Tiểu luận hóa hữu cơ ii đề tài polymer

Đối tượng nghiên cứu Polymer là khái niệm được dùng cho các hợp chất cao phân tử hợp chất có khối lượng phân tử lớn và trong cấu trúc của chúng có sự lặp đi lặp lại nhiều lần những mắt x

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ HÓA DƯỢC

TIỂU LUẬN HÓA HỮU CƠ II

ĐỀ TÀI: POLYMER

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ĐINH THỊ THANH HẢI SINH VIÊN THỰC HIỆN: TRẦN THỊ THÙY LINH

MÃ SINH VIÊN: 2201479 – TỔ 12 - A3K77

Hà Nội, ngày 08 tháng 10 năm 2023

MỤC LỤC

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 3

1.1 Lí do chọn đề tài 3

1.2 Đối tượng nghiên cứu 3

1.3 Mục đích nghiên cứu 3

1.4 Kết cấu tiểu luận 3

• Khái niệm 3

2 KHÁI NIỆM 4

3 PHÂN LOẠI 4

3.1 Theo cấu tạo mạch 4

3.2 Theo cấu trúc lập thể 5

3.2.1 Polymer điều hòa và không điều hòa lập thể 5

3.2.2 Các đồng phân quang học: 5

3.3 Theo cơ chế polymer hóa 5

3.3.1 Trùng hợp (addition reaction) 5

3.3.2 Trùng ngưng (condensation reaction): 5

3.4 Theo nguồn gốc 6

3.5 Theo tính chất 6

3.6 Theo công dụng 6

4 HÌNH DẠNG CỦA MẠCH POLYMER 6

5 TÍNH CHẤT VẬT LÝ 6

6 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP 6

6.1 Trùng hợp (addition reaction) 6

6.2 Trùng ngưng (condensation reaction) 8

6.3 Phương pháp đóng rắn: 8

6.4 Phương pháp tái chế: 9

7 TÍNH CHẤT 9

8 ỨNG DỤNG CỦA POLYMER TRONG CÔNG NGHỆ DƯỢC: 9

8.1 Ứng dụng trong công nghệ bào chế 9

8.1.1 Dùng polymer làm vật liệu bao màng mỏng: 9

8.1.2 Dùng polymer làm vật liệu tạo cốt chứa dược chất: 9

8.1.3 Dùng polymer bào chế viên giải phóng kéo dài theo cơ chế bơm thẩm thấu 10 8.1.4 Dùng polymer tạo vỏ vi nang: 10

8.1.5 Dùng polyme tạo hệ tiểu phân nano: 10

8.2 Ứng dụng nano polymer làm chất dẫn thuốc,đưa thuốc đến đúng tế bào đích 10

8.2.1 Dendrimer: 10

8.2.2 Nanogel-nanocapsule 11

8.2.3 Polymer liposome 11 8.2.4 Micelle polymer (micelle trùng hợp) 12

9 TÀI LIỆU THAM KHẢO 12

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Lí do chọn đề tài

Polymer, trong tiếng Hy Lạp là πoλvς, polus, 'nhiều' và μερος, meros, 'phần', nghĩa là các phân

tử lớn được tạo thành từ sự lặp lại của nhiều phân tử con Polymer có tên khoa học là "chất trùng hợp" và còn được gọi theo từ Hán Việt là "cao phân tử” từ chữ Nhật "kobunshi" Nó hiện hữu khắp nơi, trong ta, xung quanh ta Cao su, cellulose trong thân cây, protein trong sinh vật, thực vật là những polymer thiên nhiên đều là các polymer, và chúng ta thấy chúng ở khắp nơi Vào những năm hai mươi của thế kỷ trước, các nhà hóa học biết cách tổng hợp và sản xuất những polymer nhân tạo hay là plastic Các loại polymer ngày nay trở thành những vật liệu hữu dụng, cực kỳ quan trọng không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại Ta có tơ sợi làm nền vải vóc, chai nước ngọt keo dán, bao nhựa, thùng chứa nước, vỏ máy tivi, bản phiếm máy vi tính,…tất cả đều

là polymer Trong ngành Dược, polymer cũng đóng vai trò rất quan trọng như: tạo hệ tiểu phân nano, tạo cốt chứa dược chất,… Chính vì vậy, tôi chọn đề tài “Polymer” cho bài tiểu luận của mình

Mặc dù đã cố gắng nhiều song ít nhiều cũng gặp nhiều thiếu sót Vì vậy rất mong được sự góp

