Marcin Libera. Dendrytyczne kopolimery gwieździste eteru tert-butylowoglicydylowego i glicydolu synteza i właściwości

Marcin Libera Dendrytyczne kopolimery gwieździste eteru tert-butylowoglicydylowego i glicydolu synteza i właściwości Praca doktorska wykonana w entrum Materiałów Polimerowych i Węglowych Polskiej Akademii Nauk w Zabrzu Promotor: Prof. dr hab. inż. Andrzej Dworak Zabrze 2011

Spis treści 1. Wstęp... 7 2. el pracy... 9 3. Przegląd literatury... 10 3.1. Polimery rozgałęzione... 10 3.1.1. Klasyfikacja polimerów rozgałęzionych... 10 3.1.2. Dendrymery... 11 3.1.3. Polimery gwieździste... 13 3.1.4. Polimery szczepione (szczotki polimerowe)... 18 3.1.5. Polimery hiperrozgałęzione... 20 3.2. Amfifilowe kopolimery blokowe... 23 3.2.1. Budowa blokowych kopolimerów amfifilowych... 23 3.2.2. Samoorganizacja liniowych, anfifilowych kopolimerów blokowych... 25 3.2.3. Samoorganizacja rozgałęzionych kopolimerów amfifilowych... 27 3.2.4. harakterystyka rozmiarów i kształtów cząstek zagregowanych... 31 3.2.4.1. Rozpraszanie światła... 31 3.2.4.2. Metody obrazowania... 32 3.3 Polimery termoczułe... 34 3.3.1. Termoczułe polimery rozgałezione typu rdzeń-powłoka... 35 3.4. Polimery rozgałęzione typu rdzeń-powłoka jako nośniki substancji aktywnych... 36 3.4.1. Enkapsulacja substancji aktywnych w polimerach rozgałęzionych typu rdzeń-powłoka... 38 3.5. Polimeryzacja oksiranów... 39 3.5.1. Polimeryzacje jonowe... 39 3.5.2. Polimeryzacje żyjące... 41 3.5.3. Anionowa polimeryzacja oksiranów... 45 3.5.3.1. Mechanizm anionowej polimeryzacji oksiranów... 45 3.5.3.2. Warunki prowadzenia procesu polimeryzacji anionowej oksiranów... 46 2

3.5.4. Polimeryzacja glicydolu... 47 3.5.5. Anionowa polimeryzacja glicydolu... 48 4. zęść eksperymentalna... 51 4.1. dczynniki i rozpuszczalniki... 51 4.2. Syntezy i eksperymenty... 52 4.2.1. Przygotowanie odczynników do syntezy... 52 4.2.2. Synteza eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego (acetalu glicydolu)... 53 4.2.3. Synteza czteroramiennych kopolimerów gwieździstych eteru tert-butylowo-glicydylowego i glicydolu... 55 4.2.3.1. Przygotowanie inicjatora... 55 4.2.3.2. Kopolimeryzacja eteru tert-butylowo-glicydylowego i eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego... 55 4.2.3.3. Deprotekcja grup hydroksylowych poliglicydolu... 57 4.2.4. Synteza sześcioramiennych kopolimerów gwieździstych eteru tert-butylowo-glicydylowego i glicydolu... 58 4.2.5. Synteza dendrytycznych kopolimerów gwieździstych eteru tert-butylowoglicydylowego i glicydolu z zastosowaniem kopolimerów gwieździstych pierwszej generacji jako makroinicjatorów... 59 4.2.5.1. Przygotowanie makroinicjatora... 59 4.2.5.2. Kopolimeryzacja eteru tert-butylowo-glicydylowego i eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego... 60 4.2.5.3. Deprotekcja grup hydroksylowych poliglicydolu... 61 4.2.6. Solubilizacja pirenu w kopolimerach gwieździstych... 61 4.3. Instrumentalne metody pomiarowe wykorzystane w badaniach... 62 4.3.1. Spektroskopia protonowego magnetycznego rezonansu jądrowego ( 1 H NMR)... 62 4.3.2. hromatografia gazowa (G)... 62 4.3.3. hromatografia żelowa (GP) z detektorem wielokątowego rozpraszania światła (MALLS)... 63 4.3.4. Spektroskopia UV/VIS... 64 4.3.4.1. Pomiary punktu zmętnienia... 64 3

4.3.4.2. Pomiary stężenia solubilizowanego piranu... 64 4.3.5. Rozpraszanie światła... 65 4.3.5.1. Dynamiczne rozpraszanie światła (DLS)... 65 4.3.5.2. Statyczne rozpraszanie światła (SLS)... 66 4.3.6. Mikroskopia sił atomowych (AFM)... 67 4.3.7. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM)... 68 4.3.8. Transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM)... 68 5. mówienie wyników... 69 5.1. Synteza cztero- i sześcioramiennych kopolimerów gwieździstych o ramionach zbudowanych z eteru tert-butylowo-glicydylowego i glicydolu... 69 5.1.1. Przygotowanie inicjatora... 71 5.1.2. Polimeryzacja sekwencyjna eteru tert-butylowo-glicydylowego i eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego... 72 5.1.3. Deprotekcja grup hydroksylowych glicydolu w blokach 4oli(eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego)... 74 5.2. Analiza produktów syntezy kopolimerów gwieździstych określenie struktury... 75 5.2.1. Analiza 1 H-NMR... 75 5.2.1.1. Kontrola procesu deprotekcji grup hydroksylowych glicydolu w kopolimerach gwieździstych... 75 5.2.1.2. Wyznaczenie długości bloków kopolimerów gwieździstych... 76 5.2.2. Analiza chromatograficzna GP-MALLS kopolimerów gwieździstych wyznaczenie mas molowych... 80 5.3. Synteza dendrytycznych kopolimerów gwieździstych o budowie rdzeń-powłoka, zbudowanych z eteru(tert-butylowo-glicydylowego) i glicydolu... 84 5.3.1. Przygotowanie makroinicjatora... 85 5.3.2. Polimeryzacja eteru tert-butylowo-glicydylowego na makroinicjatorze gwieździstym... 87 5.3.3. Polimeryzacja eteru (1-etoksyetylowo-glicydylowego)... 88 5.3.4. Deprotekcja grup hydroksylowych glicydolu w blokach poli(eteru 1-etoksyetylowoglicydylowego) dendrytycznych kopolimerów gwieździstych... 89 4

5.4. Analiza produktów syntezy dendrytycznych kopolimerów gwieździstych określenie struktury... 90 5.4.1. Analiza 1 H-NMR... 90 5.4.1.1. Skuteczność inicjowania polimeryzacji anionowej przez grupy hydroksylowe makroinicjatora w procesie otrzymywania kopolimerów dendrytycznych... 90 5.4.1.2. Wyznaczenie długości bloków w ramionach dendrytycznych kopolimerów gwieździstych... 91 5.4.2. Analiza chromatograficzna GP-MALLS dendrytycznych kopolimerów gwieździstych wyznaczenia mas molowych... 93 5.5. Właściwości kopolimerów gwieździstych i dendrytycznych zbudowanych z eteru tert-butylowo-glicydylowego i glicydolu w roztworach wodnych i DMF... 96 5.5.1. Właściwości kopolimerów gwieździstych w roztworach wodnych... 96 5.5.2. Właściwości dendrytycznych kopolimerów gwieździstych w DMF... 98 5.5.3. Właściwości dendrytycznych kopolimerów gwieździstych w wodzie... 100 5.6. Termoczułość kopolimerów gwieździstych zbudowanych z eteru tert-butylowoglicydylowego i glicydolu... 104 5.6.1. Temperatura zmętnienia termoczułych czteroramiennych kopolimerów gwieździstych... 104 5.6.2. Agregacja termoczułych czteroramiennych kopolimerów gwieździstych... 107 5.6.3. Kształty agregatów tworzonych przez termoczułe czteroramienne kopolimery gwieździste... 110 5.6.4. Termoczułość sześcioramiennych kopolimerów gwieździstych... 111 5.7. Termoczułość dendrytycznych kopolimerów gwieździstych... 112 5.7.1. Temperatura zmętnienia dendrytycznych kopolimerów gwieździstych... 112 5.7.2. Agregacja dendrytycznych kopolimerów gwieździstych... 114 5.7.3. Parametry struktur zagregowanych powstających z dendrytycznych kopolimerów gwieździstych... 116 5.8. brazowanie gwieździstych i dendrytycznych kopolimerów eteru tert-butylowoglicydylowego i glicydolu... 119 5.8.1. brazowanie agregatów kopolimerów gwieździstych metodą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM)... 119 5

5.8.2. brazowanie dendrytycznych kopolimerów gwieździstych metodą mikroskopii sił atomowych (AFM)... 120 5.8.3. brazowanie dendrytycznych kopolimerów gwieździstych metodą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM)... 122 5.9. Solubilizacja pirenu w gwieździstych i dendrytycznych kopolimerach eteru tert-butylowo-glicydylowego i glicydolu... 123 5.9.1. Solubilizacja pirenu z wykorzystanie kopolimerów gwieździstych... 124 5.9.2. Solubilizacja pirenu w dendrytycznych kopolimerach gwieździstych... 125 6. Wnioski... 128 7. Literatura... 130 6

1. Wstęp Polimery dendrytyczne, czyli związki makromolekularne o rozgałęzionej strukturze, w których rozgałęzienia rozchodzą się promieniście od centralnego rdzenia, a liczba rozgałęzień wzrasta z odległością od rdzenia, są nową klasą makrocząsteczek o globularnej budowie. Właściwości tych związków wskazują na potencjalne możliwości ich wykorzystania w medycynie i farmacji. entralny element rozgałęziający oraz rozgałęzienia polimerów dendrytycznych są związane kowalencyjnie, dzięki czemu cząsteczki te wykazują dużą odporność na zmiany środowiska zewnętrznego. Konstruując polimer dendrytyczny z hydrofobowego rdzenia i hydrofilowej powłoki, która jest wystarczająco gęsta do zapewnienia rozpuszczalność całej cząsteczki w wodzie, można projektować nowe nośniki substancji hydrofobowych, odporne na wpływ środowiska i rozpuszczalne w środowisku wodnym. Jeśli taki dendrytyczny polimer wykazuje odwracalną zmianę właściwości np. rozpuszczalność w odpowiedzi na zewnętrzny bodziec, np. temperaturę, można bodziec ten wykorzystać do sterowania rozpuszczalnością polimeru oraz ilością substancji solubilizowanej w hydrofobowym wnętrzu. ząsteczki tego typu, wykazujące biokompatybilność oraz nanometryczne rozmiary, mogą znaleźć zastosowanie jako systemy kontrolowanego dostarczania leków, które według opinii wielu badaczy będą kolejną generacją farmaceutyków. Liczne badania dotyczące możliwości wykorzystania polimerów w farmacji i medycynie wskazały na zalety materiałów zbudowanych z polieterów. Należące do grupy polieterów polimery glicydolu zarówno liniowe jak i rozgałęzione, ze względu na biokompatybilność oraz dużą liczbę grup hydroksylowych umożliwiających modyfikację, znajdują się w orbicie zainteresowań wielu naukowców zajmujących się materiałami dla systemów kontrolowanego dostarczania leków. Projektowanie dendrytycznych materiałów polimerowych o budowie rdzeń-powłoka i przewidywalnych właściwościach, które zależą głównie od masy molowej oraz struktury polimeru, wymaga stosowania metod preparatyki umożliwiających precyzyjną kontrolę budowy cząsteczki na etapie syntezy. W niniejszej rozprawie opisano nowe kopolioksirany dendrytyczne o budowie hydrofobowy rdzeń-hydrofilowa powłoka o właściwościach umożliwiających wykorzystanie tych rozgałęzionych makrocząsteczek jako nanotransporterów hydrofobowych substancji aktywnych. Zaprezentowano kilkuetapową metodę anionowej polimeryzacji sekwencyjnej o charakterze żyjącym, która pozwoliła uzyskać dendrytyczne kopolimery gwieździste 7

o ściśle zdefiniowanej strukturze ramion oraz kontrolowanej liczbie grup hydroksylowych. Przeprowadzono analizę wpływu budowy czteroramiennych gwiazd, uzyskanych w pierwszym etapie syntezy, na temperaturę przejścia fazowego. mówiono również wpływ budowy dendrytycznych makrocząsteczek, uzyskanych w drugim etapie syntezy, na ich właściwości w roztworach wodnych oraz możliwość solubilizowania substancji hydrofobowych we wnętrzu cząsteczki. Badania temperaturowo sterowanej agregacji kopolimerów gwieździstych o niewielkiej liczbie ramion oraz wpływu budowy dendrytycznych gwiazd na ich właściwości w roztworach wodnych oraz solubilizację substancji hydrofobowych poszerzają dostępną wiedzę na temat zachowania kopolioksiranów. pisane badania powinny ułatwić proces projektowania oraz syntezy polimerowych nośników leków z wykorzystaniem polioksiranów. 8

2. el pracy elem pracy jest stworzenie nowych bazujących na monomerach oksiranowych kopolimerów dendrytycznych o budowie rdzeń-powłoka, z dużą liczbą grup funkcyjnych w zewnętrznej powłoce, rozpuszczalnych w wodzie oraz poznanie zależności pomiędzy strukturą tych kopolimerów a ich właściwościami w roztworach wodnych. Praca obejmuje: syntezę kopolimerów gwieździstych o blokowych ramionach zbudowanych z hydrofobowego eteru tert-butylowo-glicydylowego oraz hydrofilowego glicydolu metodą anionowej polimeryzacji o charakterze żyjącym, umożliwiającym kontrolę długości ramion, badanie właściwości kopolimerów gwieździstych w roztworach wodnych, a w szczególności procesów temperaturowo sterowanej agregacji tych amfifilowych makrocząsteczek oraz zależności pomiędzy budową blokowych ramion a temperaturą przejścia fazowego, syntezę dendrytycznych kopolimerów gwieździstych o budowie rdzeń-powłoka, z wykorzystaniem blokowych polimerów gwieździstych, uzyskanych w pierwszym etapie, jako makroinicjatorów anionowej polimeryzacji o charakterze żyjącym, badanie wpływu ilości ramion oraz ilości grup hydroksylowych w powłoce dendrytycznych kopolimerów gwieździstych na ich właściwości w roztworach wodnych oraz możliwości ich wykorzystania jako nanokontenerów do solubilizowania małocząsteczkowych substancji hydrofobowych. 9

3. Przegląd literatury Polimery będące tematem rozprawy są zbudowane z monomerów, których wykorzystanie do syntezy makrocząsteczek rozgałęzionych o precyzyjnie określonej budowie wymaga zastosowania polimeryzacji anionowej o charakterze żyjącym. Uzyskane rozgałęzione kopolimery blokowe ulegały, wywołanej zmianą temperatury, samoorganizacji w środowisku wodnym. Badanie zależności temperatury przejścia fazowego polimeru od jego budowy obejmuje wyznaczenie ilości grup hydroksylowych w cząsteczce oraz wskaźnika hydrofobowo/hydrofilowego a także profilu przejścia fazowego i parametrów cząstek powstających podczas samoorganizacji makrocząsteczek kopolimerów. Wykorzystanie uzyskanych kopolimerów dendrytycznych jako nanokontenerów dla małocząsteczkowych substancji hydrofobowych wymaga zbadania możliwości solubilizowania substancji wzorcowej oraz wpływu budowy cząsteczek na ich pojemność, rozumianą jako ilość hydrofobowej substancji wzorcowej solubilizowanej w jednej makrocząsteczce. Poniższy przegląd literatury wprowadza podstawowe pojęcia związane z przeprowadzonymi badaniami oraz przedstawia aktualny stan wiedzy bezpośrednio związanej z omawianym tematem rozprawy. 3.1. Polimery rozgałęzione 3.1.1. Klasyfikacja polimerów rozgałezionych Polimery rozgałęzione charakteryzują się regularnie lub nieregularnie występującymi rozgałęzieniami. Wzrost zainteresowania niektórymi grupami polimerów rozgałęzionych, determinowany właściwościami wyróżniającymi je spośród innych rodzajów makrocząsteczek, nastąpił w ostatnich dwudziestu latach. Wsród najczęściej badanych polimerów o budowie rozgałęzionej można wyróżnić: dendrymery, polimery hiperrozgałęzione, polimery gwieździste, oraz polimery szczepione (Rys. 3.1.1.1). 10

dendrymery polimery hiperrozgałęzione polimery gwieździste polimery szczepione (szczotki polimerowe) Rys. 3.1.1.1. Polimery rozgałęzione 3.1.2. Dendrymery Dendrymery są to drzewiaste makrocząsteczki charakteryzujące się regularną budową, zbudowane z merów wielofunkcyjnych przyłączanych sekwencyjnie do grup funkcyjnych generacji wyjściowej. Pierwszy punkt rozgałęziający stanowi centrum symetrii. Wszystkie grupy funkcyjne pierwszego punktu rozgałęziającego, jak również kolejnych generacji dendrymeru, są połączone z grupami funkcyjnymi elementów przyłączanych, dzięki czemu struktura dendrymerów pozbawiona jest defektów. Tworzenie zbudowanego z monomerów typu AB 2 dendrymeru drugiej generacji przedstawiono na rysunku 3.1.2.1. 11

pierwszy punkt rozgałęziający generacja pierwsza generacja druga Rys. 3.1.2.1. Struktura dendrymeru zbudowanego z monomerów typu AB 2 Regularna, dobrze zdefiniowana struktura chemiczna tych idealnych makrocząsteczek powoduje, że nie występuje dyspersja mas molowych [1, 2, 3, 4]. Masa molowa kolejnych generacji dendrymeru rośnie wykładniczo, a tak utworzona makrocząsteczka przyjmuje kształt sferyczny. Szybki wzrost liczby przyłączanych merów w kolejnej generacji powoduje szybki wzrost zawady sterycznej. Dla pewnej generacji, która staje się ostatnią generacją danego dendrymeru zawada steryczna uniemożliwia już przereagowanie wszystkich grup funkcyjnych. Dendrymery uzyskuje się poprzez wielokrotne powtarzanie reakcji grup funkcyjnych generacji wyjściowej z grupami merów przyłączanych. Każdy etap wymaga wydzielenia i oczyszczenia powstającej kolejnej generacji dendrymerów, co sprawia, że syntezy takich makrocząsteczek są praco i czasochłonne. Stosowane metody syntezy dendrymerów można podzielić na zbieżne i rozbieżne. Metoda rozbieżna polega na zastosowaniu wielofunkcyjnego rdzenia i przyłączaniu do jego grup funkcyjnych kolejnych merów [1-3, 5, 6]. Metoda zbieżna polega na przyłączeniu do grup funkcyjnych rdzenia wcześniej syntezowanych dendronów, czyli elementów o dendrytycznych rozgałęzieniach [1-3, 5, 7, 8]. Pierwsze dendrymery syntezowano metodą rozbieżną. Procedura zastosowana przez Vögtla polegała na wykorzystaniu reakcji addycji pierwszorzędowych grup aminowych do akrylonitrylu (tzw. addycja Michaela). Powstające w tej reakcji nitryle w kolejnym etapie przeprowadzano w aminy poprzez redukcję [6]. Powtarzanie tej sekwencji pozwoliło uzyskać pierwsze dendrymery poli(propylenoiminowe) (PPI). Ta sama metoda została wykorzystana do syntezy dendrymerów poli(amidoaminowych) (PAMAM) przez grupę Tomalii [9]. Schemat dendrymeru PAMAM przedstawiono na rysunku 3.1.2.2. 12

H 2 N NH NH N NH NH 2 N NH N NH NH 2 H 2 N NH HN NH NH NH NH 2 N N N H 2 N NH NH NH NH NH NH 2 N N N NH HN H 2 N NH HN H 2 N N NH NH 2 H 2 NH 2 NH H 2 N Rys. 3.1.2.2. Struktura dendrymeru PAMAM Inne dendrymery syntezowane metodą rozbieżną to wprowadzone przez Newkome a [10, 11] arborole, które są alifatycznymi dendrymerami zakończonymi grupami estrowymi oraz dendrymery fosforoorganiczne wprowadzone przez Majorala [12]. Metoda zbieżna została zastosowana po raz pierwszy pod koniec lat 80 przez Frécheta [7, 13] i Hawkera. Pierwsze dendrymery syntezowane metodą zbieżną to poli(benzyloeteny) oraz poli(benzyloestry) [8, 13]. Komercyjne zastosowanie znalazły między innymi dendrymery PAMAM, które wykorzystywane są jako składnik tonerów do drukarek zwiększający adhezję tuszu do podłoża. Dendrymery te są również badane jako materiał do transportu związków biologicznie aktywnych [14-19]. 3.1.3. Polimery gwieździste Polimery gwieździste (gwiazdy) zbudowane są z centralnego punktu rozgałęziającego (rdzenia), od którego rozchodzą się promieniście ramiona. Rdzeń polimeru gwieździstego 13

to związek, który posiada więcej niż 2 grupy funkcyjne. Znanych jest wiele rodzajów związków, które zastosowano jako rdzenie do syntezy polimerów gwieździstych. Najprostsze to małocząsteczkowe związki wielofunkcyjne [20-25]. Bardziej rozbudowane związki jakie stosowano to dendrymery [26, 27], polimery hiperrozgałęzione [28-30], mikrożele [31, 32] oraz struktury arborescentne [33]. Ramiona polimerów gwieździstych mogą być łańcuchami zbudowanymi z homopolimerów lub kopolimerów blokowych. Gwiazdy, których ramiona różnią się strukturą chemiczną nazywane są heteroramiennymi lub miktoramiennymi. Podział gwiazd uwzględniający rodzaj ramion przedstawiono na rysunku 3.1.3.1. gwiazda z ramionami homopolimerowymi typu (A n ) gwiazda z ramionami kopolimerowymi, blokowymi typu (AB) n typu A n B m gwiazdy heteroramienne typu ABDE Rys. 3.1.3.1. Rodzaje polimerów gwieździstych ze względu na budowę ramion Podział gwiazd na symetryczne oraz asymetryczne wynika ze zróżnicowanej budowy ramion gwiazd. Gwiazdy asymetryczne mogą mieć ramiona o różnej masie molowej, mówi się wówczas o asymetrii mas molowych. Asymetria grup końcowych występuje, gdy ramiona gwiazdy są zakończone grupami różnego rodzaju. Gdy ramiona gwiazdy polimerowej, zbudowane z kopolimerów blokowych, różnią się kolejnością przyłączenia bloków do rdzenia mamy do czynienia z asymetrią topologiczną [34-36]. 14

Polimery gwieździste zawierające rozbudowany rdzeń nazywane są gwiazdami typu rdzeń-powłoka. Jeśli rdzeń i powłoka różnią się powinowactwem do rozpuszczalnika, to taka gwiazda wykazuje charakter amfifilowy. Struktury tego typu pod względem budowy są bliskie micelom uformowanym z liniowych kopolimerów blokowych. Polimery gwieździste w porównaniu do konwencjonalnych miceli wykazują większą trwałość w roztworach, ponieważ rdzeń i powłoka (ramiona gwiazdy) są połączone ze sobą kowalencyjnie i nie dysocjują na unimery w przeciwieństwie do miceli. Gwiazdy o budowie rdzeń-powłoka nazywane są często micelami jednocząsteczkowymi (ang. unimolecular micelles) [37-39]. Metody syntezy polimerów gwieździstych można podzielić na rdzeń najpierw, ramię najpierw, które są podobne do metod stosowanych w syntezie dendrymerów, oraz metodę niespotykaną w syntezie dendrymerów zwaną metodą mieszaną in-out. Podstawą metody rdzeń najpierw jest wykorzystanie do syntezy gwiazdy wielofunkcyjnego związku (rdzenia), którego grupy funkcyjne mogą inicjować polimeryzację monomerów. W wyniku takiej polimeryzacji powstają ramiona gwiazdy. Syntezę polimerów gwieździstych metodą rdzeń najpierw przedstawiono na rysunku 3.1.3.2. K K K I I I I I I I I + monomer K K K K K Rys. 3.1.3.2. Synteza polimerów gwieździstych metodą rdzeń najpierw Symetria syntezowanego polimeru gwieździstego może być uzyskana poprzez równy wzrost wszystkich ramion gwiazdy. Jednakowa reaktywność wszystkich inicjujących grup funkcyjnych oraz większa szybkość inicjowania w porównaniu z szybkością propagacji zapewnia równy wzrost wszystkich łańcuchów tworzących ramiona gwiazdy oraz symetrię tworzonej makrocząsteczki [40, 41]. Polimery gwieździste otrzymywane metodą rdzeń [42, 43] najpierw syntezowane są z wykorzystaniem polimeryzacji jonowych jak również kontrolowanych polimeryzacji rodnikowych [26, 29, 44-47]. Zastosowanie polimeryzacji 15

o charakterze żyjącym w metodzie rdzeń najpierw pozwala syntezować polimery gwieździste o ramionach blokowych [44, 46-48]. Metoda ramię najpierw polega na syntezie liniowych polimerów z aktywnym końcem łańcucha (polimerów żyjących), które następnie zakańczane są przez wielofunkcyjny związek (rdzeń), co prowadzi do otrzymania cząsteczki gwieździstej [40, 41]. Syntezę polimerów gwieździstych metodą ramię najpierw przedstawiono na rysunku 3.1.3.3. T T T T T monomer polimeryzacja n T T T Rys. 3.1.3.3. Synteza polimerów gwieździstych metodą ramię najpierw Metoda ramię najpierw pozwala na otrzymanie łańcuchów, których strukturę można scharakteryzować, zanim staną się ramionami gwiazdy. Znając masy molowe syntezowanych łańcuchów można, po utworzeniu gwiazdy i wyznaczeniu jej masy, określić liczbę ramion. Reaktywność grup funkcyjnych rdzenia, które terminują polimeryzację łańcuchów zmienia się w miarę przyłączania kolejnych ramion, co może powodować nieprzereagowanie wszystkich grup rdzenia [35]. Metoda ramię najpierw umożliwia otrzymanie gwiazd asymetrycznych o różnych długościach ramion. Metodę zastosowano do otrzymania asymetrycznych gwiazd z polistyrenowymi lub polibutadienowymi ramionami [49] oraz poliizoprenowymi ramionami [50]. zęsto końcowy produkt syntezy metodą ramię najpierw wymaga oddzielenia nieprzereagowanych łańcuchów użytych w nadmiarze w stosunku do ilości grup funkcyjnych, co jest wadą tej metody. Polimeryzacja łańcuchów liniowych prowadzona jest najczęściej metodą anionowej polimeryzacji żyjącej. Metodę tę wykorzystano do syntezy gwieździstego polistyrenu [51] oraz poliizoprenu [52] na rdzeniach chlorosilanowych. Polimery gwieździste z ramionami zbudowanymi z poli(akrylanu tert-butylu), poli(metakrylanu metylu) oraz poli(2-winylopirydyny) syntezowano z zastosowaniem 1,2,4,5-tetrabromometylobenzenu jako rdzenia [53]. 16

Metoda mieszana in-out polega na syntezie liniowych polimerów z aktywnym końcem łańcucha, które w szeregu reakcji z difunkcyjnymi monomerami tworzą rdzeń gwiazdy. Tak utworzona gwiazda zawiera w swoim rdzeniu nadal aktywne grupy funkcyjne, co umożliwia zainicjowanie polimeryzacji następnego monomeru analogicznie, jak w metodzie rdzeń najpierw. W wyniku tak prowadzonego procesu otrzymuje się tzw. polimery gwieździste miktoramienne z ramionami zbudowanymi z różnych łańcuchów polimerowych [54-59]. Syntezę polimerów gwieździstych metodą mieszaną in-out przedstawiono na rysunku 3.1.3.4. + Y monomery Rys. 3.1.3.4. Synteza polimerów gwieździstych metodą mieszaną in-out Difunkcyjne monomery stosowane do sprzęgania łańcuchów żyjących, czyli do utworzenia rdzenia gwiazdy, to najczęściej diwinylobenzen [56], diepoksydy [55] oraz dimetakrylan glikolu etylenowego [31]. Polimery liniowe o aktywnych końcach łańcucha (prekursory ramion gwiazdy) syntezowane są z wykorzystaniem polimeryzacji anionowej [31, 55-57] oraz kontrolowanej polimeryzacji rodnikowej [54, 58, 59]. Synteza rdzenia polimeru gwieździstego poprzez sprzęganie żyjących łańcuchów z wykorzystaniem monomerów difunkcyjnych wymaga zastosowania dobrze kontrolowanego procesu w celu uniknięcia sieciowania. Właściwości polimerów gwieździstych, w zależności od ilości ramion oraz wielkości rdzenia, mogą być zbliżone do kopolimerów liniowych (gwiazdy kilkuramienne) lub do dendrymerów (gwiazdy wieloramienne). Gwiazdy polimerowe o niewielkiej liczbie ramion najczęściej syntezowane są z wykorzystaniem małocząsteczkowych substancji jako rdzeni [21, 24, 25, 60]. Natomiast rdzenie wieloramiennych gwiazd polimerowych mogą być dendrymerami [26, 27], polimerami hiperrozgałęzionymi [28, 29, 61, 62], strukturami arborescentnymi [33, 63] lub mikrożelami [31, 32]. 17

