Vakgroep Organische Chemie Onderzoeksgroep Polymeerchemie
Functionele polyurethanen via een thiolactonstrategie
Proefschrift voorgelegd tot het behalen van de graad van Master of Science in de Chemie door
Frank DRIESSEN
Academiejaar 2011-2012
Promotor: prof. dr. Filip Du Prez Copromotor: dr. Pieter Espeel
Begeleidster: Fabienne Goethals
Vakgroep Organische Chemie Onderzoeksgroep Polymeerchemie
Functionele polyurethanen via een thiolactonstrategie
Proefschrift voorgelegd tot het behalen van de graad van Master of Science in de Chemie door
Frank DRIESSEN
Academiejaar 2011-2012
Promotor: prof. dr. Filip Du Prez Copromotor: dr. Pieter Espeel
Begeleidster: Fabienne Goethals
Dankwoord
Bij het begin van deze thesis die het eindpunt vormt van de opleiding chemie zijn er een aantal mensen in
bijzonder die ik zou willen bedanken:
In de eerste plaats zou ik mijn promotor Professor Du Prez willen bedanken omdat hij het mogelijk maakte
dat ik een masterthesis kon uitvoeren binnen een sterk uitgebouwde onderzoeksgroep, waarin samenwerking
en amusement hand in hand gaan en onderzoek voeren top is.
Niet allerminst zou ik dr. Pieter Espeel willen bedanken als copromotor en Fabienne Goethals als
begeleidster. Enerzijds waren hun ideeën onontbeerlijk binnen het verhaal van deze thesis, anderzijds
zorgden hun enthousiasme en creativiteit ervoor dat dit thesisjaar voor mij een topjaar werd. Verder dank ik
Fabienne Goethals voor de fantastische begeleiding en onophoudelijke hulp bij het schrijven van deze
scriptie, door haar vele inspanningen heb ik bijzonder veel bijgeleerd.
Geert-Jan Graulus, dr. Krisztina Feher, Bjorn Van Gasse en Professor Martins dank ik voor de HR-MAS
metingen. Ing. Jan Goeman zou ik willen bedanken voor de vele GC- en LC/MS-metingen en dr. Thu
Nguyen voor de hulp bij de online IR-metingen en met het onderzoek naar de functionele polyurethanen.
Daarnaast zou ik alle andere leden van de PCR-groep willen bedanken voor alle kleine en grote hulp, al dan
niet wetenschappelijk gebaseerd en mijn medethesisstudenten Jarne, Dennis en Jonas voor de plezante
momenten tijdens het afgelopen jaar.
Tijdens de afgelopen 5 jaar heb ik ook veel steun en dergelijke gehad aan mijn medestudenten chemie en
meer specifiek enkele medestudenten vanuit de bacheloropleiding aan de UHasselt nl. Geert-Jan, Linde,
Stefanie, Bart en Dennis. Bedankt voor alles en zeker voor de hulp met de overgang begin vorig
academiejaar.
Tot slot zou ik ook nog mijn ouders en zussen willen bedanken voor de interesse en steun tijdens de 5 jaar
van deze opleiding. Ook al begrepen ze vaak niet waar ik mee bezig was, toch bleven ze in mij geloven,
waarvoor dank!
5
Functional Polyurethanes via a Thiolactone Approach
F. Driessen, F. Goethals, P. Espeel, L.-T. T. Nguyen, F. E. Du Prez*
Department of Organic Chemistry, Polymer Chemistry Research Group, Ghent University, Krijgslaan 281 S4-bis, B-9000 Ghent,
Belgium
Abstract: A new one-pot strategy for the synthesis of functional polyurethanes was developed using a “thiolactone” approach. A thiolactone should be considered as a precursor for a thiol, which can be released upon amine treatment. If, at the same moment, a “click”-substrate is present in the reaction medium, a thiol “click”-reaction can proceed in a one-pot two-step manner. An in-depth study was performed to obtain knowledge about the possibilities and limitations of this thiolactone approach. Functional polyurethanes were developed starting from an AB’-monomer consisting of both a thiolactone-unit and an ene-functionality. Further on, post-polymerization modification reactions and more specific “click”-reactions were applied to introduce functional groups on these polyurethane backbones.
Keywords: Polyurethanes, functional, thiol-ene, reaction rate, one-pot, thiolactone
Introduction
Polyurethanes are a versatile class of polymers. With a year consumption of 3 million tons in Europe in 20101, they are used as foams in isolating materials, seats and clothes or coatings in electronics, car bumpers and floors2. The basic feedstock for these materials are diisocyanates, diols or polyols and a catalyst3. Since a couple of years, the interest in developing functional polyurethanes revived and new strategies were developed to broaden the application market for these materials. New developed strategies should preferably proceed with high yields and generate little or no side-products. An interesting method was developed by Fournier et al.4, based on the copper(I) catalyzed azide-alkyne cycloaddition reaction to develop functional polyurethanes. An alkyne containing diol was incorporated in linear polyurethane chains and these materials were reacted with azide-containing compounds. Despite giving excellent yields and little or no side-products, this method was still confronted with drawbacks such as the explosive character of azides and the presence of the copper catalyst. Another effort to synthesize functional polyurethanes has been carried out by Billiet et al.5, applying the thiol-maleimide coupling reaction as a metal-free “click” reaction. Maleimide-containing diols, isocyanates and regular diols were used for the polymerization and functional thiols were coupled to the polyurethane structure via the thiol-maleimide “click”-reaction. Although metal-free, drawbacks of this approach are the poor
6
shelf-life of thiols through disulfide formation, their smell and the limited availability of functional thiols.
These problems can be overcome generating thiols in situ and converting them in a one-pot method. An example given by Sumerlin et al.6 describes the selective deprotection of the RAFT end-group for the synthesis of end-functionalized PNIPAM. Another elegant one-pot method was developed in our own group, using thiolactones as precursors for thiols7. The thiol is released by aminolysis (ring-opening) of the thiolactone and reacts in situ with a proper substrate (thiol “click”-reaction) in the same medium (Figure 1).
Figure 1: Nucleophilic Opening of a Thiolactone (aminolysis), followed by a "click"-reaction
This paper describes the use of thiolactones in the synthesis of functional polyurethanes. An in-depth study has to be performed first to gain insight into the possibilities and limitations of this thiolactone approach. Once this information is obtained, the research will continue with the synthesis of functional polyurethanes via the radical- and nucleophilic thiol-ene reaction. Moreover, the development of functional polyurethanes with “click”-functionalities on the polymer backbone is envisaged to extend the possibilities for the synthesis of (multi-) functional polyurethanes.
Experimental
Materials
All solvents and products were used as received from Aldrich and Across except 1,4-cyclohexanedimethanolmonoacrylate (Nippon Kasei Chemical co.), Glycine t-butyl ester (Alfa Aesar, 97 %) and Jeffamine® M-600 (Huntsmann).
Instrumentation
Infrared measurements were performed on a ReactIR 4000 instrument with a silicon probe (optical range = 4400-650 cm-1). GC analysis were accomplished on a HP 5890 series II system equipped with an FID detector. NMR-spectra were recorded with a Bruker AVANCE 300 (300 MHz) and Bruker DRX500 (500 MHz) NMR spectrometer. SEC measurements were performed on a Waters instrument, with a RI detector (2414 Waters), equipped with 3 Polymer Standards Services GPC serial columns (1 X GRAM Analytical 30 Å, 10 µm and 2 x GRAM Analytical 1000 Å, 10 µm) at 35 °C. PMMA standards were used for calibration and DMA containing LiBr (0.42 g.mL-1) was used as a solvent at a flow rate of 1 mL.min-1. Molecular weight and PDI were determined using Empower software.
7
Model study to determine the reaction duration for the aminolysis through online infrared
General reaction condition: γ-thiobutyrolactone (1.6 mmol, 0.14 mL) was dissolved in 2 mL THF. The amine (16 mmol, 10 eq.) was added and the reaction duration was measured via an online infrared measurement.
Determining the pseudo-first order condition via online infrared
γ-thiobutyrolactone (0.4 mmol, 0.035 mL) was dissolved in 2 mL THF. Propylamine was added and the reaction duration was determined via an online infrared measurement. Measurements were performed with a 10-, 20-, 30- ,40- and 50-fold excess of amine.
Determining the rate constants via off-line GC
General reaction condition: γ-thiobutyrolactone (0.4 mmol, 0.035 mL) and dodecane (0.2 mmol, 0.045 mL) were dissolved in 2 mL THF. The amine (20 mmol) was added and samples of the reaction mixture were taken as a function of time, diluted in a solution of dichloromethane/acetic acid and transferred to GC-vials.
UV-catalyzed polymerization of Alloc-thiolactone
Alloc-thiolactone (2 mmol, 402.5 mg) was dissolved in 2 mL dry THF in a schlenk-tube. DMPA (0.02 mmol, 5 mg) was added and the reaction mixture was submitted 3 times to a freeze-pump-thaw cycle. Propylamine (4 mmol, 0.33 mL) was added and the reaction mixture was stirred under UV-irradiation (300 nm). The white precipitate formed during the reaction was filtered, washed with a solution of cold diethylether after 40 minutes and dried under high vacuum.
UV-catalyzed polymerization of Alloc-thiolactone with 2 different amines
Alloc-thiolactone (4 mmol, 805 mg) was dissolved in 2 mL dry THF in a schlenk-tube. DMPA (0.04 mmol, 10 mg) was added and the reaction mixture was submitted 3 times to a freeze-pump-thaw cycle. Propylamine (4 mmol, 0.33 mL) and N,N-dimethylethylenediamine (4 mmol, 0.44 mL) were added and the reaction mixture was stirred under UV-irradiation (300 nm). The white precipitate formed during the reaction was filtered, washed with a solution of cold diethylether after 40 minutes and dried under high vacuum.
Synthesis of CHA-Thiolactone
α-isocyanate-γ-thiolactone (6.99 mmol, 1 g) was dissolved in dry dichloromethane (3.5 mL), 1,4-cyclohexanedimethanol monoacrylate (6.99 mmol, 1.31 mL) and dibutyltin dilaurate (0.0699 mmol, 0.041 mL) were added. The reaction mixture was stirred at room temperature for 4.5 h and monitored via TLC (silica, MeOH/CH2Cl2 = 1/24). The product was purified by column chromatography (silica, CH2Cl2/hexane/EtOAc = 5/4/1) and gave a white powder after evaporation. A yield of 92 % was obtained.
8
Polymerization of CHA-Thiolactone
General reaction condition: CHA-Thiolactone (1.0 mmol, 341.42 mg) was dissolved in 2 mL of THF. The amine (1.1 mmol) was added and the reaction mixture was stirred at room temperature for 24 h. In case of the combination of amines, each amine was added in 1 equivalent.
Post-functionalization via the radical thiol-ene reaction
CHA-Thiolactone (0.5 mmol, 170.71 mg) was dissolved in 1 mL THF and allylamine (0.5 mmol, 38 µL) was added. A sample was taken for SEC- and NMR-analysis after 24 h, octanethiol (1.0 mmol, 0.18 mL) and DMPA (0.04 mmol, 10 mg) were added in a next step and the reaction mixture was placed under UV-light (300 nm). A sample was taken for SEC- and NMR-analysis after 5 h.
Results and discussion
Aminolysis of a thiolactone unit: Reactivity of amines
The thiolactone strategy was studied in-depth by determining the reaction rate for different amines towards the nucleophilic ring-opening of a thiolactone-unit (Figure 2). This reaction is known to follow a 2nd order rate law8 and rate constants for each aminolysis were determined in two phases. First, information about the reaction duration was obtained via an online infrared measurement (Figure 2).
Figure 2: Aminolysis of γ-thiobutyrolactone as a model reaction for the determination of the reaction rate
This information was then applied in the subsequent offline GC experiment, using a 50-fold excess of amine to ensure a pseudo-first order condition.
−d�thiolactone�
dt= k��thiolactone��amine�
k��� = k��amine�(pseudo1stordercondition)
−d�thiolactone�
dt= k����thiolactone�
ln�thiolactone��
�thiolactone��= −k���t
9
kobs was determined, monitoring the concentration of the thiolactone as a function of time relative to dodecane as an internal standard. Finally, k2 could be calculated from kobs and the known starting concentration of the amine. Figure 3 gives an overview of the kinetic measurements showing the different amines together with their respective rate constant.
Figure 3: Rate coefficients for the aminolysis of a thiolactone compound, calculated for different amines
These results show that on one hand aliphatic amines have an overall higher reactivity. Moreover, amines with electron withdrawing groups react significantly slower. Thus, one can relate the difference in reactivity to electronic properties. Also, it is seen that Jeffamine® M-600 reacts significantly slower due to sterical hindrance and secondary or tertiary amines will not react with a thiolactone unit, unless they are cyclic such as pyrrolidine, piperidine and methylpiperazine.
Synthesis of functional polyurethanes
Traditionally, the synthesis of polyurethanes starts from diols, diisocyanates and a catalyst, but this industrial strategy has some major drawbacks such as the equimolarity principle which has to be fulfilled for polymerizations with a stepwise mechanism and the lack of full conversion of the isocyanate that could induce side-reactions. Moreover, introducing functional groups can be challenging because of side reactions occurring during the polymerization process. Overcoming these problems, a new method was developed based on the principle described earlier, comprising the synthesis and polymerization of AB’-monomers containing a thiolactone functionality, a urethane linkage and a “clickable” substrate. The corresponding polymerizations were performed based on two different pathways: the radical- and nucleophilic thiol-ene reaction9, 10.
10
First the radical thiol-ene reaction was explored in the synthesis of functional polyurethanes. For this purpose, “Alloc-thiolactone” was used, a monomer with an electron rich double bond, synthesized from DL-homocysteïne thiolactone hydrochloride and allylchloroformate (Figure 4).
Figure 4: Synthesis of Alloc-thiolactone from DL-homocysteïne thiolactone and allylchloroformate
The polymerization of Alloc-thiolactone was conducted under UV-irradiation at 40 °C in dry THF, using DMPA as photoinitiator and propylamine for the aminolysis of the thiolactone-unit (Figure 5). Upon aminolysis, a thiol is released which can subsequently react with the double bond via the radical thiol-ene reaction. The white precipitate formed during the polymerization was analyzed via SEC and an Mn of 3.300 g.mol-1 was obtained with a PDI of 2,51.
Figure 5: Radical polymerization of Alloc-thiolactone
Similarly, double functionalized polyurethanes were obtained performing the polymerization with two different amines in a one-pot fashion. The conditions were the same as previously described except for the aminolysis; each amine was used in a 1 to 1 ratio (two equivalents of amine in total). The following results were obtained:
Table 1. Polymerization of Alloc-thiolactone with two different amines
Amines Mna
(g.mol-1) M w
a (g.mol-1)
PDIa M nNMR
(g.mol-1) A1/A2(exp.) A1/A2 (thr.)b
Propylamine
N,N-dimethylethyl enediamine
2.700 5.200 1,92 4.000 46 % - 54 % 65 % - 35 %
Propylamine Glycine t-butyl ester
1.400 1.700 1,23 1.800 79 % - 21 % 88 % - 12 %
a Measurements via SEC with DMA as solvent; relative to PMMA-standards b Calculation via the theoretical ratios from the relation between the 2nd order rate constants
11
Reasons for the deviation between the experimental and theoretical incorporation of propylamine and N,N-dimethylethylenediamine could be ascribed to precipitation and experimental uncertainty of the calculated reactivities. However, when the polymerization is performed with two amines between which there is a larger contrast in reactivity, the agreement between theory and experiment improves.
In a next stage, functional polyurethanes were synthesized via the nucleophilic thiol-ene reaction. This pathway will be used to aim for the synthesis of functional polyurethanes with a higher molecular weight. Another advantage is the absent of radicals, as these may induce side-reactions. In contrast to the radical thiol-ene reaction, activated double bonds are required for the polymerization. Monomers were synthesized through reaction of a hydroxyl-functionalized acrylate with α-isocyanate-γ-thiolactone. First, α-isocyanate-γ-thiolactone was obtained through reaction of DL-homocysteïne thiolactone with phosgene (Figure 6).
Figure 6: Synthesis of α-isocyanate-γ-thiolactone
α-isocyanate-γ-thiolactone was reacted with 1,4-cyclohexanedimethanol monoacrylate (CHA). The reaction was performed in dichloromethane and catalyzed by dibutyltin dilaurate, while the monomer (CHA-Thiolactone) was purified via column chromatography and a yield of 92% was obtained (Figure 7).
Figure 7: Synthesis of CHA-Thiolactone
A polymerization condition for CHA-Thiolactone, with a maximal molecular weight, was found at a monomer concentration of 0,5 M in THF, adding 1,1 equivalents of amine (1 equivalent of amine for the aminolysis; 0,1 equivalents to catalyze the nucleophilic thiol-ene reaction). Experiments were performed for different amines and the following results were obtained: Table 2. Overview of the molecular weights for different amines towards the polymerization of CHA-
Thiolactone Amine Mn
* (g.mol-1) Mw* (g.mol-1) PDI*
Octylamine 12.000 20.300 1,69 N,N-dimethylethylenediamine 3.200 4.900 1,53
Allylamine 4.700 7.900 1,68 Propargylamine 1.900 3.100 1,63 Furfurylamine 3.600 7.800 2,17
3-Morpholinepropylamine 7.600 13.000 1,73 * Measurements via SEC after 24 h with DMA as a solvent; relative towards PMMA standards
12
Post-functionalization of linear polyurethanes
Functional polyurethanes can be developed using the thiolactone approach by directly introducing functionalities in the polyurethane structure via a functional amine. An interesting method is to couple “click”-functionalities onto the polyurethane backbone to further functionalize the polymer via highly efficient post-modification reactions.
Figure 8: Strategy for the post-functionalization of linear polyurethanes via the radical thiol-ene reaction
The ascribed method was explored synthesizing functional polyurethanes containing allylic side-chain functionalities through polymerization with allylamine. Octanethiol was coupled to the polyurethane structure, using the radical thiol-ene reaction11 (Figure 8). Samples for NMR- and SEC-analysis were taken after each step.
The successful modification was confirmed by NMR-analysis (Figure 9), from which it is shown that the signals of the double bond of allylamine (a-c) have completely disappeared after the modification step with octanethiol. An extra approval of the modification step was obtained by SEC-analysis. A gradual shift of the molecular weight after the post-modification reaction was observed, going from 5.300 g.mol-1 of the CHA-Thiolacton based polymer to 7.600 g.mol-1 after the radical thiol-ene reaction with octanethiol. Furthermore, future experiments will target the synthesis of multi-functional polyurethanes.
Figure 9: Overlay of the 1H-NMR spectra of the allyl-functionalized polyurethane (top) and the corresponding
thiol-click functionalized polyurethane via octanethiol (bottom)
13
Conclusion
We were able to synthesize functional polyurethanes, using thiolactones as precursors for thiols. Exploring the possibilities of this method, the project was started by determining the reaction rate for different amines towards the nucleophilic ring-opening of a thiolactone unit. It was found that the difference in reactivity for different amines can be related to electronic and sterical properties and that secondary or tertiary amines will not react, unless they are cyclic. Subsequently, (multi-)functional polyurethanes were synthesized via the radical and nucleophilic thiol-ene reaction starting from AB’-monomers containing a thiolactone-unit and an ene-substrate. The nucleophilic thiol-ene reaction was further explored by introducing “click”-functionalities onto the polyurethane backbone. Furthermore, efficient post-modification reactions were used to functionalize the polymer and to extend the scope in the synthesis of functional polyurethanes.
In conclusion, we demonstrated that this elegant method allows for the one-pot synthesis of (multi-)functional polyurethanes without any intermediate purification steps. Functionalities can be introduced either directly into the polyurethane structure or via post-polymerization modification reactions.
Acknowledgments
The authors thank ing. Jan Goeman for the GC analysis. Tim Courtin is acknowledged for the NMR measurements.
References
1. Plastics - the facts 2011. In An analysis of European plastics production, demand and recovery for 2010, PlasticsEurope, Ed. PlasticsEurope: 2011.
2. Martin E. Rogers, T. E. L., Synthetic methods in step-growth polymers. 2003; p 605. 3. Bayer, O. Angewandte Chemie 1947, 59, (9), 257-272. 4. Fournier, D.; Du Prez, F. Macromolecules 2008, 41, (13), 4622-4630. 5. Billiet, L.; Gok, O.; Dove, A. P.; Sanyal, A.; Nguyen, L.-T. T.; Du Prez, F. E.
Macromolecules 2011, 44, (20), 7874-7878. 6. Li, M.; De, P.; Gondi, S. R.; Sumerlin, B. S. Journal of Polymer Science Part A:
Polymer Chemistry 2008, 46, (15), 5093-5100. 7. Espeel, P.; Goethals, F.; Du Prez, F. E. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, (6), 1678-1681. 8. Garel, J.; Tawfik, D. S. Chemistry – A European Journal 2006, 12, (15), 4144-4152. 9. Hoyle, C. E.; Lowe, A. B.; Bowman, C. N. Chemical Society Reviews 2010, 39, (4),
1355-1387. 10. Lowe, A. B. Polymer Chemistry 2010, 1, (1), 17-36. 11. Hoyle, C. E.; Lee, T. Y.; Roper, T. Journal of Polymer Science Part A: Polymer
Chemistry 2004, 42, (21), 5301-5338.
14
Inhoudsopgave 15
Inhoudsopgave
Engelstalige samenvatting ................................................................................................ 5 Inhoudsopgave ................................................................................................................. 15 Lijst met gebruikte afkortingen ..................................................................................... 17
Inleiding en doelstelling .................................................................................................. 19 1
Theoretische beschrijving: Situering van het werk ..................................................... 22 2
2.1 Efficiënte reacties: een noodzaak in polymeersynthese ............................................ 22
2.1.1 Click-chemie ...................................................................................................... 22
2.1.2 Thiol click-reacties ............................................................................................. 24
2.2 In situ vorming van thiolen ........................................................................................ 30
2.2.1 Inleiding ............................................................................................................. 30
2.2.2 Disulfiden als beschermde vorm voor thiolen .................................................... 31
2.2.3 Ontschermen van een RAFT-eindgroep ............................................................. 32
2.2.4 Cyclische dithiocarbonaten als beschermgroep ................................................. 33
2.3 Een thiolacton als latente bron voor thiolen .............................................................. 34
2.3.1 Inleiding ............................................................................................................. 34
2.3.2 Lineaire polyurethanen via de thiolacton strategie............................................. 35
2.4 Polyurethanen ............................................................................................................ 35
2.4.1 Inleiding ............................................................................................................. 35
2.4.2 Structuur en synthese van polyurethanen ........................................................... 36
2.4.3 Functionele polyurethanen ................................................................................. 37
2.4.4 Synthese van functionele polyurethanen via click-chemie ................................ 39
Beschrijving van eigen werk .......................................................................................... 41 3
3.1 Aminolyse van een thiolacton: Reactiviteit van amines ............................................ 41
3.1.1 Inleiding ............................................................................................................. 41
3.1.2 Bepaling van de snelheidsconstanten ................................................................. 42
3.1.3 Conclusie ............................................................................................................ 47
3.2 Synthese van functionele polyurethanen ................................................................... 48
3.2.1 Inleiding ............................................................................................................. 48
3.2.2 Functionele polyurethanen via de radicalaire thiol-een reactie .......................... 49
16 Inhoudsopgave
3.2.3 Functionele polyurethanen via de nucleofiele thiol-een reactie ......................... 52
3.2.4 Conclusie ............................................................................................................ 63
3.3 Functionele polyurethanen via post-functionalisatie reacties .................................... 63
3.3.1 Inleiding ............................................................................................................. 63
3.3.2 Post-functionalisatie via de radicalaire thiol-een reactie .................................... 65
3.3.3 Post-functionalisatie via een Diels-Alder reactie ............................................... 66
3.3.4 Post-functionalisatie via CuAAC ....................................................................... 67
3.3.5 Conclusie ............................................................................................................ 69
3.4 Synthese van functionele polyurethaannetwerken .................................................... 70
3.4.1 Inleiding ............................................................................................................. 70
3.4.2 Methode .............................................................................................................. 70
3.4.3 Analyse van functionele polyurethaannetwerken via HR-MAS ........................ 72
3.4.4 Conclusie ............................................................................................................ 75
Besluit ............................................................................................................................... 76 4
Referenties ....................................................................................................................... 78 5
Experimenteel gedeelte ................................................................................................... 80 6
Gebruikte reagentia ........................................................................................................ 89 7
Gebruikte apparatuur .................................................................................................... 91 8
Lijst met gebruikte afkortingen 17
Lijst met gebruikte afkortingen
AIBN = 2,2’-azobis(iso-butyronitrile)
Alloc = N-(allyloxy)carbonyl
APT = Attached Proton Test
ATR = Attenuated Total Reflection
ATRP = Atoom Transfer Radicalaire Polymerisatie
CHA = 1,4-Cyclohexaandimethanol Monoacrylaat
COSY = Correlation Spectroscopy
CuAAC = Copper assisted Azide Alkyne Cyclo-addition
DMA = Dimethylaceetamide
DMAP = 4-Dimethylamineopyridine
DMF = Dimethylformamide
DMPA = 2,2-dimethoxy-2-fenylacetofenon
DMSO = Dimethylsulfoxide
DSC = Differentiële Scanning Calorimetrie
Et3N = Triethylamine
EZG = Elektronzuigende groep
FID = Flame Ionization Detector
GC = Gaschromatografie
HEA = Hydroxyethylacrylaat
HDI = Hexamethyleen-diisocyanaat
1H-NMR = Proton Nucleaire Magnetische Resonantie
HR-MAS = Hoge Resolutie-Magic Angle Spinning
HSQC = Heteronucleaire Single-Quantum Coherentie spectroscopie
IR = Infrarood
k2 = 2de orde snelheidsconstante
18 Lijst met gebruikte afkortingen
kobs = Pseudo-eerste orde snelheidsconstante
kt = Kamertemperatuur
LC-MS = Liquid Chromatography-Mass Spectrometry
MHz = Megahertz
MDI = Methaan-difenyl-diisocyanaat
Mn = Numeriek gemiddeld moleculair gewicht
Mw = Gewichtsgemiddeld moleculair gewicht
NMP = Nitroxide Mediated Polymerization
NMP = N-methyl-2-pyrrolidone
NMR = Nucleaire Magnetische Resonantie
PEO = PolyethyleenOxide
PPO = PolypropyleenOxide
PCR = Polymer Chemistry Research
PDI = Polydispersiteitsindex.
PDMS = Polydimethylsiloxaan
PMDETA = N,N,N′,N′′,N′′-Pentamethyldiethylenetriamine
PMMA = Polymethylmethacrylaat
PNIPAAM = Poly(N-isopropylacrylamide)
R² = Correlatiecoëfficiënt
RAFT = Reversible Addition Fragmentation Transfer
SEC = Size Exclusion Chromatography
TDI = Tolueen-diisocyanaat
Tg = Glastransitietemperatuur
TGA = Thermogravimetrische Analyse
THF = Tetrahydrofuraan
T1 = Longitudinale relaxatie
UV = Ultraviolet
Inleiding en doelstelling 19
Inleiding en doelstelling 1
Er bestaat een grote interesse in de synthese van functionele polymeren binnen zowel de
onderzoekswereld als de industrie, om zo tot materialen te komen met gewenste
eigenschappen. De functionalisatie van deze materialen kan op verschillende manieren bereikt
worden. Zo kan de polymerisatie uitgevoerd worden met monomeren waarop functionele
groepen reeds aanwezig zijn, een methode waarbij men echter snel geconfronteerd wordt met
reacties die niet orthogonaal zijn. Om deze reden wordt vaak overgeschakeld op post-
polymerisatie reacties voor de ontwikkeling van functionele polymeren. Echter vertonen de
meeste post-polymerisatie methoden een lage efficiëntie, waardoor “click”-reacties een goed
alternatief bieden omdat ze voldoen aan de nood voor orthogonale modificaties met een hoog
rendement.
De term “click”-chemie, geïntroduceerd door Sharpless et al1. in 2001, omvat reacties met een
hoge opbrengst en selectiviteit, eenvoudige reactiecondities en vlotte beschikbaarheid van
startproducten en reagentia. Een reactie die voldoet aan de vooropgestelde voorwaarden van
“click”-chemie is de koper-gekatalyseerde Huisgen 1,3-dipolaire cyclo-additie2, een reactie
die al vele jaren is ingeburgerd in de polymeersynthese. Een belangrijk nadeel aan deze
methode is de aanwezigheid en de moeilijke verwijdering van gecomplexeerd koper in het
eindproduct. Dit koper zorgt er namelijk voor dat het eindproduct groen gekleurd is en dat
bepaalde toepassingen, voornamelijk in de biomedische wereld, onmogelijk worden. Om deze
redenen wordt meer en meer onderzoek gedaan naar metaal-vrije click-reacties zoals Diels-
Alder3 en thiol-click reacties4 om te kunnen beschikken over een groter aanbod aan efficiënte
modificatiereacties voor de ontwikkeling van functionele polymeren.
20 Inleiding en doelstelling
Vooral thiol-click reacties5,6 vormen de laatste jaren een populair onderzoeksdomein binnen
de polymeersynthese. Deze reacties vertonen een hoge efficiëntie en verlopen snel. Daarnaast
zijn deze reacties metaal-vrij en kunnen ze door UV-licht of warmte geïnduceerd worden. Een
uitbreiding binnen dit onderzoeksveld, die recent werd gerealiseerd binnen de eigen
onderzoeksgroep, beschrijft het gebruik van een thiolactongroep als latente functionaliteit
voor een thiol. In een eerste stap wordt het thiolacton door een amine geopend via een
nucleofiele ring-opening met vorming van een thiolgroep dat vervolgens verscheidene thiol-
click reacties induceert (Figuur 1). Interessant aan deze methode is dat het thiolacton niet
alleen dient als beschermgroep, maar dat door het vrijstellen van dit thiol tevens een
functionele groep kan ingebouwd worden via het amine. Bovendien is men niet meer
afhankelijk van het beperkt commercieel aanbod aan thiolen daar deze voor amines ruimer is.
Deze thiolactonstrategie kan voor verschillende doeleinden binnen de polymeersynthese
toegepast worden, o.a. voor de synthese van functionele polyurethanen zoals in dit werk zal
beschreven worden.
Figuur 1: Nucleofiele ring-opening van een thiolacton met een amine, en de daarop volgende thiol “click”-reactie
Het doel van deze scriptie is tweeledig: enerzijds zal de voorgestelde thiolactonstrategie
uitgebreider onderzocht worden om inzicht te verkrijgen in de mogelijkheden en beperkingen
van de methode. Dit houdt in dat de reactiviteit van amines voor de aminolyse zal worden
nagegaan voor modelverbindingen en dat de snelheidsconstanten van deze reactie zullen
worden bepaald (Figuur 2).
Figuur 2: Reactiviteit van verschillende amines voor de nucleofiele ring-opening van een thiolacton
In een volgend stadium zullen thiolacton-bevattende monomeren gesynthetiseerd worden om
functionele polymeren, meer specifiek polyurethanen, te bekomen. Dit wordt bewerkstelligd
door uit te gaan van een AB’-monomeer zoals getoond in Figuur 3, waarbij de urethaan-
binding reeds inherent aanwezig is. Dankzij de unieke eigenschappen van de thiolactonentiteit
Inleiding en doelstelling 21
wordt het mogelijk om in een één-pot synthese functionele groepen te introduceren. Een extra
uitdaging zal zijn om in hetzelfde reactiemengsel meer dan één functionaliteit in te voeren.
Figuur 3: Een thiolacton-bevattend AB’-monomeer voor de synthese van functionele polyurethanen
Belangrijk om te vermelden is dat op deze manier ook “klikbare” substraten kunnen
ingevoerd worden op de polymeerhoofdketen. Dit laat toe om platformen te creëren voor
verdere post-polymerisatie modificaties en zo een extra uitbreiding te ontwikkelen voor de
synthese van functionele polyurethanen.
In gedachte houdend dat polyurethanen voornamelijk als vernette materialen verwerkt
worden, zal ten slotte op een analoge manier getracht worden om functionele
polyurethaannetwerken te synthetiseren en karakteriseren. Bijkomend zal, door een selectieve
keuze van het amine, beoogd worden om polyurethaannetwerken te synthetiseren met
interessante eigenschappen.
22 Theoretische beschrijving: Situering van het werk
Theoretische beschrijving: 2Situering van het werk
2.1 Efficiënte reacties: een noodzaak in polymeersynthese
2.1.1 Click-chemie
Sharpless et al.1 introduceerde in 2001 de term “click”-chemie voor eenvoudige reacties met
een hoge opbrengst en selectiviteit, waardoor reactiesequenties en zuiveringsprocedures sterk
vereenvoudigd kunnen worden. “Click”-reacties kunnen in 4 categorieën onderverdeeld
worden:
- Cycloaddities van onverzadigde verbindingen: vb. 1,3-dipolaire cyclo-additie,
Diels-Alder reacties
- Nucleofiele substitutiereacties: vb. ring-openingsreacties van gespannen
heterocyclische elektrofielen zoals epoxiden, aziridinen, ...
- Carbonyl-reacties (geen aldol-reacties): vb. vorming van urea, aromatische
heterocyclische verbindingen, amides, ...
- Addities aan koolstof-koolstof dubbele bindingen: oxidatieve reacties zoals de
Michael-additie
Om te behoren tot de groep van “click”-reacties moet er voldaan worden aan een reeks van
specifieke voorwaarden. Zo moet de reactie algemeen toepasbaar zijn en moet een hoge
opbrengst bereikt worden waarbij enkel onschadelijke nevenproducten gevormd worden
(zuivering preferentieel via niet-chromatografische methoden). Andere specificaties voor
“click”-reacties zijn stereospecificiteit, eenvoudige reactiecondities (liefst niet gevoelig voor
zuurstof en water) en vlotte beschikbaarheid van startproducten en reagentia.
Theoretische beschrijving: Situering van het werk 23
De voornaamste toepassing van dit concept binnen de polymeerchemie zijn post-
polymerisatie reacties. Bij vele van deze methoden wordt men vaak geconfronteerd met een
lage efficiëntie en nevenreacties waardoor een mengsel aan producten, vaak met een lage
functionalisatiegraad, wordt verkregen. Vandaar dat click-reacties een elegante oplossing
brengen om op een efficiënte manier extra functionaliteiten te introduceren in een polymeer.
Mede door zijn populariteit zijn sinds 2001 al meer dan 5000 artikels en reviews gepubliceerd
in het domein van “click”-chemie. Jammer genoeg zitten hier te vaak publicaties tussen
waarin reacties worden beschreven die volgens de definitie niet behoren tot de groep van
“click”-chemie. Dit zijn dan reacties zonder hoge opbrengst, waarbij chromatografische
zuiveringstechnieken vereist zijn of waarbij één van de reagentia in grote overmaat aanwezig
is.
Als tegenreactie hierop werd door een aantal onderzoeksgroepen waaronder de PCR-groep in
2011 het concept rond “click”-reacties binnen de polymeerchemie opnieuw gedefinieerd7.
Zoals beschreven in Figuur 4 moeten “click”-reacties volgens de definitie van Sharpless
vooral breed toepasbaar en chemoselectief zijn en met een hoge opbrengst verlopen.
Daarnaast zijn bijkomende voorwaarden zoals equimolariteit en eenvoudige zuivering
specifiek belangrijk voor polymeerchemie.
Voorwaarden voor "click"-reacties
equimolariteit
eenvoudige zuivering
hoge opbrengst
breed toepasbaar
chemoselectief
Sharpless'definitie
Polymeer
specifiek
Figuur 4: Specificaties voor "click"-reacties binnen de polymeerchemie
24 Theoretische beschrijving: Situering van het werk
Een reactie die het meeste voldoet aan de voorwaarde voor “click”-reactie is de koper-
gekatalyseerde Huisgen 1,3-dipolaire cycloadditie2. Deze reactie, tussen een azide en een
alkyn (Figuur 5), is orthogonaal, bereikt een hoge opbrengst en het eindproduct, een 1,2,3-
triazol, kan via een eenvoudige zuivering geïsoleerd worden. Indien geen gebruik wordt
gemaakt van koper als katalysator wordt geen hoog rendement verkregen en verloopt de
reactie traag.
Figuur 5: Kopergekatalyseerde 1,3-dipolaire cycloadditie reactie tussen een azide en een alkyn De nadelen aan deze reactie zijn het explosief karakter van laagmoleculair gewicht azides en
het gebruik van koper, wat een groen eindproduct oplevert en bepaalde toepassingen, vooral
in de biomedische wereld, vaak uitsluit. Hierdoor wordt meer en meer onderzoek gedaan op
metaal-vrije click-reacties zoals Diels-Alder reacties3 en thiol click-reacties4.
2.1.2 Thiol click-reacties
2.1.2.1 Inleiding
Net zoals de koper-gekatalyseerde azide-alkyn click-reactie vertonen thiol-click reacties4 een
zeer hoge efficiëntie en verlopen ze zeer snel. Bijkomende voordelen zijn de diversiteit aan
substraten waarmee deze reacties kunnen doorgaan en dat deze reacties metaal-vrij zijn.
Theoretische beschrijving: Situering van het werk 25
Figuur 6: Overzicht van thiol click-reacties6 (EZG = ElektronZuigende Groep)
In Figuur 6 wordt een overzicht gegeven van de meest gebruikte thiol click-reacties. De
relevantste hiervan in het kader van deze scriptie zijn de radicalaire en nucleofiele thiol-een
reactie, deze worden verder beschreven.
2.1.2.2 Radicalaire thiol-een reactie
De radicalaire additiereactie tussen een thiol en een alkeen5 wordt al sinds 1930 toegepast
voor de productie van adhesieven, coatings voor elektronica, … . De reactie verloopt
regioselectief en zeer snel, waarbij de reactiviteit afhangt van de structuur van het thiol en het
alkeen. Door deze “click”-eigenschappen, is deze reactie de laatste jaren ingeburgerd in de
polymeersynthese als methode voor de post-functionalisatie van polymeren.
