Copolímeros Poli(N-vinilamida) Multi-Estimulo-Responsivos: Agregação Controlada em Meio Aquoso via Gatilhos Térmicos e Fotônicos

Resumo

Um copolímero de resposta dual baseado em espinha dorsal de N-vinilamida foi projetado para combinar responsividade térmica e foto-responsividade. Um substituinte metoxietil foi introduzido para aumentar hidrofilicidade, enquanto unidades de azobenzeno foram enxertadas para conferir sensibilidade à luz. O polímero resultante, N-(metoxietil)-N-vinilformamida, foi copolimerizado com N-vinilformamida via polimerização de radicais livres. Subsequente anexação de azobenzeno na posição N adjacente à cadeia principal resultou em derivados de poli(N-vinilformamida) que exibiram agregação nanoescalas controlada impulsionada por interações hidrofóbicas na posição N.

Introdução

Na ciência de polímeros, integrar multi-responsividade a estímulos — como termorredox, termosal, ou termopH — é essencial para aplicações avançadas [1–3]. Comportamento de temperatura crítica de solução inferior (LCST) tem sido extensivamente estudado, e combiná-lo com moietas foto-responsivas, notavelmente derivados de azobenzeno, produz polímeros capazes de controle ambiental preciso [17–22]. Agregação controlada de tais polímeros em soluções aquosas é pré-requisito para aplicações variando de liberação direcionada de fármacos a reconhecimento supramolecular [23–29].

Derivados de poli(N-vinilamida), primeiramente sintetizados via rota inovadora para poli(N-vinilacetamida) (PNVA) [30], provaram ser versáteis: PNVA é anfifílico [32], PNVIBA é termosensível [33], e PNVF serve como precursor de policatião [34]. Importante, PNVF pode ser hidrolisado em condições alcalinas para gerar poli(N-vinilamina) catiônico sem liberar aminas tóxicas [34], e permanece estável sob irradiação UV [35]. Apesar dessas vantagens, pesquisa em derivados de poli(N-vinilamida) fica atrás da em análogos de poli(acrilamida) [36–38] devido à baixa reatividade de monômeros vinílicos não conjugados. Este estudo aborda essa lacuna sintetindo monômero substituído por metoxietil para melhorar hidrofilicidade e então incorporando unidades de azobenzeno foto-responsivas para alcançar dupla responsividade.

Métodos

Materiais

N-vinilformamida (NVF) foi obtida da Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Japão) e destilada antes do uso. Hidreto de sódio (NaH) 60% em óleo, 1,2-dibromoetano, 4-(fenilazo)fenol, e tetraidrofurano (THF) anidro foram obtidos da Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Japão). N,N-dimetilformamida (DMF) anidro, acetona, tolueno, acetato de etila, sulfato de magnésio, azobisisobutironitrila (AIBN) e hexano foram comprados da NACALAI TESQUE, INC. (Japão) e Wako Pure Chemical Industries Ltd. (Japão). Éter dietílico foi obtido da AZBIO CORP. (Japão).

Polimerização

O copolímero poli(N-vinilformamida-co-NOENVF) (1) foi preparado por copolimerização de radicais livres: MOENVF (1,03 g, 8 mmol), NVF (0,14 g, 2 mmol), tolueno (5 mL) e AIBN (0,044 g, 0,25 mmol) foram misturados em balão de vidro de 50 mL, purgado com nitrogênio por 2 min, então aquecido a 60 °C por 24 h. A mistura foi resfriada, precipitada em 500 mL de éter dietílico, lavada duas vezes, e seco a vácuo a 30 °C por 12 h, resultando em 0,69 g (59% rendimento).

Para introduzir unidades de azobenzeno, 0,20 g de polímero 1 e 0,4 mmol NaH (0,011 g) foram dissolvidos em DMF (1 mL) a 100 °C sob nitrogênio. Após 15 min, 1-bromoetano azobenzeno (0,4 mmol, 0,12 g) foi adicionado, seguido por 12 h de agitação. Água (1 mL) e DMF adicional (2 mL) foram então adicionados, e a mistura foi precipitada em 500 mL de acetona. O produto, poli(N-vinilformamida-co-MOENVF-co-NVFazo) (2), foi recuperado por centrifugação e seco a 30 °C por 12 h, dando 0,29 g (43% rendimento).

Medidas

Cromatografia de exclusão por tamanho (SEC) foi realizada em sistema Chem NAV (JASCO) com padrões de poliestireno a 40 °C usando DMF como eluente. Espectros de ressonância magnética nuclear de próton (¹H NMR) foram registrados em JEOL JNM-ECX 400 (400 MHz). Transmitância de luz versus temperatura foi monitorada em Shimadzu UV-2600. Irradiação UV (330 nm, lâmpada Xenon 300 W) foi aplicada por 10 min. Espalhamento dinâmico de luz (DLS) foi conduzido com Malvern ZEN3600 Zetasizer Nano ZS (laser 633 nm).

Resultados e Discussão

Polímero 1 foi sintetizado com sucesso em 59% rendimento. Sua composição correspondeu à razão de alimentação (NVF:MOENVF = 20:80) conforme confirmado por integração de ¹H NMR. Polímero 2 foi obtido em 43% rendimento; NMR indicou que ~72% das unidades NVF foram convertidas em NVFazo portadoras de azobenzeno, resultando em média de quatro grupos azobenzeno por cadeia (Mₙ ≈ 4000).

Traços SEC (Fig. 2) revelaram pico único largo para 1, enquanto 2 exibiu perfil alargado com ombro de alto peso molecular, refletindo heterogeneidade introduzida por enxertia de azobenzeno. Detecção UV a 500 nm (Fig. 2d) confirmou que ombro de alto PM surgiu de frações ricas em azobenzeno, consistente com interações π-π promovendo agregação.

Transmitância de luz dependente de temperatura (Fig. 3) mostrou que 1 permaneceu transparente em 20–90 °C, indicando sua natureza hidrofílica. Em contraste, 2 exibiu diminuição de ~10% na transmitância, evidenciando agregação impulsionada por temperatura via interações hidrofóbicas e π-π.

Medidas DLS (Fig. 4, Tabela 2) revelaram que 2 formou nanopartículas de 210 nm a 20 °C e 250 nm a 60 °C. 2 irradiado com UV (2') formou agregados de 330 nm a 60 °C mas permaneceu abaixo dos limites de detecção a 20 °C. O maior tamanho de 2' é atribuído a conformações trans-azobenzeno aumentando empilhamento π-π, enquanto isômeros cis em temperaturas menores reduzem agregação.

Conclusões

Demonstramos rota fácil para sintetizar copolímeros poli(N-vinilamida) de resposta dual que agregam de maneira controlada via estímulos térmicos e fotônicos. Polímero 2 forma montagens de nanopartículas distintas (210–330 nm) dependendo de temperatura e exposição UV, destacando papéis fundamentais de interações hidrofóbicas e π-π bem como isomerismo de azobenzeno. Esta plataforma oferece base promissora para sistemas de liberação inteligentes onde tamanho de agregação pode ser ajustado sob demanda.

Abreviações

AIBN:

Azobisisobutironitrila

LCST:

Temperatura crítica de solução inferior

MOENVF:

N-Metoxietil-N-vinilformamida

NVFazo:

4-(2-N-Vinilformamida)etoxiazobenzeno

PNVA:

Poli(N-vinilacetamida)

PNVF:

Poli(N-vinilformamida)

PNVIBA:

Poli(N-vinilisobutilamida)