RAFT-mediated emulsion polymerization of styrene using a non-ionic surfactant

We report the successful RAFT-mediated emulsion polymerization of styrene using a non-ionic surfactant (Brij98), the highly reactive 1-phenylethyl phenyldithioacetate (PEPDTA) RAFT agent, and water-soluble initiator ammonium persulfate (APS). The molar ratio of RAFT agent to APS was identical in all experiments. Most of the monomer was contained within the micelles, analogous to microemulsion or miniemulsion systems but without the need of shear, sonication, cosurfactant, or a hydrophobe. The number-average molecular weight increased with conversion and the polydispersity index was below 1.2. This ideal 'living' behavior was only found when molecular weights of 9000 and below were targeted. It was postulated that the rapid transportation of RAFT agent from the monomer swollen micelles to the growing particles was fast on the polymerization timescale, and most if not all the RAFT agent is consumed within the first 10% conversion. In addition, it was postulated that the high nucleation rate from the high rate of exit ( of the R radical from the RAFT agent) and high entry rate from water-phase radicals ( high APS concentration) reduced the effects of 'superswelling' and therefore a similar molar ratio of RAFT agent to monomer was maintained in all growing particles. The high polydispersity indexes found when targeting molecular weights greater than 9000 were postulated to be due to the lower nucleation rate from the lower weight fractions of both APS and RAFT agent. In these cases, 'superswelling' played a dominant role leading to a heterogeneous distribution of RAFT to monomer ratios among the particles nucleated at different times.

Synthesis of soluble phosphate polymers by RAFT and their in vitro mineralization

Soluble linear (non-cross-linked) poly(monoacryloxyethyl phosphate) (PMAEP) and poly(2-(methacryloyloxy)ethyl phosphate) (PMOEP) were successfully synthesized through reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT)-mediated polymerization and by keeping the molecular weight below 20 K. Above this molecular weight, insoluble (cross-linked) polymers were observed, postulated to be due to residual diene (cross-linkable) monomers formed during purification of the monomers, MOEP and MAEP. Block copolymers consisting of PMAEP or PMOEP and poly(2-(acetoacetoxy) ethyl methacrylate) (PAAEMA) were successfully prepared and were immobilized on aminated slides. Simulated body fluid studies revealed that calcium phosphate (CaP) minerals formed on both the soluble polymers and the cross-linked gels were very similar. Both the PMAEP polymers and the PMOEP gel showed a CaP layer most probably brushite or monetite based on the Ca/P ratios. A secondary CaP mineral growth with a typical hydroxyapatite (HAP) globular morphology was found on the PMOEP gel. The soluble PMOEP film formed carbonated HAP according to Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. Block copolymers attached to aminated slides showed only patchy mineralization, possibly due to the ionic interaction of negatively charged phosphate groups and protonated amines.

The expression levels of three raft-associated molecules in cultivated vascular cells are dependent on culture conditions

Relaying a signal across the plasma membrane requires functional connections between the partner molecules. Membrane microdomains or lipid rafts provide an environment in which such specific interactions can take place. The integrity of these sites is often taken for granted when signalling pathways are investigated in cell culture. However, it is well known that smooth muscle and endothelial cells undergo cytoskeletal rearrangements during monolayer culturing. Likewise affected--and with potentially important consequences for signalling events--is the organization of the plasma membrane. The expression levels of three raft markers were massively upregulated, and raft-associated 5'-nucleotidase activity increased in conventional monolayer cultures as compared with a spheroidal coculture model, shown to promote the differentiation of endothelial cells. Our data point to a shift of raft components in monolayer cultures and demonstrate potential advantages of the spheroid coculture system for investigation of raft-mediated signalling events in endothelial cells.

Engineered aprotinin for improved stability of fibrin biomaterials.

Fibrin has been long used clinically for hemostasis and sealing, yet extension of use in other applications has been limited due to its relatively rapid resorption in vivo, even with addition of aprotinin or other protease inhibitors. We report an engineered aprotinin variant that can be immobilized within fibrin and thus provide extended longevity. When recombinantly fused to a transglutaminase substrate domain from α(2)-plasmin inhibitor (α(2)PI(1-8)), the resulting variant, aprotinin-α(2)PI(1-8), was covalently crosslinked into fibrin matrices during normal thrombin/factor XIIIa-mediated polymerization. Challenge with physiological plasmin concentrations revealed that aprotinin-α(2)PI(1-8)-containing matrices retained 78% of their mass after 3 wk, whereas matrices containing wild type (WT) aprotinin degraded completely within 1 wk. Plasmin challenge of commercial sealants Omrixil and Tisseel, supplemented with aprotinin-α(2)PI(1-8) or WT aprotinin, showed extended longevity as well. When seeded with human dermal fibroblasts, aprotinin-α(2)PI(1-8)-supplemented matrices supported cell growth for at least 33% longer than those containing WT aprotinin. Subcutaneously implanted matrices containing aprotinin-α(2)PI(1-8) were detectable in mice for more than twice as long as those containing WT aprotinin. We conclude that our engineered recombinant aprotinin variant can confer extended longevity to fibrin matrices more effectively than WT aprotinin in vitro and in vivo.

Organic Reactions Catalysed by Modified Clays

Department of Applied Chemistry, Cochin University of Science and Technology

Untersuchung des Reorientierungsverhaltens und Strukturierung dünner amphiphiler Blockcopolymerfilme zum Aufbau von Kompositen

Grundlage für die hier gezeigte Arbeit stellt die Eigenschaft von amphiphilen Blockcopolymeren dar immer den Block mit der niedrigsten Grenzflächenenergie zum angrenzenden Medium an die Oberfläche zu bringen. Durch einen Austausch des Mediums an der Grenzfläche zum Blockcopolymer kann eine Reorientierung erzwungen werden, wenn die Grenzflächenenergie des anderen Blocks nun die niedrigere Grenzflächenenergie besitzt. Dieses Verhalten von dünnen amphiphilen Blockcopolymerfilmen wurde zur Strukturierung von Oberflächen ausgenutzt und in nachfolgenden Synthesen weiter verstärkt. Um dies zu erreichen wurde das zur Strukturierung erforderliche Poly(4-Octylstyrol)block(4-hydroxystyrol) durch kontrollierte radikalische Polymerisationsmethode mit dem Tempo Unimer (2,2,6,6-Tetramethyl-1-1(1-phenyl-ethoxy)-piperidin) synthetisiert. Für die geplanten Reorientierungen und Modifizierungen von Oberflächen wurden dünne Filme durch Schleuderbeschichtung auf verschiedenen Substraten (Siliziumwafern, Glassubstraten und Goldoberflächen) hergestellt. Das Verhalten der Oberflächen von diesen Filmen wurde durch Kontaktwinkelmessungen untersucht. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass die Oberfläche von Polymerfilmen nach der Präparation aus dem hydrophoben Block des Polymers gebildet wird. Durch Kontakt des Polymerfilms mit Wasser kann dieser zur Reorientierung gebracht werden, so dass der hydrophile Block des Polymers an der Oberfläche erscheint. Dieses Verhalten wurde zur Strukturierung mit softlithographischen Techniken genutzt. Dazu wurden hydrophil/hydrophob strukturierte Oberflächen durch Aufsetzen von hydrophoben PDMS-Stempeln, die Teile der Oberfläche selektiv abdeckten, und Einbringen von Wasser in die dabei entstehenden Kapillaren hergestellt. Dies ermöglichte es die Oberfläche selektiv im Größenbereich von 500nm bis zu 50µm zu strukturieren und an den reaktiven Bereichen Materialien, wie z.B. Kupfer, Titandioxid, Polyelektrolyte, photonische Kristalle und angegraftete Polymere, mit verschiedenen Methoden selektiv auf die Oberfläche aufzubringen. Um den Reorganisationsprozess der Oberfläche genauer zu studieren, wurde ein für diese Aufgabe besser geeignetes Polymer (Poly(Styrol)-block-poly(essigsäure-2-(2-(4-vinyl-phenoxy)-ethoxy)ethylester)) synthetisiert. Aus diesem Blockcopolymer wurden wieder dünne Filme durch Spincoaten hergestellt. Die Reorientierung dieses Polymers in 70°C warmen Wasser konnte durch Kontaktwinkelmessungen und NEXAFS Spektroskopie nachgewiesen werden. Mit Hilfe der NEXAFS Spektroskopie konnte festgestellt werden, dass die Geschwindigkeit der Reorientierung durch eine exponentielle Funktion beschrieben werden kann. Eine Auswertung der Geschwindigkeitskonstante für die Reorientierung einer hydrophilen zu einer hydrophoben Oberfläche des Polymers bei 60°C führt zu =75min. Aufgrund des exponentiellen Charakters der Reorientierung macht es den Anschein, dass die Reorientierung bei verschiedenen Reorientierungstemperaturen bis zu einem gewissen Grad erfolgt und dann stoppt. Eine weitere Reorientierung scheint erst wieder bei einer Temperaturerhöhung zu beginnen. Aus AFM Messungen ist ein Beginnen der Reorientierung durch Bildung kleiner Löcher in der Polymeroberfläche zu erkennen, die sich zu runden Erhöhungen und Vertiefungen vergrößern, um letztendlich in ein spinodales Entmischungsmuster über zu gehen. Dieses heilt dann im Laufe der Zeit langsam durch Verschwinden der hydrophilen Bereiche langsam aus. Der Beginn des zuvor beschriebenen Reorientierungsprozesses einer hydrophilen Oberfläche in eine hydrophobe konnte sowohl in den AFM, als auch in den NEXAFS-Messungen zu ca. 50°C bestimmt werden.

