síntesis y caracterización de polímeros conductores basados en

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Síntesis y caracterización de polímeros conductores basados en anilinas sustituidas y su aplicaciónen elctrocatálisis. Joaquín Arias Pardilla

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  • Sntesis y caracterizacin de polmeros conductores basados en anilinas sustituidas y su aplicacinen elctrocatlisis.

    Joaqun Arias Pardilla

    http://www.eltallerdigital.com/http://www.ua.es

  • FACULTAD DE CIENCIAS Departamento de Qumica Fsica

    Sntesis y caracterizacin de

    polmeros conductores basados en anilinas sustituidas

    y su aplicacin en electrocatlisis.

    Memoria presentada para aspirar al grado de Doctor por la Universidad de Alicante

    programa Ciencias de los Materiales

    Joaqun Arias Pardilla

  • FACULTAD DE CIENCIAS Departamento de Qumica Fsica

    Da. Emilia Moralln Nez, Profesora Titular del Departamento de Qumica

    Fsica de la Universidad de Alicante y D. Jos Luis Vzquez Pic Catedrtico del

    Departamento de Qumica Fsica de la Universidad de Alicante.

    CERTIFICAN :

    Que el trabajo que con el titulo Sntesis y caracterizacin de polmeros

    conductores basados en anilinas sustituidas y su aplicacin en electrocatlisis, presenta

    el ingeniero D. JOAQUN ARIAS PARDILLA para aspirar al grado de Doctor, ha sido

    realizado en el Departamento de Qumica Fsica de la Universidad de Alicante bajo

    nuestra direccin.

    Para que conste a los efectos oportunos, se firma el presente certificado en

    Alicante, a 23 de Marzo de 2007.

    Da. Emilia Moralln Nez D. Jos Luis Vzquez Pic

  • A mis padres

  • Para M Jos

  • Agradecimientos

    Deseo expresar mi agradecimiento a los profesores Jos Luis Vzquez y Emilia

    Moralln por la oportunidad de realizar esta Tesis doctoral, bajo su tutela y apoyo

    durante este tiempo.

    Tambin quiero manifestar mi gratitud a los diferentes compaeros del grupo de

    Electrocatlisis y Electroqumica de Polmeros como el Dr. Francisco Huerta, el Dr.

    Csar Quijada, la Dra. Roco Lapuente, el Dr. Francisco Montilla, el Dr. Horacio

    Salavagione, el Dr. Abdelghani Benyoucef, M de los ngeles Cotarelo, Adolfo La

    Rosa, Abel Gonzlez, Ral Berenguer, Carlos Sanchs y Nstor Guijarro.

    Quiero agradecer la valiosa asistencia tcnica de D. Javier Medina, y los buenos

    momentos pasados con el Dr. Diego Acebedo, Antonio Bern, el Dr. ngel Fras, la

    Dra. M ngeles Lillo, Sonia Domnguez, M Jess Bleda, Nuria Garca, Paramaconi

    Rodrguez, Javier Hernndez, Jos Manuel Delgado, la Dra. Ana Lpez, Jos Miguel

    Campia y en general todos los miembros del Departamento de Qumica Fsica de la

    Universidad de Alicante en los ltimos aos.

    Quiero mostrar mi gratitud a los profesores Csar Barbero y M Cristina Miras,

    Ernesto Calvo, Antonio Arnau y Diego Cazorla el haberme permitido realizar estancias

    o colaboraciones con sus departamentos y haberme ayudado durante la realizacin de

    esta Tesis.

    En ltimo lugar agradecer a las distintas instituciones como el Ministerio de

    Ciencia y Tecnologa, la Generalitat Valenciana y la Unin Europea la financiacin

    obtenida a travs de distintos proyectos de investigacin como el MAT2001-1007,

    MAT2004-1479, CTIAE/A/03/211, UE-CECA-PR139 y P.E.T.R.A.

  • Estructura de la Tesis

    La presente Tesis se ha organizado en dos partes, subdivididas en diversos

    captulos. Para facilitar la lectura de la misma, las referencias citadas se encuentran al

    final de cada captulo. Las partes y captulos de la Tesis son los siguientes:

    Parte 1: Sntesis y caracterizacin de homopolmeros y

    copolmeros de anilinas sustituidas.

    En esta parte se recogen los resultados obtenidos en el campo de la sntesis de

    homopolmeros, como el poli(o-aminofenol), poli(m-aminofenol), poli(2,3-

    diaminofenol) y copolmeros de anilinas sustituidas como poli(anilina-co-o-

    aminofenol), poli(anilina-co-m-aminofenol) y poli(anilina-co-c. 2-aminotereftlico). Se

    ha realizado la caracterizacin estructural de los materiales obtenidos y el estudio de

    diferentes propiedades.

    Captulo 1: Introduccin.

    En este captulo se introducen distintos conceptos relacionados con los polmeros

    utilizados durante esta parte de la Tesis. Se realiza una revisin bibliogrfica de la

    historia y propiedades de los polmeros conductores en general, y luego ms

    especficamente de la polianilina y polianilinas modificadas.

    Captulo 2: Tcnicas experimentales.

    En este captulo se realiza una breve introduccin de las tcnicas, mtodos

    experimentales y materiales utilizados en esta parte de la Tesis.

    Captulo 3: Oxidacin electroqumica de los ismeros del aminofenol y di-

    aminofenol en medio cido. Caracterizacin de los polmeros formados.

    En este captulo se realiza un estudio mediante voltametra cclica y

    espectroscopia FTIR de la oxidacin de los ismeros del aminofenol y di-aminofenol.

    Tambin se realiza la caracterizacin estructural de los diferentes polmeros obtenidos,

    el estudio de su intercambio inico o velocidad de polimerizacin mediante

    microbalanza de cuarzo. Parte de los resultados se han publicado en las revistas Journal

  • of Electroanalytical Chemistry 565 (2004) 375 y Journal of Electroanalytical Chemistry

    576 (2005) 139 y Electrochimica Acta 50 (2005) 5414.

    Captulo 4: Copolimerizacin de anilina y los ismeros del aminofenol en

    medio cido.

    En este captulo se realiza el estudio de la copolimerizacin electroqumica de la

    anilina e ismeros del aminofenol mediante voltametra cclica y microbalanza de

    cuarzo, estudiando tambin su estructura mediante espectroscopa FTIR y Raman.

    Captulo 5: Copolimerizacin de anilina y cido 2-aminotereftlico en medio

    cido.

    En este captulo se realiza el estudio de la copolimerizacin qumica de la anilina

    y el cido 2-aminotereftlico, caracterizando los copolmeros obtenidos mediante

    anlisis elemental, espectroscopias FTIR, Raman, UV-Vis y XPS. Finalmente se

    estudian distintas propiedades como su solubilidad, conductividad, respuesta

    electroqumica e intercambio inico. Parte de este captulo se ha publicado en la revista

    European Polymer Journal 42 (2006) 1521.

    Parte 2: Depsito electroqumico de partculas de Pt sobre

    distintos soportes y su aplicacin a la oxidacin de metanol.

    En esta parte se recogen los resultados obtenidos en el depsito electroqumico de

    Pt sobre distintos tipos de carbn y polmeros conductores. Los electrodos as obtenidos

    se han empleado en la oxidacin de metanol, estudiando su comportamiento y actividad

    cataltica.

    Captulo 1: Introduccin.

    En este captulo se realiza una recapitulacin bibliogrfica de los fundamentos y

    modelos tericos de electrodepsito, las propiedades electrocatalticas de los polmeros

    conductores modificados y el mecanismo de oxidacin del metanol sobre platino.

  • Captulo 2: Tcnicas experimentales.

    En este captulo se realiza una breve introduccin de las tcnicas y mtodos

    experimentales, as como de los materiales utilizados en esta parte de la Tesis.

    Captulo 3: Depsito electroqumico de Pt y oxidacin de metanol.

    En este captulo se realiza el estudio del depsito electroqumico de Pt a partir de

    una disolucin de cido hexacloroplatnico en medio sulfrico sobre distintos sustratos,

    como carbn vtreo y grafito, o electrodos modificados con pelculas de polmeros

    conductores como polianilina y poli(o-aminofenol). Posteriormente los depsitos

    obtenidos se han utilizado en la oxidacin de metanol, comprobando su actividad

    cataltica. Parte de este captulo se ha enviado a publicar a la revista Journal of Power

    Sources.

  • Objetivos de la Tesis

    Los principales objetivos de la presente Tesis se pueden agrupar en los siguientes:

    1) Sntesis de nuevos polmeros conductores por mtodos qumicos y

    electroqumicos.

    - Para ello se ha estudiado de la oxidacin de los ismeros del aminofenol

    y di-aminofenol en medio cido sobre diferentes electrodos.

    - Estudio de la copolimerizacin electroqumica de anilina e ismeros del

    aminofenol en medio cido.