3.1.4. Polimery szczepione (szczotki polimerowe) Polimery szczepione zbudowane są z elementu rozgałęziającego podobnie jak dendrymery i polimery gwieździste. Elementem rozgałęziającym, czyli rdzeniem w przypadku polimerów szczepionych jest łańcuch polimerowy (tzw. kręgosłup backbone). Rdzeń wyznacza główną oś, od której rozchodzą się ramiona przyczepione wiązaniami kowalencyjnymi. Rozkład rozgałęzień może być regularny lub nieregularny, a ramiona mogą być różnej długości. Duża liczba ramion przyczepionych do rdzenia powoduje, że cząsteczka przypomina szczotkę, stąd też polimery takie określane są często jako szczotki molekularne. Metody syntezy polimerów szczepionych można podzielić na szczepienie od, szczepienie do oraz szczepienie poprzez [64, 65]. Metoda szczepienie od polega na zastosowaniu jako rdzenia łańcucha polimerowego, posiadającego grupy mogące inicjować polimeryzację monomerów. Ramiona polimeru szczepionego powstają podczas wzrostu łańcuchów zainicjowanych na rdzeniu. Syntezę takich polimerów metodą szczepienie od przedstawiono na rysunku 3.1.4.1. I I I I I + monomer I I I I I Rys. 3.1.4.1. Synteza polimerów szczepionych metodą szczepienie od Metodę szczepienia od zastosowano między innymi do syntezy polimerów szczotkowych zbudowanych z polistyrenu jako rdzenia i polistyrenu lub poli(metakrylanu n-butylu) jako ramion [66]. Metoda szczepienie do polega na wykorzystaniu łańcuchów polimerowych o odpowiednio aktywnych grupach końcowych jako ramion oraz łańcucha posiadającego grupy mogące przereagować z tymi grupami końcowymi jako rdzenia. Łańcuchy z aktywną grupą końcową, syntezowane osobno, po reakcji terminacji przez grupy rdzenia tworzą ramiona polimeru szczepionego [65]. Syntezę takich polimerów metodą szczepienia do przedstawiono na rysunku 3.1.4.2. 18

T T T T T monomery polimeryzacja n T T T T T Rys. 3.1.4.2. Synteza polimerów szczepionych metodą szczepienie do Metodą szczepienia do otrzymano między innymi szczotki polistyrenowe [67] i polibutadienowe [68]. Metoda szczepienie poprzez zwana również metodą makromonomeru polega na zastosowaniu łańcuchów polimerowych, których grupy końcowe mają zdolność do polimeryzacji np. grupa winylowa. Takie grupy polimeryzując tworzą łańcuch, który stanowi rdzeń, natomiast łańcuchy tworzą ramiona polimeru szczepionego [65]. Syntezę takich polimerów metodą szczepienie poprzez przedstawiono na rysunku 3.1.4.3. n homopolimeryzacja n Rys. 3.1.4.3. Synteza polimerów szczepionych metodą szczepienie poprzez Szczepienie poprzez wykorzystano między innymi do syntezy szczotkowego poli(izobutylenu) [69]. Polimery szczepione, których ramiona posiadają grupy funkcyjne, mogą być wykorzystywane do dalszej syntezy (szczepienie wielokrotne). Struktury powstałe w procesie takiego wielokrotnego szczepienia nazywane są strukturami arborescentnymi. Schemat wielokrotnego szczepienia prowadzącego do struktur arborescentnych przedstawiono na rysunku 3.1.4.4. 19

szczepienie Rys. 3.1.4.4. Schemat wielokrotnego szczepienia prowadzącego do struktur arborescentnych zęsto opisywanymi polimerami arborescentnymi są polietylenoiminy [70] wielokrotnie rozgałęzione polimery wykorzystujące funkcjonalizowany polistyren [71]. oraz 3.1.5. Polimery hiperrozgałęzione Polimery hiperrozgałęzione są to polimery o budowie przypominającej budowę dendrymerów. Jednak w przeciwieństwie do dendrymerów polimery hiperrozgałęzione zawierają w swojej budowie również jednostki liniowe. Budowę polimeru hiperrozgałęzionego przedstawiono na rysunku 3.1.5.1. jednostki rozgałęziające grupy terminalne jednostki liniowe Rys. 3.1.5.1. Budowa polimerów hiperrozgałęzionych Polimery hiperrozgałęzione zbudowane są z monomerów typu AB x, lecz liczba rozgałęzień nie jest równa liczbie grup funkcyjnych. Struktura takich polimerów nie jest perfekcyjna jak w przypadku dendrymerów. 20

Polimery hiperrozgałęzione syntezowane są najczęściej jednoetapowo, co w porównaniu do czasochłonnych, wieloetapowych procesów syntezy dendrymerów jest dużym ułatwieniem. Najczęściej stosowane do syntezy polimerów hiperrozgałęzionych są monomery wielofunkcyjne typu AB x gdzie x 2. Jednym z parametrów charakteryzujących polimery hiperrozgałęzione jest tzw. stopień rozgałęzień (DB, degree of branching, równanie 3.1.5.1), który wyraża stosunek liczby jednostek rozgałęzionych i grup końcowych do wszystkich rodzajów jednostek obecnych w hiperrozgałęzionej makrocząsteczce. DB= R+T R+T+L (3.1.5.1) gdzie: R T L liczba jednostek rozgałęziających, liczba jednostek końcowych, liczba jednostek liniowych. Stopień rozgałęzień dla idealnych dendrymerów wynosi 1, a dla polimerów liniowych 0, natomiast dla cząsteczek hiperrozgałęzionych stopień rozgałęzień mieści się zazwyczaj w granicach 0,5-1 [72]. Wyznaczenie stopnia rozgałęzień polimerów hiperrozgałęzionych wymaga dokładnego określenia liczby poszczególnych jednostek w cząsteczce hiperrozgałęzionej. Metodą analityczną najczęściej wykorzystywaną do tego celu jest spektroskopia NMR. W przypadku polimerów zawierających grupy łatwo degradujące jak np. wiązania estrowe możliwe jest określenie budowy poprzez analizę analizę produktów degradacji [73]. Właściwości polimerów hiperrozgałęzionych są podobne do właściwości dendrymerów, zdecydowanie różnią się natomiast od właściwości analogicznych polimerów liniowych. Polimery hiperrozgałęzione wykazują lepszą rozpuszczalność a ich roztwory mniejszą lepkość w porównaniu z polimerami liniowymi. Polimery hiperrozgałęzione są syntezowane głównie trzema metodami. Pierwsza z nich, polikondensacja monomerów typu AB x, pozwala otrzymać polimery hiperrozgałęzione w procesach jednoetapowych. Syntezę polimerów hiperrozgałęzionych metodą polikondensacji przedstawiono na rysunku 3.1.5.2. 21

B A B polikondenscja A B BA B B polimer hiperrozgałeziony Rys. 3.1.5.2. Synteza polimerów hiperrozgałęzionych metodą polikondensacji W metodzie polikondensacji najczęściej wykorzystywane są monomery typu AB 2. Tego typu monomery stosowano między innymi do syntezy hiperrozgałęzionych polifenylenów [74], poliestrów aromatycznych [75], polieterów [76], poli(amidoamin) [77]. Monomery typu AB 3, AB 4 oraz AB 6 zastosowano między innymi do syntezy polieteroketonów [78] oraz polisiloksanów [79]. Niekontrolowana polikondensacja prowadzi często do produktów o szerokim rozkładzie mas molowych, co spowodowane jest szybszym wzrostem cząsteczek z większą liczbą grup funkcyjnych. Proces polikondensacji może być również zakłócony poprzez powstawanie żelu lub niepożądane reakcje uboczne jak np. cyklizacja [79]. Druga z metod syntezy polimerów hiperrozgałęzionych, samokondensująca polimeryzacja winylowa (SVP self condensing vinyl polymerization) wykorzystuje monomery zawierające wiązanie podwójne oraz dodatkowe centrum zdolne do inicjowania polimeryzacji wiązania podwójnego. Monomery tego typu oznaczane są jako AB*, gdzie B* oznacza grupę aktywowaną. Reakcja rozpoczyna się od aktywowania centrum inicjowania B, które reaguje z wiązaniem podwójnym, tworząc centrum aktywne na drugiej cząsteczce. Liczba centrów wzrostu zwiększa się proporcjonalnie do stopnia polimeryzacji [80]. Syntezę polimerów hiperrozgałęzionych metodą samokondensującej polimeryzacji winylowej przedstawiono na rysunku 3.1.5.3. H 2 H B aktywowanie H 2 H B H 2 H B wzrost H 2 H BH 2 H B centrum wzrostu centrum inicjowania Rys. 3.1.5.3. Synteza polimerów hiperrozgałęzionych metodą samokondensującej polimeryzacji winylowej 22

entra inicjowania mogą mieć charakter rodnikowy, jak również karbokationowy lub karboanionowy. entra aktywne powstające podczas polimeryzacji mogą znacznie różnić się reaktywnością od centrów powstających podczas inicjowania, co ma znaczący wpływ na budowę powstającego produktu. Metodę zastosowano do syntezy polimerów hiperrozgałęzionych pochodnych styrenu [30, 80] oraz poliakrylanów [34]. Metoda polimeryzacji z otwarciem pierścienia wykorzystuje monomery heterocykliczne, które po wbudowaniu do łańcucha mają strukturę typu AB x. Punkty rozgałęziające powstają w trakcie wzrostu łańcucha [81]. Syntezę polimerów hiperrozgałęzionych metodą polimeryzacji z rozerwaniem pierścienia przedstawiono na przykładzie polimeryzacji glicydolu na rysunku 3.1.5.4. H 2 H I H 2 H I H inicjowanie 2 H H 2 H centrum wzrostu Rys. 3.1.5.4. Synteza polimerów hiperrozgałęzionych metodą polimeryzacji z otwarciem pierścienia Metodę wykorzystującą otwarcie pierścienia zastosowano między innymi do syntezy hiperrozgałęzionych polieterów [82, 83], poli(eteroamidów) [84] oraz poliestrów [85]. 3.2. Amfifilowe kopolimery blokowe 3.2.1. Budowa blokowych kopolimerów amfifilowych Blokowe kopolimery amfifilowe są to makrocząsteczki zbudowane z co najmniej dwóch części (bloków), co znajduje swoje odzwierciedlenie w nazwie pochodzącej z języka greckiego amphi oznaczającej oboje. Jeden z bloków cząsteczki jest dobrze rozpuszczalny w danym rozpuszczalniku (jest liofilowy względem tego rozpuszczalnika), natomiast blok nierozpuszczalny w danym rozpuszczalniku jest względem niego liofobowy. W przypadku gdy rozpuszczalnikiem jest woda, powinowactwo to określane jest jako hydrofilowość, a brak powinowactwa jako hydrofobowość. W literaturze najczęściej można 23

znaleźć prace koncentrujące się na właściwościach amfifilowych polimerów w roztworach wodnych i w dalszej części pracy omawiane będą takiego typu makrocząsteczki. Amfifilowe kopolimery blokowe przedstawiane są często z częścią liofilową (hydrofilową) jako ogonem i częścią liofobową (hydrofobową) jako głową, co przedstawiono na rysunku 3.2.1.1. Rys. 3.2.1.1. Budowa cząsteczki amfifilowej Amfifilowe kopolimery blokowe zaliczane są do grupy surfaktantów niejonowych [86]. W najprostszym przypadku są to liniowe makrocząsteczkami typu AB, w których jeden z segmentów (np. A) wykazuje dobre powinowactwo do wody. Amfifilowe kopolimery blokowe mogą zawierać więcej bloków jednego rodzaju (np. kopolimery trójblokowe ABA lub BAB), mogą również być zbudowane z więcej niż dwóch bloków, wówczas są to cząsteczki typu AB. W przypadku polimerów o nieliniowej topologii często spotykane są makrocząsteczki, których rdzeń i powłoka różnią się powinowactwem do wody wówczas również mamy do czynienia z cząsteczkami amfifilowymi [87]. Synteza kopolimerów blokowych o właściwościach amfifilowych często jest prowadzona z wykorzystaniem polimeryzacji jonowych [87, 788] lub kontrolowanych polimeryzacji rodnikowych [87, 88]. Wykorzystywane są również metody sprzęgania łańcuchów polimerowych [89] o różnej filowości, lub modyfikacja grup funkcyjnych w łańcuchu polimerowym generująca amfifilowość [90, 91]. Budowę blokowych kopolimerów amfifilowym pod względem ilości grup hydrofilowych i hydrofobowych charakteryzuje parametr nazwany wskaźnikiem hydrofilowo/hydrofobową (HLB). Parametr ten został wprowadzony przez Griffina [92]. Liczbowo jest to iloraz dwudziestokrotności masy molowej segmentów hydrofilowych do masy molowej całej cząsteczki (równanie 3.2.1.1). HLB G = 20 M Hfl M (3.2.1.1) gdzie: HLG G wskaźnik hydrofilowo/hydrofobowy wg Griffina, 24

M Hfl M masa molowa elementów hydrofilowych, masa molowa całej makrocząsteczki. Parametr wprowadzony przez Griffina nie uwzględnia rodzaju grup hydrofilowych i hydrofobowych. Wskaźnik hydrofilowo/hydrofobowy uwzględniający rodzaj grup w makrocząsteczce amfifilowej została wprowadzonym przez Davisa [93]. Wartość tego współczynnika można obliczyć według równania 3.2.1.2. gdzie: HLB D =7+m H fb +n H fl (3.2.1.2) HLB D wskaźnik hydrofilowo/hydrofobowy wg Davisa, m H fl n H fb liczba grup hydrofilowych w makrocząsteczce, współczynnik dla grupy hydrofilowej, liczba grup hydrofobowych w makrocząsteczce, współczynnik dla grupy hydrofobowej. Wyznaczenie wskaźnika hydrofilowo/hydrofobowego według równania Davisa wymaga zastosowania współczynnika hydrofilowości H fl dla grup hydrofilowych i hydrofobowości H fb dla grup hydrofobowych. Wartości tych współczynników są znane nie dla wszystkich monomerów, co ogranicza możliwość stosowania równania Davisa (równanie 3.2.1.2). 3.2.2. Samoorganizacja liniowych, amfifilowych kopolimerów blokowych Kopolimery blokowe, zbudowane z bloków o różnym powinowactwie do wody, rozpuszczone w wodzie mogą ulegać samoorganizacji tworząc struktury o uporządkowanej budowie. Hydrofobowe końce makrocząsteczek samorzutnie ustawiają się w pobliżu siebie aby zminimalizować oddziaływanie z rozpuszczalnikiem. Hydrofilowe końce każdego łańcucha samorzutnie ustawiają się w kierunku rozpuszczalnika. Na powierzchni tak utworzonej struktury tworzy się warstwa solwatującej ją wody, co pozwala utrzymać 25

zagregowaną cząstkę w roztworze [94]. Najczęściej opisywane struktury, które mogą powstawać poprzez samoorganizację amfifilowych kopolimerów blokowych przedstawiono na rysunku 3.2.2.1 [86, 87, 95]. Rys. 3.2.2.1. Podstawowe struktury powstające w trakcie samoorganizację polimerów amfifilowych W wyniku samoorganizacji amfifilowych kopolimerów blokowych najczęściej mamy do czynienia z micelami, które są sferycznymi cząstkami z rdzeniem uformowanym z hydrofobowych bloków kopolimerów i powłoką z bloków hydrofilowych rozchodzących się we wszystkich kierunkach od rdzenia cząsteczki. Samoorganizacja amfifilowych kopolimerów blokowych w większe struktury przebiega według mechanizmu równowagowego nazywanego asocjacją. Teoretyczny opis asocjacji rozróżnia dwa modele tego zjawiska, otwarty lub zamknięty model asocjacji [96]. twarty model asocjacji charakteryzuje się obecnością w układzie pojedynczych łańcuchów kopolimeru (unimerów) oraz struktur zbudowanych z dwóch, trzech lub n-łańcuchów pozostających w równowadze. Model ten nie przewiduje żadnego granicznego stężenia, powyżej którego rozpoczyna się proces samoorganizacji kopolimerów amfifilowych. 26

Zamknięty model asocjacji charakteryzuje się parametrami krytycznymi, których osiągnięcie rozpoczyna proces organizowania się makrocząsteczek. Parametry graniczne to krytyczne stężenie micelizacji (cmc) lub krytyczna temperatura micelizacji (cmt), ich osiągnięcie powoduje pojawienie się w układzie struktur zasocjowanych [96]. Spadek temperatury lub stężenia poniżej parametrów cmc i cmt powoduje rozpad miceli na pojedyncze unimery. Wartość standardowej entalpii procesu samoorganizacji zachodzącej w środowisku wodnym jest dodatnia, co oznacza, że przemieszczanie się unimerów z roztworu do asocjatu jest procesem endotermicznym. Samoistny przebieg samoorganizacji wskazuje natomiast, że standardowa energia swobodna układu ma wartość ujemną. Standardowa entropia samoorganizacji amfifilowych kopolimerów blokowych w roztworach wodnych jest zatem dodatnia. Wskazuje to, że efekt entropowy ma w procesie micelizacji w roztworach wodnych dominujące znaczenie [83]. Micele można formować w roztworach jedną z dwóch podstawowych metod. Pierwsza metoda stosowana jest najczęściej w przypadku kopolimerów amfifilowych o ograniczonej rozpuszczalności w wodzie. Zastosowanie dobrego rozpuszczalnika dla obu bloków kopolimeru zapewnia uzyskanie jednofazowego roztworu. Stopniowa wymiana rozpuszczalnika na wodę powoduje formowanie się miceli [86, 93, 98]. Druga metoda jest najczęściej stosowana dla kopolimerów amfifilowych, które wykazują dobrą rozpuszczalność w wodzie. Podnoszenie stężenia lub temperatury takich roztworów powyżej wartości krytycznych powoduje micelizację [86, 97, 98]. Zasocjowane struktury pozostają stabilne w roztworze dzięki tworzeniu warstwy solwatacyjnej. Podnoszenie temperatury roztworu, w którym występują struktury zasocjowane powoduje wzrost ruchliwości cząstek wody w wyniku czego może dojść do utraty sfery solwatacyjnej, a następnie do sklejania się asocjatów w większe aglomeraty z wieloma rdzeniami [99, 100, 101]. Proces ten często nazywany jest agregacją multimicelarną. 3.2.3. Samoorganizacja rozgałęzionych kopolimerów amfifilowych Makrocząsteczki gwieździste, hiperrozgałęzione oraz szczepione typu rdzeń-powłoka przypominają budową micele uformowane w procesie samoorganizacji liniowych, 27

amfifilowych kopolimerów blokowych, dlatego często nazywane są micelami jednocząsteczkowymi (unimolekularne micele) [102, 103]. Jako przykład jednocząsteczkowej miceli przedstawiono polimer gwieździsty o budowie rdzeń-powłoka (Rys. 3.2.3.1). część hydrofobowa (rdzeń) część hydrofilowa (powłoka) Rys. 3.2.3.1. Amfifilowy kopolimer gwieździsty o budowie rdzeń-powłoka Rozgałęzione kopolimery amfifilowe mogą ulegać samoorganizacji, podobnie jak blokowe kopolimery liniowe [104]. Proces samoorganizacji kopolimerów rozgałęzionych może przebiegać według zamkniętego modelu asocjacji zakładającego występowanie krytycznego stężenia micelizacji (cmc) i krytycznej temperatury micelizacji (cmt) [105-111]. Poniżej warunków krytycznych rdzeń kopolimeru jest zwarty a ramiona tworzące powłokę są solwatowane przez wodę. Po osiągnięciu warunków krytycznych następuje zerwanie niekowalencyjnych wiązań pomiędzy makrocząsteczką a wodą powodując znaczny spadek rozpuszczalności. Hydrofobowe części kopolimerów rozgałęzionych zbliżają się do siebie tworząc rdzeń asocjatu odseparowany od niekorzystnego środowiska koroną dobrze oddziałującą z wodą. Powstające struktury przypominają micele opisane powyżej dla samoorganizacji kopolimerów liniowych. Na rysunku 3.2.3.2 przedstawiono przykładowo mechanizm powstawania struktur zagregowanych w efekcie samoorganizacji gwieździstych cząsteczek z ramionami utworzonymi z kopolimerów amfifilowych. Hydrofobowe bloki wewnętrzne tworzą rdzeń, zaś bloki hydrofilowe powłokę. asocjacja Rys. 3.2.3.2. Schemat samoorganizacji amfifilowych kopolimerów gwieździstych według mechanizmu asocjacji 28

Parametry krytyczne micelizacji kopolimerów gwieździstych różnią się zazwyczaj od parametrów charakteryzujących micelizację liniowych kopolimerów o długości równej długości bloków ramion gwiazdy [107-109]. śmioramienne gwiazdy zbudowane z kopolimeru blokowego izoprenu i styrenu micelizowały tworząc struktury o mniejszych rozmiarach w porównaniu z liniowymi kopolimerami o podobnej budowie [108]. Liczba agregacji N agg, której wartość wskazuje ile pojedynczych cząsteczek tworzy micele, była nawet 30 krotnie niższa w przypadku polimerów gwieździstych. Podobne zachowanie zaobserwowano dla miceli powstających z czteroramiennych gwiazd o ramionach zbudowanych z poli(kwasu akrylowego)-blok-polistyrenu [107]. Rozmiary struktur powstających poprzez samoorganizację gwiazd były mniejsze a liczba agregacji niższa w porównaniu ze strukturami utworzonymi przez kopolimery liniowe o podobnej budowie. Miktoramienne polimery gwieździste zbudowane z 6 ramion z polistyrenu i 6 ramion z poli(2-winylopirydyny) wykazały trzy rzędy wielkości wyższe stężenie micelizacji w porównaniu z polimerami liniowymi o długości bloków podobnych do długości ramion w gwieździe [109]. Jednym z czynników, który ma duży wpływ na wartość parametrów krytycznych (cmc, cmt) w procesie agregacji amfifilowych polimerów gwieździstych, jest liczba elementów hydrofobowych i hydrofilowych w makrocząsteczce wyrażana wskaźnikiem hydrofilowo/hydrofobowym. Zależność krytycznego stężenia micelizacji oraz rozmiarów powstających miceli od hydrofobowości cząsteczki opisano dla amfifilowych polimerów gwieździstych zbudowanych z kopolimeru poli(ɛ-kaprolakton)-blok-poli(n-(2- hydroksypropylo)metakrylamid) [106]. Wzrost udziału bloków hydrofobowych w ramionach gwiazdy powodował spadek wartość cmc oraz wzrost rozmiarów powstających miceli. Podobną zależność obserwowano również w przypadku agregacji hiperrozgałęzionych kopolimerów zbudowanych z polietylenoiminowego rdzenia oraz powłoki z kopolimeru tlenku etylenu i L-glutaminianu -benzylu [105]. Wartość krytycznego stężenia micelizacji malała wraz ze wzrostem liczby elementów hydrofobowych w makrocząsteczce. W przypadku polimerów rozgałęzionych o budowie rdzeń-powłoka zamiast procesu zilustrowanego rysunkiem 3.2.3.2 może również zachodzić proces sklejania się makrocząsteczek powłokami prowadzący do powstania struktur wielordzeniowych (rysunek 3.2.3.3). Mechanizm ten jest podobny do mechanizmu agregacji konwencjonalnych miceli i jest nazywany agregacją multimicelarną, przy czym elementami struktury są micele jednocząsteczkowe. Sklejanie się pojedynczych cząsteczek rozgałęzionych typu rdzeńpowłoka lub klasycznych miceli w agregaty spowodowane jest oddziaływaniem pomiędzy 29

powłokami [112]. przebiegu agregacji decyduje stosunek ilości elementów hydrofobowych do hydrofilowych w makrocząsteczkach, liczba ramion oraz liczba grup funkcyjnych [113]. Agregacja multimicelarna przypomina samoorganizację naturalnych związków takich białka czy wirusy prowadzącą do powstawania struktur czwartorzędowych. Mechanizm agregacji multimicelarnej przedstawiono schematycznie na rysunku 3.2.3.3. agregacja Rys. 3.2.3.3. Agregacja multimicelarna kopolimerów gwieździstych typu rdzeń-powłoka Proces agregacji multimicelarnej polimerów rozgałęzionych prowadzący do powstania kulistych, wielordzeniowych struktur opisano między innymi dla amfifilowych kopolimerów gwieździstych zbudowanych z dendrytycznego rdzenia polietylenoiminowego oraz ramion blokowych z alifatycznych dikwasów połączonych z poli(tlenkiem etylenu) [112]. Krytyczne stężenie micelizacji dla tych rozgałęzionych makrocząsteczek było dużo niższe niż np. dla znanego kopolimeru blokowego poli(tlenku etylenu)-blok-poli(tlenku propylenu) zwanego pluronic. Podobnej agregacji multimicelarnej ulegały dendrytyczne kopolimery gwieździste zbudowane z hiperrozgałęzionego poli[3-etylo-3-(hydroksymetylo)oksetanu] (HBP), który zastosowano jako rdzeń i ramion będących kopolimerami blokowymi poli[metakrylanu 2-(dimetyloamino)etylowego]-blok-poli(metakrylanu 2,2,3,3,4,4,5,5-oktafluoropentylu) (PDMAEMA-b-PFPMA) [114]. Agregacja multimicelarna, której ulegały te makrocząsteczki 30

w środowisku wodnym przy ph=3.0, prowadziła do powstania wielordzeniowych agregatów o kulistych kształtach. Natomiast w roztworach woda/dmf przy ph=3 powstające agregaty tworzyły struktury włókniste. Agregację multimicelarną zaobserwowano również w przypadku samoorganizacji cząsteczek rozgałęzionych o budowie rdzeń-powłoka zbudowanych z hiperrozgałęzionego rdzenia (HBP) oraz ramion zbudowanych z poli[metakrylanu 2-(dimetyloamino)etylu] (PDMAEMA) [115]. Struktury utworzone przez te cząsteczki były zbliżone do opisanych powyżej wielordzeniowych, kulistych agregatów posklejanych powłokami. 3.2.4. harakterystyka rozmiarów i kształtów cząstek zagregowanych 3.2.4.1. Rozpraszanie światła Podstawowe parametry powstałych miceli, takie jak rozmiar oraz dyspersje rozmiarów, kształt oraz liczbę agregacji można badać między innymi wykorzystujących rozpraszanie światła przez roztwory cząsteczek. Najczęściej stosowanymi metodami są dynamiczne i statyczne rozpraszanie światła. Pomiary takie są możliwe dzięki powiązaniu natężenia światła rozproszonego z masą cząsteczki rozpraszającej. Równania stosowane do wyznaczenia parametrów cząsteczki z pomiarów rozpraszania światła znajdują się w części eksperymentalnej (rozdział 4.3.5). W statycznym rozpraszaniu światła (SLS) zakłada się, że fala rozproszona ma tę samą długość, co fala padająca. Statyczne rozpraszanie światła pozwala wyznaczyć średnio wagową masę molową (M w ), drugi współczynnik wirialny (A 2 ) oraz promień bezwładności (R g ) miceli [116, 117]. Pomiary promienia bezwładności metodą SLS prowadzi się dla obiektów, które są nie większe niż połowa długości fali oraz nie mniejsze niż jedna dwudziesta długości fali. W dynamicznym rozpraszaniu światła (DLS) mierzona jest czasowa zależność intensywności rozpraszania światła obejmująca cały zakres widmowy fali rozproszonej. Dynamiczne rozpraszanie światła dostarcza informacji o promieniu hydrodynamicznym (R h ) oraz współczynniku dyfuzji (D) [116, 117] obiektów w roztworze. Rozmiary cząstek, które można wyznaczyć metodą DLS zależą od współczynnika załamania światła badanych cząsteczek oraz rozpuszczalnika jak również od długości padającej fali elektromagnetycznej. 31

Znajomość wartości promienia bezwładności i promienia hydrodynamicznego pozwala wyznaczyć parametr kształtu ρ, będący ilorazem R g /R [118] h. Wartość współczynnika kształtu w przypadku makrocząsteczek rozgałęzionych powinna być mniejsza niż dla makrocząsteczek liniowych ponieważ promień hydrodynamiczny makrocząsteczek rozgałęzionych jest mniejszy w porównaniu z makrocząsteczkami liniowymi o zbliżonej masie molowej [118]. Wzrost liczby rozgałęzień w cząsteczkach rozgałęzionych powoduje, że parametr kształtu zbliża się do wartości ok. 0,77 odpowiadającej wartości ρ dla zwartej kuli [119, 120]. Technika rozpraszania światła umożliwia także pomiar temperatury przejścia fazowego polimerów termoczułych, o których będzie mowa w rozdziale 3.3. Pomiar polega na obserwacji wzrostu intensywności światła rozproszonego w funkcji temperatury [121]. Poniżej temperatury przejścia fazowego w roztworze występują dobrze rozpuszczone unimery, które nieznacznie rozpraszają światło. W miarę wzrostu temperatury w roztworze zaczynają pojawiać się większe zorganizowane formy powodując wzrost intensywności światła rozproszonego. 3.2.4.2. Metody obrazowania Rozmiary, kształty oraz budowę cząstek można wyznaczyć metodami obrazowania mikroskopowego. Micele oraz agregaty powstające z polimerów z reguły charakteryzują się niewielkimi rozmiarami dlatego do ich obrazowania najczęściej stosuje się mikroskopy elektronowe lub mikroskopy sił atomowych. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) wykorzystuje wysokoenergetyczną wiązkę elektronów skupioną do bardzo małej średnicy (0,1 nm) do skanowania powierzchni [122]. Na skutek oddziaływania z materią cześć elektronów wiązki skanującej zostaje elastycznie odbita od powierzchni (elektrony wstecznie rozproszone), a część zderzając się nieelastycznie wybija elektrony z wewnętrznych powłok elektronowych atomów próbki (elektrony wtórne). braz uzyskiwany w mikroskopie skaningowym powstaje poprzez detekcję elektronów wtórnych lub elektronów wstecznie rozproszonych. Technika SEM umożliwia obrazowanie powierzchni obiektów, w związku z czym cząstki polimerowe, takie jak micele czy agregaty, muszą być naniesione na powierzchnie. 32

Pierwotna wiązka elektronowa, padająca na próbkę, niesie duży ładunek energii co może powodować niszczenie materiałów, które nie mogą odprowadzić nadmiaru energii. Większość badanych materiałów polimerowych jest słabymi przewodnikami, dlatego należy pokrywać je warstwami przewodzącymi (złoto, węgiel), aby można było je obrazować w skaningowym mikroskopie elektronowym. Warstwa pokrywająca musi zostać uwzględniona w pomiarach rozmiarów i analizie morfologii. Transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) wykorzystuje wysokoenergetyczną równoległą wiązkę elektronową, która prześwietla próbkę. brazy uzyskuje się wykorzystując elastyczne i nieelastyczne rozpraszanie elektronów wiązki podczas ich wędrówki przez preparat [122]. Większe atomy mają większy przekrój czynny (prawdopodobieństwo zderzenia) na rozpraszanie elastyczne i dzięki temu możliwe jest uzyskiwanie kontrastu chemicznego (tzw. kontrast Z ). Transmisyjna mikroskopia elektronowa umożliwia badanie morfologii i struktury próbki, pozwala również wyznaczać rozmiary cząstek polimerowych. Mikroskopia sił atomowych (AFM) wykorzystuje siły magnetyczne, elektrostatyczne i oddziaływania międzyatomowe pomiędzy atomami znajdującymi się na końcu igły pomiarowej i badanej powierzchni. braz w najprostszym przypadku powstaje dzięki detekcji ruchów igły pomiarowej przesuwającej się nad powierzchnią próbki (tzw. tryb kontaktowy). becnie do większości analiz wykorzystuje się mikroskopy pracujące w trybie z przerywanym kontaktem lub w trybie bezkontaktowym. W tych trybach dźwigienka skanująca drga z częstotliwością dochodzącą do kilkuset khz. W trybie z przerywanym kontaktem ostrze dźwigienki w trakcie drgań styka się z próbką raz na okres, w trybie bezkontaktowym ostrze raz na okres zbliża się w pole bliskich oddziaływań próbki, bez jej dotykania. Metoda AFM zapewnia skanowanie struktur powierzchni materiałów z rozdzielczością rzędu nanometrów w bardzo szerokim zakresie ich twardości (od bardzo twardych materiałów kompozytowych po niezwykle miękkie próbki biologiczne). AFM dostarcza informacji o rozmiarach i kształtach cząstek na powierzchni [122], podobnie jak w przypadku SEM. Technika ta nie wymaga bombardowania powierzchni wiązką o wysokiej energii, więc jest mniej destruktywna dla badanych próbek polimerowych. 33

3.3. Polimery termoczułe Polimery wrażliwe na bodźce to takie, które zmieniają swoje właściwości w sposób wyraźny i odwracalny w reakcji na niewielką zmianę warunków zewnętrznych, określanych jako bodziec [123]. Wśród polimerów reagujących na bodźce, największe zainteresowanie dotyczy materiałów reagujących na zmianę temperatury, a w szczególności roztworów wodnych takich polimerów. grzewanie takich roztworów powoduje spadek rozpuszczalności polimeru i w konsekwencji jego wytrącenie. Zachowanie polimerów termoczułych w roztworach zazwyczaj charakteryzowane jest przez temperaturę zmętnienia nazywaną również temperaturą przejścia fazowego (T cp ) i dolną krytyczną temperaturę rozpuszczania (LST - lower critical solution temperature). Temperatura zmętnienia T cp informuje powyżej jakiej temperatury polimer przestaje się rozpuszczać. Wartość T cp zależy od stężenia polimeru w roztworze. Wykreślenie zależności temperatury zmętnienia od stężenia pozwala wyznaczyć wartość LST, która jest najniższą wartością temperatury zmętnienia na wykresie fazowym (Rys. 3.3.1.1). Rys.. 3.3.1.1. Wykres fazowy roztworu polimeru wykazującego LST Poniżej temperatury przejścia fazowego polimer w roztworze jest dobrze solwatowany przez cząsteczki wody. grzewanie roztworu powoduje wzrost ruchliwości cząstek wody, rozluźnienie wiązań wodorowych i utratę warstwy solwatacyjnej. W wyniku tego rośnie całkowita entropia układu. Powyżej temperatury przejścia fazowego następuje przejście polimeru od konformacji kłębka statystycznego do gęsto upakowanej globuli. ddziaływania między cząsteczkami powodują agregację i separację fazową polimeru [124, 125, 126]. Termoczułość wykazuje wiele polimerów [127]. Należą do nich N-podstawione poliakryloamidy z głównym przedstawicielem poli(n-izopropyloakryloamidem) 34

(PNIPAM) [128], poli(winylolaktamy) [129], pochodne poli(alkoholu winylowego) [130], polietery takie jak poli(tlenek etylenu) [131], poli(tlenek propylenu) [132] oraz ich kopolimery blokowe [133], pochodne poliglicydolu [91, 134, 135]. Budowy makrocząsteczek ma znaczący wpływ na wartość temperatury zmętnienia. W przypadku kopolimerów amfifilowych ich temperatura zmętnienia może się zmieniać w zależności od liczby elementów hydrofilowych i hydrofobowych w makrocząsteczce. [136, Zazwyczaj większa ilość elementów hydrofilowych powoduje wzrost wartość T 137] cp, natomiast hydrofobowych powoduje obniżenie tej wartości [138, 139]. Pożądaną temperaturę zmętnienia można więc uzyskać dzięki zastosowaniu kontrolowanych metody syntezy lub poprzez modyfikację grup funkcyjnych w makrocząsteczkach. Przykładem sterowania temperaturą zmętnienia polimeru poprzez modyfikację grup funkcyjnych może być poliglicydol. Kontrolując stopień podstawienia grup hydroksylowych tego polimeru grupami etylokarbaminowymi [134] lub octanowymi [140] otrzymano statystyczne kopolimery amfifilowe wykazujące wartość T c w szerokim zakresie temperatur. 3.3.1. Termoczułe polimery rozgałęzione typu rdzeń-powłoka Polimery reagujące na zmianę temperatury są jedną z grup związków badanych jako nośniki w tzw. systemach kontrolowanego uwalniana substancji aktywnych. Struktury rozgałęzione typu rdzeń-powłoka mają wśród tych systemów szczególne znaczenie. Makrocząsteczki o rdzeniu hydrofobowym i hydrofilowej powłoce umożliwiają transportowanie substancji hydrofobowych w hydrofilowym środowisku. Połączenie tych właściwości transportujących z termoczułością pozwala projektować nowe, stabilne a przy tym reagujące na zmianę temperatury nośniki substancji aktywnych. Przykładem termoczułych polimerów rozgałęzionych typu rdzeń-powłoka są polimery gwieździste zbudowane z hiperrozgałęzionego rdzenia z poli[3-etylo-3- (hydroksymetylo)oksetanu] oraz ramion z poli[metakrylanu 2-(dimetyloamino) etylu] reagujące na zmianę temperatury opisane przez Honga [141]. Roztwory wodne tych polimerów pod wpływem temperatury ulegały samoorganizacji, tworząc niewielkich rozmiarów asocjaty o budowie miceli. Dalszy wzrost temperatury powodował agregację z utworzeniem większych aglomeratów wielomicelarnych posklejanych powłokami. Wykazano zależność krytycznego stężenia micelizacji oraz temperatury zmętnienia od długości ramion tworzących powłokę. 35

Polimery rozgałęzione o rdzeniu zbudowanym z podobnego hiperrozgałęzionego poli[3-etylo-3-(hydroksymetylo)oksetanu] oraz ramionach z poli(tlenku etylenu) [110] również wykazywały temperaturowo indukowaną samoorganizację w roztworach wodnych. W jej wyniku po przekroczeniu krytycznego stężenia micelizacji powstawały liposomalne struktury pęcherzykowate [111]. Wzrost temperatury, powyżej wartości krytycznej, powodował sklejanie się struktur pęcherzykowatych w większe agregaty a następnie przeobrażenie w większe struktury pęcherzykowate [110]. 3.4. Polimery rozgałęzione typu rdzeń-powłoka jako nośniki substancji aktywnych Substancje biologicznie aktywne, aby mogły osiągnąć odpowiedni efekt terapeutyczny w organizmie, często wymagają zastosowania dodatkowych substancji transportujących. Transporter może chronić substancję aktywną przed utratą aktywności (metabolizm), może także przedłużać jej działanie i zapewnić stałe stężenie poprzez stopniowe uwalnianie. Może również ograniczać toksyczność substancji aktywnej w trakcie transportu [142]. Szczególnym przypadkiem są transportery, które umożliwiają uwalnianie substancji aktywnej w pożądanym miejscu aktywności (celowe dostarczanie leków). Amfifilowe kopolimery liniowe, tworzące układy micelarne w roztworach wodnych, są jedną z grup związków badaną pod kątem ich wykorzystania do celowego dostarczania leków [143, 144, 145]. Hydrofobowy rdzeń miceli jest dobrym środowiskiem dla nierozpuszczalnych w wodzie substancji aktywnych. Hydrofilowa powłoka umożliwia transportowanie takich miceli w środowisku wodnym. Poważną wadą układów micelarnych, jest ich niestabilność. Zmieniające się warunki (stężenie, temperatura) mogą powodować rozpad miceli i niekontrolowane uwolnienie substancji z jej wnętrza. Amfifilowe polimery rozgałęzione o budowie hydrofobowy rdzeń-hydrofilowa powłoka, przypominające strukturą klasyczne micele i często nazywane micelami jednocząsteczkowymi [102, 103], stanowią w badaniach nad nośnikami substancji aktywnych alternatywę dla klasycznych miceli. Trzy główne grupy polimerów rozgałęzionych badane pod kątem wykorzystania w systemach kontrolowanego dostarczania leków [19] to dendrymery, polimery hiperrozgałęzione i polimery gwieździste. 36

Polimery rozgałęzione mogą również reagować na zmianę temperatury jak opisano w rozdziale 3.3.2. Szczególne znaczenie w badaniach systemów kontrolowanego dostarczania leków mają takie polimery, które wykazują przejście fazowe w temperaturze występującej w ludzkim ciele [146, 147]. Polimery rozgałęzione o budowie rdzeń-powłoka, aby można je wykorzystać jako nośniki w systemach kontrolowanego dostarczania leków, powinny spełniać następujące wymagania: rozpuszczalność w środowisku wodnym, średnica cząsteczek nie powinna być większa niż 20 nm (by mogły być usunięte z organizmu przez nerki), brak degradacji makrocząsteczek w trakcie transportu, biokompatybilność makrocząsteczek i/lub produktów ich degradacji, skuteczna ochrona przenoszonego ładunku w trakcie transportu, duża pojemność makrocząsteczek. Liczne przykłady opisujące próby wykorzystania polimerów rozgałęzionych jako nośników substancji aktywnych dotyczą dendrymerów. Najbardziej znanym przedstawicielem tej grupy związków, wykorzystywanym w badaniach nośników hydrofobowych substancji aktywnych, jest dendrymer PAMAM poli(amindoamina) [14-18]. Możliwość ładowania do wnętrza tego dendrymeru kwasu acetylosalicylowego oraz kwasu 2,4-dichlofenoksyoctowego przedstawił po raz pierwszy Naylor [14]. W kolejnych latach pojawiały się liczne prace koncentrujące się na funkcjonalizacji zewnętrznej powłoki PAMAM i ładowaniu do wnętrza małocząsteczkowych substancji hydrofobowych [15, 16]. Makrocząsteczki hiperrozgałęzione, strukturalnie mniej doskonałe analogii dendrymerów, również wykorzystywane są w badaniach dotyczących systemów kontrolowanego dostarczania leków. Duża liczba prac opisuje hiperrozgałęzione polimery glicydolu, zwane również poliglicerolami [28, 148-155]. Hiperrozgałęzione poliglicerole po modyfikacji grup hydroksylowych wykorzystano między innymi jako struktury rdzeń-powłoka do transportu substancji hydrofobowych w środowisku wodnym [152-155]. Wśród polimerów rozgałęzionych typu rdzeń-powłoka badanych pod kątem wykorzystania w kontrolowanym dostarczaniu leków znajdują się również polimery gwieździste, najczęściej o ramionach zbudowanych z kopolimerów blokowych. Udane eksperymenty solubilizacji oraz uwalniania hydrofobowych leków, na przykład progesteronu z wykorzystaniem polimerów gwieździstych zbudowanych z hydrofobowego rdzenia 37

z metakrylanu metylu i kwasu metakrylowego oraz hydrofilowej powłoki z metakrylanu poli(glikolu etylenowego) opisane przez Jonesa [156]. zy też wykorzystanie polimerów gwieździstych zbudowanych z dendrytycznego rdzenia z PAMAM oraz ramion z poli(εkaprolaktonu)-blok-poli(glikol etylenowy) do solubilizowania etopozydu opisane przez Wanga [157], wskazują na potencjalne możliwości wykorzystania tego typu struktur w systemach kontrolowanego dostarczania substancji aktywnych. 3.4.1. Enkapsulacja substancji aktywnych w polimerach rozgałęzionych typu rdzeń-powłoka Wzrost rozpuszczalności trudno rozpuszczalnych substancji chemicznych poprzez wchłaniane ich do wnętrza struktur rozgałęzionych nazywany jest solubilizacją [158]. Proces solubilizacji substancji małocząsteczkowych we wnętrzu amfifilowych makrocząsteczek można prowadzić metodą bezpośredniego rozpuszczania lub metodą bazującą na wymianie rozpuszczalnika [159, 160]. Metoda bezpośredniego rozpuszczenia polega na mieszaniu substancji solubilizowanej z roztworem wodnym polimeru. ząsteczki solubilizowane, mając lepsze powinowactwo do wnętrza makrocząstek, wnikają tam podczas intensywnego mieszania. Wnikanie może być utrudnione poprzez warstwę zewnętrzną (powłokę) polimeru, w szczególności gdy jest ona gęsta i wystarczająco gruba. Lepszą penetrację makrocząsteczek uzyskuje się w pośredniej metodzie solubilizacji. W metodzie tej wykorzystywany jest rozpuszczalnik o dobrym powinowactwie do wszystkich części makrocząsteczki jak również substancji aktywnej. Wymiana rozpuszczalnika na wodę powoduje uwięzienie substancji aktywnej wewnątrz transportera polimerowego. Proces wymiany rozpuszczalnika na wodę może być realizowany poprzez dializę, stopniowe odparowanie rozpuszczalnika lub liofilizację [160]. Metoda solubilizacji substancji aktywnych w amfifilowych strukturach rdzeń-powłoka w znacznym stopniu zależy od rodzaju polimeru. Jednak w przypadku polimerów rozgałęzionych kowalencyjne powiązanie elementów cząsteczki umożliwia stosowanie obu rodzajów metod solubilizacji bez obaw o stabilność polimeru, w przeciwieństwie do solubilizacji substancji aktywnych w micelach tworzonych z amfifilowych kopolimerów liniowych [159, 160]. 38

3.5. Polimeryzacja oksiranów ksirany nazywane również epoksydami lub epitlenkami to związki należące do grupy cyklicznych eterów o trójczłonowym pierścieniu zawierającym tlen (rysunek 3.5.3.1). R 1 R 2 R 3 R 4 Rys. 3.5.3.1. Pierścień oksiranowy Duże naprężenia trójczłonowego pierścienia (114-117 kj/mol) oraz występujący w nim tlen powodują, że oksirany wykazują dużą reaktywność [81, 161, 162]. Polimeryzacja oksiranów prowadzi do otrzymania polieterów. Można ją prowadzić na drodze polimeryzacji kationowej, anionowej oraz koordynacyjnej. Proces kationowy w przypadku oksiranów często prowadzi do reakcji przeniesienia i cyklizacji, dlatego w dalszej części omówiony zostanie proces anionowy, który zastosowano do syntezy polimerów opisywanych w tej pracy. 3.5.1. Polimeryzacje jonowe Polimeryzacje jonowe charakteryzuje występowanie jonowego centrum aktywnego, włączając w to centra zawierające wiązania kowalencyjnie silnie spolaryzowane. Podział polimeryzacji jonowych na anionowe i kationowe wynika z charakteru centrum aktywnego [163, 164]. Polimeryzacje jonowe przebiegają według mechanizmu łańcuchowego, który przedstawiono na rysunku 3.5.1.1. I + M I M inicjowanie I M + nm I M M n I M M n I M M n I M M + P I M M n n k k + P propagacja terminacja przeniesienie Rys. 3.5.1.1. Schemat polimeryzacji łańcuchowej 39

Reakcje polimeryzacji jonowej mogą być zastosowane dla monomerów ulegających jonizacji pod wpływem inicjatora. zęść monomerów można polimeryzować zarówno anionowo jak i kationowo, natomiast niektóre udaje się polimeryzować tylko jedną z metod jonowych. Monomery z podstawnikami elektronodonorowymi łatwiej polimeryzują kationowo, natomiast monomery z podstawnikami elektronoakceptorowymi anionowo [164, 165]. Jony powstające w reakcji z inicjatorem wykazują w środowisku reakcji różną aktywność zależną od siły oddziaływania z przeciwjonem. Formy zjonizowane, w jakich występuje centrum aktywne, przedstawiono na rysunku 3.5.1.2. jonizacja dysocjacja X Y X, Y X Y X + Y związek kowalencyjny kontaktowa para jonowa rozdzielona para jonowa Rys. 3.5.1.2. Rodzaje form jonowych powstających poprzez heterogeniczne rozerwanie wiązania wolne jony Aktywność form jonowych jest tym większa, im bardziej ładunki są skupione na atomach. Kontaktowa para jonowa wykazuje więc najmniejszą aktywność, natomiast wolne jony największą. Pomiędzy wszystkimi formami centrów aktywnych występuje stan równowagi. Reakcja polimeryzacji będzie tym szybsza, im bardziej równowaga pomiędzy formami centrów aktywnych będzie przesunięta w kierunku bardziej aktywnej formy. Zastosowanie odpowiedniego rozpuszczalnika może zmniejszyć oddziaływanie pomiędzy jonami i przesunąć równowagę w kierunku bardziej reaktywnej formy. Wpływ rozpuszczalnika na równowagę form jonowych jest większy w przypadku małych przeciwjonów takich jak np. Li +, K +, a mniejszy w przypadku dużych przeciwjonów jak np. Sbl - 6. Etap terminacji, w przypadku polimeryzacji jonowych, nie może następować poprzez rekombinację, ponieważ aktywne końce łańcucha mają taki sam ładunek, co powoduje ich elektrostatyczne odpychanie. Zakończenie rosnącego łańcucha może nastąpić w reakcji ze związkiem chemicznym, który przereaguje z jonem i utworzy w to miejsce wiązanie kowalencyjne. W wielu przypadkach zakończenie łańcucha następuje w reakcji z przypadkowymi zanieczyszczeniami lub wodą z otoczenia. 40

3.5.2. Polimeryzacje żyjące Szczególnym przypadkiem polimeryzacji jonowej jest proces, w którym centrum propagacji pozostaje aktywne nawet po całkowitym przereagowaniu monomeru. Wprowadzenie do układu nowej porcji monomeru powoduje wznowienie polimeryzacji i reakcję do jego wyczerpania. Procesy takie nazywane są żyjącymi. Pierwsze doniesienia literaturowe na temat polimeryzacji anionowej o charakterze żyjącym pochodzą z roku 1956, kiedy to Michael Szwarc po raz pierwszy użył tego terminu do opisania procesu polimeryzacji prowadzącej do uzyskania polistyrenu [166, 167]. Definicja polimeryzacji żyjącej, którą zaproponowała Międzynarodowa Unia hemii zystej i Stosowanej (IUPA) brzmi następująco: terminacja oraz nieodwracalne przeniesienie są nieobecne [168]. Podstawowe warunki, które musi spełniać polimeryzacja aby można ją określać mianem żyjącej opisano poniżej [165] : 1. entra aktywne są obecne w mieszaninie reakcyjnej do momentu osiągnięcia założonej długości łańcuchów polimerowych. 2. Proces terminacji i przeniesienia nie występuje lub udział tych procesów jest nieznaczny w porównaniu z procesem propagacji. 3. Wszystkie cząsteczki inicjatora biorą udział w procesie inicjowania oraz inicjowanie jest szybsze od procesu propagacji. 4. Wymiana pomiędzy różnymi formami centrów aktywnych jest szybsza od procesu propagacji. Warunki prowadzenia polimeryzacji żyjącej, dobór monomerów oraz rozpuszczalników pozwala syntezować polimery o dobrze zdefiniowanej budowie jak również kopolimery o kontrolowanej długości bloków. Żyjące centrum aktywne można zakańczać poprzez dodatek odpowiednich substancji pozwalających wprowadzić określone grupy końcowe do łańcucha. Polimeryzacja o charakterze żyjący może być opisana równaniami przedstawionymi na rysunku 3.5.2.1. 41

I + M k i I M inicjowanie k p I M + nm I M M n propagacja Rys. 3.5.2.1. Równania opisujące idealną polimeryzację żyjącą Powyższe reakcje pozwalają wyprowadzić równania kinetyczne inicjowania i propagacji przedstawione poniżej (równania 3.5.2.1, 3.5.2.2) gdzie: [M] stężenie monomeru - d I dt =k i[i][m] (3.5.2.1) - d M =k dt p [M * ][M] (3.5.2.2) [I] stężenie inicjatora [M*] stężenie centrum aktywnego k i k p stała szybkości inicjowania stała szybkości propagacji Etap inicjowania w polimeryzacji żyjącej zazwyczaj jest znacznie szybszy niż wzrost łańcucha, dlatego wszystkie cząsteczki inicjatora tworzą centra aktywne zanim rozpocznie się wzrost. Stężenie centrów aktywnych w układzie jest więc równe początkowemu stężeniu inicjatora [M*]=[I] 0, a ponieważ terminacja nie występuje, jest stałe w trakcie trwania polimeryzacji. Stała szybkości reakcji inicjowania jest znacznie większa od stałej szybkości propagacji k i >>k p i można przyjąć, że szybkość polimeryzacji zależy głównie od szybkości propagacji [163]. Kinetykę polimeryzacji żyjącej, uwzględniając wszystkie powyższe założenia, można przedstawić równaniem 3.5.2.3. - d M =k dt p [I] 0 M (3.5.2.3) 42

Rozwiązaniem równania 3.5.2.3 jest zależność przedstawiona poniżej: ln [M] 0 [M] = k p[i] 0 t (3.5.2.4) Zależność liczbowo średniego stopnia polimeryzacji od konwersji monomeru dla polimeryzacji żyjących można opisać równaniem 3.5.2.4 gdzie: [M] 0 początkowe stężenie monomeru [M] t stężenie monomeru po czasie t DP n(t) = [M] 0 -[M] t (3.5.2.4) [I] 0 [I] 0 początkowe stężenie inicjatora Wykazanie żyjącego charakteru polimeryzacji wymaga uzyskania jednocześnie prostoliniowego przebiegu zależności stopnia propagacji wyrażanego jako ln [M 0 [M] od czasu ln [M] 0 =f(t) oraz zależności stopnia polimeryzacji DP od konwersji DP [M] n(t) =f [M] 0 -[M]. Przebiegi funkcji potwierdzające żyjący charakter polimeryzacji przedstawiono na rysunku 3.5.2.2. [M] 0 Rys. 3.5.2.2. Przebieg funkcji a: ln M 0 f t, b: DP M n(t) =f( [M] 0 -[M] dla polimeryzacji żyjących [M] 0 43

Możliwe jest również przedstawienie powyższych zależności świadczących o żyjącym charakterze polimeryzacji w postaci jednego równania (równanie 3.5.2.5), które po raz pierwszy opisał Penczek [169]. ln 1- [I] 0 DP [M] n =-k p [I] 0 t (3.5.2.5) 0 Prostoliniowy przebieg lewej części równania w zależności od czasu jest dowodem na żyjący charakter reakcji polimeryzacji. W polimeryzacji żyjącej nie występuje terminacja, tak więc konwersja monomeru jest całkowita [163]. Liczbowo średni stopień takiej polimeryzacji DP n można więc opisać równaniem 3.5.2.6. DP n = [M] 0 (3.5.2.6) [I] 0 gdzie: [M] 0 początkowe stężenie polimeru, [I] 0 początkowe stężenie inicjatora. Polimeryzacje żyjące pozwalają uzyskiwać polimery o bardzo wąskim rozkładzie mas molowych (dyspersji mas molowych) zgodnym z funkcją rozkładu Poissona, jeżeli wymiana między różnymi formami centrów aktywnych jest szybka. Dyspersję mas molowych dla polimerów żyjących można wyliczyć korzystając z wartości liczbowego średniego stopnia polimeryzacji. Wzór na dyspersję mas molowych przedstawia równanie 3.5.2.7. DP w =1+ DP n DP n (DP 2 (3.5.2.7) n +1) 44

3.5.3. Anionowa polimeryzacja oksiranów 3.5.3.1. Mechanizm anionowej polimeryzacji oksiranów Pierwsze doniesienia literaturowe opisujące polimeryzację tlenku etylenu, najprostszego z oksiranów, pochodzą z roku 1859 [170]. d tego czasu anionową polimeryzacją oksiranów zajmowało się wielu badaczy, a opisy tego procesu można znaleźć w wielu artykułach przeglądowych oraz książkach [164, 165, 171]. Inicjatorami polimeryzacji anionowej oksiranów mogą być wodorotlenki [172], alkoholany [173], wodorki metali alkalicznych [174], karboaniony [175] i anionorodniki [176], które tworzą jony alkoholanowe poprzez atak nukleofilowy na pierścień oksiranu. Ładunek ujemny centrum aktywnego jest zlokalizowany na atomie tlenu. Mechanizm inicjowania anionowej polimeryzacji oksiranów przedstawiono na rysunku 3.5.3.1. H 2 H 2 + M A H 2 H 2 A M Rys. 3.5.3.1. Mechanizm inicjowania anionowej polimeryzacji oksiranów Propagacja w polimeryzacji anionowej oksiranów przebiega według mechanizmu dwucząsteczkowej substytucji nukleofilowej (S N 2) na alkoholanowym centrum aktywnym. Atak następuje na węgiel pierścienia monomeru z rozerwaniem wiązania węgiel-tlen i przeniesieniem pary elektronowej na atom tlenu. W oksiranach podstawionych atak następuje najczęściej na mniej podstawiony atom węgla. Wzrost łańcucha polioksiranów według mechanizmu polimeryzacji anionowej przedstawiono na rysunku 3.5.3.2. R H 2 H H 2 H R H 2 H R H 2 H R R = H, H 3 Rys. 3.5.3.2. Mechanizm propagacji w anionowej polimeryzacji oksiranów Niekontrolowana zmiana mas molowych i zwiększona dyspersja otrzymanych polimerów mogą być spowodowane reakcją przeniesienia centrum aktywnego [168]. 45

Mechanizm przeniesienia łańcucha polimeryzacji anionowej oksiranów na monomer przedstawiono na rysunku 3.5.3.3. R H 2 H R + H H 2 H H + H 2 H 2 H R R Rys. 3.5.3.3. Reakcja przeniesienia łańcucha polimeryzacji anionowej oksiranów na monomer Przegrupowanie, które może zachodzić w monomerze w przypadku polimeryzacji tlenku propylenu w obecności grup alkoholanowych, również może powodować przeniesienie. Przegrupowanie w cząsteczce tlenku propylenu w obecności grup alkoholanowych przedstawiono na rysunku 3.5.3.4. H + H 3 H H 2 H 2 + H 2 H H 2 H 2 H H 2 Rys. 3.5.3.4. Przegrupowanie zachodzące w cząsteczce tlenku propylenu w obecności grup alkoholanowych 3.5.3.2. Warunki prowadzenia procesu polimeryzacji anionowej oksiranów Polimeryzacja anionowa oksiranów w sposób kontrolowany wymaga stosowania rozpuszczalników zapewniających homogeniczność układu w trakcie prowadzenia procesu. Gdy w układzie reakcyjnym występują dwie fazy, zazwyczaj kontrola masy molowej oraz rozkładu mas molowych polimerów jest utrudniona. Najczęściej stosowanymi rozpuszczalnikami w anionowej polimeryzacji oksiranów są tetrahydrofuran (THF), 1,4-dioksan lub sulfotlenek dimetylu (DMS). Inicjatory hydroksylowe i wodorkowe nie są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach wymienionych powyżej, dlatego często stosowane są inicjatory w postaci alkoholanów metali. Przeciwjony M +, które przesuwają równowagę form jonowych w kierunku wolnych jonów, jak cez (s + ) czy rubid (Rb + ), korzystnie wpływają na szybkość reakcji. Słaba rozpuszczalność, stosowanych jako inicjatory, alkoholanów tych metali w rozpuszczalnikach 46

używanych w polimeryzacji anionowej ogranicza kontrolę procesu. zęściej stosowane są przeciwjony sodowe (Na + ) lub potasowe (K + ), których alkoholany są lepiej rozpuszczalne i umożliwiają prowadzenie reakcji w warunkach homogenicznych [178]. Zwiększenie aktywności centrum propagacji można uzyskać stosując etery koronowe lub kryptandy. Przesuwają one równowagę form jonowych w kierunku wolnych jonów i zwiększają szybkość reakcji propagacji [179]. 3.5.4. Polimeryzacja glicydolu Glicydol (2,3-epoksypropanol-1) jest jednym z difunkcyjnych oksiranów. Posiada on grupę hydroksymetylową podstawioną w pierścieniu oksiranowym zamiast jednego wodoru. Wzór glicydolu przedstawiono na rysunku 3.5.4.1. H 2 H H 2 H Rys. 3.5.4.1. Glicydol Glicydol otrzymywany jest poprzez epoksydację alkoholu allilowego przy użyciu nadtlenokwasów organicznych. Metoda została zastosowana po raz pierwszy w roku 1909 z użyciem nadtlenku benzoilu [180]. Reaktywny, trójczłonowy pierścień oksiranowy oraz grupa hydroksymetylowa, przyciągająca elektrony powodują, że glicydol łatwo polimeryzuje bez inicjowania nawet w temperaturze pokojowej. Pierwsze polimeryzacje glicydolu inicjowane BF 3 Et 3, Snl4, H 2 S 4 lub alkaliami opisano w roku 1931 [181]. Większość danych dotyczących polimeryzacji glicydolu pochodziła z literatury patentowej aż do roku 1966, kiedy Berg opublikował swoje badania [182]. d tego czasu polimeryzacja glicydolu prowadzona metodami jonowymi opisana została wielokrotnie. Ze względu na ograniczone możliwości wykorzystania polimeryzacji kationowej do syntezy poliglicydolu w sposób kontrolowany [82, 183, 184] w następnych rozdziałach zostanie omówiona jego polimeryzacja anionowa. 47

3.5.5. Anionowa polimeryzacja glicydolu Polimeryzacja glicydolu metodami anionowej polimeryzacji żyjącej budzi duże zainteresowanie badaczy także ze względu na biologiczną tolerowalność poliglicydolu [185]. Wysokocząsteczkowe polimery glicydolu o rozgałęzionej strukturze jak również kopolimery z innymi oksiranami mogą znaleźć wiele zastosowań między innymi jako potencjalne nośniki leków. Pierwsze systematyczne badania anionowej polimeryzacji glicydolu opisane zostały przez Sandlera i Berga w roku 1966 [182]. Inicjatorami zastosowanymi w syntezach były wodorotlenki litu, sodu i potasu jak również pirydyna, trietyloamina oraz amidek sodu. Badania wykazały większą reaktywność glicydolu w porównaniu z tlenkiem propylenu. trzymane oligomery charakteryzowały się masami nieprzekraczającymi 500 g/mol. Przypisano im liniową budowę [182]. Poglądy Sandlera i Berga odnośnie liniowej budowy poliglicydolu otrzymanego drogą polimeryzacji anionowej obalił swoimi badaniami Vandenberg [183]. Polimery otrzymane w reakcji niezabezpieczonego oraz zabezpieczonego grupami trimetylosililowymi glicydolu inicjowanej KH były silnie rozgałęzione. Szybka wymiana protonu pomiędzy pierwszorzędowymi i drugorzędowymi grupami alkoholanowymi powstającymi podczas polimeryzacji niezabezpieczonego glicydolu prowadzi do wewnątrzcząsteczkowego przeniesienia łańcucha i w rezultacie uzyskiwany jest silnie rozgałęziony produkt. Zabezpieczająca grupa trimetylosililowa okazała się niestabilna w warunkach polimeryzacji. Materiał uzyskany w reakcji wykazywał rozgałęzioną strukturę oraz niskie masy molowe. W mieszaninie reakcyjnej zidentyfikowano również niskocząsteczkowe pochodne sililowe glicydolu. Reakcje mogące zachodzić w polimeryzacji anionowej glicydolu z niezabezpieczoną grupą hydroksylową, oraz powstające w jej wyniku różne struktury poliglicydolu przedstawiono na rysunku 3.5.5.1. 48

H H 2 H 2 H H H 2 H H 2 H H H H 2 H 2 H n H 2 H H 2 n H Rys. 3.5.5.1. Reakcje polimeryzacji anionowej glicydolu H H 2 n H 2 H H 2 H 2 Struktura 1-3 Struktura 1-4 Rozgałęzienia Polimeryzację glicydolu bez zabezpieczonych grup hydroksylowych, metodą wolnego dodawania monomeru, opisał Frey [153, 186]. Jako inicjator polimeryzacji zastosowano częściowo zjonizowany 1,1,1-tris(hydroksymetylo)propan. Metoda pozwoliła uzyskać hiperrozgałęzione polimery glicydolu [186] oraz polimery innych monomerów oksiranowych [153]. Masy molowe otrzymanych polimerów dochodziły do 20000 g/mol. Nie udało się jednak przeprowadzić polimeryzacji w sposób kontrolowany. Polimery charakteryzowały się szerokim rozkładem mas molowych. Zabezpieczenie reaktywnej grupy hydroksylowej glicydolu poprzez eteryfikację eterem etylowinylowym zaproponował Spassky [187]. Powstający w tej reakcji eter 2,3-epoksypropylo-(1etoksy)etylowy zwyczajowo nazwany jest acetalem glicydolu. Reakcję powstawania acetalu glicydolu przedstawiono na schemacie 3.5.5.2. H 2 H H 2 H + H 2 H 2 H 5 H 3 S H H 2 H H 2 H 2 H 5 H 3 acetal glicydolu Rys. 3.5.5.2. Synteza eteru 2,3-epoksypropylo-(1etoksy)etylowego acetalu glicydolu 49

Badania Spassky ego wykazały, że zabezpieczająca grupa 1-etoksyetylowa była stabilna podczas anionowej polimeryzacji acetalu glicydolu inicjowanej wodorotlenkiem cezu. Nie wykryto niepożądanej reakcji wewnątrzcząsteczkowego przeniesienia łańcucha. Słaba rozpuszczalność wodorotlenku cezu, zastosowanego jako inicjator, nie pozwoliła w pełni kontrolować mas molowych oraz rozkładu mas molowych otrzymanych polimerów. Polimeryzację anionową acetalu glicydolu opisał również Dworak [188, 189, 190]. Reakcja prowadzona w THF, inicjowana tert-butanolanem potasu przebiegała w warunkach homogenicznych. Masy molowe otrzymanych polimerów dochodziły do 14000 g/mol z zachowaniem wąskiego rozkładu mas molowych. Inicjowanie tert-butanolanem potasu pozwoliło również na uzyskiwanie dobrze kontrolowanych kopolimerów liniowych glicydolu z tlenkiem etylenu [189]. Kopolimery liniowe tlenku etylenu i glicydolu wykorzystano jako makroinicjatory do syntezy arborescentnych makrocząsteczek zbudowanych z tlenku etylenu i glicydolu [63]. Kopolimery o kontrolowanej liczbie rozgałęzień, masach molowych dochodzących do 200000 g/mol oraz małej dyspersji mas molowych uzyskano inicjując polimeryzację tertbutanolanem potasu. Zastosowanie opisanej metody polimeryzacji do syntezy gwieździstych i dendrytycznych kopolimerów tlenku etylenu i glicydolu pozwoliło na otrzymanie makrocząsteczek o budowie rdzeń-powłoka w sposób kontrolowany [191]. Masy molowe otrzymanych kopolimerów dochodziły do 200000 g/mol z zachowaniem wąskiego rozkładu mas molowych. Polimeryzację anionową inicjowaną tert-butanolanem potasu zastosowano również do syntezy kopolimerów liniowych glicydolu z eterem tert-butylowo-glicydylowym oraz eterem allilowo-glicydylowym [192]. Kopolimeryzacja acetalu glicydolu z eterem tert-butylowoglicydylowym kontrolowana była w pełnym zakresie konwersji natomiast z eterem allilowoglicydylowym proces kontrolowano do konwersji 80%. Masy molowe uzyskanych kopolimerów dochodziły do 6400 g/mol [192]. 50

4. zęść eksperymentalna 4.1. dczynniki i rozpuszczalniki eter tert-butylowo-glicydylowy, 99% 2,3-epoksypropanol-1 (glicydol), 96% eter etylowo-winylowy, 99% 2,2-bis(hydroksymetylo)-1,3-propanodiol, (pentaerytrytol), 99% 2,2'-[oksybis(metyleno)]bis[2-(hydroksymetylo)propano-1,3-diol, (dipentaerytrytol), 99% 1,2,3,4,5,6-heksahydroksycykloheksan, (inozytol), >95,5% dimetylosulfotlenek, (DMS) tetrahydrofuran, (THF) metanol 1,4-dioksan aceton chloroform tert-butanolan potasu wodorotlenek potasu, (KH) wodorotlenek sodu, (NaH) kwas szczawiowy (H) 2 kwas mrówkowy (HH) Monohydrat kwasu p-toluenosulfonowego 98.5% (Sigma-Aldrich) (Sigma-Aldrich) (Fluka) (Sigma-Aldrich) (Sigma-Aldrich) (Fluka) (Ph Gliwice) (Ph Gliwice) (Ph Gliwice) (Ph Gliwice) (Ph Gliwice) (Ph Gliwice) (Fluka) (Ph Gliwice) (Ph Gliwice) (Fluka) (Fluka) (Sigma-Aldrich) 51

tlenek wapnia (a) tlenek baru (Ba) wodorek wapnia (ah 2 ) izocyjanian trichloroacetylu, (TAI) 1,1'-oksybis(2-metoksyetan) (diglim) 99.0% chloroform-d DMS-d 6 żywica anionowymienna DWEX MARATHN WBA żywica kationowymienna DWEX MARATHN WBA (Ph Gliwice) (Fluka) (Merck) (Acros) (Fluka) (Deutero GMBH) (Deutero GMBH) (Sigma-Aldrich) (Sigma-Aldrich) 4.2. Syntezy i eksperymenty 4.2.1. Przygotowanie odczynników do syntezy Eter tert-butylowo-glicydylowy (BGE) suszono nad ah 2, destylowano pod zmniejszonym ciśnieniem, przechowywano nad ah 2, destylowano bezpośrednio przed polimeryzacją. 2,3-epoksypropanol-1 suszono nad sitami molekularnymi (4Å), destylowano pod zmniejszonym ciśnieniem, następnie suszono nad ah 2 i destylowano pod zmniejszonym ciśnieniem. Eter etylowo-winylowy destylowano w atmosferze azotu. Kwas p-toluenosulfonowy suszono pod zmniejszonym ciśnieniem w temperaturze 40 º. Pentaerytrytol (PNTR) krystalizowano z roztworu wodnego, suszono pod zmniejszonym ciśnieniem i przechowywano w atmosferze argonu. Dipentaerytrytol (DPNTR) krystalizowano z roztworu w DMS, suszono pod zmniejszonym ciśnieniem i przechowywano w atmosferze argonu. 52

Inozytol (INZ) suszono pod zmniejszonym ciśnieniem i przechowywano w atmosferze argonu. Tert-butanolan potasu suszono pod zmniejszonym ciśnieniem i przechowywano w atmosferze argonu. Dimetylosulfotlenek suszono nad ah 2, destylowano pod zmniejszonym ciśnieniem, następnie suszono nad Ba i destylowano pod zmniejszonym ciśnieniem, przechowywano pod próżnią. Tetrahydrofuran suszono nad ah 2, destylowano w atmosferze argonu, następnie gotowano nad stopem sodu i potasu, pod chłodnicą zwrotną, w atmosferze argonu. Przechowywano nad stopem sodu i potasu w atmosferze argonu, bezpośrednio przed użyciem destylowano znad stopu sodu i potasu w atmosferze argonu. Metanol i aceton destylowano przed użyciem. 1,4-dioksan i chloroform używano bez oczyszczania. Żywice anionowymienną regenerowano przed użyciem za pomocą 10 % wodnego roztworu NaH. Po regeneracji żywicę płukano wielokrotnie wodą oraz acetonem i suszono w temperaturze 40 º. Żywice kationowymienną regenerowano przed użyciem za pomocą 10 % roztworu wodnego Hl. Po regeneracji żywicę płukano wielokrotnie wodą oraz acetonem i suszono w temperaturze 40 º. 4.2.2. Synteza eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego (acetalu glicydolu) Acetal glicydolu syntezowano zgodnie z procedurą opisaną przez Fittona [193]. Schemat syntezy przedstawiono na rysunku 4.2.2.1. 53

H 2 H H 2 H + H 2 H 2 H 5 H 3 SH H 2 H H 2 H H 3 2 H 5 Rys. 4.2.2.1. Schemat syntezy eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego (acetalu glicydolu) Glicydol 350 ml (5,23 mola) oraz eter etylowo-winylowy 1700 ml (17,8 mola), świeżo destylowane, umieszczono w trójszyjnej kolbie, wentylowanej azotem, zaopatrzonej w termometr i mieszadło magnetyczne. Kolbę reakcyjną umieszczono w łaźni lodowej. Po ochłodzeniu mieszaniny reakcyjnej do 0 º wkroplono kwas p-toluenosulfonowy 8 g (4,6 10-2 mola), utrzymując temperaturę mieszaniny reakcyjnej poniżej 20 º. Po zakończeniu wkraplania kwasu p-toluenosulfonowego reakcję prowadzono w temperaturze pokojowej kontrolując stopień konwersji glicydolu przy użyciu chromatografii gazowej. Reakcję zakończono po około 3 godzinach. Mieszaninę reakcyjną poddano ekstrakcji wodnym roztworem NaH 3. Warstwę organiczną zbierano i suszono nad MgS 4, a następnie po przefiltrowaniu poddano destylacji próżniowej w celu usunięcia nadmiaru eteru etylowo-winylowego. Surowy produkt oczyszczano przez destylację frakcyjną pod zmniejszonym ciśnieniem. Frakcję zawierającą 99,8% acetalu glicydolu zbierano do szczelnie zamykanej ampuły i przechowywana nad ah 2. Wydajność produktu w surowym stanie wyniosła 97%, wydajność czystego produktu (99,8%), zaś po destylacji frakcyjnej 50%. a b c d e H 2 H H 2 H H 3 f g H 2 H 3 acetal glicydolu 1 H NMR (Dl 3, 300 MHz): δ (ppm) a, b, c 3,1-3,8 (m; H, H 2 ); d 4,7-4,75 (m, H); e 1,2-1,25 (q, H 3 ); f 2,5-2,8 (m, H 2 ); g 1,1-1,5 (t, H 3 ). 54

4.2.3. Synteza czteroramiennych kopolimerów gwieździstych eteru tertbutylowo-glicydylowego i glicydolu Kopolimeryzację eteru tert-butylowo-glicydylowego i eteru 1-etoksyetylowoglicydylowego prowadzono metodą polimeryzacji anionowej o charakterze żyjącym stosując technikę wysokopróżniową. 4.2.3.1. Przygotowanie inicjatora Pentaerytrytol, alkohol z czterema grupami hydroksylowymi, zastosowano jako pierwszy punkt rozgałęziający w żyjącej polimeryzacji anionowej eteru tert-butylowoglicydylowego i eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego. Reaktor trójszyjny, zaopatrzony w szklano-teflonowe krany stosowane do wysokich próżni oraz szklane mieszadło magnetyczne, suszono stosując wysoką próżnię (<10-3 mbar) oraz podwyższoną temperaturę (~140 º). Pentaerytrytol (0,2 g, 1,47 10-3 mola) umieszczono w reaktorze w strumieniu przepływającego argonu a następnie suszono stosując wysoką próżnię. Do reaktora dodano bezwodny DMS (20 ml) i mieszano w temperaturze pokojowej do rozpuszczenia pentaerytrytolu (1 h). DMS odparowano i pentaerytrytol suszono stosując wysoką próżnię a następnie rozpuszczono w suchym DMS (30 ml). Do reaktora wkroplono powoli, ciągle mieszając, 20 ml roztworu tert-butanolanu potasu w DMS (0,216 g, 1,93 10-3 mola, 30 ml DMS). Tert-butanol, powstały podczas jonizacji pentaerytrytolu, odparowano z reaktora wraz z częścią rozpuszczalnika, tak by nie nastąpiło wytrącenie inicjatora, następnie dodano do reaktora porcję suchego DMS (20 ml). 4.2.3.2. Kopolimeryzacja eteru tert-butylowo-glicydylowego i eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego Eter tert-butylowo-glicydylowy destylowano pod wysoką próżnią (<10-3 mbar) znad ah 2 do wcześniej przygotowanej, suchej ampuły zaopatrzonej w kran szklano-teflonowy. Monomer (8,34 ml, 5,88 10-2 mola) wkroplono powoli do roztworu inicjatora w DMS, a następnie reaktor umieszczono w łaźni olejowej i reakcję prowadzono w temperaturze 65 º, ciągle mieszając, do pojawienia się zmętnienia (~12 godzin). Do mieszaniny reakcyjnej 55

dodawano świeżo destylowany THF do momentu zaniku zmętnienia (40 ml). Reaktor umieszczano w łaźni olejowej i prowadzono reakcję w temperaturze 74 º do całkowitego przereagowania eteru tert-butylowo-glicydylowego. Konwersję monomeru analizowano wykorzystując chromatografię gazową. Drugi monomer, eter 1-etoksyetylowo-glicydylowy, destylowano pod wysoką próżnią (<10-3 mbar) znad ah 2 do wcześniej przygotowanej, suchej ampuły zaopatrzonej w kran szklano-teflonowy. Reaktor z mieszaniną reakcyjną schłodzono do temperatury 5 º, a następnie wkraplano powoli, podgrzany do 60, eter 1-etoksyetylowo-glicydylowy (6,01 ml, 4,12 10-2 mola). Reakcję prowadzono w temperaturze 74 º do wyczerpania drugiego monomeru. Po zakończeniu reakcji rozpuszczalniki odparowano pod zmniejszonym ciśnieniem uzyskując gęstą, żółtą masę. a b c H 2 H 2 H d H 2 H n e H 3 eh e 3 H 3 [poli(eter tert-butylowo-glicydylowy) n ] 4 lub 6 1 H NMR (Dl 3, 300 MHz): δ (ppm) a, b, c, d 3,3-3,7 (m; H, H 2 ); e 1,1 (s, H 3 ). a b c f g H 2 H 2 H H 2 H H d n h m H 2 H 2 j H 3 e H H 3 eh e i 3 l H 3 k H 3 H2 [poli(eter tert-butylowo-glicydylowy) n -blok-poli(eter 1-etoksyetylowo-glicydylowy) m ] 4 lub 6 1 H NMR (Dl 3, 300 MHz): δ (ppm) a, b, c, d, f, g, h, k 3,35-3,70 (m; H, H 2 ); e 1,11(s, H 3 ); i 4,60-4,72 (m, H); j, l 1,15-1,35 (m, H 3 ). 56

4.2.3.3. Deprotekcja grup hydroksylowych poliglicydolu Deprotekcję zabezpieczających grup 1-etoksyetylowych, w celu odbezpieczenia grup hydroksylowych poliglicydolu, prowadzono w dwóch etapach z wykorzystaniem kwasu mrówkowego. Polimer w postaci gęstej, żółtej masy (3,0 g) rozpuszczono w kwasie mrówkowym (20 ml). Po rozpuszczeniu całej masy kwas mrówkowy odparowano pod zmniejszonym ciśnieniem (5 mbar). Gęstą masę, uzyskaną po odparowaniu kwasu mrówkowego, rozpuszczono w dioksanie (30 ml). Roztwór KH (10,0 g) w metanolu (30 ml) powoli wkroplono do roztworu polimeru. W przypadku zmętnienia roztworu polimeru mieszaninę rozcieńczano metanolem. Roztwór KH dodawano do momentu wystąpienia trwałego odczynu zasadowego (ph 8-9). Zasadowy roztwór pozostawiono na 12 godzin w temperaturze 5 º, a następnie odparowywano rozpuszczalniki. Gęstą, białą masę, uzyskaną po odparowaniu rozpuszczalników, rozpuszczono w metanolu (20 ml) i roztwór umieszczono w membranie dializacyjnej. Dializę prowadzono w metanolu wymieniając rozpuszczalnik co 12 godzin. Po dziesięciokrotnej wymianie rozpuszczalnika roztwór polimeru zatężano przez odparowanie rozpuszczalników, a następnie suszono pod zmniejszonym ciśnieniem uzyskując białą gęstą masę. Polimer przechowywano w atmosferze argonu w temperaturze 5 º. a b c f g H 2 H 2 H H 2 H H d n h m H 2 H 2 i e e e H H 3 H 3 H 3 [poli(eter tert-butylowo-glicydylowy) n -blok-poliglicydol m ] 4 lub 6 1 H NMR (Dl 3, 300 MHz): δ (ppm) a, b, c, d, f, g, h, 3,35-3,70 (m; H, H 2 ); e 1,11-1,17 (s, H 3 ); i 3,80-4,00 (s, H). zteroramienne kopolimery gwieździste o różnej długości bloków w ramionach syntezowano według procedury opisanej powyżej, zmieniając odpowiednio ilości reagentów. trzymane kopolimery oznaczono symbolami S 4 -I, gdzie I oznacza numer kopolimeru. 57

Ilości reagentów zastosowana do syntezy czteroramiennych kopolimerów eteru tertbutylowo-glicydylowego i glicydolu przedstawiono w tabeli 4.2.4.1. Tab. 4.2.4.1. Ilości reagentów oraz wydajności procesu prowadzącego do uzyskania czteroramiennych kopolimerów gwieździstych eteru tert-butylowoglicydylowego (BGE) i glicydolu (G) Gwiazda S-[(BGE) n -b-(ege) m ] 4 S-[(BGE) n -b-(g) m ] 4 Zastosowana ilość reagentów [mol] Wydajność [%] Inicjator (pentaerytrytol) BGE EGE Po polimeryzacji Po hydrolizie S 4-1 1,4 10-3 5,6 10-2 3,9 10-2 99,9 88,3 S 4-2 1,6 10-3 6,4 10-2 7,7 10-2 99,8 87,6 S 4-3 1,8 10-3 7,9 10-2 10,8 10-2 99,9 89,2 S 4-4 1,2 10-3 4,8 10-2 8,2 10-2 99,9 90,5 S 4-5 1,3 10-3 5,2 10-2 10,9 10-2 99,8 87,7 S 4-6 1,0 10-3 4,8 10-2 3,2 10-2 99,8 88,4 4.2.4. Synteza sześcioramiennych kopolimerów gwieździstych eteru tert-butylowo-glicydylowego i glicydolu Inozytol lub dipentaerytrytol, alkohole z sześcioma grupami hydroksylowymi, zastosowano jako pierwszy punkt rozgałęziający do syntezy sześcioramiennych kopolimerów eteru tert-butylowo-glicydylowego i eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego metodą anionowej polimeryzacji żyjącej. Kopolimeryzację inicjowaną alkoholanami inozytolu lub dipentaerytrytolu prowadzono według procedury opisanej dla kopolimerów czteroramiennych, zmieniając ilość reagentów w zależności od inicjatora oraz długości bloków. trzymane kopolimery oznaczono odpowiednio S 6-1 dla inozytolu oraz S 6-2 dla dipentaerytrytolu. Stężenia reagentów zastosowane w syntezie sześcioramiennych kopolimerów gwieździstych eteru tertbutylowo-glicydylowego i glicydolu przedstawiono w tabeli 4.2.4.2. 58

Tab. 4.2.4.2. Ilości reagentów oraz wydajności procesu prowadzącego do uzyskania sześcioramiennych kopolimerów gwieździstych eteru tert-butylowoglicydylowego (BGE) i glicydolu (G) S-[(BGE) n -b-(ege) m ] 6 S-[(BGE) n -b-(ege) m ] 6 Gwiazda Zastosowana ilość reagentów [mol] Wydajność [%] Inicjator BGE EGE Po polimeryzacji Po hydrolizie S 6-1 1.33 10-3 7,9 10-2 8,8 10-2 99,8 86,5 S 6-2 1.41 10-3 10,1 10-2 8,3 10-2 99,8 86,7 ztero- i sześcioramienne kopolimery gwieździste pierwszej generacji z ramionami z poli(eteru tert-butylowo-glicydylowego)-blok-poliglicydolu będą w dalszej części pracy określane jako kopolimery gwieździste. 4.2.5. Synteza dendrytycznych kopolimerów gwieździstych eteru tertbutylowo-glicydylowego i glicydolu z zastosowaniem kopolimerów gwieździstych pierwszej generacji jako makroinicjatorów Syntezę drugiej generacji kopolimerów eteru tert-butylowo-glicydylowego i eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego prowadzono według mechanizmu anionowej polimeryzacji żyjącej z wykorzystaniem techniki wysokopróżniowej. 4.2.5.1. Przygotowanie makroinicjatora zteroramienne i sześcioramienne, gwieździste kopolimery eteru tert-butylowoglicydylowego i glicydolu, z określoną liczbą grup hydroksylowych zastosowano jako makroinicjatory do syntezy drugiej generacji gwieździstych kopolimerów eteru tert-butylowoglicydylowego i glicydolu, zwanych dalej dendrytycznymi kopolimerami gwieździstymi. Reaktor zaopatrzony w krany szklano-teflonowe do wysokich próżni oraz szklane mieszadło magnetyczne, suszono stosując wysoką próżnię (<10-3 mbar) oraz podwyższoną temperaturę (~140 º). Kopolimer pierwszej generacji (0,5 g, 5,75 10-5 mola, 36 grup H w cząsteczce) umieszczono w reaktorze w strumieniu przepływającego argonu, a następnie suszono stosując wysoką próżnię. Do reaktora dodano bezwodny DMS (20 ml) i mieszano 59

w temperaturze pokojowej do rozpuszczenia kopolimeru (5 godzin). Rozpuszczalnik odparowano i kopolimer suszono stosując wysoką próżnię, a następnie rozpuszczono w bezwodnym DMS (40 ml). Do reaktora wkroplono powoli, ciągle mieszając, 16 ml roztworu tert-butanolanu potasu w DMS (0,018 g, 1,65 10-4 mola, 35 ml DMS). Tert-butanol, powstały podczas jonizacji kopolimeru, odparowano z reaktora wraz z częścią rozpuszczalnika, tak by w reaktorze pozostało nie mniej niż 20 ml roztworu. Temperaturę mieszaniny reakcyjnej utrzymywano powyżej 60 do czasu wkroplenia monomeru. 4.2.5.2. Kopolimeryzacja eteru tert-butylowo-glicydylowego i eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego Eter tert-butylowo-glicydylowy destylowano znad ah 2, pod wysoką próżnią (<10-3 mbar) do wcześniej przygotowanej, suchej ampuły, zaopatrzonej w kran szklanoteflonowy. Monomer (4,03 g, 2,48 10-3 mola) podgrzano w ampule do 60, a następnie wkroplono powoli do reaktora z roztworem makroinicjatora w DMS, a następnie reakcję prowadzono w temperaturze 70, do pojawienia się zmętnienia (24 godziny). Do reaktora wkraplano świeżo destylowany THF do momentu zaniku zmętnienia (40 ml). Reakcję prowadzono w temperaturze 75 º do całkowitego przereagowania eteru tert-butylowoglicydylowego (5 dni). Konwersję monomeru badano metodą chromatografii gazowej. Drugi monomer, eter 1-etoksyetylowo-glicydylowy destylowano znad ah 2 pod wysoką próżnią (<10-3 mbar), do wcześniej przygotowanej, suchej ampuły, zaopatrzonej w kran szklanoteflonowy. Reaktor z mieszaniną reakcyjną schłodzono do temperatury 10 º, a następnie wkroplono powoli eter 1-etoksyetylowo-glicydylowy (2,11 g, 1,45 10-2 mola). Reakcję prowadzono w temperaturze 75 º do wyczerpania drugiego monomeru (5 dni). Po zakończeniu reakcji rozpuszczalniki odparowano pod zmniejszonym ciśnieniem uzyskując gęstą, żółtą masę. Dendrytyczne kopolimery gwieździste uzyskiwane na różnych etapach syntezy będą w dalszej części pracy opisywane skrótami: 1-D i po polimeryzacji eteru tert-butylowo-glicydylowy, 2-D i po polimeryzacji eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego, 3-D i po deprotekcji, gdzie: i liczba ramion dendrytycznych kopolimerów gwieździstych. 60

4.2.5.3. Deprotekcja grup hydroksylowych poliglicydolu Deprotekcję zabezpieczających grup 1-etoksyetylowych, w celu odbezpieczenia grup hydroksylowych poliglicydolu, prowadzono w dwóch etapach z wykorzystaniem kwasu mrówkowego. Zastosowano analogiczną procedurę jak opisaną dla polimerów gwieździstych pierwszej generacji (rozdział 4.2.3.3). Wszystkie polimery przechowywano w atmosferze argonu w temperaturze 5 º. Kopolimery dendrytyczne zbudowane eteru tert-butylowo-glicydylowego (BGE) i glicydolu (G) syntezowane z wykorzystanem kopolimerów gwieździstych jako makroinicjatorów będą w dalszej części pracy określane jako dendrytyczne kopolimery gwieździste. 4.2.6. Solubilizacja pirenu w kopolimerach gwieździstych Solubilizację pirenu w polimerach gwieździstych prowadzono metodą bezpośrednią lub pośrednią. Liczbę cząsteczek załadowanego pirenu przypadającą na jedną makrocząsteczkę kopolimeru wyznaczano korzystając z kalibracji wykonanej przez pomiar absorbancji roztworów składających się ze stałej masy polimeru, wody oraz diglimu i zmiennym stężeniu pirenu. Do badanego roztworu polimeru po solubilizacji dodano diglim w ilości odpowiedniej do uzyskania stężenia polimeru, wody oraz diglimu równego stężeniu tych składników w roztworze kalibracyjnym. Dodatek diglimu pozwolił na badanie stężenia pirenu solubilizowanego w polimerach w warunkach homogenicznych za pomocą metody UV-VIS. Solubilizacja pirenu w kopolimerach gwieździstych i dendrytycznych metodą bezpośrednią polegała na mieszaniu roztworu wodnego polimeru (1 g/l) zawierającego nierozpuszczony piren. Po czterodniowym mieszaniu roztworu nad pirenem w temperaturze pokojowej roztwór filtrowano w celu oddzielenia stałego pirenu. Do roztworu wodnego kopolimeru po solubilizacji (1 ml), dodawano diglim w stosunku wagowym 1:1, a następnie wykonywano pomiar absorbancji metodą UV-VIS. Metoda pośrednia solubilizacji pirenu w dendrytycznych kopolimerach gwieździstych polegała na rozpuszczeniu polimeru oraz pirenu w układzie rozpuszczalników (woda:thf, 61

1:1), dobrych zarówno dla polimeru jak i dla pirenu. Po rozpuszczeniu wszystkich składników z układu usuwano THF. Po przefiltrowaniu do roztworu wodnego polimeru (1 ml) dodawano diglim w stosunku wagowym 1:1, a następnie wykonywano pomiar absorbancji metodą UV-VIS. 4.3. Instrumentalne metody pomiarowe wykorzystane w badaniach 4.3.1. Spektroskopia protonowego magnetycznego rezonansu jądrowego ( 1 H NMR) Widma 1 H NMR rejestrowano używając spektrometru Varian UNITY/INVA, przy częstotliwości 300 MHz dla 1 H oraz spektrometru Bruker Ultrashield Avance II, przy częstotliwości 600 MHz dla 1 H. Roztwory badanych substancji o stężeniach od 5 do 10 % sporządzono w rozpuszczalnikach deuterowanych (Dl 3 lub DMS-d 6.). Sygnał tetrametylosilanu (TMS) traktowano jako punkt odniesienia do wyznaczania przesunięć chemicznych. Pola powierzchni sygnałów pochodzących od charakterystycznych protonów używano do obliczenia długości bloków polimerów gwieździstych. Izocyjanian trichloroacetylu, stosowany do rozróżnienia pierwszorzędowych i drugorzędowych grup hydroksylowych, dodawano bezpośrednio do roztworów substancji badanych przed pomiarem NMR [194]. 4.3.2. hromatografia gazowa (G) Konwersję monomerów w mieszaninach reakcyjnych kontrolowano metodą chromatografii gazowej, używając chromatografu gazowy Varian 3400, zaopatrzonego w kolumnę kapilarną J&W Scientific DB-5 (30 m 0,32 mm) oraz detektor płomieniowojonizacyjny. Jako gaz nośny używano hel o prędkości przepływu 5 ml/min. Do analizy konwersji posłużyły wartości powierzchni sygnałów pochodzących od monomeru oraz od rozpuszczalnika (DMS), uważanego za wewnętrzny standard. 62

4.3.3. hromatografia żelowa (GP) z detektorem wielokątowego rozpraszania światła (MALLS) Masy molowe oraz rozkłady mas molowych badanych polimerów i kopolimerów wyznaczono metodą chromatografii żelowej stosując dwa układy chromatograficzne z THF i DMF jako eluentami. Każdy z układów pomiarowych zawierał detektor wielokątowego rozpraszania światła. Układ chromatograficzny z THF-em jako fazą ruchomą wyposażony był w detektor różnicowy RI Δn-1000 firmy WGE Dr. Bures oraz detektor wielokątowego rozpraszania światła laserowego (MALLS, λ = 690 nm) DAWN ES firmy Wyatt Technology. Rozdział roztworów polimerów następował w układzie kolumn SDV firmy Polymer Standard Service (PSS) o parametrach 1 10 5 Å + 1 10 3 Å + 2 10 2 Å i wymiarach 8 300 mm oraz uziarnieniu 5 µm. Analizy prowadzono w temperaturze 35 º, z prędkością przepływu fazy ruchomej 1 ml/min. Wyniki pomiarów opracowano używając programu ASTRA 4,73 firmy Wyatt Technology. Inkrement współczynnika załamania światła dn/dc dla eteru tertbutylowo-glicydylowego w THF wyznaczono eksperymentalnie w oddzielnych pomiarach. Wartość tego inkrementu wyniosła 0,057. W układzie chromatograficznym z DMF jako fazą ruchomą stosowano rozpuszczalnik z dodatkiem 5 mm LiBr zapobiegającym agregacji polimerów. Układ chromatograficzny wyposażony był w detektor różnicowy RI Δn-2010 firmy WGE Dr. Bures oraz detektor wielokątowego rozpraszania światła laserowego (MALLS, λ = 658 nm) DAWN HELES firmy Wyatt Technology. Rozdział roztworów polimerów następował w układzie kolumn 2 PL gel MIXED- (Polymer Laboratories) o wymiarach 300 7,7 mm i uziarnieniu 5 µm + PSS GRAM 100 Å (Polymer Standard Service) o wymiarach 300 8 mm i uziarnieniu 10 µm + PL gel guard o wymiarach 50 7,5 mm i uziarnieniu 5 μm. Analizy prowadzono w temperaturze 45 º, z prędkością przepływu fazy ruchomej 1 ml/min. Przed pomiarami roztwory filtrowano przez filtry PTFE 0,2 μm. Wyniki przetwarzano za pomocą programu ASTRA 5 firmy Wyatt Technology. Wyniki pomiarów opracowano, używając oprogramowania WinGP Unity (Polymer Standards Service) i ASTRA 4.73 (Wyatt Technology). Inkrement współczynnika załamania światła dn/dc dla eteru tert-butylowo-glicydylowego w DMF wyznaczono eksperymentalnie w oddzielnych pomiarach. Wartość tego inkrementu wyniosła 0,028. Pomiary inkrementu współczynnika załamania światła dn/dc polegały na wyznaczeniu intensywności sygnału z detektora RI jako funkcji stężenia polimeru. 63

4.3.4. Spektroskopia UV/VIS 4.3.4.1. Pomiary punktu zmętnienia Punkty zmętnienia polimerów oraz stężenie pirenu enkapsulowanego w polimerach gwieździstych wyznaczono metodą spektroskopii UV-VIS. Pomiary wykonano używając spektrofotometru Jasco V-530 wyposażonego w automatyczną przystawkę do kontroli temperatury pozwalającą na precyzyjną kontrolę temperatury od -30 do +100 o w czasie (Medson MT-P1) o dokładności stabilizacji temperatury ± 0,2 o. Punkty zmętnienia wyznaczono mierząc transmitancję przy długości fali 500 nm w funkcji temperatury dla wodnych roztworów polimerów o stężeniach 2-0,1 g/l. Pomiar rozpoczynano od wyznaczenia funkcji auto zero w celu odpowiedniego ustawienia linii bazowej przyrządu. Roztwory polimerów umieszczone w kuwecie w termostatowanej przystawce w komorze spektrofotometru ogrzewano z szybkością 0,2 /min, mierząc transmitancję co 2 po 0,5 minutowym termostatowaniu próbki. Do pomiaru temperatury służyła termopara zanurzona w badanym roztworze we wnętrzu kuwety. Temperaturę zmętnienia wyznaczono jako temperaturę odpowiadającą połowie całkowitej zmiany transmitancji dla danej próbki. 4.3.4.2. Pomiary stężenia solubilizowanego pirenu Stężenie pirenu solubilizowanego w badanych kopolimerach wyznaczono korzystając z krzywych kalibracyjnych uzyskanych z pomiarów absorbancji roztworów wzorcowych. Roztwór polimeru w wodzie o stężeniu 1 g/l (1 ml) mieszano z diglimem w stosunku wagowym 1:1. W tak sporządzonej mieszaninie rozpuszczano piren w ilości pozwalającej uzyskać stężenie pirenu od 0,001 do 0,05 g/l. Roztwory wzorcowe umieszczano w kuwecie i zbierano widmo w zakresie długości fal 200-700 nm. Jako analityczną przyjęto powierzchnie sygnału w zakresie 288-367 nm. Pomiary absorbancji dla roztworów badanych kopolimerów prowadzono w tym samym zakresie długości fal. Sposób sporządzania roztworów do badania metodą UV-VIS po solubilizacji pirenu w kopolimerach opisano w rozdziale 4.2.6. 64

4.3.5. Rozpraszanie światła (LS) Pomiary statycznego i dynamicznego rozpraszania światła prowadzono używając goniometru Brookhaven BI-200 oraz cyfrowego autokorelator Brookhaven BI-9000 AT. Światło spolaryzowane w płaszczyźnie pionowej o długości fali λ = 632,8 nm uzyskiwano z lasera He-Ne o mocy 35 mw. Pomiary wykonano w zakresie kątów θ od 50 do 150 w stosunku do padającej wiązki, w temperaturach od 15 do 85 w przypadku kopolimerów gwieździstych i od 25 do 60 w przypadku kopolimerów dendrytycznych. Roztwory przed pomiarem kondycjonowano przez 30 minut we fiolkach pomiarowych umieszczonych w termostacie aparatu. Wodę stosowaną jako rozpuszczalnik do przygotowania roztworów destylowano i filtrowano przez filtr membranowy o wielkości porów 0.02 µm (Whatman International). Roztwory próbek filtrowano bezpośrednio przed pomiarami przez filtr membranowy o wielkości porów 0.45 µm (Whatman International). 4.3.5.1. Dynamiczne rozpraszanie światła (DLS) Funkcję korelacji otrzymaną z pomiarów, przetwarzano z wykorzystaniem metody NTIN w celu uzyskania stałej zaniku Г, wyrażonej wzorem 4.3.5.1. Γ=Dq 2 (4.3.5.1) Funkcja zaniku jest powiązana ze współczynnikiem dyfuzji D oraz geometrią układu doświadczalnego poprzez wielkość wektora rozproszenia q, który można obliczyć według równania: q= 4πn λ sin θ 2 (4.3.5.2) gdzie: n współczynnik załamania światła w rozpuszczalniku, λ długość fali światła lasera, θ kąt obserwacji. 65

Pomiary stałej zaniku Г dla różnych stężeń pozwoliły na wykreślenie zależności współczynnika dyfuzji D od stężenia. Ekstrapolacja tej zależności do stężenia zerowego pozwala na otrzymanie wartości współczynnika dyfuzji dla nieskończonego rozcieńczenia D 0 = lim c 0 D. Znając wartość D 0 można obliczyć średnią wartość promienia hydrodynamicznego obliczono wyrażonego równaniem Stokesa-Einsteina: gdzie: R h = kt 6πηD 0 (4.3.5.3) k stała Boltzmanna, η lepkość rozpuszczalnika w danej temperaturze T, D o współczynnik dyfuzji w nieskończonym rozcieńczeniu. 4.3.5.2. Statyczne rozpraszanie światła (SLS) Dane pomiarowe analizowano używając oprogramowania BI-ZPW firmy Brookhaven Instruments z wykorzystaniem równania Rayleigh-Gans-Debye a: gdzie: Kc = 1 1+ R 2 q g 2 R θ M w 3 +2A 2c (4.3.5.4) 2 2 2 4 K 4π n0 ( dn / dc) / N Aλ stała optyczna, n 0 współczynnik załamania światła w rozpuszczalniku, N A stała Avogadro, λ długość fali lasera, R θ współczynnik Rayleigha dla roztworu polimeru R θ = I rozpr 2 I 0 sin 2 θ 1 M w wagowo-średnia masa molowa substancji rozpuszczonej, 66

R g A 2 promień bezwładności, drugi współczynnik wirialny, dn/dc inkrement współczynnika załamania światła, I rozp intensywność fali rozproszonej, I 0 r θ 1 intensywność fali padającej, odległość próbki od detektora, kąt obserwacji względem wiązki przechodzącej. Pomiary prowadzono w wodnych roztworach kopolimerów w zakresie stężeń 0,0001-2 g/l. Sporządzono najpierw roztwór wyjściowy o najwyższym stężeniu, a roztwory o niższych stężeniach sporządzano rozcieńczając roztwór wyjściowy wodą. Rozcieńczanie prowadzono bezpośrednio w termostacie aparatu, bez ochładzania roztworu, stosując wodę o temperaturze równej temperaturze roztworu. Wartości inkrementu współczynnika załamania światła dn/dc roztworów polimerów w wodzie, konieczne do obliczeń, wyznaczono w niezależnych pomiarach, stosując detektor refraktometryczny. 4.3.6. Mikroskopia sił atomowych (AFM) Pomiary rozmiarów polimerów gwieździstych oraz ich agregatów po naniesieniu na płytki z miki oraz szkła wykonano używając mikroskopu sił atomowych MultiMode z kontrolerem Nanoscope 3D firmy Veeco Instruments Inc. Mikroskop pracował w trybie z przerywanym kontaktem tzw. tapping mode w temperaturze pokojowej, na powietrzu. Używano standardowego krzemowego ostrza (Model TESP; Veeco Instruments Inc., USA) oraz piezoelektrycznego skanera AS-12V E o maksymalnym zakresie skanowania 14,5 μm 14,5 μm w poziomie i 3,1 μm w pionie. Polimer w roztworze H 2 (0,005%) nanoszono na płytki z miki lub szkła metodą rozwirowania (spin-coatingu) z szybkością obrotową 1500 obr/min. zas nanoszenia wynosił około 10 min. Pomiary wykonywano 24 h po naniesieniu. 67

4.3.7. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) Rozmiary i kształty zagregowanych makrocząstek powstających w wodzie z czteroramiennych kopolimerów gwieździstych charakteryzowano metodą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). brazy uzyskano za pomocą środowiskowego, skaningowego mikroskopu elektronowego Quanta 250 ESEM FEG (FEI ompany, USA) wyposażonego w detektor Everharta-Thornley a rejestrując elektrony wtórne. Roztwory wodne kopolimerów gwieździstych pierwszej generacji o stężeniu 0,01 g/l i temperaturze 80 nanoszono na szklane płytki uprzednio nagrzane do temperatury roztworu. Po osuszeniu próbek pod próżnią pokrywano je warstwą złota (5 nm) za pomocą napylarki Leica EM SD050. 4.3.8. Transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) Rozmiary i kształty dendrytycznych kopolimerów gwieździstych drugiej generacji charakteryzowano, korzystając z obrazów uzyskanych za pomocą transmisyjnego, wysokorozdzielczego mikroskopu elektronowego Tecnai G2 TF20 TWIN (FEI ompany, USA), pracującego z napięciem przyspieszającym 200 kv. brazy rejestrowano z powiększeniami od 40000 do 200000 razy za pomocą kamery D Eagle 4k HS, umieszczonej pod kolumną mikroskopu. Jako nośniki umożliwiające obserwację makrocząsteczek dendrytycznych metodą TEM zastosowano siatki miedziane pokryte membraną Formvar (QUANTIFIL Micro Tools GmbH). Kroplę (10 µl) roztworu wodnego dendrytycznego kopolimeru gwieździstego (1 g/l), w temperaturze 25 nanoszono na siatkę miedzianą, a następnie suszono pod próżnią. Bezpośrednio po wysuszeniu rejestrowano obrazy mikroskopowe. Próbki roztworów kopolimerów dendrytycznych powyżej temperatury przejścia fazowego nanoszono na siatki miedziane opisane powyżej. Roztwory kopolimerów nagrzewano do 60, a następnie kroplę roztworu (10 µl) nanoszono na siatki miedzine również nagrzane do temperatury 60 i osuszano pod próżnią. 68

5. mówienie wyników Polimery glicydolu (2,3-epoksypropanolu-1), polietery o analogicznej do poli(tlenku etylenu) budowie łańcucha głównego, zawierają również boczne grupy hydroksymetylowe. Modyfikacja grup hydroksylowych poliglicydolu o liniowej budowie podstawnikami hydrofobowymi jest znaną metodą prowadzącą do uzyskania polimerów termoczułych [140, 195]. Synteza homopolimerów lub kopolimerów glicydolowych o kontrolowanej, liniowej budowie wymaga zastosowania metod polimeryzacji anionowej monomerów będących pochodnymi glicydolu z zabezpieczoną grupą hydroksylową z późniejszym odbezpieczaniem tej grupy. elem niniejszej pracy jest: otrzymanie amfifilowych, wykazujących właściwości termoczułe, kopolimerów gwieździstych i dendrytycznych o budowie rdzeń-powłoka, metodą polimeryzacji anionowej, w sposób kontrolowany, ustalenie zależności temperatury przejścia fazowego od budowy syntezowanych kopolimerów, określenie możliwości wykorzystania tych polimerów i ich agregatów do enkapsulacji niskocząsteczkowych związków hydrofobowych. 5.1. Synteza cztero- i sześcioramiennych kopolimerów gwieździstych o ramionach zbudowanych z eteru tert-butylowo-glicydylowego i glicydolu ztero- i sześcioramienne amfifilowe polimery gwieździste z ramionami zbudowanymi z kopolimeru poli(eter tert-butylowo-glicydylowy)-blok-poliglicydol syntezowano metodą sekwencyjnej polimeryzacji anionowej o charakterze żyjącym. Polimeryzację prowadzono metodą zwaną rdzeń najpierw, stosując alkohole z czterema lub sześcioma grupami hydroksylowymi jako pierwszy punkt rozgałęziający. Jonizację grup hydroksylowych użytych alkoholi prowadzono wykorzystując efektywną metody jonizacji tert-butanolanem potasu opisaną wcześniej wielokrotnie do syntezy liniowych i rozgałęzionych polimerów glicydolu [63, 188-190]. Pierwszy blok kopolimeru stanowiącego ramiona gwiazd uzyskano polimeryzując eter tert-butylowo-glicydylowy. Bloki glicydolowe uzyskano polimeryzując acetal glicydolu, a następnie zastępując grupy 1-etoksyetylowe 69

grupami hydroksylowymi poprzez deprotekcję. Schemat ideowy reakcji prowadzącej do czteroramiennych kopolimerów gwieździstych przedstawiono na rysunku 5.1.1. H H H H polimeryzacja anionowa BGE polimeryzacja anionowa EGE S-[(BGE) n ] 4 deprotekcja S-[(BGE) n -b-(g) m ] 4 S-[(BGE) n -b-(ege) m ] 4 = H 2 H = n H 2 H 2 H H 2 m = H 2 H H 2 m H 3 H H 3 3 H H 3 2 H 5 H 3 H H 3 3 Rys. 5.1.1. Schemat ideowy procesu prowadzącego do uzyskania czteroramiennych polimerów gwieździstych o ramionach zbudowanych z kopolimerów blokowych poli(eter tert-butylowo-glicydylowy)-blok-poliglicydol (S-[(BGE) n -b-(g) m ] 4 ) Polimery gwieździste o sześciu ramionach uzyskano w analogiczny sposób, stosując alkohole z sześcioma grupami funkcyjnymi jako pierwszy punkt rozgałęziający. 70

5.1.1. Przygotowanie inicjatora W pierwszym etapie syntezy przygotowano inicjatory polimeryzacji anionowej pochodnych glicydolu (eteru tert-butylowo-glicydylowego oraz eteru 1-etoksyetylowoglicydylowego). Dla gwiazd czteroramiennych inicjatorem był alkoholan pentaerytrytolu, a w przypadku gwiazd sześcioramiennych alkoholan dipentaerytrytolu lub inozytolu. Inicjatory powstawały w reakcji alkoholu z tert-butanolanem potasu. Reakcję syntezy inicjatora czteroramiennego przedstawiono na rysunku 5.1.1.1. H 2 H H 2 H DMS HH 2 H 2 H+ t-bu K HH 2 H 2 K + t-buh H 2 H H 2 H H 2 H HH 2 H 2 H 2 H K H 2 H HH 2 H 2 H H 2 K Rys. 5.1.1.1. Synteza pentaerytrytolanu potasu, inicjatora polimeryzacji anionowej zabezpieczonych pochodnych glicydolu Reakcję jonizacji prowadzono w DMS, co zapewniło warunki homogeniczne dla wszystkich stosowanych alkoholi, będących pierwszym punktem rozgałęziającym gwiazd, oraz tert-butanolanu potasu. Jonizacja prowadzi do powstania równowagowej mieszaniny alkohol wielohydroksylowy/alkoholan, tert-butanolan potasu/tert-butanol. Aniony tertbutanolanowe mogą inicjować polimeryzację stosowanych monomerów uniemożliwiając uzyskanie polimerów gwieździstych w sposób kontrolowany. Konieczne było możliwie całkowite usunięcie powstającego tert-butanolu, co uzyskano przez oddestylowanie powstającego alkoholu. Ponieważ inicjator wytrącony z roztworu nie rozpuszczał się w DMS ani w innym rozpuszczalniku możliwym do zastosowania, destylację prowadzono kontrolując destylat na obecność tert-butanolu. Zastosowanie DMS, którego temperatura wrzenia jest wyższa od tert-butanolu, jako rozpuszczalnika umożliwiło usunięcie niepożądanego alkoholu z zachowaniem homogeniczności roztworu inicjatora. Ważnym parametrem był również stopień jonizacji grup hydroksylowych inicjatora. Jego wartość nie mogła przekraczać 20 % wszystkich grup hydroksylowych. Wyższy stopień 71

jonizacji powodował wytrącenie powstałych alkoholanów. Ich ponowne rozpuszczenie nie było możliwe w żadnym rozpuszczalniku możliwym do zastosowania. 5.1.2. Polimeryzacja sekwencyjna eteru tert-butylowo-glicydylowego i eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego Do świeżo sporządzonego roztworu inicjatora dodawano pierwszy z monomerów w ilości odpowiadającej założonej długości bloków w ramionach polimeru gwieździstego. Stężenie monomeru w roztworze nie przekraczało 10 %. Wyższe stężenie monomeru powodowało częściowe wytrącenie inicjatora i znaczne poszerzenie rozkładu mas molowych polimeru. Schemat polimeryzacji pierwszego monomeru przedstawiono na rysunku 5.1.2.1. H 2 H HH 2 H 2 H 2 H H 3 K 4 x n H H H 2 3 + H 2 H 3 DMS 65 o +THF 74 o H 2 H 2 H H 2 H 3 H 3 H 3 H 2 H n-1 H 2 K H 3 H 3 H 3 n = 10 Rys. 5.1.2.1. Polimeryzacja anionowa eteru tert-butylowo-glicydylowego na inicjatorze czterofunkcyjnym Reakcja prowadzona w temperaturze 65 powodowała pojawienie się osadu w ciągu 24 godzin. Spadek rozpuszczalności polimeru w DMS i wytrącenie z roztworu reakcyjnego wynikał ze wzrostu długości hydrofobowych ramion gwiazdy (wzrost masy polimeru). W celu utrzymania homogeniczności układu do mieszaniny dodawano THF w ilości równej objętości mieszaniny reakcyjnej. Zbyt mały dodatek THF powodował ponowne wytrącenie osadu 72

na wyższym stopniu przereagowania z jednoczesnym poszerzeniem rozkładu mas molowych polimeru. Nadmierne rozcieńczenie mieszaniny reakcyjnej prowadziło natomiast do znacznego wydłużenia czasu reakcji. Konieczność prowadzenia polimeryzacji w pierwszym etapie w DMS wynikała również ze słabej rozpuszczalności inicjatorów w mieszaninie DMS/THF. Po dodaniu THF reakcję prowadzono w temperaturze 74. ałkowite przereagowanie monomeru (99,9 %), wyznaczone metodą chromatografii gazowej, uzyskano po 72 godzinach. W przypadku zastosowania inozytolu jako inicjatora reakcja wydłużyła się do 96 godzin. Po całkowitym przereagowaniu monomeru pobierano próbkę mieszaniny reakcyjnej do analizy GP-MALLS. Drugi monomer, eter 1-etoksyetylowo-glicydylowy, dodawano do mieszaniny reakcyjnej po całkowitym przereagowaniu pierwszego monomeru. Schemat polimeryzacji drugiego monomeru przedstawiono na rysunku 5.1.2.2. H 3 H 2 H 2 H H 2 H 2 H n-1 H 2 K + H H 2 H 4 x m 2 H 5 H 2 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 DMS/THF 74 o H 2 H 2 H n H 2 H 2 H H m H 2 n = 10 m = 7-21 H 3 H H 3 H 3 H 3 2 H 5 Rys. 5.1.2.2. Kopolimeryzacja anionowa eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego (przykład dla gwiazdy czteroramiennej Dozowanie drugiego monomeru do reaktora w warunkach wysokiej próżni wymagało schłodzenia mieszaniny reakcyjnej do ok. 5 oraz rozgrzanie monomeru do ok. 60. konieczność ta wynikała z różnicy prężności par pomiędzy rozpuszczalnikami w reaktorze, 73

a drugim monomerem. ałkowite przereagowanie drugiego monomeru uzyskano po 96 godzinach. Surowy produkt, po uprzednim odparowaniu rozpuszczalników, poddano analizie 1 H NMR oraz GP-MALLS. 5.1.3. Deprotekcja grup hydroksylowych glicydolu w blokach poli(eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego) Przekształcenie bloków poli(eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego) w bloki poliglicydolowe prowadzono bez oczyszczania surowego produktu po polimeryzacji. Usuwanie zabezpieczających grup acetalowych przeprowadzono metodą dwuetapową z użyciem kwasu mrówkowego, która to metoda znana jest z literatury [187, 188]. W pierwszym etapie surowy produkt polimeryzacji rozpuszczano w kwasie mrówkowym, a następnie po odparowaniu kwasu powstałe mrówczany zmydlano używając metanolowego roztworu KH. Schemat deprotekcji grup hydroksylowych glicydolu przedstawiono na rysunku 5.1.3.1. H 2 H 2 H H 2 H H n m H 2 H 2 H 3 H 3 H 3 kwas mrówkowy H 3 H 2 H 5 H 2 H 2 H H 2 H H H 2 n H 2 m H - H 3 H 3 H 3 H H 2 H 2 H H 2 H H H 2 n H 2 m H H 3 H 3 H 3 n = 10 m = 7-21 Rys. 5.1.3.1. Deprotekcja grup hydroksylowych glicydolu w bloku poli(eteru 1-etoksyetylowoglicydylowego) metodą dwuetapową z użyciem kwasu mrówkowego 74

