tiểu luận hóa hữu cơ ii đề tài polymer

Do đóchúng tôi lựa chọn đề tài “Tìm hiểu về polymer” để có thể hiểu rõ hơn về phân loại, thànhphần, tính chất, phương ph愃Āp tổng hợp, ứng dụng trong ngành Dược.. Những mắt xích này được

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA DƯỢC

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 4

1 Lí do chọn đề tài 4

2 Đối tượng nghiên cứu 4

3 Mục đích nghiên cứu: 5

4 Kết cấu của tiểu luận: 5

I PHÂN LOẠI POLYMER 6

1 Theo nguồn gốc 6

2 Theo phương ph愃Āp điều chế : 6

3 Theo số loại monomer tạo nên polymer 6

4 Theo cấu trúc mạch chính của polymer 7

4.1 Polymer không phân nh愃Ānh: 8

4.2 Polymer phân nh愃Ānh: 9

4.3 Polymer liên kết ngang: 9

II PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP POLYMER 11

1 Phản ứng trùng hợp 11

2 Phản ứng trùng ngưng 12

3 Phương ph愃Āp đóng rắn: 14

4 Phương ph愃Āp t愃Āi chế: 15

III ỨNG DỤNG POLYMER TRONG NGÀNH DƯỢC 16

1 Polymer tạo hệ tiểu phân nano: 16

2 Polymer làm vật liệu bao màng mỏng: 16

3 Polymer làm vật liệu tạo cốt chứa dược chất: 16

4 Polymer bào chế viên giải phóng kéo dài theo cơ chế bơm thẩm thấu: 16

5 Polymer tạo vỏ vi nang: 17

6 Polymer phân huỷ sinh học 17

7 Một số ứng dụng của polymer thiên nhiên 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

3

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Lí do chọn đề tài

Ngày nay vật liệu polymer đang được ph愃Āt triển mạnh mẽ Đây là vật liệu có tính ứngdụng cao, có tính ho愃Ā lý cơ rõ ràng, gi愃Ā thành rẻ, polymer có nhiều đặc tính vượt trội, cónhiều ứng dụng trong công nghiệp Dược, việc tìm hiểu về polymer sẽ giúp việc sử dụngchúng đạt hiệu qua cao nhất

Tuy nhiên không phải ai cũng nắm được về thành phần, tính chất của polymer Do đóchúng tôi lựa chọn đề tài “Tìm hiểu về polymer” để có thể hiểu rõ hơn về phân loại, thànhphần, tính chất, phương ph愃Āp tổng hợp, ứng dụng trong ngành Dược Từ đó sử dụng mộtc愃Āch đạt hiệu quả cao nhất

2 Đối tượng nghiên cứu

Polymer - kh愃Āi niệm được dùng cho c愃Āc hợp chất cao phân tử (hợp chất có khối lượngphân tử lớn và trong cấu trúc của chúng có sự lặp đi lặp lại nhiều lần những mắt xích cơbản) Những mắt xích này được kết nối với nhau thông qua c愃Āc liên kết cộng hóa trị - haiphân tử hoặc nhiều hơn hai sẽ được kết nối lại với nhau, chúng có chung một cặp electron.C愃Āc phân tử ban đầu tạo nên từng mắt xích của polymer gọi là monomer Polymer có nhiềutrong tự nhiên, ví dụ điển hình là những chất hóa học cơ bản như: DNA và RNA Bên cạnh

đó, có c愃Āc loại polime tự nhiên kh愃Āc quen thuộc xung quanh ta như lụa, tóc, móng tay, móngchân, cellulose và protein… Bên cạnh đó, chúng còn có nguồn gốc từ khí tự nhiên hoặc thanđ愃Ā, dầu thô Từ thời xa xưa người ta biết sử dụng sợi bông, sợi tơ tầm, sợi len để làm quần愃Āo Người 愃Āi cập cổ xưa biết sử dụng giấy polymer để viết thư cho đến khi tìm ra đượcphương ph愃Āp điều chế hợp chất cao phân tử kh愃Āc là giấy