26 Theoretische beschrijving: Situering van het werk
Mechanisme van de radicalaire thiol-een reactie
Een radicalaire thiol-een reactie6 (Figuur 7) verloopt via een proces van initiatie, propagatie
en terminatie.
Figuur 7: Mechanisme van de radicalaire thiol-een reactie
Tijdens de initiatie wordt het thiol tot het overeenkomstig thiyl radicaal omgezet, een proces
dat zowel thermisch als fotochemisch kan verlopen. Bij een thermische initiatie wordt vaak
2,2’-Azobis(IsoButyroNitrile) (AIBN) gebruikt, bij een fotochemische initiatie 2,2-
DiMethoxy-2-PhenylAcetophenon (DMPA) of benzophenon (Figuur 8).
Figuur 8: AIBN, DMPA en benzophenon als initiators voor de radicalaire thiol-een reactie
Propagatie gebeurt in twee stappen: eerst zal het thiyl radicaal adderen aan de dubbele binding
met de vorming van een intermediair koolstofradicaal. Vervolgens zal dit intermediair
koolstofradicaal een waterstof onttrekken van een thiol waarbij het (anti-Markovnikov) thiol-
een product ontstaat.
Terminatie kan optreden door enerzijds head-to-head radicaal koppeling van koolstoffen en
anderzijds door thiyl-thiyl radicaal koppeling waarbij disulfiden gevormd worden.
Theoretische beschrijving: Situering van het werk 27
Snelheid van de radicalaire thiol-een reactie
De radicalaire thiol-een reactie verloopt algemeen zeer snel waarbij de reactiviteit bepaald
wordt door de structuur van het alkeen en het thiol5. De reactiviteit van het alkeen is
gerelateerd aan de elektrondensiteit; elektronrijke alkenen reageren sneller dan elektronarme.
In 2004 werd door Hoyle et al.5 een overzicht gegeven van de reactiviteit van alkenen met
verschillende elektrondichtheden (Figuur 9):
Norborneen > Vinyl ether > Propenyl ether > alkeen ≈ Vinyl ester > N-Vinyl amide > Allyl
ether ~ Allyltriazine ~ Allylisocyanuraat > Acrylaat > Onverzadigd ester > N-gesubstitueerde
maleïmide > Acrylonitrile ~ Methacrylaat > Styreen > Geconjugeerd dieen
Figuur 9: Alkeenstructuren met een verschillende elektrondensiteit
Norborneen, methacrylaten, styreen en geconjugeerde alkenen zijn uitzonderingen op de
regel; norborneen reageert zeer snel door een uitzonderlijk snelle thiyl additie en waterstof
abstractie van het thiol door bijhorend significant verlies aan ringspanning. Methacrylaat,
styreen en geconjugeerde alkenen reageren traag door de stabiliteit van het intermediair
koolstofradicaal waardoor de protonabstractie langzaam verloopt.
Een andere factor die de reactiviteit van het alkeen beïnvloedt, is de substitutiegraad; sterk
gesubstitueerde alkenen zijn minder reactief in vergelijking met zwak gesubstitueerde, wat
aantoont dat sterische hindering een belangrijke factor is in de reactiviteit van alkenen.
28 Theoretische beschrijving: Situering van het werk
De reactiviteit van het thiol is afhankelijk van de sterkte van de zwavel-waterstof binding.
Wanneer deze kan verzwakt worden door waterstofbrugvorming, zal het thiyl radicaal sneller
gevormd worden en zal de snelheid van de radicalaire thiol-een reactie toenemen. Zo zal
methyl mercaptopropionaat 6 x sneller reageren met 1-hepteen dan 1-pentaanthiol (Figuur
10).
Figuur 10: Methylmercaptopropionaat en 1-pentaanthiol als modelverbindingen voor de reactiviteit van thiolen in de radicalaire thiol-een reactie
Voor elektronarme alkenen zoals acrylaten verloopt de waterstofabstractie traag door de
stabilisatie van het intermediair radicaal. Dit zal ertoe leiden dat het gevormd koolstofradicaal
zal adderen aan een volgend monomeer waardoor oligomeren en polymeren gevormd worden,
daardoor zal voor dit soort monomeren overgeschakeld worden op de nucleofiele thiol-een
reactie.
Behalve met een alkeen kan een thiol ook met een alkyn reageren via de radicalaire thiol-yn
reactie. In dit geval kan het thiyl-radicaal tweemaal adderen aan het alkyn, waarbij de tweede
additiereactie meestal sneller is dan de eerste8.
2.1.2.3 Nucleofiele thiol click-reacties
Thiol-een reacties kunnen naast een radicalair mechanisme ook via een nucleofiel
mechanisme verlopen4, waarbij de belangrijkste in het kader van deze thesis de nucleofiele
thiol-een reactie oftewel thiol-Michael additie is. Deze additiereactie tussen een thiol en een
geactiveerd alkeen zoals een acrylaat9 kan gekatalyseerd worden door een base zoals een
amine volgens het mechanisme weergegeven in Figuur 11.
Theoretische beschrijving: Situering van het werk 29
Figuur 11: Mechanisme van de nucleofiele thiol-een reactie oftewel thiol-Michael additie
In een eerste stap wordt het thiol door de base gedeprotoneerd, waarna een thiolaatanion
gecreëerd wordt. Het thiolaatanion addeert vervolgens aan de geactiveerde dubbele binding
via een Michael additie met de vorming van het enolaatanion. Dit enolaatanion zal een proton
abstraheren van het thiol of de geprotoneerde base waarbij het eindproduct verkregen wordt.
De snelheid van de reactie wordt bepaald door de structuur van het thiol en het alkeen alsook
door de katalysator9. Zo zal de reactie sneller doorgaan voor thiolen met een lagere pKa of bij
sterker geactiveerde alkenen. Voor de katalysator zorgen primaire amines voor een hogere
reactiesnelheid ten opzichte van secundaire of tertiaire amines, fosfines daarentegen verhogen
de snelheid zelfs met een factor 100 in vergelijking met primaire amines.
Figuur 12: Thiol-Michael additie van PNIPAAM en bismaleïmide
Een voorbeeld waarbij de thiol-click reactie werd aangewend in de polymeersynthese werd
beschreven door Sumerlin et al.10 (Figuur 12). Poly(N-IsoPropylAcrylAmide) (PNIPAAM)
werd gepolymeriseerd via een Reversible Addition Fragmentation Transfer (RAFT)-
polymerisatie waarna de RAFT-eindgroep werd omgezet naar het thiol door aminolyse. Het
gevormd thiol reageerde vervolgens verder via een thiol-Michael additie met een overmaat
aan 1,8-bismaleïmidodiethyleenglycol waarbij het niet-gereageerde maleïmide gebruikt werd
voor oa. de synthese van blockcopolymeren.
30 Theoretische beschrijving: Situering van het werk
2.2 In situ vorming van thiolen
2.2.1 Inleiding
Thiol-click reacties worden steeds meer geïmplementeerd in de polymeersynthese, mede
doordat deze reacties metaalvrij zijn alsook doordat ze met een hoge efficiëntie verlopen. Zo
werd de thiol-halogeen reactie door Becer et al.11 toegepast voor de ontwikkeling van
glycopolymeren. Pentafluorostyreen werd gepolymeriseerd via Nitroxide Mediated
Polymerization (NMP), waarna een nucleofiele substitutie kon plaatsvinden van thiol-glucose
bouwblokken (Figuur 13).
Op deze manier was het mogelijk om biomoleculen aan polymeren te koppelen, een
interessante methode voor de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen.
Figuur 13: Synthese van glycopolymeren via de thiol-fluoro click-reactie (SG1 = NMP-bouwblok)
Het werken met thiolen brengt ook nadelen met zich mee; thiolen hebben een onaangename
geur, ze zijn niet erg stabiel omwille van oxidatiereacties en bijhorende disulfidevorming en
hun commercieel aanbod is eerder klein.
Daarom wordt er, mede door de groeiende populariteit van thiol-click reacties, steeds meer
onderzoek gedaan naar methodes om thiolen in te voeren onder de vorm van een beschermd
thiol, zodat men een externe stimulus kan gebruiken om later het thiol vrij te stellen.
Voorbeelden van beschermgroepen voor thiolen zijn p-methoxybenzyl thioether, trityl
thioether, benzyl thioether en thioacetaat (Figuur 14). Ontscherming gebeurt door behandeling
met sterk zuur12,13, aminolyse14,15 of reductie met Na/vloeibare ammoniak16.
Theoretische beschrijving: Situering van het werk 31
Deze strategieën hebben echter een lage atoomefficiëntie waardoor het interessant is om
betere beschermmethoden voor thiolen te onderzoeken. In wat volgt worden verder nog
enkele interessante methoden beschreven om thiolen in situ in te voeren.
Figuur 14: Beschermgroepen voor thiolen: p-methoxybenzyl thioether, trityl thioether, benzyl thioether en thioacetaat
2.2.2 Disulfiden als beschermde vorm voor thiolen
Een disulfidebinding is een reversiebele binding tussen twee thiolen, die door oxidatie
gevormd wordt en door reductie wordt afgebroken, daarnaast kan deze binding ook
uiteenvallen door een uitwisselingsreactie met een thiol17-19 (Figuur 15).
Figuur 15: Disulfide uitwisselingsreactie voor de synthese van functionele polymeren
Davis et al.20 pasten deze methode toe voor de eindfunctionalisatie van polymeren ontwikkeld
via Atoom Transfer Radicalaire Polymerisatie (ATRP) als gecontroleerde
polymerisatiemethode (Figuur 16). Tert-butylacrylaat werd gepolymeriseerd door toevoeging
van 2-bromopropionaat als initiator en CuBr/PMDETA als katalysator. Op het einde van de
polymerisatie werd een polymeer verkregen met een broom-eindgroep die door reactie met
methaanthiosulfonaat werd omgezet in een disulfide. Het polymeer werd vervolgens
gefunctionaliseerd door toevoeging van een overmaat 2-aminoëthaanthiol, 2-
mercaptopropionzuur of 2-mercaptoëthanol.
32 Theoretische beschrijving: Situering van het werk
Figuur 16: Eindfunctionalisatie van polymeren via een disulfide-uitwisseling
2.2.3 Ontschermen van een RAFT-eindgroep
Via RAFT-polymerisatie kunnen polymeren met controle over het moleculair gewicht
ontwikkeld worden. Voor de polymerisatie is een RAFT-reagens nodig, een thiocarbonylthio-
verbinding. Deze component zal verschillende reacties induceren waardoor polymeren met
een gecontroleerd moleculair gewicht en lage polydispersiteit verkregen worden. Achteraf kan
het di- of trithiocarbonaat, dat als RAFT-reagens op het uiteinde van het polymeer aanwezig
is, verwijderd worden door een aminolyse met vorming van een thiol. Dankzij het breed
aanbod aan beschikbare thiol click-reacties is het uiteindelijk mogelijk om het polymeer
verder te functionaliseren21 (Figuur 17). Deze methode leent zich uitstekend voor de
ontwikkeling van telechelische polymeren, maar indien men meerdere functionaliteiten op het
polymeer wil introduceren zal men zich moeten richten tot andere methoden.
Figuur 17: Ontscherming van een RAFT-groep waarbij het thiol in situ gevormd wordt waarna een thiol click-reactie kan doorgaan
Theoretische beschrijving: Situering van het werk 33
Koo et al.22 hebben deze methode aangewend voor polymeer-polymeer koppeling. Hierbij
werden lage opbrengsten bekomen en werd men geplaagd door verschillende nevenreacties.
Indien een overmaat van één van de polymeren gebruikt werd behaalde men wel een
kwantitatieve polymeer-polymeer koppeling, maar werd niet meer voldaan aan het criterium
van equimolariteit voor click-reacties binnen de polymeerchemie7.
2.2.4 Cyclische dithiocarbonaten als beschermgroep
Een cyclisch dithiocarbonaat kan gebruikt worden als precursor voor een thiol23 waarbij op
het gewenste moment het thiol kan vrijkomen via een aminolyse en gebruikt worden voor
verschillende thiol click-reacties (Figuur 18). Zo ontwikkelde Endo et al. polythiourethanen
via de thiol-isocyanaat click-reactie24,25. Nadelen van deze methode zijn enerzijds de trage
aminolyse waardoor een lange reactieduur nodig is om een hoge opbrengst te bereiken,
anderzijds zijn deze cyclische dithiocarbonaten niet commercieel beschikbaar waardoor een
intensievere monomeersynthese vereist is.
Figuur 18: Cyclische dithiocarbonaten als beschermgroep voor thiolen
34 Theoretische beschrijving: Situering van het werk
2.3 Een thiolacton als latente bron voor thiolen
2.3.1 Inleiding
Een unieke methode voor de invoering van beschermde thiolen binnen de polymeersynthese
is de introductie van een thiol onder de vorm van een thiolactonverbinding. Deze methode
start vanuit commerciële thiolactonverbindingen zoals N-acetylhomocysteïne thiolacton of
DL-homocysteïne thiolacton hydrochloride, verbindingen die reeds in de jaren ’50 gebruikt
werden om de vrije amine-groepen van gelatine te thioleren26.
Figuur 19: Nucleofiele ring-opening van het N-acetylhomocysteïne thiolacton door een amine met vrijstelling van het thiol
Door reactie met een amine kan het thiolacton geopend worden en kan via het thiol een breed
aanbod aan thiol-click reacties doorgaan (Figuur 19). Wat deze methode bijzonder interessant
maakt, is dat naast het vrijstellen van een thiol, ook een extra functionele groep kan ingevoerd
worden via het amine.
Thiolactonen zijn belangrijke componenten in de synthese van biologisch actieve
verbindingen zoals biotine, aidsremmers, geneesmiddelen tegen borstkanker, etc.27 maar
kunnen ook in het lichaam gevormd worden en mogelijks aanleiding geven tot hart- en
vaatziekten28-30. Daarnaast bestaan ook natuurlijke producten die een thiolactonentiteit
bevatten zoals N-acetylhomocysteïne, een product dat door bacteriën geproduceerd kan
worden26 en tevens een geneesmiddel voor leverstoornissen31.
Theoretische beschrijving: Situering van het werk 35
2.3.2 Lineaire polyurethanen via de thiolacton strategie
Verbindingen die naast een thiolacton ook een ‘klikbaar’ substraat bevatten, worden
beschouwd als AB’-monomeren die na een ontschermingsstap kunnen worden omgezet in
polymeriseerbare AB-monomeren. Om dit te illustreren werden in 2011 door de PCR-groep
lineaire polyurethanen ontwikkeld32, vertrekkend vanuit N-(allyloxy)carbonylhomocysteïne
thiolacton (“Alloc-Thiolacton”) als AB’-type monomeer, waarbij door opeenvolgende
aminolyse en UV-geïnduceerde thiol-een reactie een lineair polyurethaan bekomen werd
(Figuur 20).
Figuur 20: Synthese van lineaire polymeren door aminolyse en opeenvolgende radicalaire thiol-een reactie van Alloc-Thiolacton
2.4 Polyurethanen
2.4.1 Inleiding
Een belangrijke doorbraak in de ontwikkeling van de moderne kunststofindustrie kwam er in
1907 toen Leo Baekeland33 een kunsthars ontwikkelde op basis van fenol en formaldehyde
(Bakeliet). Nu, ongeveer 100 jaar later, is de polymeerindustrie en de synthese van
kunststoffen, onontbeerlijk in de huidige maatschappij. Denk maar aan plastic verpakkingen
voor voedsel, kleren, isolatiemateriaal, … .
Een belangrijke groep binnen deze plastics zijn polyurethanen34, een materiaalklasse met een
consumptie van maar liefst 3 miljoen ton in Europa in 201035. Deze materialen worden vooral
gebruikt als schuim in o.a. isolatiemateriaal, zetels en kleren of als coating voor elektronica,
autobumpers en vloeren36. Aan de basis van deze toepassingen ligt de structuur van
polyurethanen.
36 Theoretische beschrijving: Situering van het werk
2.4.2 Structuur en synthese van polyurethanen
De vorming van polyurethanen34, 36-38 gebeurt algemeen door een stapsgewijze polymerisatie
van twee bi- of hogere functionele monomeren38 in de aanwezigheid van een katalysator zoals
tertiaire amines of tin. Het ene monomeer bevat twee of meerdere isocyanaat groepen en het
andere monomeer twee of meerdere hydroxyl groepen (Figuur 21).
Figuur 21: Opbouw van een polyurethaan vanuit het isocyanaat en het diol
De isocyanaten die gebruikt worden voor de synthese van polyurethanen kunnen in twee
klassen onderverdeeld worden: nl. aromatische isocyanaten zoals Methaan-Difenyl-
diIsocyanaat (MDI) of Tolueen-DiIsocyanaat (TDI) en alifatische isocyanaten zoals
Hexamethyleen-DiIsocyanaat (HDI) (Figuur 22).
Figuur 22: MDI, TDI en HDI als isocyanaten voor de synthese van polyurethanen
Voor de alcoholen wordt er voornamelijk een onderscheid gemaakt op basis van de structuur
van het polyol; zo zijn er polyether polyolen op basis van polyethyleen of propyleen oxide en
polyester polyolen, verkregen door verestering van een dizuur zoals adipinezuur met een
overmaat aan diol zoals ethyleenglycol (Figuur 23).
Theoretische beschrijving: Situering van het werk 37
Figuur 23: PEO, PPO en adipinezuur veresterd door ethyleenglycol als polyolen
Door een specifieke keuze van het isocyanaat en het diol kunnen de eigenschappen van
polyurethanen aangepast worden. Zo kunnen flexibele polyurethanen gemaakt worden
gebruik makend van een alifatische diol, voor stijvere materialen kunnen MDI of TDI
geïncorporeerd worden.
2.4.3 Functionele polyurethanen
De synthese van functionele polymeren en meer specifiek functionele polyurethanen vormt
een belangrijk onderzoeksveld binnen de polymeerchemie om deze bulkpolymeren een
hogere toegevoegde waarde te geven en ze in te zetten in nieuwe applicatiegebieden. Zo
kunnen functionele polyurethanen verkregen worden via mono-alcoholen en –isocyanaten als
ketenstoppers. Hierdoor zal de polymerisatie gedeeltelijk getermineerd worden, maar wordt
een nieuwe functionaliteit op de uiteindes van de polyurethaanketen geïntroduceerd. Deze
nieuwe functionaliteit kan verder gebruikt worden voor verscheidene andere post-
polymerisatie reacties.
Op deze manier slaagde Gopalan et al.39 erin om UV-vernetbare polyurethanen te
ontwikkelen door hydroxyethyl(meth)acrylaat als ketenstopper te gebruiken en via een UV-
geïnduceerde radicaalreactie een polymeernetwerk te vormen (Figuur 24).
Deze methode staat toe om telechelische polymeren te ontwikkelen, maar wanneer men de
concentratie aan functionele groepen op het polymeer wil verhogen, zal men zich tot
alternatieve strategieën moeten richten zoals verder beschreven zal worden.
38 Theoretische beschrijving: Situering van het werk
Figuur 24: Eindfunctionalisatie van polyurethanen via hydroxyethylmethacrylaat voor de synthese van UV-vernetbare polyurethanen
Een ander voorbeeld beschrijft de vorming van polyhydroxyurethanen40,41 als functionele
polyurethanen, ontwikkeld door het diisocyanaat en het diol te vervangen door een cyclisch
dicarbonaat en een diamine (Figuur 25). Tijdens de polymerisatie wordt een
polyurethaanketen opgebouwd met primaire en secundaire alcoholen op de zijketen die niet
zullen reageren met het cyclisch carbonaat en op deze manier verkrijgt men
polyhydroxyurethanen.
Achteraf kunnen de eigenschappen van het polyurethaan verder aangepast worden door het
alcohol met verschillende groepen (zoals zuurhalides, isocyanaten of biomoleculen) te laten
reageren42. De reactiviteit tussen het cyclisch carbonaat en het amine is eerder laag waardoor
deze methode een lange reactieduur vereist om een hoge opbrengst en hoog moleculair
gewicht te bereiken (> 24 u).
Theoretische beschrijving: Situering van het werk 39
Figuur 25: Synthese van functionele polyurethanen via cyclische dicarbonaten en diamines
2.4.4 Synthese van functionele polyurethanen via click-chemie
Veel gebruikte reacties voor de modificatie van polymeren vertonen een laag rendement of
zijn niet orthogonaal. Om deze redenen bieden “click”-reacties een goed alternatief voor de
post-functionalisatie van bestaande polymeren. Zo werden functionele polyurethanen door
Fournier et al.43 in 2008 gesynthetiseerd via diolen met alkyn-functies in de hoofdketen. Via
de koper-gekatalyseerde Huisgen 1,3-dipolaire cycloadditie werden functionele azides
gekoppeld aan het polyurethaan (Figuur 26).
N
NN
N
NN
N
NN
N
NN
R R
R R
R-N3
Cu(I)
Figuur 26: Functionalisatie van polyurethanen via de azide-alkyn click-reactie
Deze post-polymerisatiereactie is echter niet metaalvrij en er moet nog altijd rekening
gehouden worden met het explosief karakter van laag-moleculair gewicht azides. Daarom is
de thiol-maleïmide click-reactie een goed alternatief als metaal-vrije click-reactie. Zo paste
Billiet et al.44 deze methode toe om functionele polyurethanen te ontwikkelen door
maleïmide-groepen in te bouwen op de zijketens van het polyurethaan. Achteraf konden
40 Theoretische beschrijving: Situering van het werk
nieuwe functionaliteiten aan het polymeer gekoppeld worden via een thiol-maleïmide click-
reactie (Figuur 27).
Figuur 27: Functionele polyurethanen via de thiol-maleïmide click-reactie
Beschrijving van eigen werk 41
Beschrijving van eigen werk 3
3.1 Aminolyse van een thiolacton: Reactiviteit van amines
3.1.1 Inleiding
Een unieke methode voor de invoering van beschermde thiolen binnen de
polymeersynthese is de introductie van een thiol onder de vorm van een
thiolactonverbinding. Door aminolyse van deze component wordt een thiol gevormd en
kan een brede waaier aan thiol click-reacties in situ doorgaan. Eén van de doelstellingen
van deze scriptie is dan ook om de eigenschappen van deze thiolactonstrategie verder te
onderzoeken en zo de mogelijkheden en beperkingen van deze aanpak te bepalen.
De eigenschap die hier zal onderzocht worden, is de snelheid waarmee reacties met
thiolactonverbindingen doorgaan. Omdat het reeds aangetoond is dat thiol click-reacties
algemeen snel zijn5, wordt verondersteld dat de aminolyse van het thiolacton de
snelheidsbepalende stap is wanneer deze reacties achtereenvolgens doorgaan. Daarom
werd gekozen om binnen deze scriptie de reactiviteit van amines voor de aminolyse na te
gaan voor modelverbindingen om zo de snelheidsconstanten van deze reactie te bepalen.
Eens er een kennis is over de reactiviteit zal deze informatie geïmplementeerd worden in
onderzoek betreffende thiolactonen binnen de organische chemie en polymeersynthese. Op
deze manier zal op voorhand kunnen voorspeld worden welke amines al dan niet reageren
met een thiolacton en hoe snel deze reacties zijn.
42 Beschrijving van eigen werk
3.1.2 Bepaling van de snelheidsconstanten
De bepaling van de snelheidsconstante voor de aminolyse van het thiolacton verloopt in
twee stappen (Figuur 28). In een eerste stap wordt de aminolyse van een modelreactie
tussen een modelthiolacton en verschillende amines gevolgd via een online
infraroodmeting om een idee te hebben over de reactieduur. Deze informatie is nodig om
in de 2de stap de experimentele procedure te bepalen voor de offline meting via
GasChromatografie (GC), een experiment waaruit de snelheidsconstante kan berekend
worden.
Figuur 28: Aminolyse van γ-thiobutyrolacton als modelreactie voor de online IR studie
Bij een online infraroodmeting wordt de samenstelling van een reactiemengsel in functie
van de tijd gevolgd door een infrarode straal onder een bepaalde hoek op het
vloeistofoppervlak te richten volgens het principe van Attenuated Total Reflection (ATR).
Uiteindelijk wordt per meting een klassiek infraroodspectrum verkregen met
karakteristieke vibraties afhankelijk van de samenstelling van het mengsel. Door
uiteindelijk de verschillende metingen in functie van de tijd samen te brengen, kan een
reactie online bestudeerd worden (Figuur 29).
Figuur 29: 3D grafiek van een online IR meting tussen benzylamine en γ-thiobutyrolacton in functie van de tijd
waarbij de verschillende infraroodmetingen samengebracht zijn
Amide C=O Thiolacton
Beschrijving van eigen werk 43
Voor de online infraroodmeting van de modelreactie tussen γ-thiobutyrolacton en een
amine wordt de afname van het signaal van het thio-ester (υ = 1710 cm-1) in functie van de
tijd nagegaan (Figuur 30) ten opzichte van de toename van het signaal van het amide bij
1665 cm-1. Als thiolactonverbinding werd gekozen voor γ-thiobutyrolacton om
vermoedelijke problemen omtrent interferentie te vermijden (vb. amide-signaal in N-
acetylhomocysteïne thiolacton) en niet geconfronteerd te worden met nevenreacties (vb.
polymerisatie van DL-homocysteïne thiolacton).
1720 1700 1680 1660 16400,0
0,2
0,4
0,6
Rel
atie
ve in
ten
site
it (a
.u.)
Golfgetal (cm-1)
C=O Thiolacton
Amide
Figuur 30: Aminolyse van γ-thiobutyrolacton in functie van de tijd
Uit de informatie over de reactieduur zal een experimentele conditie opgesteld worden om
de aminolyse van γ-thiobutyrolacton via een offline GC-meting te volgen. Daarbij zal de
reactieduur bepalen bij welke tijdsintervallen een sample genomen moet worden dat
vervolgens via GC geanalyseerd wordt.
Tijdens deze GC-analyses worden de verschillende componenten in het staal gescheiden
op basis van hun kookpunt. Door gebruik van een interne standaard kan de concentratie
van elke component in het staal berekend worden. Het signaal van γ-thiobutyrolacton werd
geïntegreerd relatief ten opzichte van het signaal van dodecaan (Figuur 31). Op deze wijze
werd de concentratie van γ-thiobutyrolacton in functie van de tijd berekend voor de
modelreactie tussen een thiolacton en een amine om zo uiteindelijk in staat te zijn om de
snelheidsconstante voor elke reactie te bepalen.
44 Beschrijving van eigen werk
Figuur 31: Voorbeeld van het GC chromatogram van een sample waarbij het oppervlak van het thiolacton
gemeten wordt relatief tegenover dodecaan
In de literatuur kan gevonden worden dat de aminolyse van een thiolacton een 2de orde
afhankelijkheid vertoont; 1ste orde in zowel de concentratie van het amine als het
thiolacton45. Om in dit geval de snelheidsconstante te achterhalen moeten metingen
uitgevoerd worden bij minstens 5 verschillende concentraties voor elke component
(thiolacton en amine), wat betekent dat er minstens 25 experimenten nodig zijn om de
reactiviteit van één amine na te gaan. Om deze arbeidsintensieve experimenten te
vermijden werd een efficiëntere manier aangewend door te werken in een zogenaamde
pseudo-eerste orde conditie46. Deze conditie zal bereikt worden wanneer één van de twee
componenten in grote overmaat aanwezig is, waardoor verondersteld kan worden dat de
concentratie van dit reagens onveranderlijk is. In dit geval wordt er gekozen voor het
amine, zodat de reactiesnelheid onafhankelijk zal zijn van de concentratie van deze
component. De overmaat die hiervoor nodig is, werd nagegaan via een online
infraroodmeting waarbij vastgesteld werd dat vanaf een 50-voudige overmaat aan amine de
reactieduur van de aminolyse constant blijft.
Bij deze 50-voudige overmaat wordt een pseudo-eerste orde conditie bereikt, wat de
vergelijking voor de bepaling van de snelheidsconstante vereenvoudigt volgens:
−d�thiolacton�dt
= k��thiolacton��amine�
k��� = k��amine�(pseudo − 1steordeconditie)
−d�thiolacton�
dt= k����thiolacton�
Beschrijving van eigen werk 45
� d�thiolacton��thiolacton�
��������� �
��������� �
= −k���� dt
�
�
ln�thiolacton���thiolacton�� = −k���t
k� =k���
�amine�
kobs kan bepaald worden door de concentratie van het thiolacton in functie van de tijd te
volgen relatief t.o.v. dodecaan als interne standaard. Omdat de concentratie van het amine
gekend is, kan uiteindelijk ook k2 berekend worden.
Enkele resultaten worden weergegeven in de volgende grafiek (Figuur 32) waarbij de
concentratie van het thiolacton wordt uitgezet in functie van de tijd. De pseudo-eerste orde
snelheidsconstante (kobs) werd berekend door het logaritme van de concentratie aan
thiolacton uit te zetten in functie van de tijd. Op deze manier wordt een rechte bekomen,
waardoor eenvoudig kobs en uiteindelijk k2 voor elk amine kon bepaald worden.
0 20 40 60 80 1000,0
0,5
1,0
[Con
cent
ratie
Thi
ola
cton
][C
once
ntra
tie d
ode
caa
n]
Propargylamine Benzylamine Allylamine N,N-dimethylethyleendiamine 3-morpholine propylamine Furfurylamine Glycine t-butyl ester
Tijd (min.)
Figuur 32: Afname van de concentratie van het thiolacton in functie van de tijd
46 Beschrijving van eigen werk
De resultaten verkregen voor deze experimenten worden in volgende figuur en tabel
weergegeven waarbij het meest reactieve amine (pyrrolidine) bovenaan links staat en het
minst reactieve amine (Jeffamine® M-600) onderaan rechts.
Figuur 33: Overzicht van de reactiviteit van verschillende amines voor de aminolyse van een thiolacton
Tabel 1. Snelheidsconstanten voor de aminolyse van een thiolacton met verschillende amines
Amine k2 (L mol-1 s-1) R²
Pyrrolidine 0,1123 0,68
Octylamine 0,0297 0,97
Propylamine 0,0231 0,99
N,N-dimethylethyleendiamine 0,0126 0,99
3-morpholinepropylamine 0,0126 0,97
Glycine t-butyl ester
Furfurylamine
Allylamine
Benzylamine
Piperidine
Methylpiperazine
Jeffamine® M-600
0,0031
0,0028
0,0026
0,0020
0,0018
0,0008
0,0004
0,95
0,99
0,87
0,87
0,85
0,79
0,49
Beschrijving van eigen werk 47
Uit de resultaten van Figuur 33 en Tabel 1 kunnen verschillende conclusies getrokken
worden. Alifatische amines vertonen over het algemeen een hogere reactiviteit voor de
aminolyse van een thiolacton terwijl amines met inductief zuigende groepen trager
reageren (glycine t-butylester, furfurylamine, allylamine, benzylamine en propargylamine),
er kan dus geconcludeerd worden dat de oorsprong van het verschil in reactiviteit van
elektronische aard is. Daarnaast wordt aangenomen dat sterische hindering een belangrijke
factor is in de reactiviteit van Jeffamine® M-600 en blijken secundaire en tertiaire amines
niet te reageren met een thiolacton, tenzij cyclische secundaire amines zoals pyrrolidine,
piperidine en methylpiperazine. Verder is een belangrijke vaststelling dat een thiolacton
niet reageert met water, alcoholen of thiolen onder neutrale condities, alsook niet met
aromatische amines zoals aniline. Dit toont de grote chemoselectiviteit van thiolactonen
aan.
Voor pyrrolidine, piperidine en methylpiperazine werd geen goede correlatie gevonden
met de 2de orde reactieconditie (conform met een lage waarde voor de
correlatiecoëfficiënt), alsook werd geen volledige conversie bereikt. Redenen hiervoor zijn
echter onduidelijk en werden ook niet verder onderzocht binnen het tijdsbestek van deze
scriptie.
Bovenstaande beschreven experimenten werden uitgevoerd met γ-thiobutyrolacton als
modelthiolacton. Wanneer andere thiolactonverbindingen aangewend worden, wordt
verwacht dat over het algemeen dezelfde trend waargenomen zal worden in de relatieve
reactiviteit van amines ten opzichte van thiolactonverbindingen.
3.1.3 Conclusie
De thiolactonstrategie werd verder uitgediept door een bepaling van de reactiviteit van
verschillende amines voor de aminolyse van een modelthiolacton. Twee verschillende
technieken waren hiervoor nodig, nl. een online infraroodanalyse en een offline GC-
experiment. Verschillende trends werden waargenomen voor de snelheid van aminolyse;
daar waar alifatische amines over het algemeen een hogere reactiviteit vertonen voor de
reactie met een thiolacton, reageren amines met inductief zuigende groepen trager.
48 Beschrijving van eigen werk
Secundaire en tertiaire amines reageren niet, tenzij cyclische secundaire amines zoals
pyrrolidine, piperidine of methylpiperazine.
3.2 Synthese van functionele polyurethanen
3.2.1 Inleiding
Polyurethanen worden traditioneel bereid uit een diol en een diiosocyanaat. Aan deze
industrieel aangewende strategie zijn echter enkele nadelen verbonden. Zo is het moeilijk
om een equimolariteit tussen de twee reagentia te bereiken, een conditie die cruciaal is
voor polymerisaties met een stapsgewijs mechanisme. Daarnaast zal nooit een volledige
conversie van het isocyanaat behaald worden op het einde van de polymerisatie, wat
aanleiding kan geven tot ongewenste nevenreacties door de hoge reactiviteit van deze
functionele groep. Deze hoge reactiviteit (naast toxiciteit) van isocyanaten laat bovendien
niet toe om polyurethanen van extra functionaliteiten te voorzien.
Daarom werd binnen deze scriptie een methode onderzocht voor de synthese van
functionele polyurethanen gebaseerd op thiolacton-chemie. Hiervoor werden monomeren
ontwikkeld met een thiolacton, een “click”-substraat en een urethaanbinding. Dit levert
verschillende voordelen op, zo wordt er vertrokken van AB’-monomeren voor de
stapsgewijze polymerisatie waardoor een equimolariteit van de reagentia gegarandeerd is.
Daarnaast is de urethaanbinding reeds inherent in het monomeer aanwezig, wat interessant
is omdat niet vertrokken moet worden vanuit het isocyanaat voor de polymerisatie.
Polymerisaties werden enerzijds uitgevoerd via de radicalaire thiol-een reactie met UV-
licht of warmte en anderzijds via de nucleofiele thiol-een reactie met een base zoals een
amine of een fosfine. Daarbij verloopt deze methode in een “één-pot” procedure. De
functionele groep wordt hier geïntroduceerd tijdens de polymerisatie zodat naderhand geen
post-modificatiereacties meer nodig zijn.
Beschrijving van eigen werk 49
3.2.2 Functionele polyurethanen via de radicalaire thiol-een reactie
In een eerste stadium werd beoogd om functionele polyurethanen te ontwikkelen via de
radicalaire thiol-een reactie. Voor deze reactie maakt men meestal gebruik van alkenen met
een hoge elektrondichtheid, enerzijds om de snelheid van de reactie te verhogen, anderzijds
omdat bij geactiveerde dubbele bindingen, zoals acrylaten, de vinylpolymerisatie een niet-
verwaarloosbare nevenreactie is.
Als AB’-type monomeer werd gekozen voor “Alloc”-Thiolacton (Figuur 34), een
monomeer met zowel een alkeen- als een thiolactonfunctionaliteit. De synthese van dit
monomeer verloopt vanuit beschikbare reagentia: DL-homocysteïne thiolacton
hydrochloride en allylchloroformaat in de aanwezigheid van NaHCO3. Zuivering van het
eindproduct gebeurt door middel van kolomchromatografie. De opbrengst van de reactie
was 85 % en kon op grote schaal uitgevoerd worden (meer dan 30 g).
Figuur 34: Synthese van Alloc-Thiolacton als monomeer voor de radicalaire thiol-een reactie
Door aminolyse van Alloc-Thiolacton met propylamine kan het thiol in situ gevormd
worden, waarna vervolgens de radicalaire thiol-een reactie voor het AB-monomeer
doorgaat en het polymeer wordt verkregen. Polymerisaties werden uitgevoerd onder UV-
licht met DMPA als foto-initiator in THF, alsook bij verhoogde temperatuur met AIBN als
thermische initiator47 in DMF (Figuur 35).
Figuur 35: Ring-opening van Alloc-Thiolacton met propylamine en opeenvolgende polymerisatie
50 Beschrijving van eigen werk
Tabel 2. Polymerisatie van Alloc-Thiolacton via de radicalaire thiol-een reactie met propylamine voor de aminolyse
Initiator/Solvent M na (g.mol-1) Mw
a (g.mol-1) PDIa MnNMR (g.mol-1)
DMPA/THF 2.500 7.200 2,89 3.800
AIBN/DMF 3.600 6.000 1,66 3.000
a Metingen via SEC met DMA als solvent; relatief t.o.v. PMMA-standaarden b
Bepaling van MnNMR via een eindgroepanalyse d.m.v. 1H-NMR
De verkregen polymeren werden geanalyseerd via Size Exclusion Chromatography (SEC),
er werd gewerkt met DMA als eluens door het moeilijk oplossingsgedrag van
polyurethanen. In Tabel 2 worden de resultaten weergegeven betreffende de polymerisatie
van Alloc-Thiolacton via de UV- en thermisch gekatalyseerde radicalaire thiol-een reactie.
Voor de UV-gekatalyseerde thiol-een reactie werd na 40 minuten een neerslag bekomen,
terwijl bij de thermisch gekatalyseerde thiol-een reactie in DMF het polymerisatiemengsel
oplosbaar bleef. Er wordt opgemerkt dat in beide gevallen polymeren met een laag
moleculair gewicht bekomen worden wanneer vergeleken wordt met eerder beschreven
onderzoek naar de synthese van functionele polyurethanen door Fournier43 en Billiet44.
De polymerisatie van Alloc-Thiolacton werd niet alleen uitgevoerd met propylamine voor
de aminolyse, experimenten werden ook uitgevoerd met twee verschillende amines in een
1:1 verhouding (een 2-voudige overmaat amine ten opzichte van het monomeer). Zo is
men in staat om meerdere functionele groepen in een polymeer te introduceren met
vorming van multi-functionele polyurethanen. De resultaten van deze experimenten
worden weergegeven in onderstaande tabel.
Tabel 3. Polymerisatie van Alloc-Thiolacton met twee verschillende amines
Amines Mna
(g.mol-1) Mw
a (g.mol-1)
PDIa MnNMR
(g.mol-1) A1/A2(exp.) A1/A2 (thr.)b
Propylamine
N,N-dimethylethyl eendiamine
2.700 5.200 1,92 4.000 46 % - 54 %
65 % - 35 %
Propylamine Glycine t-butyl ester
1.400 1.700 1,23 1.800 79 % - 21 %
88 % - 12 %
a Metingen via SEC met DMA als solvent; relatief t.o.v. PMMA-standaarden b Berekening van de theoretische verhouding uit de relatie tussen de 2de orde snelheidsconstanten
Beschrijving van eigen werk 51
Uit voorgaande tabel kunnen volgende conclusies getrokken worden: Voor de
polymerisatie van Alloc-Thiolacton met propylamine en N,N-dimethylethyleendiamine
wordt een afwijking tussen de theoretische en experimentele verhouding van de amines
(A1/A2) waargenomen. Dit is mogelijks te wijten aan enerzijds ongekende nevenreacties
die geen equimolariteit meer garanderen tussen de reagentia, en anderzijds de
experimentele onzekerheid op de berekende waarden. Echter, wanneer de polymerisatie
wordt uitgevoerd met twee amines waartussen het verschil in reactiviteit groter is, wordt
een resultaat bekomen die de theoretische verwachting beter evenaart.
Voor deze experimentele verhouding moet wel vermeld worden dat de berekende
incorporatie van de verschillende amines een gemiddelde is over alle polymeerketens.
Aangezien de polymerisatie een stapsgewijs mechanisme vertoont, zullen sommige ketens
voornamelijk zijn opgebouwd uit het sneller reagerend amine en andere uit het trager
reagerend amine.
7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5
Chemische verschuiving (ppm)
HN
O
O SS
O NHO NH
R
HN
O
O O
O
HN
S
OO
O
HN
O NH
N
S1
2
3
56
7*
** #
1,7
DMSO-d6
***
#
8a 8b
8a8b
3,5
2,6
1
2
3
56
7
9 10
11
12 13
14
14
9
10
11
12
1314
44
4
S
O
HN
O
O
d
e
f
hg
ec
ab
d
f
h
DMSO-d6
g
Hc
Ha
Hb
8.0
n m
Figuur 36: 1H-NMR spectra van Alloc-Thiolacton (boven) als monomeer (300 MHz, DMSO-d6) en als polymeer
(onder) via propylamine en N,N-dimethylethyleendiamine (500 MHz, DMSO-d6)
52 Beschrijving van eigen werk
Structuuropheldering van Alloc-Thiolacton monomeer en polymeer (via propylamine en
N,N-dimethylethyleendiamine) gebeurde door middel van NMR-spectroscopie (Figuur 36).
De toekenning van de signalen werd uitgevoerd door middel van 1H-NMR,
Heteronucleaire Single-Quantum Correlation (HSQC), Attached Proton Test (13C APT) en
COrrelation SpectroscopY (COSY). Daarnaast werd via 1H-NMR de verhouding van de
verschillende amines in de polyurethaanstructuur berekend door de integratie van de
overeenkomstige amidesignalen te vergelijken.
3.2.3 Functionele polyurethanen via de nucleofiele thiol-een reactie
3.2.3.1 Inleiding
Naast de radicalaire thiol-een reactie kunnen functionele polyurethanen ook
gesynthetiseerd worden via de nucleofiele thiol-een reactie, ook thiol-Michael additie
genoemd. Deze reactie verloopt over het algemeen even snel als de radicalaire thiol-een
reactie en kan gekatalyseerd worden door amines of fosfines48. Een belangrijk verschil met
de radicalaire thiol-een reactie is het gebruik van geactiveerde dubbele bindingen, zoals
acrylaten.
3.2.3.2 Monomeersynthese
Net zoals voor de radicalaire thiol-een reactie werden AB’-monomeren gesynthetiseerd
met een urethaanbinding, een thiolacton-functionaliteit als een acrylaatfunctie. Terwijl
voor de radicalaire thiol-een reactie elektronrijke dubbele bindingen nodig zijn, worden
voor de nucleofiele thiol-een reactie geactiveerde dubbele bindingen zoals acrylaten
ingezet.
Deze monomeren bevatten reeds inherent een urethaanbinding die wordt geïntroduceerd
door reactie van een hydroxyl-gefunctionaliseerd acrylaat met een isocyanaat. Hiervoor
werd eerst α-isocyanaat-γ-thiolacton gesynthetiseerd. De reactie verliep tussen
homocysteïne thiolacton met fosgeen bij 0 °C in dichloormethaan (Figuur 37).
Beschrijving van eigen werk 53
Figuur 37: Synthese α-isocyanaat-γ-thiolacton uit homocysteïne thiolacton en fosgeen
In een 2de stap werden de monomeren gesynthetiseerd door het isocyanaat als chemische
functionaliteit om te zetten in een urethaanbinding door reactie van α-isocyanaat-γ-
thiolacton met HydroxyEthylAcrylaat (HEA) of 1,4-CycloHexaandimethanol
monoAcrylaat (CHA). HEA werd gekozen omwille van de beschikbaarheid, CHA vanuit
de verwachting dat het overeenkomstig monomeer een betere oplosbaarheid zal hebben
door de aanwezigheid van een cyclohexaanring. De reactie werd uitgevoerd in
dichloormethaan en gekatalyseerd door dibutyltindilauraat terwijl de zuivering gebeurde
door middel van kolomchromatografie. Voor beide reacties werd een opbrengst van 92 %
verkregen (Figuur 38).
Figuur 38: Synthese van HEA-Thiolacton en CHA-Thiolacton
3.2.3.3 Modelstudie: Mogelijke nevenreacties
Er werd bij aanvang stilgestaan bij het feit dat in principe verschillende nevenreacties
mogelijk zijn wanneer een acrylaat, een thiolacton en een amine in hetzelfde
reactiemengsel aanwezig zijn. Zo kan het amine niet alleen met het thiolacton reageren
maar ook met het acrylaat en blijft de kans op disulfidevorming altijd aanwezig.
54 Beschrijving van eigen werk
Algemeen kan dus gesteld worden dat de volgende reacties in competitie met elkaar zullen
doorgaan:
[amine + thiolacton] vs. [amine + acrylaat]
[acrylaat + thiol] vs. [acrylaat + amine]
[acrylaat + thiol] vs. [disulfidevorming]
Deze studie is vooral belangrijk omdat polyurethanen een stapsgewijs mechanisme
vertonen waarbij een equimolariteit van de reagentia cruciaal is. Daarom moet aangetoond
worden dat nevenreacties tussen het amine en het acrylaat enerzijds en disulfidevorming
anderzijds in beperkte mate doorgaan of zelfs verwaarloosbaar zijn.
Een modelstudie werd uitgevoerd met butylacrylaat, γ-thiobutyrolacton en propylamine
(Figuur 39). Equimolaire hoeveelheden van elke component werden toegevoegd en de
reactie werd gevolgd via een online infraroodmeting.
O
O
+ S
O
+ H2N NH
S O
O
O
Mogelijke nevenproducten:
NH
S
O
NH
S
O
HN O
O(amine-acrylaat)
(disulf idevorming)
Figuur 39: Modelreactie tussen een acrylaat (butylacrylaat), thiolacton (γ-thiobutyrolacton) en amine
(propylamine)
Beschrijving van eigen werk 55
0 1 2 3 4 5 6 7 8 90
50
100 Acrylaat (814 cm-1)
Thiolacton (1718 cm-1)
Amide (1540 cm-1)
Sig
naa
l int
ens
iteit
(%)
Tijd (u)
Figuur 40: Snelheid van reactie tussen γ-thiobutyrolacton, butylacrylaat en propylamine, bepaald via online-IR
Figuur 40 toont de afname in intensiteit van het thiolacton en het acrylaat in functie van de
tijd. Door een gelijkmatige afname van de twee signalen kan worden afgeleid dat het
amine voornamelijk met het thiolacton reageert en dat het thiol dat vrijkomt onmiddellijk
verder reageert met het acrylaat. Deze resultaten werden bevestigd via een LC-MS analyse
van het reactiemengsel; de nevenreacties tussen het amine en het acrylaat enerzijds en
disulfidevorming anderzijds traden in zeer beperkte mate op (nevenproducten in
spoorhoeveelheden aanwezig). Deze resultaten vormden dan ook een startpunt om deze
studie uit te breiden naar polymeersystemen.
3.2.3.4 Polymerisatie: Mogelijke nevenreacties
Net zoals voor de modelstudie op laag-moleculair gewicht verbindingen kunnen de eerder
beschreven nevenreacties ook optreden tijdens de polymerisatie van HEA-Thiolacton en
CHA-Thiolacton. Om aan te tonen of deze nevenreacties significant zijn tijdens de
polymerisatie werd een online infraroodstudie uitgevoerd op CHA-Thiolacton bij 0,5 M in
THF waarbij 1,1 equivalent octylamine werd toegevoegd (Figuur 41). Dit amine treedt
enerzijds op als nucleofiel voor de aminolyse en anderzijds als katalysator voor de
opeenvolgende nucleofiele thiol-een reactie, vandaar dat een kleine overmaat werd
gebruikt. Daarnaast bevorderd de aanwezigheid van de cyclohexaanring in het monomeer
56 Beschrijving van eigen werk
de oplosbaarheid in THF, wat belangrijk is rekening houdend met mogelijke nevenreacties
in solventen met een hogere polariteit zoals DMA.
1 2 3 40
20
40
60
80
100
Sig
naal i
ntens
iteit
(%)
Tijd (u.)
Thiolacton (1733 cm-1)
Amide (1685 cm-1)
Acrylaat (977 cm-1)
Figuur 41: Online-IR studie voor CHA-Thiolacton met 1.1 eq. octylamine
Uit Figuur 41 kan besloten worden dat het signaal van het thiolacton even snel afneemt als
deze van het acrylaat. Deze waarneming toont aan dat het thiolaat-anion een sterker
nucleofiel is dan het amine en sneller zal reageren met het acrylaat. Hieruit kan besloten
worden dat de reactie tussen het amine en het acrylaat verwaarloosbaar is.
3.2.3.5 Polymerisatie: Optimale conditie
Voor HEA-Thiolacton werden polymerisaties uitgevoerd bij verschillende
monomeerconcentraties (0,25; 0,5 en 1,0 M) in THF, echter ontstond voor elk van deze
condities een neerslag (Mn ~ 2.000 g.mol-1). Voor de polymerisatie in chloroform werd
geen neerslag bekomen, maar wel een beperkte ketengroei (Mn ~ 2.000 g.mol-1), verdere
variatie van het solvent (dichloormethaan, dimethylaceetamide, …) gaf dezelfde resultaten.
Beschrijving van eigen werk 57
Figuur 42: Polymerisatie van CHA-TL in THF met 1.1 eq. octylamine
Voor CHA-Thiolacton (Figuur 42) werden experimenten uitgevoerd in THF vertrekkend
van verschillende monomeerconcentraties (Tabel 4), waarbij als amine steeds octylamine
gebruikt werd:
Tabel 4. Condities voor de optimalisatie van de polymerisatie van CHA-Thiolacton in THF.
Concentratie monomeer (M) Mn* (g.mol-1) Mw
* (g.mol-1) PDI*
0,25 2.700 6.100 2,28
0,5 12.000 20.280 1,69
1 9.100 17.000 1,91
2 - - -
* Metingen via SEC na 24 u met DMA als solvent; relatief t.o.v. PMMA-standaarden
In bovenstaande tabel worden de verschillende concentraties weergegeven waarbij
experimenten voor CHA-Thiolacton werden uitgevoerd in THF. Een concentratie van 2 M
gaf gelvorming met een kleine fractie hoog-moleculair gewicht (Mn ~ 100.000 g.mol-1).
Hetzelfde experiment in chloroform kon gelvorming voorkomen waarbij een Mn van 7.000
g.mol-1 werd bekomen. Er kan dus geconcludeerd worden dat een maximaal moleculair
gewicht werd bereikt bij een concentratie van 0,5 M in THF.
58 Beschrijving van eigen werk
Figuur 43: NMR-analyse van CHA-TL (300 MHz, DMSO-d6) en CHA-TL polymeer (500 MHz, DMSO-d6)
Structuuropheldering van het monomeer en het polymeer (polymerisatie met 0,5 M
monomeer in THF, Mn ~ 12.000 g.mol-1) gebeurde aan de hand van NMR-spectroscopie. In
Figuur 43 wordt het 1H-NMR spectrum getoond van het monomeer (boven) en het
polymeer (onder). Opmerkelijk is de afwezigheid van het acrylaat en het thiolacton als
eindgroep, wat betekent dat elke thiolactonring geopend is en dat aan elk acrylaat een
nucleofiel heeft geaddeerd.
3.2.3.6 Synthese van functionele polyurethanen
Voor polyurethanen die gesynthetiseerd worden via de thiolactonstrategie kan het amine
eenvoudig gevarieerd worden om nieuwe functionele groepen in te voeren. Om dit aan te
tonen, werden experimenten uitgevoerd met verschillende amines zoals weergegeven in
volgende tabel.
Beschrijving van eigen werk 59
Tabel 5. Overzicht van moleculaire gewichten van verschillende amines voor de polymerisatie van CHA-Thiolacton
Amine Mn* (g.mol-1) Mw
* (g.mol-1) PDI*
Octylamine 12.000 20.300 1,69
N,N-dimethylethyleendiamine 3.200 4.900 1,53
Allylamine 5.300 8.700 1,63
Propargylamine 1.900 3.100 1,63
Furfurylamine 3.600 7.800 2,17
3-Morpholinepropylamine 7.600 13.000 1,73
* Metingen via SEC na 24u met DMA als solvent; relatief t.o.v. PMMA-standaarden
In bovenstaande tabel worden de moleculaire gewichten weergegeven voor de
polymerisatie van CHA-Thiolacton met verschillende amines. Deze resultaten tonen aan
dat de structuur van het amine kan gevarieerd worden om tot functionele polyurethanen te
komen in een één-pot procedure.
Door een verandering van de structuur van het amine kunnen vrij eenvoudig polyurethanen
met nieuwe eigenschappen gesynthetiseerd worden. Zo werden polyurethanen met
potentieel antibacteriële eigenschappen49 bekomen via N,N-dimethylethyleendiamine.
Hiervoor is een quaternair ammonium-ion vereist dat gevormd kan worden door
methylering en protonering van het tertiair amine. Ook werden polyurethanen verkregen
met potentieel metaalcomplexerende eigenschappen voor oa. mangaan(II), kobalt(II),
koper(II), zink(II), cadmium(II), … door invoering van een morpholine-functionaliteit via
3-morpholinepropylamine50.
Daarnaast werden multi-functionele polyurethanen als random copolymeren
gesynthetiseerd door de polymerisatie uit te voeren met een combinatie van twee of
meerdere amines. CHA-Thiolacton werd gepolymeriseerd door toevoeging van twee
verschillende amines in een 1:1 verhouding (een 2-voudige overmaat amine ten opzichte
van het monomeer).
60 Beschrijving van eigen werk
Tabel 6. Polymerisatie van CHA-Thiolacton met twee verschillende amines
Amines Mna (g.mol-1) Mw
a (g.mol-1) PDIa A1/A2 (exp.) A1/A2 (theor.)b
Octylamine
N,N-dimethylethyl eendiamine
8.800 14.700 1,67
48 % - 52 %
65 % - 35 %
Octylamine Glycine t-butyl ester
11.900 19.000 1,60 77 % - 23 %
88 % - 12 %
a Metingen via SEC met DMA als solvent; relatief t.o.v. PMMA-standaarden b Berekening van de theoretische verhouding uit de relatie tussen de 2de orde snelheidsconstanten. Hierbij wordt
verondersteld dat de snelheid van de thiol-Michael additie voor elk amine dezelfde is
Uit voorgaande tabel kunnen volgende conclusies getrokken worden: Voor de
polymerisatie van CHA-Thiolacton met octylamine en N,N-dimethylethyleendiamine
wordt een afwijking tussen de theoretische en experimentele verhouding van de amines
(A1/A2) waargenomen. Dit is mogelijks te wijten aan enerzijds ongekende nevenreacties
die geen equimolariteit meer garanderen tussen de reagentia, en anderzijds de
experimentele onzekerheid op de berekende waarden. Echter, wanneer de polymerisatie
wordt uitgevoerd met twee amines waartussen het verschil in reactiviteit groter is
(octylamine en glycine t-butyl ester), wordt een resultaat bekomen die de theoretische
verwachting beter evenaart.
Figuur 44: NMR-analyse (500 MHz, DMSO-d6) van het CHA-Thiolacton gebaseerd polymeer met 2 verschillende
amines
Beschrijving van eigen werk 61
Toekenning van de signalen voor het experiment met octylamine en N,N-
dimethylethyleendiamine gebeurde door middel van NMR-spectroscopie (Figuur 44).
Hiervoor waren de volgende experimenten nodig: HSQC, APT en COSY. Verder werd via 1H-NMR de verhouding van de verschillende amines in de polyurethaanstructuur berekend
door de integratie van de overeenkomstige amidesignalen te vergelijken.
Hierbij is het nodig om te vermelden dat de polymerisatie een stapsgewijs mechanisme
vertoont waarbij sommige ketens opgebouwd worden door het sneller reagerend amine en
andere door het trager reagerend amine. De berekende waarden zijn dus een gemiddelde
voor alle polyurethaanketens.
3.2.3.7 Materiaaleigenschappen
Om een beeld te krijgen over het fysisch gedrag van de gesynthetiseerde polymeren
werden materiaaleigenschappen bepaald door middel van een ThermoGravimetrische51
(TGA) en Differentiële Scanning Calorimetrische52 analyse (DSC). Bij een TGA-analyse
wordt de thermische stabiliteit van het materiaal bepaald. Hiervoor wordt het materiaal
opgewarmd aan een bepaalde snelheid waarbij het gewichtsverlies in functie van de
temperatuur wordt gemeten. Op deze manier kunnen eigenschappen zoals de
degradatietemperatuur, de hoeveelheid anorganische en organische componenten in het
materiaal, solventresten, … bepaald worden.
62 Beschrijving van eigen werk
0 100 200 300 400 500 600 700 8000
20
40
60
80
100
Ma
ssa
(%
)
Temperatuur (°C)
Figuur 45: TGA thermogram van het CHA-Thiolacton polyurethaan (onder N2-atmosfeer)
In Figuur 45 wordt het thermogram van de TGA-analyse voor het CHA-Thiolacton
gebaseerd polyurethaan (polymerisatie via octylamine) weergegeven. Het kleine
massaverlies tussen 150 – 250 °C wordt toegeschreven aan het verlies van solvent en/of
water, aangezien het materiaal hygroscopisch is. Door het gewichtsverlies bij een
temperatuur tussen 300 – 400 °C kan men stellen dat het materiaal thermisch stabiel is tot
een temperatuur van 250 °C.
Voor een DSC-analyse kunnen fasetransities in het materiaal bepaald worden door meting
van de hoeveelheid warmte die het materiaal opneemt of afgeeft bij verschillende
temperaturen. Op deze wijze kan onder andere de glastransitie van het materiaal bepaald
worden en gedefinieerd worden vanuit de glastransitietemperatuur (Tg). Een DSC-analyse
werd uitgevoerd op het CHA-Thiolacton gebaseerd polymeer (polymerisatie via
octylamine) waarbij bepaald werd dat de glastransitietemperatuur rond 16 °C ligt, een
transitietemperatuur waarbij het polymeer bros wordt bij koeling, of juist zacht bij
verwarming. Uiteraard zal de Tg variëren volgens het aangewende amine maar dit werd
niet verder onderzocht binnen het tijdsbestek van deze scriptie.
Beschrijving van eigen werk 63
3.2.4 Conclusie
Functionele polyurethanen werden ontwikkeld via de radicalaire en de nucleofiele thiol-
een reactie. Voor de radicalaire thiol-een reactie werd vertrokken van Alloc-Thiolacton,
een AB’-monomeer met een elektronrijke dubbele binding. Door aminolyse word het thiol
in situ gevormd en gaat de polymerisatie door, gekatalyseerd door DMPA als foto-initiator
of AIBN als thermische initiator. De functionalisatie werd uitgebreid door te vertrekken
van twee verschillende amines voor de nucleofiele ring-opening van het thiolacton, waarna
via 1H-NMR de individuele incorporatie van elk amine berekend werd.
Voor de nucleofiele thiol-een reactie zijn monomeren met een geactiveerde dubbele
binding vereist zoals acrylaten. Om deze reden werden HEA-Thiolacton en CHA-
Thiolacton gesynthetiseerd, waarbij enkel CHA-Thiolacton aanleiding gaf tot een
polymeer.
Vervolgens werden functionele polyurethanen verkregen door enerzijds een variatie van
het amine voor de polymerisatie en anderzijds een combinatie van twee verschillende
amines. Deze strategie laat dus toe om op een eenvoudige manier (multi-)functionele
polyurethanen te synthetiseren.
3.3 Functionele polyurethanen via post-functionalisatie reacties
3.3.1 Inleiding
Via de thiolactonstrategie kunnen polyurethanen met functionele groepen op de zijketen
bekomen worden, wat aanleiding kan geven tot nieuwe eigenschappen zoals beschreven in
vorige paragraaf. Daarnaast kunnen ook polyurethanen met “click”-substraten op de
zijketen gesynthetiseerd worden. Dit biedt de mogelijkheid om platformen te creëren voor
verdere post-polymerisatie modificaties en zo een extra uitbreiding te ontwikkelen voor de
synthese van functionele polyurethanen. Om dit concept te illustreren zullen 3
verschillende click-reacties toegepast worden nl. de radicalaire thiol-een reactie, de koper-
geassisteerde azide-alkyn cyclo-additie en de furan-maleïmide reactie als voorbeeld van
een Diels-Alder reactie.
64 Beschrijving van eigen werk
Figuur 46: Strategie voor de post-functionalisatie van lineaire polyurethanen
Figuur 46 illustreert dit concept: Een functioneel amine opent het thiolactonmonomeer
waardoor een AB-polymeer gevormd wordt dat onmiddellijk zal polymeriseren. Wanneer
als amine gekozen wordt voor allylamine, propargylamine of furfurylamine ontstaan op
deze manier polyurethanen met “click”-functionaliteiten in de zijketen. Op deze
polyurethaanplatformen kunnen vervolgens functionele groepen geklikt worden via
respectievelijk de radicalaire thiol-een reactie, de Huisgen 1,3-dipolaire cycloadditie en de
furan-maleïmide reactie53, een [4+2] cyclo-additie (Diels-Alder reactie) waarbij het
evenwicht aan de kant van het eindproduct ligt tot een temperatuur van ca. 65 °C en
waarbij de retro-Diels-Alder reactie doorgaat vanaf een temperatuur boven ca. 100 °C
(Figuur 47).
Figuur 47: [4+2] Cyclo-additie tussen een furan en een maleïmide
Beschrijving van eigen werk 65
3.3.2 Post-functionalisatie via de radicalaire thiol-een reactie
Om het concept rond de post-modificatie van polyurethanen aan te tonen werd CHA-
Thiolacton gepolymeriseerd door additie van allylamine. Na 24 u werd een sample
genomen voor SEC- en 1H-NMR-analyse. Vervolgens werd in een post-
functionalisatiestap octaanthiol toegevoegd samen met DMPA als foto-initiator waarna het
mengsel onder UV-licht werd geplaatst. Na 5 u werd een sample genomen voor 1H-NMR
en SEC analyse. In onderstaande figuur worden de 1H-NMR spectra weergegeven van
enerzijds het CHA-Thiolacton gebaseerd polymeer (polymerisatie via allylamine) en
anderzijds het CHA-Thiolacton gebaseerd polymeer na de post-modificatie via de
radicalaire thiol-een reactie met octaanthiol.
Figuur 48: 1H-NMR spectra (300 MHz, CDCl3) van het allylamine-gefunctionaliseerd polyurethaan (boven) en het
polyurethaan bekomen na de radicalaire thiol-een reactie met octaanthiol (onder)
Voor de NMR-analyse werden enkel de meest relevante signalen aangeduid (allyl-, amide-
en urethaansignaal). Uit de 1H-NMR spectra (Figuur 48) van voor en na toevoeging van
octaanthiol kon aangetoond worden dat de signalen van de dubbele binding van allylamine
(a-c) rond 4,8 ppm in het CHA-Thiolacton gebaseerd polymeer volledig verdwenen zijn na
5 uur. Een bijkomende bevestiging voor de volledige omzetting van de allylgroepen is de
toename in moleculair gewicht van het polymeer; voor modificatie werd een Mn bekomen
van 5.300 g.mol-1, na modificatie met octaanthiol een Mn van 7.600 g.mol-1 (Figuur 49).
66 Beschrijving van eigen werk
Deze post-modificatie werd uitgevoerd met octaanthiol als modelcomponent, maar kan ook
eenvoudig uitgevoerd worden met andere thiol-verbindingen.
25 30 35
Tijd (min.)
Allylamine-gefunctionaliseerd polyurethaan Post-functionalisatie via de radicalaire thiol-een reactie met octylamine
Figuur 49: SEC-chromatogrammen van het allylamine-gefunctionaliseerd polyurethaan (zwart) en het
polyurethaan bekomen na de radicalaire thiol-een reactie met octaanthiol (rood)
3.3.3 Post-functionalisatie via een Diels-Alder reactie
Door polymerisatie van CHA-Thiolacton met furfurylamine wordt een polyurethaan
verkregen met furangroepen in de zijketen. Vervolgens kunnen maleïmide-bouwblokken
aan de polymeerstructuur gekoppeld worden via de furan-maleïmide reactie53, een veel
bestudeerde Diels-Alder reactie. CHA-Thiolacton werd gepolymeriseerd door toevoeging
van furfurylamine waarna na 24 u een staal werd genomen voor SEC- en 1H-NMR-
analyse. In een post-functionalisatiestap werd N-ethylmaleïmide als modelreagens
toegevoegd waarna het reactiemengsel bij 50 °C werd gebracht. Na 5 u werd een sample
genomen voor SEC- en NMR-analyse.
Beschrijving van eigen werk 67
Figuur 50: 1H-NMR spectra (300 MHz, CDCl3) van het furan-gefunctionaliseerd polyurethaan (boven) en het
polyurethaan bekomen na de furan-maleïmide koppelingsreactie met N-ethylmaleïmide (onder)
Voor de NMR-analyse werden enkel de meest relevante signalen aangeduid (furan en
maleïmide), gebaseerd op een analoge reactie waarbij de toekenning van de signalen reeds
beschreven werd in de literatuur54. Uit de 1H-NMR spectra van voor- en na de post-
functionalisatie via N-ethylmaleïmide kan aangetoond worden dat het signaal van het furan
bij 7,25 ppm (d) volledig verdwenen is na de furan-maleïmide koppelingsreactie. Dit toont
aan dat een succesvolle post-functionalisatiestap werd bereikt.
3.3.4 Post-functionalisatie via CuAAC
Een andere mogelijkheid om het CHA-Thiolacton gebaseerd polyurethaan via een post-
functionalisatiestap te modificeren, is door een alkyn-functionaliteit via propargylamine in
te bouwen en vervolgens via de Huisgen 1,3-dipolaire cycloadditie een azide aan de
polyurethaanstructuur te koppelen43. CHA-Thiolacton werd gepolymeriseerd door
toevoeging van propargylamine en na 24 u werd een staal genomen voor SEC- en NMR-
analyse.
68 Beschrijving van eigen werk
In een post-functionalisatiestap werd benzylazide toegevoegd samen met CuBr/PMDETA
als katalysator en de reactie ging door bij 50 °C. Na 5 u werd een staal genomen voor SEC-
en NMR-analyse.
Figuur 51: 1H-NMR spectra (300 MHz, CDCl3) van het propargyl-gefunctionaliseerd polyurethaan (boven) en het polyurethaan bekomen na de CuAAc click-reactie met benzylazide
Het doel van deze synthese is om in een één-pot procedure zowel de polymerisatie van het
CHA-Thiolacton als de Huisgen 1,3-dipolaire cycloadditie tussen een azide en een alkyn te
laten doorgaan. Uit bovenstaande figuur werd vastgesteld dat zowel de eindgroepen van
het thiolacton als het acrylaat aanwezig zijn na de polymerisatie, wat aantoont dat nog niet
elk thiolacton gereageerd heeft, conform met de trage aminolyse van propargylamine zoals
werd aangetoond in de kinetische studie. Verder is deze informatie in overeenstemming
met een conversie van 69 % voor de polymerisatie (berekening uit integratie van het
amidesignaal (#)) en het laag-moleculair gewicht van het polyurethaan
(Mn ~ 1.800 g.mol-1, bepaald via SEC).
Er werd wel via bovenstaande figuur waargenomen dat de vervolgreactie, de koper-
geassisteerde azide-alkyn cyclo-additie, volledig is doorgegaan. Dit kon vastgesteld
worden uit enerzijds het verdwijnen van het signaal bij 2,2 ppm (H-C≡C). Daarnaast werd
de vorming van de signalen bij 5,5 ppm (-CH2-Ph), 7,35 ppm (aromaat) en 7,6 ppm
(triazol) waargenomen.
Beschrijving van eigen werk 69
Er kan dus geconcludeerd worden dat de click-reactie succesvol is, maar dat een verdere
optimalisatie van de reactiecondities vereist is om een volledige conversie van het
monomeer, met bijgevolg een hoger moleculair gewicht, te bereiken. Desalniettemin zijn
deze resultaten veelbelovend.
Verder werden de eerste experimenten gestart om multi-functionele polyurethanen te
synthetiseren in een één-pot procedure waarbij geen intermediaire zuivering vereist is.
Deze dubbele functionalisatie werd uitgevoerd met twee click-reacties die eerder reeds
getest werden, nl. de Huisgen 1,3-dipolaire cycloadditie en de furan-maleïmide
koppelingsreactie. Tijdens de post-modificatiereactie wordt verwacht dat deze reacties niet
met elkaar zullen interfereren, ze zijn dus orthogonaal. De bekomen resultaten gaven
echter nog geen voldoende bewijs voor een succesvolle dubbele post-modificatiereactie,
een verdere optimalisatie van de reactiecondities zal dus vereist zijn.
3.3.5 Conclusie
Via de thiolactonstrategie werden polyurethanen gesynthetiseerd met “click”-groepen op
de zijketen. Dit werd bereikt door CHA-Thiolacton als monomeer te polymeriseren via
allylamine, furfurylamine of propargylamine waarna vervolgens de respectievelijke
radicalaire thiol-een, furan-maleïmide en Huisgen 1,3-dipolaire cyclo-additie toegepast
werden voor de verdere functionalisatie van het polyurethaan.
Deze strategie laat dus de directe inbreng van functionele “klikbare” groepen toe om een
waaier aan polyurethanen te bereiden waarna door verdere post-functionalisatie reacties
functionele polyurethanen kunnen bekomen worden. Interessant hiervoor is het gebruik
van click-reacties omwille van de hoge opbrengst en selectiviteit die deze reacties bezitten
zoals hier werd aangetoond.
70 Beschrijving van eigen werk
3.4 Synthese van functionele polyurethaannetwerken
3.4.1 Inleiding
In vorige twee paragrafen werd beschreven hoe lineaire functionele polyurethanen
gesynthetiseerd werden. Echter zijn industrieel relevante polyurethanen voornamelijk
polymeernetwerken. Daarom werd in deze scriptie een eerste aanzet gegeven tot de
synthese van functionele polyurethaannetwerken. Er werd gekozen voor de nucleofiele
thiol-een reactie omdat deze eenvoudige reactiecondities geeft: UV-licht of warmte zijn
niet vereist.
Een functioneel polyurethaannetwerk kan gesynthetiseerd worden door een vernetter aan
het monomeer in oplossing toe te voegen. De vernetter, een diamine, zal twee keer
reageren met een thiolacton, wat zorgt voor een connectie tussen polymeerketens waardoor
een netwerk gevormd wordt. Daarnaast kan een fractie aan functioneel amine toegevoegd
worden om zo functionele groepen in de polyurethaanstructuur in te voeren.
3.4.2 Methode
Functionele polyurethaannetwerken werden gesynthetiseerd via HEA-Thiolacton en CHA-
Thiolacton als monomeren (Figuren 52-53), respectievelijk propargylamine en allylamine
als functionele amines en 4,9-dioxa-1,12-dodecaandiamine als vernetter. Netwerkvorming
werd bereikt door het reactiemengsel tussen twee glasplaten in te spuiten, gescheiden door
een siliconspacer en bij kamertemperatuur te laten reageren. Achteraf werden de bekomen
netwerken gezuiverd via een Soxhlet extractie met chloroform om residuele niet-
gereageerde componenten te verwijderen, waarna deze netwerken werden gedroogd onder
vacuüm en geanalyseerd via Hoge Resolutie-Magic Angle Spinning (HR-MAS) 1H-NMR.
Beschrijving van eigen werk 71
Figuur 52: Netwerkvorming uitgaande van HEA-Thiolacton met propargylamine en 4,9-dioxadodecaandiamine
S
ONH
O
O
O
O
S
HN
O
O O
NH2
H2N OO NH2
O
O
S
NH
HN
O
O
O
O
NH
O NH
S
CHA-TL
4,9-dioxa-1,12-dodecaandiamine
allylamine
O
O
O
O
NH
OHN
NH
S
THF
kt
Figuur 53: Netwerkvorming uitgaande van CHA-Thiolacton met allylamine en 4,9-dioxadodecaandiamine
Netwerken werden gesynthetiseerd met verschillende verhoudingen aan vernetter (20 % -
50 % en 100 %), waarbij voor zowel HEA-Thiolacton als CHA-Thiolacton netwerken met
goede mechanische eigenschappen bekomen werden bij een hoge fractie vernetter
(≥ 50 %).
De oplosbare fractie en de zwellingsgraad van deze netwerken werden bepaald. Tabel 7
geeft een overzicht van de bekomen resultaten. De oplosbare fractie werd gravimetrisch
bepaald door een Soxhlet extractie, de zwellingsgraad werd gravimetrisch bepaald in
chloroform.
72 Beschrijving van eigen werk
Tabel 7. Overzicht van uitgevoerde testen om de oplosbare fractie en zwellingsgraad te bepalen
Monomeer Fractie vernetter Oplosbare fractiea Zwellingsgraadb
HEA-TL
CHA-TL
50 %
100 %
50 %
100 %
31,89 %
2,71 %
11,69 %
8,01 %
124,10 %
90,16 %
99,27 %
82,82 %
a Gravimetrisch bepaald door soxhlet extractie (8 u) b Gravimetrisch bepaald na zwellen in chloroform (0,5 u)
De lage oplosbare fractie voor de CHA-Thiolacton gebaseerde polyurethaannetwerken en
het HEA-Thiolacton gebaseerd polyurethaannetwerk met een hoge vernettingsgraad tonen
aan dat netwerkvorming in elk van deze experimenten succesvol was. De hoge oplosbare
fractie van het HEA-Thiolacton gebaseerd polyurethaannetwerk bevestigd dat
netwerkvorming in dit geval minder succesvol was. Zoals verwacht neemt de
zwellingsgraad af in functie van vernettingsgraad voor elk uitgevoerd experiment.
3.4.3 Analyse van functionele polyurethaannetwerken via HR-MAS
Om aan te tonen dat de ontwikkelde polyurethaannetwerken ook functionele netwerken
zijn, nl. dat het functioneel amine covalent gebonden is aan de polyurethaanstructuur, kan
een 1H-NMR analyse uitgevoerd worden. Hierbij is de lijnbreedte van signalen bij een
NMR-analyse55 afhankelijk van interacties bepaald door de microscopische omgeving van
kerndeeltjes. Deze interacties, zoals de chemische verschuiving en dipool-dipool koppeling
tussen naburige kernen, zijn anisotroop waardoor hun invloed afhangt van de relatieve
oriëntatie van kernen tegenover het statisch magnetisch veld. In vloeistof-NMR vormt dit
geen probleem omdat de Brownse beweging ervoor zal zorgen dat deze interacties zich
uitmiddelen en lijnverbreding als gevolg van dipool-dipool koppeling verdwijnt.
Beschrijving van eigen werk 73
Magnetisch veld (B0)
= 54.7°
sample
Figuur 54: Magic Angle Spinning om de lijnbreedte van vaste materialen voor een NMR-meting te beperken
Wanneer een vast materiaal zoals een polymeernetwerk bestudeerd wordt kan, als gevolg
van een gebrek aan mobiliteit van de polymeerketens, de Brownse beweging er niet meer
voor zorgen dat de dipool-dipool koppeling verdwijnt. Hierdoor wordt een spectrum met
brede lijnen en een slechte resolutie bekomen. Het is echter mogelijk om deze Brownse
beweging na te bootsen en de lijnverbreding te beperken. Dit wordt gedaan door het
polymeernetwerk te laten zwellen in een selectief solvent en het staal zeer snel rond te
tollen aan een snelheid van enkele kilohertz onder een hoek van 54,7°, de ‘magic angle’,
ten opzichte van het statisch magnetisch veld (Figuur 54). Daarnaast werden deze
metingen kwantitatief uitgevoerd door de wachttijd tijdens de meting lang genoeg in te
stellen (5 x T1-relaxatietijd). Uiteindelijk zal het mogelijk zijn om via een Hoge Resolutie-
Magic Angle Spinning (HR-MAS) meting de fijnstructuur van een polymeernetwerk te
analyseren.
74 Beschrijving van eigen werk
Figuur 55: 1H-NMR spectrum van het CHA-Thiolacton gebaseerd polymeer (boven) en het HR-MAS 1H-NMR
spectra van het CHA-Thiolacton gebaseerd netwerk (onder) in beide gevallen met allylamine als
functioneel amine
In Figuur 55 worden de 1H-NMR spectra weergegeven van enerzijds het lineair CHA-
Thiolacton gebaseerd polyurethaan (boven) en anderzijds het CHA-Thiolacton gebaseerd
polyurethaannetwerk (onder) met beide allylamine als functioneel amine. Voor het
spectrum bekomen via een HR-MAS meting werden enkel signalen die relevant waren
voor dit experiment toegekend (dubbele binding, amide, urethaan).
Het CHA-Thiolacton gebaseerd netwerk werd opgebouwd uit 50 % vernetter (4,9-dioxa-
1,12-dodecaandiamine) en 50 % allylamine, dit werd bevestigd via een HR-MAS 1H-
NMR-analyse. De signalen van de dubbele binding van allylamine (a,b,c) werden
geïntegreerd relatief t.o.v. een signaal van de hoofdketen van de polyurethaanstructuur (3).
Daarnaast liet de kwaliteit van het HR-MAS 1H-NMR spectrum van het HEA-Thiolacton
gebaseerd polyurethaannetwerk geen verdere analyse toe.
Beschrijving van eigen werk 75
3.4.4 Conclusie
Functionele polyurethaannetwerken werden gesynthetiseerd uitgaande van HEA- en CHA-
Thiolacton als monomeren en 4,9-dioxa-1,12-dodecaandiamine als vernetter. Voor HEA-
Thiolacton werd propargylamine toegevoegd als functioneel amine, voor CHA-Thiolacton
allylamine. In een volgende stap werden deze netwerken geanalyseerd via HR-MAS 1H-
NMR, een techniek die toelaat om NMR-spectra op te nemen van polymeernetwerken.
Voor het CHA-Thiolacton gebaseerd netwerk kon de aanwezigheid van het functioneel
amine in de polymeerstructuur bevestigd worden, alsook kon de exacte hoeveelheid aan
allylamine berekend worden, een waarde overeenkomstig met de hoeveelheid allylamine
toegevoegd. Voor het HEA-Thiolacton gebaseerd polyurethaannetwerk liet de kwaliteit
van het HR-MAS 1H-NMR spectrum geen verdere analyse toe.
76 Besluit
Besluit 4
Dit project had twee doelstellingen: enerzijds de voorgestelde thiolactonstrategie verder
uitdiepen om de mogelijkheden en beperkingen van deze methode te bepalen. Anderzijds
stelden we ons tot doel om deze strategie toe te passen voor de synthese van functionele
polyurethanen.
Om te beginnen werd de thiolactonstrategie uitgebreider onderzocht door de reactiviteit van
amines na te gaan voor de aminolyse van een modelthiolacton. Twee verschillende technieken
waren hiervoor nodig, nl. een online infraroodanalyse en een offline GC-experiment, waarbij
metingen werden uitgevoerd werkende in een pseudo-eerste orde conditie. Verschillende
trends werden waargenomen voor de snelheid van aminolyse:
- alifatische amines vertonen over het algemeen een hogere reactiviteit
voor de reactie met een thiolacton
- amines met inductief zuigende groepen reageren trager
- secundaire en tertiaire amines reageren niet, tenzij cyclische secundaire amines
zoals pyrrolidine, piperidine en methylpiperazine
Vervolgens werden monomeren ontwikkeld met een thiolacton, een “click”-substraat en een
urethaanbinding voor de synthese van functionele polyurethanen. Enerzijds werden
polymerisaties uitgevoerd via de radicalaire thiol-een reactie met UV-licht of warmte.
Hiervoor werd vertrokken van Alloc-Thiolacton, een monomeer met een elektronrijke
dubbele binding. Door aminolyse werd het thiol in situ gevormd en ging de polymerisatie
door, gekatalyseerd door DMPA als foto-initiator of AIBN als thermische initiator. De
functionalisatie werd uitgebreid door te vertrekken van twee verschillende amines voor de
nucleofiele ring-opening van het thiolacton, waarna via 1H-NMR analyse de individuele
incorporatie van elk amine berekend werd.
Besluit 77
Daarnaast werden functionele polyurethanen ook gesynthetiseerd via de nucleofiele thiol-een
reactie, waarvoor monomeren nodig zijn met een elektronarme dubbele binding zoals een
acrylaat en waarbij de polymerisatie gekatalyseerd wordt door een base zoals een amine of
een fosfine. Voor deze methode werden twee monomeren gesynthetiseerd, nl. HEA-
Thiolacton en CHA-Thiolacton, waarbij enkel voor CHA-Thiolacton een polymeer werd
verkregen. Additioneel werden functionele polyurethanen bekomen door enerzijds een
variatie van het amine voor de polymerisatie en anderzijds door gebruik te maken van een
combinatie van twee verschillende amines.
Omdat het niet altijd mogelijk is om elke chemische functionaliteit via een amine te
introduceren, werden functionele polyurethanen gesynthetiseerd via post-polymerisatie
reacties. Hiervoor werden “klikbare” substraten op de polymeerhoofdketen van CHA-
Thiolacton ingevoerd waarna verdere post-polymerisatie reacties werden uitgevoerd via
gekende click-reacties. Verder werd deze strategie ook toegepast voor de synthese van multi-
functionele polyurethanen. Er werd getracht om een dubbele modificatie van de
polyurethaanstructuur te bereiken via de koper-geassisteerde azide-alkyn cyclo-additie en de
furan-maleïmide koppelingsreactie aan de hand van een één-pot één-stapsprocedure. De
voorlopige resultaten gaven echter nog geen voldoende bewijs voor een succesvolle dubbele
modificatie.
In gedachte houdend dat polyurethanen vaak als vernette materialen verwerkt worden, werden
ten slotte functionele polyurethaannetwerken gesynthetiseerd en gekarakteriseerd. Het
polyurethaannetwerk werd bekomen door naast een functioneel amine, een hoeveelheid
diamine aan het monomeer toe te voegen als vernetter. Voor HEA-Thiolacton werd
propargylamine toegevoegd als functioneel amine, voor CHA-Thiolacton allylamine. Voor
het CHA-Thiolacton gebaseerd polyurethaannetwerk kon de aanwezigheid van de dubbele
binding bevestigd worden via HR-MAS 1H-NMR, alsook kon de fractie aan dubbele binding
kwantitatief gemeten worden, een waarde die overeenkwam met de experimentele conditie.
Algemeen kan geconcludeerd worden dat de thiolactonstrategie uitgebreid werd onderzocht
door een bepaling van de reactiviteit van verschillende amines voor de aminolyse van een
thiolacton. Daarnaast was het ook mogelijk om deze strategie aan te wenden voor de synthese
van (multi-)functionele polyurethanen. Belangrijk om te vermelden is dat deze één-pot
procedure toelaat om functionele groepen in te voeren en zuiveringsstappen sterk te
vereenvoudigen.
78 Referenties
Referenties 5
1. Kolb, H. C.; Finn, M. G.; Sharpless, K. B. Angew. Chem.-Int. Edit. 2001, 40, (11), 2004-+.
2. Becer, C. R.; Hoogenboom, R.; Schubert, U. S. Angewandte Chemie International Edition 2009, 48, (27), 4900-4908.
3. Eric V. Anslyn, D. A. D., Modern Physical Organic Chemistry. University Science Books: 2006; p 1104.
4. Hoyle, C. E.; Lowe, A. B.; Bowman, C. N. Chemical Society Reviews 2010, 39, (4), 1355-1387.
5. Hoyle, C. E.; Lee, T. Y.; Roper, T. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 2004, 42, (21), 5301-5338.
6. Lowe, A. B. Polymer Chemistry 2010, 1, (1), 17-36. 7. Barner-Kowollik, C.; Du Prez, F. E.; Espeel, P.; Hawker, C. J.; Junkers, T.; Schlaad,
H.; Van Camp, W. Angewandte Chemie International Edition 2011, 50, (1), 60-62. 8. Fairbanks, B. D.; Scott, T. F.; Kloxin, C. J.; Anseth, K. S.; Bowman, C. N.
Macromolecules 2008, 42, (1), 211-217. 9. Chan, J. W.; Hoyle, C. E.; Lowe, A. B.; Bowman, M. Macromolecules 2010, 43, (15),
6381-6388. 10. Li, M.; De, P.; Gondi, S. R.; Sumerlin, B. S. Journal of Polymer Science Part A:
Polymer Chemistry 2008, 46, (15), 5093-5100. 11. Becer, C. R.; Babiuch, K.; Pilz, D.; Hornig, S.; Heinze, T.; Gottschaldt, M.; Schubert,
U. S. Macromolecules 2009, 42, (7), 2387-2394. 12. Cesana, S.; Kurek, A.; Baur, M. A.; Auernheimer, J.; Nuyken, O. Macromolecular
Rapid Communications 2007, 28, (5), 608-615. 13. Ouchi, T.; Seike, H.; Miyazaki, H.; Tasaka, F.; Ohya, Y. Designed Monomers and
Polymers 2000, 3, (3), 279-287. 14. Alferiev, I. S.; Fishbein, I. Biomaterials 2002, 23, (24), 4753-4758. 15. Kihara, N.; Kanno, C.; Fukutomi, T. Journal of Polymer Science Part A: Polymer
Chemistry 1997, 35, (8), 1443-1451. 16. Overberger, C. G.; Aschkenasy, H. J. Am. Chem. Soc. 1960, 82, (16), 4357-4360. 17. Tsarevsky, N. V.; Matyjaszewski, K. Macromolecules 2005, 38, (8), 3087-3092. 18. Tsarevsky, N. V.; Matyjaszewski, K. Macromolecules 2002, 35, (24), 9009-9014. 19. Whittaker, M. R.; Goh, Y. K.; Gemici, H.; Legge, T. M.; Perrier, S.; Monteiro, M. J.
Macromolecules 2006, 39, (26), 9028-9034. 20. Boyer, C.; Soeriyadi, A. H.; Roth, P. J.; Whittaker, M. R.; Davis, T. P. Chemical
Communications 2011, 47, (4), 1318-1320. 21. Lima, V.; Jiang, X.; Brokken-Zijp, J.; Schoenmakers, P. J.; Klumperman, B.; Van Der
Linde, R. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 2005, 43, (5), 959-973.
22. Koo, S. P. S.; Stamenović, M. M.; Prasath, R. A.; Inglis, A. J.; Du Prez, F. E.; Barner-Kowollik, C.; Van Camp, W.; Junkers, T. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 2010, 48, (8), 1699-1713.
Referenties 79
23. Moriguchi, T.; Endo, T. Macromolecules 1995, 28, (15), 5386-5387. 24. Choi, W.; Nakajima, M.; Sanda, F.; Endo, T. Macromolecular Chemistry and Physics
1998, 199, (9), 1909-1915. 25. Choi, W.; Sanda, F.; Endo, T. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry
1998, 36, (7), 1189-1195. 26. Benesch, R.; Benesch, R. E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1958, 44, (9), 848-853. 27. Paryzek, Z.; Skiera, W. Org. Prep. Proced. Int. 2007, 39, (3), 203-296. 28. Jacobsen, D. W. Clin Chem 1998, 44, (8), 1833-1843. 29. JAKUBOWSKI, H. The FASEB Journal 1999, 13, (15), 2277-2283. 30. Jakubowski, H.; Guranowski, A. Journal of Biological Chemistry 2003, 278, (9),
6765-6770. 31. C., H., Comprehensive Medicinal Chemistry. 1990; Vol. 6. 32. Espeel, P.; Goethals, F.; Du Prez, F. E. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, (6), 1678-1681. 33. Charles E. Carraher, J., Seymour/Carraher's Polymer Chemistry. Seventh Edition ed.;
CRC Press: 2008; p 738. 34. Bayer, O. Angewandte Chemie 1947, 59, (9), 257-272. 35. Plastics - the facts 2011. In An analysis of European plastics production, demand and
recovery for 2010, PlasticsEurope, Ed. PlasticsEurope: 2011. 36. Martin E. Rogers, T. E. L., Synthetic methods in step-growth polymers. 2003; p 605. 37. Odian, G., Principles of polymerization. Fourth edition ed.; Wiley-Interscience: 2004;
p 812. 38. Billiet, L. Functionalization of step-growth polymers by click chemistries. Ph.D.
Thesis, University of Ghent, Ghent, 2011. 39. Digar, M. L.; Hung, S. L.; Wen, T. C.; Gopalan, A. Polymer 2002, 43, (5), 1615-1622. 40. Kihara, N.; Endo, T. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 1993, 31,
(11), 2765-2773. 41. He, Y.; Keul, H.; Möller, M. Reactive and Functional Polymers 2011, 71, (2), 175-
186. 42. Ochiai, B.; Satoh, Y.; Endo, T. Journal of Polymer Science Part A: Polymer
Chemistry 2009, 47, (18), 4629-4635. 43. Fournier, D.; Du Prez, F. Macromolecules 2008, 41, (13), 4622-4630. 44. Billiet, L.; Gok, O.; Dove, A. P.; Sanyal, A.; Nguyen, L.-T. T.; Du Prez, F. E.
Macromolecules 2011, 44, (20), 7874-7878. 45. Garel, J.; Tawfik, D. S. Chemistry – A European Journal 2006, 12, (15), 4144-4152. 46. Strubbe, K. Fysische chemie II: elektrochemie, kinetiek. Universiteit Gent, 2006. 47. Uygun, M.; Tasdelen, M. A.; Yagci, Y. Macromolecular Chemistry and Physics 2010,
211, (1), 103-110. 48. Li, G. Z.; Randev, R. K.; Soeriyadi, A. H.; Rees, G.; Boyer, C.; Tong, Z.; Davis, T. P.;
Becer, C. R.; Haddleton, D. M. Polymer Chemistry 2010, 1, (8), 1196-1204. 49. Kenawy, E.-R.; Abdel-Hay, F. I.; El-Shanshoury, A. E.-R. R.; El-Newehy, M. H.
Journal of Controlled Release 1998, 50, (1–3), 145-152. 50. Ahuja, I. S. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry 1967, 29, (8), 2091-2095. 51. Carleer, R. Instrumentele analytische methoden. Universiteit Hasselt, 2009. 52. Du Prez, F. E., Polymer Materials. Universiteit Gent, 2011. 53. Vilela, C.; Cruciani, L.; Silvestre, A. J. D.; Gandini, A. Macromolecular Rapid
Communications 2011, 32, (17), 1319-1323. 54. Gandini, A.; Silvestre, A. J. D.; Coelho, D. J. Polym. Sci. Pol. Chem. 2010, 48, (9),
2053-2056. 55. Martins, J., Advanced NMR Spectroscopy: Application to Structure Analysis.
Universiteit Gent: 2011.
80 Experimenteel gedeelte
Experimenteel gedeelte 6
6.1 Aminolyse van een thiolacton: Reactiviteit van amines
6.1.1 Meting van de reactieduur voor de aminolyse via online IR
Algemene reactieconditie: γ-thiobutyrolacton (1.6 mmol, 0.14 mL) werd opgelost in 0.8 M
THF. Het amine (16 mmol, 10 eq.) werd toegevoegd waarna de online infraroodmeting werd
gestart om de reactieduur te bepalen.
6.1.2 Bepaling van de pseudo-eerste orde conditie via online IR
γ-thiobutyrolacton (0.4 mmol, 0.035 mL) werd opgelost in 0.2 M THF. Propylamine werd
toegevoegd en de reactieduur werd bepaald via een online infraroodmeting. Metingen werden
uitgevoerd bij een 10-, 20-, 30-, 40- en 50-voudige overmaat aan amine.
6.1.3 Bepaling van de snelheidsconstanten via een offline GC-meting
Algemene reactieconditie: γ-thiobutyrolacton (0.4 mmol, 0.035 mL) werd opgelost in 0.2 M
THF en dodecaan (0.2 mmol, 0.045 mL) werd toegevoegd als interne standaard. Het amine
werd toegevoegd (20 mmol, 50 eq.), waarna in functie van de tijd samples genomen werden.
Vervolgens werden deze samples verdund in een oplossing van dichloormethaan/azijnzuur en
overgebracht in GC-vials.
Experimenteel gedeelte 81
6.1.4 Orthogonaliteit van een thiolacton via online IR
γ-thiobutyrolacton (0.2 mmol) werd opgelost in 0.2 M THF. In een eerste experiment werd
octaanthiol toegevoegd (10 mmol, 1.74 mL ) en werd de reactie gevolgd via een online
infraroodmeting. In een 2de experiment werd butanol (10 mmol, 0.92 mL) toegevoegd en in
een 3de experiment water (10 mmol, 0.18 mL) waarbij elk van de reacties werd gevolgd via
een online infraroodmeting.
6.2 Synthese van functionele polyurethanen
6.2.1 Functionele polyurethanen via de radicalaire thiol-een reactie
6.2.1.1 UV-gekatalyseerde polymerisatie
In een schlenk-tube werd Alloc-Thiolacton (2 mmol, 402.5 mg) opgelost in 2 mL droge THF.
DMPA (0.02 mmol, 5 mg) werd toegevoegd en het mengsel werd 3 maal onderworpen aan
een freeze-pump-thaw cyclus. Propylamine (4 mmol, 0.33 mL) werd toegevoegd en het
reactiemengsel werd onder UV-bestraling (300 nm) geroerd. Het wit neerslag dat gevormd
werd tijdens de reactie werd na 40 min. afgefiltreerd, gewassen met koude diëthylether en
gedroogd onder hoog vacuüm.
6.2.1.2 Thermisch gekatalyseerde polymerisatie
In een schlenk-tube werd Alloc-Thiolacton (2 mmol, 402.5 mg) opgelost in 2 mL DMF.
AIBN (0.03 mmol, 5 mg) werd toegevoegd en het mengsel werd 3 maal onderworpen aan een
freeze-pump-thaw cyclus. Propylamine (4 mmol, 0.33 mL) werd toegevoegd en het
reactiemengsel werd geroerd bij 70 °C. Na 17 u werd het reactiemengsel neergeslaan in koude
diëthylether en gedroogd onder hoog vacuüm.
82 Experimenteel gedeelte
6.2.1.3 UV-gekatalyseerd polymerisatie met twee verschillende amines
Algemene reactieconditie: In een schlenk-tube werd Alloc-Thiolacton (4 mmol, 805 mg)
opgelost in 2 mL droge THF. DMPA (0.04 mmol, 10 mg) werd toegevoegd en het mengsel
werd 3 maal onderworpen aan een freeze-pump-thaw cyclus. Amine 1 (4 mmol) en amine 2 (4
mmol) werden toegevoegd en het reactiemengsel werd onder UV-bestraling (300 nm)
geroerd. Het wit neerslag dat gevormd werd tijdens de reactie werd na 40 min. afgefiltreerd,
gewassen met koude diëthylether en gedroogd onder hoog vacuüm.
