TỔNG hợp POLYME PHÂN hủy SINH học

X. TỔNG HỢP POLYME
X. TỔNG HỢP POLYME
PHÂN HỦY SINH HỌC
PHÂN HỦY SINH HỌC
X.1:LÝ THUYẾT CHUNG VỀ TỔNG HỢP
X.1:LÝ THUYẾT CHUNG VỀ TỔNG HỢP
POLYME
POLYME
Tương tự như polyme truyền thống, polyme phân
Tương tự như polyme truyền thống, polyme phân
hủy sinh học cũng được tổng hợp dựa trên các
hủy sinh học cũng được tổng hợp dựa trên các
phản ứng chính là
phản ứng chính là
Trùng hợp
Trùng hợp
và
và
Trùng ngưng
Trùng ngưng
.
.
Hiện nay, khi khoa học và công nghệ NANO phát
Hiện nay, khi khoa học và công nghệ NANO phát
triển, trong tổng hợp vật liệu nano y sinh còn
triển, trong tổng hợp vật liệu nano y sinh còn
xuất hiện các phương pháp tổng hợp khác như
xuất hiện các phương pháp tổng hợp khác như
Tự lắp ráp
Tự lắp ráp
(TLR).

(TLR).
1.
1.


Tự lắp ráp (TLR)
Tự lắp ráp (TLR)
:
:

TLR là quá trình tự tổ chức của 2 hay nhiều
TLR là quá trình tự tổ chức của 2 hay nhiều
thành phần thành một khối lớn thông qua các
thành phần thành một khối lớn thông qua các
liên kết đồng và/hoặc phi đồng hóa trị. TLR phân
liên kết đồng và/hoặc phi đồng hóa trị. TLR phân
tử là một cách tiếp cận tuyệt vời để chế tạo các
tử là một cách tiếp cận tuyệt vời để chế tạo các
cấu trúc siêu phân tử. - được tạo thành bởi các
cấu trúc siêu phân tử. - được tạo thành bởi các
liên kết phi đồng hóa trị yếu- đáng chú ý là liên
liên kết phi đồng hóa trị yếu- đáng chú ý là liên
kết H, liên kết ion, tương tác kỵ nước, van der
kết H, liên kết ion, tương tác kỵ nước, van der
Waals và liên kết H qua nước. Mặc dù khi đứng
Waals và liên kết H qua nước. Mặc dù khi đứng
riêng, các liên kết này tương đối yếu nhưng trong
riêng, các liên kết này tương đối yếu nhưng trong
tổng thể chung, chúng chi phối quá trình hình
tổng thể chung, chúng chi phối quá trình hình

thành cấu trúc của tất cả các đại phân tử sinh
thành cấu trúc của tất cả các đại phân tử sinh
học và ảnh hưởng đến tương tác của chúng với
học và ảnh hưởng đến tương tác của chúng với
các phân tử khác.
các phân tử khác.

Tất cả các phân tử sinh học, bao gồm peptide và
Tất cả các phân tử sinh học, bao gồm peptide và
protein, tương tác và tự tổ chức thành các cấu
protein, tương tác và tự tổ chức thành các cấu
trúc xác định, có chức năng. Bằng cách quan sát
trúc xác định, có chức năng. Bằng cách quan sát
quá trình các cấu trúc siêu phân tử lắp ráp trong
quá trình các cấu trúc siêu phân tử lắp ráp trong
tự nhiên, chúng ta có thể bắt đầu khai thác sự
tự nhiên, chúng ta có thể bắt đầu khai thác sự
TLR để tạo ra những vật liệu tổng hợp hoàn toàn
TLR để tạo ra những vật liệu tổng hợp hoàn toàn
mới. DNA, peptide và protein là các khối cấu
mới. DNA, peptide và protein là các khối cấu
trúc đa tác dụng để lắp ráp các vật liệu.
trúc đa tác dụng để lắp ráp các vật liệu.

Tự nhiên luôn sử dụng chúng như các bộ khung
Tự nhiên luôn sử dụng chúng như các bộ khung
để tạo ra rất nhiều loại vật liệu khác nhau
để tạo ra rất nhiều loại vật liệu khác nhau
(collagen, keratin…).
(collagen, keratin…).


