Controlled Synthesis Pathways Towards Precision Design of Tailor-Made PPVs

Abstract

Poly(p-phenylene vinylenes) (PPVs) and their derivatives are one of the most studied conjugated materials over the last decades. Although originally used in electronic applications, more recent developments opened a variety of application pathways for PPVs in the area of biosensors and biomedical research. The excellent fluorescent properties and low charge carrier mobility of PPVs make them ideal candidates to replace existing bioimaging agents such as organic fluorescent markers. In this thesis the mechanistic understanding of the PPV synthesis pathway, ultimately leading to the use of PPV materials in theranostic applications is presented. In first instance, focus was placed on the controlled synthesis of (MDMO)-PPVs via the radical sulfinyl route through the use of a chain transfer agent (CTA). Polymerizations are characterized by systematic variation, leading to a negative activation energy upon the use of CBr4 as CTA. High-end group fidelity of the CBr4- derived PPVs via the sulfinyl route was proven via chain extension experiments using atom transfer radical polymerization (ATRP) reaction conditions. In addition, copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC) was used to successfully synthesize PPV (tri) block copolymer structures. Despite these achievements, the synthesis of complex macromolecular structures via the anionic sulfinyl route was investigated simultaneously, leading to an easy and more efficient way to synthesize PPV block copolymers via a ‘living’ method. Hence, focus was shifted towards the anionic route and amphiphilic PPV block copolymers were targeted by using post-polymerization methods or the use of a hydrophilic non-PPV block. One way to realize this was by combining (MDMO)-PPV with the ester functionalized (CPM)-PPV, leading to copolymers with an ester in the side chain. Postpolymerization reactions on this side chain were easily realized by hydrolysis (water soluble) or functionalization into an alkyne (e.g. grafting reactions), alkene (e.g. thiol-ene reactions) or PEG (water soluble) thereby opening a broad range of new applications for PPVs outside the electronics field. One of those applications is the biomedical field and more specifically bioimaging or drug delivery. Synthesis of amphiphilic PPV block copolymers containing a PPV block and a (meth)acrylate or methacrylamide block was realized using SET-LRP reaction conditions. The block copolymers spontaneously self-assembled into micelles upon contact with water. The resulting non-cytotoxic micelles – by themselves non-fluorescent – showed excellent stability and payload retention for up to 1 year and were successfully loaded with anti-cancer drug (Curcumin or Doxorubicin). The micelles were taken up efficiently by the cells, which triggers spontaneous decomposition, releasing the encapsulated material. Hence, a first step for the use of PPVs in both bioimaging as well as drug delivery was taken. As a result, the second part of the thesis is focused on the use of continuous flow reactors for the synthesis of complex (PPV) macromolecules. All results so far were obtained by performing batch reactions. However, the use of flow reactors has over the last years proven to be beneficial over batch reactions due to their excellent isothermal reaction conditions, efficient radial mixing as well as its easiness to scale up reactions from mg to kg. A general method for the continuous synthesis of the multi-step radical sulfinyl-route (MDMO)-PPV polymerizations was made available in this way by coupling two flow microreactors. Conjugated polymers could directly be obtained from the monomer which under batch conditions was not easily reached, especially for this type of polymerization. Next, flow reactors were used as a way to systematically screen the very fast precursor polymerizations in time, thereby obtaining – for the very first time – reliable and time dependent data for different reaction times, temperatures and concentrations for the synthesis of (MDMO)-PPV precursor polymer via the radical sulfinyl route. Subsequently, this data was used for in-depth kinetic studies to get a better mechanistic and kinetic understanding of this specific polymerization by using Predici®. Two models were built in which chain transfer could lead to inhibition of the polymerization or that the transfer reaction is in line with classical free radical polymerization rules. Despite the differences between the radical precursor polymerization to conventional free radical copolymerization – mostly due to differences in initiation and biradical formation – the reaction followed similar driving forces as observed for most radical polymerizations and kinetic rate coefficients were in the same order of magnitude. In the last part of the thesis, the use of continuous flow reactions is expanded to other polymerization methods and more specifically the synthesis of dendrimers via photo-enol reactions. In here, ESI-MS/Microreactor coupling was used, a technique recently developed in our group to on-line monitor reactions via ESIMS. As a result the photo-enol reaction between a trifunctional trisuccinate core and bifunctional disuccinate arm was fully screened on-line. Despite product formation was clearly observed in ESI-MS, 1H NMR as well as SEC, side product formation hindered the continuous synthesis of high order dendrimers. More research could elucidate on these side reactions to enable full conversions and the one-pot synthesis of dendrimers via photo-enol reactions.