W środowisku kwasu mrówkowego łańcuchy polieterowe mogły ulegać degradacji dlatego natychmiast po rozpuszczeniu polimeru kwas odparowywano, utrzymując temperaturę roztworu poniżej 20. Zmydlanie powstałych mrówczanów prowadzono używając roztworu KH w metanolu. Roztwór polimeru w 1,4-dioksanie po osiągnięciu wartość ph 8-9 pozostawiano na 12 godzin w temperaturze 5, co zapewniało całkowite zmydlenie mrówczanów glicydolu. 5.2. Analiza produktów syntezy kopolimerów gwieździstych określenie struktury 5.2.1. Analiza 1 H NMR 5.2.1.1. Kontrola procesu deprotekcji grup hydroksylowych glicydolu w kopolimerach gwieździstych Kopolimery gwieździste pierwszej generacji po zakończeniu polimeryzacji poddano deprotekcji grup hydroksylowych glicydolu. dbezpieczenie wszystkich grup wykazano na podstawie analizy widm 1 H NMR. Widma 1 H NMR jednego z kopolimerów po reakcji polimeryzacji i po deprotekcji przedstawiono na rysunku 5.2.1.1. c d e f g H 2 H 2 H H 2 H H b n h m H 2 H 2 j a i H 3 H3 H a a H 3 H 3 k H l 3 H2 j l a l i b, c, d, e, f, g, h, k a 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 ppm a c d e f g H 2 H 2 H H 2 H H b n h m H 2 H 2 a H H3 a a H 3 H 3 b, c, d, e, f, g, h b 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 ppm Rys. 5.2.1.1. Widma 1 H NMR dla czteroramienny kopolimer gwieździsty S 4-1 a) po polimeryzacji, b) po deprotekcji (300 MHz, DMS-d 6, 25, TMS) 75

Brak sygnałów pochodzących od protonów grupy zabezpieczającej na widmie po deprotekcji świadczył o całkowitym zastąpieniu zabezpieczających grup etoksyetylowych grupami hydroksylowymi. Aby stwierdzić brak degradacji ramion gwiazd podczas odbezpieczania grup hydroksylowych porównano stosunki długości bloków przed i po deprotekcji. Stosunek długości bloków przed deprotekcją obliczono wykorzystując intensywność sygnałów pochodzących od protonów metinowych zabezpieczającej grupy etoksyetylowej (4,65-4,60 ppm, sygnał i, rysunek 5.2.1.1.a) oraz protonów grupy tert-butylowej (1,0-1,1 ppm, sygnał a, rysunek 5.2.1.1.a, b), według równania 5.2.1.1. EGE BGE = I i 2 I a9 (5.2.1.1) gdzie: EGE BGE stosunek długości bloków poli(eter tert-butylowo-glicydylowy) do bloków poli(eter 1-etoksyetylowo-glicydylowy), I i intensywność sygnału pochodzącego od protonów metinowych grupy zabezpieczającej, I a intensywność sygnału pochodzącego od protonów grupy tert-butylowej. Stosunek długości bloków po deprotekcji wyznaczono korzystając z sygnałów, które posłużyły do obliczenia długości bloków, i które będą opisane w następnym rozdziale. Porównanie stosunku długości bloków przed i po deprotekcji pozwoliło stwierdzić brak degradacji łańcuchów stanowiących ramiona gwiazdy. bliczone wartości stosunku długości bloków dla gwiazd czteroramiennych podano w tabeli 5.2.1.1, a dla gwiazd sześcioramiennych w tabeli 5.2.1.2. 5.2.1.2. Wyznaczenie długości bloków kopolimerów gwieździstych Długość bloków w ramionach gwiazd pierwszej generacji wyznaczono na podstawie analizy widm 1 H NMR po uprzednim przeprowadzeniu grup hydroksylowych glicydolu 76

w pochodne uretanowe w reakcji z izocyjanianem trichloroacetylu (TAI). Schemat reakcji przedstawiono na rysunku 5.2.1.2. H 2 H 2 H H 2 H H 2 n H 2 H H 3 H 2 H H + N H 3 m-1 H 2 H 3 H H 3 H 3 H 3 H 2 H 2 H H 2 H 2 H H 2 H n m-1 H 2 H 2 NH l 3 H 3 H 3 H 3 NH NH l 3 l 3 Rys. 5.2.1.2. Reakcja pierwszo i drugorzędowych grup hydroksylowych polimerów gwieździstych z izocyjanianem trichloroacetylu Dodatek TAI do roztworu polimeru w deuterowanym chloroformie spowodował natychmiastową, ilościową reakcję grup hydroksylowych, zarówno pierwszo jak i drugorzędowych. Po reakcji z TAI następowało przesunięcie na widmie 1 H NMR sygnałów pochodzących od grup metinowych i metylenowych, przyległych do grup hydroksylowych. Przykładowe widmo dla jednego z czteroramiennych kopolimerów gwieździstych po reakcji z TAI przedstawiono na rysunku 5.2.1.4. 77

c d e f g h i H 2 H 2 H H 2 H H 2 H b n j m-1 j H 2 H 2 H 2 a H 3 a a H 3 H 3 NH NH NH l 3 a l 3 l 3 i j b, c, d, e, f, g, h 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm Rys. 5.2.1.4. Widmo 1 H NMR polimeru gwieździstego S-[(BGE) 10 -b-(ege) 12 ] 4 po reakcji grup hydroksylowych z izocyjanianem trichloroacetylu (600 MHz, Dl 3, 25, TMS) Widmo dostarcza informacji o wszystkich sygnałach protonów, niezbędnych do obliczenia długości bloków w ramionach gwiazd pierwszorzędowych. Sygnały protonów grup tert-butylowych (Rys. 5.2.1.4, sygnał a, δ=1,17 ppm) oraz sygnały protonów metinowych grupy końcowej (Rys. 5.2.1.4, sygnał i, δ=5,30 ppm) pozwalają wyznaczyć średnią długość bloków poli(eteru tert-butylowo-glicydylowego) poprzez obliczenie stosunku intensywności tych sygnałów. Sygnały protonów grup metylenowych (Rys. 5.2.1.4, sygnał j, δ=4,65-4,20 ppm), przyległych do pierwszorzędowych grup hydroksylowych oraz sygnały protonów metinowych grupy końcowej pozwalają wyznaczyć średnią długość bloków poliglicydolu poprzez obliczenie stosunku intensywności tych sygnałów. Równania, według których obliczano średnie długości bloków m i n w ramionach gwiazd, przedstawiono poniżej. I a9 n= (5.2.1.2) I i 78

m= I j 2 I i (5.2.1.3) gdzie: I a intensywność sygnałów pochodzących od protonów grup tert-butylowych, I j intensywność sygnałów pochodzących od protonów grup metylenowych przyległych do pierwszorzędowych grup hydroksylowych, I i intensywność sygnałów pochodzących od protonów metinowych grupy końcowej. Wyniki obliczeń średnich długości bloków łańcuchów m i n, będących ramionami kopolimerów gwieździstych, zestawiono w tabeli 5.2.1.1 dla gwiazd czteroramiennych oraz w tabeli 5.2.1.2 dla gwiazd sześcioramiennych. Tab. 5.2.1.1. Stosunek długości bloków czteroramiennych kopolimerów gwieździstych po polimeryzacji S-[(BGE) n -b-(ege) m ] 4 i po deprotekcji S-[(BGE) n -b-(g) m ] 4 oraz długość bloków w ramionach Stosunek długości bloków Długość bloków Polimer S-[(BGE) n -b-(ege) m ] 4 S-[(BGE) n -b-(g) m ] 4 S-[(BGE) n -b-(g) m ] 4 n/m wartość obliczona a 1 H NMR po polimeryzacji po deprotekcji n m n m S 4-1 1,38 1,44 10 7 9,2 6,2 S 4-2 0,82 0,79 10 12 9 11,5 S 4-3 0,72 0,69 11 15 10,6 15 S 4-4 0,59 0,56 10 17 9,5 16,9 S 4-5 0,47 0,45 10 21 9 20,3 S 4-6 1,72 1,70 12 7 12 8 a obliczono na podstawie ilości monomerów użytych w polimeryzacji. 79

Tab. 5.2.1.2. Stosunek długości bloków sześcioramiennych kopolimerów gwieździstych po polimeryzacji (S-[(BGE) n -b-(ege) m ] 6 ) i po deprotekcji (S-[(BGE) n -b-(g) m ] 6 ) oraz długość bloków w ramionach Stosunek długości bloków Długość bloków Polimer Inicjator S-[(BGE) n -b-(ege) m ] 6 S-[(BGE) n -b-(g) m ] 6 S-[(BGE) n -b-(g) m ] 6 n/m Wartość obliczona a 1 H NMR po polimeryzacji po deprotekcji n m n m S 6-1 DPENT 1,21 1,16 10 11 11 10,5 S 6-2 INZ 0,91 0,88 12 12 14 14 a obliczono na podstawie ilości monomerów użytych w polimeryzacji, zakładając konwersję 100% 5.2.2. Analiza chromatograficzna GP-MALLS kopolimerów gwieździstych wyznaczenie mas molowych Analizę chromatograficzną GP-MALLS kopolimerów gwieździstych wykonano używając DMF jako eluenta. DMF jest dobrym rozpuszczalnikiem dla wszystkich bloków cząsteczki. Proces polimeryzacji anionowej prowadzący do otrzymania czteroi sześcioramiennych polimerów gwieździstych kontrolowano badając metodą chromatografii żelowej GP-MALLS produkty po polimeryzacji poszczególnych monomerów, eteru tert-butylowo-glicydylowego, a następnie eteru(1-etoksyetylowo-glicydylowego). Sygnał detektora RI dla próbki polimeru po wyczerpaniu pierwszego monomeru oraz po zakończeniu reakcji polimeryzacji przedstawiono na rysunku 5.2.2.1. 80

H 2 H 2 H H 2 H H H 2 n H 2 m H 2 H 2 H H H 2 n H 3 H 3 H 3 H 3 H 2 H 5 H 3 H 3 H 3 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 bjętość elucji (ml) Rys. 5.2.2.1. hromatogramy GP (sygnały detektora RI) po wyczerpaniu pierwszego monomeru (czerwona linia) oraz po zakończeniu reakcji polimeryzacji (czarna linia) (DMF/5 mmol LiBr, 1 ml/min, 45 ) Po każdym etapie kontrolowanej polimeryzacji anionowej zachowany jest wąski rozkład mas molowych. Masy molowe oraz rozkład mas molowych kopolimerów gwieździstych pierwszej generacji, po deprotekcji grup hydroksylowych glicydolu, wyznaczono stosując metodę Debye a dla chromatogramów wykonanych w GP-MALLS. hromatogramy (sygnał detektora RI) wszystkich gwiazd przedstawiono na rysunku 5.2.2.2. 81

a S 4-1 S 4-2 S 4-3 S 4-4 S 4-5 S 4-6 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 objętość elucji [ml] b S 6-1 S 6-2 17 18 19 20 21 22 23 24 25 objętość elucji [ml] Rys. 5.2.2.2. hromatogramy GP-MALLS (sygnał detektora RI) kopolimerów gwieździstych a: czteroramiennych, b: sześcioramiennych, (DMF/5 mmol LiBr, 1 ml/min, 45 ) Wartości uzyskane z analizy struktury gwiazd czteroramiennych przedstawiono w tabeli 5.2.2.1, a gwiazd sześcioramiennych w tabeli 5.2.2.2. Podany w tabeli udział masowy bloków poliglicydolowych w ramionach gwiazd liczono jako PG(%)=4 74/M n. Do obliczeń zastosowano wartości m oraz M n wynikające z analizy 1 H NMR. 82

Tab. 5.2.2.1. Dane uzyskane z analizy struktury czteroramiennych gwiazd o ramionach zbudowanych z kopolimeru poli(eter tert-butylowo-glicydylowy)-blok-poliglicydol H 2 H 2 H H 2 H H H 2 n H 2 m H H 3 H 3 H 3 Kopolimer 1 H NMR M n (g mol -1 ) n m Wartość obliczona a S-[(BGE) n -b-(g) m ] 4 1 H NMR GP- MALLS dn/dc M w /M n PG (%) S 4-1 9,2 6,2 7400 6800 8200 0,034 1,02 27 S 4-2 9 11,5 8900 8200 9100 0,038 1,01 41 S 4-3 10,6 15 10300 10100 11400 0,039 1,03 44 S 4-4 9,5 16,9 10400 10100 11600 0,040 1,03 50 S 4-5 9 20,3 11550 10800 12200 0,042 1,03 56 S 4-6 12 8 8400 8700 8500 0,035 1,02 28 a obliczono na podstawie ilości monomerów użytych w polimeryzacji Tab. 5.2.2.2. Dane uzyskane z analizy struktury sześcioramiennych gwiazd o ramionach zbudowanych z kopolimeru poli(eter tert-butylowo-glicydylowy)-blok-poliglicydol H 2 H H 2 H H H 2 n H 2 m H H 3 H 3 H 3 Kopolime r Inicjator 1 H NMR M n (g mol -1 ) n m S-[(BGE) n -b-(g) m ] 6 Wartość obliczona a 1 H NMR GP dn/dc M w /M n PG (%) S 6-1 inozytol 11 10,5 13250 13200 13800 0,034 1,09 35 S 6-2 dipentaerytrytol 14 14 15170 17200 18000 0,033 1,01 31 a obliczono na podstawie ilości monomerów użytych w polimeryzacji 83

hromatogramy wskazują, że rozkład mas molowych wszystkich gwiazd jest monomodalny. bliczona wartość M w /M n nie przekracza 1,03 dla większości polimerów (Tab. 5.2.2.1 5.2.2.2), tylko w przypadku gwiazdy sześcioramiennej S 6-1 wartość ta wyniosła 1,09 (Tab. 5.2.2.2). Absolutne masy molowe, wyznaczone z pomiarów chromatograficznych z detektorem MALLS są bardzo zbliżone do mas obliczonych na podstawie analizy długości bloków w ramionach gwiazd z widm 1 H NMR (Tab. 5.2.2.1, 5.2.2.2). Eksperymentalnie wyznaczone wartości mas molowych oraz długości bloków w ramionach gwiazd są także bardzo bliskie wartościom obliczonym na podstawie ilości zastosowanych monomerów (Tab. 5.2.2.1, 5.2.2.2). 5.3. Synteza dendrytycznych kopolimerów gwieździstych o budowie rdzeńpowłoka zbudowanych z eteru(tert-butylowo-glicydylowego) i glicydolu W tym rozdziale zostaną opisane dendrytyczne kopolimery gwieździste otrzymywane w wyniku sekwencyjnej polimeryzacji anionowej eteru(tert-butylowo-glicydylowego) i acetalu glicydolu z późniejszym odbezpieczeniem grup hydroksylowych poliglicydolu. Jako makroinicjatory do syntezy dendrytycznych kopolimerów gwieździstych zastosowano kopolimery gwieździste z blokowymi ramionami opisane w rozdziale 5.1. Ramiona powstających gwiazd dendrytycznych były otrzymywane analogicznie jak ramiona makroinicjatora. Można więc traktować makroinicjatory jako pierwszą generację gwiazd, a powstające kopolimery dendrytyczne jako drugą. W dalszej części pracy kopolimery dendrytyczne po polimeryzacji eteru tert-butylowo-glicydylowego będą oznaczane symbolami 1-D i, po polimeryzacji eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego 2-D i, natomiast po deprotekcji grup hydroksylowych glicydolu 3-D i gdzie i oznacza ilość ramion. Kopolimery dendrytyczne drugiej generacji będą w dalszej części nazywane dendrytycznymi kopolimerami gwieździstymi. Schemat ideowy syntezy przedstawiono na rysunku 5.3.1. 84

polimeryzacja anionowa BGE 1-D i polimeryzacja anionowa EGE deprotekcja 3-D i 2-D i H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H 2 H H 2 H 2 H 3 H H 3 H 3 H 3 2 H 5 Rys. 5.3.1. Synteza dendrytycznych kopolimerów gwieździstych o budowie rdzeń-powłoka na makroinicjatorze gwieździstym 5.3.1. Przygotowanie makroinicjatora Grupy hydroksylowe bloku glicydolowego cztero- i sześcioramiennych kopolimerów gwieździstych posłużyły jako punkty rozgałęziające do syntezy kopolimerów dendrytycznych. Grupy te po jonizacji zastosowano jako centra inicjujące sekwencyjną kopolimeryzację anionową eteru(tert-butylowo-glicydylowego), a następnie eteru(1- etoksyetylowo-glicydylowego). Syntezę makroinicjatora na przykładzie czteroramiennego kopolimeru gwieździstego przedstawiono na rysunku 5.3.1.1. 85

H 2 H 2 H H 2 n H 2 H H 2 H H 2 H H m-1 H 2 H H 3 H 3 H 3 t-bu K H 2 H 2 H H 2 n H 2 H H 2 H H 2 H m-1 H 2 H K + t-buh H 3 H 3 H 3 Rys. 5.3.1.1. Synteza makroinicjatora gwieździstego do polimeryzacji anionowej na przykładzie kopolimeru czteroramiennego Jonizację grup hydroksylowych poliglicydolu makroinicjatora przeprowadzono, używając tert-butanolanu potasu. Jonizacja nie mogła przekraczać 8 % wszystkich grup hydroksylowych w celu zapobieżenia wytrąceniu makroinicjatora, co opisano uprzednio w literaturze [196]. Aby uniknąć wytrącenia makroinicjatora temperatura roztworu musiała być utrzymywana powyżej 60, a stężenie anionów nie mogło przekraczać 0,1 mol/l. Raz wytrącony inicjator nie rozpuszczał się ponownie w roztworze nawet pomimo podwyższania temperatury. Nie udało się także rozpuszczenie wytrąconego makroinicjatora w innym rozpuszczalniku, możliwym do zastosowania. Nierozpuszczalny osad, który powstawał po przekroczeniu warunków opisanych powyżej, był prawdopodobnie produktem agregacji makroinicjatora. Tert-butanol obecny w roztworze po jonizacji, powodujący przeniesienie łańcucha, usuwano poprzez oddestylowanie z częścią DMS. Wzrost stężenia anionów mógł spowodować wytrącenie makroinicjatora, dlatego roztwór rozcieńczano dodatkową ilością rozpuszczalnika. Destylat zbierano frakcjami i kontrolowano na obecność tert-butanolu. 86

5.3.2. Polimeryzacja eteru tert-butylowo-glicydylowego na makroinicjatorze gwieździstym Pierwszy z monomerów, eter(tert-butylowo-glicydylowy), dodawano do świeżo sporządzonego roztworu makroinicjatora. Schemat polimeryzacji eteru tert-butylowoglicydylowego z wykorzystaniem gwieździstego makroinicjatora czteroramiennego przedstawiono na rysunku 5.3.2.1. H 2 H 2 H H 2 H H 2 H H 2 n H 2 m-1 H 2 K + 4*(m+1)*o H 2 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H DMS 65 o H THF 75 o H 2 H 2 H H 2 H H 2 H H 2 n H 2 m-1 H 2 H 3 H 3 H 3 H 2 H 3 H 2 H H 3 H 3 H o H 2 H H 2 H o H 2 H H 2 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 2 H K o H 2 Rys. 5.3.2.1. Polimeryzacja anionowa eteru tert-butylowo-glicydylowego na czteroramiennym makroinicjatorze gwieździstym Wszystkie grupy hydroksylowe gwiazd pierwszej generacji inicjowały polimeryzację, co zostanie opisane w dalszej części pracy (rozdział 5.4.1.1). Ilość monomerów niezbędna do osiągnięcia założonej długości bloków wynikała z liczby grup hydroksylowych makroinicjatora. Po osiągnięciu stopnia konwersji ~30 % w roztworze pojawiły się nierozpuszczalne produkt polimeryzacji, podobnie jak w przypadku polimerów gwieździstych pierwszej generacji. Dodatek THF, w ilości dwukrotnie większej od objętości roztworu, pozwolił utrzymać układ w stanie homogenicznym do końca polimeryzacji. Znaczne rozcieńczenie mieszaniny reakcyjnej spowodowało wydłużenie czasu polimeryzacji, prowadzonej w temperaturze 75, do 14 dni. Stopniowe dodawanie drugiego rozpuszczalnika powodowało poszerzenie rozkładu mas molowych. Podobnie jak w przypadku gwiazd pierwszej generacji, 87

dodatek THF na początku polimeryzacji prowadził do wytrącenia się nierozpuszczalnego produktu. Podnoszenie temperatury reakcji powyżej 75 również powodowało poszerzenie rozkładu mas molowych. Polimery dendrytyczne po polimeryzacji eteru(tert-butylowoglicydylowego) będą w dalszej części omówienia wyników opisywane skrótami 1-D i, gdzie 1- oznacza etap syntezy, a i oznacza liczbę ramion gwiazdy drugiej generacji. 5.3.3. Polimeryzacja eteru (1-etoksyetylowo-glicydylowego) Po wyczerpaniu pierwszego z monomerów do mieszaniny reakcyjnej dodano drugi monomer, eter(1-etoksyetylowo-glicydylowy). Reakcje prowadzono w temperaturze 75. Polimeryzację drugiego monomeru przedstawiono na rysunku 5.3.3.1. H 3 H 2 H 2 H H 2 H H 2 H H 2 n H H 2 3 m-1 H 2 H 3 H 3 H 2 H 2 H 2 H H 2 H K H 2 H 3 o-1 H 3 H 3 H 2 H 3 H 3 H 3 + 4*(m+1)*p H 2 H 2 H 5 H 3 H 3 H 3 H 2 H H o H H 2 H o H 3 H 3 H 3 DMS/THF 75 o H 2 H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H H 2 n H 2 m-1 H 2 H 2 o H 2 p H 3 H H 3 H 3 H 3 H 3 H 2 H 2 H 3 H 3 2 H 5 H H 2 H 3 H H 2 H 3 H H 3 H 3 3 H 3 o o H 2 H 2 H H 2 H H H 2 3 H H H 3 H H p p 2 H 5 2 H 5 Rys. 5.3.3.1. Polimeryzacja anionowa eteru(1-etoksyetylowo-glicydylowego) Pełną konwersję drugiego monomeru uzyskano po 8 dniach. Reakcję terminowano przed dodatek wody. Dendrytyczne kopolimery gwieździste po polimeryzacji będą w dalszej części pracy oznaczane symbolami 2-D i, gdzie i oznacza liczbę ramion. 88

5.3.4. Deprotekcja grup hydroksylowych glicydolu w blokach poli(eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego) dendrytycznych kopolimerów gwieździstych Deprotekcję grup hydroksylowych glicydolu w blokach poli(eteru 1-etoksyetylowoglicydylowego) prowadzono, bez oczyszczania surowego produktu metodą dwuetapową z użyciem kwasu mrówkowego, podobnie jak w przypadku kopolimerów gwieździstych pierwszej generacji. Deprotekcję grup hydroksylowych glicydolu dla kopolimerów dendrytycznych przedstawiono na rysunku 5.3.4.1. H 2 H 2 H H 2 H H 2 H H 2 n H 2 m-1 H 2 H 3 H 3 H 3 H 2 H 3 H 2 H H 3 H 3 H 3 H 2 H 5 o H 2 H 2 H H p H 2 H H 2 H H H 2 o H H 2 3 H p H 3 H 3 H 3 2 H 5 H 2 H H 2 H 3 H H 3 3 o H 2 H H 2 H H 3 H p 2 H 5 HH dioksan metanol/kh H 2 H 2 H H 2 H H 2 H H 2 n H 2 m-1 H 2 H 3 H 3 H 3 H 2 H 3 H 2 H H 3 H 3 o o H 2 H 2 H H 2 H H p H p H 2 H H 2 H H H 2 o H 2 p H H 3 H 3 H 3 H 2 H H 2 H 3 H H 3 3 H H 2 H Rys. 5.3.4.1. Deprotekcja grup hydroksylowych glicydolu w dendrytycznych kopolimerów gwieździstych metodą dwuetapową z użyciem kwasu mrówkowego Dendrytyczne kopolimery gwieździste po deprotekcji będą w dalszej części pracy oznaczane symbolami 3-D i, gdzie i oznacza liczbę ramion. 89