Phản ứng trùng ngưng
Phản ứng trùng ngưng
1.Định nghĩa : Phản ứng trùng ngưng là phản ứng
1.Định nghĩa : Phản ứng trùng ngưng là phản ứng
xẩy ra giữa các nhóm chức của monome để hình
xẩy ra giữa các nhóm chức của monome để hình
thành polyme, đồng thời tách ra sản phẩm thấp
thành polyme, đồng thời tách ra sản phẩm thấp
phân tử
phân tử
2.Phản ứng trùng ngưng cân bằng:
2.Phản ứng trùng ngưng cân bằng:

Cũng như phản ứng ngưng tụ thấp phân tử, như
Cũng như phản ứng ngưng tụ thấp phân tử, như
phản ứng este hoá:
phản ứng este hoá:
R-COOH + HOR’ RCOOR’ + H2O
R-COOH + HOR’ RCOOR’ + H2O

Hằng số cân bằng K:
Hằng số cân bằng K:

Hằng số cân bằng phụ thuộc vào bản chất
Hằng số cân bằng phụ thuộc vào bản chất
nhóm chức, không phụ thuộc vào gốc nên có
nhóm chức, không phụ thuộc vào gốc nên có
thể tổng quát hoá:
thể tổng quát hoá:

OHRRCOOH
HOHRCOOR
CC
CC
K
'
'
⋅
⋅
=
OHCOOH
HOHCOO
CC
CC
K
⋅
⋅
=

Động học của phản ứng trùng ngưng cũng như
Động học của phản ứng trùng ngưng cũng như
động học của hợp chất thấp phân tử đơn chức và
động học của hợp chất thấp phân tử đơn chức và
hằng số cân bằng của trùng ngưng cũng không
hằng số cân bằng của trùng ngưng cũng không
phụ thuộc vào khối lượng phân tử của polyme.
phụ thuộc vào khối lượng phân tử của polyme.

Trong phản ứng cân bằng, để chuyển dịch cân
Trong phản ứng cân bằng, để chuyển dịch cân

bằng cần phải loại hợp chất thấp phân tử ra khỏi
bằng cần phải loại hợp chất thấp phân tử ra khỏi
phản ứng. Lượng hợp chất thấp phân tử tách ra,
phản ứng. Lượng hợp chất thấp phân tử tách ra,
các nhóm chức trong monome và nhóm chức mới
các nhóm chức trong monome và nhóm chức mới
hình thành cũng như hệ số trùng hợp hay khối
hình thành cũng như hệ số trùng hợp hay khối
lượng phân tử polyme đều liên quan tới hằng số
lượng phân tử polyme đều liên quan tới hằng số
cân bằng,
cân bằng,

Trong phản ứng trùng ngưng:
Trong phản ứng trùng ngưng:
nX-R-Y X-(-R-Z-)n-R-Y + (n-1)a
nX-R-Y X-(-R-Z-)n-R-Y + (n-1)a

X, Y là nhóm chức ban đầu,
X, Y là nhóm chức ban đầu,

Z là nhóm nhức mới hình thành trong
Z là nhóm nhức mới hình thành trong
polyme,
polyme,

a là chất thấp phân tử tách ra.
a là chất thấp phân tử tách ra.

Nếu đặt:

Nếu đặt:

No = số phân tử của hợp chất hai chức ban
No = số phân tử của hợp chất hai chức ban
đầu bằng số nhóm chức X và Y
đầu bằng số nhóm chức X và Y

N = số phân tử polyme bằng số nhóm chức
N = số phân tử polyme bằng số nhóm chức
X và Y còn lại lúc kết thúc phản ứng
X và Y còn lại lúc kết thúc phản ứng

Na = số phân tử của chất thấp phân tử a ở
Na = số phân tử của chất thấp phân tử a ở
trạng thái cân bằng
trạng thái cân bằng

Nz = (N0 – N) = số liên kết Z tạo thành
Nz = (N0 – N) = số liên kết Z tạo thành

f = độ chức trung bình của monome trong
f = độ chức trung bình của monome trong
hỗn hợp
hỗn hợp

Số lượng nhóm chức trong hỗn hợp ban đầu
Số lượng nhóm chức trong hỗn hợp ban đầu
là f.No.
là f.No.


Mỗi phản ứng ngưng tụ sẽ chi phí hai nhóm chức
Mỗi phản ứng ngưng tụ sẽ chi phí hai nhóm chức
và một phân tử monome nên quá trình trùng
và một phân tử monome nên quá trình trùng
ngưng sẽ chi phí (N0 – N) phân tử và 2(N0 – N)
ngưng sẽ chi phí (N0 – N) phân tử và 2(N0 – N)
nhóm chức.
nhóm chức.

