Crowded Diphosphinomethane Ligands in Catalysis: [(R2PCH2PR′2-κ2P)-NiR″]+ Cations for Ethylene Polymerization without Activators

The preparation of a series of nickel dichloride complexes with bulky diphosphinomethane chelate ligands R2PCH2PR′2 is reported. Reaction with the appropriate Grignard reagent leads to the corresponding dimethyl and dibenzyl complexes. Cationic monomethyl and mono-η3-benzyl complexes are generated from these dialkyl complexes by protonation with [H(OEt2)2]+[B(3,5-(CF3)2C6H3)4]−, while the complex [(dtbpm κ2P)Ni(η3-CH(CH2Ph)Ph]+[B(3,5-(CF3)2C6H3)4]−is obtained from protonation of the Ni(0) olefin complex (dtbpm-κ2P)N(η2-trans-stilbene). Crystal structures of examples of dichlorides, dimethyl, dibenzyl, cationic methyl, and cationic η3-benzyl complexes are reported. Solutions of the cations polymerize ethylene under mild conditions and without the necessity of an activating agent, to form polyethylene having high molecular weights and low degrees of chain branching. In comparison to the Ni methyl cations, the η3-benzyl cation complexes are more stable and somewhat less active but still very efficient in C2H4 polymerization. The effect on the resulting polyethylene of varying the substituents R, R′ on the phosphine ligand has been examined, and a clear trend for longer chain PE with less branching in the presence of more bulky substituents on the diphosphine has been found. Density functional calculations have been used to examine the rapid suprafacial η3 to η3 haptotropic shift processes of the[(R2PCH2PR′2)Ni] fragment and the η3−η1 change of the coordination mode of the benzyl group required for polymerization in those cations.

New HDPE/MCM41 nanocomposites with improved mechanical performance: synthesis and characterizatio

Ordered mesoporous silicas with a channel structure of well-defined geometries and dimensions at nanometer scale are excellent candidates to host intercalation reactions. In recent years, our research group has shown that mesoporous silicas of the M41S class combined with metallocene complexes give rise to excellent supported catalysts for ethylene polymerisation. Due to the support characteristics, the reaction is allowed to occur in the channels and in this way hybrid organic-inorganic materials can be prepared within a large range of nanofiller concentration. These HDPE/MCM-41 nanocomposites exhibit an improved mechanical performance and an easier degradability due to the additional role of MCM-41 as a promoter for PE degradation.

Latexpartikel als Trägermaterialien in der durch Postmetallocene katalysierten Ethenpolymerisation

Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Immobilisierung von Postmetallocenen auf einem organischen Trägermaterial für die heterogene Ethenpolymerisation. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich mit nukleophilen Gruppen funktionalisierte Latexpartikel als Trägermaterial für empfindliche Bis(phenoxyimin)titankatalysatoren eignen. Durch geschickte Kombination aus Trägermaterial, Katalysator und Cokatalysator wurde ein Katalysatorsysteme erhalten, das ultrahochmolekulares Polyethylen mit einem Molekulargewicht Mw von bis zu 7.000.000 g/mol (GPC, PS-Standard) bei einer enger Molekulargewichtsverteilung von weniger als 3 erzeugt. Die erhaltenen Produktivitäten erreichten dabei die Anforderungen an industriellen Katalysatorsystemen. Erstaunlich war, dass nukleophile Gruppen auf den Latexpartikeln, die dafür bekannt sind, dass sie den Katalysator deaktivieren können, ein wichtige Schutzfunktion für den Titankatalysator bilden. So konnte gezeigt werden, dass Pyridingruppen auf der Oberfläche der Latexpartikel als Scavenger gegen Trimethylaluminium wirken, welches ansonsten den aktiven Titankomplex zersetzen würde. An ausgewählten Systemen auf der Basis unterschiedlicher Postmetallocene und einem Metallocen für die Ethenpolymerisation wurde durch Anwendung verschiedener Methoden das Polymerisationsverhalten der Latex-geträgerten Katalysatorsysteme untersucht. Eine Methode war die so genannte Videomikroskopie, bei der in Gasphase Ethen polymerisiert wird und so das Wachstumsverhalten der Katalysatorpartikel analysiert werden kann. In Kombination mit einer kinetischen Kontrolle des Monomerumsatzes in Suspensionspolymerisation, konnte gezeigt werden, dass die auf Latexpartikel geträgerten Katalysatorsysteme ein anderes Polymerisationsverhalten besitzen wie in der Literatur beschriebene Silica-geträgerte Katalysatoren. Dies kann auf die unterschiedliche Beschaffenheit des Trägermaterials zurückgeführt werden. Während das harte Silica-Material Monomer nur in den Poren aufnimmt und so rasch nach Beginn der Polymerisation in eine diffusionskontrollierte Polymerisation übergeht, quillt das organische Trägermaterial mit dem Monomeren an und kann den aktiven Katalysator damit bedienen bis weiteres Monomer von außen in das Katalysatorpartikel nach diffundiert ist. Durch die weiche Beschaffenheit der organischen Latexpartikel kann das entstehende Polymer das Katalysatorpartikel außerdem leicht auseinandertreiben werden. Die Polymerisation kann so im ganzen Katalysatorpartikel beginnen, während das Silica-Trägermaterial nur langsam von außen nach innen fragmentieren kann.

Characterisation of lignins isolated from sugarcane bagasse pretreated with acidified ethylene glycol and ionic liquids

Sugarcane bagasse pretreatment processes using acidified aqueous ethylene glycol (EG) and ionic liquids (ILs) have been reported recently. In this study, recovery of lignins from these processes was conducted, as well as determination of their physico-chemical properties. The amount of lignins recovered from 1-butyl-3-methylimidazolium chloride ([bmim]Cl) with HCl as a catalyst and [bmim][CH3SO3] was ∼42%, and ∼35%–36% by EG with HCl or H2SO4 as a catalyst, respectively. The isolated lignins were characterised using wet chemistry, spectroscopy and thermogravimetry analysis (TGA), and the results compared to soda lignin from NaOH pretreatment of bagasse. The IL and EG lignins contained no or trace amounts of carbohydrates, slightly lower hydrogen content but slightly higher oxygen contents than soda lignin. The IL and EG lignins contained more C-3 and C-5 reactive sites for Mannich reaction and had more p-hydroxypheny propane unit structures than soda lignin. Two-dimensional heteronuclear single quantum coherence (2D HSQC) nuclear magnetic resonance (NMR) identified the major substructural units in the lignins, and allowed differences among them to be studied. As EG lignins were extracted in very reactive environment, intermediate enol ethers were formed and led to cleavage reactions which were not apparent in the other lignins. 31P NMR and infra-red spectroscopy results showed that IL and EG lignins had lower total hydroxyl content than soda lignin, probably indicating that a higher degree of self-polymerisation occurred during bagasse pretreatment, despite the use of lower temperature and shorter reaction time. On the basis of the salient features of these lignins, potential applications were proposed.

Ring-opening polymerisation of silver-diphosphine [M2L3] coordination cages to give [M2L3](infinity) coordination polymers