    - Estudio de la copolimerizacin qumica de anilina y cido 2-

    aminotereftlico en medio cido.

    2) Caracterizacin de los diferentes polmeros obtenidos mediante

    diferentes tcnicas.

    - Estudio de la polimerizacin y caracterizacin estructural de los

    polmeros poli(o-aminofenol), poli(m-aminofenol) y poli(2,3-

    diaminofenol).

    - Caracterizacin estructural de los copolmeros de anilina y distintos

    ismeros del aminofenol.

    - Determinacin de la estructura y propiedades como la conductividad,

    solubilidad e intercambio inico de los copolmeros de anilina y cido 2-

    aminotereftlico.

    3) Depsito electroqumico de partculas de platino sobre los polmeros

    conductores y su aplicacin en la oxidacin de metanol.

    - Estudio del depsito electroqumico de platino a partir de una disolucin

    de cido hexacloroplatnico en medio sulfrico sobre distintos sustratos,

    como carbn vtreo o grafito, o capas finas de polmeros conductores

    como polianilina y poli(o-aminofenol).

    - Estudio de las propiedades catalticas para la reaccin de oxidacin de

    metanol de los electrodos generados por depsito electroqumico de Pt

    sobre distintos sustratos.

  • ndice de contenidos

    Parte 1:

    Sntesis y caracterizacin de homopolmeros

    y copolmeros de anilinas sustituidas

    Captulo 1: Introduccin 1.1 Definiciones................................................................................................................ 5

    1.1.1 Polmero ............................................................................................................... 5 1.1.2 Oligmero............................................................................................................. 6 1.1.3 Homopolmeros .................................................................................................... 7 1.1.4 Copolmeros ......................................................................................................... 7

    1.2 Clasificacin general de los polmeros....................................................................... 8 1.3 Polmeros conductores.............................................................................................. 10

    1.3.1 Mtodos de sntesis............................................................................................. 10 1.3.2 Historia de los polmeros conductores ............................................................... 11 1.3.3 Conductividad en polmeros............................................................................... 13 1.3.4 Clasificacin de los polmeros conductores ....................................................... 16 1.3.5 Polianilina (PANI).............................................................................................. 17 1.3.6 Polianilinas modificadas..................................................................................... 23 1.3.6.1 Oxidacin y homopolimerizacin de aminofenoles y diaminofenoles ........... 26 1.3.7 Copolmerizacin de anilina............................................................................... 27

    1.3.7.1 Copolimerizacin de anilina y aminofenoles ............................................... 28 1.3.7.2 Copolimerizacin de anilina y cido 2-aminotereftlico.............................. 29

    1.4 Referencias ............................................................................................................... 29

    Captulo 2: Tcnicas experimentales 2.1 Voltametra cclica.................................................................................................... 39 2.2 Espectroscopa FTIR ................................................................................................ 42 2.3 Espectroscopa Raman.............................................................................................. 48 2.4 Espectroscopa ultravioleta visible (UV-visible)...................................................... 53 2.5 Fluorescencia de emisin ......................................................................................... 57 2.6 Deflectometra por gradiente de concentracin (Probe beam deflection (PBD))..... 61 2.7 Espectroscopa Fotoelectrnica de Rayos X (XPS) ................................................. 64 2.8 Anlisis elemental .................................................................................................... 68 2.9 Anlisis trmico........................................................................................................ 69 2.10 Microbalanza electroqumica de cuarzo (EQCM).................................................. 72 2.11 Mtodos experimentales ......................................................................................... 77

    2.11.1 Pretratamiento para la limpieza de los electrodos de platino ........................... 77 2.11.2 Procedimiento de limpieza de las clulas empleadas ....................................... 77 2.11.3 Medida de conductividad en slidos ................................................................ 78 2.11.4 Solubilidad........................................................................................................ 80

    2.12 Disoluciones, reactivos y electrodos utilizados...................................................... 80 2.13 Referencias ............................................................................................................. 81

  • Captulo 3: Oxidacin electroqumica de los ismeros del aminofenol y di-aminofenol en medio cido. Caracterizacin de los polmeros formados 3.1 Oxidacin electroqumica de los ismeros del aminofenol...................................... 85

    3.1.1 Oxidacin del ismero p-aminofenol ................................................................. 85 3.1.2 Oxidacin del ismero m-aminofenol ................................................................ 89 3.1.3 Oxidacin del ismero o-aminofenol ................................................................. 92

    3.2 Oxidacin electroqumica de los ismeros del diaminofenol................................... 97 3.2.1 Oxidacin del ismero 2,3-diaminofenol ........................................................... 97 3.2.2 Oxidacin del ismero 2,4-diaminofenol. ........................................................ 102 3.2.3 Oxidacin del ismero 2,5-diaminofenol. ........................................................ 106

    3.3 Caracterizacin de los polmeros obtenidos. .......................................................... 111 3.3.1 Caracterizacin del poli(o-aminofenol) (POAP).............................................. 111

    3.3.1.1 Estudio de la estructura del POAP. ............................................................ 111 3.3.1.2 Estudio de los procesos redox del POAP. .................................................. 115 3.3.1.3 Estudio gravimtrico de la polimerizacin e intercambio inico del POAP

    ................................................................................................................................... 125 3.3.1.3.1 Estudio gravimtrico de la polimerizacin del POAP.......................... 125 3.3.1.3.2 Estudio gravimtrico del intercambio inico del POAP. ..................... 131

    3.3.2 Caracterizacin del poli(m-aminofenol) (PMAP). ........................................... 135 3.3.2.1 Caracterizacin estructural. ........................................................................ 135 3.3.2.2 Estudio gravimtrico del depsito de PMAP. ............................................ 136

    3.3.3 Caracterizacin del poli(2,3-diaminofenol) (P23DAP).................................... 138 3.3.3.1 Estudio gravimtrico de la polimeriacinP23DAP. ................................... 138

    3.4 Conclusiones........................................................................................................... 140 3.5 Referencias ............................................................................................................. 142

    Captulo 4: Copolimerizacin de anilina y los ismeros del aminofenol en medio cido. 4.1 Copolimerizacin electroqumica de anilina y o-aminofenol................................. 147

    4.1.1 Efecto del lmite superior de potencial ............................................................. 147 4.1.2 Efecto de la relacin de concentraciones iniciales de anilina y o-aminofenol . 155 4.1.3 Estudio mediante espectroscopas Raman e Infrarroja..................................... 157 4.1.4 Estudio gravimtrico de la copolimerizacin de anilina y o-aminofenol......... 165 4.1.5 Estudio gravimtrico del intercambio inico del copolmero .......................... 168

    4.2 Copolimerizacin electroqumica de anilina y m-aminofenol ............................... 170 4.2.1 Efecto del lmite superior de potencial ............................................................. 170 4.2.2 Efecto de la relacin de concentraciones iniciales de anilina y m-aminofenol 175 4.2.3 Estudio mediante espectroscopas Raman e Infrarroja..................................... 176 4.2.4 Estudio gravimtrico de la copolimerizacin de anilina y m-aminofenol........ 181 4.2.5 Estudio gravimtrico del intercambio inico del copolmero .......................... 184

    4.3 Conclusiones........................................................................................................... 185 4.4 Referencias ............................................................................................................. 186

  • Captulo 5: Copolimerizacin de anilina y cido 2-aminotereftlico en medio cido. 5.1 Mtodo de sntesis .................................................................................................. 191 5.2 Perfiles de potencial................................................................................................ 191 5.3 Composicin de los copolmeros............................................................................ 194

    5.3.1 Modelos para el clculo de la reactividad de los monmeros .......................... 196 5.3.2 Relaciones de reactividad de los monmeros................................................... 207 5.3.3 Microestructura de los copolmeros ................................................................. 209 5.3.4 Comparacin composicin instantnea-acumulada ......................................... 213

    5.4 Caracterizacin de los copolmeros........................................................................ 215 5.5 Propiedades de los copolmeros ............................................................................. 228

    5.5.1 Solubilidad........................................................................................................ 228 5.5.2 Conductividad................................................................................................... 229 5.5.3 Respuesta electroqumica ................................................................................. 230 5.5.4 Intercambio inico............................................................................................ 231

    5.6 Conclusiones........................................................................................................... 239 5.7 Referencias ............................................................................................................. 240

    Parte 2:

    Depsito electroqumico de partculas de Pt sobre distintos soportes

    y su aplicacin a la oxidacin de metanol

    Captulo 1: Introduccin 1.1 Electrodepsito de metales ..................................................................................... 249

    1.1.1 Nucleacin. Velocidad de nucleacin y tipos................................................... 250 1.1.2 Crecimiento de los ncleos............................................................................... 251 1.1.3 Modelos de nucleacin y crecimiento .............................................................. 254

