Poli(N-vinil-imidazol)-l-politetrahidrofurán amfifil polimer kotérhálók és gélek Doktori értekezés tézisei Fodor Csaba Eötvös Loránd Tudományegyetem, Természettudományi Kar Kémia Doktori Iskola Szintetikus kémia, anyagtudomány, biomolekuláris kémia program Doktori Iskola vezetıje: Dr. Inzelt György, egyetemi tanár Programvezetı: Dr. Perczel András, egyetemi tanár Témavezetı: Dr. Iván Béla, egyetemi magántanár Budapest 2011
Poli(N-vinil-imidazol)-l-politetrahidrofurán amfifil polimer kotérhálók és gélek Doktori értekezés tézisei Fodor Csaba Budapest 2011 0
I. Bevezetés és célkitőzések A polimer kémia és az ezzel kapcsolatos anyagtudomány egyre jobban fejlıdı ágazata a nanoméret tartományban különleges szerkezettel rendelkezı amfifil polimer kotérhálók (AKTH) elıállításának és tulajdonságainak a kutatása. A polimer kotérhálók többfázisú rendszerek, melyekben eltérı tulajdonságú, egymással összeférhetetlen polimerek, mint például hidrofil és hidrofób polimer láncok egymáshoz kovalens kötéssel kapcsolódnak. A polimer láncok makroszkopikus szétválásának megakadályozásával különleges szerkezet, azaz nanomérető fáziselkülönülés érhetı el. Ez a fázisszeparált szerkezet speciális tulajdonságokat kölcsönöz a kotérhálóknak, és felhasználásukat tekintve ez a különleges struktúra új utakat nyitott mind az anyagtudományban, mind az orvosbiológiában. Munkám során egy eddig az irodalomban még le nem írt, hidrofil poli(n-vinilimidazol) (PVIm) alapú amfifil polimer kotérháló sorozat elıállítását céloztam meg különbözı molekulatömeggel rendelkezı hidrofób politetrahidrofurán (PTHF) keresztkötı alkalmazásával. A poli(n-vinil-imidazol)-l-politetrahidrofurán (PVIm-l-PTHF) kotérhálók összetételét széles tartományban választottam meg (az "l" az angol "linked by" kifejezés rövidítése). A PVIm-l-PTHF kotérhálók tulajdonságait különféle módszerekkel tanulmányoztam. A vizsgálatok között szerepelt az összetétel meghatározása, a speciális szerkezet analízise, a termikus tulajdonságok, illetve a termikus stabilitás feltérképezése, valamint a kotérhálók duzzadási viselkedésének a tanulmányozása. A duzzadási vizsgálatokat poláros (víz, metanol) és apoláros (tetrahidrofurán és szén-tetraklorid) oldószerekben végeztem. A kotérhálók nanofázisú szerkezetébıl adódóan, a fémionokkal komplexeket alkotó hidrofil fázist nanoreaktorként felhasználva ún. nanohibrid anyagok létrehozását is megkíséreltem. Az AKTH-k nanoreaktorként való felhasználása érdekében a hidrofil fázist fémion megkötı képességét mind minıségi, mind mennyiségi módszerekkel, analitikai eljárásokkal tanulmányoztam. A polimer mátrixba ágyazott nanorészecskék méretétének eloszlását, illetve morfológiáját, valamint antimikrobiális tulajdonságait is tanulmányoztam. Doktori értekezésem célkitőzései között tehát szerepeltek a PVIm-l-PTHF kotérhálók szintézisének a kidolgozása, az elıállított új anyagok tulajdonságainak, illetve szerkezetének a felderítése, valamint egyedi tulajdonságokkal rendelkezı kotérháló alapú nanohibridek létrehozása és tanulmányozása. 1
