Functionele polyurethanen via een thiolactonstrategie

Transcriptie

1 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 Promotor: prof. dr. Filip Du Prez Copromotor: dr. Pieter Espeel Begeleidster: Fabienne Goethals

2

3

4

5 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 Promotor: prof. dr. Filip Du Prez Copromotor: dr. Pieter Espeel Begeleidster: Fabienne Goethals

6

7 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!

8

9 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 , they are used as foams in isolating materials, seats and clothes or coatings in electronics, car bumpers and floors 2. The basic feedstock for these materials are diisocyanates, diols or polyols and a catalyst 3. 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 thiolmaleimide click -reaction. Although metal-free, drawbacks of this approach are the poor

10 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 thiols 7. 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. Materials Experimental 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 = 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.

11 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, 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, ml) and dodecane (0.2 mmol, 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, 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 ( mmol, ml) were added. The reaction mixture was stirred at room temperature for 4.5 h and monitored via TLC (silica, MeOH/CH 2 Cl 2 = 1/24). The product was purified by column chromatography (silica, CH 2 Cl 2 /hexane/etoac = 5/4/1) and gave a white powder after evaporation. A yield of 92 % was obtained.

12 8 Polymerization of CHA-Thiolactone General reaction condition: CHA-Thiolactone (1.0 mmol, 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, 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 SECand 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 2 nd order rate law 8 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 (pseudo 1st order condition) d thiolactone dt = k thiolactone ln thiolactone thiolactone = k t

13 9 k obs was determined, monitoring the concentration of the thiolactone as a function of time relative to dodecane as an internal standard. Finally, k 2 could be calculated from k obs 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 reaction 9, 10.

14 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 thiolactoneunit (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 M n of 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 Propylamine N,Ndimethylethyl enediamine Propylamine Glycine t- butyl ester M n a (g.mol -1 ) M w a (g.mol -1 ) PDI a M n NMR (g.mol -1 ) A 1 /A 2 (exp.) A 1 /A 2 (thr.) b , % - 54 % 65 % - 35 % , % - 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 2 nd order rate constants

15 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 hydroxylfunctionalized 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 thiolene 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 M * n (g.mol -1 ) M * w (g.mol -1 ) PDI * Octylamine ,69 N,N-dimethylethylenediamine ,53 Allylamine ,68 Propargylamine ,63 Furfurylamine ,17 3-Morpholinepropylamine ,73 * Measurements via SEC after 24 h with DMA as a solvent; relative towards PMMA standards

16 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 reaction 11 (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 postmodification reaction was observed, going from g.mol -1 of the CHA-Thiolacton based polymer to 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 1 H-NMR spectra of the allyl-functionalized polyurethane (top) and the corresponding thiol-click functionalized polyurethane via octanethiol (bottom)

17 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 postmodification 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 In An analysis of European plastics production, demand and recovery for 2010, PlasticsEurope, Ed. PlasticsEurope: Martin E. Rogers, T. E. L., Synthetic methods in step-growth polymers. 2003; p Bayer, O. Angewandte Chemie 1947, 59, (9), Fournier, D.; Du Prez, F. Macromolecules 2008, 41, (13), Billiet, L.; Gok, O.; Dove, A. P.; Sanyal, A.; Nguyen, L.-T. T.; Du Prez, F. E. Macromolecules 2011, 44, (20), Li, M.; De, P.; Gondi, S. R.; Sumerlin, B. S. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 2008, 46, (15), Espeel, P.; Goethals, F.; Du Prez, F. E. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, (6), Garel, J.; Tawfik, D. S. Chemistry A European Journal 2006, 12, (15), Hoyle, C. E.; Lowe, A. B.; Bowman, C. N. Chemical Society Reviews 2010, 39, (4), Lowe, A. B. Polymer Chemistry 2010, 1, (1), Hoyle, C. E.; Lee, T. Y.; Roper, T. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry 2004, 42, (21),

18 14

19 Inhoudsopgave 15 Inhoudsopgave Engelstalige samenvatting... 5 Inhoudsopgave Lijst met gebruikte afkortingen Inleiding en doelstelling Theoretische beschrijving: Situering van het werk Efficiënte reacties: een noodzaak in polymeersynthese Click-chemie Thiol click-reacties In situ vorming van thiolen Inleiding Disulfiden als beschermde vorm voor thiolen Ontschermen van een RAFT-eindgroep Cyclische dithiocarbonaten als beschermgroep Een thiolacton als latente bron voor thiolen Inleiding Lineaire polyurethanen via de thiolacton strategie Polyurethanen Inleiding Structuur en synthese van polyurethanen Functionele polyurethanen Synthese van functionele polyurethanen via click-chemie Beschrijving van eigen werk Aminolyse van een thiolacton: Reactiviteit van amines Inleiding Bepaling van de snelheidsconstanten Conclusie Synthese van functionele polyurethanen Inleiding Functionele polyurethanen via de radicalaire thiol-een reactie... 49

20 16 Inhoudsopgave Functionele polyurethanen via de nucleofiele thiol-een reactie Conclusie Functionele polyurethanen via post-functionalisatie reacties Inleiding Post-functionalisatie via de radicalaire thiol-een reactie Post-functionalisatie via een Diels-Alder reactie Post-functionalisatie via CuAAC Conclusie Synthese van functionele polyurethaannetwerken Inleiding Methode Analyse van functionele polyurethaannetwerken via HR-MAS Conclusie Besluit Referenties Experimenteel gedeelte Gebruikte reagentia Gebruikte apparatuur... 91

21 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 Et 3 N = Triethylamine EZG = Elektronzuigende groep FID = Flame Ionization Detector GC = Gaschromatografie HEA = Hydroxyethylacrylaat HDI = Hexamethyleen-diisocyanaat 1 H-NMR = Proton Nucleaire Magnetische Resonantie HR-MAS = Hoge Resolutie-Magic Angle Spinning HSQC = Heteronucleaire Single-Quantum Coherentie spectroscopie IR = Infrarood k 2 = 2 de orde snelheidsconstante

22 18 Lijst met gebruikte afkortingen k obs = Pseudo-eerste orde snelheidsconstante kt = Kamertemperatuur LC-MS = Liquid Chromatography-Mass Spectrometry MHz = Megahertz MDI = Methaan-difenyl-diisocyanaat M n = Numeriek gemiddeld moleculair gewicht M w = 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 T g = Glastransitietemperatuur TGA = Thermogravimetrische Analyse THF = Tetrahydrofuraan T 1 = Longitudinale relaxatie UV = Ultraviolet

23 Inleiding en doelstelling 19 1 Inleiding en doelstelling 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 postpolymerisatie 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 al 1. 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-additie 2, 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- Alder 3 en thiol-click reacties 4 om te kunnen beschikken over een groter aanbod aan efficiënte modificatiereacties voor de ontwikkeling van functionele polymeren.

24 20 Inleiding en doelstelling Vooral thiol-click reacties 5,6 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 thiolclick 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 urethaanbinding reeds inherent aanwezig is. Dankzij de unieke eigenschappen van de thiolactonentiteit

25 Inleiding en doelstelling 21 wordt het mogelijk om in een één-pot synthese functionele groepen te introduceren. Een extra uitdaging zal zijn om in hetzelfde reactiemengsel meer dan één functionaliteit in te voeren. Figuur 3: Een thiolacton-bevattend AB -monomeer voor de synthese van functionele polyurethanen Belangrijk om te vermelden is dat op deze manier ook klikbare substraten kunnen ingevoerd worden op de polymeerhoofdketen. Dit laat toe om platformen te creëren voor verdere post-polymerisatie modificaties en zo een extra uitbreiding te ontwikkelen voor de synthese van functionele polyurethanen. In gedachte houdend dat polyurethanen voornamelijk als vernette materialen verwerkt worden, zal ten slotte op een analoge manier getracht worden om functionele polyurethaannetwerken te synthetiseren en karakteriseren. Bijkomend zal, door een selectieve keuze van het amine, beoogd worden om polyurethaannetwerken te synthetiseren met interessante eigenschappen.

26 22 Theoretische beschrijving: Situering van het werk 2 Theoretische beschrijving: Situering van het werk 2.1 Efficiënte reacties: een noodzaak in polymeersynthese 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.

27 Theoretische beschrijving: Situering van het werk 23 De voornaamste toepassing van dit concept binnen de polymeerchemie zijn postpolymerisatie 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 gedefinieerd 7. 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 Polymeer specifiek Sharpless' definitie equimolariteit eenvoudige zuivering hoge opbrengst breed toepasbaar chemoselectief Figuur 4: Specificaties voor "click"-reacties binnen de polymeerchemie

28 24 Theoretische beschrijving: Situering van het werk Een reactie die het meeste voldoet aan de voorwaarde voor click -reactie is de kopergekatalyseerde Huisgen 1,3-dipolaire cycloadditie 2. 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 reacties 3 en thiol click-reacties Thiol click-reacties Inleiding Net zoals de koper-gekatalyseerde azide-alkyn click-reactie vertonen thiol-click reacties 4 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.

29 Theoretische beschrijving: Situering van het werk 25 Figuur 6: Overzicht van thiol click-reacties 6 (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 Radicalaire thiol-een reactie De radicalaire additiereactie tussen een thiol en een alkeen 5 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.

30 26 Theoretische beschrijving: Situering van het werk Mechanisme van de radicalaire thiol-een reactie Een radicalaire thiol-een reactie 6 (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) thioleen 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.

31 Theoretische beschrijving: Situering van het werk 27 Snelheid van de radicalaire thiol-een reactie De radicalaire thiol-een reactie verloopt algemeen zeer snel waarbij de reactiviteit bepaald wordt door de structuur van het alkeen en het thiol 5. 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.

32 28 Theoretische beschrijving: Situering van het werk De reactiviteit van het thiol is afhankelijk van de sterkte van de zwavel-waterstof binding. Wanneer deze kan verzwakt worden door waterstofbrugvorming, zal het thiyl radicaal sneller gevormd worden en zal de snelheid van de radicalaire thiol-een reactie toenemen. Zo zal methyl mercaptopropionaat 6 x sneller reageren met 1-hepteen dan 1-pentaanthiol (Figuur 10). Figuur 10: Methylmercaptopropionaat en 1-pentaanthiol als modelverbindingen voor de reactiviteit van thiolen in de radicalaire thiol-een reactie Voor elektronarme alkenen zoals acrylaten verloopt de waterstofabstractie traag door de stabilisatie van het intermediair radicaal. Dit zal ertoe leiden dat het gevormd koolstofradicaal zal adderen aan een volgend monomeer waardoor oligomeren en polymeren gevormd worden, daardoor zal voor dit soort monomeren overgeschakeld worden op de nucleofiele thiol-een reactie. Behalve met een alkeen kan een thiol ook met een alkyn reageren via de radicalaire thiol-yn reactie. In dit geval kan het thiyl-radicaal tweemaal adderen aan het alkyn, waarbij de tweede additiereactie meestal sneller is dan de eerste Nucleofiele thiol click-reacties Thiol-een reacties kunnen naast een radicalair mechanisme ook via een nucleofiel mechanisme verlopen 4, 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 acrylaat 9 kan gekatalyseerd worden door een base zoals een amine volgens het mechanisme weergegeven in Figuur 11.

33 Theoretische beschrijving: Situering van het werk 29 Figuur 11: Mechanisme van de nucleofiele thiol-een reactie oftewel thiol-michael additie In een eerste stap wordt het thiol door de base gedeprotoneerd, waarna een thiolaatanion gecreëerd wordt. Het thiolaatanion addeert vervolgens aan de geactiveerde dubbele binding via een Michael additie met de vorming van het enolaatanion. Dit enolaatanion zal een proton abstraheren van het thiol of de geprotoneerde base waarbij het eindproduct verkregen wordt. De snelheid van de reactie wordt bepaald door de structuur van het thiol en het alkeen alsook door de katalysator 9. 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.

34 30 Theoretische beschrijving: Situering van het werk 2.2 In situ vorming van thiolen 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 (SG 1 = 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 zuur 12,13, aminolyse 14,15 of reductie met Na/vloeibare ammoniak 16.

35 Theoretische beschrijving: Situering van het werk 31 Deze strategieën hebben echter een lage atoomefficiëntie waardoor het interessant is om betere beschermmethoden voor thiolen te onderzoeken. In wat volgt worden verder nog enkele interessante methoden beschreven om thiolen in situ in te voeren. Figuur 14: Beschermgroepen voor thiolen: p-methoxybenzyl thioether, trityl thioether, benzyl thioether en thioacetaat 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 thiol (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.

36 32 Theoretische beschrijving: Situering van het werk Figuur 16: Eindfunctionalisatie van polymeren via een disulfide-uitwisseling 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 thiocarbonylthioverbinding. 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 functionaliseren 21 (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

37 Theoretische beschrijving: Situering van het werk 33 Koo et al. 22 hebben deze methode aangewend voor polymeer-polymeer koppeling. Hierbij werden lage opbrengsten bekomen en werd men geplaagd door verschillende nevenreacties. Indien een overmaat van één van de polymeren gebruikt werd behaalde men wel een kwantitatieve polymeer-polymeer koppeling, maar werd niet meer voldaan aan het criterium van equimolariteit voor click-reacties binnen de polymeerchemie Cyclische dithiocarbonaten als beschermgroep Een cyclisch dithiocarbonaat kan gebruikt worden als precursor voor een thiol 23 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-reactie 24,25. 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

38 34 Theoretische beschrijving: Situering van het werk 2.3 Een thiolacton als latente bron voor thiolen 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 thioleren 26. 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 vaatziekten Daarnaast bestaan ook natuurlijke producten die een thiolactonentiteit bevatten zoals N-acetylhomocysteïne, een product dat door bacteriën geproduceerd kan worden 26 en tevens een geneesmiddel voor leverstoornissen 31.

39 Theoretische beschrijving: Situering van het werk 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 ontwikkeld 32, 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 Inleiding Een belangrijke doorbraak in de ontwikkeling van de moderne kunststofindustrie kwam er in 1907 toen Leo Baekeland 33 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 polyurethanen 34, een materiaalklasse met een consumptie van maar liefst 3 miljoen ton in Europa in Deze materialen worden vooral gebruikt als schuim in o.a. isolatiemateriaal, zetels en kleren of als coating voor elektronica, autobumpers en vloeren 36. Aan de basis van deze toepassingen ligt de structuur van polyurethanen.

40 36 Theoretische beschrijving: Situering van het werk Structuur en synthese van polyurethanen De vorming van polyurethanen 34, gebeurt algemeen door een stapsgewijze polymerisatie van twee bi- of hogere functionele monomeren 38 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-DifenyldiIsocyanaat (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).

41 Theoretische beschrijving: Situering van het werk 37 Figuur 23: PEO, PPO en adipinezuur veresterd door ethyleenglycol als polyolen Door een specifieke keuze van het isocyanaat en het diol kunnen de eigenschappen van polyurethanen aangepast worden. Zo kunnen flexibele polyurethanen gemaakt worden gebruik makend van een alifatische diol, voor stijvere materialen kunnen MDI of TDI geïncorporeerd worden 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 postpolymerisatie 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 UVgeïnduceerde 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.

42 38 Theoretische beschrijving: Situering van het werk Figuur 24: Eindfunctionalisatie van polyurethanen via hydroxyethylmethacrylaat voor de synthese van UVvernetbare polyurethanen Een ander voorbeeld beschrijft de vorming van polyhydroxyurethanen 40,41 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 reageren 42. 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).

43 Theoretische beschrijving: Situering van het werk 39 Figuur 25: Synthese van functionele polyurethanen via cyclische dicarbonaten en diamines 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). R N N N R N N N R-N 3 Cu(I) N N N R N N N R 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

44 40 Theoretische beschrijving: Situering van het werk nieuwe functionaliteiten aan het polymeer gekoppeld worden via een thiol-maleïmide clickreactie (Figuur 27). Figuur 27: Functionele polyurethanen via de thiol-maleïmide click-reactie

45 Beschrijving van eigen werk 41 3 Beschrijving van eigen werk 3.1 Aminolyse van een thiolacton: Reactiviteit van amines 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 zijn 5, 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.

46 42 Beschrijving van eigen werk 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 2 de 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). C=O Thiolacton Amide 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