    1.1.3.1 Modelo Bewick-Fleischmann-Thirsk (BFT) .............................................. 254 1.1.3.2 Modelo Armstrong-Fleischmann-Thirsk (AFT)......................................... 256 1.1.3.3 Modelo Scharifker-Hills (SH) .................................................................... 257 1.1.3.4 Modelo Scharifker-Mostany (SM) ............................................................. 259 1.1.3.5 Modelo Mirkin-Nilov-Heerman-Tarallo (MNHT)..................................... 261

    1.2.1 Electrocatlisis en electrodos modificados con polmeros conductores........... 263 1.2.2 Electrocatlisis en electrodos de polmeros conductores, modificados con partculas metlicas.................................................................................................... 266

    1.3 Mecanismo de oxidacin del metanol sobre electrodos de platino ........................ 267 1.4 Referencias ............................................................................................................. 270

  • Captulo 2: Tcnicas experimentales 2.1 Cronoamperometra ................................................................................................ 275 2.2 Espectroscopa de impedancia................................................................................ 278 2.3 Microscopa electrnica de barrido (SEM) ............................................................ 282 2.4 Microscopa electrnica de transmisin (TEM) ..................................................... 284 2.5 Mtodos experimentales ......................................................................................... 287

    2.5.1 Determinacin del rea superficial de platino .................................................. 287 2.5.2 Obtencin del tamao de partcula promedio de platino.................................. 288

    2.6 Disoluciones, reactivos y electrodos utilizados...................................................... 289 2.7 Referencias ............................................................................................................. 290

    Captulo 3: Depsito electroqumico de Pt y oxidacin de metanol 3.1 Electrodepsito de platino ...................................................................................... 293

    3.1.1 Electrodepsito sobre electrodos carbonosos ................................................... 294 3.1.1.1 Electrodepsito mediante salto simple de potencial................................... 294 3.1.1.2 Electrodepsito mediante doble salto de potencial .................................... 305 3.1.1.3 Electrodepsito mediante mltiples saltos de potencial ............................. 309 3.1.1.4 Electrodepsito sobre carbn Vulcan XC72 .............................................. 311

    3.1.2 Electrodepsito sobre carbones modificados con polmeros conductores ....... 312 3.1.2.1 Determinacin del espesor de los polmeros empleados ............................ 312 3.1.2.2 Electrodepsito de Pt sobre carbn vtreo modificado con PANI.............. 314 3.1.2.3 Electrodepsito de Pt sobre carbn vtreo modificado con POAP............. 318

    3.2 Electrooxidacin de metanol .................................................................................. 323 3.3 Conclusiones........................................................................................................... 331 3.4 Referencias ............................................................................................................. 332

    Conclusiones generales............................................................................................... 335

  • PARTE 1:

    SNTESIS Y CARACTERIZACIN

    DE HOMOPOLMEROS Y

    COPOLMEROS DE ANILINAS

    SUSTITUIDAS

  • Parte I

    3

    CAPTULO 1:

    INTRODUCCIN

  • Introduccin

    4

    NDICE DE CONTENIDOS

    1.1 Definiciones................................................................................................................ 5 1.1.1 Polmero .............................................................................................................. 5 1.1.2 Oligmero............................................................................................................ 6 1.1.3 Homopolmeros ................................................................................................... 7 1.1.4 Copolmeros ........................................................................................................ 7

    1.2 Clasificacin general de los polmeros....................................................................... 8 1.3 Polmeros conductores.............................................................................................. 10

    1.3.1 Mtodos de sntesis............................................................................................ 10 1.3.2 Historia de los polmeros conductores .............................................................. 11 1.3.3 Conductividad en polmeros.............................................................................. 13 1.3.4 Clasificacin de los polmeros conductores ...................................................... 16 1.3.5 Polianilina (PANI)............................................................................................. 17 1.3.6 Polianilinas modificadas.................................................................................... 23

    1.3.6.1 Oxidacin y homopolimerizacin de aminofenoles y diaminofenoles ...... 26 1.3.7 Copolmerizacin de anilina.............................................................................. 27

    1.3.7.1 Copolimerizacin de anilina y aminofenoles ............................................. 28 1.3.7.2 Copolimerizacin de anilina y cido 2-aminotereftlico............................ 29

    1.4 Referencias ............................................................................................................... 29

  • Parte I

    5

    En el presente captulo se realizar una serie de definiciones bsicas de los

    trminos que se utilizan a lo largo del trabajo, un breve resumen histrico de los

    polmeros conductores, repasando los antecedentes, su importancia y sus aplicaciones,

    fundamentalmente de aquellos ms parecidos a los materiales obtenidos en este trabajo.

    1.1 Definiciones

    1.1.1 Polmero

    La palabra polmero proviene de la combinacin de las dos palabras griegas

    polus (muchos) y meros (partes). Segn la Real Academia Espaola[1], un

    polmero es un compuesto qumico, natural o sinttico, formado por polimerizacin y

    que consiste esencialmente en unidades estructurales repetidas. En esta definicin tal

    vez habra que cambiar compuesto qumico por macromolcula, pero explica bien cmo

    el polmero est formado por unidades ms pequeas, llamadas monmeros, unidas

    mediante el proceso de polimerizacin.

    Los polmeros pueden ser de origen natural o de origen sinttico. En la naturaleza

    podemos encontrar polmeros naturales tales como la celulosa, la lana, la seda y el

    caucho que han sido utilizados por el hombre desde el principio de los tiempos, an sin

    conocer su estructura. En cuanto a los polmeros sintticos se obtienen mediante

    reacciones qumicas y entre los ms conocidos y utilizados[2] podemos encontrar el PVC

    (policloruro de vinilo), nylon, polietileno, polipropileno, poliamidas, policarbonatos,

    etc. Los polmeros son materiales en continuo desarrollo en el campo de la Ciencia de

    los Materiales, descubrindose cada da ms aplicaciones.

    En el caso de molculas pequeas es posible asignarle un peso molecular[3,4] pero

    esto no resulta tan fcil en el caso de los polmeros, debido a que las reacciones de

    polimerizacin generalmente no tienden a producir cadenas de la misma longitud. Esto

    se debe a que todas las cadenas no necesariamente comienzan a formarse

    simultneamente y, por esa razn, su velocidad de crecimiento posterior tampoco es la

    misma para cada una de ellas. Adicionalmente, se debe considerar que la terminacin

    del crecimiento no ocurre al mismo tiempo en todas las cadenas. En una muestra pueden

  • Introduccin

    6

    existir cadenas que tengan la misma masa molar y no necesariamente tendrn las

    mismas dimensiones o formas moleculares, debido a la isomera conformacional, que

    puede existir. Finalmente, es poco probable que todas las cadenas que se formen sean

    completamente lineales, puesto que tambin pueden ocurrir reacciones laterales que

    pueden originar cadenas ramificadas, pudindose llegar a casos extremos donde pueden

    incluso obtenerse redes tridimensionales por el entrecruzamiento de dos cadenas

    distintas a travs de algunas de sus ramificaciones (Figura 1.1).

    Figura 1.1: Representacin de los diferentes tipos de

    polmeros, a) Lineal, b) Ramificado, c) Entrecruzado.

    1.1.2 Oligmero

    Como antes proveniente del griego oligos (poco) y meros (partes), es una

    cadena formada por unas pocas unidades monomricas. Suponen un paso intermedio en

    la obtencin de cadenas de mayor longitud. Los oligmeros pueden ser polidispersos (se

    pueden obtener de diferente longitud durante una nica polimerizacin), aunque si se

    obtienen de forma monodispersa permiten realizar estudios con mayor detalle de su

    estructura, siendo ms fcil su purificacin. Con los oligmeros es posible investigar

    diferentes propiedades fsicas y extrapolar esos valores en el caso de los polmeros[5].

    Cuando se representa una propiedad fsica especfica frente al nmero de unidades de

    repeticin, se observa cmo los valores de la propiedad de los oligmeros y del

    polmero convergen para un valor no muy alto. Debido a esa baja longitud normalmente

    son solubles, no depositndose sobre la superficie del electrodo de trabajo o pudiendo

    ser eliminados de ella por un simple lavado con electrolito.

  • Parte I

    7

    1.1.3 Homopolmeros

    Aquellos polmeros compuestos de un nico tipo de unidad de repeticin que se

    unen a travs de un nico mecanismo de polimerizacin. Esto puede llevar a que no se

    considere como homopolmero a una especie que tenga un ordenamiento irregular de las

    unidades de repeticin aunque provengan del mismo monmero.

    1.1.4 Copolmeros

    Aquellos polmeros formados por dos tipos de monmeros. Que pueden estar

    ordenados de distintas formas (Figura 1.2):

    - Alternados: Las unidades de repeticin se alternan consecutivamente a lo

    largo de la cadena.

    - Al azar: No existe una secuencia definida en el ordenamiento de las unidades

    de repeticin a lo largo de la cadena.