ý của cô giáo và của các bạn giúp tôi hoàn thiện trong những lần thực hiện sau

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Polymer là khái niệm được dùng cho các hợp chất cao phân tử (hợp chất có khối lượng phân

tử lớn và trong cấu trúc của chúng có sự lặp đi lặp lại nhiều lần những mắt xích cơ bản) Các phân tử tương tự nhưng có khối lượng thấp hơn được gọi là các oligomer

Các đơn vị tạo ra polymer có nguồn gốc từ các phân tử (thực hoặc ảo) có khối lượng phân tử tương đối thấp Thuật ngữ này được Jöns Jacob Berzelius đặt ra vào năm 1833, mặc dù ông có một định nghĩa khác biệt với các định nghĩa IUPAC hiện đại Các khái niệm hiện đại của polymer như là cấu trúc phân tử đồng hóa trị ngoại quan đã được Hermann Staudinger đề xuất vào năm

1920 Ngoài ra polymer còn tạo liên kết ở các nhóm chức khiến khối lượng phân tử lên cao hơn

Polymer được sử dụng phổ biến trong thực tế với tên gọi là nhựa, nhưng polymer bao gồm 2 lớp chính là polymer thiên nhiên và polymer nhân tạo Các polymer hữu cơ như protein (ví dụ như tóc, da, và một phần của xương) và acid nucleic đóng vai trò chủ yếu trong quá trình tổng hợp polymer hữu cơ Có rất nhiều dạng polymer thiên nhiên tồn tại chẳng hạn cellulose (thành phần chính của gỗ và giấy)

1.3 Mục đích nghiên cứu

Tiểu luận này giúp người đọc có cái nhìn bao quát về polymer: về phân loại polymer, phương pháp tổng hợp và ứng dụng của polymer trong ngành Dược

1.4 Kết cấu tiểu luận

• Khái niệm

2 KHÁI NIỆM

Polymer là những chất có trọng lượng phân tử lớn và chứa những nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử lặp đi lặp lại Tác chất ban đầu để tạo nên polymer gọi là monome Nhóm nguyên tử lặp lại trong Polymer gọi là mắt xích cơ sở hoặc mer

Ví dụ polyetylen:

Số lượng mắt xích cơ sở có trong một phân tử gọi là độ trùng hợp n

Mp: khối lượng phân tử của Polymer Mu: khối lượng phân tử của một mer

Thông thường n =5000 – 10000; nếu n nhỏ với Mp =500 6000 thì polymer được gọi là oligome

Một đặc tính quan trọng của polymer là độ bền rất cao của liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử cacbon trong mỗi mạch phân tử Tuy nhiên độ bền liên kết giữa các mạch polymer lại rất yếu, chủ yếu là liên kết vật lý (liên kết Van der Waals)

3 PHÂN LOẠI

3.1 Theo cấu tạo mạch

- Polymer mạch Carbon: trong mạch chính chỉ chứa cacbon

Ví dụ: Cấu trúc một số vinyl polymer

- Polymer dị mạch: có chứa các nguyên tử khác (O, N, S, Si …) trong mạch chính

Ví dụ: Polyeste (polyuretan)

3.2 Theo cấu trúc lập thể

3.2.1 Polymer điều hòa và không điều hòa lập thể

- Điều hòa lập thể: các mắt xích sắp xếp trong không gian theo trật tự nhất định

- Không điều hòa lập thể: các mắt xích sắp xếp không trật tự

Ví dụ: Cao su Isopren

- Nếu các gốc cùng cis, cùng trans kết hợp: điều hòa lập thể

- Nếu các gốc cis, trans kết hợp ngẫu nhiên: không điều hòa lập thể

3.2.2 Các đồng phân quang học:

Đồng phân quang học R, S là do sự có mặt của cacbon bất đối trong mạch

R, R': hai phía của mạch nối với cacbon bất đối

A, B: hai nhóm thế

Nếu có sự lặp lại chu kỳ trên mạch chính các nhóm AC * B cách nhau sẽ thu được polymer isotactic: điều hòa lập thể

Nếu các nguyên tử C bất đối trên mạch chính có kiểu hình không gian đối nhau sẽ tạo

polymer syndiotactic: điều hòa lập thể

Nếu các nhóm sắp xếp không theo quy luật, thu được polymer atactic: không điều hòa lập thể

3.3 Theo cơ chế polymer hóa

3.3.1 Trùng hợp (addition reaction)

Các polymer trùng hợp được tạo thành bằng cách cộng liên tiếp các monome để tạo thành mạch polymer mà không tách loại bất cứ phần nào của monome

