Degradable polymers containing labile pyridinylalkyl ester groups in the monomer unit, cross-linker, initiator or inimer

Abstract

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματεύεται το σχεδιασμό, τη σύνθεση, τον πολυμερισμό και τη μελέτη της σταθερότητας μίας οικογένειας εννέα ομόλογων μονομερών μεθακρυλικών πυριδινυλαλκυλεστέρων και μερικών συναφών μονομερών, καθώς και τριών ενώσεων βασισμένων στο διεστέρα της 2,6-δισ(υδροξυαιθυλο)πυριδίνης: ένα διασπώμενο διασταυρωτή, ένα διασπώμενο διδραστικό εκκινητή, και ένα διασπώμενο ίνιμερ. Οι ομόλογοι μεθακρυλικοί πυριδινυλαλκυλεστέρες διέφεραν ως προς τη θέση του ατόμου του αζώτου στο δακτύλιο της πυριδίνης (2-, 3- ή 4-πυριδίνη) ή/και το μήκος της συνδετικής ομάδας (από μέθυλο- μέχρι και πρόπυλο-) μεταξύ του εστέρα και της πυριδίνης. Τα πολυμερή των ομόλογων μεθακρυλικών πυριδινυλαλκυλεστέρων μελετήθηκαν ως προς τη θερμική σταθερότητά τους, αλλά και την υδρολυτική τους σταθερότητα κάτω από αλκαλικές και όξινες συνθήκες. Όλα τα ομόλογα πολυμερή ήταν σταθερά σε συνθήκες όξινης υδρόλυσης, αλλά ήταν μερικώς ή πλήρως ασταθή σε συνθήκες αλκαλικής υδρόλυσης ή θερμόλυσης, με διάσπαση της πλευρικής πυριδινυλαλκυλομάδας. Τα τρία ισομερή ομόλογα πολυμερή που φέρουν αιθυλομάδα μεταξύ του εστέρα και της πυριδίνης διασπάστηκαν πλήρως κάτω από αλκαλικές συνθήκες ή θερμικά σχηματίζοντας πολυ(μεθακρυλικό οξύ) (poly(methacrylic acid), pMAA) και την αντίστοιχη βινυλοπυριδίνη, ενώ τα υπόλοιπα έξι ομόλογα πολυμερή των μεθακρυλικών πυριδινυλαλκυλεστέρων διασπάστηκαν μερικώς προς pMAA και την αντίστοιχη υδροξυαλκυλοπυριδίνη. Τα υπόλοιπα έξι ομόλογα πολυμερή ήταν θερμικά πιο σταθερά από τα τρία προαναφερθέντα ισομερή ομόλογα πολυμερή με τις πυριδινυλαιθυλομάδες. Επιπλέον, συντέθηκαν και κάποια συναφή πολυμερή, των οποίων η χημική δομή είναι παρόμοια με αυτή του πολυ(μεθακρυλικού 2-(πυριδιν-2-υλ)αιθυλεστέρα) (poly(2-(pyridin-2-yl)ethyl methacrylate), p2PyEMA), όπου όμως είχε αντικατασταθεί το άτομο του αιθερικού οξυγόνου του εστέρα με άζωτο ή θείο δίνοντας αμίδιο ή θειεστέρα, ή ο δακτύλιος της πυριδίνης με αυτόν του βενζολίου, ή είχε αυξηθεί η υποκατάσταση στην ομάδα που συνδέει τον εστέρα και την πυριδίνη, με την προσθήκη μίας ή δύο μεθυλομάδων στον άνθρακα της θέσης 2 του αιθυλεστέρα. Αυτά τα πολυμερή ήταν σταθερότερα, τόσο θερμικά όσο και υδρολυτικά, από το p2PyEMA, με το πολυαμίδιο να είναι εξαιρετικά σταθερό. Ακολούθως, συντέθηκαν και μελετήθηκαν συμπολυμερή του 2PyEMA με το μεθακρυλικό 2-τετραϋδροπυρανυλεστέρα (tetrahydro-2H-pyran-2-yl methacrylate, THPMA), μονομερές γνωστό για την αστάθειά του σε όξινες συνθήκες. Με αυτή τη μελέτη αποδείχτηκε η αμοιβαία εκλεκτική («ορθογωνική») αποπροστασία των μονάδων του 2PyEMA και του THPMA. Επιπλέον, τα πολυμερή που έφεραν το διασταυρωτή, το ίνιμερ, ή το διδραστικό εκκινητή, ενώσεις βασισμένες στη 2,6-δισ(υδροξυαιθυλο)πυριδίνη, διασπώνται θερμικά ή υδρολυτικά σε αλκαλικές συνθήκες στις ευαίσθητες μονάδες του διεστέρα της διόλης, μετατρέποντας υπερδιακλαδισμένα πολυμερή, γραμμικά πολυμερή, και διασυνδεδεμένα στα άκρα πολυμερικά πλέγματα σε γραμμικά πολυμερή, γραμμικά πολυμερή με το μισό μοριακό βάρος από το αρχικό, και αστεροειδή πολυμερή, αντίστοιχα. Όλα τα παραπάνω, αποτελούν μία καινούρια πλατφόρμα μορίων τα οποία αναμένεται να είναι χρήσιμα στη μακρομοριακή μηχανική, παρέχοντας νέες προστατευτικές ομάδες για την ομάδα του καρβοξυλικού οξέος, ή, αντίθετα, πιο σταθερές επαναλαμβανόμενες μονομερικές μονάδες, ή, τελικά, καινοτόμα διασπώμενα σημεία διακλάδωσης.

