccionando con las cadenas poliméricas de ligando se espera que condicione esta propiedad del material, que viene determinada con el valor de temperatura de descomposición (Td). Se ha llevado a cabo el estudio para las cadenas de ligando de mayor peso molecular, contemplando el distinto tipo de funcionalidad y también la evolución temporal que las NPs dispersas en el medio experimentan. La Figura 56 recoge los diferentes termogramas obtenidos para las muestras de NPs preparadas en distintas matrices de PAN. Figura 56. Diferentes curvas de TGA de PAN114Br libre y en presencia de NPs de oro para diversas muestras preparadas variando la funcionalización de cadena y la evolución temporal en 1 y 30 días. 100 200 300 400 500 600 700 800 0 20 40 60 80 100 PAN114Br Au@PAN114Br_30 días Au@PAN101SH_30 días Au@PAN114Br_1 día Pérdida peso (%) Temperatura (ºC) CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 280  Se muestra la curva de TGA registrada para la cadena de polímero PAN114Br que comparativamente se analizará en relación a los demás termogramas del material polimérico en presencia de NPs de oro. Todos los análisis han sido realizados en atmósfera de oxígeno con una velocidad de calentamiento de 10 ºC/min en un intervalo de temperaturas de 50-850 ºC. Mientras que el polímero puro, PAN114Br, presenta una temperatura de descomposición en torno a los 485 ºC, para las diferentes dispersiones de NPs en matriz polimérica de esta naturaleza este valor se incrementa de manera notable. Se han estudiado diversos sistemas obtenidos con ligandos que presentan diferente funcionalización. Para el sistema preparado en presencia de matriz PAN101SH, se ha analizado una muestra de NPs tomada a los 30 días, Au@PAN101SH, donde el tamaño medio de partícula estimado ha sido de 2.7 nm. La Td encontrada para este sistema fue de 608 ºC, significativamente mayor que la observada para el polímero libre. En el caso de NPs preparadas en presencia de ligandos no tiolados, se ha analizado el sistema Au@PAN114Br teniendo en cuenta el incremento en el tamaño de la NP experimentado con el proceso evolución temporal estudiada. En relación a esto, se ha estudiado el sistema en los tiempos de 1 día cuando el tamaño medio de las NPs fue de 5.5 nm y a los 30 días con NPs de tamaño medio de 7.8 nm. Las distintas temperaturas de descomposición analizadas muestran que mientras el sistema Au@PAN114Br_1 día es estable hasta 634 ºC, la muestra tomada a los 30 días se descompone a 644 ºC. Significativamente se ha observado un incremento de 10 ºC en la estabilidad de la muestra que presenta NPs de mayor tamaño, lo que en principio vendría condicionado por el mayor tamaño de núcleo metálico estabilizado en la matriz polimérica. La presencia de NPs en la matriz polimérica de PAN induce el incremento en la estabilidad térmica que la matriz de PAN puede presentar. La razón de esto es directamente atribuida a la interacción de las NPs con las cadenas poliméricas de ligando a través de los diferentes grupos funcionales.105 Esta interacción existente actúa estabilizando el polímero y determinando su estabilización, lo cual se refleja en el incremento de la temperatura de descomposición que presenta. Este efecto se ha observado de manera generalizada en las tres muestras de Au@PAN estudiadas, sin embargo entre las tres magnitudes Td evaluadas existen pequeñas variaciones que se han relacionado con el tamaño coloidal de las NPs presentes en cada sistema. A medida que el tamaño de la NP estabilizada en la matriz polimérica se incrementa se observa un mayor valor de Td, lo que se entiende teniendo en cuenta que núcleos de mayor tamaño estabilizan la interacción entre cadenas de polímero incrementando interacciones atractivas tipo van der Waals y afectando así a la estabilización del polímero.  105 C.C. Hu, Y. Huang, R.C.C. Tsiang J. Nanosci. Nanotechnol. 9, 3084-3091, 2009. Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 281  3.2.4 Efecto de la funcionalización y peso molecular de ligandos PAN en la obtención de nanopartículas de oro Pocos han sido los trabajos que han centrado su interés en el empleo de ligandos poliméricos de PAN para la obtención de NPs metálicas dispersas en este tipo de matrices, a pesar de las potenciales propiedades que tanto el material nanoestructurado como la matriz polimérica de PAN pueden ofrecer. Tratando de profundizar en el conocimiento de este tipo de sistemas, en este trabajo se ha estudiado el empleo de cadenas poliméricas de PAN como agentes protectores en la síntesis de NPs de oro. A diferencia de la metodología empleada en trabajos previos en la que los procesos de polimerización de AN y reducción de los centros metálicos ocurren simultáneamente para la obtención de coloides de plata en matriz de PAN, el método empleado en este trabajo está basado en el uso de ligandos poliméricos preparados previamente, para en una segunda etapa llevar a cabo la síntesis in situ de NPs de oro. El desarrollo de este tipo de metodología se basa en el uso de ligandos macromoleculares diseñados con funcionalidad específica tiol en la posición terminal de las cadenas que puedan ofrecer un mayor control sobre el coloide finalmente obtenido, debido a la alta afinidad que presentan los grupos funcionales derivados de azufre hacia la superficies de metales nobles. Atendiendo a la estructura de este tipo de polímeros, un aspecto característico a tener en cuenta es la funcionalidad lateral intrínseca que la propia cadena de PAN tiene debido a los grupos nitrilo presentes en cada unidad monomérica. En líneas generales, la química de coordinación de este tipo de grupos funcionales nitrilo es muy extensa, pudiendo complejar diversos centros metálicos a través de tres estructuras diferentes de coordinación, Esquema 17. Esquema 17. Diferentes tipos de coordinación de grupos nitrilo a centros metálicos. Además del estudio de este tipo de grupos funcionales en la formación de complejos metal-nitrilo, diversos trabajos se han ocupado de su interacción con diferentes superficies metálicas, en procesos de R-C  N: MR-C  N M R-C  N MM enlace (coordinación terminal) enlace (coordinación lateral) dobleenlace M= centro metálico CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 282  adsorción de grupos nitrilo en distintos sustratos metálicos.97,106 Los diferentes modos de interacción representados en el Esquema 17 muestran las diversas posibilidades que los grupos nitrilo presentan en su coordinación con centros metálicos. Dependiendo de la estructura de la interacción con el centro metálico, la frecuencia característica de vibración del enlace CN experimenta cierta variación, lo cual puede ser registrado en los espectros FTIR o RAMAN para este tipo de especies. En relación a esto se puede discriminar entre los posibles tipos de interacción: si la interacción se lleva a cabo a través del par de electrones libres del átomo de N (enlace tipo ) se experimenta un incremento en el valor de la frecuencia de vibración del grupo CN, mientras que si la interacción se lleva a cabo a través del triple enlace del grupo CN (enlace tipo ) el valor de la frecuencia de enlace de este grupo decrece, en ambos casos debido a la variación del orden de enlace que experimentan los grupos nitrilo en cada situación.107 Por todo ello, en el desarrollo de este trabajo se ha considerado el uso de ligandos teniendo en cuenta ambos tipos de funcionalidad: grupos nitrilo en cada una de las unidades repetitivas de la cadena y grupos tiol en posición terminal de la cadena. En los estudios de caracterización química, presentados anteriormente, llevados a cabo para tratar de elucidar la