Coelho, Dora Salomé Correia. "Novel furan polymer materials based on the reversible Diels-Alder reaction." Doctoral thesis, Universidade de Aveiro, 2011. http://hdl.handle.net/10773/3841.
Resumen
Doutoramento em Química<br>A futura e inevitável escassez dos recursos fósseis, juntamente com o
aumento imprevisível dos seus preços, levou, nas últimas décadas, a um
aumento impressionante de iniciativas dedicadas não só à procura de fontes
alternativas de fornecedores de energia, mas também de produtos químicos e
polímeros a partir de fontes renováveis, em particular da biomassa vegetal.
Entre estes, os polímeros derivados de monómeros furânicos constituem uma
classe única de materiais cujas estruturas podem, em princípio, simular
virtualmente os seus homólogos actualmente derivados de recursos fósseis.
O anel furânico é uma estrutura heterocíclica com um carácter diénico
pronunciado, o que torna-o um dieno particularmente apropriado para a
reacção de Diels-Alder (DA) com dienófilos como a maleimida. Um dos
aspectos mais relevantes da reacção de DA é a sua reversibilidade em função
da temperatura, a qual permite que os aductos sejam facilmente revertidos
nos seus precursores por aumento da temperatura (reacção de retro-DA). No
caso específico da combinação furano-maleimida, a formação do aducto
predomina até cerca de 60ºC, enquanto a reacção inversa é dominante acima
de 100ºC. A combinação desta característica da reacção de DA com a
química de compostos furânicos pode abrir um novo caminho para a
preparação de materiais macromoleculares funcionais com base em fontes
renováveis e com aplicações promissoras como auto-reparação e
reciclabilidade. O principal objectivo desta Tese, é a síntese e caracterização
de novos materiais poliméricos termo-reversíveis, aplicando a reacção de DA
a monómeros complementares com estruturas dos tipos furânico (o dieno,
designado por A) e de maleimida (o dienófilo, designado por B).
A primeira etapa neste trabalho envolveu a síntese, purificação e
caracterização de novos monómeros furânicos e de maleimida do tipo AA, A3,
BB, B3, AB, AB2, cada um com diferentes grupos separadores das funções
reactivas. Posteriormente, estes monómeros foram polimerizados e
despolimerizados por ciclos de DA/retro-DA utilizando diferentes
combinações. A formação e dissociação de todos os aductos de DA foram
seguidas por ambas espectroscopias de UV e RMN de 1H.
O primeiro sistema de DA estudado foi uma combinação modelo entre
reagentes mono-funcionais (-A+-B), nomeadamente o acetato furfurílico (FA)
e a N-metilmaleimida (MM), ambos comercialmente disponíveis. O objectivo
desta abordagem foi estudar a cinética e o equilíbrio da formação/dissociação
dos aductos de DA e obter indicações sobre as condições mais adequadas a
serem usadas na preparação dos correspondentes novos materiais
macromoleculares. Além disso, pretendia-se verificar a presença ou ausência
de reacções secundárias que poderiam intervir em ambas as vias directa e
inversa das reacções, mesmo após vários ciclos. A espectroscopia de UV
forneceu informação quantitativa sobre a cinética de formação do aducto
através da diminuição progressiva da absorvência máxima a 293 nm
correspondente ao grupo maleimida, a diferentes temperaturas (35, 50, 65 ºC)
Reciprocamente, a correspondente reacção de retro-DA foi seguida a 90 ºC
através do aumento do mesmo pico. A reversibilidade destes sistemas foi
verificada com sucesso após uma sequência de ciclos de DA/retro-DA.
Adicionalmente, verificou-se que os espectros originaram um ponto
isosbéstico, provando que estes sistemas não envolvem quaisquer reacções
secundárias. Uma vez que foi usado um excesso de FA, as reacções de DA
modelo apresentaram um comportamento cinético de pseudo-primeira ordem,
com a constante de velocidade k mais alta (2.1x10-5 dm3mol-1s-1) para T=65
ºC. A correspondente energia de activação foi de 39.0 kJ.mol-1. A reacção de
retro-DA seguiu um comportamento de primeira ordem, com constante de
velocidade de 1.6x10-6 s-1. A evolução deste sistema por RMN de 1H a 65ºC
deu-nos informações mais detalhadas sobre a sua evolução estrutural, ou
seja, à medida que a intensidade dos picos atribuídos à formação do aducto
aumentaram progressivamente ao longo do tempo, os pertencentes aos
reagentes iniciais diminuiram proporcionalmente. O “rendimento final”,
calculado após 20 dias à temperatura ambiente, foi de aproximadamente
70%. A reacção de retro-DA foi depois seguida a 90ºC, observando-se tal
como na espectroscopia de UV, o deslocamento da reacção no sentido da
regeneração dos reagentes de partida. A viabilidade de múltiplos ciclos de
DA/retro-DA estabelecidos pela espectroscopia de UV foi igualmente
confirmada por RMN de 1H.