5.4. Analiza produktów syntezy dendrytycznych kopolimerów gwieździstych określenie struktury 5.4.1. Analiza 1 H-NMR 5.4.1.1. Skuteczność inicjowania polimeryzacji anionowej przez grupy hydroksylowe makroinicjatora w procesie otrzymywania kopolimerów dendrytycznych Próbkę dendrytycznego kopolimeru gwieździstego, po zakończeniu polimeryzacji eteru(tert-butylowo-glicydylowego), analizowano metodą 1 H NMR. Surowy produkt poddano reakcji z izocyjanianem trichloroacetylu. Przykładowe widmo polimeru 1-D 36 przedstawiono na rysunku 5.4.1.1. H 2 H 2 H H 2 H H 2 H H 2 n H 2 m-1 H 2 H 3 H 3 H 3 H 2 H 3 H 2 H H 3 H 3 o H H o H 2 H H 2 H 2 H H 2 H H H 2 o-1 H 2 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 + N l 3 l c d c e H 2 H H 2 H NH l b o-1 f H 2 H l 2 a a H3 a H 3 H 3 a a H3 a H 3 H 3 a b, c, d, f e 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm Rys. 5.4.1.1. Widmo 1 H NMR polimeru gwieździstego drugiej generacji 1-D 36 po polimeryzacji eteru(tert-butylowo-glicydylowego) i po reakcji z izocyjanianem trichloroacetylu (600 MHz, Dl 3, 25, TMS) Na widmie widoczne są sygnały pochodzące od protonów metylowych grup tertbutylowych (Rys. 5.4.1.1, sygnał a, 1,18 ppm), od protonów metylenowych i metinowych łańcucha (Rys. 5.4.1.1, grupa sygnałów b, c, d, f, 3,75-3,25 ppm) oraz sygnały pochodzące od pochodnych uretanowych grup końcowych eteru(tert-butylowo-glicydylowego) (Rys. 5.4.1.1, 90

sygnał e, 4,65 ppm). Na widmie nie występują sygnały o przesunięciu ok. 4,5 ppm i 5,3 ppm, które mogłyby pochodzić od pochodnych uretanowych pierwszo- lub drugorzędowych grup hydroksylowych makroinicjatora. Brak takich sygnałów świadczy o aktywności wszystkich grup hydroksylowych makroinicjatora podczas inicjowania polimeryzacji anionowej eteru(tert-butylowo-glicydylowego). 5.4.1.2. Wyznaczenie długości bloków w ramionach dendrytycznych kopolimerów gwieździstych Długość ramion dendrytycznych kopolimerów gwieździstych (Rys. 5.4.1.2, o i p) wyznaczono metodą spektroskopii 1 H NMR. Widmo dendrytycznego kopolimeru gwieździstego po reakcji z izocyjanianem trichloroacetylu przedstawiono na rysunku 5.4.1.2. H 2 H H 2 H H 2 H 2 H 2 H 2 H H 2 H H H H H H 2 n H 2 m-1 H 2 H 2 o H 2 p-1 H 2 H H 3 3 3 H 3 H 3 H H H 3 H 2 H 2 H 2 H 2 H H H 3 H 3 H 3 H H 3 3 H 3 o o + N l 3 c d e f h i H2H H2 H H2 H NH l 3 b o g p-1 g H2 H2 H2 a H3 a a NH NH H 3 H 3 l 3 l 3 H H 2 H 2 H H p H 2 H H 2 H H p a g b, c, d, e, f, h i 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 ppm Rys. 5.4.1.2. Widmo 1 H NMR dendrytycznego kopolimeru gwieździstego 3-D 36 po reakcji grup hydroksylowych z izocyjanianem trichloroacetylu (600 MHz, Dl 3, 25, TMS) W celu wyznaczenia długości bloków dendrytycznych kopolimerów gwieździstych wykorzystano ilościową reakcję grup hydroksylowych bloków poliglicydolowych 91

z izocyjanianem trichloroacetylu, podobnie jak w przypadku kopolimerów gwieździstych (rozdział 5.2.1.2). Sygnały pochodzące od protonów metinowych i metylenowych pochodnych uretanowych powstających po tej reakcji posłużyły jako diagnostyczne. Jak wykazały badania wszystkie grupy hydroksylowe makroinicjatora były wykorzystane do inicjowania polimeryzacji anionowej, tak więc liczba ramion dendrytycznych kopolimerów gwieździstych była równa liczbie grup inicjujących. W związku z tym liczba drugorzędowych hydroksylowych grup końcowych tych kopolimerów również była równa liczbie grup hydroksylowych makroinicjatora. Intensywność sygnałów pochodzących od protonów metylowych grup tertbutylowych (Rys. 5.4.1.2, sygnał a, 1,21 ppm), po odjęciu intensywności pochodzącej od protonów tert-butylowych makroinicjatora, odniesiona do protonów pochodzących od końcowej grupy metinowej (Rys. 5.4.1.2, sygnał i, 5,30 ppm) dostarcza informacji o średniej długości bloków poli(eteru tert-butylowo-glicydylowego) w ramionach dendrytycznych kopolimerów gwieździstych. Sygnały pochodzące od protonów bocznych grup metylenowych poliglicydolu (Rys. 5.4.1.2, grupa sygnałów g, 4,65-4,20 ppm) odniesione do protonów pochodzących od końcowej grupy metinowej (Rys. 5.4.1.2, sygnał i, 5,30 ppm) dostarcza informacji o średniej długości bloków poliglicydolu w ramionach polimerów gwieździstych drugiej generacji. Równania, które wykorzystano do obliczeń długości bloków, podano poniżej (równania 5.4.1.1, 5.4.1.2, 5.4.1.3). I x I i =o (5.4.1.1) gdzie: I g 2 I i =p I a - I a Ii n 9 =x 9 (5.4.1.2) (5.4.1.3) I x intensywność sygnałów pochodzących od protonów tert-butylowych pomniejszona o intensywność pochodzącą od protonów tert-butylowych makroinicjatora, I i intensywność sygnałów końcowych grup metinowych ugrupowań uretanowych, I g intensywność sygnałów grup metylenowych ugrupowań uretanowych, I a intensywność sygnałów protonów tert-butylowych, 92

n o p liczba grup hydroksylowych makroinicjatora, długość bloków poli(eteru tert-butylowo-glicydylowego) w ramionach polimerów gwieździstych drugiej generacji, długość bloków poliglicydolu w ramionach polimerów gwieździstych drugiej generacji. Długości bloków dla dendrytycznych kopolimerów gwieździstych obliczone na podstawie analizy 1 H NMR przedstawiono w tabeli 5.4.1.1. Tab. 5.4.1.1. Długość bloków poli(eter tert-butylowo-glicydylowy) o -blok-poliglicydol p w ramionach dendrytycznych kopolimerów gwieździstych Kopolimer dendrytyczny Makroinicjator 3-D i Wartość obliczona a 1 H NMR o p o p 3-D 36 S 4-1 15 7 14 11 3-D 50 S 4-2 9 11,5 9 13,5 3-D 69 S 6-1 12 10 11,5 12 3-D 90 S 6-2 8,5 12 8 12 a obliczono na podstawie ilości monomerów użytych w polimeryzacji. Długość bloków kopolimerów dendrytycznych obliczona na podstawie analizy 1 H NMR jest zbliżona do wartości obliczonych na podstawie użytych w polimeryzacji monomerów. 5.4.2. Analiza chromatograficzna GP-MALLS dendrytycznych kopolimerów gwieździstych wyznaczanie mas molowych Masy molowe oraz rozkład mas molowych dendrytycznych kopolimerów gwieździstych analizowano na każdym etapie syntezy, używając chromatografii żelowej (GP-MALLS). hromatogramy (sygnał detektora RI) tych kopolimerów na kolejnych etapach syntezy przedstawiono na rysunku 5.4.2.1. 93

2-D 36 3-D 36 1-D 36 2-D 50 3-D 50 1-D 50 a b 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 objętość elucji [ml] 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 objętość elucji [ml] 2-D 69 3-D 69 1-D 69 2-D 90 3-D 90 1-D 90 c d 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 objętość elucji [ml] 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 objętość elucji [ml] 1-D i 2-D i H 2 H 2 H H 2 H H 2 H H 2 n H 2 m-1 H 2 H 3 H 3 H 3 H 2 H 2 H 2 H H H 2 o H 3 H 3 H 3 H 2 H 2 H H 2 H H 2 H H 2 n H 2 m-1 H 2 H 3 H 3 H 3 H 2 H 2 H 2 H 2 H H H 2 o H 2 H 3 H 3 H 3 H H p H 3 2 H 5 H 3 H 3 H 3 H 2 H H o H H 2 H o H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 H 2 H 5 H 2 H 2 H o H 2 H H p H H 2 H 3 H H 3 3 o H 2 H H 2 H H 3 H p 2 H 5 3-D i H 2 H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H H 2 n H 2 m-1 o p H2 H 2 H 2 H H 3 H 3 H 3 H H 3 H 3 3 H 2 H 2 H H 2 H H H 3 2 H 3 H H 3 H 3 H 3 o o 3 H 2 H 2 H H 2 H H H 2 H H p H p Rys. 5.4.2.1. hromatogramy (sygnał detektora RI) dendrytycznych kopolimerów gwieździstych na kolejnych etapach syntezy: a) D 36, b) D 50, c) D 69, d) D 90, (DMF/5 mmol LiBr, 1 ml/min, 45 ) 94

Na chromatogramach dendrytyczne kopolimery gwieździste oznaczono symbolami: po polimeryzacji eteru tert-butylowo-glicydylowego 1-D i, po polimeryzacji eteru 1-etoksyetylowo-glicydylowego 2-D i i po deprotekcji grup hydroksylowych poliglicydolu 3-D i, gdzie i oznacza liczbę ramion. Masy molowe oraz rozkład mas molowych dendrytycznych kopolimerów gwieździstych, po deprotekcji grup hydroksylowych glicydolu (3-D i ), wyznaczono stosując metodę Debye a dla chromatogramów wykonanych w GP-MALLS. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 5.4.2.1. Tab. 5.4.2.1. Wyniki analizy chromatograficznej uzyskane dla dendrytycznych kopolimerów gwieździstych H 2 H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H H H 2 n H 2 m-1 H 2 H 2 o H 2 p H H 3 H 3 H 3 H H 3 H 3 3 H 2 H 2 H H 2 H 3 H H 2 H 3 H H 3 H 3 H 3 o o 3 H 2 H 2 H H 2 H H H 2 H H p H p 3-D i Kopolimer dendrytyczny Makroinicjator 1 H NMR M n [g mol -1 ] o p Wartość obliczona a 1 H NMR GP dn/dc M w /M n 3-D 36 S 4-1 14 11 96200 102000 88000 0,12 1,02 3-D 50 S 4-2 9 13,5 110000 117000 116000 0,14 1,03 3-D 69 S 6-1 11,5 12 172000 178000 198000 0,14 1,09 3-D 90 S 6-2 8 12 197000 191000 214000 0,14 1,06 a obliczono na podstawie ilości monomerów użytych w polimeryzacji, zakładając konwersję 100 % Po każdym etapie syntezy zachowany był monomodalny i wąski rozkład mas molowych. Dla żadnego z kopolimerów dendrytycznych wartość M w /M n nie przekraczała 1,09. Masy molowe wyznaczone z pomiarów chromatograficznych są zbliżone do mas wyliczonych po analizie 1 H NMR oraz do wartości wyliczonych na podstawie ilości monomerów użytych do syntezy. 95

5.5. Właściwości kopolimerów gwieździstych i dendrytycznych zbudowanych z eteru tert-butylowo-glicydylowego i glicydolu w roztworach wodnych i DMF Polimery rozgałęzione o budowie rdzeń-powłoka znajdując się w rozpuszczalnikach o różnym powinowactwie do rdzenia i powłoki mogą ulegać samoorganizacji jak opisano we wstępie pracy (rozdział 3.2.3). W przypadku polimerów gwieździstych z blokowymi ramionami amfifilowymi o niewielkiej liczbie ramion, często obserwowana jest micelizacja [106-108, 197], w wyniku której powstają struktury typu rdzeń-powłoka (Rys. 3.2.3.2). Natomiast w przypadku polimerów dendrytycznych o budowie rdzeń-powłoka, w których rdzeń ma rozbudowaną, rozgałęzioną budowę, a liczba ramion jest duża (więcej niż 10) często obserwowana jest agregacjado wielordzeniowych klasterów [114, 115] (Rys. 3.2.3.3), co zostało opisane w rozdziale 3.2.3. W celu scharakteryzowania właściwości samoorganizacyjnych kopolimerów gwieździstych i dendrytycznych opisanych w tej pracy przeprowadzono pomiary rozmiarów hydrodynamicznych cząstek w wodzie, który jest selektywnym rozpuszczalnikiem dla bloków tworzących makrocząsteczki oraz w DMF, który jest dobrym rozpuszczalnikiem dla wszystkich bloków kopolimerów. 5.5.1. Właściwości kopolimerów gwieździstych w roztworach wodnych Kopolimery gwieździste o amfifilowych ramionach zbudowanych z poli(eteru tertbutylowo-glicydylowego)-blok-poliglicydolu były rozpuszczalne w wodzie, z wyjątkiem polimerów S 4-1 i S 4-6. W tabeli 5.5.1.1 zebrano promienie hydrodynamiczne cząstek w roztworze wodnym uzyskane z pomiarów DLS. Dodatkowo obliczono promienie konturowe stosując długości wiązań występujących pomiędzy atomami w poli(tlenku etylenu) przyjmując konformację planar zig-zag łańcucha [198]. 96

Tab. 5.5.1.1. Rozmiary czteroramiennych kopolimerów gwieździstych w roztworze wodnym o stężeniu 2 g/l oraz obliczone rozmiary konturowe Kopolimer Promień konturowy [nm] R h [nm] (15 ) S 4-2 7,9 5,1 S 4-3 9,5 5,2 S 4-4 10,1 5,4 S 4-5 11,1 6,5 S 6-1 7,9 5,1 S 6-2 10,6 5,7 Promienie hydrodynamiczne cząstek w roztworze wodnym większe niż 5 nm wskazują, że polimery gwieździste nie istnieją jako unimery lecz jako układy micelarne, w badanym zakresie stężeń. Kopolimery gwieździste opisywane w niniejszej pracy powinny mieć w roztworze wodnym dużo mniejsze rozmiary ze względu na ich małą masę molową i kurczenie się wewnętrznych bloków poli(eteru tert-butylowo-glicydylowego) ze względu na ich hydrofobowy charakter. Promień hydrodynamiczny pojedynczych gwiazd o masach nie przekraczających 12500 g/mol (Tab. 5.2.2.1) powinien być mniejszy niż 3 nm. Promień hydrodynamiczny pojedynczych czteroramiennych makrocząsteczek gwieździstych o ramionach zbudowanych z kopolimeru poli(kwas akrylowy)-blok-polistyren o masach przekraczających 60000 g/mol miał wartość 3,3 nm [107]. Promień konturowy gwiazd przyjmując konformację planar zig-zag ramion jest w każdym przypadku większy niż promień zmierzony. Taka konformacja łańcucha jest jednak nieprawdopodobna i wartości te mają jedynie charakter informacyjny. Intensywność rozpraszania podczas pomiarów promienia hydrodynamicznego kopolimerów gwieździstych w DMF, rozpuszczalniku o dobrym powinowactwie do obu bloków, była bardzo słaba, poniżej progu pomiarowego. Uniemożliwiło to wyznaczenie rozmiarów pojedynczych gwiazd z należytą dokładnością. Znacznie mniejsza intensywność rozpraszania świadczy o zdecydowanie mniejszych rozmiarach cząstek w DMF. Można z dużym prawdopodobieństwem przypuszczać, że w DMF kopolimery gwieździste występują w postaci pojedynczych makrocząsteczek unimolekularnych miceli. 97

5.5.2. Właściwości dendrytycznych kopolimerów gwieździstych w DMF Kopolimery dendrytyczne zbudowane z eteru tert-butylowo-glicydylowego i glicydolu w DMF, dobrym rozpuszczalniku dla wszystkich elementów makrocząsteczki, powinny występować jako unimery. Pomiary dynamicznego rozpraszania światła przeprowadzono dla serii roztworów kopolimerów dendrytycznych w DMF, o stężeniach od 1 do 5 g/l. Rozkłady promieni hydrodynamicznych dla roztworów o stężeniu 2 g/l zmierzone w temperaturze 25 przedstawiono na rysunku 5.5.2.1. 110 100 3-D 90 3-D 50 3-D 69 3-D 36 90 80 intensywność 70 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 R h [nm] Rys. 5.5.2.1. Rozkład promieni hydrodynamicznych dendrytycznych kopolimerów gwieździstych w DMF w temperaturze 25, roztwory o stężeniu 1 g/l Na rysunku widać, że wszystkie czastki w DMF mają wąski i monomodalny rozkład promieni hydrodynamicznych. Na podstawie danych z pomiarów DLS wyznaczono współczynnik dyfuzji będący nachyleniem liniowego dopasowania szybkości relaksacji Γ w funkcji kąta rozpraszania sin 2 θ 2. Przykładowy wykres szybkości relaksacji w funkcji kąta rozpraszania oraz liniowe dopasowanie dla roztworu polimeru 3-D 50 w DMF o stężeniu 2 g/l w 25 przestawiono na rysunku 5.5.2.2. 98

35 30 10-3 x Γ (s -1 ) 25 20 15 10 5 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 sin 2 (θ/2) Rys. 5.5.2.2. Wykres liniowego dopasowania dla zależności szybkości relaksacji od kąta rozpraszania światła dla roztworu polimeru 3-D 50 w DMF o stężeniu 2 g/l w 25 Liniowe dopasowanie współczynnika dyfuzji w funkcji stężenia pozwala wyznaczyć wartość D 0. Przykładową zależność współczynnika dyfuzji od stężenia oraz liniowe dopasowanie dla roztworu polimeru 3-D 50 w DMF w 25 przestawiono na rysunku 5.5.2.3. 8 7 6 10 11 x D [m 2 /s] 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 Stężenie [g/l] Rys. 5.5.2.3. Wykres liniowego dopasowania dla zależności współczynnika dyfuzji od stężenia roztworu, wyznaczony dla polimeru 3-D 50 w DMF w 25 Na podstawie otrzymanych wartości D 0 obliczono promień hydrodynamiczny cząstek z równania Eisteina-Stoksa R h = kt. Dla kopolimerów 3-D 36, 3-D 50, 3-D 69 i 3-D 90 6πηD 0 rozmiary te wynosiły odpowiednio 6,4, 7,2, 7,6, 8,0 nm. Nieduże rozmiary wyznaczone dla kopolimerów o masach dochodzących do 220000 g/mol dowodzą, że opisywane dendrytyczne kopolimery gwieździste w DMF występują w postaci izolowanych pojedynczych cząsteczek unimerów. 99

5.5.3. Właściwości dendrytycznych kopolimerów gwieździstych w wodzie Dendrytyczne kopolimery gwieździste 3-D 50, 3-D 69 i 3-D 90 rozpuszczone w wodzie, tworzyły klarowne roztwory w zakresie stężeń 1-10 g/l. Kopolimer 3-D 36 w podobnych stężeniach tworzył białą emulsję. Roztwór kopolimeru 3-D 36 umożliwiający pomiary dynamicznego rozpraszania światła (lekko opalizujący) udało się uzyskać przy stężeniu 0,1 g/l. Rozkłady promieni hydrodynamicznych uzyskane metodą DLS dla roztworów wodnych kopolimerów 3-D 50, 3-D 69 i 3-D 90 o stężeniu 1 g/l w temperaturze 20 przedstawiono na rysunku 5.5.3.1. 110 100 3-D 90 3-D 69 3-D 50 90 80 70 intensywność 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 R h Rys. 5.5.3.1. Rozkład promieni hydrodynamicznych dendrytycznych kopolimerów gwieździstych w wodzie w temperaturze 20, roztwory o stężeniu 1 g/l Promienie hydrodynamiczne dendrytycznych kopolimerów gwieździstych w DMF i wodzie przedstawiono w tabeli 5.5.3.1. 100

Tab. 5.5.3.1. Promienie hydrodynamiczne dendrytycznych kopolimerów gwieździstych w DMF i wodzie Kopolimer DMF (25 ) a R h [nm] H 2 (20 ) 3-D 36 6,4 260 b 3-D 50 7,2 20,0 c 3-D 69 7,6 9,0 c 3-D 90 8,0 7,2 c a dla roztworów o stężeniu 2 g/l b dla roztworu o stężeniu 0,1 g/l c dla roztworu o stężeniu 1 g/l Promienie hydrodynamiczne struktur zmierzone dla roztworów kopolimeów 3-D 36, 3-D 50, 3-D 69 w wodzie były większe od obserwowanych w DMF. Różnica promieni hydrodynamicznych w wodzie i DMF, który jest dobrym rozpuszczalnikiem dla wszystkich bloków kopolimeru, wskazuje na występowanie w wodzie zagregowanych struktur polimerowych. Natomiast dla kopolimeru 3-D 90 rozmiary obserwowane w wodzie były zbliżone do zmierzonych w DMF. Parametry cząsteczek tworzonych przez dendrytyczne kopolimery gwieździste w wodzie (średnio wagowa masa molowa M w, drugi współczynnik wirialny A 2 ) uzyskano na podstawie pomiarów statycznego rozpraszania światła (tabela 5.5.3.2). Dla kopolimeru 3-D 36 w wodzie w temperaturze 25 pomiary SLS pozwoliły wykreślić siatkę Zimma przedstawioną na rysunku 5.5.3.2 i określić promień bezwładności R g = 205 nm. 101

3 10 8 x Kc/R θ [mol/g] 2 1 0 0 1 2 3 4 5 sin 2 (θ/2)+19151c Rys. 5.5.3.2. Siatka Zimma dla kopolimeru 3-D 36 w wodzie w temperaturze 25, symbole otwarte są wartościami pomiarowymi, symbole pełne są ekstrapolacją wyników eksperymentalnych Rozmiary struktur zmierzone dla kopolimerów 3-D 50, 3-D 69 i 3-D 90 były mniejsze niż 15 nm i nie można było otrzymać zależności Kc w funkcji kąta obserwacji a więc wyznaczyć R θ R g. Parametry (M w, A 2 ) dla tych kopolimerów dendrytycznych uzyskano wykreślając funkcję Debye a w temperaturze 25. Funkcje Debye a dla cząsteczek 3-D 90 i 3-D 50 przedstawiono na rysunku 5.5.3.3. 10 8 10 6 x Kc/R 90 [mol/g] 6 4 2 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Stężenie [g/l] Rys. 5.5.3.2. Wykresy liniowego dopasowania funkcji Debye a (zależność zredukowanej intensywności rozpraszania Kc/R 90 od stężenia) dla cząsteczek 3-D 90 ( ) i 3-D 50 ( ) w wodzie, w temperaturze 25 102

Parametry dendrytycznych kopolimerów gwieździstych uzyskane z pomiarów statycznego rozpraszania światła roztworów tych makrocząsteczek w wodzie w temperaturze 25 zestawiono w tabeli 5.5.3.2. W tabeli podano także liczbę grup hydroksylowych w makrocząsteczce oraz wskaźnik hydrofobowo/hydrofilowy (H b /H f ) obliczony dla tych kopolimerów. Tab. 5.5.3.2. Parametry dendrytycznych kopolimerów gwieździstych uzyskane z pomiarów SLS, w temperaturze 25 Kopolimer Liczba grup H w makrocząsteczce H b /H f M w [g mol -1 ] A 2 [ml/mol g -2 ] N agg 3-D 36 432 2,48 265,0 x 10 6 5,00 x 10-6 2950 3-D 50 725 1,34 664,0 x 10 3 1,25 x 10-4 5,6 3-D 69 897 1,91 335,0 x 10 4 4,23 x 10-5 15,6 3-D 90 1170 1,38 220,0 x 10 3 1,05 x 10-3 1 Liczbę agregacji N agg wyznaczano ze stosunku mas agregatów w wodzie do mas pojedynczych cząsteczek uzyskanych z pomiarów GP-MALLS (rozdział 5.4.2). Liczba agregacji dochodziła do trzech tysięcy w przypadku polimeru o najmniejszej liczbie grup hydroksylowych (3-D 36 ), natomiast w przypadku polimeru o największej liczbie grup hydroksylowych (3-D 90 ) agregacja nie występowała. Duża zawartość grup hydroksylowych w powłoce dendrytycznych kopolimerów gwieździstych jest zatem niezbędna, aby w wodzie mogły one występować w postaci izolowanych makrocząsteczek. Także wartość wskaźnika hydrofobowo/hydrofilowego, wyznaczona jako iloraz masowego udziału elementów hydrofobowych cząsteczki do elementów hydrofilowych (tabela 5.5.2.1), miał związek ze skłonnością makrocząsteczek do samoorganizacji w roztworze wodnym. Polimer 3-D 69 o wyższym wskaźniku hydrofobowości H b /H f w porównaniu z 3-D 50 (tabela 5.5.2.1) agregował w większym stopniu pomimo różnicy w liczbie grup hydroksylowych. Wartość drugiego współczynnika wirialnego A 2 była typowa dla makrocząsteczek o tak dużej masie [27, 199]. 103

5.6. Termoczułość kopolimerów gwieździstych Amfifilowe kopolimery gwieździste zbudowane z blokowych ramion poli(eter tertbutylowo-glicydylowy)-blok-poliglicydol ulegały w wodzie samoorganizacji tworząc struktury micelarne, jak opisano powyżej. Stwierdzono, że podwyższanie temperatury tych roztworów prowadzi do ich mętnienia. Temperaturowo indukowane przejście fazowe związane było z agregacją multimicelarną, podobnie jak to jest obserwowane dla klasycznych miceli (rozdział 3.2.2). Schematycznie temperaturowo indukowaną agregację multimicelarną z poprzedzającą ją micelizacją czteroramiennych kopolimerów gwieździstych przedstawiono na rysunku 5.6.1. micelizacja T agregacja multimicelarna Rys. 5.6.1. Schemat tworzenia agregatów multimicelarnych z czteroramiennych kopolimerów gwieździstych Zjawisko agregacji kopolimerów gwieździstych badano metodami UV-VIS oraz rozpraszania światła. 5.6.1. Temperatura zmętnienia termoczułych czteroramiennych kopolimerów gwieździstych Punkt zmętnienia dla kopolimerów gwieździstych S 4-2, S 4-3, S 4-4, S 4-5 wyznaczono za pomocą spektrometru UV-VIS, przystosowanego do pomiarów zmian transmitancji w funkcji temperatury. Do pomiarów zastosowano roztwory wodne o stężeniu 2 g/l. 104

Nie badano tego procesu dla gwiazd S 4-1 i S 4-6, które nie są rozpuszczalne w wodzie. Przebieg zmian transmitancji w funkcji temperatury przedstawiono na rysunku 5.6.1.1. 110 100 90 Transmitancja (%) 80 70 60 50 40 30 gwiazda S 4-2 S 4-3 S 4-4 20 10 S 4-5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperatura ( o ) Rys. 5.6.1.1. Wykresy zależności transmitancji wodnych roztworów kopolimerów gwieździstych od temperatury, stężenie 2 g/l, długość fali 500 nm Temperatury zmętnienia T cp dla gwiazd S 4-2, S 4-3, S 4-4 oraz S 4-5 uzyskane jako temperatury odpowiadające połowie zmian transmitancji, wynosiły odpowiednio 26,1, 51,1, 62,8 i 69,0. Powiązanie wyników uzyskanych z pomiarów UV-VIS oraz rozpraszania światła wymaga stosowania roztworów o zbliżonych stężeniach. Pomiary rozpraszania światła mogą być poprawnie wykonane dla roztworów o transmitancji na poziomie nie niższym niż 15 % [200], dlatego w pomiarach UV-VIS zastosowano roztwory o stężeniu 2 g/l, dla których transmitancja nie spadała poniżej tej wartości. Bloki poliglicydolu stanowiące zewnętrzną powłokę polimerów gwieździstych były decydującym czynnikiem wpływającym na temperaturę przejścia fazowego. Kopolimer S 4-2, którego bloki poliglicydolu miały średnią długości 11,5 merów, wykazał najniższą temperaturę przejścia fazowego (26,1 ). Najwyższą wartość tej temperatury (69,0 ) osiągnęła gwiazda S 4-5, której łańcuchy ramion zawierały średnio 20,3 merów glicydolu. Szerokość przejścia temperaturowego, w którym zachodziło mętnienie roztworów również była powiązana z udziałem poliglicydolu w ramionach gwiazd. Zmiana transmitancji 105

następowała w wyraźnie mniejszym przedziale temperatur dla gwiazdy S 4-5 w porównaniu z odnotowaną dla kopolimeru S 4-2 (rysunek 5.6.1.1). Temperatury mętnienia polimerów termoczułych mogą zmieniać się ze stężeniem roztworu [201, 202]. Przykładowy przebieg zmian transmitancji dla roztworów polimeru gwieździstego S 4-2 o różnym stężeniu przedstawiono na rysunku 5.6.1.2. 110 100 a 100 b Transmitancja (%) 90 80 70 60 50 40 Transmitancja (%) 80 60 40 20 30 0 20 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperatura ( o ) 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperatura ( o ) stężenia (g/l): 2, 4, 6, 8, 10 Rys. 5.6.1.2. Wykresy zależności transmitancji wodnych roztworów kopolimerów gwieździstych od temperatury o stężeniach od 2 do 10 g/l przy długości fali 500 nm: a) dla kopolimeru S 4-2, b) dla kopolimeru S 4-5 W wypadku gwiazd będących przedmiotem pracy okazało się, że w mierzonym zakresie stężeń wartości T cp są takie same. Roztwory o najwyższym i najniższym stężeniu (10 i 2 g/l) wykazywały jednakową temperaturę przejścia fazowego, tak więc stężenie nie miało wpływu na temperaturę mętnienia polimerów gwieździstych w badanym zakresie. Wzrost stężenia roztworów powodował większe zmiany transmitancji, co jest widoczne na rysunku 5.6.1.2. Dla roztworu kopolimeru S 4-2 o stężeniu 10 g/l transmitancja spada o ok. 70 % w trakcie ogrzewania, natomiast przy stężeniu 2 g/l spadek wynosi zaledwie ok. 25 %. Dla roztworu kopolimeru S 4-5 o stężeniu 10 g/l po przejściu powyżej temperatury zmętnienia transmitancja spada do wartości bliskiej 0 % natomiast dla roztworu o stężeniu 2 g/l transmitancja spada do 16 %. 106