existencia de interacción entre la cadena de polímero y las NPs de oro, la técnica XPS se ha mostrado como la más efectiva y ha permitido identificar la interacción existente entre el átomo de S terminal y el Au en muestras preparadas con ligandos PAN funcionalizados con SH terminales. De la misma manera, también se ha estudiado la posible interacción del grupo funcional CN con la superficie de las NPs. En este caso, analizando el espectro XPS de la línea espectral 1s de N se identifica un nuevo pico de muy baja intensidad atribuido a la interacción N-Au, lo que podría justificar la acción estabilizadora de este tipo de ligandos en presencia de las partículas coloidales. Por el contratio, los espectros FTIR registrados para los diferentes tipos de muestras preparadas: Au@PANn-SH y Au@PANnBr no han permitido la determinación de la existencia de interacción química de los grupos funcionales con la superficie metálica de los coloides debido a la baja relación de intensidad para la señal atribuida a este tipo de interacciones y en consecuencia también su relativamente baja abundancia, ya apuntada en los experimentos XPS.64 Sin embargo, en sistemas de esta naturaleza, cabe señalar también la posibilidad de que además de la interacción de tipo química (quimisorción) se den procesos de fisisorción entre los grupos nitrilo y los sustratos metálicos lo cual supone que la frecuencia de vibración de los grupos funcionales nitrilo se mantenga invariable.108  106 G. Xue, Y. Lu, J. Zhang Macromolecules 27, 809-813, 1994. 107 B.H. Loo, Y.G. Lee, D.O. Frazier J. Phys. Chem. 89, 4672-4676, 1985. 108 F. Tao, W.S. Sim, G.Q. Xu, M.H. Qiao JACS 123, 9397-9403, 2001. Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 283  En la metodología llevada a cabo para la preparación de NPs de oro se han empleado indistintamente cadenas de ligando PANn-Br y PANn-SH con el objetivo de evaluar la contribución que la presencia de los grupos SH, con los que se ha funcionalizado específicamente el ligando, tiene en la obtención y control de la estabilidad de partículas en este tipo de sistemas. Además del tipo de funcionalización de la cadena también se ha estudiado el sistema variando el peso molecular de ligando, lo que directamente se relaciona con la composición del medio en relación a número de grupos nitrilo por átomo de oro, R (AN:Au), en el sistema. En la Tabla 16 se incluyen los diferentes sistemas estudiados atendiendo al tipo de funcionalidad del ligando y la distinta composición del medio, donde se muestra la evolución experimentada en el tamaño del coloide. Tabla 16. Tamaños de las NPs obtenidas con ligandos PAN en los distintos sistemas, en función de la funcionalización del ligando y la composición del medio. DTEM (nm) a R (AN:Au) 10-15 b R (AN:Au) 40-60 1 día 30 días 1 día 30 días Au@PANn-Br 5.10.3 10.02.5 5.51.2 7.81.8 Au@PANn-SH 3.00.5 3.10.7 2.50.4 2.70.5 a PAN33Br, PAN22SH. b PAN114Br, PAN101SH. Analizando comparativamente los valores de diámetro medio y desviaciones estándar estimados mediante TEM para las diferentes dispersiones de NPs obtenidas con el empleo de ambos tipos de ligandos: Au@PANn-Br y Au@PANn-SH, se comprueba que la presencia de grupos tiol en la cadena polimérica de ligando conduce a la obtención de NPs de menor tamaño, mostrando además un significativo menor grado de polidispersidad frente a los sistemas de NPs preparados en presencia de PANn-Br. En los diferentes sistemas se ha estudiado la evolución temporal que han experimentado las diferentes dispersiones coloidales en un período máximo de 30 días a partir del cual ningún sistema mostró cambio significativo alguno. Nuevamente, el empleo de ligandos tiolados ha permitido obtener sistemas de NPs que apenas muestran incremento en el tamaño final del coloide. Así por ejemplo, en el caso de sistemas preparados con una menor relación R (AN:Au) se ha comprobado que la evolución experimentada para el sistema Au@PANn-SH oscila entre los 3.0 nm para 1 día y 3.1 nm para las NPs al cabo de 30 días. Con el empleo de ligandos PANn-Br los estudios realizados muestran la evolución más CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 284  significativa experimentada en el sistema, para R (AN:Au)10-15 el tamaño de las NPs varía de 5.1 nm estimados con 1 día hasta 10.0 nm tras 30 días. Un tercer efecto analizado es la diferente composición del medio referente a la relación entre el número de grupos nitrilo (CN) frente a centros metálicos disponibles en el medio, R (AN:Au). Los diferentes experimentos se han agrupado en torno a dos intervalos de composiciones: R 10-15 y R 40-60. Las condiciones experimentales se han mantenido invariables para ambos tipos de series preparadas, tan solo se ha variado en este caso el peso molecular de los ligandos PAN empleados. Los efectos mostrados en este caso siguen una tendencia similar aunque muestran diferentes resultados dependiendo del tipo de funcionalización del ligando. Para la serie preparada con ligando no tiolado (PANn-Br) se comprueba que las NPs obtenidas en presencia de PAN33Br muestran un tamaño medio estimado de 5.1 nm mientras que el empleo de cadenas PAN114Br ha permitido obtener NPs de 5.5 nm. En este caso, aunque a priori no se observe una significativa influencia del incremento de la relación R (AN:Au), este efecto sí se manifiesta en el control de la evolución que el sistema coloidal experimenta con el tiempo. Mientras que para el sistema de NPs preparado con R 10-15 las NPs experimentaban un incremento de tamaño hasta los 10.0 nm en 30 días, el sistema coloidal obtenido con R 40-60 ha incrementado su tamaño hasta los 7.8 nm con valores de polidispersidad significativamente menores. Por otra parte, los resultados observados para los sistemas preparados en presencia de ligandos tiolados con el incremento de peso molecular del ligando, muestran el decrecimiento del tamaño de las NPs obtenidas con el aumento del peso molecular del ligando. En este caso el empleo de PAN22SH ha permitido obtener NPs de 3.0 nm, mientras que el incremento del grado de polimerización PAN101SH ha dado lugar a dispersiones coloidales con 2.5 nm de tamaño medio de partícula. En esta serie, la evolución temporal experimentada por el sistema no ha resultado significativa, lo que evidencia que los grupos tiol que interaccionan específicamente con la superficie de las NPs metálicas contribuyen efectivamente a la estabilización del sistema. Los diferentes tamaños de las NPs obtenidos en función de la composición del sistema y también en función de la evolución temporal experimentada en cada caso se incluyen en la Figura 57. Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 285  Figura 57. Diámetro medio de las NPs obtenidas y evolución experimentada en cada sistema en función del tipo de ligando y composición del medio. El estudio realizado teniendo en cuenta el tipo de cadena de ligando empleada, en función de la presencia de grupos funcionales SH, muestra el diferente comportamiento observado en la síntesis in situ de NPs con ambos tipos de ligandos. Las NPs de menor tamaño se obtienen en presencia de ligandos tiolados (PAN22SH y PAN101SH), ofreciendo este tipo de ligandos un mayor control sobre la polidispersidad final del sistema. Este hecho resulta significativo en relación a los resultados obtenidos en las dispersiones de NPs preparadas en presencia de ligandos no tiolados en las mismas condiciones (PAN33Br y PAN114Br), lo que ha conducido a la obtención de NPs de mayor tamaño, mayor índice de polidispersidad y menor control sobre el estado final del sistema. La interpretación de los resultados obtenidos evidencia, en general, que las cadenas poliméricas de PAN empleadas para la síntesis de NPs actúan estabilizando las diferentes dispersiones de las NPs obtenidas fundamentalmente mediante mecanismos de estabilización estérica, inhibiendo así procesos de agregación o coagulación irreversible que desestabilicen el sistema de manera incontrolada. En ello juega un papel determinante la presencia de los grupos funcionales nitrilo de las cadenas de PAN, aunque mediante XPS se ha comprobado la posible interacción entre el átomo de N del grupo funcional y la superficie de la NP de oro, esta técnica ha determinado una baja relación de este tipo de interacciones. Considerando la acción de este tipo de grupos funcionales (CN), hay que tener en cuenta que su interacción con sustratos metálicos como el oro resulta de carácter débil, lo que explica el menor control frente a procesos de crecimiento que transcurren de manera aleatoria en el sistema y que el núcleo coloidal experimenta a posteriori . Estos diferentes mecanismos que operan de manera poco controlada en este tipo de sistemas se refieren básicamente al crecimiento basado en la agregación de NPs coloidales previamente formadas en el medio o bien a migraciones de átomos o pequeños clústeres. Teniendo en cuenta el importante valor de polidispersidad que estas muestras 1d 1d 1d 1d 30d 30d 30d 30d 0 3 6 9 12 R=13 R=43 R=12 R=56 Diámetro NP (nm) R (AN/Au) CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 292   Figura 61. Espectros UV-visible registrados para las dispersiones coloidales de oro preparadas en presencia de ligandos PMMAn-CTA. Se incluyen las dos series de muestras obtenidas variando la composición del medio: r=0.5 y r=4. Los espectros presentan significativas diferencias en relación a lo observado para los sistemas Au@PMMAnSH (ATRP y RAFT); entre ellas la formación, todavía incipiente, de la banda plasmónica. Atendiendo al diferente grado de polimerización de la cadena de ligando, se muestra que los ligandos de mayor peso molecular, PMMA170CTA, presentan una banda plasmónica más desarrollada, con max en torno a 530 nm. En relación a la diferente composición del medio empleada para cada una de las series, se puede observar que disminuyendo la concentración de ligando (r=0.5) la banda plasmónica resulta más notoria en el espectro. Sin embargo esta tendencia no afecta a la cadena de mayor Mn empleada en el sistema: PMMA170CTA. El tamaño y morfología de las diferentes dispersiones de NPs fue estudiada mediante TEM, lo que ha permitido determinar en cada caso el tamaño medio de la partícula y la dispersidad del sistema. En la Figura 62 se presentan las micrografías obtenidas para los sistemas preparados empleando ligandos obtenidos mediante ATR: PMMA174Br, PMMA174SH y PMMA134SH. Figura 62. Imágenes TEM de los sistemas: A) Au@PMMA174Br, B) Au@PMMA174SH, C) Au@PMMA134SH y las correspondientes distribuciones de tamaño para B) y C). 400 500 600 700 800 900 0.0 0.5 Au@PMMA 13 CTA Au@PMMA 16 CTA Au@PMMA 73 CTA Au@PMMA 170 CTA Absorbancia  (nm) r (PMMA/Au )=4 400 500 600 700 800 900 0.0 0.5 Au@PMMA 13 CTA Au@PMMA 16 CTA Au@PMMA 73 CTA Au@PMMA 170 CTA r (PMMA/Au )=0.5 Absorbancia  (nm) 01234567 0 15 30 Frecuencia (%) Diámetro ( nm ) 01234567 0 30 60 Frecuencia (%) Diámetro ( nm ) CBA Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 293  La Figura 62 muestra las imágenes correspondientes a la dispersión de NPs de oro preparadas con ligando PMMA 174 Br, en ausencia de grupos tiol, donde se observa cómo las partículas aparecen sin morfología definida, en forma de agregados sin control aparente. Esta muestra fue tomada cuando la dispersión todavía permanecía estable, a pesar de los pequeños aglomerados mostrados en la imagen, responsables de la forma que la banda plasmónica presenta. Un aspecto muy diferente es el observado en las micrografías correspondientes a las muestras obtenidas en presencia de ligandos funcionalizados: PMMA 174 SH y PMMA 134 SH, donde se muestra la formación de NPs esféricas dispersas en el medio. El diferente peso molecular del ligando parece determinar el tamaño final del coloide como se puede observar en las distribuciones de tamaño incluidas en cada una de las imágenes. Las diferentes dispersiones de NPs preparadas en presencia de ligandos tiolados: PMMA n -SH y PMMA n - CTA han sido estudiadas mediante las observaciones TEM realizadas de cada una de las muestras. En la Figura 63 se recogen las distintas micrografías organizadas en relación al tipo de funcionalización terminal del ligando y peso molecular de la cadena.  Figura 63. Imágenes TEM de las dos series de muestras preparadas variando el tipo de funcionalización del ligando empleado: PMMA n -SH y PMMA n -CTA. Dentro de cada serie se realizaron estudios con el diferente M n del ligando y la composición (r) del sistema. CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 294  Los diferentes sistemas estudiados, en los que se ha modificado la composición (r=0.5 y r=4) han permanecido estables mostrando la formación de NPs con morfología esférica. A partir de las imágenes TEM se han podido estimar los diámetros medios y la distribución de tamaños incluida en cada una de las micrografías incluidas en la Figura 63. En la siguiente tabla se incluyen los valores de diámetro medio que presentan las NPs obtenidas en cada uno de los sistemas preparados con los diferentes ligandos y composiciones empleadas. Tabla 18. Caracterización de los diferentes sistemas Au@PMMA: estimación de diámetro medio realizada a partir de las imágenes TEM tomadas para las diferentes dispersiones de NPs obtenidas y valores de max a que aparece la banda plasmónica observada en los espectros UV-visible. r r= =4 4 r r= =0 0. .5 5 Muestra max (nm) D (TEM) (nm) Muestra max (nm) D (TEM) (nm) A AT TR RP P Au@PMMA174Br - - Au@PMMA134SH 523 4.60.6 Au@PMMA174SH 518 3.80.6 R RA AF FT T Au@PMMA13SH 541 5.70.9 Au@PMMA13SH 533 4.50.6 Au@PMMA16SH 533 4.50.8 Au@PMMA16SH 572 6.11.3 Au@PMMA73SH 529 5.50.9 Au@PMMA73SH 534 5.10.8 Au@PMMA13CTA - 2.20.5 Au@PMMA13CTA 541 4.40.6 Au@PMMA16CTA - 1.90.5 Au@PMMA16CTA 533 2.80.5 Au@PMMA73CTA - 2.70.6 Au@PMMA73CTA 539 5.00.6 Au@PMMA170CTA 531 4.20.9 Au@PMMA170CTA 531 4.50.9 En la tabla aparece recogida la caracterización de las NPs de oro preparadas empleando las distintas matrices poliméricas PMMA. Atendiendo a la distinta funcionalización de los polímeros empleados, se han observado distintos comportamientos, dependiendo de si el grupo funcional en posición terminal de la cadena es un tiol o grupo ditioester. Atendiendo a la diferente ruta sintética empleada para la obtención de las cadenas PMMAn-SH (Esquema 18: (I), (II)) no se han observado diferencias significativas entre las dispersiones de NPs Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 295  preparadas con ambos tipos de ligandos, lo que se relaciona con que la funcionalización en ambas cadenas ha transcurrido favorablemente. Con el empleo de estos ligandos, en condiciones de una alta relación polímero:oro, (r=4), se ha podido estudiar la serie para el rango de pesos moleculares del ligando: PMMA13SH, PMMA16SH, PMMA73SH, PMMA134SH y PMMA174SH. La tendencia observada para esta serie muestra un sensible decrecimiento en el tamaño medio del coloide a medida que aumenta el peso molecular del polímero según: 5.7, 4.5, 5.5, 4.6 y 3.8 nm a la vez que la distribución de tamaños disminuye siguiendo esta misma tendencia. Los mismos experimentos realizados con PMMA13SH, PMMA16SH, PMMA73SH disminuyendo la relación polímero:oro hasta un valor r=0.5 no muestran cambios significativos en las dimensiones de las NPs preparadas, obteniéndose partículas en el