5-substituted triazolinyls as novel counter radicals in controlled radical polymerization

The work is devoted to synthesis of new triazolinyl stable radical derivatives with different substituents at the 5-position of the triazolinyl ring. Obtained results showed great influence of these substituents on the stability of the radical. Electron-rich aromatic substituents at this position stabilize the radical while electron-poor aromatics decrease the stability of the triazolinyl. The triazolinyl radicals synthesized were used as additives for kinetic investigations of controlled radical polymerization of styrene and methylmethacrylate (MMA). The studies performed showed that the more stable radicals provide better control for the polymerization of styrene. In the same time certain instability of the radical is required for realization of controlled polymerization of methylmethacrylate. Based on the kinetic investigations controlled radical polymerization of a variety of monomers including 4-vinylpyridine (4-VP), ethylmethacrylate (EMA), 2,2,2-trifluoroethylmethacrylate (FEMA) and n-butylmethacrylate (BMA)was successfully carried out. Polystyrene and polymethylmethacrylate macroinitiators prepared by triazolinyl mediated controlled radical polymerization were efficiently reinitiated in the presence of a variety of monomers leading to the formation of block copolymers. Using this method PS-b-P-4-VP, PMMA-b-PS, PMMA-b-PBMA, PMMA-b-PFEMA, and PMMA-b-Poly-tert-butylacrylate were successfully synthesized. The results obtained during this work showed the efficiency and flexibility of the method allowing preparation of a range of advanced macromolecular structures.

Kontrollierte radikalische Polymerisation von polaren Monomeren

In Rahmen dieser Arbeit wurden neben dem 1,3,5,5-Tetraphenyl-D3-1,2,4-triazolin-2-yl (1) zwei neue Triazolinyl-Derivate synthetisiert: 3-(4-Biphenylyl)-1,5,5-triphenyl-D3-1,2,4-triazolin-2-yl (2) und 3-(4-Cyanophenyl)-1,5,5-triphenyl-D3-1,2,4-triazolin-2-yl (3). Diese sind bei Raumtemperatur stabil und können das Gleichgewicht der radikalischen Polymerisation steuern, ohne sich vollständig zu zersetzen. Sie neigen jedoch bei erhöhter Temperatur zur langsamen Zersetzung und Freisetzung eines Phenylradikals.Die Triazolinyle 1-3 wurden in der radikalischen Polymerisation sowohl mit polaren Monomeren wie 2-Vinylpyridin (2VP), Methylmethacrylat (MMA), Ethylmethacrylat (EMA) und N,N-Dimethylaminoethylmethacrylat (DMAEMA) als auch mit dem unpolaren Monomer Styrol (St) umgesetzt. Triazolinyl 1 wurde in der Polymerisation von Vinylacetat und Acrylnitril eingesetzt. Die Polymerisation von Natrium-Styrolsulfonat in Wasser wurde in Gegenwart von Cyano-Triazolinyl 3 in Form eines Komplexes mit Cyclodextrin durchgeführt.Der Einsatz der Triazolinyle 1-3 in der Polymerisation von Styrol, 2-Vinylpyridin, Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, N,N-dimethylaminoethylmethacrylat führte zu einem kontrollierten Prozess. Bei der Polymerisation von Vinylacetat und Acrylnitril konnte man durch den Einsatz von Triazolinyl 1 zwar den Monomerverbrauch und das Molekulargewicht kontrollieren, es wurden aber breite Molekulargewichtsverteilungen erhalten, die aus den irreversiblen Abbruchreaktionen resultierten. Im Gegensatz dazu konnten in der Polymerisation von Natrium-Styrolsulfonat weder die Umsätze noch die Molekulargewichte gesteuert werden. Das sterisch anspruchvolle Additiv ermöglichte keine Einstellung des kontrollierenden Gleichgewichts.Die Triazolinyl-endfunktionalisierten Polymere wurden als Makroinitiator in Gegenwart anderer Monomere eingesetzt. Dabei wurden Blockcopolymere erhalten. So gelang die Synthese von verschiedenen Blockstrukturen, die sonst nur unter anionischer oder Gruppentransfer-Polymerisation zugänglich sind.