 Năm 1833, Gay Lussac tổng hợp được polyester khi đun nóng lactic acid, Braconot điều chế được nitrocellulose bằng phương ph愃Āp chuyển ho愃Ā đồng dạng, từ đó mở ra thời kỳ mới, thời kỳ tổng hợp polymer bằng phương ph愃Āp ho愃Ā học và đi sâu vào nghiên cứu cấu trúc của polymer thiên nhiên

 Đến cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 việc nghiên cứu hợp chất polymer được ph愃Āt triển mạnh mẽ

 Nhờ những thành tựu của khoa học kỹ thuật, người ta đã 愃Āp dụng những phương ph愃Āpvật lý hiện đại để nghiên cứu cấu trúc polymer và đưa ra kết luận:

 Hợp chất polymer là tổ hợp của c愃Āc phân tử có độ lớn kh愃Āc nhau về cấu trúc vàthành phần đơn vị cấu trúc monomer trong mạch phân tử

 C愃Āc nguyên tử hình thành mạch chính của phân tử lớn có thể tồn tại ở dạng sợi và có thể dao động xung quanh liên kết ho愃Ā trị, làm thay đổi cấu dạng của đại phân tử.

 Tính chất của polymer phụ thuộc vào khối lượng phân tử, cấu trúc thành phần ho愃Ā học của phân tử, cũng như sự tương t愃Āc của c愃Āc phân tử

 Dung dịch polymer là một hệ bền nhiệt động học, không kh愃Āc với dung dịch của hợp chất thấp phân tử, nhưng lực tổ hợp và solvate ho愃Ā lớn ngay trong dung dịch loãng

Ngày nay, sự ph愃Āt triển mạnh mẽ của khoa học đã thúc đẩy sự ph愃Āt triển mạnh mẽ và ứng dụng rộng rãi của c愃Āc hợp chất polymer

Thí dụ: cao su là vật liệu không thể thiếu trong ngành giao thông vận tải

nhựa Polyethylene (PE), polypropylene (PP), PS, ABS… mà sản phẩm gia dụng của nó không thể thiếu trong sinh hoạt hàng ngày Polyester không no, epoxy, PF, UF … là nhựa nền cho vật liệu composite Hơn thế nữa có thể tổng hợp được polymer tinh thể lỏng ứng dụng làm màng hình tinh thể lỏng…

3 Mục đích nghiên cứu:

Tiểu luận này giúp người đọc có c愃Āch nhìn tổng qu愃Āt nhất về polymer, nắm được về phân loại, phương ph愃Āp tổng hợp, ứng dụng trong ngành Dược

4 Kết cấu của tiểu luận:

 Phân loại polymer

 Phương ph愃Āp tổng hợp polymer

 Ứng dụng polymer trong ngành Dược

5

I PHÂN LOẠI POLYMER

Hiện nay, polime được chia thành nhiều loại kh愃Āc nhau, dựa vào nguồn gốc, c愃Āch tổng hợp

và đặc điểm cấu trúc

1 Theo nguồn gốc

Chia thành hai loại chính:

 Polime có nguồn gốc từ thiên nhiên như cao su, xenlulozơ…

 Polime tổng hợp do con người tổng hợp nên như polietilen, nhựa phenol-fomanđehit

 Ngoài ra, polime nhân tạo (hay được gọi là b愃Ān tổng hợp) được lấy từ polime thiênnhiên và chế hóa thành polime mới như xenlulozơ trinitrat, tơ visco …

2 Theo phương ph 愃Āp điều chế :

 Polime trùng hợp được tổng hợp bằng phản ứng trùng hợp: (–CH2–CH2–)n và (–CH2–CHCl–)n

 Polime trùng ngưng được tổng hợp bằng phản ứng trùng ngưng: (–HN–[CH2]6–NH–CO–[CH2]4–CO–)n