Độ sâu chuyển hoá x của phản ứng là độ nhóm
Độ sâu chuyển hoá x của phản ứng là độ nhóm
chức đã phản ứng:
chức đã phản ứng:
( )
000
0
0
0
222
22
N
N
fffN
N
fN
N
fN
NN

x ⋅−=−=
−
=

Độ trùng hợp trung bình làĠ, để thu được
Độ trùng hợp trung bình làĠ, để thu được
N phân tử polyme cần có NĮ phân tử
N phân tử polyme cần có NĮ phân tử
monome, do đó:
monome, do đó:
NPN ⋅=
−
0
−
=
P
N
N 1
0

Sự tương quan giữa Ġ và x là:
Sự tương quan giữa Ġ và x là:
fx
P
⋅−
=
−
2
2


Hằng số cân bằng sẽ là:
Hằng số cân bằng sẽ là:
( ) ( )
2
00
N
NNN
NN
NNN
K
aa
⋅−
=
⋅
⋅−
=

Chia phương trình cho Ġ
Chia phương trình cho Ġ
2
0
00
0






⋅

−
=
N
N
N
N
N
NN
K
a

và tỷ lệ Na/No là số mol sản phẩm phụ tách
và tỷ lệ Na/No là số mol sản phẩm phụ tách
ra ở một mắt xích monome và ký hiệu bằng
ra ở một mắt xích monome và ký hiệu bằng
n
n
a
a
và N/N
và N/N
o
o
= 1į nên có phương trình
= 1į nên có phương trình


2
1
1









⋅
=
−
P
n
K
a
a
n
K
P =
−
2
a
n
K
P =
−

Độ trùng hợp trung bình Ġ tỷ lệ thuận với
Độ trùng hợp trung bình Ġ tỷ lệ thuận với
căn bậc hai của hằng số cân bằng và tỷ lệ

căn bậc hai của hằng số cân bằng và tỷ lệ
nghịch với căn bậc hai của độ mol sản phẩm
nghịch với căn bậc hai của độ mol sản phẩm
thấp phân tử của phản ứng.
thấp phân tử của phản ứng.

Từ các phương trình trên có thể rút ra
Từ các phương trình trên có thể rút ra
những nhân tố ảnh hưởng của phản ứng
những nhân tố ảnh hưởng của phản ứng
trùng ngưng cân bằng:
trùng ngưng cân bằng:

Nồng độ monome: tốc độ trùng ngưng tăng
Nồng độ monome: tốc độ trùng ngưng tăng
khi tăng nồng độ monome. Hằng số cân
khi tăng nồng độ monome. Hằng số cân
bằng không phụ thuộc vào nồng độ
bằng không phụ thuộc vào nồng độ
monome nhưng tăng nồng độ monome thì
monome nhưng tăng nồng độ monome thì
thời gian tạo cân bằng rút ngắn hơn và thu
thời gian tạo cân bằng rút ngắn hơn và thu
được polyme có khối lượng phân tử cao
được polyme có khối lượng phân tử cao
hơn.
hơn.

Nhiệt độ: nhiệt độ làm tăng hằng số cân
Nhiệt độ: nhiệt độ làm tăng hằng số cân

bằng đối với phản ứng thu nhiệt và giảm đối
bằng đối với phản ứng thu nhiệt và giảm đối
với phản ứng phát nhiệt. Khối lượng phân
với phản ứng phát nhiệt. Khối lượng phân
tử thay đổi theo hằng số cân bằng. Hiệu ứng
tử thay đổi theo hằng số cân bằng. Hiệu ứng
nhiệt của phản ứng trùng ngưng thường
nhiệt của phản ứng trùng ngưng thường
không lớn, khoảng 8-10 kcal/mol, do đó,
không lớn, khoảng 8-10 kcal/mol, do đó,
nhiệt độ phản ứng ít ảnh hưởng đến khối
nhiệt độ phản ứng ít ảnh hưởng đến khối
lượng phân tử polyme, song tăng nhiệt độ
lượng phân tử polyme, song tăng nhiệt độ
đưa hệ đến trạng thái cân bằng nhanh hơn.
đưa hệ đến trạng thái cân bằng nhanh hơn.

Xúc tác: xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng và đẩy
Xúc tác: xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng và đẩy
nhanh hệ tới trạng thái cân bằng. Xúc tác thường
nhanh hệ tới trạng thái cân bằng. Xúc tác thường
dùng trong trùng ngưng là các axit và bazơ.
dùng trong trùng ngưng là các axit và bazơ.

Tỷ lệ cấu tử monome: phản ứng trùng ngưng
Tỷ lệ cấu tử monome: phản ứng trùng ngưng
giữa hai monome có hai nhóm chức cho khối
giữa hai monome có hai nhóm chức cho khối
lượng phân tử của polyme cực đại khi giữ được
lượng phân tử của polyme cực đại khi giữ được

tính đương lượng của monome. Sự dư một trong
tính đương lượng của monome. Sự dư một trong
hai cấu tử đều làm giảm khối lượng phân tử,
hai cấu tử đều làm giảm khối lượng phân tử,
chẳng hạn, trùng ngưng hexametylendiamin với
chẳng hạn, trùng ngưng hexametylendiamin với
axit adipic khi dư 0.09% một trong hai cấu tử
axit adipic khi dư 0.09% một trong hai cấu tử
làm giảm khối lượng phân tử đi 10 lần.
làm giảm khối lượng phân tử đi 10 lần.

Phương pháp tiến hành trùng ngưng cân
Phương pháp tiến hành trùng ngưng cân
bằng:
bằng:
a) Trùng ngưng nóng chảy
a) Trùng ngưng nóng chảy
:
:
Phản ứng được tiến hành ở trạng thái nóng chảy
Phản ứng được tiến hành ở trạng thái nóng chảy
của monome và polyme ở nhiệt độ nóng chảy của
của monome và polyme ở nhiệt độ nóng chảy của
monome và polyme khoảng 200-300 0C, trong
monome và polyme khoảng 200-300 0C, trong
dòng khí trơ và khuấy. Để thu được polyme tốt
dòng khí trơ và khuấy. Để thu được polyme tốt
hơn, thường cuối phản ứng được tiến hành trong
hơn, thường cuối phản ứng được tiến hành trong
chân không và loại hết chất thấp phân tử ra khỏi

chân không và loại hết chất thấp phân tử ra khỏi
khối polyme. Phản ứng cho khối lượng phân tử
khối polyme. Phản ứng cho khối lượng phân tử
lớn nhưng tính đồng đều về khối lượng phân tử
lớn nhưng tính đồng đều về khối lượng phân tử
thấp.
thấp.
b) Trùng ngưng trong dung dịch
b) Trùng ngưng trong dung dịch

Phản ứng tiến hành trong dung môi có khả
Phản ứng tiến hành trong dung môi có khả
năng hoà tan monome, còn polyme có thể
năng hoà tan monome, còn polyme có thể
tan hay không tan. Trường hợp polyme tan
tan hay không tan. Trường hợp polyme tan
có khối lượng phân tử cao hơn. Phản ứng
có khối lượng phân tử cao hơn. Phản ứng
trùng ngưng trong dung môi cho phép tiến
trùng ngưng trong dung môi cho phép tiến
hành ở nhiệt độ thấp hơn, polyme có khối
hành ở nhiệt độ thấp hơn, polyme có khối
lượng phân tử thấp hơn trong nóng chảy
lượng phân tử thấp hơn trong nóng chảy
nhưng tính đồng đều về khối lượng phân tử
nhưng tính đồng đều về khối lượng phân tử
cao hơn.
cao hơn.
c) Trùng ngưng trong tướng rắn:
c) Trùng ngưng trong tướng rắn:


Phản ứng trùng ngưng trong tướng rắn
Phản ứng trùng ngưng trong tướng rắn
thực hiện được ở gần nhiệt độ nóng chảy
thực hiện được ở gần nhiệt độ nóng chảy
của monome, ở đó hình thành phôi tinh thể
của monome, ở đó hình thành phôi tinh thể
có khả năng tự xúc tác cho phản ứng xảy ra
có khả năng tự xúc tác cho phản ứng xảy ra
rất nhanh. Phản ứng áp dụng cho những
rất nhanh. Phản ứng áp dụng cho những
monome dễ bị phân huỷ nhiệt nên chưa
monome dễ bị phân huỷ nhiệt nên chưa
được ứng dụng rộng rãi và chưa được
được ứng dụng rộng rãi và chưa được
nghiên cứu đầy đủ.
nghiên cứu đầy đủ.

2.Trùng ngưng không cân bằng:
2.Trùng ngưng không cân bằng:
Có một số phản ứng xẩy ra chậm, nhiệt độ cao
Có một số phản ứng xẩy ra chậm, nhiệt độ cao
hay đa tổ hợp là phản ứng trùng ngưng không
hay đa tổ hợp là phản ứng trùng ngưng không
cân bằng. Các đặc điểm của phản ứng trùng
cân bằng. Các đặc điểm của phản ứng trùng
ngưng không cân bằng:
ngưng không cân bằng:
-P.U xẩy ra trên bề mặt hai tướng không hòa tan
-P.U xẩy ra trên bề mặt hai tướng không hòa tan

-KLPT phụ thuộc vào đương lượng monome.
-KLPT phụ thuộc vào đương lượng monome.
-Tốc độ phản ứng cao
-Tốc độ phản ứng cao
-Khi tăng nhiệt độ, HS và KLPT giảm
-Khi tăng nhiệt độ, HS và KLPT giảm
-Khi có chất nhũ tương, HS và KLPT tăng
-Khi có chất nhũ tương, HS và KLPT tăng
-Polyme chịu ảnh hưởng của Dung môi
-Polyme chịu ảnh hưởng của Dung môi
TỔNG HỢP BIOPOLYME
TỔNG HỢP BIOPOLYME
Synthesis of
ricinoleic acid
based
monomers.
Synthesis of non-linear
fatty acid terminated poly
(sebacic anhydride).
Synthesis of salicylic acid based poly (anhydride ester).