II. Alkalmazott módszerek A poli(n-vinil-imidazol)-l-politetrahidrofurán (PVIm-l-PTHF) amfifil kotérhálókat hidrofil N-vinil-imidazol monomer és hidrofób politetrahidrofurán makromonomer szabad gyökös kopolimerizációjával állítottam elı. A politetrahidrofurán makromonomereket élı kationos győrőfelnyílásos polimerizációval állítottam elı, melyet gélpermeációs kromatográfiával (GPC), valamint 1 H-NMR spektroszkópiával analizáltam. A kotérhálók elıállítását speciális teflonból készült edényzetben, úgynevezett moldban hajtottam végre inert atmoszféra alatt. A kotérháló mintákat tetrahidrofuránnal, majd metanollal. Az amfifil kotérhálók szerkezetét többféle módszerrel vizsgáltam. A kotérhálók összetételét elemanalízissel, a speciális fáziselkülönült szerkezetüket fázis módban mőködı atomerı mikroszkópiával (AFM), a termikus tulajdonságukat, illetve a termikus stabilitásukat differenciális pásztázó kalorimetriával (DSC) és termogravimetrikus analízissel (TGA) határoztam meg. A duzzadási viselkedésük feltérképezését poláros és apoláros oldószerben végeztem, a duzzadási fokot gravimetriásan határoztam meg. A hidrofil poli(n-vinil-imidazol) fázis fémion megkötı képességét szilárd fázisú 13 C-NMR spektroszkópiával vizsgáltam, a mennyiségi analízist pedig láng atomabszorpciós spektrometriával (FAAS) végeztem. Transzmissziós elektronmikroszkópiával (TEM) történt a nanohibridekben képzıdött nanorészecskék méretének és morfológiájának tanulmányozása. III. Új tudományos eredmények 1. Széles összetétel tartományban sikeresen állítottam elı PVIm-l-PTHF amfifil kotérhálóból álló mintasorozatokat különbözı számátlag molekulatömeggel rendelkezı politetrahidrofurán-dimetakrilát makromonomerek (M n = 2170 g/mol, M w /M n = 1,65 és M n = 9860 g/mol, M w /M n = 1,21) felhasználásával. A kisebb molekulatömegő politetrahidrofuránt tartalmazó mintasorozat keresztkötı tartalma 25 és 89 m/m%, a nagyobb molekulatömeggő, pedig 46 és 91 m/m% között változott. A kotérhálók duzzadási viselkedését, amfifil karakterüket poláros és apoláros oldószerekben történt duzzadási vizsgálatokkal igazoltam. Megállapítottam, hogy mindkét oldószer esetén a duzzadási tulajdonság egyértelmő függvénye az összetételnek, mely szerint az egyensúlyi duzzadási fok a hidrofób PTHF tartalommal apoláros oldószerben nı, poláros oldószerben pedig csökken. 2
2. Az amfifil polimer kotérhálók duzzadásának idıfüggését tetrahidrofuránban és vízben tanulmányoztam. A duzzadási kinetika eredményei alapján megállapítottam, hogy a PVIm-l- PTHF amfifil kotérhálók duzzadása sem vízben, sem THF-ben nem a klasszikus Fick-szerinti diffúzió révén, hanem összetételtıl függı anomális diffúzióval valósul meg. 3. A PVIm-l-PTHF amfifil kotérhálók fázisszerkezetét differenciális pásztázó kalorimetriával (DSC) vizsgáltam. A PVIm-l-PTHF kotérhálók két jól elkülönülı, a homopolimer komponensekkel azonosítható üvegesedési hımérséklettel (T g ) rendelkeznek. A két T g egyértelmően azt igazolja, hogy ezek a kotérhálók fázisszeparált szerkezetőek, azaz a PVIm és PTHF komponensek nem keverednek egymással. A kotérhálók morfológiájának felderítése atomerı mikroszkópiával (AFM) történt, mely igazolja, hogy az elkülönült fázisok az 5-30 nm tartományba esnek. Az összetételtıl függıen az összetétel tartomány két szélén a kotérhálók esetében a domének gömbszerők, melyek a nagyobb arányban jelenlevı összefüggı mátrixban diszpergálva helyezkednek el. Az összetételi tartomány közepén elhelyezkedı kotérhálók kölcsönösen folytonos szerkezettel rendelkeznek, azaz mindkét komponens önmagában folytonos fázist alkot. 