Reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization : mechanism, process and applications

The present article gives an overview of the reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) process. RAFT is one of the most versatile living radical polymerization systems and yields polymers of predictable chain length and narrow molecular weight distribution. RAFT relies on the rapid exchange of thiocarbonyl thio groups between growing polymeric chains. The key strengths of the RAFT process for polymer design are its high tolerance of monomer functionality and reaction conditions, the wide range of well-controlled polymeric architectures achievable, and its (in-principle) non-rate-retarding nature. This article introduces the mechanism of polymerization, the range of polymer molecular weights achievable, the range of monomers in which polymerization is controlled by RAFT, the various polymeric architectures that can be obtained, the type of end-group functionalities available to RAFT-made polymers, and the process of RAFT polymerization.

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.

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 supramolecular star polymers by reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization

We have developed a novel strategy for the preparation of ion-bonded supramolecular star polymers by RAFT polymerization. An ion-bonded star supramolecule with six functional groups was prepared from a triphenylene derivative containing tertiary amino groups and trithiocarbonate carboxylic acid, and used as the RAFT agent in polymerizations of tert-butyl acrylate (tBA) and styrene (St). Molecular weights and structures of the polymers were characterized by H-1 NMR and GPC. The results show that the polymerization possesses the character of living free-radical polymerization and the ion-bonded supramolecular star polymers PSt, PtBA, and PSt-b-PtBA, with six well-defined arms, were successfully synthesized.

Synthesis of Hyperbranched Polymers with Pendent Norbornene Functionalities via RAFT Polymerization of a Novel Asymmetrical Divinyl Monomer

Hyperbranched polymers with numerous pendent norbornene functionalities have been synthesized via the radical polymerization of a novel asymmetrical divinyl monomer hearing a higher reactivity methacrylate group and it lower reactivity norbornene group. Mediated by a rapid reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) equilibrium, the concentration of polymeric chain radicals is decreased, and thus the gelation did not occur until higher monomer conversions (ca. 90%). An increase in reaction temperature call also significantly promote the formation of the hyperbranched structure owing to the decreased stability of the intermediate radicals derived from the norbornene group, which was confirmed by a model copolymerization system of two single vinyl monomers with similar structures to the vinyl groups in the asymmetrical divinyl monomer. Furthermore, Tri-SEC and conventional Sin-SEC as well as H-1 NMR.

SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF HYPERBRANCHED VINYL POLYMERS FROM RAFT POLYMERIZATION OF AN ASYMMETRIC DIVINYL MONOMER

Hyperbranched vinyl polymers were prepared by reversible addition-fragmentation chain transfer ( RAFT) polymerization of a styrenic asymmetric divinyl monomer. This was achieved by using cumyl dithiobenzoate or S-dodecyl-S'-(alpha,alpha'-dimethyl-alpha ''-acetic acid) trithiocarbonate as the chain transfer agent, 1,1'-azobis(cyclohexanecarbonitrile) or thermal initiation as a source of radicals. Cross-linking was inhibited by a rapid RAFT-based equilibrium between active propagation chains and dormant species, and thus a hyperbranched polymer with a monomer conversion as high as 80% was obtained. The hyperbranched structure and properties of the resultant polymers were characterized by a combination of H-1-NMR spectroscopy and a triple detection size exclusion chromatography (TRI-SEC). The hyperbranched vinyl polymer has a broad molecular weight distributions and a low Mark-Houwink exponent alpha value compared with the linear counterpart.

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.

Grafting of functional brushes on the surface of 5-Fluorouracil molecularly imprinted polymer particles through RAFT polymerization

The grafting of functional brushes on the surface of molecularly imprinted polymer (MIP). particles hás been explored in the last few years to synthesize materiais combining high molecular recognition capabilities and stimulation triggered by changes in the surrounding environment [1, 2]. In the present work, MIP particles for 5-fluorouracil (a drug used in câncer treatment) were produced by precipitation polymerization in acetonitrile, using either MAA or HEMA as imprinting fünctional monomers, and m the presence of different kinds of RAFT agents. In a second step, taking advantage of the RAFT groups present in the surface of the particles, different kinds of fiinctional polymer brushes were grafted on the MIPs considering a "grafting from" process in the presence of a RAFT agent.

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.

Controlled RAFT polymerization and zinc binding performance of catechol-inspired homopolymers

Incorporation of catechols into polymers has long been of interest due to their ability to chelate heavy metals and their use in the design of adhesives, metal-polymer nanocomposites, antifouling coatings, and so on. This paper reports, for the first time, the reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization of a protected catechol-inspired monomer, 3,4-dimethoxystyrene (DMS), using commercially available trithiocarbonate, 2-(dodecylthiocarbonothioylthio)-2-methylpropionic acid (DDMAT), as a chain transfer agent. Our identified RAFT system produces well-defined polymers across a range of molecular weights (5-50 kg/mol) with low molar mass dispersities (Mw/Mn < 1.3). Subsequent facile demethylation of poly(3,4-dimethoxystyrene) (PDMS) yields poly(3,4-dihydroxystyrene) (PDHS), a catechol-bearing polymer, in quantitative yields. Semiquantitative zinc binding capacity analysis of both polymers using SEM/EDXA has demonstrated that both PDMS and PDHS have considerable surface binding (65% and 87%, respectively), although the films deposited from PDMS are of a better quality and processability due to solubility and lower processing temperatures. © 2014 American Chemical Society.

pH-detachable polymer brushes formed using titanium−diol coordination chemistry and living radical polymerization (RAFT)

pH-detachable poly(styrene) brushes formed on indium−tin oxide (ITO) glass substrates using metal complex chemistry and reversible addition−fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization was described. These pH-detachable polymeric brushes were generated using both “graft-from” and “graft-to” methodologies. The methodologies involved either the surface self-assembly of catechol-functional RAFT agents (graft-from) or catechol-terminal polymer chains (graft-to) onto the ITO substrate via titanium−diol coordination. The stepwise functionalization of the ITO glass surfaces was characterized successfully using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and contact angle measurement. Poly(styrene) brushes generated using the “graft-from” method were denser than those generated using the “graft-to” method, as exemplified by atom force microscopy (AFM) and quantified using cyclic voltammetry. Poly(styrene) brushes assembled using both methods could be detached easily by manipulating the pH of the brush environment. Cyclic voltammetry was utilized to calculate precisely the surface coverage of the RAFT functionality and polymeric brush density.