rango de 4.5 hasta 6.1 nm. En la parte inferior de la tabla, se muestran los valores de diámetro medio estimados para las series de muestras preparadas en presencia de los ligandos PMMAn-CTA. A la vista de estos datos, se observa que el tamaño de las NPs preparadas en cada serie se ve condicionado por el valor de composición del sistema. Mientras que para r=4 los diámetros medios de las NPs observados fueron de 2.2, 1.9, 2.7 y 4.2 nm para los ligandos: PMMA13CTA, PMMA16CTA, PMMA73CTA y PMMA170CTA, disminuyendo la concentración de ligando en el medio (r=0.5) las dimensiones se incrementaron siguiendo la siguiente tendencia: 4.4, 2.8, 5.0 y 4.5 nm. Este diferente comportamiento se ve reflejado en los diferentes espectros UV-visible registrados en cada serie de muestras (Figura 61), donde para las dispersiones con NPs inferiores a los 3 nm la banda plasmónica no se registra. De manera significativa, en la relación de tamaños estimados para ambas series de muestras variando la composición del medio, se observa que el comportamiento señalado respecto al valor del parámetro r no es el mismo para las diferentes muestras preparadas con ligando PMMA170CTA. Los valores de diámetro medio estimados para los sistemas Au@PMMA170CTA para r=4 y r=0.5 fueron de 4.2 nm y 4.5 nm, respectivamente, de lo que se deduce que con el empleo de cadenas que presentan tan alto grado de polimerización, la diferente composición del sistema empleada no resulta un factor determinante en el control sobre el tamaño final del coloide. CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 296  Figura 64. Tendencia observada de la influencia del valor de Mn de ligandos PMMA en el tamaño de las NPs preparadas. El análisis del comportamiento observado para las series de muestras preparadas empleando ligandos con distinto tipo de funcionalización se muestra en la Figura 64. Mientras que la evolución del tamaño de NP experimentada con el Mn del ligando, para muestras obtenidas con PMMAn-SH, sigue una tendencia decreciente, el uso de cadenas PMMAn-CTA muestra el comportamiento opuesto; el tamaño de partícula se incrementa sensiblemente a medida que el peso molecular del ligando también aumenta; hecho que se relaciona a priori con el distinto papel que juega el diferente tipo de grupo funcional presente en cada macromolécula de ligando. Centrando la atención en el sistema Au@PMMAn-CTA, donde se ha estudiado el efecto de la distinta composición del sistema (r=PMMA/Au), se observa que los medios de reacción en los que se ha llevado a cabo la síntesis coloidal en condiciones de una mayor concentración de ligando (r=4), conducen a la obtención de NPs de menor tamaño que en el caso de sistemas preparados con una menor relación PMMA/Au. Esta tendencia se relaciona con el comportamiento previamente observado para el sistema Au@PSn-SH, empleando también ligandos de cadena lineal con grupos funcionales terminales, donde el efecto de la mayor concentración favorece la estabilización de los clústeres en crecimiento lo que determina la obtención de NPs de menores dimensiones y polidispersidad más controlada. Al igual que se observó en los sistemas de PSn-SH estudiados inicialmente, con el empleo de ligandos PMMAn-CTA se ha visto que este efecto se hace más notorio en presencia de ligandos de menor peso molecular. Así por ejemplo, en el sistema Au@PMMA13CTA se han obtenido NPs con tamaño medio de 2.2 nm en condiciones de r=4 , mientras que para r=0.5 el tamaño medio de las NPs fue de 4.4 nm, lo que permite ajustar las dimensiones del coloide en función de la concentración de ligando funcionalizado presente en el medio, operando este efecto para las cadenas PMMA13CTA, PMMA16CTA y PMMA73CTA. Con el incremento del peso molecular del ligando hasta PMMA170CTA se ha observado como el tipo de 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 0 1 2 3 4 5 6 r = 4 Au@PMMAn-SH Diámetro NP (nm) M n (kg/mol) 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 0 1 2 3 4 5 6 Au@PMMAn-CTA r = 4 r=0.5 Diámetro NP (nm) M n ( k g /mol ) Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 297  NP obtenida atendiendo al efecto de la diferente composición del medio no experimenta este tipo de comportamiento, dando lugar en este caso a NPs de 4.2 y 4.5 nm para r=4 y r=0.5, respectivamente. Este hecho se relaciona con la favorable interacción que los grupos ditioester, a través de los átomos de azufre, establecen con los centros metálicos de oro, de manera que en presencia de mayores concentraciones de estos grupos, los pequeños clústeres de oro originados en la etapa de nucleación in situ puedan ser estabilizados de manera efectiva inhibiendo posteriores procesos de crecimiento, lo que da lugar a un mayor número de NPs de menor tamaño. Al disminuir la concentración de grupos funcionales ditioester en el medio, es decir reducir la relación PMMA/Au, los diminutos centros metálicos generados in situ son más susceptibles a experimentar posteriores procesos de crecimiento coloidal, lo de da lugar a la formación de NPs de mayores tamaños en esta serie de muestras. Entres las diferentes cadenas de ligando PMMAn-SH obtenidas mediante polimerización RAFT y posteriormente sometidas a tratamiento de ruptura reductiva del grupo ditioester terminal dando lugar al grupo tiol terminal, se han empleado cadenas PMMA13SH y PMMA16SH con similar grado de polimerización. Ambas presentan el mismo tipo de funcionalización terminal (-SH), siendo preparadas mediante diferentes tratamientos de funcionalización: aminolisis en el caso de PMMA 13SH e hidrazinolisis en PMMA16SH (Tabla 17). En los resultados obtenidos se muestra que en las dispersiones de NPs obtenidas empleando ligandos de comparable peso molecular como Au@PMMA13SH y Au@PMMA16SH, no se han observado diferencias significativas en cuanto a tamaño y polidispersidad de las NPs preparadas con los dos tipos de ligandos. Estos resultados indican que la diferente metodología empleada en la funcionalización de los dos tipos de cadenas poliméricas ha dado lugar a la funcionalización efectiva con grupos tiol en la posiciones terminales de PMMA. Analizando comparativamente las series de muestras preparadas con ligandos PMMA con diferente tipo de funcionalización, cabe destacar el hecho de que el empleo de ligandos con grupos ditioester terminales en las mismas condiciones que ligandos con grupos tiol, conducen a la formación de NPs de menores dimensiones que presentan además estrechas distribuciones de tamaño, en relación a las observadas para las obtenidas con ligandos tiolados. En la Figura 65 se comparan sistemas preparados con r=4. CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 298  Figura 65. Tamaño de NP obtenida en función del tipo de cadena de ligando PMMA empleada. En el gráfico de barras se muestra de manera comparativa el tamaño de las NPs obtenidas en cada una de las dispersiones preparadas en función del tipo de ligando: PMMAn-SH y PMMAn-CTA. Para los diferentes valores de peso molecular de los ligandos se observa que en presencia de cadenas tioladas, PMMAn-SH, se obtienen NPs de mayores dimensiones, mostrando una tendencia no muy marcada de un decrecimiento en diámetro de la NP con el aumento del peso molecular de la cadena, ya considerado en la Figura 64. El empleo de cadenas con grupos funcionales ditioester conduce a la obtención de NPs de menores dimensiones que experimentan una tendencia de incremento de tamaño con el consecuente incremento en el peso molecular del ligando. En esta situación resulta determinante la distinta naturaleza que presenta el grupo funcional en cada tipo de ligando, Esquema 20. Esquema 20. Funcionalidad tiol derivada azufre en cadenas de ligando PMMAn-CTA (izquierda) y PMMAn-SH (derecha). Como ya ha sido observado en trabajos previos en los que se han empleado ligandos poliméricos para asistir la síntesis de NPs, la estructura del grupo funcional resulta determinante en el control del tamaño de la partícula obtenida. Aunque pocos estudios han sido realizados con ligandos poliméricos en relación a este aspecto, Kim y colaboradores52 han analizado el diferente efecto en el caso de ligandos PSn-SH con tioles primarios (PSn-ETSH) o secundarios (PSn-SH), estableciendo que los tioles de tipo 0 1 2 3 4 5 6 PMMA13 PMMA16 PMMA73 PMMA134 PMMA174 Diámetro NP (nm) Ligando PMMA-CTA PMMA-SH R OO S S X R OO SH X Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 299  primario presentan un menor impedidamente estérico del grupo SH. Este hecho favorece la mejor interacción de las cadenas PSn-ETSH con la superficie de la NP, dando lugar a un mayor grado de pasivado que conduce a NPs de menor tamaño y reducida polidispersidad. Comparativamente con este tipo de sistemas se pueden considerar las dispersiones coloidales preparadas en presencia de los ligandos PMMA con estructura lineal de la cadena y funcionalidad terminal derivada de azufre (Esquema 20). En este caso, las diferencias entre las dispersiones de NPs preparadas atienden al distinto tipo de estructura que presenta el grupo funcional. En ambas situaciones, estos grupos se unen a la cadena de PMMA en una posición terciaria, lo que en el caso de grupos tiol supone que el átomo de azufre encuentre un importante condicionante estérico para su coordinación con el coloide metálico. Con el empleo de grupos ditiobenzoato, a pesar del impedimento estérico del propio anillo bencénico, el centro bifuncional que coordina a los núcleos metálicos presenta una mayor capacidad de estabilización. En este caso hay que considerar que llevando a cabo la síntesis de NPs in situ , el propio proceso de reducción química de los cationes metálicos opera también en la ruptura reductiva del grupo ditioester del ligando simultaneando la formación de los coloides metálicos y la funcionalización SH terminal del ligando en el sistema. Debido al característico color rosado que los grupos ditiobenzoato presentan, su proceso reductivo puede seguirse mediante espectroscopía UV-visible, como ya ha sido mostrado en el apartado 2.3.2 de Funcionalización con grupos de ligandos RAFT del capítulo 2 Síntesis de Ligandos Poliméricos. Figura 66. Espectros UV-visible del medio de reacción registrados para el sistema Au@PMMA16CTA, antes y después del proceso reductivo que conduce a la transformación de los grupos ditioester y formación de las NPs. En la Figura 66 se incluyen los diferentes espectros UV-visible registrados siguiendo el proceso de síntesis de las NPs de oro para el sistema Au@PMMA16CTA. Inicialmente se muestra el espectro 400 500 600 700 800 Absorbancia  (nm) PMMA 16 -CTA PMMA 16 -CTA/Au +3 Au@PMMA 16 CTA CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 300  correspondiente al ligando PMMA16CTA en disolución, donde se observa la banda de absorción localizada a 514 nm, correspondiente a los grupos ditiobenzoato funcionales presentes en el ligando. Tras la adición de la sal de oro, en presencia del ligando en disolución, se ha registrado el espectro PMMA16-CTA/Au+3, donde adicionalmente a la banda correspondiente al grupo ditiobenzoato, se observa la banda con max localizada a 371 nm debida a la presencia de los cationes Au+3 en el medio. Finalmente, después de la reducción química llevada a cabo en el sistema, se observa, en primer lugar, la desaparición de la banda de absorción de las especies Au+3, y en su lugar, la banda correspondiente a la dispersión de NPs obtenidas, Au@PMMA16. Ésta, aparece como un ancho hombro de absorción poco definido en la región de 500 nm, debido a la presencia de los coloides metálicos de pequeño tamaño originados en el sistema. Además, resulta notable la ausencia de la banda asignada al grupo ditiobenzoato lo que prueba la ruptura reductiva de estos grupos dando lugar a la formación de su derivado SH. Adicionalmente, para los sistemas preparados con ligandos PMMAn-SH, y por tanto con grupos tiol obtenidos previamente, hay que considerar la posibilidad de que estos grupos se encuentren en forma de disulfuro, siendo los grupos SH muy susceptibles a experimentar procesos oxidativos que den lugar a estas estructuras dímeras, PMMAn-S-S-PMMAn. En esta situación, a pesar de que la metodología de síntesis in situ descrita para este tipo de sistemas contemple la disolución previa de los cationes metálicos en presencia de los ligandos tiolados para favorecer su estabilización, previa a la reducción del sistema, la formación de interacciones tipo disulfuro entre las cadenas PMMAn-SH impide esta estabilización previa de los cationes metálicos precursores de las NPs. En esta situación, el proceso de reducción da lugar a la ruptura de los enlaces disulfuro y formación de tioles en el mismo proceso de nucleación de los coloides, lo que supone que la estabilización de los mismos esté condicionada y transcurra de manera menos efectiva en esta hipotética situación, dando lugar a la formación de NPs con mayores dimensiones donde también el grado de dispersidad del sistema se ve afectado. Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 301  LIGANDOS COPOLÍMERO BLOQUE 3.4. SÍNTESIS Y ESTABILIZACIÓN DE NANOPARTÍCULAS DE ORO EN PRESENCIA DE LIGANDO PMMAnb -PSm Se han empleado ligandos de copolímero bloque PMMA134b -PS61 (CO-4 en Tabla 4 del apartado 3.1.2 Polimerización copolímeros bloque, Capítulo 2 Síntesis de Ligandos Poliméricos), obtenidos mediante polimerización ATRP para la síntesis in situ y estabilización de NPs de oro, siguiendo una metodología similar a la empleada para el uso de cadenas de homopolímero PS. El estudio se ha realizado con cadenas de CB obtenidas tras el tratamiento de funcionalización con grupos tiol terminales, PMMAb - PS-SH, llevado a cabo con TDMF (apartado 3.3.1.2 de funcionalización de cadenas BC, Capítulo 2 Síntesis Ligandos). Comparativamente, para tratar de evaluar el efecto de la presencia de grupos funcionales SH en la cadena de copolímero, se ha seguido la misma metodología para la obtención de NPs de oro en presencia de ligandos sin funcionalizar, PMMA134b -PS61-Br, Esquema 21. Esquema 21. Distinta funcionalidad de las cadenas de ligando PMMA134b -PS61 empleadas en la síntesis de NPs. En la caracterización previa realizada de la cadena para este CB se ha estimado un valor de Mn(RMN)=20000 g/mol y Mw/Mn=1.23 con un 76% de Br terminal. El procedimiento experimental para la obtención del sistema coloidal se ha llevado a cabo en disolución de DMF, que se comporta como buen disolvente para ambos tipos de bloques que forman el copolímero, PMMA y PS. En este caso, dado que ambos tipos de homopolímeros presentan similar afinidad por el disolvente, no se considera la posibilidad de formación de agregados coloidales que condicionen el medio de síntesis, de manera que éste sea continuo sin ningún tipo de nanocompartimerización. De esta manera, este tipo de sistemas preparado empleando ligandos de copolímero presenta similares características a las consideradas en los sistemas previamente estudiados con cadenas de homopolímeros. El procedimiento experimental está basado en la disolución previa de la sal metálica precursora, HAuCl4, en presencia de las cadenas del ligando polimérico, PMMA134b -PS61. A continuación, la adición del agente reductor conduce a la formación de las NPs en disolución estabilizadas en presencia de las O O Br OO nmO