3.3.2 Trùng ngưng (condensation reaction):

Phản ứng xảy ra giữa các monome có hai nhóm chức và có tách loại các phân tử nhỏ như H2O, HCl, …

3.4 Theo nguồn gốc

- Tự nhiên: cao su thiên nhiên, xenlulo

- Nhân tạo: xenlulo acetat, xenlulo nitrat

- Tổng hợp: PE, PP…

3.5 Theo tính chất

- Nhựa nhiệt dẻo (Thermoplastics): cấu trúc mạch thẳng hoặc nhánh, có thể chuyển từ trạng thái rắn sang dẻo khi tăng nhiệt độ Quá trình này là thuận nghịch và có thể lặp lại nhiều lần, do đó nhựa này có thể tái sinh dễ dàng Ví dụ: nhựa PE, PP, ABS, PVC …

- Cao su (Elastomers, Rubbers): cấu trúc có liên kết ngang giữa các mạch, tạo mạng lưới không gian ba chiều Cao su có thể biến dạng đàn hồi cao, nhưng không thể tái sinh được

- Nhựa nhiệt rắn (Thermosets): mật độ nối ngang dày đặc hơn cao su, khả năng chịu nhiệt cao hơn nhựa nhiệt dẻo, không tái sinh được Ví dụ: epoxy, polyeste, ure …

3.6 Theo công dụng

- Sợi

- Chất tạo màng

- Màng (Membrane, film), tấm (sheet)

- Ống, thanh hình (profile)

4 HÌNH DẠNG CỦA MẠCH POLYMER

Mạch phân tử rất dài của polymer thường không thẳng do các nguyên tử cacbon trên mạch chính tạo với nhau một góc 109 độ và có thể quay tự do nếu giữa chúng là liên kết đơn Mỗi nguyên tử cacbon có thể di chuyển trên một hình nón như hình vẽ

Do đó một mạch đơn của polymer cấu tạo từ nhiều nguyên tử cacbon, có thể có rất nhiều hình dạng: cong (bend), cuộn (coil), xoắn (twist), thắt nút (kink) Khoảng cách giữa hai đầu cuối của mạch nhỏ hơn rất nhiều so với chiều dài của toàn mạch

Polymer bao gồm rất nhiều mạch phân tử, mỗi mạch có thể bị cong, cuộn, thắt nút do sự quay quanh liên kết đơn của mạch Do đó các mạch lân cận có thể quấn vào nhau hoặc cách xa

nhau ra

5 TÍNH CHẤT VẬT LÝ

Phân tử polymer có thể tồn tại ở hai trạng thái vật lý riêng biệt: kết tinh (crystalline) và vô định hình (amorphous) Polymer không thể kết tinh 100% (nếu không thì nó không thể nóng chảy do cấu trúc có trật tự cao như vậy), nên hầu hết polymer được xem là các vật liệu bán kết tinh với mức độ kết tinh tối đa từ 80 90%

Trong polymer vô định hình, các phân tử sắp xếp không có trật tự

Ví dụ: Polystyren, polyvinyl clorua và các atactic polymer

Sự có mặt của các nhóm phân cực như nhóm cacbonyl CO trong polymer dạng vinyl (

CHRCHR) sẽ hạn chế quá trình kết tinh hóa

Ví dụ: Polyvinyl axetat, polyacrylat và polymetacrylat Polyacrylonitril là một ngoại lệ vì

dù có mặt nhóm cacbonyl nhưng nó vẫn kết tinh

Mức độ kết tinh là một thuộc tính vốn có của mỗi polymer nhưng nó có thể bị ảnh hưởng hoặc kiểm soát bởi quá trình polymer hóa hoặc đúc khuôn

6 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP

6.1 Trùng hợp (addition reaction)

Các polymer trùng hợp được tạo thành bằng cách cộng liên tiếp các monome để tạo thành mạch polymer mà không tách loại bất cứ phần nào của monome

Ví dụ phản ứng trùng hợp polyetylen:

Phản ứng xảy ra giữa monome (có ít nhất một nối đôi) và xúc tác là các gốc tự do peroxyt (có chứa điện tử tự do để có thể tạo liên kết cộng hóa trị với điện tử cùa phân tử khác):

Phản ứng bao gồm ba giai đoạn:

- Giai đoạn khơi mào:

- Giai đoạn phát triển mạch:

- Giai đoạn kết thúc mạch:

Nếu polymer trùng hợp từ một loại monome thì được gọi là polymer đồng nhất homopolymer) Các monome có thể sắp xếp để tạo cấu trúc mạch thẳng, mạch nhánh và cấu trúc mạng lưới, không gian (các mạch nối nhau bằng liên kết hóa học)

Ví dụ: PE, PTFE

Nếu Polymer trùng hợp từ hai hoặc nhiều monome khác nhau thì được gọi là polymer đồng trùng hợp (copolymer):

Ví dụ: Copolymer của Vinyl clorua và Vinyl axetat

Tùy vào cách sắp xếp của các monome mà copolyme có thể có các dạng sau:

- Copolymer phân bố ngẫu nhiên (random copolymer): các monome khác nhau được phân bố ngẫu nhiên trong mạch polyme

- Copolymer xen kẽ (alternating copolymer): các monome sắp xếp theo một trật tự xen kẽ xác định

- Copolymer khối (block copolymer): mỗi loại monome xếp thành từng khối riêng Copolymer ghép (graft copolymer): mạch chính là của một monome, còn các mạch monome khác thì ghép vào mạch chính

6.2 Trùng ngưng (condensation reaction)

So với phản ứng trùng hợp thì phản ứng trùng ngưng tạo ra các polymer có khối lượng phân

tử nhỏ hơn và đòi hỏi nhiệt độ cao hơn Phản ứng xảy ra giữa các monome có hai nhóm chức

và có tách loại các phân tử nhỏ như H2O, HCl, …

Ví dụ: Trùng ngưng giữa hexametylen và axit adipic để tạo thành Nylon 6-6

Sau giai đoạn này, mạch polymer sẽ phát triển bằng cách tạo liên kết với các phân tử khác của hexametylen hoặc axit adipic hoặc với một dime khác

6.3 Phương pháp đóng rắn:

Phương pháp này sử dụng các phản ứng hoá học để chuyển đổi một hỗn hợp chất lỏng thành một polymer rắn Ví dụ điển hình là quá trình tổng hợp polyester thông qua phản ứng giữa axit

và rượu

6.4 Phương pháp tái chế:

Phương pháp này sử dụng các quá trình hóa học hoặc vật lý để tái chế chất thải nhựa thành các loại polymer mới Các ví dụ bao gồm tái chế PET (Polyethylene terephthalate) thành quần

áo hay túi xách

Tái chế nhựa PET bằng phương pháp thủy phân

7 TÍNH CHẤT

- Trạng thái tồn tại: lực liên kết giữa các phân tử trong polymer bằng hoặc lớn hơn lực

liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử cho nên các polyme không bay hơi hoặc thăng hoa Đặc điểm cấu tạo, nhóm chức trong monome quyết định tính chất hóa học của polymer Polymer tồn tại ở 3 trạng thái vật lý: thủy tinh, đàn hồi, lỏng nhớt.( nhiệt

độ thủy tinh là nhiệt độ xảy ra sự chuyển đổi giữa trạng thái thủy tinh sang đàn hồi và ngược lại, nhiệt độ chảy lỏng là nhiệt độ chuyển đổi giữa hai trạng thái đàn hồi và lỏng nhớt)

- Sự trương nở, hòa tan polymer trong dung môi: Hòa tan polymer là quá trình tự

diễn biến tạo hệ bền vững nhiệt động học và tạo hệ đồng thể Trải qua 3 giai đoạn: giai đoạn 1 (polymer trương nở nhờ sự solvat hóa), giai đoạn 2 (trương nở polymer nhờ sự khuếch tán một chiều của các phân tử dung môi vào pha polymer), giai đoạn 3 (hòa tan polymer tạo dung dịch) Sự trương nở thường kèm với tỏa nhiệt

- Tính hấp phụ và tính thấm: Sự hấp phụ các polymer tan trong nước (các polymer

như gelatin, gôm có thể được hấp thụ lên bề mặt phân cách giữa các pha, do đó ứng dụng làm chất bảo vệ, tăng độ ổn định của hệ keo, nhũ tương, hỗn dịch) Tính thấm của các chất qua màng polymer không tan trong nước ( các polymer sơ nước có vai trò quan trọng trong công nghệ dược như dùng làm tá dược bao màng, đồ đóng gói dược phẩm, ống dẫn dịch truyền Tuy nhiên bề mặt polymer không tan trong nước có thể cho các chất thâm nhập và thấm qua)

8 ỨNG DỤNG CỦA POLYMER TRONG CÔNG NGHỆ DƯỢC:

8.1 Ứng dụng trong công nghệ bào chế

8.1.1 Dùng polymer làm vật liệu bao màng mỏng:

Có tác dụng bảo vệ, kiểm soát tốc độ giải phóng thuốc theo cơ chế thẩm thấu, khuếch tán Thành phần: polymer, chất hóa dẻo, chất nhũ hóa, chất ổn định, chất rắn vô cơ làm đục

8.1.2 Dùng polymer làm vật liệu tạo cốt chứa dược chất:

Polyme tan trong nước khi dùng làm tạo cốt thân nước, nước thấm vào tạo thể gel Dược chất giải phóng có kiểm soát nhờ khuếch tán chậm qua gel polymer

+ Tạo cốt khuếch tán quan lỗ xốp

+ Tạo cốt khuếch tán qua gel

+ Tạo cốt hòa tan, trương nở và khuếch tán

+ Tạo cốt nhựa trao đổi qua ion

+ Tạo cốt sáp thủy phân, hòa tan mòn dần

8.1.3 Dùng polymer bào chế viên giải phóng kéo dài theo cơ chế bơm thẩm thấu

Dược chất trộn với tá dược tan trong nước rồi đem dập viên Sau đó được bao màng polymer

có đặc tính thẩm thấu Dùng tia laser khoan lỗ nhỏ trên màng Nước hấp thu qua màng, hòa tan dược chất và tá dược Nồng độ các chất tan trong viên tạo áp suất thẩm thấu, bơm dịch thuốc qua

lỗ của màng bao

8.1.4 Dùng polymer tạo vỏ vi nang:

Vi nang là các tiểu phân nhỏ được bao một lớp vỏ có thể chứa một nhân hoặc nhiều nhân Đông tụ polymer tạo vỏ vi nang

Trùng hợp tạo vỏ vi nang

8.1.5 Dùng polyme tạo hệ tiểu phân nano:

Hệ tiểu phân nano là hệ điều trị mới gồm các tiểu phân siêu nhỏ kích thước nano có tác dụng tại đích thấm vào nội bào tốt hơn hệ tiểu phân micro Gồm hệ nanocapsul và nanosphere

8.2 Ứng dụng nano polymer làm chất dẫn thuốc,đưa thuốc đến đúng tế bào đích 8.2.1 Dendrimer:

- Là một loại đại phân tử polymer có nhiều nhánh, đối xứng và dạng cầu 3 chiều với các hạt có cùng kích cỡ và phân tử lượng được xác định rõ

- Trong các hệ thống đưa thuốc, dendrimer có thể được sử dụng để vi nang hoá các tác nhân trị liệu vào bên trong cấu trúc hoặc liên hợp với chúng trên bề mặt

- Dendrimer có chứa 3 thành phần cơ bản bao gồm lõi, nhánh và các thành phần bề mặt

- Được điều chế bằng hai phương pháp cơ bản là phân kỳ và hội tụ, ngoài ra, còn có thêm một phương pháp khác là phương pháp hội tụ giai đoạn kép

- Những loại thuốc được vi nang hoá sử dụng dendrimer bao gồm doxorubicin, paclitaxel, 10-hydroxycamptothecin, 7-butyl-10-aminocamptothecin, flurbiprofen, ibuprofen

- Đối với tế bào ung thư bạch cầu L1210: phức PAMAMcisPlatin và cisPlatin có tác dụng tương đương nhau, tuy nhiên đối với tế bào ung thư sắc tố B16F10 phức PAMAM-cis-Platin có tác dụng tốt trong khi cisPAMAM-cis-Platin không có tác dụng Và PAMAM-cis-PAMAM-cis-Platin ít độc đối với cơ thể hơn so với cisPlatin khoảng 10 lần

- Khi tổng hợp phức dendrimer G1.0, G2.0 có nhóm ngoài cùng là acid citric với cisplatin làm cho phức dendrimer-cisplatin dễ dàng xâm nhập vào và gây độc tế bào ung thư hiệu quả hơn cisplatin

- Phức dendrimer G1.0-cisplatin có khả năng gây độc đối với tế bào ung thư biểu mô liên kết HT1080, tế bào ung thư trực tràng CT26 lần lượt cao hơn cisplatin là 3 và 3,7 lần

- Nghiên cứu thực hiện trên cả 2 loại tế bào thường và tế bào ung thư vũ (human breast adenocarcinoma) cùng với tạo khối u bằng phương pháp xeniograft Kết quả nghiên cứu cho thấy chất mang PAMAM mang thuốc chống ung thư và tác nhân đến đích ưu tiên diệt tế bào ung thư hơn tế bào thường