Poly(p-Phenylene Vinylenes) (PPVs) en zijn derivaten kunnen gezien worden als een van de meest bestudeerde geconjugeerde materialen van de afgelopen decennia. Ondanks dat dit materiaal voornamelijk werd gebruikt in fotovoltaïsche toepassing, hebben zich de laatste jaren steeds meer mogelijkheden voorgedaan voor het gebruik van PPVs in de biosensoren of het biomedische onderzoek. De uitstekende fluorescerende eigenschappen in combinatie met zijn lage ladingsmobiliteit maken PPVs de ideale kandidaat om huidige bioimaging materialen zoals organische fluorescerende markers te vervangen. Met het oog op deze doelstellingen hebben we ons in deze thesis gericht op het verkrijgen van meer en beter inzicht in het mechanisme dat gepaard gaat met de synthese van PPVs enerzijds, alsmede het toepassingsgebied uit te breiden door complexe PPV structuren te ontwikkelen met als einddoel theranostics. In de eerste fase hebben we ons toegelegd op de gecontroleerde synthese van (MDMO)-PPV via de radicalaire sulfinyl route, door gebruik te maken van een ketenoverdrachtsreagens. Het karakteriseren van de verschillende polymerisaties verliep systematisch (variatie in temperatuur, concentratie, reactietijd) wat heeft geleid tot een negatieve activeringsenergie bij het gebuik van CBr4 as ketenoverdrachtsreagens. Door het gebruik van CBr4, werden de keteneindes voorzien van CBr4 afgeleiden, welke in een volgende stap gereïnitieerd werden. Gecombineerd met het gebruik van atom transfer radical polymerization (ATRP) reactie condities kon op deze manier de synthese van PPV blokcopolymeren gerealiseerd worden. Daarnaast werden de wel bekende CuAAC (copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition) reactie condities gebruikt voor de synthese van zowel PPV blok als multi-blokcopolymeren. Ondanks de grote successen van de radicalaire sulfinyl route om eerst homopolymeren en volgens multiblokcopolymeren te verkrijgen, vond er simultaan gelijksoortig onderzoek plaats voor de synthese van complexe structuren startende met PPVs gesynthetiseerd via de anionische sulfinyl route. Via deze route konden op een gemakkelijke, snelle en veel efficiëntere manier, verfijnde complexe polymeren via een levende polymerisatie verkregen worden. Er werd daarom besloten om de focus naar de anionische route te schuiven, waarbij amfifiele PPV blok copolymeren werden ontworpen door gebruik te maken van post-polymerisatie methodes enerzijds of het gebruik van een hydrofiel niet-PPV-blok. Wanneer (MDMO)-PPV wordt gecombineerd met een ester-gefunctionaliseerde (CPM)-PPV leidt dit tot copolymeren met een ester in de zijketen welke gemakkelijk gefuntionaliseerd kunnen worden. Hierbij valt te denken aan hydrolyse reacties om het polymeer wateroplosbaar te maken, maar eventuele functionalisatie met een alkyn – voor het gebruik van bijvoorbeeld oppervlakte reacties – of alkeen zijgroepen – te gebruiken in de welbekende Thiol-Ene reacties – openen hiermee een breed scala aan nieuwe toepassingen voor PPVs buiten het elektronische gebied. Een van die toepassingen is het gebruik in de biomedische wereld en meer specifiek als bioimaging reagens of voor drug delivery. Synthese van amfifiele PPV blokcopolymeren zelfassembleren in water spontaan tot micellen. Deze niet cytotoxische micellen – van zichzelf niet fluorescerend – vertonen uitstekende stabiliteit voor een periode van een jaar en kunnen succesvol geladen worden met anti-kanker medicijnen (Curcumin or Doxorubicin). Cel studies wijzen uit dat de micellen perfect kunnen worden opgenomen door de cel, waar de eventuele lading aanwezig in de micellen spontaan vrijgelaten wordt. Deze eerste studies laten de kracht van PPVs zien en het gebruik ervan in de biomedische wereld. Het tweede deel van deze thesis handelt over het verkrijgen van meer inzicht in het mechanisme dat gepaard gaat met de polymerisatie van complexe PPV macromoleculen. Alle resultaten tot dusver zijn verkregen door gebruik te maken van batchreacties. De laatste jaren echter is het gebruik van flowreactoren enorm toegenomen en heeft dit geleid tot een nieuwe succesvolle manier om reacties uit te voeren, daar reacties in flow uitgevoerd kunnen worden met bijna perfect radiaal mixgedrag, isotherme reactiecondities en het gemak om van mg naar kg op te schalen. Een algemene methode voor de multi-stap synthese van geconjugeerde PPVs via de radicalaire sulfinyl route is opgesteld door twee reactoren aan elkaar te koppelen. Geconjugeerde polymeren kunnen op deze manier door toediening van het monomeer en de base direct verkregen worden, iets wat onder batchcondities niet haalbaar is. Daarnaast worden flowreactoren veelal gebruikt voor het screenen van reactiecondities, daar met een relatief kleine hoeveelheid materiaal een scala aan reactiecondities op een eenvoudige en continue manier getest kunnen worden. Op deze manier kan er voor de eerste keer betrouwbare tijdsafhankelijk data verkregen worden voor de synthese van (MDMO)-PPV via de radicalaire sulfinyl route. Deze data werd vervolgens gebruikt als input in een theoretisch model – opgesteld via Predici® – om op die manier een beter inzicht in de kinetiek van deze specifieke polymerisatie te krijgen. Twee modellen werden opgesteld, één waar ketenoverdracht leidt tot inhibitie terwijl de andere de regels van de klassieke vrije radicaalpolymerisatie volgt. Ondanks de verschillen tussen de radicalaire route om PPVs te verkrijgen en de klassieke manier – vooral door het verschil in initiatie van de reactie – lijken beide reactie dezelfde drijfkracht te bezitten. Daarnaast liggen de verkregen reactiesnelheidsconstantes in dezelfde orde van grootte als die voor klassieke vrije radicaal polymerisatie. In het laatste deel van de thesis wordt het gebruik van flowreactoren verder uitgebreid naar de synthese van dendrimeren via foto-enol reacties. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van een ESI-MS/flowreactorkoppeling, een techniek die het online volgen van reacties mogelijk maakt. Daardoor kan de reactie tussen een trifunctionele trisuccinaat en difunctionele disuccinaat volledig gevolgd worden met alle reacties en zijproduct vorming. Helaas bleek deze laatste de overhand te hebben. Om die reden was het nog niet mogelijk om hogere ordes dendrimeren in de flowreactor te synthetiseren, maar meer onderzoek zou het evenwicht van de reactie de juiste kant op kunnen drijven om zo op een simpele en efficiënte manier de continue synthese van dendrimeren via foto-enol reacties in flowreactoren te verwezenlijken.