    - En bloque: Existen secuencias completas de una nica unidad de repeticin,

    seguidas por secuencias de la otra unidad de repeticin.

    - De injerto: Existe una cadena principal constituida por un solo tipo de unidad

    de repeticin, la cual tiene injertados lateralmente a dicha cadena bloques de

    cadenas formadas por la otra unidad de repeticin.

    Figura 1.2: Esquema de distintos tipos de copolmeros, a) alternados,

    b) al azar, c) bloques y d) injertados.

  • Introduccin

    8

    1.2 Clasificacin general de los polmeros

    Los polmeros se utilizan para infinidad de aplicaciones sustituyendo a materiales

    tradicionales como la madera, el hierro, el acero, el cartn, etc. Los materiales que se

    pueden fabricar con polmeros se pueden dividir en tres grandes categoras:

    1) Elastmeros

    Aquellos materiales que tienen como cualidad distintiva la elasticidad

    instantnea, la cual debe ser recuperable e ilimitada a altas deformaciones.

    Normalmente los polmeros que cumplen estos requisitos tienen pesos

    moleculares elevados, temperaturas de transicin vtrea muy bajas y son

    amorfos en el estado relajado. Sin embargo un requisito fundamental es la

    existencia de entrecruzamientos entre las cadenas de polmero, que impiden el

    desplazamiento molecular. Los representantes ms conocidos de este tipo de

    materiales son los cauchos.

    2) Fibras

    Este tipo de materiales se caracteriza por la existencia de un orden

    monoaxial a nivel molecular con direccin paralela al eje del filamento y

    normalmente poseen un elevado grado de cristalinidad, aunque pueden

    obtenerse con fases amorfas. A nivel macroscpico una fibra se define como

    un objeto flexible y homogneo que presenta una relacin longitud/dimetro

    mnima de 100; sin embargo, solo ser fibra si posee orden a nivel molecular.

    Por ello, el parmetro fsico definitorio de la estructura de fibra es el grado de

    orientacin, el cual se puede determinar por diferentes mtodos: microscopia

    ptica, rayos X y dicrosmo infrarrojo. Igualmente, otro parmetro

    fundamental de la fibra es la cristalinidad, cuya evaluacin es difcil, en

    particular si se desea obtener informacin acerca de la distribucin de las fases

    amorfa y cristalina. Existen varios mtodos para su determinacin, siendo los

    ms tiles la difractometra de rayos X, espectroscopa IR y calorimetra

    diferencial de barrido (DSC).

  • Parte I

    9

    En general, para que un polmero sea capaz de formar una fibra ha de ser

    fcilmente cristalizable, para lo cual se necesita que cumpla algunos

    requerimientos estructurales, que pueden ser resumidos as:

    - Regularidad: Las cadenas deben ser uniformes tanto en su composicin

    qumica como en su estereoqumica.

    - Linealidad: La forma de la macromolcula debe ser tal que permita un

    empaquetamiento eficiente. No debe ser ramificada y los grupos laterales

    no deben ser voluminosos.

    - Direccionalidad: En el caso de polmeros direccionales, la estructura

    cristalina debe incorporar las cadenas en cualquiera de las dos

    orientaciones posibles.

    - Complejidad qumica: La unidad de repeticin debe ser lo ms simple

    posible para facilitar la cristalizacin.

    - Conformacin: La conformacin de la cadena aislada debe ser cercana a

    la adoptada tambin en fase cristalina.

    3) Plsticos

    Todos aquellos polmeros cuyas propiedades son intermedias entre los

    elastmeros y las fibras. Se pueden dividir teniendo en cuenta su uso en:

    - De uso general: Se fabrican en elevadas cantidades y se dedican a

    mltiples aplicaciones. Tienen propiedades intermedias que pueden ser

    parcialmente modificadas para una aplicacin especfica mediante aditivos

    o el adecuado procesamiento.

    - Plsticos de ingeniera: Tienen precios significativamente mejores como

    consecuencia de su menor volumen de produccin. Se caracterizan por

    tener propiedades especiales para aplicaciones exigentes, normalmente

    presentan una alta cristalinidad. Compiten con los materiales mecnicos y

    con los cermicos con la ventaja de su menor densidad y facilidad de

    procesamiento.

    - Polmeros avanzados: Son aquellos que se disean para satisfacer una

    aplicacin concreta. Normalmente presentan alguna propiedad

    excepcional como por ejemplo alta conductividad elctrica,

  • Introduccin

    10

    biocompatibilidad o formacin de cristales lquidos. Se les considera la

    vanguardia en el futuro de los materiales plsticos.

    1.3 Polmeros conductores

    Son aquellos polmeros sintticos que son capaces de conducir la corriente

    elctrica. Estos polmeros pueden deber su conductividad a propiedades intrnsecas del

    material o a modificaciones. Los polmeros intrnsecamente conductores (PCI) son

    aquellos en los que la conductividad elctrica se origina en la conjugacin extendida de

    electrones a lo largo de la cadena polimrica. De este tipo los polmeros ms comunes

    son el poliacetileno, polipirrol, politiofeno y polianilina, que poseen tomos de carbono

    en la cadena principal con hibridacin sp2. Esta hibridacin crea enlaces covalentes

    entre los carbonos de la cadena principal y los de las cadenas ramificadas. La

    hibridacin sp2 deja un orbital p no enlazado (generalmente pz); estos orbitales se

    solapan y forman un enlace , con una distribucin de dobles enlaces C=C alternndose

    con enlaces carbono-carbono sencillos a lo largo de la cadena. Como se ver ms

    adelante, la conjugacin extendida no se produce exclusivamente en el caso de tomos

    de carbono, tambin se puede producir con heterotomos como nitrgeno, oxgeno o

    azufre .

    Los polmeros extrnsecamente conductores son aquellos que deben su

    conductividad a la inclusin de materiales conductores tales como metales, grafito o

    complejos de transferencia de carga en la matriz polimrica, generalmente

    termoplstica. En este caso por encima de la concentracin de percolacin los caminos

    conductores existentes a lo largo del material le confieren conductividad electrnica,

    mientras que la matriz polimrica permite procesar el material en operaciones

    industriales para conseguir distintos tipos de productos y acabados.

    1.3.1 Mtodos de sntesis

    Entre los mtodos de sntesis ms habituales de los polmeros conductores

    podemos encontrar:

  • Parte I

    11

    1) Sntesis directa catalizada: Mtodo desarrollado por Shirakawa[6] en 1977,

    en este caso la pared interna de un recipiente de vidrio se recubre con un

    catalizador de Ziegler-Natta (aluminios alqulicos junto con haluros de

    titanio), y al hacer pasar una corriente de acetileno se obtiene una pelcula

    brillante y plateada de poliacetileno, debido a un exceso de catalizador.

    2) Oxidacin qumica del monmero[7]: En una disolucin monomrica se

    aade un oxidante cuyo potencial corresponda al potencial de oxidacin del

    monmero, como por ejemplo el Fe3+ en disoluciones de pirrol, obteniendo

    un precipitado negro de polipirrol o con persulfato amnico en disolucin

    cida de anilina dando lugar a polianilina (PANI).

    3) Oxidacin electroqumica[8]: Anloga a la oxidacin qumica, pero

    mediante un proceso heterogneo, teniendo lugar sobre la superficie de un

    electrodo.

    4) Oxidacin en plasma[9,10]: En este caso la generacin de un plasma inicia la

    polimerizacin en la superficie sobre la que se proyecta.

    5) A partir de polmeros precursores: Se utiliza un polmero precursor,

    generalmente soluble, que es aplicado sobre la superficie deseada. Por

    calentamiento se descompone dando una molcula gaseosa y un polmero

    conductor insoluble.

    6) Existen otros mtodos menos utilizados, polimerizacin fotoiniciada,

    polimerizaciones por condensacin, sntesis por emulsin inversa[11] o ms

    recientemente mediante la oxidacin del monmero con un intermedio

    catdicamente electrogenerado durante la reduccin del O2 disuelto[12].

    1.3.2 Historia de los polmeros conductores

    Muchos de los polmeros conductores ya eran conocidos en su forma no

    conductora mucho antes de que su conductividad y otras propiedades de inters fueran

    descubiertas[13]. Algunos tambin eran conocidos en su forma conductora, pero no

    estaban bien caracterizados y no se mostr inters en su conductividad. La polianilina

  • Introduccin

    12

    fue probablemente el primer polmero orgnico sinttico conductor conocido. En 1835

    ya se utilizaba el trmino negro de anilina para describir los productos de ese color

    obtenidos a partir de la oxidacin de la anilina y posteriormente Fritzsche inform de

    que la oxidacin de la sal de anilina con cido crmico originaba sustancias de color

    verde y azul oscuro[14,15]. Posteriormente Letheby[7] en 1862, describi como el

    producto de la oxidacin andica de la anilina en una disolucin acuosa de cido

    sulfrico sobre un electrodo de platino era un precipitado verde oscuro, obtenindose

    tambin resultados concordantes trabajando en disoluciones de cido clorhdrico[16,17].

