Sintesi e proprietà di copolimeri a blocchi anfifilici contenenti cromofori azobenzenici

Le tecniche di polimerizzazione radicalica vivente hanno acquisito negli ultimi anni grande risonanza presso la comunità scientifica, grazie alla loro versatilità sia in termini di monomeri utilizzabili, che di condizioni operative. Oltre a ciò, esse permettono un buon controllo del peso molecolare e della struttura chimica del polimero e prevedono anche la possibilità di funzionalizzare facilmente i gruppi terminali delle catene. Tra queste tecniche, la Reversible Addition–Fragmentation chain Transfer polymerization (RAFT) risulta essere una delle più conosciute ed utilizzate, in quanto permette di ottenere materiali funzionalizzati con architetture molecolari particolarmente sofisticate e/o strutture in grado di autoorganizzarsi spazialmente. In questo contesto, sono stati sintetizzati mediante RAFT dei copolimeri anfifilici contenenti cromofori azobenzenici, in grado di autoassemblarsi in micelle sensibili a stimoli esterni, quali variazioni di temperatura e irraggiamento luminoso ad una adeguata lunghezza d’onda.

Determinazione della concentrazione micellare critica di micelle ottenute mediante copolimeri a blocchi

Lo studio della tesi consiste nella determinazione della concentrazione micellare critica di micelle ottenute da un copolimero a blocchi anfifilico sintetizzato tramite polimerizzazione radicalica vivente RAFT. Il copolimero è stato successivamente funzionalizzato al fine di garantire fluorescenza al polimero e ottenere effetto FRET in presenza di nile red quando è presente sotto forma di micelle.

Sintesi e caratterizzazione di polimeri anfifilici per il trasporto di materiale genetico

In questo lavoro sono stati sintetizzati dei copolimeri anfifilici random per il trasporto di materiale genetico. Si è partiti dalla sintesi di poli (glicidil metacrilato) mediante tecnica RAFT (Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer), con il fine di ottenere un polimero con una distribuzione del peso molecolare ben definita. Il trattamento del polimero con un opportuno nucleofilo fornisce un materiale con caratteristiche differenti da quelle di partenza, con l’ottenimento di un polimero solubile in acqua. Altri trattamenti di funzionalizzazione con gruppi lipofili hanno fornito un materiale (copolimero random) anfifilico in grado di autoassemblarsi in acqua con formazione di micelle. Si è dimostrato che le micelle hanno un’interazione con del materiale genetico. I polimeri sono stati infine funzionalizzati con degli agenti fluorescenti.

Thermal degradation kinetics of thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide-co-N,N-dimethylacrylamide) copolymers prepared via RAFT polymerization

Reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization at 70 A degrees C in N,N-dimethylformamide was used to prepare poly(N-isopropylacrylamide-co-N,N-dimethylacrylamide) copolymers in various compositions to afford well-defined polymers with pre-determined molecular weight, narrow molecular weight distribution, and precise chain end structure. The copolymer compositions were determined by H-1 NMR spectroscopy. The reactivity ratios of N-isopropylacrylamide (NIPAM) and N,N-dimethylacrylamide (DMA) were calculated as r (NIPAM) = 0.838 and r (DMA) = 1.105, respectively, by the extended Kelen-Tudos method at high conversions. The lower critical solution temperature of PNIPAM can be altered by changing the DMA content in the copolymer chain. Differential scanning calorimetry and thermogravimetric analysis at different heating rates were carried out on these copolymers to understand the nature of thermal degradation and to determine its kinetics. Different kinetic models were applied to estimate various parameters like the activation energy, the order, and the frequency factor. These studies are important to understand the solid state polymer degradation of N-alkyl substituted polymers, which show great potential in the preparation of miscible polymer blends due to their ability to interact through hydrogen bonding.