3 Theo số loại monomer tạo nên polymer

a Homopolymer: gồm c愃Āc chuỗi có liên kết liên kết giống hệt nhau với từng đơn

vị monome Polyme được tạo thành từ tất cả c愃Āc phân tử monome giống hệt nhau.Chúng có thể được biểu diễn dưới dạng: -[A-A-A-A-A-A]- Homopolyme thườngđược đặt tên bằng c愃Āch đặt tiền tố poly trước tên monome cấu thành

Ví dụ: Polystyrene là tên của polyme được làm từ monome styrene(vinylbenzen)

b Copolymer : bao gồm c愃Āc chuỗi có hai hoặc nhiều liên kết thường bao hàm haihoặc nhiều loại đơn vị monome kh愃Āc nhau Chúng có thể được biểu diễn dưới dạng: -[A-B-A-B-A-B]-

Copolymer thì có c愃Āc loại như: copolymer điều hòa/tiếp c愃Āch, copolymerthiên nhiên, copolymer khối, copolymer ghép

Copolymer điều hòa/tiếp c愃Āch (alternating): có chứa chuỗi kế tiếp nhau của haiđơn vị monomer A và B Polymer hóa olefin xảy ra theo cơ chế ion có thể thu đượccopolymer này Tính chất của copolymer thường kh愃Āc nhiều so với homopolymer

Copolymer ngẫu nhiên (random): Trong copolymer không có trật tự nào củac愃Āc đơn vị monomer A và B C愃Āc copolymer thường được tạo thành khi c愃Āc monomerolefin copolymer hóa theo cơ chế gốc tự do Tính chất của copolymer thường kh愃Ācnhiều so với homopolymer.

Copolymer khối (block): có chứa khối của một monomer A nối với khối củamột monomer B kh愃Āc copolymer khối thường được tạo thành do qu愃Ā trình polymerhóa ion Kh愃Āc với c愃Āc loại copolymer kh愃Āc, copolymer khối vẫn còn mang nhiều tínhchất vật lý của cả hai homopolymer Một copolymer tam khối quan trọng trongthương mại là SBS (polystyren-polybutadien-polystyren)

Copolymer ghép : thường được tạo thành bằng c愃Āch liên kết hai polymer kh愃Ācnhau:

VD: homopolymer A cho phản ứng với homopolymer B Loại này thườngđược tạo thành bằng c愃Āch cho hỗn hợp hai polymer chịu t愃Āc dụng của bức xạ gammahay tia X hay bằng c愃Āch phối trộn cơ học hai homopolymer Một phương ph愃Āp kh愃Ācđiều chế copolymer ghép là polymer hóa monomer B từ c愃Āc tâm khơi mào dọc theomạch polymer A C愃Āc copolymer ghép thường có tính chất giống với haihomopolymer

4 Theo cấu trúc mạch chính của polymer

Polyme có thể là dạng không phân nh愃Ānh, phân nh愃Ānh hoặc liên kết ngang nhờ c愃Āc liên kếtliên phân tử giữa c愃Āc chuỗi riêng lẻ

7

4.1 Polymer không phân nh愃Ānh:

Polymer không phân nh愃Ānh(Polymer tuyến tính):M-M-M-M-M-M-…

Một phân tử hoặc polyme có một trục chính: mỗi phân tử monome được liên kết vớinhiều nhất hai phân tử monome kh愃Āc Một polyme mạch thẳng bao gồm một chuỗi đơn vịlặp lại liên tục C愃Āc nguyên tử liên kết cộng hóa trị với nhau tạo thành xương sống củapolyme Một polyme tuyến tính có thể có c愃Āc nhóm bên được gắn vào xương sống Trongmột polyme tuyến tính, c愃Āc nhóm mặt dây chuyền có thể được sắp xếp theo c愃Āc mẫu kh愃Ācnhau Những mẫu này được mô tả dưới kh愃Āi niệm xúc gi愃Āc - tính đều đặn tương đối củachuỗi polymer Theo tính xúc gi愃Āc của polyme, c愃Āc polyme mạch thẳng này có thể được chiathành ba nhóm chính là polyme đẳng hướng, polyme syndiotactic và polyme atactic

C愃Āc polyme Atactic có c愃Āc nhóm mặt dây chuyền một c愃Āch ngẫu nhiên PolymeAtactic là chất vô định hình.