4. A PVIm-l-PTHF kotérhálók DSC analízise azt az eredményt szolgáltatta, hogy a kotérhálók relatív PTHF tartalmától függıen változik a mintákban a PTHF kristályossági hányada (X c ). A kis számátlag molekulatömegő keresztkötıt tartalmazó kotérhálók esetében az X c 4,5 és 15,2% között változik, míg nagy számátlag molekulatömegő PTHF esetében a PTHF kristályos hányada 31,3%-tól 44%-ig terjed, mely minden esetben jelentıs mértékben kisebb a tiszta PTHF homopolimer X c értékeinél. A makroszkópikusan teljesen homogén kotérhálókban kialakuló mikrokristályok olvadáspont (T m ) értéke minden esetben alacsonyabb hımérsékleten jelentkezik, mint a tiszta homopolimernél. Mind a PTHF kristályosságát, mind pedig a kotérhálókban fellelhetı hidrofób fázisok olvadáspontját befolyásolja a minták összetétele. 5. Az PVIm-l-PTHF AKTH-k réz(ii) és ezüst(i) fémionok megkötésének tanulmányozását különbözı analitikai módszerekkel végeztem. A minták fémion megkötı képességének 3
minıségi meghatározására szilárd fázisú 13 C-NMR spektroszkópiát alkalmaztam. Ezek a vizsgálatok rámutattak arra, hogy csak a hidrofil PVIm fázissal hat kölcsön a fémion. A hidrofób PTHF fázis inert reakciófalként van jelen a rendszerben, azaz a kotérháló nanoreaktorként használható fel. A kotérháló minták fémion megkötı képességének mennyiségi meghatározását láng atomabszorpciós spektrometriával (FAAS) valósítottam meg. A mennyiségi vizsgálatok alátámasztották az összetételtıl függı fémion megkötést. Vizsgáltam a fémionokat komplexáló rendszerek újrafelhasználhatóságát, reverzibilis mőködését. A mérési eredményeim azt igazolják, hogy több cikluson keresztül is jól hasznosíthatók fémionok megkötésére-leadására az általam elıállított új PVIm-l-PTHF kotérhálók. 6. A nanoreaktor elv alkalmazhatóságát bizonyítottam azzal, hogy a hidrofil PVIm komponens komplexáló képességét kiaknázva, vizes réz-szulfát oldattal történı szelektív duzzasztással rézionokat jutattam a kotérháló hidrofil fázisába. A kotérhálót ezután inert atmoszférában, lúgos hidrazinos oldatba helyeztem. A redukálószer fokozatos behatolása a kotérhálóba a fémsó redukálását, fémréz kiválását idézte elı. A redukált minták transzmissziós elektronmikroszkópos és elektrondiffrakciós mérései kimutatták, hogy a kotérhálóban és annak felszínén nanomérető részecskék képzıdnek. A hidrazionos redukciós eljárás idıtartalmától függıen réz-oxid (kuprit, Cu 2 O) vagy réz nanorészecskéket tartalmazó nanohibrid anyagok keletkeztek. 7. Elıállítottam a PVIm-l-PTHF/nanoezüst összetételő hibrid anyagokat is, ezüst ionoknak a PVIm fázisban történı redukciójával. Többféle baktérium törzs esetében is igazoltam, hogy ezek az új nanoibrid anyagok antibakteriális tulajdonsággal rendelkeznek. 4
