Polivinilpirrolidone

Il polivinilpirrolidone (PVP) è un polimero sintetico amorfo e igroscopico ottenuto per la prima volta dal chimico tedesco Walter Julius Reppe introdotto dai tedeschi durante la seconda guerra mondiale come sostituto del plasma sanguigno. Noto come Periston, ha salvato la vita a migliaia di persone perché, se combinato con l’acqua, è molto simile al plasma sanguigno.

Il polivinilpirrolidone fu sintetizzato tra la fine del 1938 e l’inizio del 1939 in un laboratorio della BASF a Ludwigshafen am Rhein dove lavorava Reppe, noto per i suoi studi sull’acetilene. Utilizzando acetilene e pirrolidone fu ottenuto dapprima il vinilpirrolidone e, successivamente il polivinilpirrolidone.

È un polimero inerte, non tossico, resistente alla temperatura, stabile al pH, biocompatibile e biodegradabile, disponibile in diversi gradi con peso molecolare e viscosità variabili e pertanto il polivinilpirrolidone è adatto all’uso in diversi campi come quello dell’industria farmaceutica, biomedica, cosmetica e alimentare.

Proprietà del polivinilpirrolidone

Il polivinilpirrolidone si presenta come una polvere fine, amorfa, molto igroscopica, inodore, di colore da bianco a bianco sporco con un peso molecolare da 2500 a 3000000 Da. È un tipo di polimero non ionico solubile in acqua, etanolo, metanolo, cloroformio, acidi e ammine e poco solubile in eteri, idrocarburi, alcuni esteri, alcuni chetoni e oli minerali.

La solubilità del polivinilpirrolidone sia in acqua che in solventi non acquosi è attribuita all’esistenza di una frazione ammidica altamente polare nell’anello pirrolidone e gruppi metilenici e metinici apolari all’interno dell’anello e lungo la sua catena principale.

Ha una densità di 1.2 g/cm³ , una temperatura di fusione tra 150 e 180 °C e, se riscaldato fino alla decomposizione, emette fumi tossici di ossidi di azoto. Ha buone proprietà filmogene ed è in grado di formare complessi in particolare con composti contenenti un gruppo idrossile, carbonilico, carbossilico e amminico. La temperatura di transizione vetrosa dei polimeri ad alto peso molecolare è di circa 175°C e scende a valori inferiori a 100°C quando il peso molecolare decresce.

Sintesi dell’N-vinil-pirrolidone

Per la sintesi del polivinilpirrolidone è necessario il monomero di partenza costituito dall’1-vinil-2-pirrolidone, detto N-vinil-pirrolidone (NVP). Il metodo convenzionale per ottenere l’N-vinil-pirrolidone è la reazione di vinilazione del 2-pirrolidone con acetilene utilizzando sali di metalli alcalini come catalizzatori, nota come reazione di Reppe.

La reazione di Reppe è una reazione catalitica omogenea in fase liquida e la velocità di reazione dipende dalla solubilità dell’acetilene nei reagenti liquidi. In generale, la solubilità dell’acetilene nei solventi organici è elevata a bassa temperatura ma diminuisce bruscamente all’aumentare della temperatura nelle condizioni di reazione.

Pertanto, al fine di migliorare la selettività e la resa, inizialmente si rivolse l’attenzione principalmente alla preparazione del catalizzatore e allo studio dei promotori ma il processo soffre del limitato trasferimento di massa gas-liquido causato dall’ambiente di reazione in un’autoclave, per cui il tempo di reazione è solitamente superiore a 2 ore. Ciò comporta un problema di sicurezza dovuto alla possibile esplosione a causa della decomposizione dell’acetilene durante il funzionamento ad alta pressione.

