پلیمر مصنوعی از مونومر قندی

پلیمرهای مصنوعی تهیه شده از مونومرهای قندی

پایین بودن زیست تخریب پذیری پلیمرهای نفتی و ماهیت تمام نشدنی ذخایر نفت باعث شده است تا منابع طبیعی تجدید پذیر برای سنتز شیمیایی پلیمرها بیشتر مورد توجه قرار بگیرند. پلیمرهای طبیعی به دلیل زیست سازگاری و زیست تخریب پذیر بودن، مواد نوید بخش جدیدی با پتانسیل فنی و خواص بهبود یافته محسوب می شوند. با این حال، تولید مواد زیست سازگار و پایدار همراه با توسعه پلیمرهای تهیه شده از زیست توده، زمینه را برای رشد روزافزون فراهم می کند. از بین منابع مختلف تجدید پذیر، کربوهیدرات ها مواد خام بسیار مناسبی هستند چون که جدا از ارزان قیمت بودن، به راحتی در دسترس بوده و از تنوع استریوشیمیایی بالایی برخوردار هستند. بنابراین یک رویکرد جالب برای سنتز مواد درشت مولکولی توسعۀ پلیمرهای جدید با خواص قابل قیاس با پلیمرهای صنعتی است اما از مونومرهای قندی حاصل از مواد خام تجدیدپذیر سنتز شده اند. پلیمرهای مصنوعی به دست آمده می توانند ساختار و عملکرد پلیمرهای بیولوژیکی را تقلید کنند. ادغام واحدهای مشتق از قند در پلیمرهای سنتی با رشد پلکانی مانند پلی آمیدها، پلی استرها و پلی یورتان ها برای تولید مواد زیست سازگار و زیست تخریب پذیر جدید در حوزه های پزشکی و بسته بندی مورد توجه قرار گرفته اند. دلایل اصلی این توجه فراوانی قندهای طبیعی، تنوع ساختاری، عملکردهای متعدد، تهدید نکردن سلامتی انسان و ماهیت آبدوستی مواد حاصل شده که منجر به تجزیه هیدرولیتیکی می شود، هستند. با این حال، تاثیر زیست محیطی آنها کمتر از پلیمرهای کلاسیک است. اگرچه پلیمرها با استفاده از مونومرهای قندی با گروه های هیدروکسیل آزاد سنتز شده اند، اکثر سنتزهای پلیمرهای خطی با وزن مولکولی بالا شامل مشتقاتی هستند که گروه های هیدروکسیل را به درستی محافظت می کنند. بررسی های منتشر شده در مورد پلیمرها و گلیکوپلیمرهای تهیه شده از کربوهیدرات مصنوعی عمدتا به پلی وینیل ساکارید و سایر پلیمرهای عامل دار معمولی اشاره دارد که در زنجیره اصلی پلیمر حاوی مواد قندی هستند. این مقاله به بررسی پلیمرهایی می پردازد که دارای واحدهای قندی در زنجیره اصلی هستند. این موضوع قبلا مورد بررسی قرار گرفته است اما با توجه به کاربرد رو به رشد این پلیمر تهیه شده از کربوهیدرات، در سال های اخیر مقالات متعددی در این زمینه منتشر شده است. با این حال، مباحث زیر به بحث در مورد سنتز این نوع پلیمر قندی که عمدتا در دهه گذشته منتشر شده اند، می پردازد. اختراعات در اینجا ذکر نشده اند تا زمانی که فهرست کاملی از آنها به دست آید.

مونومرهای تهیه شده از کربوهیدرات

به دلیل کاربردهای فراوان قند و اجتناب از کنترل واکنش پذیری گروه های عامل مختلف، معمولا در تهیه مونومرهای قندی به شیمی حفاظتی-غیر حفاظتی مناسب نیاز است. در این بخش، ما مونومرهای تهیه شده از مونوساکارید را که بیشتر در تهیه پلیمرهای حاوی واحدهای قندی در زنجیره اصلی استفاده می شوند، معرفی می کنیم.

1- آلدیتول ها

با توجه به شکل زیر، آلدیتول ها و آنیدروآلدیتول ها بعنوان مونومر برای سنتز یا اصلاح پلیمرها استفاده شده اند.

