1,720,986 research outputs found
Controlled Synthesis Pathways Towards Precision Design of Tailor-Made PPVs
No full textPoly(p-phenylene vinylenes) (PPVs) and their derivatives are one of the most
studied conjugated materials over the last decades. Although originally used in
electronic applications, more recent developments opened a variety of application
pathways for PPVs in the area of biosensors and biomedical research. The
excellent fluorescent properties and low charge carrier mobility of PPVs make
them ideal candidates to replace existing bioimaging agents such as organic
fluorescent markers. In this thesis the mechanistic understanding of the PPV
synthesis pathway, ultimately leading to the use of PPV materials in theranostic
applications is presented.
In first instance, focus was placed on the controlled synthesis of (MDMO)-PPVs via
the radical sulfinyl route through the use of a chain transfer agent (CTA).
Polymerizations are characterized by systematic variation, leading to a negative
activation energy upon the use of CBr4 as CTA. High-end group fidelity of the CBr4-
derived PPVs via the sulfinyl route was proven via chain extension experiments
using atom transfer radical polymerization (ATRP) reaction conditions. In addition,
copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC) was used to successfully
synthesize PPV (tri) block copolymer structures. Despite these achievements, the
synthesis of complex macromolecular structures via the anionic sulfinyl route was
investigated simultaneously, leading to an easy and more efficient way to
synthesize PPV block copolymers via a ‘living’ method. Hence, focus was shifted
towards the anionic route and amphiphilic PPV block copolymers were targeted by
using post-polymerization methods or the use of a hydrophilic non-PPV block. One
way to realize this was by combining (MDMO)-PPV with the ester functionalized (CPM)-PPV, leading to copolymers with an ester in the side chain. Postpolymerization reactions on this side chain were easily realized by hydrolysis
(water soluble) or functionalization into an alkyne (e.g. grafting reactions), alkene
(e.g. thiol-ene reactions) or PEG (water soluble) thereby opening a broad range
of new applications for PPVs outside the electronics field. One of those applications
is the biomedical field and more specifically bioimaging or drug delivery. Synthesis
of amphiphilic PPV block copolymers containing a PPV block and a (meth)acrylate
or methacrylamide block was realized using SET-LRP reaction conditions. The
block copolymers spontaneously self-assembled into micelles upon contact with
water. The resulting non-cytotoxic micelles – by themselves non-fluorescent –
showed excellent stability and payload retention for up to 1 year and were
successfully loaded with anti-cancer drug (Curcumin or Doxorubicin). The micelles
were taken up efficiently by the cells, which triggers spontaneous decomposition,
releasing the encapsulated material. Hence, a first step for the use of PPVs in both
bioimaging as well as drug delivery was taken.
As a result, the second part of the thesis is focused on the use of continuous flow
reactors for the synthesis of complex (PPV) macromolecules. All results so far
were obtained by performing batch reactions. However, the use of flow reactors
has over the last years proven to be beneficial over batch reactions due to their
excellent isothermal reaction conditions, efficient radial mixing as well as its
easiness to scale up reactions from mg to kg. A general method for the continuous
synthesis of the multi-step radical sulfinyl-route (MDMO)-PPV polymerizations was
made available in this way by coupling two flow microreactors. Conjugated
polymers could directly be obtained from the monomer which under batch
conditions was not easily reached, especially for this type of polymerization. Next, flow reactors were used as a way to systematically screen the very fast precursor
polymerizations in time, thereby obtaining – for the very first time – reliable and
time dependent data for different reaction times, temperatures and concentrations
for the synthesis of (MDMO)-PPV precursor polymer via the radical sulfinyl route.
Subsequently, this data was used for in-depth kinetic studies to get a better
mechanistic and kinetic understanding of this specific polymerization by using
Predici®. Two models were built in which chain transfer could lead to inhibition of
the polymerization or that the transfer reaction is in line with classical free radical
polymerization rules. Despite the differences between the radical precursor
polymerization to conventional free radical copolymerization – mostly due to
differences in initiation and biradical formation – the reaction followed similar
driving forces as observed for most radical polymerizations and kinetic rate
coefficients were in the same order of magnitude.
In the last part of the thesis, the use of continuous flow reactions is expanded to
other polymerization methods and more specifically the synthesis of dendrimers
via photo-enol reactions. In here, ESI-MS/Microreactor coupling was used, a
technique recently developed in our group to on-line monitor reactions via ESIMS. As a result the photo-enol reaction between a trifunctional trisuccinate core
and bifunctional disuccinate arm was fully screened on-line. Despite product
formation was clearly observed in ESI-MS, 1H NMR as well as SEC, side product
formation hindered the continuous synthesis of high order dendrimers. More
research could elucidate on these side reactions to enable full conversions and the
one-pot synthesis of dendrimers via photo-enol reactions.Poly(p-Phenylene Vinylenes) (PPVs) en zijn derivaten kunnen gezien worden als
een van de meest bestudeerde geconjugeerde materialen van de afgelopen
decennia. Ondanks dat dit materiaal voornamelijk werd gebruikt in fotovoltaïsche
toepassing, hebben zich de laatste jaren steeds meer mogelijkheden voorgedaan
voor het gebruik van PPVs in de biosensoren of het biomedische onderzoek. De
uitstekende fluorescerende eigenschappen in combinatie met zijn lage
ladingsmobiliteit maken PPVs de ideale kandidaat om huidige bioimaging
materialen zoals organische fluorescerende markers te vervangen. Met het oog
op deze doelstellingen hebben we ons in deze thesis gericht op het verkrijgen van
meer en beter inzicht in het mechanisme dat gepaard gaat met de synthese van
PPVs enerzijds, alsmede het toepassingsgebied uit te breiden door complexe PPV
structuren te ontwikkelen met als einddoel theranostics.
In de eerste fase hebben we ons toegelegd op de gecontroleerde synthese van
(MDMO)-PPV via de radicalaire sulfinyl route, door gebruik te maken van een
ketenoverdrachtsreagens. Het karakteriseren van de verschillende polymerisaties
verliep systematisch (variatie in temperatuur, concentratie, reactietijd) wat heeft
geleid tot een negatieve activeringsenergie bij het gebuik van CBr4 as
ketenoverdrachtsreagens. Door het gebruik van CBr4, werden de keteneindes
voorzien van CBr4 afgeleiden, welke in een volgende stap gereïnitieerd werden.
Gecombineerd met het gebruik van atom transfer radical polymerization (ATRP)
reactie condities kon op deze manier de synthese van PPV blokcopolymeren
gerealiseerd worden. Daarnaast werden de wel bekende CuAAC (copper-catalyzed
alkyne-azide cycloaddition) reactie condities gebruikt voor de synthese van zowel PPV blok als multi-blokcopolymeren. Ondanks de grote successen van de
radicalaire sulfinyl route om eerst homopolymeren en volgens multiblokcopolymeren te verkrijgen, vond er simultaan gelijksoortig onderzoek plaats
voor de synthese van complexe structuren startende met PPVs gesynthetiseerd
via de anionische sulfinyl route. Via deze route konden op een gemakkelijke, snelle
en veel efficiëntere manier, verfijnde complexe polymeren via een levende
polymerisatie verkregen worden. Er werd daarom besloten om de focus naar de
anionische route te schuiven, waarbij amfifiele PPV blok copolymeren werden
ontworpen door gebruik te maken van post-polymerisatie methodes enerzijds of
het gebruik van een hydrofiel niet-PPV-blok. Wanneer (MDMO)-PPV wordt
gecombineerd met een ester-gefunctionaliseerde (CPM)-PPV leidt dit tot
copolymeren met een ester in de zijketen welke gemakkelijk gefuntionaliseerd
kunnen worden. Hierbij valt te denken aan hydrolyse reacties om het polymeer
wateroplosbaar te maken, maar eventuele functionalisatie met een alkyn – voor
het gebruik van bijvoorbeeld oppervlakte reacties – of alkeen zijgroepen – te
gebruiken in de welbekende Thiol-Ene reacties – openen hiermee een breed scala
aan nieuwe toepassingen voor PPVs buiten het elektronische gebied. Een van die
toepassingen is het gebruik in de biomedische wereld en meer specifiek als
bioimaging reagens of voor drug delivery. Synthese van amfifiele PPV
blokcopolymeren zelfassembleren in water spontaan tot micellen. Deze niet
cytotoxische micellen – van zichzelf niet fluorescerend – vertonen uitstekende
stabiliteit voor een periode van een jaar en kunnen succesvol geladen worden met
anti-kanker medicijnen (Curcumin or Doxorubicin). Cel studies wijzen uit dat de
micellen perfect kunnen worden opgenomen door de cel, waar de eventuele lading
aanwezig in de micellen spontaan vrijgelaten wordt. Deze eerste studies laten de
kracht van PPVs zien en het gebruik ervan in de biomedische wereld. Het tweede deel van deze thesis handelt over het verkrijgen van meer inzicht in
het mechanisme dat gepaard gaat met de polymerisatie van complexe PPV
macromoleculen. Alle resultaten tot dusver zijn verkregen door gebruik te maken
van batchreacties. De laatste jaren echter is het gebruik van flowreactoren enorm
toegenomen en heeft dit geleid tot een nieuwe succesvolle manier om reacties uit
te voeren, daar reacties in flow uitgevoerd kunnen worden met bijna perfect
radiaal mixgedrag, isotherme reactiecondities en het gemak om van mg naar kg
op te schalen. Een algemene methode voor de multi-stap synthese van
geconjugeerde PPVs via de radicalaire sulfinyl route is opgesteld door twee
reactoren aan elkaar te koppelen. Geconjugeerde polymeren kunnen op deze
manier door toediening van het monomeer en de base direct verkregen worden,
iets wat onder batchcondities niet haalbaar is. Daarnaast worden flowreactoren
veelal gebruikt voor het screenen van reactiecondities, daar met een relatief kleine
hoeveelheid materiaal een scala aan reactiecondities op een eenvoudige en
continue manier getest kunnen worden. Op deze manier kan er voor de eerste
keer betrouwbare tijdsafhankelijk data verkregen worden voor de synthese van
(MDMO)-PPV via de radicalaire sulfinyl route. Deze data werd vervolgens gebruikt
als input in een theoretisch model – opgesteld via Predici® – om op die manier
een beter inzicht in de kinetiek van deze specifieke polymerisatie te krijgen. Twee
modellen werden opgesteld, één waar ketenoverdracht leidt tot inhibitie terwijl de
andere de regels van de klassieke vrije radicaalpolymerisatie volgt. Ondanks de
verschillen tussen de radicalaire route om PPVs te verkrijgen en de klassieke
manier – vooral door het verschil in initiatie van de reactie – lijken beide reactie
dezelfde drijfkracht te bezitten. Daarnaast liggen de verkregen
reactiesnelheidsconstantes in dezelfde orde van grootte als die voor klassieke vrije
radicaal polymerisatie. In het laatste deel van de thesis wordt het gebruik van flowreactoren verder
uitgebreid naar de synthese van dendrimeren via foto-enol reacties. Hiervoor
wordt gebruik gemaakt van een ESI-MS/flowreactorkoppeling, een techniek die
het online volgen van reacties mogelijk maakt. Daardoor kan de reactie tussen
een trifunctionele trisuccinaat en difunctionele disuccinaat volledig gevolgd
worden met alle reacties en zijproduct vorming. Helaas bleek deze laatste de
overhand te hebben. Om die reden was het nog niet mogelijk om hogere ordes
dendrimeren in de flowreactor te synthetiseren, maar meer onderzoek zou het
evenwicht van de reactie de juiste kant op kunnen drijven om zo op een simpele
en efficiënte manier de continue synthese van dendrimeren via foto-enol reacties
in flowreactoren te verwezenlijken.IW
Controlled Synthesis Pathways Towards Precision Design of Tailor-Made PPVs
No full textPoly(p-phenylene vinylenes) (PPVs) and their derivatives are one of the most
studied conjugated materials over the last decades. Although originally used in
electronic applications, more recent developments opened a variety of application
pathways for PPVs in the area of biosensors and biomedical research. The
excellent fluorescent properties and low charge carrier mobility of PPVs make
them ideal candidates to replace existing bioimaging agents such as organic
fluorescent markers. In this thesis the mechanistic understanding of the PPV
synthesis pathway, ultimately leading to the use of PPV materials in theranostic
applications is presented.
In first instance, focus was placed on the controlled synthesis of (MDMO)-PPVs via
the radical sulfinyl route through the use of a chain transfer agent (CTA).
Polymerizations are characterized by systematic variation, leading to a negative
activation energy upon the use of CBr4 as CTA. High-end group fidelity of the CBr4-
derived PPVs via the sulfinyl route was proven via chain extension experiments
using atom transfer radical polymerization (ATRP) reaction conditions. In addition,
copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC) was used to successfully
synthesize PPV (tri) block copolymer structures. Despite these achievements, the
synthesis of complex macromolecular structures via the anionic sulfinyl route was
investigated simultaneously, leading to an easy and more efficient way to
synthesize PPV block copolymers via a ‘living’ method. Hence, focus was shifted
towards the anionic route and amphiphilic PPV block copolymers were targeted by
using post-polymerization methods or the use of a hydrophilic non-PPV block. One
way to realize this was by combining (MDMO)-PPV with the ester functionalized (CPM)-PPV, leading to copolymers with an ester in the side chain. Postpolymerization reactions on this side chain were easily realized by hydrolysis
(water soluble) or functionalization into an alkyne (e.g. grafting reactions), alkene
(e.g. thiol-ene reactions) or PEG (water soluble) thereby opening a broad range
of new applications for PPVs outside the electronics field. One of those applications
is the biomedical field and more specifically bioimaging or drug delivery. Synthesis
of amphiphilic PPV block copolymers containing a PPV block and a (meth)acrylate
or methacrylamide block was realized using SET-LRP reaction conditions. The
block copolymers spontaneously self-assembled into micelles upon contact with
water. The resulting non-cytotoxic micelles – by themselves non-fluorescent –
showed excellent stability and payload retention for up to 1 year and were
successfully loaded with anti-cancer drug (Curcumin or Doxorubicin). The micelles
were taken up efficiently by the cells, which triggers spontaneous decomposition,
releasing the encapsulated material. Hence, a first step for the use of PPVs in both
bioimaging as well as drug delivery was taken.
As a result, the second part of the thesis is focused on the use of continuous flow
reactors for the synthesis of complex (PPV) macromolecules. All results so far
were obtained by performing batch reactions. However, the use of flow reactors
has over the last years proven to be beneficial over batch reactions due to their
excellent isothermal reaction conditions, efficient radial mixing as well as its
easiness to scale up reactions from mg to kg. A general method for the continuous
synthesis of the multi-step radical sulfinyl-route (MDMO)-PPV polymerizations was
made available in this way by coupling two flow microreactors. Conjugated
polymers could directly be obtained from the monomer which under batch
conditions was not easily reached, especially for this type of polymerization. Next, flow reactors were used as a way to systematically screen the very fast precursor
polymerizations in time, thereby obtaining – for the very first time – reliable and
time dependent data for different reaction times, temperatures and concentrations
for the synthesis of (MDMO)-PPV precursor polymer via the radical sulfinyl route.
Subsequently, this data was used for in-depth kinetic studies to get a better
mechanistic and kinetic understanding of this specific polymerization by using
Predici®. Two models were built in which chain transfer could lead to inhibition of
the polymerization or that the transfer reaction is in line with classical free radical
polymerization rules. Despite the differences between the radical precursor
polymerization to conventional free radical copolymerization – mostly due to
differences in initiation and biradical formation – the reaction followed similar
driving forces as observed for most radical polymerizations and kinetic rate
coefficients were in the same order of magnitude.
In the last part of the thesis, the use of continuous flow reactions is expanded to
other polymerization methods and more specifically the synthesis of dendrimers
via photo-enol reactions. In here, ESI-MS/Microreactor coupling was used, a
technique recently developed in our group to on-line monitor reactions via ESIMS. As a result the photo-enol reaction between a trifunctional trisuccinate core
and bifunctional disuccinate arm was fully screened on-line. Despite product
formation was clearly observed in ESI-MS, 1H NMR as well as SEC, side product
formation hindered the continuous synthesis of high order dendrimers. More
research could elucidate on these side reactions to enable full conversions and the
one-pot synthesis of dendrimers via photo-enol reactions.Poly(p-Phenylene Vinylenes) (PPVs) en zijn derivaten kunnen gezien worden als
een van de meest bestudeerde geconjugeerde materialen van de afgelopen
decennia. Ondanks dat dit materiaal voornamelijk werd gebruikt in fotovoltaïsche
toepassing, hebben zich de laatste jaren steeds meer mogelijkheden voorgedaan
voor het gebruik van PPVs in de biosensoren of het biomedische onderzoek. De
uitstekende fluorescerende eigenschappen in combinatie met zijn lage
ladingsmobiliteit maken PPVs de ideale kandidaat om huidige bioimaging
materialen zoals organische fluorescerende markers te vervangen. Met het oog
op deze doelstellingen hebben we ons in deze thesis gericht op het verkrijgen van
meer en beter inzicht in het mechanisme dat gepaard gaat met de synthese van
PPVs enerzijds, alsmede het toepassingsgebied uit te breiden door complexe PPV
structuren te ontwikkelen met als einddoel theranostics.
In de eerste fase hebben we ons toegelegd op de gecontroleerde synthese van
(MDMO)-PPV via de radicalaire sulfinyl route, door gebruik te maken van een
ketenoverdrachtsreagens. Het karakteriseren van de verschillende polymerisaties
verliep systematisch (variatie in temperatuur, concentratie, reactietijd) wat heeft
geleid tot een negatieve activeringsenergie bij het gebuik van CBr4 as
ketenoverdrachtsreagens. Door het gebruik van CBr4, werden de keteneindes
voorzien van CBr4 afgeleiden, welke in een volgende stap gereïnitieerd werden.
Gecombineerd met het gebruik van atom transfer radical polymerization (ATRP)
reactie condities kon op deze manier de synthese van PPV blokcopolymeren
gerealiseerd worden. Daarnaast werden de wel bekende CuAAC (copper-catalyzed
alkyne-azide cycloaddition) reactie condities gebruikt voor de synthese van zowel PPV blok als multi-blokcopolymeren. Ondanks de grote successen van de
radicalaire sulfinyl route om eerst homopolymeren en volgens multiblokcopolymeren te verkrijgen, vond er simultaan gelijksoortig onderzoek plaats
voor de synthese van complexe structuren startende met PPVs gesynthetiseerd
via de anionische sulfinyl route. Via deze route konden op een gemakkelijke, snelle
en veel efficiëntere manier, verfijnde complexe polymeren via een levende
polymerisatie verkregen worden. Er werd daarom besloten om de focus naar de
anionische route te schuiven, waarbij amfifiele PPV blok copolymeren werden
ontworpen door gebruik te maken van post-polymerisatie methodes enerzijds of
het gebruik van een hydrofiel niet-PPV-blok. Wanneer (MDMO)-PPV wordt
gecombineerd met een ester-gefunctionaliseerde (CPM)-PPV leidt dit tot
copolymeren met een ester in de zijketen welke gemakkelijk gefuntionaliseerd
kunnen worden. Hierbij valt te denken aan hydrolyse reacties om het polymeer
wateroplosbaar te maken, maar eventuele functionalisatie met een alkyn – voor
het gebruik van bijvoorbeeld oppervlakte reacties – of alkeen zijgroepen – te
gebruiken in de welbekende Thiol-Ene reacties – openen hiermee een breed scala
aan nieuwe toepassingen voor PPVs buiten het elektronische gebied. Een van die
toepassingen is het gebruik in de biomedische wereld en meer specifiek als
bioimaging reagens of voor drug delivery. Synthese van amfifiele PPV
blokcopolymeren zelfassembleren in water spontaan tot micellen. Deze niet
cytotoxische micellen – van zichzelf niet fluorescerend – vertonen uitstekende
stabiliteit voor een periode van een jaar en kunnen succesvol geladen worden met
anti-kanker medicijnen (Curcumin or Doxorubicin). Cel studies wijzen uit dat de
micellen perfect kunnen worden opgenomen door de cel, waar de eventuele lading
aanwezig in de micellen spontaan vrijgelaten wordt. Deze eerste studies laten de
kracht van PPVs zien en het gebruik ervan in de biomedische wereld. Het tweede deel van deze thesis handelt over het verkrijgen van meer inzicht in
het mechanisme dat gepaard gaat met de polymerisatie van complexe PPV
macromoleculen. Alle resultaten tot dusver zijn verkregen door gebruik te maken
van batchreacties. De laatste jaren echter is het gebruik van flowreactoren enorm
toegenomen en heeft dit geleid tot een nieuwe succesvolle manier om reacties uit
te voeren, daar reacties in flow uitgevoerd kunnen worden met bijna perfect
radiaal mixgedrag, isotherme reactiecondities en het gemak om van mg naar kg
op te schalen. Een algemene methode voor de multi-stap synthese van
geconjugeerde PPVs via de radicalaire sulfinyl route is opgesteld door twee
reactoren aan elkaar te koppelen. Geconjugeerde polymeren kunnen op deze
manier door toediening van het monomeer en de base direct verkregen worden,
iets wat onder batchcondities niet haalbaar is. Daarnaast worden flowreactoren
veelal gebruikt voor het screenen van reactiecondities, daar met een relatief kleine
hoeveelheid materiaal een scala aan reactiecondities op een eenvoudige en
continue manier getest kunnen worden. Op deze manier kan er voor de eerste
keer betrouwbare tijdsafhankelijk data verkregen worden voor de synthese van
(MDMO)-PPV via de radicalaire sulfinyl route. Deze data werd vervolgens gebruikt
als input in een theoretisch model – opgesteld via Predici® – om op die manier
een beter inzicht in de kinetiek van deze specifieke polymerisatie te krijgen. Twee
modellen werden opgesteld, één waar ketenoverdracht leidt tot inhibitie terwijl de
andere de regels van de klassieke vrije radicaalpolymerisatie volgt. Ondanks de
verschillen tussen de radicalaire route om PPVs te verkrijgen en de klassieke
manier – vooral door het verschil in initiatie van de reactie – lijken beide reactie
dezelfde drijfkracht te bezitten. Daarnaast liggen de verkregen
reactiesnelheidsconstantes in dezelfde orde van grootte als die voor klassieke vrije
radicaal polymerisatie. In het laatste deel van de thesis wordt het gebruik van flowreactoren verder
uitgebreid naar de synthese van dendrimeren via foto-enol reacties. Hiervoor
wordt gebruik gemaakt van een ESI-MS/flowreactorkoppeling, een techniek die
het online volgen van reacties mogelijk maakt. Daardoor kan de reactie tussen
een trifunctionele trisuccinaat en difunctionele disuccinaat volledig gevolgd
worden met alle reacties en zijproduct vorming. Helaas bleek deze laatste de
overhand te hebben. Om die reden was het nog niet mogelijk om hogere ordes
dendrimeren in de flowreactor te synthetiseren, maar meer onderzoek zou het
evenwicht van de reactie de juiste kant op kunnen drijven om zo op een simpele
en efficiënte manier de continue synthese van dendrimeren via foto-enol reacties
in flowreactoren te verwezenlijken.IW
Flash-synthesis of low dispersity PPV via anionic polymerization in continuous flow reactors and block copolymer synthesis
No full textLow dispersity poly[2-methoxy-5-(3 ',7 '-dimethyloctyloxy)]-1,4-phenylenevinylene (MDMO-PPV) with well-defined end-groups is made available by performing the anionic polymerization in a continuous tubular reactor under flash chemistry conditions. The anionic polymerization was carried out via the sulfinyl (Vanderzande) precursor route, following a protocol previously established. Flash flow chemistry allowed now to not only control the microstructure, but also the disperisty of the PPV efficiently. Further, this is the first time that premature termination of PPV anionic polymerization could be observed. Only at ultra-low reaction times in the order of tens of miliseconds products can be observed that have not reached full monomer conversion, redering this type of polymerization one of the fastest polymerizations known. Due to the efficient mixing in the tubular reactors, dispersities of 1.2 could be reached at such low residence times, which is unachievable in conventinal batch-wise chemistry. In a second step, a block copolymer was formed of the precursor PPV and tert-butyl acrylate (tBuA), which is further converted into an amphiphilic block copolymer of PPV with poly(acrylic acid) (PAA). Self-assembly of the PPV-b-PAA block copolymer in a continuous tubular reactor resulted in micelles with a number average diameter of 170 nm.The authors acknowledge funding from Hasselt University and the Fonds Wetenschappelijk Onderzoek (FWO). Further, the authors are grateful for interesting discussions with Dirk Vanderzande on the mechanism of PPV precursor polymerization.Junkers, T (corresponding author), Hasselt Univ, Inst Mat Res, Polymer React Design Grp, Wetenschapspk 1, B-3590 Diepenbeek, Belgium ; Monash Univ, Sch Chem, 19 Rainforest Walk, Clayton, Vic 3800, Australia.
[email protected]
Miniemulsion photopolymerization in a continuous tubular reactor: particle size control via membrane emulsification
No full textSynthesis of polymeric nanoparticles of adjustable size in the submicron-range 200-950 nm has been conductedviamembrane emulsification combined with photoinduced miniemulsion polymerization in a continuous tubular flow reactor. Monomer droplets comprising methyl methacrylate (MMA), hexadecane and the photoinitiator diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphine oxide were prepared as an aqueous emulsion with the surfactant sodium dodecyl sulfate (SDS) using fixed membrane pore sizes of 100, 200, 300 and 400 nm. Radical polymerizations were subsequently conducted by exposure of these emulsions to visible (violet) irradiation (lambda(max)= 405 nm) at room temperature in a continuous tubular flow reactor for polymerization times (residence times) as short as 10 min. Careful consideration of the SDS concentration as well as the use of an aqueous phase radical scavenger enabled design of systems providing exclusive monomer droplet nucleation (in the absence of secondary nucleation). In contrast to conventional emulsification techniques, membrane emulsification provides an energy efficient method for tuning the polymer particle size from submicron to micron range by appropriate selection of pore size.Boyer, C; Zetterlund, PB (corresponding author), Univ New South Wales, Ctr Adv Macromol Design CAMD, Sch Chem Engn, High St Gate 2, Sydney, NSW 2033, Australia; Univ New South Wales, Australian Ctr Nanomed, High St Gate 2, Sydney, NSW 2033, Australia.
[email protected]; [email protected]
Micelle Purification in Continuous Flow via Inline Dialysis
No full textMicelle dispersions purification is made available via inline flow dialysis in which micelles are separated from the organic solvent used to dissolve the block copolymers in the micelle formation step. Purification was performed using simple and cost-effective dialysis units employing cellulose membranes. The proposed setup allows us to remove THF from a micelle dispersion within a few hours almost entirely in a looped flow system, without significantly changing the micelle size. Purification is found to be independent of the exact flow rates and only on the circulation time through the dialysis units. The system is not only able to reduce the concentration of the organic solvent, but also water-soluble monomers can be removed. Further, the integration of the method into a full synthesis line to produce encapsulated micelles directly from block copolymer solutions is demonstrated with a throughput of 1.2 g of micelles per hour.The authors are grateful for funding from Hasselt University and the Fonds Wetenschappelijk Onderzoek (FWO). Further, support of the project via a discovery project of the Australian Research Council (ARC) in the form of DP190103309 is kindly acknowledged
Particle Size Control in Miniemulsion Polymerization via Membrane Emulsification
No full texty Miniemulsion polymerization of methyl methacrylate has been conducted employing Shirasu porous glass (SPG) membrane emulsification for the generation of the initial miniemulsion. For the first time, submicron-sized monomer droplets and polymer particles have been prepared using membranes with pore sizes significantly smaller than those previously reported. Membrane pore sizes of diameters 100-400 nm were explored, demonstrating that the final particle size can be conveniently tuned within the diameter range of 250-1600 nm. The choice of radical initiator is crucial: a sufficiently hydrophobic initiator (lauroyl peroxide) is required to minimize the generation of bimodal particle size distributions via secondary nucleation. Given the advantages of low energy consumption, reduced shear stress (compared with conventional high-energy mixing approaches such as ultrasonication), and an easily adjustable particle size via the membrane pore size, membrane emulsification has significant potential for the synthesis of polymeric nanoparticles via miniemulsion polymerization.The authors acknowledge the European Union Horizon 2020 research and innovation program under the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No. 665501 with the research Foundation Flanders (FWO) (N.Z.)
Polymer Synthesis in Continuous Flow Reactors
No full textA variety of polymerizations has long been performed in continuous flow reactors on an industrial scale; comparatively, on smaller scales, continuous polymerization methods have only gained significant attention in recent years. Yet, within the last decade, the field has moved from the rare occurrence of flow reactors to their abundant use today. A wide variety of polymer reactions have been performed in a continuous fashion on small and intermediate scales. The advantages of applying flow chemistry principles for polymer reactions include increased reproducibility and synthetic precision, significant increases in reaction performances for photochemical reactions, the ability to couple reactors to create complex materials in a single reactor pass, as well as the unique combination of online monitoring and machine learning. In this review we give a comprehensive overview of polymer reactions being carried out in continuous flow reactors to date. The development of the field is discussed, concluding with the most recent examples on automated polymer synthesis, reactor telescoping and nanoparticle synthesis. Finally, the design of flow reactors is discussed to help newcomers contribute to the current and future developments in the field.NZ is grateful for support from the European Union Horizon 2020 research and innovation program under the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No 665501 with the Research Foundation Flanders (FWO). TJ and MR are grateful for support from the Flemish Fonds Wetenschappelijk Onderzoek (FWO). J. X. acknowledges the Australian Research Council (ARC) for the financial support under the schemes of Future Fellowship (FT160100095). The Australian Research Council (ARC) is gratefully acknowledged for the financial support under the Discovery Project scheme for DP190100067 (CB, JX and NC) and DP190103309 (TJ).Junkers, T (corresponding author), Monash Univ, Sch Chem, Polymer React Design PRD Grp, Clayton, Vic 3800, Australia.