IV. Az új tudományos eredmények jelentısége Munkám során széleskörően tanulmányoztam a poli(n-vinil-imidazol)-l-politetrahidrofurán (PVIm-l-PTHF) amfifil kotérhálók szintézisét, szerkezetét és tulajdonságait. Ennek során egy teljesen új, eddig még az irodalomban le nem írt különleges szerkezető anyagot sikerült elıállítanom. Ezek az új kotérhálók nanofázisú kofolytonos morfológiával rendelkeznek, mely lehetıséget biztosít nanotemplátként történı alkalmazásokra. Réz és ezüst tartalmú nanohibridek elıállításával igazoltam ezt a lehetıséget. Kísérletileg igazoltam, hogy a nanoezüst tartalmú PVIm-l-PTHF kotérhálók antibakteriális tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezek az új eredmények utat nyithatnak többféle speciális alkalmazás irányába, amely kiterjedhet a gyógyászati alkalmazásoktól a nehézfémion megkötési képességük révén a környezetvédelemig és nanotechnológiákig. V. Publikációs lista 1. B. Iván, Cs. Fodor, G. Kali, P. Mezey, R. Thomann, R. Mülhaupt: Nanophasic Amphiphilic Conetworks and New Nanohybrids Thereform Polym. Mater. Sci. Eng., 2009, 100, 267-268. 2. B. Iván, A. Domján, G. Erdıdi, Cs. Fodor, M. Haraszti, G. Kali, P. Mezey, Á. Szabó, S.L. Szabó, I. Szalai, R. Thomann, R. Mülhaupt: Smart Nanostructured Amphiphilic Polymer Conetworks Polym. Mater Sci. Eng., 2009, 101, 925-926. 3. Cs. Fodor, G. Kali, B. Iván: Poly(N-vinylimidazole)-l-Poly(tetrahydrofuran) Amphiphilic Conetworks and Gels: Synthesis, Characterization, Thermal and Swelling Behavior Macromolecules 2011, 44, 4496-4502. 4. Cs. Fodor, B. Iván: Poly(N-vinylimidazole)-l-Poly(tetrahydrofuran) Amphiphilic Conetworks and Gels. II. Unexpected Dependence of the Reactivity of Poly(tetrahydrofuran) Macromonomer Cross-Linker on Molecular Weight in Copolymerization with N-Vinylimidazole J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2011, 49, ASAP, DOI: 10.1002/pola.24972 5. Cs. Fodor, R. Thomann, Y. Thomann, G. Kali, B. Iván, R. Mülhaupt: Chameleon Amphiphilic Conetworks with Broad Composition Window of Bicontinuous Nanpphasic Morphologies (kéziratban) 5
6. Cs. Fodor, B. Iván: Poly(N-vinylimidazole)-l-Poly(propylene oxide) Amphiphilic Conetworks (kéziratban) 7. A. Domján, Cs. Fodor, Sz. Kovács, T. Marek, B. Iván, K. Süvegh, A. Vértes: Anomalous Swelling Behavior of Poly(N-vinylimidazole)-l-poly(tetrahydrofuran) Amphiphilic Conetwork in Water Studied by Solid-state NMR and Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy (kéziratban) VI. Konferenciaelıadások listája 1) Fodor Csaba: Poli(N-vinil-imidazol)-l-poli(propilén-oxid) kotérhálók ELTE TTK Szakterületi TDK Konferencia (Kémia TDK), Budapest, 2005. december 3. 2) Fodor Csaba: Poli(N-vinil-imidazol)-l-poli(propilén-oxid) kotérhálók XXVIII. Országos Tudományos Diákköri Konferencia Kémai és Vegyipari Szekció, Makromolekuláris és mőanyagkémia tagozat, Szeged, 2006. április 1-4. 3) B. Iván, Cs. Fodor, P. W. Groh, M. Haraszti, P. Mezey, V. Pálfi, S. L. Szabó: Polymers and gels in DNA delivery and medical practice Asbóth Oszkár Húzóágazati Innovációs Program 2005, Kick off Meeting, Mátraháza, 2006. március 16-18. 4) Cs. Fodor, B. Iván: Poly(N-vinylimidazole)-l-poly(propylene oxide) Amphiphilic Conetworks 1 st European Chemistry Congress, Budapest, 27-31 August 2006. (poszter) 5) Fodor Csaba, Kali Gergely, Zihné Perényi Katalin, Iván Béla: N-vinil-imidazol alapú amfifil kotérhálók szintézise, analízise és réz(ii)-ion megkötı képességének vizsgálata MTA Kémiai Kutatóközpont, Kutatóközponti Tudományos Napok, Budapest, 2007. május 22-24. 6) Domján Attila, Hódi Klára, Varga Jenı, Mezei Péter, Fodor Csaba, Kali Gergely, Iván Béla: Makromolekulák és összetett polimerrendszerek vizsgálata szilárd fázisú NMRmódszerekkel 6