Negli ultimi anni, la tecnologia dei microreattori ha cambiato lo scenario nella sintesi organica che, grazie al rapido e accurato trasferimento di massa e di calore, ai piccoli volumi di reazione e ai brevi percorsi di diffusione, consente di selezionare in modo più rapido ed economico i substrati e le condizioni di reazione. Utilizzando tale tecnologia si è ottimizzata la sintesi dell’N-vinil-pirrolidone

Sintesi del polivinilpirrolidone

Il polivinilpirrolidone con pesi molecolari da 2500 a circa 1 milione si ottiene principalmente tramite polimerizzazione radicalica in soluzione. Viene tipicamente polimerizzato in una soluzione acquosa con perossido di idrogeno come iniziatore. Può essere ottenuto in solventi organici come 2-propanolo, toluene e, in particolare, azobisisobutirronitrile.

In presenza di solventi organici si utilizzano quali iniziatori perossidi organici come di- terz -butil perossido (DTBP) costituito da un gruppo perossido legato a due gruppi terz-butile o dicumil perossido come iniziatori. Il controllo del peso molecolare del polivinilpirrolidone è influenzato sia dalla concentrazione dell’iniziatore che dalla concentrazione del monomero.

I prodotti con peso molecolare più elevato sono polimerizzati in soluzione acquosa utilizzando principalmente perossido di idrogeno come iniziatore. Il processo può produrre polivinilpirrolidone con pesi molecolari diversi: se la concentrazione di perossido di idrogeno, minore sarà il peso molecolare del PVP sintetizzato e viceversa.

Il polivinilpirrolidone prodotto in soluzioni organiche è più stabile e non si è osservata alcuna produzione di impurità di pirrolidone, a differenza di quando la polimerizzazione viene effettuata in solventi acquosi e perossido di idrogeno quale iniziatore.

Usi

In campo farmaceutico, il PVP è utilizzato principalmente per le sue proprietà e, in particolare, per la stabilità e il rilascio controllato di preparazioni di farmaci. Può essere utilizzato come adesivo, addensante e coadiuvante della dissoluzione per migliorare la stabilità e la biodisponibilità dei farmaci.

Presenta  diversi vantaggi agendo come stabilizzante, agente protettivo, legante, lubrificante, inibitore della cristallizzazione e potenziatore della biodisponibilità per diversi principi attivi farmaceutici. Si sono utilizzate le dispersioni solide a base di PVP  per diverse molecole di farmaci scarsamente solubili al fine di migliorare la loro velocità di dissoluzione

Inoltre, la capacità di formare gel lo rende un ingrediente importante nei farmaci oftalmici ed è utilizzato per realizzare lenti a contatto. Si è utilizzato il PVP  come materiale di rinforzo per biocompositi in una varietà di applicazioni, tra cui l’ingegneria dei tessuti ossei, biosensori e i sostituti artificiali della cartilagine.

Ingegneria biomedica

Studi recenti hanno dimostrato che la potenziale applicazione del PVP nell’ingegneria biomedica si sta espandendo. I ricercatori stanno esplorando l’uso dell’elevata solubilità in acqua e della bioadesione del PVP per sviluppare nuovi sistemi di rilascio dei farmaci.

Questi sistemi possono rilasciare i farmaci in organi o tessuti specifici in modo mirato, migliorando notevolmente l’efficienza e la sicurezza del trattamento. Grazie alla sua proprietà di formare composti di coordinazione, reagisce con lo iodio sotto forma di ioni triioduro per dare lo iodopovidone (PVP-I) principio attivo antimicrobico e antisettico utilizzato quale disinfettante della cute o delle ferite, per trattamenti antisettici e per l’igiene orale.

Nella sintesi di nanoparticelle può fungere da stabilizzatore di superficie, modificatore di crescita, disperdente di nanoparticelle e agente riducente. Nell’industria cosmetica, il PVP è ampiamente utilizzato per la sua eccellente solubilità e sicurezza. Può essere utilizzato come ingrediente in lacche per capelli e prodotti per la cura della pelle per aiutare a mantenere la stabilità del prodotto e migliorare l’esperienza dell’utente. Le sue proprietà filmogene rendono i cosmetici più durevoli riducendo al contempo l’irritazione cutanea.

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