4.2 Polymer phân nh愃Ānh:

C愃Āc polyme phân nh愃Ānh có c愃Āc chuỗi bên hoặc c愃Āc nh愃Ānh liên kết với chuỗi chínhC愃Āc chuỗi bên hoặc nh愃Ānh được tạo thành từ c愃Āc đơn vị lặp lại giống như chuỗipolymer chính C愃Āc nh愃Ānh là kết quả của c愃Āc phản ứng phụ trong qu愃Ā trình trùng hợpMonome có hai hoặc nhiều nhóm cuối có khả năng hỗ trợ phân nh愃Ānh Để mộtpolyme được phân loại là polyme phân nh愃Ānh, c愃Āc chuỗi bên hoặc c愃Āc nh愃Ānh phải bagồm tối thiểu một đơn vị monome hoàn chỉnh Một trong những ví dụ phổ biến nhất

9

là polyetylen mật độ thấp (LDPE) và có c愃Āc ứng dụng từ túi nhựa, hộp đựng, dệt may

và c愃Āch điện đến lớp phủ cho vật liệu đóng gói

4.3 Polymer liên kết ngang:

Polymer liên kết ngang là c愃Āc vật liệu có liên kết ngang cao, trong đó c愃Āc chuỗi polyme liền

kề được kết nối theo cấu trúc mạng ba chiều

Mạng polyme chứa liên kết hóa học được gọi là polyme liên kết ngang Một ví dụ về polymeliên kết ngang là cao su tổng hợp lưu hóa, được sử dụng trong lốp ô tô Một ví dụ về polymemạng được hình thành bởi c愃Āc liên kết yếu là gel được hình thành bởi pectin

Mạng có thể được hình thành bằng phản ứng của c愃Āc phân tử monome hoặc tiền polyme đểtạo ra mạng cộng hóa trị hoặc bằng sự liên kết liên phân tử của c愃Āc polyme mạch thẳng hoặcphân nh愃Ānh, thường thông qua liên kết hydro, để tạo ra mạng vật lý

11

II PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP POLYMER

Có hai loại phản ứng chung: trùng hợp và trùng ngưng

1 Phản ứng trùng hợp

Sự trùng hợp có thể được biểu diễn bằng phản ứng của một vài đơn vị monomer:

Trong qu愃Ā trình polyme hóa ethylene, hàng nghìn phân tử ethylene liên kết với nhau tạo thành poly(ethylene) Phản ứng được thực hiện ở 愃Āp suất cao với sự có mặt của một lượng nhỏ oxygen làm chất khơi mào

Một số polymer phổ biến như polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride,

polytetrafluoroethylene

Những polyme này thường được hình thành bởi c愃Āc phản ứng gốc tự do; tuy nhiên, cơ chế anion và cation cũng có thể được sử dụng nhưng đòi hỏi dung môi và điều kiện phản ứng đặc biệt

C 愃Āc bước của phản ứng trùng hợp

Bước 1: Bắt đầu chuỗi

Oxygen phản ứng với một số phân tử ethylene để tạo ra peroxide hữu cơ Peroxide hữu cơ lànhững phân tử rất dễ phản ứng, chứa c愃Āc liên kết đơn oxy-oxy kh愃Ā yếu và dễ bị gãy để tạo rac愃Āc gốc tự do Loại gốc tự do bắt đầu phản ứng kh愃Āc nhau tùy thuộc vào nguồn gốc của chúng

Việc bắt đầu cũng có thể được thực hiện bằng bức xạ năng lượng cao, quang phân hoặc nănglượng nhiệt

Một gốc tự do tiếp cận liên kết π trong ethene.