شکل 1:

سه مونومر استریوایزومر 1،4،3،6-دیان هیدروآلدیتول که دارای پیکربندی D-gluco، D-manno و L-ido هستند به ترتیب با ایزوسورباید، ایزومانید و ایزوئیدید مشخص می شوند. مونومر دو حلقه ای 4 با پیکربندی L-ido از ایزومانید تهیه شد. همه این مونومرها برای سنتز انواع مختلفی از پلیمرها با رشد پلکانی استفاده شده اند. مشتقات اُ-آلکیل آنیدرو اریتریتول از 5 بعنوان مونومر در پلیمریزاسیون حلقه باز (ROP) استفاده شد. مشتقات آلدیتول محافظت شده با 6-29 برای تهیه پلیمرهای جدید و همچنین برای انجام اصلاحات شیمیایی در سایر پلیمرها به کار رفته است.

2- اسیدهای آلدونیک و لاکتون ها

اسیدهای آلدونیک مختلف، آلدونولاکتون ها و آلدورونولاکتون ها مونومرهای مفیدی هستند که همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، در واکنش های پلیمریزاسیون تراکمی و حلقه باز استفاده می شوند.

شکل 2:

3- اسیدهای آلداریک

با توجه به شکل زیر، اسیدهای آلداریک درکاربرد گسترده ای در واکنش های تراکمی، تهیه پلی آمیدها و پلی استرها دارند.

شکل 3:

4- آمینوساکارزها

براساس شکل زیر، آمینو آلدیتول ها و دی آمینو آلدیتول ها، اسیدهای آمینه آلدونیک، دی آمینو آنیدرو آلدیتول ها و چندین مشتق آمینوساکارز دیگر در تهیه پلی آمیدها، پلی یورتان ها و پلی اوره ها استفاده شده اند.

شکل 4:

پلی استر

پلی استرهای کربوهیدراتی معمولا از واکنش تراکمی آلدیتول ها و استرهای اسید آلداریک به دست می آیند. اسکوپ کوچک هم با پلیمریزاسیون حلقه باز لاکتون های کربوهیدرات به دست آمده است. اکثر پلی استرهای آلیفاتیک زیست تخریب پذیر هستند اما اغلب فاقد خواص حرارتی و مکانیکی خوب هستند. با این وجود، استفاده از برخی مونومرهای کربوهیدرات منجر به تولید مواد جدید با خواص بهبود یافته می شود که علاوه بر این، آبدوست تر بوده و قابلیت تجزیه زیستی را افزایش می دهند.

پلی استرهای آلیفاتیک

براساس ترکیب ساختاری، دو نوع پلی استر وجود دارد: پلی (اسید هیدروکسی) که توسط ROP لاکتون ها یا واکنش های تراکمی اسیدهای هیدروکسی به دست می آیند و پلی (آلکلین دی کربوکسیلات) نیز توسط واکنش های تراکمی دیول ها با اسیدهای دی کربوکسیلیک سنتز می شوند. مونومرهای این ماهیت را می توان در چارچوب کربوهیدرات یافت. با این حال، مونوساکاریدهایی مانند آلدیتول ها، دی آنیدرو آلدیتول ها، لاکتون ها، اسیدهای آلدونیک و اسیدهای آلداریک بعنوان گزینه های عالی برای تهیه پلی استرهای آلیفاتیک معرفی شده اند.

سنتزهای پلیمری از منابع تجدید پذیر و زیست توده زمینه را برای توسعه روزافزون فراهم می کند و از طرفی، پلیمرهای تهیه شده از مونوساکارید را می تواند تهیه کرد که همانند پلیمرهای توسعه یافته تر، پلی آمیدها، پلی استرها و پلی یورتان ها تجزیه پذیر و آبدوست هستند. با این وجود، مشکلاتی نیز وجود دارد. یکی از آنها این است که جذب آب آنها بسیار بیشتر از مونومرهای تهیه شده از مواد پتروشیمی است که می تواند در کاربردهای خاص یک نقص محسوب شود. همچنین برای کنترل واکنش پذیری بسیاری از گروه های هیدروکسیل مختلف به شیمی محافظتی-غیر محافظتی مناسب نیاز است. بنابراین، در بیشتر موارد بالا بودن هزینه تولید مونومرها باعث محدود شدن کاربرد این پلیمرها در حوزه زیست پزشکی و سایرزمینه های تخصصی می شود. توسعه این نوع پلیمر به نوع متداول تر که با پلیمرهای تهیه شده از مواد پتروشیمی رقابت می کند، نیازمند تلاش بیشتر و سیستماتیک تر به منظور یافتن مونومرهای جدیدتر و فرایندهای پلیمریزاسیون ساده تر است. قندها و همچنین الیگومرها و پلیمرهای طبیعی آنها نیز بعنوان پیش ساز دیگر مونومرها یعنی مشتقات فوران و اسید لاکتیک نقش اساسی دارند.