O passo seguinte envolveu o estudo de um sistema de policondensação
linear baseado no crescimento gradual por reacção de DA entre um
monómero bisfurânico A-A e um do tipo bismaleimida B-B, seguindo a mesma
abordagem que no sistema modelo. O poliaducto linear foi obtido a partir de
soluções equimolares dos monómeros, por reacção de DA a 65ºC. O
progresso desta polimerização foi seguido por espectroscopia de UV e RMN
de 1H e, mais qualitativamente, pelo aumento da viscosidade do meio. A
reacção seguiu um comportamento de segunda ordem, com uma constante
de velocidade de 9.4x10-6 dm3mol-1s-1, e observou-se novamente um ponto
isosbéstico nos dados de UV. Os espectros de RMN apresentaram o padrão
esperado, nomeadamente o aumento progressivo dos sinais associados ao
aducto e a correspondente diminuição dos grupos furano e maleimida livres.
A despolimerização do poliaducto através da reacção de retro-DA foi seguida
a 110ºC usando as mesmas técnicas. Os dados de UV mostraram o retorno
progressivo da absorção dos grupos de maleimida, seguindo um
comportamento cinético de primeira ordem, com constante de velocidade de
2.5x10-6 s-1, até à completa regeneração de ambos os monómeros. Os
espectros de RMN providenciaram mais uma vez informação estrutural sobre
o progresso da despolimerização, a qual foi acompanhada por uma
diminuição progressiva da viscosidade. Adicionalmente, para seguir a retro-
DA, adicionou-se um excesso de composto furânico monofuncional,
nomeadamente o 2,5-dimetilfurano (DMFu), ao sistema de modo a bloquear
as funções maleimida complementares, evitando assim a repolimerização
após arrefecimento. Os productos isolados foram então o monómero
bisfurânico AA, DMFu que não reagiu e o bisaducto não-polimerizável de BB
com DMFu. Este resultado indicou claramente que o polímero foi de facto
revertido nos seus monómeros durante a reacção de retro-DA.
O terceiro sistema estudado foi outra polimerização linear, seguindo as
mesmas condições experimentais que os anteriores, mas com uma estratégia
diferente de modo a contornar o problema clássico de assegurar a
estequiometria exacta dos monómeros. As estruturas dos monómeros
utilizados incorporam ambos os grupos reactivos, i.e, moléculas do tipo A-B.
A polimerização prematura destes monómeros intrinsecamente reactivos foi
evitada com a protecção do grupo maleimida na forma de um aducto de DA
com furano, até a incorporação do substituinte furânico na outra extremidade.
Portanto, a policondensação destes monómeros foi iniciada após a
desprotecção in situ deste composto mediante aquecimento, seguido de
arrefecimento até à temperatura adequada para polimerizar. Os resultados
obtidos por UV e RMN sugerem que de facto o uso de monómeros do tipo
A-B oferece um melhor sistema linear.
Em seguida, foram estudados sistemas de policondensação não-linear por
reacção de DA, entre monómeros (um ou ambos) com funcionalidade
superior a dois, nomeadamente sistemas do tipo A3+B-B ou A-A+B3, seguindo
mais uma vez as mesmas condições experimentais. Uma vez que utilizam
monómeros complementares contendo, em média, mais de duas
funcionalidades, estes sistemas conduzem a materiais reticulados. Nestes
estudos, foram usadas três razões molares de [maleimida]/[furano],
nomeadamente 1.0, 0.75 e 0.5, de modo a estudar ambas as situações de
não-gelificação e reticulação. Ambos sistemas apresentaram um
comportamento regular e boa reciclabilidade quer para gerar situações que
possam conduzir à formação de redes a diferentes graus de conversão, ou
que possam parar antes da sua obtenção, conforme previsto pela equação de
Flory-Stockmayer. Como esperado, a utilização de grupos complementares
em quantidades estequiométricas produziu o espessamento mais rápido e a
reticulação quase completa; à medida que a quantidade relativa de monómero
trifuncional decresceu, as reacções pararam antes da reticulação, ou seja,
originaram meios altamente viscosos contendo polímeros solúveis altamente
ramificados. As reacções de retro-DA a 110 ºC conduziram à gradual
dissolução das partículas de gel (quando presentes), tendo sido comprovado
pelos espectros de UV e de RMN de 1H, evidenciado a regeneração dos
monómeros. Tal como no sistema do tipo A-A+B-B, a reacção de retro-DA foi
seguida adicionando um excesso de DMFu ao sistema reaccional. Como
esperado, os produtos finais foram os monómeros furânicos, o DMFu em
excesso e o trisaducto ou o bisaducto maleimida-DMFu, o que confirma a
eficiência da despolimerização com regeneração dos monómeros iniciais.