Gốc tự do Ra sử dụng một trong c愃Āc electron trong liên kết π để giúp hình thành liên kết mới giữa chính nó và nguyên tử carbon bên tr愃Āi Electron còn lại quay về carbon bên phải

Sẽ nhận được nhiều năng lượng hơn khi liên kết mới được tạo ra so với năng lượng được sử dụng để ph愃Ā vỡ liên kết cũ Càng cung cấp nhiều năng lượng thì hệ thống càng ổn định Điều

đó cho thấy nó có thể phản ứng với một phân tử ethene kh愃Āc theo c愃Āch tương tự:

Như vậy chuỗi polymer ngày càng dài hơn

Bước 3: Chấm dứt chuỗi

Tuy nhiên, chuỗi không ph愃Āt triển vô thời hạn Sớm hay muộn hai gốc tự do sẽ va chạm với nhau

Điều đó ngay lập tức ngăn chặn sự ph愃Āt triển của hai chuỗi và tạo ra một trong những phân

tử cuối cùng trong poly(ethylene) Có nghĩa poly(ethylene) sẽ là hỗn hợp của c愃Āc phân tử có kích thước kh愃Āc nhau, được tạo ra theo c愃Āch ngẫu nhiên này Vì việc kết thúc chuỗi là một qu愃Ā trình ngẫu nhiên nên poly(ethene) sẽ được tạo thành từ c愃Āc chuỗi có độ dài kh愃Āc nhau

2 Phản ứng trùng ngưng

- Một lượng lớn vật liệu polymer quan trọng và hữu ích không được tạo ra nhờ phản ứng trùng hợp liên quan đến c愃Āc loại phản ứng như gốc tự do, mà được tạo ra nhờ phản ứng trùng

13

ngưng Phản ứng trùng ngưng là qu愃Ā trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monomer) thành phân

tử lớn (polymer) và thường giải phóng c愃Āc sản phẩm phụ như H2O

- Điều kiện xảy ra phản ứng trùng ngưng: Monomer tham gia phản ứng trùng ngưng phải có

ít nhất 2 nhóm chức có khả năng phản ứng để tạo liên kết với nhau

Ví dụ:

*Đặc điểm của polyme tổng hợp từ phản ứng trùng ngưng

Polymer trùng ngưng hình thành chậm hơn so với polymer trùng hợp, thường cần nhiệt và chúng thường có trọng lượng phân tử thấp hơn C愃Āc nhóm chức trên chuỗi vẫn hoạt động, do

đó c愃Āc chuỗi ngắn hơn kết hợp thành chuỗi dài hơn trong giai đoạn trùng hợp

C愃Āc ví dụ về polymer trùng ngưng sau:

3 Phương ph 愃Āp đóng rắn:

Phương ph愃Āp này sử dụng c愃Āc phản ứng ho愃Ā học để chuyển đổi một hỗn hợp chất lỏng thành một polime rắn Ví dụ điển hình là qu愃Ā trình tổng hợp polyester thông qua phản ứng giữa axit và rượu

Phản ứng ngưng tụ giữa Dicarboxylic và Diol

15

4 Phương ph 愃Āp t愃Āi chế:

Phương ph愃Āp này sử dụng c愃Āc qu愃Ā trình hóa học hoặc vật lý để t愃Āi chế chất thải nhựa thành c愃Āc loại polime mới C愃Āc ví dụ bao gồm t愃Āi chế PET (Polyethylene terephthalate) thành quần愃Āo hay túi x愃Āch

T愃Āi chế nhựa PET bằng phương ph愃Āp thủy phân

a Phản ứng mở vòng: Trong phản ứng mở vòng, c愃Āc hợp chất vòng được mở

ra và kết hợp với nhau để tạo thành c愃Āc mạch polime dài Phản ứng này thường được sử

dụng để tổng hợp poliamit, như tạo ra nylon

Tổng hợp Polyethylene Oxide

b Phản ứng polymerization radicale: Đối với polime tổng hợp tích cực, phản

ứng polymerization radicale sử dụng radicale tự do để khởi động qu愃Ā trình tổng hợp C愃Āc đơn vị monomer kết hợp với nhau dưới sự t愃Āc động của radicale tự do, tạo ra mạch polime dài Ví dụ phản ứng polymerization radicale được sử dụng để tổng hợp polystyrene.

