Metodi elettrochimici per la polimerizzazione radicalica a trasferimento d'atomo di sistemi acquosi e "metal-free". Electrochemical Methods for Atom Transfer Radical Polymerization of Aqueous and Metal Free Systems

Controlled radical polymerizations (CRPs) are among the most powerful methods to obtain polymers with well-defined properties and high value. Atom transfer radical polymerization (ATRP) is the most used technique in both academia and industry in the field of CRP, thanks to its versatility and simple setup. In ATRP, a metal complex in a low oxidation state, MtzLm (typically a copper-amine system, [Cu(I)L]+) reacts with a dormant polymeric chain Pn-X (where X = Cl, Br) to produce radicals Pn-*. Such radicals can propagate the polymeric chain by addition to a monomer in the bulk of the solution. In this process, the copper complex is oxidized and binds to X-, generating the deactivating species [X-Cu(II)L]+, which can trap the propagating radicals. ATRP equilibrium is well shifted towards the dormant species Pn-X, so that Pn-* concentration is very low and the probability of bimolecular radical-radical termination is minimized. Macromolecular growth begins essentially at once for all chains thanks to the utilization of very efficient alkyl halides (RX) as polymerization initiators. In such conditions, chain growth is homogenous and it is possible to obtain polymers with predetermined molecular weight, narrow molecular-weight distribution, and high C-X chain end fidelity. ATRP allows constructing macromolecules with specific composition, architecture and position of functional groups. The aim of this thesis is to contribute to both the understanding and development of ATRP catalyzed by copper complexes, using electrochemical methods as both analytical tools and instruments to carry out and control the polymerization. The work focused on both thermodynamic and kinetic properties of ATRP catalytic systems, and the use of such systems to efficiently control macromolecular growth. The investigated ATRP systems can be considered "green" for several reasons: (i) most of the work regarded the study and development of the reaction in water, a solvent generally characterized by high catalytic activity but poor polymerization control; (ii) electrochemical methods for catalyst regeneration (electrochemically mediated ATRP, eATRP) allowed carrying out the polymerization with low amounts of copper complexes; (iii) ionic liquids, a new class of non-flammable and easily recyclable solvents, were explored as potential media for eATRP; (iv) the mechanism of ATRP mediated by organic catalysts (metal-free ATRP) was investigated and defined. A fundamental characteristic of Cu(I) catalysts is their reactivity towards the Pn-X (or initiator RX) bond cleavage, with generation of propagating radicals Pn-*. Any detailed investigation of catalyst reactivity in water was impossible up to now, because of their extremely high reactivity in this solvent. For this purpose, it was necessary to develop a set of electrochemical transient methods, which involve active [Cu(I)L]+ complex generation, and analysis, in the proximity of the electrode surface. Such techniques allowed measuring kact (ATRP activation rate constant) values spanning a broad interval covering 5 orders of magnitude. This permitted the study of the most active and latest developed catalysts and initiators, in common polar and active solvents such as water and DMSO. kact correlates linearly with both ATRP equilibrium constant (KATRP) and RX bond dissociation free energy. Such correlations help to predict the reactivity of new catalyst/initiators and to select rationally polymerization conditions. ATRP catalysts were investigated in the ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium triflate. Both Cu/L speciation and reactivity were found to be suitable with a well-controlled polymerization process. Overall, thermodynamic and kinetics aspects of ATRP catalysts in ionic liquids appear to be similar to that observed in common organic solvents (e.g. CH3CN, DMF). In water, copper catalysts are not only characterized by an extreme reactivity, but also by their involvement in side reactions that can undermine efficiency of ATRP equilibrium (e.g. complex decomposition in both acid and basic environment and dissociation of the halide ion from the deactivating complex [X-Cu(II)L]+). Quantification of such reactions allowed defining stability intervals of most used ATRP catalysts in water. Defined limits of control were tested by carrying out an extensive series of polymerizations of the monomer oligo(ethyleneoxide) methylether methacrylate (OEOMA). Polymerizations were conducted with electrochemical (re)generation of the active [Cu(I)L]+ complex (eATRP). Exceptionally active catalysts such as Cu/Me6TREN (Me6TREN = tris[2-(dimethylamino)ethyl]amine) provided fast and controlled polymerizations with slow Cu(I) regeneration; inexpensive systems such as Cu/PMDETA (PMDETA = N,N,N-,N--,N---pentamethyl diethylenetetramine) needed a large X- excess in order to prevent [X-Cu(II)L]+ dissociation. Pyridinic complexes, such as Cu/TPMA (TPMA = tris(2-pyridylmethyl)amine), were stable down to extremely acidic pH (ca. 1). Overall, these results allowed unprecedented control over conditions of macromolecular growth in water. In addition, they opened a new avenue for the polymerization of acidic monomers, a class of building blocks currently considered to be problematic, or even impossible, to be polymerized by ATRP. The main reason preventing ATRP of methacrylic acid was a cyclization reaction involving the chain end, with the terminal halogen as leaving group. Simple strategies, described in chapter 4, allowed dramatically improving conversion and control over MAA polymerization. Such conditions allowed synthesis of well-controlled high molecular weight poly(methacrylic acid), PMAA, with degree of polymerization > 1000. Simple (poly)halogenated organic initiators such as 2-bromoisobutyric acid, 2,2-dichloropropionic acid, and trichloroacetic acid were used to produce linear, telechelic, and three-arm star PMAA, respectively. An electrochemical switch, used to repeatedly stop and reactivate the growing chains, confirmed the "livingness" of the process. Electrochemically mediated atom transfer radical polymerization allowed exceptional control over Cu(I) (re)generation. Its main limitations are the relatively complicated reaction setup and the requirement of both working and counter electrodes made of platinum, an expensive and rare metal. To overcome these limits, first several alternative noble and non-noble metals were tested as cathode materials. Carbon materials (e.g. glassy carbon), noble metals (Au, Ag) and non-noble metals and alloys (stainless steel, nickel-chromium, titanium) could efficiently control aqueous eATRP of OEOMA. The system setup was simplified by switching from potentiostatic conditions (three-electrode setup under fixed potential) to galvanostatic conditions (two-electrode setup with fixed current). Moreover, reaction setup was further simplified with the use of a sacrificial counter electrode directly immersed in the polymerization media. This solution allowed avoiding separation of anodic and cathodic compartments. These results can allow easier implementation and scale-up of electrochemically mediated ATRP. Catalysis in the absence of transition metals is important in fine electronics and biomedical applications. It has recently been shown that some derivatives of phenothiazine (PTZ) could mediate well-controlled metal-free ATRP of methacrylates, with generation of controlled polymers with living characteristics. In this case, a phenothiazine derivative in the excited state (PTZ*, obtained through UV light absorption) can activate the Pn-X bond generating the propagating radicals (Pn-*) and the radical cation PTZ-*+. Experimental rate constant of Pn-X activation by PTZ* (7x109 M-1 s-1) was compared to the value calculated using Marcus theory for electron transfer and its successive developments (2x1010 M-1 s-1). The good agreement between the two values proved that the reaction between PTZ* and Pn-X involves an outer sphere electron transfer with simultaneous C-X bond breaking. This system is radically different from traditional Cu-mediated ATRP, which involves an inner sphere electron transfer. In addition, reactivity in metal-free ATRP is regulated by completely different parameters (excitation wavelength, lifetime and quantum efficiency of excited states). In particular, in metal-free ATRP fast activation of the C-X bond is hindered by low lifetime of PTZ* excited state. Regarding deactivation of propagating radicals, cyclic voltammetry evidenced excellent correlation between stability of the radical cation PTZ-*+ and efficiency of deactivation. The favored pathway for radical deactivation is the termolecular encounter of Pn-*, PTZ-*+ and X-, which is severely hampered by the low likelihood of three-center reactions. As a result, metal-free ATRP is mediated by a slow activation-deactivation process, which currently limits control over macromolecular growth. Such results are fundamental for the design of optimal reaction conditions and for the development of more effective catalysts