A strategy for synthesis of ion-bonded amphiphilic miktoarm star copolymers via supramolecular macro-RAFT agent

Amphiphilic supramolecular miktoarm star copolymers linked by ionic bonds with controlled molecular weight and low polydispersity have been successfully synthesized via reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization using an ion-bonded macromolecular RAFT agent (macro-RAFT agent). Firstly, a new tetrafunctional initiator, dimethyl 4,6-bis(bromomethyl)-isophthalate, was synthesized and used as an initiator for atom transfer radical polymerization (ATRP) of styrene to form polystyrene (PSt) containing two ester groups at the middle of polymer chain. Then, the ester groups were converted into tertiary amino groups and the ion-bonded supramolecular macro-RAFT agent was obtained through the interaction between the tertiary amino group and 2-dodecylsulfanylthiocarbonylsulfanyl-2-methyl propionic acid (DMP). Finally, ion-bonded amphiphilic miktoarm star copolymer, (PSt)(2)-poly(N-isopropyl-acrylamide)(2), was prepared by RAFT polymerization of N-isopropylacrylamide (NIPAM) in the presence of the supramolecular macro-RAFT agent. The polymerization kinetics was investigated and the molecular weight and the architecture of the resulting star polymers were characterized by means of H-1-NMR, FTIR, and GPC techniques. (c) 2008 Wiley Periodicals, Inc.

Sintesi e proprieta di copolimeri tiofenici funzionalizzati per applicazioni fotovoltaiche

Il presente lavoro di tesi di laurea magistrale è stato incentrato sulla sintesi e caratterizzazione di due copolimeri regioregolari poli[3-esiltiofene-co-(3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfinil]esiltiofene)] contenenti diversa percentuale di sostituente porfirinico, ottenuti per post-funzionalizzazione con 5-(4-idrossifenil)-10,15,20-trifenilporfirina di due copolimeri regioregolari poli[3-esiltiofene-co-(3-(6-bromoesil)tiofene)] contenenti diverse percentuali di sostituente esilico bromurato, appositamente sintetizzati. E’ stato inoltre preparato il copolimero non regioregolare poli[3-dodeciltiofene-co-(3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfinil]esiltiofene)] partendo da un comonomero con una catena alchilica laterale più lunga, il 3-dodeciltiofene, per evitare l’eventuale insolubilità del copolimero finale e per avere un ulteriore termine di paragone derivante dall’utilizzo di catene alchiliche di diversa lunghezza. I prodotti polimerici sintetizzati sono stati caratterizzati mediante tecniche spettroscopiche (NMR, FT-IR, UV-Vis), ne sono state determinate le proprietà termiche tramite analisi DSC e TGA ed i pesi molecolari medi con la relativa distribuzione, mediante cromatografia a permeazione su gel (GPC). Tali derivati sono stati successivamente testati attraverso prove di preparazione e caratterizzazione di dispositivi fotovoltaici, Le prestazioni delle celle fotovoltaiche realizzate utilizzando i copolimeri prodotti sono state misurate tramite un multimetro Keithley ed un Solar Simulator, che permette di riprodurre l’intero spettro della radiazione solare.

Polimeri metacrilici contenenti ferrocene: sintesi mediante ATRP e proprietà

An investigation on the synthesis and properties of ferrocene-containing methacrylate monomer and polymer was carried out. Block copolymers of Ferrocenylmethyl Methacrylate with methyl, butil and esil methacrylate, were also prepared. The side-chain ferrocene-containing polymers and copolymers were prepared via atom transfer radical polymerization (ATRP). The glass transition temperature (Tg) values of the polymers and copolymers were measured by differential scan calorimetry (DSC).The thermal degradation behavior of copolymers was also studied and compared with the respective homopolymers. Cyclic voltammetry was employed to study the electrochemical properties. Preliminar electrochemical studies with a glassy carbon and Indium Tin Oxide electrodes modified with ferrocene-polymer conducted in aqueous and organic media are reported.

Polimeri tiofenici funzionali e loro applicazioni nel fotovoltaico

Recentemente, sempre più attenzione è stata rivolta all' utilizzo di coloranti organici come assorbitori di luce per la preparazione di strati fotoattivi in celle solari organiche (OPV). I coloranti organici presentano un'elevata abilità nella cattura della luce solare grazie all'elevato coefficiente di estinzione molare e buone proprietà fotofisiche. Per questi motivi sono eccellenti candidati per l'incremento della conversione fotoelettrica in OPV. In questa tesi viene descritta una nuova strategia per l'incorporazione di derivati porfirinici in catena laterale a copolimeri tiofenici. Gli studi svolti hanno dimostrato che poli(3-bromoesil)tiofene può essere variamente funzionalizzato con idrossitetrafenilporfirina (TPPOH), per l'ottenimento di copolimeri utilizzabili come materiali p-donatori nella realizzazione di OPV. I copolimeri poli[3-(6-bromoesil)tiofene-co-(3-[5-(4-fenossi)-10,15,20-trifenilporfirinil]esil tiofene] P[T6Br-co-T6TPP] contenenti differenti quantità di porfirina, sono stati sintetizzati sia con metodi non regiospecifici che regiospecifici, con lo scopo di confrontarene le proprietà e di verificare se la strutture macromolecolare che presenta una regiochimica di sostituzione sempre uguale, promuove o meno il trasporto della carica elettrica, migliorando di conseguenza l'efficienza. E' stato inoltre effettuato un ulteriore confronto tra questi derivati e derivati simili P[T6H-co-T6TPP] che non contengono l'atomo di bromo in catena laterale con lo scopo di verificare se l'assenza del gruppo reattivo, migliora o meno la stabilità termica e chimica dei film polimerici, agendo favorevolmete sulle performance dei dispositivi fotovoltaici. Tutti i copolimeri sono stati caratterizzati con differenti tecniche: spettroscopia NMR, FT-IR e UV-Vis, analisi termiche DSC e TGA, e GPC. Le celle solari Bulk Heterojunction, preparate utilizzando PCBM come materiale elettron-accettore e i copolimeri come materilai elettron-donatori, sono state testate utilizzando un multimetro Keithley e il Solar Simulator.

Synthesis and characterization of temperature- and light-responsive polymers and block copolymers

In summary, thermoresponsive polyacrylamides with various amounts of different photoswitchable side groups, i. e. azobenzene, salicylideneaniline and fulgimide were successfully prepared. As such, in a first step three different chromophores with an amine functionality were synthesized. The synthesis of the stimuli-responsive materials was based on the RAFT polymerization of activated ester acrylates followed by a polymer analogous reaction with different amines. The procedure has been designed to allow the synthesis of well-defined materials with functional groups. All copolymers prepared in this way showed a LCST in aqueous solution. The LCST was in general decreased by increasing the amount of hydrophobic dye incorporated into the thermoresponsive polymer. However, in the case of the fulgimide, the LCST was hardly affected by the chromophore. For azobenzene containing PNIPAM polymers and analogues, higher LCST values were measured after irradiation of the polymer sample solutions with UV-light (Delta LCSTmax = 7.3°C). A reversible light-induced solubility change within a certain temperature range was possible. In contrast to this, irradiated samples of salicylideneaniline containing thermoresponsive copolymers showed an irreversible increase in the LCST (Delta LCSTmax = 13.0°C). Fulgimide chromophores did not influence the LCST of PNIPAM based copolymers after UV-light exposure.rnSimilar to the thermoresponsive polyacrylamides with azobenzene side groups, poly(oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate) [P(OEGMA)] polymers with azobenzene end groups showed a LCST shift upon UV-irradiation. These polymers were synthesized by RAFT polymerization using a functional chain transfer agent (CTA). For this, PFP-CTA was used as a RAFT-agent for end group functionalization of (thermoresponsive) polymers. In contrast to the statistically arranged copolymers with azobenzene side groups, P(OEGMA) polymers with terminal azobenzene showed a linear increase of the LCST shifts with increasing amount of chromophore (Delta LCSTmax = 4.3°C). Noteworthy, the chemical nature of the end group exhibited a strong influence on the LCST in the case of short thermoresponsive P(OEGMA) polymers.rnThe investigation on temperature- and lightresponsive polymers was transferred onto block copolymers capable to self-assemble into polymeric micelles. Therefore, PEO-b-PNIPAM block copolymers with azobenzene moieties were synthesized successfully. These polymers showed a “smart” behavior in aqueous solution, as the reversible formation and disruption of the micelles could either be controlled by temperature or using light as a stimulus. The usefulness of these materials was demonstrated by encapsulation of a hydrophobic dye in the core of the micelle. Such materials might have a great potential as a model system for several technical or biological applications.rnFinally, double thermoresponsive block copolymers forming micellar structures in a certain temperature range with functional end groups could successfully be synthesized. These “smart materials” based on POEGMA-b-PNIPMAM have been demonstrated to be very promising for a temperature selective immobilization on a protein surface. This might be a suitable concept for further biological applications.rnConcluding, different thermoresponsive copolymers and block copolymers with lightresponsive moieties arranged along the backbone or located at the chain ends were successfully prepared and investigated. By controlling the nature of functional groups and their respective incorporation ratios, the LCST could be dialed in precisely. Further, the LCST of the polymers could be triggered by light. A light-controlled disruption of micellar structures could be shown for functional block copolymers. The importance of end groups of thermoresponsive polymers was demonstrated by a temperature-controlled protein-polymer binding of a terminal biotin-functionalized double thermoresponsive polymer. The synthetic approaches and the material properties presented here should be promising for further research and applications beyond this dissertation.rn

Sintesi e caratterizzazione di polimeri anfifilici a struttura controllata mediante ATRP

Sono stati sintetizzati diversi copolimeri con struttura a blocchi o di tipo statistico aventi struttura e pesi medi molecolari controllati utilizzando polimerizzazioni radicaliche viventi (ATRP). Questi polimeri solitamente esibiscono proprietà superiori rispetto a polimeri con struttura non controllata e alta polidispersità. Alcuni dei polimeri sono stati ottenuti polimerizzando un monomero metacrilico sintetizzato tramite esterificazione di una miscela commerciale costituita da alcoli alifatici a diversa lunghezza di catena. Per fare ciò è stata studiata la polimerizzazione controllata di monomeri metacrilici a diverso peso molecolare, dimostrando che la reattività dipende dalla lunghezza della catena laterale. I nuovi copolimeri ottenuti sono stati caratterizzati tramite 1H-NMR, DSC, TGA, GPC ed IR.

Sintesi di nuovi copolimeri a struttura controllata per inibire la formazione d'idrati

Durante i processi di estrazione può avvenire la formazione spontanea d’idrati di gas naturali, i quali, agglomerandosi, possono ostruire le tubazioni. Inibire la formazione degli idrati è quindi di fondamentale importanza al fine di prevenire danni ambientali ed economici. In questo contesto abbiamo ritenuto interessante sintetizzare diversi copolimeri a struttura controllata con lo scopo di utilizzarli come inibitori d’idrati. In particolare, dopo aver ottimizzato la sintesi dell’omopolimero costituente il primo blocco mediante ATRP, questo è stato utilizzato come macroiniziatore per la successiva copolimerizzazione di tre altri monomeri a diversa polarità. L’efficienza d’inibizione di tutti i derivati copolimerici ottenuti è stata testata e confrontata con quella di additivi commerciali attualmente in uso mediante DSC.

Deidrofluorurazione di copolimeri di VDF/HFP in presenza di alcali

In questo lavoro di tesi, si cerca di studiare una reazione in grado di generare doppi legami sulla catena polimerica di un fluoroelastomero e analizzare le caratteristiche del polimero così ottenuto. I siti di insaturazione generati potranno essere sfruttati per successive reazioni di funzionalizzazione del polimero o per un eventuale processo di vulcanizzazione radicalico. La reazione utilizzata consiste in una deidrofluorurazione in ambiente alcalino di un copolimero VDF/HFP di produzione industriale. Essa è stata condotta sia in un sistema bifasico, sia in una fase omogenea, a 24 tempi e temperature diversi. La formazione dei doppi legami è stata analizzata tramite spettroscopia di risonanza magnetica al nucleo di fluoro (19F-NMR) e spettroscopia infrarossa. La possibilità di poter sfruttare le insaturazioni generate è stata studiata mediante prove di reticolazione via perossido indotta da radiazione UV, radiazione visibile ed energia termica. Nei primi due casi, il fenomeno è stato monitorato con spettri IR e UV-Vis, nel secondo caso la reazione è stata seguita per via reometrica (ODR: Oscillating Disk Reometer). Il lavoro è stato svolto in collaborazione con Elastomers Union srl, azienda con stabilimento di produzione a Castel Guelfo, specializzata nella preparazione di compound a base fluoroelastomerica e fluorosiliconica.

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).

Azoporphyrin : the porphyrin analogue of azobenzene

Azobenzenes (1,2-diaryldiazenes) are very important organic pigments, and they have a unique place in the field of photoresponsive conjugated molecules due to their (usually) reversible E/Z photoisomerisation. The current intense interest in molecular analogues of mechanical components and information storage and processing elements has stimulated research into conjugated molecules whose shape and/or optical properties can be switched electro- or photochemically. Among the classes of conjugated pigments being explored in these contexts are the porphyrinoids, which offer advantages of intense light absorption, a variety of accessible oxidation states, and synthetic control of properties through peripheral or central substitution. Extension of porphyrinoid conjugation can be achieved by linking the peripheral carbons either by three direct bonds (as in the “porphyrin tapes” of Osuka et al.) or through potentially conjugating bridges such as alkenes or, even better, alkynes.