Syntheses and Self-Assembling Characteristics of Amphiphilic Star Diblock Copolymers

Uusien polymeeripohjaisten teknologioiden ja materiaalien myötä räätälöityjen polymeerien tarve on kasvanut. Viime vuosituhannen lopussa kehitetyt kontrolloidut polymerointimenetelmät ovat avanneet uusia mahdollisuuksia paitsi monimutkaisten polymeerien synteesiin, myös itsejärjestyvyyteen perustuvien funktionaalisten nanorakenteiden suunnitteluun ja valmistukseen. Nämä voivat jäljitellä luonnossa esiintyviä rakenteita, joita muodostavat esimerkiksi lipidit ja proteiinit. Itsejärjestyvät molekyylit ovat usein amfifiilisiä eli ne koostuvat hydrofiilisistä ja hydrofobisista osista ja polymeereissä nämä osat voivat olla omina lohkoinaan, jolloin puhutaan amfifiilisistä lohko- tai blokkikopolymeereistä. Riippuen järjestyneiden rakenteiden koostumuksesta ja muodosta, amfifiilisiä blokkikopolymeerejä on tutkittu tai jo käytetty nanoteknologiassa, elastomeereissä, voiteluaineissa, pinta-aktiivisina aineina, lääkkeenannostelussa, maaleissa, sekä elektroniikka-, kosmetiikka- ja elintarviketeollisuudessa. Tavallisimmin käytetyt amfifiiliset blokkikopolymeerit ovat olleet lineaarisia, mutta viime aikoina tutkimus on suuntautunut kohti monimutkaisempia rakenteita. Tällaisia ovat esimerkiksi tähtipolymeerit. Tähtimäisissä polymeereissä miselleille tyypillinen ydin-kuori-rakenne säilyy hyvin alhaisissakin polymeerikonsentraatioissa, koska polymeeriketjut ovat kiinni toisissaan yhdessä pisteessä. Siten ne ovat erityisen kiinnostavia tutkimuskohteita erilaisten hydrofobisten orgaanisten yhdisteiden sitomiseksi ja vapauttamiseksi. Tässä työssä on tarkasteltu amfifiilisten tähtipolymeerien itsejärjestymistä vesiliuoksissa sekä kokeellisesti ja tietokonesimulaatioin. Työ koostuu kahdesta osasta: tähtipolymeerien synteesistä makrosyklisillä initiaattoreilla ja amfifiilisten tähtimäisten blokkikopolymeerien ominaisuuksien tutkimisesta.

Organized Nanostructures of Thermoresponsive Poly(N-isopropylacrylamide) Block Copolymers Obtained Through Controlled RAFT Polymerization

Kontrolloidut radikaalipolymerointimenetelmät, kuten RAFT-polymerointi, ovat moderni tapa valmistaa polymeerejä säädellysti. RAFT-polymeroinnilla polymeerien ketjunpituutta, moolimassajakaumaa, mikrorakennetta (taktisuus, järjestys), koostumusta ja funktionaalisuutta kyetään hallitsemaan. Siten menetelmällä voidaan valmistaa uudenlaisia polymeeriarkkitektuureja, kuten blokki- ja tähtipolymeerejä, sekä hybridimateriaaleja ja biokonjugaatteja. Polymeeristen rakennuspalikoiden itsejärjestyminen, missä huolellisesti syntetisoidut polymeerit järjestyvät halutulla tavalla nanoskaalassa, on suosittu tutkimuskohde materiaalitieteessä. On huomattava, että blokkipolymeerien itsejärjestyminen on vielä suhteellisen nuori tutkimusaihe. Tämän hetkiset polymeeriset nanomateriaalit ovat suhteellisen yksinkertaisia luonnon luomuksiin verrattuina, tarjoten jatkuvasti uusia mahdollisuuksia seuraavan sukupolven polymeereille. Tässä työssä RAFT-polymeroinnilla syntetisoitiin amfifiilisiä di- ja triblokkikopolymeerejä sekä tutkittiin niiden järjestymistä nanorakenteiksi. Kaikissa blokkikopolymeereissä käytettiin lämpöherkkää poly(N-isopropyyliakryyliamidia). Siten polymeerit ja tutkitut materiaalit reagoivat lämpötilanmuutokseen ympäristössä eli ovat ns. ympäristöherkkiä. Työssä tutkittiin taktisuuden kontrollointia N-isopropyyliakryyliamidin RAFT-polymeroinnissa. Polymeerin taktisuutta sekä ketjunpituutta ja blokkijärjestystä säätämällä voitiin hallita polymeerin itsejärjestymistä vesiliuoksessa. Amfifiiliset polymeerit järjestyivät laimeissa vesiliuoksissa erilaisiksi misellirakenteiksi, muodostaen ns. mikrosäiliöitä. Tällaisilla polymeereillä odotetaan olevan sovelluksia esim. lääkeainevapautuksessa. Amfifiilejä käytetään myös esimerkiksi apuaineina pinnoitteissa ja kosmetiikassa. Kiinteässä tilassa tutkitut triblokkikopolymeerit muodostivat teoreettisesti ennustettuja morfologioita. Lämpöherkän materiaalin hydrogeelit toimivat suodatinmembraanina nanokokoluokassa. RAFT-polymeroinnilla syntetisoituja polymeereja voidaan sellaisenaan käyttää kultananopartikkeleiden päällystämiseen. Kultananopartikkelit ovat erittäin kiinostavia mm. niiden stabiilisuuden ja ainutlaatuisten pintaominaisuuksien vuoksi. Kun amfifiilisiä polymeerejä kiinnitettiin kultapartikkelin pinnalle, sen liuos- ja optisia ominaisuuksia voitiin säädellä pH:n ja lämpötilan avulla. Tällaisilla kultananopartikkeleilla on sovelluksia mm. diagnostiikassa, sensoreina ja solukuvauksessa.

Tailoring polyolefin properties by metallocene catalysis

This doctoral thesis deals with the syntheses of olefin homo- and copolymers using different kind of metallocene catalyst. Ethene, propene, 1-hexene, 1-hexadecene, vinylcyclohexane and phenylnorbornene were homo- or copolymerized with the catalysts. The unbridged benzyl substituted zirconium dichloride catalysts (1-4), ansa- bridged acenaphtyl substituted zirconium dichloride catalysts, ( 5, 6), rac- and meso-ethylene-bis(1-indenyl)zirconium dichlorides, (rac- and meso-8), rac-ethylene-bis(1-indenyl)hafnium dichloride, ( 12), bis(9-fluorenyl)hafnium dichloride (14 ) enantiomerically pure (R)- phenylethyl[(9-fluorenyl-1-indenyl)]ZrCl2, (11), 14 and asymmetric dimethylsilyl[(3-benzylindenyl-(2-methylbenzen[e]indenyl)] zirconium dichloride, (13), were prepared in our laboratory. Dimethylsilyl-bis(1-indenyl)zirconium dichloride, (9), isopropylidene(9-fluorenyl-cyclopentadienyl)zirconium dichloride, (10), and were obtained commercially. The solid-state structures of the catalysts rac- and meso-1 were determined by X-ray crystallography. Computational methods were used for the structure optimization of the catalyst rac- and meso-1 in order to compare the theoretical calculations with the experimental results. Polymerization experiments were conducted in a highly purified autoclave system using low pressures (< 5 bar) of gaseous monomers. The experiments were designed to attain the optimal catalytic activity and a uniform copolymer composition. The prepared homo- and copolymers were characterized by the gel permeation chromatography, GPC, differential scanning calorimetry, DSC, nuclear magnetic resonance, NMR, and Fourier transform infrared spectrometry, FTIR . Molar mass (Mw, Mn), molar mass distribution (Mw/Mn), tacticity, comonomer content, melting temperature, glass transition temperature, and end group structures and content were determined. A special attention was paid on the correlation of the polymer properties with the catalyst structures and polymerization conditions. An intramolecular phenyl coordination was found in phenyl substituted benzyl zirconocenes 1-3 explaining the decreased activity of the catalysts. Novel copolymers poly(propene-co-phenylnorbornene) and poly(propene co-vinylcyclohexane), were synthesized and high molar mass poly(ethene-co-1-hexene) and poly(ethene-co-1-hexadecene) copolymers with elastic properties were prepared. Activation of a hafnocene catalyst was studied with UV-Vis spectrometry and activation process for the synthesis of ultra high molar mass poly(1-hexene) was found out.

Aminopyridinato Complexes as Possible Alternatives for Metallocenes in Ethylene Polymerization

Polyethylene is the most widely used synthetic polymer in the world. Most polyethylene is made with Ziegler-Natta catalysts. Polyethylenes for special applications are made with metallocenes, which are nowadays heavily patented. It is laborious therefore, to develop new metallocenes. The aim of this work was to investigate the feasibility of replacing the cyclopentadienyl ligands of metallocenes by aminopyridinato ligands without losing the good properties of the metallocenes, such as high activity and formation of linear polymer. The subject was approached by studying what kind of catalysts the metallocenes are and how they catalyze polyethylene. The polymerization behavior of metallocenes was examined by synthesizing a piperazino substituted indenyl zirconocene catalyst and comparing its polymerization data with that of the indenyl zirconocene catalyst. On the basis of their isolobality, it was thought that aminopyridinato ligands might replace cyclopentadienyl ligands. It was presumed that the polymerization mechanism and the active center in ethylene polymerization would be similar for aminopyridinato and metallocene catalysts. Titanium aminopyridinato complexes were prepared and their structures determined to clarify the relationship between structure of the catalyst precursor and polymerization results. The ethylene polymerization results for titanium 2-phenylaminopyridinato catalysts and titanocene catalysts were compared.