    En trabajos posteriores, alrededor de 1910, se estudi la posible estructura de los

    depsitos generados a partir de la oxidacin de la anilina, proponindose la estructura

    fenacnica[18] o linear octamrica[19], del tipo quinonaimina en la posicin para, por parte

    de Green et al. En esta poca no slo se estudi la polianilina, tambin se estudi la

    polimerizacin qumica del pirrol[20].

    En 1950, Khomutov y Gorbachev[21] volvieron a examinar los resultados

    obtenidos por Letheby mediante curvas corriente-potencial, proponiendo dos posibles

    mecanismos para esa reaccin, y posteriormente en 1962 Mohilner et al.[22], volvieron a

    revisar la oxidacin de la anilina en medio cido, indicando que en esas condiciones

    transcurre a travs de un mecanismo de radicales libres, obteniendo como producto final

    principalmente el octmero emeraldina, como ya propuso Green et al.[19] o compuestos

    muy similares.

    En esta misma poca se realizaron estudios sobre la oxidacin electroqumica de

    monmeros aromticos[23], bajo el nombre de preparaciones electro-orgnicas y

    electro-oxidaciones, y en 1967 se caracterizaron los polmeros conductores obtenidos

    a partir del pirrol, tiofeno y furano[24] y se describi la conductividad elctrica de la

    polianilina[25] y en 1968 dallOllio present la electropolimerizacin del polipirrol[26].

    En este punto se llega a un momento importante para estos materiales. En 1975

    comenz la colaboracin entre Shirakawa, Heeger y MacDiarmid, a partir de la

    obtencin fortuita de poliacetileno plateado y brillante, parecido al aluminio y muy

    flexible. El fruto de la colaboracin fue el descubrimiento de que oxidando este

    poliacetileno con vapores de cloro, bromo o iodo producan una pelcula 109 veces ms

    conductora que lo que era originalmente[27], proporcionando una nueva ruta qumica

  • Parte I

    13

    para la obtencin de materiales conductores, y por lo que en el ao 2000 recibieron de

    forma conjunta el premio Nobel de Qumica.

    Inicialmente el poliacetileno fue el polmero conductor ms estudiado tanto desde

    el punto de vista cientfico y desde el punto de vista prctico, pero debido a su alta

    inestabilidad qumica en presencia de oxgeno, su inters se redujo al mbito cientfico.

    En 1985 MacDiarmid et al.[28,29] presentaron a la polianilina como un polmero

    conductor estable al aire, pasando a ser el polmero ms estudiado, junto con el

    polipirrol y los politiofenos.

    1.3.3 Conductividad en polmeros

    Tal y como ocurre con los semiconductores, los polmeros pueden ser dopados

    mediante la adicin de pequeas cantidades de ciertos tomos que modifican sus

    propiedades fsicas. Al dopar por primera vez el poliacetileno con vapor de yodo,

    Shirakawa y sus colaboradores lograron aumentar su conductividad mil millones de

    veces. Desde entonces se ha podido emplear el dopado en diversos polmeros, como las

    polianilinas, polipirroles y politiofenos, logrando un aumento considerable de la

    conductividad elctrica de dichos polmeros.

    La conductividad en los polmeros conductores, aunque puede alcanzar valores

    metlicos ( >104 S/cm), es diferente de la conductividad metlica. En los polmeros

    conductores sta sigue un proceso complejo que depende de la preparacin y el dopado.

    Varios mecanismos se han propuesto que explican dicha conductividad a lo largo de los

    ltimos aos[30]. En un material conductor el flujo elctrico proviene del movimiento de

    electrones, los cuales pueden moverse dentro y a travs de estados discretos de energa,

    conocidos como bandas. Cada banda tiene una capacidad finita de ser ocupada por

    electrones y las bandas tambin pueden estar vacas. El movimiento de los electrones

    ocurre nicamente entre bandas parcialmente llenas; la conduccin de electricidad no

    puede llevarse a cabo ni en bandas completamente llenas ni en bandas vacas, como es

    el caso de los aislantes o de los semiconductores. Por el contrario, los metales poseen

    bandas parcialmente llenas. Existen dos tipos de bandas que determinan la conduccin

    de electricidad en un material. Por un lado, la banda con el mayor grado de ocupacin es

    llamada banda de valencia, mientras que la banda superior a sta es conocida como

    banda de conduccin.

  • Introduccin

    14

    Los polmeros no conductores se comportan como aislantes, ya que tienen una

    banda de valencia llena y una banda de conduccin vaca. En el caso de los materiales

    aislantes existe una importante separacin energtica entre estas dos bandas, mientras

    que en el caso de los semiconductores esta separacin es algo menor (Fig. 1.3). Los

    polmeros conductores difieren de los polmeros aislantes debido, principalmente, a la

    presencia de agentes dopantes que modifican la cantidad de electrones en las distintas

    bandas. Los dopantes conocidos como tipo p extraen electrones de la banda de valencia,

    dejando a la molcula cargada positivamente. Los dopantes tipo n agregan electrones a

    la banda de conduccin; de esta manera, la carga de la molcula resultar de signo

    negativo. La figura 1.4 muestra un esquema de la evolucin de las bandas de un dopado

    tipo n.

    Figura 1.3: Esquema de bandas que representa las diferencias entre

    materiales metlicos, semiconductores y aislantes.

    Mediante el proceso de dopaje, la carga agregada al polmero (o extrada de ste)

    produce un cambio en la posicin de los enlaces de los tomos. Dichos cambios dan

    como resultado la aparicin de islas de carga que pueden ser de tres tipos distintos;

    llamados solitones, polarones y bipolarones. Estas islas se forman alrededor de los iones

    de la sustancia dopante (Fig. 1.5). Los polmeros conductores que tienen anillos

    aromticos no forman solitones pero s polarones (radical catinico) o bipolarones (un

    par de polarones con spin opuesto). La formacin de estas islas de carga puede lograrse

    de varias formas. Los polmeros conductores pueden oxidarse o reducirse a partir de un

    estado neutro del polmero introduciendo iones negativos (dopado p) o positivos

  • Parte I

    15

    (dopado n) respectivamente, o fotones. Estos mtodos son llamados dopado

    (electro)qumico o fotodopado. Cuando se tienen altos niveles de dopado en las cadenas

    polimricas, las islas se empiezan a solapar, dando como resultado bandas semillenas, a

    travs de las cuales los electrones pueden fluir libremente. El polmero se convierte as

    en conductor de electricidad.

    Figura 1.4: Esquema de la evolucin de bandas durante un proceso de dopado n.

    NN

    H

    H

    NN

    H

    H

    NN

    H

    H

    NN

    H

    H

    NN

    H

    H

    NN

    H

    H

    NN

    H

    H

    NN

    H

    H

    NN

    H

    H

    NN

    H

    H

    NN

    H

    H

    NN

    H

    H

    +.

    ++

    b

    a

    c

    - 1e- + 1 e-

    + 1 e-- 1e-

    Figura 1.5: Estructura del a) polipirrol reducido b) polarn y c) bipolaron.

    El cambio de estado de los polmeros conductores debido al dopado puede tener

    varios efectos, por ejemplo, el cambio de color y de volumen. La conductividad

    obtenida depende del tipo de dopante y grado de dopado, entre otras variables. En los

    polmeros conductores se pueden obtener porcentajes de dopado hasta del 44%, como se

  • Introduccin

    16

    puede ver en la tabla 1.1. La oxidacin y reduccin electroqumica de los polmeros

    conductores son procesos complejos, en los que ocurren al menos dos procesos

    simultneos: transferencia de electrones desde la cadena polimrica al electrodo en el

    caso de la oxidacin e insercin inica en la pelcula polimrica (para lograr la

    neutralidad) desde la disolucin electroltica. El cambio entre los estados oxidado y

    reducido es reversible, sin perder electroactividad, y est asociado a las diferentes

    propiedades de los polmeros conductores.

    Polmero Mximo nivel de dopado (Dopante)

    Polipirrol 33 % (ClO4-)

    Politiofeno 30 % (ClO4-); 6 % (PF6

    -)

    Polianilina 42 % (Cl-)

    Poli(p-fenileno) 44 % (Li+)

    Tabla 1.1: Valores de dopado mximo en polmeros.

    1.3.4 Clasificacin de los polmeros conductores

    La inestabilidad del poliacetileno en el medio ambiente provoc la bsqueda de

    otros polmeros que presentaran las mismas propiedades conductoras. Esto se puede

    conseguir de distintas maneras, mediante la conjugacin de cadenas de tomos de

    carbono insaturados, tomos de carbono y heterotomos o incluso cadenas de

    heterotomos. Una clasificacin de los distintos tipos de polmeros conductores se

    puede observar en el esquema 1.1.

    Esquema 1.1: Clasificacin general de los polmeros conductores.

    POLIMEROS CONDUCTORES

    Polmeros con tomos de C

    Polmeros sin tomos de C

    Polmeros alifticos Polmeros aromticos Polmeros heterocclicos

    Polmeros sin hetero tomos en el esqueleto

    Polmeros con hetero tomos en el esqueleto

    Polmeros con hetero tomos en el esqueleto

    Polmeros sin hetero tomos en el esqueleto

  • Parte I

    17

    Los polmeros conductores ms numerosos son los polivinilenos, poliarilenos y

    poliheterociclos. Los polivinilenos presentan una buena estabilidad trmica y

    conductividad elctrica[31]. Los poli(p-fenileno), poliazulenos y poli(fenileno vinileno)

    pertenecen a la familia de los poliarilenos o poliaromticos. El poli(p-fenileno) fue el

    primer polmero no acetilnico que mostr una alta conductividad en estado dopado en

    1980[32] y su descubrimiento abri el camino a la bsqueda de otros polmeros

    conductores. Muchos poliheterociclos se pueden aadir a la lista de polmeros orgnicos

    conductores con el polipirrol[33], politiofeno[34] y polifurano[35], todos ellos teniendo un

    anillo de cinco miembros con un hetero tomo como nitrgeno, azufre u oxgeno.

    El polipirrol y sus derivados han recibido una gran atencin debido a su fcil

    preparacin y buena estabilidad qumica y trmica y alta conductividad. Se ha

    conseguido la modificacin de sus propiedades fsicas y elctricas mediante la

    preparacin de copolmeros[36] de estos compuestos. El politiofeno y sus derivados

    presentan una alta estabilidad qumica y electroqumica tanto en estado dopado y

    desdopado. Tambin la polianilina es un polmero orgnico electroactivo con buena

    estabilidad, que se pasa a describir de forma ms extensa.

    1.3.5 Polianilina (PANI)

    Como ya se ha indicado anteriormente la PANI es uno de los polmeros

    conductores ms estudiados, debido a sus buenas propiedades conductoras en su forma

    dopada, su mtodo de obtencin sencillo y barato, y notable estabilidad trmica y

    ambiental[37], aunque presenta inconvenientes debido a su baja solubilidad en los

    disolventes normalmente utilizados en la industria y es inestable en las temperaturas de

    procesado.

    N

    H

    N

    H

    N Ny

    x

    1-y

    Figura 1.6: Estructura de la unidad de repeticin de la PANI.

    La estructura de este polmero vara con su estado de oxidacin, pasando de

    unidades del tipo quinonaimina a arilamnicas. En la figura 1.6 se muestra la unidad de

  • Introduccin

    18

    repeticin de este polmero. Podemos ver como el subndice y corresponde a la

    fraccin de unidades reducidas, mientras que el 1-y corresponde a las unidades

    oxidadas (quinonaiminas). En funcin del valor de y, se puede obtener diferentes

    estructuras, desde la forma completamente reducida (y = 1), llamada lecucoemeraldina,

    a la completamente oxidada (y = 0), pernigranilina, pasando por estados de oxidacin

    intermedios (Figura 1.7), que suponen nicamente la mezcla de los dos estados

    mencionados anteriormente como MacDiarmid y col.[38,39] demostraron.

    N

    H

    N N

    H

    N

    HH

    N

    H

    N N

    H

    N

    HH

    a

    H H H H

    b+ +

    A- A-

    N

    H

    N N N

    H

    c

    N

    H

    N N N

    H

    d+ +

    HH

    A- A-

    N N N N e

    N N N N f+A

    -+A

    -+A

    -+A

    -

    Figura 1.7: Esquemas de las diferentes estructuras de la PANI segn

    el estado de oxidacin. a) Leucoemeraldina base, b) Leucoemeraldina

    sal, c) Emeraldina base, d) Emeraldina sal, e) Pernigranilina base, f)

    Pernigranilina sal.

    Esta estructura de la PANI ha sido confirmada por diferentes tcnicas, entre las

    que cabe destacar espectroscopa fotoelectrnica de rayos X (XPS)[40], espectroscopa

    de masas[41], espectroscopa infrarroja[42], resonancia magntica nuclear (RMN)[43,44] e

    incluso clculos tericos de compuestos modelos[45,46], obteniendo las estructuras

  • Parte I

    19

    mostradas en la figura 1.7, de las que todas excepto la emeraldina sal son formas

    aislantes, sin olvidar, que para que se produzca la conductividad es necesaria la

    presencia de aniones del cido utilizado durante la polimerizacin y que la PANI a pH

    superior de 3 se comporta como un material aislante.

    Existen muy variadas sntesis para la obtencin de la PANI, aunque

    principalmente suele obtenerse por mtodos qumicos y electroqumicos en medio

    cido. La sntesis electroqumica posee la ventaja de obtener muestras de alta pureza,

    pero la sntesis qumica, presenta la posibilidad de obtener grandes cantidades de

    polmero.

    Otros posibles mtodos de obtencin de la PANI son la polimerizacin en plasma

    de fase gaseosa[9,10], polimerizacin por depsito de vapor sobre cuarzo[47], catlisis por

    transferencia de fase[48,49], polimerizacin en emulsin, sntesis enzimtica de la PANI,

    aminacin catalizada por paladio[50], formacin de azometino por policondensacin de

    p-benzoquinona y p-fenilendiamina[51] y la descarboxilacin de poli(cido

    antranlico)[52].

    La polimerizacin qumica de la PANI[13] es una polimerizacin oxidativa que

    utiliza un agente oxidante tal como el persulfato de amonio, tricloruro frrico, dicromato

    potsico o perxido de hidrgeno entre otros. Se trabaja en un bao agitado y

    termostatizado a una temperatura alrededor de 0C, y normalmente se aade una

    cantidad equimolar de anilina y oxidante, aunque en la bibliografa podemos encontrar

    diferentes proporciones empleadas, y en el caso de utilizar exceso de oxidante se

    obtiene un polmero degradado. Normalmente se trabaja en medio cido, principalmente

    en disolucin de cido sulfrico o cido clorhdrico. La reaccin tiene lugar durante

    unas tres horas, tras las que el precipitado es filtrado y lavado, normalmente con el

    mismo cido utilizado como medio y finalmente con agua. Mediante este lavado se

    eliminan los oligmeros ms solubles. De esta forma se obtiene la PANI en estado

    emeraldina sal. Es posible realizar el paso de emeraldina sal a emeraldina base

    utilizando hidrxido amnico, pudiendo posteriormente volver a dopar con una

    disolucin cida. En esta sntesis se puede modificar muchos parmetros como son la

    temperatura, la concentracin de anilina o el medio, influyendo en las propiedades de la

    PANI obtenida. Como ya se ha indicado este tipo de sntesis permite obtener grandes

  • Introduccin

    20

    cantidades, por lo que es el mtodo empleado para su fabricacin industrial, que se lleva

    realizando desde mediados de los aos 90 en Estados Unidos.

    La polimerizacin electroqumica consiste en la oxidacin andica de la anilina

    sobre un electrodo para formar pelculas de PANI. Este tipo de polimerizacin no es til

    para la obtencin de grandes cantidades, pero si lo es para la obtencin de pelculas para

    su caracterizacin espectroelectroqumica, mediante tcnicas in-situ como

    espectroscopa ultravioleta, infrarroja y Raman, elipsometra, deflectometra por

    gradiente de concentracin (PBD) o microbalanza de cuarzo (EQCM). De forma general

    se disuelve anilina en una disolucin acuosa cida y se aplica un potencial alrededor de

    1,10 V frente al electrodo reversible de hidrgeno (RHE), de forma potenciosttica o

    potenciodinmicamente. Se han utilizado una gran variedad de materiales como

    electrodo de trabajo sobre los que se deposita la PANI, entre otros, platino, carbn

    vtreo, grafito, oro, hierro, cobre o electrodos pticamente transparentes como los ITO

    (Oxido de estao dopados con indio). En todos los casos la polimerizacin es rpida, y

    el espesor de la pelcula generada se puede controlar mediante la carga que se registra

    en el voltagrama.

    0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

    -1.0

    -0.5

    0.0

    0.5

    1.0

    PernigranilinaEmeraldina

    Inte

    nsid

    ad /

    mA

    Potencial / E (V)

    Leucoemeraldina

    Figura 1.8: Respuesta voltamtrica tipo de la PANI en medio cido.

    La respuesta voltamtrica de la PANI[53] se presenta en la figura 1.8, en este

    voltagrama se observan dos procesos redox principales correspondientes el primero de

    ellos (a 0,42 V) al paso de la leucoemeraldina base a la emeraldina sal, mientras que en

  • Parte I

    21

    el segundo de ellos (a 1 V) se produce el paso de emeraldina sal a pernigranilina. En la

    zona intermedia entre 0,5 y 0,9 V del voltagrama se observa despus de varios ciclos

    otro proceso en este caso de degradacin, correspondiente a la hidrlisis del enlace

    carbono-nitrgeno imnico.

    El mecanismo de polimerizacin de la PANI por va qumica y electroqumica

    puede ser diferente aunque el producto final sea el mismo. En el caso de la

    polimerizacin electroqumica cuando se aplica el potencial de oxidacin, la

    concentracin de cationes radicales es mucho mayor que la de monmero neutro en las

    cercanas del electrodo. Esto implica que un catin radical estar rodeado de ms

    cationes radicales y por tanto reaccionar con otro catin radical, es decir, la

    propagacin ser mediante acoplamiento radical-radical. Adems la concentracin de

    monmero cada vez ser menor puesto que tiene que difundir desde el seno de la

    disolucin hacia la superficie del electrodo. En el caso de la polimerizacin qumica, la

    concentracin del monmero es mucho mayor que la del radial, realizndose la

    propagacin a travs del acoplamiento radical-monmero, generndose a su vez otro

    radical.

    En vista de lo anterior, la polimerizacin electroqumica constara de las

    siguientes etapas[54]:

    a) Oxidacin electroqumica del monmero, formando un radical, que en el

    caso de la anilina se cree que es el anilinio por prdida de un electrn,

    aunque algunos estudios defienden la posibilidad de que se forme el

    catin nitrenio[55], por oxidacin y desprotonacin de la anilina (Fig. 1.9).

    N

    H

    H

    NH

    a b

    Figura 1.9: Estructuras de los posibles cationes en la iniciacin

    de la polimerizacin de PANI a) Radical anilinio b) Nitrenio.

    b) La propagacin se producira mediante una recombinacin radical-

    radical, producindose una prdida de dos protones del intermedio,

    generando el dmero 4-aminodifenilamina y la bencidina, segn el tipo de

  • Introduccin

    22

    acoplamiento. Posteriormente se puede producir la oxidacin

    electroqumica del dmero, recombinndose con otros radicales

    oligomricos o monomricos (Fig. 1.10).

    c) La terminacin del proceso de polimerizacin, se produce cuando se

    consumen todos los radicales en las cercanas del electrodo.

    NH2

    N

    H H

    N

    H H

    H

    N N

    H

    H

    H

    H

    BencidinaAcoplamiento cola-cola

    N

    H

    N

    H

    4-aminodifenilaminaAcoplamiento cabeza-cola

    H

    Figura 1.10: Mecanismo electroqumico de dimerizacin de la PANI.

  • Parte I

    23

    1.3.6 Polianilinas modificadas

    Aunque la polianilina tiene propiedades muy interesantes, presenta un gran

    inconveniente, su escasa solubilidad en los medios orgnicos comnmente utilizados y

    por tanto su baja procesabilidad. Para evitar estos problemas se ha estudiado la

    inclusin de grupos funcionales en la cadena del polmero, disminuyendo las fuertes

    interacciones entre las cadenas, aumentando por tanto la solubilidad.

    En principio existen tres formas de introducir estos grupos, bien mediante la

    postmodificacin de la PANI una vez sintetizada, mediante la homopolimerizacin de

    anilinas sustituidas o la copolimerizacin de anilina con anilinas sustituidas. Los dos

    ltimos mtodos parecen los ms efectivos a la hora de obtener un polmero con las

    propiedades deseadas, puesto que no es posible controlar el grado de modificacin con

    la postmodificacin. A la hora de elegir entre uno u otro, hay que tener en cuenta las

    propiedades qumicas (reactividad principalmente) del monmero. En principio la

    copolimerizacin es normalmente utilizada para la sntesis de derivados de anilina

    cuando no es posible su obtencin mediante homopolimerizacin.

    En general, los monmeros utilizados para obtener polianilinas modificadas se

    pueden clasificar en tres categoras, dependiendo de la posicin ocupada por los grupos

    funcionales: (a) Anillo sustituido, (b) N-sustituido y (c) Anillo fundido. En todos los

    casos, el mtodo de polimerizacin es similar, pero las propiedades del polmero

    obtenido son muy diversas.

    Las anilinas con sustitucin en el anillo ms sencillas se obtienen mediante la

    polimerizacin de la m-metilanilina, o-metilanilina, o-etilanilina y cualquier anilina con

    un grupo alquil como sustituyente[56-59], incluso disustituidas como la 2,5-

    dimetilanilina[60]. La introduccin del grupo alquilo debera aumentar la solubilidad y

    producir un cambio en las propiedades del polmero, pero se observa que slo mejora la

    solubilidad, sin cambiar las caractersticas del polmero. Tambin se observa que la

    conductividad disminuye, por ejemplo la poli(o-toluidina) tiene 10-1 10-2 Scm-1 que es

    uno o dos rdenes de magnitud ms pequea que la de la polianilina. MacDiarmid et

    al.[56] han sugerido que la introduccin del grupo alquilo en la cadena de polianilina

    causa el aumento de la torsin entre anillos de benceno contiguos en la cadena,

    reduciendo la longitud de conjugacin en la poli(o-toluidina).

  • Introduccin

    24

    Otro ejemplo de polianilinas con sustitucin en el anillo son la poli(o-

    metoxianilina)[61,62] y poli(2,5-dimetoxianilina)[63,64] que se pueden preparar tanto por

    oxidacin qumica como electroqumica. La poli(o-metoxianilina) presenta propiedades

    electroqumicas similares a la polianilina, aunque es ms soluble en disolventes

    orgnicos al igual que ocurre con la poli(2,5-dimetoxianilina).

    Tambin se ha estudiado el efecto de la introduccin de un halgeno en la

    estructura de la polianilina[65]. La presencia de un grupo aceptor de electrones en el

    anillo de benceno produce la disminucin de la densidad electrnica del tomo de

    nitrgeno del esqueleto del polmero. Al disminuir la basicidad del nitrgeno, la

    polianilina halogenada sera probablemente ms fcilmente dopada, y mejorar por tanto

    la conductividad elctrica. Sin embargo, los resultados experimentales indicaron que en

    la polianilina halogenada prcticamente no se produce dopado en las mismas

    condiciones en las que ocurre en la polinanilina. Esto debe ocurrir debido al

    impedimento estrico producido por el gran tamao de los tomos halgenos.

    Tratando de mejorar la solubilidad de la polianilina en disolucin acuosa, se ha

    introducido tambin grupos sulfnicos en la cadena, mediante la polimerizacin de los

    cidos aminobencenosulfnicos o uniendo el grupo sulfnico a la polianilina mediante

    mtodos qumicos. El grupo sulfnico genera una interaccin electrosttica fuerte con el

    tomo de nitrgeno del radical catinico, produciendo el autodopado de las cadenas en

    un amplio intervalo de pH, siendo innecesario el dopado externo[66]. Tambin podemos

    encontrar ejemplos de inclusin de grupos fosfnicos[67], un grupo fuertemente cido,

    obteniendo una polianilina autodopada con una alta estabilidad.

    Por otra parte, tratando de formar complejos con iones de metales de transicin

    tambin se ha realizado la introduccin de grupos cianuro[68] y de tomos de azufre[69],

    con gran tendencia a formar enlaces fuertes con iones metlicos. Obteniendo as por

    ejemplo polianilina cianurada y la poli(ditiodianilina), observando una mayor capacidad

    energtica en nodos para bateras de litio fabricados con estos materiales.

    En el caso de las polianilinas N-sustituidas, ha sido posible realizar la

    homopolimeracin de algunas de ellas, como la N-metilanilina, N-etilanilina y N-

  • Parte I

    25

    benzilanilina, aunque la mayor parte de las polianilinas N-sustituidas no

    homopolimerizan, y lo que se suele obtener es el copolmero con la anilina.

    Aunque las poli(N-arilaminas) se clasifican como derivados de la polianilina, su

    mecanismo de polimerizacin y sus propiedades son completamente diferentes a las de

    la polianilina. La polimerizacin de las N-arilaminas se produce a travs de

    acoplamiento 4,4-fenil-fenil[70], frente al mecanismo de la polianilina que supone la

    formacin de un enlace N-C. Por lo tanto, la estructura del poli(arilamina) es una serie

    alternada de enlaces N-C y C-C en el esqueleto del polmero, lo que proporciona a estos

    polmeros una respuesta electroqumica, propiedades espectroelectroqumicas y

    trmicas caractersticas, y tambin una solubilidad buena en disolventes orgnicos

    comunes. En bibliografa se pueden encontrar polimerizaciones de N-fenilamina

    (tambin conocida como difenilamina) y la N-naptilamina, preparadas tanto por

    mtodos qumicos como electroqumicos[70-72].