Neue Methoden zur Darstellung von Blockcopolymeren unter Beteiligung radikalischer Polymerisationsmechanismen

Im Rahmen dieser Dissertation wurden die Synthese und die Charakterisierung verschiedener, zum Teil neuartiger Blockcopolymere beschrieben, wobei die Einbeziehung radikalischer Polymeri-sationsmechanismen den konzeptionellen Kern ausmachte. Mit einer auf die jeweilige Kombination von Monomeren zugeschnittenen Syntheseroute gelang die Verknüpfung von Segmenten, die allein mittels der herkömmlich zur Synthese von Blockcopolymeren genutzten, ionischen Mechanismen nur mit hohem Aufwand oder gar nicht zu verbinden sind. Auf materieller Seite stand die Herstellung amphiphiler Strukturen im Vordergrund. Diese wurden entweder direkt beim Aufbau der Blockcopo-lymere oder nach anschließender polymeranaloger Umsetzung eines ihrer Segmente erhalten. Solche amphiphilen Substanzen besitzen aufgrund ihrer Grenzflächenaktivität Anwendungspotential z. B. als Stabilisatoren in der Dispersionspolymerisation oder als Flokkulantien. Es wurden drei Verfahren zum Aufbau von Blockcopolymeren untersucht:1. Die Transformation von anionischer zu freier radikalischer Polymerisation für die Synthese von Polystyrol-b-poly(N-vinylformamid) (PS-b-P(VFA)).2. Die Transformation von anionischer zu kontrollierter radikalischer Polymerisation (ATRP) für den Aufbau von Blockcopolymeren aus Poly(dimethylsiloxan) PDMS und Segmenten von t-Butylacrylat (t-BuA) bzw. (2-(Trimethylsiloxy)ethyl)methacrylat (TMS-HEMA).3. Die kontrollierte radikalische Polymerisation unter Einsatz von Triazolinyl als Gegenradikal zur Synthese von Poly[(2-(trimethylsiloxy)ethyl)methacrylat]-b-polystyrol (P(TMS-HEMA)-b-PS) als alternative Route zur anionischen Polymerisation.

Grenzflächenverhalten und Strukturierung von dünnen, amphiphilen Blockcopolymerfilmen

Die Oberfläche von Blockcopolymerfilmen wird aus denjenigen Blöcken gebildet, die gegenüber dem benachbarten Medium die geringste Oberflächenenergie besitzen. Durch eine gezielte Änderung des Mediums kann man Einfluss auf die chemische Zusammensetzung nehmen und einen Wechsel der Oberflächenlamelle erzwingen. Das Ziel dieser Arbeit war es, das Grenzflächenverhalten von dünnen, amphiphilen Blockcopolymerfilmen näher zu untersuchen, die Filmoberflächen in einem lösungsmittelfreien Prozess lateral zu strukturieren und anschließend chemisch zu modifizieren. Zu diesem Zweck wurden zunächst neuartige hydrophile und hydrophobe Styrenderivate mit kurzen Seitenketten dargestellt, die anschließend durch kontrollierte radikalische Polymerisation („stable free radical polymerisation“ SFRP) mit dem TEMPO Unimer zu amphiphilen Diblockcopolymeren polymerisiert wurden. Funktionelle Gruppen in den hydrophilen Blöcken sollen zusätzlich eine chemische Modifizierung der Oberflächen dünner Blockcopolymerfilme ermöglichen. Der Nachweis der Reorientierung der Oberflächenlamelle unter dem Einfluss angrenzender polarer und unpolarer Medien gelang im Folgenden sowohl indirekt durch Kontaktwinkelmessungen, als auch direkt durch „Near edge X-ray Absorption Fine Structure“ Spektroskopie (NEXAFS). Durch Letztere konnten auch kinetische Informationen über den Prozess der Reorientierung gewonnen werden. In AFM Studien konnten weiterhin Zwischenstufen des von Senchu et al. postulierten Mechanismus nachgewiesen werden, der die Reorientierung als eine Art Reißverschlussmechanismus beschreibt, bei dem sich die energetisch günstigere Lamelle über die ungünstigere Oberflächenlamelle stülpt. Die laterale Strukturierung der Oberflächen dünner Blockcopolymerfilme erfolgte abweichend von der bekannten Technik, die auf der Verwendung von hydrophoben PDMS Stempeln und einem polaren Lösungsmittel zurückgreift, durch einen lösungsmittelfreien Prozess mit hydrophilen PDMS Stempeln. Auf die hydrophilen Bereiche der so strukturierten Blockcopolymeroberflächen konnte dann mittels einer Templatstrategie selektiv elementares Kupfer abgeschieden werden. Durch die Erzeugung leitfähiger Strukturen auf Blockcopolymerfilmen konnte exemplarisch die Eignung dieser zum Aufbau von Sensorstrukturen gezeigt werden.

Phase behavior and rheological analysis of reverse liquid crystals and W/I2, W/H2 gel emulsions using an amphiphilic block copolymer.

This article reports the phase behavior determi- nation of a system forming reverse liquid crystals and the formation of novel disperse systems in the two-phase region. The studied system is formed by water, cyclohexane, and Pluronic L-121, an amphiphilic block copolymer considered of special interest due to its aggregation and structural proper- ties. This system forms reverse cubic (I2) and reverse hexagonal (H2) phases at high polymer concentrations. These reverse phases are of particular interest since in the two-phase region, stable high internal phase reverse emulsions can be formed. The characterization of the I2 and H2 phases and of the derived gel emulsions was performed with small-angle X-ray scattering (SAXS) and rheometry, and the influence of temperature and water content was studied. TheH2 phase experimented a thermal transition to an I2 phase when temperature was increased, which presented an Fd3m structure. All samples showed a strong shear thinning behavior from low shear rates. The elasticmodulus (G0) in the I2 phase was around 1 order of magnitude higher than in theH2 phase. G0 was predominantly higher than the viscousmodulus (G00). In the gel emulsions,G0 was nearly frequency-independent, indicating their gel type nature. Contrarily to water-in-oil (W/O) normal emulsions, in W/I2 and W/H2 gel emulsions, G0, the complex viscosity (|η*|), and the yield stress (τ0) decreased with increasing water content, since the highly viscous microstructure of the con- tinuous phase was responsible for the high viscosity and elastic behavior of the emulsions, instead of the volumefraction of dispersed phase and droplet size. A rheological analysis, in which the cooperative flow theory, the soft glass rheology model, and the slip plane model were analyzed and compared, was performed to obtain one single model that could describe the non-Maxwellian behavior of both reverse phases and highly concentrated emulsions and to characterize their microstructure with the rheological properties.

Supramolecular polymers azo-containing : photo-responsive block copolymer elastomers and homopolymers

Beaucoup d'efforts dans le domaine des matériaux polymères sont déployés pour développer de nouveaux matériaux fonctionnels pour des applications spécifiques, souvent très sophistiquées, en employant des méthodes simplifiées de synthèse et de préparation. Cette thèse porte sur les polymères photosensibles – i.e. des matériaux fonctionnels qui répondent de diverses manières à la lumière – qui sont préparés à l'aide de la chimie supramoléculaire – i.e. une méthode de préparation qui repose sur l'auto-assemblage spontané de motifs moléculaires plus simples via des interactions non covalentes pour former le matériau final désiré. Deux types de matériaux photosensibles ont été ciblés, à savoir les élastomères thermoplastiques à base de copolymères à blocs (TPE) et les complexes d'homopolymères photosensibles. Les TPEs sont des matériaux bien connus, et même commercialisés, qui sont généralement composés d’un copolymère tribloc, avec un bloc central très flexible et des blocs terminaux rigides qui présentent une séparation de phase menant à des domaines durs isolés, composés des blocs terminaux rigides, dans une matrice molle formée du bloc central flexible, et ils ont l'avantage d'être recyclable. Pour la première fois, au meilleur de notre connaissance, nous avons préparé ces matériaux avec des propriétés photosensibles, basé sur la complexation supramoléculaire entre un copolymère tribloc simple parent et une petite molécule possédant une fonctionnalité photosensible via un groupe azobenzène. Plus précisément, il s’agit de la complexation ionique entre la forme quaternisée d'un copolymère à blocs, le poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle)-poly(acrylate de n-butyle)-poly(méthacrylate de diméthylaminoéthyle) (PDM-PnBA-PDM), synthétisé par polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRP), et l'orange de méthyle (MO), un composé azo disponible commercialement comportant un groupement SO3 -. Le PnBA possède une température de transition vitreuse en dessous de la température ambiante (-46 °C) et les blocs terminaux de PDM complexés avec le MO ont une température de transition vitreuse élevée (140-180 °C, en fonction de la masse molaire). Des tests simples d'élasticité montrent que les copolymères à blocs complexés avec des fractions massiques allant de 20 à 30% présentent un caractère élastomère. Des mesures d’AFM et de TEM (microscopie à force atomique et électronique à ii transmission) de films préparés à l’aide de la méthode de la tournette, montrent une corrélation entre le caractère élastomère et les morphologies où les blocs rigides forment une phase minoritaire dispersée (domaines sphériques ou cylindriques courts). Une phase dure continue (morphologie inversée) est observée pour une fraction massique en blocs rigides d'environ 37%, ce qui est beaucoup plus faible que celle observée pour les copolymères à blocs neutres, dû aux interactions ioniques. La réversibilité de la photoisomérisation a été démontrée pour ces matériaux, à la fois en solution et sous forme de film. La synthèse du copolymère à blocs PDM-PnBA-PDM a ensuite été optimisée en utilisant la technique d'échange d'halogène en ATRP, ainsi qu’en apportant d'autres modifications à la recette de polymérisation. Des produits monodisperses ont été obtenus à la fois pour la macroamorceur et le copolymère à blocs. À partir d'un seul copolymère à blocs parent, une série de copolymères à blocs partiellement/complètement quaternisés et complexés ont été préparés. Des tests préliminaires de traction sur les copolymères à blocs complexés avec le MO ont montré que leur élasticité est corrélée avec la fraction massique du bloc dur, qui peut être ajustée par le degré de quaternisation et de complexation. Finalement, une série de complexes d'homopolymères auto-assemblés à partir du PDM et de trois dérivés azobenzènes portant des groupes (OH, COOH et SO3) capables d'interactions directionnelles avec le groupement amino du PDM ont été préparés, où les dérivés azo sont associés avec le PDM, respectivement, via des interactions hydrogène, des liaisons ioniques combinées à une liaison hydrogène à travers un transfert de proton (acidebase), et des interactions purement ioniques. L'influence de la teneur en azo et du type de liaison sur la facilité d’inscription des réseaux de diffraction (SRG) a été étudiée. L’efficacité de diffraction des SRGs et la profondeur des réseaux inscrits à partir de films préparés à la méthode de la tournette montrent que la liaison ionique et une teneur élevée en azo conduit à une formation plus efficace des SRGs.

Self-Assembly of Stimuli-Responsive Water-Soluble [60]Fullerene End-Capped Ampholytic Block Copolymer

Well-defined, water-soluble, pH and temperature stimuli-responsive [60]fullerene (C₆₀) containing ampholytic block copolymer of poly((methacrylic acid)-block-(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate))-block–C₆₀ (P(MAA-b-DMAEMA)-b-C₆₀) was synthesized by the atom transfer radical polymerization (ATRP) technique. The self-assembly behaviour of the C₆₀ containing polyampholyte in aqueous solution was characterized by dynamic light scattering (DLS), and transmission electron microscopy. This amphiphilic mono-C₆₀ end-capped block copolymer shows enhanced solubility in aqueous medium at room and elevated temperatures and at low and high pH but phase-separates at intermediate pH of between 5.4 and 8.8. The self assembly of the copolymer is different from that of P(MAA-b-DMAEMA). Examination of the association behavior using DLS revealed the co-existence of unimers and aggregates at low pH at all temperatures studied, with the association being driven by the balance of hydrophobic and electrostatic interactions. Unimers and aggregates of different microstructures are also observed at high pH and at temperatures below the lower critical solution temperature (LCST) of PDMAEMA. At high pH and at temperatures above the LCST of PDMAEMA, the formation of micelles and aggregates co-existing in solution is driven by the combination of hydrophobic, electrostatic, and charge-transfer interactions.

Synthesis and Aggregation Behavior of Pluronic F87/Poly(acrylic acid) Block Copolymer with Doxorubicin

Poly(acrylic acid) (PAA) was grafted onto both termini of Pluronic F87 (PEO₆₇-PPO₃₉-PEO₆₇) via atom transfer radical polymerization to produce a novel muco-adhesive block copolymer PAA₈₀-b-F₈₇-b-PAA₈₀. It was observed that PAA₈₀-F₈₇-PAA₈₀ forms stable complexes with weakly basic anti-cancer drug, Doxorubicin. Thermodynamic changes due to the drug binding to the copolymer were assessed at different pH by isothermal titration calorimetry (ITC). The formation of the polymer/drug complexes was studied by turbidimetric titration and dynamic light scattering. Doxorubicin and PAA-b-F87-b-PAA block copolymer are found to interact strongly in aqueous solution via non-covalent interactions over a wide pH range. At pH>4.35, drug binding is due to electrostatic interactions. Hydrogen-bond also plays a role in the stabilization of the PAA₈₀-F₈₇-PAA₈₀/DOX complex. At pH 7.4 (α=0.8), the size and stability of polymer/drug complex depend strongly on the doxorubicin concentration. When CDOX <0.13mM, the PAA₈₀-F₈₇-PAA₈₀ copolymer forms stable inter-chain complexes with DOX (110 ~ 150 nm). When CDOX >0.13mM, as suggested by the light scattering result, the reorganization of the polymer/drug complex is believed to occur. With further addition of DOX (CDOX >0.34mM), sharp increase in the turbidity indicates the formation of large aggregates, followed by phase separation. The onset of a sharp enthalpy increase corresponds to the formation of a stoichiometric complex.

Undulation instability in block-copolymer lamellae subjected to a perpendicular electric field

We examine the stability of lamellar stacks in the presence of an electric field, E-0, applied normal to the lamellae. Calculations are performed with self-consistent field theory (SCFT) supplemented by an exact treatment of the electrostatic energy for linear dielectric materials. The calculations identify a critical electric field, E-0*, beyond which the lamellar stack becomes unstable with respect to undulations. This E-0* rapidly decreases towards zero as the number of lamellae in the stack diverges. Our quantitative predictions for E-0* are consistent with previous experimental measurements by Xu and co-workers.