O último sistema de policondensação por reacção de DA envolveu um
monómero assimetricamente substituído do tipo AB2, capaz de originar
estruturas macromoleculares hiper-ramificadas que não reticulam. Este
estudo preliminar deste sistema foi seguido nas mesmas condições
experimentais que os anteriores, apresentando um comportamento com as
características esperadas.<br>The inevitable future scarcity of fossil resources, together with their
skyrocketting prices, has led in the last decades to a dramatic increase of
initiatives devoted not only to the search for alternative sources of energy
providers, but also to the search for chemical commodities and polymers from
renewable resources, namely the vegetable biomass. Among these, polymers
from furan monomers constitute a unique class of materials whose structures
can in principle simulate virtually all their current fossil-derived counterparts.
The furan heterocycle displays a pronounced dienic character, which makes it
highly suitable as diene in the Diels-Alder (DA) reaction, with dienophiles like
maleimide. One of the most relevant aspects of the DA reaction is its thermal
reversibility, which allows the adducts to be readily reverted to their precursors
as the temperature is raised (retro-DA reaction). In the specific case of the
furan-maleimide combination, the adduct formation dominates up to ca. 60ºC,
whereas the reverse reaction is overwhelming above ca. 100ºC. The coupling
of this DA feature with the furan chemistry can open a new way to prepare
functional macromolecular materials based on renewable resources with novel
properties and promising applications like mendability and recyclability. In this
Thesis, the main goal is the synthesis and characterisation of novel
thermoreversible polymer materials by means of the DA reaction, using
complementary monomers bearing furan (the diene, assigned as A) and
maleimide (the dienophile, assigned as B) moieties.
The first step in this study was the synthesis, purification and characterization
of new furan and maleimide monomers, viz. AA, A3, BB, B3, AB, AB2, each
bearing different spacing moieties separating the reactive functions. They were
then polymerized and depolymerised using different modes of DA/retro-DA
cycles. The formation and decoupling of all the DA adducts were followed by
both UV and 1H NMR spectroscopy.
The first DA system investigated was on a model combination of
monofunctional reagents (-A+-B), namely the commercially available furfuryl
acetate (FA) and N-methylmaleimide (MM). The purpose of this approach was
to study the kinetics and the equilibrium of the formation/decoupling of the DA
adducts and to provide clear indications about the most appropriate conditions
to be applied in the preparation of the corresponding novel macromolecular
materials. Additionally, it aimed at verifying that no detectable side reactions
intervened in both forward and backward pathways, even after several cycles.
The UV spectroscopy provided quantitative information on the kinetics of the
DA adduct formation by monitoring the progressive decrease in the maximum
absorbance at 293 nm related to the maleimide moiety, at different
temperatures (35, 50, 65ºC). Conversely, the corresponding retro-DA reaction
was followed at 90ºC through the increase of the same peak. The reversibility
of these systems was successfully checked over a couple of cycles.
Additionally, all set of spectra gave rise to an isosbestic point, which proved
that these systems did not involve any side reactions.Since an excess of FA
was used here, these model DA reactions displayed a pseudo-first order
behaviour, with the highest rate constant k (2.1x10-5 M-1.s-1) for T= 65ºC. The
corresponding activation energy was found to be 39.0 kJ.mol-1. The retro-DA
reaction followed a first order behaviour, with a rate constant of 1.6x10-6s-1.The
evolution of the same system followed by 1H NMR spectroscopy at 65ºC gave
a detailed insight into its structural evolution, viz. as the intensity of the peaks
assigned to the adduct formation progressively increased with time, those
belonging to the initial reagents decreased correspondingly. The “final yield”
taken after 20 days at room temperature, was approximately 70%. The retro-
DA reaction was then carried out at 90ºC, and showed the same features as
its UV counterparts, namely the displacement of the reaction towards the
regeneration of the initial reagents. The feasibility of multiple DA/retro-DA
cycles established by UV spectroscopy was confirmed here.