1 Polymer tạo hệ tiểu phân nano:

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

nanosphere

2 Polymer làm vật liệu bao màng mỏng:

Có t愃Āc dụng bảo vệ, kiểm so愃Āt tốc độ giải phóng thuốc theo cơ chế thẩm thấu, khuếch t愃Ān Thành phần: polymer, chất hóa dẻo, chất nhũ hóa, chất ổn định, chất rắn vô cơ làm đục

3 Polymer làm vật liệu tạo cốt chứa dược chất:

Polymer tan trong nước khi dùng làm tạo cốt thân nước, nước thấm vào tạo thể gel Dượcchất giải phóng có kiểm so愃Āt nhờ khuếch t愃Ān chậm qua gel polymer

Tạo cốt khuếch t愃Ān qua lỗ xốp

Tạo cốt khuếch t愃Ān qua gel

Tạo cốt hòa tan, trương nở và khuếch t愃Ān

Tạo cốt nhựa trao đổi qua ion

Tạo cốt s愃Āp thủy phân, hòa tan mòn dần

17

4 Polymer bào chế viên giải phóng kéo dài theo cơ chế bơm thẩm thấu:

Dược chất trộn với t愃Ā 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 t愃Ā dược Nồng độ c愃Āc chất tan trong viên tạo 愃Āp suất thẩm thấu, bơm dịch thuốc qua lỗ của màng bao

5 Polymer tạo vỏ vi nang:

Vi nang là c愃Āc 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

6 Polymer phân huỷ sinh học

Polymer phân hủy sinh học đã được thử nghiệm làm mô cấy phẫu thuật trong phẫu thuật mạch m愃Āu và chỉnh hình, làm vật liệu nền để giải phóng thuốc lâu dài (có thể điều khiển được) bên trong cơ thể và được xếp vào nhóm vật liệu sinh học

7 Một số ứng dụng của polymer thiên nhiên

C愃Āc polyme thiên nhiên như collagen vi sợi, collagen bọt biển, màng collagen, xenlulo t愃Āi sinh oxy hóa (ORC), gelatin, là t愃Āc nhân cầm m愃Āu cho vết thương bên trong và bên ngoài cơ thể người Một số polime thiên nhiên được sử dụng như t愃Ā dược với vai trò kh愃Āc nhau như chất kết dính (dẫn xuất xenlulo, gelatin, pectin, natri alginate, amylum,

carrageenan,…), chất tan rã (tinh bột sắn khô, gelatin, natri alginate, xenlulo vi tinh thể,

glycolate tinh bột natri, gom guar, amylum…), chất độn (amylum, xenlulo vi tinh thể,

chitosan,…), chất phủ (collagen, gelatin, xanthan gum,…) C愃Āc polyme thiên nhiên được sử như collagen, fucoidan, chitosan, carrageenan, được sử dụng làm chất hỗ trợ điều trị một

số bệnh ung thư, kh愃Āng viêm… Trong đó, chitosan được sử dụng điều trị bệnh béo phì,

cholesterol cao, huyết 愃Āp cao và bệnh Crohn Alginate được sử dụng để điều trị giảm

cholesterol và huyết 愃Āp,… Carrageenan được dùng để hỗ trợ chữa ho, bệnh viêm phế quản, lao, đường ruột, dạ dày, Xanthan gum được ứng dụng để giảm lượng đường trong m愃Āu và cholesterol toàn phần ở những người bị bệnh tiểu đường, làm thuốc nhuận tràng,… Pectin

được sử dụng làm thuốc điều trị cholesterol cao, hỗ chữa ung thư ruột kết, ung thư tuyến tiềnliệt, bệnh tiểu đường và trào ngược dạ dày thực quản

Dùng polyme làm vật liệu bao màng mỏng:

Có t愃Āc dụng bảo vệ, kiểm so愃Āt tốc độ giải phóng thuốc theo cơ chế thẩm thấu, khuếch t愃Ān.Thành phần: polyme, chất hóa dẻo, chất nhũ hóa, chất ổn định, chất rắn vô cơ làm đục

• Dùng polyme làm vật liệu tạo cốt chứa dược chất: