Functionele polyurethanen via een thiolactonstrategie

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.

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


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


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


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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


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


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.


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.


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).


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.


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).


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


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


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


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.


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�


� 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


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


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.


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.


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


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


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)


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).


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.


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)


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


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.


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.


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.


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).


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


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.


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.


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.


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


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).


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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)


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:


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.


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.


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.



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.


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


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



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.


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.

Functionele polyurethanen via een thiolactonstrategie

Documents

Transcript of Functionele polyurethanen via een thiolactonstrategie