O SH OO nm PMMA n - b -PS m -Br PMMA n - b -PS m -SH CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 308  En primer lugar, se considera la población mayoritaria de NPs dispersas en la imagen, con morfología esférica y tamaño medio en torno a 4.7 nm. Una segunda población, mucho más minoritaria, muestra la formación de partículas de mayores tamaños 10 nm. Considerando el sistema en su conjunto, el tamaño medio final determinado para las NPs obtenidas en estas condiciones fue de 4.01.4 nm. En las observaciones TEM realizadas en el sistema Au@PAN114b -PMMA402 (imagen B), preparado con ligandos presentando una mayor relación AN/MMA, se ha encontrado que la muestra depositada sobre la rejilla exhibe una gran cantidad de material orgánico, lo que dificulta el poder visualizar con claridad las pequeñas NPs de oro obtenidas. La imagen mostrada para este sistema es una composición formada por partes de otras micrografías tomadas en otras regiones de la muestra, donde sí se apreciaron las NPs con mayor claridad, manteniendo el mismo número de aumentos. La determinación del valor de diámetro medio realizado para este sistema, 2.30.3 nm, muestra la obtención de NPs de menores dimensiones con el incremento en la relación AN/MMA del ligando. Considerando que la presencia de los grupos nitrilo resulta determinante en la formación de las NPs de oro, se ha estimado la composición del medio coloidal con el parámetro R , lo que relaciona el número de unidades monoméricas conteniendo grupos CN por átomo metálico de Au en el medio, R (CN/Au). A partir de este parámetro se considerará también el valor del tamaño medio determinado para cada sistema mediante las observaciones TEM, Tabla 20. Tabla 20. Dispersiones de NPs preparadas en función de R (CN/Au) y valores de diámetros medios estimados. Muestra R (CN/Au) DTEM(nm) Au@PAN22b -PMMA392 5 4.01.4 Au@PAN114b -PMMA402 106 2.30.3 Para estos sistemas se puede observar cómo el valor de este parámetro composicional R , resulta determinante en el tamaño final de la NP obtenida, teniendo en cuenta que el bloque PMMA presenta similar peso molecular en ambas cadenas. Los diferentes resultados obtenidos con el empleo en este caso de ligandos copoliméricos PAN 22b - PMMA392 y PAN114b -PMMA402 pueden ser relacionados con los estudios realizados para los sistemas Au@PAN33Br y Au@PAN114Br recogidos en el punto 3.2 de este capítulo. Ambos tipos de sistemas han sido preparados con el empleo de ligandos de homopolímero PAN o bien ligandos copoliméricos PANb - PMMA, en los que las cadenas de homopolímero PAN empleadas presentan similar grado de polimerización, lo que se traduce en que el número de grupos funcionales nitrilo es comparable en los diferentes sistemas. Sin embargo la elección de cadenas de copolímero PANb -PMMA supone el uso de Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 309  ligandos que presenta un incremento muy significativo en el peso molecular final debido a la contribución del otro bloque PMMA (Tabla 19). A pesar de que la interacción del bloque PMMA con la superficie de los coloides no ha sido determinada, su presencia condiciona el proceso de síntesis de las partículas además de su estabilización una vez iniciado el proceso de nucleación. Esto se relaciona directamente con el hecho de que el empleo de ligandos dibloque, PANnb -PMMAm, conduce a la obtención de NPs de reducidas dimensiones, 4.01.4 y 2.30.3 nm con el incremento en el UM de AN en la cadena, en relación a las preparadas en presencia de los ligandos homopolímero de PANn, con tamaños estimados de 5.10.3 y 5.51.2 nm con la misma tendencia de incremento en las UM de AN en la cadena homopolímero. Un segundo aspecto relacionado con la estabilidad que la dispersión coloidal, obtenida en presencia de ligandos poliméricos de copolímero, se ha observado con el estudio del espectro UV-visible a los 2 meses, donde no se ha encontrado variación significativa en el aspecto y posición de la banda plasmónica que caracteriza las NPs dispersas en el medio. Esto contrasta con lo observado para los sistemas obtenidos en presencia de homopolímero PANn, en los cuales el seguimiento realizado tras 1 mes de evolución mostraba el incremento de tamaño de las NPs junto con el incremento en el grado de polidispersidad, especialmente acusado en el sistema de menor peso molecular, Au@PAN33Br (Tabla 13). El empleo de estas cadenas copoliméricas conteniendo el bloque PMMAn incrementa la estabilidad que presenta el sistema preparado en estas condiciones, debido a que en este caso el factor estérico de estabilización se ve potenciado como consecuencia del importante grado de polimerización que estos bloques metacrílicos presentan: PMMA392 y PMMA402. CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 310  4. PARTE EXPERIMENTAL En lo que sigue del capítulo se recogen los materiales empleados en los diferentes experimentos, además de detallarse la metodología experimental seguida para la preparación de las diferentes dispersiones coloidales. Finalmente se incluyen las técnicas instrumentales y equipos empleados en la caracterización de los sistemas. 4.1. MATERIALES La sal de oro empleada como precursora de las NPs, ácido tetracloroáurico trihidratado (HAuCl4.3H2O) con una pureza  99.9% fue suministrada por Sigma-Aldrich. Para su utilización en la síntesis de NPs de oro se preparó una disolución acuosa de concentración 0.1 M. El reductor químico, borohidruro sódico (NaBH4) de 98% de pureza fue adquirido en Sigma. Los disolventes empleados, cloroformo, dimetilformamida, con una pureza del 99%, metanol, isopropanol y acetona para los lavados de las NPs fueron suministrados por Sigma-Aldrich. Los diferente ligandos empleados: PS, PMMA, PAN, PSb -PMMA, PANb -PMMA, fueron preparados en el laboratorio, como ha sido descrito en el capítulo 1. Como tratamiento de acondicionamiento previo a su uso en la síntesis de NPs, fueron purificados en las columnas de alúmina SupelcleanLC Alumina-B, para eliminar las trazas de Cu empleado como catalizador en su síntesis. 4.2. SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS IN SITU ASISTIDA POR LIGANDOS POLIMÉRICOS LIGANDO HOMOPOLÍMERO 4.2.1 Ligando PSn-SH Para la síntesis de la dispersiones Au@PSn-SH se ha seguido la ruta mostrada en el Esquema 9. El procedimiento experimental se lleva a cabo en un balón de reacción de 50 ml donde se disuelve el ligando en 20 ml de dimetilformamida (DMF). Las composiciones de las disoluciones preparadas son las recogidas en la Tabla 2. Éstas varían dependiendo del peso molecular de la cadena de polímero en las diferentes series. El polímero en disolución de DMF, se mantiene bajo agitación durante 30 minutos para asegurar la completa solvatación de las cadenas. A continuación, se adicionan 48 l de disolución de sal de oro, HAuCl4 (aq) 0.1 M, precursora de las NPs. Se observa como la mezcla de reacción, Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 311  inicialmente incolora en presencia de PSn-SH, adquiere color amarillo como consecuencia de la especie Au(III) presente ahora en el medio. Durante otros 30 minutos permanece el sistema con agitación. Transcurrido este tiempo se añaden 48 l de reductor, NaBH4, preparado en solución acuosa 1 M, lo que conduce a la reducción de los cationes Au(III) al estado metálico Au(0), de manera casi instantánea, ecuación (2). La disolución de borohidruro de sodio se utilizó recién preparada debido a que el borohidruro en agua se oxida a una especie borato no reductora. La reacción va acompañada de cambio de color casi instantáneo de la disolución, en un rango que va desde marrón hasta rojizo, dependiendo fundamentalmente