[M2L3] coordination cages and linear [M2L3]infinity polymers of the rigid, bridging diphosphines bis(diphenylphosphino)acetylene (dppa) and trans-1,2-bis(diphenylphosphino)ethylene (dppet) with silver(I) salts have been investigated in the solution and solid states. Unlike flexible diphosphines, 1:1 dppa/AgX mixtures do not selectively form discrete [Ag2(diphos)2(X)2] macrocycles; instead dynamic mixtures of one-, two- and three-coordinate complexes are formed. However, 3:2 dppa/AgX ratios (X = SbF6. BF4, O3SCF3 or NO3) do lead selectively to new [M2L3] triply bridged cage complexes [Ag2(dppa)3(X)2] 1a-d (X = SbF6 a, BF4 b, O3SCF3 c, NO3 d), which do not exhibit Ag-P bond dissociation at room temperature on the NMR time scale (121 MHz). Complexes la-d were characterised by X-ray crystallography and were found to have small internal cavities, helical conformations and multiple intramolecular aromatic interactions. The nucleophilicity of the anion subtly influences the cage shape: Increasing nucleophilicity from SbF6 (1a) through BF4 (1b) and O3SCF3 (1c) to NO3 (1d) increases the pyramidal distortion at the AgP3 centres, stretching the cage framework (with Ag...Ag distances increasing from 5.48 in 1a to 6.21 A in 1d) and giving thinner internal cavities. Crystal packing strongly affected the size of the helical twist angle, and no correlation between this parameter and the Ag-Ag distance was observed. When crystalline 1c was stored in its supernatant for 16 weeks, conversion occured to the isostoichiometric [M2L3]infinity coordination polymer [Ag(dppa)2Ag(dppa)(O3SCF3)2]infinity (1c'). X-ray crystallography revealed a structure with ten-membered Ag2(dppa)2 rings linked into infinite one-dimensional chains by a third dppa unit. The clear structural relationship between this polymer and the precursor cage 1c suggests a novel example of ring-opening polymerisation. With dppet, evidence for discrete [M2L3] cages was also found in solution, although 31P NMR spectroscopy suggested some Ag-P bond dissociation. On crystallisation, only the corresponding ring-opened polymeric structures [M2L3]infinity could be obtained. This may be because the greater steric bulk of dppet versus dppa destabilises the cage and favours the ring-opening polymerisation.

Effect of synthesis parameters on the electrical conductivity of polypyrrole-coated poly(ethylene terephthalate) fabrics

The effects of pyrrole, anthraquinone-2-sulphonic acid (AQSA) and iron(III) chloride (FeCl3) concentrations, reaction time and temperature on the electrical conductivity of polypyrrole (PPy) - coated poly(ethylene terephthalate) (PET) fabrics were investigated. With an increase in both the AQSA and FeCl3 concentrations, resistivity decreased to a point beyond which higher concentrations led to increased surface resistivity. Erosion of the polymer coating, in dynamic synthesis from continual abrasion, manifested as an exponential increase in the resistance of the coated textile substrate. This was not encountered in static synthesis conditions. Temperature affected the degree of surface and bulk polymerisation. The effect of polymerisation temperature on conductivity was negligible. Conductive polymer coating on textiles through chemical polymerisation enabled a smooth coherent film to encase individual fibres, which did not affect the tactile properties of the host substrate. The optimum FeCl3/pyrrole and AQSA FeCl3/pyrrole molar ratios were found to be 2.22 and 0.40 respectively.

Polymerisation in perfluorierter Emulsion

Die vorliegende Arbeit behandelt die Polymerisation in nicht-wässrigen Emulsionen – bestehend aus einem perfluorierten Solvens und einem Kohlenwasserstoff - unter Einsatz verschiedener Monomere, Katalysatoren und Polymeristionsmethoden zur Generierung von Polymerpartikeln verschiedenster Art. Es wurde gezeigt, dass in diesen inerten Medien zahlreiche Methoden zur Polymererzeugung unter gleichzeitiger Morphologiekontrolle eingesetzt werden können, die in konventionellen wässrigen, heterophasischen Systemen versagen.rnrnAusgangspunkt war die literaturbekannte Metallocen-katalysierte Synthese von Polyethylen (PE)- und Polypropylen (PP)-Nanopartikeln in perfluorierter Emulsion in Gegenwart hochmolekularer Blockcopolymere als Stabilisierungsagens. Mithilfe kinetischer Untersuchungen hinsichtlich der PE-Synthese wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Modell entwickelt, welches den Diffusionsweg eines gasförmigen Monomers über die verschiedenen Phasengrenzen hinweg zum aktiven katalytischen Zentrum in der dispergierten Phase beschreibt. Ferner konnte die Diffusions- und Reaktionsbestimmtheit der Reaktion in Abhängigkeit verschiedener Reaktionsparameter nachgewiesen sowie ein tieferer Einblick über den Ort der Polymerisation in den heterophasischen Systemen erhalten werden.rnrnDie so gewonnenen Erkenntnisse wurden für die erfolgreiche Synthese von Poly(ethylen-1-hexen)-Copolymeren in perfluorierter Emulsion genutzt, wobei der Comonomergehalt im resultierenden Polymer über einen breiten Bereich variiert werden konnte. Neben der Homo- und Copolymerisation von Polyolefinen wurde in der vorliegenden Arbeit weiter gezeigt, dass die heterogenen Fluide zum Aufbau komplexerer Morphologien wie Kern-Schale-Nanopartikeln genutzt werden können; so gelangte man zu Partikeln mit Kernen aus isotaktischem PP, ummantelt von „weichem“ Poly(n-butylacrylat).rnrnEin weiterer Fokus dieser Arbeit lag auf der Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten der perfluorierten Emulsionen, und so wurde bspw. der Zugang zu Polymerdispersionen aus konjugierten Materialien mit Partikeldurchmessern von 70-100 nm mittels Cyclopolymerisation eröffnet. Ferner konnten als bioverträgliche und biologisch abbaubare Materialien Partikel aus epsilon-Caprolacton in koordinativ-anionischer Polymerisation gewonnen werden. Im Zuge dessen wurden Emulgatoren entwickelt, die den Einsatz polarer Monomere in perfluorierter Emulsion erlauben.rnrnSchlussendlich konnten mittels trifunktioneller Polymere mit lipophilen und fluorophilen Gruppen sowie Lewis-basischen Ankergruppen Ag- und Cu-Partikel dergestalt oberflächenmodifiziert werden, dass ein homogenes Einbetten in eine perfluorierte Matrix möglich war, was antibakterielle perfluorierte Werkstoffe - erwiesen an E. coli - lieferte.

Tailored epoxide monomers as building units for multifunctional poly(ethylene glycol)

Poly(ethylenglykol) (PEG) ist eines der wichtigsten Polymere für pharmazeutische und biomedizinische Zwecke. Dies lässt sich vor allen Dingen auf seine ausgezeichnete Biokompatibilität, seine hohe chemische Stabilität sowie seine sehr gute Wasserlöslichkeit zurückführen. Neben seiner Anwendung in Produkten wie Lebensmitteln und Kosmetika ist PEG vor allem im pharmazeutischen Bereich unersetzlich geworden. Hier dient PEG als Grundlage für Salben, es kommt aber auch in der sogenannten „PEGylierung“ zum Einsatz. Unter PEGylierung versteht man die kovalente Verknüpfung von PEG mit Wirkstoffmolekülen, beispielsweise Proteinen oder niedermolekularen Medikamenten. In der akademischen Forschung sind aber auch PEGylierte Nanopartikel oder durch PEG stablisierte Liposomen für die Applikation im Bereich der Medizin von hohem Interesse. Trotz seiner breiten Verwendung hat PEG zwei entscheidende Nachteile: Zum einen benötigt man gerade im Hinblick auf PEGylierungen viele funktionelle Gruppe, jedoch trägt PEG maximal zwei Hydroxyl-Gruppen (die Endgruppen), die für kovalente Verknüpfungen genutzt werden können. Zum anderen ist PEG nicht in physiologischer Umgebung abbaubar und kann daher in vivo oberhalb eines Molekulargewichts von 40 000 g/mol nicht eingesetzt werden, da sonst eine Ausscheidung über die Niere nicht möglich ist und eine ungewollte Anreicherung im Körper stattfindet.rnDie durch die geringe Anzahl an Endgruppen limitierte Beladungsdichte kann durch das Design neuer Epoxid-Derivate und deren statistischen Einbau in das PEG Rückgrat deutlich verbessert werden. Im ersten Teil dieser Arbeit werden drei neuartige funktionelle Oxirane vorgestellt, die systematisch mit Ethylenoxid copolymerisiert wurden, was die selektive Einführung verschiedener funktioneller Gruppen am Polymerrückgrat ermöglicht. Im Vordergrund der Betrachtungen standen die Eigenschaften der neuartigen multifunktionellen (mf)-PEG Copolymere im Hinblick auf ihr thermisches Verhalten sowie die Verteilung der funktionellen Gruppen (Mikrostruktur) innerhalb des PEG-Rückgrats. Die gezielte Adressierbarkeit der funktionellen Gruppen konnte durch verschiedene Modellreaktionen bestätigt werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich mit der vorgestellten Synthesestrategie komplexe Hybridmaterialien, beispielsweise metallhaltige Polyether, darstellen lassen. Mit Hinblick auf die biomedizinischen Anwendungen und die Konkurrenz zu etablierten PEG-Hompolymeren, standen die Wasserlöslichkeit und die Toxizität der synthetisierten Materialien im Zentrum weiterer Untersuchungen. Alle dargestellten Polymere zeigten einen Trübungspunkt in Wasser, der sich in Abhängigkeit der Zusammensetzung und Hydrophobizität der Comonomere über ein weites Temperaturspektrum variieren und somit systematisch einstellen ließ. Die Toxizität der statistischen mf-PEGs lag im Bereich von PEG, was die mf-PEGs interessant für biomedizinische Anwendung macht.rnIm zweiten Teil der Arbeit wurden Copolymerisationen verwendet, um über erstmals hergestellte Epoxid-Inimere sauer spaltbare Einheiten in das Polyetherrückgrat einzuführen. Die neuen, verzweigten Strukturen wurden auf die Zersetzung in physiologisch relevantem Milieu untersucht. Die erzielte pH-abhängige Spaltbarkeit, kann für potenzielle Anwendungen beispielsweise in der Krebstherapie, von Vorteil sein.rn

Solid-state nanocrystalline dye-sensitized solar cell using 2-mercapto benzimidazole doped poly(ethylene oxide) as a new polymer electrolyte

New composite doped poly (ethylene oxide) polymer electrolyte was developed using 2-mercapto benzimidazole as plasticizer and iodide/triiodide as redox couple. The fabrication of the cell involves Poly(ethylene oxide)/ 2-mercapto benzimidazole / iodide/triiodide as polymer electrolyte in dye-sensitized solar cell fabricated with N3 dye and TiO2 nanoparticles as the photoanode and Platinum coated FTO (fluorine doped SnO2) as counter electrode. The current-volatage characteristics under simulated sunlight AM1.5 shows a short circuit current Isc of 8.7mA and open circuit photovoltage 508 mV. The conductivity measurements for the new polymer electrolyte and the photoelectrochemical measurments were carried out systematically. In 2-mercapto benzimidazole the electron rich sulphur and nitrogen atoms, act as pi-electron donors that form good interaction with iodine which plays a vital role in the performance of the fabricated dye-sensitized solar cells. The resonance effect increases the stability of the cell to a considerable extent. These results suggest that the new composite polymer electrolyte performs as a promising new doped polymer-electrolyte.

The encapsulation of gold nanoparticles using RAFT, ATRP and miniemulsion polymerisation techniques

The investigation into the encapsulation of gold nanoparticles (AuNPs) by poly(methyl methacrylate) (PMMA) was undertaken. This was performed by three polymerisation techniques including: grafting PMMA synthesised by reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerisation to AuNPs, grafting PMMA synthesised by atom transfer radical polymerisation (ATRP) from the surface of functionalised AuNPs and by encapsulation of AuNPs within PMMA latexes produced through photo-initiated oil-in-water (o/w) miniemulsion polymerisation. The grafting of RAFT PMMA to AuNPs was performed by the addition of the RAFT functionalised PMMA to citrate stabilised AuNPs. This was conducted with a range of PMMA of varying molecular weight distribution (MWD) as either the dithioester or thiol end-group functionalities. The RAFT PMMA polymers were characterised by gel permeation chromatography (GPC), ultraviolet-visible (UV-vis), Fourier transform infrared-attenuated total reflectance (FTIR-ATR), Fourier transform Raman (FT-Raman) and proton nuclear magnetic resonance (1H NMR) spectroscopies. The attachment of PMMA to AuNPs showed a tendency for AuNPs to associate with the PMMA structures formed, though significant aggregation occurred. Interestingly, thiol functionalised end-group PMMA showed very little aggregation of AuNPs. The spherical polymer-AuNP structures did not vary in size with variations in PMMA MWD. The PMMA-AuNP structures were characterised using scanning electron microscopy (SEM), transition electron microscopy (TEM), energy dispersive X-ray analysis (EDAX) and UV-vis spectroscopy. The surface confined ATRP grafting of PMMA from initiator functionalised AuNPs was polymerised in both homogeneous and heterogeneous media. 11,11’- dithiobis[1-(2-bromo-2-methylpropionyloxy)undecane] (DSBr) was used as the surface-confined initiator and was synthesised in a three step procedure from mercaptoundecanol (MUD). All compounds were characterised by 1H NMR, FTIR-ATR and Raman spectroscopies. The grafting in homogeneous media resulted in amorphous PMMA with significant AuNP aggregation. Individually grafted AuNPs were difficult to separate and characterise, though SEM, TEM, EDAX and UV-vis spectroscopy was used. The heterogeneous polymerisation did not produce grafted AuNPs as characterised by SEM and EDAX. The encapsulation of AuNPs within PMMA latexes through the process of photoinitiated miniemulsion polymerisation was successfully achieved. Initially, photoinitiated miniemulsion polymerisation was conducted as a viable low temperature method of miniemulsion initiation. This proved successful producing a stable PMMA with good conversion efficiency and narrow particle size distribution (PSD). This is the first report of such a system. The photo-initiated technique was further optimised and AuNPs were included into the miniemulsion. AuNP encapsulation was very effective, producing reproducible AuNP encapsulated PMMA latexes. Again, this is the first reported case of this. The latexes were characterised by TEM, SEM, GPC, gravimetric analysis and dynamic light scattering (DLS).

Designed biodegradable hydrogel structures prepared by stereolithography using poly(ethylene glycol)/poly(D,L-lactide)-based resins

Designed three-dimensional biodegradable poly(ethylene glycol)/poly(D,L-lactide) hydrogel structures were prepared for the first time by stereolithography at high resolutions. A photopolymerisable aqueous resin comprising PDLLA-PEG-PDLLA-based macromer, visible light photo-initiator, dye and inhibitor in DMSO/water was used to build the structures. Porous and non-porous hydrogels with well-defined architectures and good mechanical properties were prepared. Porous hydrogel structures with a gyroid pore network architecture showed narrow pore size distributions, excellent pore interconnectivity and good mechanical properties. The structures showed good cell seeding characteristics, and human mesenchymal stem cells adhered and proliferated well on these materials.

Designed poly(ethylene glycol)/poly(D,L-lactide)-based hydrogel structures prepared by stereolithography

Three-dimensional biodegradable poly(ethylene glycol)/poly(D,L-lactide) hydrogel structures were prepared by stereolithography. A photo-polymerisable liquid resin comprising PDLLA-PEG-PDLLA-based macromer, visible light photo-initiator, dye and inhibitor in DMSO/water was used to build the structures. Hydrogels with welldefined architectures and good mechanical properties were prepared. Hydrogel structures with a gyroid pore network architecture showed narrow pore size distributions, excellent pore interconnectivity and good mechanical properties. The structures showed good cell seeding characteristics, and human mesenchymal stem cells adhered and proliferated on these materials.