Design and theoretical study of nickel catalysts for syndiotactic polyolefins

A nickel catalyst was modeled with ligand L-2, [ NH = CH-CH = CH-O](-), which should have potential use as a syndiotactic polyolefin catalyst, and the reaction mechanism was studied by theoretical calculations using the density functional method at the B3LYP/ LANL2MB level. The mechanism involves the formation of the intermediate [(NiLMe)-Me-2](+), in which the metal occuples a T-shaped geometry. - This intermediate has two possible structures with the methyl group trans either to the oxygen or to the nitrogen atom of L-2. The results show that both structures can lead to the desired product via similar reaction paths, A and B. Thus, the polymerization could be considered as taking place either with the alkyl group occupying the position trans to the Ni-O or trans to the Ni-N bond in the catalyst. The polymerization process thus favors the catalysis of syndiotactic polyolefins. The syndiotactic synthesis effects could also be enhanced by variations in the ligand substituents. From energy considerations, we can conclude that it is more favorable for the methyl group to occupy the trans-O position to form a complex than to occupy the trans-N position. From bond length considerations, it is also more favoured for ethene to occupy the trans-O position than to occupy the trans-N position.

Copolymer hydrogels of 2-hydroxyethyl methacrylate with n-butyl methacrylate and cyclohexyl methacrylate: synthesis, characterization and uptake of water

The bulk free radical copolymerizations of 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) with n-butyl methacrylate (BMA) or cyclohexyl methacrylate (CHMA) were studied over the composition mole fraction interval of 0-1 for HEMA in the monomer feed. The C-13 NMR (125 MHz) spectra of the copolymers were analysed to determine the copolymer composition and the stereochemical configuration of the copolymers. The terminal model reactivity ratios of HEMA and BMA were found to be r(HEMA) = 1.73 and r(BMA) = 0.65 and for HEMA and CHMA, r(HEMA) = 1.26 and r(CHMA) = 0.31. The BMA and CHMA homopolymers were found to be predominantly syndiotactic with isotacticity parameters of theta(BB) = 0.18 and theta(CC) = 0.19, respectively. The copolymers were also found to be predominantly syndiotactic, indicating a strong tendency for racemic additions of the monomers in the formation of the copolymers. The diffusion of water into cylinders of poly(HEMA-co-BMA) and poly(HEMA-co-CHMA) was studied over a range of copolymer compositions and was found to be Fickian. The diffusion coefficients of water at 37 degrees C were determined from swelling measurements and were found to vary from 1.72 x 10(-11) m(2) s(-1) for polyHEMA to 0.97 x 10(-11) m(2) s(-1) for poly(HEMA-co-BMA) having a mole fraction F-HEMA = 0.80 and to 0.91 x 10(-11) m(2) s(-1) for a poly(HEMA-co-CHMA) also having F-HEMA = 0.80. The mass of water absorbed at equilibrium relative to the mass of dry polymer varied from 58.8 for polyHEMA to 27.2% for poly(HEMA-co-BMA) having F-HEMA = 0.85 and to 21.3% for poly(HEMA-co-CHMA) having F-HEMA = 0.80. (C) 1999 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Sisäisten donorien vaikutus Polypropeeni Ziegler-Natta katalyytissä

Tässä työssä tutkittiin erilaisten sisäisten donorien vaikutusta polypropeenin ominaisuuksiin käytettäessä Ziegler-Natta-katalyyttiä, joka valmistettiin Borealiksen aiemmin kehittämällä kaksifaasimenetelmällä. Tällä uudella menetelmällä katalyytti voidaan valmistaa ilman lisättyä sisäistä donoria ja kantajaa. Katalyyttihiukkaset saadaan kaksifaasisysteemin ansiosta muodoltaan pyöreiksi. Työn kokeellisessa osassa valmistettiin erilaisia Mg-komplekseja, jossa sisäinen donori muodostuu in-situ alkoholin ja karboksyylihappokloridin reagoidessa keskenään. Katalyyttisynteesissä Mg-kompleksi reagoi TiCl4:n kanssa. Saatujen katalyyttien ominaisuuksia testattiin polymeroimalla niillä propeenia 70 °C:ssa tunnin ajan. Polymeerien ominaisuuksia tutkittiin useiden eri karakterisointimenetelmien avulla. Lisäksi tutkittiin mahdollisuutta valmistaa katalyytti, joka ei sisältäisi ftalaattia. Työssä havaittiin, että katalyytin valmistusmenetelmä on käyttökelpoinen myös muilla sisäisillä donoreilla kuin referenssinä käytetyllä DOP:lla. Kaksiliuosfaasi-systeemi saatiin aikaan myös kahdella muulla työssä tutkitulla sisäisellä donorilla. Lisäksi faasitasapainokokeissa kahden liuosfaasin systeemi saatiin aikaan sisäisellä donorilla, joka ei sisältänyt ftalaattia. Kyseisellä katalyytillä havaittiin olevan muista katalyyteistä poikkeavia ominaisuuksia. Esimerkiksi se antoi matalamman isotaktisuuden kuin referenssikatalyytti ja se saattaisikin soveltua matalan isotaktisuuden pehmeille tuotteille. Työssä kokeiltiin yhdellä uudella katalyytillä myös eteenin polymerointia, sillä katalyytin donoripitoisuus oli hyvin matala. Katalyytin aktiivisuus eteenipolymeroinnissa oli varsin hyvä.

Catálise estereoespecífica de estireno por titanocenos alquil-substituídos do tipo (RCp)2TiCl2

Uma série de sete complexos alquil substituídos do tipo (RCp)2TiCl2 (R= H, etila, n-propila, iso-propila, n-butila, iso-amila, ciclo-hexila) foi preparada juntamente com o ainda inédito contendo R= sec-butila, e o efeito do substituinte na polimerização do estireno foi investigada à temperaturas de polimerização de 0 e 50 ºC. Foi encontrado que R = n-butila maximiza a produção de poliestireno sindiotático. Ligantes alquilas com R = RCH2- são superiores aos R = RR CH- e ao precursor Cp2TiCl2 na produção de poliestireno sindiotático de alto peso molecular.

Hundertneunundzwanzig Xe NMR for investigations of complex and dynamic systems

In this work, the remarkable versatility and usefulness of applications of Xe-129 NMR experiments is further extended. The application of Xe-129 NMR spectroscopy to very different system is studied, including dynamic and static, solid and liquid, porous and non-porous systems. Using the large non-equilibrium polarization created by hyperpolarization of Xe-129, time-resolved NMR measurements can be used for the online-monitoring of dynamic systems. In the first part of this work, several improvements for medical applications of hyperpolarized Xe-129 are achieved and their feasibility shown experimentally. A large gain in speed and reproducibility of the accumulation process of Xe-129 as ice and an enhancement of the usable polarization in any experiment requiring prior accumulation are achieved. An enhancement of the longitudinal relaxation time of Xe-129 is realized by admixture of a buffer gas during the storage of hyperpolarized Xe-129. Pursuing the efforts of simplifying the accumulation process and enhancing the storage time of hyperpolarized Xe-129 will allow for a wider use of the hyperpolarized gas in (medical) MRI experiments. Concerning the use of hyperpolarized Xe-129 in MRI, the influence of the diffusion coefficient of the gas on parameters of the image contrast is experimentally demonstrated here by admixture of a buffer gas and thus changing the diffusion coefficient. In the second part of this work, a polymer system with unique features is probed by Xe-129 NMR spectroscopy, proving the method to be a valuable tool for the characterization of the anisotropic properties of semicrystalline, syndiotactic polystyrene films. The polymer films contain hollow cavities or channels with sizes in the sub-nanometer range, allowing for adsorption of Xe-129 and subsequent NMR measurements. Despite the use of a ’real-world’ system, the transfer of the anisotropic properties from the material to adsorbed Xe-129 atoms is shown, which was previously only known for fully crystalline materials. The anisotropic behavior towards atomar guests inside the polymer films is proven here for the first time for one of the phases. For the polymer phase containing nanochannels, the dominance of interactions between Xe-129 atoms in the channels compared to interactions between Xe atoms and the channel walls are proven by measurements of a powder sample of the polymer material and experiments including the rotation of the films in the external magnetic field as well as temperature-dependent measurements. The characterization of ’real-world’ systems showing very high degrees of anisotropy by Xe-129 are deemed to be very valuable in future applications. In the last part of this work, a new method for the online monitoring of chemical reactions has been proposed and its feasibility and validity are experimentally proven. The chemical shift dependence of dissolved Xe-129 on the composition of a reaction mixture is used for the online monitoring of free-radical miniemulsion polymerization reactions. Xe-129 NMR spectroscopy provides an excellent method for the online monitoring of polymerization reactions, due to the simplicity of the Xe-129 NMR spectra and the simple relationship between the Xe-129 chemical shift and the reaction conversion. The results of the time-resolved Xe-129 NMR measurements are compared to those from calorimetric measurements, showing a good qualitative agreement. The applicability of the new method to reactions other than polymerization reactions is investigated by the online monitoring of an enzymatic reaction in a miniemulsion. The successful combination of the large sensitivity of Xe-129, the NMR signal enhancements due to hyperpolarization, and the solubility of Xe-129 gives access to the large new field of investigations of chemical reaction kinetics in dynamic and complex systems like miniemulsions.

Einfluss verschiedener nanopartikulärer Systeme auf die zelluläre Aufnahme und Zytotoxizität

Die vorliegende Dissertation untersucht Nanopartikel und Nanokapseln aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Modifikationen für einen zielgerichteten Medikamententransport (Drug Targeting). Obwohl bisher zahlreiche Nanopartikel und -kapseln synthetisiert wurden, besteht nach wie vor hinsichtlich der zellulären Verträglichkeit, Biokompatibilität und Aufnahme kein allumfassendes Verständnis. Mit Hilfe der in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen und Ergebnissen soll ein Beitrag zur Schließung dieser Lücke geleistet werden.rnIm Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde der Einfluss der Herstellungsmaterialien PS, PLLA, PMMA, Biomakromoleküle (BSA, DNA), ggf. stabilisiert durch HPMA-LMA-Copolymere und neu-synthetisierte Surfmere, der Formmodifikationen Streckung und Kristallisierung, der Oberflächenmodifikationen mittels verschiedener Tenside und PEG auf die zelluläre Aufnahme und Verträglichkeit hin untersucht.rnZusammenfassend lässt sich die Aussage treffen, dass zahlreiche Materialien zur Herstellung von Trägersystemen geeignet sind und sich als biokompatibel und nicht-zytotoxisch erwiesen haben, sich jedoch stark hinsichtlich der Aufnahmeeffizienz in verschiedene Zelllinien unterscheiden. rnIm ersten Abschnitt (Kapitel 5.1) wurden in der ersten und zweiten Untersuchung auf allgemeine Parameter, die die Aufnahme von Nanopartikeln beeinflussen, eingegangen. Hier wurde der Einfluss des Alters von PLLA-Partikeln auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit zunehmender Materialalterung die zelluläre Aufnahme abnimmt. Eine Zytotoxizität konnte nicht gezeigt werden.rnWeiterhin wurde der Einfluss des FCS-Gehalts des Zell-Mediums auf die zelluläre Aufnahme von PMMA-Partikeln untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass mit einer steigenden FCS-Konzentration eine Abnahme der zellulären Aufnahme von PMMA-Partikeln einhergeht. Die höchste zelluläre Aufnahme konnte bei einem FCS-Gehalt des Zellmediums von 0,05% verzeichnet werden. rnIm zweiten Abschnitt (Kapitel 5.2) wurde die Stabilisierung von Nanopartikeln mittels neusynthetisierter Tenside und deren Einfluss auf die Zelle-Nanopartikel-Interaktionen untersucht. Dazu wurde zum einen die Oberflächenfunktionalisierung von Nanopartikeln mit Hilfe neu-synthetisierter „Surfmere“ und deren Einfluss auf die zelluläre Aufnahme und Toxizität untersucht. Die hergestellten Surfmere bewirken gleichzeitig eine Stabilisierung und Funktionalisierung der Nanopartikeloberfläche mit Phosphonatgruppen. Hier wurden kovalente „Surfmer“ stabilisierte Nanopartikel mit Tensid- (SDP) stabilisierten Nanopartikeln verglichen. Zudem wurden dialysierte Nanopartikel mit nicht-dialysierten verglichen. Bezüglich der zellulären Aufnahme konnte für die mittels Dialyse gereinigten Nanopartikel eine gute Aufnahme ohne Unterschiede zwischen den kovalent und nicht-kovalent Phosphonat-funktionalisierten Partikeln beobachtet werden. Die ungereinigten, SDP-stabilisierte, nicht-kovalent gebundene Nanopartikel zeigten hingegen eine bis zu 30% stärkere Aufnahme in die HeLa-Zellen und hMSCs.rnWeiterhin der Einsatz von mit HPMA-LMA-Copolymeren stabilisierte Polystyrol- und PLLA-Partikel, die den Einsatz von Tensiden während des Miniemulsionsprozesses überflüssig machen, untersucht. Auch hier konnte keine Zytotoxizität nachgewiesen werden. Die Aufnahme in HeLa-Zellen scheint mehr von der Größe der Nanopartikel als vom verwendeten Material und in hMSCs mehr von den Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel abzuhängen.rnIm dritten Abschnitt (Kapitel 5.3) wird auf die Möglichkeit der Formmodifikation von Polystyrol-Partikeln und deren Einfluss auf die Nanopartikel-Zelle-Interaktionen eingegangen. Es geht dabei um die Aufnahme und Zytotoxizität von verstreckten (elongierten) Polystyrol-Partikeln im Vergleich zu sphärischen Nanopartikeln, sowie die Aufnahme und Zytotoxizität von kristallinen Polystyrol-Partikeln in verschiedene Zelllinien. Bei den verstreckten Partikeln nimmt die Aufnahme-Effizienz in HeLa-Zellen und hMSCs mit zunehmender Verstreckung ab. Eine Zytotoxizität konnte für keinen der erwähnten Nanopartikel nachgewiesen werden. Bei den Polystyrol-Partikeln unterschiedlicher Taktizität zeigen die kristallierten Polystyrol-Partikel eine geringfügig besser Aufnahme-Rate als die nicht-kristallierten Polystyrol-Partikel. Dabei zeigen die nach dem Herstellungsprozess mittels der Lösemittelverdampfungstechnik der wässrigen Phase entnommenen Partikel eine bessere Aufnahme als die nach der Verdampfung des Chloroforms verfügbaren Partikel. Insgesamt konnte jedoch für alle Polystyrol-Partikel trotz der unterschiedlichen Taktizitäten nach der Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs mittels Durchflusszytometrie hohe Fluoreszenz-Intensitäten verzeichnet werden. Setzt man hohe Fluoreszenz-Intensitäten bei in Zellen aufgenommenen Partikeln mit guten Aufnahmeraten gleich, sind die hier dargestellten Aufnahmeraten als sehr gut zu bezeichnen. rnAuf Nanosysteme mit einer reduzierten zellulären Aufnahme wird im letzten Abschnitt (Kapitel 5.4) eingegangen. Dabei wird zum einen die unterschiedliche Oberflächenmodifikation von Polystyrol-Partikeln mit dem Co-Monomer PEG-MA und den Tensiden SDS und Lutensol AT50 untersucht. Von PEG-MA wurden zudem verschiedene Molekulargewichte (Mn=300 g•mol-1 und Mn=2080 g•mol-1) und verschiedene Konzentrationen (1,5%, 5%, 10%) eingesetzt. Ein Teil der Partikel wurde mit SDS und der andere Teil mit Lutensol AT50 hergestellt. In einem weiteren Schritt wurde das jeweilig gegenteilige Tensid (statt SDS Lutensol AT50 und umgekehrt) eingesetzt, um zu überprüfen, ob sich der zuvor beobachtete Effekt umkehren lässt. Anschließend wurde ein erst mit SDS stabilisierter Nanopartikel (BR01) mit verschiedenen Lutensol AT50-Anteilen (5%, 10%, 25%, 50%, 100%) redispergiert. Die effizienteste Aufnahme zeigte der unmodifizierte, mit SDS stabilisierte Nanopartikel BR01, die niedrigste der ebenfalls unmodifizierte, mit Lutensol AT50 stabilisierte Nanopartikel BR02. Eine steigende Konzentration des PEG-MA Mn=300 g•mol-1 hemmt die Aufnahme von mit SDS stabilisierten Partikeln konstant. Für PEG-MA Mn=2080 g•mol-1 konnte hingegen kein Einfluss nachgewiesen werden. Für die mit Lutensol AT50 stabilisierten Partikel konnte kein Einfluss von PEG-MA nachgewiesen werden. Daraus resultiert, dass der Einsatz von physikalisch adsorbiertem Lutensol AT50 die zelluläre Aufnahme effektiver hemmt als der Einsatz von kovalent gebundenem PEG-MA unterschiedlicher Kettenlänge.rnDer Einsatz von mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapseln, die mit zwei verschiedenen Tensiden (SDS und Lutensol AT50) stabilisiert wurden, wurde im Weiteren näher untersucht. Bei den mit SDS stabilisierten Kapseln erwiesen sich die mit ssDNA hergestellten Kapseln BN-54 und BN-55 als leicht toxisch für die HeLa-Zellen. Dagegen sind alle eingesetzten, mit Lutensol AT50 redispergierten Nanokapseln sowohl für HeLa-Zellen als auch für hMSCs zytotoxisch. Hier ist die toxische Wirkung auf das nicht-ionische Tensid Lutensol AT50 zurückzuführen. Eine zelluläre Aufnahme konnte für keine mit Biomakromolekülen hergestellten Nanokapsel nachgewiesen werden.rnDen Abschluss der Untersuchungen bildet die vergleichende Analyse der in dieser Arbeit mit dem Fluoreszenzfarbstoff PMI versehenen Partikeln hinsichtlich deren Aufnahme in HeLa-Zellen und hMSCs und deren zytotoxische Auswirkungen. In der vergleichenden Analyse werden die zuvor vorgestellten Ergebnisse für PMI-Partikeln nochmal im Kontext betrachtet. Dabei erwies sich sowohl für die HeLa-Zellen als auch für die hMSCs, dass die meisten Partikel eine geringe bis keine zelluläre Aufnahme zeigen. Eine gute Aufnahme konnte nur für wenige Nanopartikel (vor allem für die kristallinen Nanopartikel) verzeichnet werden. Eine Korrelation zwischen der Aufnahmeeffizienz und der Zytotoxizität konnte nicht nachgewiesen werden. rn

Clay-based polymer nanocomposites: Research and commercial development

This paper reviews the recent research and development of clay-based polymer nanocomposites. Clay minerals, due to their unique layered structure, rich intercalation chemistry and availability at low cost, are promising nanoparticle reinforcements for polymers to manufacture low-cost, lightweight and high performance nanocomposites. We introduce briefly the structure, properties and surface modification of clay minerals, followed by the processing and characterization techniques of polymer nanocomposites. The enhanced and novel properties of such nanocomposites are then discussed, including mechanical, thermal, barrier, electrical conductivity, biodegradability among others. In addition, their available commercial and potential applications in automotive, packaging, coating and pigment, electrical materials, and in particular biomedical fields are highlighted. Finally, the challenges for the future are discussed in terms of processing, characterization and the mechanisms governing the behaviour of these advanced materials.

Dipole moments and Kerr effect of poly(n-vinylcarbazole) and its complexes with trinitrofluorenone

N-vinylcarbazole was polymerised using the free radical catalyst (azo-bisisobutyronitrile) and cationic catalysts (boron-trifluoride etherate and aluminium chloride). The polymers produced were characterised by molecular weight measurements and powder x-ray diffraction. The tacticity of the polymer samples was determined using proton and carbon-13 nuclear magnetic resonance spectroscopy. Measurements of their static dielectric permittivity and electro-optical birefringence (Kerr effect) in solution in 1,4-dioxane were carried out over a range of temperatures. The magnitudes of the dipole moments and Kerr constants were found to vary with changes in the tacticity of poly(N-vinylcarbazole). The results of these measurements support the view that the stereostructure of poly(N-vinylcarbazole) is sensitive to the mechanism of polymerisation. These results, together with proton and carbon-13 N.M.R. data, are discussed in terms of the possible conformations of the polymer chains and the relative orientation of the bulky carbazole side groups. The dielectric and molecular Kerr effect studies have also been carried out on complexes formed between 2,4,7-trinitro-9-fluorenone (TNF) and different stereoregular forms of poly(N-vinylcarbazole) in solution in 1,4-dioxane. The differences in the molar Kerr constants between pure (uncomplexed) and complexed poly(N-vinylcarbazole) samples were attributed to changes in optical anisotropy and dipole moments. A molecular modelling computer program Desktop Molecular Modeller was used to examine the 3/1 helical isotactic and 2/1 helical syndiotactic forms of poly(N-vinylcarbazole). These models were used to calculate the pitch distances of helices and the results were interpreted in terms of van der Waal's radii on TNF. This study indicated that the pitch distance in 3/1 isotactic helices was large enough to accommodate the bulky TNF molecules to form sandwich type charge transfer complexes whereas the pitch distance in syndiotactic poly(N-vinylcarbazole) was smaller and would not allow a similar type of complex formation.

Reactive processing of polymers: structural characterization of products by 1H and 13C NMR spectroscopy for glycidyl methacrylate grafting onto EPR in the absence and presence of a reactive comonomer

Grafted GMA on EPR samples were prepared in a Thermo-Haake internal mixer by free radical melt grafting reactions in the absence (conventional system; EPR-g-GMA(CONV)) and presence of the reactive comonomer divinyl benzene, DVB (EPR-g-GMA(DVB)). The GMA-homopolymer (poly-GMA), a major side reaction product in the conventional system, was almost completely absent in the DVB-containing system, the latter also resulted in a much higher level of GMA grafting. A comprehensive microstructure analysis of the formed poly-GMA was performed based on one-dimensional H-1 and C-13 NMR spectroscopy and the complete spectral assignments were supported by two-dimensional NMR techniques based on long range two and three bond order carbon-proton couplings from HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Coherence) and that of one bond carbon-proton couplings from HSQC (Heteronuclear Single Quantum Coherence), as well as the use of Distortionless Enhancement by Polarization Transfer (DEPT) NMR spectroscopy. The unambiguous analysis of the stereochemical configuration of poly-GMA was further used to help understand the microstructures of the GMA-grafts obtained in the two different free radical melt grafting reactions, the conventional and comonomer-containing systems. In the grafted GMA, in the conventional system (EPR-g-GMA(CONV)), the methylene protons of the GMA were found to be sensitive to tetrad configurational sequences and the results showed that 56% of the GMA sequence in the graft is in atactic configuration and 42% is in syndiotactic configuration whereas the poly-GMA was predominantly syndiotactic. The differences in the microstructures of the graft in the conventional EPR-g-GMA(CONV) and the DVB-containing (EPR-g-GMA(DVB)) systems is also reported (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.