    Las polianilinas de anillo fundido tambin conocidas como aminas aromticas

    polinucleares se refieren a los derivados de naftaleno y antraceno con un grupo amino.

    En bibliografa podemos encontrar distintos ejemplos de polimerizacin de compuestos

    de este tipo, como la obtencin del poli(1-naftilamina)[73-76], poli(1-aminoantraceno)[76],

    poli(3,3-dimetilnaftidina)[77] y poli(N,N,N,N-tetrametil-1,1-naftidina)[78], por

    ejemplo.

    El mecanismo de electropolimerizacin del poli(1-naftilamina)[75] en medio

    acuoso cido es muy similar al mecanismo de la polianilina, adems el poli(1-

    naftilamina)[76] obtenido de forma qumica tambin presenta una estructura del tipo

    polianilina. Los derivados de polianilina usualmente presentan electrocromismo, pero el

    poli(1-naftilamina) lo tiene en un intervalo limitado de potencial.

    En el campo de la polimerizacin de anilinas sustituidas en el anillo en este

    trabajo se ha estudiado la oxidacin y homopolimerizacin de los ismeros del

    aminofenol y diaminofenol, de los que pasamos a hablar.

  • Introduccin

    26

    1.3.6.1 Oxidacin y homopolimerizacin de aminofenoles y diaminofenoles

    Los ismeros del aminofenol son interesantes por ser unas molculas que

    presentan dos grupos que pueden ser oxidados, como son el grupo amino y el grupo

    hidroxilo, por lo que pueden presentar un comportamiento electroqumico similar a la

    anilina pero tambin posiblemente similar al fenol[79,80]. Un factor importante es la

    posicin relativa de los dos grupos mencionados anteriormente en el anillo aromtico,

    provocando que las propiedades electroqumicas sean muy diferentes (Figura 1.11).

    NH2

    OH

    NH2

    OH

    NH2OH

    a b c Figura 1.11: Estructura de los tres ismeros del aminofenol

    a) p-aminofenol b) m-aminofenol c) o-aminofenol.

    El p-aminofenol es un compuesto utilizado como agente redox en fotografa[81],

    tanto l como sus derivados. En medio neutro, se oxida dando lugar a colorantes

    complejos que pueden ser utilizados en ensayos enzimticos[82]. Slo se encuentra un

    estudio en el que se indica la obtencin de un polmero, en este caso soluble[83], a partir

    de este compuesto, trabajando en medio orgnico y con un electrodo de platino.

    Por su parte, la oxidacin del m-aminofenol fue estudiada en disolucin acuosa en

    electrodos de dixido de estao, indicando que nicamente el grupo amino del m-

    aminofenol sufre la oxidacin sin sufrir modificacin el grupo hidroxilo[84].

    Finalmente, la oxidacin del o-aminofenol sobre diferentes materiales como el

    platino, carbn vtreo y oro en medio cido acuoso, muestra la formacin de un

    polmero electroactivo[85-87]. Este polmero ha sido caracterizado[87-90], estudiadas sus

    propiedades electroqumicas y electrocrmicas[86,91-97], ha sido utilizado en

    sensores[98,99] y se ha utilizado como soporte para el depsito de metales[100,101] como

  • Parte I

    27

    cobre y plata. En medio cido y como intermedio en la reaccin de polimerizacin, se

    ha propuesto que interviene el dmero soluble 2-aminofenoxacin-3-ona[102], mientras

    que en medio bsico se obtiene un depsito no electroactivo[87].

    Los ismeros del di-aminofenol han sido menos estudiados que los del

    aminofenol. La figura 1.12 muestra los ismeros de ese compuesto. La oxidacin del

    2,3-diaminofenol (2,3-DAP) da lugar a depsitos polimricos oligomricos como

    medio de polimerizacin en acetonitrilo muy anhidro[103]. En el caso del 2,4-

    diaminofenol (2,4-DAP), su sal dihidroclorada es conocida como Amidol y ha sido

    utilizado como producto revelador en fotografa desde 1892[104], siendo especial por el

    hecho de que acta ms efectivamente en medio ligeramente cido al contrario que la

    mayor parte de reveladores que lo hacen en medio fuertemente bsico. Pero, las

    propiedades del 2,4-diaminofenol an no han sido analizadas en detalle. El 2,5-

    diaminofenol (2,5-DAP) es utilizado industrialmente como colorante oxidativo para

    fibras de queratina, sobre todo en cabello humano[105-109], debido a sus buenas

    propiedades como intensificador del color y mantenimiento de este, pero no se ha

    realizado ningn tipo de estudio electroqumico de su oxidacin.

    OH

    NH2

    NH2

    OH

    NH2

    NH2

    OH

    NH2

    NH2

    a b c Figura 1.12: Estructura de los tres ismeros del

    diaminofenol a) 2,3-diaminofenol b) 2,4-diaminofenol c) 2,5-

    diaminofenol.

    1.3.7 Copolmerizacin de anilina

    Como ya se ha mencionado anteriormente, la copolimerizacin de anilina con

    anilinas sustituidas es el mtodo ms conveniente para obtener copolmeros en el caso

    de que la reactividad de la anilina sustituida sea demasiado baja. Adems mediante la

  • Introduccin

    28

    copolimerizacin es posible controlar el grado de modificacin en la cadena de

    polianilina, mediante la variacin de la composicin de alimentacin, puesto que

    mediante la homopolimerizacin se obtiene un 100% de modificacin. Con la

    copolimerizacin es posible obtener una serie de materiales con una variacin gradual

    de sus propiedades, como solubilidad, conductividad, electroactividad, etc.

    En bibliografa se puede encontrar una enorme cantidad de trabajos en los que se

    sintetizan copolmeros de anilina con derivados de anilina con determinados grupos

    funcionales. Por ejemplo, introduciendo en la cadena grupos alquilo[110], alcoxi[111,112],

    hidroxilo[113,114], metoxi[115], sulfnico[116-118], alcoxisulfnico[119], carboxilo[120-122] o

    nitrilo[123].

    La inclusin de estos grupos producen diferentes efectos segn su tendencia a

    ceder electrones o tomarlos, y tambin segn su tamao. El efecto de algunos de ellos

    ya se ha comentado en la seccin de polianilinas sustituidas. Por ejemplo, la inclusin

    de un grupo carboxilo, o la de un grupo sulfnico, puede aumentar la solubilidad del

    copolmero y ampliar el intervalo de electroactividad del material obtenido por efecto de

    autodopado. El inconveniente es que la conductivad del material disminuye comparada

    frente a la de la polianilina debido al efecto inductivo y estrico.

    1.3.7.1 Copolimerizacin de anilina y aminofenoles

    La copolimerizacin de anilina e ismeros del aminofenol, supone la inclusin de

    un grupo hidroxilo directamente unido al esqueleto del polmero. Este grupo hidroxilo

    es un grupo dador de electrones y produce un aumento del intervalo de pH en el que el

    copolmero presenta conductividad. En bibliografa podemos encontrar tanto la

    copolimerizacin de la anilina y el o-aminofenol[114,124] y anilina y m-aminofenol[125] y

    su utilizacin en baterias recargables[126] y como sensor de cido rico[127] o catecol[128]

    aprovechando su electroactividad a pH fisiolgico.

    Si bien se ha dilucidado la estructura de los copolmeros, no se ha realizado un

    trabajo sistemtico de sus propiedades con la variacin de la concentracin de los

    copolmeros en la alimentacin, efecto de la variacin del potencial de oxidacin en la

    composicin del copolmero, estudio FTIR-in situ para asegurar la estructura propuesta

  • Parte I

    29

    mediante FTIR-ex situ o estudio con microbalanza de cuarzo de la velocidad de

    copolimerizacin de estos materiales, y que sern realizados en este trabajo.

    1.3.7.2 Copolimerizacin de anilina y cido 2-aminotereftlico

    El cido 2-aminotereftlico (2-ATA) puede ser un comonmero interesante

    porque contiene dos grupos carboxlicos unidos al anillo aromtico, introduciendo una

    mayor cantidad de este tipo de grupos por cada molcula que en el caso de los cido

    aminobenzoicos (Fig. 1.13). Por tanto, con este cido es posible esperar la obtencin de

    una polianilina con una solubilidad mayor y autodopada como en el caso de la

    polianilina sulfonada, evitando por tanto la necesidad de dopantes externos, y

    aumentando el rango de pH en el que el material es electroactivo. Adems, el 2-ATA

    puede reaccionar a travs de las posiciones 2 3 relativas a la posicin de los grupos

    cidos. No se han encontrado estudios previos que realicen la copolimerizacin de

    anilina con el 2-ATA.

    COOH

    COOH

    NH2

    Figura 1.13: Estructura del cido 2-aminotereftlico.

    1.4 Referencias

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