Le polimerizzazioni radicaliche controllate (Controlled Radical Polymerization, CRP) sono tra le più potenti ed efficaci metodologie per ottenere materiali polimerici avanzati con proprietà ben definite ed alto valore aggiunto. La polimerizzazione radicalica a trasferimento di atomo (Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP) è la tecnica più utilizzata in ambito accademico e industriale nel campo delle CRP, grazie alla sua versatilità e facilità di applicazione. In ATRP, un complesso metallico a basso stato di ossidazione MtzLm (tipicamente, un complesso rame-ammina, [Cu(I)L]+) reagisce con una catena polimerica dormiente Pn-X (dove X = Cl, Br) per produrre i radicali Pn-*. Questi accrescono la catena per addizione al monomero nel bulk della soluzione. Nel processo, il complesso di rame si ossida e coordina lo ione alogenuro X-, generando la specie disattivante [X-Cu(II)L]+, in grado di catturare i radicali propaganti. Normalmente, l'equilibrio ATRP è fortemente spostato verso lo stato dormiente Pn-X, cosicchè la concentrazione di Pn-* è molto bassa e la probabilità di terminazione radicalica bimolecolare è minima. Si tratta quindi, per molti aspetti, di una polimerizzazione "vivente". La crescita di tutte le macromolecole inizia circa contemporaneamente grazie all'utilizzo di efficienti alogenuri alchilici (RX) come iniziatori polimerici. In queste condizioni, la crescita delle catene è omogenea e permette di ottenere polimeri con pesi molecolari predeterminati, stretta distribuzione delle lunghezze di catena e alta conservazione della funzionalità C-X terminale. Con questa tecnica è quindi possibile generare macromolecole con specifiche composizioni, architettura e posizione dei gruppi funzionali. Lo scopo di questa tesi è contribuire alla comprensione e allo sviluppo di ATRP catalizzata da complessi di rame, utilizzando metodologie elettrochimiche sia come strumenti di indagine, sia come strumenti di controllo della polimerizzazione. Per molti aspetti, i sistemi ATRP indagati posso essere definiti sistemi "green": (i) la maggior parte del lavoro ha riguardato lo studio e lo sviluppo della reazione in acqua, un solvente dove i complessi sono molto attivi ma il controllo sulla polimerizzazione risulta particolarmente difficile; (ii) metodologie elettrochimiche per la rigenerazione del catalizzatore hanno permesso di condurre la polimerizzazione riducendo drasticamente la concentrazione di rame; (iii) sono state esplorate le potenzialità dei liquidi ionici, materiali non infiammabili e facilmente riciclabili, come potenziali solventi per ATRP mediata elettrochimicamente; (iv) è stato indagato il meccanismo della catalisi ATRP in assenza di catalizzatori metallici, "metal-free" ATRP. Una caratteristica fondamentale dei catalizzatori di rame(I) è la loro reattività nel rompere il legame Pn-X e generare i radicali propaganti Pn-*. Lo studio dettagliato dell'attività dei catalizzatori di rame in acqua è risultato finora impossibile a causa dell'estrema attività degli stessi. E' stato quindi necessario sviluppare un set di metodologie elettrochimiche transienti, che sfruttano la generazione e l'analisi del complesso attivo di rame nell'immediato intorno dell'elettrodo. Queste tecniche hanno permesso di ampliare l'intervallo di kact(costante di attivazione ATRP) analizzabili di ben 5 ordini di grandezza, rendendo quindi possibile lo studio della reattività dei più recenti e attivi catalizzatori e iniziatori utilizzati, in comuni solventi polari molto attivi (come acqua e DMSO). I risultati permettono di correlare la costante di velocità di attivazione con la costante di equilibrio ATRP, KATRP. Inoltre, è possibile prevedere la reattività dei sistemi catalitici da semplici dati di energia di legame (di Pn-X), e progettare in modo razionale le ottimali condizioni di polimerizzazione. Le proprietà dei catalizzatori di rame sono state studiate nel liquido ionico 1-butyl-3-methylimadazolium triflate. Speciazione e reattività dei complessi sono risultate compatibili con un efficiente reazione ATRP. Questo particolare solvente risulta simili ad un comune solvente organico (e.g. acetonitrile, DMF) sia per quanto riguarda gli aspetti termodinamici che cinetici dei catalizzatori ATRP. In acqua, i catalizzatori di rame non sono solo caratterizzati da una estrema reattività, ma anche dalla propensione ad essere coinvolti in reazioni collaterali all'equilibrio ATRP. Queste comprendono la decomposizione del complesso, sia in ambiente acido che basico, e la dissociazione dello ione alogenuro dal complesso disattivante [X-Cu(II)L]+. La quantificazione di tali reazioni ha permesso di stabilire con precisione gli intervalli di stabilità dei più comuni catalizzatori utilizzati. I limiti di controllo dell'ATRP acquosa sono quindi stati testati tramite un'estesa serie di polimerizzazioni del monomero "modello" oligo(ethyleneoxide) methylether methacrylate (OEOMA). Le sintesi sono state condotte tramite rigenerazione