[email protected]
Alcohol-based PISA in batch and flow: exploring the role of photoinitiators
No full textPolymerization-induced self-assembly (PISA) via PhotoRAFT (photoinduced reversible addition-fragmentation chain transfer) in less polar solvents via continuous flow reactors was investigated. At first, a batch protocol was designed for the activation of the trithiocarbonate-derived poly(oligo ethylene glycol methacrylate) (POEGMA) macroRAFT under blue light in the presence of benzyl methacrylate (BzMA). A variety of solvents, photoinitiators as well as light intensities were tested, leading to improved reaction conditions in batch. With the optimized batch protocol, POEGMA-b-PBzMA particle synthesis was adapted for flow processing, demonstrating the potential of continuous tubular reactors for the synthesis of nanoparticles with different morphologies via alcoholic RAFT dispersion PISA. As the addition of various photoinitiators did not lead to the anticipated increase in polymerization rate, we further investigated the initiation mechanism using (meth) acrylates. POEGMA as well as the acrylate-based analogue (POEGA) were chain extended using different acrylates/methacrylates under photoiniferter and photoinitiation conditions. Due to the weaker C-S bond of the methacrylate-based macroRAFT, the additional generation of radicals from the photoinitiator TPO had less significant impact on the polymerization rate than for the acrylate-based macroRAFT, which underwent much slower photoiniferter activation. Methacrylate-based macroRAFT was converted into an acrylate-based macroRAFT when extended with acrylate monomer, thus explaining why this particular case does lead to a rate increase in addition of TPO, unlike for the extension with a methacrylate.The European Union Horizon 2020 research and innovation program under the Marie Skodowska-Curie grant agreement No 665501 with the Research Foundation Flanders (FWO) (N. Z.)
Profluorescent PPV-Based Micellar System as a Versatile Probe for Bioimaging and Drug Delivery
No full textAlthough micelles are commonly used for drug delivery purposes, their long-term fate is often unknown due to photobleaching of the fluorescent labels or the use of toxic materials. Here, we present a metal-free, nontoxic, nonbleaching, fluorescent micelle that can address these shortcomings. A simple, yet versatile, profluorescent micellar system, built from amphiphilic poly(p-phenylenevinylene) (PPV) block copolymers, for use in drug delivery applications is introduced. Polymer micelles made from PPV show excellent stability for up to 1 year and are successfully loaded with anticancer drugs (curcumin or doxorubicin) without requiring introduction of physical or chemical cross-links. The micelles are taken up efficiently by the cells, which triggers disassembly, releasing the encapsulated material. Disassembly of the micelles and drug release is conveniently monitored as fluorescence of the single polymer chains appear, which enables not only to monitor the release of the payload, but in principle also the fate of the polymer over longer periods of time.All authors are grateful for funding from the Belgian Science Policy (BELSPO) in the framework of the Inter University Attraction Pole Program P7/05 - Functional Supramolecular Systems (FS2). N.Z. is grateful for the funding from the “Agency for Innovation by Science and Technology” in Flanders (IWT) and for a travel grant from the “Fund for Scientific Research” Flanders (FWO). T.J. is grateful for funding from the FWO in the framework of the Odysseus scheme. Furthermore, preliminary work on PPV nanoparticles by Martijn Peters is kindly acknowledged
Rapid Oxygen Tolerant Aqueous RAFT Photopolymerization in Continuous Flow Reactors
No full textRecently, new controlled polymerization pathways have emerged for the synthesis of functional polymer materials. The use of light, particularly visible light, to generate radicals has shown to be beneficial over thermal induction due to the high control over reaction parameters as well as spatiotemporal control. Although numerous photopolymerizations have been performed in batch, additional initiators or activators are often needed to increase the overall yield, making this process time-consuming and costly; optical path lengths directly correlate with achievable space-time yields. The use of flow reactors is in this case advantageous. In this work, new synthetic protocols are demonstrated for the synthesis of di- and triblock copolymers in tubular reactors via photoinduced electron/energy transfer-reversible addition-fragmentation chain transfer (PET-RAFT) polymerization. Within just 10 min of polymerization time, full monomer conversion was reached for a variety of acrylamides and acrylates, and polymers with molecular weights up to 100000 g mol(-1) and high end-group fidelity were obtained. Changing the flow rates, concentrations, and light intensity allowed alteration of the molecular weights, and several di- and triblock copolymers were synthesized, indicating the high level of control over the polymerization. In addition, multiple flow reactors were coupled to allow the synthesis of triblock copolymers in a reactor cascade process without the need for intermediate purification. The attractiveness of this approach is illustrated by considering that a PDMAA-b-PDMAA-b-PDMAA triblock copolymer with a number-average molecular weight of 3200 g mol(-1) and dispersity of 1.24 could be theoretically obtained at a rate of 300 g/day.MCSC-IF-GF applicant no. 12U1717N. We acknowledge The European Union Horizon 2020 research and innovation program under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No. 665501 with the research Foundation
Flanders (FWO) (N.Z.)
- …