del tamaño y forma del coloide formado en disolución. El proceso de oxidación experimentado por el borohidruro tiene lugar a mayor velocidad que la reducción de los cationes Au(III) y como resultado se producen gran cantidad de partículas pequeñas. Tras la adición del agente reductor se mantiene la agitación durante 1 hora, dejando que se eliminen todos los restos de descomposición del NaBH4. El producto se aisla mediante precipitación fraccionada y centrifugación (12000 r.p.m., 15min) de las NPs con la matriz orgánica empleando disoluciones de acetona/metanol con diferentes composiciones, 2/3 y 1/3. De esta manera se pretenden eliminar los restos de PS-Br y PS-SH libre, solubilizándolos en la fracción de acetona, mientras que la disolución alcohólica de metanol permite precipitar las nanopartículas ligadas a las cadenas de PS-SH. Se realizan así hasta tres lavados de cada muestra. Finalmente la muestra puede ser redispersada en diferentes disolventes como tolueno, cloroformo o dimetilformamida. Estimación de parámetros composicionales para los diferentes sistemas Au@PSn-SH Determinación de la composición de la partícula coloidal: moléculas PSSH/NP Au A partir de la masa de ligando empleado en el sistema se calcula el número de moléculas, teniendo en cuenta en cada caso el valor de Mn para cada cadena de PSn-SH. La estimación del número de NPs obtenidas en el medio se lleva a cabo considerando la masa total de oro en el sistema y el volumen medio de las NPs. En primer lugar, la estimación de la masa de oro se realiza teniendo en cuenta el número de moles adicionados. Todas las series se han preparado manteniendo constante la concentración de oro en el sistema: 4.8.10-6 mol Au. Este valor se relaciona con la densidad del oro masivo (dAu=19.3 g/ml) mediante la expresión, d m V)Au( T permitiendo estimar así el valor del volumen total de oro en el sistema coloidal. En segundo lugar se hace necesario precisar el número de partículas que constituyen el sistema, para lo cual se considera el valor de diámetro medio obtenido en el análisis TEM de las diferentes dispersiones de NPs para estimar el volumen medio de la NP, según la expresión: CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 312  3 NP r 3 4 Vπ El número de partículas generadas en el sistema se estima a partir de la relación: NP )Au(T V V NPsºN  Finalmente, teniendo en cuenta el número de moléculas de ligando en relación al número de NPs generadas en el sistema, se puede estimar la composición de los coloides según la relación de moléculas de ligando por NP de Au en el medio: NPsºN SHPSmoléculasºN NCOMPOSICIÓ n  Determinación de la densidad de recubrimiento: moléculas PSSH/nm 2 Mediante esta relación se estima el grado de recubrimiento de la superficie de la NP por las macromoléculas de ligando polimérico. Esta magnitud está referida a la superficie media de las partículas generadas en el medio determinada a partir del dato de radio resultante de las observaciones TEM, según la expresión: 2 NP r4S π Por tanto, la densidad de recubrimiento en cada sistema coloidal viene determinado por la relación: NP n S SHPSmoléculasºN NTORECUBRIMIEDENSIDAD  4.2.2 Ligando PANn-Br Síntesis NPs Au en presencia PAN 33 Br La síntesis se lleva a cabo en un balón de reacción donde se disuelven 0.124 g (0.065 mmol) de PAN33Br (Mn=1900 g/mol) en 100 ml de DMF. La mezcla se deja con agitación durante dos horas hasta completa disolución del polímero. A continuación se adicionan al medio 1.71 ml de disolución de HAuCl4 0.1 M, lo que resulta una relación molar, r , de unidades monoméricas de acrilonitrilo a iones metálicos de Au de valor 13. A partir de este momento, el medio, hasta ahora incoloro, se colorea de amarillo Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 313  debido a la presencia de cationes Au(III) en disolución. En estas condiciones, el sistema se deja dos horas más bajo agitación a temperatura ambiente. Transcurrido este tiempo se adicionan finalmente 1.6 ml de disolución acuosa NaBH4 1 M, lo que conduce a la reducción de los cationes metálicos. En este punto la mezcla de reacción se oscurece, presentando ahora color rosado muy intenso, característico de las NPs generadas in situ . La agitación continúa durante una 1 hora. Finalmente se obtiene una dispersión estable de NPs en presencia de PAN-Br en DMF. Por último el producto sólido se aisla por precipitación en metanol. Su extracción se realiza por centrifugación (12000 r.p.m., 15min) tras lo cual es secado bajo vacío lo que permite obtener la dispersión sólida de NPs de oro estabilizadas por ligando PAN. Síntesis NPs Au en presencia PAN 114 Br El mismo procedimiento experimental presentado para la síntesis de Au@PAN33Br ha sido llevado a cabo para la preparación de partículas con el empleo de PAN114Br (Mn=6200 g/mol). Las concentraciones de reactivos empleadas se han mantenido en este nuevo experimento con el uso de cadena de polímero de mayor peso molecular, lo que implica el incremento en el parámetro r hasta el valor de 43, debido al aumento ahora en el número de unidades monoméricas que forman la cadena polimérica y que presentan grupo funcional nitrilo. Reproduciendo el método experimental presentado previamente, en un balón de reacción se disuelven 0.400 g (0.064 mmol) de PAN114Br en 100 ml de DMF. La meza de reacción se calienta a 50 ºC y durante dos horas permanece con agitación para asegurar la completa disolución del polímero. A continuación se adicionan a la disolución 1.71 ml de HAuCl4 (aq) 0.1M y la agitación continua durante dos horas más. Transcurrido este tiempo se añaden 1.6 ml de NaBH4 (aq) 1 M, lo que conduce a la reducción de los cationes Au (III) presentes en el medio. Inicialmente la dispersión adquiere color marrón tras lo cual pasa a rojizo, color final de la dispersión coloidal. El producto se aisla por precipitación en metanol y se seca bajo vacío. CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 314  4.2.3 Ligando PANn-SH Síntesis NPs Au en presencia PAN 22 SH El procedimiento experimental es similar al presentado anteriormente. Se inicia con la disolución de 0.124 g (0.096 mmol) de PAN22SH (Mn=1300 g/mol) en 100 ml de DMF. La disolución se mantiene con agitación durante 1 hora para la completa disolución del polímero. A continuación, para el valor de r =12, se adicionan 1.71 ml de disolución HAuCl4 (aq) 0.1 M. La mezcla de reacción permanece dos horas con agitación, tras lo cual se añaden 1.6 ml de disolución NaBH4(aq) 1 M. En este punto el medio de reacción se oscurece y adquiere color marrón muy intenso. Las NPs obtenidas se mantienen dispersas en la disolución. El producto sólido es aislado por precipitación en metanol y centrifugación para finalmente ser secado bajo vacío. Síntesis NPs Au en presencia PAN 101 SH En la preparación de NPs con el empleo de PAN101SH se disuelven 0.528 g (0.096 mmol) de polímero en 100 ml de DMF. La mezcla de reacción se calienta a 50 ºC y se deja con agitación durante dos horas para la completa solubilización del polímero. A continuación se adicionan 1.71 ml de disolución HAuCl4 (aq) 0.1 M y se deja bajo agitación dos horas más. Con el empleo de un ligando de mayor peso molecular en estas condiciones, el parámetro r se ha visto incrementado hasta un valor de 56, a diferencia del r =12 para PAN22SH@Au. Finalmente se añaden al medio 1.6 ml de disolución NaBH4(aq) 1 M lo que conduce a la reducción de las especies Au(III) lo que va acompañado de un oscurecimiento de la mezcla de reacción que presenta ahora color marrón muy intenso. Se mantiene agitando durante una hora y finalmente el producto es extraído por precipitación en metanol seguido de centrifugación y secado a vacío del sólido resultante. 