6.2.2 Functionele polyurethanen via de nucleofiele thiol-een reactie
6.2.2.1 Synthese van het HEA-thiolacton en het CHA-thiolacton
Monomeersynthese: synthese van HEA-Thiolacton
α-isocyanaat-γ-thiolacton (13.97 mmol, 2 g) werd opgelost in droge dichloormethaan (7 mL),
hydroxyethylacrylaat (13.97 mmol, 1.47 mL) en dibutyltindilauraat (0.1397 mmol, 0.083 mL)
werden toegevoegd. De reactie werd geroerd bij kamertemperatuur en opgevolgd via TLC
(silica, methanol/dichloormethaan = 1/24) gedurende 24 u. Zuivering gebeurde door
kolomchromatografie (silicagel, dichloormethaan/hexaan/ethylacetaat = 5/4/1) en leverde na
indampen en drogen bij hoog vacuüm het eindproduct als viskeuze olie. 4-methoxyfenol
(0.014 mmol, 20 mg) werd toegevoegd als radicaalinhibitor en het monomeer werd verkregen
als een wit poeder. Een rendement van 92 % werd bekomen.
Brutoformule C16H12NO5S
MG 258.27
1H-NMR (300 MHz, CDCl3, ppm) δ 6.42 (dd, 17.37 Hz, 1.51 Hz, 1H), δ 6.19 (dd, 10.32 Hz,
6.98 Hz, 1H), δ 5.85 (dd, 10.40 Hz, 1.51 Hz, 1H), δ 5.25 (s, 1H), δ 4.31 (s, 4H), δ 3.28 (m,
2H), δ 2.85 (m, 1H), δ 2.02 (m, 1H)
Experimenteel gedeelte 83
Monomeersynthese: synthese van CHA-Thiolacton
α-isocyanaat-γ-thiolacton (6.99 mmol, 1 g) werd opgelost in droge dichloormethaan (3.5 mL).
1,4-cyclohexaandimethanol monoacrylaat (6.99 mmol, 1.31 mL) en dibutyltindilauraat
(0.0699 mmol, 0.041 mL) werden toegevoegd. De reactie werd 4,5 u geroerd bij
kamertemperatuur en opgevolgd via TLC (silica, methanol/dichloormethaan = 1/24).
Zuivering gebeurde door kolomchromatografie (silicagel,
dichloormethaan/hexaan/ethylacetaat = 5/4/1) en leverde na indampen en drogen bij hoog
vacuüm het eindproduct als wit poeder op. 4-methoxyfenol (0.07 mmol, 9 mg) werd
toegevoegd als radicaalinhibitor. Een rendement van 92 % werd bekomen.
Brutoformule C16H23NO5S
MG 341.42
1H-NMR (300 MHz, CDCl3, ppm) δ 6.38 (dd, 17.23 Hz, 1.48 Hz, 1H), δ 6.09 (dd, 10.40 Hz,
6.92 Hz, 1H), δ 5.80 (dd, 10.41 Hz, 6.92 Hz, 1H), δ 5.11 (s, 1H), δ 3.96 (m, 5H), δ 3.28 (m,
2H), δ 2.86 (m, 2H), δ 1.98 (m, 1H), δ 1.79 (m, 4H), δ 1.43 (m, 1H), δ 0.94 (m, 4H)
6.2.2.2 Polymerisatie: Mogelijke nevenreacties
CHA-Thiolacton (1.0 mmol, 341.42 mg) werd opgelost in 2 mL THF. Octylamine (1.1 mmol,
0.18 mL) werd toegevoegd en de reactie werd gevolgd via een online infraroodmeting.
6.2.2.3 Polymerisatie: Optimale conditie
Polymerisatie van HEA-Thiolacton
HEA-Thiolacton werd opgelost in THF. Octylamine werd toegevoegd en het reactiemengsel
werd geroerd bij kamertemperatuur. Experimenten werden uitgevoerd bij onderstaande
condities:
84 Experimenteel gedeelte
Tabel 8. Overzicht van de experimentele condities voor de polymerisatie van HEA-Thiolacton
Concentratie monomeer (M) HEA-Thiolacton n (mmol) m (mg)
Octylamine n (mmol) V (µL)
0.25
0.5 1
0.25 65.82 0.5
129.64 1.0
259.28
0.275 46
0.55 91 1.1 182
Polymerisatie van CHA-Thiolacton
CHA-Thiolacton werd opgelost in THF. Octylamine werd toegevoegd en het reactiemengsel
werd geroerd bij kamertemperatuur. Experimenten werden uitgevoerd bij onderstaande
condities:
Tabel 9. Overzicht van de experimentele condities voor de polymerisatie van CHA-Thiolacton
Concentratie monomeer (M) CHA-Thiolacton n (mmol) m (mg)
Octylamine n (mmol) V (µL)
0.25
0.5 1 2
0.125 42.7 0.5
170.71 1.0
341.42 2.0
682.84
0.137 23
0.55 91 1.1 182 2.2 364
Synthese van functionele polyurethanen
Algemene reactieconditie: CHA-Thiolacton (0.25 mmol, 85.36 mg) werd opgelost in 0.5 mL
THF. Het amine (0.275 mmol) werd toegevoegd en het reactiemengsel werd geroerd bij
kampertemperatuur. Na 24 u werd het polymeer geanalyseerd via SEC.
Experimenteel gedeelte 85
Synthese van functionele polyurethanen via twee amines
Algemene reactieconditie: CHA-Thiolacton (1.0 mmol, 341.42 mg) werd opgelost in 2 mL
THF. Amine 1 (1.0 mmol) en amine 2 (1.0 mmol) werden toegevoegd en het reactiemengsel
werd geroerd bij kampertemperatuur. Na 24 u werd het polymeer geanalyseerd via SEC en
NMR.
6.3 Functionele polyurethanen via post-functionalisatie reacties
6.3.1 Post-functionalisatie via de radicalaire thiol-een reactie
CHA-Thiolacton (0.5 mmol, 170.71 mg) werd opgelost in 1 mL THF en allylamine (0.5
mmol, 38 µL) werd toegevoegd. Na 24 u werd een staal genomen voor SEC- en NMR-
analyse, vervolgens werden octaanthiol (1.0 mmol, 0.18 mL) en DMPA (0.04 mmol, 10 mg)
toegevoegd waarna het reactiemengsel onder UV-licht (300 nm) werd geplaatst. Na 5 u werd
een staal genomen voor SEC- en NMR-anlayse.
6.3.2 Post-functionalisatie via een Diels-Alder reactie
CHA-Thiolacton (0.5 mmol, 170.71 mg) werd opgelost in 1 mL THF en furfurylamine (0.5
mmol, 45 µL) werd toegevoegd waarbij het reactiemengsel werd geroerd bij
kamertemperatuur. Na 24 u werd een staal genomen voor SEC- en NMR-analyse, vervolgens
werd N-ethylmaleïmide (1.0 mmol, 125.13 mg) toegevoegd en het reactiemengsel werd
geroerd bij 50 °C. Na 5 u werd een staal genomen voor SEC- en NMR-analyse.
86 Experimenteel gedeelte
6.3.3 Post-functionalisatie via CuAAc
CHA-Thiolacton (0.5 mmol, 170.71 mg) werd opgelost in 1 mL THF en propargylamine (0.5
mmol, 35 µL) werd toegevoegd waarbij het reactiemengsel werd geroerd bij
kamertemperatuur. Na 24 u werd een staal genomen voor SEC- en NMR-analyse. Vervolgens
werden benzylazide, (1.0 mmol, 2 mL), CuBr (0.05 mmol, 7.2 mg) en PMDETA (0.05 mmol,
11 µL) toegevoegd en het reactiemengsel werd geroerd bij 50 °C. Na 5 u werd een staal
genomen voor SEC- en NMR-analyse.
6.3.4 Post-functionalisatie via CuAAc en een Diels-Alder reactie
CHA-Thiolacton (0.5 mmol, 170.71 mg) werd opgelost in 1 mL THF. Propargylamine (0.5
mmol, 35 µL) en furfurylamine (0.5 mmol, 45 µL) werden toegevoegd waarbij het
reactiemengsel werd geroerd bij kamertemperatuur. Na 24 u werd een staal genomen voor
SEC- en NMR-analyse. Vervolgens werden benzylazide (1.0 mmol, 2 mL), CuBr (0.05 mmol,
7.2 mg), PMDETA (0.05 mmol, 11 µL) en N-ethylmaleïmide (1.0 mmol, 125.13 mg)
toegevoegd en het reactiemengsel werd geroerd bij 50 °C. Na 24 u werd een staal genomen
voor SEC- en NMR-analyse.
6.4 Synthese van functionele polyurethaannetwerken
6.4.1 Netwerkvorming van HEA-Thiolacton
HEA-Thiolacton (0.5 mmol, 170.71 mg) werd opgelost in THF, propargylamine en 4,9-
Dioxa-1,12-dodecaandiamine werden toegevoegd bij verschillende verhoudingen zoals
weergegeven in onderstaande tabel. Het reactiemengsel werd tussen 2 glasplaten geïnjecteerd
gescheiden door een siliconspacer en na 24 u werd een polymeernetwerk bekomen dat
gezuiverd werd via Soxhlet-extractie met CHCl3 als eluens.
Experimenteel gedeelte 87
Tabel 10. Overzicht van de experimentele condities voor de polymerisatie van CHA-Thiolacton
Fractie vernetter (%) Propargylamine n (mmol) V (µL)
Vernetter n (mmol) V (µL)
20
50
100
0.8 26 0.5 17 - -
0.1 11
0.25 27 0.5 55
6.4.2 Netwerkvorming van CHA-Thiolacton
CHA-Thiolacton (0.5 mmol, 170.71 mg) werd opgelost in THF, allylamine en 4,9-Dioxa-
1,12-dodecaandiamine werden toegevoegd bij verschillende verhoudingen zoals weergegeven
in onderstaande tabel. Het reactiemengsel werd tussen twee glasplaten geïnjecteerd
gescheiden door een siliconspacer en na 24 u werd een polymeernetwerk bekomen dat
gezuiverd werd via Soxhlet-extractie met CHCl3 als eluens.
Tabel 11. Overzicht van de experimentele condities voor de polymerisatie van CHA-Thiolacton
Fractie vernetter (%) Allylamine n (mmol) V (µL)
Vernetter n (mmol) V (µL)
20
50
100
0.8 30 0.5 19 - -
0.1 11
0.25 27 0.5 55
88 Experimenteel gedeelte
6.4.3 Netwerkvorming van CHA-Thiolacton
6.4.3.1 Lage fractie vernetter
CHA-Thiolacton (0.5 mmol, 170.71 mg) werd opgelost in 1 mL THF, allylamine (0.4 mmol,
30 µL) en 4,9-Dioxa-1,12-dodecaandiamine (0.05 mmol, 11 µL) werden toegevoegd en het
reactiemengsel werd tussen twee glasplaten geïnjecteerd gescheiden door een siliconspacer.
Na 24 u werd het netwerk bekomen en gezuiverd via Soxhlet-extractie met CHCl3 als eluens.
6.4.3.2 Hoge fractie vernetter
CHA-Thiolacton (0.5 mmol, 170.71 mg) werd opgelost in 1 mL THF, allylamine (0.25 mmol,
19 µL) en 4,9-Dioxa-1,12-dodecaandiamine (0.125 mmol, 27 µL) werden toegevoegd en het
reactiemengsel werd tussen twee glsplaten geïnjecteerd gescheiden door een siliconspacer. Na
24 u werd het netwerk bekomen en gezuiverd via Soxhlet-extractie met CHCl3 als eluens.
Gebruikte apparatuur 89
Gebruikte reagentia 7
Alle producten en solventen (zie Tabel 10) werden gebruikt zoals ontvangen door de
leverancier zonder verdere zuivering.
Tabel 12. Gebruikte reagentia
Naam Leverancier CAS-Nummer Zuiverheid (%)
Acetonitrile Aldrich 75-05-8 ≥ 99.9
Allylamine Aldrich 107-11-9 ≥ 99.9
Aluminium oxide (basisch) Aldrich 1344-28-1 -
Azijnzuur Fiers 64-19-7 99.8
Benzylamine
Benzylazide
Aldrich
Aldrich
100-46-9
622-79-7
≥ 99.5
≥ 95
Chloroform Aldrich 67-66-3 ≥ 99.8
Chloroform (CDCl3) Euriso-top 865-49-6 99.8
CHA Nippon Kasei 23117-36-4 -
Dichloormethaan Aldrich 75-09-2 99,8
Dibutyltinlauraat Aldrich 77-58-7 95
Diethylamine Aldrich 109-89-7 99.5
DMPA Aldrich 24650-42-8 99
Dimethylaceetamide Aldrich 127-19-5 ≥ 99.5
Dimethylformamide
Dimethylsulfoxide-d6
4,9-Dioxa-1,12-dodecaandiamine
Aldrich
Euriso-top
Acros
68-12-2
2206-27-1
7300-34-7
99.8
99.8
97
90 Gebruikte apparatuur
Tabel 12. Gebruikte reagentia (vervolg)
Naam Leverancier CAS-Nummer Zuiverheid (%)
Dodecaan Aldrich 112-40-3 99+
Furfurylamine Aldrich 617-89-0 99+
Glycine t-butyl ester Alfa Aesar 6456-74-2 97
Hexaan Aldrich 10-54-3 95
2-Hydroxyethylacrylaat Aldrich 818-61-1 97
Jeffamine® M-600
Koper(I)bromide
Huntsmann
Aldrich
-
7787-70-4
-
98
Methanol Aldrich 67-56-1 99,9
1-Methylpiperazine
N-ethylmaleïmide
Aldrich
Aldrich
109-01-3
128-53-0
99
≥ 98
3-morpholinopropylamine Aldrich 123-00-2 -
N,N-dimethylethyleendiamine Fluka 108-00-9 > 98,0
Natriumwaterstofcarbonaat Carl Roth 144-55-8 ≥ 99.5
Octylamine
N,N,N′,N′′,N′′-Pentamethyldiethylenetriamine
Aldrich
Aldrich
111-86-4
3030-47-5
99
99
Piperidine Aldrich 110-89-4 99
Propargylamine Aldrich 2450-71-7 98
Propylamine Aldrich 107-10-8 99+
Pyrrolidine
Tetrahydrofuraan
Triethylamine
γ-thiobutyrolacton
Acros
Aldrich
Aldrich
Aldrich
123-75-1
109-99-9
121-44-8
1003-10-7
99
99
99
98
Gebruikte apparatuur 91
Gebruikte apparatuur 8
SEC
SEC-analyses werden uitgevoerd bij 35 °C op drie in serie geplaatste Polymer Standards
Services GPC kolommen (1 x GRAM Analytical 30 Å, 10 µm en 2 x GRAM Analytical 1000
Å, 10 µm) met N,N-dimethylaceetamide (DMA), die 0.42 mg.L-1 lithiumbromide bevat als
solvent (debiet van 1 mL.min-1). Het systeem werd gekalibreerd met PMMA standaarden (690
g.mol-1 tot 1944000 g.mol-1) met een nauwe polydispersiteit. Er werd gebruik gemaakt van
een Hitachi Column Oven L-7300, een Waters 2414 Refractive index Detector, een Waters
600 controller en een Waters 610 Fluid Unit. Het moleculair gewicht en de
polydispersiteitsindex werden bepaald via Empower software.
Bijkomende SEC-analyses werden uitgevoerd op een Agilent (Polymer Laboratories) PL-
GPC 50 plus instrument, gebruik makend van een brekingsindex detector en 2 PLgel 5 mm
MIXED-D kolommen gethermostatiseerd bij 40 °C. Polystyreen en PMMA standaarden
werden gebruikt voor kalibratie, THF werd gebruikt als eluens met een debiet van 1 mL.min-1.
Samples werden geinjecteerd door middel van een PL-AS RT autosampler.
LC-MS
Elektrospray massaspectra werden opgenomen met een single quad MS detector (VL) met
elektrospray. LC-MS analyses gebeuren met een Agilent Technologies 1100 series LC/MSD
systeem voorzien met een diode array detector (DAD) en single quad MS. Analytische
reversed phase HPLC-analyses werden uitgevoerd met een Phenomenex Luna C18 (2) kolom
(5 µm, 250 mm x 4.6 mm) en een solvent gradiënt (0 → 100 % acetonitrile in H2O in 15 min),
de geëlueerde componenten werden geanalyseerd via UV-detectie (λ = 214 nm).
92 Gebruikte apparatuur
NMR
De NMR-spectra werden opgenomen in CDCl3 (Eurisotop) of DMSO-d6 (Eurisotop) bij 300
MHz (Bruker Avance 300) en 500 MHz (Bruker DRX500). Voor HR-MAS metingen werden
NMR-samples voorbereid door een hoeveelheid netwerk in kleine stukjes te snijden en in een
4 mm rotor (50 µL) te brengen. Vervolgens werd CDCl3 (Eurisotop) als solvent toegevoegd
waarna het netwerk kon zwellen. 1H-NMR spectra werden opgenomen op een Bruker Avance
II 700 (700.13 MHz) spectrometer met een HR-MAS probe. Samples werden rondgetold met
een snelheid van 6 kHz.
GC-FID
GC-FID analyses werden uitgevoerd op een Hewlett Packard 5890 series II systeem voorzien
van een FID-detector en een Restek XTI-5 capillaire kolom (30 mm x 0.25 mm, 0.25 µm
filmdikte van 5 % difenyl en 95 % PDMS). Analyses werden uitgevoerd met een flow rate
van H2-gas aan 1.4 mL.min-1. De verwarmingscyclus van de kolom vertrok door 3 minuten te
verwarmen bij 50 °C, gevolgd door een opwarming van 20°C.min-1. tot 240 °C, waarna de
kolom gedurende 5 minuten bij 240 °C gehouden.
GC-MS
GC-MS analyses werden uitgevoerd op een Hewlett Packard G1800B systeem voorzien van
een MS-detector en een DB-5ms capillaire kolom (30 mm x 0.25 mm, 0.25 µm filmdikte van
5 % difenyl en 95 % PDMS). Analyses werden uitgevoerd met een flow rate van He-gas aan
0.7 mL.min-1. De verwarmingscyclus van de kolom vertrok door 3 minuten te verwarmen bij
70 °C, gevolgd door een opwarming van 17.5 °C.min-1 tot 315 °C, waarna de kolom
gedurende 3 minuten bij 315 °C gehouden.
Gebruikte apparatuur 93
Online IR
Infraroodspectra werden opgenomen op een ReactIR 4000 instrument (Mettler Toledo
AutoChem React IRTM), waarbij gebruik gemaakt werd van een silicon probe (SiComp,
optisch bereik = 4400 – 650 cm-1). Spectra werden geanalyseerd door middel van IcIR 3.0
software.
TGA
TGA-analyses gebeurden met een TGA/SDTA851e van Mettler-Toledo onder N2-atmosfeer
met een opwarmsnelheid van 10 °C.min-1 van 25 tot 800 °C.
DSC
DSC-analyses werden uitgevoerd met een TA Instruments 2920 Modulated DSC V2.6A, een
heliumspoelstroom van 25 mL.min-1. en een stikstofstroom van 19 mL.min-1. De standaard
aluminium pannetjes en dekseltjes van TA Instruments werden gebruikt en 5-15 mg van
materiaal werd gebruikt. Tg's werden bepaald uit buigpunten in de 2e opwarming met behulp
van de software Universal V3.9A van TA Instruments. Metingen werden uitgevoerd binnen
een temperatuursdomein van -100 tot 150 °C.
Top Related