Mechanism and kinetics of dithiobenzoate-mediated RAFT polymerization. I. The current situation

Investigations into the kinetics and mechanism of dithiobenzoate-mediated Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer (RAFT) polymerizations, which exhibit nonideal kinetic behavior, such as induction periods and rate retardation, are comprehensively reviewed. The appreciable uncertainty in the rate coefficients associated with the RAFT equilibrium is discussed and methods for obtaining RAFT-specific rate coefficients are detailed. In addition, mechanistic studies are presented, which target the elucidation of the fundamental cause of rate retarding effects. The experimental and theoretical data existing in the literature are critically evaluated and apparent discrepancies between the results of different studies into the kinetics of RAFT polymerizations are discussed. Finally, recommendations for further work are given. (c) 2006 Wiley Periodicals, Inc.

Modeling the molecular weight distribution of block copolymer formation in a reversible addition-fragmentation chain transfer mediated living radical polymerization

Block copolymers have become an integral part of the preparation of complex architectures through self-assembly. The use of reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) allows blocks ranging from functional to nonfunctional polymers to be made with predictable molecular weight distributions. This article models block formation by varying many of the kinetic parameters. The simulations provide insight into the overall polydispersities (PDIs) that will be obtained when the chain-transfer constants in the main equilibrium steps are varied from 100 to 0.5. When the first dormant block [polymer-S-C(Z)=S] has a PDI of 1 and the second propagating radical has a low reactivity to the RAFT moiety, the overall PDI will be greater than 1 and dependent on the weight fraction of each block. When the first block has a PDI of 2 and the second propagating radical has a low reactivity to the RAFT moiety, the PDI will decrease to around 1.5 because of random coupling of two broad distributions. It is also shown how we can in principle use only one RAFT agent to obtain block copolymers with any desired molecular weight distribution. We can accomplish this by maintaining the monomer concentration at a constant level in the reactor over the course of the reaction. (c) 2005 Wiley Periodicals, Inc.

Design strategies for controlling the molecular weight and rate using reversible addition-fragmentation chain transfer mediated living radical polymerization

Living radical polymerization has allowed complex polymer architectures to be synthesized in bulk, solution, and water. The most versatile of these techniques is reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT), which allows a wide range of functional and nonfunctional polymers to be made with predictable molecular weight distributions (MWDs), ranging from very narrow to quite broad. The great complexity of the RAFT mechanism and how the kinetic parameters affect the rate of polymerization and MWD are not obvious. Therefore, the aim of this article is to provide useful insights into the important kinetic parameters that control the rate of polymerization and the evolution of the MWD with conversion. We discuss how a change in the chain-transfer constant can affect the evolution of the MWD. It is shown how we can, in principle, use only one RAFT agent to obtain a poly-mer with any MWD. Retardation and inhibition are discussed in terms of (1) the leaving R group reactivity and (2) the intermediate radical termination model versus the slow fragmentation model. (c) 2005 Wiley Periodicals, Inc.

Thermo-responsive poly(methyl methacrylate)-block-poly(N-isopropylacrylamide) block copolymers synthesized by RAFT polymerization: micellization and gelation

RAFT polymerization was used to prepare PMMA-b-PNIPAM copolymers. Two different chain transfer agents, tBDB and MCPDB, were used to mediate the sequential polymerizations. Micellar solutions and gels were prepared from the resulting copolymers in aqueous solution. When heated above T-c of PNIPAM (about 31 degrees C), DLS revealed that PNIPAM coronas collapsed, resulting in aggregation of the original micelles. The micellar gels underwent syneresis above T-c as water was expelled from the ordered gel structure, the lattice periodicity of which was determined by SANS. A large decrease in lattice spacing was observed above T-c. The gel became more viscoelastic at high temperature, as revealed by shear rheometry which showed a large increase in G".

Synthetic routes toward functional block copolymers and bioconjugates via RAFT polymerization

Synthetic Routes toward Functional Block Copolymers and Bioconjugates via RAFT PolymerizationrnSynthesewege für funktionelle Blockcopolymere und Biohybride über RAFT PolymerisationrnDissertation von Dipl.-Chem. Kerstin T. WissrnIm Rahmen dieser Arbeit wurden effiziente Methoden für die Funktionalisierung beider Polymerkettenenden für Polymer- und Bioanbindung von Polymeren entwickelt, die mittels „Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer“ (RAFT) Polymerisation hergestellt wurden. Zu diesem Zweck wurde ein Dithioester-basiertes Kettentransferagens (CTA) mit einer Aktivestereinheit in der R-Gruppe (Pentafluorphenyl-4-phenylthiocarbonylthio-4-cyanovaleriansäureester, kurz PFP-CTA) synthetisiert und seine Anwendung als universelles Werkzeug für die Funktionalisierung der -Endgruppe demonstriert. Zum Einen wurde gezeigt, wie dieser PFP-CTA als Vorläufer für die Synthese anderer funktioneller CTAs durch einfache Aminolyse des Aktivesters genutzt werden kann und somit den synthetischen Aufwand, der üblicherweise mit der Entwicklung neuer CTAs verbunden ist, reduzieren kann. Zum Anderen konnte der PFP-CTA für die Synthese verschiedener Poly(methacrylate) mit enger Molekulargewichtsverteilung und wohl definierter reaktiver -Endgruppe verwendet werden. Dieses Kettenende konnte dann erfolgreich mit verschiedenen primären Aminen wie Propargylamin, 1-Azido-3-aminopropan und Ethylendiamin oder direkt mit den Amin-Endgruppen verschiedener Peptide umgesetzt werden.rnAus der Reaktion des PFP-CTAs mit Propargylamin wurde ein Alkin-CTA erhalten, der sich als effizientes Werkzeug für die RAFT Polymerisation verschiedener Methacrylate erwiesen hat. Der Einbau der Alkin-Funktion am -Kettenende wurde mittels 1H und 13C NMR Spektroskopie sowie MALDI TOF Massenspektroskopie bestätigt. Als Modelreaktion wurde die Kopplung eines solchen alkin-terminierten Poly(di(ethylenglykol)methylethermethacrylates) (PDEGMEMA) mit azid-terminiertem Poly(tert-butylmethacrylat), das mittels Umsetzung einer Aktivester-Endgruppe erhalten wurde, als kupferkatalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC) durchgeführt. Die Aufarbeitung des resultierenden Diblockcopolymers durch Fällen ermöglichte die vollständige Abtrennung des Polymerblocks 1, der im Überschuss eingesetzt wurde. Darüber hinaus blieb nur ein sehr kleiner Anteil (< 2 Gew.-%) nicht umgesetzten Polymerblocks 2, was eine erfolgreiche Polymeranbindung und die Effizienz der Endgruppen-Funktionalisierung ausgehend von der Aktivester--Endgruppe belegt.rnDie direkte Reaktion von stimuli-responsiven Polymeren mit Pentafluorphenyl(PFP)ester-Endgruppen, namentlich PDEGMEMA und Poly(oligo(ethylenglykol)methylethermethacrylat), mit kollagen-ähnlichen Peptiden ergab wohl definierte Polymer-Peptid-Diblockcopolymere und Polymer-Peptid-Polymer-Triblockcopolymer unter nahezu quantitativer Umsetzung der Endgruppen. Alle Produkte konnten vollständig von nicht umgesetztem Überschuss des Homopolymers befreit werden. In Analogie zu natürlichem Kollagen und dem nicht funktionalisierten kollagen-ähnlichen Peptid bilden die PDEGMEMA-basierten, entschützten Hybridcopolymere Trimere mit kollagen-ähnlichen Triple-Helices in kalter wässriger Lösung, was mittels Zirkular-Dichroismus-Spektroskopie (CD) nachgewiesen werden konnte. Temperaturabhängige CD-Spektroskopie, Trübungsmessungen und dynamische Lichtstreuung deuteten darauf hin, dass sie bei höheren Temperaturen doppelt stimuli-responsive Überstrukturen bilden, die mindestens zwei konformative Übergänge beim Aufheizen durchlaufen. Einer dieser Übergänge wird durch den hydrophoben Kollaps des Polymerblocks induziert, der andere durch Entfalten der kollagen-ähnlichen Triple-Helices.rnAls Ausweitung dieser synthetischen Strategie wurde homotelecheles PDEGMEMA mit zwei PFP-Esterendgruppen dargestellt, wozu der PFP-CTA für die Funktionalisierung der -Endgruppe und die radikalische Substitution des Dithioesters durch Behandlung mit einem Überschuss eines funktionellen AIBN-Derivates für die Funktionalisierung der -Endgruppe ausgenutzt wurde. Die Umsetzung der beiden reaktiven Kettenenden mit dem N-Terminus eines Peptidblocks ergab ein Peptid-Polymer-Peptid Triblockcopolymer.rnSchließlich konnten die anorganisch-organischen Hybridmaterialien PMSSQ-Poly(2,2-diethoxyethylacrylat) (PMSSQ-PDEEA) und PMSSQ-Poly(1,3-dioxolan-2-ylmethylacrylat) (PMSSQ-PDMA) für die Herstellung robuster, peptid-reaktiver Oberflächen durch Spin Coaten und thermisch induziertes Vernetzen angewendet werden. Nach saurem Entschützen der Acetalgruppen in diesen Filmen konnten die resultierenden Aldehydgruppen durch einfaches Eintauchen in eine Lösung mit einer Auswahl von Aminen und Hydroxylaminen umgesetzt werden, wodurch die Oberflächenhydrophilie modifiziert werden konnte. Darüber hinaus konnten auf Basis der unterschiedlichen Stabilität der zwei hier verglichenen Acetalgruppen Entschützungsprotokolle für die exklusive Entschützung der Diethylacetale in PMSSQ-PDEEA und deren Umsetzung ohne Entschützung der zyklischen Ethylenacetale in PMSSQ-PDMA entwickelt werden, die die Herstellung multifunktioneller Oberflächenbeschichtungen z.B. für die Proteinimmobilisierung ermöglichen.

Raft miniemulsion (co)polymerization of methyl methacrylate and n-butyl acrylate

This thesis work is part of a larger synthesis project about alkyd resins from natural sources, copolymerized with methyl acrylate and n-butyl acrylates, which wil be used for coatings purpose. The aim is to control the copolymerization of methyl acrylate and n-butyl acrylate in RAFT miniemulsion. The research was divided into three parts. First the homopolymerization of methyl methacrylate and n-butyl acrylate was studied by varying different parameters such as the amount of surfactant, the amount of initiator, pH, and especially the RAFT agent. Then two macro RAFT agents were synthesized, as suggested by the existing literature. Finally, the two monomers were copolymerized using both the RAFT used for the homopolymerization and those synthesized in the second stage. To verify the obtained control over the polymerization, the synthesized polymers were analyzed by gel permeation chromatography, GPC, thus finding their molecular weight and its polydispersity.