4.2.4 Ligando PMMAn En el estudio de la síntesis de NPs realizado con ligandos PMMA, se han obtenido diferentes tipos de dispersiones coloidales empleando ligandos PMMA con diferente tipo de funcionalización: PMMAn-SH y PMMAn-CTA y el ligando de control PMMAn-Br, este último sin funcionalización derivada de azufre. En el caso de las cadenas funcionalizadas se ha llevado a cabo el estudio empleando cadenas con diferente peso molecular (Tabla 17) y variando también la composición del sistema, r=(PMMA/Au) como se muestra en la Tabla 18. Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 315  El procedimiento experimental es similar en cada uno de los sistemas obtenidos, por lo que a continuación se indican los detalles experimentales considerados para la preparación de los diferentes sistemas en condiciones de r=4. Hay que considerar que para cada sistema las cantidades de cada uno de los reactivos empleados varían en función del peso molecular del ligando, por lo que las especificaciones experimentales vienen referidas a las concentraciones finales en el medio. El procedimiento experimental se lleva a cabo en un balón de reacción de 25ml, donde se disuelve la masa de polímero estimada (dependiendo del Mn del ligando) en 10 ml de DMF, resultando la concentración final de la mezcla de reacción 1 mM. El sistema se mantiene bajo agitación y a continuación se adiciona el volumen estimado de disolución preparada HAuCl4 0.05 M, de manera que la concentración resultante en el sistema sea 0.25 mM. La mezcla de reacción en estas condiciones se mantiene con agitación durante dos horas, tras lo cual se adiciona el volumen de disolución reductora, NaBH4 2M, de manera que la concentración final en el sistema sea 2.5 mM. Tras la reducción el sistema experimenta un brusco cambio de coloración, después de lo cual y dependiendo del tipo de medio empleado, cada sistema muestra una evolución particular. Los sistemas preparados en condiciones r=0.5, se han obtenido incrementando la concentración de oro presente en el medio. El procedimiento experimental transcurre de idéntica manera, teniendo en cuenta el cambio en las concentraciones finales empleadas en cada sistema: 1 mM de ligando PMMA, 2 mM de sal metálica y 20 mM de reductor. LIGANDO COPOLÍMERO BLOQUE 4.2.5 Ligando PMMAb -PS En las síntesis de NPs realizadas en presencia de este tipo de ligando copolimérico se ha empleado la cadena PMMA134b -PS61. Se han llevado a cabo dos tipos de experimentos, empleando PMMA134b -PS61Br y PMMA134b -PS61-SH. Puesto que se trata de ligandos con el mismo peso molecular que se diferencian en la terminación tiol terminal, las diferentes dispersiones fueron preparadas empleado idénticas condiciones experimentales. El procedimiento experimental se lleva a cabo en un balón de reacción de 50 ml, donde se disuelven 110 mg (5.5.10-3 mmol) de ligando PMMA134b -PS61 en 25 ml de DMF, sometiendo el sistema a agitación para favorecer la completa disolución del ligando. A continuación se adicionan a la mezcla de reacción 55 l de disolución 0.1 M HAuCl4 y se mantiene la agitación durante dos horas más. Al medio de CAPÍTULO 3 Síntesis y estabilización de nanopartículas 316  reacción, ahora coloreado de amarillo debido a la presencia de Au+3, se añaden 55 l de disolución de reductor NaBH4(aq) 1M recién preparada. Instantáneamente se observa el cambio de color de la mezcla de reacción lo que obedece a la formación de las NPs en el medio que, dependiendo del tipo de funcionalización del ligando, evoluciona de manera distinta. Una vez sometido el sistema al tratamiento de reducción, la muestra se mantiene agitando durante una hora. La dispersión de NPs obtenidas finalmente se muestra estable. 4.2.6 Ligando PANb -PS En la síntesis de NPs de oro en presencia de ligandos copoliméricos PAN-b-PMMA se han empleado dos tipos de cadenas que presentan diferente composición AN/MMA: PAN22b -PMMA392 y PAN114b -PMMA402. El procedimiento experimental seguido está basado en la síntesis in situ de NPs y se ha empleado para los dos sistemas preparados. La preparación del sistema Au@PAN22b -PMMA392 se ha llevado a cabo en un balón de reacción de 25 ml, donde se han disuelto 91 mg (2.24.10-3 mmol) de ligando copolímero (Mn=40600 g/mol) en 20 ml de DMF. El sistema se somete agitación durante 2 horas y transcurrido este tiempo se adicionan 100 l de disolución HAuCl4 0.1 M, dejando agitación por espacio de tiempo de 1 horas más. A continuación se añaden a la mezcla de reacción 50 l de disolución de reductor NaBH4 2 M, lo que produce un cambio instantáneo de color en el medio de amarillo a rojizo, como consecuencia de la formación de los centros metálicos. Con el empleo de ligando PAN114b -PMMA402 se ha llevado a cabo la obtención del sistema Au@PAN114b -PMMA402. En un balón de reacción conteniendo 20 ml de DMF se adicionan 123 mg (2.64.10-3 mmol) de ligando copolímero (Mn=46400 g/mol) y se mantiene la mezcla de reacción bajo agitación durante 2 horas. A continuación se adicionan 100 l de disolución HAuCl4 0.1 M, dejando en agitación por 1 hora más. Por último se lleva a cabo la reducción de los cationes metálicos con la adición de 50 l de disolución de reductor NaBH4 2 M. Instantáneamente el sistema cambia de color amarillo a marrón debido a la formación de las NPs en el medio. Síntesis y estabilización de nanopartículas  CAPÍTULO 3 317  4.3 TÉCNICAS Y EQUIPOS Diferentes tipos de técnicas se han empleado para la caracterización los diversos sistemas de NPs preparadas. Espectroscopía de absorción UV-visible Los espectros de absorción de los coloides metálicos muestran las características bandas de resonancia plasmónica correspondientes a la interacción radiación-metal, la cual debida a los efectos cuánticos que definen a estos sistemas presenta unas características especiales. Los espectros de absorción UV-vis de las diferentes dispersiones coloidales se realizaron diluyendo dichas dispersiones hasta un 50% en DMF y usando una cubeta de cuarzo de 1 cm de paso óptico. Los espectros se registraron en un espectrofotómetro de haz sencillo Hewlett-Packard HP8452 con detector de red de diodos. Microscopía electrónica de trasmisión (TEM) El estudio de la morfología y tamaño de las NPs preparadas se ha realizado mediante microscopía electrónica en el modo de transmisión. La preparación de la muestra se realiza por deposición directa de 20 l de dispersión de NPs sobre rejilla de cobre de 400 Mesh recubierta con película de carbono (TED PELLA, INC.) que actúa como soporte donde las NPs quedan retenidas para su observación. La muestra en la rejilla queda preparada cuando todo el disolvente se ha evaporado, de manera que mediante TEM se lleva a cabo el estudio de las partículas en usencia de disolvente. Las distintas micrografías se han realizado empleando un equipo Philips CM-12 operando a 100 kV, que como fuente de electrones emplea un filamento de tungsteno. Las imágenes han sido recogidas usando una cámara digital MEGA VIEW-II DOCU acoplada al sistema. Dispersión dinámica de luz (DLS) La técnica de dispersión de luz permite conocer las propiedades hidrodinámicas de las partículas coloidales en suspensión, entre ellas el tamaño de las partículas. Las diferentes dispersiones obtenidas fueron medidas en un equipo Zetasizer Nano ZS ZEN3600 (Malvern, U.K.). El equipo consta de una luz láser con una longitud de onda de 633 nm. Para la medida de los tamaños hidrodinámicos de las partículas se empleó un cubeta de 1 cm de paso situada en un soporte sobre la que incide el haz láser.   [Document text truncated for crawler view.]