5.6.2. Agregacja termiczna czteroramiennych kopolimerów gwieździstych Rozpraszanie światła przez cząstki w roztworach jest powiązane z rozmiarem cząstek i pozwala na wyznaczenie opisujących je parametrów. Zależności łączące te parametry z intensywnością rozpraszania światła opisano w rozdziale 4.3.4. Pomiary dynamicznego rozpraszania światła przez wodne roztwory kopolimerów gwieździstych pozwoliły wykazać, że w wodzie w temperaturze pokojowej kopolimery te nie występują jaka pojedyncze makrocząsteczki lecz jako struktury micelarne. Podgrzewanie roztworów tych struktur micelarnych powoduje, powyżej temperatury zmętnienia, pojawienie się większych struktur zagregowanych. Przykładowy rozkład rozmiarów cząstek poniżej i powyżej temperatury zmętnienia przedstawiono na rysunku 5.6.2.1. 100 80 20 o 40 o intensywność 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 R h 90 [nm] Rys. 5.6.2.3. Wykres rozkładu promieni hydrodynamicznych cząstek przed przejściem fazowym (20 ) i po przejściu fazowym (40 ) dla polimeru gwieździstego S 4-2 Zarówno poniżej temperatury przejścia fazowego jak i powyżej zachowany jest monomodalny rozkład promieni hydrodynamicznych cząstek. Dyspersja rozmiarów cząstek w pomiarach DLS wyrażona jest wzorem 5.6.3.1: 107

μ 2 Γ 2 =PDI (5.6.3.1) gdzie: Γ średnia szybkość relaksacji, µ drugi moment funkcji Γ [203], PDI dyspersja rozmiarów cząstek. Ekstrapolacja funcji współczynnika dyfuzji w zależności od stężenia D=f(c) do zerowego stężenia pozwala wyznaczyć wartość D 0 i R h = kt. Funkcję D=f(c) dla polimeru 6πηD 0 S 4-2 przedstawiono na rysunku 5.6.2.2. 6 5 4 D x 10 11 [m 2 /s] 3 2 1 0 2 4 6 8 10 [g/l] Rys. 5.6.2.2. Wykres zależności współczynnika dyfuzji od stężenia dla polimeru S 4-2 w temperaturze 15 (liniowe dopasowanie przedstawiono jako linię przerywaną) Współczynnik dyfuzji dla kopolimerów gwieździstych poniżej przejścia fazowego, wyznaczono z nachylenia wykresu szybkości relaksacji w funkcji kąta rozpraszania wyrażonej jako sin 2 θ. Szybkość relaksacji Γ w funkcji kąta rozpraszania 2 sin2 θ dla 2 polimeru S 4-2 przedstawiono na rysunku 5.6.2.3. 108

20000 15000 Γ (s -1 ) 10000 5000 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 sin 2 (Θ/2) Rys. 5.6.2.3. Wykres zależności szybkości relaksacji w funkcji kąta rozpraszania sin 2 θ 2 (liniowe dopasowanie przedstawiono jako linię przerywaną) dla polimeru S 4-2 Powyżej przejścia fazowego nie można było wyznaczyć D 0, ponieważ zmiany stężenia powodowały zmianę rozmiarów cząstek. Promienie hydrodynamiczne agregatów powstających powyżej przejścia fazowego, w związku z zależnością ich wartości od stężenia, są wyznaczane dla wszystkich kopolimerów jako wielkości pozorne R h app kt 6πηD dla stężenia 2g/L. Wywołane wzrostem temperatury zmiany rozmiarów cząstek czteroramiennych kopolimerów gwieździstych przedstawiono na rysunku 5.6.2.4. promień hydrodynamiczny [nm] 140 120 100 80 60 40 20 a S 4-2 S 4-3 S 4-4 S 4-5 promień hydrodynamiczny [nm] 100 80 60 40 20 b stężenie roztworu polimeru S 4-2 [g/l] 10 8 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Temperatura [ o ] 15 20 25 30 35 40 45 50 Temperatura [ o ] Rys. 5.6.2.4. Wykres zależności promienia hydrodynamicznego czteroramiennych kopolimerów gwieździstych a) w funkcji temperatury dla roztworów o stężeniu 2 g/l (powyżej temperatury przejścia fazowego wyznaczono wartość R app h ), b) w funkcji temperatury dla polimeru S 4-2 przy różnych stężeniach roztworu 109

Wartości promieni hydrodynamicznych cząstek tworzonych przez kopolimery gwieździste poniżej oraz powyżej temperatury przejścia fazowego wraz z dyspersją rozmiarów (PDI) zebrano w tabeli 5.6.2.1. Tab. 5.6.2.1. Parametry cząstek tworzonych przez czteroramienne kopolimery gwieździste w wodzie uzyskane z pomiarw UV-VIS oraz DLS Kopolimer T cp ( ) R h (nm) (15 ) PDI R h app (nm) a (75 ) PDI S 4-2 26,1 5,1 0,07 80 b 0,13 b S 4-3 51,1 5,2 0,07 107 0,08 S 4-4 62,8 5,4 0,06 110 0,07 S 4-5 69,0 6,5 0,04 132 0,14 a dla roztworów o stężeniu 2g/L b zmierzone przy 40 Właściwości czteroramiennych kopolimerów gwieździstych w roztworach wodnych poniżej temperatury przejścia fazowego omówiono w rozdziale 5.5.1. Wartości pozorne promienia hydrodynamicznego R app h, mierzone powyżej temperatury przejścia fazowego, wzrastały wraz ze wzrostem stężenia roztworu od 80 do 93 nm dla kopolimeru S 4-2, od 107 do 124 nm dla kopolimeru S 4-3, od 111 do 132 nm dla kopolimeru S 4-4 oraz od 133 do 167 nm dla kopolimeru S 4-5. Rozmiary agregatów, dla wybranego stężenia, zależą od długości ramion gwiazdy i rosną wraz ze wzrostem długości bloków poliglicydolowych. 5.6.3. Kształty agregatów tworzonych przez termoczułe czteroramienne kopolimery gwieździste prawdopodobnym kształcie, jaki przyjmują struktury powstające przez samoorganizację kopolimerów gwieździstych w roztworach wodnych, można wnioskować znając współczynnik kształtu ρ [119, 120], który dany jest wzorem: ρ=. Promienie bezwładności (R g ) struktur tworzonych przez kopolimery gwieździste w wyniku ich agregacji 110

indukowanej temperaturowo przekraczały 15 nm, a więc możliwy był pomiar tych rozmiarów techniką statycznego rozpraszania światła (SLS). Wyniki pochodzące z pomiarów promieni hydrodynamicznych (R h ) metodą DLS oraz promieni bezwładności (R g ) metodą SLS struktur tworzonych przez czteroramienne kopolimery gwieździste w roztworach wodnych zamieszczono w tabeli 5.6.3.1. Tab. 5.6.3.1. Parametry roztworów wodnych termoczułych, czteroramiennych polimerów gwieździstych kopolimer R app h (nm, 75 ) a R g (nm, 75 ) ρ S 4-2 80 b 63 b 0,79 S 4-3 107 82 0,77 S 4-4 110 85 0,77 S 4-5 132 104 0,79 a dla roztworów o stężeniu 2g/L b zmierzone przy 40 Wartości współczynnika kształtu były zbliżone do 0,775 dla wszystkich kopolimerów gwieździstych. Świadczy to, że powstające w roztworach wodnych, powyżej temepratury przejścia fazowego agregaty przyjmują kształt gęsto upakowanej kuli [119, 120]. 5.6.4. Termoczułość sześcioramiennych kopolimerów gwieździstych Badania wpływu temperatury na zachowanie kopolimerów gwieździstych w roztworach wodnych przeprowadzono również dla gwiazd z sześcioma ramionami S 6-1 i S 6-2. Badania UV-VIS roztworów wodnych tych kopolimerów o stężeniach od 2 do 10 g/l przeprowadzono podobnie jak w przypadku czteroramiennych kopolimerów gwieździstych. Nie obserwowano jednak mętnienia roztworów w zakresie temperatur 5-95. Badania rozmiarów cząstek w roztworach metodą DLS (rozdział 5.5.1) pokazały, że prawdopodobnie w roztworze występują micele zbudowane z kopolimerów gwieździstych, tak jak w przypadku gwiazd czteroramiennych. Nie obserwowano natomiast temperaturowo 111

indukowanej agregacji tych miceli do struktur wielomicelarnych pomimo podobnej do czteroramiennych budowy ramion gwiazd sześcioramiennych,. Lepsza osłona hydrofobowych bloków wewnętrznych przez bloki hydrofilowe prawdopodobnie zapobiegała agregacji do cząstek o większych rozmiarach. 5.7. Termoczułość dendrytycznych kopolimerów gwieździstych Dendrytyczne kopolimery gwieździste występowały w roztworach wodnych w temperaturze pokojowej w postaci zagregowanej, za wyjątkiem polimeru 3-D 90, co opisano w rozdziale 5.5.2.2. Podwyższanie temperatury roztworów kopolimerów 3-D 50 i 3-D 69 powodowało ich mętnienie, natomiast roztwór kopolimeru 3-D 90 nie wykazywał żadnych zmian. Mętnienie roztworów spowodowane było temperaturowo indukowaną agregacja multimicelarną. Temperaturowo indukowane przejście fazowe badano z wykorzystaniem metod UV-VIS oraz rozpraszania światła. 5.7.1. Temperatura zmętnienia dendrytycznych kopolimerów gwieździstych Pomiary temperatury mętnienia roztworów wodnych dendrytycznych kopolimerów gwieździstych zbudowanych z eteru tert-butylowo-glicydylowego i glicydolu (schemat 5.3.1) prowadzono metodą UV-VIS. Do pomiarów stosowano roztwory o stężeniu 1 g/l. Kopolimer 3-D 36 tworzył w wodzie zawiesinę, która wykazywała zerową transmitancję w badanym zakresie stężeń, dlatego nie wykonywano dla tego kopolimeru pomiarów UV-VIS. Przebieg zmian transmitancji dla wodnych roztworów kopolimerów 3-D 50, 3-D 69 i 3-D 90 przedstawiono na rysunku 5.7.1.1. 112

100 3-D 90 Transmitancja przy 500 nm (%) 95 90 85 temperatura zmętnienia 3-D 69 80 3-D 50 10 20 30 40 50 60 70 80 Temperatura ( o ) Rys. 5.7.1.1. Przebieg zmian transmitancji w funkcji temperatury dla roztworów wodnych dendrytycznych kopolimerów gwieździstych 3-D 50, 3-D 69, 3-D 90, o stężeniu 1 g/l, mierzony przy długości fali 500 nm Temperaturę zmętnienia wyznaczono jako punkt, przy którym transmitancja osiągała połowę całej wartości zmiany. Wyniki pomiarów zestawiono razem z liczbą grup hydroksyllowych w cząsteczce i wskaźnikiem hydrofilowo/hydrofobowym H b /H f w tabeli 5.7.1.1. Tab. 5.7.1.1. Parametry dendrytycznych kopolimerów gwieździstych uzyskane z pomiarów DLS i SLS w temperaturze 25 Kopolimer Liczba grup H H b /H f Temperatura przejścia fazowego ( ) 3-D 36 432 2,48 0 do 70 3-D 50 725 1,34 39 3-D 69 897 1,91 45 3-D 90 1170 1,38 klarowny roztwór od 0 do 80 Termoczułość dendrytycznych kopolimerów gwieździstych w wodzie, jak wynika z obserwowanych zmian, zależy głównie od ilości grup hydroksylowych w zewnętrznej, hydrofilowej powłoce. Roztwór kopolimeru o najmniejszej liczbie grup hydroksylowych 3-D 36 był mętny nawet w temperaturze 0, natomiast roztwór kopolimeru o największej 113

liczbie grup hydroksylowych 3-D 90 był klarowny nawet w temperaturze 80. Temperatura zmętnienia dla makrocząsteczek zawierających mniej grup hydroksylowych (3-D 50, tabela 5.7.1.1) była niższa w porównaniu z kopolimerem zawierającym więcej tych grup (3-D 69, tabela 5.7.1.1). Wskaźnik hydrofobowo/hydrofilowy nie wykazał korelacji z wartościami temperatury przejścia fazowego w przeciwieństwie do zależności rozmiarów cząstek w roztworach w temperaturze pokojowej (rozdział 5.5.3). 5.7.2. Agregacja dendrytycznych kopolimerów gwieździstych Wielkości dendrytycznych kopolimerów gwieździstych poniżej temperatury zmętnienia omówiono w rozdziałach 5.5.2 i 5.5.3 dotyczących zachowania kopolimerów w wodzie i DMF. Podgrzewanie roztworów tych makrocząsteczek powodowało wzrost rozmiarów cząstek obserwowanych w roztworach wodnych. Przykładowy rozkład rozmiarów cząstek dla kopolimeru 3-D 50 poniżej i powyżej temperatury zmętnienia przedstawiono na rysunku 5.7.2.1. 100 90 80 25 o 60 o intensywność 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 90 R h [nm] Rys. 5.7.2.1. Wykres rozkładu promieni hydrodynamicznych cząstek w roztworze wodnym poniżej temperatury zmętnieniaa (25 ) i powyżej temperatury zmętnienia (60 ) dla dendrytycznego kopolimeru gwieździstego 3-D 50 114

Zarówno poniżej temperatury zmętnienia (25 ) jak i powyżej tej temperatury (60 ) w roztworze wodnym zachowany jest monomodalny rozkład promieni hydrodynamicznych cząstek. Temperaturową zależność promienia hydrodynamicznego (R app h ) dla kopolimerów 3-D 50, 3-D 69 oraz 3-D 90 uzyskano z pomiarów DLS prowadzonych dla kąta rozpraszania 90 i roztworów wodnych o stężeniu 1 g/l w zakresie temperatur 25-55. Nie udało się wyznaczyć rozmiarów makrocząsteczek 3-D 36 w podwyższonej temperaturze z powodu nadmiernego pochłaniania światła nawet przy stężeniu 0,001 g/l. Zmiany rozmiarów, wyrażone w wartościach promienia hydrodynamicznego, dla kopolimerów 3-D 50, 3-D 69 oraz 3-D 90 w funkcji temperatury przedstawiono na rysunku 5.7.2.2. 100 (a) 3-D 50 (b) 15.0 3-D 69 80 12.5 90 R h [nm] 60 90 R h [nm] 10.0 40 7.5 20 10 20 30 40 50 60 Temperatura [ o ] 5.0 20 30 40 50 60 Temperatura [ o ] 3-D 90 Rys. 5.7.2.2. Zmiany promienia hydrodynamicznego makrocząsteczek a) 3-D 50, b) 3-D 69, 3-D 90, w roztworach wodnych, wywołane zmianą temperatury, przedstawione w postaci punktów pomiarowych oraz najlepsze dopasowanie funkcyjne Promień hydrodynamiczny dendrytycznych kopolimerów gwieździstych, wyznaczony poniżej i powyżej temperatury przejścia fazowego zestawiono w tabeli 5.7.2.1 razem z liczbą grup hydroksylowych makrocząsteczek oraz wskaźnikiem hydrofobowo/hydrofilowym. 115

Tab. 5.7.2.1. Promienie hydrodynamiczne dendrytycznych kopolimerów gwieździstych uzyskane z pomiarów DLS w wodzie R app h (nm) Kopolimer Liczba grup H H b /H f H 2 25 o 55 o 3-D 36 432 2,48 260-3-D 50 725 1,34 20,0 89,0 3-D 69 897 1,91 9,0 17,1 3-D 90 1170 1,38 7,6 6,8 Promień hydrodynamiczny kopolimeru 3-D 50 wzrastał około 4,5 razy dla makrocząstek zagregowanych w porównaniu z promieniem zaobserwowanym poniżej temperatury przejścia fazowego (rysunek 5.7.2.2.a). Stabilizacja rozmiarów agregatów (90 nm) następowała po osiągnięciu temperatury 43. Wyniki te są zgodne z uzyskanymi w pomiarach przejścia fazowego metodą UV-VIS. Dla makrocząsteczek 3-D 50 odnotowano największą zmianę transmitancji roztworu (rysunek 5.7.1.1). Promień hydrodynamiczny agregatów powstających w wyniku samoorganizacji makrocząsteczek 3-D 69 powyżej temperatury przejścia fazowego osiągał wartość 17,1 nm. Agregaty makrocząsteczek 3-D 69 powstające pod wpływem wzrostu temperatury były znacznie mniejsze niż agregaty cząstek 3-D 50 (rysunek 5.7.2.1.b), co miało również wpływ na mniejsze zmiany transmitancji roztworu (rysunek 5.7.1.1). Mniejsze rozmiary agregatów kopolimeru 3-D 69 wynikają z większej liczby grup hydroksylowych tych makrocząsteczek, co wpływało na lepszą stabilizację struktur o mniejszych rozmiarach. 5.7.3. Parametry struktur zagregowanych powstających z dendrytycznych kopolimerów gwieździstych Pomiary roztworów wodnych dendrytycznych kopolimerów gwieździstych powyżej temperatury zmętnienia metodą statycznego rozpraszania światła pozwoliły wyznaczyć średnio wagowe masy molowe M w, promienie bezwładności R g oraz drugi współczynnik wirialny A 2. Pomiary prowadzono w temperaturze 55 stosując metodę ekstrapolacji Zimma do opracowania uzyskanych wielkości natężenia rozpraszania. 116

Przykładową siatkę Zimma wykreśloną dla kopolimeru 3-D 69 w temperaturze 60 przedstawiono na rysunku 5.7.3.1. 2.00E-007 1.80E-007 Kc/ΔR θ [mol/g] 1.60E-007 1.40E-007 1.20E-007 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 sin 2 (θ/2)+29c Rys. 5.7.3.1. Siatka Zimma dla kopolimeru 3-D 69 w wodzie w temperaturze 60, symbole pełne są wartościami pomiarowymi, symbole otwarte są ekstrapolacją wyników eksperymentalnych Pomiarów tych nie wykonano dla makrocząsteczek 3-D 36, dla których ze względu na zbyt silne mętnienie roztworów nie było możliwości przeprowadzenia analizy SLS. Na podstawie wartości średnio wagowych mas molowych M w uzyskanych z pomiarów SLS oraz wartości mas molowych izolowanych makrocząsteczek M w uni otrzymanych z pomiarów opisanych w rozdziale 5.4.2 obliczono liczbę agregacji N agg = M w M w uni powstających struktur. Dla kopolimerów 3-D 50 i 3-D 69 obliczono także parametr kształtu ρ= R g R h. Uzyskane wyniki, wraz z ich porównaniem do opisanych w rozdziale 5.5.3 parametrów struktur występujących w roztworach w temperaturze pokojowej zestawiono w tabeli 5.7.3.1. 117

Tab. 5.7.3.1. Parametry uzyskane z pomiarów SLS dla dendrytycznych kopolimerów gwieździstych w wodzie, w różnych temperaturach oraz wartości obliczone z wykorzystaniem tych parametrów Kopolimer Temperatura ( ) 3-D 50 3-D 69 3-D 90 a wyniki uzyskane metodą Debye a M w (g/mol -1 ) A 2 (ml/mol g -2 ) R g (nm) ρ N agg 25 66,4 x 10 4a 1,25 x 10-4a 5,6 55 670,0 x 10 4-0,51 x 10-4 69,1 0,78 57 25 335,0 x 10 4a 0,42 x 10-4a 15,6 55 845,0 x 10 4 0,67 x 10-4 16,3 0,95 39,3 25 22,0 x 10 4a 10,5 x 10-4a 1 55 22,0 x 10 4a 10,5 x 10-4a - 1 Ujemna wartość drugiego współczynnika wirialnego A 2 dla kopolimeru 3-D 50 wskazywała na słabe oddziaływanie tworzonych przez niego agregatów z wodą. Parametr kształtu dla tego kopolimeru o wartości 0,78 wskazuje, że agregaty mają strukturę zwartej, gęstej sfery. Kopolimer 3-D 69 poniżej temperatury zmętnienia tworzy struktury o liczbie agregacji 15,6, natomiast powyżej tej temperatury liczba agregacji wzrasta do 39,3, tak więc temperaturowo indukowana agregacja prowadzi w przypadku tego kopolimeru do połączenia tylko niewielu miceli ( 2,5). Współczynnik kształtu struktur powstających powyżej temperatury zmętnienia o wartości 0,95 jest bliski wartości teoretycznej dla luźnej sfery [204]. Kopolimer 3-D 90 nie agregował w roztworze wodnym w badanym zakresie temperatur. działywanie dużej liczby grup hydroksylowych zewnętrznej powłoki unimerów z wodą zapobiegało sklejaniu się pojedynczych makrocząsteczek. Związana z tym wartość współczynnika A 2 jest wyższa o kilka rzędów wielkości w porównaniu z wartością dla makrocząsteczek ulegających agregacji (tabela 5.7.3.1). Masa molowa M w, wyznaczona dla kopolimeru 3-D 90 w wodzie, w temperaturze 25 oraz 55 (tabela 5.7.3.1), była porównywalna z masą wyznaczoną na podstawie analizy GP-MALLS oraz 1 H NMR (tabela 5.4.2.2). 118

5.8. brazowanie gwieździstych i dendrytycznych kopolimerów eteru tert-butylowo-glicydylowego i glicydolu 5.8.1. brazowanie agregatów kopolimerów gwieździstych metodą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) zteroramienne kopolimery gwieździstee w roztworach wodnych występują jako układy miecelarne, które po podgrzaniu powyżej temperatury zmętnienia tworząą wielomicelarne agregaty, jak opisano w rozdziale 5.6.2. bserwację zagregowanych cząstek prowadzono za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Roztwory wodne kopolimerów o stężeniu 0,,01 g/l podgrzane powyżej temperatury zmętnienia nanoszono na powierzchnię i suszono. Nie było możliwe przygotowanie próbek z roztworów o stężeniach stosowanych w pomiarach DLS (2 g/l), ponieważ na powierzchni powstawały gładkie filmy bez mierzalnych obiektów. Po wysuszeniu próbki pokrywano warstwą przewodzącąą (złoto, ~3nm), umożliwiającą obserwację nieodpornych na wiązkę elektronową makrocząstekk w klasycznym, wysokopróżniowym trybie SEM. brazy mikroskopowe, uzyskane dla kopolimerów S 4 4-5 i S 4-4, przedstawiono na rysunku 5.8.1.1. S 4-5 S 4-4 Rys. 5.8.1.1. brazy mikroskopowe, uzyskane techniką wysokopróżniowej mikroskopii skaningowej, dla agregatów powstających z czteroramiennych kopolimerów gwieździstych S 4-5 i S 4-4 119

Na obrazach mikroskopowych widoczne są cząstki o kształcie zbliżonym do kuli mające niejednakowe rozmiary. Jako promienie uzyskane metodą SEM przyjęto średnią arytmetyczną z promieni cząstek widocznych na obrazach. Dla agregatów kopolimeru S 4-4 promień wynikający z pomiarów SEM wyniósł 120 nm, natomiast dla S 4-5 promień ten wyniósł 155 nm. Promienie hydrodynamiczne zmierzone metodą DLS dla tych gwiazd w wodzie, powyżej temperatury zmętnienia wyniosły odpowiednio 110 nm i 132 nm (tabela 5.6.2.1). Większe promienie cząstek, zaobserwowane na obrazach mikroskopowych, w porównaniu z wartościami promieni hydrodynamicznych uzyskanymi metodą DLS są prawdopodobnie spowodowane rozpłaszczaniem się agregatów na powierzchni w trakcie suszenia. brazy uzyskane dla agregatów kopolimerów S 4-2 i S 4-3 nie pozwoliły na dokładny pomiar średnic cząstek. 5.8.2. brazowanie dendrytycznych kopolimerów gwieździstych metodą mikroskopii sił atomowych (AFM) Dendrytyczne kopolimery gwieździste 3-D 50 i 3-D 69 w roztworach wodnych w temperaturze pokojowej tworzą struktury micelarne natomiast powyżej temperatury zmętnienia agregują do struktur wielomicelarnych. W przypadku kopolimeru 3-D 90 w roztworze wodnym w całym zakresie temperatur mamy do czynienia z pojedynczymi unimerami (rozdział 5.5.3). Struktury te naniesione na powierzchnię obserwowano metodą mikroskopii sił atomowych. Próbki do pomiarów sporządzono z roztworów wodnych w temperaturze pokojowej o stężeniu 0,001 g/l metodą rozwirowania z jednoczesnym odparowaniem (spin-coating). Nie było możliwe przygotowanie próbek do pomiarów AFM z roztworów o stężeniach zbliżonych do zastosowanych w pomiarach DLS (1 g/l) ponieważ na powierzchni powstawały gładkie filmy uniemożliwiające identyfikację pojedynczych cząstek brazy uzyskane w trybie z przerywanym kontaktem (tapping mode) przedstawiono na rysunku 5.8.2.1. 120

3-D 69 3-D 90 promień = 21,5 nm średnica = 12,7 nm Rys. 5.8.2.1. brazy uzyskane metodą AFM, w trybie z przerywanym kontaktem dla cząstek polimerów 3-D 69 i 3-D 90 naniesionych na powierzchnie szklane brazy uzyskane dla kopolimerów 3-D 50 i 3-D 69 przedstawiają struktury o kształtach zbliżonych do kuli i różnych rozmiarach. Pomiary przekroju na płaszczyźnie poziomej pozwoliły na oszacowanie wielkości cząstek. Dla kopolimeru 3-D 69 promień obserwowanej na obrazach AFM struktury wynosi 21,5 nm, a dla kopolimeru 3-D 90 12,7 nm. Promienie hydrodynamiczne zmierzone w wodzie, w temperaturze 25 metodą DLS są mniejsze i wynoszą odpowiednio 9,0 nm i 7,2 nm (tabela 5.7.2.1). Różnice rozmiarów uzyskanych metodą AFM w porównaniu z wynikami z rozpraszania światła mogą być spowodowane oddziaływaniem cząstek z powierzchnią i rozpłaszczaniem się. brazy uzyskane dla kopolimeru 3-D 50 nie pozwoliły na dokonanie pomiarów, nawet dla próbki przygotowanej z roztworów o stężeniu (1 10-5 g/l). W przypadku tego kopolimeru na powierzchni szkła obserwowano duże cząstki niemożliwe do identyfikacji. Kopolimer 3-D 36 tworzył na powierzchni szkiełek gładki film bez mierzalnych obiektów. 121

5.8.3. brazowanie dendrytycznych kopolimerów gwieździstych metodą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) Dendrytyczne kopolimery gwieździste oraz agregaty przez nie tworzone obserwowano także metodą TEM. Do przygotowania próbek zastosowano roztwory wodne kopolimerów o stężeniu 1 g/l, więc takim jak zastosowano w pomiarach rozmiarów metodą DLS. Zarejestrowane obrazy przedstawiono na rysunku 5.8.3.1. a 3-D 69 b 3-D 69 60 c 3-D 50 60 d 3-D 90 Rys. 5.8.3.1. brazy uzyskane metodą TEM a) struktury micelarne tworzone przez kopolimer 3-D 69 poniżej temperatury mętnienia, b) agregaty wielomicelarne utworzone powyżej 60 przez kopolimer 3-D 69, c) agregaty wielomicelarne utworzone powyżej 60 przez kopolimer 3-D 50, d) izolowane makrocząsteczki 3-D 90 w temperaturze pokojowej 122