elettrochimica del catalizzatore attivo, [Cu(I)L]+ (eATRP). Il range di catalizzatori Cu/L disponibili è stato esteso, includendo catalizzatori estremamente attivi come Cu/Me6TREN (Me6TREN = tris[2-(dimethylamino)ethyl]amine), o sistemi molto economici ed interessanti dal punto di vista industriale come Cu/PMDETA (PMDETA = N,N,N-,N--,N---pentamethyl diethylenetetramine). Inoltre, è stata confermata la particolare stabilità dei leganti piridinici come Cu/TPMA (TPMA = tris(2-pyridylmethyl)amine) fino a pH estremamene acidi (ca. 1). Quest'ultimo risultato ha aperto la strada per la polimerizzazione di monomeri acidi (acido acrilico, AA, e metacrilico, MAA). La polimerizzazione dei monomeri acidi è da sempre considerata uno dei maggiori limiti dell'ATRP. I risultati hanno mostrato la presenza di una ciclizzazione a carico della terminazione di catena, con l'alogeno terminale come gruppo uscente (e quindi perdita della funzionalità attiva C-X). Tre strategie sono state applicate con successo per ridurre l'impatto negativo di questa reazione e ottenere la polimerizzazione controllata di MAA: (i) utilizzare la funzionalità C-Cl come terminazione di catena, un gruppo più stabile di C-Br; (ii) abbassare ulteriormente il pH per convertire completamente gli ioni carbossilato in acidi carbossilici, nucleofili più deboli; (iii) accelerare la velocità di polimerizzazione per diminuire il contributo relativo della ciclizzazione (reazione parassita). Una volta trovate le condizioni ottimali, è stata esplorata la sintesi di acido polimetacrilico ad alto peso molecolare (grado di polimerizzazione > 1000) e con architetture controllate (polimeri lineari, telechelici e stelle a tre braccia). La polimerizzazione radicalica a trasferimento d'atomo mediata elettrochimicamente permette eccellente controllo sulle condizioni di reazione. Uno dei suoi limiti è però quello di utilizzare sia elettrodo lavorante, sia controelettrodo in platino, un metallo estremamente costoso e raro. Per superare questa limitazione, diversi materiali sono stati testati come catodi per eATRP. Sono state individuate le condizioni ottimali per poter utilizzare sia materiali carboniosi (glassy carbon), sia metalli o leghe di metalli non-nobili (acciaio, nichel-cromo, titanio). Inoltre, la reazione è stata ulteriormente semplificata usando un sistema a due elettrodi in condizioni galvanostatiche (corrente fissata), in presenza di un controelettrodo sacrificale in alluminio, direttamente immerso nell'ambiente di reazione. Quest'ultima soluzione permette di evitare la separazione tra compartimento anodico e catodico. Un altro importante obiettivo di questo progetto di dottorato riguarda la definizione del meccanismo della polimerizzazione radicalica a trasferimento d'atomo catalizzata da molecole organiche (derivati della fenotiazina, PTZ), quindi effettuata in assenza di metalli (metal-free ATRP). In questo caso, una fenotiazina in stato eccitato (per assorbimento di radiazione UV, PTZ*) attiva il legame Pn-X generando i radicali propaganti (Pn-*) e il radicale catione PTZ-*+. La costante di velocità di attivazione sperimentale di Pn-X da parte di PTZ* (7x109 M-1 s-1) è stata confrontata con quella calcolata utilizzando la teoria di Marcus per il trasferimento elettronico e i suoi successivi sviluppi (2x1010 M-1 s-1). Il buon accordo tra i due dati ha dimostrato che questa reazione coinvolge un trasferimento elettronico a sfera esterna tra PTZ* e Pn-X, con simultanea rottura del legame C-X. Si tratta quindi di un sistema chiaramente diverso da ATRP mediata da complessi di rame, che prevede un trasferimento elettronico a sfera interna. Differenti sono anche i parametri che regolano l'attività del catalizzatore (frequenza di eccitazione, tempi di vita ed efficienza quantica di fluorescenza, etc.). In particolare, la veloce attivazione del legame C-X è impedita dal breve tempo di vita di PTZ*. Per quanto riguarda la disattivazione dei radicali propaganti, in primo luogo, tramite voltammetria ciclica è stata trovata un'ottima correlazione tra la stabilità del radicale catione PTZ-*+ e l'efficienza di disattivazione. Successivamente, è stata confrontata la velocità relativa di un'ampia gamma di possibili reazioni di disattivazione. Da questo studio cinetico è emerso che la reazione favorita riguarda l'incontro termolecolare di Pn-*, PTZ-*+ e X-. L'efficienza di disattivazione è bassa a causa della bassa probabilità dell'incontro a tre centri. Nel complesso, ATRP mediata in assenza di metalli è catalizzata da un lento processo di attivazione/disattivazione, che correntemente limita il controllo della crescita polimerica. Questi risultati sono necessari per il design di condizioni di reazione ottimali e per la sintesi di catalizzatori più efficaci