This PhD Thesis is concerned with the design, synthesis, polymerization, and stability of a series of nine pyridinylalkyl methacrylate monomers and related monomers, as well as three compounds based on 2,6-pyridinediethanol diesters: a degradable cross-linker, a degradable bifunctional initiator and a degradable inimer. The pyridinylalkyl methacrylates were homologues differing in the position of the nitrogen atom in the pyridine ring (2-, 3- or 4-pyridine) or/and in the length of the spacer (from methyl to propyl) between the ester moiety and the pyridine ring. The thermal and hydrolytic stability under alkaline and acidic hydrolysis conditions of the pyridinylalkyl methacrylate homologous polymers was investigated. All polymer homologues were stable under acidic hydrolysis conditions, but presented partial or complete lability to alkaline hydrolysis conditions or thermally, as manifested by the cleavage of the pyridinylalkyl side-group. The three isomeric polymer homologues bearing an ethyl spacer were fully cleaved under alkaline hydrolysis or thermolysis conditions yielding poly(methacrylic acid) (pMAA) and the corresponding vinylpyridine, while the other six poly(pyridinylalkyl methacrylate) homologues were partially cleaved to pMAA and the corresponding hydroxyalkylpyridine. The other six polymer homologues were thermally more stable than the three above-mentioned isomeric polymer ethyl homologues. Additionally, some related polymers were also synthesized, whose chemical structure was similar to that of poly(2-(pyridin-2-yl)ethyl methacrylate) (p2PyEMA), but having a non-ester side-group by replacing the ester linkage for amide or thioester, or a non-pyridine aromatic group by replacing the pyridine ring for a benzene ring, or a substituted ethyl ester spacer, by introducing one or two methyl groups on the carbon at 2-position in the ethyl spacer. These related polymers were more stable than p2PyEMA both toward thermolysis and alkaline hydrolysis conditions, with the polyamide homologue being extremely stable. Subsequently, by preparing and studying the copolymers of 2PyEMA with tetrahydro-2H-pyran-2-yl methacrylate (THPMA), a well-known acid labile monomer, it was proven that the 2PyEMA and THPMA units are orthogonally deprotectable. Finally, polymers bearing the cross-linker, inimer, or bifunctional initiator based on 2,6-pyridinediethanol were shown to cleave under thermolysis or alkaline hydrolysis conditions at the sensitive diester moieties of the diol, converting hyperbranched polymers, linear polymers and end-linked polymer networks to linear polymers, linear polymers with half the initial molecular weight, and star polymers, respectively. All the above, newly-developed monomers, cross-linker, inimer, and bifunctional initiator form a new platform of molecules which are expected to be useful for macromolecular engineering, so as to provide novel carboxylic acid group protection, or, conversely, more stable monomer repeating units, or, finally, novel cleavable branching points.