MTA Kémiai Kutatóközpont, Kutatóközponti Tudományos Napok, Budapest, 2007. május 22-24. 7) Cs. Fodor, G. Kali, B. Iván: Synthesis, characterization and metal ion binding of N-vinylimidazole based amphiphilic conetworks European Polymer Congress, Portoroz, Slovenia, 2-6 July 2007 (poszter) 8) Cs. Fodor, G. Kali, K. Z. Perényi, B. Iván: Synthesis, Characterization And Copper(II) Ion Coordination Studies of Amphiphilic Conetworks Based on N-Vinylimidazole 11th Dresden Polymer Discussion, Drezda, Germany, 2007. Szeptember 16-19. (Meissen) (poszter) 9) Cs. Fodor, G. Kali, K. Z. Perényi, A. Domján, B. Iván: Metal ion binding by water swollen poly(n-vinylimidazole)-l-poly(tetrahydrofuran), a novel amphiphilic conetwork 9 th Confeence on Colloid Chemistry, Siófok, 3-5 October 2007 (poszter) 10) Erdıdi Gábor, Fodor Csaba, Groh Werner Péter, Haraszti Márton, Iván Béla, Kali Gergı, Mezey Péter, Pálfi Viktória, Soltész Amália, Szabó L.Sándor, Szanka István, Szarka Györgyi, Verebélyi Klára: Új nanoszerkezető polimer rendszerek, mint új nanohibrid anyagok platformja A Magyar Tudomány Ünnepe 2007, Budapest, 2007. november 14. (poszter) 11) Erdıdi Gábor, Fodor Csaba, Groh Werner Péter, Haraszti Márton, Hellner Ákos, Iván Béla, Kali Gergely, Kasza György, Mezey Péter, Pálfi Viktória, Soltész Amália, Szabó L.Sándor, Szanka István, Szarka Györgyi, Verebélyi Klára: Nanoszerkezető polimereken alapuló új nanohibrid anyagok ELTE Innovációs Nap, Budapest, 2008. február 05. (poszter) 12) Fodor Csaba, Kali Gergely, Domján Attila, Zihné Perényi Katalin, Iván Béla: N-vinil-imidazol alapú amfifil kotérhálók szintézise és alkalmazhatósága nehézfémionok megkötésében VIII. Téli iskola, Balatonfüred, 2008. február 06-08. 13) E. Velickova, P. Petrov, Cs. Fodor, V. Manojlovic, V. Nedovic, B. Ivan, E. Winkelhausen, Ch. Tsvetanov: New carriers for cell immobilization 6 th International Conference of the Chemical Societies of the South-Eastern European Countries, Sofia, Bulgaria, September 10-14, 2008, 7
14) B. Iván, G. Erdıdi, A. Domján, Cs. Fodor, M. Haraszti, G. Kali, P. Mezey, J. Scherble, R. Thomann, R. Mülhaupt: Amphiphilic conetworks: new nanostructured polymers for smart materials, nanohybrids and biomaterials 9 th Austrian Polymer Meeting, Graz, Austria, March 26-28, 2008 15) B. Iván, G. Erdıdi, A. Domján, Cs. Fodor, M. Haraszti, G. Kali, P. Mezey, J. Scherble, R. Thomann, R. Mülhaupt: Nanophasic amphiphilic polymer conetworks: a new material platform for nanostructured surfaces and films 1 st Functional Nanocoatings Conference, Budapest, March 30 - April 2, 2008 16) Cs. Fodor, G. Kali, K. Z. Perényi, A. Domján, B. Iván, R. Thomann, R. Mülhaupt: Heavy metal ion chelating by water swollen N-vinylimidazole based nanophasic amphiphilic conetwork films 1 st Functional Nanocoatings Conference, Budapest, 30 March- 2 April, 2008 (poszter) 17) Cs. Fodor, G. Kali, K. Z. Perényi, A. Domján, R. Mülhaupt, R. Thomann, B. Iván: Preparation, characterization of polymer conetworks as metal ion chelating agents PNG, Larnaca, Cyprus, June 22-26, 2008 (poszter) 18) B. Iván, Cs. Fodor, G. Kali, P. Mezey R. Thomann, R. Mülhaupt: Nanophasic amphiphilic conetworks and new nanohybrids therefrom American Chemical Society Meeting, Salt Lake City, US, March 