The subsequent stage involved the study of a linear polycondensation system
based on the stepwise DA growth between a difuran monomer A-A and a
complementary bismaleimide B-B, following the same approach as the model
system. The formation of the linear DA polyadduct was achieved by letting
equimolar solutions evolve at 65 ºC. The progress of this polymerization was
followed by UV and 1H NMR spectroscopy and, more qualitatively, by the
increase in the viscosity of the medium. The reaction followed a second order
behaviour, with a rate constant of 9.4x10-6 M-1.s-1, and again, a characteristic
isosbestic point was observed in the UV data. The NMR spectra gave the
expected pattern, namely the progressive increase in the signals associated
with the adduct and the corresponding decrease of those attributed to the
unreacted furan and maleimide cycles. The depolymerization of the polyadduct
through the retro-DA reaction was followed at 110ºC by the same techniques.
The UV time scans showed the progressive return of the absorption due to
maleimide moieties following a first-order kinetic pattern, with a rate constant
of 2.5x10-6 s-1, until both monomers were fully regenerated. The 1H NMR
spectra provided once more structural information about the course of this
depolymerization, which was accompanied by a progressive decrease in
viscosity. Additionally to follow the retro-DA, an excess of a monofunctional
furan compound, namely 2,5-dimethylfurfural (DMFu), was added to the
system in order to block the complementary maleimide functions, thus
avoiding the repolymerisation after cooling. The isolated products were then
the difuran monomer AA, the unreacted DMFu and the non-polymerizable
bisadduct of BB with DMFu. This result clearly indicated that the polymer had
indeed reverted to its monomers during the retro-DA.
The third system studied was another linear polymerization, following the
same experimental conditions as the previous, but with a different strategy, in
order to avoid the classical problem of ensuring the exact monomer
stoichiometry. Here, the monomers incorporated both reactive moieties in their
structures, i.e. A-B molecules. Here, the premature polymerization of these
intrinsically reactive monomers was avoided by protecting the maleimide group
in the form of a furan-DA adduct, until the incorporation of the furan moiety.
Therefore, the polycondensation of these monomers was initiated after the in
situ deprotection of this compound through heating, followed by the cooling to
appropriate temperature for polymerization. The results obtained by both UV
and NMR spectroscopy suggested that indeed the use of an A-B monomer
provides a better linear system.
Non-linear DA polycondensations between monomers (one or both) with
functionality higher than two, viz. A-A+B3 or A3+B-B systems, were then
studied, following once more the same experimental conditions. The use of
complementary monomers bearing on average more than two functionalities
lead to crosslinked materials. In these systems, three [maleimide]/[furan] molar
ratios, viz. 1.0, 0.75 and 0.50, were applied in order to examine both nongelling
and crosslinking situations. Both types of systems displayed a clean-cut
behaviour and good recyclability to generate situations either leading to the
formation of a network at different degrees of conversions, or ending before its
attainment, as predicted by the Flory-Stockmayer equation. As expected, the
use of complementary moiety stoichiometry produced the most rapid
thickening and near-complete crosslinking, whereas as the relative amount of
trifunctional monomer was decreased, the reactions stopped short of
crosslinking, i.e. gave highly viscous media containing soluble highly branched
polymers. The retro-DA reactions at 110ºC revealed the gradual dissolution of
the gel particles (when present), while the UV and 1H NMR spectra gave, once
more, the details of the depolymerization processes leading the systems
steadily back to the monomers. As in A-A+B-B depolymerization, to follow the
retro-DA, an excess of DMFu DA trap, was added to the systems under the
same conditions. As expected, the final products were the furan monomers,
the unreacted DMFu and the non-polymerizable trisadduct or the bisadduct of
maleimide-DMFu, confirming the efficiency of the retro-DA depolymerisation in
the regeneration of the starting monomers.
The last DA polycondensation system involved an assymmetrically substituted
monomer of the AB2 type, capable of generating hyperbranched
macromolecular structures that do not crosslink. This preliminary study was
followed by the experimental approach applied above and the behaviour of the
system displayed the expected features.<br>POCTI; FCT; FSE - SFRH/BD/28271/2006