22-26, 2009 19) B. Iván, Cs. Fodor, P. Mezey, G. Kali, A. Domján, R. Thomann, R. Mülhaupt: Novel nanophasic amphiphilic polymer conetworks as new material platform for speciality nanohybrids International Conference on Nanostructured Polymers and Nanocomposites, Paris, France, April 15-17, 2009 20) Cs. Fodor, B. Iván, G. Kali, P. Mezey, S. Szabó, R. Thomann, R. Mülhaupt: Nanophasic amphiphilic polymer conetworks as a new material platform for organicinorganic nanohybrids Frontiers in Polymer Science, Mainz, Germany, June 7-9, 2009 (poszter) 21) B. Iván, Cs. Fodor, M. Haraszti, G. Kali, P. Mezey, S. Szabó, R. Thomann, R. Mülhaupt: Bicontinuous nanophasic amphiphilic polymer conetworks as a new material platform for specialty nanohybrids European Polymer Congress, Graz, Austria, July 12-17, 2009 8
22) Fodor Csaba, Domján Attila, Kali Gergely, Zihné Perényi Katalin, Német Péter, Iván Béla, Ralf Thomann, Rolf Mülhaupt: Poli(N-vinil-imidazol) alapú polimer kotérhálók és nanohibridek MTA Mőanyag és Természetes Polimerek Munkabizottságainak ülése, Budapest, 2009. április 23. 23) B. Iván, A. Domján, Cs. Fodor, M. Haraszti, G. Kali, P. Mezey, S. Szabó, R. Thomann, R. Mülhaupt: Nanophasic amphiphilic polymer conetworks as a new material platform for specialty nanohybrids 8 th International Conference on Advanced Polymers Via Macromolecular Engineering (APME 2009), Dresden, Germany, October 4-7, 2009 24) B. Iván, A. Domján, G. Erdıdi, Cs. Fodor, M. Haraszti, G. Kali, P. Mezey, Á. Szabó S. L. Szabó, I. Szalai, R. Thomann, R. Mülhaupt: Smart nanostructured amphiphilic polymer conetworks 238th ACS National Meeting, Washington DC, US, August 16-20, 2009 25) Iván B., Fodor Cs., Mezey P., Domján A., Haraszti M., Kali G., Szabó S., Thomann R., Mülhaupt R.: Nanoszerkezető amfifil kotérhálók, mint nanohibrid anyagok új platformja Országos Anyagtudományi Konferencia, Balatonkenese, 2009. október 11-13. 26) Fodor Cs., Iván B.: Fémion megkötésére alkalmas amfifil polimer kotérháló MTA Kolloidkémiai és Anyagtudományi Munkabizottsági Ülés, Mátrafüred, 2009. október 29-30. 27) B. Iván, Cs. Fodor, P. Mezey, G. Kali, A. Domján, R. Thomann, R. Mülhaupt: Nanohybrids based on Nanophasic Polymer Conetworks: The Application of the Nanoreactor Concept 6 th Int Conf. on Nanostructured Polymers and Nanocomposites, Madrid, Spain, April 28-30, 2010, 28) Cs. Fodor, G. Kali, K. Z. Perényi, A. Domján, P. Németh, B.Iván: Poly(N-vinylimidazole)-l-Poly(tetrahydrofuran) Amphiphilic Conetworks and Their Nanohybrids 3rd EuCheMS European Chemistry Congress, Nürnberg, Germany, August 29 - September 2, 2010 (poszter) 9
29) Fodor Cs., Kali G., Domján A., Németh P., Zihné Perényi K., Bánfi R., Iván B.: Poli(N-vinil-imidazol) alapú amfifil polimer kotérhálók MKE 1. NemzetiKonferencia 2011, Sopron, 2011. május 22-25. (poszter) 30) Fodor Cs., Iván B.: Poli(N-vinil-imidazol) alapú, nanoszerkezető amfifil polimer kotérhálók és gélek MTA Kémiai Kutatóközpont Kálmán Erika Doktori Konferencia, Budapest, 2011. május 26-27. 31) Cs. Fodor, G. Kali, P. Németh, A. Domján,K. Zihné Perényi, B. Iván, R. Thomann, R. Mülhaupt: Poly(N-vinylimidazole)-l-Poly(tetrahydrofuran) Amphiphilic Conetworks and Nanohybrids EuroNanoForum 2011, Budapest, May 30 June 01, 2011 (poszter) 10